背光系統和包含該系統的顯示裝置的製作方法

2023-06-09 05:01:51 3

專利名稱：背光系統和包含該系統的顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在至少兩個波長範圍順序照明的背光系統，它包含有在所述波長範圍發生螢光的材料。
本發明還涉及一種包括這種背光系統的顯示裝置。
這類顯示裝置可用於電視機，監視器，也可以用於投影裝置。
1991年1月的《Research Disclosure》第74頁描述了基於場致發射的用於LCD的這種背光系統。藉助於這種背光系統，其中紅綠藍螢光交替激發，可以免除LCD中的彩色濾光器。
所示的背光系統的缺點是高電壓(＞1000V)，與LCDs所用的(10至20v)毫不兼容。而且，按條形圖案設置的螢光圖案，會導致照度不均勻。
本發明的目的是完全或部分地克服所述的缺點。
為此，根據本發明的背光系統其特徵在於該背光系統包括至少一個適於發射激勵螢光材料的足夠短波長的輻射源，一個波導和至少一個位於輻射源與螢光材料之間或波導與螢光材料之間的光閘。
如將要表述的，用氣體放電管作為輻射源，它可以在比場發射所需電壓低得多的低電壓(只要大於約12v)下工作。
由於存在著波導，實現了均勻的照度。
例如，用一個液晶開關(LC盒)作光閘。為了充分地利用短波輻射，將一個工作在短波輻射區的反射偏振器安置在輻射源與波導之間或波導與螢光材料之間。
本發明背光系統第一實施例的特徵在於螢光材料包括一層具有在不同波長範圍發出螢光的若干區域的材料層；背光系統包括引起光閘順序地透過每個波長段短波輻射的機構。該層位於平板形波導的端面，並且是一個具有並置的螢光區的層。
而且，本發明一個優選實施例的特徵在於背光系統包括至少兩個在不同的波長範圍發出螢光的材料層。在此情況下，(例如紅，綠或藍)光被耦合到平板形波導端面(或若干面)的整個表面內。由於本實施例中這些區域不是並置的，所以端面的整個表面都可以用於耦合光。一種變化是，短波輻射被耦合到出射端面區的整個螢光材料中。另一種變化是，短波輻射源位於平板形波導與出射端面相對的一側。再一種變化是，通過設置具有按一點角度彎曲或定位的邊緣部分的板，而放大入口端面。
通過在光閘與螢光材料之間設置短波通濾波器，或在螢光材料的遠離光閘端設置長波通濾波器，可使背光系統的效率得到進一步地提高。
本發明的這些和其他方面，通過下文參考實施例所作的描述和解釋更加清楚。
在附圖中

圖1表示了本發明背光系統的第一個實施例，圖2表示了本發明背光系統的第二個實施例，圖3表示了圖2實施例的變化，而圖4表示了包括圖1或2所示背光系統的顯示器件，以及圖5，6和7表示了圖3和4所示背光系統可能的變化。
這些附圖是示意性的，而非實際尺寸。相應的組件一般具有相同的標號。
圖1表示了本發明的背光系統1，它包括一個輻射源，如放置在燈室3中適於發射短波輻射(如UV輻射)的燈2。當在具有電極8，8′的基板之間有液晶材料7的液晶開關時，燈2發出輻射到達光閘6。
在此實施例中，光閘位於PMMA平板波導4與輻射源3之間的端面處。該波導的厚度大約2.4mm，且在其底端11具有光散射元件或槽型結構，以使光沿著箭頭12的方向發射。而且，圖1所示的系統在光閘6與波導4之間具有一層螢光材料5。
在本實施例中，螢光材料層5包括若干個區域，它們在不同波長範圍內發出螢光並且是發出紅(5R)藍(5B)綠(5G)光譜。在本實施例中，各個的區域為大約0.8mm寬的條形，並且與條形電極8，8′限定的光閘6部分對準，同時該背光系統包括能引起光閘的這些部分順序地透過每個區的短波輻射的機構(圖1中未示出)。
燈2發出足夠的短波輻射，以激勵螢光材料5R，5G，5B；為此，採用UV氣體放電燈(254nm)或發射UV段(365nm)螢光燈或發射藍光段(450nm)螢光燈。
儘管不是本發明原理所必需的，但是採用基於偏振變化的光閘時，如基於液晶的，用反射偏振器9(在燈室3與光閘6之間)和10(在波導4與螢光材料5之間)來優化燈2所發出的輻射可以取得高效率的優點。反射偏振器是基於膽甾醇型液晶的濾光器並可透過左旋光，同時反射右旋光，或反之。其他的(後向)反射偏振器透過在一個方向偏振的輻射，而反射在另一個與之垂直方向偏振的輻射。
在使用過程中，用反射偏振器9高效地使燈2的UV輻射起偏振。反射偏振器透過一種類型的偏振光(線偏振或圓偏振)，同時反射另一方向的偏振光。反射光通過燈室壁反射，同時，偏振方向改變。適合有一個這樣的壁，它使發出的一部分光獲得可透過反射偏振器9的正確偏振方向。
在用該背光系統照明的顯示器件的一個幀周期內(如20毫秒)，與螢光材料5R，5G，5B部分共同工作的光閘部分不斷地被激活，而使UV輻射透過。例如，當紅色區部分5R處的開關首先開通透光時，該部分將被激活並沿方向12發出將要到達波導4的紅光。隨後，綠色區部分5G處的開關開通透光，再後藍色區部分5B處的開關開通透光。按此方法，在一個幀周期內，在波導的整個表面不斷地獲得均勻的紅光，綠光和藍光。通過同時激活兩個開關，可在更大表面上(更高的效率)交替地獲得青藍色，黃色和品紅色。
在本實施例中，背光系統包括一個第二反射偏振器10。當用LCD作為光閘時，光通過其間時偏振方向將改變，但是其他部分剩餘光可以保持不變。採用反射偏振器10使具有正確偏振方向的輻射(在此情況下是改變方向的)透過，而所有其他UV輻射(剩餘光)被反射到燈室2而再循環，如上所述。
在本實施例中，條形區5R，5G和5B及其光閘相應部分的電極具有相同的寬度；但是，該寬度可以隨波導耦合的效率、螢光材料的效率等等而變。除了條形圖案之外，區域5還可以選擇其他圖案，如棋盤圖案等。
在圖1的系統中，短波輻射僅僅被耦合到波導的1/3厚度中。圖2表示了另一個系統，其中短波輻射被耦合到整個波導厚度中。反射偏振器9再確保UV輻射有效地耦合到光閘6中，而激活螢光層5R將紅光發射到波導4中而不激活5G，5B和第二光閘6』。在這樣一種變化中(未示出)，波導的另一端面類似地設置有光閘與發射藍光的螢光層的組合，如果需要，第三端面設置一個發射綠光的組合。
在圖2的系統中，層5R，5G和5B包括各向異性的螢光材料。這種材料吸收在一個方向偏振的輻射(光)並發射在同一方向偏振的輻射(光)。在相反方向(與其垂直或反轉的)的光不受阻礙地透過。這些層的吸收軸平行於或垂直於反射偏振器9的軸，同時5G和5B層的吸收軸是相互垂直的。在本實施例中，液晶開關被用作光閘，它在延遲0和延遲1/2λ之間切換，其中λ是輻射源(燈)2的(平均)波長。背光系統包括控制機構13，它用於使各向異性螢光材料所發射光的光閘在基本完全透過狀態(0延遲)與基本不透過狀態(1/2λ延遲)之間發生切換。
在背光系統照明的顯示器件一幀周期內，光閘6先保持不激活(延遲0)，以使具有平行於紅色各向異性螢光材料5R給定軸的偏振方向的UV輻射透過，從而該層發射的紅光不受阻礙地透過光閘6』(開關也設置在0延遲處)而到達波導4，層5G和5B也一樣。隨後(在同一幀周期內)，激活光閘6(延遲1/2λ)以使具有垂直於紅色各向異性螢光材料5R軸的偏振方向的UV輻射透過，從而使該UV光不受阻礙地到達光閘6』。根據光閘6』的狀態，VU光轉動0或90度，以使層5G(綠色各向異性材料)或層5B(藍色各向異性)分別發射綠光或藍光，併到達波導4。按此方法，背光系統在一幀周期內有效地發出紅光，綠光和藍光。
圖3表示了圖2系統的一種變化，其中疊置的螢光層5和光閘6設置在波導4的上側。透過該端面，按前述的方法，並通過輻射源2和反射偏振器構成的構件把UV光或其它短波輻射耦合到波導4中，該波導對應該輻射是優化的。與參考圖2所作的描述相似，由於UV光被耦合到該疊層，所以疊置的螢光材料層5和光閘6中不斷地發出紅光、綠光和藍光。如果所謂的斯託克斯頻移(激勵源與輻射光之間的波長差)不足夠大，則在需要時(階躍頻移)採用螢光疊層。
圖3的系統還包括一個短波通濾光器15。該濾光器透過短波輻射(UV輻射)，但是在出射光的方向反射層5中產生的光(箭頭15)。長波通濾光器16反射透過疊層的UV光而透過紅光，綠光和藍光。濾光器15可以由一電介質疊層構成，但也可以由膽甾醇濾光器組成，兩者之一作為200-700nm範圍的反射濾光器用，另一個具有相反的旋轉方向並反射500至700nm範圍的光。因此，獲得一層偏振選擇性地反射200至400nm段光並全反射400至700nm段光的濾光層。濾光器16包括一電介質疊層，但是也可以用無機層(膽甾醇型的)，還可以是多層塑料。這種濾光器也可以用於圖1和圖2所示的系統中。
圖4示意性地表示了一個顯示器件22(LCD)，它表示為一個夾在基板18之間的液晶層17，被具有圖1或2所示的背光系統。螢光疊層5和光閘6用方塊19示意性地表示出來。反射器21位于波導4的下端。根據圖案電極(為示出)上所加的電壓，LCD22對出射光12進行調製(用箭頭12』表示)，以便發出紅、綠、藍光，且因它們迅速不斷地變化可看到符合顏色的圖象。而對光閘而言，適宜選擇與液晶層17相同的液晶材料。這優化了系統電壓和同步性。所用的電壓比1991年1月Research Disclosure第74頁描述的背光系統要低得多。
圖3中5G層(綠色各向異性螢光材料)和5B層(藍色各向異性螢光材料)發出偏振方向相互垂直的偏振光，如綠光平行於紅光的偏振方向，並取向為LCD輸入端偏振器(未示出)的透過方向。為了防止發出的藍光被該輸入偏振器遮擋，圖3和4中的器件具有阻擋箔20(1/2λ平板)，它使藍光的偏振旋轉90度。
除了UV光源，燈2也可以發射能激勵紅綠螢光層的藍光。在圖2的系統中，5B層與光閘7』相配。如上所述，通過僅僅在圖4中燈3處耦合藍光和在燈3』處耦合一或兩個其它顏色光(當顯示器件顯示的圖象由兩種分色構成時)，可以實現簡化。
圖5和6表示了背光系統，其中通過在疊層19與波導4之間採用斜(或可以是彎曲的)入射面，或者通過使疊層19貫穿波導的整個表面，可以進一步提高效率。
圖7中，波導4位於疊層19的上方，且其上端23具有光散射元件或者凹槽結構，這如同波導具有許多的端面，使得光在端面24(具有24mm×36mm等尺寸的表面積)以箭頭12的方向出射。通過光學系統之後，發出的紅綠藍光被用於投影顯示(可以是反射和透射式的投影)。
背光系統還可以用於基於反射表面機械變形或基於局部引出光的波導，或基於靜電力尋址(移動)薄膜的顯示器件。
權利要求
1.一種用於在至少兩個波長範圍實施順序照明的背光系統，它包括在所述波長範圍發出螢光的材料，其特徵在於該背光系統包括至少一個適於發射足夠短的波長輻射以激勵螢光材料的輻射源，一個波導和至少一個位於輻射源與螢光材料之間或波導與螢光材料之間的光閘。
2.如權利要求1的背光系統，其特徵在於對短波輻射區有效的反射濾光器被安置在輻射源與波導之間或波導與螢光材料之間。
3.如權利要求1或2的背光系統，其特徵在於螢光材料包括一層具有在不同波長範圍發出螢光的若干區域的材料層，該背光系統包括引起光閘順序地透過每個波長段短波輻射的機構。
4.如權利要求1或2的背光系統，其特徵在於背光系統包括至少兩層在不同波長範圍發出螢光的材料。
5.如權利要求4的背光系統，其特徵在於至少最靠近光閘的螢光材料層包括各向異性螢光材料，該背光系統包括能使各向異性螢光材料所發射光的光閘在基本上完全透光狀態與基本上不透光狀態之間切換的機構。
6.如權利要求5的背光系統，其特徵在於背光系統包括安置在該各向異性材料層與在另一波長範圍內發射螢光的第二各向異性材料層之間的另一個光閘，背光系統包括能使第二各向異性螢光材料所發射光的光閘在基本上完全透光狀態與基本上不透光狀態之間切換的機構。
7.如權利要求5或6的背光系統，其特徵在於光閘具有在兩種偏振狀態之間進行改變的功能。
8.如權利要求1或2的背光系統，其特徵在於短波通濾光器安置在輻射源與螢光材料之間的光路中。
9.如權利要求1或2的背光系統，其特徵在於長波通濾光器安置在螢光材料的遠離光閘端。
10.一種包括權利要求1背光系統的顯示器件。
全文摘要
一種背光系統,它通過將源(2)發出的短波輻射經由光閘(6)順序地激勵螢光材料(5)而在不同波長處發出輻射,進而耦合到波導(4)中可順序地產生彩色。
文檔編號F21Y103/00GK1262744SQ99800341
公開日2000年8月9日 申請日期1999年3月15日 優先權日1998年3月27日
發明者D·J·布勒爾 申請人:皇家菲利浦電子有限公司