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CN1467511A - 棱镜片和具有该棱镜片的液晶显示设备 - Google Patents

棱镜片和具有该棱镜片的液晶显示设备 Download PDF

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CN1467511A
CN1467511A CNA031312713A CN03131271A CN1467511A CN 1467511 A CN1467511 A CN 1467511A CN A031312713 A CNA031312713 A CN A031312713A CN 03131271 A CN03131271 A CN 03131271A CN 1467511 A CN1467511 A CN 1467511A
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CN
China
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prism sheet
light
angle
liquid crystal
crystal display
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CNA031312713A
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金龙一
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Samsung Electronics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种棱镜片以及一种液晶显示设备，该棱镜片可允许以相对垂直光入射表面的轴小于2.8°的角度入射的光被折射和发射，该液晶显示设备包括上述棱镜片。该棱镜片包括：第一表面，来自于光源的光通过该表面进入棱镜片；以及，第二表面，光从该表面射出棱镜片。第二表面还包括具有基本彼此平行的长轴的多边形凸部。该多边形凸部中的每一个都具有：至少一个第一侧边，该侧边相对第一表面的法线成65°至75°范围内的角；以及，至少一个第二侧边，该侧边相对第一表面的法线成40°至50°范围内的角。

Description

棱镜片和具有该棱镜片的液晶显示设备
技术领域
本发明涉及一种棱镜片，且特别是涉及一种用于加强光亮度的棱镜片结构以及包括该棱镜片的液晶显示设备。
背景技术
棱镜片在显示设备中被使用。例如，棱镜片可以同背光源一起用于LCD设备、亮度增强薄膜、光反射膜等。“棱镜片”通常指代一种片，该片包括一个由聚酯薄膜和紫外线硬化树脂薄膜制成的表面，该薄膜具有适于作基膜的粘附属性，而该树脂薄膜层压制在该基膜上。设置该棱镜片主要为了通过收窄穿过发光设备散射板的光的视角来提高发光设备(即，液晶显示设备)的亮度。
为提高液晶显示(“LCD”)设备的亮度，已经进行了各种努力。在这些努力中，提高电源电压已被证明是获得期望的亮度提升的有效途径。然而，提高电源电压需要增加电池容量，这就不希望地增加了设备的重量并缩短了电池寿命。
为达到这个目的，已研究了各种用于提高亮度同时降低电源电压的方法。
在美国专利号4,906,070中公开了这些方法中的一个，包括由聚合物材料制成的薄柔性膜，该聚合物材料包括一个结构化的表面和一个相对的光滑表面。在该柔性膜中，结构化的表面包括线性的一排大体上为等腰直角的微小棱镜，这些棱镜并排设置以形成多个峰和谷。此外，棱镜垂直的侧边形成大约为45°的角度。然而，建议该柔性膜用于内部反射光，而不在LCD设备中应用。
图1是在传统LCD设备中应用的直角等腰棱镜片10的透视图。参考图1，直角等腰棱镜12设置成沿光发射表面的一个方向(X方向)彼此平行。与其上形成有棱镜的表面相邻的表面是光滑平面14。棱镜中的每一个包括一倾斜平面C1(参见图2A)，该倾斜平面相对于与光滑平面14垂直的法线(Y)成约45度的角度。
如图2A所示，如果光在约2.8°圆锥范围内穿透棱镜片的右倾斜表面C2，其中2.8°相对于法线测得，该入射光完全按路径1和2所示在内部反射。完全在内部反射的光不会射出棱镜，从而消失了。
类似地，如果光在相对于法线(Y)约2.8°圆锥范围内穿透棱镜片的左倾斜表面C1，该入射光完全沿路径3和4在内部反射。该光不会射出棱镜从而消失。
上述两个事实表明如果光以小于2.8°的角度穿透棱镜片的一个表面时，光获取率降低。结果，前部亮度降低。
图3是光穿过传统LCD设备中的散射板时亮度分布的测量结果，而图4是光穿过传统LCD设备中的透镜片时亮度分布的测量结果。
参考图3，当随视角在发射片上一点的变化测量亮度分布时，相对于总光量55.5％的光量以约±34°的视角发射(“A”)。如图4所示，这表明以入射角约±34°入射到棱镜片上的约55.5％的光被折射或发射指向显示图像的前侧。
因为具有相对于法线小于约2.8°的入射角的光没有被发射，这种光量应该最小化以防止亮度降低。
为了防止亮度降低，采取了下列现有技术。
日本专利公开文献No8-320405中公开了一种棱镜片和一种背光，通过组合波纹形表面的每个棱镜表面，该波纹形表面对于每个棱镜单元具有特定的高度差，不会损害前部亮度和导致亮暗图案。在该棱镜片中，每个棱镜单元的棱镜表面形成具有波纹形表面，该表面的高度差(D)大于1μm。
日本专利公开文献No7-230002中公开了一种方向性的背光，其具有改进的方向性。通过排列许多形状单元8形成透明片，每个形状单元通过连接两凸曲柱面而形成，该两凸曲柱面的母线彼此平行并在一个表面上相对母线成直角处左右对称，而各切表面和平面彼此相交成180°角。
日本专利公开文献No6-250182中公开了一种棱镜片，其用于提高亮度而不产生条纹图案。在这种棱镜片中，通过将片设置在面光源设备的射出表面侧和将这些突出件的全部或某一部分形成为浮雕表面，在待使用的棱镜片的前表面上形成许多突出件。
日本专利公开文献No8-254606中公开了一种透镜片，其能够消除不必要的倾斜方向的光而不降低法线方向的亮度。该透镜片具有透镜排列层，其中多个单元透镜件沿透明基部的光射出侧设置在一维方向或二维方向上，且在光射出侧以突出形状的形式形成。一个方向或彼此正交两方向的该部分(主切面)以五边形形状形成。在这种情况下，由单元透镜部件的基部侧上的两侧边形成的角θ4比由顶部侧的两侧边形成的角(即垂直角)θ3更尖锐(θ3＞θ4)。
尽管前述的现有技术达到了防止条纹图案出现和提高亮度的目的，但是它们不能解决与使用这样一种光相关的问题，即这种光以相对于垂直散射板的法线小于2.8°的角度入射。如后所述，入射到棱镜片上的约70％的光以小于50°的角入射。为达到此目的，期望提高以上述角度(小于约2.8°)入射的光的使用效率以便增加亮度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种棱镜片和包括该棱镜片的液晶显示设备，可以本质上避免因相关技术的限制和缺陷而导致的一个或多个问题。
本发明的第一目的在于提供能够防止亮度在特定角度降低的棱镜片。
本发明的第二目的在于提供能够提高入射光使用效率的棱镜片。
本发明的第三目的在于提供一种具有棱镜片的液晶显示设备，该设备能够防止亮度在特定的视角降低。
本发明的第四目的在于提供能够提高入射光使用效率的液晶显示设备。
为实现本发明的第一和第二目的，提供了一种棱镜片。上述的棱镜片包括光从光源入射到其上的第一表面，和用于发射穿过第一表面的入射光的第二表面。第二表面还包括多个多边形凸部，它们的长轴基本彼此平行。
优选地，多边形凸部中的每一个具有：至少一个第一侧边，该侧边和第一表面的法线成65°至75°范围内的角；以及，至少一个第二侧边，该侧边和第一表面的法线成40°至50°范围内的角。
可选地，第一侧边比第二侧边更靠近最高顶点。
可选地，第二侧边比第一侧边更靠近最高顶点。
优选地，第一侧边的整个长度大于第二侧边。
优选地，多边形凸部是五角棱锥。
为实现第三和第四目的，提供了一种液晶显示设备。该液晶显示设备包括：用于发射从光源入射的光的散射板；用于接收从散射板入射的光的棱镜片；以及，用棱镜片提供的光显示图像的LCD面板，其中，该棱镜片包括入射光源的光的第一表面和用于发射从第一表面入射的光的第二表面，第二表面还包括多个多边形凸部，它们具有基本彼此平行的长轴。
优选地，多边形凸部中的每一个具有：至少一个第一侧边，该侧边和第一表面的法线成65°至75°范围内的角；以及，至少一个第二侧边，该侧边和第一表面的法线成40°至50°范围内的角。
可选地，第一侧边比第二侧边更靠近最高顶点。
可选地，第二侧边比第一侧边更靠近最高顶点。
优选地，第一侧边的整个长度大于第二侧边。
附图说明
本发明的上述和其他优点，通过详细描述示范实施例并结合附图，将变得更加显而易见，附图中：
图1是根据现有技术的棱镜片的透视图；
图2A和2B是截面图，用于说明图1所示棱镜片的操作，具体地，图2A是光入射到棱镜截面左侧边的视图，而图2B是光入射到棱镜截面右侧边的视图；
图3示出了在传统LCD设备中，穿过散射板的光的亮度分布的测量结果；
图4示出了在传统LCD设备中，穿过棱镜片的光的亮度分布的测量结果；
图5是根据本发明一个实施例的棱镜片的透视图；
图6是图5中棱镜片的一个凸部的截面图；
图7示出了图6中的凸部经修改后的示例；
图8是根据本发明的另一实施例的棱镜片中的一个凸部的截面图；
图9是图8中“A”部分的详细图；
图10A和10B是用于说明图5至8中的棱镜片的操作的截面视图，具体地，图10A是光入射到棱镜截面左侧边的视图，而图10B是光入射到棱镜截面右侧边的视图；
图11是应用图5至8中所示的棱镜片的LCD设备的分解透视图；
图12是在图11中使用的棱镜片的透视图；
图13是用于说明光在图11的LCD设备中的光源和光导板中的行为的示意图，图12中的棱镜片应用到该LCD设备中；
图14是用于说明图11中的LCD设备中光导板和上覆空气(overlyingair)之间的光发射角度的变化的示意图；以及
图15是用于说明图11中的LCD设备中光散射板和上覆空气之间的光照射角度的变化的示意图。
具体实施方式
现在，将参考附图对本发明的示范实施例作详细描述。
图5是根据本发明一个实施例的棱镜片的透视图，而图6是图5中棱镜片的凸部的截面图。参考图5，棱镜片50包括光入射的第一表面52，以及与第一表面52紧靠(back to back)且具有多个多边形凸部56的第二表面54。该多边形凸部56设置成基本在一个方向(X方向)上彼此平行。
如图6所示，多边形凸部具有多边结构，其至少有五个面。该多边形凸部包括第一侧边e1和另一侧边e2，该二者相交形成顶点P。在图6中，第一表面52的法线和第一侧边e1和e2中的每一个之间的角(C)相对于第一表面52的法线，范围从65°至75°，优选地是约70°。如上所述，这些角对应一个范围，在该范围中，以相对法线小于2.8°的角穿透各凸部的表面的光被发射，而不是完全地在内部反射。与第一侧边e1和e2相邻的第二侧边e3和e4相对第一表面的法线(Y)形成范围约从40°至60°的角(D)。被“发射”的光从棱镜或凸部射出。
图7示出了图6中的凸部经改进后的示例。在该示例中，多边形凸部比五边形具有更多的侧边。特别地，与最高顶点P相邻的第一侧边e1相对第一表面的法线(Y)成约40°至60°的角。如上所述，这些角对应一个范围，在该范围中，以相对法线小于2.8°的角入射到各凸部的倾斜表面的光被发射，而不是完全地在内部反射。与第一侧边(e1)相邻的第二侧边(e3)相对第一表面的法线(Y)成角(D)，该角的范围从约65°至75°，且优选是70°左右。
图8是根据本发明的另一实施例的棱镜片中的凸部的截面图，而图9是图8中部分“A”的详细图。参考图8和9，本发明的凸部包括至少两个侧边(e3和e7)，这两个侧边相对法线(Y)成65°至75°范围内的角(D，E)，且这些边(e3和e7)优选形成约70°的角。
类似地，这些角对应一个范围，在该范围中，以相对于法线小于2.8°的角入射到各凸部的倾斜表面的光被发射。
在上述实施例中提供的凸部包括至少一个侧边，该侧边相对于与第一表面垂直的法线(Y)形成从65°至75°的角。这些角对应一个范围，在该范围中，以相对于法线小于2.8°的角入射到各凸部的倾斜表面的光被发射，因此提高了光获取率。
图10A和10B是用于说明图5至8中的棱镜片的工作的截面视图，具体地，图10A是光入射到棱镜50左侧边的草图，而图10B是光入射到棱镜50右侧边的草图。
参考图10A，光束1至4从图中的左侧边传播，且每条光束穿透倾斜平面C2，该平面相对于法线(Y)具有70°的角。由于凸部和空气的折射率不同，以大于2.8°的角度入射的光束2，3，和4在倾斜平面(C2)上被折射，从而使这些光束被发射。对于以2.8°的角度入射的光束1，其也在倾斜平面(C2)上被折射且发射。
参考图10B，光束5和6从棱镜的右侧穿透相对法线Y约70°角的侧边。在光束5和6中，由于凸部和空气的折射率不同，以相对于法线Y大于2.8°的角度入射的光束在倾斜平面(C2)上被折射，从而使该光束被发射。例如，倾斜平面C2可以是图6中的第一侧边e1或图7中的第二侧边e3。
如上所述，入射到棱镜片上的入射光在凸部的倾斜平面上被折射而发射，具有改进凸部的根据本发明的棱镜可使得即使以小于2.8°的角度入射的光束在凸部的倾斜表面上不被反射，而在凸部的倾斜表面上被折射，从而该光束能够得以发射。因此，与传统棱镜片相比，本发明的棱镜片可允许更大部分待发射的入射光，以使得光获取率提高。
图11是包括本发明的棱镜片的LCD设备的分解透视图。
参考图11，本发明的液晶显示设备包括：散射板140，其用于散射从背光源130发出且通过光导板120和下反射板110入射的光；棱镜片150，其用于收窄从散射板140入射的光的视角；偏光板(未示出)，其用于使透过棱镜片150的光偏振，以形成偏振光；以及，LCD面板160，其用于利用来自偏振板的偏振光显示图像。在图11中，附图标记100代表下壳，附图标记110代表反射板，附图标记162代表滤色镜衬底，附图标记164代表TFT衬底，附图标记166代表数据PCB，附图标记168代表栅极PCB(gatePCB)，附图标记180代表上偏振板，而附图标记190代表上壳。因为这些元件已经众所周知，该领域内的普通技术人员可以理解这些元件中每一个的功能和组成。
如图12所示，棱镜片150包括：第一平面152，该平面是光入射平面，光可从散射板140入射到其中；以及，第二平面154，该平面与第一平面152紧靠并具有多个凸部156，且从第一平面152入射的光通过该平面被发射。凸部156中的每一个基本沿一个方向(X方向)彼此平行的布置。
参考图12，凸部156包括具有至少五条边的多边结构。图12中多边结构的截面图看上去类似图6中示出的截面图。参考图6，在第一平面52的法线(Y)与两个和最高顶点相邻的第一侧边(e1和e2)中的每一个之间的夹角(C)的范围在65°至75°之间，且优选约70°。如上所述，这些角对应一个范围，在该范围中，以相对于法线小于2.8°的角入射到各凸部的倾斜表面的光被发射。与第一侧边(e1和e2)相邻的第二侧边(e3和e4)相对第一平面52的法线(Y)成约40°至60°的角。
可选地，如图7所示，该凸部具有比五边形更多的边。特别地，与最高顶点P相邻的第一侧边e1相对第一平面的法线(Y)成约从40°至60°的角。如上所述，这些角对应一个范围，在该范围中，以相对于法线小于2.8°的角入射到各凸部的倾斜表面的光被发射。与第一侧边(e1)相邻的第二侧边(e3)相对第一平面的法线(Y)成约从65°至75°的角，且优选为70°。
而且，如图8和9所示，根据本发明的LCD设备中使用的棱镜片的凸部包括至少两侧边(e3和e7)，这两侧边相对法线(Y)成约从65°至75°的角，且优选地，这些侧边(e3和e7)相对法线(Y)成70°角。同样地，这些角对应一个范围，在该范围中，以相对于法线小于2.8°的角入射到各凸部的倾斜表面的光被发射。
图13是用于说明光在图11的LCD设备中的光源和光导板中的行为的示意图。
参考图13，当考虑到光导板120的折射率是1.49时，从背光源130的灯132发出且入射到光导板120中的光被完全反射，但穿过光导板120的内部的光被印刷图案或谷(groove)122反射，且通过光导板120的上表面发射。换句话说，只有光导板120的入射光中与完全反射角范围相对应的光被发射。
当空气的折射率Na是1.0而光导板的折射率Ng是1.49时，完全反射角(θ)的正弦值等于空气的折射率与光导板的折射率的比值，sinθ＝Na÷Ng≈0.67114。结果，完全反射角约为42.155°。因此，当入射到光导板120中的光具有在42.155°内的完全反射角时，该光在光导板120的外部被发射。
图14是用于说明图11中的LCD设备中光导板120和上覆空气之间的光发射角度的变化的示意图。
表1示出了当光入射角(A)相对于发射表面的法线(Y)变化时，光发射角(B)的变化。
表1
    入射角“A”     发射角“B”
    10°     ≈14.99°
    20°     ≈30.63°
    30°     ≈48.15°
    40°     ≈73.28°
从表1中可以看出，当光导板120中的入射角增加到临界角度(A≈42.155°或大约42.155°)时，光发射角也增加。以临界角度(≈42.155°)入射的光的94.9％具有73.28°的光发射角。
图15是用于说明图11中的LCD设备中光散射板和覆盖在上面的空气间的光照射角度的变化的示意图。
下表2示出了相对光发射面的法线方向的光发射角(B)的分布率，且对应于使用在LCD设备中的背光单元所测得的结果，该LCD设备使用15.3英寸的屏幕尺寸，该屏幕是三星电子大规模生产模型。
表2
    发射角“B”     分布率
    0-34°     ≈55.5％
    34-50°     ≈20.38％
    50-60°     ≈9.02％
    60-70°     ≈7.7％
    70-80°     ≈7.4％
从表2中可以看出，具有发射角度0-34°的光具有最高值的分布率55.5％，而具有发射角度34-50°的光具有次高值的分布率20.38％。这个结果表明，大多数入射到棱镜片中的光具有0-50°范围内的发射角。而且，这个结果与图3曲线所示的测量值一致。
此外，该结果表明相当多量的光以相对于棱镜片中的法线(Y)小于2.8°的角入射。
如上所述，因为本发明的棱镜片具有凸部，该凸部的倾斜平面具有相对法线(Y)成65-75°角度的侧边，所以以小于2.8°的角度入射的选定量的光被折射，然后被发射到棱镜片的外部。由于多边结构的属性，使所有侧边都相对法线成范围在65-75°的角度是不可能的。为此，以小于2.8°的角度入射的光不可避免地被棱镜片的凸出表面部分地反射。因此，在多边棱镜的截面被制成具有多边结构的情况下，期望与最高顶点相邻的四条侧边中、相对法线方向具有65-75°范围内角度的侧边的总长尽可能的长。
此外，如图8和9所示，与最高顶点相邻的两侧边被制成锯齿结构的情况下，相对所有侧边的总长适当地选择具有上述65-75°范围内角度的侧边的总长。
换句话说，当具有小于65-75°范围内的角度的侧边的总长增加时，凸部的脊宽减小，而当具有65-75°范围内的角度的侧边的总长增加时，凸部的脊宽增加，即，锯齿的两侧边间的角度(α)增大。
考虑到棱镜片具有相同面积的前提下，这意味着：在后一种情况中，凸部的个数小于前一种情况中凸部的个数。因此，如果凸部的角度太小，难以在具有上述有害的光学属性的条件下制造该棱镜片。因此，期望具有65-75°范围内的角度的侧边的总长增加。
如上所述，本发明的棱镜片可使以相对光入射表面小于2.8°的角度入射的光不被上倾斜表面反射，而是被折射和发射，因此防止了亮度的降低并提高了入射光的效率。
而且，本发明的棱镜片能够应用在LCD设备中，通过减小在棱镜片内部反射的光量且无需提高电力供应，可提高入射光的使用效率。
进一步地，在LCD设备应用在需要高亮度的便携式电子装置(如笔记本电脑)的情况下，不需要提供独立电源，从而该便携式电子装置的使用时间能够得以延长。
尽管已经对本发明加以详细描述，但应该明白，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以对其进行各种改动，替换和变更，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (14)

1.一种棱镜片，包括：
第一表面，来自光源的光通过该表面进入棱镜片；和
第二表面，光通过该表面射出棱镜片，其中，该第二表面包括基本彼此平行布置的多边形凸部。
2.如权利要求1所述的棱镜片，其中，多边形凸部是五边棱锥。
3.如权利要求1所述的棱镜片，其中，多边形凸部的每一个都具有至少一个第一侧边，该侧边相对第一表面的法线成约从65°至75°范围内的角。
4.如权利要求3所述的棱镜片，其中，多边形凸部的每一个都具有至少一个第二侧边，该侧边相对第一表面的法线成约从40°至50°范围内的角。
5.如权利要求4所述的棱镜片，其中，第一侧边处于比第二侧边更靠近最高顶点的位置。
6.如权利要求4所述的棱镜片，其中，第一侧边的总长大于第二侧边的总长。
7.如权利要求4所述的棱镜片，其中，第一侧边的总长小于第二侧边的总长。
8.一种液晶显示设备，包括：
散射板，其用于散射从光源入射的光；
棱镜片，其用于接收从散射板入射的光；和
液晶显示板，其使用从棱镜片提供的光来显示图像，
其中，所述棱镜片包括：第一表面，来自光源的光通过该表面进入棱镜片；和第二表面，光通过该表面射出棱镜片，且第二表面包括具有基本彼此平行的长轴的多边形凸部。
9.如权利要求8所述的液晶显示设备，其中，多边形凸部是五边棱锥。
10.如权利要求8所述的液晶显示设备，其中，多边形凸部的每一个都具有至少一个第一侧边，该侧边相对第一表面的法线成约从65°至75°范围内的角。
11.如权利要求10所述的液晶显示设备，其中，多边形凸部的每一个都具有至少一个第二侧边，该侧边相对第一表面的法线成约从40°至50°范围内的角。
12.如权利要求11所述的液晶显示设备，其中，第一侧边处于比第二侧边更靠近最高顶点的位置。
13.如权利要求11所述的液晶显示设备，其中，第一侧边的总长大于第二侧边的总长。
14.如权利要求11所述的液晶显示设备，其中，第一侧边的总长小于第二侧边的总长。
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