場順序式彩色顯示裝置的製作方法
2023-06-15 09:28:36
專利名稱：場順序式彩色顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明是關於彩色顯示裝置(CD)，特別是場順序式彩色顯示裝置(SCD)的改進。
隨著HDTV的發展，彩色投影顯示裝置(即投影型彩色顯示裝置，PCD)，特別是場順序式彩色投影顯示裝置(S-PCD)日益受到人們重視。S-PCD採用的顯示器件主要是透射式TFT-LCD、反射式TFT-LCD(包括LCOS)和DMD，TFT-LCD、DMD也稱作空間光調製器(SLM)或光閥(LV)。單SLM式S-PCD只用一個SLM，通過濾色輪將白光分成紅、綠、藍光後進行場順序式顯示，裝置簡單，成本低，不需會聚，得到廣泛應用。但其亮度低，穩定性不好，圖像質量較差。
本發明的目的在於解決現有單SLM式S-PCD中存在的上述缺點。本發明的單SLM式S-PCD採用電控型場順序式背光照明系統(E-SBL，簡記為SBL)取代機械型濾色輪式背光照明系統，可以實現這一目的。另外將SBL用於直觀型彩色顯示裝置(DCD)和虛擬型彩色顯示裝置(VCD)中，分別得到場順序式直觀型彩色顯示裝置(S-DCD)和場順序式虛擬型彩色顯示裝置(S-VCD)，能顯著改進DCD和VCD的性能。
下面進行詳細說明。
單SLM式S-PCD現都採用一個SLM和包含有紅、綠、藍光成分的白色光源，在光源和SLM之間加入一個高速旋轉的濾色輪。當濾色輪轉動時，它依次將白光轉換為紅、綠、藍光。當紅色濾光區旋轉到一定位置時，白光中僅紅光可通過紅色濾光膜，並依次照射在SLM上，SLM像素(微鏡)受到紅色信號同步調製，顯示紅色圖像；類似地，當綠色濾光區旋轉到一定位置時，顯示綠色圖像；當藍色濾光區旋轉到一定位置時，顯示藍色圖像。在濾色輪轉速足夠快的情況下，因人眼視覺暫留特性，形成彩色圖像。此彩色圖像再經投影放大透鏡投射到投影屏幕上，形成尺寸更大的彩色圖像。單SLM式S-PCD使用濾色輪分色，結構簡單，成本低，不存在圖像會聚問題。但它需要通過高速旋轉的濾色輪進行彩色顯示，因此存在穩定性問題，且亮度顯著降低，圖像質量較差。
本發明的單SLM式S-PCD中採用SBL取代機械型濾色輪式背光照明系統，SBL包括光源、一個或兩個光變向器、彩色轉換屏和投影透鏡，為提高光利用率，採用聚光透鏡聚光。彩色轉換屏由紅、綠、藍三個色轉換部組成。光變向器在電的作用下，可改變入射光的出射方向。光變向器的基本工作原理與DMD相同，它們都是利用微鏡的轉動而使入射光的出射方向改變。
眾所周知DMD是由大量微鏡組成的微鏡陣列，DMD顯示圖像是基於微鏡的轉動而實現的。每一個微鏡就是一個像素，其大小僅為16μ×16μ，像素之間的間隔為1μ，在靜電引力的作用下，它可快速轉動，微鏡的位置不同，反射光的出射方向不同。每個像素相當於一個光開關。當光開關處於「開態」(對應於微鏡轉動正θ度)時，反射光通過投影透鏡投射到屏幕上，屏幕上出現亮態；當光開關處於「關態」(對應於微鏡轉動負θ度)時，反射光投射不到屏幕上，屏幕上出現暗態，根據需要控制微鏡的開和關狀態，可實現顯示。另外對於微鏡還存在一個狀態，即「平態」(對應於微鏡不轉動)，在此狀態下微鏡不受電的作用。只要精心設計，就可精確控制微鏡轉動角度和均勻性，確保亮度一致性。利用DMD微鏡的工作原理和微鏡的三個狀態，即「開態」、「平態」和「關態」，可製成光變向器，通過靜電作用，它可使入射光以三種不同的出射方向照射在彩色轉換屏的紅、綠、藍三個色轉換部上，產生紅、綠、藍光，實現色順序式轉換。
光變向器與DMD的區別在於(1)在DMD中僅利用「開態」和「關態」兩種狀態，而在光變向器中可利用「開態」、「平態」和「關態」三種狀態，(2)在DMD中為了顯示圖像，需大量微鏡，例如微鏡數大於768×576。由於光變向器僅使外光反射，以行順序方式依次產生紅、綠、藍光，因此在光變向器中像素數可顯著減少，例如96×72，微鏡面積則遠大於16μ×16μ，例如為135μ×135μ，還可選擇N行條狀微鏡，例如N＝72，微鏡長度為17μ×768，寬度為135μ。
採用一個光變向器的SBL工作原理如下當光源發出的光經過聚光透鏡聚光後，投射在光變向器上，在電的作用下，光變向器改變光的出射方向，使其依次照射在彩色轉換屏的紅、綠、藍三個色轉換部上，產生紅、綠、藍光，紅、綠、藍光再通過各自的投影透鏡投射。例如在SBL中光源為紫外光源(通常為長波紫外光源UVA)，彩色轉換屏由紅、綠、藍色三個發光部組成，紅、綠、藍色發光部上分別塗復有紅、綠、藍色發光材料，它們在紫外光激發下分別發出紅、綠、藍光。紅、綠、藍色發光部分別與微鏡的「開態」、「平態」和「關態」對應，例如當微鏡轉動正θ度時，紫外光投射在紅色發光部，激發紅色發光材料，產生紅光，當微鏡不轉動時，紫外光投射在綠色發光部，激發綠色發光材料，產生綠光，當微鏡轉動負θ度時，紫外光投射在藍色發光部，激發藍色發光材料，產生藍光。只要正確控制光變向器上微鏡的轉動角度，就可順序產生紅、綠、藍光。
採用兩個光變向器的SBL包括光源、兩個光變向器、彩色轉換屏和投影透鏡。對每個光變向器，只利用「開態」和「關態」兩種狀態，不利用「平態」。其工作原理如下假定C1、C2分別表示第一、第二光變向器，S11、S12、S21、S22分別表示第一、第二光變向器的「開態」和「關態」，第二光變向器C2處於S12的位置。彩色轉換屏的紅、綠、藍色轉換部分別與S11、S21、S22對應。當光源發出的光經過聚光透鏡聚光後，投射在第一光變向器C1上。在電的作用下，如果C1上微鏡轉動正θ度，則入射光從C1上反射後，將投射在紅色轉換部上，產生紅光；如果C1上微鏡轉動負θ度，則入射光從C1上反射後，投射在第二光變向器C2上。如果此時C2上微鏡在電的作用下轉動正θ度，則投射在C2上的光反射後，將投射在綠色轉換部上，產生綠光；如果C2上微鏡轉動負θ度，則投射在C2上的光反射後，將投射在藍色轉換部上，產生藍光。因此只要正確控制C1、C2上微鏡的轉動角度，就可使光依次照射在彩色轉換屏的紅、綠、藍色轉換部上，產生紅、綠、藍光，紅、綠、藍光再通過各自的投影透鏡進行投射。
本發明的單SLM式S-PCD包括SBL、SLM、投影放大透鏡和投影屏幕。它顯示彩色圖像的具體過程如下從SBL發出的紅光通過紅色投影透鏡依次投射在SLM上，經紅色信號順序同步調製後，在SLM上形成紅色圖像；接著從SBL發出的綠光通過綠色投影透鏡依次投射在同一SLM上，經綠色信號順序同步調製後，在SLM上形成綠色圖像；最後從SBL發出的藍光通過藍色投影透鏡依次投射在同一SLM上，經藍色信號順序同步調製後，在SLM上形成藍色圖像。在紅、綠、藍色圖像轉換速度足夠快的情況下，紅、綠、藍色圖像合成為彩色圖像，它通過投影放大透鏡投射在投影屏幕上，形成尺寸更大的彩色圖像。
本發明的SBL還可用於DCD和VCD中。DCD一般採用TFT-LCD作為顯示器件，採用光譜中包含紅、綠、藍光成分的白色冷陰極螢光燈或EL或LED作為背光源，液晶屏中有紅、綠、藍色微濾光膜，通過它們進行分色，因此光利用效率低，並且由於一個像素由紅、綠、藍色三個子像素構成，解析度提高受到限制，成本較高，因此對場順序式TFT-LCD的研究越來越重視。本發明的場順序式DCD(S-DCD)包括SBL和一個SLM，SBL發出的紅、綠、藍光依次照射在SLM上，在紅、綠、藍色信號順序同步調製下，在SLM上形成場順序式彩色圖像。本發明的S-DCD顯示彩色圖像的工作原理與S-PCD類似，區別在於(1)對於S-PCD，需要投影放大透鏡和投影屏幕，對於S-DCD不需要；(2)對於S-PCD，SBL中投影透鏡主要作用是將紅、綠、藍光投射在同一SLM上，而對於S-DCD，投影透鏡需要將紅、綠、藍光放大投射在SLM上，即將色轉換部的發光區(面積)放大投射在SLM上，因為S-DCD中SLM的尺寸通常遠大於S-PCD中SLM的尺寸。
本發明的場順序式VCD(S-VCD)包括SBL、SLM和放大透鏡，SBL發出的紅、綠、藍光依次照射在SLM上，在紅、綠、藍色信號順序同步調製下，在SLM上形成場順序式彩色圖像，人眼通過放大透鏡觀看彩色圖像，可看到尺寸更大的虛擬彩色圖像。S-VCD工作原理與S-PCD大致相同，區別僅在於對於S-PCD，由紅、綠、藍三幅單色圖像合成的彩色圖像是通過投影放大透鏡投射到投影屏幕上，所以看到的是實像，而對於S-VCD，是通過放大透鏡直接觀看彩色圖像，所看到的是虛像。
在本發明的各種裝置中，紫外光源可用紫色光源代替，也可以用藍色光源或藍綠色光源或白色光源代替。對於不同光源，彩色轉換屏上應選擇不同的色轉換部。對於紫外光源或紫色光源，彩色轉換屏由紅、綠、藍色三個發光部組成，紅、綠、藍色發光部上分別塗復有紅、綠、藍色發光材料，它們在紫外光或紫光激發下分別發出紅、綠、藍光。對於藍色光源，彩色轉換屏由紅、綠色兩個發光部和一個藍光透射部組成，紅、綠色發光部上分別塗復有紅、綠色發光材料，它們在藍光激發下分別發出紅、綠光，藍光透射部讓藍光通過。對於藍綠色光源，彩色轉換屏由紅、綠色兩個發光部和一個藍色濾光部組成，紅、綠色發光部上分別塗復有紅、綠色發光材料，紅色發光部在藍綠光激發下，發出紅光，綠色發光部在藍綠光中藍光激發下，發出綠光，並讓藍綠光中綠光通過，藍色濾光部上塗復有藍色濾光膜，藍色濾光部僅讓藍綠光中藍光通過，或者彩色轉換屏由一個紅色發光部和綠、藍色兩個濾光部組成，紅色發光部上塗復有紅色發光材料，它在藍、綠光激發下，發出紅光，綠、藍色濾光部上分別塗復有綠、藍色濾光膜，綠、藍色濾光部分別僅讓藍綠光中綠、藍光通過。對於白色光源，彩色轉換屏由紅、綠、藍色三個濾光部組成，紅、綠、藍色濾光部上分別塗復有紅、綠、藍色濾光膜，紅、綠、藍色濾光部分別僅讓白光中紅、綠、藍光通過。白色光源不僅指人工光源，例如冷陰極螢光燈或LED，還包括自然光，例如作為前投的晝光。
在SBL中在光變向器和彩色轉換屏間可增設一放大透鏡，其作用是增加彩色轉換屏中發光部面積，從而提高SLM發光亮度。這樣SBL由光源、光變向器、放大透鏡、彩色變換屏和投影透鏡組成。光變向器除了按DMD工作原理製造之外，還可按AMA(活動微鏡陣列)、FMA(薄膜微鏡陣列)工作原理製造，它們基本結構類似。SLM通常為DMD、TFT-LCD、LCOS等，還可為AMA、FMA等。
發光材料包括無機、有機發光材料。在紅色無機發光材料中6MgO As2O5Mn用於UVA、紫光激發，Na0.5Tb0.25Eu0.25WO4用於藍光激發，Na5Eu(WO4)4用於紫、綠光激發，在綠色無機發光材料中Y2SiO5Ce，Tb用於UVA激發，Na0.5Tb0.5WO4用於藍光激發，在藍色無機發光材料中Sr10(PO)6Cl2Eu、Ba3MgSi2O8Eu用於UVA激發，Sr2P2O7Eu、BaMg2Al16O27Eu可以用於UVA、紫光激發，(Ba，Ca，Mg)10(PO)6Cl2Eu、BaMg2Al14O23Eu用於紫光激發。另外許多硫化物和鹼土金屬硫化物發光材料等也可採用。有機發光材料很多，例如綠色發光材料螢光黃(二羥基熒烷)用於藍光激發，紅色發光材料馬格紅用於綠光激發。
總之，本發明的彩色顯示裝置中採用SBL進行場順序式彩色顯示，光利用率高，裝置簡單，成本低，不存在會聚問題，亮度高，同時無機械運動，避免了濾色輪造成的穩定性問題，圖像質量獲得顯著改善，其原理不僅適用於PCD，並且適用於VCD，還適用於DCD，特別適用於直觀式彩色液晶顯示裝置，可廣泛用於電視、監視器、投影顯示和虛擬顯示中。
圖1、圖2是本發明的SBL結構示意圖，圖3至圖5是本發明的彩色顯示裝置結構示意圖。在圖1至圖5中1是光源，2C、2C1、2C2是光變向器，3R、3G、3B分別是色轉換屏的紅、綠、藍色轉換部，4LR、4LG、4LB分別是紅、綠、藍光投影透鏡，5是空間光調製器，6L1是投影放大透鏡，6L2是放大透鏡，7是投影屏幕，7V是虛擬圖像，E是觀看者，C為聚光透鏡，M為反射鏡。
下面以實例具體說明。
實例1圖1是本發明的採用一個光變向器的SBL結構示意圖。在圖1中1是紫外鉛-汞滷化物燈，2C是光變向器，3R、3G、3B分別是色轉換屏上紅、綠、藍色轉換部，4LR、4LG、4LB分別是紅、綠、藍光投影透鏡。燈1在工作時發出長波紫外光，光變向器是由96×72微鏡組成的陣列，每個微鏡的大小為135μ×135μ，微鏡在電的作用下可以轉動正1O度或者負10度，在紅、綠、藍色轉換部上分別塗復6MgO As2O5Mn、Y2SiO5Ce，Tb、BaMg2Al16O27Eu。SBL工作原理如下當燈1發出的紫外光照射在光變向器2C上時，在電的作用下，2C上微鏡按行依次轉動正10度，紫外光從2C反射後，照射在3R上，激發6MgO As2O5Mn，使3R按行依次發出紅光；類似地，當微鏡按行依次不受電的作用時，微鏡不轉動，紫外光依次照射在3G上，激發Y2SiO5Ce，Tb，使3G按行依次發出綠光；當微鏡在電的作用下按行依次轉動負1O度的情況下，紫外光依次照射在3B上，激發BaMg2Al16O27Eu，使3B按行依次發出藍光。紅、綠、藍光通過投影透鏡4LR、4LG、4LB可依次投射在同一處，按場順序式發出紅、綠、藍光。
實例2圖2是本發明採用兩個光變向器的SBL結構示意圖。在圖2中2C1、2C2分別是第一、第二光變向器、兩個光變向器都由72個條狀微鏡組成，每個微鏡長度為13mm，寬度為135μ，S11、S12、S21、S22分別為第一、第二光變向器「開態」和「關態」，第二光變向器2C2處於S12的位置，彩色轉換屏的紅、綠、藍色轉換部的位置分別與S11、S21、S22對應，M是反射鏡，其餘同實例1。當燈1發出的紫外光照射在第一光變向器2C1上時，在電的作用下，2C1上微鏡按行依次轉動正10度，紫外光從2C1反射後，依次直接照射在3R上，激發6MgO As2O5Mn，使3R按行依次發出紅光；當2C1上微鏡按行依次轉動負10度時，紫外光從2C1反射後，通過反射鏡M依次照射在2C2上。如果此時2C2上微鏡在電的作用下按行依次轉動正10度，則入射在2C2的紫外光從2C2反射後，依次照射在3G上，激發Y2SiO5Ce，Tb，使3G按行依次發出綠光；如果此時2C2上微鏡在電作用下按行依次轉動負10度，則入射在2C2的紫外光從2C2反射後，依次照射在3B上，激發BaMg2Al16O27Eu，使3B按行依次發出藍光。紅、綠、藍光通過投影透鏡4LR、4LG、4LB依次投射在同一處，按場順序式發出紅、綠、藍光。
實例3在圖3的彩色投影顯示裝置中5是1英寸TFT-LCD，6L1是投影放大透鏡，7是投影屏幕。其餘同實例1。其工作原理如下按照實例1，當SBL發出的紅光經投影透鏡依次投射在TFT-LCD上時，在紅色信號同步調製下，TFT-LCD上像素依次逐行掃描，產生紅色圖像；類似地，當SBL發出的綠光經投影透鏡依次投射在TFT-LCD上時，在綠色信號同步調製下，TFT-LCD上像素依次逐行掃描，產生綠色圖像；當SBL發出的藍光經投影透鏡依次投射在TFT-LCD上時，在藍色信號同步調製下，TFT-LCD上像素依次逐行掃描，產生藍色圖像。在光變向器上微鏡轉動速度足夠快的情況下，紅、綠、藍單色圖像合成為彩色圖像。此彩色圖像再經6L1放大投射到投影屏幕7上，形成尺寸更大的彩色圖像。
實例4在圖4的直觀式彩色顯示裝置中5是15英寸TFT-LCD，其餘同實例1。其工作原理如下按照實例1，當SBL發出的紅光經投影透鏡依次投射在TFT-LCD上時，在紅色信號同步調製下，在TFT-LCD上像素依次逐行掃描，產生紅色圖像；類似地，當SBL發出的綠光經投影透鏡依次投射在TFT-LCD上時，在綠色信號同步調製下，TFT-LCD上像素依次逐行掃描，產生綠色圖像；當SBL發出的藍光經投影透鏡依次投射在TFT-LCD上時，在藍色信號同步調製下，TFT-LCD上像素依次逐行掃描，產生藍色圖像。在光變向器上微鏡轉動速度足夠快的情況下，紅、綠、藍三幅單色圖像合成為一幅彩色圖像。
實例5在圖5的虛擬式彩色顯示裝置中1是藍色LED，其中1B1是漫射板，1B2是藍色LED，1B3是反射板，藍色轉換部3B是藍光透射部，它讓藍光通過，在紅、綠色轉換部3R、3G上分別塗復螢光黃、馬格紅，5是0.9英寸透射式TFT-LCD，6L2是放大透鏡，7V是虛擬圖像，E是觀看者，其餘同實例1。LED在工作時發出藍光，它通過漫射板均勻照射在光變向器上。當藍光依次照射在3R、3G、3B上時，會依次產生紅、綠、藍光。與實例3工作原理類似，在5上形成彩色圖像。觀看者通過6L2觀看此彩色圖像，可看到放大的虛擬彩色圖像。
權利要求
1.一種場順序式背光照明系統，其特徵在於該系統中包括光源、一個或兩個光變向器、彩色轉換屏和投影透鏡，彩色轉換屏由紅、綠、藍三個色轉換部組成，光變向器在電的作用下，可以改變外光的出射方向，當光源發出的光投射在光變向器上，在電的作用下，改變入射光的出射方向，使其依次照射在彩色轉換屏的紅、綠、藍三個色轉換部上，產生紅、綠、藍光，紅、綠、藍光再通過各自的投影透鏡進行投射。
2.根據權利要求1的場順序式背光照明系統，其特徵在於光源為紫外光源或紫色光源，彩色轉換屏由紅、綠、藍色三個發光部組成，紅、綠、藍色發光部上分別塗復有紅、綠、藍色發光材料，它們在紫外光或紫光激發下分別發出紅、綠、藍光。
3.根據權利要求1的場順序式背光照明系統，其特徵在於光源為藍色光源，彩色轉換屏由紅、綠色兩個發光部和一個藍光透射部組成，紅、綠色發光部上分別塗復有紅、綠色發光材料，它們在藍光激發下分別發出紅、綠光，藍光透射部讓藍光通過。
4.根據權利要求1的場順序式背光照明系統，其特徵在於光源為藍綠色光源，彩色轉換屏由紅、綠色兩個發光部和一個藍色濾光部組成，紅、綠色發光部上分別塗復有紅、綠色發光材料，紅色發光部在藍綠光激發下，發出紅光，綠色發光部在藍綠光中藍光激發下，發出綠光，並讓藍綠光中綠光通過，藍色濾光部上塗復有藍色濾光膜，藍色濾光部僅讓藍綠光中藍光通過，或者彩色轉換屏由一個紅色發光部和綠、藍色兩個濾光部組成，紅色發光部上塗復有紅色發光材料，它在藍、綠光激發下，發出紅光，綠、藍色濾光部上分別塗復有綠、藍色濾光膜，綠、藍色濾光部分別僅讓藍綠光中綠、藍光通過。
5.根據權利要求1的場順序式背光照明系統，其特徵在於光源為白色光源，彩色轉換屏由紅、綠、藍色三個濾光部組成，紅、綠、藍色濾光部上分別塗復有紅、綠、藍色濾光膜，紅、綠、 藍色濾光部分別僅讓白光中紅、綠、藍光通過。
6.一種彩色投影顯示裝置，其特徵在於該裝置包括權利要求1至5中任一權利要求所述的場順序式背光照明系統、空間光調製器、投影放大透鏡和投影屏幕，場順序式背光照明系統發出的紅、綠、藍光依次照射在空間光調製器上，在紅、綠、藍色信號同步調製下，在空間光調製器上形成場順序式彩色圖像，此彩色圖像再通過投影放大透鏡投射在投影屏幕上，形成尺寸更大的彩色圖像。
7.一種直觀式彩色顯示裝置，其特徵在於該裝置包括權利要求1至5中任一權利要求所述的場順序式背光照明系統、空間光調製器，場順序式背光照明系統所發出的紅、綠、藍光依次照射在空間光調製器上，在紅、綠、藍色信號同步調製下，在空間光調製器上形成場順序式彩色圖像。
8.一種虛擬式彩色顯示裝置，其特徵在於該裝置包括權利要求1至5中任一權利要求所述的場順序式背光照明系統、空間光調製器、放大透鏡，場順序式背光照明系統發出的紅、綠、藍光依次照射在空間光調製器上，在紅、綠、藍色信號同步調製下，在空間光調製器上形成場順序式彩色圖像，人眼通過放大透鏡觀看彩色圖像，可看到尺寸更大的虛擬彩色圖像。
全文摘要
一種單SLM場順序式彩色顯示裝置，它採用電控型場順序式背光照明系統，進行彩色顯示。照明系統由光源、一個或兩個光變向器、彩色轉換屏和投影透鏡組成，光變向器在電作用下，可改變入射光的出射方向，使其照射在彩色轉換屏的紅、綠、藍色轉換部上，依次產生紅、綠、藍光。本裝置的特點是結構簡單，成本低，光利用率高，亮度高，無會聚問題，解析度高，圖像質量清晰、穩定，可廣泛用於電視、監視器、投影顯示器和虛擬顯示器。
文檔編號G02B27/18GK1412598SQ01135540
公開日2003年4月23日 申請日期2001年10月10日 優先權日2001年10月10日
發明者邱行中, 尹紹剛, 邱新萍 申請人:邱新萍