TW201626074A - 具改良對比度及透射率的透明顯示器 - Google Patents

Abstract

透明顯示器包含背光單元(BLU)，背光單元包含導光板(LGP)。BLU設計成可使光從LGP的一個表面傳輸至LGP內部其他部分，在至少一選定區域中，傳輸至整LGP各處的光實質上不會受到來自顯示影像之光的干擾，使得觀看者可看到顯示器後方的背景及顯示影像兩者。

Description

具改良對比度及透射率的透明顯示器

本發明大體上關於一種透明顯示器，且明確言之是關於一種具改良對比度及透射率的透明液晶顯示器(LCD)。

此申請案依據專利法主張享有2014年12月8號申請之美國專利臨時申請案第62/088913號的優先權，本案仰賴該案內容且該案內容以引用方式全文併入本案。

透明顯示器可讓人在背景上看到該透明顯示器內所顯示的影像，其在各種應用上的商機逐漸提高，包括可應用在自動販賣機門、冰箱門、零售廣告、擴增實境螢幕、汽車製造業的抬頭顯示器、辦公用的智慧窗口、可攜式消費電子產品及安全監控上。

通常，透明LCD顯示器包括側光式背光單元，側光式背光單元具有相對淺的光萃取特徵，使得該導光板(LGP)看起來幾乎透明且具有相對低的霧度(haze)。該擴散性結構可配置在透明顯示系統背後，且沿著背光單元的一或更多個邊緣及/或沿著該背光單元 的一或更多個邊界將光引入該背光單元的玻璃基板中。例如藉由內部全反射(total internal reflection)使光以波導方式在玻璃基板中傳播並入射在光散射部分上。因此，使光從該透明背光單元散射出來而照亮該透明顯示器的LCD面板。

然而，透明顯示器容易受到數個具挑戰性之性能特性的影響。例如，可預期到此種顯示器在有關影像雜訊方面將會面臨諸多挑戰，其中由一系列紅-綠-藍(RGB)視窗或畫素所形成的影像在「開」與「關」間進行切換以創造影像，且利用隨機萃取特徵(random extraction features)來照亮影像。個別子像素的亮度取決於透過該個別像素可看到多少個萃取特徵。此等萃取特徵的隨機性易於產生某些影像雜訊，通常稱為「閃光(sparkle)」。

此外依據欲顯示之影像的亮度而定，可預期到此種顯示器在有關影像霧度及可見度方面將存在諸多挑戰。例如，當顯示明亮(或實質白色)影像時，該影像的白光會加入背景光中而容易產生朦朧效果(hazy effect)。反之，當顯示暗色(或實質黑色)影像時，大多數的畫素有效地切換成「關」狀態，使得該顯示器不再可傳遞光，表示無法再透過面板看見該背景。

透明度或有限的光透射率是附加議題。對於高解析度LCD顯示器而言，及當考慮到偏光片(polarizer)及濾色片(color filter)所吸收的光時， LCD面板的光透射率可能僅有7.5%，使得當欲使LCD顯示器呈透明時，背景影像可能相對暗淡。

本案揭示一種顯示器裝置，該顯示器裝置包括背光單元，該背光單元包括導光板。該導光板具有位在該導光板之第一側上的第一主要表面、位在該導光板之相反側上的第二主要表面及至少一邊緣，且該至少一邊緣具有與該第一主要表面呈實質垂直的表面。該背光單元配置成可從該邊緣選擇性地傳輸光至該第二主要表面的至少一第一區域。該背光單元亦配置成可從第一主要表面傳輸光至該第二主要表面的至少一第二區域。此外，該背光單元配置用來防止從該邊緣傳輸出的光實質干擾從該第一主要表面傳輸至該第二主要表面之該至少一第二區域的光。

在以下實施方式中將舉出此等實施例及其他實施例的附加特徵及優點，且所屬技術領域中熟悉該項技藝者將容易明白部分特徵及優點，或藉由實施本案中(包括以下實施方式、申請專利範圍及附圖中)所述實施例而領會部分特徵及優點。

應明白，上述整體概述及以下實施方式皆舉出本發明的諸多實施例，且意在提供概觀綜述或架構以供了解所請發明的本質與特性。所含附圖可供進一步瞭解此等實施例及其他實施例，且該等附圖併入本案說明書中且構成本案的一部分。該等圖式示出此等實施例及 其他實施例的各種實施態樣，且該等圖式配合說明內容可用來解說本發明的原理及運作。

10‧‧‧畫素陣列

12‧‧‧第一組畫素

14‧‧‧第二組畫素

16‧‧‧光萃取特徵

20‧‧‧畫素陣列

30‧‧‧導光板(LGP)

32‧‧‧光萃取特徵

34‧‧‧反射塗層

35‧‧‧邊緣

36‧‧‧接合區域

37‧‧‧箭頭/線

38‧‧‧轉向介質

39‧‧‧箭頭

40‧‧‧TFT基板

42‧‧‧箭頭

50‧‧‧濾色片(CF)基板

52‧‧‧畫素

100‧‧‧視窗配置結構

102‧‧‧規定區域/視窗

104‧‧‧觀看區域

Th‧‧‧TFT厚度

第1圖為畫素陣列的概要示意圖，在該畫素陣列中第一組畫素配置成顯示畫素，及第二組畫素配置成背景畫素；第2圖為第1圖中所示畫素陣列的概要示意圖，其中該等背景畫素的濾色片已被移除；第3圖為配置成二維圖案的紅-綠-藍-白(RBGW)畫素陣列的概要示意圖，其中背光單元(BLU)具有萃取特徵，且該等萃取特徵對準該等RGB畫素；第4圖為圖示第3圖中所示配置方式帶來之發光現象的側剖圖；第5圖為圖示第2圖中所示畫素陣列的概要示意圖，在該陣列中，光萃取特徵對準顯示器畫素；第6圖為圖示介在LGP與TFT基板間之示例性接合結構的側剖圖；第7圖為在示例性LGP中之光傳播、散射及萃取的概要示意圖；第8圖為在第7圖的LGP中光傳播、散射及萃取的概要示意圖，其中轉向介質(例如，轉向膜)位在該LGP與TFT基板之間；第9圖為與顯示影像相關之光及與背景影像相關之光的傳輸情形的概要示意圖，其中該轉向介質的 配置可使得在選定區域中與該顯示影像相關的光實質上不會干擾到與該背景影像相關的光；及第10圖示出示例性的「視窗」配置結構，其中一視窗顯示出顯示影像，且其餘可視區域則顯示背景。

現將舉出本發明的多個實施例，其中某些實例圖示於該等附圖中。在該等圖式中盡可能使用相同元件符號來代表相同或相似的部分。

透明顯示器系統(例如，透明及半透明的LCD電視)可設計用在商業應用中，例如用在數位招牌及廣告上。在「關」的狀態下(即當驅動該等LCD元件的相關電子設備下令不顯示影像時)，此等顯示器系統呈半透明狀。為了維持半透明的特性，此等顯示器系統不採用不透明的光學背板來產生光。取而代之的是，該等顯示器系統在「開」狀態下(即當相關電子設備下令顯示影像時)使用背景環境的光來照亮該等LCD。因此，人們可透視該顯示器並看到該顯示器面板後方的物體(例如商品，等等)。同時，觀看者亦可在該顯示器面板的某些部分(或在整個顯示器面板)上接收到視覺信息，在商業應用上，該等視覺信息將會例如與螢幕後方的販售商品有關。

本案中所揭示的實施例是關於透明顯示器裝置及系統，且更明確言之，是有關包含具有導光板(LGP)之背光單元(BLU)的顯示器裝置。該導光板具有 位在該導光板之第一側上的第一主要表面、位在該導光板之相反側上的第二主要表面及至少一邊緣，且該至少一邊緣具有與該第一主要表面呈實質垂直的表面。該背光單元配置成可從該邊緣選擇性地傳輸光至該第二主要表面的至少一第一區域(即，影像傳輸)。該背光單元亦配置成可從該第一主要表面傳輸光至該第二主要表面的至少一第二區域(即，背景傳輸)。此外，該背光單元配置用來防止從該邊緣傳輸至該第二主要表面之至少一第一區域的光實質干擾從該第一主要表面傳輸至該第二主要表面之該至少一第二區域的光(「實質干擾」意指從該第一主要表面傳輸至該第二主要表面之至少一第二區域的光受到干擾，使得觀看者無法透過該裝置清楚地看到背景)。此種配置能讓該顯示器裝置展現出改善的透明度及清晰度，在此種配置中，觀看者面向該顯示器裝置，且同時該顯示器裝置正播放由該驅動LCD元件之相關電子設備下令顯示的影像時，觀看者可透過該顯示器裝置看到背景。即使當所播放的影像極明亮(或白色)或極暗色(或黑色)時，仍可呈現此改善的透明度及清晰度。

除了導光板(LGP)之外，本案所揭示的顯示器裝置亦可包括薄膜電晶體(TFT)基板及濾色片(CF)基板。

第1圖示出畫素陣列10的概要示意圖，在畫素陣列10中，第一組畫素12配置成顯示畫素，及第二組畫素14配置成背景畫素。第一組畫素12的該等區域與該 LGP之第二主要表面的至少一第一區域(即「顯示」區域)對準，其中背光單元配置成可從該邊緣選擇性地傳輸光(即「顯示」光)至該第二主要表面的至少一第一區域。至少該第二組畫素14的該等區域與該LGP之第二主要表面的至少一第二區域(即「背景」區域)對準，其中該背光單元配置成可從該第一主要表面傳輸光(即「背景」光)至該第二主要表面的至少一第二區域。該背光單元是配置用來防止從該邊緣傳輸出的光(即「顯示」光)實質干擾到從該第一主要表面傳輸至該第二主要表面之該至少一第二區域(其與第二組畫素14對準，即「背景」區域)的光(即「背景光」)。或者說，第二組畫素14(「背景」畫素)對應於透過該裝置所看到與背景相關的光，而第一組畫素12(「顯示」畫素)則對應於該裝置所顯示與影像相關的光。

從第1圖可看出，文中實施例包括該LGP之第二主要表面包含複數個第一區域及第二區域的實施例。

如第1圖中所示，在陣列10中，第一組畫素12及第二組畫素14呈現為實質平行且交替配置的畫素行列。雖然第1圖中示出第一組畫素及第二組畫素僅各有兩列，但應明白，文中所述實施例包括該些第一組畫素及第二組畫素各自具有超過兩列以上之複數個實質平行畫素列的實施例。同樣的，文中實施例包括該些至少一第一區域(「顯示區域」)沿著該LGP之第二主要表面的 一長度延伸且該至少一第一區域與沿著該LGP之第二主要表面之一長度延伸的至少一第二區域(即「背景區域」)呈實質平行且相鄰的實施例。

在第10圖所示的另一實施例中，提供一種「視窗」配置結構100，在該視窗配置結構100中，背景相關畫素有效地「關閉」，且在規定(即，視窗造形)區域或視窗102中，欲顯示的影像相關畫素則有效地「開啟」。在剩餘的觀看區域104中，可透過該裝置看到背景。若該顯示器包括「觸控」功能，使用者可改變該影像視窗的位置及尺寸。該顯示器亦可在不同模式之間做切換。

第2圖為第1圖中所示畫素陣列的概要示意圖，其中第二組畫素14(「背景畫素」)的濾色片已被移除。由於背景畫素實質上不會用來產生所顯示的影像，因此可選擇性地去除濾色片以便提高背景光通過該面板的整體透射率。

儘管不限於任何特定材料，但習知的導光板通常使用聚合物所製成，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯。然而，PMMA對水份非常敏感，此外，該LGP的熱膨脹係數(CTE)較佳應盡可能地接近該TFT基板及CF基板所用材料的熱膨脹係數(CTE)。由於TFT基板及CF基板通常大多包含玻璃材料，因此該LGP較佳包括玻璃基板，且以具有高光透射率的玻璃基板為最佳。

此外，為了有助於發射出所顯示的影像，該LGP表面中最靠近TFT基板的至少一部分表面(即，「第二主要表面」)可包括複數個表面特徵，該複數個表面特徵稱為「萃取特徵(extraction features)」。當創造萃取特徵時，可例如使該LGP的一或更多個表面粗糙化，及在該一或更多個表面上圖案化出由不連續材料點所形成的圖案。在美國專利申請案第61/918,276號中揭示示例性的玻璃LGP基板及用來在玻璃LGP基板上創造萃取特徵的方法，並以引用方式將該案全部揭示內容併入本案。

第3圖為配置成二維圖案之紅-綠-藍-白(RBGW)畫素陣列20的概要示意圖，其中背光單元(BLU)具有萃取特徵(如在第3圖中所示的點)，且該等萃取特徵對準該等RGB畫素。第4圖為圖示第3圖中所示配置方式帶來之發光現象的側剖圖，其中TFT基板40夾在LGP 30與CF基板50之間，其中LGP 30包括光萃取特徵32且該等光萃取特徵32對準畫素52，並以箭頭42示出顯示光的射出角。假設該等光萃取特徵32幾乎接觸到TFT基板40，可利用下式計算玻璃中的射出半角：Tan=子畫素/2/Th

Sin’=1.5sin其中子畫素(sub pix)為該等RGB子畫素的尺寸，及Th為TFT基板的厚度，且θ及θ’為在玻璃中與在空氣中的射出半角。

若考慮到示例性的顯示器尺寸為700毫米x400毫米且影像解析度為1080p(1920 x 1080)，則畫素間距為約0.365毫米，且子畫素尺寸約為六分之一間距，即0.061毫米。假設TFT厚度(Th)為0.55毫米，空氣中的射出半角為約4.7度，射出半角十分地小。因此，當觀看者位在實質狹窄的視角之外時，僅有該等背景畫素會被照亮，這與預期效果相反。

因此，為了增加視角，採用例如第2圖中所示的交替線性配置為佳。在該種情況下，可考慮該子畫素的尺寸為二分之一畫素間距而使該視角提高到+/-14度。亦可進一步使用較低的解析度(較大面板)或使用較薄的TFT基板來進一步增加此角度。再者，在展示且特別是公共展示應用中，水平平面的視角比垂直平面的視角更重要。因此，在較佳實施例中，當觀看者觀看時，該等RGB畫素及對應的該LGP第二表面的第一區域及第二區域在水平方向上延伸。

第5圖為第2圖中所示畫素陣列10的概要示意圖，在該畫素陣列10中，光萃取特徵16對準顯示器畫素。此種萃取特徵可圖案化成線狀，如第5圖中所示者，或該等萃取特徵可包括沿線設置的一連串不連續圖案。可例如藉由調整該等線的寬度及/或調整該等線內的萃取特徵密度來調整光萃取速率。

此外，為了保持令人滿意的對準，較佳使LGP固定於TFT基板的背面。然而卻出現困難之處是接 合會造成光從該LGP洩漏至TFT基板中。如第6圖中所示，示例性的解決方案可包括使用反射塗層34來塗覆該LGP 30的邊緣以覆蓋住與TFT基板40接合的區域36。較佳者，接合的寬度應盡可能地薄，例如小於2毫米，以使進入該反射塗層內的吸收效應減至最小。

第7圖為在示例性LGP 30中之光傳播、散射及萃取的概要示意圖。在導光板中，從邊緣35射出的光會藉由內部全反射作用而進行傳播。若在導光板與空氣之間的界面處有某種程度的粗糙度，每次反射(bouncing)光將會散射掉部分的光。所以散射是該等射線中之某些射線的傳播角度發生改變。因此，以角度TIR-△(TIR意指內部全反射角度)進行傳播的射線將會以角度TIR-△+ε進行傳播，其中ε是因散射過程所造成的角度變化。在ε大於△的情況下，由於該角度現在超過TIR角度，因此將會從波導萃取出該射線。然而，當粗糙度夠淺且包含相對低的空間頻率(例如20微米及更大)，該新角度TIR-△+ε維持接近TIR角度，意指該光將以極高角度(掠入射)萃取出。所以在此種系統中，大部份的光會以接近90度的角度萃取出(如箭頭37所示者)。

為了利用此種機制進行光導萃取，可能需要考慮附加的問題，也就是光會沿著傳播方向萃取出，功率密度降低導致可萃取出的光量減少。可藉著改變沿著該傳播方向的散射效率來克服此困難。此可例如藉由提 高粗糙度的深度、藉由減少該波導的厚度或藉由提高該粗糙度的空間頻率來達成。最佳化的原則在於改變該粗糙度形狀(roughness shape)以沿著傳播方向得到均勻漏光(light leakage)。

為了將光重新導向成正入射(normal incidence)，該裝置可進一步包括轉向介質，該轉向介質配置用來使從該邊緣傳輸出的光轉向該第二主要表面的該第一區域(即，「顯示」光)。轉向介質(例如，轉向膜)通常包括由多個稜鏡組成的線性陣列，當通過稜鏡面進行內部全反射後，會把光重新導向觀看者。第8圖為在第7圖之LGP內的光傳播、散射及萃取作用的概要示意圖，其中轉向介質38(例如，轉向膜)位在該LGP 30與TFT基板40之間。如第8圖中所見，轉向介質會使所萃取的光重新導向，如箭頭37所示者。

第9圖為與顯示影像相關之光及與背景影像相關之光的傳輸情形的概要示意圖，其中該轉向介質38的配置可使得在選定區域中與該顯示影像相關的光實質上不會干擾到與該背景影像相關的光。在第9圖所示的實施例中，不是產生均勻光照，而是改用轉向介質(轉向膜)，且由於當以高入射角射入光時，該等稜鏡僅有一部分會受到光照射，導致該轉向介質(轉向膜)產生一連串的線條(lines)。例如，在僅有一種傳播色彩之漏槽波導(leaky waveguide)的情況中，可在TFT基板40的背部疊上該轉向介質38，其中一連串指定顏色的線37 與該等特定顏色的畫素52對準。藉著使用與該等畫素週期具有相同週期的稜鏡可產生光線陣列，且藉著使占空因數(duty factor)小於50%，該顯示器仍表現出透明度，如箭頭39所指的光傳播作用所示般。在構成第9圖基礎的模擬模型中，該等稜鏡底部處的兩個角設為52度，且離開該LGP 30的發射角為80度。當然也可使用其他角度，並可藉著改變該等稜鏡的角來改變光線發射的方向。進行實驗驗證此實施例，在該實驗中，導光板(LGP)的一側上具有一些淺紋路並用3M公司所製造的Vikuiti轉向膜覆蓋該側，且當使光線射入該LGP的該側時，測量空間能量。如該模型所預測般可清楚地觀察到諸多線條。

所屬技術領域中熟悉該項技藝者將明白，在不偏離本發明精神及範圍下，可對本發明實施例做出諸多修飾及變化。因此，本發明涵蓋此等實施例及其他實施例的修飾及變化，只要該等修飾及變化落在後附請求項及其均等物的範圍內即可。

30‧‧‧導光板(LGP)

32‧‧‧光萃取特徵

40‧‧‧TFT基板

42‧‧‧箭頭

50‧‧‧濾色片(CF)基板

52‧‧‧畫素

Th‧‧‧TFT厚度

Claims (12)

1. 一種顯示器裝置，包括：一背光單元，該背光單元包括一導光板，該導光板具有：位在該導光板一第一側上的一第一主要表面、位在該導光板之一相反側上的一第二主要表面，及至少一邊緣，且該至少一邊緣具有與該第一主要表面呈實質垂直的一表面；其中該背光單元配置成從該邊緣選擇性地傳輸光至該第二主要表面的至少一第一區域；及其中該背光單元配置成從第一主要表面傳輸光至該第二主要表面的至少一第二區域；及其中該背光單元配置用來防止從該邊緣傳輸出的光實質干擾從該第一主要表面傳輸至該第二主要表面之該至少一第二區域的光。
2. 如請求項1所述之顯示器裝置，其中該第二主要表面包括複數個第一區域及複數個第二區域。
3. 如請求項1所述之顯示器裝置，其中該至少一第一區域沿著該第二主要表面的一長度延伸，且該至少一第一區域與沿著該第二主要表面之一長度延伸的至少一第二區域呈實質平行且相鄰。
4. 如請求項3所述之顯示器裝置，其中複數個第一區域沿著該第二主要表面的一長度延伸，且該複 數個第一區域各自與沿著該第二主要表面之一長度延伸的至少一相鄰第二區域呈實質平行。
5. 如請求項3所述之顯示器裝置，其中當觀看者觀看時，該等第一區域及該等第二區域於一水平方向上延伸。
6. 如請求項1所述之顯示器裝置，其中該第二主要表面之該第一區域的至少一部分包括萃取特徵。
7. 如請求項1所述之顯示器裝置，其中該裝置進一步包括一轉向介質，該轉向介質配置用來使從該邊緣傳輸出的光轉向該第二主要表面的該第一區域。
8. 如請求項1所述之顯示器裝置，其中該裝置進一步包括一薄膜電晶體基板。
9. 如請求項1所述之顯示器裝置，其中該裝置進一步包括一濾色片基板。
10. 如請求項1所述之顯示器裝置，其中該導光板包括一玻璃基板。
11. 如請求項1所述之顯示器裝置，其中該裝置配置成用來防止至少一部分從該第一主要表面傳輸至該第二主要表面之該第二區域的光通過一濾色片。
12. 如請求項1所述之顯示器裝置，其中一反射材料配置在該導光板的至少該外邊緣上。