CN101715566B - 用于液晶屏幕的照明装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于液晶显示器的照明装置，其提供扩展偏振光通量作为输出。该装置包括在光发射表面(SD(A))上具有高漫反射系数(A)的光源(100)，在光发射表面(SD(A))上叠置四分之一波片(101)和反射偏振片(103)。这提供了1+A量级的光透射增益，其可以获得具有低耗电量的高亮度显示器。本发明可用于平板显示器。
Description
本发明涉及一种用于液晶屏幕的照明装置，其特别用于低功耗的平板显示器。
本发明特别涉及一种用于透射式屏幕的照明装置。如图1所示意性显示的，这些屏幕从其背面到其前面按照常规方式包括“入射”偏振片P1、内面具有控制电极网络的第一透明基板S1、液晶的厚度XL、内面具有反电极的第二透明基板S2、可选的滤光片网络、以及位于前面的“出射”偏振片P2。观察者看到的是在这种屏幕的前面上形成的图像。这些屏幕需要从后部进行照明，即背光照明。
根据现有技术，通过非偏振光源1来执行这种背面照明。该光源可以是与用于使光通量均匀的光学装置相联的氖管。另一种技术采用发光二极管，其与能够将不同二极管的光混合的复合光学装置相联，以提供扩展的均匀白光通量。
光源向屏幕CXL的入射偏振片P1提供扩展光通量L。因此，入射偏振片理论上吸收光源L所发射的光的50％(二向色偏振片)，并且只允许偏振态与偏振片的偏振化一致的光通过。实际上，如图2所图示的，考虑到入射偏振片中的损耗，入射偏振片的实际透光率为光源所发射的光通量L的40％的量级。由于这些原因，必须用耗电量高的强光源来产生高亮度显示器。
在本发明中，寻求一种技术方案，其可以提高透光度，以便降低液晶显示器的耗电量，但不会降低液晶显示器的性能，特别是亮度方面的性能。
在本发明中找到了一种满足这种需求的照明装置，其包括被布置和选择为以有效方式帮助偏振光通量透射的光学元件的叠层。
本发明涉及一种用于透射式液晶屏幕的漫射照明装置，包括扩展偏振光通量的光源，其特征在于，该照明装置包括在所述源的光发射表面上呈现至少大于0.3的高漫反射系数(albedo)的漫射层，以及在所述源上设置有四分之一波片和反射偏振片的叠层，所述反射偏振片使得未通过所述偏振片的光被经由所述波片朝向所述高漫反射系数层至少部分反射。
所获得的照明装置有利地是小型化的。
高漫反射系数层有利地为磷光体层。该层可被构造为不同颜色的磷光体带。
在一种改进中，在磷光体层下方设置镜层，以向偏振片反射光。
本发明还涉及装置的不同的实施例，其属于可进一步提高照明装置的效率的源和/或偏振片的结构方面。
本发明还涉及一种显示器，其包括与根据本发明的照明装置相联系的液晶屏幕，所述照明装置设置在所述液晶屏幕的背面。
参照附图，其显示了以非限制性示例方式给出的本发明的实施例，在接下来的说明书中详细描述本发明的其他优点和特征。图中：
图1显示了根据现有技术的具有背光照明的液晶显示器的结构；
图2显示了这种显示器中的光损耗现象；
图3a和图3b分别显示了根据本发明的提供扩展偏振光通量作为输出的照明装置的原理图，还显示了该装置中的光在发光源与输出面之间的光学轨迹；
图4显示了根据本发明的照明装置的第一实施例；
图5显示了根据本发明的照明装置的第二实施例；
图6a和图6b表示这类具有反射面元的反射偏振片的两个示例，其可用于根据本发明的第二实施例的照明装置；
图7显示了根据本发明的照明装置的第三实施例；
图8a和图8b分别示意性显示了可用于根据本发明的照明装置的二极管的型场效应器件和三极管的型场效应器件；以及
图9显示了反射多层偏振片的角度响应。
如图3a和图3b所示，根据本发明的照明装置包括非偏振扩展光源100、四分之一波片101和反射偏振片102的叠加。
在光源中，光发射表面SD(A)是具有高漫反射系数A的层。
漫反射系数(albedo)是表面漫反射(即在空间的所有方向上)光的能力的度量。对应于反射光量与接收光量之比，用介于0和1之间的数字来表示漫反射系数：反射全部光的表面具有漫反射系数1，100％吸收光的表面具有漫反射系数0。在本发明中，高漫反射系数A指的是大于或等于大约0.3(或者更确切地说，大于或等于0.5)的漫反射系数：至少30％的接收光被反射，其余的接收光被吸收。
图3b更具体地显示了该装置的原理：光源100向偏振片102发射非偏振光。波偏振面与偏振片的偏振轴重合的光被偏振片向外部透射：这是图3b中所显示的光学轨迹t1；而波偏振面与偏振片的偏振轴垂直的光(如图中的轨迹t2所示)被偏振片向发射表面SD(A)反射(轨迹t3)。沿光的轨迹t3，光通过四分之一波片101，从而在到达发射表面SD(A)之前(轨迹t4)将偏振面旋转约45°。注意到该表面的高漫反射系数，发射表面SD(A)将光向偏振片102漫射回来(轨迹t5)。在光的轨迹t5上，光向回通过四分之一波片，从而当其到达偏振片时，其偏振面共被旋转大约90°：于是偏振面与偏振片的偏振轴重合，光将通过偏振片并透射到外部(轨迹t6)。
因此，根据本发明的照明装置提供偏振光通量作为偏振片102的输出，限制了装置中的光损耗。根据上述原理，透射光量可相对于光源100所发射的光量L记为LT＝(1+A.)0.5L，其中A为光源100的发射表面SD(A)的漫反射系数。
众所周知，四分之一波片仅对特定波长引入45°相移，因此实际的机制比上文阐述的原理更复杂一些。因此，对于其他波长，该相移是不同的。不过，未被偏振片透射的光并没有损失掉：其接连在光源100的发射表面SD(A)和偏振片102之间被反射，每次通过四分之一波片都经历相移，直到获得可被偏振片透射到外部的偏振为止。
因此，这种多次反射的现象可以提高发光效率。该现象还可以限制四分之一波片的性能约束(performance constraint)：实际上，所引入的相移不必精确为45°，原因在于未被偏振片直接透射的光在多次反射之后都将以透射终止(在损耗内)。
如果将这种光源与根据如图1所示的组件的液晶屏幕相联，考虑用偏振片102构成入射偏振片P1，从而，忽略掉偏振片本身的损耗(10％量级)，相对于现有技术产生(1+A)的光透射增益。应注意的是，也可以保留屏幕的入射偏振片。
对于相等的电功率，根据本发明的照明装置允许较强的光通量到达屏幕。
对于相等的亮度，显示器的耗电量相对于现有技术以同样的比例减小。
下文将以例证方式详细描述根据本发明的照明装置的三个示意性实施例。为简单起见，在附图中，相同的元件具有相同的附图标记。
图4显示了第一示意性实施例，该实施例中的光源100是与磷光体层结合的场致发射器件，其中磷光体层将被发射的电子转化为光子。更一般而言，光源100是包括磷光体层的器件，磷光体层能够基于电信号通过阴极发光(catholuminescence)或通过发光(luminescence)来产生光子，在通过阴极发光产生光子的情况下，磷光体将入射电子转化为光子，在通过发光产生光子的情况下，磷光体将UV辐射转化为光子(等离子体光源)。在场致发射器件的情况下，其以常规方式包括阴极100-1和相对(opposite)的透明阳极100-3，阴极100-1包含电子e的发射体，阳极100-3距阴极有一定的距离，阳极和阴极被其中建立了真空的空间100-2隔开。在阳极和阴极之间施加典型为10000至15000伏特的电压Va，以允许在强电场作用下发射电子。在该示例中，磷光体层被标记为100-3b，设置在阳极100-3上，面对电子发射体。在阳极和阴极之间所施加的电场的作用下，发射体向阳极发射的电子将轰击磷光体层，根据公知的阴极发光现象，磷光体层通过吸收电子来发射光子。
磷光体层的典型漫反射系数为0.5量级。漫反射系数取决于磷光体层的材料。在可能的材料中，可列举例如Y2O2S:Eu、ZnS:CuAl、Y2SiO5: Tb、Y2SiO5:Ce、Y2O3:Eu、AlN:Eu。因此，根据本发明(图3a，3b)的具有高漫反射系数的发射表面SD(A)典型地对应于该磷光体层的表面。
应注意，图4更具体地显示了所谓的二极管型场致发射器件，也就是说其具有两个控制电极：阴极和阳极。在图8a中更具体地显示了这种二极管结构的示例，对于冷阴极，用碳纳米管作为发射体。
但是，可优选在根据本发明的照明装置中使用具有三极管结构的场效应器件。在图8b中显示了这种结构，在冷阴极的情况下，用以钼微尖为例的微尖作为发射体(三极管和二极管结构通过使用微尖和使用碳纳米管可以得到同样好的应用)。在公知的方式中，三极管结构在发射体和阳极之间包括栅极g，其设置在发射体附近，有助于在栅极所施加的典型为100伏特的较低电压Vg下抽取电子，阴极和阳极之间的电场可将这些电子引向阳极。在一种变形中，例如如专利申请FR2873852所述，通过提供具有与区域数目相同的可个别控制的栅极单元g的阵列栅极阴极结构，这种三极管结构还可以按区域调制阴极所发射的电流。稍后结合图7，将看出根据本发明的照明装置中的这种三极管结构的优点。
在实践中，如图4所示，通常在透明支持体100-3s的基础上制造阳极100-3，在该透明支持体100-3s上沉积透明导电层100-3a，例如ITO层，以形成电压(Va，图8a-8b)所施加到的实际的“阳极”电极，之后形成磷光体层100-3b。
处于磷光体的发射范围中心的四分之一波片101典型为高分子膜(可购买到)，该高分子膜粘合在阳极的支持体100-3s的顶面上。
在所示示例中，反射偏振片为栅格偏振片(grid polarizer)。这种偏振片是大家所熟知的。尤其是可以参考文件WO 2007/044028。该偏振片典型包括细线形式的金属带，所述金属带规则间隔并通过例如蚀刻来获得。确定栅格的间距以使反射和偏振的效率最优化。该间距典型为0.2μm(微米)量级。本领域技术人员知晓如何以这种方式根据波长的期望范围(取决于所涉及的应用)制造具有良好的光谱性能和角偏振性能的偏振片。
图5显示了根据本发明的照明装置的第二实施例，其与前述反射偏振片结构的照明装置有所不同。此处反射偏振片包括具有反射面元的结构。其典型由具有浮雕的结构构成，所述浮雕例如可以是厚的模制高分子层，典型为1mm厚，其上沉积构成光学叠层的多层介质薄光学层。这类偏振片相对于栅格偏振片的优点在于整个片上都沉积光学层。因此，花费较低的成本即可在大表面上获得这种不需要任何精密蚀刻的偏振片。浮雕结构可由典型具有1毫米的底和约45°的底角的棱锥组成。选择光学叠层(选择材料/厚度)以便在该浮雕结构上制造45°反射偏振片。本领域技术人员可根据磷光体的光谱范围来轻松优化底角、间距以及叠层。
图9显示了45°偏振片的原理。光线由2个正交分量(通常称为s和p)构成，每个分量包含50％的能量。曲线R2和R1将这2个分量各自的透射表示为入射角的函数。应注意的是，在45°周围，这2个分量中只有一个分量被透射，另一个分量则被反射。
在实践中，如图5和图6a所示，能获得反射面元的浮雕结构102-1可以是如上文所述的具有方锥体(square-based pyramid)的结构。用于制造反射偏振片的另一种可能的浮雕结构是例如图6b所示的棱柱结构，其制造更为简单，但是效率较低。
图7显示了本发明的另一实施例。在该实施例中，磷光体层100-3b′被构造为一系列的不同颜色的磷光体带。因此，通常可以具有在不同波长发射光子的至少两类磷光体。在图示示例中，使用三个不同的磷光体来分别发射红光、绿光和蓝光。因此，“红”磷光体带b1、“蓝”磷光体带b2、“绿”磷光体带b3接连交替，通常为周期性的，间距为p(对应于这三个带宽I之和)。
仍如图7所示，照明装置可包括反射面元偏振片和阵列结构三极管型光源的阴极，允许对每个色带进行差别控制。因此，通过以差别方式控制阴极100-1的与各个频带对应的各个发射区，可以建立具有可变亮度的区域z1、z2、z3。
在一种改进中，还根据这些带b1、b2、b3来以差别方式处理偏振片的光学薄层的叠层，以便对每个带，即根据相应带的磷光体所发射的波长，获得居中和最优化的偏振及反射处理。
还可以根据图像的内容(在空间上)调制同一个颜色内的照明，从而获得亮度在空间上和时间上可变的区域z1、z2、z3：这可以有利地在每个颜色中产生最优彩色照明，以重建彩色图像：因而根据本发明的照明装置是颜色可变的偏振光源。在这种情况下，屏幕的结构中不再需要滤光片。
优选地，在偏振片102上方距离为d处设有漫射元件103，该漫射元件103用于平均所发射的彩色光通量的不均匀性。距离d是磷光体带的间距p的数量级的(p＝带宽I之和)。
在本发明的一种可提高装置增益的改进中，在照明装置的磷光体层下方，在该层与电子发射体之间设有用于向偏振片反射光子的镜层。这种镜层必须可以反射光子，同时对电子保持透明。该层例如可以是铝层(典型为100nm)。在图7的结构中，作为示例，在磷光体层100-3b’下方表示了镜层100-3c(在阳极结构中，这是最后一层，面对阴极)。
在图4和图5的结构中，在层100-3b(未示出)下方制造该镜层。在实践中，制造阳极的过程则包括在磷光体层上沉积镜层的最后步骤。
刚刚描述的漫射照明装置的各种元件的组合可以提供用于液晶屏幕的背光照明的部分偏振光，并且可以限制通常与液晶屏幕的入射偏振片有关的损耗。从而以远低于现有技术显示器的耗电量获得适合显示器的高亮度需要的强发光能量。
已通过场致发射型和电致发光型的光源100更具体地描述了本发明。场致发射器件优选为冷阴极型的，特别是纳米管型的。但是本发明可具体体现为任意的用于提供扩展光源并包括高漫反射系数层的兼容光源技术，例如等离子体光源。
本发明特别有利地应用在高亮度低功耗的大屏幕显示器中。
Claims (15)
1.一种用于透射式液晶屏幕的漫射照明装置，包括扩展偏振光通量的光源(100)，其特征在于，该照明装置包括在所述光源的光发射表面SD(A)上呈现至少大于0.3的高漫反射系数的漫射磷光体层(100-3b)以及在磷光体层(100-3b’)下方的镜层(100-3c)，以及在所述光源上设置有四分之一波片(101)和反射偏振片(102)的叠层，所述四分之一波片布置在所述反射偏振片和所述光源之间，所述反射偏振片使得未通过所述偏振片的光被经由所述四分之一波片朝向所述光发射表面上的高漫反射系数层至少部分反射，并且经由所述四分之一波片向所述反射偏振片漫射回来。
2.如权利要求1所述的照明装置，其中所述磷光体层(100-3b′)被构造为一系列不同的磷光体带(b1，b2，b3)，每个带发射不同颜色的光。
3.如权利要求1或2所述的照明装置，其特征在于，通过与所述磷光体层相联的场效应器件构成所述光源(100)，所述场效应器件包括具有电子发射结构的阴极(100-1)以及相对的透明阳极(100-3)，所述阴极(100-1)和所述阳极(100-3)被在其中建立了真空的空间(100-2)隔开，所述磷光体层(100-3b)面对所述阴极形成在所述阳极的底面上。
4.如权利要求3所述的照明装置，其特征在于，所述场效应器件还包括设置在所述阴极(100-1)与所述阳极(100-3)之间的电子抽取栅极(g)。
5.如权利要求3所述的照明装置，其中，所述阴极(100-1)的所述电子发射结构为碳纳米管结构。
6.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述反射偏振片(102)是栅格偏振片。
7.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述反射偏振片(102)是由浮雕结构(102-1)上所沉积的光学薄介质层的叠层(102-2)构成的反射面元偏振片。
8.如权利要求3所述的照明装置，其特征在于，所述反射偏振片(102)是由浮雕结构(102-1)上所沉积的光学薄介质层的叠层(102-2)构成的反射面元偏振片。
9.如权利要求7或8所述的照明装置，其中，所述浮雕结构(102-1)是具有棱柱的结构。
10.如权利要求7或8所述的照明装置，其中，所述浮雕结构(102-1)是具有棱锥的结构。
11.如权利要求8所述的照明装置，其中所述磷光体层(100-3b′)被构造为一系列不同的磷光体带(b1，b2，b3)，每个带发射不同颜色的光，并且所述阴极具有允许所述偏振片的多个区域独立寻址的阵列结构，每个区域对应于给定的彩色磷光体带(b1，b2，b3)，以便获得能够根据颜色变化的亮度。
12.如权利要求11所述的照明装置，其中，磷光体带根据每个带的发射波长来优化所述偏振片。
13.如权利要求11或12所述的照明装置，其特征在于，所述阴极(100-1)具有允许在每个区域内在空间上和时间上差别控制的阵列结构，以便根据图像的内容来调制照明。
14.如权利要求13所述的照明装置，其特征在于，所述照明装置还包括漫射体(103)，所述漫射体(103)设置在所述偏振片上方的通量发射侧、带宽I之和(p)的数量级的距离(d)处。
15.一种显示器，包括液晶屏幕和如前述权利要求任一项所述的照明装置，所述装置装配在所述屏幕的背面。
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