用于日光下可视显示器的带有具有紊乱的棱镜的转向薄膜的被动式日光耦合背光源的制作方法
专利名称：用于日光下可视显示器的带有具有紊乱的棱镜的转向薄膜的被动式日光耦合背光源的制作方法
用于日光下可视显示器的带有具有紊乱的棱镜的转向薄膜的被动式日光耦合背光源
背景技术：
随着数字显示器，如液晶显示器(IXD)的日益普及，此类显示器的日光下可视性在商业上的重要性也在逐渐增加。广告商期望能在室外环境使用数字媒体，而消费者希望他们的电子产品随处可用。现有的户外日光下可视性问题的解决方案因为显示亮度不够或耗能过多以及由其引起的热负荷而达不到目的。例如，一个解决方案通过在40英寸显示器中使用720个三瓦LED来实现2000尼特亮度，该显示器需要液体冷却系统来驱散2. I千瓦的热。还有，带有背光的显示器重110磅，对这种显示器来讲是一个不容忽视的重量。
发明内容
依照本发明，被动式日光耦合显示器包括LCD面板，其具有顶边及底边；漫射器，其具有与LCD面板的顶边相邻的前缘，且具有后缘；和弯曲反射器，其具有与漫射器的后缘相邻的顶边，且具有与LCD面板的底边相邻的底边。所述显示器还包括位于所述LCD面板后面的转向薄膜，和可选的位于所述LCD面板和所述转向薄膜之间的反射型偏光片。漫射器将日光透射至反射器，反射器将日光反射至LCD面板，并且在LCD面板上提供基本上均匀分布的日光。转向薄膜从漫射器上收集光并将光导向LCD面板转向薄膜还在棱镜中造成紊乱以获得改善的视觉体验。
附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分，并且它们结合具体实施方式
阐明本发明的优点和原理。在这些附图中，图I为第一日光耦合IXD装置的侧视图；图2为图I所示日光耦合IXD装置的透视图；图3为第二日光耦合IXD装置的侧视图；图4为图3所示日光耦合IXD装置的透视图；图5为一种带有转向薄膜和弯曲反射器的日光耦合IXD装置的侧视图；图5a为示出图5的转向薄膜的棱镜角度的图；和图6为示出适用于采用高漫射背反射器材料的背反射器另一种布置的图。
具体实施例方式使用日光作为显示器的照明光源有助于节省电能，能够提供更加高效节能的显示器。日光耦合背光源提供了日光下可视的解决方案，其可能由太阳能驱动，并且还可以产生高亮度显示。在夜间或其他低环境光照度的条件下，可使用主动式光源辅助该背光源。通过采用太阳来照亮背光源，可节约大量电力负载并能够获得日光下可视的节能显示器，这种显示器有可能完全由太阳能供能且可获得高亮度显示。日光耦合LCD装置可用于数字标牌、交通标牌或其他类型信息显示装置等多种室外装置。可根据例如装置的期望用途，将装置封闭在广告亭或其他类型的封闭空间内。该装置可用在公共汽车候车亭、建筑物的墙面、卡车、拖车或其他室外场所上，用于展示广告或其他信息。该装置也可用于各种室内装置中，以在商店橱窗、人流密集的商场或其他场所内显示信息或广告。该装置还可用于汽车内部，以在中控面板、行车显示组件或仪表板上显示信息。该装置可安装在汽车头靠的背面或汽车顶棚上，以便在车辆内显示娱乐节目。该装置还可为较小的尺寸外形-显示器对角线长度小于7英寸。该装置中的显示面板可布置成以肖像模式或风景模式来显示信息。这些装置也可以并列放置来模拟较大的显示器或形成显示器组。 本申请中的术语“LCD”用来表示目前市场上可得的或将来可能得到的各种液晶面板，包括但不限于传统的TN面板、PVA、MVA或OCB形式的面板以及半穿透反射(transflective)面板。另外，可以其他背光式光阀型显示器、其他背光式电子显示器、电子标牌或静态标牌来取代LCD面板。还有，LCD面板可用太阳能面板替代以增强太阳能面板上的日光量，或使太阳能面板在不同方向上构建，或采用其它需要照明的装置替代LCD面板。该背光源可设计为可折叠式，以使得其可在折叠状态下用作更常规的背光源，但可通过铰链、弹簧或滑块重新布置来形成本说明书中所描述的背光源。另外，该背光源可出于运输或储存目的设计为可折叠。优选地，在整个空腔中都采用高反射型表面。然而可选的是，可将漫射器添加在多个位置，如在LCD面板后，以隐藏部件之间的接缝或接口。在该系统中的所有漫射器，包括入口孔，均可为被动式的，例如涂覆珠状物的膜及体漫射板，或该漫射器可为主动式控制的例如I3DLC (聚合物分散液晶)膜或板。该漫射器可为在特性上一致或不一致的，例如印电提取器、变密度膜或板或其它图案化系统。各种被动式和混合背光源的例子公开于下述文献中提交于2008年12月8日、名称为 “Passive and Hybrid Day I i ght-Coup led Backlights for Sunlight ViewableDisplays”、序列号为12/330155的美国专利申请，以及提交于2009年6约26日、名称为“Passive and Hybrid DayIight-Coupled N-Stack and Collapsible Backlights forSunlight Viewable Displays”、序列号为 12/492166 的美国专利申请。被动式日光耦合显示器图I为第一日光耦合IXD装置10的侧视图，而图2为所述日光耦合IXD装置10的透视图。装置10包括具有顶边15和底边17的IXD面板14、具有前缘11和后缘13的漫射器12、具有顶边19和底边21的弯曲反射器16以及侧面板24和26。装置具有高度20和深度22。如箭头18所示，漫射器12将至少部分日光透视至反射器16，且可能至其他部件。接着反射器16将该光反射在LCD面板14上，以便向该LCD面板提供背光照明。装置10被设计成具有深度22和反射器16曲率，使得反射器16向LCD面板14上提供基本上分布均匀的被反射日光。反射器具有圆形形状意指其形成圆的一部分，高20与深22之比约为I : I。在其它的实施例中，特别是如果LCD面板后使用转向薄膜时，所述LCD面板的高度与所述漫射器的深度之比约为I : 0.5。叠堆的反射器构造可实现I : 0.375的优选比例。在装置10和其它日光耦合IXD装置中，漫射器12优选相对于IXD面板14位于约90°的夹角处，尽管所述夹角可大于120°，也可小于90°。
通过将日光用于被动式背光照明，可在白天室外装置中使用该装置而无需主动式光源，因此节省了电能，并且减少该装置上的热负荷。为维持亮度，可在多云条件下使用主动式光源。如果在多云或低环境光照度条件下亮度不用担心，则不需要主动式光源。除了使用日光外，该装置10可使用其他外部光源进行被动式背光照明，如路灯、探照灯、聚光灯或头顶荧光灯。可使用例如透镜、光导管、反射镜或环境光集光器来组合或聚集用于该被动式背光照明的所有外部光源。图3为第二日光耦合IXD装置30的侧视图，而图4为所述日光耦合IXD装置30的透视图。装置30包括IXD面板34、漫射器32、弯曲反射器36以及侧面板44和46。装置30具有高度40和深度42。如箭头38所示，漫射器32将至少部分日光透射至反射器36，且可能至其他部件。接着反射器36将该光反射在LCD面板34上，以便向该LCD面板提供背光照明。装置30被设计成具有深度42和反射器36曲率，使得反射器36向LCD面板34上提供基本上分布均匀的被反射日光。具有较深的漫射器空腔，例如相比装置10的装置30中所示出的那样，可 使漫射器为所述反射器和LCD面板的背光照明收集更多的光，从而在水平和垂直方向上都获得更宽广的视角。反射器36具有抛物线形状意指其为抛物线的一部分，高度40与深度42的之比可为约I : 3。虽然所述反射器显示为圆形和拋物线形状，但是其他形状也可行，包括三维(3D)曲线或直反射器。另外，该反射器的形状可改变。对于成形的反射器，其优选成形为拋物线的一部分，并且边缘布置成与垂直于漫射器及IXD面板的轴成20°至40°的角度接合所述漫射器及IXD面板。日光耦合IXD装置中的漫射器，如漫射器12和32，可采用如下面的一种或多种来实现小珠化增益漫射器、微结构化增益漫射器、漫射器片材如体漫射器(颗粒填充的、相分离的或微空化的)或漫射器板。可选地，所述漫射器具有用于收集或聚集日光或其它光源的圆顶或多棱面。漫射器12及32优选可阻断紫外(UV)光，且反射器16及36优选可透射红外(IR)光，以避免增加LCD装置上的热负荷。漫射器可提供光的充分漫射，以实现均匀的背光照明，且该漫射器通常可透射入射其上的可见光的至少50%，优选至少70%，更优选至少90%，同时具有由得自美国BYK-Gardner的Haze-Gard产品所测得的低透明度。漫射器形状可为平的、弯曲的以获得圆顶或部分圆顶，或多棱面。另外的收集器光学元件和保护性光学元件可用在所述漫射器的上面，如在保护性圆顶下的光收集器和光聚集器。这些光收集或聚集光学元件可为所述漫射器上面的单独部件，或和所述漫射器一起包含在一体单元中。日光耦合IXD装置中的反射器，如反射器16和36，可采用例如下述中的一种或多种来实现聚合物多层干涉反射膜，如得自3M公司的增强型镜面反射(ESR)膜；反射型偏光片；反射型偏振膜；得自Anomet公司(Ontario, Canada)的MIRO或MIRO银或得自E. I. DuPont DeNemours and Company的镀银或镀招Mylar产品。所述膜或反射型表面可选地可固定到支承结构上。反射型偏光片为相比其他偏振优先反射一种偏振的膜。反射型偏光片的种类包括多层基的、共混物或分散相基的，纤维基的、胆留液晶基的、线网格基的或布鲁斯特角效应偏光片。具体地，多层反射型偏光片可采用下述来实现DBEF (亮度增强膜)，如都得自3M公司的DBEF-Q、D-400和D2-400 ;高级偏振膜(APF)，如也得自3M公司的LEF-D产品和其它多层变型。这些多层反射型偏光片通过带有低雾度表面或无光表面(matte finish)也可提供雾度。DBEF-D400膜在两聚碳酸酯层中具有60%的雾度，且叠堆作为一个整体表现出72%+/-10%的雾度。LEF-D产品在聚碳酸酯层的一层中具有12%的雾度，而在另一层中具有20%的雾度，且堆叠的整体雾度为41%+/-10%。共混物或分散相反射型偏光片的具体例子包括也得自3M公司的DRP。布鲁斯特角反射型偏光片可采用“玻片堆”(“pile of plates”)现象制造。一种优选的反射型偏光片为APF，其包括镜面APF和APF夹在两层模糊的聚碳酸酯膜之间的LEF-D两者。采用透射红外(IR)光的聚合物多层干涉反射膜引起IXD面板温度的降低，因为该面板最终不接受和不吸收那种红外光。反射器16及36优选可透射红外(IR)光，以避免增加LCD装置上的热负荷。可选地，该反射器可具有多棱面或被涂覆以提供特定的视觉效果，并且可选地，也可包括小珠涂覆的、微结构化涂覆膜或低雾度涂层。如果需要额外的机械支承，反射器膜可被例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其它塑料板支承，或为不锈钢或铝上的聚合物多层干涉反射膜。如果使用可反射IR的金属支承件或其他材料来支承该聚合物多 层干涉反射膜，则优选在IR进入背光源空腔前阻隔IR，例如在漫射器板的上方或下方使用IR反射镜膜，如可得自3M公司的Prestige或Crystallinea膜产品,来阻断入射IR光。使用时反射器优选具有平滑的弯曲形状，但是也可使用具有不平滑部分的弯曲形状。反射器优选具有超过80%的可见光反射率，更优选具有90%或更高的反射率，最优选具有98%或更高的反射率。此类膜的实例为ESR膜。日光耦合IXD装置的侧面板，如板24、26、44、46可采用例如下述来实现聚合物多层干涉反射膜、镀银反射器，如得自3M公司的Silverlux产品、朗伯曲线反射器、反射型织物或漫射器板。该面板可被实施为单独的部件。或者，该侧面板及反射器可一起成形为3D空腔，如具有热成形反射器空腔。日光耦合IXD装置中的漫射器、反射器及侧面板可通过例如框架保持在一起。日光耦合LCD装置的所述部件可通过直接接触、通过一种或多种其它部件如框架连接或与相邻部件保持在一起或彼此连接而彼此相邻。可选地，相邻部件之间可包含空气间隙。装置10和30以及其他日光耦合IXD装置可在IXD面板前面包括额外的膜。那些额外的膜的例子包括防破碎膜，如得自3M公司的抗裂膜产品、防反射涂层或膜、反眩目膜、IR过滤膜，如得自3M公司的Prestige或Crystallinea膜产品和多功能单膜。同样地，额外的膜可直接用在漫射器板的上面或下面，以提供UV保护、IR保护、防爆保护及色彩校正。多功能单膜可用在所述漫射器板的上面或下面。额外的膜也可包括在LCD面板的背面上或靠近、邻近或接触该背面。这些膜的例子包括反射型偏振膜，如得自3M公司的DBEF产品、带有漫射粘结剂的DBEF、微复制膜，如棱镜型膜或工程漫射器，或它们的组合。带有转向薄膜的日光耦合背光源图5为一种带有转向薄膜和弯曲反射器的日光耦合IXD装置50的侧视图，并且图5a为示出该转向薄膜的棱镜角的图。如图5所示，装置50包括IXD面板56、漫射器52、弯曲反射器54、反射型偏光片58、可选的空气间隙59和转向薄膜60。装置50可以与上面描述的装置10和30类似的方式运行。具体地，漫射器52至少透过一些日光至反射器54，并可能至其它部件。接着反射器54将该光反射在LCD面板56上，以便向该LCD面板提供背光照明。设计装置50使得反射器54将反射的日光基本均匀地分布到IXD面板56上。转向薄膜60使反射的日光沿通常视轴基本垂直于LCD面板56透过。反射型偏光片58使被反射日光的恰当的偏光透射至LCD面板56。反射型偏光片58和转向薄膜60之间的而空气间隙59虽然是可选的，但对于装置50的运行是优选的。反射器54优选提供主要沿一与IXD面板56垂直方向的轴扩展的漫射。装置50可具有上面描述的装置10和30的高深比。还有，在装置50中，尽管漫射器52可以上面描述的不同角度设置，但优选与IXD面板56成大约90°角设置。下面是用于实现装置50的部件的例子。IXD面板56包括上面描述的示例性面板。漫射器 52 可米用，例如，得自 Astra Products, Inc. (Baldwin, New York)的 Astra Clarex漫射板(产品号DR-50C、60C、70C、75C、80C、85C和90C)来实现。DR-90C漫射板可具有约90%的透射率，并且是优选的，但具有较低透射率的漫射器也可以采用。反射型偏光片58包括上面描述的示例性反射型偏光片。反射器54可采用在基本上一个方向上提供漫射，层合或固定到聚合物多层干涉反射膜或LEF或LEF-D产品上的漫射器来实现。优选在基本上一个方向上提供漫射的漫射器以从装置50的顶到底获得均匀的图像输出。在一个方向的漫射可通过采用微纤维和纳米纤维嵌入不同折射率的聚合物基体获得。所述微米级和纳米级纤维具有随机分布的从50nm到30微米,优选从200nm到5微米的平均直径。所述纤维优选在显示装置50中水平取向，以将入射光在垂直方向上扩展，使被显示的图像从顶到底均匀。漫射器可采用具有不同折射率的两种或多种透明聚合物制成。优选地，所述两种或多种聚合物的折射率差值大于O. 03，更优选地，大于O. 05。在一个实施例中，在基本上一个方向上提供漫射的漫射膜通过采用组成比可在从90重量10重量至10重量90重量,优选从30重量70重量至50重量50重量(聚丙烯聚苯乙烯)范围内的聚丙烯(折射率为I. 49)和聚苯乙烯(折射率为I. 58)熔融挤压涂布制成。小心控制该熔融涂布工艺使得获得的漫射膜具有从I : I. 5至I : 10，优选从I : 1.8至I : 5(MD TD)的扩展率(MD TD)。作为另外一种选择，在基本上一个方向上提供漫射的光扩展漫射器(LSD)可采用具有范围从I : 1.5到I : 10，优选从I : 1.8到I : 5(MD:TD)扩展率的全息漫射膜达成。这种LSD膜可从Luminit, Co. (California)、Wavefront Technology, Inc (California)或 Edmund Optics (New Jersey)获得。在一个优选的实施例中，转向薄膜60具有以下特征由得自3M公司的Accentrim树脂材料制成的棱镜；棱镜折射率n=l. 4至I. 7 ；0. 005英寸厚(任意厚度)的透光聚酯背衬；具有50°到80°角的棱镜，该角指如图5a所示棱镜尖端的内角62 ;20微米至100微米的螺距，该螺距指棱镜尖端之间的距离64;以及0.2°到10°的紊乱(chaos)。紊乱意指在单个棱镜中，沿幅材向下棱镜峰在高度上连续变化，并且从棱镜到棱镜在高度上不连续变化。可采用波函数来控制峰-高度变化在一特定界限内。紊乱指从膜或穿过膜反射或透过的激光束扩展的平均量。光学膜棱镜中的紊乱的一个例子描述于美国专利号6，354，709。优选的转向薄膜的各种参数可为近似值，其中折射率、棱镜角、螺距和紊乱在具有相似性能和特征的膜中可发生变化。转向薄膜的一个例子描述于美国专利号6，356，391。折射率和棱镜角结合以调整光出射显示器的显性角度。虽然不垂直的出射光角也可能是优选的，例如当显示器在观众的上方或下方时，但优选地，所述折射率和棱镜角调整为使得出射光方向(峰值亮度)垂直或接近垂直于该显示器。作为另外一个选择，棱镜折射率和棱镜角的组合可被选择成使得峰值亮度在偏离显示器垂直方向10°范围内或偏离显示器垂直方向大于或等于10°。膜中的紊乱量调整为使出射光锥的截止角柔和，从而改善视觉体验。过少的紊乱量导致突然截止和更高的峰值亮度，而过多的紊乱量导致非常柔和的截止和非常低的峰值亮度。作为另外一种选择，装置50的部件可采用其它类型的漫射器、反射器和转向薄膜来实现。例如，作为另外一种选择，背反射器可选择为具有高漫射，例如采用得自3M公司的LEF产品。在这种情况下，弯曲背发射器可分为两个或更多个平(基本平)的部分，包括，例如，背反射器74和底反射器72以制造图6所示的装置70。除了背反射器以外，装置70可采用与所描述的装置50 —样的部件并具有相同的构造。背反射器74和底反射器72可由弯曲反射器76连接。优选地，弯曲反射器76的曲率选择为使背反射器74和底反射器72之间相交处的可见人工痕迹最少。弯曲反射器76的曲率可选择为O。反射器72、74和76可采用上面描述的用于装置50中的反射器来实现。作为另外一种选择，用于反射器72、74和76的其它材料包括聚苯乙烯板、白色丙烯酸树脂、板、白色Styrofoam材料、或任意具有高反射型漫射表面的材料。装置50或70的部件可采用上面描述的框架保持在一起。装置50或70还可包括上面描述的相对的侧墙，所述侧墙用，例如，聚合物多层干涉反射膜或半镜面反射膜来实现。装置50或70还可以可选地包括上面描述的用于装置10和30以及其它日光耦合IXD装置的额外的膜、特征和部件。例如，装置50或70可包括在昏暗环境照明条件下为显示器提供背光照明，或补充被动背光照明的内光源，如LED。被动背光照明显示器中内光源的例子描述于上面引证的专利申请中。
权利要求
1.一种被动式日光稱合显不器,包括 IXD面板，其具有顶边及底边； 转向薄膜，其位于所述LCD面板的后面，其中所述转向薄膜在棱镜中具有0.2°至10°的紊乱； 漫射器，其具有与LCD面板的顶边相邻的前缘，且具有后缘； 和 弯曲反射器，其具有与所述漫射器后缘相邻的顶边，且具有与所述LCD面板底边相邻的底边， 其中所述漫射器将日光透射至反射器，反射器将日光反射至LCD面板，并且在LCD面板上提供均匀分布的日光。
2.权利要求I中的显示器，还包括反射型偏光片，其位于所述IXD面板和转向薄膜之间。
3.权利要求I中的显示器，其中所述反射器为漫反射器。
4.权利要求I中的显示器，其中所述反射器包括漫射器，其在一个方向上提供漫射；和反射器。
5.权利要求4的显示器，其中所述漫射器在垂直于所述LCD面板的方向上提供漫射。
6.权利要求I中的显示器，其中所述转向薄膜具有以下参数棱镜具有I.4至I. 7的折射率；棱镜具有50°到80°的棱镜锥角；棱镜尖端之间的螺距为20微米至100微米。
7.权利要求I中的显示器，其中所述漫射器的透射率为90%。
8.权利要求I中的显示器，还包括相对的侧墙，所述侧墙在所述LCD面板和所述反射器之间延伸。
9.权利要求8的显示器，其中所述侧墙的每一个包括反射膜。
10.权利要求I中的显示器，其中所述IXD面板相对所述漫射器成90°设置。
11.权利要求I中的显示器，其中所述LCD面板的高度与所述漫射器的深度之比为I Io
12.权利要求I中的显示器，其中所述LCD面板的高度与所述漫射器的深度之比为I : 0. 5。
13.权利要求I中的显示器，还包括位于所述IXD面板前面的膜，其中所述膜包括下列膜的一种或几种防破碎膜、反眩目膜、防反射涂膜、IR膜或多功能单膜。
14.权利要求I中的显示器，其中所述转向薄膜的棱镜折射率和棱镜角的组合被选择为使得峰值亮度与所述显示器垂直。
15.权利要求I中的显示器，其中所述棱镜折射率和棱镜角的组合被选择为使得峰值亮度偏离所述显示器的垂直方向在10°范围内。
16.权利要求I中的显示器，其中所述棱镜折射率和棱镜角的组合被选择为使得峰值亮度偏离所述显示器的垂直方向大于或等于10°。
17.权利要求I中的显示器，进一步包括调节入射到所述漫射器上的光的量的光收集元件。
18.权利要求17中的显示器，其中所述光收集元件进一步包括光聚集元件。
19.权利要求I中的显示器，进一步包括位于所述漫射器上面或下面的膜，其中所述膜包括下列膜中的一种或多种防破碎膜、紫外膜、IR膜、色彩校正膜或多功能单膜。
20.权利要求2中的显示器，进一步包括位于所述反射型偏光片和转向薄膜之间的空气间隙。
21.—种被动式日光稱合显不器,包括 IXD面板，其具有顶边及底边； 转向薄膜，其位于所述LCD面板的后面，其中所述转向薄膜在棱镜中具有0.2°至10°的紊乱； 漫射器，其具有与LCD面板的顶边相邻的前缘，且具有后缘； 和 反射器，其具有与所述漫射器后缘相邻的顶边，且具有与所述LCD面板底边相邻的底边，其中所述反射器的顶边和底边的每一个为平面， 其中所述漫射器将日光透射至反射器，反射器将日光反射至LCD面板，并且在LCD面板上提供均匀分布的日光。
22.权利要求21中的显示器，还包括连接所述反射器顶边和底边的弯曲反射器。
全文摘要
一种被动式日光耦合显示器，具有LCD面板、漫射器、在所述LCD面板后面的转向薄膜和在所述转向薄膜后面的弯曲反射器。为了被动式背光照明，所述漫射器将日光透射至所述反射器，反射器将日光透过转向薄膜反射至LCD面板，并且在LCD面板上提供基本上均匀分布的日光以背光照亮该显示器。所述转向薄膜带有具有紊乱的棱镜以获得改善的视觉体验。
文档编号G02F1/13357GK102667585SQ201080052344
公开日2012年9月12日 申请日期2010年11月17日 优先权日2009年11月18日
发明者刘宇锋, 吉勒·J·伯努瓦, 珍妮弗·R·伊, 罗尔夫·W·比尔纳特, 迈克尔·F·韦伯 申请人:3M创新有限公司
用于日光下可视显示器的带有具有紊乱的棱镜的转向薄膜的被动式日光耦合背光源
背景技术：
随着数字显示器，如液晶显示器(IXD)的日益普及，此类显示器的日光下可视性在商业上的重要性也在逐渐增加。广告商期望能在室外环境使用数字媒体，而消费者希望他们的电子产品随处可用。现有的户外日光下可视性问题的解决方案因为显示亮度不够或耗能过多以及由其引起的热负荷而达不到目的。例如，一个解决方案通过在40英寸显示器中使用720个三瓦LED来实现2000尼特亮度，该显示器需要液体冷却系统来驱散2. I千瓦的热。还有，带有背光的显示器重110磅，对这种显示器来讲是一个不容忽视的重量。
发明内容
依照本发明，被动式日光耦合显示器包括LCD面板，其具有顶边及底边；漫射器，其具有与LCD面板的顶边相邻的前缘，且具有后缘；和弯曲反射器，其具有与漫射器的后缘相邻的顶边，且具有与LCD面板的底边相邻的底边。所述显示器还包括位于所述LCD面板后面的转向薄膜，和可选的位于所述LCD面板和所述转向薄膜之间的反射型偏光片。漫射器将日光透射至反射器，反射器将日光反射至LCD面板，并且在LCD面板上提供基本上均匀分布的日光。转向薄膜从漫射器上收集光并将光导向LCD面板转向薄膜还在棱镜中造成紊乱以获得改善的视觉体验。
附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分，并且它们结合具体实施方式
阐明本发明的优点和原理。在这些附图中，图I为第一日光耦合IXD装置的侧视图；图2为图I所示日光耦合IXD装置的透视图；图3为第二日光耦合IXD装置的侧视图；图4为图3所示日光耦合IXD装置的透视图；图5为一种带有转向薄膜和弯曲反射器的日光耦合IXD装置的侧视图；图5a为示出图5的转向薄膜的棱镜角度的图；和图6为示出适用于采用高漫射背反射器材料的背反射器另一种布置的图。
具体实施例方式使用日光作为显示器的照明光源有助于节省电能，能够提供更加高效节能的显示器。日光耦合背光源提供了日光下可视的解决方案，其可能由太阳能驱动，并且还可以产生高亮度显示。在夜间或其他低环境光照度的条件下，可使用主动式光源辅助该背光源。通过采用太阳来照亮背光源，可节约大量电力负载并能够获得日光下可视的节能显示器，这种显示器有可能完全由太阳能供能且可获得高亮度显示。日光耦合LCD装置可用于数字标牌、交通标牌或其他类型信息显示装置等多种室外装置。可根据例如装置的期望用途，将装置封闭在广告亭或其他类型的封闭空间内。该装置可用在公共汽车候车亭、建筑物的墙面、卡车、拖车或其他室外场所上，用于展示广告或其他信息。该装置也可用于各种室内装置中，以在商店橱窗、人流密集的商场或其他场所内显示信息或广告。该装置还可用于汽车内部，以在中控面板、行车显示组件或仪表板上显示信息。该装置可安装在汽车头靠的背面或汽车顶棚上，以便在车辆内显示娱乐节目。该装置还可为较小的尺寸外形-显示器对角线长度小于7英寸。该装置中的显示面板可布置成以肖像模式或风景模式来显示信息。这些装置也可以并列放置来模拟较大的显示器或形成显示器组。 本申请中的术语“LCD”用来表示目前市场上可得的或将来可能得到的各种液晶面板，包括但不限于传统的TN面板、PVA、MVA或OCB形式的面板以及半穿透反射(transflective)面板。另外，可以其他背光式光阀型显示器、其他背光式电子显示器、电子标牌或静态标牌来取代LCD面板。还有，LCD面板可用太阳能面板替代以增强太阳能面板上的日光量，或使太阳能面板在不同方向上构建，或采用其它需要照明的装置替代LCD面板。该背光源可设计为可折叠式，以使得其可在折叠状态下用作更常规的背光源，但可通过铰链、弹簧或滑块重新布置来形成本说明书中所描述的背光源。另外，该背光源可出于运输或储存目的设计为可折叠。优选地，在整个空腔中都采用高反射型表面。然而可选的是，可将漫射器添加在多个位置，如在LCD面板后，以隐藏部件之间的接缝或接口。在该系统中的所有漫射器，包括入口孔，均可为被动式的，例如涂覆珠状物的膜及体漫射板，或该漫射器可为主动式控制的例如I3DLC (聚合物分散液晶)膜或板。该漫射器可为在特性上一致或不一致的，例如印电提取器、变密度膜或板或其它图案化系统。各种被动式和混合背光源的例子公开于下述文献中提交于2008年12月8日、名称为 “Passive and Hybrid Day I i ght-Coup led Backlights for Sunlight ViewableDisplays”、序列号为12/330155的美国专利申请，以及提交于2009年6约26日、名称为“Passive and Hybrid DayIight-Coupled N-Stack and Collapsible Backlights forSunlight Viewable Displays”、序列号为 12/492166 的美国专利申请。被动式日光耦合显示器图I为第一日光耦合IXD装置10的侧视图，而图2为所述日光耦合IXD装置10的透视图。装置10包括具有顶边15和底边17的IXD面板14、具有前缘11和后缘13的漫射器12、具有顶边19和底边21的弯曲反射器16以及侧面板24和26。装置具有高度20和深度22。如箭头18所示，漫射器12将至少部分日光透视至反射器16，且可能至其他部件。接着反射器16将该光反射在LCD面板14上，以便向该LCD面板提供背光照明。装置10被设计成具有深度22和反射器16曲率，使得反射器16向LCD面板14上提供基本上分布均匀的被反射日光。反射器具有圆形形状意指其形成圆的一部分，高20与深22之比约为I : I。在其它的实施例中，特别是如果LCD面板后使用转向薄膜时，所述LCD面板的高度与所述漫射器的深度之比约为I : 0.5。叠堆的反射器构造可实现I : 0.375的优选比例。在装置10和其它日光耦合IXD装置中，漫射器12优选相对于IXD面板14位于约90°的夹角处，尽管所述夹角可大于120°，也可小于90°。
通过将日光用于被动式背光照明，可在白天室外装置中使用该装置而无需主动式光源，因此节省了电能，并且减少该装置上的热负荷。为维持亮度，可在多云条件下使用主动式光源。如果在多云或低环境光照度条件下亮度不用担心，则不需要主动式光源。除了使用日光外，该装置10可使用其他外部光源进行被动式背光照明，如路灯、探照灯、聚光灯或头顶荧光灯。可使用例如透镜、光导管、反射镜或环境光集光器来组合或聚集用于该被动式背光照明的所有外部光源。图3为第二日光耦合IXD装置30的侧视图，而图4为所述日光耦合IXD装置30的透视图。装置30包括IXD面板34、漫射器32、弯曲反射器36以及侧面板44和46。装置30具有高度40和深度42。如箭头38所示，漫射器32将至少部分日光透射至反射器36，且可能至其他部件。接着反射器36将该光反射在LCD面板34上，以便向该LCD面板提供背光照明。装置30被设计成具有深度42和反射器36曲率，使得反射器36向LCD面板34上提供基本上分布均匀的被反射日光。具有较深的漫射器空腔，例如相比装置10的装置30中所示出的那样，可 使漫射器为所述反射器和LCD面板的背光照明收集更多的光，从而在水平和垂直方向上都获得更宽广的视角。反射器36具有抛物线形状意指其为抛物线的一部分，高度40与深度42的之比可为约I : 3。虽然所述反射器显示为圆形和拋物线形状，但是其他形状也可行，包括三维(3D)曲线或直反射器。另外，该反射器的形状可改变。对于成形的反射器，其优选成形为拋物线的一部分，并且边缘布置成与垂直于漫射器及IXD面板的轴成20°至40°的角度接合所述漫射器及IXD面板。日光耦合IXD装置中的漫射器，如漫射器12和32，可采用如下面的一种或多种来实现小珠化增益漫射器、微结构化增益漫射器、漫射器片材如体漫射器(颗粒填充的、相分离的或微空化的)或漫射器板。可选地，所述漫射器具有用于收集或聚集日光或其它光源的圆顶或多棱面。漫射器12及32优选可阻断紫外(UV)光，且反射器16及36优选可透射红外(IR)光，以避免增加LCD装置上的热负荷。漫射器可提供光的充分漫射，以实现均匀的背光照明，且该漫射器通常可透射入射其上的可见光的至少50%，优选至少70%，更优选至少90%，同时具有由得自美国BYK-Gardner的Haze-Gard产品所测得的低透明度。漫射器形状可为平的、弯曲的以获得圆顶或部分圆顶，或多棱面。另外的收集器光学元件和保护性光学元件可用在所述漫射器的上面，如在保护性圆顶下的光收集器和光聚集器。这些光收集或聚集光学元件可为所述漫射器上面的单独部件，或和所述漫射器一起包含在一体单元中。日光耦合IXD装置中的反射器，如反射器16和36，可采用例如下述中的一种或多种来实现聚合物多层干涉反射膜，如得自3M公司的增强型镜面反射(ESR)膜；反射型偏光片；反射型偏振膜；得自Anomet公司(Ontario, Canada)的MIRO或MIRO银或得自E. I. DuPont DeNemours and Company的镀银或镀招Mylar产品。所述膜或反射型表面可选地可固定到支承结构上。反射型偏光片为相比其他偏振优先反射一种偏振的膜。反射型偏光片的种类包括多层基的、共混物或分散相基的，纤维基的、胆留液晶基的、线网格基的或布鲁斯特角效应偏光片。具体地，多层反射型偏光片可采用下述来实现DBEF (亮度增强膜)，如都得自3M公司的DBEF-Q、D-400和D2-400 ;高级偏振膜(APF)，如也得自3M公司的LEF-D产品和其它多层变型。这些多层反射型偏光片通过带有低雾度表面或无光表面(matte finish)也可提供雾度。DBEF-D400膜在两聚碳酸酯层中具有60%的雾度，且叠堆作为一个整体表现出72%+/-10%的雾度。LEF-D产品在聚碳酸酯层的一层中具有12%的雾度，而在另一层中具有20%的雾度，且堆叠的整体雾度为41%+/-10%。共混物或分散相反射型偏光片的具体例子包括也得自3M公司的DRP。布鲁斯特角反射型偏光片可采用“玻片堆”(“pile of plates”)现象制造。一种优选的反射型偏光片为APF，其包括镜面APF和APF夹在两层模糊的聚碳酸酯膜之间的LEF-D两者。采用透射红外(IR)光的聚合物多层干涉反射膜引起IXD面板温度的降低，因为该面板最终不接受和不吸收那种红外光。反射器16及36优选可透射红外(IR)光，以避免增加LCD装置上的热负荷。可选地，该反射器可具有多棱面或被涂覆以提供特定的视觉效果，并且可选地，也可包括小珠涂覆的、微结构化涂覆膜或低雾度涂层。如果需要额外的机械支承，反射器膜可被例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其它塑料板支承，或为不锈钢或铝上的聚合物多层干涉反射膜。如果使用可反射IR的金属支承件或其他材料来支承该聚合物多 层干涉反射膜，则优选在IR进入背光源空腔前阻隔IR，例如在漫射器板的上方或下方使用IR反射镜膜，如可得自3M公司的Prestige或Crystallinea膜产品,来阻断入射IR光。使用时反射器优选具有平滑的弯曲形状，但是也可使用具有不平滑部分的弯曲形状。反射器优选具有超过80%的可见光反射率，更优选具有90%或更高的反射率，最优选具有98%或更高的反射率。此类膜的实例为ESR膜。日光耦合IXD装置的侧面板，如板24、26、44、46可采用例如下述来实现聚合物多层干涉反射膜、镀银反射器，如得自3M公司的Silverlux产品、朗伯曲线反射器、反射型织物或漫射器板。该面板可被实施为单独的部件。或者，该侧面板及反射器可一起成形为3D空腔，如具有热成形反射器空腔。日光耦合IXD装置中的漫射器、反射器及侧面板可通过例如框架保持在一起。日光耦合LCD装置的所述部件可通过直接接触、通过一种或多种其它部件如框架连接或与相邻部件保持在一起或彼此连接而彼此相邻。可选地，相邻部件之间可包含空气间隙。装置10和30以及其他日光耦合IXD装置可在IXD面板前面包括额外的膜。那些额外的膜的例子包括防破碎膜，如得自3M公司的抗裂膜产品、防反射涂层或膜、反眩目膜、IR过滤膜，如得自3M公司的Prestige或Crystallinea膜产品和多功能单膜。同样地，额外的膜可直接用在漫射器板的上面或下面，以提供UV保护、IR保护、防爆保护及色彩校正。多功能单膜可用在所述漫射器板的上面或下面。额外的膜也可包括在LCD面板的背面上或靠近、邻近或接触该背面。这些膜的例子包括反射型偏振膜，如得自3M公司的DBEF产品、带有漫射粘结剂的DBEF、微复制膜，如棱镜型膜或工程漫射器，或它们的组合。带有转向薄膜的日光耦合背光源图5为一种带有转向薄膜和弯曲反射器的日光耦合IXD装置50的侧视图，并且图5a为示出该转向薄膜的棱镜角的图。如图5所示，装置50包括IXD面板56、漫射器52、弯曲反射器54、反射型偏光片58、可选的空气间隙59和转向薄膜60。装置50可以与上面描述的装置10和30类似的方式运行。具体地，漫射器52至少透过一些日光至反射器54，并可能至其它部件。接着反射器54将该光反射在LCD面板56上，以便向该LCD面板提供背光照明。设计装置50使得反射器54将反射的日光基本均匀地分布到IXD面板56上。转向薄膜60使反射的日光沿通常视轴基本垂直于LCD面板56透过。反射型偏光片58使被反射日光的恰当的偏光透射至LCD面板56。反射型偏光片58和转向薄膜60之间的而空气间隙59虽然是可选的，但对于装置50的运行是优选的。反射器54优选提供主要沿一与IXD面板56垂直方向的轴扩展的漫射。装置50可具有上面描述的装置10和30的高深比。还有，在装置50中，尽管漫射器52可以上面描述的不同角度设置，但优选与IXD面板56成大约90°角设置。下面是用于实现装置50的部件的例子。IXD面板56包括上面描述的示例性面板。漫射器 52 可米用，例如，得自 Astra Products, Inc. (Baldwin, New York)的 Astra Clarex漫射板(产品号DR-50C、60C、70C、75C、80C、85C和90C)来实现。DR-90C漫射板可具有约90%的透射率，并且是优选的，但具有较低透射率的漫射器也可以采用。反射型偏光片58包括上面描述的示例性反射型偏光片。反射器54可采用在基本上一个方向上提供漫射，层合或固定到聚合物多层干涉反射膜或LEF或LEF-D产品上的漫射器来实现。优选在基本上一个方向上提供漫射的漫射器以从装置50的顶到底获得均匀的图像输出。在一个方向的漫射可通过采用微纤维和纳米纤维嵌入不同折射率的聚合物基体获得。所述微米级和纳米级纤维具有随机分布的从50nm到30微米,优选从200nm到5微米的平均直径。所述纤维优选在显示装置50中水平取向，以将入射光在垂直方向上扩展，使被显示的图像从顶到底均匀。漫射器可采用具有不同折射率的两种或多种透明聚合物制成。优选地，所述两种或多种聚合物的折射率差值大于O. 03，更优选地，大于O. 05。在一个实施例中，在基本上一个方向上提供漫射的漫射膜通过采用组成比可在从90重量10重量至10重量90重量,优选从30重量70重量至50重量50重量(聚丙烯聚苯乙烯)范围内的聚丙烯(折射率为I. 49)和聚苯乙烯(折射率为I. 58)熔融挤压涂布制成。小心控制该熔融涂布工艺使得获得的漫射膜具有从I : I. 5至I : 10，优选从I : 1.8至I : 5(MD TD)的扩展率(MD TD)。作为另外一种选择，在基本上一个方向上提供漫射的光扩展漫射器(LSD)可采用具有范围从I : 1.5到I : 10，优选从I : 1.8到I : 5(MD:TD)扩展率的全息漫射膜达成。这种LSD膜可从Luminit, Co. (California)、Wavefront Technology, Inc (California)或 Edmund Optics (New Jersey)获得。在一个优选的实施例中，转向薄膜60具有以下特征由得自3M公司的Accentrim树脂材料制成的棱镜；棱镜折射率n=l. 4至I. 7 ；0. 005英寸厚(任意厚度)的透光聚酯背衬；具有50°到80°角的棱镜，该角指如图5a所示棱镜尖端的内角62 ;20微米至100微米的螺距，该螺距指棱镜尖端之间的距离64;以及0.2°到10°的紊乱(chaos)。紊乱意指在单个棱镜中，沿幅材向下棱镜峰在高度上连续变化，并且从棱镜到棱镜在高度上不连续变化。可采用波函数来控制峰-高度变化在一特定界限内。紊乱指从膜或穿过膜反射或透过的激光束扩展的平均量。光学膜棱镜中的紊乱的一个例子描述于美国专利号6，354，709。优选的转向薄膜的各种参数可为近似值，其中折射率、棱镜角、螺距和紊乱在具有相似性能和特征的膜中可发生变化。转向薄膜的一个例子描述于美国专利号6，356，391。折射率和棱镜角结合以调整光出射显示器的显性角度。虽然不垂直的出射光角也可能是优选的，例如当显示器在观众的上方或下方时，但优选地，所述折射率和棱镜角调整为使得出射光方向(峰值亮度)垂直或接近垂直于该显示器。作为另外一个选择，棱镜折射率和棱镜角的组合可被选择成使得峰值亮度在偏离显示器垂直方向10°范围内或偏离显示器垂直方向大于或等于10°。膜中的紊乱量调整为使出射光锥的截止角柔和，从而改善视觉体验。过少的紊乱量导致突然截止和更高的峰值亮度，而过多的紊乱量导致非常柔和的截止和非常低的峰值亮度。作为另外一种选择，装置50的部件可采用其它类型的漫射器、反射器和转向薄膜来实现。例如，作为另外一种选择，背反射器可选择为具有高漫射，例如采用得自3M公司的LEF产品。在这种情况下，弯曲背发射器可分为两个或更多个平(基本平)的部分，包括，例如，背反射器74和底反射器72以制造图6所示的装置70。除了背反射器以外，装置70可采用与所描述的装置50 —样的部件并具有相同的构造。背反射器74和底反射器72可由弯曲反射器76连接。优选地，弯曲反射器76的曲率选择为使背反射器74和底反射器72之间相交处的可见人工痕迹最少。弯曲反射器76的曲率可选择为O。反射器72、74和76可采用上面描述的用于装置50中的反射器来实现。作为另外一种选择，用于反射器72、74和76的其它材料包括聚苯乙烯板、白色丙烯酸树脂、板、白色Styrofoam材料、或任意具有高反射型漫射表面的材料。装置50或70的部件可采用上面描述的框架保持在一起。装置50或70还可包括上面描述的相对的侧墙，所述侧墙用，例如，聚合物多层干涉反射膜或半镜面反射膜来实现。装置50或70还可以可选地包括上面描述的用于装置10和30以及其它日光耦合IXD装置的额外的膜、特征和部件。例如，装置50或70可包括在昏暗环境照明条件下为显示器提供背光照明，或补充被动背光照明的内光源，如LED。被动背光照明显示器中内光源的例子描述于上面引证的专利申请中。
权利要求
1.一种被动式日光稱合显不器,包括 IXD面板，其具有顶边及底边； 转向薄膜，其位于所述LCD面板的后面，其中所述转向薄膜在棱镜中具有0.2°至10°的紊乱； 漫射器，其具有与LCD面板的顶边相邻的前缘，且具有后缘； 和 弯曲反射器，其具有与所述漫射器后缘相邻的顶边，且具有与所述LCD面板底边相邻的底边， 其中所述漫射器将日光透射至反射器，反射器将日光反射至LCD面板，并且在LCD面板上提供均匀分布的日光。
2.权利要求I中的显示器，还包括反射型偏光片，其位于所述IXD面板和转向薄膜之间。
3.权利要求I中的显示器，其中所述反射器为漫反射器。
4.权利要求I中的显示器，其中所述反射器包括漫射器，其在一个方向上提供漫射；和反射器。
5.权利要求4的显示器，其中所述漫射器在垂直于所述LCD面板的方向上提供漫射。
6.权利要求I中的显示器，其中所述转向薄膜具有以下参数棱镜具有I.4至I. 7的折射率；棱镜具有50°到80°的棱镜锥角；棱镜尖端之间的螺距为20微米至100微米。
7.权利要求I中的显示器，其中所述漫射器的透射率为90%。
8.权利要求I中的显示器，还包括相对的侧墙，所述侧墙在所述LCD面板和所述反射器之间延伸。
9.权利要求8的显示器，其中所述侧墙的每一个包括反射膜。
10.权利要求I中的显示器，其中所述IXD面板相对所述漫射器成90°设置。
11.权利要求I中的显示器，其中所述LCD面板的高度与所述漫射器的深度之比为I Io
12.权利要求I中的显示器，其中所述LCD面板的高度与所述漫射器的深度之比为I : 0. 5。
13.权利要求I中的显示器，还包括位于所述IXD面板前面的膜，其中所述膜包括下列膜的一种或几种防破碎膜、反眩目膜、防反射涂膜、IR膜或多功能单膜。
14.权利要求I中的显示器，其中所述转向薄膜的棱镜折射率和棱镜角的组合被选择为使得峰值亮度与所述显示器垂直。
15.权利要求I中的显示器，其中所述棱镜折射率和棱镜角的组合被选择为使得峰值亮度偏离所述显示器的垂直方向在10°范围内。
16.权利要求I中的显示器，其中所述棱镜折射率和棱镜角的组合被选择为使得峰值亮度偏离所述显示器的垂直方向大于或等于10°。
17.权利要求I中的显示器，进一步包括调节入射到所述漫射器上的光的量的光收集元件。
18.权利要求17中的显示器，其中所述光收集元件进一步包括光聚集元件。
19.权利要求I中的显示器，进一步包括位于所述漫射器上面或下面的膜，其中所述膜包括下列膜中的一种或多种防破碎膜、紫外膜、IR膜、色彩校正膜或多功能单膜。
20.权利要求2中的显示器，进一步包括位于所述反射型偏光片和转向薄膜之间的空气间隙。
21.—种被动式日光稱合显不器,包括 IXD面板，其具有顶边及底边； 转向薄膜，其位于所述LCD面板的后面，其中所述转向薄膜在棱镜中具有0.2°至10°的紊乱； 漫射器，其具有与LCD面板的顶边相邻的前缘，且具有后缘； 和 反射器，其具有与所述漫射器后缘相邻的顶边，且具有与所述LCD面板底边相邻的底边，其中所述反射器的顶边和底边的每一个为平面， 其中所述漫射器将日光透射至反射器，反射器将日光反射至LCD面板，并且在LCD面板上提供均匀分布的日光。
22.权利要求21中的显示器，还包括连接所述反射器顶边和底边的弯曲反射器。
全文摘要
一种被动式日光耦合显示器，具有LCD面板、漫射器、在所述LCD面板后面的转向薄膜和在所述转向薄膜后面的弯曲反射器。为了被动式背光照明，所述漫射器将日光透射至所述反射器，反射器将日光透过转向薄膜反射至LCD面板，并且在LCD面板上提供基本上均匀分布的日光以背光照亮该显示器。所述转向薄膜带有具有紊乱的棱镜以获得改善的视觉体验。
文档编号G02F1/13357GK102667585SQ201080052344
公开日2012年9月12日 申请日期2010年11月17日 优先权日2009年11月18日
发明者刘宇锋, 吉勒·J·伯努瓦, 珍妮弗·R·伊, 罗尔夫·W·比尔纳特, 迈克尔·F·韦伯 申请人:3M创新有限公司
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