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CN107003557A - 直视型显示设备和用于直视型显示设备的光单元 - Google Patents

直视型显示设备和用于直视型显示设备的光单元 Download PDF

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CN107003557A
CN107003557A CN201580066407.7A CN201580066407A CN107003557A CN 107003557 A CN107003557 A CN 107003557A CN 201580066407 A CN201580066407 A CN 201580066407A CN 107003557 A CN107003557 A CN 107003557A
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Abstract

直视型显示设备包括光单元、准直单元、图像显示单元、以及对比度增强单元。所述对比度增强单元包括相反的第一和第二主表面。所述第一主表面包括光学元件阵列。所述第二主表面包括光吸收层、以及位于所述光吸收层中并且对应于所述光学元件阵列的开口阵列。所述光学元件被布置在所述光单元与所述光吸收层之间。所述准直单元被布置在所述光单元与所述对比度增强单元之间。所述图像显示单元被布置在所述准直单元与所述对比度增强单元之间。所述对比度增强单元和所述图像显示单元被安排成使得所述对比度增强单元的每个光学元件与所述图像显示单元的至少一个对应像素对准。

Description

直视型显示设备和用于直视型显示设备的光单元
本申请要求于2014年10月7日提交的美国临时申请号62/060,934和2015年1月6日提交的美国临时申请号62/100,349的优先权权益，所述临时申请各自通过引用以其全部内容结合在此。
背景
1.技术领域
本公开涉及显示设备，并且更具体地涉及被配置为用于生成具有高亮度和高对比率的图像的直视型显示设备。
2.背景技术
传统的液晶显示器(LCD)设备通常包括设置在光源、LCD面板、以及被布置在光源与LCD面板之间的漫射片材。由光源发射的光穿过LCD面板，以生成可由观看者观看到的图像。漫射片材使由光源发射的光漫射，以帮助在LCD面板的整个表面上均匀地照亮LCD面板。LCD设备通常具有约400cd/m2的输出亮度或照度。
发明内容
本文公开的是显示设备和用于直视型显示设备的光单元。
本文公开的是一种示例性直视型显示设备，所述直视型显示设备包括光单元、准直单元、图像显示单元、以及对比度增强单元。所述对比度增强单元包括第一主表面以及与所述第一主表面相反的第二主表面。所述第一主表面包括光学元件阵列。所述第二主表面包括光吸收层、以及位于所述光吸收层中并且对应于所述光学元件阵列的开口阵列。所述对比度增强单元和所述光单元被安排成使得所述光学元件阵列被布置在所述光单元与所述光吸收层之间。所述准直单元被布置在所述光单元与所述对比度增强单元之间。所述图像显示单元被布置在所述准直单元与所述对比度增强单元之间并且包括像素阵列。所述对比度增强单元和所述图像显示单元被安排成使得所述对比度增强单元的每个光学元件与所述图像显示单元的至少一个对应像素对准。
本文还公开的是一种用于直视型显示设备的示例性光单元。所述光单元包括光源系列、准直单元、以及漫射单元。所述光源系列被安排成行并且被配置为用于发射光。所述准直单元被布置成与所述光源系列相邻，以使所述光在垂直于所述行的第二方向上准直，而基本上不使所述光在平行于所述行的第一方向上准直。所述漫射单元被布置成与所述光源系列相邻，以使所述光在与所述行平行的所述第一方向上漫射，而基本上不使所述光在垂直于所述行的所述第二方向上漫射。
本文还公开的是另一种用于直视型显示设备的示例性光单元。所述光单元包括光源、调节元件、以及准直元件。所述光源被配置为用于发射具有基本上朗伯(Lambertian)角强度分布的广角光。所述调节元件被布置成与所述光源相邻，以将所述广角光变换成在与所述调节元件间隔开的参考平面处具有基本上均匀角强度分布的均匀光。所述准直元件被布置成与所述调节元件相邻，以使所述均匀光在至少一个方向上准直。
本文还公开的是另一种用于直视型显示设备的示例性光单元。所述光单元包括发光单元和准直单元，所述发光单元被配置为用于发射光，所述准直单元被布置成与所述发光单元相邻，以使所述光在第二方向上准直，而基本上不使所述光在与所述第二方向垂直的第一方向上准直。
附加特征和优点将在以下详细描述中予以阐明，并且将部分地从所述描述中对本领域技术人员而言变得容易明显或通过实践本文所描述的实施例而被认知，包括以下详细说明书、权利要求书以及附图。
应理解的是，前述概括描述和以下详细描述都仅是示例性的，并且旨在为理解权利要求书的本质和特征提供概述或框架。附图被包括以提供进一步的理解并且被结合在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图展示了一个或多个实施例，并且与说明书一起用于解释不同实施例的原理和操作。
附图说明
图1是显示设备的一个示例性实施例的示意图。
图2是光吸收层的一个示例性实施例的前视图。
图3是光吸收层的另一示例性实施例的前视图。
图4是对比度增强单元的示例性实施例的示意图。
图5是对比度增强单元的另一示例性实施例的示意图。
图6是显示设备的另一示例性实施例的示意图。
图7是准直单元的一个示例性实施例的示意图。
图8是准直单元的另一示例性实施例的示意图。
图9是显示设备的另一示例性实施例的示意图。
具体实施方式
现将详细参考在附图中展示出的示例性实施例。在任何可能的情况下，整个附图将使用相同的参考号指代相同或相似的零件。附图中的组件并不必须是按比例的，而是将重点放在展示示例性实施例的原理上。
在各种实施例中，用于直视型显示设备的光单元包括光源系列、准直单元、以及漫射单元。所述光源系列被安排成行并且被配置为用于发射光。所述准直单元被布置成与所述光源系列相邻，以使所述光在基本上垂直于所述行的第一方向上准直，而使所述光不在基本上平行于所述行的第二方向上准直。所述漫射单元被布置成与所述光源系列相邻，以使所述光在与所述行平行的所述第二方向上漫射，而使所述光不在基本上垂直于所述行的所述第二方向上漫射。
在各种实施例中，显示设备包括光单元、图像显示单元、以及对比度增强单元。所述光单元包括发光单元和准直单元。在一些实施例中，所述光单元包括漫射单元。所述对比度增强单元包括第一主表面以及与所述第一主表面相反的第二主表面。所述对比度增强单元的第一主表面包括光学元件阵列。所述对比度增强单元的第二主表面包括光吸收层和位于光吸收层中的开口阵列。所述开口阵列对应于所述光学元件阵列。在一些实施例中，所述对比度增强单元包括漫射元件(例如，位于光学元件阵列与光吸收层之间、和/或位于光吸收层中的开口内)。所述对比度增强单元和所述光单元被安排成使得所述光学元件阵列被布置在所述光单元与所述光吸收层之间。所述准直单元被布置在所述光单元与所述对比度增强单元之间。在一些实施例中，所述显示设备包括被布置在准直单元与对比度增强单元之间的图像显示单元。图像显示单元包括像素阵列。在一些实施例中，所述对比度增强单元和所述图像显示单元被安排成使得所述对比度增强单元的每个光学元件与所述图像显示单元的至少一个对应像素对准。
图1是显示设备100的一个示例性实施例的示意图。在一些实施例中，显示设备100包括直视型显示设备，所述直视型显示设备被配置为用于生成可由用户直接观看而不投影到屏幕上的图像。显示设备100包括包含发光单元110和准直单元120的光单元。显示设备100包括图像显示单元130和对比度增强单元140。应当理解，显示设备100的相邻组件可以被附加到彼此上(例如，通过光学透明粘合剂)、紧固在边框(bezel)或框架内(在其间具有或不具有空气间隙)、或者通过另一合适的联接机构联接。
发光单元110包括一个或多个光源，每个光源被配置为用于发射光。例如，光源包括发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、卤素灯、白炽灯或另一合适的光源。在一些实施例中，发光单元110包括以二维(2D)阵列布置的多个LED。在另一实施例中，发光单元110包括与导光片材相邻并包括LED行(例如，一维阵列)的光条。光条将光发射到导光片材的边缘中，并且导光片材将光从导光片材的表面分散和发射。在一些实施例中，发光单元110发射非准直光112。在一些实施例中，发光单元110被定位成使得从发光单元发射的光穿过图像显示单元130以形成如本文所述的可视图像。因此，发光单元110被配置为背光单元。
准直单元120被定位成与发光单元110相邻，使得从发光单元发射的光入射在准直单元上。准直单元120被配置为用于使由发光单元110发射的光准直。例如，从发光单元110发射的非准直光112穿过准直单元120以形成准直光122。准直单元120包括柱面透镜、菲涅耳(Fresnel)透镜或另一合适的准直设备。例如，在一些实施例中，准直单元120包括菲涅耳透镜阵列。
虽然在图1中将准直单元120示出为与发光单元110分离开，但是本公开中还包括其他实施例。在一些实施例中，准直单元与发光单元是一体的。例如，发光单元的输出表面包括一体的准直单元。因此，光单元被配置为准直光单元。
图像显示单元130被定位成与准直单元120相邻，使得从准直单元发射的准直光122入射在图像显示单元上。图像显示单元130包括显示像素阵列132。例如，显示像素阵列132包括具有合适的x和y维度(例如，宽度和长度)的2D阵列，以显示希望尺寸的图像。每个显示像素132包括光阀，所述光阀被配置为用于控制光穿其而过的通道。例如，图像显示单元120包括LCD面板，并且显示像素阵列132包括LCD单元格(LCD cell)阵列。每个LCD单元格被配置为用于打开和关闭以控制光穿其而过的通道。在一些实施例中，每个显示像素132被分成多个子像素，每个子像素与专用显示颜色分量(例如，红色、绿色或蓝色)相关联。可以通过使用相邻的红色、绿色和蓝色的子像素来生成彩色图像。在一些实施例中，准直光122穿过图像显示单元130的显示像素132以形成图像像素134。例如，准直光122穿过图像显示单元130的多个显示像素132以形成多个图像像素134，所述多个图像像素协作地生成可见图像。在一些实施例中，图像显示单元130包括一个或多个偏振层(例如，输入和输出偏振器)。
相对于常规显示设备，在由发光单元110发射的光穿过图像显示单元120之前使所述光准直(例如通过将准直单元120定位在发光单元与图像显示单元之间)可以有助于增加可见图像的强度或亮度。因此，在一些实施例中，显示设备100包括至少约500cd/m2、至少约600cd/m2、至少约700cd/m2、至少约800cd/m2、至少约900cd/m2、至少约1000cd/m2、至少约1100cd/m2、至少约1200cd/m2、至少约1300cd/m2、至少约1400cd/m2、或至少约1500cd/m2的输出亮度或照度。
对比度增强单元140被定位成与图像显示单元130相邻，以使得从图像显示单元发射的光入射到对比度增强单元上。在一些实施例中，对比度增强单元140被配置为对比度增强片材。对比度增强片材可以是基本上平坦的或平面的。可替代地，对比度增强片材可以是非平面的。例如，对比度增强片材可以是弯曲的、成卷的(例如，成管)、弯折的(例如，在一个或多个边缘处)、或者形成另一非平面构型。对比度增强单元140包括第一主表面142、以及与第一主表面相反的第二主表面144。第一主表面142包括光学元件阵列146。第二主表面142包括光吸收层148和位于光吸收层中的开口阵列150。开口阵列150对应于光学元件阵列146。例如，每个光学元件146与至少一个开口150对准。
在一些实施例中，光学元件146包括如图1所示的微透镜。微透镜被配置为双凸透镜(lenticular lens)、球面透镜、非球面透镜、另一种合适的透镜形状、或其组合。例如，在一些实施例中，微透镜被配置为至少部分地跨对比度增强单元的宽度和/或长度延伸的双凸透镜。在其他实施例中，微透镜被配置为围绕对比度增强单元的宽度和/或长度分散的球面透镜(例如，以二维阵列)。另外或可替代地，开口150具有圆形形状、矩形形状、另一种合适的形状、或其组合。例如，图2是其中形成有细长矩形开口150的光吸收层148的一个示例性实施例的前视图。开口具有至少部分地跨对比度增强单元的宽度和/或长度延伸的细长矩形形状。因此，细长开口可以与双凸微透镜对准。图3是其中形成有圆形开口150的光吸收层148的另一示例性实施例的前视图。开口具有圆形形状并且围绕对比度增强单元的宽度和/或长度分散。因此，圆形开口可以与球形微透镜对准。在各种实施例中，开口的形状和/或放置对应于微透镜的构型和/或放置。
尽管将图1所示的实施例的光学元件146描述为包括微透镜，但是本公开中还包括其他实施例。在一些实施例中，光学元件包括镜子。例如，镜子中的一个或多个镜子被配置为抛物面反射器空腔，其中空腔的嘴部(例如，较宽的端部)面向图像显示单元，并且开口与嘴部相反地(例如，在窄端部中)形成通过抛物面反射器空腔并且与光吸收层的对应开口对准。
对比度增强单元140和光单元110被安排成使得光学元件阵列146被布置在光单元与光吸收层148之间。因此，第一主表面142包括对比度增强单元140的输入表面，并且第二主表面144包括对比度增强单元的输出表面。穿过图像显示单元130的光通过第一主表面142进入对比度增强单元140，并且通过第二主表面144离开对比度增强单元，以传送可视图像以供观看者观看。在一些实施例中，图像显示单元130和对比度增强单元140被安排成使得光学元件146将图像像素134聚焦在对比度增强单元的对应开口150上。例如，由图像显示单元130传送的所述多个图像像素134通过光学元件阵列146聚焦在开口阵列150上，使得图像像素穿过光吸收层中的开口，以将可见图像传送通过光吸收层148供观看者观看。
在一些实施例中，对比度增强单元140和图像显示单元130被安排成使得对比度增强单元的每个光学元件146与图像显示单元的至少一个对应像素对准。例如，光学元件阵列中的光学元件146的数量可以与像素阵列中的像素数量相同，并且光学元件阵列可以在二维中具有与像素阵列相同的间距，每个光学元件与一个对应的像素对准，并且每个像素与一个对应的光学元件对准。可替代地，光学元件阵列中的光学元件146的数量可以小于像素阵列中的像素的数量，使得每个光学元件与多于一个的对应像素对准。例如，双凸光学元件可以与像素行对准。
尽管将图1所示的显示设备100描述为包括图像显示单元130，但是在本公开中还包括其他实施例。在一些实施例中，光单元包括多个像素，每个像素包括OLED或等离子体单元格。因此，光单元包括发射光以产生可视图像的显示像素。在这样的实施例中，光单元被配置为集成光单元和图像显示单元，并且可以省略分开的图像显示单元(例如，图1所示的图像显示单元130)。在一些这样的实施例中，光单元和对比度增强单元被安排成使得光学元件将由光单元生成的图像像素聚焦在对比度增强单元的对应开口上。例如，由光单元发射的多个图像像素通过光学元件阵列聚焦在开口阵列上，使得图像像素穿过光吸收层中的开口，以将可见图像传送通过光吸收层供观看者观看。
环境光(例如，来自太阳、室内照明或另一光源)可以从观看侧落在对比度增强单元140上。换句话说，来自显示设备100之外的环境光可以落在对比度增强单元140的第二主表面144上。光吸收层148吸收落在开口150之外的光吸收层上的这种环境光的至少一部分。这样的环境光的吸收可以增加显示设备100的对比度(例如，因为所吸收的环境光不干扰作为可视图像的从对比度增强单元发出的光)。因此，开口150所占的面积相对较小可能是有益的。在一些实施例中，开口150占据光吸收层148的表面积的至多约50％、至多约40％、至多约30％、至多约20％、至多约10％、至多约5％、或至多约1％。因此，光吸收层148的大部分表面积被光吸收材料占据以吸收环境光并且增加显示设备100的对比度。
在图1所示的实施例中，对比度增强单元140包括基板152。例如，基板152包括玻璃基板。与聚合物基板相比，这样的玻璃基板可以实现改进的尺寸稳定性(例如，由诸如温度和/或湿度的环境条件的变化引起的变形减少)。这种改进的尺寸稳定性可以有助于在变化的环境条件下保持显示像素阵列与光学元件阵列之间的对准，这可以即使在其中图像显示单元的像素间距和光学元件的间距不相等时仍例如帮助防止莫尔(Moire)图案。在其他实施例中，基板152包括聚合物材料或另一合适的基板材料。树脂层154被布置在基板152的表面上，并且光学元件阵列146被形成在树脂层中。例如，可以使用微复制工艺、压花(embossing)工艺或其他合适的成形工艺来形成光学元件阵列146。在其他实施例中，光学元件阵列被直接形成在基板中。例如，可以通过对基板的表面进行机加工来形成光学元件阵列。在一些实施例中，光吸收层148包括被布置在基板152的与光学元件阵列146相反的表面上的树脂层。光吸收层148的树脂包括具有高光学密度的树脂材料(例如，黑基质树脂)。在一些实施例中，基板152包括具有至多约300μm、至多约250μm、至多约150μm或至多约120μm的厚度的玻璃基板。这种薄的玻璃基板可以在不牺牲尺寸稳定性的情况下实现显示设备的厚度减小。
在一些实施例中，所述基板包括多个基板。例如，基板包括第一基板和第二基板，多个光学元件被布置在第一基板的表面上，光吸收层被布置在第二基板的表面上。第一基板和第二基板可以被定位成彼此相邻，以形成对比度增强单元，所述对比度增强单元包括基板，光学元件和光吸收层被布置在所述基板的相反表面上。
在一些实施例中，对比度增强单元包括漫射元件。漫射元件被配置为用于使穿其而过的光散射以增加光的漫射角。例如，漫射元件可以包括光散射材料。图4是对比度增强单元240的示例性实施例的示意图，其类似于本文参考图1描述的对比度增强单元140。在图4所示的实施例中，对比度增强单元240包括被布置在光学元件146与光吸收层148之间的漫射元件256。例如，漫射元件256被配置为被布置在基板152与光吸收层148之间的漫射层，如图4所示。图5是对比度增强单元340的示例性实施例的示意图，其类似于本文参考图1描述的对比度增强单元140。在图5所示的实施例中，对比度增强单元340包括被布置在光吸收层148中的一个或多个开口150内的漫射元件356。例如，一个或多个开口150可以用漫射材料填充以在开口内形成漫射元件356。在一些实施例中，如图5所示，漫射元件356被布置在每个开口150内。漫射元件可以有助于增加显示设备的视角。
在一些实施例中，漫射元件与对比度增强单元的基板是一体的。例如，基板的表面(例如，在其上形成有光学元件的表面和/或在其上形成有光吸收层的表面)包括使穿其而过的光漫射的粗糙化表面。因此，漫射元件包括基板的粗糙化表面。
在一些实施例中，显示设备100包括透明盖160。透明盖160包括玻璃基板(例如，碱石灰玻璃(soda lime glass)、碱铝硅酸盐玻璃(alkali aluminosilicate glass)、和/或碱铝硼硅酸盐玻璃(alkali aluminoborosilicate glass))，聚合物基板(例如，聚碳酸酯)，或另一合适的基板。透明盖160被布置在显示设备100的外表面上。透明盖160可以包括平面构型(例如平坦片材)或非平面构型(例如弯曲片材)。在一些实施例中，透明盖160包括在透明盖的外表面上的防眩光(AG)和/或抗反射(AR)涂层。透明盖160可以包括强化的(例如，热强化的、机械强化的、和/或化学强化的)玻璃，这可以有助于保护显示设备100的其他组件免受划伤和/或破裂。
图6是示例性显示设备400的示意图。显示设备400类似于参考图1描述的显示设备100。例如，显示设备400包括光单元、图像显示单元130、以及对比度增强单元140。光单元包括发光单元110和准直单元120。在图6所示的实施例中，光单元包括漫射单元424。
在一些实施例中，发光单元110包括光源系列114a。光源系列114a被安排成沿第一方向延伸的行。例如，图6中将第一方向示出为延伸到图中的x方向。在一些实施例中，所述行基本上是线性的，如图6所示。在其他实施例中，所述行是弯曲的(例如，用于弯曲显示设备中)。在一些实施例中，光源系列114a被配置为包括多个LED或OLED的光条。
准直单元120被布置成与光源系列114a相邻。例如，准直单元120基本上平行于所述行延伸。准直单元120被配置为用于使由光源系列114a发射的光在基本上垂直于所述行的第二方向上准直，而基本上不使光在基本上平行于所述行的第一方向上准直或准直。准直光包括在光被准直的一个或多个方向上小于10度的发散角。例如，图6中将第二方向示出为y方向。准直单元120包括与光源系列114a对准的准直透镜。例如，准直透镜包括柱面透镜、柱面菲涅耳透镜、另一合适的透镜、或其组合。在一些实施例中，准直单元120与光源系列114a间隔开基本上等于或等于准直单元的焦距的距离。例如，每个单独光源系列114a的顶表面与准直单元120之间(例如，在z方向上)的距离基本上等于准直单元的焦距。
在图6所示的实施例中，准直单元120包括柱面菲涅耳透镜。图7是准直单元520的另一示例性实施例的示意图。准直单元520包括调节元件526和准直元件528。准直单元520被安排成使得调节元件526被布置在光源系列114a与准直元件528之间。在一些实施例中，由光源的系列114a发射的光包括在第二方向上具有基本上朗伯角强度分布的广角光。在一些实施例中，在朗伯角强度分布中，沿不同方向行进的光功率是不均匀的，而是与到表面(例如，光源表面)法线的角度的余弦成比例的。调节元件526被配置为用于将广角光变换成在与调节元件间隔开的参考平面处在第二方向上具有基本上均匀角强度分布的均匀光。将准直元件定位在参考平面以使得准直元件被均匀光基本上均匀地照射可能是有益的。例如，调节元件526包括柱面透镜、菲涅耳透镜(例如，柱面菲涅耳透镜)、另一合适的透镜、或其组合。准直元件528被配置为用于使均匀光在第二方向上准直。例如，准直单元528包括柱面透镜、菲涅耳透镜(例如，柱面菲涅耳透镜)、另一合适的透镜、或其组合。调节元件可以帮助准直元件跨准直元件的表面均匀地照亮准直元件，这可以有助于减少可能由光源系列的朗伯输出引起的由显示设备生成的图像的亮度不均匀的可能性。
图8是准直单元620的另一示例性实施例的示意图。准直单元620包括调节元件626、准直元件628、以及聚集元件629。准直单元620被安排成使得调节元件626被布置在光源系列114a与准直元件628之间，并且聚集元件629被布置在光源系列与调节元件之间。聚集元件629被配置为用于将由光源系列114a发射的朗伯光聚集到调节元件626上。例如，聚集元件629包括折射部分629a和反射部分629b。在一些实施例中，折射部分629a包括将光朝向调节元件629引导的透镜部分。另外或者可替代地，反射部分629b包括用于将光朝向调节元件629引导的镜表面。在一些实施例中，聚集元件629包括模制折射/反射型准直器。调节元件626被配置为用于将由光源系列114a发射的朗伯光变换为在第二方向上具有基本上均匀强度分布的均匀光。例如，调节元件626包括柱面透镜、菲涅耳透镜(例如，柱面菲涅耳透镜)、另一合适的透镜、或其组合。准直元件628被配置为用于使均匀光在第二方向上准直。例如，准直单元628包括柱面透镜、菲涅耳透镜(例如，柱面菲涅耳透镜)、另一合适的透镜、或其组合。聚集元件可以帮助收集由光源系列发射的光的相当大的一部分并且将光引导到调节元件。例如，在一些实施例中，聚集元件被配置为用于收集和/或至少部分地准直由光源系列发射的光的多达约80％。调节元件可以帮助准直元件跨准直元件的表面均匀地照亮准直元件，这可以有助于减少由显示设备生成的图像的亮度不均匀的可能性。
尽管图6-8所示的准直单元被描述为包括例如柱面透镜和/或柱面菲涅耳透镜的一维准直单元，但本公开中还包括其他实施例。例如，在其他实施例中，准直单元被配置为包括球面和/或非球面菲涅耳透镜的二维准直单元。在各种实施例中，准直单元的形状可以对应于对比度增强单元的光学元件的形状。例如，一维准直单元可以与包括双凸透镜的对比度增强单元一起使用。另外或可替代地，二维准直单元可以与包括球面和/或非球面透镜的对比度增强片材一起使用。
如图6所示，漫射单元424被布置成与光源系列114a相邻。例如，漫射单元424被配置为用于使由光源系列发射的光在基本上平行于行的第一方向(例如x方向)上漫射，而基本上不使光在基本上垂直于所述行的第二方向(例如，y方向)上漫射或漫射。因此，漫射单元424包括一维漫射器。在一些实施例中，漫射单元包括多个小的折射元件或反射元件，每个小的折射或反射元件使光束以零与确定漫射角之间的随机角度偏转。如果这样的角度仅平行于一条轴线，则漫射单元用作一维漫射器。如果这样的角度形成锥体或锥体的一部分，其中一些角度沿着一条轴线并且一些角度沿着另一垂直轴线，则漫射单元用作二维漫射器。漫射单元可以帮助使显示设备的照明均质化。例如，漫射器可以经工程设计为使光沿在一个方向上准直、但是使光在另一个方向上漫射，使得显示设备的观看者将不会看到由暗空间分隔开的亮线(对应于单独光源位置)。
漫射单元424被布置在发光单元110与对比度增强单元140之间。例如，漫射单元424被布置在准直单元120与对比度增强单元140之间和/或在准直单元与图像显示设备130之间。在一些实施例中，如图6所示，准直单元120被布置在发光单元110与漫射单元424之间。这样的构型可以有助于将漫射单元与发光单元适当地间隔开，而无需不必要地增加显示设备的厚度。
在一些实施例中，漫射单元424基本上平行于光源系列114a延伸并且与光源系列间隔开。例如，光源系列114a包括第一光源和第二光源，所述第二光源被布置成与第一光源直接相邻并且与第一光源间隔开距离X(例如，在x方向上)。漫射单元424与光源系列114a间隔开距离Z(例如，在z方向上)。为了使漫射单元在实现亮度均匀性方面是有效的，漫射角应当大于从漫射器位置可见的单独光源之间的间隙的角度大小。例如，漫射单元424包括满足以下公式的漫射角θ：θ>arctan(X/Z)。
尽管图6中所示的漫射单元被描述为在一个方向上漫射光的一维漫射单元，但是本公开中还包括其他实施例。例如，在其他实施例中，漫射单元被配置为二维漫射单元，所述二维漫射单元被配置为在两个垂直方向上漫射光。在各种实施例中，漫射单元的形状可以对应于对比度增强单元的光学元件的形状和/或准直单元的形状。例如，一维漫射单元可以与包括多个双凸透镜的对比度增强单元和/或与一维准直单元一起使用。另外或可替代地，二维漫射单元可以与包括多个球形和/或非球面透镜的对比度增强片材和/或与二维准直单元一起使用。
在一些实施例中，显示设备400包括多个光源系列。例如，在图6所示的实施例中，显示设备400包括与光源系列114a直接相邻的第二光源系列114b。第二光源系列114b被安排成第二行。第二系列114b的第二行与系列114a的行间隔开。在一些实施例中，第二系列114b的第二行基本上平行于系列114a的行。因此，第二系列114b的第二行在第一方向上延伸。系列114a和/或第二系列114b的单独光源彼此间隔开，使得光源沿着显示设备130的长度和/或宽度是分散(例如，均匀分散)的。在一些实施例中，系列114a和第二系列114b包括相同数量的单独光源。在图6所示的实施例中，显示设备400包括与第二系列114b直接相邻的第三光源系列114c、与第三系列114c直接相邻的第四光源系列114d、以及与第四系列114d直接相邻的第五光源系列114e。每个光源系列被安排成行。在一些实施例中，这些行基本上彼此平行。另外或可替代地，直接相邻行之间的间隔基本上是恒定的。
在一些实施例中，显示设备400包括多个准直单元。例如，在图6所示的实施例中，显示设备400包括与每个光源系列相邻布置的准直单元。因此，由每个光源系列发射的光被如本文参照光源系列114b和准直单元120所描述的对应准直单元准直和/或漫射。在一些实施例中，如图6所示，多个准直单元是单一准直片材的相邻部分。可以使用微复制工艺、压花工艺或其他合适的成形工艺来形成这样的单一准直片材。
在一些实施例中，如图6所示，漫射单元424包括漫射片材。这样的漫射片材可以被布置成与多个光源系列相邻，以漫射如本文所描述的多个光源系列中的每个光源系列发射的光。
虽然将显示设备400描述为包括被安排成五行的五个光源系列，但是在本公开中还包括其他实施例。在其他实施例中，显示设备包括被安排成行的确定数量(例如，一个、两个、三个、四个、六个或更多个)的光源系列。每个光源系列包括确定数量(例如，两个、三个、四个或更多个)的单独光源。在一些实施例中，对比度增强单元的光学元件的焦距除以准直单元的焦距等于或约等于对比度增强单元的开口的尺寸除以光单元的光源的尺寸。这样的关系可以用于确定光源的数量和/或放置。
在一些实施例中，光单元包括被布置在光源系列的任一端部的端壁。例如，端壁在光源系列的每个端部基本垂直于光源系列延伸。在一些实施例中，端壁包括反射内表面(例如，面向显示设备内)。这样的反射内表面可以将光反射到显示设备中，以避免在显示设备的边缘处降低亮度的区域。
虽然本文描述了一维设计和二维设计两者，但是在一些应用中，一维设计可能是有利的。例如，一维设计可以相对较不复杂地制造(例如，作为显示设备的各个组件之间的较简单的光学器件和/或较不严格的对准公差的结果)。另外或可替代地，一维漫射单元可以使入射光的光学相位“加扰(scrambling)”，这可以有助于防止在光穿过一组等距开口之后另外产生的强空间不均匀性的干扰。
图9是示例性显示设备700的示意图。显示设备700类似于参考图1描述的显示设备100和参考图6描述的显示设备400。例如，显示设备700包括光单元、图像显示单元130、以及对比度增强单元140。光单元包括发光单元110和准直单元120。
在一些实施例中，发光单元110包括一个或多个光源。例如，在图9所示的实施例中，发光单元110包括光导716和一个或多个光源，所述一个或多个光源被定位成将光注入光导的边缘中。在一些实施例中，光导716被配置为导光片材。光导716被配置为引导注入到所述边缘中的光并且从光导的至少一个表面发射光。光导716包括玻璃基板、聚合物基板、空气间隙、或另一合适的导光装置。在一些实施例中，所述一个或多个光源被配置为包括与光导的边缘相邻布置的多个LED或OLED的光条。
在一些实施例中，发光单元110包括反射式漫射单元718。反射式漫射单元718被配置为用于在光导716的一个表面处反射和漫射光，并且将所反射和漫射的光朝向光导的相反表面引导。例如，在图9所示的实施例中，反射式漫射单元718包括基板，所述基板被布置成与光导716的第一表面相邻以反射和漫射从第一表面发射的光并且将所反射和漫射的光朝向与第一表面相反的第二表面引导到光导中。在其他实施例中，光导的第一表面可以用作反射式漫射单元。例如，涂覆和/或表面处理(例如，表面粗糙化)可以应用于光导的第一表面以用作反射式漫射单元。在一些实施例中，光导的第一表面涂覆有反射涂层(例如，白色或镜面涂层)和/或被粗糙化以用作反射式漫射单元。反射式漫射单元可以有助于增加朝向光导的第二表面引导以被发射的光量，以生成用于由观看者观看的图像。
在一些实施例中，发光单元110包括亮度增强单元719。亮度增强单元719被配置为用于在光导716的一个表面处收集光并且将光引导离开光导。例如，在图9所示的实施例中，亮度增强单元719包括与光导716的第二表面相邻布置的亮度增强膜。因此，光导716被布置在反射式漫射单元718与亮度增强单元719之间。亮度增强单元719包括亮度增强膜(BEF)、双亮度增强膜(DBEF)、或另一合适的亮度增强结构。
准直单元120被布置成与发光单元110相邻。准直单元120被配置为用于使由发光单元110发射的光在至少一个方向上准直。在图9所示的实施例中，准直单元120类似于对比度增强单元140，但如下所述地进行了修改。例如，准直单元120包括第一主表面742、以及与第一主表面相反的第二主表面744。第一主表面742包括光学元件阵列746。光学元件阵列746可以如本文中关于光学元件阵列146所述的那样进行配置。在一些实施例中，光学元件阵列746包括准直透镜(例如，柱面透镜、菲涅耳透镜、柱面菲涅耳透镜、或其组合)的阵列。第二主表面744包括光反射层748和位于光反射层中的开口阵列750。光反射层748包括反射材料(例如，白色或镜面层)。开口阵列750可以如本文中关于开口阵列150所述的那样进行配置。开口阵列750对应于光学元件阵列746。例如，每个光学元件746与至少一个开口750对准。相比于对比度增强单元140，准直单元120是颠倒的。例如，准直单元120被布置成与发光单元110相邻，使得从发光单元发射的光入射在准直单元的第二表面148上。因此，第二表面148包括入口表面，并且第一表面744包括出口表面。准直单元120和发光单元110被安排成使得光反射层748被布置在发光单元与光学元件阵列746之间。
在图9所示的实施例中，开口阵列包括在第一方向上延伸的细长开口阵列，并且光学元件阵列746包括在第一方向上延伸的双凸透镜阵列。因此，第一方向与细长开口的长度和/或双凸透镜的纵向轴线对准。从光导716的第二表面发射的光接触准直单元120的第二表面744。在光反射层748的开口处接触第二表面744的光穿过光反射层，以被光学元件聚焦并且朝向图像显示单元130和/或对比度增强单元140引导。接触第二表面744的剩余光被光反射层748反射到光导716中。因此，光可以被再循环到光导716中，直到允许通过准直单元120的开口。准直单元120被配置为用于使从光导716发射的光准直(例如，通过迫使光通过相对较窄的开口)。另外或可替代地，亮度增强单元719可以帮助确保仅适当的偏振穿过开口。如本文所描述的具有细长开口和双凸透镜的准直单元120被配置为用于使光在第二方向上(例如，垂直于开口和双凸透镜)准直，而使光不在第一方向上(例如，平行于开口和双凸透镜)准直。因此，准直单元120可以被配置为一维准直单元。由于图9所示的发光单元110包括反射式漫射单元718，可以使由准直单元120发射的光在第一方向上漫射，而不使用附加的漫射单元。
尽管光学元件阵列146和光学元件阵列746在图9中被示出为具有相同的间距，但是本公开中还包括其他实施例。在其他实施例中，光学元件阵列可以具有相同或不同的间距、相同或不同的形状、以及相同或不同的尺寸。尽管开口阵列150和开口阵列750在图9中被示出为具有相同的间距，但是本公开中还包括其他实施例。在其他实施例中，开口阵列可以具有相同或不同的间距、相同或不同的形状、以及相同或不同的尺寸。
本文所描绘的不同实施例的各种组件可以彼此组合使用。例如，图9所示的准直单元120可以与图6所示的光单元110一起使用。另外或可替代地，图6所示的准直单元120可以与图9所示的光单元110一起使用。另外或可替代地，图4所示的对比度增强单元240或图5所示的对比度增强单元340可以与图6所示的准直单元120或图9所示的准直单元120和图6所示的光单元110或图9所示的光单元110一起使用。
在一些实施例中，一种用于生成可由观看者直接观看的图像的方法包括：发射光；使光在第二方向上准直，而使光不在垂直于第二方向的第一方向上准直；以及使光在第一方向上漫射，而使光不在第二方向上漫射。在一些实施例中，所述发射光包括发射在第二方向上具有基本上朗伯强度分布的朗伯光，并且所述方法进一步包括在使光在第二方向上准直之前将朗伯光变换为在第二方向具有基本上均匀强度分布的均匀光。在一些实施例中，所述方法进一步包括将光聚焦到光吸收层的开口阵列上，以便由观看者直接观看。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下可以进行各种修改和变化。因此，本发明不受限制，除了所附权利要求及其等同物之外。

Claims (38)

1.一种用于直视型显示设备的光单元，所述光单元包括：
光源系列，所述光源系列被安排成行并且被配置成用于发射光，所述行平行于第一方向延伸；
准直单元，所述准直单元被布置成与所述光源系列相邻，以使所述光在垂直于所述第一方向的第二方向上准直，而基本上不使所述光在所述第一方向上准直；以及
漫射单元，所述漫射单元被布置成与所述光源系列相邻，以使所述光在与所述行平行的所述第一方向上漫射，而基本上不使所述光在垂直于所述行的所述第二方向上漫射。
2.如权利要求1所述的光单元，其中，所述光源系列包括第一光源、以及与所述第一光源直接相邻并且与所述第一光源间隔开距离X的第二光源，所述漫射单元与所述光源系列间隔开距离Z，并且所述漫射单元包括满足以下公式的漫射角θ：θ>arctan(X/Z)。
3.如权利要求1或权利要求2所述的光单元，其中，由所述光源系列发射的所述光包括在所述第二方向上具有基本上朗伯角强度分布的广角光，并且所述准直单元包括：
调节元件，所述调节元件用于将所述广角光变换成在与所述调节元件间隔开的参考平面处在所述第二方向上具有基本上均匀角强度分布的均匀光；以及
准直元件，所述准直元件用于使所述均匀光在所述第二方向上准直。
4.如权利要求1至3中任一项所述的光单元，其中，所述准直单元包括柱面透镜或柱面菲涅耳透镜中的至少一者。
5.如权利要求1至4中任一项所述的光单元，其中，所述准直单元与所述光源系列中的每一个光源间隔开约等于所述准直单元的焦距的距离。
6.如权利要求1至5中任一项所述的光单元，其中，所述准直单元被布置在所述光源系列与所述漫射单元之间。
7.如权利要求1至6中任一项所述的光单元，其中，每个光源包括发光二极管(LED)或有机发光二极管(OLED)。
8.如权利要求1至7中任一项所述的光单元，进一步包括：
第二光源系列，所述第二光源系列被安排成第二行并且被配置成用于发射第二光，所述第二行基本上平行于所述行；
第二准直单元，所述第二准直单元被布置成与所述第二光源系列相邻，以使所述第二光在所述第二方向上准直，而基本上不使所述第二光在所述第一方向上准直。
9.如权利要求8所述的光单元，其中，所述准直单元和所述第二准直单元是单一准直片材的相邻部分。
10.如权利要求8或权利要求9所述的光单元，其中，所述漫射单元被布置成与所述第二光源系列相邻，以使所述第二光在所述第一方向上漫射，而基本上不使所述第二光在所述第二方向上漫射。
11.如权利要求8至10中任一项所述的光单元，其中，所述光源系列和所述第二光源系列是基本上共面的。
12.一种直视型显示设备，包括：
如权利要求1至11中任一项所述的光单元；以及
对比度增强单元，所述对比度增强单元包括第一主表面以及与所述第一主表面相反的第二主表面，所述第一主表面包括光学元件阵列，所述第二主表面包括光吸收层、以及位于所述光吸收层中并且对应于所述光学元件阵列的开口阵列，所述对比度增强单元和所述光单元被安排成使得所述光学元件阵列被布置在所述光单元与所述光吸收层之间。
13.如权利要求12所述的直视型显示设备，进一步包括图像显示单元，所述图像显示单元被布置在所述光单元与所述对比度增强单元之间并且包括像素阵列，所述对比度增强单元和所述图像显示单元被安排成使得所述对比度增强单元的每个光学元件与所述图像显示单元的至少一个对应像素对准。
14.如权利要求12或权利要求13所述的直视型显示设备，其中，所述光学元件阵列包括双凸透镜阵列。
15.如权利要求14所述的直视型显示设备，其中，所述开口阵列包括基本上线性的开口的阵列，并且每个开口与对应的双凸透镜对准。
16.一种用于直视型显示设备的光单元，所述光单元包括：
光源，所述光源被配置成用于发射具有基本上朗伯角强度分布的广角光；
调节元件，所述调节元件被布置成与所述光源相邻，以将所述广角光变换成在与所述调节元件间隔开的参考平面处具有基本上均匀角强度分布的均匀光；以及
准直元件，所述准直元件被布置成与所述调节元件相邻，以使所述均匀光在至少一个方向上准直。
17.如权利要求16所述的光单元，进一步包括聚集元件，所述聚集元件被布置在所述光源与所述调节元件之间，以将所述朗伯光聚集到所述调节元件上。
18.如权利要求16或权利要求17所述的光单元，其中，所述准直元件被配置成用于使所述均匀光在第二方向上准直，而基本上不使所述均匀光在与所述第二方向垂直的第一方向上准直。
19.如权利要求18所述的光单元，进一步包括漫射单元，所述漫射单元被布置成与所述准直元件相邻，以使所述均匀光在所述第一方向上漫射，而基本上不使所述均匀光在所述第二方向上漫射。
20.一种直视型显示设备，包括：
如权利要求16至19中任一项所述的光单元；以及
对比度增强单元，所述对比度增强单元包括第一主表面以及与所述第一主表面相反的第二主表面，所述第一主表面包括光学元件阵列，所述第二主表面包括光吸收层、以及位于所述光吸收层中并且对应于所述光学元件阵列的开口阵列，所述对比度增强单元和所述光单元被安排成使得所述光学元件阵列被布置在所述光单元与所述光吸收层之间。
21.一种用于直视型显示设备的光单元，所述光单元包括：
发光单元，所述发光单元被配置成用于发射光；
准直单元，所述准直单元被布置成与所述发光单元相邻，以使所述光在第二方向上准直，而基本上不使所述光在与所述第二方向垂直的第一方向上准直。
22.如权利要求21所述的光单元，其中，所述发光单元包括光导，所述光单元进一步包括反射式漫射单元，所述反射式漫射单元被布置成与所述光导的第一表面相邻，并且所述准直单元被布置成与所述光导的与所述第一表面相反的第二表面相邻。
23.如权利要求21或权利要求22所述的光单元，其中，所述准直单元包括第一主表面以及与所述第一主表面相反的第二主表面，所述第一主表面包括光学元件阵列，所述第二主表面包括光反射层、以及位于所述光反射层中并且对应于所述光学元件阵列的开口阵列，并且所述准直单元和所述发光单元被安排成使得所述光反射层被布置在所述发光单元与所述光学元件阵列之间。
24.如权利要求21或权利要求22所述的光单元，其中，所述准直单元包括柱面透镜或柱面菲涅耳透镜中的至少一者。
25.一种直视型显示设备，包括：
如权利要求21至24中任一项所述的光单元；以及
对比度增强单元，所述对比度增强单元包括第一主表面以及与所述第一主表面相反的第二主表面，所述第一主表面包括光学元件阵列，所述第二主表面包括光吸收层、以及位于所述光吸收层中并且对应于所述光学元件阵列的开口阵列，所述对比度增强单元和所述光单元被安排成使得所述光学元件阵列被布置在所述光单元与所述光吸收层之间。
26.如权利要求25所述的直视型显示设备，进一步包括图像显示单元，所述图像显示单元被布置在所述光单元与所述对比度增强单元之间并且包括像素阵列，所述对比度增强单元和所述图像显示单元被安排成使得所述对比度增强单元的每个光学元件与所述图像显示单元的至少一个对应像素对准。
27.一种直视型显示设备，包括：
光单元；
对比度增强单元，所述对比度增强单元包括第一主表面以及与所述第一主表面相反的第二主表面，所述第一主表面包括光学元件阵列，所述第二主表面包括光吸收层、以及位于所述光吸收层中并且对应于所述光学元件阵列的开口阵列，所述对比度增强单元和所述光单元被安排成使得所述光学元件阵列被布置在所述光单元与所述光吸收层之间；
准直单元，所述准直单元被布置在所述光单元与所述对比度增强单元之间；以及
图像显示单元，所述图像显示单元被布置在所述准直单元与所述对比度增强单元之间并且包括像素阵列，所述对比度增强单元和所述图像显示单元被安排成使得所述对比度增强单元的每个光学元件与所述图像显示单元的至少一个对应像素对准。
28.如权利要求27所述的直视型显示设备，其中，所述对比度增强单元包括玻璃基板。
29.如权利要求28所述的直视型显示设备，其中，所述对比度增强单元包括被布置在所述玻璃基板上的树脂层，并且所述光学元件阵列被形成在所述树脂层中。
30.如权利要求28所述的直视型显示设备，其中，所述光学元件阵列被直接形成在所述玻璃基板中。
31.如权利要求28至30中任一项所述的直视型显示设备，其中，所述光吸收层被布置在所述玻璃基板上。
32.如权利要求28至31中任一项所述的直视型显示设备，其中，所述玻璃基板至多约300μm厚。
33.如权利要求27至32中任一项所述的直视型显示设备，其中，所述对比度增强单元包括漫射元件。
34.如权利要求33所述的直视型显示设备，其中，所述漫射元件包括以下各项中的至少一项：
漫射层，所述漫射层被布置在所述光学元件阵列与所述光吸收层之间，或者
漫射材料，所述漫射材料位于所述光吸收层中的所述开口阵列内。
35.如权利要求27至34中任一项所述的直视型显示设备，其中，所述开口占据所述光吸收层的表面积的至多约50％。
36.如权利要求27至35中任一项所述的直视型显示设备，其中，所述准直单元包括菲涅耳透镜。
37.如权利要求27至36中任一项所述的直视型显示设备，进一步包括透明盖，所述对比度增强单元被布置在所述图像显示单元与所述透明盖之间。
38.如权利要求27至37中任一项所述的直视型显示设备，其中：
所述光单元和所述准直单元被安排成使得由所述光单元生成的漫射光穿过所述准直单元以形成准直光；
所述准直单元和所述图像显示单元被安排成使得所述准直光穿过所述图像显示单元的像素以形成图像像素；以及
所述图像显示单元和所述对比度增强单元被安排成使得所述光学元件将所述图像像素聚焦在所述对比度增强单元的对应开口上。
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