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具有宽水平视角范围及窄垂直视角范围的显示系统

摘要

本发明有关于一种显示系统,包含平面光源、棱镜薄板、透镜薄板、百叶窗薄板以及影像形成面板。根据显示系统,其本身定义水平方向以及垂直方向。光线从平面光源的出光面射出,穿过棱镜薄板、透镜薄板以及百叶窗薄板且朝向影像形成面板前进。光线由棱镜薄板、透镜薄板以及百叶窗薄板调整,致使关于水平方向的水平视角范围为高于95度,并且关于垂直方向的垂直视角范围为高于20度。本发明可以减少背光源的使用数量或节省背光源所需的亮度或能量。

著录项

  • 公开/公告号CN102323690A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2012-01-18

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 友达光电股份有限公司;

    申请/专利号CN201110266311.9

  • 发明设计人 廖伟全;

    申请日2011-09-05

  • 分类号G02F1/13357;G02F1/1335;G02B6/00;G02B5/04;

  • 代理机构北京律诚同业知识产权代理有限公司;

  • 代理人梁挥

  • 地址 中国台湾新竹县

  • 入库时间 2023-12-18 04:21:34

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2014-10-29

    授权

    授权

  • 2012-03-14

    实质审查的生效 IPC(主分类):G02F1/13357 申请日:20110905

    实质审查的生效

  • 2012-01-18

    公开

    公开

说明书

技术领域

本发明关于一种显示系统(display system),尤其是液晶显示系统(LCD  display system)。并且特别地,本发明关于具有宽水平视角范围及窄垂直视角 范围的显示系统。

背景技术

运用在某些特定场所的显示系统,例如,车用显示系统、交通号志等的显 示系统其水平视角范围是越宽越好,反之这些显示系统的垂直视角范围需受限 制。例如,车用显示系统需有宽水平视角范围,让驾驶及乘客皆能看到显示影 像,并且需有受限制的垂直视角范围,以避免显示影像投射到车辆的挡风玻璃, 影响驾驶的视线。于这些显示系统中,其由光源所发射的光需通过多个光学元 件来调整,来达成宽水平视角范围、窄垂直视角范围的目的。

关于具有宽水平视角范围及窄垂直视角范围的显示系统的现有技术例如 有日本专利公开号第2002124112号案(以下称前案一)以及中国台湾发明专利 公告号第I253525号专利(以下称前案二)。此两件现有技术皆是针对采用液晶 显示面板的显示系统所提出的方案。

然而,具有宽水平视角范围及窄垂直视角范围的显示系统的现有技术仍存 有整体辉度太低以及水平视角范围仍不够宽,例如低于95度。

此外,具有宽水平视角范围及窄垂直视角范围的显示系统的现有技术,若 采用侧光式发光二极管(light-emitting diode,LED)背光源时,达到所要求的辉度 所需的LED颗数则相当多。所以,这些现有技术采用侧光式LED背光源时会 有耗电、运作过程温度升高等问题。

发明内容

本发明的一面向在于提供一种具有宽水平视角范围及窄垂直视角范围的 显示系统,其水平视角范围高于95度,并且整体辉度高。

本发明的另一面向在于提供具有宽水平视角范围及窄垂直视角范围的液 晶显示系统,可以减少背光源的使用数量或节省背光源所需的亮度或能量。

根据本发明的第一实施例的显示系统其本身定义一水平方向以及一垂直 方向,并且包含平面光源(planar light source)、棱镜薄板(prism sheet)、透镜薄 板(lens sheet)以及百叶窗薄板(louver sheet)。平面光源具有出光面,棱镜薄板设 置于平面光源的出光面上方。棱镜薄板包含多个长条状微棱镜结构。多个长条 状微棱镜结构沿水平方向平行排列。透镜薄板设置于棱镜薄板上方。透镜薄板 包含多个微透镜结构,百叶窗薄板设置于透镜薄板上方。百叶窗薄板包含多个 长条状微百叶窗结构(micro-louver)。多个长条状微百叶窗结构大体上沿垂直方 向而相互平行排列,并与水平方向成一角度。光线从平面光源的出光面射出, 穿过棱镜薄板、透镜薄板以及百叶窗薄板,由棱镜薄板、透镜薄板以及百叶窗 薄板调整,致使显示系统的水平视角范围为高于95度,并且垂直视角范围为 高于20度。

根据本发明的第二实施例的显示系统包含平面光源、棱镜薄板、透镜薄板、 百叶窗薄板。棱镜薄板设置于平面光源的出光面上方,且棱镜薄板包含多个长 条状微棱镜结构。透镜薄板设置于棱镜薄板上方,且位于相对平面光源的一侧, 透镜薄板包含多个微透镜结构。百叶窗薄板设置于透镜薄板上方,且位于相对 该棱镜薄板的一侧,百叶窗薄板包含多个长条状微百叶窗结构。每一微棱镜结 构沿着其纵轴的截面为非均一的梯形。

于一具体实施例中,百叶窗薄板的多个微百叶窗结构与该水平方向所成的 角度范围为约0度至约±10度。

于一具体实施例中,透镜薄板的多个微透镜结构为不规律排列。

于一具体实施例中,显示系统还进一步包含具有偏光片,且偏光片设置于 百叶窗薄板上方,且与百叶窗薄板之间具有间距。

于一具体实施例中,棱镜薄板的多个微棱镜结构中两相临的微棱镜结构具 有间距。

于一具体实施例中,棱镜薄板的多个微棱镜结构面向平面光源,并且透镜 薄板的多个微透镜结构面向百叶窗薄板。

于另一具体实施例中,棱镜薄板的多个微棱镜结构面向透镜薄板,并且透 镜薄板的多个微透镜结构面向棱镜薄板。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一 步的了解。

附图说明

图1是根据本发明的第一较佳具体实施例的显示系统的外观示意图;

图2是图1的显示系统沿图1中的A-A线的剖面视图;

图3是根据本发明的第一较佳具体实施例的显示系统的另一变化的剖面 视图;

图4是根据本发明的第二较佳具体实施例的显示系统的剖面视图;

图5是根据本发明的第二较佳具体实施例的显示系统的另一变化的剖面 视图;

图6为三种液晶显示系统其关于水平方向辉度的仿真数据比较图;

图7为三种液晶显示系统其关于垂直方向辉度的仿真数据比较图;

图8为两种液晶显示系统其关于水平方向相对辉度的仿真数据比较图;

图9为两种液晶显示系统其关于垂直方向相对辉度的仿真数据比较图。

其中,附图标记:

1:显示系统            10:平面光源

102:出光面            104:导光元件

106:发光二极管        11:边框

12:棱镜薄板           122:微棱镜结构

14:透镜薄板           142:微透镜结构

16:百叶窗薄板         162:微百叶窗结构

18:影像形成面板       182:偏光片

H:水平方向            V:垂直方向

N:法线方向            L:微百叶窗结构的延伸方向

d:间距                s:间距

φ:夹角               θ:水平视角范围

α:垂直视角范围

具体实施方式

本发明提供一种具有宽水平视角范围及窄垂直视角范围的显示系统,其水 平视角范围为高于95度,并且其整体辉度高。以下将详述本发明的具体实施 例,藉以充分解说本发明的特征、精神、优点以及可实施性。

请参阅图1及图2,图1是根据本发明的第一较佳具体实施例的显示系统 1的外观示意图。图2是图1中的显示系统1沿图1中的A-A线的剖面视图。 于本说明书所有的剖面视图中,各元件特别加上透视图以表彰其结构特性。

如图1所示,根据本发明的第一较佳具体实施例的显示系统1,其本身定 义水平方向H、法线方向N以及垂直方向V。法线方向N垂直于显示系统1, 且分别与水平方向H、垂直方向V相互垂直,而水平方向H亦与垂直方向V 相互垂直。显示系统1包含边框(bezel)11。边框11其结构配合套至显示系统1 的边缘,用以将显示系统1的其它元件固定在一起。

如图2所示,根据本发明的第一较佳具体实施例的显示系统1包含平面光 源10、棱镜薄板12、透镜薄板14以及百叶窗薄板16。为了方便说明,本实 施例仅以显示系统1内部元件来说明,因此图2未绘示出图1中的边框11。

同样示于图2,平面光源10具有出光面102。棱镜薄板12设置于平面光 源10的出光面102上方。棱镜薄板12包含多个长条状微棱镜结构122。多个 长条状微棱镜结构122沿水平方向H约略成平行排列。也就是说,每一个微 棱镜结构122的纵轴是约略与V方向平行。详言之,长条微棱镜结构122沿第 一排列方向排列,于本实施例中,第一排列方向为水平方向片,如图2所示, 微棱镜结构122沿着水平方向H排列,且两两长条微棱镜结构122可为相互 平行排列,但本发明不以此为限。长条微棱镜结构122沿第二排列方向延伸, 也就是说,于每一条微棱镜结构122中,微棱镜结构122的顶点会形成一条顶 点线,其中顶点线沿着第二排列方向延伸。于本实施例中,第二排列方向为垂 直方向V,且两两顶点线可相互平行,然本发明不以此为限。

于一具体实施例中,棱镜薄板12的多个微棱镜结构122中两相临的微棱 镜结构122具有间距d,如图2所示。两相临的微棱镜结构122的间距d的较 佳范例为50微米,但本发明不以此为限,微棱镜结构122之间的间距d大小 可依不同设计需求而有所变动,举例而言,当间距d增加时,可以增加视角范 围,当间距d减小时,可以增加集光效果。于本实施例中,棱镜薄板12的每 一微棱镜结构122沿着其纵轴的截面为非均一的梯形。也就是说,每一微棱镜 结构122沿着其纵轴的截面梯形,其高度或/及上底宽度不尽相同。详言之, 微棱镜结构122沿着平行第二排列方向且垂直第一排列方向而形成一截面,如 图2所示,截面为沿着平行于垂直方向V且垂直于水平方向V所形成,换言 之,截面为沿着法线方向N所形成。于本实施例中,微棱镜结构122的截面 为梯形,藉此提升微棱镜结构的强度、避免微棱镜结构崩毁、增加遮蔽性,以 及避免显示系统1出现看似波纹状画面的“莫瑞效应(Moiréeffects)”等等。

于本实施例中,两两微棱镜结构122的截面可为相异或相似的梯形,举例 而言,两两梯形结构可具有相同下底边长度,但其高度不相同,以形成相异结 构,或是两两梯形结构具有相同的下底边长度与高度比例,但其高度不相同, 以形成相似结构,但本发明不以此为限。此外,在同一条微棱镜结构122中, 可具有多个微棱镜结构122的截面,各截面所形成的梯形结构亦同上述可具有 相异或相似的结构。

上述实施例仅描述两两微棱镜结构122在相同截面下,可形成非均一性梯 形的截面结构,然,另一实施例中,在同一条微棱镜结构122下,可具有多个 相互平行的截面,而形成非均一性梯形的截面结构。

于本实施例中,非均一性梯形的微棱镜结构,可以分散棱镜薄板12所受 到的压力或重力,以增加微棱镜结构的强度,同时可得到适当的集光与扩散皆 具的效果,以兼顾光源亮度与广视角。于一具体实施例中,每一微棱镜结构 122沿着其纵轴的截面梯形具有相同底边长度时,其高度范围为20微米~22 微米,并且每一微棱镜结构122沿着其纵轴的截面梯形的上底宽度范围为3 微米~5微米,其中纵轴为沿着法线方向N,或是截面梯形结构的高度与下底 边宽度比例为40%~50%。

同样示于图2,透镜薄板14设置于棱镜薄板12上方。透镜薄板14包含 多个微透镜结构142。于本实施例中,微透镜结构142为具有曲弧面的颗粒结 构,其中微透镜结构142可为具有规律性的排列,举例而言,两两微透镜结构 142之间皆具有相同的间距,或是微透镜结构142依棋格状排列。于另一实施 例中,微透镜结构142亦可为不规律性排列,举例而言,两两微透镜结构142 之间具有不等距的距离、微透镜结构142不具有特定方向排列或两两微透镜结 构142的颗粒大小不同,如图2所示。

于一具体实施例中,当微透镜结构142为不规律性排列时,透镜薄板14 的多个微透镜结构142的分布密度(所有微透镜结构所占面积/形成微透镜结构 的表面的总面积)为约65%~75%。每一微透镜结构142的直径为约51微米~65 微米。每一微透镜结构142的半球几何比例(微透镜结构的高度/微透镜结构的 直径)为约40%~50%。多个微透镜结构142的分布密度及几何尺寸在上述范围 内,透镜薄板14的雾度(Haze)为约84%。

本实施例的图示仅以具有相同梯形截面的微棱镜结构122与具有规律排 列的微透镜结构142来说明,然,经由上述可知,本发明不以此为限。此外, 本实施例的图示亦仅以微透镜结构142对应微棱镜结构122来说明,但本发明 不以此为限,举例而言,微透镜结构142之间的间距可与微棱镜结构122之间 的间距不同,或是微透镜结构142可为不规律排列。

同样示于图2,百叶窗薄板16设置于透镜薄板14上方。图2特别绘示百 叶窗薄板16的透视图,以表彰其结构特性。百叶窗薄板16包含多个长条状微 百叶窗结构162。多个长条状微百叶窗结构162大体上沿垂直方向V约略平行 排列,并与水平方向片成一角度。多个微百页窗结构162用以控制光线行进 的路径或方向,其作用类似光阀、光栅。从平面光源10射出且未经任合光学 元件调整的光线,通过百叶窗薄板16后,光线的垂直出光角度范围为约60 度。垂直出光角度范围的定义以输出光线的最大辉度为基准,以法线N为中 心(视角为0度)向垂直方向V扩及至最大辉度的一半的角度为止。于本实施例 中,水平方向H与百叶窗薄板16的边缘相互平行。

于一具体实施例中,百叶窗薄板16的多个微百叶窗结构162的延伸方向 为方向L,且延伸方向L与水平方向H具有夹角φ,适当的夹角φ可以避免显 示系统1出现「莫瑞效应(Moiréeffects)。本实施例中,夹角φ范围为约0度至 ±10度,进一步说明,如图2所示,以水平方向H为基准,依逆时针方向而 与延伸方向L形成夹角φ范围为0度至10度,同样地,当夹角φ为以水平方向 H为基准,依顺时针方向而形成时,此夹角φ范围为0度至-10度,因此夹角φ 范围为约0度至±10度。于本实施例中,如图2所示,长条微棱镜结构122 沿着垂直方向V进行延伸,且依循水平方向H排列,而微百叶窗结构162沿 着与水平方向H具有特定夹角的特定方向进行延伸。因此,微百叶窗结构162 与微棱镜结构122的延伸方向以接近正交方向设置,其中,接近正交方向是受 到微百叶窗结构162与水平方向H具有特定夹角的影响,而使得与正交方向 有稍微的偏移。举例而言,当微百叶窗结构162与水平方向H的夹角φ为0度 时,则微百叶窗结构162与微棱镜结构122的延伸方向为互为垂直,亦为正交 关系。当微百叶窗结构162与水平方向H的夹角φ为10度时,则微百叶窗结 构162与微棱镜结构122的延伸方向为夹有80度或100度,因此微百叶窗结 构162与微棱镜结构122分别的延伸方向夹有一角度,于本实施例中,角度范 围为80度到100度,不论是由微百叶窗结构为或微棱镜结构122为基准,而 往顺时或逆时针的夹角都可符合。

如图2所示,光线从平面光源10的出光面102射出,穿过棱镜薄板12、 透镜薄板14以及百叶窗薄板16。图2中箭头标记即代表光线行进方向。光线 由棱镜薄板12、透镜薄板14以及百叶窗薄板16调整,致使水平视角范围为 高于95度,垂直视角为高于20度。于本实施例中,水平视角范围为95度至 110度,并且垂直视角范围为20度至40度。水平视角范围θ的定义以最大辉 度为基准,以法线N为中心(视角为0度)向水平方向H扩及至最大辉度的一半 的角度为止。垂直视角范围α的定义以最大辉度为基准,以法线N为中心(视 角为0度)向垂直方向V扩及至最大辉度的一半的角度为止。举例而言,调控 棱镜薄板12的微棱镜结构122,像是增加微棱镜结构122的梯形截面的高度 比例,以增加集光效果,或是降低高度比例,以增加视角的广度。另外,调整 百叶窗薄板16的微百叶窗结构162的延伸方向,以调整光源通过的路径,进 而改变视角或亮度。此外,改变透镜薄板14的微透镜结构142的分布密度, 藉以增加集光效果,或是调整微透镜结构142的半径弧度分布,藉以改变视角 的宽度。

于一具体实施例中,如图2所示,棱镜薄板12的多个微棱镜结构122面 向平面光源10,并且透镜薄板14的多个微透镜结构142面向百叶窗薄板16。 也就是说,微棱镜结构122与微透镜142分别面向相对的方向。于本实施例中, 微棱镜结构122面向平面光源10,亦即将微棱镜结构122的上底边朝下方设 置,此时,平面光源10的光路受到微棱镜结构122的梯形的两斜边影响,而 往两侧边扩散,以增加视角的广度。同时,利用朝上方设置的微透镜结构142 来补偿集光效果,以增加亮度,使得广视角与高亮度都可兼具。

于另一具体实施例中,如图3所示,棱镜薄板12的多个微棱镜结构122 面向透镜薄板14,并且透镜薄板14的多个微透镜结构142面向棱镜薄板12。 也就是说,微棱镜结构122与微透镜结构142为面相对,且分别面向相对的方 向。于本实施例中,微棱镜结构122面向影像形成面板18,亦即将微棱镜结 构122的上底边朝上方设置,此时,平面光源10的光路受到微棱镜结构122 的梯形的影响,具有集光与扩散效果。图3中箭头标记即代表光线行进方向。 显见地,图2中的光路的形态与图3中的光路形态不同。图3中具有与图2 相同号码标记的元件,有相同或类似的结构以及功能,在此不多做赘述。于另 一实施例中,图2及图3所示的显示系统1若配置LED光源,适合做为交通 号志,但本发明不以此为限,亦可运用于车用显示器。

根据本发明的第二较佳具体实施例的显示系统1的外观仍如图1所示。请 参阅图4,图4是绘示根据本发明的第二较佳具体实施例的显示系统1沿图1 中的A-A线的剖面视图。

于另一实施例中,显示系统1还包含影像形成面板18与偏光片182,如 第4、5图所示。影像形成面板18设置于百叶窗薄板16上方,用以形成影像, 举例而言,影像形成面板18可为液晶面板、电泳显示器、电浆显示面板或立 体显示器等。图4、5分别与图2、3具有相同号码标记的元件,有相同或类似 的结构以及功能,在此不多做赘述。

于一具体实施例中,偏光片182设置于百叶窗薄板16上方,换言之,偏 光片182设置于百叶窗薄板16与影像形成面板18之间。于本实施例中,偏光 片182与百叶窗薄板16之间具有间距s,利用间距s来改变视野上的焦距,进 而消除原有产生的莫瑞效应。本实施例中,可以利用框架、间隙物或垫片等物 件来保持偏光片182与百叶窗薄板16之间的间距s,以增加稳定性。

于另一实施例中,偏光片182具有雾化作用,用以减少亮度不均匀,以达 到亮度补正的效果,换言之,利用具有雾化效果的偏光片182用来均匀亮度, 避免产生局部亮区或局部暗区的现象,其中偏光片182的雾度为20%~40%, 然,本发明不以此为限。然,本实施例仅以设置于影像形成面板18下方的偏 光片182来说明,但影像形成面板18上方也可具有雾度的偏光片。

于一具体实施例中,如第4、5图所示,平面光源10包含导光元件104 以及安置在导光元件104的M个侧边处的多个发光二极管106,其中M为1、 2或3。多个发光二极管106被驱动以发射光线射入导光元件104,光线进而 被导光元件104导向棱镜薄板12。然,本实施例仅提供利用侧边发光元件结 合导光元件来说明形成平面光源,但不限于此。于本实施例中,越多发光二极 管106设置于导光元件104的侧边处时,显示系统1其周边与中心亮度皆可提 升,同时也可使得水平视角范围越宽。

请参阅图6及图7。图6是采用相同侧光式LED背光源时,图4架构的 液晶显示系统、图5架构的液晶显示系统以及前案一的液晶显示系统,其关于 水平方向辉度的仿真数据比较图。图7则是此三种液晶显示系统,其关于垂直 方向辉度的仿真数据比较图。在此两图中,视角范围的定义以最大辉度为基准, 以法线N为中心(视角为0度)向水平方向或垂直方向扩及至最大辉度的一半的 角度为止。

从图6的数据可清楚看出,采前案一的液晶显示系统,其水平视角范围低 于约95度。采前案一的液晶显示系统为例,其水平视角范围为约92度。采图 4架构的液晶显示系统,其水平视角范围则为约104度。采图5架构的液晶显 示系统的水平视角范围比采图4架构的液晶显示系统的水平视角范围还宽,但 是采图5架构的液晶显示系统其中心视角的辉度明显下降。采图4架构的液晶 显示系统其整体辉度的均齐性优于采图5架构的液晶显示系统其整体辉度的 均齐性。采图4架构的液晶显示系统以及采图5架构的液晶显示系统其整体的 辉度远高于采前案一的液晶显示系统其整体辉度。

从图7的数据可清楚看出,上述四种液晶显示系统,其垂直视角范围皆可 限制在约20度至40度。

请参阅图8及图9。图8是采用相同侧光式LED背光源时,图4架构的 液晶显示系统以及前案二的液晶显示系统,其关于水平方向相对辉度的仿真数 据比较图。图9则是此两种液晶显示系统,其关于垂直方向相对辉度的仿真数 据比较图。在此两图中,视角范围的定义以法线N为中心(视角为0度)向水平 方向或垂直方向扩及至相对辉度50%的角度为止。

从图8的数据可清楚看出,采前案二的液晶显示系统,其水平视角范围低 于约95度。采前案二的液晶显示系统为例,其关于水平视角范围(θ1)为92度。 采图4架构的液晶显示系统,其水平视角范围(θ2)则为约104度。从图9的数 据可清楚看出,采前案二的液晶显示系统以及采图4架构的液晶显示系统,其 垂直视角范围皆可限制在约20度至40度。

显见地,根据本发明的显示系统其水平视角范围大于95度,较现有技术 的显示系统的水平视角范围来得宽。根据本发明的显示系统其垂直视角范围为 约20度至40度。并且,根据本发明的显示系统其整体辉度也较现有技术的显 示系统的整体辉度来得高。由于整体辉度提高,使得在本实施例的架构下,经 由调控棱镜薄板12、透镜薄板14以及百叶窗薄板16可以达到广视角与保持 亮度的效果,不需要特别增加背光源的使用数量或是增加其亮度,因此还可达 到节省背光源的数量或能量。

于一模拟案例中,采图4架构的液晶显示系统与采现有技术的液晶显示系 统做比较。此两液晶显示系统采用相同的6.5时尺寸液晶显示面板以及侧光式 LED背光源。若中心(视角为0度)辉度要求3458nits(cd/m2),采现有技术的液 晶显示系统需要116颗发光二极管,而采图4架构的液晶显示系统仅需要32 颗发光二极管。明显地,与现有技术相较,根据本发明的液晶显示系统耗电较 低,也较无运作过程温度升高等问题。

通过以上较佳具体实施例的详述,希望能更加清楚描述本发明的特征与精 神,而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反 地,其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利 范围的范畴内。因此,本发明所申请的专利范围的范畴应该根据上述的说明作 最宽广的解释,以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

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