CN100407436C - 用于含多个像素元件的显示器的透镜和导引其中光的方法 - Google Patents

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Abstract

光导装置包括具有沿着基板纵向排列以形成多个RGB三元组的RGB发光二极管结构的LED阵列、以及具有相邻RGB三元组的对应一个组而放置的多个小透镜结构的小透镜阵列。对于每个相应RGB三元组，所述小透镜结构包括被移位到其相应RGB三元组的多个柱面透镜。所述柱面透镜被纵向地平行于所述RGB发光二极管结构而排列。由于来自LED的光被优先地导引在观察者最喜欢的理想方向，所以这个设置导致更高的光学效率。

Description

用于含多个像素元件的显示器的透镜和导引其中光的方法
发明背景
本发明总体上涉及使用多个发光元件的图像形成装置，且更具体地涉及这样的系统，其中这种发光元件阵列与用于增强优先地在一个方向上的照明图案的透镜阵列相匹配。
典型地，表面发射发光二极管(LED)阵列是由如在红-绿-蓝(RGB)阵列中的不同结构的二维阵列制造而成，其中每个单独色LED像素是具有其中长度为宽度几倍的有效面积的条形状。这些LED的正常光学特性是：所发射的辐射将是接近Lambertian的各向同性图案。
照明各向同性分布，其不偏爱任何一个方向或方位超出另一个，可成为一些显示器用途的理想布置。各向同性照明可能被需求的一个实例是在专业体育项目中的记分板，其中体育场内的观众处于相对于记分板的各种位置---较高、较低、左侧、右侧及正前方等。
在观看是可推断的地方，如沿着高速公路的广告牌，各向同性光分布是浪费的，因为仅有在标牌前面及略低于标牌处的人将阅读到标牌上的信息。透镜状阵列，如菲涅耳透镜已经被用来将来自一般光源的光聚焦在一个特定方向。但是至今为止，没有透镜系统特别针对于LED或基于像素的系统。本系统适合于针对于这一不足之处。
附图的简要说明
从参考所附附图所进行的对本发明优选实施例的下述详细说明中，本发明的目标、特点及优点将变得更显而易见。
图1是根据本发明第一实施例所构成的光投射装置的分解等距视图。
图2是图1中装置沿着线2-2所取的剖面侧视图。
图3是根据本发明第二实施例所构成的光投射显示装置的剖面侧视图。
图4A和4B示例出未得益于本发明的单个现有技术LED像素的所发射辐射图。
图5A和5B示例出图3中的单个像素透镜组件的所发射辐射图，所述单个像素组件相对彼此被设置在第一位置上，用于优先观看正前方向上的像素输出。
图6A和6B示例出图3中的单个像素透镜组件的所发射辐射图，所述单个像素组件相对彼此被设置在第二位置上，用于优先向上观看来自位于发光元件下面及右侧位置的像素输出。
图7是像素透镜阵列组件的示意性侧视图，所述像素透镜阵列组件被设置用于非对称分布来自图3中LED阵列的照明。
图8是图7中三个单独的像素透镜组件的侧视图。
详细说明
在某些关键应用中，通过在LED或其它基于像素的显示器前面引入光导层，以为了优选地使某一方向的亮度增加而超出其它方向，则光效率可以得到极大提高。
采用这种类型显示器的一个重要应用是在标志中，其中观看标牌的观察者在一个尺度(例如垂直平面)上被限定在窄小观看范围内，而在正交尺度(水平平面)上维持成宽的视角。其中这可以被使用的典型现实实例是公路侧的标牌、公共场所内的高架标牌等。
图1示出光投射显示装置10的第一实施例的分解视图。图2示出处在一个组装条件下的相同部件。显示器10包括具有基板14的发光层12，在所述基板上多个发光元件，如元件16被形成。本发明并不旨在被局限于LED技术，而还可采用本领域所公知的PLED、OLED和LCD显示器或其它基于像素的显示器技术。在所示的实施例中，元件16是被排成阵列的LED结构的子像素，借此类似基本色的子像素元件以条图案如红条R1、绿条G1和蓝条B1被设置在基板14上。第二组子像素条被示为R2、G2和B2。要理解为：典型的LED显示器具有大量这种条组，例如具有XGA分辨率的LED显示器将具有768组条。来自三个条中每个条的相邻子像素元件形成了RGB三元组18。在组18内每个子像素的亮度可以被加以控制以形成具有可察觉出的所要求色的显示器像素。LED像素由排和列(例如C1、C2...C5...Cn)来布置以形成可编址的显示器单元。例如XGA显示器将具有1024个这样的列。
显示器10还包括与发光层12相邻的光导层20，其具有基本上与发光元件16配准的光导元件如柱面透镜22的阵列。在所示的实施例中，光导层20包括多个小透镜结构24，每个小透镜结构由具有长轴平行于且对准于LED条R2、G2和B2长轴的三个柱面透镜22组成。下面参考图4A至6B，这种与发光元件组合的透镜的优点被更详细地加以解释。
透镜22具有相对相应的子像素元件16放置的平面表面，以及与所述子像素元件相隔开的对面的圆柱弯曲表面。小透镜结构24通过延伸经过透镜弯曲表面的间隔物25，与光导基板上相邻的小透镜结构相分开。LED结构组装到光导层20是借助于连续的光粘合，并且利用在小透镜板内的模制特征用于LED到透镜的精确对准。为此，层12和20包括互补结构，在此是形成在光导层20上、被形成在发光层12上的间隙28所容纳的凸缘16，其形成了用于相对层12来移位层20的对准装置。这些互补结构的位置可以被修改，以使当层12经由这些结构被耦合到层20上时，光导层的透镜可以相对于发光层相应的子像素元件被偏移，从而将如下面所理解的那样，将光引导在所要求的方向(向上或向下)。
当光导层20的柱面透镜22从发光层指向外时，光学积分器板30被耦合到光导层上。优选地，光学积分器板30由玻璃构成，且借助于具有折射率落在光导层20的折射率和板30的折射率之间折射率的光学粘接剂被粘附到层20上，以为了降低内反射。该组件还可包括互补结构，如容纳在形成在光学积分器板30内相应间隙内的凸起27，以协助将板30固定到层20上。
本设计采用接近LED阵列前面而放置的柱面透镜阵列。每个透镜涉及一个单独有色的像素LED结构，且充当所发射光的收集器。通过使用柱面透镜，使透镜的长轴与LED的长方向准，则在包含长轴的平面里，从LED所发射的光没有被聚焦，而在垂直于长轴的平面里所发射的光靠透镜的曲率而聚焦。聚焦量取决于LED表面的几何图状、柱面透镜的形状以及它与LED的间距。
具有1mm的典型特征尺寸及厚度1-2mm的光导层20由光度热塑材料如丙烯酸或聚碳酸脂所构造。光导层20还可以由模制玻璃来形成，且包含透镜结构及机械特征26，用于将透镜定位且对准到LED结构。取决于材料的选择、应用所需要的总体尺寸、以及在特征位置和表面抛光所允许的公差，层20可以通过挤压、压缩模塑或喷射模塑而形成。
图3示例出在32处的本发明可供选择的实施例，在此光导层34相对于发光层36被倒置，以使层34柱面透镜的弯曲表面朝向内且直接与层36的子像素光射元件相对。可以理解，由于所述可供选择实施例透镜结构的弯曲表面朝向内且因而并未像所述第一实施例那样被暴露于物理损坏，因此光学积分板，如在图1和2中所示实施例的板30没有必要。
为了改善由发光层12的有源部分和无源部分所照明的这些组件部分之间的显示对比度，无源部分被涂上光吸收材料，如在本领域中所公知的黑色漆或其它材料。在附图中所优选的被涂渡区域被示为图1-2中在发光层20和光学积分器板30之间、以及在31a、31b和31c处由虚线所示出的接合区域内的发光层12和光导层20之间所形成的浓密着阴影的层29。
图4A和4B示例出典型LED，如在发光层36内所使用的一个LED的发光特性曲线。这些LED的正常光学特性是：所发射的辐射将是接近lambertian的各向同性的图案。图4B中的图形示出光的亮度是如何沿着宽视角(由虚线示出)沿着垂直尺度分布的。
图5A和5B示例出在LED前面增添圆柱形或其它类型的会聚透镜结构是如何将光在向前方向聚焦的。如图5B中图形所示，所带来的沿着垂直尺度的光分布在向前方向产生增加的亮度，但是具有较窄的最优视角(由虚线所示)。
图6A和6B示例出相对于LED垂直地位移或移位透镜是如何改变最优视角方向的。在图6B的图形中，最优视角被向下位移(因而当向上朝发光元件观察时其为最佳)以使当透镜相对于其相应发光元件被向下位移时亮度沿着轴I处于最优。这与其中透镜结构被水平地与LED准的图5A和5B形因而导致沿着水平方向最大的亮度成对照。
对着观察者的大角度的非常大的发光元件阵列可利用沿着阵列的一个尺度(例如垂直尺度)变化的照明图案而构成，以便于保持显示器所有部件的远场照明图案。这可以如图7所示来实现，其中相邻光导元件之间的间距略微小于相邻发光元件之间的间距。从观察者50的角度看，由发光元件34所形成的显示器对着θ+Φ角。从观察者的观点来看，与发光像素元件的情况相比，通过减少透镜中心之间的距离，根据本发明的实践，标牌的亮度可以被最大化。
这可与从观察者角度将典型地不对着大视角的显示如被照亮的街道标牌相对照。在这种情况下，优先地将从这样标牌的所有面积所发射的光导引在相同的总方向则更为有用，借此对于所有的透镜-像素(或条)对，每个小透镜结构(如图5A所示)离相应像素元件的偏移量是相等的。然而在图7的显示器中，第一小透镜结构(例如在对110中)与RGB三元组的第一相应组偏移这样的量，此偏移量不同于第二小透镜结构(例如在对120中)相对于其相应RGB三元组的偏移量。
在图7和8中像素-透镜对被示为位于110、120和130处。所述对110位于显示器顶部附近，借此透镜中心CL相对于像素中心CP被向下移动。在朝向位于距离所述对110大约向下θ的点的方向上，透镜相对于发光元件的这种移动或移位产生所述对110中像素的优先视角。所述对130位于观察者50的大约眼睛水平，因而理想地是最大亮度处于水平方向，在此透镜和像素中心没有偏移。所述对120位于所述对110和130之间的大约中途位置，因而光导元件和发光元件应该被设置以使最大亮度在向下大约为1/2θ的方向上被传输。最后，所述对140位于显示器的底部且低于观察者50的眼睛水平。因此优选地，透镜中心相对于有关的像素中心较高，以将来自像素的光最大地导引在角φ处的向上方向上。
根据下述公式，通过光导元件从发光元件所透射的最优视角是像素(或子像素)元件的高度h及微透镜距离所述像素的间距t的因数：
视角＝2×arctan(h/2t)
实际极限必须大于显示器所期望的视角范围，即由观看显示器顶部的最矮观察者和观看显示器底部的最高观察者所包括的角。本发明的另一效果是通过根据下述公式由取决于小透镜材料透射率T、微透镜的开放面积(高度)d、以及像素高度h的系数G来增加显示器可感觉到的填充系数：
G＝T×d/h
填充系数是由有源LED所覆盖的总显示器面积的百分率。当前显示器典型地具有在约0.25至0.50之间范围内的填充系数。光学增益效果的意义在于：显示器亮度扩展到较大面积，从而有效地增加了填充系数，或者增强了显示器的“空间平均的”的照度(亮度)。空间平均的照度是LED照度乘以填充系数。
本发明有几个关键属性。首先，柱面透镜布置相对简单地制作在塑料基板内。其次，被定向成平行LED发射器长方向的圆柱形状提供对照度和最大光学增益的有效控制。第三，通过将透镜阵列相对于LED阵列的位置进行移位，显示器可利用定制的方向性照明图案被加以制造。作为一个实例，如果小透镜中心从像素中心向下被位移，则中央照明方向最大值(用于最优观察)将被向下定位。第四，小透镜板可以被加以设计和制作以匹配于其它像素设计，从而具有子像素以图1所示的不同图案被布置的特色。最后，对着大角度于观察者的非常大的阵列(如图7中)可以利用沿着阵列一个尺度变化的照明图案而构成，以便于保持显示器所有部件的远场照明图案。这将具有优化显示器所有部件的照明均匀性。这可以通过生成具有略微小于显示器有源元件间距的间距(透镜之间的距离)的小透镜结构而实现。优选地，柱面透镜结构在LED的前面应该接近即像素到像素间隔的1至3倍的数量级。在典型的当前显示器系统中，微透镜将被放置在LED前面1.5至5mm的距离处。
通过在所优选的实施例中对本发明的原理进行说明和示例，应该显而易见的是：本发明可以在布置和细节上进行修改，而不偏离这样的原理。因而，我们就属于下述权利要求的实质和范围内的所有修改和变化提出权利要求。

Claims (20)

1.一种透镜，包括：
包括沿着长轴设置的发光元件阵列的发光层；以及
与所述发光层相邻的透镜层，所述透镜层包括透镜元件阵列，该透镜元件阵列沿着相对于发光元件阵列的长轴平行的轴设备并且与所述发光元件阵列配准。
2.根据权利要求1的透镜，其中所述透镜元件阵列包括多个柱面透镜。
3.根据权利要求2的透镜，其中每个所述柱面透镜距离相应发光元件为相应发光元件和相邻发光元件之间距离的1至3倍。
4.根据权利要求1的透镜，进一步包括用于相对于所述透镜层移位所述发光层的装置。
5.根据权利要求4的透镜，所述用于移位的装置包括在所述发光层上的互补模制特点，且所述透镜层适合于将所述发光层与所述透镜层对准。
6.根据权利要求5的透镜，其中所述发光元件被沿着基板设置以形成多个平行的条，且所述透镜元件是柱面透镜，每个透镜具有平行于相应条的长轴。
7.根据权利要求1的透镜，进一步包括在透镜的无源区域内所形成的对比度增强的涂层。
8.根据权利要求1的透镜，进一步包括与透镜层相邻的光学积分板。
9.根据权利要求8的透镜，进一步包括在透镜层和光积分板之间的光学粘接剂。
10.根据权利要求9的透镜，其中所述光学粘接剂具有落在透镜层折射率和光学积分板的折射率之间的折射率。
11.根据权利要求1的透镜，其中透镜元件的中心偏离发光元件的中心。
12.根据权利要求1的透镜，其中相邻透镜元件中心之间的距离不同于相邻发光元件中心之间的距离。
13.根据权利要求12的透镜，其中相邻透镜元件中心之间的距离小于相邻发光元件中心之间的距离。
14.一种透镜，包括：
具有RGB发光二极管结构的LED阵列，所述RGB发光二极管结构沿着基板被纵向排列以形成多个RGB三元组；以及
具有多个小透镜结构的小透镜阵列，每一个小透镜结构与RGB三元组的对应一个组相邻放置，对于每个相应的RGB三元组，所述小透镜结构包括相对所述相应RGB三元组移位的多个柱面透镜，所述柱面透镜被纵向地平行于所述RGB发光二极管阵列而排列。
15.根据权利要求14的透镜，其中每个所述小透镜结构偏离每个所述相应的RGB三元组一个相等量。
16.根据权利要求14的透镜，其中第一所述小透镜结构偏离所述RGB三元组的第一相应组的量不同于第二所述小透镜结构与所述RGB三元组的第二相应组之间的偏移量。
17.根据权利要求14的透镜，进一步包括在透镜的无源区域内所形成的对比度增强的涂层。
18.用于将来自结合有多个发光像素元件的显示器的光进行导引的方法，包括：
通过第一透镜元件导引来自第一多个发光像素元件的光；
通过第二透镜元件导引来自第二多个发光像素元件的光；和
设置第一和第二透镜元件，使得所述第一和第二发光像素元件的像素中心之间的距离等于或是大于所述第一和第二透镜元件中心之间的距离。
19.根据权利要求18的方法，进一步包括：
将来自第一透镜元件的光导引在第一优先方向上；和
将来自第二透镜元件的光导引在不同于所述第一优先方向的第二优先方向上。
20.根据权利要求18的方法，其中，所述透镜元件为柱面透镜，该柱面透镜被定位在水平方向上。
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