FLEx Lighting用极薄导光板改善反射式LCD

反射式液晶显示器已经存在了很长时间，但从未对显示器行业产生太大影响。FLEx Lighting是一家总部位于美国的初创公司，它正在寻求使用一些极具吸引力的技术来大幅改善现有反射型LCD的性能，进而希望在几年内提高这种反射式LCD的影响，甚至使这种显示技术成为本领域的重要组成部分。

FLEx Lighting最近完成了一系列的B轮融资，从SABICVentures、Bascom Ventures和其他公司筹集了900万美元，并打算利用这笔资金进一步扩展其产品组合的规模。

FLEx Lighting背后的主要技术是一种极薄（50微米）的导光板，它具有独特的光取出特性，可以精确控制光束的导出。FLEx Lighting已获得关于这种光取出机制的核心技术专利，并拥有光耦合等其他相关的技术专利，同时还掌握了制造和组装前置光源的一些工艺。

反射式LCD在目前市场上面临的主要问题之一是，电泳（电子纸）等其他反射技术的竞争。虽然反射式LCD在阳光直射条件下表现良好，但在低光条件下却没有很好的可读性，另外传统的前置光源做得也很差。

图1由FLEx Lighting提供，以简化透视图的方式展示了不同设计下的问题和解决方案。图1a展示了一种典型的基于侧边-前置导光板设计的电子纸显示器。由于显示器表面如同纸面，倾斜角度入射的光线会被显示器向所有方向上（漫）反射，从而获得良好的可读性。如图1b所示，反射型LCD使用LC层后面的金属层来反射从前置光源入射的光，金属层对入射光只有轻微的漫反射效果，可读性较差。如图1c所示，基于后置光源（背光）的LCD不会遇到这个问题，因为所有光学层都位于LC层后面。

a）带侧入式前置光源的电泳显示器的侧视示意图；（b）带侧入式前置光源的RLCD的侧视示意图；（c）带侧入式后置光源（背光）/光学薄膜/反射片的LCD的侧视示意图；（d）带FLEx Lighting前置光源的RLCD的侧视示意图

FLEx Lighting的解决方案在图1d中展示，其前置光源包括一层包裹着显示屏的薄型光波导。该前置光源的LED位于显示器后面，并设计有一些特殊的光耦合结构（稍后会详细介绍）。只要弯曲半径不是太小，这种波导就能有效地传输光线（根据Casper的说法，有效导光的经验法则是弯曲半径不能小于光波导厚度的10倍，这意味着FLEx Lighting的50微米导光膜可以弯曲的半径不能低于0.5毫米）。FLEx Lighting的这种光波导还包括一些独特的光取出设计，它可以将光线向下投射到金属层上，从而可以为显示器提供全部的光线。

FLEx lighting的前置光源系统与现有产品相比具有许多优势。尽管电子纸显示器支持一定程度的彩色显示，但色域远远低于LCD，而且LCD还提供电子纸显示器无法比拟的视频功能。FLEx Lighting光波导的薄型有助于整个显示器系统的薄型化设计。另外，这种薄型光波导还由于能够紧紧地包裹在显示器周围并将LED放置在背侧，有助于实现整个显示系统的无边框设计。最后，如图所示，由于LED可以设置在靠近弯曲部位或更远的位置，设备制造商在电路布线方面拥有了更大的空间。

基于FLExLighting前置光源技术的反光式LCD的背视图

精确控制光出射角的能力为FLEx Lighting带来了更多的好处。如下图所示，通过精确的控制设计，光波导的光输出强度可以拥有宽峰或窄峰，甚至偏移垂直入射的峰值。来自光波导的窄峰光输出可以用来制作窄视角的反射型LCD，这种特性在某些应用中可能是期望获得的，但是在其他应用中可能是不期望的，不过，重要的是这些都可以通过设计来调整和优化。

FLEx Lighting光波导不同的光输出角度和相应的色坐标示例：（a）接近法线方向的宽峰光输出；（b）接近法线方向的窄峰光输出；（c）偏离法线方向的宽峰光输出（图由FLEx Lighting提供）

在考虑使用非常薄的光波导技术时，我们首要问题之一是：如何从LED获得高效的光耦合？这一直是电视用玻璃导光板（Glass LGP）的问题之一，例如康宁的Iris玻璃。虽然康宁希望采用更薄的LGP来降低玻璃成本从而获得相对于PMMA LGP（丙烯酸树脂）更高的竞争力，但他们面临着低成本和低光耦合效率间的抉择。

电视显示器用LED的典型厚度为2mm，可以和这些LED实现高效率耦合的光波导需要稍微厚一些。市场上也有更小尺寸的LED，但就每流明的美元成本而言会更昂贵。所有这些都迫使制造商在玻璃成本和LED成本间做出折中。

如果这个折中点是2mm 的LED，那么FLEx Lighting又如何使用50毫米厚的光波导来获得良好的光耦合效率？如果需要使用50微米（甚至更小）的LED，那么他们虽然可以获得良好的光耦合效率，但却需要使用许多相对昂贵的LED。

FLExLighting的光耦合原理（来源：美国专利商标局，美国专利＃9,557,47）

FLEx Lighting发明了一种玻璃无法实现的解决方案（不过，至少我不这么认为），这种方案可以使用薄膜光波导实现。如上面FLEx Lighting的专利示意图所示，在显示区域之外，光波导被切成条状，这些条带折叠并堆叠在一起。堆叠后的条带拥有更大的表面积，可以有效地耦合来自更大尺寸LED的光。

基于FLEx Lighting方案的反射式LCD的性能可能会让制造商们重新考虑使用反射式显示器。虽然反射式显示器具有低功率的优点，但是在低光条件下不能使用这一问题严重限制了它的应用。尽管具有前置光源的电子纸显示器能够实现低光可读性，但它在色彩和视频播放方面的性能却很差，加上该技术的成本较高，电子纸显示器目前只用在小众市场。如下图所示，带有FLEx Lighting前置光源系统的反射式液晶显示屏在阳光直射（关闭前置光源）和暗室（打开前置光源）两种条件下都能提供良好的对比度和色彩。

具有FLEx前置光源的反射式LCD在白天和夜晚条件下的显示画面（来源：FLEx Lighting）

在试图对比反射式LCD与传统透射式LCD（使用后置光源）或OLED的性能时，一些最常见的性能指标常常不被考虑。如图所示，当然，亮度对于白天条件下的反射式显示器是一个无意义的参数，因为光源来自太阳。Casper建议我将环境对比度作为相关的性能指标。OLED在暗室中可以实现近乎无限的对比度，但是在日光条件下，对比度却严重恶化。

根据Casper的说法，市场上现有的一些反射式显示产品在展厅内看起来不错，但是实际使用则又是另一回事。Nook是第一款使用前置光源的电子阅读器，其设计亮度为50尼特，在销售环境中显得光彩照人，但Casper表示，在后续研究中，电子阅读器的设计师们发现在实际使用时，它的平均亮度只有7尼特。Casper指出，采用FLEx Lighting前置光源技术的6英寸反射式液晶显示器平板，只需要4颗LED就能获得50多尼特的亮度。

FLEx Lighting还表示，他们的技术可以实现更好的色彩表现，不过我还不确定。同样，反射式显示器的颜色测量与自发光（或透射式，如LCD）显示器不同，因此一些通常的基准可能并不合适。至少，反射式显示器的颜色不仅取决于显示器本身，还取决于光源的颜色。

使用FLEx Lighting前置光源的反射式LCD在颜色和功率方面的优势

FLEx Lighting已与LCD制造商Sharp和JDI合作并商业化了几款小型显示器产品，Casper表示他们还和亚洲另外两家主要显示面板制造商合作开发出两款原型机，包括一款用于中国教育市场的电子阅读器（8英寸反射式LCD）和另一款用于手机的6英寸显示器。反射式LCD的优势似乎使其成为这两种应用的绝佳选择。