2007 SID (The Society for Information Display) INTERNATIONAL SYMPOSIUM 論文導讀

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2007 SID (The Society for Information Display) INTERNATIONAL SYMPOSIUM 論文導讀

共同整理:陳冠宇、陳于堂、林貞宏、黃國忠、許顧輝、陳年謀、林家鴻、顏俊翔、蕭宇廷、

游婷玉

The Society for Information Display 2007 International Symposium (SID07)盛會在2007年的5月 22日〜5月25日於美國加州Long Beach Convention Center舉辦,這次的研討會共有71個 session,我們從中挑選了Advanced Projection Systems、Optical Backlight Designs、Cholesteric LCDs、Emerging Medical-Display Applications、Novel Projection Light Sources、White OLEDs、

Stereoscopic and 3-D Imaging、LED Backlighting、LC-Based E-Paper、Late-News、Electronic Paper、Films for LCDs、Poster Session做了簡單的介紹:

Session 3: Advanced Projection Systems (Projection)

3.5L: Late-News Paper: RGB Laser for Mobile Projection Devices Ulrich Steegmuller, OSRAM Opto Semiconductors, Regensburg, Germany

此篇文章是由德國歐司朗(OSRAM)公司提出,主要在介紹近年在攜帶型的投影顯示器使用 RGB雷射光源的進展。

圖3是用光泵浦半導體雷射器(optically pumped semiconductor (OPS))

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Session 5: Optical Backlight Designs (Display Systems)

這兩篇都是討論 LCD 背光模組的設計,但是以不同的方式來達到減少燈管數的設計

LCD 背光模組的要求

1. 成本的考量:光學膜層數要少、燈管數要少(燈管間距要寬)

2. 輕薄化:燈管到擴散片的距離越短越好

3. 均勻度:九點測量的均勻度要>90%,不可以有 Mura 的現象 4. 亮度:最後整體從背光通過濾光片及液晶要達到 500 cd/m2 (nits)

圖一、傳統背光模組(BLU、backlight module)Ref. 5.4。

5.3: A New Cost-Effective Optical Plate for High-Performance LCD TVs Juhwa Ha, Samsung Electronics Co., Ltd., Kyunggi-do, Korea

這篇透過模擬設計以及實驗來驗證達到了 46”的 LCD-TV 從 24 根燈管減少到 20 根燈管,且 不需 BEF 只需要 DBEF & Lentix(橢圓微透鏡膜),但是可以達到 540 nits 的亮度。

模擬結果:

圖二、左為傳統 24 根燈管,右為新設計的 20 根燈管(光學板是採用橢圓透鏡),模擬是用 LightTools 達成的。

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圖三、新的光學板是由橢圓微透鏡達成高均勻度的目的。

實驗結果:

圖四、實驗的均勻度結果與模擬設計符合。

5.4: A Novel Glass Diffuser Plate for Large LCD TVs

Guillaume Counil, Saint-Gobain Recherche, Aubervilliers, France

此篇是法國的玻璃公司所作,用不同的思維去解決這個問題,他們從減少擴散膜著手,把玻 璃表面依照燈管的位置作非均勻的處理(TL-mapping,luminous transmission mapping);他 們達成了不需擴散膜,燈管與擴散板間距從 7.5à2.5mm,燈管間距從 51.4à59mm,且均勻 度得到與原來相近的結果。

圖五、左為傳統均勻的塗佈,右為新式依照燈管位置作非均勻的塗佈。

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圖六、contrast 定義為最亮與最暗所差的比率,由這個圖可以看出 d 越大、p 越小時 contrast 越小,也就是亮度越均勻。

表一、做了 TL-mapping 的設計之後,即使把 p 變大、d 變小也就是燈管數變少、背光模組 輕薄化,仍然可以跟原來設計達到差不多的均勻度。

Session 6: Cholesteric LCDs (Liquid-Crystal Technology)

6.1: Invited Paper: Recent Progress in Color Flexible Reflective Cholesteric Displays Asad Khan, Kent Displays, Inc., Kent, OH, U.S.A.

膽固醇液晶優點:

1 採環境光,不須要背光模組,省電,省成本 2 亮度高,所以在大太陽下畫面仍然很清楚

3 本身具有旋光性、選擇性光散射等光學性質,所以不須要偏光膜 4 Viewing Angle大

本篇是由美國肯特公司提出,使用相位分離的方法來封裝液晶,建造在極薄基底上的全彩可 撓式膽固醇液晶顯示器,並介紹近年膽固醇顯示器技術上的進步。

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相位分離的方法有:

A 聚合導致相分離 B 溶劑蒸發導致相分離 C 加熱導致相分離

圖三使用的方法是聚合導致相分離(polymerization induced phase separation (PIPS)) 來封裝液 晶,封裝可以抑制液晶在顯示器被撓曲時流體的流動。

圖4:顯示器的剖面圖,其中間兩層為共享的極薄PET基底

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圖5:使用極薄基底跟相位分離做出的全彩膽固醇液晶顯示器 (20x24 pixels) 即使在高撓曲時仍可清楚顯示出影像

Session 10: Emerging Medical-Display Applications (Applications)

10.3: Projection System with an Image-Guiding Optical-Fiber Bundle for Picture Transfer Stefan Riehemann, Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering, Jena, Germany

簡介

為了要用MEG看到人類腦部視覺刺激後的功能,所以研製了視覺刺激系統於MEG量測腔室 內。此研究是將一個三片式的LCOS投影光機接上四公尺長的光纖傳導束將影像導入隔離磁 場的腔室內。系統設計與初步的研製品將在這篇論文中闡述。

結論

在磁隔絕的腔室中的投影系統已被實現。此一設計已將電子部件與鐵磁材料於磁隔絕的腔體 之外。三片式的LCOS光機至於腔體之外,而影像經由光纖傳導束導入腔體,無鐵磁性的投 影機部件放置在腔體內。

本篇的特色

因為MEG是一個非常敏感的儀器,所以受測者必須要進入隔離腔體受測。作者是以光纖傳 導束將影像從光機導入腔體內,這作法是為了要將電子部件隔絕在腔體外。這篇論文的概念 圖如圖一所示。

Fig. 1.The proto-type was accomplished by Fraunhofer-Institute for Applied Optics and Precision Engineering and University Hospital Jena, Dept. of Neurology, Biomagnetic Center.

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Fig.3 of this paper: Realization of the image generating sub-system.

Fig. 5. of this paper: Prototype of the complete system: light source (left), image generating sub-system (right), image projecting sub-system (back).

Session 14: Novel Projection Light Sources (Projection) 14.3: Ujoy Technology for Personal Projection

Holger Moench, Philips Research Laboratories, Aachen, Germany

簡介

個人化的投影機在遊戲、娛樂與相片投影是非常方便且能夠讓個人負擔得起的物件。一個足 夠亮的光源對於此系統是非常重要的。新型的50瓦Ujoy燈泡系統是以1mm的放電絲有效的在 螢幕上產生200-300lm的亮度。而較低要求冷卻以及低電壓及可驅動特性是對於個人用投影 機是非常理想的選擇。

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結論

新的個人化同影機是需要有良好的燈源。Ujoy 50W燈泡有低的功率損耗,而且結合了傳統 UHP燈泡的優勢。對於優良的燈罩設計可使光被完整的利用,以及顏色平衡與使用壽命長的 要求都有達到,驅動的電壓只需要19V是可以用一般的電源即可。簡單的投影系統可以以低 的散熱要求即可,而且短距放電的方法可有效的讓光機縮小。

本篇精華

個人化投影機是一個新興的市場需求,為了要設計此種投影機縮小體積是必須的,光源也同 時要被縮小。因此作者為滿足個人投影機而研製出Ujoy燈泡。而對於此片論文的關鍵點是在 於設計好的反射罩將光線很好的收集。所以作者設計了兩款燈照並加上短放電的燈芯完成此 研究。整體系統的概念圖於圖三。

Fig.3 of this paper

The model of this design was shown in the Fig. 10.

Fig. 10 Drawing of optics and lamp of the prototype projector.

The whole proto-type apparel was shown in Fig. 12.

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26nm 90nm 8nm Ag

Alq

3

Alq

3

150nm

100nm

Session 25: White OLEDs II (OLEDs)

25.2: Achieving Three-Peak White Organic Light-Emitting Devices Using Wavelength-Selective Mirror Electrodes

Chung-Chih Wu, National Taiwan University, Taipei, Taiwan

此篇用的光源為白光 LED,其頻寬比較寬,為了能夠 match 特定的 color filter,所以必須把 白光 LED 經過適當的調節成在 RGB 有三個峰值的光源,這樣除了可以達到高效率也可以得 到比較高的 color gamma;而爲了達到這個目的,利用 Ag 與 Alq3做成多層膜結構類似一個 微共振腔。

從 Figure 1 可看出當光從發光層發出,有一部分直接射出 glass 另一部份經過反射鏡反 射,若是可以使得反射光與入射光再出射面達到建設性干涉的話, 2 kL+θ λ( )=2mπ,則出 射光的強度就可以明顯增強;反之若為破壞性干涉才在此波長下的出射強度就會很低。

Figure 2 為他所設計的例子,其選用金屬與介電質為材料有一個目的就是因為金屬之介 電常數有虛部故其與介電質之間的反射係數之相位隨波長變化會差異很大,而此就可以達到 不同波長間的反射係數有很大的差異。

從 Figure 3 可以看出在 424, 530, and 700 nm,有明顯的峰值,但若要準確的控制在特定頻 Figure 2. Structure of example

wavelength-selective mirror model

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率有峰值的話,必須還要知道其中更深的物理意義以及需要更好的演算法來得更好的解。

Session 28: Stereoscopic and 3-D Imaging (Display Systems)

28.2: Stereoscopic Near-to-Eye Display Using a Single Microdisplay Tapani Levola, Nokia Research Center, Tampere, Finland

此篇為類似頭戴式立體顯示器.利用單個 micro-display 來顯像。

系統光學結構:

光導的細部結構

Figure 3. Calculate (a) rnd-trip phase change. (b) reflectance spectra, and (c) intensity modification factor for emitter placed 50nm in front of the designed wavelength-selective mirror and thick silver mirror.

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利用 LC shutter 降低雙眼的鬼影:

利用 LC shutter 降低雙眼的鬼影的影像結果:

28.4: High-Resolution Stereoscopic TFT-LCD with Wire-Grid Polarizer Jin Jang, Kyung Hee University, Seoul, Korea

此篇為 wire grid polarizer (WGP)應用在 2D/3D 可轉換型顯示器。由於一般 2D/3D 可轉換型

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顯示器利用半波 micro retarder 由於厚度的關係,造成視差問題,而時得可視角與可視距離 受限制。使用 WGP 作左右眼分光,可以減少 polarizer 的使用,可減少厚度。圖一為 NW (normally white)時,使用 WGP 分光示意圖。圖二為 WGP 之 SEM 圖。

圖一、NW (normally white)時使用 WGP 分光示意圖。

圖二、WGP 之 SEM 圖

雖然可達到較廣視角與較深的距離,但會略為犧牲掉一些對比度,如圖三所示。

圖三、在 NB 時之穿透率頻譜圖

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Session 33: LED Backlighting (Display Systems)

33.2: New Back Reflector and Front Film for Improved Efficiency of Direct-Lit LED Backlights for LCD TV

James Anderson, 3M, Saint Paul, MN, U.S.A.

此篇為 3M 公司所發表的兩款新薄膜,第一個反射極化板(reflective polarizing film)用來取代 DBEF-400,另一片高反射鏡面反射膜(highly reflective specular reflector)。在這篇文章中主要 作了 4 個量測,分別為亮度角度分布(the angular distribution of luminance)、均勻度

(uniformity)、正向亮度增益(axial luminance gain) 以及色偏(color shft)。圖一為亮度對不同角 度時之變化,使用 Autronics-Melchers conoscope 量測。圖一(a)為水平方向,圖一(b)為垂直 方向可發現新膜可提升不同視角的亮度。

圖一(a)水平方向亮度對不同角度時之變化。

圖一(b) 垂直方向亮度對不同角度時之變化。

下表為 DBEF 與 MCPET 一般膜與新膜之均勻度與色偏比較表。新膜的色彩均勻度有些許提 升。色偏部分,垂直方向下降約一半,水平方向則上升了一部分。

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下表為軸向亮度比較表,使用新的兩種薄膜之正向亮度比較表,傳統薄膜設定為 1,若將 DBEF-400 與背反射片皆換成新的薄膜正向亮度可提高 14.7%。

Session 40: LC-Based E-Paper (Liquid-Crystal Technology)

40.5: Invited Paper: Super Reflective Color LCD with PDLC Technology.

Kiyoshi Minoura, Sharp Corporation, Tenri, Nara Japan

目前使用於電子紙(Electronic Paper)的技術有:

一、Electrophoretic Display(EPD),

二、Reflective LCD with Single Polarizer,

三、Polarizer-Free Reflective LCD,

1. Polymer Dispersed LCD(PLCD),

2. Vertically Stacked RGB Layers of Cholesteric LC。

上述技術有一些需要克服的問題,例如,

一、高驅動電壓,e.g. 30 Vp-p,

二、低反應時間,e.g. 200 ms,

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三、反射膜具有增益,導致其呈現出來的效果無法自然地如同一般的紙。

本篇論文係利用 PDLC 的散射特性配合具有 corner cube 特性的 Micro-Retroreflector 來提供 電子紙的解決方案,而其所欲達到的效果為快速的反應時間以及接近自然紙張的色彩表現,

而影像儲存的功能則不在考慮範圍。

圖一、Black State 及 White State 之原理

圖二、防止 Blur 效應之考量

圖三、實作成品之 Micro-Retroreflector(Pitch = 12 um)

實驗結果:

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圖四、本論文與各種電子紙的效果表現之比較之一

圖五、本論文與各種電子紙的效果表現之比較之二

圖六、本論文與各種電子紙的效果表現之比較之三

整體而言,本論文所提供之解決方案在反應時間以及驅動電壓方面有優於先前技術的表 現,而在耗電量的部分則是取決於使用的途徑,最後,其可視角度上的表現則與先前技術相 當。

結論,各種表現間的取捨決定了設計電子紙時的考量,如:亮度與可視角度,反應時間 與影像儲存的功能。

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Session L: Late-News Session

L.3: Late-News Paper (Liquid-Crystal Technology): Extremely Broadband Retardation Films Hoi-Sing Kwok, Hong Kong University of Science & Technology, Clear Water Bay, Kowloon Hong Kong

此篇論文乃是研究以堆疊的方式來設計一寬頻光可用之相位延遲膜,其結構如圖一所示。

圖一 結構

設計結果如下,圖二為一半波相位延遲膜之設計結果,而圖三則是其膜對於角度的公差性分 析結果。

圖二

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圖三 圖四為實際完成元件與現成即有的商品元件之比較。

圖四 而圖五為一四分之一相位延遲波板之設計結果。

圖五

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Session 45: Electronic Paper (Liquid-Crystal Technology)

45.2: Reflective Electronic-Paper Display Utilizing Electric Polarized Particle Chains Shih-Kang Fan, Hsinchu, Taiwan

此篇文章是由交通大學機械所暨交通大學奈米中心提出,主要的內容是針對粒子式電子 紙研究介紹。電子紙技術包含很多不同的原理,其中粒子式型的電子紙技術主要的優點是對 比度高及低電耗。

此片paper提出的粒子式電子紙技術有別於傳統的方式就是傳統的粒子式驅動電壓是由 直流(DC)驅動形成單色或雙色顯示。而此處設計是利用交流(AC)電壓驅動,藉由調整在溶 液中的中性粒子的分布產生不同的排列方式。

圖1︰反射型粒子式電子紙的工作原理。(a)暗態,不加電壓。(b)亮態,加驅動電家。

工作原理︰由圖 1 所示,中性粒子容於溶液中,置於上下面板間。當圖(a)不加電壓時,

粒子均勻分布在溶液中,光由上方打入時,通過容易會被利子吸收,所以反射的光會變少。

當圖(b)加電壓時,粒子受到電場極化後會結合形成條狀分布,使得單位面積內光被吸收的 量會減少,則光就會反射出去,形成亮態。

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圖 2 是說明在 CCD 下的亮暗態。圖(a)是利用變焦鏡頭拍攝暗態。圖(b)亮態。圖(c)是穿透率 計波長的關係。發現當加電壓的穿透率會比不加電壓時高,長波長的穿透率會比短波長高。

圖 4 是將 ITO 透明電路設計成’NCTU’的字樣圖形,在加電壓下,粒子聚合排列成 NCTU 所 以在亮態時,可以顯示字樣圖形。所以可以透過電路設計改變。

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圖 5 表示電壓頻率與穿透率的關係,表示電壓在 500kHz 時具有最高的穿透率。

圖 6 表示在 500kHz 時,施壓電壓與穿透率關係,顯示穿透率隨著施壓電壓增加。電壓加到 50V 趨於平衡。

最後,圖 7.3 是將其設計實作成成品的圖片。

結論︰

1﹒提出一個反射式電子紙透過施壓電壓在溶液中形成不同粒子排列方式來調整出光。

2﹒由於不同的施壓電壓頻率會影響粒子形成不同結構,未來可以繼續研究不同粒子或溶液 的結構關係。

Session 51: Films for LCDs (Liquid-Crystal Technology)

51.4: Broadband Quarter-Wave Plate Using a TN-LC Film and Two Uniaxial Films Yuhua Huang, University of Central Florida, Orlando, FL, U.S.A.

此篇是利用一片 TN-LC 和兩個單軸的補償膜來設計一個寬頻光可使用的四分之一相位延遲 波板,其結構如圖一所示。

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圖一 結構圖 對應其結構,相應的設計參數如圖二所示。

圖二 相應之角度 模擬結果如下:

圖三 模擬結果與比較

其中紅色線表示模擬出之結果,而其他線條則是目前既有的設計。

此篇還有做公差分析的工作,其分析結果如下:

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圖四 厚度的公差分析結果

圖五 twist 之角度公差分析

圖六 整體性公差分析

在圖六中之紅線表示完全沒有誤差之結果,而綠色線則是有+5%的厚度及+1o的結構角度誤 差下之結果,此外,藍色線則表示有-5%的厚度及-1o的結構角度誤差下之結果。

Poster Session

Display Measurement

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P.58: Laser Speckle of Textured Surfaces: Towards High-Performance Anti-Glare Films and Overlays

Darran Cairns, West Virginia University, Morgantown, WV, U.S.A.

在使用雷射光當光源的時候,當經過類似擴散片的結構時,因為其表面特性我們在製作實無 法定義,其視為一個 random 的表面,在其成像面上會因為不規則的干涉而產生一些自由的 暗點以及亮點,這就是所謂的光斑。

爲了將光斑做定量分析,首先定義光斑對比度 SContrast I

I

=σ

Figure.1 為一般類似擴散片的表面結構,其特徵大小不同的圖

爲了要測量光斑對比度,下圖為此光學測量系統的意似圖,再此光源出射的地方會加上一個 針孔,這樣可以提升我們測量的光斑對比度。

最後他使用的樣品是一為特徵大小為 10-20 microns,另一個為 40-80 microns,下圖為其在 遠場的圖案

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P.62: Grating-Based Optical Film for High-Efficiency Backlights Komatsu Tokutaro, Hitachi Chemical Co. Ltd., Tsukuba, Japan

圖一、PAF(Prism Array Film)之結構示意圖

目前使用於背光模組中的增亮膜主要有:

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3M BEF(Brightness Enhancement Film):

優點:均勻度佳,

缺點:需成對使用,導致厚度增加,且亮度增加效果有限;以及 PAF(Prism Array Film):

優點:可將全反射(TIR)的光線導出,

缺點:出光角取決於入射角,導致均勻度不佳,如圖一所示。

因此,在設計使用於背光模組中的增亮膜時,主要的考量的功能即為;

一、高亮度,

二、高均勻度。

本篇論文由日本日立化學公司(Hitachi Chemical Co. Ltd.)所提出,其主要原理係將如上述 PAF 之結構製作成奈米等級的次波長結構,利用光通過此種光柵結構會產生繞射,來達到 增加出光量及提高均勻度的效果。如圖二所示,在設計時可調整的參數包括光柵的週期,以 及光柵結構的頂角。

圖二、光柵式增亮膜設計參數 模擬結果:

圖三、模擬結果之一

圖四、模擬結果之二

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由圖三之結果可知,強度的峰值會隨著αF以及 P 的減少而增加,然而峰值出現的角度則與 αF以及 P 並無太大的關聯;且,由圖四的結果可以發現,峰值出現的角度主要由 αB所控制。

圖五、光柵式增亮膜與 PAF 之比較

圖六、實作成品之光柵式增亮膜

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Display Systems

P.75: Light-Weight Backlight Module with a Reflective Light Guide Hsiao-Ting Wang, National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan

此篇文章是由清華大學動力機械所暨台灣科技大學電子所提出,主要的內容是針對目前大面 積LCD背光源做另一個革新的改善設計介紹。

傳統背光源缺點︰重量重。

提出創新的背光源技術︰傳統式的背光源大部分都具有光導板(light guiding )導出,當顯示器 的尺寸加大時,有鑑於其光導板的重量也會增加的缺點,提出另一個設計,不具導光板的中 空型反射式背光源。

圖 1︰背光模組的結構圖。(a)俯視圖。(b)立體圖。(c)側視剖面圖。

工作原理︰其中空型的背光模組的原理就是將背光模組的上方開出一條一條的柵道(slit),加 上將模組內的上下板其周圍都鍍上反射好的金屬面,光透過再空腔內全反射由柵道道出,其 原理如圖二所示。

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圖 3 所示三種常用的光學模片,其主要目的是將光散佈的功能。

(a) diffuser。(b)BEF。(c)DBEF

另外,將上述的光學膜片附加在所設計的空腔型背光模組上,能使的均勻度的增加,其模組 結構如圖 4 所示。

圖 5 是此種設計的光亮均勻度的模擬圖。

圖 7 是此種設計做出成品後實際測量的均勻度值。其評量標準是利用九點測試法,發現此種 背光模組設計的均勻度可以達到 70%。

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最後,圖 6 是將其設計實作成成品的圖片。

結論︰

1﹒提出一個反射式空腔型的背光源,均勻度可以達到 70%。

2﹒一個 14 吋的中空型顯示器背光模組大約是 55g 重,其重量與傳統式顯示器背光模組比較,

大約可以減少 15%。

P.81: Reduced-Aberration Tunable-Focus Liquid-Crystal Lenses Qi Hong, University of Central Florida, Orlando, FL, U.S.A.

此篇為討論可調整 accommodation 的立體顯示器.利用 Tunable-Focus Liquid Crystal Lenses 來 協調 accommodation 及 convergence 的衝突.並調整球面像差

一般雙眼視差立體顯示器

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圖一、雙眼視差立體顯示器,accommodation 及 convergence 並不一致。

Tunable-Focus Liquid Crystal Lenses 3D Displays 的結構

調整的公式:

fo : the initial focal length

r : the distance from the lens axis

Ds_: the maximum thickness of the top substrate DLC : the minimum thickness of lc layer,

ns : refractive index of the top substrate nLC_eff : the effective refractive index of lc layer along the transmission direction of linear polarizer.

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降低球面像差:

Φ(r) : the phase change along radius of lc lens R : the radius

k is the wave number of the incident light.

Three-Dimensional Display with Eye Accommodation:

OLEDs

P.155: Ambient Contrast for OLED Displays

Ronald Cok, Eastman Kodak Co., Rochester, NY, U.S.A.

由於外在環境光的反射會降低 OLED 的影像品質,所以此篇主要在介紹幾種減少環境光反 射的方法,進而提高 OLED 的 ambient contrast ratio(ACR)。

t RflectLigh

ht EmittedLig ACR=1+

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P.186: OLEDs Integrated with Solar Cells: High Contrast and Energy Recycling Chih-Jen Yang, National Taiwan University, Taoyuan, Taiwan

此篇是設計倒置上發光型 OLED 與太陽能電池結合的結構(Fig.1),如圖一在 OLED 下方用半 穿透的 Ag 作陰極,並在下面製作一太陽能電池,來吸收環境光反射進而提高對比度(Fig.2 Fig.3),而且能夠將環境光轉換成電能以及 OLED 本身損失的光也會一併轉換成電能,轉換 效率分別是 0.31%及 0.26%。

Figure

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