CN103688209A - 改进亮度的带有集成光电池的显示装置 - Google Patents

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Abstract

带有集成光电池的显示装置(1)，特别是数字显示屏，包括：(a)图像区(4)阵列(3)，其发出光或由位于图像区(4)阵列(3)后面的光源(2)背光照明；(b)由多个光电池(7，8)和多个孔(13)形成的阵列(6)，在所述阵列中两个相邻的光电池形成孔；(c)透镜阵列(5)，使得可以把所述图像区(4)发出的光聚焦到两个相邻的光电池(7，8)之间的孔中，所述装置(1)特征在于，所述透镜阵列(5)定位在所述图像区(4)阵列(3)和所述光电池(7，8)阵列(6)之间。

Description

改进亮度的带有集成光电池的显示装置
技术领域
本发明涉及显示装置的领域，更具体地说，涉及背光照明显示屏的领域。包括大量背光照明像素的这样的屏幕长期以来已为人所知，并用于电视机、计算机和小尺寸便携式装置，诸如移动电话、游戏机和计算器。
背景技术
在本文中术语“背光照明”图像区指的是位于光源前面由该光源从其后照明的图像区。图像区可以是例如，一个像素、多个像素或者一个像素的一部分(例如，液晶像素)，或者其上印出图像的膜的带。在背光照明屏幕中，漫射光源位于在像素平面的后面，以便改进对比度。
便携式装置一般由电池供电，其中充电之间的持续时间是使用便利性的重要因素。为了延长这一充电之间的持续时间，在这些便携式装置中集成入光电池，该光电池产生一部分运行所述装置所需要的电流。鉴于在所述便携式装置的外表面上设置光电池的可用空间非常有限，适宜于在显示屏中集成光电池。
现有技术有这样的集成的若干示例。第一种途径包括沉积半透明光电池(见EP1174756(ETA)，US7,206,044(Motorola)，WO2009/052326，US2010/284055，WO2009/065069(Qualcomm)，US2010/245731(Intel))。另一种途径包括以带的形式沉积光电层，在该光电层的带之间通过来自像素的光(见US2002/0119592(BP)，US4,795,500(Sanyo)，WO2009/098459(W-Solv))。所有这些途径导致的屏幕不是亮度不高，就是对于给定的电池类型，光电池表面积与转换能量成比例太小。
文献US2007/0102035(X.Yang)表示达到这样一种集成的另一种途径，其中设置在屏幕表面上的光电池覆盖区域收集周围的漫射光，而设置在显示屏后面的透镜系统将背后照明的光聚焦到未被光电池覆盖的区域上。
然而，这些光电池不应该使成像特征降级，也不应该使其中集成该光电池的屏幕亮度降级，这就是为什么事实上可用于这些光电池总的面积非常有限；的确，光电池的宽度不能明显地大于两个像素之间的空间，而为了改进屏幕分辨率希望该空间最小化。若光电池较大，而且更不必说当部分地覆盖像素表面时，正如在文献US2007/0102035中上述的实施方式的情况，由屏幕产生的图像的亮度和分辨率降级。该同一文献包括另一个实施方式，其中背后照明光通过位于背后照明光源和像素阵列处于其上的衬底之间的空间中的透镜聚焦在光电池之间的空间中；该实施方式呈现出需要极其精确定位透镜的缺点，该定位关于两方面：透镜的横向位置而且尤其是透镜与光电池相对的距离。此外，其不能使得把背光照明用的光源直接集成在控制构成屏幕像素的液晶的场效应晶体管的衬底上。
发明内容
因而本发明力求提供一种带有集成光电池的显示屏，其将光电活性表面积的高比例联合于高显示亮度。这一光电池的集成优选地是不要求对显示屏的设计，特别是“像素控制”部分的修改，以便能够利用已知的屏幕设计。
在本发明的范围内，该问题通过建立三个主要因素的明智关联解决，该三个主要因素为：产生图像的像素阵列、多个光电池和构成透镜阵列的多个透镜，这三个因素中的每一个的特征在于其形状、尺寸和相对彼此的定位，以便形成带有集成光电池的数字显示屏。
本发明的第一目标是显示装置，具体地说，是带有集成光电池的数字显示屏，包括
(a)图像区阵列，发出光或由位于图像区阵列后面的光源背光照明；
(b)由多个光电池和多个孔形成的阵列，在所述阵列中两个相邻的光电池形成孔；
(c)透镜阵列，使得可以将所述图像区发射的光聚焦进两个相邻的光电池之间的孔中；
所述装置的特征在于，所述透镜阵列定位在所述图像区阵列和所述光电池阵歹之间。
按照本发明的装置包括图像区阵列。这可以指定为像素。术语“像素”在这里包含或者是单色的单独像素，或者是像素的多个部分(一般三个，就是说，蓝、红和绿三种颜色)，其互相配合以便形成被确定为每个区发射强度的函数的颜色的光点。这些图像区或者像素形成有序阵列；该基于像素的显示技术是本领域技术人员己知的。按照本发明的屏幕可以是借助于位于图像区阵列或像素后面的光源背光照明(例如，在LCD型屏幕(液晶显示)情况下或者在包括优选是半透明的印刷平行带的形式中的图像区的广告面板情况下)，和/或该像素可以主动发光(例如，电致发光的像素)。该屏幕可以是柔性的或刚性的屏幕。其外表面上其可包括触摸层或触摸膜，以便允许用户借助于触摸的途径输入数据。
在其他实施方式中，图像区、像素和/或像素的部分的安排得使图像区、像素和/或像素的部分的不同组产生不同的图像。
此外，按照本发明的装置还包括多个光电池，其形成或包含多个孔，来自图像区或像素的光可以穿过该孔。所述孔可以具有任意形状，例如，矩形或圆形。所述电池可以沉积在适当的衬底上，例如，板或者膜上；在下文中把沉积在其衬底上的光电池称作“光电板”，这决不意味着其在力学上是刚性的。反之，所述衬底可以是柔性的、可弯曲的。所述光电池可以具有任意形状，但是优选是矩形。
该光电池可以为与空带(孔，即不包括任何光电池)交替的平行带的形式。这些带优选是等距离的，构成有序阵列。由于这些孔，该光电板是部分透明的；该光电板的所谓外部光透射率(Text)大部分是由光电池所占有的表面比例及其本征的光透射率确定的。
所述光电池最好是基于非晶硅或微晶硅的薄膜光电池，因为这种类型电池特别适宜于转换强度低的光(漫射光、室内光)：但是也可以用任何其他合适的技术制作这些光电池，例如，基于CdTe或CIGS(铜铟镓硒)或者基于聚合物。其可指定为p-i-n或p-n型结，或者级联电池(cellules tandem)，亦即包括重迭的两个优先吸收照明光谱不同部分的电池。其可以设计成用来把可见光和/或紫外光和/或红外光转换为电。其可以至少部分地对可见光透明。其可以用保护层保护，最好提供有减反射层。
按照本发明的装置还包括多个透镜。在这里“透镜”指的是各向同性或者非各向同性的透明材料制成的具有使光线偏转和/或聚集或发散的特性的任何装置。在这一广范围定义下，术语“透镜”包括棱镜、抛物面聚光镜、菲涅尔透镜。一般这多个透镜以包括多个透镜的膜或者透镜板的形式呈现。这些可以是圆形的圆周透镜，但是透镜阵列最好是包括相同直线型透镜的并置，其纵轴平行于光电池带。本文中这多个透镜称作“透镜板”或“透镜阵列”，而不论其实施方式。
光电板的平面、透镜阵列平面和像素平面最好是充分平行的，但是这些平面也可以具有轮廓(但仍平行)，特别是在屏幕是柔性屏幕的青况下。该透镜板可以用适当的透明塑料，诸如PET等制成。
按照本发明，透镜的形状，光学特征及其相对于光电板的定位使得来自图像区(例如，来自像素或者或像素的部分)并穿过透镜的光束在该透镜出射时一般通过光学偏转和/或聚集作用而具有一个方向，该方向使得该光束至少部分地，但是优选地是全部穿过两个相邻的光电池之间的孔。若来自像素的全部光强度通过该孔，则光电板的所谓内部光透射率(Tin)最大。但是即使一部分来自像素的光被光电板吸收也能达到本发明的目的。通常每个透镜对应于适当形状和尺寸的孔。一般，构成该透镜板的透镜(且最好设置为形成透镜阵列的形式)可以具有任何适当形状和适当特征；该透镜尤其可以是平凸或双凸或者还有球面和/或非球面的，或者再有对称的或者不对称的透镜或者折射率可变的透镜。
更具体地说，该图像区阵列相对于透镜板和相对于光电板，最好定位得使得来自每个图像区或者图像区的部分并由透镜板相应透镜接收的光被该透镜偏转和/或聚光得使得全部或至少大部分光通过光电板的一个孔。
在一个有利的实施方式中，所述透镜阵列包括相同直线型透镜的并置，其纵轴平行于光电池带。
为了避免通过透镜板向光电板的寄生反射，并且反之亦然，该两块板可以黏附在一起，或者可以只构成包括光电池以及还有透镜的单一的板。
一般，为了至少部分地消除环境光在光电板表面的反射，该光电板可以包括至少一层减反射层。在本文中该术语包含特定的覆盖层或者所述光电板的表面处理、或者表面光学微结构、或者包括不同的折射率的层的多层覆盖层。
按照本发明的装置优选地具有光电板的高的内部透射率(Tin)和低的外部透射率(Text)，这是由于如上文所述的明智地选定和定位的透镜板而获得的。于是，同时获得高分辨率和明亮的图像以及对外部光的显著的光电转换。另一方面，若不存在透镜板，则两个透射率Tin和Text处于同一数量级，而且图像质量受到光电转换损害。
本发明的另一个目标是由光电板和与其关联的透镜阵列构成的组件，其可以结合在数字显示屏以便形成如上所述的带有集成光电池的数字显示屏。更具体地说，该组件可以由衬底或者透明膜构成，优选是柔性的或半刚性的，一般用聚合材料制成，其上沉积所述透镜阵列，再在其上沉积光电池阵列。如上文所述，该光电池阵列可选地用保护层，例如，表面沉积(薄层)或柔性膜保护层。所述保护层可以是连续的或断续的。在这里该组件称作“带有集成透镜的光电膜(板)”，其例如可以通过黏附结合并固定在数字显示屏的外表面上。该外表面优选是光滑的；其可以是平的或者有轮廓的，刚性的或者柔性的。该集成了光电池的膜或者板还包括电极，该电极一般是光电池连接在一起和收集电流所需的薄膜电极。
本发明的另一个目标是，利用按照本发明的带有集成透镜的光电板制造数字显示屏的方法，包括下列步骤；提供包括光滑外表面的数字显示屏；提供按照本发明的带有集成透镜的光电板，所述带有集成透镜的光电板优选地通过黏附结合并固定在所述数字显示屏上，以形成带有集成光电池的数字显示屏。把光电板结合在屏幕外表面上之后，在该带有集成透镜的光电板的电极和屏幕电源元件之间建立电连接，以便由该光电池产生的电能能够向集成了所述屏幕的便携式或者固定式电子设备供电；这种供电可以直接或者间接进行(通过诸如可充电电池或者电容等电能储存装置充电)。
具体实施方式
图1至9示意地举例说明本发明的实施方式，但不限制本发明的。应该明白，所示的所有实施方式和所有变化都可以彼此结合。这些附图没有表示某些对显示屏的运行必不可少，但是本领域技术人员充分了解的组件，特别是对在液晶屏上产生图像非常重要的场效应晶体管层。
图1示意地表示本发明的第一实施方式。该图表示穿过按照本发明的显示屏的横截面。按照本发明的显示屏1包括图像区4阵列3(可以是像素)，其被设置在图像区4阵列3的后面的一般是平面的光源2背光照明。平面光源2可以是漫射板。在这些实施方式的一个变化中，像素4的阵列3不是由光源2背光照明，而是每个像素4本身构成光源，例如，通过电致发光。正如上面指出的，每个像素4可以由多个不同颜色的单元形成，一般由三个单元(红、蓝、绿)形成。这举例示于图1，并可应用于本发明的所有实施方式。
按照本发明的屏幕1还包括光电池带7、8的阵列6，沉积于该图没有示出的衬底上。屏幕1还包括透镜阵列5，其包括相同直线型透镜的并置，其纵轴平行于光电池带7、8。所述透镜阵列定位于所述图像区4的阵列3和所述光电池7、8的阵列6之间。透镜阵列5可以由相同的直线型或者其他透镜12并置构成，该透镜可以是平凸或双凸型；或类似的；可以是对称或不对称型、球面或非球面型的。所述透镜阵列5最好对于每个像素4产生单独的透镜效应，把来自像素4的光聚焦入孔13中。
如虚线所示，来自像素4的光束由透镜阵列的相应透镜聚光，以使之尽可能精确地指向通过光电阵列6相应的孔13。正如下面将要说明的，在像素4发射的一部分光束受到寄生反射，被阻止通过孔的情况下，观察者9感受的图像质量可能略为下降，但仍将可能收回未被透射而是被漫射的光能，从而从朝向像素4的设置在光电板内表面的光电池产生增加的光电能量。
一般，图像区4不必全部都在同一平面上，而是其可以设置在几个充分平行的平面上。对于彩色显示，像素4可以按照本领域技术人员已知的技术细分成子像素，例如每个像素都可以细分为红、绿和蓝颜色的三种子像素。
在本发明所有的实施方式中，光电池7可以利用已知的和适当的任何薄层技术。对于在室内使用的装置的屏幕，最好利用一些在低亮度下具有良好转换效率的电池(例如，基于非晶硅或微晶硅的电池)，这是因为所述电池主要接收漫射光。
在本发明所有的实施方式中，按照本发明的屏幕1可以包括其他改进其特性或使之适应某些特别的使用情况的组件。作为示例，其还可以包括一个或多个下列元件：彩色滤光片、偏振滤光片、透镜元件、光漫射器、保护层。屏幕1还可以是柔性屏幕。
图2示意地表示该第一实施方式的一个变化，其可以与本发明的所有其他实施方式结合，其中光电带的阵列6由保护层17保护，该保护层可以是刚性的或柔性的，连续的或断续的，例如，其可以是聚合物膜。该层可以包括减反射层11，最好是在该外表面上(即，面向观察者9)。所述保护层17可以形成衬底，其上沉积了光电池带7、8阵列6。
图3示意地和简要地表示另一个类似实施方式。像素3阵列是背光照明的(白色箭头)，图中没有显示该光源。清晰地表示了来自像素4三个区域的每个的光束的光程。
图4示意地和简要地表示另一个具体的实施方式，其中来自图像区4的光束21是发散的；这可以例如用由发散的光束22背光照明的LCD型的像素4实现(如图4所示)，或者用由LED或OLED型电致发光的像素(图上没有示出的方变化)实现。在这种情况下，相应的透镜12最好是会聚的，带有第一凸面34和必要时第二凸面35，以便缩短透镜12的焦距并以此获得通过透镜12之后聚焦在孔13上的会聚光束23该光束，和/或增大出射光束的出射角度。
在另一个示意地和简要地示于图5的实施方式中，来自像素4的光束21是会聚的，这可以例如用由会聚光束22背光照明的LCD型像素4实现。这时相应的透镜12可以是发散的，带有第一凹面24和必要时第二凹面25，以便增大透镜12的焦距，并以此获得聚焦在孔13上的会聚光束23，而且其焦平面偏移远离该像素。为了要例如增大透镜板的总厚度和/或减少光束的出射角度可能会产生这种需要。
在图6示意地和简要地表示的另一个实施方式中，来自图像区4的光束21是平行的；这可以例如用由平行光束22背光照明的LCD型像素实现。在这种情况下，相应的透镜12可以是会聚的，带有凸面，以便使光束会聚在接近的光电板6相应孔13的焦平面上。
在图7示意地和简要地表示的再一个实施方式中，光电板6的孔50、51、52和透镜板5的透镜60、61、62与只由像素4的一部分40、41、42发射的光对应。像素4的这部分40、41、42可以例如对应于特定的区域，该区域对应于LCD像素的红色、绿色或蓝色中的一种颜色；其光被相应的透镜60、61、62偏转，以便把每束光聚焦在相应的孔50、51、52中。
在图8示意地和简要地表示的再一个实施方式中，每个透镜12对应于一组像素43、44、45，其出射光束的集合被与这组像素43、44、45相关的透镜12偏离，使其聚焦在孔13中。
在所有这些实施方式中，并不严格地必须把来自像素4、43、44、45或者像素部分40、41、42的光束聚焦在孔13、50、51、52中，但是聚焦在该孔中给出最佳的亮度和显示质量。
光电板6还包括电极，一般为薄膜电极，这是光电池连接在一起和收集电流(图中未示出)所需要的。
在一个图中没有示出的特定实施方式中，按照本发明的装置1包括两套不同的光电池组件，一套专用于环境光20(在这里称为“外部光”)的光电转换，而另一套专用于来自像素和/或其背光照明(在这里称为“内部光”)的漫射光的光电转换。例如，可以在光电板的外表面上设置第一套光电池组件，用来转换外部光(并且优选是然后由保护膜或保护层保护)；而可以在光电板的内表面上设置第二套光电池组件用来转换内部光。
按照本发明的数字显示屏1可以结合于固定或便携式的电子设备中：该设备形成本发明的另一个目标。具体地说，这可以指便携式电话、电子书、便携式电视屏幕、便携式计算机屏幕。也可以指尺寸较大的固定装置，例如，固定电视屏幕或公共显示屏。按照本发明的数字显示屏1可以包括触摸层或触摸膜，就是说触敏的层或膜，以便获得触摸屏。
图9示意地表示按照本发明的带有集成光电池的显示屏1的制造方法：光电板，包括光电池的阵列6(一般为光电带)，该阵列6可选地以保护层17覆盖(其本身可选地以减反射层11覆盖)，该光电板与透镜阵列5相关联(可选地直接沉积在这一透镜阵列上或者用板或者膜隔开(图上未示出))，形成带有集成透镜组件的光电板65，其可以结合于数字显示屏66以形成如上所述的带有集成光电池的数字显示屏1。更具体地说，所述带有集成透镜的光电板65可以由透明膜64构成，该膜优选是柔性的或半刚性的，一般用聚合材料制成，其上沉积所述透镜阵列5，再其上所述光电池7，8阵列6沉积在其至少一个面上，如上文所述，光电池可由保护层17保护，例如是，表面沉积(薄层)或柔性膜。
该带有集成透镜的光电板65可以例如通过黏附结合于并固定在数字显示屏66的外表面63上，如图9中箭头所示。该外表面63优选是光滑的；其可以是平的或者形成轮廓，刚性的或者柔性的。带有集成透镜65的这一光电膜还包括电极，一般为薄膜电极，这是光电池连接在一起和收集电流所需要的(图中未示出)。
图10表示本发明再一个实施方式。显示装置1包括图像区91阵列90，其一般沉积或印刷在衬底92上并被背光照明。所述衬底92最好是透明的或者至少是半透明的；其可以是平面光源。图像区91可以形成平行的带，其纵向方向平行于构成透镜阵列5的透镜12的纵向方向。正如在其他实施方式中，透镜阵列5对来自图像区的光聚焦。该实施方式特别适宜于呈现固定图像的大尺寸显示装置，例如，海报广告、标志、安排在建筑物外部或内部的装饰板。
图11示意地表示按照本发明带有集成透镜的光电板的一个示例，用以下方法制成：在覆盖Zn02透明导电层的厚度H2约为500μm的柔性玻璃衬底17上沉积基于氢化非晶硅的p-i-n型光电池，该电池上接着沉积TO层。这一光电池产生约8V的开路电压。通过用酸湿法刻蚀ITO层并接着在由SF6气氛形成的等离子体中进行用于硅的反应性离子蚀刻(RIE)，在该光电池中切割出平行的带，以获得光电带阵列6。
使用带有柱面透镜的PET制成的厚度H3约为125μm的透镜板5，该柱面透镜具有91μm的步距L3，约26μm的高度H4和孔径角120。，由Microsharp公司商售。
将光电板和透镜板组装以形成带有集成透镜的光电板。尺寸约为4.2cm x3.7cm的该板黏附在三星公司商售的SGH-F490型便携式电话屏幕上，配备厚度H1约为700μm的玻璃板，其后面是像素阵列3，单独的像素宽度L1约为160μrn。在光电板和电话供电回路之间建立电连接，以便允许电池组用该光电板充电。
标记列表
1     显示装置    21，22，23  光束
2     光源        24，25  第一和第二凹面
3     图像区阵列  34，35  第一和第二凸面
4     图像区      40，41，42  图像区的部分
5     透镜阵列    43，44，45  图像区的组
6     光电池阵列  50，51，52  孔
7，8  光电池      60，61，62  透镜
9     观察者      63  外表面
11    减反射层    64  透明膜
12    透镜        65  带有透镜的光电板
13    孔
17    保护层      66  数字显示屏
20    外部光

Claims (16)

1.一种带有集成光电池的显示装置(1)，包括：
(a)图像区(4)阵列(3)，发出光或由位于所述图像区(4)阵列(3)后面的光源(2)背光照明；
(b)由多个光电池(7，8)和多个孔(13)形成的阵列(6)，所述多个孔(13)在所述阵列(6)的两个相邻的光电池之间形成；
(c)透镜阵列(5)，使得可以将所述图像区(4)发出的光聚焦到两个相邻的光电池(7，8)之间的所述孔(13)中；
所述装置(1)特征在于，所述透镜阵列(5)定位在所述图像区(4)阵列(3)和所述光电池(7，8)阵列(6)之间。
2.按照权利要求1的显示装置(1)，其特征在于，其为数字显示屏。
3.按照权利要求2的显示装置，其特征在于，其为柔性屏幕。
4.按照权利要求1至3中任何一项的显示装置(1)，其特征在于，所述图像区(4)是像素。
5.按照权利要求1至4中任何一项的显示装置(1)，其特征在于，所述透镜阵列(5)包括相同直线型透镜的并置，其纵轴平行于光电池(7，8)的带。
6.按照权利要求1至5中任何一项的显示装置(1)，其特征在于，所述透镜阵列(5)的透镜在由平凸、双凸、对称、不对称、球面和/或非球面的透镜或折射率可变透镜组成的组中选择。
7.按照权利要求1至6中任何一项的显示装置(1)，其特征在于，所述光电池的带(7，8)的阵列(6)由保护层(17)保护，最好提供有减反射层(11)。
8.按照权利要求1至7中任何一项的显示装置(1)，其特征在于，所述光电池(7，8)是基于非晶硅或微晶硅、基于CdTe或者基于CIGS或者基于聚合物的薄膜电池。
9.按照权利要求1至8中任何一项的显示装置(1)，其特征在于，所述光电池(7，8)至少部分地对可见光透明。
10.按照权利要求1至9中任何一项的显示装置(1)，其特征在于，所述图像区(4)、像素和/或像素的部分安排得使图像区、像素和/或像素的部分的不同组产生不同的图像。
11.按照权利要求1至10中任何一项的显示装置(1)，其特征在于，在其外表面上其包括触摸膜或触摸层。
12.按照权利要求1至11中任何一项的显示装置(1)，其特征在于，其包括两套不同的光电池，即一套专用于环境光或者外部光(20)的光电转换，而另一套专用于提供自所述像素和/或所述背光照明光源(2)的内部的漫射光的光电转换。
13.按照权利要求12的显示装置(1)，其特征在于，其包括第一套光电池，设置在所述光电板的外表面上用以转换所述外部光；并且包括第二套光电池，设置在所述光电板的内表面上用以转换所述内部光。
14.一种带有按照权利要求1至13中任何一项的显示装置(1)的便携式或者固定式电子设备。
15.一种用于制造按照权利要求1至13中任何一项的显示装置(1)的带有集成透镜(60)的光电板，包括透明的膜或衬底(62)，优选是柔性的或者半刚性的，所述膜包括透镜阵列(11)，并且所述膜包括光电池(7，8)阵列(5)，所述光电池(7)优选由至少一个连续的或断续的保护层(17)保护。
16.一种制造按照权利要求1至13中任何一项的带有集成光电池的显示装置(1)的方法，其中提供包括光滑外表面(63)的数字显示屏(66)，并且其中提供按照权利要求15的带有集成透镜(65)的光电板，以及其中所述带有集成透镜(65)的光电膜优选通过黏附固定在所述数字显示屏(66)上，以形成带有集成光电池的数字显示屏(1)。
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