CN1395665A - 显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于扫描窗口原理的显示装置，其中利用光源或背后照明装置(12、40)可以获得均匀光的分段部分(30)，该光源将光从光波导装置(15)的侧面(10)引入。由液晶开关或光闸(21)或成行的LED(40)的一部分确定该分段部分。

Description

显示装置
本发明涉及显示装置，该装置包括显示板和照明系统，该显示板具有第一透光底衬，该底衬在排成行和列的像素区域上设置有电极；第二透光底衬；以及在两个底衬之间的电光材料，该照明系统位于在第二底衬的远离电光材料的一侧上，所述照明系统包括由光学透明材料制成的光波导装置，该光波导装置具有面向显示板的出射面
这种显示装置用在例如便携式装置例如便携式计算机、移动电话和个人信息备忘装置等中，但也可以用在电视方面。
本发明还涉及用在这种显示装置中的照明系统。
在美国专利5103328中说明了上述这种显示装置。此专利示出一种液晶开关，该开关由单独可开关的分段部分构成，位于平面光源(背后照明装置)和显示板之间。该液晶开关配置成许多显示板像素行对应于一个分段部分，其作用是使被写的像素与背后照明装置的光隔离。
各个分段部分连接于开关的一个部分，该部分可以单独地进行开关。通过在这种装置的开关的相关部分接连照明不同的随后像素行，可以应用扫描窗口，在这种扫描窗口中，背后照明装置的光形成为带形。该开关覆盖的表面区域具有显示板表面区域的尺寸。而且背后照明装置的光也必须覆盖此照明区域，这不仅需要更多的材料，而且还对上述背后照明装置的质量提出了严格的要求，因为需要均匀的出射光。
本发明的特别的目的是尽可能地避免这些缺点。本发明的另一目的是提供一种容易更换的照明系统。
为此，本发明的显示装置的特征在于，该光波导装置包括一用于选择性地将光耦合出至显示板的装置，以用于成组的像素行或成组的像素列，并且该光波导装置设置有一用于使光沿大体平行于出射面方向耦合入的装置。
本文中的术语“大体平行于出射面”应理解为光线以这样方式耦合入，即这些光线平均说来平行于出射面移动，但是局部说来，这些光束可与平行于出射面的平面成一个角度(例如最大可达到50°)延伸。
光线现在例如从光波导装置的边缘耦合入光波导装置。耦合入的光束与显示板的表面积相比具有小得多的尺寸，该表面积现在由例如光条的宽度(该宽度是例如显示板总高度的一部分)和光波导装置的厚度(该厚度通常显著地小于例如显示板的总宽度)来决定。这使得很容易将同一光强的光耦合到光波导装置(均匀光源)中。
该光束可以经例如光波导装置的整个宽度耦合入，在该光波导装置中，该光顺序地以条状形式沿显示板的方向耦合出，然而分成许多次级开关的开关填充(fill)具有显示板表面区域尺寸的表面区域。
因此，本发明显示板优选实施例的特征在于，该照明装置包括至少一个背后照明装置和一光波导装置，该光波导装置具有至少一个光入射面，而来自背后照明装置的光可沿入射面耦合入，该入射面大致横截于出射面延伸，并且可选择性地开关的光开关设置于背后照明装置和入射面之间。
该入射表面例如沿着光波导装置的端面配置，该端表面大体横截于所述行而延伸，而来自背后照明装置的光可以沿此端面射入。可选择性地开关的光开关包括例如液晶转换装置，该液晶开关装置在两个底衬之间具有液晶，两个底衬之间的一个或两个例如(在液晶的一侧)具有带形电极。背后照明装置不仅其表面积比常规显示装置中小得多，而且光开关也小得多，因此制造成本低。所以背后照明装置和光开关可以容易地组装成一个组件。这种组件的更换比已知装置更简单，因为只需要在一个方向对准。
本发明第二优选实施例的特征在于，该照明系统包括次级分段部分和至少一个背后照明装置，对于每个次级分段部分，该背后照明装置具有光入射面，而来自该背面照明装置的光可耦合入次级分段部分。实际是，本装置现在包括更多的开关，但这些开关不再分成次级开关。
本发明另一优选实施例的特征在于，照明系统包括至少一个背后照明装置，该背后照明装置在光波导装置的区域具有光入射面，而来自该背后照明装置的光可沿一入射面耦合入，该入射面大致横截于出射面延伸，并且该背后照明装置的一部分在具有高光强度的接通状态和断开状态之间是可选择地转换的。采用一组例如发光二极管(LED)可以达到此目的，但是也可以用荧光灯，在这种荧光灯中，在接通状态和断开状态之间切换时，该灯不一定需要关断，只要发射的光强足够低，可以确保满意的对比度。
因为像素需要一定时间才能达到其确定的调准，特别是在液晶显示装置中，所以显示装置最好包括驱动装置，该驱动装置用于向信息电极和行列电极(data and column electrodes)传送信号，以便写像素，并且用于选择性地激活与成组的像素行相关的照明系统的一部分，该驱动装置在向信息电极和行列电极传送信号和选择性地激活与成组的像素行相关的照明系统的一部分之间引入一迟延。
本发明的照明系统包括一由光学透明材料制成的具有出射面的光波导装置和一用于在至少一个出射面上沿平行于出射面的方向将光耦合入的装置，其特征在于，该光波导装置设置有一用于选择性地将光耦合入的装置，以用于出射面的一部分。
参照下面说明的实施例，将对本发明的这些方面和其它方面进行说明，并且本发明的这些方面和其它方面将变得十分明显。
这些附图是：
图1是本发明显示装置实施例的示意透视图；
图2是用在图1所示实施例中的照明系统的示意平面图；
图3是沿图2的III-III线截取的截面图；
图4-6是图1和2所示部分照明系统变型例的示意截面图；
图7-9是本发明各种照明系统的示意平面图；
图10是沿图9的X-X线截取的截面图；和
图11示出所示照明系统的变型例。
这些图是示意图，并且未按比例画出。相同部件一般用相同的附图标记表示。
在图1和2中示意性地示出的显示装置1包括显示板2和照明系统8。
显示板2包括在两个底衬3、4之间的电光材料，在此实施例中，该材料是液晶材料5，该材料的操作原理是基于例如扭转向列效应(TN)、超扭转向列效应(STN)或铁电效应，来调制入射在上面的光的偏振方向。该显示板包括例如像素的矩阵，用于该矩阵的透明图像电极6配置在底衬3上。在这种情况下，最好使用有效矩阵(an active matrix)(其用单独开关驱动)。底衬4是透光的，并具有透光电极7，该电极例如由ITO(铟锡氧化物)制成。通过导线6’、7’向图像电极供给电压，该导线利用驱动装置9提供驱动电压。另外，该显示板通常装有偏振器20和解偏振器22。
照明系统8包括用光学透明材料制成的具有四个端面10、10’的光波导装置15。在相对的一对端面上，例如端面10上配置光源或背后照明装置12，该光源的光通过端面10耦合入光波导装置15。背后照明装置12可以是例如管形的荧光灯。或者也可以采用例如一个或多个发光二极管(LED)来形成背后照明装置，特别是在具有小显示板的平板显示装置中采用这种LED，例如在便携式电视装置中。另外，背后照明装置12是可以拆卸的。
光波导装置15的出射面18面向显示板2，由透明板制成的各个端面10’上设置有反射器，任何光均不能耦合入该表面。这样，便可防止没有耦合到出射面18而随后穿过光波导装置传播并达到端面10’的光通过该端面10’离开光波导装置15。
为了避免没有对照明系统的光输出作出贡献的光离开光波导装置15，最好采用例如楔形的光波导装置，将来自灯12的光通过耦合入(coupling-in)装置13耦合入光波导装置15，该楔形光波导装置将入射光束相对于表面18、19的角度限制在15°。
以扫描窗口方式(scanning-window mode)驱动示出的显示装置1。这意味着，成行的电极组(例如电极6)顺序地由一个宽度为该成行的电极组宽度的光束照明。在此实施例中，该光束沿箭头16的方向移动。
采用例如液晶光闸21可以作到这一点，该光闸包括在两个底衬23、24之间的液晶材料25，该液晶材料的操作原理还是基于例如扭转向列效应(TN)、超扭转向列效应(STN)或铁电效应，或例如基于利用在透明态和吸收态之间切换的液晶单体的交联得到的液晶凝胶系统。光闸或开关21包括在透光底衬23、24上的带形透光透明图像电极。通过连接导线26’、27’向带形电极提供电压，该导线由上述驱动装置9提供驱动电压。如果需要，该光闸21还以常规方式设置有偏振器。
该驱动装置9被设置成，使得在相关的像素行(和在另一实施例中描述的像素列)得到信息后，该带形部分30可以顺序地变成透光的(打开状态)。关于在显示装置2中的液晶材料具有惰性，为了打开光闸21的有关部分，最好遵守最小的等待时间。
所示照明系统的这一实施例与美国专利5592193中所示系统相比具有许多优点。例如光束进入的表面具有光波导装置端面10表面区域的尺寸。该表面区域比出射面18小得多，因而可以更容易地产生具有均匀光强的光束。另外，背后照明装置不再需要沿两个方向(行和列的方向)配置，而只需相对于带形部分(分段部分)30配置电极26、27。因为光闸21和光波导装置10之间的界面位于显示装置视线区域之外，所以可为此目的设置特殊的(机械的)标记。将背后照明装置和光闸组合成一个可拆卸的组件是具有吸引力的。因为光闸更小，所以它只需要更少的材料。由于尺寸小，所以特别是在光闸中电光材料层的厚度较小处，充填速率提高。更小的厚度又导致开关时间更快。
为了避免由于光波导装置中的发散引起的光束的宽度大于分段部分30的宽度，该光波导装置在两个分段部分之间的界面31上设置有折射系数较低的细长区域。这些区域可以是例如窄槽，这些窄槽也可以作为上述的机械标记。这些槽例如配置在出射面18上，但也可以同时配置在相对表面19上。或者这些分段部分可用反射器分开。
在图1、2和3的显示装置中，由背后照明装置12发射的光只由一个分段部分吸收。因此大部分发射的光仍在光闸21中被吸收。在图4的装置中可以部分地防止这种情况，在图4中，光束仅在一个分段部分30的位置处(在选定的一瞬间)射出。各个带形部分(分段部分)30现在位于两个背后照明装置12、12’之间，并由光闸21、21’、21”在其间分开，这些光闸相对于出射面18沿45°角延伸。在这种如图4所示的状态下，例如仅有开关21”是透光的，而开关21、21’不透光。因此，只有宽度为b的光束由光波导装置的部分15’耦合出。在其它部分位置完全没有光线耦合出。通过暂时断开不起作用的背后照明装置(在此实施例中，是光波导装置15端面10上的灯12)可以进一步限制光的不必要的损失(和散射)。在图中的其它附图标记与先前的实施例中的附图标记具有相同的意义。
图4是示意图。实际上，背后照明装置配置在例如底衬的槽内，而光闸配置在背后照明装置和分段部分之间，同时在完全不需要光耦合入的区域用吸收材料或反射材料覆盖这些槽。
图5是图4的变型例，在该图中，用最小数目的器件(两个光闸21和一个背后照明装置12)照明两个分段部分30。
在所示的实施例中，在光闸21中仍存在吸收。通过选择用于这些光闸的可开关转换的反射镜可以获得最大的光输出。
图6的显示装置示出另一种装置，在这种装置中，光闸形成光波导装置的一部分，灯12发出的光通过耦合装置13射入光波导装置(光闸)31，该光闸形成为液晶光闸。该光闸包括例如仍在两个平行底衬33、34之间的液晶材料35，该液晶材料的操作原理仍是基于扭转向列效应(TN)、超扭转向列效应(STN)或铁电效应，但是最好基于散射效应。该光闸或开关31现在也起光波导装置的作用，其包括配置在透光底衬33、34上的至少一个底衬上的带形透光的透明图像电极36、37。该带形电极通过如上所述的驱动装置获得电压。该液晶材料或其它合适的光电材料例如电泳材料现在变成或是透明的或是散射的。除了沿显示板2的方向(如光束b所示)发生光散射的带电电极区域外，由于全反射(组件起到光波导装置的作用)，由背后照明装置12发射的光束38仍保持在光波导装置31中。反射器39用于反射离开光波导-光闸组件31的光，使其经表面19射到显示板2或光波导-光闸组件31上。根据使用的类型，该反射器可形成为漫反射镜或镜反射镜。
图7示出图2的变型例。该背后照明装置现在由分开的可开关的LED40构成。如上所述，LED40发射的光最好通过耦合装置13耦合入光波导装置15。在分段部分30之间的沟槽31可防止在分段部分之间的串光。图7中一个分段部分的两侧受到六个LED(两组红、蓝和绿色的LED)的照明，在图7中，用箭头41表示在分段部分30’中的照明，该分段部分在这一瞬间是激活的。在这种情况和图8所示的情况下，在光波导装置中可以获得极好的混合颜色，在图8中，每一个分段部分在其两侧用一个LED进行照明。在照明一个分段部分以后，相应的LED不需要完全切断，但是可以切换到例如较低的操作电压，(在此电压下，完全不能透光或几乎不能透光)。其它附图标记与上述实施例的同一附图标记具有同样意义。
图9和10示出一种变型例，在这种变型例中，通过在光波导装置的下侧19沿沟槽31对每个分段部分30设置一行LED40，由此可以显著增加照明系统的光输出。光束41通过棱镜部件42耦合入光波导装置。成行的LED由黑条43遮蔽而看不见。
图11的实施例是图7的变型例，在该变型例中，分段部分30现在包括成组的行列。这种装置的优点是LED具有更大的空间，所以可以配置更多的LED，达到更强的光输出。这对于16∶9这种型式的显示板是特别有吸引力的。驱动装置当然也必须为此种显示装置做些改动。因为可以采用更少的数字-模拟(D/A)转换器，此种转置扫描模式(transposed-scan mode)更加具有吸引力。
本发明的保护范围不限于所示的实施例。本发明范围在于每一个新颖的特征以及每一个这些特征的组合。在权利要求书中的附图标记不限制它们的保护范围，使用的动词“包括”和其变化形式不排除除了权利要求书中陈述的部件之外的其它部件的存在。在一个部件之前的冠词“一”或“一个”不排除存在多个该元件。

Claims (21)

1.一种显示装置(1)，其包括显示板(2)和照明系统(8)，该显示板具有第一透光底衬(3)，该底衬在排成行和列的像素区域上设置有电极(6)；第二透光底衬(4)；以及在两个底衬(4)之间的电光材料(5)，该照明系统位于在第二底衬的远离电光材料的一侧上，所述照明系统包括由光学透明材料制成的光波导装置(15)，该光波导装置具有面向显示板的出射面(18)，其特征在于，该光波导装置包括一装置，对于成组的像素行或成组的像素列该装置用于选择性地将光耦合出至显示板，并且该光波导装置设置有一用于使光沿大体平行于出射面的方向耦合入的装置。
2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该照明装置(8)包括至少一个背后照明装置(12)和一光波导装置(15)，该光波导装置具有至少一个光入射面(10)，而来自背后照明装置的光可沿入射面耦合入，该入射面大致横截于出射面(18)延伸，并且可选择性地开关的光开关(21)设置于背后照明装置和入射面之间。
3.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，该照明系统包括背后照明装置(12)，该照明装置在光波导装置的至少一个端面(10)的区域处具有入射面，该入射面大致横截于所述行而延伸，而来自背后照明装置的光可沿所述端面耦合入。
4.如权利要求2或3所述的显示装置，其特征在于，可选择性地开关的光开关(21)包括在两个底衬(23、24)之间带有电光材料(25)的电光转换装置，至少一个底衬设置有带形电极(26、27)。
5.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该照明系统包括次级分段部分和至少一个背后照明装置(12)，对于每个次级分段部分，该背后照明装置具有光的入射面，而来自该背面照明装置的光可耦合入次级分段部分。
6.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于，来自背后照明装置的光可沿一入射面耦合入，该入射面与出射面形成一角度地延伸，并且可选择性地开关的光开关(21)设置在背后照明装置和光波导装置分段部分之间。
7.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该可选择性地开关的光开关包括可开关转换的反射镜。
8.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该光波导装置(31)包括一在两个底衬(33、34)之间带有电光材料(35)的电光转换装置，至少一个底衬在电光材料的一侧设置有带形电极(36、37)。
9.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，照明系统包括至少一个背后照明装置，该背后照明装置在光波导装置的区域具有光入射面，而来自该背后照明装置的光可沿一入射面耦合入，该入射面大致横截于出射面延伸，并且该背后照明装置的一部分(40)在具有高光强度的接通状态和断开状态之间是可选择地转换的。
10.如权利要求9所述的显示装置，其特征在于，该背后照明装置包括在入射面的区域处的棱镜部件(42)。
11.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该显示装置包括驱动装置(9)，其用于向信息电极和行列电极传送信号以便写像素，并用于选择性地激活与成组的像素行相关的照明系统的一部分。
12.如权利要求11所述的显示装置，其特征在于，该驱动装置在向信息电极和行列电极传送信号和选择性地激活与成组的像素行相关的照明系统的一部分之间引入一迟延。
13.一种照明系统(8)，其包括一由光学透明材料制成的具有出射面(18)的光波导装置(15)和一用于在至少一个出射面(10)上沿平行于出射面的方向将光耦合入的装置，其特征在于，该光波导装置设置有一装置，对于出射面的一部分该装置用于选择性地将光耦合入。
14.如权利要求13所述的照明系统，其特征在于，该照明系统包括至少一个背后照明装置(12)，该照明装置在光波导装置(15)的区域处具有光的入射面，而来自背后照明装置的光可沿入射面(10)耦合入，该入射面大致横截于出射面延伸，并且可选择性地开关的光开关(21)设置于背后照明装置(12)和入射面之间。
15.如权利要求14所述的照明系统，其特征在于，可选择性地开关的光开关包括在两个底衬(23、24)之间带有电光材料(25)的电光转换装置，两个底衬在电光材料的侧面设置有带形电极(26、27)。
16.如权利要求13所述的照明系统，其特征在于，该照明系统包括次级分段部分和至少一个背后照明装置(12)，对于每个次级分段部分，该背后照明装置具有光的入射面，而来自该背面照明装置的光可耦合入次级分段部分。
17.如权利要求16所述的照明系统，其特征在于，来自背后照明装置的光可沿一入射面耦合入，该入射面与出射面形成一角度地延伸，并且可选择性地开关的光开关(21)设置在背后照明装置和光波导装置分段部分之间。
18.如权利要求13所述的照明系统，其特征在于，该可选择性地开关的光开关包括可开关转换的反射镜。
19.如权利要求13所述的照明系统，其特征在于，该光波导装置(31)包括一在两个底衬(33、34)之间带有电光材料(35)的电光转换装置，至少一个底衬在电光材料的一侧设置有带形电极(36、37)。
20.如权利要求13所述的照明系统，其特征在于，照明系统包括至少一个背后照明装置，该背后照明装置在光波导装置的区域具有光入射面，而来自该背后照明装置的光可沿一入射面耦合入，该入射面大致横截于出射面延伸，并且该背后照明装置的一部分(40)在具有高光强度的接通态和断开态之间是可选择地转换的。
21.如权利要求20所述的照明系统，其特征在于，该背后照明装置包括在入射面的区域处的棱镜部件(42)。
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