CN1102003A

CN1102003A - 彩色大屏幕液晶显示

Info

Publication number: CN1102003A
Application number: CN 93119257
Authority: CN
Inventors: 葛晓勤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-10-22
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 1995-04-26

Abstract

本发明是一种大屏幕彩色液晶显示器(LCD)。它主要包括一个点光源阵列构成的背照明光源；一个和点光源阵列一一相对应的会聚透镜阵列；一个矩阵式LCD，一个光阑阵列和一个显示器面板。点光源阵列上的点光源发出的光，经会聚透镜会聚和LCD 调制，成象在光阑中央，然后再射到面板的漫射面上以显示图像。LCD用快速写入和数字或模拟记忆方式工作。可用于制造各种尺寸的单色和彩色显示器，特别是20英寸至100英寸的平板壁挂电视以及平板HDTV等高分辨率显示器。

Description

本发明属于液晶显示领域，特别是属于大屏幕彩色液晶显示领域。

目前的液晶显示器（LCD）由于反应速度慢，因此当用于大量显示信息容量的显示器，例如视频显示时，通常都要用薄膜晶体管（TFT）阵列来采样、保持信号和驱动LCD。一个象点至少要一个TFT，一个电视显示器就有近100万个TFT。而TFT需要在真空内创作，工艺复杂，使得制作大屏幕的这种TFT-LCD十分困难。例如要制造30英寸或更大尺寸的电视显示器就十分困难。

本发明的目的是克服上述现有LCD的缺点，利用我以前发明的LCD高速写入和记忆方法，用矩阵式聚合物分散型LCD（PDLCD）或其它LCD调制从点光源射来并由透光镜会聚的光，此调制后的光被聚焦在光阑阵列的光阑上，通过光阑射到显示器面板的漫射面上，从而产生显示图像。本发明提供一种不需要TFT、不需要偏振光、也可不需要红、蓝、绿滤色片、亮度高、彩色好、制作简单、成本低、容易制成20英寸-100英寸或更大屏幕的彩色LCD。可用于制造各种尺寸的平板电视，计算机显示器，以及HDTV（高清晰度电视）等高分辨率显示器。

本发明的彩色大屏幕LCD包括：

一个由均匀点光源阵列组成的背照明光源;

一个与点光源阵列的点光源一一对应的会聚透镜阵列;

一个矩阵式LCD;

一个光阑阵列;

一个显示器面板。

按照本发明的彩色大屏幕LCD的最佳实施例：

a.一个均匀的白色的面发光背照明光源;

b.一个把面发光转换成均匀发光阵列的点光源板;

c.一个与点光源阵列一一对应的会聚透镜阵列;

d.一个由塑料基板制成的矩阵式PDLCD，矩阵上的象点也与点光源阵列一一对应;

e.一个在PDLCD上与红、蓝、绿（R、B、G）象点相对应的R、B、G滤光片阵列;

f.一个光阑阵列，各光阑也与点光源阵列一一对应;

g.光阑的大小、光阑与PDLCD透镜之间的距离按本发明的方法选择，从而得到高反差的显示图像;

h.一个显示器面板，如有机玻璃板，其外表面为散射面，由点光源射来的光线，经PDLCD调制，经过透镜和光阑射到此面板的漫射面上形成显示图像;

i.所说的R、G、B光经过光阑后射到显示面板的同一位置上，使R、B、G光在空间位置上一致，从而得到很好的混色和很好的图像质量。

下面结合附图详细描述本发明的彩色大屏幕LCD的实施例，其中

图1为现有技术的TFT-LCD的示意图;

图2为本发明的彩色大屏幕LCD结构示意图;

图3为获得高反差显示的原理图;

图4为提高反差的示意图;

图5为彩色显示的示意图;

图6为一种点光源阵列背照明光源的结构示意图;

图7为另一种点光源阵列背照明的结构示意图;

图8为彩色LCD的驱动方法示意图;

图9为分区扫描和照明的示意图;

图10为不用滤色片后的彩色LCD的驱动方法示意图。

图1为现有技术的TFT-LCD的示意图。由于一般的LCD反应速度很慢，在用于电视、计算机等视频显示时，常用TFT阵列来采样和保持信号并驱动LCD。图1中x_m……为行扫描电极，y_n……为数据输入电极。当扫描电压选中某一行，如x_m时，该行上所有TFT的栅极加上了ON电压，将该行的所有TFT打开，即对各信号线（y_n……）上的信号采样。采样得到的信号经TFT后存在保持电容C上（通常LCD象点本身即为此电容），并驱动LCD的该象点。

这种TFT方法，克服了LCD反应速度太慢的缺点。但一个象点至少有一个TFT，一个普通电视显示器就要有近100万个TFT。制造困难、成本高、且难于制成30英寸以上的大屏幕。

图2为本发明的彩色大屏幕LCD结构示意图。其中201为一个均匀点光源阵列的背照明光源;202为点光源阵列上的点光源;203为会聚透镜阵列，它由透明塑料或玻璃制成;204为此阵列上的会聚透镜;205为一个二维或一维的矩阵式LCD。此LCD可以是扭曲型液晶（TN）、超扭曲液晶（STN）、宾主液晶（GH）、铁电液晶（FL）或其它类型的液晶。图2中表示的为PDLCD（聚合物分散液晶显示、或称PNLCD、或LCPC）。其中206和207为PDLCD的前后二基板，这二个基板可以都是塑料，也可以是玻璃，也可以是一面为塑料膜，一面为有机玻璃或玻璃。208和209为此二基板上的电极，它们分别是一组相互平行的透明电极条，如ITO。二组电极正交放置，以构成显示矩阵。二电极之间为PDLC膜210。211为有光阑阵列的光阑板;212为板上的光阑。213为显示面板;214为其外表面的漫射面。其工作原理如下：点光源发出的光，如图中215，经会聚透镜204会聚后射向PDLCD 205。PDLCD在没有加电压时，液晶小滴内的液晶分子排列混乱，PDLCD呈散射状态，这时由透镜射来的光线经PDLCD后向各方向漫射，如图中216。这些散射的光线大部分被光阑挡住，只有少量光线可以经过光阑射向显示器面板，此即呈OFF态。当PDLCD的二个电极加上适当电压后，液晶小滴内的液晶分子在电场作用下都趋向平行于电场方向排列，于是PDLCD呈透明的ON态。这时PDLCD不再改变来自透镜的光束的结构，光束可以经过PDLCD聚焦在光阑212的中央，即绝大部分光线得以通过光阑投射到面板外表面的漫射面214上，这时显示呈ON态。

ON态时射到显示器面板漫射面214上的光通量L_on越高，OFF态时射到214上的光通量L_off越小，则图像的反差越高。ON态时射到漫射面214上的光通量决定于背照明点光源射出的光通量、PDLCD ON态时的透光率以及透镜和光阑这一光学系统的透光率。OFF态时射到漫射面214上的光通量决定于点光源的出射光通量、PDLCD的散射特性和显示器的结构。图3为其原理图，图中只画了一个象点。其中301为背照明点光源;302为会聚透镜;303为PDLCD;304为光阑;305为显示面板上的漫射面。当显示器处于OFF态时，PDLCD呈乳白色的漫射状态，从点光源301来的光线，经过透镜302后射到PDLCD将被漫散射，即入射到PDLCD上的光将被改变它原来的行进方向而向四周漫射。这些漫射光线中，绝大部分将光阑挡住，只有直接射向光阑通孔的304的一小部分才能通过光阑到达漫射面上。如图3中θ立体角内光线可到达漫射面上，这部分光线占从PDLCD漫射出来的光通总量的θ/2π，θ角决定于光阑大小（光阑半径为r）及PDLCD和光阑之间的距离d，即θ＝2r/d，于是OFF态射到漫射面305上的总光通量L_off＝KL₀r/πd，即正比于r/d，此值应小于1;式中L₀为从点光源射出的总光通量，K为决定于光学系统结构及PDLCD OFF态时的漫射特性的系数。由此可见，为得到高的反差，即尽可能小的L_off和尽可能大的L_on，应取较小的光阑孔径，较大的PDLCD和光阑之间的距离。但是光阑太小会减小ON态时光线经过光阑的透过率，为此点光源301的尺寸要小，光学系统应保证在光阑上形成一个尽可能小的像，从而保证ON态时有高的光透过率。

从图3我们可以看到，一个象点在OFF时，射到PDLCD上的光将向四周散射，其中一部分可能会从相邻象点的光阑射出，即产生象点之间的串话，特别是在PDLCD和光阑间距较大时。为此，PDLCD和光阑之间可用一不透明板，加工成为如图4中405所示的形状。图4中401为点光源阵列，402为PDLCD，403为透镜，404为显示器漫射面，405为一个不透明板，其厚度等于或小于PDLCD与光阑之间的距离，此板被加工成有一系列锥形通孔，如图中406所示，锥形通孔的底面与PDLCD接触，其锥顶即为光阑407。由PDLCD散射出来的光线将被锥壁吸收，因此锥壁应当是良好的吸光材料，从而取消象点之间的串话以提高反差和图象清晰度。

此外，为了得到彩色显示，可以采取二种方法：

1.各象点的光线通路上设置红、绿、蓝滤色片。例如在PDLCD上印刷红、绿、蓝滤色片阵列。红、绿、蓝的分布按通常电视的形式分布，或品字形，或长条形等。白色的背照明光经过滤色片阵列后变成红、绿、蓝光，并在显示器面板的漫射面上形成彩色图象。

2.背照明光源用红、绿、蓝交替变化的光源。显示图象分成红、绿、蓝三子场。当显示器显示某一色的信号时，背照明光发出相同色的光，红、蓝、绿交替进行以得到彩色图象。用这种方法，红、蓝、绿光从同一发光点窗口射出，混色效果好，而且因为不需要红、蓝、绿滤色片阵列，因而光的利用率高，效率高，亮度高。

为了改进前一种方法红、蓝、绿三点分开，混色效果差的缺点，各象点的光学系统可设计成同一象素的红、蓝、绿三色点投射到显示器面板漫射面的同一面积上，如图5所示。此图表示了一个象素的三个象点（红、蓝、绿各一个）三象点按等边三角形排列，如图5中501所示。图5的502为其侧视图。图中503为点光源，504为会聚透镜，505为PDLCD，506为红、蓝、绿滤色片，507为光阑，508为显示器面板上的漫射面。设计时我们让每组红、兰、绿象点的光轴相交或接近相交在漫射面上该象素的中心点，如图5中的C点上。于是红、蓝、绿三色点的光投射到漫射面的同一面积上，如图4中的a、b、c所示，从而得到很好的混色效果。

此外在本发明的显示器中，发光点阵列背照明具有重要意义。它应当是一种均匀、高效率点光源阵列，每一点光源的尺寸要尽量小，以得到高的显示图象反差。但是光源尺寸太小时，光源的出射效率会降低。

图6为一种点光源阵列背照明的示意图。图中601为一均匀发光的面光源，如荧光灯构成的面光源。602为一面光源-点光源转换板，它有一系列园或方锥形通孔。由601面光源射来的光线，有一部分可直接经过锥形孔的锥顶孔603射向PDLCD，如图中604。有部分光线则经锥形壁内壁上的高反射层或镜面反射层605反射，然后再经面光源的表面反射后射出锥顶孔603，如图中606，从而得到高的光利用率。图中θ'为出射光的立体角。这里，面光源表面应当有较高的反射率。

为了简化图6中面光源-点光源转换板的结构，也可用图7所示的结构。图中701为一均匀面光源，702为一面光源-点光源转换板，此转换板为一透明塑料板或玻璃，其远离面光源的一面为一有小孔阵列的高反射层703，其中704为它的小孔阵列。由面光源射来的光，一部分可直接由小孔704射出，如图中705。一部分光则由高反射膜反射向面光源，再由面光源反射后从小孔射出，如图中707所示。这时光源出射角β较大。

上述面光源-点光源转换板也可由光导纤维组成，由面光源射来的光线经光导纤维集中后从一小孔以一定角度射出，从而得到高效点光源阵列背照明。此点光源阵列也可用一系列光纤，由一强光源引出光线，其出射端按阵列分布形成点光源阵列。

此外，此点光源阵列也可由发光体本身就是点光源的阵列组成，例如用LED阵列。

PDLCD的驱动，用我以前发明的快速写入和记忆的驱动方法（专利申请号），则PDLCD可有极高的的写入速度，其写入脉冲的宽度可减小到10μs以下，并同时有模拟或数字的记忆能力。它既可以用于普通NTSC或PAL电视的视频显示，也可用于HDTV等高清晰度显示。其工作方式如图8所示，这里表示的一种有红、蓝、绿滤色片阵列的情况。其中801为行扫描电压;T为场周期;T_m为记忆时间，这时行电极处于高阻态或悬空态，图中用斜线表示。T_n为置零时间，即LCD回OFF的时间。图中801画出了三行扫描电压，第1行、第3行和第2N+1行，即用隔行扫描法。第3行比第1行后延一个行周期，如此类推，扫完全屏，再回头开始扫描偶数行场。亮度数据的输入用每次显示一行的方式工作。802表示与第一行显示相对应的二个列电极的例子，803和804，805和806分别为不同高度的写入脉冲，各写入脉冲的宽度为一个行周期，对PAL或NTSC电视约为63μs，对HDTV则约为31μs。此写入脉冲的后沿与记忆脉冲的前沿对有或有部分重叠，以保证LCD有良好的记忆特性。807和808为不同幅度的写入脉冲相对应的透光率变化曲线。其中807有高的透光率，即有高的亮度，808则为较低的透光率，即较低的亮度。809和810为与第3行扫描相对应的写入脉冲及与它相对应的LCD透光率变化曲线。这里只画出了一个列电极的波形，其它列电极均相似，但它们的透光率的高低，决定于该行该列的图象信号即它的写入脉冲的大小。811和812表示该场最后一行的写入脉冲和透光率的变化曲线。

在上述情况下，若LCD需要较长的置零时间T₀时，背照明光源的利用率将下降，因为T₀期间，LCD处于OFF态，这时光源发出的光没有被利用。为此可采用图9所示的脉冲光照明方法。这时整个显示屏幕可按行分成P组，每组n行，同时背照明光源也可与LCD相对应分成P段。图中901为第一组，共n行，它们的透光率变化曲线每一行向后延一个行周期H，n行共延nH。在第2n-1行进入记忆状态地，与该组相对应的背照明发出一个脉冲光902，其脉冲宽度等于或小于T_m-nH。在这段时间里第一至第2n-1行都在ON态，因而背照明的光能得到充分利用。在第一组扫描结束后，就接着开始第二组的扫描。如图中903。待第二组各行均进入记忆状态时，与该组相对应的背照明发出光脉冲904。如此循序扫完P组，后开始下一场的扫描显示，如此反复进行。

图10表示不用红、蓝、绿滤色片时的驱动原理。这时每一场图象信号被分成红、蓝、绿三个子场，对于PAL制电视，每场周期T为20ms，则每一子场的周期为6.6ms，这时显示屏和背照明与上述图9情况相似，分成P组，每组n行。扫描由第1行开始循序进行，如图中1001所示，当第一组的n行都进入记忆状态时，背照明发出某一色，如红色的光脉冲，如图中1002所示，某脉冲宽度等于或小于T

，使这段图像的红色成分显示在显示器面板漫射面上。接着进行第二组的扫描，当第二组各行都进入记忆状态时，与该组相对应的背照明发出红光脉冲，显示器显示该段的红色成分的图像。如此循序进行，如图中1003所示。扫完P组，接着开始下一子场，如绿色子场1004的扫描与显示，原理与红色子场相同，但这时背照明所发的光绿光，显示器显示绿色成分的图像。绿色子场完成后，再开始蓝子场，如图中1005。这三个子场的扫描显示在一场时间内完成，由于它们的速度快，而人眼有视觉暂留现象，因此人眼能将这三种不同颜色先后到人眼睛的图象混色合成一幅彩色图象。

这种方法不需要滤色片，背照明光的利用率高，显示屏工艺也更简单。

上述显示的各种方案也可用拼接方式构成几十英寸至几百英寸或更大的超大屏幕显示。

本发明的彩色大屏幕LCD有如下优点：

1.不需要TFT，容易制成20英寸至100英寸或更大屏幕的彩色LCD;

2.不需要偏振片，也不需要红、蓝、绿滤色片阵列，光利用率很高，图象亮度高，效率高，耗电小;

3.因不需要TFT及红、蓝、绿滤色片阵列，因而制造工艺简单，成本低;

4.红、蓝、绿三原色象点的空间位置相同，混色效果好，图象彩色好;

5.图象反差高。

Claims

1、一种大屏幕彩色LCD，其特征在于包括：

一个点光源阵列构成的背照明光源；

一个和点光源阵列上的点光源一一相对应的会聚透镜阵列；

一个矩阵式LCD；

一个光阑阵列；

一个显示器面板。

所说的背照明光源上的点光源发出的光，经过会聚透镜会聚和LCD调制，成像在光阑中央，然后再射到显示器面板上以显示图像；

2、一种如权利要求1所述的显示器，其特征在于所说的点光源阵列背照明光源由一均匀面光源和一个面光源-点光源转换板构成，此转换板可将面光源转换成点光源阵列的背照明;

3、一种如权利要求2所述的显示器，其特征在于所说的面光源-点光源转换板为一有一系列锥形通孔阵列的板，锥形通孔内壁为高反射层或镜面反射层。锥形通孔的底面向面光源，此锥形高反射层可将面光源发出的光集中，并从其锥顶的小孔射出，而形成点光源阵列;

4、一种如权利要求2所述的显示器，其特征在于所说的面光源-点光源转换板为一透明塑料板或玻璃，其远离面光源的一面为一有小孔阵列的高反射层，面光源发出的光，一部分直接经小孔射出，一部分经高反射层反射后再由小孔射出，以形成点光源阵列;

5、一种如权利要求2所述的显示器，其特征在于所说的面光源-点光源转换板由大量光导纤维组成，光导纤委将由面光源发出的光集中并由一个小孔射出，从而形成点光源阵列;

6、一种如权利要求1所述的显示器，其特征在于所说的点光源阵列背照明光源由一个强光源和一系列光纤组成，光纤由强光源引出光，其出射端按阵列分布形成点光源阵列;

7、一种如权利要求1所述的显示器，其特征在于所说的点光源阵列由发光体本身就是点光源的阵列组成，例如LED阵列;

8、一种如权利要求1所述的显示器，其特征在于所说的会聚透镜阵列为一透明塑料板，它有一系列会聚透镜形成会聚透镜阵列;

9、一种如权利要求1所述的显示器，其特征在于所说的矩阵式LCD为一个二维的或一维的矩阵，或其它图形的LCD;

10、一种如权利要求1所述的显示器，其特征在于所说的矩阵式LCD为TN、STN、GH或FL等LCD;

11、一种如权利要求1所述的显示器，其特征在于所说的矩阵式LCD为PDLCD（或PNLCD或LCPC）;

12、一种如权利要求11所述的显示器，其特征在于所说的PDLCD的二个基板为塑料或玻璃，或一面为玻璃，一面为塑料;

13、一种如权利要求1所述的显示器，其特征在于所说的光阑板为一有一系列锥形或其它形状的通孔的不透明板，锥形通孔的底面向LCD，通孔的顶为一小孔，即光阑。锥形孔的内壁为高吸光层，能把从PDLCD漫射开的光充分吸收，只允许射向光阑小孔的光射出以提高显示图象反差;

14、一种如权利要求1所述的显示器，其特征在于所说的显示器面板的外表面为漫射面，由光阑射出的光线射到漫射面上形成图像;

15、一种如权利要求14所述的显示器，其特征在于所说的光阑板的光阑孔径r要小，光阑与LCD之间的距离d要大，当PDLCD处于OFF态（即散射态）时，通过光阑的光通量正比于r/d，此值应小于1;

16、一种如权利要求14所述的显示器，其特征在于所说的光阑板与PDLCD紧贴在一起，各锥形通孔的壁可把任一PDLCD的象点向相邻象点散射的光吸收掉，从而消除相邻象点之间的串话，提高反差和图象清晰度;

17、一种如权利要求1所述的显示器，其特征在于所说的LCD的各象点有红或蓝或绿的滤色片，红、蓝、绿滤色片按品字形、长条形或其它形式分布;

18、一种如权利要求11所述的显示器，其特征在于所说的PDLCD的一个基板的内表面或外表面上有红、蓝、绿滤色片阵列，红、蓝、绿按品字形、长条形或其它形式分布，一个象点一种颜色以显示彩色图象;

19、一种如权利要求17、18所述的显示器，其特征在于所说的红、蓝、绿滤色片按品字形分布，每一象素有红、蓝、绿各一个象点，同一象素各象点的背照明光源、会聚透镜以及光阑的光轴相交或接近相交在显示面板漫射面的同一位置上，即红、兰、绿三个象点的光投影到漫射面的同一面积上，从而得到很好的混色效果;

20、一种如权利要求1所述的显示器，其特征在于所说的点光源阵列、透镜板、LCD、光阑板和显示器面板有相同的热膨胀系数，以保证不同温度时图象质量不变;

21、一种如权利要求1所述的显示器，其特征在于所说的LCD用快速写入和记忆方法驱动，从而可显示视频信号，用于电视显示及高清晰电视等显示;

22、一种如权利要求11所述的显示器，其特征在于所说的PDLCD用快速写入和记忆方法驱动，PDLCD上有红、蓝、绿滤色片阵列。用每次显示一行的方式工作，每次用宽度等于行周期幅度与亮度信号相对应的脉冲写入亮度数据，然后该行LCD即进入记忆状态，保持其ON态，所保持的ON态的透光率的高低与亮度信号大小成正比，直到置零脉冲开始，LCD回OFF态。如此一行隔一行或一行换一行扫描全屏，后又开始下场扫描，从而显示彩色图象;

23、一种如权利要求22所述的显示器，其特征在于所说的LCD被按行等分为p组，每组n行。背照明光源也与LCD相对应分成p段。显示器仍以每次显示一行的方式工作，一行隔一行或一行换一行扫描。当第一组的n行扫描送数完毕并都进入记忆状态时，与该组相对应的背照明开始发光照明该组LCD，直到该组的各行或任一行开始置零，背照明停止发光。由于背照明发光期间，该组LCD都处于ON状态，因而背照明的光能得到充分利用;

24、一种如权利要求23所述的显示器，其特征在于所说的背照明光源每次发光的时间可变，从而调节显示器图象的亮度;

25、一种如权利要求10、11所述的显示器，其特征在于所说的LCD不用红、蓝、绿滤色片，显示器与背照明也被等分成p组，每组n行LCD，图象信号被分成红、蓝、绿三个子场。扫描由第一行开始循序进行，同时各列电极送入相对应的某一色，如红色的亮度信号。当第一组n行扫完并都进入记忆状态时，背照明发出红色的光，直到该组各行或其中一行开始置零，发光停止，这时候该段LCD显示图象的红色成分。第一组扫完后即开始扫第二组，当第二组各行都进入记忆状态时，与该组相对应的背照明发红光，直到置零开始。如此依次扫完全屏。接着开始另一色如绿色子场的扫描，绿子场完后进行兰子场，然后又开始下一场的红子场扫描，如此反复进行以显示彩色图像;

26、一种如权利要求25所述的显示器，其特征在于所说的光脉冲在LCD置零开始前结束，以免背照明发光的余辉使各行亮度不均匀;

27、一种如权利要求1所述的显示器，其特征在于所说的显示器用拼接方式构成几十英寸至几百英寸或更大的超大屏幕显示。