CN1894622A - 显示装置 - Google Patents

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Abstract

显示装置包括发光像素(120)和对比度增强元件(110)。所述对比度增强元件包括由形成为变窄凹陷的空隙区域(212)分隔的多个波导(216)。波导(216)与空隙区域(212)之间的界面设有反射层。变窄凹陷形成入射环境光的终端，对比度增强元件有效地吸收环境光。另一方面，显示装置的像素(120)发射出的光透过波导(216)。结果，尤其是在亮环境光条件下，该显示装置具有相对高的对比度。

Description

显示装置
技术领域
本发明涉及显示装置。
背景技术
显示装置，诸如电视机和监视器被广泛地使用。重要的是，显示器上的图像质量要尽可能好。为此，显示器制造商一直在寻求改善显示性质，诸如图像亮度、色彩饱和度以及对比度。
所显示图像的对比度定义为在其最亮(白)和最暗(黑)状态下显示器的像素的亮度之间的比率。
众所周知，当显示器放置在明亮的外部光条件下时，对比度会受到不利影响，尽管有些用于移动应用的反射型显示器实际上喜欢这种明亮条件，这是因为它们使用环境光作为光源来显示图像。
然而，通常对于诸如CRT或聚合物LED显示器的任何发光显示器而言，或者当显示器包含其自己的光源时，诸如包含背光系统的透射型LCD，在明亮的光条件下所显示图像的对比度下降，这是因为环境光通过屏幕进入显示器，并被显示器内的元件和/或表面反射。对于这种显示器来说，反射光使显示器的黑状态变亮，因为此时观看者可看到不希望地反射到他的杂散光。此外，反射会造成不希望和不可预见的影响，即使用者会感觉到赝像和失真。结果，对比度下降。
已经提出了多种提高对比度的解决方案。例如，在发射型显示器中，常使用黑色基质吸收材料来包围发光元件，诸如CRT的磷光体。其缺点在于覆盖相对大表面面积的发光体本身，依然会反射入射的杂散光，从而对比度的提高相当有限。另一种方法使用偏振片与四分之一波片的组合，该组合在抑制环境光的反射方面非常有效。然而，这种解决方案也会吸收显示器像素所发射出的相当大部分光的，从而，由于亮显示状态的强度受到不利影响，其对比度的改善依然相当有限。
US 5,481,385披露了一种具有锥形波导阵列的显示基板，其中可用光吸收(黑色)材料填充波导之间的区域。像素发射出的光通过波导被引导，同时环境光入射到波导阵列上，并被光吸收材料吸收。然而，所述材料与波导直接接触，导致透过波导的光发生过量的吸收损耗。通过使用微粒状黑色基质材料可减小这种效应，然而这种解决方案的益处依然相对有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有对比度增强装置的显示装置，从而所显示的图像具有特别高的对比度，尤其是在明亮的外部光条件下。
通过如独立权利要求1中所述的显示装置可实现这一目的。在从属权利要求中给出了进一步优选的实施例。
本发明基于以下认识：
可在平坦基板中压印出具有朝向像素变窄的形状的几何元件结构。在所形成的变窄凹陷内部沉积反射层，优选沉积金属层。
本发明人发现，如果这种凹陷彼此足够紧密地堆积，并且它们的直径足够小，那么对于在包括变窄凹陷的相对宽入口的一侧上进入基板的光而言，该基板是一种特别有效的光吸收体。即使在明亮环境光条件下观察时，基板也会显示出暗黑色。暗黑状态导致高对比度。
易于由这种基板形成本发明显示装置中的对比度增强元件。在此情形中，由透光的第一材料，诸如玻璃或聚合物来制造基板，优选具有高反射率，从而在形成变窄凹陷之后剩余的基板的部分，作为显示装置的像素所发射出的光的波导。相邻波导由变窄的凹陷分隔开，下面也称变窄凹陷为‘空隙区域’。
像素发射出的光通过入射面进入波导，并且通过波导传播，入射面是该几何结构的底平面。
此外，需要在波导上限定出射面。为此，在变窄凹陷内部形成反射层之后，去除基板的顶部。从而，波导具有基本上没有反射材料、且优选基本平行于入射面的出射面。
处于波导与空隙结构之间界面上的反射材料本身，是可见光的有效反射体。实际上，当进入变窄凹陷的环境光入射到这种界面上时，仅百分之2到10之间的入射光被金属吸收，大部分被反射。
如上所述，具有反射几何元件的基板依然被发现是非常有效的吸收体。特别是当凹陷朝向像素变窄时，入射光在凹陷内的反射次数相对高，从而特别大部分的入射光最终被吸收。假设，当空隙区域的直径以及因此的相邻波导之间的距离接近可见光范围内的光波长时，基于表面等离子体激元的激发，会发生附加的吸收效应。
结果，对于入射环境光而言变窄凹陷是终端，并且根据本发明显示装置中的对比度增强元件吸收相当高部分的这种光。与杂散光有关的问题被最小化，显示器的黑状态显示出相对暗。此外，凹陷与波导之间界面上的反射材料几乎不会影响波导内部的全内反射，从而像素所发射出的相当大部分的光通过波导被引导和传输。显示器的白状态显示出相对亮。
结果，根据本发明显示装置的对比度相对高，尤其是在亮环境光条件下。
本发明显示装置的对比度增强元件相对较容易制造。临近显示装置的发光像素设置透明材料层。该几何结构可以优选通过所谓的软平版印刷来形成，即在液体层中压制出所需的变窄凹陷，随后在固化步骤中使其凝固。或者，可使用选择性蚀刻方法，或者将母体上包含材料的单体聚合的方法。随后，可以例如通过机械抛光或湿法化学处理去除波导的顶端。所形成的波导具有的出射面优选充分大于临近像素的入射面。在此情形中，环境光只从出射面的相对小的表面区域向着观看者被反射回。从而，显示器的黑状态特别暗，并且对比度特别高。
优选地，反射层覆盖空隙区域与波导之间至少相当大部分的界面。更优选地，用金属在内部完全涂覆锥形元件。
优选地，变窄的凹陷，即空隙区域，具有锥形，更优选具有漏斗形形状。
存在各种影响本发明显示器中对比度增强元件对光吸收效果的参数，诸如表面上几何结构的密度，堆积密度，结构的顶角以及出射面的尺寸。
优选地，变窄凹陷的顶角平均小于90度。即，界面与对比度增强元件外表面的法线方向的角度小于45度，下面将该角度称作α。在图2中表示出角度α，从而锥形凹陷的顶角等于2α。
更优选地，α介于15度到30度之间，从而顶角介于30度到60度之间。因此，变窄凹陷相对尖锐，即长度大于凹陷入口的横截面直径。
对比度增强滤光器的光吸收通常随顶角的减小而增大，这是因为空隙区域的吸收率更高的原因，发现对于小于30度的顶角而言，滤光器对显示器的视角具有一定影响。在此情形中，会干扰对发射光的光波引导，从而从波导射出的光不再是各向同性的。即，强度分布具有极强的角度依赖性，限制了视角。这通常是有害的。然而，存在某些应用，诸如得益于非常有限的视角的安全显示器。在这些情形中，可以设想小于30度的顶角。
优选地，对比度增强元件的厚度，即，波导在平行于法线方向的尺寸，介于100nm与10μm之间。假定这样的高度且角度α处于优选范围内，则该结构的几何形状使得为显示器的每个像素提供数百或数千个波导。
可通过改变其中切除了波导顶端的基板表面上方的高度，来确定波导出射表面区域的尺寸。优选地，出射表面区域的平均直径具有可见光谱的光波长的数量级。从而，例如，直径可以为1或2μm，或者优选大约500nm或更小。
在此情形中，从波导发射出的光近似是各向同性的，并且对比度增强装置不会或几乎不会限制显示器的视角。从而，可使用相对小的顶角，而不会影响视角。此外，从中反射了环境光的波导的出射面，构成了显示装置面对观察者的表面的特别小的部分，从而更进一步减小了杂散光量。
优选地，按照随机结构在基板中设置多个波导，从而设置变窄的凹陷。这样进一步减小了对比度增强装置对显示器视角的影响，还消除了所显示图像中的干涉和/或moiré效应。
如引言所述，包含如上所述对比度增强滤光器的根据本发明的显示装置，可以是具有发光像素的多种显示装置其中之一。
例如，显示装置可以是发光像素包括发光有机材料的有机LED显示器，聚合物LED(P-LED)或小分子OLED；具有背光像素的透射型LCD，或者具有包括发光磷光体的像素的任何类型的真空荧光显示器，诸如CRT，场致发射显示器或等离子体显示器。
通常，对比度增强元件设置在显示器的观察者一侧，然而应当注意，像素与对比度增强元件之间的距离不要过大，优选不大于几毫米，否则可能发生串扰，从而对于原色的分离会造成不利影响。
空隙区域包括具有低于波导的第一材料的折射率的第二材料。第二材料可以为折射率大约为1的空气，然而更优选的，锥形凹陷包括折射率接近1，诸如1.1或1.05的保护材料。
保护材料保护空隙区域，特别是处于空隙区域与波导之间界面上的光敏反射层。该材料的折射率应当低，以便在很大程度上防止环境光在空隙区域中材料的表面上被反射，该反射将会降低对比度。用于该目的的适当材料包括气溶胶材料，或者混有这种气溶胶材料的聚合物。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明的这些和其他方面。此处：
图1表示根据本发明显示装置的像素的实施例，和
图2表示沿所述显示装置实施例中对比度增强滤光器的线II-II的剖面图。
具体实施方式
根据本发明的显示装置100包括显示面板120。显示面板120为传统发光型，诸如O-LED或P-LED显示面板，结合了背光系统的透射型LCD面板，CRT屏幕，等离子体显示面板或场致发射显示器(FED)。图1表示显示面板120的单一图像元(像素)，或者在彩色显示面板的情形中为单一颜色子像素。
对比度增强滤光器110安装在显示面板120的观察者一侧。滤光器包括在本实施例中具有漏斗形状的多个锥形凹陷112。在锥形凹陷112之间的滤光器110适于形成为以便作为用于显示面板120的像素发射出的光的波导，并且通常由透光材料形成。
易于通过所谓的软平版印刷来形成锥形凹陷112，即在液体层中压印出所需的变窄凹陷，随后在固化步骤中使其凝固。
如R.Reiche和W.Hauffe的文章“Pyramid formation on a highindex copper bicrystal during bombardment with 10kev argonand krypton ions”(Applied Surface Science 165(2000)，第279-287页)中所述，用于在液体层中限定凹陷的母体印模，例如可通过高指数(indexed)金属晶体的离子轰击来制造。这样，形成表面覆盖有锥体的金属印模。所述的锥体在液体层中压印出锥形凹陷。
或者，可使用选择性蚀刻方法，或者将母体上包含材料的单体聚合的方法。
取代图1中所示的圆形漏斗，可设计凹陷112为其他锥形形状，诸如椭圆、正方形或矩形漏斗形状。
图2表示沿图1中所示的线II-II的对比度增强滤光器210的剖面图。锥形凹陷212在基板中的波导216之间形成空隙区域，并且在凹陷212与相邻波导216之间的界面上提供反射层214，优选是薄金属层。该层基本覆盖整个界面区域。
可使用公知的蒸发或溅射技术施加这种薄金属层，例如银层。由有效肤深(penetration depth)(k值)确定涂层厚度。10-100nm的厚度足以获得所需效果。
显示面板的像素发射出的光222进入对比度增强滤光器210，穿过入射面217进入波导216中，并有效地通过其透射，并通过出射面218发射出。波导216的出射面218基本上没有反射材料，以便具有尽可能高的透射率。
另一方面，从观察者一侧落入显示装置中的环境光232主要进入凹陷212，并且如前所述被有效吸收。小部分环境光232被反射离开波导216的出射面218。为了保证这部分尽可能小，与凹陷212的入射面所占据的表面面积相比，应当使出射面218很小。从而，显示器的黑状态特别暗，并且对比度特别高。此外，波导的相对小的出射面218保证了波导216发射出各向同性的光。
除光导216的出射面218所占据的面积以外，通过本显示器中对比度增强滤光器110的环境光吸收效果还由多个其他参数确定。这些参数包括锥形凹陷的尺寸和凹陷的顶角。
如上所述，漏斗形凹陷212的顶角(2α)优选处于30到60度之间。从而，漏斗形凹陷212在法线方向的长度大于漏斗入口的横截面直径。在有限视角不是问题的情况下，诸如在安全显示器的情况下，可采用更小的顶角。
漏斗形凹陷212在法线方向的长度通常与对比度增强滤光器210的厚度相似，因为波导216的发射与入射面之间的距离必须很小，以防止视差效应，并防止在彩色显示器中不同子像素之间发生串扰。
将凹陷212的尺寸设计成使显示面板120的每个像素具有数百或数千个漏斗形凹陷。从而，入口到漏斗形凹陷212的横截面直径为几微米或更小，从而对于优选顶角范围而言，凹陷212的长度至多为10微米。
为了防止对比度增强滤光器110、特别是凹陷212内部的反射层214发生机械损伤，朝向观察者的光滑表面是优选的。从而，优选用低折射率材料来填充漏斗形凹陷212。即，折射率在任何情况下都应当低于基板材料的折射率，以保证大部分通过全内反射对波导216中发射光222的适当引导，并且优选彼此接近以避免来自于空气与凹陷212中的低折射率材料之间的界面的回反射(backreflection)。所采用的材料优选是聚合物材料，并且更优选包括气溶胶材料。
作为选择或除此之外，在对比度增强滤光器110的顶部可设置附加的涂有抗反射涂层的平板玻璃基板。
总之，显示装置包括发光像素和对比度增强元件。对比度增强元件包括由形成为收缩凹陷的空隙区域分隔的多个波导。波导与空隙区域之间的界面设有反射层。收缩凹陷形成用于入射环境光的终端，对比度增强元件有效地吸收环境光。另一方面，显示装置的像素发射出的光透过波导。结果，尤其是在亮环境光条件下，显示装置具有相对相对高的对比度。

Claims (11)

1.一种显示装置(100)，包括：
-发光像素(120)，和
-对比度增强元件(110)，包括与所述像素(120)相邻的、包括第一折射率的第一材料的设有多个波导(216)的基板，和包括折射率低于第一折射率的第二材料的空隙区域(212)，所述空隙区域(212)设置在波导(216)之间，并且形成为在像素方向上变窄，
波导(216)与空隙区域(212)之间的界面(214)设有反射层。
2.如权利要求1所述的显示装置，其中，所述空隙区域(212)具有锥形形状。
3.如权利要求1所述的显示装置，其中，多个波导(216)的入射面(217)设置用于接收所述元件发射出的光，所述多个波导(216)的出射面(218)的表面面积充分小于所述入射面的表面面积。
4.如权利要求1所述的显示装置，其中，所述反射层为金属层。
5.如权利要求1所述的显示装置，其中，所述空隙区域基本上是漏斗形的。
6.如权利要求1所述的显示装置，其中，所述空隙区域(212)的顶角具有小于90度的顶角(2α)。
7.如权利要求6所述的显示装置，其中，所述顶角处于30到60度之间。
8.如权利要求1所述的显示装置，其中，所述波导基板的厚度介于100纳米到10微米之间。
9.如权利要求1所述的显示装置，其中，波导的出射面的横截面长度具有可见光范围内波长的数量级。
10.如权利要求1所述的显示装置，其中，所述多个波导和/或空隙区域设置成随机结构。
11.如权利要求1所述的显示装置，其中，该显示装置包括聚合物发光显示器、有机发光显示器、透射型液晶显示器、阴极射线管、等离子体显示器或场致发射显示器其中之一。
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