DE69733744T2 - Hinterbeleuchtungsvorrichtung mit farbentrennung - Google Patents

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Description

  • ERFINDUNGSGEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Hintergrundbeleuchtungen für Flachbildschirme (FPD – flat panel displays), insbesondere Flüssigkristalldisplays (LCD). Insbesondere wurde eine neuartige Konstruktion von Elementen entdeckt, über die Farbflachbildschirme und flache Farb-LCDs realisiert werden können ohne die Leistungsineffizienz der Farbentstehung durch Farbfilterung von weißem Licht. Indem das Format einer flachen Tafel beibehalten wird, überwindet die Erfindung die Mängel einer großen Displaydicke, die in Displayformaten wie etwa Projektionsdisplays und Projektions-LCDs vorliegt.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Es ist höchst wünschenswert, eine Farbdarstellung von Informationen auf einer Displayeinrichtung vorzusehen. Solche Informationen können in der Form von Text, Graphiken, Zeichen, Videos oder anderen nützlichen Arten von Informationen vorliegen. Wegen der großen Anzahl von Farben, die das menschliche Auge wahrnehmen kann, kann eine größere Informationsmenge in einem lesbareren Format auf einem Farbdisplay als auf einem Schwarzweißdisplay oder einem monochromen Display dargestellt werden. Die Informationsmenge, die zum Lesen auf einer derartigen Einrichtung angezeigt werden kann, ist auch eine Funktion der Größe des Displays (üblicherweise als die Länge eines Diagonalmaßes über die Betrachtungsfläche ausgedrückt) und der Auflösung des Displays oder der Anzahl von Teilpixeln (individuellen roten, grünen oder blauen Bildelementen), die zur Verfügung stehen, um beim Darstellen der Informationen moduliert zu werden. Somit ist ein hochauflösendes Display mit großer Diagonale in der Lage, mehr oder lesbarere Informationen darzustellen als ein kleineres oder niedriger auflösendes Display. Ein Mangel bei einigen Arten von Displays besteht darin, daß sie eine Tiefe erfordern, die vergleichbar ist mit der Displaybetrachtungsflächenabmessung. Beispielhaft sind Kathodenstrahlröhren-(CRT) oder Fernseh-(TV)-Displays und Projektionsdisplays. Bei diesen Displays führt der Bedarf an Tiefe zu einem zunehmend großen Volumen für das Display, wenn die Betrachtungsflächenabmessung erhöht wird. Das Display ist deshalb unhandlicher und die Nützlichkeit für ein derartiges Display ist in Umgebungen verringert, wo der Platz begrenzt ist oder wo ein sperriges Display das ästhetische Design für dieses Umfeld stören würde.
  • Flachbildschirme (FPD) überwinden diese Mängel durch Bereitstellung einer Betrachtungsfläche, deren Abmessung von der Dicke oder Tiefe des Displays größtenteils unabhängig ist, deshalb der Name „Flachbildschirm". Es ist in der Technik recht üblich, daß ein Flachbildschirm eine Tiefe aufweist, die unter einem Zehntel der Länge der Displayflächendiagonale ist. Solche Displays haben sich in Anwendungen als sehr nützlich herausgestellt, die ein dünnes Format bevorzugen oder erfordern, wie etwa unter anderem Laptops, Desktop-Computer für kleine Büros, Flugzeugavionik, tragbare TVs und TVs zum Aufhängen an der Wand. Eine der nützlichsten Arten von FPDs ist das Flüssigkristalldisplay (LCD), das in den meisten FPD-Anwendungen verbreitet ist. LCDs sind aufgrund ihres flachen Formats in Verbindung mit einem niedrigen Stromverbrauch und hoher Auflösung äußerst nützlich. Die diagonale Größe der Betrachtungsfläche von solchen LCDs ist ebenfalls in den vergangenen Jahren angestiegen. Farb-LCDs sind monochromen oder Schwarzweiß-LCDs hinsichtlich ihrer Fähigkeit überlegen, qualitativ hochwertige sehr gut lesbare Informationsdisplays in Vollfarbe bereitzustellen. Dies ist beim Anzeigen von Videoinformationen einschließlich Farb-TV-Sendungen besonders wertvoll.
  • Ein Nachteil bei Farb-LCDs ist die zusätzliche Leistung, die erforderlich ist, um in dem Display Farbe zu erreichen. Im allgemeinen erfordert ein derartiges Display eine Hintergrundbeleuchtung mit einer Quelle für weißes Licht, das dann durch absorbierende Farbfilter, die an den individuellen Teilpixelelementen des Displays angeordnet sind, in rote, blaue und grüne Farben gefiltert wird. Solche Farbfilter sind sehr ineffizient. Beispielsweise läßt ein roter Farbfilter für ein rotes Teilpixel nur etwa 60% des roten Lichts durch und absorbiert alles grüne und blaue Licht, das auf den Filter fällt. Die Gesamteffizienz des Filters beträgt deshalb nur etwa 20–25% für weißes Licht, das auf ihn fällt. Die Effizienzen für den blauen und grünen Filter sind ähnlich niedrig. Diese Tatsache erfordert, daß das Hintergrundlicht eine große Menge elektrischer Leistung verbraucht, damit genügend weißes Licht geliefert wird, so daß das Farbdisplay nach dem Durchtritt des Lichts durch die Filter lesbar ist. Oftmals ist die zum Betreiben des Hintergrundlichts für das Display erforderliche elektrische Leistung ein großer Anteil der Gesamtleistungsanforderung für das Display. Diese Situation ist besonders bei tragbaren batteriebetriebenen Displayanwendungen problematisch, weil sie die Batterielebensdauer des Displays drastisch reduziert.
  • Mehrere Verfahren sind verwendet worden, um die Leistungsineffizienzen von Farb-LCDs zu überwinden. Es ist möglich, eine Farb-LCD in einem reflektierenden Modus zu betreiben, bei dem das Licht von einer Umgebungslichtquelle wie etwa Raumlicht oder der Sonne geliefert wird, anstatt in einem hintergrundbeleuchteten Modus. In diesem Fall wird die für die Lichtquelle benötigte Leistung extern geliefert. Eine starke externe Lichtquelle ist jedoch nicht immer zweckmäßig, und solche reflektierenden LCD-Displays finden im allgemeinen ihren Einsatz nur in Anwendungen, bei denen die Leistungseffizienz das alles überragende Kriterium ist, und werden tatsächlich oftmals aus diesem gleichen Grund in einem monochromen Format verwendet.
  • Es wurde auch schon vorgeschlagen, daß die weiße kontinuierliche Lichtquelle (wie etwa eine Lichtbogenlampe) eines Projektions-LCD-Systems durch ein entsprechendes optisches Element oder eine Menge von Elementen räumlich in ein Spektrum (oder einen Regenbogen) von Farben getrennt werden und so gelenkt werden könnte, daß es in ausgerichtetem Format auf die schwarze Matrix des LCD-Pixels fällt. Auf diese Weise wären die rote, grüne und blaue Komponente des Lichts auf die jeweiligen Teilpixel ausgerichtet, und die dazwischen liegenden Farben des Spektrums würden auf die schwarze Matrix fallen und absorbiert werden. Dieses Verfahren würde die Ineffizienz der Farbfilter eliminieren, obwohl immer noch ein Teil der Leistung durch Absorption der anderen, in der kontinuierlichen Lichtquelle vorliegenden Farben verloren gehen würde. Huignard ( FR 2707447 ) hat vorgeschlagen, daß diese Farbtrennung in einem Projektordisplay mit einer Kombination aus einem Farbseparator, einem Raumfilter und einer Linse erzielt werden kann. Loiseaux hat vorgeschlagen, daß diese Farbtrennung in einem Projektionsdisplay mit einer Kombination aus einem Phasengitter mit breitem Durchlaßband und einem Linsenarray erzielt werden kann. (Loiseaux, Joubert, Delboulbe, Huignard und Battarel, Asia Display '95, Proceedings of the 15th International Display Research Conference, 16.–18. Oktober 1995, Seiten 87–89.) Ichikawa hat vorgeschlagen, daß diese Farbtrennung in einem Projektionsdisplay mit einem einzelnen holographischen optischen Element erzielt werden kann, das die optischen Eigenschaften des Phasengitters und der Linse vereinigt. (Ichikawa, Asia Display '95, Proceedings of the 15th International Display Research Conference, 16.–18. Oktober 1995, Seiten 727–729.) Es wurde außerdem vorgeschlagen, weißes Licht durch die Verwendung von Mengen von dichroitischen Spiegeln, die auf die rote, grüne und blaue Wellenlänge individuell abgestimmt sind, in Farben zu trennen (Hamada et al., IDRC '94 Proceedings, Seite 422 (1994) und Rho und Kim, Asia Display '95, Proceedings of the 15th International Display Research Conference, 16.–18. Oktober 1995, Seiten 83–85.) Hamada schlägt ein einzelnes LCD-Display vor, wohingegen Rho den Einsatz einer separaten LCD für jede Farbe vorschlägt.
  • Weitere Verfahren nach dem Stand der Technik zum Verbessern von Projektions-LCD-Displays durch die Trennung von weißem Licht in individuelle Farben sind enthalten in US 5,389,982, 5,196,926 (Lee), JP 6250177 (Hitachi LTD), WO 9422042 (Itoh), JP 6208099 (Fuji Photo Optical), US 5,315,418 (Bruce), JP 6034928 (Seiko Epson), JP 5289047 (Fujitsu LTD), JP 5181107 (Stanley Electric), JP 5173107 (Sharp KK), US 5357288 (Pioneer Electronic), US 5,321,448 (Ogowa), JP 3262294 (Fujitsu LTD), US 5,200,843 (Karasawa), US 4,909,601 (Nakamura), US 4,989,076 (Nagashima), US 4,836,649 (Hughes Aircraft).
  • Der Nachteil von allen Projektions-LCD-Displays, die zum Reduzieren von Leistungsineffizienzen, die mit Farbfiltern verbunden sind, Farbtrennung verwenden, besteht darin, daß sie nicht in einem flachen Tafelformat erzielt werden. Sie basieren wie herkömmliche Projektions-LCD-Displays auf einer Projektionsoptik, um das größtenteils kollimierte Licht zu liefern, das erforderlich ist, um in dem Display eine Bildauflösung beizubehalten. Diese optischen Systeme erfordern ein selbst mit dem fortgeschrittenen Typ „gefalteter Optik" eine große Tiefe und werden im allgemeinen nicht als Flachbildschirme angesehen oder bei Anwendungen verwendet, die ein flaches Format erfordern. Webster (UK-Patentanmeldung 2,260,203 A) hat eine randbeleuchtete Hintergrundbeleuchtung für eine LCD vorgeschlagen, bei der die Oberfläche der Hinter grundbeleuchtung mit holographischen optischen Elementen (HOE) besetzt ist, die jeweils Licht mit einem bestimmten Wellenlängenbereich (oder einer bestimmten Farbe) auskoppeln und es zu dem entsprechenden LCD-Teilpixel senden können. Da die HOEs nur dann effizient sind, wenn es darum geht, eine derartige Farbtrennung zu bewerkstelligen, wenn das Eingabelicht recht kollimiert ist, und weil das Licht, das sich in einem derartigen randbeleuchteten Wellenleiter ausbreitet, größtenteils unkollimiert ist, erfordert das System immer noch eine externe kollimierende Optik vom Projektionstyp, um die Winkeldivergenz von Licht zu reduzieren, das sich innerhalb des Hintergrundbeleuchtungswellenleiters ausbreitet. Dem System ermangelt es als solchem immer noch an einem wahren flachen Tafelformat.
  • Es ist somit klar, daß weiterhin ein Bedarf besteht an einem Verfahren und Mittel zum Bereitstellen eines Farb-LCD-Displays in einem wahren Flachbildschirmformat, mit dem eine gute Helligkeit und Farbe ohne die ineffiziente Verwendung von Leistung eines Displays, das Farbe durch die absorbierende Filterung von weißem Licht von einer bestroten Hintergrundbeleuchtung erzielt, oder den begrenzten Anwendungsbereich einer reflektierenden Farb-LCD, die hohe Umgebungslichtbedingungen erfordert erzielt werden kann.
  • Aus US-A-5,428,468 ist eine Hintergrundbeleuchtungsbaugruppe mit Mitteln zum Übertragen von Licht und reflektierenden Mitteln zum Empfangen und Reflektieren eines Teils des Lichts von den Lichtübertragungsmitteln bekannt.
  • Aus JP-A-05323307 ist eine Hintergrundbeleuchtungsbaugruppe bekannt, die kollimiertes Hintergrundlicht erzeugt. Aus JP-A-07092327 ist eine Hintergrundbeleuchtungsbaugruppe bekannt, die ein Array aus kondensierenden Elementen verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung stellt somit eine Beleuchtungsbaugruppe bereit, die folgendes umfaßt:
    Lichtübertragungsmittel, einen Wellenleiter umfassend;
    ein Mittel mit mindestens einer optisch an eine erste Oberfläche gekoppelten Eingabeoberfläche zum Empfangen eines Teils des Lichts von den Lichtübertragungsmitteln und zum Reflektieren des Teils des Lichts, um eine kollimierte Lichtabgabe zu erzeugen;
    wobei die kollimierte Lichtabgabe unter einem gewünschten Winkel von der Normalen der Ebene der Baugruppe geneigt ist;
    ein Beugungsmittel zum Annehmen des kollimierten Lichts und Trennen des Lichts in mindestens eine rote, blaue und grüne Lichtkomponente und;
    Lichtlenkmittel zum räumlichen Lenken der Lichtkomponenten; dadurch gekennzeichnet, daß:
    das Mittel mit mindestens einer optisch an eine erste Oberfläche gekoppelten Eingabeoberfläche ein reflektierendes Mittel ist, das ein Array von Mikroprismen umfaßt, wobei jedes Mikroprisma folgendes umfaßt:
    • (a) eine optisch an das Lichtübertragungsmittel gekoppelte Eingabeoberfläche zum Empfangen eines Teils des durch das Lichtübertragungsmittel übertragenen Lichts;
    • (b) eine Seitenwand mit einem durch die Lichteingabeoberfläche definierten Rand und weiterhin positioniert zum (i) Bewirken einer Totalreflexion eines Teils des von der Lichteingabeoberfläche empfangenen Lichts; und (ii) Lenken des reflektierten
  • Lichts als eine im wesentlichen kollimierte Abgabe von dem Mikroprisma.
  • Indem weißes Licht in seine Komponentenfarben getrennt und jede Komponente zu den entsprechenden Farbteilpixeln einer LCD gelenkt wird, kann im Vergleich zu LCDs, bei denen die Farbe durch Filtern des weißen Lichts mit Farbfiltern gebildet wird, eine große Verbesserung bei der Leistungseffizienz erreicht werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine Ansicht einer Lichtbaugruppe nach dem Stand der Technik, die sich als Hintergrundlicht für Flachbildschirme eignet;
  • 2 veranschaulicht die Lichtbaugruppe von 1 in Kombination mit Farbtrennmitteln und Lichtlenkmitteln und einen Farbflachbildschirm;
  • 3 veranschaulicht eine alternative Darstellung von 2;
  • 4 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform einer Lichtbaugruppe, die sich als ein Hintergrundlicht eignet; und
  • 5 veranschaulicht eine Lichtbaugruppe, die sich als ein Hintergrundlicht eignet, in Kombination mit alternativen Lichtlenkmitteln.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Für den Fachmann ergibt sich ein besseres Verständnis der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch Bezugnahme auf die obigen Figuren. Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind, sollen weder erschöpfend sein noch die Erfindung auf die präzise offenbarte Form beschränken. Die Figuren wurden gewählt, um die Grundlagen der Erfindung und ihre Anwendung und praktische Verwendung zu beschreiben oder am besten zu erläutern, um dadurch anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung am besten auszunutzen.
  • Der Schlüsselaspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, für eine dünne Lichtbaugruppe mit niedrigem Profil wie etwa ein Hintergrundlicht zu sorgen, das weißes Licht in rote, grüne und blaue Komponenten trennen und jede Lichtkomponente durch das entsprechende Teilpixel eines LCD-Flachbildschirms lenken kann. Unter niedrigem Profil wird verstanden, daß das resultierende Display beim Kombinieren von Hintergrundlicht und LCD immer noch als ein Flachbildschirm angesehen werden kann, das heißt, die Dicke (oder Tiefe) des Displays ist erheblich geringer als das diagonale Maß der Betrachtungsfläche (der Bereich, wo Informationen angezeigt werden können). Bevorzugt beträgt die Dicke des Displays weniger als ein Viertel des diagonalen Maßes der Betrachtungsfläche. Besonders bevorzugt beträgt die Dicke des Displays weniger als ein Achtel des diagonalen Maßes der Betrachtungsfläche. Eines der primären Merkmale des Hintergrundlichts ist die Fähigkeit, kollimiertes Licht in einem dünnen randbeleuchteten Design zu erzeugen, das sich für einen derartigen Flachbildschirm eignet.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform eines derartigen dünnen kollimierten Hintergrundlichts wie im US-Patent Nr. 5,428,468 beschrieben (das '468er Patent). Bei dieser Ausführungsform ist eine Quelle 10 für weißes Licht wie etwa eine Leuchtstoffröhrenlampe, eine Glühlampe oder eine Halogenbirne neben dem Rand eines klaren optischen Wellenleiters 12 so positioniert, daß Lichtstrahlen 13 von der Lichtquelle über eine Eingabefläche 11 in den Wellenleiter gekoppelt werden können und sich über Totalreflexion an den Flächen des Wellenleiters über seine ganze Länge ausbreiten. Der Wellenleiter kann aus jedem optisch klaren Material wie etwa Glas, Kunststoff oder Quarz hergestellt sein. Im allgemeinen ist der Wellenleiter in der Richtung senkrecht zur Ebene des Flachbildschirms, auf dem er aufgebracht wird, dünn. Die obere 14 und untere 16 Oberfläche des Wellenleiters weisen im allgemeinen etwa den gleichen Flächeninhalt und die gleiche Abmessung wie die Informationsdisplayoberfläche des Flachbildschirms oder LCD auf. In der Regel wird um die Lichtquelle herum ein Reflektor 18 verwendet, um die Anzahl der Lichtstrahlen zu erhöhen, die in den Wellenleiter gekoppelt werden. Lichtstrahlen, die auf eine der Eingabeoberflächen 20 der Kollimationsstruktur 22 treffen, werden aus dem Wellenleiter ausgekoppelt und treten in die Kollimationsstruktur ein. Diese Lichtstrahlen treffen auf die reflektierenden Mittel 26, die hier durch abgewinkelte Flächen 24 einer Prismenstruktur 26 exemplifiziert sind, und werden in Richtung der LCD oder eines anderen Flachbildschirms reflektiert. Die Lichtstrahlen werden weiter über Brechung durch das Array von Linsen 28 kollimiert. Eingabeoberflächen 20 werden im allgemeinen durch eine dünne Schicht aus klarem Kleber 30 in optischem Kontakt mit dem optischen Wellenleiter gehalten. Die Fläche 31 des optischen Wellenleiters, die der Fläche 11 gegenüberliegt, kann mit einem Reflektor 32 versehen werden, so daß diese Fläche des Wellenleiters erreichendes Licht, anstatt auszutreten, in den Wellenleiter zurückreflektiert wird. Dies dient dazu, die Effizienz der Lichtverwendung des ganzen Hintergrundlichts zu erhöhen. Alternativ kann der Reflektor 32 durch eine zweite Lichtquelle ersetzt werden, und solche Ausführungsformen sind in dem '468er Patent näher beschrieben.
  • Der Grund, weshalb ein stark kollimiertes Hintergrundlicht für das Funktionieren der vorliegenden Erfindung wichtig ist, besteht darin, daß die meisten Mechanismen oder optischen Elemente für die Trennung von weißem Licht in seine Komponentenfarben mehr effizient arbeiten, wenn das Eingabelicht kollimiert anstelle von unkollimiert oder diffus ist. Bevorzugt wird die Lichtabgabe des reflektierenden Mittels 22 auf etwa ±20° und besonders bevorzugt auf etwa ±10° kollimiert. Zu solchen farbtrennenden optischen Elementen, die dem Fachmann wohlbekannt sind, zählen Beugungsgitter, sowohl vom Oberflächenrelief- als auch vom Phasengittertyp, Prismen, holographische optische Elemente einschließlich holographische Gitter und Gitter-Linsen-Kombinationen, beugende Optik und dielektrische oder dichroitische Spiegel und optische Bandpaßelemente. Indem eines oder mehrere dieser farbtrennenden Elemente mit einem dünnen kollimierten Hintergrundlicht mit niedrigem Profil kombiniert werden, ist es möglich, die effiziente Trennung von weißem Licht in rote, grüne und blaue Komponenten in einem Flachbildschirmformat vorzusehen. Die Verfahren nach dem Stand der Technik verwenden eine Projektionsoptik, um die erforderliche Kollimierung des Lichts zu erreichen, und eine solche Optik erfordert notwendigerweise signifikant dickere Baueinheiten, um die Optik aufzunehmen. Es ist im allgemeinen nicht möglich, stark kollimierte Projektionslichtquellen bereitzustellen, die in ein Flachbildschirmformat passen, wodurch sie für jene Anwendungen ungeeignet werden, die von einem Flachbildschirmdesign profitieren, wie etwa Displays für Laptops.
  • 2 zeigt ein dünnes kollimiertes Hintergrundlicht in Kombination mit abgewinkelten Farbtrennmitteln 40, wie etwa ein dünnes flaches Beugungsgitter oder ein holographisches Beugungsgitter und ein Lichtlenkmittel 44 zum räumlichen Lenken der winkelmäßig beabstandeten Farben von Licht durch die entsprechenden Farbteilpixelelemente 46 eines LCD-Moduls 48, um ein LCD-Display im Flachbildschirmformat zu erreichen. Bei einer Ausführungsform kann es sich bei dem Lichtlenkmittel 44 um ein dünnes flaches Array von Mikrolinsen handeln, die zwischen dem Farbtrennmittel 40 und dem LCD-Modul 48 angeordnet sind. Die Mikrolinsen dienen dazu, die winkelmäßig getrennten Farben von Licht räumlich durch die entsprechenden Farbteilpixel des Pixelarrays 46 der LCD 48 zu lenken. Das heißt, die Linse fokussiert die blaue Komponente durch das Teilpixelelement für die blaue Farbe in dem Display und analog für die rote und grüne Farbe. Es ist klar, daß eine präzise Ausrichtung des Lichtlenkmittels 44 auf das Pixelarray 46 eine Voraussetzung für den nützlichen Betrieb der vorliegenden Erfindung ist. Ansonsten erreicht die falsche Farbe des Lichts dasjenige Teilpixel, das dafür ausgelegt ist, irgendeine andere Farbe zu steuern.
  • Die in 2 gezeigte Ausführungsform ist nicht die einzige mögliche Anordnung dieser erforderlichen Elemente. Diese Elemente können in physischem Kontakt miteinander stehen oder können kombiniert sein, solange die erforderlichen Funktionen der Farbtrennung und des Lichtlenkmittels vorliegen. Beispielsweise würde eine einzelne Optik mit zwei Oberflächen, wobei eine Seite ein Beugungsgitter enthält und die gegenüberliegende Seite aus einem Array von Linsen besteht, eine nützliche Ausführungsform sein. Analog wäre ein einzelnes holographisches optisches Elementarray, bei dem die Funktion der winkelmäßigen Farbtrennung und der räumlichen Lichtlenkung in jedem Element des Arrays bewerkstelligt würden, nützlich. Solche kombinierten Funktionen werden werden oftmals durch Computerberechnung ausgelegt, und die entstehenden Elemente sind in der Technik als computererzeugte Hologramme (CGH – computer generated holograms) bekannt.
  • 3 zeigt die Funktionsweise einer Ausführungsform der Erfindung. Durch einen Strahl 50 dargestelltes weißes Licht von einer Lichtquelle 10 wird in den Rand 11 eines dünnen transparenten Wellenleiters 12 gekoppelt, bevorzugt mit einem Lampenreflektor 18, um die Koppeleffizienz zu verbessern. Ein sich in dem Wellenleiter 12 ausbreitender Strahl 50 wird aus dem Wellenleiter extrahiert, indem er an dem Kontaktbereich 20 zwischen dem Wellenleiter und der Lichtkollimationsstruktur 22 ausgekoppelt wird, wie in dem '468er Patent näher beschrieben wird. Dieses Koppeln wird üblicherweise mit einer Klebeschicht 30 vermittelt, die die Kollimationsfilmoptik an der oberen Oberfläche des klaren Wellenleiters hält. Die zwei Oberflächen aufweisende Mikrooptikkollimationsstruktur dient dazu, das stark winkelmäßig divergierende weiße Licht zu nehmen, was sich in dem Wellenleiter ausbreitet, und wandelt es in einen engkollimierten Strahl um, durch Strahl 150 dargestellt, der auf das LCD-Modul 48 gelenkt wird. Die Umwandlung der Winkeleigenschaft des weißen Lichts erfolgt in einem dünnen Format mit niedrigem Profil, durch das der kantenbeleuchtete Wellenleiter, der üblicherweise in der Technik verwendet wird, um die LCD-Module mit Hintergrundbeleuchtung zu versorgen, in der Regel nur ein bis zwei Millimeter dicker wird. Dies unterscheidet sich deutlich von der Verwendung einer sperrigen Projektionsoptik, um die winkelmäßige Kollimierung von Licht von der Lichtquelle zu bewerkstelligen. Das kollimierte weiße Licht 150 wird von der Kollimationsstruktur auf das Farbtrennmittel 40 gelenkt, wie etwa ein Beugungsgitter oder ein holographisches Element, und das weiße Licht 150 wird winkelmäßig in seine Komponentenfarben getrennt, dargestellt durch die getrennten Strahlen roten 151, grünen 152 und blauen 153 Lichts. Die winkelmäßig getrennten Farben von Licht werden dann räumlich durch ein Lichtlenkmittel 44 wie ein Array von Mikrolinsen 52 getrennt, die jede Farbe durch die entsprechenden roten, grünen und blauen Teilpixel des Pixelarrays 46 der LCD lenken. Solche Mikrolinsen können unter anderem ein Array von plankonvexen Linsen beinhalten, entweder mit einer sphärischen oder asphärischen Oberflächengestalt, oder es kann sich bei ihnen um ein Array von Gradientenindexlinsen (GRIN-Linsen) handeln.
  • Wenn die Quelle 10 für weißes Licht eine kontinuierliche Quelle ist, dann erzeugt das Farbtrennmittel ein räumlich getrenntes farbliches Kontinuum oder Spektrum von Licht. Besonders bevorzugt wird eine Quelle für weißes Licht, die einfach aus der roten, blauen und grünen Wellenlänge entsprechend der gewünschten roten, blauen und grünen Komponente besteht, zu deren Modulation die LCD dient. Vorgesehen wird dies in der Regel durch Beschichten der Innenseite einer Fluoreszenslichtröhre mit einer Mischung aus drei Leuchtstoffmaterialien, jeweils eines für den roten, grünen und blauen Bereich des Farbspektrums. Solche Lichtquellen, die sogenannte Dreibandleuchtstoffe enthalten, sind in der Technik wohlbekannt. Wenn Licht von einer derartigen Lichtquelle durch ein Lichttrennmittel wie etwa ein Beugungsgitter geschickt wird, werden die drei Farben winkelmäßig beabstandet, doch liegen keine Zwischenfarben wie etwa gelb oder orange vor, um die spektrale Reinheit der drei Farben des Displays zu verschlechtern. Analog können die drei gewünschten Farben bereitgestellt werden durch Koppeln des abgegebenen Lichts von drei Arten von Leuchtdioden (LEDs), einer roten, einer grünen und einer blauen, an den klaren optischen Wellenleiter des Hintergrundlichts. In Fällen, wenn die Quelle für weißes Licht ein Kontinuum ist, können die unerwünschten Farben des sichtbaren Spektrums entfernt werden, indem die Optik so angeordnet wird, daß jene unerwünschten Farben auf die die Teilpixel der LCD umgebende schwarze Matrix fallen und absorbiert werden. Die LCD kann alternativ in allen Fällen mit den Farbfiltern vor den Teilpixeln des Displays betrieben werden. Eine derartige Anordnung ist zwar unter dem Gesichtspunkt der Leistungsausnutzung nicht völlig optimal, so arbeitet sie dennoch mit verbesserter Leistungseffizienz im Vergleich zu einer standardmäßigen hintergrundbeleuchteten LCD, weil das Lichttrenn- und -lenkmittel weiterhin den größten Teil der richtigen Farbe des Lichts zu dem richtigen Farbfilter lenkt, wo der resultierende Verlust nur der Übertragungsverlust des Filters für seine eigene Farbe ist, in der Regel 20–40%. Unerwünschte Farben des Lichts werden durch die Filter absorbiert und aus dem Bild, das dem Betrachter übertragen wird, entfernt. In einigen Fällen kann diese letztere Ausführungsform bevorzugt sein, weil sie im Vergleich zu einer herkömmlichen LCD eine verbesserte Effizienz zeigt, aber nicht die Farbtrenn- und -lenkmittel erfordert, damit sie perfekt arbeitet, so daß in dem Displaybild eine gute Farbreinheit erzielt wird. Dies kann möglicherweise wünschenwert sein, um die Herstellungsanforderung, daß gut getrennte und gelenkte Farbkomponenten mit ausreichender spektraler Reinheit bereitgestellt werden, so daß sie keine Farbfilter erfordern, zu vermeiden.
  • Wenngleich die in dem '468er Patent beschriebenen dünnen kollimierten Lichtquellen zur Verwendung mit Farbtrennmitteln wie etwa Gittern und holographischen optischen Elementen im Vergleich zu in der Regel in den LCDs verwendeten diffusen Lichtquellen bevorzugt werden, sind diese kollimierten Lichtquellen in der Regel gedacht für die Bereitstellung von stark kollimierten Lichtstrahlen, die sich senkrecht zu der Ebene der LCD oder eines anderen Flachbildschirms ausbreiten. Dies ist nicht die ganz besonders bevorzugte Richtung für die Lichtstrahlen der vorliegenden Erfindung. Besonders bevorzugt sind flache kollimierte Lichtquellen, bei denen der größte Teil der Lichtstrahlen unter einem Winkel von der Normalen der Ebene der LCD gelenkt werden, wie in dem eigenen US-Patent 5,555,329 beschrieben. Dadurch können Farbtrennmittel wie etwa Oberflächen- oder Volumengitter und holographische Elemente mit höheren Effizienzen arbeiten. Bevorzugt werden dünne, flache kollimierte Hintergrundlichter, bei denen das Licht, das aus dem Kollimationsmittel austritt, unter einem Winkel zwischen etwa 10° und etwa 80° zur Normalen der Ebene des Farbtrennmittels oder zur Normalen der Ebene des Flachbildschirms auf das Farbtrennmittel gelenkt wird. Besonders bevorzugt werden Winkel zwischen etwa 20° und etwa 40° zur Normalen der Ebene des Displays.
  • Eine Ausführungsform einer dünnen kollimierten Lichtquelle, bei der die abgegebenen Strahlen unter einem derartigen Winkel gelenkt werden, ist in 4 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist das kollimierende Lichtextrahierungsmittel 60 etwa durch einen optisch klaren Kleber 62 optisch an die obere Oberfläche eines transparenten optischen Keilwellenleiters 64 gekoppelt. Licht von einer Quelle 66 für weißes Licht, dargestellt durch einen Lichtstrahl 68, wird bevorzugt unter Verwendung eines Lampenreflektors 65 zum Erhöhen der Koppeleffizienz in den transparenten optischen Wellenleiter randgekoppelt. Der sich in dem optischen Wellenleiter ausbreitende Lichtstrahl 68 tritt an den Punkten des optischen Kontakts 72 in Lichtentfernungselemente 70 ein und werden von der ersten abgewinkelten Oberfläche 74 durch Totalreflexion reflektiert, wobei der Winkel der Oberfläche 74 so gewählt ist, daß das Licht unter einem Winkel α zur Normalen der Ebene der oberen Oberfläche 76 des Wellenleiters 64 gelenkt wird. Der Lichtstrahl 68 wird dann weiter kollimiert, und zwar über Brechung durch das Linsenarray 78, das die obere Oberfläche des Lichtkollimationsmittels 60 darstellt. Der Winkel des Lichtstrahls bei seinem Austritt aus dem Linsenarray 78 ist als Winkel α angegeben.
  • Bei noch einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das in dem '468er Patent offenbarte dünne kollimierte Hintergrundlicht mit einem zusätzlichen optischen Drehelement wie etwa einem Array von Nuten verwendet werden, die dazu dienen, das Licht zu einem gewissen Winkel weg von der Normalen zu der Ebene der LCD zu lenken. Ein derartiges zusätzliches optisches Drehelement 80 ist in 5 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform, werden als Lichtstrahl 82 und 82a dargestellte Lichtstrahlen, die von Quellen 84 und 84a für weißes Licht produziert werden, mit Lampenreflektoren 88 und 88a in einen klaren optischen Wellenleiter 86 und dann in die Kollimationsstruktur 90 durch die Bereiche der optischen Kontaktbereiche 92 mit der klaren Kleberschicht 94 gekoppelt. Strahlen 82 und 82a treten aus der Kollimationsstruktur 90 unter einem Winkel in der Nähe der Normalen der Ebene des Wellenleiters 86 aus und werden von dem optischen Drehelement 80 zu einem besonders bevorzugten Winkel von zwischen etwa 10° und etwa 80° von der Normalen zur Ebene der Oberfläche des Wellenleiters 86 gelenkt. 5 veranschaulicht die Ausführungsform, bei der zwei Quellen für weißes Licht und zwei Lampenreflektoren in den klaren optischen Wellenleiter randgekoppelt sind, doch kann, wie der Fachmann erkennt, die in 1 gezeigte Ausführungsform in Kombination mit einem optischen Drehelement 80 gleichermaßen angewendet werden.
  • BEISPIEL 1
  • Das Emissionsspektrum einer dreibandigen Leuchtstofffluoreszenzröhre wurde als blaues Licht im Wellenlängenbereich 427–443 nm, grünes Licht im Bereich 532–557 nm und rotes Licht im Bereich 603–618 nm bestimmt. Zu Zwecken der Berechnung wurden die drei Wellenlängen als blau bei 435 nm, grün bei 545 nm und rot bei 610 nm gewählt. Die Gittergleichung αout = 180/π arcsin ((mλ/d + sin(παin/180)), wobei αout = Ausfallswinkel, αin = Einfallswinkel, λ = Wellenlänge, m = Gitterordnung und d = Gitterabstand ist, wurde für diese drei Wellenlängen des Lichts unter der Annahme eines holographischen Gitters mit m = 1 und einer Gitterperiode von 1500 Linien pro Millimeter gelöst. Die winkelmäßige Trennung der drei Farben von Licht nach dem Durchtritt durch ein derartiges Gitter wurde als 14,1° zwischen grün und blau und 11,6° zwischen grün und rot berechnet.
  • BEISPIEL 2
  • Ein Computer-Lichtstrahlverfolgungsprogramm (ASAP, Breault Research Co.) wurde dazu verwendet, zu modellieren, ob ein Array von Gradientenindexlinsen (GRIN-Linsen) dazu verwendet werden könnte, die drei Farben von Licht unter Verwendung der in Beispiel 1 berechneten Winkeleigenschaften für jede Farbe räumlich zu trennen. Zu Zwecken der Berechnung wurden die folgenden Werte verwendet. Das Array aus GRIN-Linsen war ein Array von Linsen mit einem quadratischen Querschnitt in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsachse des Lichts. Jede Linse in dem Array wies eine Querschnittsrandabmessung von 50 Mikrometer und eine Länge in der Ausbreitungsachse von 195 Mikrometer auf. Das Indexprofil jeder GRIN-Linse war quadratisch, wobei der höchste Wert n0 auf der Mittelachse jeder Linse lag. Von der Mitte der Linse bis zum Rand der Linse folgte der Index der Beziehung n(x) = n0[1 – (a/2)x2], wobei n0 = 1,55, a = 0,008 und x die Entfernung in Mikrometern von der Mitte der Linse zur Position x innerhalb der Linse ist. Mit diesen Werten nimmt das Brechungsindexprofil vom Kern zum Rand der Linse von einem Wert von etwa 1,55 bis auf etwa einen Wert von 1,52 ab. Es wurde angenommen, daß das einfallende Licht eine Winkelaufweitung von 12° zwischen rot und grün und zwischen grün und blau aufwies, wobei grün die mittlere Farbe in dem Dreifarbenspektrum ist. Dieser Wert ist für die Berechnung auf der Basis des Ergebnisses von Beispiel 1 annehmbar. Außerdem wurde angenommen, daß die Winkelaufweitung jeder Farbe ±6° betrug, da die Kollimation von dem flachen kollimierenden Hintergrundlicht der Erfindung nicht perfekt ist. Mit diesen Eingangsbedingungen berechnete das Computerprogramm die räumliche Trennung der drei Farben an der Austrittsfläche des Arrays aus GRIN-Linsen. An der Austrittsfläche wurde das Bündel aus Lichtstrahlen, das jede der drei Farben darstellt, durch die fokussierende Wirkung der GRIN auf einen Durchmesser von etwa 17 Mikrometer fokussiert. Jedes Strahlbündel, das eine separate Farbe darstellt, wurde jedoch räumlich von den anderen beiden aufgelöst, wobei sich das grüne Bündel in der Mitte der Linse befand und das rote und blaue Bündel auf gegenüberliegenden Seiten der Linse geclustert waren. Das heißt, wegen der divergenten Winkelcharakteristik, die jede Farbe durch die Wechselwirkung mit dem holographischen Gitter wie in Beispiel 1 erhält, war das Lichtlenkmittel, in diesem Fall ein Array von GRIN-Mikrolinsen, in der Lage, jede der Farben räumlich von den anderen beiden zu trennen. Ein derartiger Zustand ist erforderlich, damit jede Farbe individuell so gelenkt werden kann, daß sie auf das entsprechende Farbteilpixel eines Flachbildschirms wie etwa eines LCD fällt.

Claims (7)

  1. Beleuchtungsbaugruppe, die folgendes umfaßt: Lichtübertragungsmittel (2, 12), einen Wellenleiter umfassend; ein Mittel (60) mit mindestens einer optisch an eine erste Oberfläche gekoppelten Eingabeoberfläche zum Empfangen eines Teils des Lichts von den Lichtübertragungsmitteln und zum Reflektieren des Teils des Lichts, um eine kollimierte Lichtabgabe zu erzeugen; wobei die kollimierte Lichtabgabe unter einem gewünschten Winkel von der Normalen der Ebene der Baugruppe geneigt ist; ein Beugungsmittel (40) zum Annehmen des kollimierten Lichts und Trennen des Lichts in mindestens eine rote, blaue und grüne Lichtkomponente und; Lichtlenkmittel (44) zum räumlichen Lenken der Lichtkomponenten; dadurch gekennzeichnet, daß: das Mittel mit mindestens einer optisch an eine erste Oberfläche gekoppelten Eingabeoberfläche ein reflektierendes Mittel ist, das ein Array von Mikroprismen umfaßt, wobei jedes Mikroprisma folgendes umfaßt: (a) eine optisch an das Lichtübertragungsmittel gekoppelte Eingabeoberfläche zum Empfangen eines Teils des durch das Lichtübertragungsmittel übertragenen Lichts; (b) eine Seitenwand mit einem durch die Lichteingabeoberfläche definierten Rand und weiterhin positioniert zum (i) Bewirken einer Totalreflexion eines Teils des von der Lichteingabeoberfläche empfangenen Lichts; und (ii) Lenken des reflektierten Lichts als eine im wesentlichen kollimierte Abgabe von dem Mikroprisma.
  2. Baugruppe nach Anspruch 1, wobei das reflektierende Mittel weiterhin eine konvexe Abgabeoberfläche umfaßt.
  3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Beugungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Oberflächenreliefhologramm, einem Volumenhologramm, einem mit Nuten versehenen Beugungsgitter, einem Array von Prismen und einem computererzeugten holographischen optischen Element.
  4. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lichtlenkmittel (44) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Array von plankonvexen Mikrolinsen, einem Array von biokonvexen Mikrolinsen, einem Array von Gradientenindexlinsen oder einem computererzeugten holographischen optischen Element.
  5. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wellenleiter ein keilförmiger Wellenleiter (64) ist und das reflektierende Mittel ein Array von abgewinkelten Oberflächen (74) zum Lenken von von dem Wellenleiter empfangenem Licht unter dem gewünschten Winkel von der Normalen der Ebene der Baugruppe umfaßt.
  6. Display, das folgendes umfaßt: ein modulierendes Mittel (48), das in der Lage ist, einem entfernt positionierten Beobachter ein Bild zu liefern, und eine Beleuchtungsbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lichtübertragungsmittel (2, 12) eine allgemein planare erste Oberfläche aufweist; und das Beugungsmittel (40) zwischen dem reflektierenden Mittel und dem modulierenden Mittel angeordnet ist.
  7. Display nach Anspruch 6, wobei das Lichtlenkmittel (44) die Lichtkomponenten räumlich zu entsprechenden Teilpixeln (46) des lichtmodellierenden Mittels (48) lenkt.
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