专利名称：平面显示器的光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种平面显示器，尤其是液晶显示器，该显示器采用短波激活光和如WO95/27920(Crossland等人)所述的例如PL-LCD的发光输出元件。
PL-LCD平面显示器主要存在关于需要激发光准直的问题。FPD技术的其它例子，例如TFT或STN屏幕，也有光准直的需要；但是这一般由于对比度、影像亮度，以及在STN屏幕中的多路复用性程度都会由于准直而增强。传统的液晶FPD的缺点在于，因为准直的程度提高，视角就因此受到影响。对此的建议解决方法包括在显示器前面(即，在彩色滤色片和观察者之间)的漫射屏。
PL-LCD结构通过在屏幕前面放置可见荧光体并用来自背面光的激活光对其激发的方法，避免了传统FPD的视角问题。但是，这种解决视角的方法使得PL-LCD的准直需要更强烈，因为在邻近的象素之间还存在另外的串扰问题。一种简单的解决概念是提供高度的准直，使得穿过一个液晶象素的光只碰撞正确的荧光体象素。但是，难以将来自扩展光源的光准直至如此程度，更难以有效地做到这一点。所需要的准直的量(或可允许的偏离度)取决于象素的间距以及液晶调制层和荧光屏之间的距离。
在传统的投影显示器中，例如电影投影仪、大屏幕背投TV等，使用来自邻近点光源的非常高度准直的光。但是，这种光不会简单地穿过调制层和下降，它仍然基本在屏幕之上平行。它被聚焦而不是聚集，并通过投影透镜被透射至屏幕上。如果不是在因为调制层和屏幕之间的大距离而使得准直需要(避免象素串扰)会大大超出目前的光学系统的情况下，那么这一点对于所有类型的投影显示器，而不仅是对PL-LCD结构来说就是真实的。在本发明中使用投影装置，以有助于PL-LCD平面显示器的操作。
本发明提供一种平面显示器，包括调制元件阵列，设计用来调制从背面输入的激活光，以及发光输出屏面，用于接收调制信号并给出相应的可见输出以产生显示影像；其特征在于，提供将调制元件的平面投影在输出元件平面上的光学装置。
使用光学装置以将LCD调制器的影像“投影”在荧光输出元件的优点在于，现在这两者可以不再需要由象素图案的几何形状和激活光的偏离度(准直度)而决定的距离来分开；现在的新的分开是由光学系统决定的。但是这不是说准直不再有关，而是在这种设计下，它以其它的方式影响影像的质量。实际上某些方案可以采用非准直光来进行操作，尽管因为需要遮掩或阻挡光到达荧光输出屏而使其有些浪费。总之，尽管准直仍然是有关的，但是其效果不再与象素几何形状呈简单的关系。
对于给定的准直量，没有光学装置的象素几何形状会确定荧光体和液晶调制器对于零串扰的最大分离。在许多情况下，该最大分离小于玻璃面板的厚度，对此的解决方法是在调制器里面而不是外面放置荧光体。虽然它至少在理论上是可行的，但是在实际中却是很困难和昂贵的。但是使用适当的光学元件解除了分离距离和象素几何形状之间的关联，并因此使得该分离可以任意地增大或减小，从而荧光体可以保留在调制器外面。因此本发明的一个用途是作为“内置荧光体”的替代方案。
尤其是与采用类似原理的其它传统结构相比较，使用该“投影”装置的另一个优点在于，就要被调制和投影的光而言，PL-LCD结构主要是单色的。因此，该光学装置不需要包括在光学系统中为了解决波长分散而通常需要的额外复杂结构，例如不再需要消色双合透镜连同它们的附带成本，单组透镜就足够了。另外，更微妙的优点在于，最终影像的分辨率只是由输出屏幕上的荧光体装置来决定。例如如果输出屏幕上的“点间距”是3/mm，那么影像的分辨率就是3点/mm。这是因为象素化的荧光屏有效地对光学系统所产生的影像再抽样，其方式为模拟声频材料的数字抽样。当考虑到荧光体最经常被布置在黑矩阵内的输出屏上时，这一点就是最明显的。如果分辨率使得每一个象素被以较不完美的方式在输出屏上成象，那么每个象素就会产生“模糊的”焦点不实的影像。但是，在一定的限制内，这种模糊影像内的光落在预定的象素或是在环绕它的黑矩阵内，从而正确的荧光体象素仍然被激活，并且仍然保留准确的影像。以这种方式，能够采用简单廉价的光学系统，而不会危及影像的质量。
采用光学装置来投射影像的原理与投影显示器是一致的，但是在该结构中，所有的零件优选被包括在一个单个外壳或刚性组件中，其液晶象素成象(即投影)的距离一般是毫米级或至多不过厘米级，肯定小于1米。一般来说，在本发明的实施方案中，成象距离比显示器的直线尺寸小。但是，小的成象距离或光“距”使得普通的透镜和类似于面板的孔径就完全不实用。对此的一个解决方案是使用微透镜的阵列。它们具有适当的焦距，即几毫米级的，但是可制成足以用于任何平面应用的阵列尺寸。
微透镜可以以任何方式使用；一种是集成成象，在微透镜的间距大大小于影像/物体的尺寸时发生。使用微透镜的集成成象的基本理论在NF Borelli等人的微透镜阵列的成象和辐射性质(Imaging and radiometric properties of micro-lensarrays)，应用光学，Vol.30(25),1991年9月1日3633-3642页中有所描述。在本发明的情况下，物体的尺寸一般是几十厘米，为LCD面板，因此可以发生集成成象。
即使使用场透镜，如本文所述，采用“普通的”准直量，产生了第二影像，它使获得的影像变劣。避免这个问题的最明显的方法是增加激活光的准直度。这方面对PL-LCD显示器特别有用，因为窄带激发光允许使用绝缘准直(见申请人的早期申请WO98/49585)。这是扩展光源准直特别有效的方式，因为一般的，通常为白光折射准直膜的人造产品的高角度旁瓣能够被消除，非准直光的再生就更容易了。另一个方法是，如GB2329786A(CRL Ltd)所述，使用孔径阵列以及微透镜，但是该方法非常浪费来自背面光的可获得的照明。
另一个值得注意的问题是，普通的投影光学系统投射放大的影像(在许多情况下是放大相当大的影像)。在本发明的许多应用中，不需要放大调制器的影像，例如在桌面计算机监视器中。在这些情况下，调制器的影像无需放大即被投影，也可以表述为一致或1∶1放大。有时这指影像中继或影像转移。另一个进行中继成象的普通方法是使用GRIN透镜阵列，这些也可以简单地用于本发明。
除了一致放大的多个应用以外，采用大于一致放大的比例投影也是有利的。这样的一种应用是用于显示器被无缝平铺，而不考虑在调制器的侧面用于寻址电路所需的空间。这种想法在GB2236447(KC Tung)中有所描述，并在前述的CRL专利中进行了研究。平铺子显示器而没有可见连接的概念此处是指无缝平铺，这样产生的影像是无缝影像。
先有技术中无缝平铺显示器已经将这种放大原理用于传统显示器，而不是PL-LCD显示器结构中。当该原理用于PL-LCD显示器结构中时产生了许多优点。在此处给出的先有技术的实施例中，尽管影像可以呈现为无缝，但是实际上存在视角问题(如果只从某一视角是无缝的，大型无缝显示器就有点失败)。在CRL专利中描述的解决方法是从单独的子面板覆盖影像或在扩散屏上形成影像(结果是视角特征由屏幕而不是产生该影像的光学系统来决定)。但是，这些方法中没有一个是完全实用的，即在GB2329786A中描述的解决方案在实际上是非常无效的，它们实际上也不能产生在其全部区域中带有全Lambertian视角特征的影像。
本发明的实施方案因此可能提供显示器组件，包括显示器单元的平铺矩阵，每一个包括设计用来调制从背面输入光的调制元件的阵列，以及用于寻址调制元件的电路；其特征在于提供了将每一个调制元件平面的放大影像投射至发光输出屏上的光学装置，以这种方式产生无缝影像。
用于放大投射以获得无缝平铺的几何形状的需要与一致放大应用的相同，即光程非常短。出于这个目的，也能够使用集成成象微透镜来放大影像；在这种情况下，阵列的间距不是常数，而是随着远离调制器而增加。此处的基本原理在R H Anderson的使用透镜阵列的文件和显示器的近距离成象(Close-upimaging of documents and displays with lens arrays)，应用光学，Vol.18(4),1979年2月15日，477-484页中进行了描述。根据该原理设计的微透镜阵列有时称为Super-Gabor透镜。GRIN透镜也可以用于这个目的，其中阵列中的GRIN透镜的间距类似地从一端至另一端增加。
为了更好地理解本发明，以下将通过实例并参考附图描述本发明的实施方案。
图1表示在没有本发明的光学装置的情况下如何通过象素的几何形状来设定准直角；图2示意表示影像如何被投射至带有荧光体的输出屏上；图3表示一种可能的光学装置；图4表示如何使用本发明以将显示器无缝平铺在一起；图5表示如图3所述的微透镜的光线轨迹；图6表示在激活光没有被“紧”准直之处，第二影像如何产生；和图7和图8表示对于多种情况的象素串扰模拟值，显示出使用本发明如何减少串扰。
图1表示如何由面板的几何形状来确定准直角。为了没有象素间串扰，背面光的准直需要小于或等于准直角φ。该角度由下述公式给出φ=atan(d/D)相反，对于给定的激活光准直角和象素间隙，LCD和荧光体的最大距离就可以确定。
图2表示LCD面板21、光学装置22和带有荧光体的输出屏23。来自背面光(未显示)的激活光被面板21调制，并由光学装置22投射至荧光输出面板23上。在该图中，LCD与荧光体的距离不是由背面光的准直度简单确定的，而是由光学装置的功能决定的。
图3表示本发明的光学装置的可能实施方案。所示的有两个基片，每一个在其两侧具有微透镜阵列。来自背面光31的激活光由LCD面板(未显示)调制，并由微透镜阵列折射，其折射方式使得LCD面板的影像在荧光输出屏32上形成。在第一阵列33的透镜产生了面板的倒置影像，该影像被最后的阵列34再一次倒置(即竖立)。两个中心阵列35作为第一和最后阵列的场透镜，提高了它们的观察有效视场。
本发明的第二方面，也就是无缝平铺，在图4中被示意表示。两个子显示器41a和41b连同两个光学装置42a和42b在一起示出。这些部件42a和42b用于在无缝输出面板43上产生每一个子显示器的放大影像。这两个影像被对准，以产生无缝影像，同时仍然在子显示器的调制区域周围为寻址电路和将子显示器一起保持在规定阵列或矩阵中的机械装置留有空间。
图5表示如图3所示的微透镜部件的光学轨迹图。显示两个场点51，它们由微透镜部件52成象在影像平面53上。可以看出，两个影像点54由穿过多个分离透镜组的光线形成；即“集成成象”。光程为12mm左右。
图6表示类似与图5的光线轨迹图。在该图中，显示了中心或主影像点61，也有两个第二影像点62a和62b。这是由物体点63发出的较高的光线角形成的。因此可以看出“紧”准直会减少或消除第二影像。
图7表示对于两种情况的模拟象素串扰。第一种是没有光学装置的情况，激活光直线穿过调制器，降至荧光输出屏上。在这种情况中，LCD与荧光体的距离为0.8mm，这对于没有光学装置的PL-LCD显示器是典型的，主要是LCD顶面玻璃板的厚度。第二种情况是有适合的光学装置(微透镜阵列)。在这种情况中，可以看出对于至少小于25度的准直角，带有装置71的象素串扰始终小于没有装置72时的串扰。
图8类似于图7，只是使用了不同的光学装置。在这种情况中，只对于小于13度的准直角，带有光学装置81的串扰比没有光学装置82时的串扰小。
以上描述的实施方案只涉及了关于平铺显示器的放大光学系统，但是应当理解放大可以被用于非平铺应用。另外，激活光优选为短波长光，是蓝光或紫外光，最优选的是中央波长为388nm，带宽为15nm。
发光输出屏可以包括连续层形式的单个、大型输出元件；这适用于单色显示器。但是，优选的实施方案可包括用于PL-LCD显示器的多个以已知方式排成三色点组的输出元件或象素。
权利要求
1．一种平面显示器，包括一个部件，例如背面光源，用于产生窄带激活光；一个部件(21)，用于调制激活光；和一个发光输出屏(23)，它响应该激活光而发出可见光；其特征在于，在调制器(21)和输出面板之间设置光学装置(22)，该光学装置用来将调制器的影像投射至输出屏上。
2．如权利要求1的显示器，其中光学装置是用来投射调制部件的经一致放大的影像。
3．如权利要求1的显示器，其中光学装置用来投射调制部件的放大影像。
4．如权利要求1显示器，其中调制部件包括多个以规则的阵列或矩阵设置或平铺的单独的调制器(41)，光学装置用来光学放大子显示器从而在输出屏上形成无缝影像，因此形成无缝可见影像。
5．如前述任一权利要求的显示器，其中光学装置是一个或多个微透镜阵列或一套Super-Gabor透镜。
6．如前述权利要求1-4任一项的显示器，其中光学装置包括一个或多个GRIN透镜阵列。
7．如前述任一权利要求的显示器，其中激活光由窄带紫外光组成。
8．如权利要求7的显示器，其中激活光具有388nm的中心波长，带宽约为15nm。
9．如前述权利要求1-7任一项的显示器，其中激活光是可见蓝光。
10．如前述任一权利要求的显示器，其中输出屏包括多个设置成形成象素的发光元件。
全文摘要
一种平面显示器,包括背面光源,用于产生窄带激活光;部件,例如液晶调制器(21),用于调制激活光;发光输出屏(23),它响应该激活光而发出可见光。没有使得激活光简单地穿过调制器到达屏幕上,而是在调制器(21)和输出面板之间设置光学装置(22),从而将调制器的影像投射至输出屏上。这降低了激活光准直的需要。
文档编号G02B13/24GK1319196SQ9981119
公开日2001年10月24日 申请日期1999年9月21日 优先权日1998年9月21日
发明者W·A·克罗斯兰德, T·M·科克 申请人:屏幕技术有限公司