АВТОСТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ
AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAY DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к автостереоскопическому устройству отображения такого типа, который содержит панель дисплея, имеющую массив пикселей дисплея для изготовления дисплея и устройство формирования изображения для направления различных видов в различных пространственных положениях.
Уровень техники
Первым примером устройства формирования изображения для использования в таком типе дисплея является барьер, например, с прорезями, которые имеют размер и позиционированы относительно нижележащих пикселей дисплея. В двухвидовой конструкции зритель способен воспринимать трехмерное (3D) изображение, если его голова находится в фиксированном положении. Барьер расположен в передней части панели дисплея и спроектирован таким образом, что свет от четных и нечетных столбцов пикселей направлен в сторону левого и правого глаза зрителя, соответственно.
Недостатком этого типа двухвидового отображения является то, что зритель должен находиться в фиксированном положении и может двигаться только приблизительно на 3 см влево или вправо. В более предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения, под каждой прорезью имеется не два столбца субпикселей, а несколько. Таким образом, зритель может перемещаться влево и вправо и воспринимать стереоизображение своими глазами все время.
Барьерное устройство является простым в производстве, но не эффективно в свете. Поэтому предпочтительной альтернативой является использование линзовых устройств в качестве устройства формирования изображения. Например, может быть обеспечен массив удлиненных двояковыпуклых элементов, расположенных параллельно друг другу и перекрывающих массив пикселей дисплея, и пиксели дисплея наблюдаются через эти двояковыпуклые элементы.
Двояковыпуклые элементы обеспечиваются в виде листа из элементов, каждый из которых содержит удлиненный полуцилиндрический линзовый элемент. Двояковыпуклые элементы проходят в направлении столбцов панели дисплея, с каждый двояковыпуклым элементом, лежащим выше соответствующей группы из двух или более смежных столбцов пикселей дисплея.
В устройстве, в котором, например, каждая двояковыпуклая линза ассоциирована с двумя столбцами пикселей дисплея, пиксели дисплея в каждом столбце обеспечивают вертикальную часть соответствующей двумерной части изображения. Лист двояковыпуклых линз направляет эти две части и соответствующие части от столбцов пикселей дисплея, ассоциированных с другими двояковыпуклыми линзами, в левый и правый глаз пользователя, находящегося перед листом, так что пользователь наблюдает единое стереоскопическое изображение. Лист двояковыпуклых элементов, таким образом, обеспечивает направляющую функцию светового выхода.
В других устройствах, каждая двояковыпуклая линза ассоциирована с группой из четырех или более смежных пикселей дисплея в направлении строки. Соответствующие столбцы пикселей дисплея в каждой группе расположены соответствующим образом для обеспечения вертикальной части от соответствующей двумерной части изображения. Когда голова пользователя перемещается слева направо, воспринимается последовательность последующих разных стереоскопических видов, создавая, например, впечатление окружения.
Известные автостереоскопические дисплеи используют жидкокристаллические дисплеи для генерирования изображения.
Имеется возрастающий интерес к использованию эмиссионных дисплеев, таких как электролюминесцентные дисплеи, например, дисплеи на органических светоизлучающих диодах (OLED), поскольку они не нуждаются в поляризаторах, и потенциально они должны быть способны обеспечить повышение эффективности, так как пиксели выключаются, когда они не используются для отображения изображения, по сравнению с ЖК-панелями, которые используют постоянно светящуюся подсветку.
Имеется также возрастающий интерес к использованию отражающих дисплеев, таких как электрофоретические дисплеи и дисплеи на основе электросмачивания.
Настоящее изобретение основано на использовании в автостереоскопической системе отображения устройства дисплея, которое является эмиссионным или отражающим.
Эмиссионные дисплеи, такие как OLED дисплеи и отражательные дисплеи, такие как электрофоретические дисплеи существенно отличаются от ЖК-дисплеев в том, как свет излучается от пикселя. OLED пиксели являются излучателями, которые излучают свет в широком диапазоне направлений, и электрофоретические пиксели являются отражателями, которые отражают свет в широком диапазоне направлений. В контексте настоящего изобретения, такие излучатели и отражатели также называют диффузными излучателями и диффузными отражателями, соответственно. Для обычного (2D) отображения, OLED-дисплеи имеют явное преимущество перед ЖК-дисплеями, которые требуют задней подсветки и которые, без принятия специальных мер, излучают свет только в узком пучке. Однако диффузное излучение OLED материала также создает проблемы, так как много света возвращается внутрь органических слоев и не излучается, что приводит к низкой эффективности. В целях улучшения, эти различные решения создавались для улучшения выхода света, исходящего из OLED.
Однако это улучшение для 2D дисплеев на самом деле является проблемой для 3D автостереоскопических OLED дисплеев. Решения для повышения светоотдачи не могут быть использованы в автостереоскопических дисплеях на основе двояковыпуклых линз, так как свет, предназначенный для излучения от одной двояковыпуклой линзы, может быть оптически отражен к соседней линзе. Это снижает контрастность и увеличивает перекрестные помехи.
Отражающие дисплеи, такие как электрофоретические и дисплеи электросмачивания, могут привести к возникновению похожих недостатков, как описано выше для эмиссионных дисплеев в виде OLED дисплеев.
Таким образом, возникает противоречие между стремлением к использованию эмиссионных и отражающих дисплеев и стремлением к низким перекрестным помехам внутри автостереоскопического 3D дисплея.
Сущность изобретения
В соответствии с настоящим изобретением, обеспечено автостереоскопическое устройство отображения, содержащее:
устройство дисплея, содержащее массив разнесенных пикселей;
световодное устройство, содержащее массив столбцов световодов, с одним столбцом над каждым пикселем дисплея или группой пикселей, причем столбцы световодов содержат боковую стенку, которая сужается снаружи для определения формы воронки с пикселем или пикселями у меньшего основания воронки; и
автостереоскопическое устройство линз, содержащее множество линз над световодным устройством.
В варианте осуществления настоящего изобретения, устройство дисплея является эмиссионным дисплеем, таким как электролюминесцентный дисплей, например, дисплей OLED. В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения, устройство дисплея является отражающим дисплеем, таким как электрофоретический дисплей или дисплей электросмачивания.
Функцией световодного устройства в виде световых воронок является преднамеренное уменьшение светосилы пикселя дисплея. Воронки имеют конструкцию, специально оптимизированную для автостереоскопического дисплея, в частности устройство линз, для уменьшения перекрестных помех и улучшения характеристик.
Множество пикселей могут быть обеспечены под каждой линзой линзового устройства (хотя одна микролинза на пиксель также возможна). Например, автостереоскопическое линзовое устройство может содержать множество двояковыпуклых линз, проходящих в направлении столбца пикселей или наклоненных под острым углом к направлению столбца пикселей, причем каждая линза покрывает множество столбцов пикселей. Линзы, таким образом, покрывают некоторое количество столбцов пикселей. За счет уменьшения количества света, проходящего параллельно или под небольшим углом к плоскости дисплея, перекрестные помехи уменьшаются.
Боковая стенка может иметь первый наклон на одной стороне в направлении ширины двояковыпуклой линзы и другой второй наклон на противоположной стороне. Это означает, что способ, которым воронка ограничивает угловое распространение света, различен на разных сторонах пикселя. Пиксели находятся в различных положениях под линзами, и эта особенность позволяет управлять углом падения на поверхности линзы в зависимости от локальной формы линзы по краям светового конуса, излучаемого из пикселя. Основание воронки может иметь ширину, которая соответствует ширине эмиссионной или отражающей области пикселя, которая будет обозначена “шириной пикселя”.
Другой способ изменения углового распространения света на разных сторонах существует для боковой стенки, имеющей одинаковый наклон на обеих сторонах в направлении ширины двояковыпуклой линзы, но основание воронки может иметь ширину, которая больше, чем ширина пикселя, и не симметрично расположено по отношению к пикселю.
Формы воронки могут объединяться у своей большей вершины, таким образом, заполняя расстояние между пикселями, или формы воронки могут быть разнесены у их вершины. Таким образом, угол наклона боковой стенки может быть больше или меньше для управления величиной коллимации света посредством воронки.
Боковая стенка может быть отражающей для определения светового конуса.
Когда устройство дисплея является устройством электролюминесцентного дисплея в варианте осуществления с верхним излучением, тогда устройство электролюминесцентного дисплея содержит подложку, массив отражающих анодов поверх подложки, массив участков электролюминесцентного слоя поверх анодов, и массив прозрачных катодов поверх участков электролюминесцентного слоя, причем световодное устройство и затем автостереоскопическое линзовое устройство обеспечиваются поверх катодов.
Прокладки могут быть обеспечены между пикселями, которые выступают над катодами и поверх которых проходит световодное устройство. Отражающее покрытие может быть обеспечено поверх прокладок.
Когда устройство дисплея является устройством электролюминесцентного дисплея в варианте осуществления с нижним излучением, тогда устройство электролюминесцентного дисплея содержит подложку, световодное устройство поверх подложки, массив прозрачных анодов поверх световодного устройства, массив участков электролюминесцентного слоя поверх анодов, и массив зеркально отражающих катодов поверх участков электролюминесцентного слоя, причем автостереоскопическое линзовое устройство обеспечено на противоположной стороне подложки к световодному устройству.
Настоящее изобретение обеспечивает также способ отображения автостереоскопических изображений, содержащий этапы, на которых:
генерируют пикселированное изображение с помощью устройства дисплея, содержащего массив разнесенных пикселей;
направляют световой выход пикселя с помощью световодного устройства, содержащего массив столбцов световодов, с одним столбцом над каждым пикселем дисплея или группой пикселей, причем столбцы световодов содержат боковую стенку, которая сужается снаружи для определения формы воронки с пикселем или пикселями у меньшего основания воронки; и
направляют свет от различных пикселей в различных направлениях с помощью автостереоскопического линзового устройства, содержащего множество линз поверх световодного устройства.
Краткое описание чертежей
Вариант осуществления настоящего изобретения будет теперь описан только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой схематичный вид в перспективе известного автостереоскопического устройства отображения;
Фиг. 2 показывает, как массив двояковыпуклых линз обеспечивает различные виды на различных пространственных месторасположениях;
Фиг. 3 схематично показывает структуру одного пикселя OLED дисплея и в виде обратно излучающей структуры;
Фиг. 4 показывает, как оказывается влияние на пути прохождения света при применении двояковыпуклых линз на верхней излучающей структуре;
Фиг. 5 показывает первый пример структуры пикселей в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 6 показывает структуру пикселей по фиг. 5 более подробно;
Фиг. 7 показывает второй пример структуры пикселей в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 8 показывает третий пример структуры пикселей в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 9 показывает четвертый пример структуры пикселей в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 10 показывает пятый пример структуры пикселей в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 11 показан один из примеров реализации изобретения в виде сверху.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает автостереоскопическое устройство отображения, содержащее устройство дисплея, содержащее массив разнесенных пикселей. Световодное устройство имеет массив столбцов световодов, с одним столбцом над каждым пикселем дисплея или группой пикселей. Столбцы световодов содержат боковую стенку, которая сужается снаружи для определения формы воронки с пикселем или пикселями у меньшего основания воронки. Воронка обеспечивает коллимацию для снижения перекрестных помех в отображении, что особенно проблематично для автостереоскопических 3D дисплеев.
Ниже будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения на основе электролюминесцентного дисплея, который является примером эмиссионного дисплея. Специалисту в данной области техники будет понятно, что изобретение может быть применено в автостереоскопических устройствах отображения на основе двояковыпуклых линз, содержащих любой тип эмиссионного дисплея, а также в автостереоскопическоих устройствах отображения на основе двояковыпуклых линз, содержащих любой вид отражающего дисплея, как и во всех этих типах дисплея свет будет направляться (посредством излучения или отражения) от пикселя к двояковыпуклым линзам в широком диапазоне направлений.
Сначала будет описана основная работа известного 3D автостереоскопического дисплея.
Фиг. 1 представляет собой схематичный вид в перспективе известного автостереоскопического устройства 1 отображения прямого видения, использующего ЖК-панель для генерирования изображений. Известное устройство 1 содержит жидкокристаллическую панель 3 дисплея активного матричного типа, которая действует как пространственный модулятор света для получения отображения.
Панель 3 дисплея имеет ортогональный массив пикселей 5 дисплея, расположенных в строках и столбцах. Для ясности, на фигуре показано только небольшое количество пикселей 5 дисплея. На практике панель 3 дисплея может содержать около тысячи строк и несколько тысяч столбцов пикселей 5 дисплея.
Структура жидкокристаллической панели 3 дисплея, обычно используемой в автостереоскопических дисплеях, является полностью обычной. В частности, панель 3 содержит пару разнесенных прозрачных стеклянных подложек, между которыми обеспечен выровненный скрученный нематический или другой жидкокристаллический материал. Подложки несут на себе структуру из прозрачных электродов из оксида индия-олова (ITO) на их лицевых поверхностях. Поляризующие слои также обеспечены на наружных поверхностях подложек.
Каждый пиксель 5 дисплея содержит противоположные электроды на подложке, с промежуточным между ними жидкокристаллическим материалом. Форма и расположение пикселей 5 дисплея определяются формой и расположением электродов. Пиксели 5 дисплея пространственно разнесены друг от друга через одинаковые промежутки.
Каждый пиксель 5 дисплея связан с переключающим элементом, таким как тонкопленочный транзистор (TFT) или тонкопленочный диод (TFD). Пиксели дисплея управляются для формирования отображения путем обеспечения адресацию сигналов к переключающим элементам, причем соответствующие схемы адресации известны специалистам в данной области техники.
Панель 3 дисплея освещается источником 7 света, содержащим, в данном случае, плоскую заднюю подсветку, проходящую за областью массива пикселей дисплея. Свет от источника 7 света направляется через панель 3 дисплея, при этом возбуждаются отдельные пиксели 5 дисплея, чтобы модулировать свет и получать отображение.
Устройство 1 отображения также содержит лист 9 двояковыпуклых линз, расположенный над стороной дисплея панели 3 дисплея, которая выполняет функцию формирования вида. Лист 9 двояковыпуклых линз содержит ряд двояковыпуклых элементов 11, проходящих параллельно друг другу, из которых только один показан в увеличенных размерах для ясности.
Двояковыпуклые элементы 11 имеют форму выпуклых цилиндрических линз, и они действуют как средство, направляющее световой выход для обеспечения различных изображений или видов от панели 3 дисплея к глазам пользователя, находящегося перед устройством 1 отображения.
Устройство содержит контроллер 13, который управляет фоновой подсветкой и панелью дисплея.
Автостереоскопическое устройство 1 отображения, показанное на Фиг. 1, способно обеспечивать несколько различных видов в перспективе в разных направлениях. В частности, каждый двояковыпуклый элемент 11 перекрывает небольшую группу пикселей 5 дисплея в каждом ряду. Двояковыпуклый элемент 11 проектирует каждый пиксель 5 дисплея группы в другом направлении, чтобы образовывать несколько различных видов. Когда голова пользователя движется слева направо, его глаза будут принимать отличающиеся из разных видов по очереди.
В случае ЖК-панели, средство поляризации света также должно быть использовано в сочетании с описанными выше массивом, так как жидкокристаллический материал имеет двойное лучепреломление, причем показатель преломления переключается только при приложении света с конкретной поляризацией. Средство поляризации света может быть обеспечено как часть панели дисплея или устройство формирования изображения упомянутого устройства.
Фиг. 2 показывает принцип работы устройства формирования изображения двояковыпуклого типа, как описано выше, и показывает подсветку 20, устройство 24 отображения, такое как ЖК дисплей и массив 28 двояковыпуклых линз. Фиг. 2 показывает, как устройство 28 двояковыпуклых линз направляет различные выходы пикселя в три различных пространственных положения 22', 22”, 22”'. Все эти положения находятся в так называемом видовом конусе, в котором все виды различные. Виды повторяются в других видовых конусах, которые генерируются светом пикселя, проходящим через соседние линзы. Пространственные положения 23', 22”, 22”' находятся в следующем видовом конусе.
Использование OLED-дисплея позволяет исключить необходимость в отдельной задней подсветке и поляризаторах. OLED обещает быть технологией отображения будущего. Однако проблемой, в настоящее время, связанной с OLED-дисплеем, является извлечение света из устройства. Без принятия каких-либо мер свет, извлекаемый из OLED, может быть на уровне ниже 20%.
Фиг. 3 схематично показывает структуру одного пикселя OLED-дисплея и в форме обратной излучающей структуры (т.е. через подложку).
Дисплей содержит стеклянную подложку 30, прозрачный анод 32, слой 34, излучающий свет, и зеркально отражающий катод 36.
Линии представляют путь, который может проходить свет при излучении из точки 38 в органическом слое. Так как свет излучается из источника, то он может распространяться во всех направлениях. Когда свет достигает точки перехода с одного слоя на другой слой, разница между показателями преломления каждого из слоев определяет, может ли свет выйти из одного слоя и попасть в следующий. Показатель преломления определяется скоростью света в материале и задается законом Снеллиуса:
<mrow><mfrac><mrow><mi>sin</mi><msub><mi>θ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>sin</mi><msub><mi>θ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>υ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>υ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>υ</mi><mo>=</mo><mi>с</mi><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>ь</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>м</mi><mo>/</mo><mi>с</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>к</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>т</mi><mi>е</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>л</mi><mi>о</mi><mi>м</mi><mi>л</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>я</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>б</mi><mi>е</mi><mi>з</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>р</mi><mi>н</mi><mi>ы</mi><mi>й</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1,8</mn></mrow>
В примере на Фиг. 3, показатель преломления органического материала, образующего слой 34, излучающий свет, велик (
), тогда как показатель преломления стекла составляет 1,45.
<mrow><mi>a</mi><mo>=</mo><mi>arcsin</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Когда угол падения света, который проходит от материала с большим показателем преломления к материалу с низким показателем преломления, является достаточно большим, свет не может покинуть материал. Угол падения является критическим углом и задается соотношением
для органического материала в стекле. Это дает 54 градусов.
Таким образом, ясно, что большое количество света, генерируемого в органическом слое, никогда не покидает слой и остается внутри материала, где он повторно поглощается и возбуждает излучение другого фотона или превращается в тепло.
То же самое происходит для света, который действительно покидает органический слой и проникает в стеклянную подложку. Большое количество света не может покинуть стекло на границе раздела стекла с воздухом.
Были предложены некоторые решения как для обеспечения ввода света из органических слоев в стекло, так и для ввода света из стекла в воздух.
Статья Д.С. Макхта и. др, “Light out-coupling strategies in organic light emitting devices”, Proc. Of ASID'06, 8-12 октября, Нью-Дели, дает краткий обзор различных решений.
Хотя OLED устройства обычно являются излучающими снизу и излучают свет через стеклянную подложку, другой подход обеспечивает излучение сверху пакета OLED, таким образом, что свет излучается через прозрачный катодный и тонкий герметизирующий слой, а не через стеклянную подложку. В общем, разные подходы к увеличению извлечения света работают лучше (или только) как с верхними, так и с нижними излучающими структурами OLED.
Изобретение, описанное ниже, основано, главным образом, на использовании верхне-излучающего OLED дисплея. Однако основной принцип этого изобретения может также использоваться с излучающим снизу OLED дисплеем, и все варианты воплощения применимы, как для верхних, так и для нижних излучающих структур OLED.
Хотя известные решения помогают улучшить эффективность извлечения света до 80% для приложений освещения и для 2D-дисплеев, но они не обеспечивают хорошее решение для автостереоскопических дисплеев. Проблема возникает при установке двояковыпуклой линзы на ЖК-дисплее для создания автостереоскопического телевизора. Даже с верхне-излучающим OLED, свет будет по-прежнему входить в относительно толстый слой стекла, что вызывает вышеописанные проблемы, и значительное количество света будет оставаться в световодной моде в стекле. В принципе, использование двояковыпуклой линзы улучшает извлечение света из стекла в воздух по сравнению с нижне-излучающим OLED, но для 3D-дисплея это дает побочный эффект снижения контрастности и увеличения перекрестных помех. Это является особой проблемой для 3D-дисплеев. Для 2D дисплеев, во многих случаях, соседние пиксели отображают тот же цвет (т.е. белые или цветные области экрана, линии одного цвета и т.д.), так что, если любой свет выходит из соседнего пикселя, он будет просто добавляться к желаемому цвету. Однако в 3D дисплее соседние пиксели, в общем, не имеют отношения друг к другу, так как они относятся к различным видам и обычно будут иметь различное цветовое содержание. Таким образом, если любой свет выходит из соседнего пикселя, это может серьезно повлиять на качество изображения.
Кроме того, существенное количество света будет по-прежнему оставаться в световодной моде в стекле. Часть его будет повторно поглощаться.
Фиг. 4 показывает, как влияет на пути прохождения света применение двояковыпуклой линзы для верхне-излучающей структуры. Верхне-излучающая структура содержит стеклянную подложку 40, зеркальный анод 42, пиксели 44, определяющие светоизлучающий слой, и прозрачный катод 46. Герметизирующий и пассивирующий слой 48 находится между катодом 46 и массивом 49 стеклянных двояковыпуклых линз.
Как проиллюстрировано на Фиг. 4, свет генерируется в органическом слое, и некоторая часть света попадает на стекло устройства 49 двояковыпуклых линз. Некоторая часть света будет оставаться в световодной моде в стекле в силу внутренних отражений 50 и попадать в оптический путь соседнего вида (или пиксель/субпиксель). Здесь он может отражаться назад и покидать линзу (как показано для светового луча 52), или он может быть повторно поглощен в пикселе.
Если свет покидает линзу смежного вида, то он будет создавать перекрестные помехи.
Изобретение обеспечивает пиксельную структуру, которая преднамеренно уменьшает светосилу эмиттера OLED и добавляет структуры перенаправления света (в виде воронки/конусов), предназначенные для перенаправления света, излучаемого выше критического угла в направлениях, более перпендикулярных к поверхности дисплея, при этом будет излучаться больше света.
Фиг. 5 показывает первый пример структуры пикселей в соответствии с настоящим изобретением.
Несколько пикселей 50 выполнены под одной двояковыпуклой линзой 52, так, чтобы оптика линзы приводила к направлению света от различных пикселей в разных направлениях. Фиг. 5 показывает верхне-излучающий 3D OLED-дисплей.
Предусмотрена структура со структурами 51 вывода света. Эти структуры 51 проходят над пикселями. Они имеют основание 54, которое лежит на пикселях, и они расширяются (расходятся) при увеличении по высоте выше пикселя. Это определяет структуру типа воронки с пикселями на меньшем конце воронки. Воронка функционирует как коллиматор света. Опоры 56 определены между основаниями 54, и они представлены как часть способа изготовления. Опоры 56 сужаются, так, чтобы определить наклоненные боковые поверхности. Опоры покрыты отражающей поверхностью, так что боковые поверхности являются отражающими. Эти отражающие поверхности ограничивают распространение света в направлении, параллельном или близком к параллельному к основанию, между пикселями, и, таким образом, они ограничивают проблему волновода.
Показатель преломления структур для вывода света выбран с учетом смежных слоев для исключения волнового распространения в материале структур 51.
Например, структуры 51 вывода света могут состоять из материала с показателем преломления, большим в n раз, чем у воздуха, и меньшим, чем у материала смежного слоя пакета OLED (то есть 1<n<1,8), так что они имеют показатель преломления между показателями этого материала OLED пакета и воздуха. Это будет называться “промежуточным показателем преломления”.
Более высокий показатель преломления может вызвать проблемы извлечения света на финальной границе раздела, поэтому верхний предел для показателя преломления структур 51 n=1 является физическим нижним пределом. Тем не менее, показатель преломления структур 51 может быть выше, чем показатель материала двояковыпуклой линзы, так как это позволит повысить извлечение света из OLED.
Структура 49 двояковыпуклой линзы обеспечена над структурами 51 вывода света.
Форма структур 51 может быть получена структурированием фоторезиста или асимметричным вытравливанием слоя для формирования опор 56 с наклонными сторонами, с последующим нанесением отражающего покрытия 58, например, тонкой пленки из алюминия. Опоры 56 и структуры 51 могут быть из того же материала, например, фоторезиста.
В этом случае, структуры 51 выполнены наверху OLED после нанесения. Структуры 51 могут иметь форму закругленного горшка с наклонными сторонами во всех направлениях. Фиг. 5 показывает поперечное сечение в направлении, перпендикулярном к направлению двояковыпуклой линзы.
Кроме того, можно создавать структуры с более квадратным, прямоугольным, треугольным, шестиугольным (или другой формы), верхним профилем, и нет необходимости, чтобы все стороны имели наклон и/или были отражающими.
Структура 51 функционирует путем перенаправления диффузно излучаемого света от OLED в среду с промежуточным показателем преломления, так что свет падает на границу раздела стекло/воздух (на выходе линзы) с меньшим углом, чем обычно. В идеале, свет ограничен углом ниже, чем критический угол (обычно 42°) для стекла с n=1,5. Таким образом, извлекается большая часть или весь свет, и перекрестные помехи снижаются.
Чтобы создать пространство между пикселями для опор 56, пространственное разнесение пикселей увеличено, и, таким образом, область эмиттерных областей уменьшена. Тем не менее, увеличение оптической эффективности, по меньшей мере, частично компенсирует уменьшение поверхности эмиттера.
Фиг. 6 показывает структуру более подробно. Анод 42, материал 44 эмиттера и катод 46 являются такими же, как на Фиг. 4, следовательно, используются те же ссылочные позиции. Тонкая пленка 60 покрытия обеспечена над структурой OLED, она может включать в себя газопоглощающий слой.
Фиг. 7 показывает ту же концепцию, применяемую к нижне-излучающим OLED.
Структура OLED содержит стеклянную подложку 40, структуру 51 вывода света и ее отражающее покрытие 58, прозрачный анод 72, светоизлучающий слой 44 и зеркально отражающий катод 74. Тонкий слой 76 пленки покрытия и газопоглащающий материал покрывает катод 74.
В этой конструкции свет излучается через стеклянную подложку 40 перед прохождением через двояковыпуклую линзу 49. Вновь, структура 51 вывода света состоит из материала с показателем преломления, в n раз большим, чем у воздуха, и обычно меньшим, чем у материала OLED. Структурирование материала слоя 51 (например, фоторезиста (SU8)) осуществляется с образованием наклонных сторон, с последующим нанесением отражающего покрытия, такого как тонкая пленка алюминия. В этом случае, структуры 51 выполняются на стеклянной подложке перед нанесением OLED пакета. Структуры вновь могут иметь форму закругленного горшка с наклонными сторонами во всех направлениях или другие формы.
Структура 51 действует таким же образом, как описано выше, перенаправляя диффузно излучаемый свет от OLED в среду с промежуточным показателем преломления, так что свет падает на границу раздела стекло/воздух при более низких углах, чем обычно.
Одна из проблем, связанная с применением конструкции, показанной на Фиг. 6 и 7, состоит в том, что функция линзы означает, что свет от пикселя отображается на различные части линзы, которые не находятся непосредственно над областью пикселей эмиттера, а это означает, что могут возникать световые лучи с углами выше критического угла.
Ниже описаны различные решения этой проблемы.
В примере по фиг.8 (который может быть использован как для верхне-излучающих, так и для нижне-излучающих структур), отражающие поверхности 58 расположены так, что свет излучается более коллимированным образом.
Это достигается за счет наличия крутых боковых поверхностей. Кроме того, более коллимированный свет может быть получен за счет увеличения высоты боковых поверхностей.
Это означает, что диапазон углов, под которыми свет может выйти из воронки без отражения, уменьшается. Свет, который почти параллелен подложке и отражается от боковых стенок, все еще имеет небольшой угол, когда он выходит из воронки. Однако, чем длиннее воронка, тем лучше коллимация (так как при каждом отражении, свет приближается к нормали). Однако более длинная воронка и более крутые стороны снижают световую эффективность, так как отражается больше света. Таким образом, при выборе длины воронки и крутизны сторон существует компромисс между эффективностью света и степенью коллимации.
Степень коллимации должна быть увеличена в достаточной степени, чтобы учитывать самый крутой угол наклона двояковыпуклой линзы, который может составлять до 20°, и скорректирована с учетом промежуточного показателя преломления среды.
Например, излучение света может быть ограничено примерно до 30-35° в типичных случаях. Это достигается путем расположения отражающих поверхностей под более крутым углом, как показано на Фиг. 8. Таким образом, будет меньше света, падающего на (локальную) поверхность линзы под углами, выше критического угла, так что свет излучается более эффективно, и перекрестные помехи уменьшаются. Однако одна проблема такого подхода заключается в том, что изображения, повторяемые при некотором более высоком угле, могут подавляться большей коллимацией света.
В конструкции по Фиг. 8 низ структур вывода света, а также верх пространственно разнесены, и более крутые стороны создают световые трубки.
Углы боковых стенок будут зависеть от ширины линзы и общего угла обзора дисплея. В частности, боковые стенки определяют максимальный угол, при котором свет испускается непосредственно, и этот максимальный угол уменьшается более крутыми боковыми стенками на Фиг. 8. В примерах, показанных на Фиг. 6 и 7, боковые стенки обычно могут находиться в диапазоне от 30 до 60° по отношению к нормали (нормали к области подложки), тогда как в примере по Фиг. 8 боковые стенки обычно могут быть в диапазоне от 10 до 40° к нормали.
Угол стенок определяет, как коллимируется свет. Если стенки будут слишком крутыми, то лучи от эмиттера попадают на обе клиновидных стенки перед их выходом. Это означает, что видимый источник луча может стать другим пикселем, чего надо избегать, поскольку это эффективно соответствует перекрестным помехам.
Углы должны быть, по существу, выбраны такими, чтобы исключать направленное волновое распространение, и это будет зависеть от формы и размеров линзы.
В примере по Фиг. 9 (который снова может быть использован как для верхне-излучающих, так и для нижне-излучающих структур OLED) отражающие поверхности 58 расположены таким образом, что свет излучается асимметрично коллимированным образом. Это достигается посредством задания структурам вывода света различных углов наклона на различных сторонах, где “сторона” принимается в направлении ширины линзы. Как правило, асимметрия коллимации должна быть такой, чтобы достичь равной степени коллимации на обеих сторонах профиля светового излучения от пикселя, как отображено посредством линзы.
Коллимация должна быть в пределах критического угла на обеих сторон этого конуса светового излучения. Таким образом, будет меньше света, падающего на (локальную) поверхность линзы под углами за пределом критического угла, посредством чего свет излучается более эффективно, и уменьшаются перекрестные помехи, и имеет место уменьшенное подавление изображений, повторенных с более высоким углом.
Фиг. 10 показывает дополнительную модификацию (которая вновь может быть использована как для верхне-излучающих, так и для нижне-излучающих структур OLED) с асимметричным размещением эмиттера пикселя относительно структуры вывода света.
Отражающие поверхности 58 расположены таким образом, что свет излучается асимметрично коллимированным образом. Это достигается дополнительным уменьшением апертуры эмиттеров, по сравнению с основанием 54, и расположением эмиттеров OLED асимметричным образом, по сравнению со структурой вывода света. Таким образом, свет излучается в асимметричном конусе, несмотря на то, что угол наклона отражающих поверхностей является тем же самым на обеих сторонах пикселя.
Фиг. 10 показывает более четко, как структура вывода света обеспечивает коллимацию. Лучи, показанные как 100, являются самыми крутыми лучами, которые могут непосредственно исходить из структуры вывода света. В этом случае и для простоты, структуры 51 вывода света предполагаются имеющими тот же показатель преломления, что и стекло двояковыпуклой линзы 49, так что никакое угловое изменение не показано.
В качестве примера Фиг. 9, асимметрия коллимации должна быть такой, чтобы достигать равной степени коллимации на обеих сторонах по направлению излучения света пикселя, как отображено линзой. Угол, который световой луч составляет с нормалью к поверхности линзы в положениях 102 и 104, является тем же самым, и световой конус, оставляющий поверхность линзы, симметричен относительно желаемого направления излучения видового конуса, показанного как 106. Таким образом, внутреннее отражение исключается и одновременно сохраняется желаемое выходное распределение света.
Следует отметить, что фигуры схематичны, и световые лучи не должны рассматриваться как показывающие корректные относительные углы.
Структуры 51 влияют на световой конус на (локальной) поверхности излучения двояковыпуклой линзы. Идеальное расширение (световой контур, определенный местоположениями 102 и 104 исходящего света) будет с самыми предельными световыми лучами при точно критическом угле для полного внутреннего отражения (TIR). Однако более крутые боковые стенки приводят к таким предельным лучам, которые имеют угол меньше, чем угол TIR (т.е. 80% TIR).
В обоих случаях угол, образованный самыми крутыми лучами, которые могут непосредственно исходить из световой воронки, составляет около или меньше критического угла, так что будет меньшее падение света на (локальной) поверхности линзы под углами выше критического угла, так что свет излучается более эффективно, и перекрестные помехи уменьшаются.
Преимущество этого примера по сравнению с примером по Фиг. 9 состоит в том, что необходимо только определить единственный угол наклона отражающих поверхностей для всего дисплея. Это главное технологическое преимущество, поскольку создание наклона может быть выполнено на единственном этапе обработки (например, этап вытравливания). Кроме того, возможно точно настроить дисплеи для различных оптических (двояковыпуклых) структур или желаемых видовых конусов, просто регулируя расположение и размер эмиттера в пикселе. Это является просто выбором шаблона маски при сохранении того же производственного процесса.
Толстые стрелки 106 указывают на центральное направление конусов излучения, тонкие стрелки 100 указывают на края конусов излучения (выполнены не в масштабе).
В автостереоскопическом 3D дисплее наличие массива двояковыпуклых (или других) линз означает, что требуемое направление света от пикселя к линзе будет пространственно различным, в зависимости от того, где расположен пиксель по сравнению с линзой, и направления светового конуса, который образует вид. Некоторые вышеуказанные примеры обеспечивают связанную с выходом света оптику, адаптируемую от пикселя к пикселю, следуя локальной геометрии, как определено оптикой, формирующей 3D.
Пример, описанный выше, имеет световые воронки выше каждого пикселя. Чтобы сформировать это, опора 56 окружает пиксель и определяет боковую стенку по всей окружности пикселя. Сетка определена опорой 56 с отверстием у пикселя.
Однако структуры вывода света являются существенными только в направлении строки пикселей, поперек ширины двояковыпуклой линзы, так как это является перекрестной помехой между видами поперек направления строки, что является проблемой. Таким образом, стороны воронки могут быть только в пространствах между пикселями в направлении строки. Фиг. 11 показывает схематичный вид в плоскости пикселей 110 и прокладок 112, которые находятся только между столбцами, так что форма световой воронки существует только в направлении ширины линзы. В этом случае каждая воронка является длинным прямоугольником и покрывает столбец пикселей.
Вместо этого прокладки могут окружать каждый пиксель, таким образом, определяя конус вокруг и выше каждого пикселя. Примеры нижнего излучения не используют прокладки для определения боковых стенок воронки, но те же аспекты используются в том, что коллимация света может быть дополнительно ограничена направлением ширины линзы.
OLED обычно содержит дисплей с активной матрицей, с массивом проводников строк и столбцов, с пикселями, определенными на пересечении, и с соответствующим элементом переключения и дополнительной электронной схемой возбуждения тока, связанной с каждым пикселем.
Решение изобретения является несколько неожиданным, поскольку обычно требуются большие усилия, чтобы максимизировать апертуру дисплея и обеспечить то, что структура дисплея является однородной по дисплею (т.е. не адаптирована к 3D оптике).
Изобретение позволяет регулировать пиксельную оптику, согласно геометрии 3D оптики дисплея в позиции пикселя, чтобы увеличить извлечение света из OLED через двояковыпуклую линзу в воздух для улучшения характеристик. Кроме того, ввиду формы двояковыпуклой линзы (т.е. верхняя и нижняя поверхности наклонены друг другу), необходимо, чтобы в некоторых случаях оптические структуры были определены для уменьшения направлений света к углам, значительно меньшим критического угла света в структуре двояковыпуклой линзы, чтобы свет излучался сверху двояковыпуклой линзы.
Примеры изобретения, описанные выше, применимы к любому дисплею на основе OLED, где направление, перпендикулярное к поверхности дисплея, изменяется по дисплею, как может быть реализовано в мультифокусных дисплеях, дисплеях с сенсорной панелью, добавленной сверху дисплея, дисплеях с сенсорными структурами, добавленными к поверхности, и т.д.
Прозрачный материал, используемый для катода или анода, может обычно содержать ITO.
Другие изменения в раскрытых вариантах осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при практическом осуществлении заявленного изобретения, при изучении чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово “содержащий” не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множество. Простой факт, что некоторые элементы изложены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих элементов не может быть использована. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие ее объем.