准直仪的制作方法

专利名称：准直仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的准直仪，尤其是与使用光致发光屏类型的液晶显示系统一起使用的准直仪。如同例如WO 95/27920(Crossland等)中所讨论的一样。
产生适用于液晶显示单元的准直光的装置是公知的。例如，IBM技术公报(1987)在4838页公开了一种包括光导板和透镜板的系统，在所述透镜板的前方放置多个模铸微透镜。模铸微透镜把通过光导板上的孔的光准直。欧洲专利申请529 832(Rockwell International)中公开了一种类似的结构。在这种情况下，使用磷光体提供将由透镜阵列聚焦的小光点。
在液晶显示器中由于多种原因需要准直仪，一个原因是当使用漫射光源时，通过单个单元没有被准直的光将扩展并照射光致发光屏的大部分区域，导致串扰。这样将影响屏幕的分辨率，这对于使用光致发光屏的LCD非常重要，在彩色显示器中可能导致照射颜色不正确的磷光体。对于标准类型的液晶单元，提高背景光准直度具有降低显示器视场角的不良后果，虽然显示器在准直方向上更明亮。因此来自显示器的光必须再次扩展，例如通过漫射板。然而，在光致发光LCD(PLLCD)中，位于前屏上的磷光体完成漫射功能具有许多优点，如同WO 95/27920中描述的一样。然而，现有的准直仪笨重，而且需要昂贵的制造技术精确制造透镜阵列。
光学元件的抗反膜也是公知的。抗反膜的工作原理是如果表面镀有折射率n2且满足下面关系式的薄膜，则所有垂直于折射率为n1的透明表面入射的光被透射，所述关系式为n0×n1＝n22并且n2×d＝λ/4其中n0是空气折射率；d是单元厚度；λ是使用的光波长。以其他角度入射(和其他波长)的光被部分反射。
抗反膜只对于特定波长的垂直入射光的作用是理想的。然而，通过使用多个不同折射率和厚度的电介质膜可以改进垂直入射的光谱通带。本发明基于如下认识，即薄电介质膜可以在显示器中具有新用途。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于预定波长附近的光谱段的准直仪，包括具有电介质膜堆的干涉滤光片，该膜堆的光学厚度使得谱段上的光在预定入射角度范围内比谱段上以其他角度入射的光的透射率高。
该准直仪可以与漫射光源一起使用，为光调制装置尤其是LCD提供光输入。干涉滤光片尤其有利，因为薄膜实际上不占空间，而且可以被包括在现有元件上作为膜层，例如LCD的玻璃板上。
当然滤光片适用于输入光的窄谱段范围。因此光源应该是近似单色或窄谱段的，以便获得最佳结果。这对于LCD通常并不是所希望的，至少对于彩色显示器是不希望的，但是对于PLLCD情况通常是这样的，即输入光是窄谱段近可见UV光，该输入光理想适用于锐截止滤光片。然后彩色输出由磷光体提供。
在角度或波长范围上通常的滤光片可以看作3种类型之一低通滤光片、高通滤光片或者带通滤光片。当在波长范围上考虑问题时，低通滤光片也称为短波通滤光片，类似地高通滤光片称为长波通滤光片。短波和长波滤光片也可以称为流线式滤光片，在它们的响应中有单个边；该边的位置本身称为滤光片截止波长。为了清楚起见，这种滤光片的截止波长一般定义为响应(通常是透射响应)等于垂直入射时的50％的点。类似的定义可以用于滤光片在角度范围上的截止角度。这些类型滤光片的理想透射率-波长曲线示于

图1中。
带通滤光片具有两个边，因此具有两个截止波长；在波长范围上这些称为长波和短波截止波长。
已经公知随着入射角增大干涉滤光片在波长范围内的响应形式向短波方向移动；这种情况图示于图2中。
如果在垂直入射时滤光片在波长范围内的性能呈带通类型，那么可以利用这一性质近似预测特定波长在角度范围内的性能。例如，参考图3，在波长λ0处在角度范围内的性能将如图4所示(低通滤光片)，而在波长λ1处的性能将如图5所示(高通滤光片)。
当然这些图只是示意性的，因为严格地说随着入射角增大响应形式并不严格保持不变。图6示出准备用于本发明的短波通流线式滤光片在两个入射角即垂直入射和30°的实际响应。
然而，可以看出对于靠近截止波长的波长，其透射特性对入射角敏感。例如，390nm波长的光在垂直入射时大部分将通过，而在30°时几乎全部反射。
在PLLCD应用中，所需要的在角度范围内的性能通常是低通滤光片性能。在这种情况下，所需要的波长范围内响应不必是精确“带通”，而且短波流线型滤光片如图4所示就足够了。
如果要使近似垂直入射的光通过，那么流线型滤光片的截止波长应该设置在指定波长的长波一端(即光源的峰值光谱)。例如图6中滤光片的截止波长为396nm，位于指定波长例如388nm的长波一端。在388nm处在角度范围内产生的响应示于图7中。该响应表明388nm漫射光源的角度分布在通过滤光片时将限制在±25°左右。
通过把截止波长设置成靠近指定波长将实现更集中分布，而且显然发生一种折衷现象即增大截止波长使得光透过率最大，但是光发散角变宽。另一方面如果截止波长短，使得单色光的波长位于透射系数关于波长的曲线的通频带截止波长处的陡边附近或者甚至在陡边上，那么将以降低亮度为代价来改善准直度。
对于实际滤光片，例如图6所示，陡边在较小或较大峰值或“第一最大值”顶点终止，它的大小依赖于滤光片的性能。该峰值对于确定光源波长与滤光片特性之间的关系有用。通常，预定波长应该靠近截止波长，在它的短波一端，以便允许足够的光通过。可以调整膜层确保在预定波长的透过率至少为第一最大值处透过率的80或90％。按照另一评价标准，如果光源具有有限带宽Δ(如同实际中一样)，那么应该设定滤光片的截止波长，以便确保基本上所有的光输出(至少90％)通过滤光片(不被反射)。
在一变型实施例中，如果只要非直射光被透射，那么可以使用高通滤光片，光源波长(即预定波长)位于截止波长的短波一边。
基底最好是平板，而且准直仪与利用准直光输出的光学装置一起使用。
简单膜堆的效率可能很低，例如截止角度为30°的理想低通角度滤光片，当与朗伯光源一起使用时效率为50％。为了提高效率或总光通量，提供了一种把没有被利用的光再利用的装置。可以做到这一点是因为没有通过滤光片的光没有被吸收，而是在透射中使用滤光片的情况下被反射。那么没有被利用或被反射的光被适当的装置再传播给滤光片，例如，高反射镜而不是漫射镜(见图8)。
因为可以改变许多参数以便调整透射光谱，所以根据本发明设计准直仪的最简单方法是使用计算机程序，该程序可以计算给定介电常数的多个膜层的作为波长和角度函数的透射系数。这样的计算机程序并不难编写。
两种电介质材料最好选择成在预定波长处的折射率相差尽可能大。例如，可以选择五氧化二钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)，它们在波长388nm的折射率分别约为2.3和1.47。二氧化钛(TiO2)可以作为替代的(如果有点损耗的话)高折射率材料，而氟化镁可以作为替代的低折射率材料。
一旦选定了材料，就必须确定它们的厚度。然后，可以使用适当的程序评价所产生的滤光片的性能。例如通过选择高折射率膜层具有相同的厚度，等于预定波长的四分之一，获得了好的结果。
将使用术语例如(HL)n，其中H表示高折射率材料膜层，L表示低折射率材料膜层。认为每个膜层的厚度为适当介质中的波长的四分之一。通过把括号内的膜层重复‘n’次可以产生规律性的膜堆；因此膜层(HL)10具有20层膜，每种材料的膜为10层。而且，可以用这一术语描述任意膜层结构，例如(HL)3(2H)(LH)3。见James DRancourt的论文“Optical Thin Films-Users’Handbook”中有关进一步的解释和例子。
短波通滤光片的最佳实施例，诸如如上所述可以用于限制光分布角度的短波通滤光片，通过如下方式设计，即设计正确位于波长范围内的(HL)n滤光片，然后使用优化算法例如TFCalc中提供的算法改善相对于适当优化目标的性能。这一过程示于图9和10中。如果通过上述方法波长范围内的通频带已经位于正确位置，那么就达到所要求的在角度范围内的性能。图9示出由(HL)13膜堆构造的未优化的流线型滤光片，而图10示出优化以后的流线型滤光片。
根据本发明的准直仪具有如下明显的缺点，即它只适用于预定波长附近的波段范围内的光。然而，对于使用基本上为单色光的应用，这将不成为缺点，而且根据本发明的准直仪与多透镜阵列比较非常简单，容易制造，而且厚度降低，具有相当的优越性。因此该准直仪最好与匹配的基本为单色的光源一起使用。
最好，膜层为无机膜层，可以使用公知方法沉积。最好，使用不多于两种不同的电介质材料，交替设置在基底表面上。为了获得足够的角度灵敏度，通常需要至少提供三对电介质膜层。在一些当前实施例中，大约使用二十五对膜层，这些膜层提供较好的角度灵敏度，而不使得制造过于困难。
对于PLLCD，预定波长最好为大约388nm，但是也可以使用365nm(汞放电灯的通常波长)。电介质材料的折射率应该相差得尽可能大。在其他实施例中预定波长可以为405nm。也可以考虑对于给定的膜堆选择波长，而不是对于给定的波长调整膜堆。然而，因为大多数光源发射固定波长的光，所以通常调整膜层的厚度比较容易。
本发明可以用于为液晶显示器提供准直光，或者至少改进这种显示器中的光的准直度。这样的液晶显示器可以包括用于调制单色光的液晶单元，夹在前后透明基底之间，其中介电常数不同的膜堆设置在后透明基底上，适于透射预定窄波段内基本上垂直基底入射的光，并反射该波段内以其他角度入射的光，例如大约25°以上的光。
最好，液晶显示器是光致发光液晶显示器(PL-LCD)，其中光致发光层设置在前透明基底上。液晶显示器可以是如下类型，即具有两个夹在液晶单元两边的偏振片，在每个透明基底的外部设置一个。偏振片可以是线偏振型或圆偏振型，而且对于某些类型的液晶单元，每种类型的偏振片各使用一个。膜堆最好设置在第一偏振片上(例如设置在光源一边)。
最好，液晶显示器进一步包括设置在后透明基底后面的光源，以便产生窄带输入辐射光。
光源发射的大部分光并没有被多层膜透射，而是发生镜面反射。因此，为了避免浪费该反射光，最好在光源后面设置漫射反射镜，如上所述。漫射反射镜反射的一部分光将在期望的角度通带内，被多层膜透射；其余的光将再次被反射回漫射反射镜，以便进一步向LCD反射。
在边缘照明(edge-lit)的实施例中，光源可以设置在透明基底的一边，而漫射表面设置在透明基底的与膜堆相对的另一边。
为了更好地理解本发明，下面将结合附图纯粹以举例方式描述本发明的具体实施例，其中
图1示意性示出理想流线型和带通滤光片的透射系数；图2示出带通滤光片随着入射角变化响应的偏移；图3示出波长范围内的理想带通滤光片；图4示出图3中的滤光片在波长λ0处的入射角相关性；图5示出图3中的滤光片在波长λ1处的入射角相关性；图6示出实际滤光片对于波长为388nm的光在0°和30°两个入射角的响应；图7示出图6中的滤光片的入射角相关性；图8示出根据本发明的示意性结构；图9示出由(HL)13膜堆构造的未优化流线型滤光片的透射率；图10示出优化以后的流线型滤光片；图11示出根据本发明的液晶显示装置的示意图；以及图12示出另一种背面照明结构。
在图11中，液晶层1表示为包含在前透明基底3和后透明基底5之间。两个偏振片7、9设置在液晶单元和透明基底之间。电极设置在透明基底3和5上以便控制液晶单元1。在该实施例中，透明基底3、5由玻璃制成。电介质堆11设置在后透明基底5的后表面上。漫射反射镜15设置在显示器的后部，光源13设置在漫射反射镜15和电介质堆11之间。光源可以是例如一系列镀磷光体的汞蒸气放电管，发射大约365nm或388nm的UV光。RGB磷光体17设置在前透明基底3上，以便当被通过液晶的UV光照射时提供可见光图象。
电介质堆11包括电介质对的堆。在许多实施例中选择的电介质是Ta2O5和SiO2，它们在波长λ等于388nm处的折射率分别为n＝2.3和n＝1.47。在第一实施例中介电常数较小的膜层的厚度由λ/4确定，这里为97nm，而介电常数较大的膜层的厚度为λ/2.955，这里为131nm(或者对于365nm的光分别为91nm和124nm)。在更复杂的实施例中，分别选择每个膜层的厚度，而且二十五对膜层构成电介质膜堆11，即提供五十个膜层，二十五对Ta2O5和SiO2交替设置。厚度按照说明书结尾处的表给出。在另一实施例中，使用二氧化钛和氟化镁膜对。
图6示出用于图11的实施例中的电介质堆的透射系数T作为波长的函数。可以看出，电介质堆的最大反射发生在波长400nm和480nm之间，电介质堆的最大透射发生在大约385nm以下。适合的光源是具有磷光体的低压汞放电灯，所述磷光体在波长365nm附近大约20nm宽的带宽上发光；最近已经使用发射大约388nm光的磷光体，具有优越的窄FWHM带宽13-14nm，参考例如L Ozawa和HN Hersch在“电化学学会学报”第122卷第9期第1222(1975)年上发表的论文。
膜堆在388nm的透射系数作为入射角的函数示于图7中。可以看出，偏离垂直方向20°的光线的透射率比垂直入射光的透射率小得多，而且与垂直方向成30°角入射的光线很少的透射。这种准直是否充分依赖于显示器的象素大小和具体结构以及液晶的光电特性。无论如何，准直度都提高了。这种准直对于彩色PL-LCD显示器尤其重要，在这种显示器中光照射具有正确颜色的磷光体而不是邻近的磷光体十分重要，所述邻近磷光体通常具有不同的颜色。
在使用中，光源13发光(在图11中用箭头示出)。光源示意性表示为一点，但是实际中将是一个或多个发光管。一部分光在正确方向上发射，垂直入射在电介质膜堆上并通过膜堆。其余的光反射到漫射反射镜15。该反射镜把光以不同的角度反射回电介质膜堆；一部分光再次通过电介质膜堆，而且大部分光将被反射，重复这一过程。
电介质膜堆只透射入射光的一小部分。因此，漫射反射镜具有良好的反射特性十分重要，以便避免浪费太多的发射光。
以大体垂直入射角度入射在电介质膜堆上的光被透射到达液晶单元1。液晶1与偏振片3、5一起调制光。光致发光屏上被透过偏振片3、5和液晶单元的光激发的区域的磷光体17发射可见光，形成图象。没有透过偏振片3、5和液晶单元1的光的区域，磷光体17保持不发光。
该实施例中的电介质膜堆与使用磷光体和紫外光(即波长小于大约400nm的光)的液晶显示器结合时具有另一优点即它滤除汞灯波长在400至480nm范围的可见光，至少对于垂直入射光是这样，如图6所示。480nm以上光的透射峰值属于30°曲线。
如果希望的话，本发明的准直仪可以与其他准直元件结合。而且，可以把电介质膜堆设置在液晶显示系统的其他元件上，而不是直接设置在包围液晶单元的透明基底上。实际上，本发明的准直仪对于任何需要粗略准直高度单色光的场合都是有用的，而不仅仅对于显示器是必要的。
图12示出另一种背面照明结构。光源13，例如具有如图所示适当反射镜的涂磷光体的低压汞放电管，设置在平面透明基底19的边缘附近；漫射反射镜15设置在透明基底的后部，电介质膜堆11设置在前表面上。除了光源不再是位于漫射反射镜与膜堆之间以外，该结构的工作方式与图11所示结构相同。
表/nm /nm第一膜对 Ta2O564.55 SiO285.06第二膜对 Ta2O553.18 SiO278.83第三膜对 Ta2O550.06 SiO279.53第四膜对 Ta2O552.17 SiO276.02第五膜对 Ta2O550.66 SiO276.08第六膜对 Ta2O549.86 SiO278.21第七膜对 Ta2O551.33 SiO274.10第八膜对 Ta2O549.98 SiO275.34第九膜对 Ta2O551.15 SiO277.02第十膜对 Ta2O550.03 SiO277.47第十一膜对 Ta2O549.16 SiO276.33第十二膜对 Ta2O548.56 SiO277.33第十三膜对 Ta2O550.66 SiO277.64第十四膜对 Ta2O548.62 SiO276.33第十五膜对 Ta2O550.08 SiO278.62第十六膜对 Ta2O549.88 SiO276.80第十七膜对 Ta2O549.70 SiO275.73第十八膜对 Ta2O551.11 SiO276.91第十九膜对 Ta2O551.40 SiO278.40第二十膜对 Ta2O547.41 SiO281.94第二十一膜对 Ta2O554.55 SiO277.57第二十二膜对 Ta2O556.02 SiO291.77第二十三膜对 Ta2O560.17 SiO295.25第二十四膜对 Ta2O559.75 SiO282.80第二十五膜对 Ta2O558.70 SiO238.3权利要求
1.一种用于预定波长附近窄带光的准直仪，包括具有电介质膜堆的干涉滤光片(11)，该膜堆的光学厚度使得谱段上的光在预定入射角度范围内比谱段上以其他角度入射的光的透射率高。
2.根据权利要求1所述的准直仪，其中所述预定入射角范围以垂直入射角为中心。
3.根据权利要求1或2所述的准直仪，其中所述干涉滤光片包括截止波长大于预定波长的低通谱段。
4.根据权利要求3所述的准直仪，其中所述滤光片的响应在截止波长的短波一边在小于或等于预定波长的波长处具有第一透射峰值。
5.根据权利要求4所述的准直仪，其中所述第一峰值波长大约等于或稍微小于预定波长。
6.根据权利要求1或2所述的准直仪，其中所述干涉滤光片包括截止波长大于预定波长的高通谱段。
7.根据前面权利要求任何之一所述的准直仪，其中所述预定波长位于可见光范围内。
8.根据权利要求1至6任何之一所述的准直仪，其中所述预定波长位于紫外光范围内。
9.一种定向光源，包括根据前面任何权利要求之一所述的准直仪和漫射光装置，调整为在预定波长附近窄带内发光。
10.根据权利要求9所述的光源，进一步包括把没有被准直仪利用的光返回到准直仪的装置，以便提高光通量。
11.一种液晶显示器，包括根据权利要求1至8中任何一项所述的准直仪(11)，或者权利要求9或10所述的光源，以及用于调制光的液晶调制器(1)。
12.根据权利要求11所述的液晶显示器，进一步包括光致发光层(17)，用于接收调制光和产生显示图象。
13.根据权利要求12所述的液晶显示器，其中所述干涉滤光片直接形成在液晶调制器的一个表面上，所述光致发光层形成在相对表面上。
全文摘要
一种准直仪由不同厚度的膜堆(11)以类似于低通干涉滤光片的方式形成。当被正好位于滤光片通带内的预定波长的窄带光照射时,该准直仪优先透射预定角度范围内的入射光,通常为近似于垂直入射的光。该准直仪尤其适用于光致发光液晶显示器,该显示器具有光致发光发射物质(17),因为该准直仪膜层可以简单地沉积在液晶调制器(1)的一个表面上。
文档编号G02B27/30GK1261439SQ98806510
公开日2000年7月26日 申请日期1998年4月24日 优先权日1997年4月25日
发明者A·B·戴维, P·A·贝利, T·M·科克, W·A·克罗斯兰德 申请人:英国国防部