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CN101535878A - 具有高照明均匀度的背光型显示屏 - Google Patents

具有高照明均匀度的背光型显示屏 Download PDF

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CN101535878A
CN101535878A CNA2007800409844A CN200780040984A CN101535878A CN 101535878 A CN101535878 A CN 101535878A CN A2007800409844 A CNA2007800409844 A CN A2007800409844A CN 200780040984 A CN200780040984 A CN 200780040984A CN 101535878 A CN101535878 A CN 101535878A
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肯尼思·A·爱泼斯坦
肯尼思·J·汉利
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3M Innovative Properties Co
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Abstract

一种直接照明式显示单元，所述显示单元具有显示面板和一个或多个设置在所述显示面板背面的光源。一种设置在所述一个或多个光源与所述显示面板之间的扩散器，以及一种设置在所述一个或多个光源与所述扩散器之间的光转向层。所述光转向层具有面向所述一个或多个光源的第一光转向表面和面向所述显示面板的第二光转向表面。所述光转向层将所述一个或多个光源发出的光转向至所述扩散器，从而改善所述显示单元内的光的均匀度。

Description

具有高照明均匀度的背光型显示屏
相关专利申请
本专利申请与提交于2006年11月15日并且以引用方式并入本文的以下美国专利申请有关：专利申请No.11/560234“Back-Lit Displayswith High Illumination Uniformity”(具有高照明均匀度的背光型显示屏)；专利申请No.11/560271“Back-Lit Displays with HighIllumination Uniformity”(具有高照明均匀度的背光型显示屏)；专利申请No.60/865944“Back-Lit Displays with High IlluminationUniformity”(具有高照明均匀度的背光型显示屏)；以及专利申请No.11/560250“Back-Lit Displays with High Illumination Uniformity”(具有高照明均匀度的背光型显示屏)。
技术领域
本发明涉及光学显示屏，更具体地讲，涉及光源从背后直接照明的液晶显示屏(LCD)，例如可以用于液晶监视器和液晶电视机的显示屏。
背景技术
一些显示系统是从背后照明的，例如液晶显示屏(LCD)。已经发现此类显示屏广泛应用于多种装置中，例如膝上型计算机、手持计算器、电子表、电视机等。一些背光型显示屏包括位于显示屏侧的光源，以及布置为将光从光源导向至显示面板背面的光导装置。其他背光型显示屏，例如一些液晶监视器和液晶电视机(LCD-TV)，使用布置在显示面板背后的多个光源从背后直接照明。较大的显示屏越来越多地采用后一种布置方式，因为要达到一定程度的显示亮度所需的光能要求随显示屏尺寸的平方增加，而布置沿显示屏侧的光源的可用空间仅随显示屏尺寸线性增加。此外，一些显示屏应用，例如液晶电视机，需要显示屏足够亮，以便能够从比其他应用更远的距离进行观看。此外，液晶电视机的视角要求通常不同于液晶监视器和手持装置的视角要求。
许多液晶监视器和液晶电视机使用多个冷阴极荧光灯(CCFL)从背后照明。这些光源是线性的并且在显示屏的整个宽度上延伸，其结果是利用由较暗区域分隔开的一系列亮条纹照亮显示屏的背面。这种照度分布是不可取的，因此通常使用扩散板来使液晶显示屏装置背面的照度分布均匀。
使用位于灯背面的漫反射器将光导向观察者，灯布置在反射器与扩散器之间。漫反射器与扩散器之间的间距受限于从扩散器发出的光的所需亮度均匀度。如果间距太小，则照明均匀度会降低，从而降低观察者看到的图像质量。发生这种情况的原因是光在灯之间进行均匀发散的空间不足。
发明内容
本发明的一个实施例涉及直接照明式显示单元，该显示单元具有显示面板以及设置在显示面板后方的一个或多个光源。所述一个或多个光源能够生成照明光。扩散器设置在一个或多个光源与显示面板之间。光转向层设置在一个或多个光源与扩散器之间。光转向层具有朝向一个或多个光源的第一光转向表面。第一光转向表面主要在正交于光转向层的第一转向平面内，对垂直地入射到光转向层上的光进行转向。光转向层还具有朝向扩散器的第二光转向表面。第二光转向层经过构造，从而优选地将以垂直于光转向层的方向在光转向层中传播的光线转向到不与第一光转向平面平行的第二转向平面内。
本发明的另一个实施例涉及直接照明式显示单元，该显示单元具有显示面板和一个或多个设置在显示面板背面的光源，所述一个或多个光源能够发出照明光。扩散器设置在一个或多个光源与显示面板之间。光转向层设置在一个或多个光源与扩散器之间。光转向层具有朝向一个或多个光源的第一光转向表面，以及朝向显示面板的第二光转向表面，来自一个或多个光源的、以基本垂直于光转向层的方向在光转向层内传播的至少第一部分光线基本通过第二光转向表面的平坦部分传输，并且来自一个或多个光源的、以基本垂直于光转向层的方向在光转向层内传播的至少第二部分光线在第二光转向表面的倾斜部分处被全内反射。
本发明的上述发明内容并非意图描述本发明的每个图示实施例或每种实施方式。附图和下列具体实施方式更具体地举例说明了这些实施例。
附图说明
结合下面参照附图对如下本发明的各种实施例的详细描述，可以更全面地理解本发明，其中：
图1示意性地示出了采用根据本发明原理的亮度均匀层的背光型液晶显示装置；
图2示意性地示出了根据本发明原理的均匀度增强薄膜(EUF)的实施例；
图3A、3B、4A-4D、5、6A和6B示意性地示出根据本发明原理的EUF的更多实施例；
图7A-7C示意性地示出了包括根据本发明原理的EUF的光控制单元的不同实施例；
图8示意性地示出了根据本发明原理，包括光源和光控膜的照明单元的实施例；
图9A和9B示出根据本发明原理的EUF的建模过程中使用的各个参数；
图10提供了对照亮度绘制的计算出的各个模型实例的亮度均匀度散点图；
图11示出各个模型实例的亮度随照明元件上的位置而变化的函数关系图；
图12示出计算出的从各个模型实例的照明单元以不同角度发出的光的亮度均匀度；
图13A-D和13F示出多个极性锥光图，用于描述EUF的操作；
图13E示意性地示出示例性模型EUF；
图14示出各个模型的亮度均匀度随示例扩散器和反射器之间间距而变化的函数关系图；以及
图15提供了用实验方法得到的亮度测量值，这些测量值随使用多个光管理层组合的整个样品光箱上的位置而变化。
虽然本发明可具有多种修改形式和替代形式，但其具体形式已经在附图中以举例的方式示出，并且将进行详细的描述。然而应当理解：其目的不是将本发明限制于所描述的具体实施例。相反，本发明的目的在于涵盖所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的全部修改形式、等同形式和替代形式。
具体实施方式
本发明适用于显示面板，例如液晶显示屏(LCD)，尤其适用于直接从背后照明的液晶显示屏，例如液晶监视器和液晶电视机(LCD-TV)使用的显示屏。更具体地讲，本发明涉及直接照明式背光源所产生的、用于照明液晶显示屏的光控制。光控膜结构通常布置在背光源与显示面板之间。光控膜结构可以层合在一起，也可以为自立式，其通常包括扩散层和至少一个具有棱镜结构化表面的增亮薄膜。
图1示出了直接照明式显示装置100的示例性实施例的示意分解图，这种显示装置100可用于例如液晶监视器或液晶电视。显示装置100可以液晶板102的使用为基础，液晶板通常包括设置在面板106之间的液晶层104。面板106通常由玻璃制成，其内表面可包括电极结构和定向层，用以控制液晶层104中液晶的取向。电极结构通常构型为限定液晶板像素，即其中的液晶取向控制可独立于邻近区域的液晶层区域。一个或多个面板106中还可包括用于在显示的图像上附加颜色的滤色片。
上吸收偏振片108布置在液晶层104的上面，而下吸收型偏振片110设置在液晶层104的下面。在示例性实施例中，上、下吸收偏振片位于液晶面板102的外部。吸收偏振片108、110和液晶面板102联合控制背光源112发出的光穿过显示器100到达观察者的传播过程。例如，可以将吸收偏振器108、110布置为其透射轴为垂直的。处于非活动状态的液晶层104的像素可能不会更改从其中通过的光的偏振态。因此，穿过下吸收偏振片110的光由上吸收偏振片108吸收。另一方面，当像素被激活时，从其中通过的光的偏振被旋转，使得至少有一些透射过下吸收偏振片110的光也透射过上吸收偏振片108。有选择地激活液晶层104的不同像素，例如通过控制器114进行，使得光在某些期望的位置处穿出显示器，从而形成观察者看到的图像。控制器可以包括(例如)计算机或接收并显示电视图像的电视机控制器。上吸收型偏振器108上可以提供一个或多个可选的层109，(例如)以便对显示屏表面提供机械和/或环境保护。在一个示例性实施例中，层109可以包括位于吸收型偏振器108上方的硬质涂层。
应当理解，一些类型的液晶显示屏的工作方式可以与上述方式不同。例如，吸收型偏振器可以平行排列，并且在未激活状态下液晶面板可以使光的偏振态发生旋转。无论如何，这种显示屏的基本结构仍然与上述基本结构相似。
背光源112包括多个光源116，光源产生用来照明液晶面板102的光。液晶电视或液晶监视器中所用光源116通常为沿着显示装置100的高度方向延伸的线性冷阴极荧光管。然而，也可以使用其他类型的光源，例如白炽灯或弧光灯、发光二极管(LED)、平面荧光板或外部荧光灯。该光源列表并非意图限制或详尽列举，仅作为示例。
背光源112还可包括反射器118，用于反射从光源116以远离液晶面板102的方向向下传播的光。反射器118也可用于使光在显示装置100内进行循环，如下文所解释的那样。反射器118可以是镜面反射器，或者是漫反射器。可以用作反射器118的镜面反射器的一个例子为从3M Company(St.Paul，Minncsota)购得的VikuitiTM增强镜面反射(VikuitiTMEnhanced Specular Reflection)(ESR)。适于漫反射器的例子包括填充有漫反射颗粒(例如二氧化钛、硫酸钡、碳酸钙等)的聚合物，例如PET、PC、PP、PS。漫反射器的其他例子包括微孔材料和含纤丝材料，其在共同拥有的美国专利申请公开No.2003/0118805 A1中有所讨论。
光控制薄膜的构造120(也称为光控制单元)设置在背光源112和液晶面板102之间。该光控制薄膜会影响背光源112发出的光的传播，从而改善显示装置100的运行。例如，光控制薄膜的构造120可以包括扩散板122。扩散板122用于扩散接收的光源发出的光，从而提高液晶面板102上的入射照明光的均匀度。最终使得观察者感受到的图像亮度更均匀。在一些实施例中，扩散板122可以形成为含有大量漫射颗粒的层。在一些实施例中，扩散板可以附接到光控膜结构120的另一个层上，或者可以省去扩散板。
光控制单元120还可包括反射偏振片124。光源116通常产生非偏振光，而下吸收偏振片110仅透射单一偏振状态的光，因此光源116所产生的光中约一半没有透射到液晶层104。然而，可使用反射偏振片124反射本来会在下吸收偏振片中被吸收的光，因此，这些光可通过反射偏振片124和反射器118之间不断的反射被循环利用。至少一些通过反射偏振片124反射的光可被去偏振，并且随后以偏振状态返回到反射偏振片124，这些光透射过反射偏振片124和下吸收偏振片110到达液晶层104。这样，反射偏振片124可用于让更多的光源116发出的光到达液晶层104，因此，显示装置100所产生的图像更亮。
可以使用任何适当类型的反射型偏振器，例如多层光学薄膜(MOF)反射型偏振器；漫反射偏振膜(DRPF)，例如连续相/分散相偏振器、线栅型反射偏振器或胆甾型反射偏振器。
MOF反射偏振器以及连续相/分散相反射偏振器均依靠至少两种材料(通常为聚合物材料)之间的折射率差值来选择性地反射一种偏振状态的光，而透射正交偏振状态的光。MOF反射偏振片的一些例子在共同拥有的美国专利5,882,774中有所描述。市售MOF反射偏振片的例子包括VikuitiTM DBEF-D200和DBEF-D440多层反射偏振片，这些偏振片具有漫射表面，可得自3M Company St.Paul，Minnesota。
与本发明有关的可用DRPF的例子包括在共同拥有的美国专利No.5,825,543中所描述的连续/分散相反射偏振片，以及在(例如)共同拥有的美国专利No.5,867,316中所描述的漫反射多层偏振片。其他合适类型的DRPF在美国专利No.5,751,388中有所描述。
与本发明有关的可用线栅偏振片的一些实例包括那些在美国专利No.6,122,103中描述的线栅偏振片。特别地，线栅偏振片可从Moxtek Inc.，Orem，Utah商购获得。
与本发明有关的可用的胆甾型偏振片的一些例子包括在(例如)美国专利No.5,793,456和美国专利公开No.2002/0159019中所描述的那些。胆甾型偏振片常常具有位于输出侧的四分之一波长延迟层，从而将经胆甾型偏振片透射的光转化为线性偏振光。
在一些实施例中，反射型偏振器126可形成漫射，例如通过面向背光源112的漫射表面。在其他实施例中，反射型偏振器126可具有增亮表面，该表面会增加穿过反射型偏振器126的光线的增益。例如，反射型偏振器126的上表面可以具有棱柱增亮表面或增益漫射表面。将在下文中对增亮表面进行更详细地描述。在其他实施例中，反射型偏振器可以在面向背光源112的侧面上具有漫射结构(例如漫射表面或空间)，以及在面向液晶面板102的侧面上具有增亮结构(例如棱镜表面或增益漫射表面)。
在某些示例性实施例中可以提供偏振控制层126，例如在扩散板122和反射型偏振器124之间。偏振控制层126的例子包括四分之一波长延迟层和偏振旋转层，例如液晶偏振旋转层。偏振控制层126可以用于改变被反射型偏振器124反射的光的偏振态，从而增加透过反射型偏振器124的循环光。
光控制层结构120还可以包括一个或多个增亮层。增亮层是包括表面结构的层，该表面结构可将离轴光的方向重新导向为更靠近显示屏轴132的方向。这会增加穿过液晶层104的轴向传播光量，从而增加观察者所看到的图像的亮度。一个例子为棱镜增亮层，它具有多个棱镜脊，能够通过折射和反射改变照明光的方向。可以用于显示装置的棱镜增亮层的例子包括可得自3M Company，(St.Paul，Minnesota)的VikuitiTM BEFII和BEFIII系列棱镜膜(VikuitiTM BEFII and BEFIII family of prismaticfilms)，包括BEFII 90/24、BEFII 90/50、BEFIIIM 90/50以及BEFIIIT。
棱镜增亮层通常在一个维度中提供光学增益。光控制层结构120中也可以包括第二增亮层128b，其中棱镜增亮层被布置为其棱镜结构垂直取向于第一增亮层128a的棱镜结构。这种构造在两个维度中增加了显示单元的光学增益。在图示实施例中，增亮层128a、128b布置在背光源112和反射型偏振器124之间。在其他实施例中，增亮层128a和128b可以设置在反射型偏振器124和液晶面板102之间。
可以用于增强透过显示屏的光的轴向亮度的另一类增亮层128a为增益扩散层。增益扩散层的一个例子为具有在其上表面上充当透镜的元件结构的层。透过增益扩散层128a的本来会以相对于显示屏轴132的较大角度传播的光中，至少一些被层表面上的元件重新导向，以更平行于轴132的方向传播。可以使用不止一个增益扩散增亮层128a。例如可以使用两层或三层增益扩散层128a、128b。此外，一层或多层增益扩散层128a可以与一个或多个棱镜增亮膜128b一起使用。在这种情况下，增益扩散膜128a和棱镜增亮层128b可以按任何所需顺序设置在光控膜120的结构内。可以用于显示器的增益扩散层的一个例子为得自Keiwa Inc.(Osaka，Japan)的BS-42型薄膜。
光控制单元中的不同层可以是自立式的。在其他实施例中，光控制单元中的两层或更多层可以层合在一起，例如在共同拥有的美国专利申请公开No.2006/0082698中所描述的那样。在其他示例性实施例中，光控制单元可以包括两个通过间隙分开的子组件，例如在共同拥有的美国专利申请公开No.2006/0082700中所描述的那样。
通常，在针对给定亮度和照明均匀度值设计显示屏时，光源116与扩散层122之间的间距、相邻光源116之间的间距以及扩散器的透射是要考虑的重要因素。一般来讲，强效扩散器(即可扩散较高比例入射光的扩散器)将使均匀度得到改善，但也会导致亮度减小，因为高扩散水平会伴有较强的反向扩散，同时也会增加损耗。
在正常扩散条件下，从整个屏幕上看到的亮度变化是通过光源上方的亮度最大值和光源之间的亮度最小值来表征的。均匀度增强薄膜(EUF)130可以布置在光源130与扩散层122之间，以降低显示面板102照度的不均匀性。EUF 130的每个面(即面向光源116的面和面向显示面板102的面)都可以是光转向表面。光转向表面由多个光转向元件形成，光转向元件通过折射方式使光从EUF 130的侧面转向另一侧面，降低照度的不均匀性。光转向元件包括EUF表面上与EUF 130的平面不平行的一部分。
图2示意性地示出了EUF 200的一个具体示例性实施例。EUF 200包括第一光转向表面202，该表面包括第一光转向元件204。在该具体实施例中，光转向元件204形成为位于EUF 200整个表面上的肋并具有三角形横截面。第二光转向表面206也包括具有三角形横截面的肋状的光转向元件208。在EUF 200的这种构造中，光转向元件204和208的相对取向使得从下方以平行于z轴方向入射在EUF 200上的光210，在x-z平面上被第二光转向表面206转向。在退出EUF 200时，在EUF 200中以平行于z轴方向传播的光，在y-z平面上被第一光转向表面202转向。这样，由于垂直入射在薄膜200上的光在平行于x-z平面上转向，因此可以说元件204形成了平行于x-z方向的光转向平面。同样，由于以平行于z轴方向在薄膜内传播的光在y-z平面上转向，因此可以说元件208形成了平行于y-z方向的光转向平面。在该构造中，由光转向元件204和208形成的光转向平面相互垂直。在其他构造中，光转向平面可以既不平行也不垂直。
在一些构造中，上面或下面的光转向元件可以以不止一个方向使光转向。在这种情况下，光转向平面是指构成最大转向方向的平面。
在一些实施例中，EUF本身可以由漫射材料形成，例如含有大量漫射颗粒的聚合物基质。漫射颗粒可以遍布整个EUF，或者EUF的某些部分可以不含漫射颗粒，例如光转向元件。在具有漫射性的EUF部分，光控膜结构无需在EUF与显示面板之间包括额外的扩散层，尽管也可以具有额外的扩散层。
光转向表面可以包括不同形状的光转向元件，也可以包括多个与EUF平行的部分。图3A和3B示意性地示出了EUF的一些其他示例性实施例。在图3A中，EUF 300具有第一光转向表面302，该光转向表面包括具有三角形横截面形状的光转向元件304。该图还示出光转向元件304的顶角d。在该具体实施例中，相邻的光转向元件304之间具有平坦区域306，其中薄膜表面平行于EU F300的平面。平坦区域306的宽度以“w”表示。下光转向表面308可以具有与第一光转向表面302相同的形状，也可以具有不同的形状。
在图3B中，EUF 320具有包括光转向元件324的光转向表面322，其中光转向元件的横截面形状为截平的三角形，具有顶部平坦部分326。在该具体实施例中，相邻的光转向元件324之间也具有平坦区域328。下光转向表面330可以具有与第一光转向表面322相同的形状，也可以具有不同的形状。
图4A-4C示意性地示出了EUF的一些其他示例性实施例。在图4A中，EUF400具有第一光转向表面402，该第一光转向表面包括具有曲面406的光转向元件404。第二光转向表面408可以包括具有曲面的光转向元件，但这并非必需。同样，第一光转向表面可以不具有曲面，而第二光转向表面具有曲面。在图4B中，示例的EUF 420具有光转向表面422，该光转向表面包括具有曲面426和平坦部分428的光转向元件424。在该图示实施例中，平坦部分428平行于EUF薄膜420的平面。在一些实施例中，光转向表面422可以包括光转向元件424之间的平坦部分430。在该图示实施例中，平坦部分430平行于EUF420的平面。
在图4A和4B示出的示例性实施例中，光转向元件404、424的曲面包括表面倾斜度的相对突变，这种突变可以视为类似于数学上的不连续性。例如，倾斜度的突变发生在图4A中点408(光转向构件404的顶点)处，以及图4B中光转向构件424的点432处。这些倾斜度的相对突变可防止将单一光转向构件用作透镜，因为透镜需要其整个表面上倾斜度平稳变化。因此，光转向构件404、424不会形成从其中通过的平行光的单一焦点，无论是实焦点还是虚焦点。应当理解，单面EUF或双面EUF上可以包括本文所述的任何光转向表面，换句话讲，一种仅在薄膜的一个侧面上具有光转向表面，一种在两面上均具有光转向表面。
在图4A和4B示出的示例性实施例中，光转向元件402、422可以视为EUF 400、420的表1面上的凸起。在其他实施例中，光转向元件可以形成为EUF表面上的凹陷。图4C示意性地示出了这类EUF440的一个示例性实施例。在这种情况下，光转向表面442由具有表面446的光转向元件444形成。在一些实施例中，可以在凹陷中形成平坦区域448，并且可以在光转向元件444之间形成平坦区域450。光转向表面包括的光转向元件是从EUF上凸起还是陷入EUF，对于本发明来说并不重要，并且事实上，这两种构造在一些情况下可以视为等同形式，两个凹陷光转向元件之间的部分452被视为从EUF上凸起的光转向元件。
光转向元件不需要全部具有相同的高度。例如，如图4D中示意性地示出的那样，光转向元件464可以具有不同的高度。而且，单个光转向元件可以具有沿其长度变化的高度。例如，第二光转向表面468上的光转向元件470的高度h会根据沿薄膜460的位置而有所变化。
图5示意性地示出了具有不同高度的光转向元件的EUF的另一个实施例。EUF 500具有第一光转向表面502，该第一光转向表面的光转向元件504形成为具有起伏的脊508的棱镜506。脊508的高度沿着棱镜506变化，并且宽度w也沿着棱镜506变化。这类表面在美国专利申请公开No.2007/0047254中有更详细的描述。第二光转向表面510可以包括任何所需形状的光转向元件。例如，第二光转向表面510可以包括形成为具有起伏的脊的棱镜的光转向元件。
光转向元件不需要相对于EUF的法线对称。图6A示意性地示出了具有非对称光转向元件602的EUF 600的一个实例。在该具体实施例中，光转向元件602形成为具有直面的棱镜。至少一些光转向元件(例如光转向元件602a和602b)相对于垂直于EUF 600所画的轴604为非对称的。下光转向表面606可以包括或不包括非对称的光转向元件。
图6B示意性地示出了具有非对称光转向元件622的EUF 620的另一个实施例。至少一些光转向元件622具有弯曲的侧面，并且其相对于垂直于EUF 620的轴624为非对称的，例如元件622a和622b。
图7A示意性地示出了具有其他光控制层704的EUF的使用。在该图示实施例中，光控制层704包括棱镜增亮层。在其他实施例中，可以将不同类型的层或额外的光控制层(例如反射偏振层)布置在扩散层702的上方。EUF 710布置在扩散层702的入射面。EUF710具有面向扩散层702的第一光转向表面712和背向扩散层702的第二光转向表面714。发自一个或多个光源(未示出)的光708穿过EUF710到达扩散层702，然后射在其他光控制层704上。
在一些实施例中，第一光转向表面712可以附接到扩散层702上，例如通过使用粘合剂。图7B示意性地示出了此类结构的一个示例性实施例，其中第一光转向表面712的部分穿入扩散层702下表面703上的粘合剂层722中。在一些实施例中，粘合剂层722与表面712的部分之间留有间隙724。美国专利No.6,846,089中更详细地描述了使用粘合剂将结构化的薄膜表面附接到其他层的情况。
图7C示意性地示出了另一个示例性实施例，其中光转向表面712包括具有平行于扩散层702下表面702a的部分730的光转向元件。可以将光转向表面712的表面压贴在扩散层702的下表面702a上，也可以将其粘附到下表面702a上，例如使用粘合剂粘附。
模型实例
构造了一个具有背光源和光控制单元的显示屏照明单元的光线追迹模型，以调查照明单元的光学性能随EUF各种参数的变化情况。图8示意性地示出了模型照明单元800，其包括限定了光源阵列腔体804边缘界限的反射框架802、位于灯808阵列下方的后反射器806、扩散层810和EUF812。除非另外指明，否则模型假定反射器806为镜面反射器。模型假定每个灯808均包括亮度为38,000尼特的细长光源，类似于冷阴极荧光灯。灯808以中心至中心距离S规则地间隔开，反射器806与扩散层810之间的间距给定为D，灯808与反射器806之间的间距为H。灯808之间的间距S假定为30mm，灯的直径2R假定为3mm，D值假定为7mm。扩散层810的厚度为2mm，而EUF812的厚度为约0.45mm，并且与扩散层810的下表面相接触。腔体内有三个灯泡808。增亮层814和反射偏振层815布置在扩散层810的上方。增亮层814由平行于灯泡808伸长方向取向的棱脊形成。
EUF所用材料的折射率假定为1.586，其对应于可用于EUF的环氧丙烯酸酯材料的折射率值。EUF可以使用其他合适类型的材料。聚合物材料的例子包括但不限于：聚碳酸酯(PC)；间同立构和全同立构的聚苯乙烯(PS)；C1-C8烷基苯乙烯；含烷基、含芳族环和含脂肪族环的(甲基)丙烯酸酯，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和PMMA共聚物；乙氧基和丙氧基(甲基)丙烯酸酯；多官能(甲基)丙烯酸酯；丙烯酸改性环氧树脂；环氧树脂；以及其他的烯键式不饱和材料；环状烯烃和环状烯共聚物；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)；苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)；环氧树脂；聚乙烯基环己烷；PMMA/聚氟乙烯共混物；聚苯醚合金；苯乙烯系嵌段共聚物；聚酰亚胺；聚砜；聚氯乙烯；聚二甲基硅氧烷(PDMS)；聚氨酯；不饱和聚酯；聚乙烯，包括低双折射聚乙烯；聚丙烯(PP)；聚对苯二甲酸烷基酯，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；聚萘二甲酸烷基酯，例如聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；聚酰胺；离聚物；乙酸乙烯酯/聚乙烯共聚物；乙酸纤维素；醋酸丁酸纤维素；含氟聚合物；聚苯乙烯-聚乙烯共聚物；PET和PEN共聚物，包括多烯键的PET和PEN；以及聚碳酸酯/脂族PET共混物。术语(甲基)丙烯酸酯定义为相应的甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯化合物。
针对EUF上各种形状的光转向表面，构建了扩散层810发出的光的均匀度模型。EUF 900的表面的模型如图9A和9B所示。面向扩散层的光转向上表面902具有光转向元件904，该光转向元件具有曲率半径为R的曲面906。假设光转向元件904按间距P布置。R为无量纲数，归一化为间距P的倍数。因此，如果曲率半径是间距的50倍，R的值就是50。光转向元件的顶角θ由连接光转向元件904顶点和光转向元件904底角的假想的三角形限定。在某些情况下，光转向元件的模型具有平坦顶端。平坦部分908的范围F在0与0.2P之间变化。具有平坦部分的光转向元件904的顶角应取为不在光转向元件上截出平坦部分时光转向元件904的顶角。图9B示出了光转向元件下表面912，其中光转向元件914伸出EUF 900。
在以下讨论的所有情况中，每个光转向表面902和912的光转向元件904和914尺寸相同，并具有一致的高度。采用蒙特卡罗方法就不同参数的各种取值对照明单元的行为构建了模型。
实例
实例1-6对EUF位于扩散层下方的照明单元进行了建模
对各种EUF参数具有若干组合的照明单元的光学特性进行了建模。表I列出了各种EUF参数的不同范围。术语“顶角”是指光转向构件的顶角，术语“平坦长度”是指平坦区域的长度F，术语“R”是指光转向元件的曲率半径。术语“底部”是指面向光源的EUF的下表面，术语“顶部”是指背向光源的EUF的上表面。
术语“扩散器-g”是指Henyey-Greenstein扩散参数：g＝1时，完全向前散射；g＝-1时，完全向后散射。g＝0对应于向所有方向均匀散射。模型中使用的g的值在0.92-0.955的范围内，这大约对应于透过2mm厚扩散器的单程透射率在56％-99％范围内。散射光的角分布f(θ)按f＝(1-g2)/[2(1+g2-2gcos θ)1.5]给出，其中θ为相对于光线入射方向的角度。对于这些g值，散射在向前方向高度偏斜。描述扩散器内光线的平均自由路径倒数的Henyey-Greenstein u-因子设置为14mm-1。因此，散射系数C为指数级因子，由C＝e-ud给出，其中d为扩散器内的位置。
如图8所示，灯高H是指灯和反射器之间的间距。模型中包括了光学损耗：假设反射器反射98.5％的入射光，剩余1.5％被吸收，并假设光学膜材料的吸收波长为0.003mm-1。除非另外指明，模型中的反射器为镜面反射器。参数A、T和R分别对应于被反射器吸收、透射和反射的入射光的百分比。
表I：参数范围
 
参数 最小值 最大值
底部顶角(度) 58 80
底部平坦长度 0 0.2
底部半径 0.8 100
顶部顶角(度) 70 110
顶部平坦长度 0 0.2
顶部半径 0.8 100
扩散器-g 0.92 0.98
灯高H(mm) 0.02 2
A(％) 5.1 2.3
T(％) 60.6 79.5
R(％) 34.7 18.2
表II给出了实例1A-6A使用的各种参数的实际值。实例1A-6A选自所考虑的多个不同组合，并示例性地表现了总体亮度和均匀度方面的良好性能。
表II  实例1-6的参数值
 
参数 实例1 实例2 实例3 实例4 实例5 实例6
底部顶角(度) 62.0 63.9 63.7 62.2 62.2 66
底部平坦长度 0.16 0.16 0.12 0.15 0.13 0.001
底部半径 3.9 4.3 5.4 4.1 5.6 100
顶部顶角(度) 89.1 90.2 79.5 89.9 77.3 100
顶部平坦长度 0.11 0.10 0.17 0.12 0.14 0.001
顶部半径 0.92 1.14 0.93 1.02 0.87 100
扩散器-g 0.98 0.98 0.97 0.97 0.97 0.97
灯高H(mm) 0.89 0.61 0.47 0.68 0.42 0.5
腔体深度D(mm) 7 7 7 7 7 7
按照从光源开始的顺序，实例1-6的照明单元包括EUF、扩散器、棱镜增亮层和反射偏振层。
比较例7-12：不带EUF的照明单元
为了对具有EUF的照明单元和常规照明单元进行性能比较，收集了如图8所示照明单元(不同的是不包括EUF812)的若干组比较数据。表III给出了这些比较例中使用的扩散器-g和灯高的值。
表III  比较例的参数值
 
参数 实例7 实例8 实例9 实例10 实例11 实例12
扩散器-g 0.963 0.965 0.967 0.97 0.973 0.976
H(mm) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
在两个不同条件下分析了实例7-12，即i)反射器为漫反射器806和ii)反射器为镜面反射器806。漫反射器被视为反射率为97％的朗伯表面。这两种不同条件在实例名称中用跟在实例编号后面的字母加以表示，字母“D”表示使用漫反射器的实例，字母“S”表示使用镜面反射器的实例。因此，例如，实例7有两组数据。标记为“7D”的一组表示使用漫反射器的实例7，标记为“7S”的一组表示使用镜面反射器的实例7。“S”和“D”实例的所有其他参数值都相同。
建模结果
使用模型计算了照明单元的各种工作参数，其中包括照明单元上方光线的亮度和沿垂直于照明单元薄膜方向传播的光线的亮度均匀度。图10提供了显示相对亮度均匀度(单位：％)与亮度(单位：尼特)关系的散点图。某个实例的亮度均匀度以该实例亮度的百分比给出。比较例7S-12S表现出略高于EUF实例(1-6)的平均亮度，并且透射率越高的实例亮度也越高。亮度最高的EUF实例为实例1，其亮度大约为最亮的比较例(实例12S)的99.5％，而亮度最低的EUF实例(实例6)仍然具有实例12的亮度的大约96％。因此，相对于镜面反射的比较例7S-12S，EUF实例1-6的亮度即使较低，也并未显著降低。漫射比较例7D-12D显示出低于EUF实例1-6的亮度水平。
亮度均匀度计算为整个照明单元的均匀度的标准偏差除以照明单元产生的光的平均亮度的比率。因此，计算结果为相对均匀度值。EUF实例1-6的均匀度落在大约0.2％-1％的范围内，明显优于任一组比较例。镜面反射比较例7S-12S的均匀度在大约3.6％-4％的范围内，而漫反射实例7D-12D的均匀度则在大约6.6％-7.1％的范围内。因此，模型显示，EUF层的存在可以显著改善照明单元发出的光的均匀度，而亮度水平基本上保持不变。
图11A的坐标图示出照明单元发出的垂直传播的光线的亮度随位置而变化的函数关系。该图示出了所有EUF实例(实例1-6)与比较例9S和9D的亮度。实例9D和9S的亮度水平变化幅度大大超过实例1-6。
应当理解，为了提高EUF的性能，可以改变多个不同的EUF参数。EUF性能可以根据EUF抑制光源上方光强峰值的能力进行测量。可以变化的参数包括上下转向表面的顶角、曲率半径和平坦空间大小，也包括EUF材料的折射率。
图12的条形图示出了实例1-6和实例7S-9S中以各种角度从照明单元发出的光线的均匀度。对于每个实例，均提供以三个角度(即0°、15°和30°)传播的光线的亮度均匀度。图10也提供了0°的结果。15°和30°的结果表明：尽管大多数EUF实例仍旧显示30°的均匀度小于1％(只有两个实例在30°的均匀度略高于1％)，但随着角度的增加，均匀度略微降低。实例7S-9S在0°、15°和30°的亮度均匀度始终高于3.5％。
据信，双面EUF通过以下方式发挥作用。首先，参考图8的内容有助于理解，该图示出了具有光转向构件812a的EUF812，该光转向构件沿着平行于光源816轴线的方向伸长，并伸入该图的平面内。在一些示例性实施例中，这意味着光转向构件812a为沿着与荧光灯纵向轴线相同的方向伸长的肋状构件。当S＝30mm、D＝7mm并且H＝0.5mm时，EUF 812的下光转向表面的入射角在光源816正上方处为0°，在灯泡之间的中点P处为72°。
顶部光转向构件812b可以视为渐变式透射滤波器，其透射率取决于入射光的倾角。底部光转向构件812a根据入射角θi＝atan((D-d)/x)选择透射角度，其中d为光源816的中心高出反射器806的高度，x表示EUF下表面的入射点与EUF上的光源的正上方的点之间的间距。因此，穿过底部光转向构件812a的透射角为到光源816的灯泡的距离x的函数，该透射角又决定了穿过上光转向构件812b的透射率水平。EUF 812为控制光的透射率(作为到光源812的距离的函数)，从而影响亮度均匀度提供了有用的工具。
为了理解双面EUF的组合效应，单独考虑每一面的特性是有帮助的。首先考虑背向光源的上光转向表面的效应。该薄膜类似于增亮膜，由于棱镜内存在全内反射，增亮膜对于垂直入射光的光透射率较低，而对于以大于允许全内反射的角度入射的光线，透射率则显著提高。图13A示出了在类似棱镜增亮膜的平面/棱镜膜的平面侧上的透射入射光的极角/方位角图。假设棱镜顶角为90°(F＝0，R无穷大)。在该图中，深色阴影对应于透射光较多，白色对应于无透射光。棱镜轴沿线及周围的白色沙漏形区域与全内反射(TIR)区域重合。
结合图13B-13D描述了面向光源的光转向表面的效应。这些图提供了透过棱镜/平面膜的结构化侧的透射光的极角/方位角图，其中棱镜顶角为70°。结合图13E可以更好地理解这些图，该图示出了具有面向光源(未示出)的棱镜1302的膜1300。棱镜1302具有光转向构件。棱镜沿着平行于y方向的方向伸长，并且z轴垂直于膜1300。在图13B中，入射平面为0°，这表示光线被限定在垂直于棱镜结构且与棱镜轴共平面的平面内，即限定在图13E的y-z平面内。在图13C中，入射平面为70°，因此光线被限定在与膜的法线的倾角为70°且与棱镜轴共平面的平面内，即平面1304。在图13D中，光线被限定在与法线的倾角为80°且与棱镜轴共平面的平面内。
图13F示出了顶部棱镜透射和三种底部棱镜入射平面(即0°、70°和80°)情况的复合极角/方位角图。图形对应于以彼此垂直方式取向的EUF两侧的光转向结构。在0°情况下，光被转向后远离中央子午线，此时与顶部棱镜的相互作用以TIR为主，因此从灯泡向正上方发出的光大部分被EUF反射。在入射角为70°和80°的情况下，光被朝向中央子午线转向，该区域顶部棱镜TIR区域较窄(弱反射)，因此以陡峭角度从灯泡发出并在底部棱镜结构化表面上靠近灯泡之间中点处入射的光被大量透射。灯泡上方的光透射率低，而灯泡间的点处的EUF上的入射光透射率高，这种组合使得总照度分布曲线较平，从而使照度变得更加均匀。图13F中有一个0°至70°入射光的透射刻度尺，由刻度尺可以明显看出，靠近灯泡之间中点处的透射率较高。通过调整上下光转向构件的以下参数可以调整透射刻度尺：例如，顶角、小平面曲率(半径)、扁平或顶端半径或棱镜顶端光耦合、棱镜轴取向、折射率、倾斜或变顶角棱镜，以及棱镜表面纹理。顶部和底部棱镜轴的取向(即棱镜脊的方向)可以相对彼此和/或相对灯泡变化。
图14示出了作为D值函数的亮度均匀度的计算结果，D值影响照明单元的厚度。在每种情况下，D值在5mm-11mm的范围内变化。曲线1401、1402、1403和1405分别示出与实例1、2、3和5类似的设计的结果。曲线1407S示出与实例7S类似的设计的结果，而曲线1407D则示出实例7D的结果。D＝7mm时的均匀度的值与图10所提供的相同。
优化照明单元性能的一个重要参数为比率S/D，灯间距与厚度的比率。为了减小显示屏厚度，需要S/D的值较大，但不应以亮度均匀度降低为代价。通常，使用具有后漫反射器806的荧光灯的常规显示屏806采用小于2的S/D值。这可以通过图14中曲线1407D的趋势加以确认：D值显著高于11mm时，亮度均匀度接近1％。采用镜面后反射器806的最新进展已经证明：在亮度均匀度保持大约1％的情况下，S/D值可以高达约3，从而可以减小照明单元的厚度。这在待审的美国专利申请公开No.2006/0262555中有更详细的描述。
图14所示趋势表明：EUF的采用使得薄得多的照明单元可以产生合格的亮度。在图14所示结果所对应的所有设计中，灯间距S均为30mm。因此，对于约2.7或更高的S/D值，所有EUF设计(曲线1401、1402、1403、1405)均取得1％或更好的均匀度。特别是，对于低至7mm以下的D值(即S/D比率大于4.3)，曲线1401、1402、1403、1405显示出小于1％的亮度均匀度。通过开发不同的EUF设计，可以制备均匀度小于1％且D值小于6mm的系统。
实验结果
图15示出了带有和不带EUF的灯箱所产生的光的实验测量值。该灯箱大约宽33cm，并且在35mm的中心至中心间距内容纳了8个荧光灯。该灯箱深度为8mm，因此S/D比率的值大约为4.4。在所有情况下灯上方都有扩散层。曲线1502显示，亮度测量值(单位：Cd m-2)是在整个扩散层上的位置的函数。该曲线显示，强度随空间变化而有显著不同。曲线1504反映了在扩散层下方存在EUF的情况下所进行的类似测量的结果，该曲线显示：EUF可以显著提高输出强度的均匀度。用于产生这些实验结果的EUF为双面EUF，其中每个表面包含一系列棱脊，棱脊之间没有平坦区域，棱脊本身也没有平坦区域。在面向灯的下光转向表面上，棱镜顶角为66°，而在面向扩散层的上光转向表面上，棱镜顶角为100°。
重复测量过程，不同的是，将三个光控制薄膜设置在扩散器上方。从扩散层向上，薄膜依次为增益扩散器、增亮薄膜和反射偏振膜。增益扩散器为得自Keiwa Inc.(Osaka，Japan)的BS-42型增益扩散器。增亮膜为得自3M Company(St.Paul，Minnesota)的BEFIII-10T型棱镜增亮膜，反射偏振层则为同样得自3M Company的DBEF-D400型多层反射偏振膜。光控制薄膜的加入显著增加了光箱上方的透光率。图中示出亮度随在整个光箱上的位置而变化的函数关系，其中包括不带EUF(曲线1506)和带有EUF(曲线1508)两种情况。由于边界条件，中央的照度通常大于边缘。然而，带有EUF时所测得的分布曲线比不带有EUF时平滑得多。
应当理解，光转向表面可以具有本文未详细描述的多种不同类型的形状，包括具有位置、形状和/或尺寸无规的光转向元件的表面。此外，虽然上述示例性实施例涉及使照明光折射转向的光转向表面，但其他实施例可以衍射照明光，也可以通过折射和衍射的组合来使照明光转向。本文所述的计算结果显示，与单独的简单扩散器相比，不同类型和形状的光转向层具有增强照度以及减小照度变化的潜力。
本发明不应被视为局限于上文所述的具体实例，而应该理解为涵盖所附权利要求书中明确陈述的本发明的所有方面。在阅读本说明书之后，本发明所属领域的技术人员将明白本发明可进行的多种修改形式、等同处理以及可应用于本发明的多种结构。所附权利要求书旨在涵盖这样的修改形式和装置。

Claims (45)

1.一种直接照明式显示单元，包括：
显示面板；
一个或多个光源，所述光源设置在所述显示面板背面并且能够发出照明光；
扩散器，所述扩散器设置在所述一个或多个光源与所述显示面板之间；以及
光转向层，所述光转向层设置在所述一个或多个光源与所述扩散器之间，所述光转向层包括面向所述一个或多个光源的第一光转向表面，所述第一光转向表面主要在正交于所述光转向层的第一转向平面内对垂直地入射至所述光转向层上的光进行转向，所述光转向层还包括面向所述扩散器的第二光转向表面，所述第二光转向层被构造为优选地将所述光转向层内沿垂直于所述光转向层方向传播的光转向至与所述第一转向平面不平行的第二转向平面内。
2.根据权利要求1所述的单元，其中所述第一转向平面基本上垂直于所述第二转向平面。
3.根据权利要求1所述的单元，其中所述第一光转向表面包括具有至少两个由表面不连续性隔开的相邻的表面部分的光转向元件。
4.根据权利要求1所述的单元，其中所述扩散器附接到所述光转向层上。
5.根据权利要求4所述的单元，还包括位于所述扩散器的面向所述光转向层的侧面上的粘合剂层，所述第二光转向表面的一部分穿入所述粘合剂层。
6.根据权利要求4所述的单元，其中所述第二光转向表面的至少一些部分平行于所述扩散器并且附接到所述扩散器上。
7.根据权利要求1所述的单元，其中所述第一和第二光转向表面中的至少一个包括相对于垂直于所述光转向层的轴线为非对称的光转向构件。
8.根据权利要求1所述的单元，其中所述第一和第二光转向表面中的至少一个包括具有平行于所述光转向层的表面部分的光转向构件。
9.根据权利要求1所述的单元，其中所述第一和第二光转向表面中的至少一个包括至少一个位于两个相邻的光转向构件之间的平坦表面部分。
10.根据权利要求1所述的单元，其中所述第一和第二光转向表面中的至少一个包括在整个所述光转向层上延伸的细长的光转向构件。
11.根据权利要求10所述的单元，其中所述细长的光转向构件的高度基本上沿所述细长的光转向构件的长度为恒定的。
12.根据权利要求11所述的单元，其中所述细长的光转向构件的高度沿所述细长的光转向构件的长度是变化的。
13.根据权利要求10所述的单元，其中所述细长的光转向构件的宽度沿所述细长的光转向构件的长度是变化的。
14.根据权利要求1所述的单元，其中所述第一和第二光转向表面中的至少一个包括两个高度不同的相邻的光转向构件。
15.根据权利要求1所述的单元，还包括设置在所述扩散器与所述显示面板之间的一个或多个光控膜。
16.根据权利要求15所述的单元，其中所述一个或多个光控膜包括至少第一增亮膜和反射偏振膜。
17.根据权利要求16所述的单元，还包括具有棱镜结构的第二增亮膜，所述棱镜结构的取向基本上垂直于所述第一增亮膜的棱镜结构。
18.根据权利要求1所述的单元，其中所述显示面板包括液晶显示(LCD)面板。
19.根据权利要求1所述的单元，其中所述一个或多个光源包括至少一个发光二极管。
20.根据权利要求1所述的单元，其中所述一个或多个光源包括至少一个荧光灯。
21.根据权利要求1所述的单元，还包括连接到所述显示面板的控制单元，以控制所述单元显示的图像。
22.根据权利要求1所述的单元，其中所述扩散器为漫射表面。
23.根据权利要求1所述的单元，其中所述扩散器为扩散层。
24.一种直接照明式显示单元，包括：
显示面板；
一个或多个光源，所述一个或多个光源设置在所述显示面板背面并且能够发出照明光；
扩散器，所述扩散器设置在所述显示面板与所述一个或多个光源之间；以及
光转向层，所述光转向层设置在所述一个或多个光源与所述扩散器之间，所述光转向层包括面向所述一个或多个光源的第一光转向表面和面向所述扩散器的第二光转向表面，所述一个或多个光源发出的光的至少第一部分在所述光转向层内沿基本上垂直于所述光转向层的方向传播，并且基本上透射过所述第二光转向表面的平坦部分，所述一个或多个光源发出的光的至少第二部分在所述光转向层内沿基本上垂直于所述光转向层的方向传播，并且在所述第二光转向表面的倾斜部分处被全内反射。
25.根据权利要求24所述的单元，其中从所述一个或多个光源入射到所述第一光转向表面上的光基本上在第一光转向平面内被转向，从所述第一光转向表面入射到所述第二光转向表面上的光基本上在与所述第一光转向平面不平行的第二光转向平面内被转向。
26.根据权利要求24所述的单元，其中所述第一光转向平面基本上垂直于所述第二光转向平面。
27.根据权利要求24所述的单元，其中所述第一和第二光转向表面中的至少一个包括具有至少两个由表面不连续性隔开的相邻的表面部分的光转向元件。
28.根据权利要求24所述的单元，其中所述扩散器附接到所述光转向层。
29.根据权利要求28所述的单元，还包括位于所述扩散器的面向所述光转向层的侧面上的粘合剂层，所述第二光转向表面的一部分穿入所述粘合剂层。
30.根据权利要求28所述的单元，其中所述第二光转向表面的至少一些部分平行于所述扩散器并且附接到所述扩散器上。
31.根据权利要求24所述的单元，其中所述第一和第二光转向表面中的至少一个包括相对于垂直于所述光转向层的轴线为非对称的光转向元件。
32.根据权利要求24所述的单元，其中所述第一和第二光转向表面中的至少一个包括具有平行于所述光转向层的表面部分的光转向元件。
33.根据权利要求24所述的单元，其中所述第一和第二光转向表面中的至少一个包括位于两个相邻的光转向元件之间的至少一个平坦表面部分。
34.根据权利要求24所述的单元，其中所述第一和第二光转向表面中的至少一个包括在整个所述光转向层上延伸的细长构件。
35.根据权利要求34所述的单元，其中所述细长构件的高度基本上沿所述细长构件的长度为恒定的。
36.根据权利要求34所述的单元，其中所述细长构件的高度沿所述细长构件的长度是变化的。
37.根据权利要求34所述的单元，其中所述细长光转向构件的宽度沿所述细长构件的长度是变化的。
38.根据权利要求24所述的单元，其中所述第一和第二光转向表面中的至少一个包括两个高度不同的相邻的光转向元件。
39.根据权利要求24所述的单元，还包括设置在所述扩散器与所述显示面板之间的一个或多个光控膜。
40.根据权利要求39所述的单元，其中所述一个或多个光控膜包括至少第一增亮膜和反射偏振膜。
41.根据权利要求40所述的单元，还包括具有棱镜结构的第二增亮膜，所述棱镜结构的取向基本上垂直于所述第一增亮膜的棱镜结构。
42.根据权利要求24所述的单元，其中所述显示面板包括液晶显示(LCD)面板。
43.根据权利要求24所述的单元，其中所述一个或多个光源包括至少一个发光二极管。
44.根据权利要求24所述的单元，其中所述一个或多个光源包括至少一个荧光灯。
45.根据权利要求24所述的单元，还包括连接到所述显示面板的控制单元，以控制所述单元显示的图像。
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