專利名稱：帶有金屬化錐形波導的顯示屏的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及顯示裝置的領域，并且尤其涉及可以增大視角的特別用于液晶顯示器(LCD)的屏幕。
背景技術：
已知的顯示器例如有投影顯示器、畫外顯示器以及直視顯示器。例如Zimmerman等人的美國專利(US5,481,385)中所述。這些顯示器用于很廣范圍的應用中，包括計算機終端、飛機座艙顯示、自動儀表盤、電視以及提供文本、圖表或視頻信息的其它顯示器。常規(guī)的直視顯示器如液晶顯示器有很多固有的缺陷。例如，在大視角(與顯示器表面的法線方向有很大的角度)時，這些顯示器有較低的對比度，并且當視角改變時，視覺色度也發(fā)生變化。
對于大多數(shù)顯示器，重要的是操作者可以以各種偏軸角度觀看顯示屏。例如，在帶有左右駕駛員座位的航空器(駕駛員/副駕駛員)中，駕駛員可能需要越過座艙查看副駕駛員的儀表顯示。在這種情況下就希望有一種大的偏軸視角(＞60°)。有一種類型的顯示器(如LCD)具有一個限定的偏軸度(＜20°)，除非提供外部補償。
在Zimmerman的1996年1月2日頒發(fā)的美國專利(US5,481,385)中，觀察屏放置在液晶顯示器(LCD)和觀看顯示器的人之間。在現(xiàn)有技術中希望準直光束穿過LCD顯示器以產生圖象。這種準直光束具有相當?shù)偷纳⑸浣?大約5～10°)，這導致對顯示器不利的偏軸觀看。圖1中展示了Zimmerman的觀察屏，它包括多個在顯示屏觀察方的錐形光波導。觀察屏包括多個設置在一個透明平面襯底12、如玻璃上的錐形波導11。每個錐形波導有一個穿過襯底12的光輸入表面13(圖1中未示出)，一個光輸出表面14和錐形側壁15。這些光波導由一種光聚合材料如丙烯酸制成。
圖2表示通過這種錐形波導的內部光反射(即光路)。光線101在光輸入表面13進入錐形波導11并通過數(shù)次從錐形側壁反射而經錐形波導11傳播。在第一次反射處，光線101的散射角從A增大到A+B，其中B是側壁的錐形角。在第二次反射22處，散射角增大到A+2B。一般地，從錐形波導輸出的光的散射角可以表示成A+(n*B)，此處n是光線101從錐形波導12出射之前從錐形側壁反射的次數(shù)。注意，對于每一束光線101，入射角等于反射角。
由Zimmerman提出的透明波導按照與光纜相同的方式經內全反射(TIR)傳播光束。TIR需要光的入射角小于由光學介質(如丙烯酸)的材料特性決定的臨界值。圖3表示多數(shù)光線101經Zimmerman提出的錐形波導傳播到輸出光擴展角31。在經過有限次數(shù)的反射之后，光線101的散射角將超過波導光學介質的臨界入射角，并且光線將在錐形波導11的側面點32處出射，而不是從錐形表面15反射。Zimmerman指出，希望通過用光吸收材料如碳黑填充波導之間的縫隙區(qū)域來吸收選出波導11的光線。
典型的錐形波導由一種光學介質如玻璃或光聚合材料如丙烯酸構成。Zimmerman提出了一種利用汞燈(Hg)或氙燈(Xe)發(fā)出的紫外光(UV)的光聚合法，該方法尤其適合于制造錐形波導。曝光夾層使用掩模/甲醇/PET/光聚合物/潔凈的玻璃頂板。對曝光夾層顯影并再用UV烘干固化。帶有50微米的孔和5微米的線條的掩模制造200微米高并具有20微米寬的頂端(光輸出表面積)的錐形。該錐形一般在160微米的深度處彼此熔合并具有12°的側壁錐度。
光線101在光輸入表面13處進入錐形波導11，并經光輸出表面14出射。當光線101穿過光學介質12時，從側壁15反射。光線101在入射擴展角的左右末端的幾何形狀如圖所示。經過數(shù)次反射后，光線入射角超過光學材料的折射率，并且光線在32處如圖所示地從波導逸出。這導致有限的輸出光擴展角31。
已知的對Zimmerman原理的改進包括用折射率低于波導折射率的光學介質填充波導11之間的間隙區(qū)域。但是這種方法將導致觀眾觀看時不希望有的外部光線的反射。航空電子設備顯示器的有用特征包括環(huán)境光高反射、高透射以及關于顯示器法線的非對稱輸出亮度分布。

發(fā)明內容
本發(fā)明在顯示器觀察方一側上提供了一種錐形陣列以增大偏軸視角。本發(fā)明指出，金屬反射涂層放置在錐形光波導的外部。另外，可以處理所得的金屬錐體背離波導的表面以形成面對觀眾的黑色光吸收區(qū)。這種黑色區(qū)域在減少觀眾觀看到的反射的方面很有用。
本發(fā)明典型的用途是與常規(guī)液晶顯示器(LCD)一起使用的視角改善屏。這些LCD顯示器一般輸出準直光(擴展約5 °)。
非對稱錐形光波導有助于促進更寬的水平-垂直視角分布。傾斜的錐體提供關于一根軸線(垂直)非對稱的視角。金屬涂覆的錐體提供較大的視角。
中空金屬錐體是去除光聚合物的對前述原理的一種改型。最好將外涂層設置在內金屬表面上以防止腐蝕/氧化。
本發(fā)明的直視顯示裝置展示了超越已知裝置的幾個優(yōu)點。例如，本發(fā)明的裝置具有一個非對稱的視角，可以調節(jié)該視角以使液晶顯示器的特性與航空器的交叉的座艙的觀察要求相匹配。


通過下面參考附圖的詳細描述，對本發(fā)明將有更全面及更清晰的認識，其中圖1表示顯示器在面對觀眾一側上有多個錐形波導的現(xiàn)有觀察屏；圖2表示從圖1觀察屏的錐形波導側面上反射的光線的幾何形狀；圖3表示光線經圖1觀察屏的錐形聚合波導的傳播；圖4表示根據(jù)本發(fā)明帶有金屬反射層的錐形聚合波導；以及圖5表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的錐形金屬波導。
具體實施例方式
參見圖4，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明的錐形波導40。有利的是，本發(fā)明對波導40的外表面增加了一個金屬層43，尤其對入射光具有超過光學介質12折射率的擴展角的上部錐形區(qū)域增加了一個金屬層43。例如利用化學氣相沉積(CVD)把金屬涂層設置在錐形的外部。當光線101從金屬層43反射時，防止該光線在反射點42處如圖所示地從波導40中逸出。根據(jù)本發(fā)明有利的是，金屬化的錐形波導40產生較大的輸出光擴展角41，該擴展角大于圖3所示現(xiàn)有技術中非金屬化錐形波導的擴展角。
本發(fā)明的另一實施例示于圖5。在此優(yōu)選實施例中，如同Zimmerman所提出的一樣，例如利用酸沖洗除去光聚合物。所得錐形的內部用一個保護層如聚乙烯涂覆。光線101進入金屬錐形中空波導50的基部，該基部設置在透明襯底上，如圖1所示。光線101從中空錐體50的基部通過從錐形金屬壁53反射而傳播到中空錐形的頂部。進入此錐形的光線101的入射擴展角較小(約為5°)，并且光線的輸出擴展角41顯著增大，如同圖4所示金屬化錐形40那樣。
接下來參見圖6，圖中示出了一部分金屬錐體60陣列。每個金屬錐體50的內表面用一層保護性透明膜61如聚乙烯涂覆。每個金屬錐體的外表面用一層變黑的填隙層62如平坦的環(huán)氧漆或化學膜涂覆。在另一優(yōu)選實施例中，錐體50之間的其余填隙空間63用光吸收材料如碳黑填充。
本發(fā)明的實施例還可以通過包括在錐形波導40基部或更優(yōu)選在頂端(輸出端)處的非對稱散射而提供輸出光線101的非對稱亮度分布。這種非對稱散射可以通過一個如物理光學公司提供的表面凹凸全息照相裝置來實現(xiàn)。有利的是，非對稱散射與體積散射(約50％)相比，產生較高的光透射率(約90％)。通過如圖6所示的金屬反射層的變黑的外層62或通過包含在錐形之間的填隙區(qū)域中的其它黑色材料，使得只在頂端布置將提供對環(huán)境光較強的排除。
本發(fā)明的其它實施例調節(jié)非對稱形式的視角(光擴展角)，使得例如水平視角可以比垂直視角寬。視角的非對稱性通過使用各種金屬化的錐形波導形狀來調節(jié)，包括但不限于帶有圓形和橢圓形基部的直角(無傾斜)圓錐以及帶有正方形、矩形、六邊形、八邊形基部的直角(無傾斜)棱錐。其它的實施例包括金屬化錐形波導形狀，該金屬化錐形波導形狀包含帶有上述基部的傾斜圓錐及棱錐。
參見圖7，圖中示出了本發(fā)明用于航空電子設備顯示器71的實施例。有利的是，帶有各種錐角的金屬化錐形可以關于觀察區(qū)分布，使得可以給例如顯示各種警示和提醒文本的航空電子設備顯示器的中間部分提供較大的垂直向上視角，使得在飛行員夜視護目鏡(NVG)下引導光束。航空顯示器71如圖所示，以飛行員的設計眼睛72定位和取向。在航空器座艙的設計中，預定向下看的視角73，使得飛行員在航空器的機頭上有足夠的能見度。本發(fā)明提供常規(guī)優(yōu)先級信息74的顯示區(qū)，具有有限的垂直視角，使得飛行員不會分散注意力去看航空器的外邊，還提供高優(yōu)先級信息75的顯示區(qū)，具有擴展的垂直視角，使得飛行員可以被有效地警告。
本發(fā)明不限于本說明書中給出的實施例。在不脫離本發(fā)明實質范圍的前提下，本領域的技術人員可以很容易地發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的其它優(yōu)點和改型，本發(fā)明的范圍將由下面的權利要求限定。
權利要求
1.一種用于直視顯示器的視角改善屏，其包括一產生光輸出的圖象顯示裝置；一透明襯底，該透明襯底設置在所述圖象顯示裝置前面，并具有面對所述圖象顯示裝置的第一表面和與第一表面相對的第二表面；多個錐形光波導，其設置在所述透明襯底的第二表面上，每個所述錐形光波導具有光輸入表面，其與所述透明襯底的第二表面相鄰；光輸出表面，其遠離所述光輸入表面并具有小于所述光輸入表面的表面積；以及錐形側面，其連接在所述光輸入表面和所述光輸出表面之間并與所述光輸入表面和所述光輸出表面形成一閉合表面，并且具有接近所述光輸出表面的上部和下部；其中從波導的光輸出表面發(fā)出的光的角分布大于進入波導的光輸入表面的光的角分布；以及金屬反射層涂覆每個所述波導的每個錐形側面的上部。
2. 如權利要求1所述的視角改善屏，其特征在于其還包括一非對稱散射裝置，該裝置或者位于所述錐形光波導的光輸入表面，或者位于所述錐形光波導的光輸出表面。
3.如權利要求1所述的視角改善屏，其特征在于錐形波導形成為直角圓錐或直角棱錐的大致形狀；以及所述錐形波導的光輸入表面和光輸出表面大致形成為選自圓形、橢圓形、正方形、矩形、六邊形和八邊形中的一種形狀。
4.如權利要求1所述的視角改善屏，其特征在于錐形波導形成為傾斜圓錐或傾斜角棱錐的大致形狀；以及所述錐形波導的光輸入表面和光輸出表面大致形成為選自固形、橢圓形、正方形、矩形、六邊形和八邊形中的一種形狀。
5.一種用于直視顯示器的視角改善屏，其包括一產生光輸出的圖象顯示裝置；一透明襯底，該透明襯底設置在所述圖象顯示裝置前面，并具有面對所述圖象顯示裝置的第一表面和與第一表面相對的第二表面；多個中空金屬錐形波導，其設置在所述透明襯底的第二表面上，每個所述中空金屬錐形波導具有敞開的基部，其與所述透明襯底的第二表面相鄰；敞開的頂端，其遠離所述敞開的基部并具有小于所述敞開的基部的表面積；金屬反射錐形側面，其連接在所述敞開的基部和所述敞開的頂端之間，并與所述敞開的基部和所述敞開的頂端形成內閉合表面和外閉合表面；其中從所述波導的敞開的頂端發(fā)出的光的角分布大于進入所述波導的敞開的基部的光的角分布。
6.如權利要求5所述的視角改善屏，其特征在于其還包括設置在所述中空金屬錐形波導的內閉合表面上的保護性透明涂層；以及設置在所述中空金屬錐形波導的外閉合表面上的變黑的光吸收涂層。
7.如權利要求5所述的視角改善屏，其特征在于中空金屬錐形波導形成為直角圓錐或直角棱錐的大致形狀；以及所述中空金屬錐形波導的光輸入表面和光輸出表面大致形成為選自圓形、橢圓形、正方形、矩形、六邊形和八邊形中的一種形狀。
8.一種航空電子設備顯示器，其帶有用于高優(yōu)先級信息的預定顯示區(qū)和用于標準優(yōu)先級信息的預定區(qū)，該顯示器包括(a)一帶有直視發(fā)光表面的顯示器；(b)放置在發(fā)光表面前面的所述顯示器上的視角改善屏，其具有對應于所述顯示器的高優(yōu)先級信息顯示區(qū)的高優(yōu)先級表面區(qū)，并且具有對應于所述顯示器表面的低優(yōu)先級信息顯示區(qū)的低優(yōu)先級表面區(qū)；(c)多個錐形波導，其具有設置在視角改善屏的所述高優(yōu)先級表面區(qū)以及視角改善屏的所述低優(yōu)先級表面區(qū)上的不同側壁錐角；其中(d)設置在所述視角改善屏的高優(yōu)先級表面區(qū)上的所述錐形波導的側壁錐角不同于設置在所述視角改善屏的低優(yōu)先級表面區(qū)上的所述錐形波導的側壁錐角。
9.如權利要求8所述的電子設備顯示器，其特征在于所述錐形波導為金屬化錐形波導。
10.如權利要求8所述的電子設備顯示器，其特征在于所述錐形波導為中空金屬錐形波導。
11.如權利要求8所述的電子設備顯示器，其特征在于設置在所述視角改善屏的高優(yōu)先級表面區(qū)上的所述錐形波導的側壁錐角對高優(yōu)先級信息產生較大的垂直視角。
全文摘要
一種用于增大顯示器如液晶顯示器的視角的觀察屏，其具有金屬化錐形波導(43)。
文檔編號G02B5/08GK1505771SQ01819104
公開日2004年6月16日 申請日期2001年9月18日 優(yōu)先權日2000年9月19日
發(fā)明者J·馬諾, J 馬諾, P·A·帕帕尼斯托爾, 帕帕尼斯托爾 申請人:霍尼韋爾國際公司