FLEx Lighting用極薄導(dǎo)光板改善反射式LCD

反射式液晶顯示器已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間，但從未對(duì)顯示器行業(yè)產(chǎn)生太大影響。FLEx Lighting是一家總部位于美國(guó)的初創(chuàng)公司，它正在尋求使用一些極具吸引力的技術(shù)來(lái)大幅改善現(xiàn)有反射型LCD的性能，進(jìn)而希望在幾年內(nèi)提高這種反射式LCD的影響，甚至使這種顯示技術(shù)成為本領(lǐng)域的重要組成部分。

FLEx Lighting最近完成了一系列的B輪融資，從SABICVentures、Bascom Ventures和其他公司籌集了900萬(wàn)美元，并打算利用這筆資金進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)品組合的規(guī)模。

FLEx Lighting背后的主要技術(shù)是一種極?。?0微米）的導(dǎo)光板，它具有獨(dú)特的光取出特性，可以精確控制光束的導(dǎo)出。FLEx Lighting已獲得關(guān)于這種光取出機(jī)制的核心技術(shù)專利，并擁有光耦合等其他相關(guān)的技術(shù)專利，同時(shí)還掌握了制造和組裝前置光源的一些工藝。

反射式LCD在目前市場(chǎng)上面臨的主要問(wèn)題之一是，電泳（電子紙）等其他反射技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。雖然反射式LCD在陽(yáng)光直射條件下表現(xiàn)良好，但在低光條件下卻沒有很好的可讀性，另外傳統(tǒng)的前置光源做得也很差。

圖1由FLEx Lighting提供，以簡(jiǎn)化透視圖的方式展示了不同設(shè)計(jì)下的問(wèn)題和解決方案。圖1a展示了一種典型的基于側(cè)邊-前置導(dǎo)光板設(shè)計(jì)的電子紙顯示器。由于顯示器表面如同紙面，傾斜角度入射的光線會(huì)被顯示器向所有方向上（漫）反射，從而獲得良好的可讀性。如圖1b所示，反射型LCD使用LC層后面的金屬層來(lái)反射從前置光源入射的光，金屬層對(duì)入射光只有輕微的漫反射效果，可讀性較差。如圖1c所示，基于后置光源（背光）的LCD不會(huì)遇到這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗?a target="_blank">光學(xué)層都位于LC層后面。

a）帶側(cè)入式前置光源的電泳顯示器的側(cè)視示意圖；（b）帶側(cè)入式前置光源的RLCD的側(cè)視示意圖；（c）帶側(cè)入式后置光源（背光）/光學(xué)薄膜/反射片的LCD的側(cè)視示意圖；（d）帶FLEx Lighting前置光源的RLCD的側(cè)視示意圖

FLEx Lighting的解決方案在圖1d中展示，其前置光源包括一層包裹著顯示屏的薄型光波導(dǎo)。該前置光源的LED位于顯示器后面，并設(shè)計(jì)有一些特殊的光耦合結(jié)構(gòu)（稍后會(huì)詳細(xì)介紹）。只要彎曲半徑不是太小，這種波導(dǎo)就能有效地傳輸光線（根據(jù)Casper的說(shuō)法，有效導(dǎo)光的經(jīng)驗(yàn)法則是彎曲半徑不能小于光波導(dǎo)厚度的10倍，這意味著FLEx Lighting的50微米導(dǎo)光膜可以彎曲的半徑不能低于0.5毫米）。FLEx Lighting的這種光波導(dǎo)還包括一些獨(dú)特的光取出設(shè)計(jì)，它可以將光線向下投射到金屬層上，從而可以為顯示器提供全部的光線。

FLEx lighting的前置光源系統(tǒng)與現(xiàn)有產(chǎn)品相比具有許多優(yōu)勢(shì)。盡管電子紙顯示器支持一定程度的彩色顯示，但色域遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LCD，而且LCD還提供電子紙顯示器無(wú)法比擬的視頻功能。FLEx Lighting光波導(dǎo)的薄型有助于整個(gè)顯示器系統(tǒng)的薄型化設(shè)計(jì)。另外，這種薄型光波導(dǎo)還由于能夠緊緊地包裹在顯示器周圍并將LED放置在背側(cè)，有助于實(shí)現(xiàn)整個(gè)顯示系統(tǒng)的無(wú)邊框設(shè)計(jì)。最后，如圖所示，由于LED可以設(shè)置在靠近彎曲部位或更遠(yuǎn)的位置，設(shè)備制造商在電路布線方面擁有了更大的空間。

基于FLExLighting前置光源技術(shù)的反光式LCD的背視圖

精確控制光出射角的能力為FLEx Lighting帶來(lái)了更多的好處。如下圖所示，通過(guò)精確的控制設(shè)計(jì)，光波導(dǎo)的光輸出強(qiáng)度可以擁有寬峰或窄峰，甚至偏移垂直入射的峰值。來(lái)自光波導(dǎo)的窄峰光輸出可以用來(lái)制作窄視角的反射型LCD，這種特性在某些應(yīng)用中可能是期望獲得的，但是在其他應(yīng)用中可能是不期望的，不過(guò)，重要的是這些都可以通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整和優(yōu)化。

FLEx Lighting光波導(dǎo)不同的光輸出角度和相應(yīng)的色坐標(biāo)示例：（a）接近法線方向的寬峰光輸出；（b）接近法線方向的窄峰光輸出；（c）偏離法線方向的寬峰光輸出（圖由FLEx Lighting提供）

在考慮使用非常薄的光波導(dǎo)技術(shù)時(shí)，我們首要問(wèn)題之一是：如何從LED獲得高效的光耦合？這一直是電視用玻璃導(dǎo)光板（Glass LGP）的問(wèn)題之一，例如康寧的Iris玻璃。雖然康寧希望采用更薄的LGP來(lái)降低玻璃成本從而獲得相對(duì)于PMMA LGP（丙烯酸樹脂）更高的競(jìng)爭(zhēng)力，但他們面臨著低成本和低光耦合效率間的抉擇。

電視顯示器用LED的典型厚度為2mm，可以和這些LED實(shí)現(xiàn)高效率耦合的光波導(dǎo)需要稍微厚一些。市場(chǎng)上也有更小尺寸的LED，但就每流明的美元成本而言會(huì)更昂貴。所有這些都迫使制造商在玻璃成本和LED成本間做出折中。

如果這個(gè)折中點(diǎn)是2mm的LED，那么FLEx Lighting又如何使用50毫米厚的光波導(dǎo)來(lái)獲得良好的光耦合效率？如果需要使用50微米（甚至更?。┑腖ED，那么他們雖然可以獲得良好的光耦合效率，但卻需要使用許多相對(duì)昂貴的LED。

FLExLighting的光耦合原理（來(lái)源：美國(guó)專利商標(biāo)局，美國(guó)專利＃9,557,47）

FLEx Lighting發(fā)明了一種玻璃無(wú)法實(shí)現(xiàn)的解決方案（不過(guò)，至少我不這么認(rèn)為），這種方案可以使用薄膜光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。如上面FLEx Lighting的專利示意圖所示，在顯示區(qū)域之外，光波導(dǎo)被切成條狀，這些條帶折疊并堆疊在一起。堆疊后的條帶擁有更大的表面積，可以有效地耦合來(lái)自更大尺寸LED的光。

基于FLEx Lighting方案的反射式LCD的性能可能會(huì)讓制造商們重新考慮使用反射式顯示器。雖然反射式顯示器具有低功率的優(yōu)點(diǎn)，但是在低光條件下不能使用這一問(wèn)題嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用。盡管具有前置光源的電子紙顯示器能夠?qū)崿F(xiàn)低光可讀性，但它在色彩和視頻播放方面的性能卻很差，加上該技術(shù)的成本較高，電子紙顯示器目前只用在小眾市場(chǎng)。如下圖所示，帶有FLEx Lighting前置光源系統(tǒng)的反射式液晶顯示屏在陽(yáng)光直射（關(guān)閉前置光源）和暗室（打開前置光源）兩種條件下都能提供良好的對(duì)比度和色彩。

具有FLEx前置光源的反射式LCD在白天和夜晚?xiàng)l件下的顯示畫面（來(lái)源：FLEx Lighting）

在試圖對(duì)比反射式LCD與傳統(tǒng)透射式LCD（使用后置光源）或OLED的性能時(shí)，一些最常見的性能指標(biāo)常常不被考慮。如圖所示，當(dāng)然，亮度對(duì)于白天條件下的反射式顯示器是一個(gè)無(wú)意義的參數(shù)，因?yàn)楣庠磥?lái)自太陽(yáng)。Casper建議我將環(huán)境對(duì)比度作為相關(guān)的性能指標(biāo)。OLED在暗室中可以實(shí)現(xiàn)近乎無(wú)限的對(duì)比度，但是在日光條件下，對(duì)比度卻嚴(yán)重惡化。

根據(jù)Casper的說(shuō)法，市場(chǎng)上現(xiàn)有的一些反射式顯示產(chǎn)品在展廳內(nèi)看起來(lái)不錯(cuò)，但是實(shí)際使用則又是另一回事。Nook是第一款使用前置光源的電子閱讀器，其設(shè)計(jì)亮度為50尼特，在銷售環(huán)境中顯得光彩照人，但Casper表示，在后續(xù)研究中，電子閱讀器的設(shè)計(jì)師們發(fā)現(xiàn)在實(shí)際使用時(shí)，它的平均亮度只有7尼特。Casper指出，采用FLEx Lighting前置光源技術(shù)的6英寸反射式液晶顯示器平板，只需要4顆LED就能獲得50多尼特的亮度。

FLEx Lighting還表示，他們的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更好的色彩表現(xiàn)，不過(guò)我還不確定。同樣，反射式顯示器的顏色測(cè)量與自發(fā)光（或透射式，如LCD）顯示器不同，因此一些通常的基準(zhǔn)可能并不合適。至少，反射式顯示器的顏色不僅取決于顯示器本身，還取決于光源的顏色。

使用FLEx Lighting前置光源的反射式LCD在顏色和功率方面的優(yōu)勢(shì)

FLEx Lighting已與LCD制造商Sharp和JDI合作并商業(yè)化了幾款小型顯示器產(chǎn)品，Casper表示他們還和亞洲另外兩家主要顯示面板制造商合作開發(fā)出兩款原型機(jī)，包括一款用于中國(guó)教育市場(chǎng)的電子閱讀器（8英寸反射式LCD）和另一款用于手機(jī)的6英寸顯示器。反射式LCD的優(yōu)勢(shì)似乎使其成為這兩種應(yīng)用的絕佳選擇。