專利名稱：準直儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種改進的準直儀，尤其是與使用光致發光屏類型的液晶顯示系統一起使用的準直儀。如同例如WO 95/27920(Crossland等)中所討論的一樣。
產生適用于液晶顯示單元的準直光的裝置是公知的。例如，IBM技術公報(1987)在4838頁公開了一種包括光導板和透鏡板的系統，在所述透鏡板的前方放置多個模鑄微透鏡。模鑄微透鏡把通過光導板上的孔的光準直。歐洲專利申請529 832(Rockwell International)中公開了一種類似的結構。在這種情況下，使用磷光體提供將由透鏡陣列聚焦的小光點。
在液晶顯示器中由于多種原因需要準直儀，一個原因是當使用漫射光源時，通過單個單元沒有被準直的光將擴展并照射光致發光屏的大部分區域，導致串擾。這樣將影響屏幕的分辨率，這對于使用光致發光屏的LCD非常重要，在彩色顯示器中可能導致照射顏色不正確的磷光體。對于標準類型的液晶單元，提高背景光準直度具有降低顯示器視場角的不良后果，雖然顯示器在準直方向上更明亮。因此來自顯示器的光必須再次擴展，例如通過漫射板。然而，在光致發光LCD(PLLCD)中，位于前屏上的磷光體完成漫射功能具有許多優點，如同WO 95/27920中描述的一樣。然而，現有的準直儀笨重，而且需要昂貴的制造技術精確制造透鏡陣列。
光學元件的抗反膜也是公知的。抗反膜的工作原理是如果表面鍍有折射率n2且滿足下面關系式的薄膜，則所有垂直于折射率為n1的透明表面入射的光被透射，所述關系式為n0×n1＝n22并且n2×d＝λ/4其中n0是空氣折射率；d是單元厚度；λ是使用的光波長。以其他角度入射(和其他波長)的光被部分反射。
抗反膜只對于特定波長的垂直入射光的作用是理想的。然而，通過使用多個不同折射率和厚度的電介質膜可以改進垂直入射的光譜通帶。本發明基于如下認識，即薄電介質膜可以在顯示器中具有新用途。
根據本發明的第一方面，提供了一種用于預定波長附近的光譜段的準直儀，包括具有電介質膜堆的干涉濾光片，該膜堆的光學厚度使得譜段上的光在預定入射角度范圍內比譜段上以其他角度入射的光的透射率高。
該準直儀可以與漫射光源一起使用，為光調制裝置尤其是LCD提供光輸入。干涉濾光片尤其有利，因為薄膜實際上不占空間，而且可以被包括在現有元件上作為膜層，例如LCD的玻璃板上。
當然濾光片適用于輸入光的窄譜段范圍。因此光源應該是近似單色或窄譜段的，以便獲得最佳結果。這對于LCD通常并不是所希望的，至少對于彩色顯示器是不希望的，但是對于PLLCD情況通常是這樣的，即輸入光是窄譜段近可見UV光，該輸入光理想適用于銳截止濾光片。然后彩色輸出由磷光體提供。
在角度或波長范圍上通常的濾光片可以看作3種類型之一低通濾光片、高通濾光片或者帶通濾光片。當在波長范圍上考慮問題時，低通濾光片也稱為短波通濾光片，類似地高通濾光片稱為長波通濾光片。短波和長波濾光片也可以稱為流線式濾光片，在它們的響應中有單個邊；該邊的位置本身稱為濾光片截止波長。為了清楚起見，這種濾光片的截止波長一般定義為響應(通常是透射響應)等于垂直入射時的50％的點。類似的定義可以用于濾光片在角度范圍上的截止角度。這些類型濾光片的理想透射率-波長曲線示于
圖1中。
帶通濾光片具有兩個邊，因此具有兩個截止波長；在波長范圍上這些稱為長波和短波截止波長。
已經公知隨著入射角增大干涉濾光片在波長范圍內的響應形式向短波方向移動；這種情況圖示于圖2中。
如果在垂直入射時濾光片在波長范圍內的性能呈帶通類型，那么可以利用這一性質近似預測特定波長在角度范圍內的性能。例如，參考圖3，在波長λ0處在角度范圍內的性能將如圖4所示(低通濾光片)，而在波長λ1處的性能將如圖5所示(高通濾光片)。
當然這些圖只是示意性的，因為嚴格地說隨著入射角增大響應形式并不嚴格保持不變。圖6示出準備用于本發明的短波通流線式濾光片在兩個入射角即垂直入射和30°的實際響應。
然而，可以看出對于靠近截止波長的波長，其透射特性對入射角敏感。例如，390nm波長的光在垂直入射時大部分將通過，而在30°時幾乎全部反射。
在PLLCD應用中，所需要的在角度范圍內的性能通常是低通濾光片性能。在這種情況下，所需要的波長范圍內響應不必是精確“帶通”，而且短波流線型濾光片如圖4所示就足夠了。
如果要使近似垂直入射的光通過，那么流線型濾光片的截止波長應該設置在指定波長的長波一端(即光源的峰值光譜)。例如圖6中濾光片的截止波長為396nm，位于指定波長例如388nm的長波一端。在388nm處在角度范圍內產生的響應示于圖7中。該響應表明388nm漫射光源的角度分布在通過濾光片時將限制在±25°左右。
通過把截止波長設置成靠近指定波長將實現更集中分布，而且顯然發生一種折衷現象即增大截止波長使得光透過率最大，但是光發散角變寬。另一方面如果截止波長短，使得單色光的波長位于透射系數關于波長的曲線的通頻帶截止波長處的陡邊附近或者甚至在陡邊上，那么將以降低亮度為代價來改善準直度。
對于實際濾光片，例如圖6所示，陡邊在較小或較大峰值或“第一最大值”頂點終止，它的大小依賴于濾光片的性能。該峰值對于確定光源波長與濾光片特性之間的關系有用。通常，預定波長應該靠近截止波長，在它的短波一端，以便允許足夠的光通過。可以調整膜層確保在預定波長的透過率至少為第一最大值處透過率的80或90％。按照另一評價標準，如果光源具有有限帶寬Δ(如同實際中一樣)，那么應該設定濾光片的截止波長，以便確保基本上所有的光輸出(至少90％)通過濾光片(不被反射)。
在一變型實施例中，如果只要非直射光被透射，那么可以使用高通濾光片，光源波長(即預定波長)位于截止波長的短波一邊。
基底最好是平板，而且準直儀與利用準直光輸出的光學裝置一起使用。
簡單膜堆的效率可能很低，例如截止角度為30°的理想低通角度濾光片，當與朗伯光源一起使用時效率為50％。為了提高效率或總光通量，提供了一種把沒有被利用的光再利用的裝置。可以做到這一點是因為沒有通過濾光片的光沒有被吸收，而是在透射中使用濾光片的情況下被反射。那么沒有被利用或被反射的光被適當的裝置再傳播給濾光片，例如，高反射鏡而不是漫射鏡(見圖8)。
因為可以改變許多參數以便調整透射光譜，所以根據本發明設計準直儀的最簡單方法是使用計算機程序，該程序可以計算給定介電常數的多個膜層的作為波長和角度函數的透射系數。這樣的計算機程序并不難編寫。
兩種電介質材料最好選擇成在預定波長處的折射率相差盡可能大。例如，可以選擇五氧化二鉭(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)，它們在波長388nm的折射率分別約為2.3和1.47。二氧化鈦(TiO2)可以作為替代的(如果有點損耗的話)高折射率材料，而氟化鎂可以作為替代的低折射率材料。
一旦選定了材料，就必須確定它們的厚度。然后，可以使用適當的程序評價所產生的濾光片的性能。例如通過選擇高折射率膜層具有相同的厚度，等于預定波長的四分之一，獲得了好的結果。
將使用術語例如(HL)n，其中H表示高折射率材料膜層，L表示低折射率材料膜層。認為每個膜層的厚度為適當介質中的波長的四分之一。通過把括號內的膜層重復‘n’次可以產生規律性的膜堆；因此膜層(HL)10具有20層膜，每種材料的膜為10層。而且，可以用這一術語描述任意膜層結構，例如(HL)3(2H)(LH)3。見James DRancourt的論文“Optical Thin Films-Users’Handbook”中有關進一步的解釋和例子。
短波通濾光片的最佳實施例，諸如如上所述可以用于限制光分布角度的短波通濾光片，通過如下方式設計，即設計正確位于波長范圍內的(HL)n濾光片，然后使用優化算法例如TFCalc中提供的算法改善相對于適當優化目標的性能。這一過程示于圖9和10中。如果通過上述方法波長范圍內的通頻帶已經位于正確位置，那么就達到所要求的在角度范圍內的性能。圖9示出由(HL)13膜堆構造的未優化的流線型濾光片，而圖10示出優化以后的流線型濾光片。
根據本發明的準直儀具有如下明顯的缺點，即它只適用于預定波長附近的波段范圍內的光。然而，對于使用基本上為單色光的應用，這將不成為缺點，而且根據本發明的準直儀與多透鏡陣列比較非常簡單，容易制造，而且厚度降低，具有相當的優越性。因此該準直儀最好與匹配的基本為單色的光源一起使用。
最好，膜層為無機膜層，可以使用公知方法沉積。最好，使用不多于兩種不同的電介質材料，交替設置在基底表面上。為了獲得足夠的角度靈敏度，通常需要至少提供三對電介質膜層。在一些當前實施例中，大約使用二十五對膜層，這些膜層提供較好的角度靈敏度，而不使得制造過于困難。
對于PLLCD，預定波長最好為大約388nm，但是也可以使用365nm(汞放電燈的通常波長)。電介質材料的折射率應該相差得盡可能大。在其他實施例中預定波長可以為405nm。也可以考慮對于給定的膜堆選擇波長，而不是對于給定的波長調整膜堆。然而，因為大多數光源發射固定波長的光，所以通常調整膜層的厚度比較容易。
本發明可以用于為液晶顯示器提供準直光，或者至少改進這種顯示器中的光的準直度。這樣的液晶顯示器可以包括用于調制單色光的液晶單元，夾在前后透明基底之間，其中介電常數不同的膜堆設置在后透明基底上，適于透射預定窄波段內基本上垂直基底入射的光，并反射該波段內以其他角度入射的光，例如大約25°以上的光。
最好，液晶顯示器是光致發光液晶顯示器(PL-LCD)，其中光致發光層設置在前透明基底上。液晶顯示器可以是如下類型，即具有兩個夾在液晶單元兩邊的偏振片，在每個透明基底的外部設置一個。偏振片可以是線偏振型或圓偏振型，而且對于某些類型的液晶單元，每種類型的偏振片各使用一個。膜堆最好設置在第一偏振片上(例如設置在光源一邊)。
最好，液晶顯示器進一步包括設置在后透明基底后面的光源，以便產生窄帶輸入輻射光。
光源發射的大部分光并沒有被多層膜透射，而是發生鏡面反射。因此，為了避免浪費該反射光，最好在光源后面設置漫射反射鏡，如上所述。漫射反射鏡反射的一部分光將在期望的角度通帶內，被多層膜透射；其余的光將再次被反射回漫射反射鏡，以便進一步向LCD反射。
在邊緣照明(edge-lit)的實施例中，光源可以設置在透明基底的一邊，而漫射表面設置在透明基底的與膜堆相對的另一邊。
為了更好地理解本發明，下面將結合附圖純粹以舉例方式描述本發明的具體實施例，其中
圖1示意性示出理想流線型和帶通濾光片的透射系數；圖2示出帶通濾光片隨著入射角變化響應的偏移；圖3示出波長范圍內的理想帶通濾光片；圖4示出圖3中的濾光片在波長λ0處的入射角相關性；圖5示出圖3中的濾光片在波長λ1處的入射角相關性；圖6示出實際濾光片對于波長為388nm的光在0°和30°兩個入射角的響應；圖7示出圖6中的濾光片的入射角相關性；圖8示出根據本發明的示意性結構；圖9示出由(HL)13膜堆構造的未優化流線型濾光片的透射率；圖10示出優化以后的流線型濾光片；圖11示出根據本發明的液晶顯示裝置的示意圖；以及圖12示出另一種背面照明結構。
在圖11中，液晶層1表示為包含在前透明基底3和后透明基底5之間。兩個偏振片7、9設置在液晶單元和透明基底之間。電極設置在透明基底3和5上以便控制液晶單元1。在該實施例中，透明基底3、5由玻璃制成。電介質堆11設置在后透明基底5的后表面上。漫射反射鏡15設置在顯示器的后部，光源13設置在漫射反射鏡15和電介質堆11之間。光源可以是例如一系列鍍磷光體的汞蒸氣放電管，發射大約365nm或388nm的UV光。RGB磷光體17設置在前透明基底3上，以便當被通過液晶的UV光照射時提供可見光圖象。
電介質堆11包括電介質對的堆。在許多實施例中選擇的電介質是Ta2O5和SiO2，它們在波長λ等于388nm處的折射率分別為n＝2.3和n＝1.47。在第一實施例中介電常數較小的膜層的厚度由λ/4確定，這里為97nm，而介電常數較大的膜層的厚度為λ/2.955，這里為131nm(或者對于365nm的光分別為91nm和124nm)。在更復雜的實施例中，分別選擇每個膜層的厚度，而且二十五對膜層構成電介質膜堆11，即提供五十個膜層，二十五對Ta2O5和SiO2交替設置。厚度按照說明書結尾處的表給出。在另一實施例中，使用二氧化鈦和氟化鎂膜對。
圖6示出用于圖11的實施例中的電介質堆的透射系數T作為波長的函數。可以看出，電介質堆的最大反射發生在波長400nm和480nm之間，電介質堆的最大透射發生在大約385nm以下。適合的光源是具有磷光體的低壓汞放電燈，所述磷光體在波長365nm附近大約20nm寬的帶寬上發光；最近已經使用發射大約388nm光的磷光體，具有優越的窄FWHM帶寬13-14nm，參考例如L Ozawa和HN Hersch在“電化學學會學報”第122卷第9期第1222(1975)年上發表的論文。
膜堆在388nm的透射系數作為入射角的函數示于圖7中。可以看出，偏離垂直方向20°的光線的透射率比垂直入射光的透射率小得多，而且與垂直方向成30°角入射的光線很少的透射。這種準直是否充分依賴于顯示器的象素大小和具體結構以及液晶的光電特性。無論如何，準直度都提高了。這種準直對于彩色PL-LCD顯示器尤其重要，在這種顯示器中光照射具有正確顏色的磷光體而不是鄰近的磷光體十分重要，所述鄰近磷光體通常具有不同的顏色。
在使用中，光源13發光(在圖11中用箭頭示出)。光源示意性表示為一點，但是實際中將是一個或多個發光管。一部分光在正確方向上發射，垂直入射在電介質膜堆上并通過膜堆。其余的光反射到漫射反射鏡15。該反射鏡把光以不同的角度反射回電介質膜堆；一部分光再次通過電介質膜堆，而且大部分光將被反射，重復這一過程。
電介質膜堆只透射入射光的一小部分。因此，漫射反射鏡具有良好的反射特性十分重要，以便避免浪費太多的發射光。
以大體垂直入射角度入射在電介質膜堆上的光被透射到達液晶單元1。液晶1與偏振片3、5一起調制光。光致發光屏上被透過偏振片3、5和液晶單元的光激發的區域的磷光體17發射可見光，形成圖象。沒有透過偏振片3、5和液晶單元1的光的區域，磷光體17保持不發光。
該實施例中的電介質膜堆與使用磷光體和紫外光(即波長小于大約400nm的光)的液晶顯示器結合時具有另一優點即它濾除汞燈波長在400至480nm范圍的可見光，至少對于垂直入射光是這樣，如圖6所示。480nm以上光的透射峰值屬于30°曲線。
如果希望的話，本發明的準直儀可以與其他準直元件結合。而且，可以把電介質膜堆設置在液晶顯示系統的其他元件上，而不是直接設置在包圍液晶單元的透明基底上。實際上，本發明的準直儀對于任何需要粗略準直高度單色光的場合都是有用的，而不僅僅對于顯示器是必要的。
圖12示出另一種背面照明結構。光源13，例如具有如圖所示適當反射鏡的涂磷光體的低壓汞放電管，設置在平面透明基底19的邊緣附近；漫射反射鏡15設置在透明基底的后部，電介質膜堆11設置在前表面上。除了光源不再是位于漫射反射鏡與膜堆之間以外，該結構的工作方式與圖11所示結構相同。
表/nm /nm第一膜對 Ta2O564.55 SiO285.06第二膜對 Ta2O553.18 SiO278.83第三膜對 Ta2O550.06 SiO279.53第四膜對 Ta2O552.17 SiO276.02第五膜對 Ta2O550.66 SiO276.08第六膜對 Ta2O549.86 SiO278.21第七膜對 Ta2O551.33 SiO274.10第八膜對 Ta2O549.98 SiO275.34第九膜對 Ta2O551.15 SiO277.02第十膜對 Ta2O550.03 SiO277.47第十一膜對 Ta2O549.16 SiO276.33第十二膜對 Ta2O548.56 SiO277.33第十三膜對 Ta2O550.66 SiO277.64第十四膜對 Ta2O548.62 SiO276.33第十五膜對 Ta2O550.08 SiO278.62第十六膜對 Ta2O549.88 SiO276.80第十七膜對 Ta2O549.70 SiO275.73第十八膜對 Ta2O551.11 SiO276.91第十九膜對 Ta2O551.40 SiO278.40第二十膜對 Ta2O547.41 SiO281.94第二十一膜對 Ta2O554.55 SiO277.57第二十二膜對 Ta2O556.02 SiO291.77第二十三膜對 Ta2O560.17 SiO295.25第二十四膜對 Ta2O559.75 SiO282.80第二十五膜對 Ta2O558.70 SiO238.3權利要求
1.一種用于預定波長附近窄帶光的準直儀，包括具有電介質膜堆的干涉濾光片(11)，該膜堆的光學厚度使得譜段上的光在預定入射角度范圍內比譜段上以其他角度入射的光的透射率高。
2.根據權利要求1所述的準直儀，其中所述預定入射角范圍以垂直入射角為中心。
3.根據權利要求1或2所述的準直儀，其中所述干涉濾光片包括截止波長大于預定波長的低通譜段。
4.根據權利要求3所述的準直儀，其中所述濾光片的響應在截止波長的短波一邊在小于或等于預定波長的波長處具有第一透射峰值。
5.根據權利要求4所述的準直儀，其中所述第一峰值波長大約等于或稍微小于預定波長。
6.根據權利要求1或2所述的準直儀，其中所述干涉濾光片包括截止波長大于預定波長的高通譜段。
7.根據前面權利要求任何之一所述的準直儀，其中所述預定波長位于可見光范圍內。
8.根據權利要求1至6任何之一所述的準直儀，其中所述預定波長位于紫外光范圍內。
9.一種定向光源，包括根據前面任何權利要求之一所述的準直儀和漫射光裝置，調整為在預定波長附近窄帶內發光。
10.根據權利要求9所述的光源，進一步包括把沒有被準直儀利用的光返回到準直儀的裝置，以便提高光通量。
11.一種液晶顯示器，包括根據權利要求1至8中任何一項所述的準直儀(11)，或者權利要求9或10所述的光源，以及用于調制光的液晶調制器(1)。
12.根據權利要求11所述的液晶顯示器，進一步包括光致發光層(17)，用于接收調制光和產生顯示圖象。
13.根據權利要求12所述的液晶顯示器，其中所述干涉濾光片直接形成在液晶調制器的一個表面上，所述光致發光層形成在相對表面上。
全文摘要
一種準直儀由不同厚度的膜堆(11)以類似于低通干涉濾光片的方式形成。當被正好位于濾光片通帶內的預定波長的窄帶光照射時,該準直儀優先透射預定角度范圍內的入射光,通常為近似于垂直入射的光。該準直儀尤其適用于光致發光液晶顯示器,該顯示器具有光致發光發射物質(17),因為該準直儀膜層可以簡單地沉積在液晶調制器(1)的一個表面上。
文檔編號G02B27/30GK1261439SQ98806510
公開日2000年7月26日 申請日期1998年4月24日 優先權日1997年4月25日
發明者A·B·戴維, P·A·貝利, T·M·科克, W·A·克羅斯蘭德 申請人:英國國防部