CN1991499A - 直射型背光组件以及应用它的无滤色器液晶显示装置 - Google Patents

Abstract

提供一种直射型背光组件和应用该直射型背光组件的无滤色器液晶显示(LCD)装置。直射型背光组件包括：一基板；多个相对于所述基板倾斜的发光器件；一衍射光栅，其根据波长以不同的角度衍射由所述多个发光器件发射的光，从而将光分离成多个彩色光束；以及多个反射镜，每个反射镜设置在所述多个发光器件的一个的侧面，其能减小入射到所述衍射光栅上的光的角度范围。

Description

直射型背光组件以及应用它的无滤色器液晶显示装置

相关专利申请的交叉引用

本申请要求享有2005年9月26日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2005-0089506的优先权，在此引入全文作为参考。

技术领域

本发明的装置涉及一种直射型背光组件和应用它的液晶显示(LCD)装置，更具体地，涉及一种能够分离色彩的直射型背光组件以及应用它的无滤色器LCD装置。

背景技术

典型地，LCD被作为平板显示器应用于笔记本，台式电脑，LCD-TVs，以及移动通信终端中。LCD为不发光型平板显示器，由于自身不发光需要外部光以产生图像。因此，LCD装置需要设置于液晶面板后面的背光组件。

液晶面板仅仅透射或遮挡背光组件提供的白光。因此，为获得彩色图像，LCD装置需要滤色器以透射红R，绿G，或蓝B光。然而，由于滤色器中的每个色彩元件仅仅透射特定波长范围的光，因此仅仅全部光的大约30％通过液晶面板透射。考虑到其它光学元件的光损失，仅仅只有少于背光组件所发射的光的10％能到达观看者。由于滤色器引起的光损失占了LCD装置的全部光损失的最大百分比，LCD装置的色彩再现性极大地依赖于滤色器的性能。此外，由于滤色器昂贵，LCD装置具有很高的制造成本。

为了克服这些问题，用衍射光栅替代滤色器以将光分离为彩色光，从而产生彩色图像。

根据光源设置的位置，背光组件分为直射型背光组件和边缘发光型背光组件。在直射型背光组件中，多个光源被直接设置在LCD面板下面以发射光到LCD面板上。在边缘型背光组件中，沿导光板(LGP)的侧壁设置光源以通过LGP将光发射到LCD面板上。

美国专利申请No.2005-41174公开了用于显示彩色图像的传统无滤色器LCD装置。公开于上述引证文献中的传统无滤色器LCD装置包括一边缘型背光组件。利用衍射光栅的衍射性能，由沿LGP侧边设置的光源发射并以预定角度导入LGP的光通过衍射光栅被分离成具有不同出射角度的R，G和B彩色光束。

R，G，和B彩色光束在通过柱面透镜阵列后到达对应于滤色器位置的液晶面板区域。在这种情况下，由于R，G和B彩色光束分别入射到对应的区域上，其可能去除作为典型液晶面板所必需的滤色器。

由于下面的原因，传统的无滤色器LCD装置被限制应用于小型显示装置中。

图1所示为典型衍射光栅1根据光不同的波长实现光分离。参照图1，当光以小入射角α入射到衍射光栅1上时，R，G和B彩色光束以大角度βR，βG和βB从衍射光栅1射出，因此使分离的R，G和B彩色光束入射到对应于传统滤色器的特定位置很困难。

因此，为了使出射的R，G和B彩色光束准确入射到液晶面板中需要色彩的位置，入射角α必须大。有利的是G彩色光束具有0°出射角以及R和B色光束具有关于0°基本对称的出射角。即，R，G和B色光束可以具有使得它们分别入射到液晶面板中的相应区域上的出射角。例如，R和B色光束可以分别具有-10°和+10°或-8°和+8°的出射角。

因此，本领域已知的无滤色器显示装置利用具有LGP的边缘型背光组件以获得大约60°至90°的大入射角。

然而，由于LGP将光从一个方向导向另一方向，边缘型背光组件存在难以将光以最佳的角度入射到衍射光栅并均匀地传递到LGP的远端的问题，从而导致光的均匀性差。因此，传统的无滤光器显示装置受到限制难以获得大屏幕液晶器件。

通常，具有LGP的边缘型背光组件仅仅被用于小型LCD装置中，而直射型背光组件主要用于中型/大尺寸LCD装置。

因此，为了利用直射型背光组件实现中/大尺寸无滤色器LCD装置，必需使光束以一个适合于实现精确地分离为彩色光束分量的衍射角度入射。

发明内容

本发明提供了一种允许光束以一个适合于实现中/大尺寸无滤色器液晶显示(LCD)装置的角度入射到衍射光栅上的直射型背光组件，以及一种应用该直射型背光组件的无滤色器LCD装置。

根据本发明的一个实施例，提供一种直射型背光组件包括：一基板；相对于基板倾斜的多个发光器件；一根据波长以不同角度衍射由多个发光器件发射的光并从而将光分离为多个彩色光束的衍射光栅；以及多个反射镜，每个反射镜设置在多个发光器件中的一个的侧面，其减小入射到衍射光栅上的光的角度范围。

发光器件可以是发光二极管(LED)或者冷阴极荧光灯(CCFL)。

多个形成在基板中的凹槽，每个凹槽包括一个倾斜安装表面，其中每个发光器件设置于多个凹槽中的一个的安装表面上。

每个凹槽还包括以预定的角度相对于安装表面的斜面。反射器面对凹槽的倾斜表面。

发光器件可以以大约5°至20°的角度相对于基板倾斜。背光组件还可以包括设置在多个发光器件和衍射光栅之间的散射板，其散射入射到其上的光。

根据本发明的另一个实施例，提供一种用于显示彩色图像的LCD装置，该LCD装置包括：包括液晶层但没有滤色器的液晶面板；以及如上所述的背光组件。背光组件邻近液晶面板的后表面设置并发射光到液晶面板上。

LCD装置还可以包括将从衍射光栅发出的光聚集到液晶面板上的柱面透镜阵列。柱面透镜阵列可以设置在液晶面板的后表面上。

液晶面板可以包括第一透明基板和第二透明基板，液晶层设置于它们之间。LCD装置还可以包括设置在衍射光栅和液晶面板之间的第一偏振器和设置在液晶面板的前表面上的第二偏振器。

液晶面板还可以包括使通过液晶层的光束彼此平行地传播的光学元件。该光学元件可以是衍射光学元件或棱镜。

附图说明

通过参照以下附图对实施例的详细描述，本发明的上述和其它实例和优点将变得更加清楚。其中：

图1所示为典型衍射光栅根据光的不同的波长形成的光分离；

图2所示为根据本发明的实施例的直射型背光组件以及应用该直射型背光组件的无滤色器的LCD装置；

图3A和3B分别示出了当反射镜的长度为大约3mm时，背光组件中的光线追踪模拟结果以及入射到衍射光栅上的光的角度分布的模拟结果；以及

图4A和4B分别示出了当反射镜的长度为大约30mm时，背光组件中的光线追踪模拟结果以及入射到衍射光栅上的光的角度分布的模拟结果。

具体实施例

下面将参照附图对根据本发明的实施例的直射型背光组件以及应用该直射型背光组件的无滤色器LCD装置进行详细描述。

图2所示为根据本发明的实施例的直射型背光组件以及应用该直射型背光组件的无滤色器的LCD装置。LCD装置包括背光组件100和液晶面板150。

参照图2，背光组件100包括多个倾斜地设置在位于用于产生彩色图像的液晶面板150下方的基板110上的发光器件120，和多个用于减小发光器件120所发射的光到作为彩色光束分离器的衍射光栅140的角度范围的反射器130。衍射光栅140根据波长将多个发光器件120发射的光以不同衍射角衍射以将其分成多个彩色光束。衍射光栅140可以被视为背光组件100中的一个元件或LCD装置的单独元件。在下文中，为了便于说明，将衍射光栅140视为直射型背光组件100中的一个元件。

发光器件120以预定的角度设置于基板110上以使发光器件120所发射的光以一个使光以适合于获得彩色光束的区域分离的出射角衍射所需的大角度入射到衍射光栅140上。这样，发光器件120发射的大部分光以角度α入射衍射光栅140。角度α表示发光器件120所发射的中心光沿其中心轴入射衍射光栅140的角度。发光器件120朝与基板110垂直的方向倾斜的角度等于光入射到衍射光栅140的角度。

发光器件120可以倾斜向基板110使得由于衍射光栅140由于衍射根据色彩分离的绿(G)色光束具有0°出射角，R和B色光束具有相对0°基本对称的出射角，并且R，G和B色光束的出射角能实现根据色彩的区域分离。即，通过衍射和分离发光器件120发射的光获得的R，G和B色光束可以具有使它们能分别入射到液晶面板150中的相应区域的出射角。例如，R和B色光束可以分别具有如上所述的-10°和+10°或-8°和+8°的出射角。

多个凹槽115形成在基板110上，每个具有以近似预定角度α倾斜的安装表面115a。每个发光器件120安装在凹槽115中。这样，可获得具有可控制发射光以最佳角度入射衍射光栅140的发光器件120的背光组件。

如前所述，最佳入射角较大。这样，可以形成凹槽115使得发光器件120与基板110成5°至20°，优选地，10°至20°。

假定发光器件120的中心轴与安装表面115a基本垂直，因为安装表面11 5a与基板110成α角，发光器件120与基板110成90°-α的角。这样，当发光器件120与基板110成大约5°至20°范围的角(第一范围)时，安装表面115a与基板110成70°至85°范围的角(第二范围)。

这样，当凹槽115形成为使得安装表面115a与基板110成第二范围内的角度值时，发光器件120以第一范围内的角度值与基板倾斜。第一和第二范围内的角度值表示发光器件120和安装表面115a分别与基板110在水平方向上的角度。基板110的水平方向与背光组件100的厚度方向垂直。

当发光器件120以第一范围内的一个角度与基板110倾斜时，发光器件120发射的光被衍射光栅140衍射使得G色光束具有大约0°的出射角、R和B色光束具有关于0°对称的出射角，并使它们具有能够根据色彩区域分离的出射角，以使它们分别入射到液晶面板150中的相应区域。

例如，发光器件120可以是LED或CCFL。当将LED用作发光器件120时，多个LED沿着多条线的每一条设置以形成二维阵列。当将CCFL用作发光器件120时，每条线可以设置一个CCFL或者多个CCFL可以设置成一排。

LED可以是发射特定波长范围的光的彩色LED或者一个LED包括多个彩色LED芯片的封装以发射白光。例如，当使用R、G和B彩色LED时，它们可以在每一行交错排列使得彩色LED的彩色光束组合为白光。优选地，LED包括可用来发射白光的LED芯片。

当入射到衍射光栅140的光的角度没有保持在一个预定的范围内时，衍射光栅140所获得的分离的彩色光可能与另一个彩色光混合。因为发光器件120发射的是发散光束，如果发光器件120发射的全部光就这样入射到衍射光栅140，入射到衍射光栅140的光具有以中心光的入射角α为中心的非常大的角度分布。

然而，在根据本发明的背光组件中，反射镜130能减小入射到衍射光栅140的光的角度范围，从而防止了色彩混合。

凹槽115还具有与安装表面115a垂直或近似垂直的倾斜表面115b。反射镜130与倾斜表面115b相对设置。即，反射镜130设置在安装在安装表面115a的发光器件120的一侧，倾斜表面115b设置在相反一侧。

例如，与一个凹槽的倾斜表面相对设置的反射镜可以位于一个邻近凹槽的倾斜表面上。反射镜130可以平行于发光器件120的中心轴或以中心轴成微小角度设置。反射镜130反射从发光器件120入射的发散光以减小入射到衍射光栅140的光的角度范围。

反射镜可以具有适当的长度，例如，大于10mm，从相应的安装表面115a延伸，以充分导光。另外，可以在面对发光器件120的反射镜130的表面上形成反射涂层。由于发光器件120排列成多条线，对于多条线中的每一个可以设置凹槽115和反射镜130。

每个反射镜130的相反表面也可以有反射涂层。在这种情况下，当从一条线上的发光器件120发射的一部分光入射到相邻线上设置的反射镜的相反表面时，大部分入射光被导向衍射光栅140。

或者，反射镜130的相反表面上没有反射涂层。在这种情况下，由于入射光的绝大部分被平面反射了，反射镜130可以用作将邻近线上的发光器件发射的光引导至衍射光栅。

发光器件120发射的一部分光可以直接入射到倾斜表面115b，并且，被反射镜130反射的光可以透射到面对反射镜130的凹槽115的倾斜表面115b。这样，倾斜表面115b可以是镜状表面或者反射镜130可以延伸至整个倾斜面115b。

利用形成的使发光器件120与基板110倾斜的凹槽115以及减小发光器件120发射的光的角度范围的反射镜130能足够地减小入射到衍射光栅140的角度范围。这样，应用背光组件100的LCD装置能防止诸如色彩混合的问题。

衍射光栅140根据波长以不同的角度衍射入射光，从而分离成多个彩色光束，如具有不同出射角的R、G和B色光束。

光以最佳角度入射到衍射光栅使得由衍射光栅140所获得的分离的R、G和B色光束能在液晶面板中的对应于传统滤色器的位置的位置根据色彩精确地以区域分离状态入射。最佳入射角可以通过调节安装表面115a与基板110的角度α即发光器件120与基板110的角度获得。

如果发光器件120与基板110垂直设置，由于发光器件120放射状地发射的全部光入射到衍射光栅140，光以一对称的发射角入射到衍射光栅140。这样，很难使发光器件120发射的光以最佳角度入射到衍射光栅。

然而，如本发明中，当使发光器件120与基板110倾斜时，发光器件120发射的大部分光以角度α入射到衍射光栅140。这样，通过调节角度α，可以控制光以最佳角度入射到衍射光栅140，以使得G色光束具有0°出射角，并且R和B色光束具有关于0°基本对称的出射角。当光以最佳角度入射到衍射光栅140时，R、G和B色光束具有允许根据色彩区域分离的适当的出射角，以使得它们分离地入射到液晶面板150的对应区域。

另外，本发明使用反射镜130以减小从发光器件120入射到衍射光栅140的光的角度范围，从而通过衍射光栅140获得平滑的色彩分离。即，本发明能使入射到衍射光栅140的光的角度在预定的范围内，从而防止彩色光束的混合。

下述模拟示出具有能减小入射到衍射光栅140的光的角度范围的反射镜130的背光组件100。当发光器件120以大约10°的角度倾斜时，模拟是在反射镜130具有足够小以获得与背光组件100不包括反射镜130时相似的结果的3mm长度和反射镜130具有足够长的30mm长度的情况下进行的。入射到衍射光栅140的光的角度范围能通过利用设置在衍射光栅140的位置上的光电探测器测量每个位置的光量而获得。

图3A和3B分别示出了当反射镜130的长度为大约3mm时，背光组件100中的光线追踪模拟结果以及入射在衍射光栅140上的光的角度分布的模拟结果。图4A和4B分别示出了当反射镜130的长度为大约30mm时，背光组件100中的光线追踪模拟结果以及入射在衍射光栅140上的光的角度分布的模拟结果。

如图3A所示，当反射镜130的长度很小时，发光器件120发射的光在入射到衍射光栅140前仅被反射几次。这样，入射到衍射光栅140的光的角度范围不会被缩小。如图3B所示，入射到衍射光栅140上的光具有大约20°至大约90°的相当宽的角度范围。

另一方面，如图4A所示，当反射镜130的长度很大时，发光器件120发射的光在入射到衍射光栅140之前被反射许多次。在这种情况下，入射到衍射光栅140上的光角度范围能被显著地缩小。如图4B所示，入射到衍射光栅140的光具有大约54°至大约80°的角度范围。从图3B和4B的图形中能明显看出，具有与基板110倾斜的发光器件120和反射镜130的背光组件100能显著地减小入射到衍射光栅140的光的角度范围。

背光组件100还可以包括设置在发光器件120阵列和衍射光栅140之间并散射入射光以在整个屏幕获得均匀的亮度分布的散射板135。散射板135的使用实现亮度的均匀而且在发光器件120为彩色LED时允许彩色光束混合。

现在将详细描述应用根据本发明的背光组件100的无滤色器LCD装置。

回到图2，无滤色器LCD装置包括具有液晶层135但没有滤色器的液晶面板150以及设置在液晶面板150下方照明液晶面板150的背光组件100。LCD装置还包括将来自背光组件100的衍射光栅140的光聚集到液晶面板150上的柱面透镜阵列149。

液晶面板150包括将液晶层153夹在其中的两透明基板151和157。第一偏振器145设置于衍射光栅140和液晶面板150之间而第二偏振器158设置在其上显示图像的液晶面板150的前面。背光组件100设置在液晶面板150后面。液晶面板150为每个像素转换液晶层153以产生图像。由于液晶面板除了不具有滤色器外都是公知的结构，因此将省略其详细描述。

柱面透镜阵列149可以设置在液晶面板150的后面。柱面透镜阵列149可以是与液晶面板150的后透明基板151成为一体的单个柱面透镜板。

如图2所示，柱面透镜阵列149将被衍射光栅140分离的R、G和B色光束聚集到液晶面板150的每个像素中的不同区域上。一个柱面透镜元件149a对应于液晶面板150上的一个像素并将R、G和B色光束分配给像素中的三个子像素。

液晶面板150还包括允许通过液晶层153的光能彼此平行地传播以向观看者提供清晰、逼真的图像的光学元件155。光学元件155可以是衍射光学元件或棱镜。如图2所示，光学元件155可以设置在前透明基板157中。

下面参照图2对根据本发明的无滤色器LCD装置的光的传播进行描述。

首先，与基板110倾斜的发光器件120所发射的白光以狭窄的角度范围和均匀的亮度分布入射到衍射光栅140上。在这种情况下，角度范围被反射镜130缩小，并且亮度分布由散射板135变得均匀。

入射光被衍射光栅140根据波长以不同的角度衍射，然后分离成R、G和B色光束后从衍射光栅140以不同的角度射出。R、G和B色光束被柱面透镜阵列149的柱面透镜元件149a聚集，以在液晶面板150的液晶层153中形成不同的彩色区域。最终，穿过液晶层153的R、G和B色光束由光学元件155彼此平行地引导并到达观看者的眼中。

根据本发明的示例性LCD装置应用直射型背光组件100但无滤色器来显示彩色图像。由于LCD装置不使用滤色器而减少了制造成本。这是因为滤色器的制造成本占整个制造成本的20％。LCD装置允许多个光源设置在液晶面板150下方，从而提供大屏幕和亮度均匀性。

如上所述，背光组件100和应用它的无滤色器LCD装置利用与基板110倾斜的发光器件120和在发光器件120一侧的反射镜130以易于以减小入射角的范围的方式控制入射到衍射光栅140的光的角度。这使得在防止色彩混合的同时，区域分离R、G和B色光束对应于传统滤色器的位置精确匹配液晶面板150中的区域。

直射型背光组件能应用于本发明的无滤色器LCD装置中，从而提供大屏幕显示。与使用边缘型背光组件的传统彩色无滤色器LCD装置不同，根据本发明实施例使用直射型背光组件的无滤色器LCD装置对于增加亮度没有限制。

根据本发明，利用R、G和B彩色LED作为直射型背光组件的发光器件具有100％的色彩再现性(NTSC标准)。反射镜的利用和与基板倾斜的发光器件的结合能够使光的出射角保持在预定范围内。

尽管已经参照具体实施例对本发明作了详细的说明和描述，应当理解，本领域普通技术人员能够在不脱离权利要求限定的范围和精神的情况下对形式和细节作出各种改变。

Claims (24)

1.一种直射型背光组件，包括：

一基板；

多个相对于所述基板倾斜的发光器件；

一衍射光栅，其根据波长以不同的角度衍射由所述多个发光器件发射的光，从而将光分离成多个彩色光束；以及

多个反射镜，每个反射镜设置在所述多个发光器件的一个的侧面，其能减小入射到所述衍射光栅上的光的角度范围。

2.如权利要求1所述的直射型背光组件，其中所述多个发光器件为发光二极管(LED)或冷阴极荧光灯(CCFLs)。

3.如权利要求2所述的直射型背光组件，其中所述基板包括多个形成在其中的凹槽，每个凹槽包括倾斜安装表面，其中每个发光器件设置在所述多个凹槽中的一个的所述安装表面上。

4.如权利要求3所述的直射型背光组件，其中每个凹槽还包括与所述安装表面成预定角度的倾斜表面，并且

其中每个所述反射镜与所述多个凹槽中的一个的倾斜表面相对。

5.如权利要求3所述的直射型背光组件，其中每个发光器件相对于所述基板以大约5°至大约20°的角度倾斜。

6.如权利要求1所述的直射型背光组件，其中所述基板包括多个形成在其中的凹槽，每个凹槽包括倾斜的安装表面，其中每个发光器件设置在所述多个凹槽中的一个的所述安装表面上。

7.如权利要求6所述的直射型背光组件，其中每个凹槽进一步包括相对于所述安装表面成预定角度的倾斜表面，以及其中所述多个反射镜中的每个与所述多个凹槽中的一个的倾斜表面相对。

8.如权利要求6所述的直射型背光组件，其中每个发光器件相对于所述基板以大约5°至大约20°的角度倾斜。

9.如权利要求1所述的直射型背光组件，还包括设置在所述多个发光器件和衍射光栅之间的散射板，其散射入射到其上的光。

10.一种液晶显示(LCD)装置，包括：

一包括液晶但没有滤色器的液晶面板；以及

一邻近所述液晶面板的后表面设置的直射型背光组件，所述背光组件包括：

一基板；

多个相对于所述基板倾斜的发光器件；

衍射光栅，其根据波长以不同的角度衍射由所述多个发光器件发射的光，从而将光分离成多个彩色光束；以及

多个反射镜，每个反射镜设置在所述多个发光器件中的一个的侧面，其能减小入射到所述衍射光栅上的光的角度范围；

其中所述背光组件照明所述液晶显示面板。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述多个发光器件为发光二极管(LED)或冷阴极荧光灯(CCFLs)。

12.如权利要求11所述的装置，其中所述基板包括多个形成在其中的凹槽，每个凹槽包括倾斜安装表面，其中每个发光器件设置在所述多个凹槽中的一个的所述安装表面上。

13.如权利要求12所述的装置，其中每个凹槽进一步包括与所述安装表面成预定角度的倾斜表面，以及

其中每个所述反射镜与所述多个凹槽中的一个的倾斜表面相对。

14.如权利要求12所述的装置，其中每个发光器件相对于所述基板以大约5°至大约20°的角度倾斜。

15.如权利要求10所述的装置，其中所述基板包括多个形成在其中的凹槽，每个凹槽包括倾斜的安装表面，其中每个发光器件设置在所述多个凹槽中的一个的所述安装表面上。

16.如权利要求15所述的装置，其中每个凹槽还包括相对于所述安装表面成预定角度的倾斜表面，以及其中所述多个反射镜中的每一个与所述多个凹槽中的一个的倾斜表面相对。

17.如权利要求15所述的装置，其中每个发光器件相对于所述基板以大约5°至大约20°的角度倾斜。

18.如权利要求10所述的装置，还包括设置在所述多个发光器件和衍射光栅之间的散射板，其散射入射到其上的光。

19.如权利要求10所述的装置，还包括将来自所述衍射光栅的光聚集到所述液晶面板上的柱面透镜阵列。

20.如权利要求19所述的装置，其中所述柱面透镜阵列设置在所述液晶面板的后表面。

21.如权利要求20所述的装置，还包括：

设置在所述液晶面板的后表面和所述衍射光栅之间的第一偏振器；以及

设置在所述液晶面板的前表面上的第二偏振器；并且

其中所述液晶面板还包括第一透明基板和第二透明基板，其中所述液晶层设置在所述第一透明基板和第二透明基板之间。

22.如权利要求10所述的装置，还包括：

设置在所述液晶面板的后表面和所述衍射光栅之间的第一偏振器；以及

设置在所述液晶面板的前表面上的第二偏振器；并且

其中所述液晶面板还包括第一透明基板和第二透明基板，其中所述液晶层设置在所述第一透明基板和第二透明基板之间。

23.如权利要求10所述的装置，其中所述液晶面板还包括使通过所述液晶层的光束彼此平行地传播的光学元件。

24.如权利要求23所述的装置，其中所述光学元件为衍射光学元件和棱镜中的一种。

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