DE10125553A1 - Flüssigkristallbildschirm mit Kollimator - Google Patents

Flüssigkristallbildschirm mit Kollimator

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkristallbildschirm, ausgestattet mit einem Hintergrundsbeleuchtungssystem, welches wenigstens eine Lichtquelle, einen Kollimator aus sanduhrförmigen Mikroprismen enthält. Mit Hilfe des Kollimators kann das Licht der Lichtquelle effektiv in einem gewünschten Winkelbereich kollimiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkristallbildschirm ausgestattet mit einem Hintergrund­ beleuchtungssystem, welches wenigstens eine Lichtquelle und einen Kollimator aus Mikro­ prismen, wobei die Mikroprismen eine dreidimensionale Form mit einer Lichteintritts­ fläche, beabstandet zur Lichteintrittsfläche eine Lichtaustrittsfläche und mindestens einer Seitenfläche zwischen Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche aufweisen, enthält. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Hintergrundbeleuchtungssystem, einen Kollimator aus Mikroprismen und eine Leuchte.
Flüssigkristallbildschirme sind passive Anzeigesysteme, dass heißt sie leuchten nicht selber. Diese Bildschirme beruhen auf dem Prinzip, dass Licht die Schicht aus Flüssigkristallen passiert oder auch nicht. Dies bedeutet, dass eine externe Lichtquelle benötigt wird, um ein Bild zu erzeugen. In reflektiven Flüssigkristallbildschirmen wird das Umgebungslicht als externe Lichtquelle benutzt. Bei transmissiven Flüssigkristallbildschirmen wird in einem Hintergrundbeleuchtungssystem künstliches Licht erzeugt.
Ein Flüssigkristallbildschirm weist einen besonders hohen Kontrast auf, wenn der Winkel des beleuchtenden Lichtes ± 60° horizontal zur Bildschirmnormalen sowie ± 15° vertikal zur Bildschirmnormalen nicht über- bzw. unterschreitet. Es ist daher vorteilhaft, möglichst viel des vom Hintergrundbeleuchtungssystem emittierten Lichtes in diesem günstigen Winkelbereich zu kollimieren.
Aus der US 5,839,823 ist beispielsweise ein Kollimator für einen Flüssigkristallbildschirm beschrieben, welche aus einem Array von Mikroprismen besteht. Die Mikroprismen wei­ sen eine sich zuspitzende Form auf, dass heißt die Lichteintrittsfläche eines Mikroprismas ist kleiner als die Lichtaustrittsfläche. In den Räumen zwischen den einzelnen Mikropris­ men befinden sich lichtreflektierende Elemente, wie beispielsweise ein hochreflektierendes Pulver, um dort auftreffende Lichtstrahlen in Richtung Lichtquelle zurückzureflektieren. Der Lichtstrahl kann dann von der Lichtquelle oder einem Reflektor erneut in Richtung Kollimator reflektiert werden ("Recycling der Lichtstrahlen").
Nachteilig ist, dass ein Lichtstrahl, welcher in der Nähe der Kanten der Lichteintrittsfläche eines Mikroprismas auf das hochreflektierende Pulver trifft, mittels Streuung über die Seitenfläche in das Mikroprisma eintreten kann und die Kollimationswirkung beeinträch­ tigt. Weiterhin können über die Kanten, welche nicht perfekt, sondern etwas abgerundet sind, Lichtstrahlen in das Mikroprisma gelangen. Diese Lichtstrahlen können Winkel zur Bildschirmnormalen aufweisen, die außerhalb des optimalen Winkelbereichs liegen. Insge­ samt wird durch erhöhte Reflexion die Effizienz des Flüssigkristallbildschirms herabgesetzt.
Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu um­ gehen und einen Flüssigkristallbildschirm mit verbessertem Hintergrundbeleuchtungs­ system bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Flüssigkristallbildschirm ausgestattet mit einem Hintergrundsbeleuchtungssystem, welches wenigstens eine Lichtquelle und einen Kollima­ tor aus Mikroprismen, wobei die Mikroprismen jeweils eine dreidimensionale Form mit einer Lichteintrittsfläche, beabstandet zur Lichteintrittsfläche eine Lichtaustrittsfläche und mindestens einer Seitenfläche zwischen Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche aufwei­ sen, wobei jedes Mikroprisma wenigstens eine Verengung zwischen Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche aufweist, enthält.
Durch die Sanduhr-artige Form der Mikroprismen kann das Licht effektiv in einen gewünschten Winkelbereich kollimiert werden.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche jedes Mikroprismas gleich groß sind.
Mit Hilfe dieser vorteilhaften Ausgestaltung sind die Zwischenräume zwischen den einzel­ nen Lichteintrittsflächen sehr gering. Dadurch verringert sich die Anzahl der Reflexionen.
Es ist vorteilhaft, dass die Lichteintrittsflächen eine rechteckige Form aufweisen.
In dieser Ausführungsform besteht zwischen den einzelnen Lichteintrittsflächen der Mikroprismen kein Zwischenraum, welcher gegen Lichteintritt abgedeckt werden muss. Somit wird jeder Lichtstrahl, der sich in Richtung des Kollimators ausbreitet, von dieser kollimiert. Dies erhöht die Effizienz des Hintergrundbeleuchtungssystem, da weniger Reflexionen auftreten.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Lichteintrittsflächen der Mikroprismen eine gemein­ same, geschlossene Oberfläche besitzen.
In dieser Ausführungsform wird vermieden, dass Lichtstrahlen über nicht perfekte Kanten der Lichteintrittsflächen des Mikroprismas in das Mikroprisma eintreten.
Desweiteren betrifft die Erfindung ein Hintergrundsbeleuchtungssystem, welches wenig­ stens eine Lichtquelle und einen Kollimator aus Mikroprismen aufweist sowie einen Kolli­ mator aus Mikroprismen, wobei die Mikroprismen eine dreidimensionale Form mit einer Lichteintrittsfläche, beabstandet zur Lichteintrittsfläche eine Lichtaustrittsfläche und mindestens einer Seitenfläche zwischen Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche, wobei jedes Mikroprisma wenigstens eine Verengung zwischen Lichteintrittsfläche und Lichtaus­ trittsfläche aufweist, enthält. Die Erfindung betrifft auch eine Leuchte, welche wenigstens eine Lichtquelle, ein Gehäuse und einen Kollimator aus Mikroprismen, wobei die Mikro­ prismen eine dreidimensionale Form mit einer Lichteintrittsfläche, beabstandet zur Licht­ eintrittsfläche eine Lichtaustrittsfläche und mindestens einer Seitenfläche zwischen Licht­ eintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche, wobei jedes Mikroprisma wenigstens eine Vereng­ ung zwischen Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche aufweist, enthält.
Im folgenden soll anhand von vier Figuren die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigt
Fig. 1 im Querschnitt ein Hintergrundbeleuchtungssystem,
Fig. 2 im Querschnitt einen Kollimator,
Fig. 3 im Querschnitt ein Mikroprisma eines Kollimators und
Fig. 4 ein Array aus Unterteilen der Mikroprismen.
Ein Flüssigkristallbildschirm weist üblicherweise eine Flüssigkristalleinheit und ein Hinter­ grundsbeleuchtungssystem auf. Die Flüssigkristalleinheit umfasst zwei Polarisatoren und eine Flüssigkristallzelle, welche zwei transparente Platten aufweist, die jeweils eine Matrix aus lichtdurchlässigen Elektroden tragen. Zwischen den beiden transparenten Platten ist ein Flüssigkristallmaterial angeordnet. Das Flüssigkristallmaterial enthält vorzugsweise TN(twisted nematic)-Flüssigkristalle, STN(super twisted nematic)-Flüssigkristalle, DSTN (double super twisted nematic)-Flüssigkristalle, FSTN(foil super twisted nematic)-Flüssig­ kristalle, VAN(vertically alligned)-Flüssigkristalle oder OCB(optically compensated bend)- Flüssigkristalle. Die Flüssigkristallzelle ist sandwichartig von den zwei Polarisatoren umschlossen.
Zur Erzeugung und Darstellung von farbigen Bildern kann Flüssigkristalleinheit mit einem Farbfilter versehen werden.
Gemäß Fig. 1 weist ein Hintergrundsbeleuchtungssystem wenigstens eine Lichtquelle 1 auf, welche beispielsweise eine Glühlampe, eine Licht-emittierende Diode (LED), eine Metall oder Halogen High Intensity Discharge (HID) Lampe, eine Fluoreszenzlampe, wie beispielsweise eine Xenon-Entladungslampe, ist. Die Lichtquelle 1 befindet sich üblicher­ weise in einem Gehäuse 2, welches beispielsweise eine rechteckige oder parabolische Form haben kann. Die von der Lichtquelle 1 emittierten Lichtstrahlen gelangen durch eine Öffnung im Gehäuse 2 zum Kollimator 4. Die Innenseite des Gehäuses 2 weist vorzugs­ weise einen Reflektor auf. Dieser Reflektor kann durch ein diffus oder ein spekular reflektierendes Material gebildet werden, wie beispielsweise poliertes Aluminium oder weiße Pigmente. Die Aufgabe des Reflektors ist es, Lichtstrahlen, welche sich nicht in Richtung Kollimator 4 ausbreiten, in diese Richtung zurückzureflektieren. Zwischen der Lichtquelle 1 und dem Kollimator 4 kann sich ein Diffusor 3 befinden.
In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßen Kollimator 4 gezeigt. Der Kollimator 4 enthält eine Vielzahl an Mikroprismen 5, welche in Form eines Arrays angeordnet sind.
Wie in Fig. 3 gezeigt, weist jedes Mikroprisma 5 eine Doppelstruktur mit einem Unterteil, einem Oberteil, einer Lichteintrittsfläche 6 und beabstandet zu dieser Lichteintrittsfläche 6 einer Lichtaustrittsfläche 7 auf. Es ist besonders vorteilhaft, dass das Unterteil und das Oberteil optischen Kontakt haben. Zwischen der Lichteintrittsfläche 6 und der Lichtaus­ trittsfläche 7 befindet sich mindestens eine Seitenfläche 8. Weiterhin weist jedes Mikro­ prisma 5 eine Verengung 9 auf. Eine bevorzugte Form des Mikroprismas 5 ist, dass sie eine Verengung 9 aufweist und sich ausgehend von der Lichteintrittsfläche 6 bis zu der Ver­ engung 9 verjüngt und von der Verengung 9 in Richtung Lichtaustrittsfläche 7 wieder verbreitert.
Die Größe der Lichteintrittsfläche 6 ist vorzugsweise gleich der Größe der Lichtaustritts­ fläche 7. Die Lichteintrittsfläche 6 und die Lichtaustrittsfläche 7 können eine beliebige Form haben, vorzugsweise besitzen sie eine rechteckige Form. Weisen die Lichteintritts­ flächen 6 und die Lichtaustrittsflächen 7 keine rechteckige Form auf, müssen die auftre­ tenden Zwischenräume mit einem reflektierenden Element, beispielsweise einem hoch­ reflektierenden Pulver oder einer reflektierenden Maske, verdeckt werden. Die Lichtein­ trittsfläche 6 und die Lichtaustrittsfläche 7 eines Mikroprismas 5 können eben, konkav gewölbt oder konvex gewölbt sein.
Je nach Form des Mikroprismas 5 kann ein Mikroprisma 5 beispielsweise vier Seitenflä­ chen 8 oder eine Seitenfläche 8 aufweisen. Es ist auch möglich, dass das Mikroprisma 5 im Bereich von der Lichteintrittsfläche 6 bis zur Verengung 9 vier Seitenflächen 8 und im Bereich der Verengung 9 bis Lichtaustrittsfläche 7 eine Seitenfläche 8 aufweist.
Eine Seitenfläche 8 kann eben, konkav gewölbt oder konvex gewölbt sein.
Weist ein Mikroprisma von der Lichteintrittsfläche 6 bis zur Lichtaustrittsfläche 7 vier Seitenflächen 8 auf, kann die Verengung 9 von zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 8 oder von allen vier Seitenflächen 8 gebildet werden. Wird die Verengung 9 von zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 8 gebildet, werden die Lichtstrahlen in einer Ebene kollimiert. In dieser Ausführung laufen zwei gegenüberliegende Seitenflächen 8 ausgehend von der Lichteintrittsfläche 6 zunächst entlang einer Strecke H aufeinander zu. Am Ende der Strecke weisen die beiden gegenüberliegenden Seitenflächen 8 einen minimalen Abstand EA zueinander auf. Der minimale Abstand EA ist die Breite der Verengung 9. Nach der Verengung 9 laufen die beiden gegenüberliegenden Seitenflächen 8 wieder voneinander weg.
Wird die Verengung 9 von vier Seitenflächen 8 gebildet, werden die Lichtstrahlen in zwei Ebenen kollimiert. In dieser Ausführung laufen jeweils zwei gegenüberliegende Seitenflä­ chen 8 ausgehend von der Lichteintrittsfläche 6 zunächst entlang einer Strecke H aufeinan­ der zu. Am Ende der Strecke weisen die jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen 8 einen minimalen Abstand EA zueinander auf, der in beiden Fällen bevorzugt gleich groß ist. Der jeweilige minimale Abstand EA zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 8, ist die dortige Breite der Verengung 9. Nach der Verengung 9 laufen die zwei jeweils gegenüber­ liegenden Seitenflächen 8 wieder voneinander weg. In einer anderen Ausführung können alle vier Seitenflächen 8 aufeinander zulaufen.
Alternativ kann in beiden Ausführungsformen die Verengung 9 durch einen Bereich gebil­ det werden, an denen die jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen 8 einen minimalen Ab­ stand zueinander aufweisen. In diesem Fall verlaufen die gegenüberliegenden Seitenflächen 8 eine gewisse Strecke parallel zueinander und erst dann wieder voneinander weg.
Alternativ kann das Mikroprisma 5 kann auch eine zylindersymmetrische Form mit einer Seitenfläche 8 aufweisen. In dieser Ausführungsform werden die Lichtstrahlen in jeder Ebene, die durch die Symmetrieachse des Zylinders verläuft, kollimiert.
Die Lichteintrittsflächen 6 und/oder die Lichtaustrittsflächen 7 der einzelnen Mikropris­ men 5 können gemeinsam eine geschlossene Oberfläche aufweisen.
Die Mikroprismen 5 enthalten transparente Materialien mit einem Brechungsindex n größer 1.0, wie beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polycarbonat oder Glas. Ein Mikro­ prisma 5 kann auch verschiedene transparente Materialien mit unterschiedlichen Materia­ lien enthalten. So kann sich beispielsweise der Brechungsindex der transparenten Materia­ lien ausgehend von der Lichteintrittsfläche 6 graduell vergrößern oder verkleinern. Die Seitenflächen 8 im Bereich der Lichteintrittsfläche 6 bis zur Verengung 9 können mit einer reflektierenden Beschichtung, welche ein Material mit einem hohen Reflexionsgrad ent­ hält, versehen werden.
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kollimators 4 kann durch Spritzgussverfahren oder mittels anderer geeigneter Verfahren, wie beispielsweise Photopolymerisation, erfol­ gen. Vorzugsweise erfolgt die Herstellung des Kollimators 4 durch die Herstellung mehre­ rer Formteile, welche anschließend zusammengeklebt werden. Dazu wird ein erstes Form­ teil, wie in Fig. 4 gezeigt, hergestellt, welches ein Array aus Unterteilen der Mikroprismen 5 ist. Ein Unterteil ist der Bereich von der Lichteintrittsfläche 6 bis zur Verengung 9 eines Mikroprismas 5. Ein zweites Formteil bildet ein Array aus Oberteilen der Mikroprismen. Ein Oberteil ist der Bereich von der Verengung 9 bis zur Lichtaustrittsfläche 7 eines Mikroprismas 5.
Zur Herstellung des ersten bzw. zweiten Formteils wird in Aluminium die negative Form des ersten bzw. zweiten Formteils gefräst. In die Form wird beispielsweise ein selbsthärten­ des oder ein UV härtendes Polymer gegeben.
Zur Beschichtung der Seitenflächen 8 der Unterteile wird zunächst das gesamte erste Formteil mittels Spincoating mit einem Photoresist beschichtet. Anschließend werden durch eine Maske hindurch die Verengungen 9 belichtet, so dass dort der Photoresist aushärtet. Im nächsten Schritt werden die nicht belichteten und somit nicht ausgehärteten Teile des Photoresist mit Wasser abgewaschen. Das erste Formteil wird anschließend mit Silber oder Aluminium bedampft. Die Schichtdicke der Metallschicht beträgt dabei vor­ zugsweise größer 200 nm. Mit Hilfe von HNO3 wird der verbliebene, mit einer Metall­ schicht bedeckte, Photoresist zum Quellen gebracht. Mit einem Wasserstrahl kann der Photoresist samt darauf befindlicher Metallschicht entfernt werden.
Alternativ kann eine Aluminium oder Silberschicht strukturiert werden, indem zunächst das gesamte erste Formteil mit der Metallschicht bedampft wird. Anschließend wird ein Photolack aufgebracht, der durch eine Maske belichtet wird, die dort geschlossen ist, wo die Verengungen 9 sind. Beim Entwickeln wird der nicht belichtete Photolack auf den Verengungen 9 entfernt. In einem Ätzschritt mit Natronlauge wird dann die Metallschicht auf den Verengungen 9 entfernt.
In einer weiteren Alternative können die Verengungen 9 während des Bedampfens mit einer Kontaktmaske bedeckt sein.
Das erste und das zweite Formteile können mit Hilfe eines Klebstoffes, beispielsweise eines Acrylat-Klebstoffes miteinander verbunden werden. Die Formteile werden vorzugsweise derart zusammengeklebt, dass sie anschließend optischen Kontakt haben. Der Klebstoff weist bevorzugt denselben Brechungsindex wie das Material der Formteile auf.
Soll die Lichteintrittsfläche 6 oder die Lichtaustrittsfläche 7 eines Mikroprismas 5 konkav gewölbt sein, kann ein drittes Formteil mit der entsprechenden Form hergestellt und mit dem zweitem Formteil verbunden werden.
Alternativ kann der Kollimator 4 Mikroprismen 5 enthalten, welche Hohlkörper sind. In dieser Ausführung werden ein drittes und viertes Formteil hergestellt, welche anschließend zusammengeklebt werden. Das dritte Formteil weist die negative Form des ersten Formteils auf und bildet ein Array aus Unterteilen der hohlen Mikroprismen 5. Das vierte Formteil weist die negative Form des zweiten Formteils auf und bildet ein Array aus Oberteilen der hohlen Mikroprismen 5. Die beiden Formteile enthalten vorzugsweise transparente Mate­ rialien wie Polymethylmethacrylat, Polycarbonat oder Glas. Die innenliegenden Seiten­ flächen 8 der Ober- und Unterteile der hohlen Mikroprismen 5 werden mit Silber oder Aluminium bedampft und die beiden Formteile werden mit Hilfe eines Klebstoffes ver­ bunden. Zur Herstellung des dritten bzw. vierten Formteils kann in Aluminium die Form des ersten bzw. zweiten Formteils gefräst werden. In die Form wird beispielsweise ein selbsthärtendes oder ein UV härtendes Polymer gegeben.
Ein derartiger Kollimator 4 kann auch in einer Leuchte, welche sich beispielsweise in Büro- oder Wohnräumen befindet, verwendet werden. Eine derartige Leuchte weist eine Lichtquelle auf, welche sich einem Gehäuse befindet. Vorzugsweise befindet sich die Licht­ quelle in einem reflektierenden Gehäuse. Die von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen gelangen durch eine Öffnung im Gehäuse zum Kollimator und werden dort kollimiert.

Claims (7)

1. Flüssigkristallbildschirm ausgestattet mit einem Hintergrundsbeleuchtungssystem, welches wenigstens eine Lichtquelle (1) und einen Kollimator (4) aus Mikroprismen (5), wobei die Mikroprismen (5) eine dreidimensionale Form mit einer Lichteintrittsfläche (6), beabstandet zur Lichteintrittsfläche (6) eine Lichtaustrittsfläche (7) und mindestens einer Seitenfläche (8) zwischen Lichteintrittsfläche (6) und Lichtaustrittsfläche (7), wobei jedes Mikroprisma (5) wenigstens eine Verengung (9) zwischen Lichteintrittsfläche (6) und Lichtaustrittsfläche (7) aufweist, enthält.
2. Flüssigkristallbildschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsfläche (6) und die Lichtaustrittsfläche (7) jedes Mikroprismas (5) gleich groß sind.
3. Flüssigkristallbildschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsflächen (6) eine rechteckige Form aufweisen.
4. Flüssigkristallbildschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsflächen (6) der Mikroprismen (5) eine gemeinsame, geschlossene Oberfläche besitzen.
5. Hintergrundsbeleuchtungssystem, welches wenigstens eine Lichtquelle (1) und einen Kollimator (4) aus Mikroprismen (5), wobei die Mikroprismen (5) eine dreidimensionale Form mit einer Lichteintrittsfläche (6), beabstandet zur Lichteintrittsfläche (6) eine Lichtaustrittsfläche (7) und mindestens einer Seitenfläche (8) zwischen Lichteintrittsfläche (6) und Lichtaustrittsfläche (7), wobei jedes Mikroprisma (5) wenigstens eine Verengung (9) zwischen Lichteintrittsfläche (6) und Lichtaustrittsfläche (7) aufweist, enthält.
6. Kollimator aus Mikroprismen (5), wobei die Mikroprismen (5) eine dreidimensionale Form mit einer Lichteintrittsfläche (6), beabstandet zur Lichteintrittsfläche (6) eine Licht­ austrittsfläche (7) und mindestens einer Seitenfläche (8) zwischen Lichteintrittsfläche (6) und Lichtaustrittsfläche (7), wobei jedes Mikroprisma (5) wenigstens eine Verengung (9) zwischen Lichteintrittsfläche (6) und Lichtaustrittsfläche (7) aufweist.
7. Leuchte, welche wenigstens eine Lichtquelle (1), ein Gehäuse und einen Kollimator (4) aus Mikroprismen (5), wobei die Mikroprismen (5) eine dreidimensionale Form mit einer Lichteintrittsfläche (6), beabstandet zur Lichteintrittsfläche (6) eine Lichtaustrittsfläche (7) und mindestens einer Seitenfläche (8) zwischen Lichteintrittsfläche (6) und Lichtaustritts­ fläche (7), wobei jedes Mikroprisma (5) wenigstens eine Verengung (9) zwischen Lichtein­ trittsfläche (6) und Lichtaustrittsfläche (7) aufweist, enthält.
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