專利名稱：平面顯示器的光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平面顯示器，尤其是液晶顯示器，該顯示器采用短波激活光和如WO95/27920(Crossland等人)所述的例如PL-LCD的發(fā)光輸出元件。
PL-LCD平面顯示器主要存在關(guān)于需要激發(fā)光準(zhǔn)直的問(wèn)題。FPD技術(shù)的其它例子，例如TFT或STN屏幕，也有光準(zhǔn)直的需要；但是這一般由于對(duì)比度、影像亮度，以及在STN屏幕中的多路復(fù)用性程度都會(huì)由于準(zhǔn)直而增強(qiáng)。傳統(tǒng)的液晶FPD的缺點(diǎn)在于，因?yàn)闇?zhǔn)直的程度提高，視角就因此受到影響。對(duì)此的建議解決方法包括在顯示器前面(即，在彩色濾色片和觀察者之間)的漫射屏。
PL-LCD結(jié)構(gòu)通過(guò)在屏幕前面放置可見(jiàn)熒光體并用來(lái)自背面光的激活光對(duì)其激發(fā)的方法，避免了傳統(tǒng)FPD的視角問(wèn)題。但是，這種解決視角的方法使得PL-LCD的準(zhǔn)直需要更強(qiáng)烈，因?yàn)樵卩徑南笏刂g還存在另外的串?dāng)_問(wèn)題。一種簡(jiǎn)單的解決概念是提供高度的準(zhǔn)直，使得穿過(guò)一個(gè)液晶象素的光只碰撞正確的熒光體象素。但是，難以將來(lái)自擴(kuò)展光源的光準(zhǔn)直至如此程度，更難以有效地做到這一點(diǎn)。所需要的準(zhǔn)直的量(或可允許的偏離度)取決于象素的間距以及液晶調(diào)制層和熒光屏之間的距離。
在傳統(tǒng)的投影顯示器中，例如電影投影儀、大屏幕背投TV等，使用來(lái)自鄰近點(diǎn)光源的非常高度準(zhǔn)直的光。但是，這種光不會(huì)簡(jiǎn)單地穿過(guò)調(diào)制層和下降，它仍然基本在屏幕之上平行。它被聚焦而不是聚集，并通過(guò)投影透鏡被透射至屏幕上。如果不是在因?yàn)檎{(diào)制層和屏幕之間的大距離而使得準(zhǔn)直需要(避免象素串?dāng)_)會(huì)大大超出目前的光學(xué)系統(tǒng)的情況下，那么這一點(diǎn)對(duì)于所有類型的投影顯示器，而不僅是對(duì)PL-LCD結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)就是真實(shí)的。在本發(fā)明中使用投影裝置，以有助于PL-LCD平面顯示器的操作。
本發(fā)明提供一種平面顯示器，包括調(diào)制元件陣列，設(shè)計(jì)用來(lái)調(diào)制從背面輸入的激活光，以及發(fā)光輸出屏面，用于接收調(diào)制信號(hào)并給出相應(yīng)的可見(jiàn)輸出以產(chǎn)生顯示影像；其特征在于，提供將調(diào)制元件的平面投影在輸出元件平面上的光學(xué)裝置。
使用光學(xué)裝置以將LCD調(diào)制器的影像“投影”在熒光輸出元件的優(yōu)點(diǎn)在于，現(xiàn)在這兩者可以不再需要由象素圖案的幾何形狀和激活光的偏離度(準(zhǔn)直度)而決定的距離來(lái)分開(kāi)；現(xiàn)在的新的分開(kāi)是由光學(xué)系統(tǒng)決定的。但是這不是說(shuō)準(zhǔn)直不再有關(guān)，而是在這種設(shè)計(jì)下，它以其它的方式影響影像的質(zhì)量。實(shí)際上某些方案可以采用非準(zhǔn)直光來(lái)進(jìn)行操作，盡管因?yàn)樾枰谘诨蜃钃豕獾竭_(dá)熒光輸出屏而使其有些浪費(fèi)?？傊?，盡管準(zhǔn)直仍然是有關(guān)的，但是其效果不再與象素幾何形狀呈簡(jiǎn)單的關(guān)系。
對(duì)于給定的準(zhǔn)直量，沒(méi)有光學(xué)裝置的象素幾何形狀會(huì)確定熒光體和液晶調(diào)制器對(duì)于零串?dāng)_的最大分離。在許多情況下，該最大分離小于玻璃面板的厚度，對(duì)此的解決方法是在調(diào)制器里面而不是外面放置熒光體。雖然它至少在理論上是可行的，但是在實(shí)際中卻是很困難和昂貴的。但是使用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件解除了分離距離和象素幾何形狀之間的關(guān)聯(lián)，并因此使得該分離可以任意地增大或減小，從而熒光體可以保留在調(diào)制器外面。因此本發(fā)明的一個(gè)用途是作為“內(nèi)置熒光體”的替代方案。
尤其是與采用類似原理的其它傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比較，使用該“投影”裝置的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，就要被調(diào)制和投影的光而言，PL-LCD結(jié)構(gòu)主要是單色的。因此，該光學(xué)裝置不需要包括在光學(xué)系統(tǒng)中為了解決波長(zhǎng)分散而通常需要的額外復(fù)雜結(jié)構(gòu)，例如不再需要消色雙合透鏡連同它們的附帶成本，單組透鏡就足夠了。另外，更微妙的優(yōu)點(diǎn)在于，最終影像的分辨率只是由輸出屏幕上的熒光體裝置來(lái)決定。例如如果輸出屏幕上的“點(diǎn)間距”是3/mm，那么影像的分辨率就是3點(diǎn)/mm。這是因?yàn)橄笏鼗臒晒馄劣行У貙?duì)光學(xué)系統(tǒng)所產(chǎn)生的影像再抽樣，其方式為模擬聲頻材料的數(shù)字抽樣。當(dāng)考慮到熒光體最經(jīng)常被布置在黑矩陣內(nèi)的輸出屏上時(shí)，這一點(diǎn)就是最明顯的。如果分辨率使得每一個(gè)象素被以較不完美的方式在輸出屏上成象，那么每個(gè)象素就會(huì)產(chǎn)生“模糊的”焦點(diǎn)不實(shí)的影像。但是，在一定的限制內(nèi)，這種模糊影像內(nèi)的光落在預(yù)定的象素或是在環(huán)繞它的黑矩陣內(nèi)，從而正確的熒光體象素仍然被激活，并且仍然保留準(zhǔn)確的影像。以這種方式，能夠采用簡(jiǎn)單廉價(jià)的光學(xué)系統(tǒng)，而不會(huì)危及影像的質(zhì)量。
采用光學(xué)裝置來(lái)投射影像的原理與投影顯示器是一致的，但是在該結(jié)構(gòu)中，所有的零件優(yōu)選被包括在一個(gè)單個(gè)外殼或剛性組件中，其液晶象素成象(即投影)的距離一般是毫米級(jí)或至多不過(guò)厘米級(jí)，肯定小于1米。一般來(lái)說(shuō)，在本發(fā)明的實(shí)施方案中，成象距離比顯示器的直線尺寸小。但是，小的成象距離或光“距”使得普通的透鏡和類似于面板的孔徑就完全不實(shí)用。對(duì)此的一個(gè)解決方案是使用微透鏡的陣列。它們具有適當(dāng)?shù)慕咕?，即幾毫米?jí)的，但是可制成足以用于任何平面應(yīng)用的陣列尺寸。
微透鏡可以以任何方式使用；一種是集成成象，在微透鏡的間距大大小于影像/物體的尺寸時(shí)發(fā)生。使用微透鏡的集成成象的基本理論在NF Borelli等人的微透鏡陣列的成象和輻射性質(zhì)(Imaging and radiometric properties of micro-lensarrays)，應(yīng)用光學(xué)，Vol.30(25),1991年9月1日3633-3642頁(yè)中有所描述。在本發(fā)明的情況下，物體的尺寸一般是幾十厘米，為L(zhǎng)CD面板，因此可以發(fā)生集成成象。
即使使用場(chǎng)透鏡，如本文所述，采用“普通的”準(zhǔn)直量，產(chǎn)生了第二影像，它使獲得的影像變劣。避免這個(gè)問(wèn)題的最明顯的方法是增加激活光的準(zhǔn)直度。這方面對(duì)PL-LCD顯示器特別有用，因?yàn)檎瓗Ъぐl(fā)光允許使用絕緣準(zhǔn)直(見(jiàn)申請(qǐng)人的早期申請(qǐng)WO98/49585)。這是擴(kuò)展光源準(zhǔn)直特別有效的方式，因?yàn)橐话愕模ǔ榘坠庹凵錅?zhǔn)直膜的人造產(chǎn)品的高角度旁瓣能夠被消除，非準(zhǔn)直光的再生就更容易了。另一個(gè)方法是，如GB2329786A(CRL Ltd)所述，使用孔徑陣列以及微透鏡，但是該方法非常浪費(fèi)來(lái)自背面光的可獲得的照明。
另一個(gè)值得注意的問(wèn)題是，普通的投影光學(xué)系統(tǒng)投射放大的影像(在許多情況下是放大相當(dāng)大的影像)。在本發(fā)明的許多應(yīng)用中，不需要放大調(diào)制器的影像，例如在桌面計(jì)算機(jī)監(jiān)視器中。在這些情況下，調(diào)制器的影像無(wú)需放大即被投影，也可以表述為一致或1∶1放大。有時(shí)這指影像中繼或影像轉(zhuǎn)移。另一個(gè)進(jìn)行中繼成象的普通方法是使用GRIN透鏡陣列，這些也可以簡(jiǎn)單地用于本發(fā)明。
除了一致放大的多個(gè)應(yīng)用以外，采用大于一致放大的比例投影也是有利的。這樣的一種應(yīng)用是用于顯示器被無(wú)縫平鋪，而不考慮在調(diào)制器的側(cè)面用于尋址電路所需的空間。這種想法在GB2236447(KC Tung)中有所描述，并在前述的CRL專利中進(jìn)行了研究。平鋪?zhàn)语@示器而沒(méi)有可見(jiàn)連接的概念此處是指無(wú)縫平鋪，這樣產(chǎn)生的影像是無(wú)縫影像。
先有技術(shù)中無(wú)縫平鋪顯示器已經(jīng)將這種放大原理用于傳統(tǒng)顯示器，而不是PL-LCD顯示器結(jié)構(gòu)中。當(dāng)該原理用于PL-LCD顯示器結(jié)構(gòu)中時(shí)產(chǎn)生了許多優(yōu)點(diǎn)。在此處給出的先有技術(shù)的實(shí)施例中，盡管影像可以呈現(xiàn)為無(wú)縫，但是實(shí)際上存在視角問(wèn)題(如果只從某一視角是無(wú)縫的，大型無(wú)縫顯示器就有點(diǎn)失敗)。在CRL專利中描述的解決方法是從單獨(dú)的子面板覆蓋影像或在擴(kuò)散屏上形成影像(結(jié)果是視角特征由屏幕而不是產(chǎn)生該影像的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)決定)。但是，這些方法中沒(méi)有一個(gè)是完全實(shí)用的，即在GB2329786A中描述的解決方案在實(shí)際上是非常無(wú)效的，它們實(shí)際上也不能產(chǎn)生在其全部區(qū)域中帶有全Lambertian視角特征的影像。
本發(fā)明的實(shí)施方案因此可能提供顯示器組件，包括顯示器單元的平鋪矩陣，每一個(gè)包括設(shè)計(jì)用來(lái)調(diào)制從背面輸入光的調(diào)制元件的陣列，以及用于尋址調(diào)制元件的電路；其特征在于提供了將每一個(gè)調(diào)制元件平面的放大影像投射至發(fā)光輸出屏上的光學(xué)裝置，以這種方式產(chǎn)生無(wú)縫影像。
用于放大投射以獲得無(wú)縫平鋪的幾何形狀的需要與一致放大應(yīng)用的相同，即光程非常短。出于這個(gè)目的，也能夠使用集成成象微透鏡來(lái)放大影像；在這種情況下，陣列的間距不是常數(shù)，而是隨著遠(yuǎn)離調(diào)制器而增加。此處的基本原理在R H Anderson的使用透鏡陣列的文件和顯示器的近距離成象(Close-upimaging of documents and displays with lens arrays)，應(yīng)用光學(xué)，Vol.18(4),1979年2月15日，477-484頁(yè)中進(jìn)行了描述。根據(jù)該原理設(shè)計(jì)的微透鏡陣列有時(shí)稱為Super-Gabor透鏡。GRIN透鏡也可以用于這個(gè)目的，其中陣列中的GRIN透鏡的間距類似地從一端至另一端增加。
為了更好地理解本發(fā)明，以下將通過(guò)實(shí)例并參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方案。


圖1表示在沒(méi)有本發(fā)明的光學(xué)裝置的情況下如何通過(guò)象素的幾何形狀來(lái)設(shè)定準(zhǔn)直角；圖2示意表示影像如何被投射至帶有熒光體的輸出屏上；圖3表示一種可能的光學(xué)裝置；圖4表示如何使用本發(fā)明以將顯示器無(wú)縫平鋪在一起；圖5表示如圖3所述的微透鏡的光線軌跡；圖6表示在激活光沒(méi)有被“緊”準(zhǔn)直之處，第二影像如何產(chǎn)生；和圖7和圖8表示對(duì)于多種情況的象素串?dāng)_模擬值，顯示出使用本發(fā)明如何減少串?dāng)_。
圖1表示如何由面板的幾何形狀來(lái)確定準(zhǔn)直角。為了沒(méi)有象素間串?dāng)_，背面光的準(zhǔn)直需要小于或等于準(zhǔn)直角φ。該角度由下述公式給出φ=atan(d/D)相反，對(duì)于給定的激活光準(zhǔn)直角和象素間隙，LCD和熒光體的最大距離就可以確定。
圖2表示LCD面板21、光學(xué)裝置22和帶有熒光體的輸出屏23。來(lái)自背面光(未顯示)的激活光被面板21調(diào)制，并由光學(xué)裝置22投射至熒光輸出面板23上。在該圖中，LCD與熒光體的距離不是由背面光的準(zhǔn)直度簡(jiǎn)單確定的，而是由光學(xué)裝置的功能決定的。
圖3表示本發(fā)明的光學(xué)裝置的可能實(shí)施方案。所示的有兩個(gè)基片，每一個(gè)在其兩側(cè)具有微透鏡陣列。來(lái)自背面光31的激活光由LCD面板(未顯示)調(diào)制，并由微透鏡陣列折射，其折射方式使得LCD面板的影像在熒光輸出屏32上形成。在第一陣列33的透鏡產(chǎn)生了面板的倒置影像，該影像被最后的陣列34再一次倒置(即豎立)。兩個(gè)中心陣列35作為第一和最后陣列的場(chǎng)透鏡，提高了它們的觀察有效視場(chǎng)。
本發(fā)明的第二方面，也就是無(wú)縫平鋪，在圖4中被示意表示。兩個(gè)子顯示器41a和41b連同兩個(gè)光學(xué)裝置42a和42b在一起示出。這些部件42a和42b用于在無(wú)縫輸出面板43上產(chǎn)生每一個(gè)子顯示器的放大影像。這兩個(gè)影像被對(duì)準(zhǔn)，以產(chǎn)生無(wú)縫影像，同時(shí)仍然在子顯示器的調(diào)制區(qū)域周圍為尋址電路和將子顯示器一起保持在規(guī)定陣列或矩陣中的機(jī)械裝置留有空間。
圖5表示如圖3所示的微透鏡部件的光學(xué)軌跡圖。顯示兩個(gè)場(chǎng)點(diǎn)51，它們由微透鏡部件52成象在影像平面53上?？梢钥闯觯瑑蓚€(gè)影像點(diǎn)54由穿過(guò)多個(gè)分離透鏡組的光線形成；即“集成成象”。光程為12mm左右。
圖6表示類似與圖5的光線軌跡圖。在該圖中，顯示了中心或主影像點(diǎn)61，也有兩個(gè)第二影像點(diǎn)62a和62b。這是由物體點(diǎn)63發(fā)出的較高的光線角形成的。因此可以看出“緊”準(zhǔn)直會(huì)減少或消除第二影像。
圖7表示對(duì)于兩種情況的模擬象素串?dāng)_。第一種是沒(méi)有光學(xué)裝置的情況，激活光直線穿過(guò)調(diào)制器，降至熒光輸出屏上。在這種情況中，LCD與熒光體的距離為0.8mm，這對(duì)于沒(méi)有光學(xué)裝置的PL-LCD顯示器是典型的，主要是LCD頂面玻璃板的厚度。第二種情況是有適合的光學(xué)裝置(微透鏡陣列)。在這種情況中，可以看出對(duì)于至少小于25度的準(zhǔn)直角，帶有裝置71的象素串?dāng)_始終小于沒(méi)有裝置72時(shí)的串?dāng)_。
圖8類似于圖7，只是使用了不同的光學(xué)裝置。在這種情況中，只對(duì)于小于13度的準(zhǔn)直角，帶有光學(xué)裝置81的串?dāng)_比沒(méi)有光學(xué)裝置82時(shí)的串?dāng)_小。
以上描述的實(shí)施方案只涉及了關(guān)于平鋪顯示器的放大光學(xué)系統(tǒng)，但是應(yīng)當(dāng)理解放大可以被用于非平鋪應(yīng)用。另外，激活光優(yōu)選為短波長(zhǎng)光，是藍(lán)光或紫外光，最優(yōu)選的是中央波長(zhǎng)為388nm，帶寬為15nm。
發(fā)光輸出屏可以包括連續(xù)層形式的單個(gè)、大型輸出元件；這適用于單色顯示器。但是，優(yōu)選的實(shí)施方案可包括用于PL-LCD顯示器的多個(gè)以已知方式排成三色點(diǎn)組的輸出元件或象素。
權(quán)利要求
1．一種平面顯示器，包括一個(gè)部件，例如背面光源，用于產(chǎn)生窄帶激活光；一個(gè)部件(21)，用于調(diào)制激活光；和一個(gè)發(fā)光輸出屏(23)，它響應(yīng)該激活光而發(fā)出可見(jiàn)光；其特征在于，在調(diào)制器(21)和輸出面板之間設(shè)置光學(xué)裝置(22)，該光學(xué)裝置用來(lái)將調(diào)制器的影像投射至輸出屏上。
2．如權(quán)利要求1的顯示器，其中光學(xué)裝置是用來(lái)投射調(diào)制部件的經(jīng)一致放大的影像。
3．如權(quán)利要求1的顯示器，其中光學(xué)裝置用來(lái)投射調(diào)制部件的放大影像。
4．如權(quán)利要求1顯示器，其中調(diào)制部件包括多個(gè)以規(guī)則的陣列或矩陣設(shè)置或平鋪的單獨(dú)的調(diào)制器(41)，光學(xué)裝置用來(lái)光學(xué)放大子顯示器從而在輸出屏上形成無(wú)縫影像，因此形成無(wú)縫可見(jiàn)影像。
5．如前述任一權(quán)利要求的顯示器，其中光學(xué)裝置是一個(gè)或多個(gè)微透鏡陣列或一套Super-Gabor透鏡。
6．如前述權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)的顯示器，其中光學(xué)裝置包括一個(gè)或多個(gè)GRIN透鏡陣列。
7．如前述任一權(quán)利要求的顯示器，其中激活光由窄帶紫外光組成。
8．如權(quán)利要求7的顯示器，其中激活光具有388nm的中心波長(zhǎng)，帶寬約為15nm。
9．如前述權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)的顯示器，其中激活光是可見(jiàn)藍(lán)光。
10．如前述任一權(quán)利要求的顯示器，其中輸出屏包括多個(gè)設(shè)置成形成象素的發(fā)光元件。
全文摘要
一種平面顯示器,包括背面光源,用于產(chǎn)生窄帶激活光;部件,例如液晶調(diào)制器(21),用于調(diào)制激活光;發(fā)光輸出屏(23),它響應(yīng)該激活光而發(fā)出可見(jiàn)光。沒(méi)有使得激活光簡(jiǎn)單地穿過(guò)調(diào)制器到達(dá)屏幕上,而是在調(diào)制器(21)和輸出面板之間設(shè)置光學(xué)裝置(22),從而將調(diào)制器的影像投射至輸出屏上。這降低了激活光準(zhǔn)直的需要。
文檔編號(hào)G02B13/24GK1319196SQ9981119
公開(kāi)日2001年10月24日 申請(qǐng)日期1999年9月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月21日
發(fā)明者W·A·克羅斯蘭德, T·M·科克 申請(qǐng)人:屏幕技術(shù)有限公司