CN1276067A - 带有介质堆栈滤光片的显示器 - Google Patents
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Abstract
一种显示器具有一种最好是液晶盒的调制器,调制器适于调制从盒后部入射到在盒的观察者侧的荧光型输出元件(7)上的UV激发光(23,25),显示器还有一个诸如棱形片的预准直装置(11),用于将入射光在到达液晶盒之前部分地准直,以便提高液晶调制器的对比度。在本发明中还有一个以介质堆栈滤光片(9)的形式夹在盒(11)和输出元件(7)之间的调制器。调谐此滤光片从而阻挡以大于与液晶盒的法线的预定角角度从液晶盒出射的基本单色的入射光(25a),还用于阻挡可见光波段中的光通过。这确保较好的光输出,同时消除非常有害(即消减对比度)的偏轴光线。
Description
本发明涉及一种液晶显示器，尤其涉及一种光致发光液晶显示器(PLLCD)，但不限于此。在如GB-A-2154355(Ricoh Co.)中图3所示的这种显示器中，荧光点放置在液晶盒的顶部，并且紫外激发光从后面入射。液晶层调制紫外光，然后调制的紫外光击中荧光点，使荧光点发光。在这种显示器中，当不存在UV激发光的任何校准时，荧光物质在整个入射角的范围内有效地汇集电光装置的整体对比性能，结果并不理想，因为对于大多数液晶，在某些角度对比度很低。
为了提高PLLCD装置的视觉对比度，提出了几种涉及对来自发散的背光的激发光准直(在光落射到液晶层之前)的方法-例如见WO95/27920(Crossland et al.)。无论何种形式，这种准直通常导致大量的激发光在偏离高对比度的方向上经液晶盒入射。因此，准直提供了一种提高显示对比度的方法，同时也通过减小相邻荧光象素之间的串扰而提高可实现的分辨率。
虽然定向的背光照明对光致发光的LCD特别有用，但它也用于某些传统的显示器。例如，银行出纳员所用机器的显示器受益于显示的窄视场，因为它提供更好的安全性。另外，甚至在希望具有宽视角的传统LCD中，如果在观察者一侧有一个在成象时立即扩展光束的散射板，则也可以用准直的背光照明。
把散射的窄带光准直到窄角锥中的方法是本申请人较早的PCT申请NO.PCT/GB98/01203中所述的一种方法。这种方法依赖于选定的最佳介质堆栈滤光片的角透射特性。该处到达液晶盒后壁的散射窄带UVA光能够在前进的方向上(首先)穿过滤光片，但如果入射角大于偏离法线的某一角度则被反射。反射的光在从介质堆栈后面的散射反射面反射后可以还有一次穿过滤光片(在滤光片的窄角透射范围之内)的机会。
通常用于传统的液晶显示器(或也可用于PLLCD)散射光准直的另一种方法涉及利用光学膜如3M公司的亮度增强膜(优选此膜具有两个交叉层)的光折射。这种膜被发现能把大量散射光向前导向，但仅在一个具有较大半角的圆锥内，并且有相当一部分杂散光以大于偏离法线40°的角度出射(见图1)。这种杂散光特别在PLLCD的情况下是不希望有的，因为它很可能会在转换的液晶中引起较差的对比度，并影响(和继而降低)显示器总体的对比度。
为了利用这种类型的准直实现提高背照明及光致发光LCD的对比度和分辨率，需要以显著偏离法线的角度删除从液晶发出的激发光而不损失太多的输入光使显示太暗。
本发明的一个方面在于提供一种具有适于调制从后面入射的光束的调制器的显示器，尤其是一种液晶板，以及具有一种用于在光束到达调制器之前将其局部地沿光轴准直的预准直装置；显示器还包括一个位于输出端的滤光片最好是介质堆栈滤光片。滤光片可用于阻挡从调制器以大于与光轴的预定角的角度出射的入射光；如果显示器利用入射UV光激发输出的荧光物质，则滤光片也可以防止荧光物质散射的UV光以锐角重新进入调制器，这将是不希望发生的现象。
本发明允许在调制器后面使用不完全的或局部的准直器，通过确保光源散射的大部分光向前投射而提高亮度，同时，滤光片消除严重偏离法向的小部分光。利用这种两步准直器的优点在于当使用象荧光物质这样的发射输出元件和UV或近UV激发光时，可以把第二准直元件(即介质堆栈滤光片)放置在显示器前部邻近发射层的位置，只允许通过显示器之后仍保持准直的激发光撞击到发射层。由显示器内各种元件散射的激励光可以不再在优选的方向穿行并且可以不再拥有期望的偏振。这些散射光很可能几乎没有被液晶调制且以大的角度入射到发射层，它们将由第二准直阶段舍弃。如果允许这些光照射到发射层，则可造成对比度降低和串扰增加，导致整个显示性能下降。
滤光片最好是一种介质堆栈滤光片，它在设计上可以多方面地类似于专利申请PCT/GB98/01203中所述的情形，例如由多对不同折射率的层制成。但是在本发明中，叠层位于液晶盒的前部或至少(从观看者一侧)在液晶层本身的前部，并且尽可能地接近可见光发射荧光物质的下方或PLLCD的其它显示输出元件的下方。它可以在LCD的前板(如果有，也可以是解析器)上或分开的基底上；在后一种情况中，荧光物质将也在辅助基底上，辅助基底可以与滤光片基底一样。
滤光片用作一个角度识别器，去除任何以严重偏离轴向的窄带激发入射光，并且将反射法向入射的整个可见光范围内的光。另外，滤光片还将相当量的从可见光发射荧光层UV后散射的光反射回荧光层，而不是让它们穿过回到显示器上。然后UV光将还有一次机会激发荧光层。这种为特殊需要设计叠式结构的方法是公知的。
预准直装置可以是一种较粗糙的光学透镜型阵列，如由3M公司提供的BEF膜，或者也可以是一种介质堆栈滤光片。或者，可以用一维光源将光束在经抛物线部分的反射路径中以一维的形式向前传播。
当输出元件是一种发射材料，如荧光材料时，这种布局中的滤光片的另一个作用是反射荧光物质前表面后向发射的大部分可见光。这种作用在美国专利申请US-A-4830469和US-A-4822144(USphilps)中提到。这将导致显示器的亮度增强。另外，因为为此目的，滤光片的理想设计是具有一个覆盖整个可见光谱(以法向入射)的反射带，所以用此元件滤除Hg荧光背光发出的可见光成为可能。因此在这种布局中不再需要使用(例如，用于灯泡的)“Woods glass”可见光吸收/UVA带通滤波器。为此目的，滤光片可以设计成反射第一准直阶段通过的背光中任意波长和角度的可见光。
美国专利申请US-A-4830469和US-A-4822144中讨论了荧光物质发射的可见光的向前反射而不是对入射激发光滤光。在这些专利中激发光出自高压汞蒸汽灯，大约为365nm。这种灯通常将具有Woodsglass灯泡，吸收可见光。吸收滤光片具有长的截止“尾部”，即对波长的截止是渐进的。这意味着光源的波长必须相当地低于可见光波长，从而通过滤光片的吸收而避免效率损失。但是使用的波长越短，寻找与液晶盒匹配的材料就越难。
根据本发明的第二方面，提供了一种液晶显示器，显示器包括一个预定波长范围的激发光源，一个调制激发光的液晶层，和一个输出层，当受到通过液晶盒的激发光触击时发射较长波长的光；显示器还包括一个位于液晶和输出层之间的滤光片，滤光片由一叠一定厚度和折射率的电介质片组成，如基本上通过上述所有垂直或近似垂直入射的激发光但反射严重偏离法向如偏离30°的光。
另一种方案涉及一种液晶显示器，显示器包括一个预定波长范围的激发光源，一个调制激发光的液晶层，和一个输出层，当受到通过液晶盒的激发光触击时发射较长波长的光；显示器还包括一个位于液晶和输出层之间的滤光片，滤光片由一叠电介质片组成，其中激发光源还发射上述较长波长区域中的激发光，这些波长的光被介电滤光片阻挡。
因为就波长而言滤光片的截止边缘可以正好设置在激发光的波长之上(与US4830469相反，在该专利中没有确定截止边缘，但截止边缘可以位于激发光波长370nm和蓝色荧光物质的可见光发射450nm之间的任何位置)，叠式滤光片阻挡激发光的倾斜光束并且还防止波长长于激发光的光到达荧光层以及荧光层发射的光经盒返回。因为介质堆栈(干涉)滤光片可以设计成具有很尖锐的截止边缘，所以激发光的波长范围可以非常接近可见光范围但没有可见光特别是蓝光从荧光层返回穿过滤光片或由灯发射的可见光发射透过系统的危险。
另外，可以用普通玻璃做光源的外壳，减小成本和不希望的吸收。还有一个优点在于激发光处于近可见UV或甚至在短波长可见光范围，例如GB2291734中所述。因此，在优选实施例中，激发光具有380-405nm范围内的波长，滤光片具有长于峰值10nm的截止波长。当使用365nm区的标准灯时，截止波长可以在375nm的区域。在任何情况下截止波长应在405nm以下，从而截止405nm的汞光束。截止以严重偏离法线的角度入射的光束是很重要的。
应考虑的另一个细节是滤光片形成于其上的基底。因为滤光片理想地处于直接邻近发射荧光层的位置，处于荧光层和激发光调制器之间，所以基底要尽可能的薄这一点很重要。这是因为荧光元件将进一步从液晶层移动等于滤光片及相连基底的厚度的距离。然后，由液晶开关的激发光在触击荧光层之前进一步传播。如果激发光不被完全地准直，该额外的距离将会使激发光进一步地发散。这种扩展将导致荧光屏产生的图象模糊。更坏的情况是，扩展将导致“串扰”，邻近被激发象素的荧光象素也被UV光触击并因而也被激发。邻近的荧光象素可以发射不同的颜色去选择象素，结果将是观察颜色的去饱和。
为了减少这种问题，最好把滤光片形成在一个尽可能薄的基片上，如厚度范围小于100微米的“微片”薄玻璃的形成范围。或者也可以用薄塑料基片，如聚酯膜，PMMA，聚碳酸酯，三乙酸纤维素等。为了把介电滤光片淀积在这种基片上，不太可能用电子束蒸发技术，因为需要高处理温度实现高质量的光学性能。因此需要用更新的技术，如OCLI采用的技术，氧化步骤之后进行前体膜的低温溅射以形成介电氧化层。此方法能够使高质量的滤光片淀积到具有低温性能的薄基底上。为了进一步地减小元件的厚度，可以把滤光片直接淀积在显示器中存在的一个元件上，如偏振器上，由此避免附加的基底。通常滤光片中大量的介电层导致更好的性能，使用少于20的介电层的收益仍然大于损耗。这种简单的滤光片特别适合于上述的低温溅射过程。
为了更好地理解本发明，下面将通过实例、参考附图对实施例进行描述。其中附图如下：
图1是如同已经讨论的公知预准直层的特性；
图2和图3是可用于本发明的干涉滤光片在各种角度入射时的滤光特性；
图4是使用本发明滤光片的显示器示意图；
图5是根据本发明的显示装置中的各种光路。
在图4所示的装置中，显示板由一个液晶层1构成，没有更进一步显示出的是液晶层夹在玻璃基底3、5之间以形成光调制盒。因为液晶材料与紫外光一起作用，所以它有很低的UV吸收，这种材料例如是薄盒中的Merck材料ZLI2293。盒的厚度d和双折射率Δn最好与第一和第二Gooch Terry最小量匹配；典型地d处于1.5至6μm。对于ZLI2293，第一和第二最小值在365nm的UV波长处分别是2.11μm和4.71μm(在385nm时为2.23μm和4.97μm)。如果在液晶材料中加进二色染料，此盒以扭曲的结构(例如90°或270°扭曲)形成在两个偏振片之间或一个偏振片之后。x，y电极(未示出)以通常的方式设置在盒壁上以形成一个可寻址象素的矩阵。
荧光点7位于此实施例中对应于盒的象素的RGB矩阵中盒的前玻璃板的前侧(观看者侧)，如WO 95/27920。荧光物质例如可以是US-A-3669897(Wachtel)中公开的那种。对于标准的扭曲盒结构，还包括一个设置在叠层9之下前玻璃3上的偏振片；如果不希望把无机干涉滤光片淀积在有机材料制成的偏振片上，则可以用分离的层代替叠层施加在带有荧光物质的基底上。光源21位于盒之后并发射385nm及其它波长的近UV激发光。此光束由预准直器11部分地沿光轴准直，垂直于显示板，光的大部分被以大约50°的小旁瓣转向到半角约为20°的锥体内，如图1所示。
调节介电叠层9，通过反射穿过LC盒之后的图中25a的旁瓣而将之消除，同时穿过图中23a所示的中心锥体。灯21发出的大部分的UV光通过这种方式用于显示器。
由例如Ta2O5和SiO2或MgF2的交互层制成的介电层可以从市场上得到，由OCLI提供，作为一种UV透射型(和可见光阻挡型)滤光片；其对各种入射角的透射特性与波长的关系如图2所示。在垂直入射处(最稠密的曲线)，UV在大约405nm处达到截止(50％)，此波长以上的可见光通过滤光片的很少。随着入射角的增大，截止波长逐渐变短。设计上的小改动可以使透射边缘的相对于UVA荧光发射特性的位置最佳，同时保持宽带可见光反射。例如，用垂直入射的左截止(50％)在395nm处代替405nm处，激发光波成为385nm±10nm。改进的滤光片的特性以及激发光的发射光谱如图3所示。实验测试中366nm处的峰值和405nm处较小的峰值大于实际显示中的值。
本实施例中，在背照明发射光通过LC盒之前用3M的BEF膜部分地将其准直。位于盒前部的介电层9用作多用途元件。它反射大角度入射的杂散UVA光25a，反射从RGB荧光物质向后发射的大部分可见光(＞420nm)并实质上截止所有的背照明发射可见光。
在另一个实施例中，预准直器可以按上述PCT/GB98/01203中所述的方式以第二介电层堆栈的形式替代BEF膜。此介电层堆栈对于垂直入射的激发光有395nm的截止波长，但它允许更长波长的以某一小角度入射的光通过。可以调谐本发明的第二滤光片以消除以这些角度传播的光。
利用标准的滤光片设计，在大角度的入射处(偏离光轴大约50和80度)会发生绿Hg线的某些泄漏，从图2中可以看出。这可通过利用改进的设计解决，但如果液晶能够开关可见光和UVA激发波长，则在某些情况下就不需要改变上述设计。从汞荧光背照明灯中发出的绿光的小部分以大角度通过滤光片。这不会严重改变绿荧光发射的饱和度，但移动红和绿发射光的观察CIE坐标。使用多于所需的更饱和的发射的红或蓝荧光可以抑制这些。在这些情况下绿色附加物将把颜色“拉”向理想的CIE坐标(如为标准的RGB显示所需)。
Claims (16)
1.一种具有适于调制从后面入射光束的调制器(1)和用于在光束到达调制器之前将其局部地沿光轴准直的预准直装置(11)的显示器；显示器还包括一个位于调制器输出端的滤光片(9)。
2.如权利要求1所述的显示器，其特征在于滤光片(9)适于阻挡光的通过，例如从调制器以大于与光轴的预定角的角度出射的入射光。
3.如权利要求1或2所述的显示器，其特征在于滤光片(9)包括至少一个位于调制器输出端的电介质堆栈。
4.如权利要求3所述的显示器，其特征在于所述电介质堆栈形成在厚度小于1mm的薄聚合物或玻璃基底上。
5.如权利要求1至3中任意一项所述的显示器，其特征在于调制器结构中的一个或多个已存在的元件用作滤光片的基底。
6.如前述任一权利要求所述的显示器，其特征在于调制器是一个液晶器件。
7.如权利要求6所述的显示器，还包括一个由入射光激发的输出元件(7)，用于产生可视显示。
8.如权利要求6所述的显示器，其特征在于滤光片(9)位于输出元件(7)和激发光调制层之间，最好紧挨着邻近输出元件。
9.如权利要求6至8中任一项所述的显示器，其中的输出元件由光致发光材料构成，如荧光物质。
10.如权利要求6至8中任一项所述的显示器，其中的输出元件由光致变色材料构成。
11.如前述任一权利要求所述的显示器，其中的预准直装置包括衍射准直器。
12.如前述任一权利要求所述的显示器，其中的准直器由棱形片形成。
13.一种液晶显示器，包括一个在预定波长范围内的激发光的光源，一个用于调制激发光的液晶层，和一个在受到穿过液晶盒的激发光触击时发射较长波长的光的输出层；显示器还包括一种位于液晶和输出层之间的滤光片，滤光片由厚度和折射率能够基本通过所有以垂直或近似垂直入射的激发光但反射严重偏离法向的激发光的电介质叠层组成。
14.如权利要求13所述的显示器，其中的滤光片阻挡以大于约30°入射的激发光。
15.一种液晶显示器，包括一个在预定波长范围内的激发光的光源，一个用于调制激发光的液晶层，和一个在受到穿过液晶盒的激发光触击时发射更长波长的光的输出层；显示器还包括一种位于液晶和输出层之间的滤光片，滤光片由电介质叠层组成，其中，激发光的光源还发射上述更长波长范围内的光束，这些波长的光被电介质滤光片所阻挡。
16.如权利要求7至15中任一项所述的显示器，其中的入射激发光基本上是单色光，波长处于380-405nm的范围。
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