具有掃描背燈的顯示裝置的制作方法

專利名稱：具有掃描背燈的顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及顯示裝置，該顯示裝置包括顯示屏和照射該顯示屏的背燈。特別但是并不專門涉及這樣一種液晶顯示器(LCD)，掃描所述顯示器以顯示運動圖像，并可將該顯示器結合到電視、計算機監視器等中去。
這些LCD的已知的問題在于運動圖像易于表現出運動假像，所述運動假象是由以下事實引起的模糊的結果，所述事實是因為LCD轉換過程的雙穩態屬性，在每個屏幕刷新周期期間，每個像素有效地保持固定在其“開”或“關”狀態。在陰極射線管(CRT)顯示器的情況下，由于在由CRT的電子束激發之后伴隨CRT熒光層的熒光的自然衰減特性，每個像素僅僅在每個屏幕刷新周期(大約15至20ms)中很小的一部分發射光，因此不會出現上述問題。
已經試圖通過確保只在每個刷新周期的很小部分(大約10％)中照射(并因此視覺上激活)每個像素來使LCD圖像清晰。因此使用掃描背燈，其中光源陣列中的光源與圖像掃描同步地快速和反復地開和關；因此實現了與屏幕刷新周期同相位的LCD屏的直接光掃描照明。這一解決方案對于實施是昂貴的，因為需要專門的光源來達到快速切換和循環的要求。此外，由于不同的獨立光源照射LCD屏的各個區域，因此單個光源的輸出變化顯示為屏上光強度的有害變化。
本發明旨在通過提供掃描背燈來解決上述困難和缺點，所述掃描背燈制造起來很經濟，此外不涉及由各個光源直接背照射LCD顯示屏的不同區域。
根據本發明，提供一種顯示裝置，包括以預定速度反復掃描以顯示圖像的圖像產生屏，和照射該屏的背燈，該背燈包括-至少一個光源；-光導，設置為通過全內反射限制從所述至少一個光源獲得的光，該光導具有一出射面，從該出射面的各個位置選擇性地耦合光；以及-掃描裝置，用于選擇性地耦合來自所述光導出射面上的所述不同位置的光，以便與所述屏的反復掃描同步地、順序和反復地照射所述屏的選定區域。
因此本發明能夠從光導出射面的選定位置順序地發射光，而不需要該至少一個光源的任何對應切換。此外，光從每個所述位置射出的光基本上是均勻的，因為所述光從一般的光源(即，所述從之得到通過TIR(全內反射)在光導中傳播的光的至少一個光源)得到，并且在每個所述位置在相同的環境下將光從光導中耦合出來。
優選的是，該屏包括LCD顯示屏，當然其它形式的顯示器也可受益于本發明的特性。
在一個優選實施方案中，借助于柔性元件使光在所述選定位置選擇性地從光導中耦合出來，所述柔性元件是例如聚合物光散射箔，該箔與光導的出射面并列，能夠被吸引以在每個所述位置與所述面局部接觸，由此局部地干擾光通過TIR在光導中的傳播，并且使光從選定位置射出。優選的是，在施加于適當設置的透明電觸點的適當動態電壓波形的影響下，靜電地實現箔相對于光導的所述出射面的運動。這樣生產的耦出(outcoupling)配置類似于現有技術的顯示器裝置的原理，其中置于視屏和背燈之間的可移動箔通過施加動態電壓波形而局部吸引到光要從顯示器發出的位置處(取決于要顯示的圖像內容)與背燈的出射面接觸。利用可移動箔和為其設置的照明裝置的器件的例子可以在WO-A-9928890；WO-A-0038163；WO-A-0050949和WO-A-0163588中得到。應該理解，在前面的說明書中，利用可移動箔直接提供光輸出以用于顯示，并且不作為用于如LCD屏的主顯示器的背燈。在這些現有技術的裝置中，箔和背燈表面之間的局部接觸點代表輸出圖像的亮像素。
在另一個優選實施方案中，借助于液晶凝膠或聚合物分散液晶的薄層而將光選擇性地從所述選定位置耦合出來，所述液晶凝膠或聚合物分散液晶結合到光導中，并平行于光導的出射面設置。
在一個實施方案中，電極置于相對的表面上，該裝置設置為向所述電極提供動態波形，以使掃描裝置選擇性地在基本上透明的非散射狀態和散射狀態之間切換。在另一個實施方案中，掃描裝置包括互相交叉地置于一個表面上的電極，該裝置設置為向所述電極提供形成電場的動態波形，以使掃描裝置選擇性地在基本上透明的狀態和散射狀態之間切換。
優選的是，光導進一步包括設置為接收所述光的入射面；所述入射面包括多個分隔開的耦入(incoupling)元件，所述元件從該入射表面直立并具有相對于所述入射面橫向延伸的各個側壁。更優選的是，該背燈進一步包括置于所述耦入元件之間的間隔內的反射裝置。這些反射裝置優選設置為僅僅通過所述耦入元件的側壁、按照使所述光在所述光導內發生TIR的角度將光反射到所述光導內。
為了可以清楚地理解本發明，并使本發明容易實施，現在僅僅以例子的方式參照附圖描述其特定實施方案，其中

圖1示出依照本發明各個不同實施方案的顯示器的一般結構的橫截面示意圖；圖2示出供圖1裝置中所用的根據本發明一個實施方案的掃描背燈裝置的橫截面示意圖；圖3示出供圖1裝置中所用的根據本發明另一個實施方案的掃描背燈裝置的橫截面示意圖；以及圖4示出供圖1裝置中所用的根據本發明另一個實施方案的掃描背燈裝置的橫截面示意圖。
現在參考圖1，該圖示出包括背燈的顯示器，所述背燈包括光導10、光盒34、將光以掃描方式供給平板顯示屏46的背燈掃描元件44。顯示屏46優選是LCD屏，包括電極矩陣，由此依照接收到的圖像信號，借助于圖像掃描電路(未示出)對像素大小的區域上的透射光強度進行調制，以產生圖像幀。顯示屏46可以是單色或彩色型透射顯示屏。利用接收從圖像信號源得到的掃描信號并輸出背燈掃描定時信號的同步電路(未示出)，使背燈的掃描與顯示屏的掃描同步。
希望光通過TIR在光導10內傳播，如標有箭頭的線12和14示意性所示。在該實施方案中，光導10是由諸如玻璃或塑料材料的固體透明材料所形成的薄板狀結構。光導10具有尺寸相對較小的邊緣16、18，而其上和下表面20和22如圖中所見，通常分別為矩形并具有相對較大的尺寸，與顯示區域相當。
如圖中所觀察到的，光導10的下表面22基本上是平面的，并且在該實施例中構成光導的出射面。
如圖中所觀察到的，上表面20構成光入射面，并包括以分隔開的直立耦入元件24的一維陣列。在該實施例中，每個耦入元件24由橫截面基本上為矩形的細長脊構成，這些細長脊形成為表面20的一部分，并且橫向置于表面20上。每個元件24都具有側壁26和外表面28；在該實施方案中，側壁直立且基本上與光導10的入射面20正交，當然并不必須這樣。
在耦入元件24之間的間隔中設置反射元件30，該反射元件使光不能以無法在光導10中發生TIR的角度通過間隔內的入射面進入光導。在該實施例中的反射元件30包括層疊部件，所述層疊部件形成倒V形，從一個耦入元件24的側壁26的底部有效延伸到相鄰耦入元件24的側壁26的底部。反射元件30設置為使得在反射元件30和光導10的入射面20之間基本上不存在光耦合，以便減少通過TIR在光導10中傳播的光的不希望的耦出。
諸如管狀熒光燈32的光源的陣列置于光盒34中，并與光導10的入射面20緊密耦合。
耦入元件24能夠以各種不同形式構成，而不是形成為矩形截面的細長脊的一維陣列，另外例如可形成為如立方體或圓柱的直立柱狀元件的二維陣列。但是無論如何，側壁26用于為光從光盒34進入光導10(反之亦然)提供唯一通道。耦入元件的端壁28首先設有如黑色層36的光吸收涂層，其上設有反射涂層38，該反射涂層優選是白色漫反射涂層。涂層36的目的是吸收從光導10內部入射到達外表面28的任何雜散光，因為如果這種光可以通過從外表面28的背反射繼續傳播，那么這種光不會發生TIR，因此可能作為不需要的雜散光從端壁22射出。反射涂層38阻止光以不能在光導中發生TIR的角度從光盒34入射進入光導，并使這種入射光改變方向回到光盒34中。
同樣，反射元件30在面對燈的表面上具有反射涂層，優選是白色漫反射涂層，并在面對光導10的表面上具有黑色吸收涂層。此外，在反射元件和光導之間的區域40中設置空氣，以降低反射元件和光導之間光耦合的程度，并因此降低在TIR條件下在光導中傳播的有用光的耦出。
光盒34在其內表面42上涂有白色漫反射材料，以便將燈發出的光最大程度地限制在光盒中，因此可由系統使用。
代替管狀熒光燈32的陣列或者除了管狀熒光燈32的陣列之外，光盒34中可以采用其它光源，如LED。
在使用管狀熒光燈時，它們的軸優選平行于表面20并平行于耦入元件24的長軸延伸(當元件24是細長形時)。在采用的光源的數量和提供的耦入元件的數量或光導尺寸之間不存在直接的相關性；各個值和尺寸設置為適合系統作為整體的操作要求。
反射元件30不需要提供如圖中所示的傾斜反射面，可以采用任何方便和實用的形式，只要記住它們的計劃用途是使光通過耦入元件24的側壁26轉向進入光導10，以及在反射元件30和光導的入射面20之間應該基本上不存在光耦合的要求。側壁優選基本上與入射面20正交，當然，如前所述這不是必要的，它們可以以其它方向設置。
在下面的附圖中，示意性地并且以稍微簡化的形式(簡化為雙塊50)示出上述一般形式的背燈，光導的出射面用52表示。出于圖解說明的目的，省略了顯示屏46，但是應該理解該顯示屏是存在的。
現在通過例子的方式描述有關本發明的各個實施方案，應該理解，在每種情況下，該掃描背燈都不意圖以與顯示器的各個象素一對一的關系從出射面52上各背照區域耦合光。相反，本發明使出射面上的每個背照區域都跨越以例如正方形或條形設置的多個像素。
現在參考圖2，本發明的第一實施方案包括背燈50，如上所述具有出射面52和掃描機制54，該掃描機制允許光從出射面52的各個位置選擇性地發射。
在該實施例中，掃描機構54包括聚合物箔56，該箔含有散射粒子，能夠選擇性地接觸背燈50的出射面52上的各個位置，從而在那些位置將光耦合到光導外面，并使這樣耦合的光基本上各向同性地向顯示屏(未示出)散射，如58所示。
在圖2的實施方案中，在出射面52上提供透明行電極60，在透明支承板元件64的內表面上提供透明列電極62；在箔56面對列電極的一側上提供公共電極(未示出)。
箔由與出射面52呈并列關系的襯墊(如66)支撐；這種裝置通常可以依照為箔顯示器開發并且例如在上述國際專利申請中所述的制造程序來生產。
借助于將動態電壓波形施加于各個電極來控制箔56向背燈50的出射面52的選擇性彎曲，從而通過選擇性地使箔56順序接觸不同位置處的出射面52，由此在與基本上為矩形的背照區域相對應的各個位置上在箔和光導之間建立掃描接觸，來實現用散射光58掃描照射LCD屏的各部分，所述矩形背照區域中的每一個占LCD屏的總表面積的2％-20％，優選大約為10％。
圖3中示出的本發明的實施方案與圖2的實施方案類似，只是沒有在支承板64上提供列電極，因此出射面52上的背照區域包括各個條，而不是矩形區域，其中光響應于出射面52與箔56的掃描接觸而從出射面52射出。但是，每個條照射LCD屏2％-20％，優選大約為10％，將散射光58導向該LCD屏。
應該理解，電極60應該具有基本上光學平滑的表面，以避免不需要的TIR干擾。
在圖4中示出的本發明的實施方案中，在背燈50的出射面52上提供液晶凝膠層70。
行電極72和公共電極74置于層70的相對側，這些電極分別設置在出射面52和透明板元件78的內表面76上；后者與出射面52并列并借助于襯墊80與其分開。
層70的液晶凝膠通常是非散射的，因此不會干擾光在TIR條件下在背燈50的光導中傳播。實際上，層70和板元件78能夠被認為是光導的組成部分，只要適當地選擇其折射率。
透明電極72，74優選由銦錫氧化物(ITO)構成，并且優選涂有聚酰亞胺定向層，如Nissan Chemical Polyimide SE7511L。在該實施例中，由向列型液晶、液晶二丙烯酸酯單體和光引發劑以92.00∶7.95∶0.05的重量比的混合物來制備形成層70的液晶凝膠材料；選擇向列型液晶混合物使其顯示負的介電各向異性。后面的特性確保液晶分子指向(棒狀液晶分子的分子長軸的平均方向)進行切換。
在場關閉狀態下，聚酰亞胺定向層使液晶混合物的上述長軸定向為一般與凝膠層70的薄尺寸交叉對準。在這種條件下，通過使液晶單體受控地暴露于UV光下而發生聚合。形成的聚合物網絡具有開放結構，由充滿非活性向列型液晶的單元以及單元壁組成，所述單元壁由密集交聯的二丙烯酸酯構成，二丙烯酸酯的長分子軸定向為平行于向列型液晶的方向。相位分離的聚合物網絡和向列型液晶的折射率匹配，這意味著，在場關閉狀態下，層70是透明的，并且該層70基本上不影響背燈50中的光傳播。
但是，當在電極上施加場時，那么液晶材料定向為垂直于該場力線，所述電極置于凝膠層70的兩側相對于背燈50的出射面52的選定位置處。因為存在聚合物網絡，因此定向是隨機的，并形成使光在選定位置散射的微米尺寸的疇。如58所示的這種散射足以將光從面52出耦合到LCD屏(未示出)的一般方向，并最終耦合到顯示器的觀看者。在該實施方案中，背照區域是一維陣列或條的形式，每個條照射LCD屏的2％～20％，優選大約為10％，其中散射光58導向所述LCD屏。
在另一個實施方案中，借助于并入光導且平行于光導出射面設置的聚合物分散液晶(PDLC)薄層，可從所述選定位置選擇性地耦合出光。PDLC層對于基于液晶的電光開關領域的普通技術人員來說是已知的，并且例如由液晶與至少一種單體混合而形成。單體可以通過加熱或通過光化學照射而聚合為聚合物，其中所形成的聚合物的相位分離產生散射狀態。當利用電場尋址時，聚合物的折射率與液晶的折射率相配，使得它們對于透射光來說是透明的。在該實施方案中，向置于PDLC層相對的表面上的電極提供動態波形，以使該層選擇性地在透明(非散射)狀態和散射狀態之間切換，這取決于各個位置處對光發射的需要。在這種情況下的折射率匹配應該使它們對于入射到光導中該層上的光是相等的。這與大多數目前的PDLC應用相反，在這些目前的應用中光垂直于膜的平面透射。
應該理解，可以在不背離本發明范圍的條件下使用其他的散射機制來實現本發明的一個或多個目的。例如，在圖4的實施方案中，可以使用聚合物分散型液晶或聚合物填充型向列，但是更優選是在液晶中形成聚合物網絡。并且應該理解，其他電極結構也是可以的。在另一個優選實施方案中，沒有將兩個電極放置為相對于液晶包含膜彼此相對，而是例如以互相交叉的方式放置在同一側。當對彼此相鄰的兩個電極施加電壓時，場平面中的電場將包含膜的液晶從非散射狀態切換到散射狀態，反之亦然。在液晶凝膠的情況下，可以使用具有正介電各向異性的垂直對準的液晶，這與僅需要在一個基底上配有電極的事實相結合使得器件成本有效降低。
此外，可以使用與圖1中示出并參考圖1進行描述的不同的背燈裝置，但是優選使用能夠提供基本上均勻照射的背燈，與相對于顯示屏的位置無關地，優選的是在使用顯示器的同時，結合到背燈中的一個或多個光源能夠連續工作。
如果需要，可以在掃描背燈和用于照射的屏之間插入另一個屏，如透鏡衍射屏或純漫射屏。用這種方法，能夠使照射區域的邊緣散焦或者不被強調，由此降低了響應于順序照射區域的清晰邊緣而可能產生有害假象的任何風險。
本發明包括顯示裝置，如廣播/有線電視接收機，用于醫學、技術或法庭目的的專家監視設備，以及用于個人計算機的顯示器。
應該理解，關于任何一個實施方案描述的任何特征都可以單獨使用，或者與描述的其他特征結合使用，還可以與任何其他實施方案的一個或多個特征結合使用，或者與任何其他實施方案任意結合使用。而且，也可以采用沒有背離本發明范圍的上面未描述的等效方案和修改，本發明的范圍在所附的權利要求書中限定。
權利要求
1.包括以預定速度被反復掃描以顯示圖像的圖像產生屏和照射該屏的背燈的顯示裝置，該背燈包括-至少一個光源；-光導，所述光導被設置為通過全內反射限制從所述至少一個光源獲得的光，該光導具有出射面，光從該出射面的各個位置選擇性地耦合；以及-掃描裝置，用于選擇性地從所述光導出射面上的所述不同位置耦合光，以便順序和反復照射所述屏的選定區域，所述照射是與所述屏的反復掃描同步的。
2.根據權利要求1的顯示裝置，配置成在該至少一個光源的連續激活期間順序地從所述各個位置耦合光。
3.根據權利要求1或2的顯示裝置，其中所述屏包括液晶顯示屏。
4.根據前面任一項權利要求的顯示裝置，其中掃描裝置包括與光導的出射面并列的柔性元件，所述柔性元件能夠通過吸引選擇性地與所述面局部接觸。
5.根據權利要求4的顯示裝置，其中所述柔性元件包括聚合物光散射箔。
6.根據權利要求4或5的顯示裝置，其中掃描裝置包括透明電觸點，柔性元件設置為在施加于所述觸點的動態電壓波形的影響下相對于光導的出射面靜電移動。
7.根據權利要求1至3中任一項權利要求的顯示裝置，其中掃描裝置包括基本上平行于光導出射面設置的液晶凝膠的薄層。
8.根據權利要求7的顯示裝置，其中所述液晶凝膠由向列型液晶、液晶二丙烯酸酯單體和光引發劑的混合物制備。
9.根據權利要求8的顯示裝置，其中向列型液晶混合物顯示負的介電各向異性。
10.根據權利要求1至3中任一項權利要求的顯示裝置，其中掃描裝置包括基本上平行于光導出射面設置的聚合物分散液晶的薄層。
11.根據權利要求7至10中任一項權利要求的顯示裝置，其中掃描裝置包括置于相對的表面上的電極，該裝置設置為向所述電極提供動態波形以使掃描裝置選擇性地在基本上透明的非散射狀態和散射狀態之間切換。
12.根據權利要求7至10中任一項權利要求的顯示裝置，其中掃描裝置包括互相交叉地置于一個表面上的電極，該裝置設置為向所述電極提供形成電場的動態波形，以使掃描裝置選擇性地在基本上透明的狀態和散射狀態之間切換。
13.根據前面任一項權利要求的顯示裝置，其中所述各個位置中的每一個都形成不同的細長的背照區域的一部分，所述背照區域以一維陣列設置。
14.根據權利要求1至12中任一項權利要求的顯示裝置，其中所述各個位置中的每一個都形成不同的基本上矩形的背照區域的一部分，所述背照區域以二維陣列設置。
15.根據權利要求13或14的顯示裝置，每個所述背照區域都對應于所述屏的總表面積的20％或更少。
16.根據權利要求13、14或15的顯示裝置，每個所述背照區域都對應于所述屏的總表面積的2％或更多。
17.根據權利要求13至16中任一項權利要求的顯示裝置，其中每個所述背照區域在尺寸上與所述屏上的多個像素相對應。
18.根據前面任一項權利要求的顯示裝置，其中所述光導進一步包括設置為接收所述光的入射面，該入射面包括多個分隔開的耦入元件，所述元件的各個側壁沿所述入射面橫向延伸。
19.根據權利要求18的顯示裝置，背燈進一步包括置于所述耦入元件之間的間隔內的反射裝置。
全文摘要
顯示裝置，包括以預定速度被反復掃描以顯示圖像的圖像產生屏(46)，和照射該屏的背燈。該背燈包括光導(10)，該光導設置為通過全內反射限制光，具有出射面(22)，利用掃描裝置(44)從出射面(22)的各個位置選擇性地耦合光。該掃描裝置順序和反復照射所述屏的選定區域，所述照射與所述屏的反復掃描同步。
文檔編號G02F1/1334GK1682147SQ03822091
公開日2005年10月12日 申請日期2003年8月8日 優先權日2002年9月18日
發明者J·馬拉, D·J·布羅爾, T·M·H·克里梅斯, P·A·杜因, H·德科寧 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司