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ERFINDUNGSGEBIET
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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.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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Lichts
als eine im wesentlichen kollimierte Abgabe von dem Mikroprisma.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Ansicht einer Lichtbaugruppe nach dem Stand der Technik, die
sich als Hintergrundlicht für
Flachbildschirme eignet;
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2 veranschaulicht
die Lichtbaugruppe von 1 in Kombination mit Farbtrennmitteln
und Lichtlenkmitteln und einen Farbflachbildschirm;
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3 veranschaulicht
eine alternative Darstellung von 2;
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4 veranschaulicht
eine alternative Ausführungsform
einer Lichtbaugruppe, die sich als ein Hintergrundlicht eignet;
und
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5 veranschaulicht
eine Lichtbaugruppe, die sich als ein Hintergrundlicht eignet, in
Kombination mit alternativen Lichtlenkmitteln.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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BEISPIEL 1
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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.
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BEISPIEL 2
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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.