專利名稱：帶有介質堆棧濾光片的顯示器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種液晶顯示器，尤其涉及一種光致發(fā)光液晶顯示器(PLLCD)，但不限于此。在如GB-A-2154355(Ricoh Co.)中圖3所示的這種顯示器中，熒光點放置在液晶盒的頂部，并且紫外激發(fā)光從后面入射。液晶層調制紫外光，然后調制的紫外光擊中熒光點，使熒光點發(fā)光。在這種顯示器中，當不存在UV激發(fā)光的任何校準時，熒光物質在整個入射角的范圍內(nèi)有效地匯集電光裝置的整體對比性能，結果并不理想，因為對于大多數(shù)液晶，在某些角度對比度很低。
為了提高PLLCD裝置的視覺對比度，提出了幾種涉及對來自發(fā)散的背光的激發(fā)光準直(在光落射到液晶層之前)的方法-例如見WO95/27920(Crossland et al.)。無論何種形式，這種準直通常導致大量的激發(fā)光在偏離高對比度的方向上經(jīng)液晶盒入射。因此，準直提供了一種提高顯示對比度的方法，同時也通過減小相鄰熒光象素之間的串擾而提高可實現(xiàn)的分辨率。
雖然定向的背光照明對光致發(fā)光的LCD特別有用，但它也用于某些傳統(tǒng)的顯示器。例如，銀行出納員所用機器的顯示器受益于顯示的窄視場，因為它提供更好的安全性。另外，甚至在希望具有寬視角的傳統(tǒng)LCD中，如果在觀察者一側有一個在成象時立即擴展光束的散射板，則也可以用準直的背光照明。
把散射的窄帶光準直到窄角錐中的方法是本申請人較早的PCT申請NO.PCT/GB98/01203中所述的一種方法。這種方法依賴于選定的最佳介質堆棧濾光片的角透射特性。該處到達液晶盒后壁的散射窄帶UVA光能夠在前進的方向上(首先)穿過濾光片，但如果入射角大于偏離法線的某一角度則被反射。反射的光在從介質堆棧后面的散射反射面反射后可以還有一次穿過濾光片(在濾光片的窄角透射范圍之內(nèi))的機會。
通常用于傳統(tǒng)的液晶顯示器(或也可用于PLLCD)散射光準直的另一種方法涉及利用光學膜如3M公司的亮度增強膜(優(yōu)選此膜具有兩個交叉層)的光折射。這種膜被發(fā)現(xiàn)能把大量散射光向前導向，但僅在一個具有較大半角的圓錐內(nèi)，并且有相當一部分雜散光以大于偏離法線40°的角度出射(見

圖1)。這種雜散光特別在PLLCD的情況下是不希望有的，因為它很可能會在轉換的液晶中引起較差的對比度，并影響(和繼而降低)顯示器總體的對比度。
為了利用這種類型的準直實現(xiàn)提高背照明及光致發(fā)光LCD的對比度和分辨率，需要以顯著偏離法線的角度刪除從液晶發(fā)出的激發(fā)光而不損失太多的輸入光使顯示太暗。
本發(fā)明的一個方面在于提供一種具有適于調制從后面入射的光束的調制器的顯示器，尤其是一種液晶板，以及具有一種用于在光束到達調制器之前將其局部地沿光軸準直的預準直裝置；顯示器還包括一個位于輸出端的濾光片最好是介質堆棧濾光片。濾光片可用于阻擋從調制器以大于與光軸的預定角的角度出射的入射光；如果顯示器利用入射UV光激發(fā)輸出的熒光物質，則濾光片也可以防止熒光物質散射的UV光以銳角重新進入調制器，這將是不希望發(fā)生的現(xiàn)象。
本發(fā)明允許在調制器后面使用不完全的或局部的準直器，通過確保光源散射的大部分光向前投射而提高亮度，同時，濾光片消除嚴重偏離法向的小部分光。利用這種兩步準直器的優(yōu)點在于當使用象熒光物質這樣的發(fā)射輸出元件和UV或近UV激發(fā)光時，可以把第二準直元件(即介質堆棧濾光片)放置在顯示器前部鄰近發(fā)射層的位置，只允許通過顯示器之后仍保持準直的激發(fā)光撞擊到發(fā)射層。由顯示器內(nèi)各種元件散射的激勵光可以不再在優(yōu)選的方向穿行并且可以不再擁有期望的偏振。這些散射光很可能幾乎沒有被液晶調制且以大的角度入射到發(fā)射層，它們將由第二準直階段舍棄。如果允許這些光照射到發(fā)射層，則可造成對比度降低和串擾增加，導致整個顯示性能下降。
濾光片最好是一種介質堆棧濾光片，它在設計上可以多方面地類似于專利申請PCT/GB98/01203中所述的情形，例如由多對不同折射率的層制成。但是在本發(fā)明中，疊層位于液晶盒的前部或至少(從觀看者一側)在液晶層本身的前部，并且盡可能地接近可見光發(fā)射熒光物質的下方或PLLCD的其它顯示輸出元件的下方。它可以在LCD的前板(如果有，也可以是解析器)上或分開的基底上；在后一種情況中，熒光物質將也在輔助基底上，輔助基底可以與濾光片基底一樣。
濾光片用作一個角度識別器，去除任何以嚴重偏離軸向的窄帶激發(fā)入射光，并且將反射法向入射的整個可見光范圍內(nèi)的光。另外，濾光片還將相當量的從可見光發(fā)射熒光層UV后散射的光反射回熒光層，而不是讓它們穿過回到顯示器上。然后UV光將還有一次機會激發(fā)熒光層。這種為特殊需要設計疊式結構的方法是公知的。
預準直裝置可以是一種較粗糙的光學透鏡型陣列，如由3M公司提供的BEF膜，或者也可以是一種介質堆棧濾光片。或者，可以用一維光源將光束在經(jīng)拋物線部分的反射路徑中以一維的形式向前傳播。
當輸出元件是一種發(fā)射材料，如熒光材料時，這種布局中的濾光片的另一個作用是反射熒光物質前表面后向發(fā)射的大部分可見光。這種作用在美國專利申請US-A-4830469和US-A-4822144(USphilps)中提到。這將導致顯示器的亮度增強。另外，因為為此目的，濾光片的理想設計是具有一個覆蓋整個可見光譜(以法向入射)的反射帶，所以用此元件濾除Hg熒光背光發(fā)出的可見光成為可能。因此在這種布局中不再需要使用(例如，用于燈泡的)“Woods glass”可見光吸收/UVA帶通濾波器。為此目的，濾光片可以設計成反射第一準直階段通過的背光中任意波長和角度的可見光。
美國專利申請US-A-4830469和US-A-4822144中討論了熒光物質發(fā)射的可見光的向前反射而不是對入射激發(fā)光濾光。在這些專利中激發(fā)光出自高壓汞蒸汽燈，大約為365nm。這種燈通常將具有Woodsglass燈泡，吸收可見光。吸收濾光片具有長的截止“尾部”，即對波長的截止是漸進的。這意味著光源的波長必須相當?shù)氐陀诳梢姽獠ㄩL，從而通過濾光片的吸收而避免效率損失。但是使用的波長越短，尋找與液晶盒匹配的材料就越難。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種液晶顯示器，顯示器包括一個預定波長范圍的激發(fā)光源，一個調制激發(fā)光的液晶層，和一個輸出層，當受到通過液晶盒的激發(fā)光觸擊時發(fā)射較長波長的光；顯示器還包括一個位于液晶和輸出層之間的濾光片，濾光片由一疊一定厚度和折射率的電介質片組成，如基本上通過上述所有垂直或近似垂直入射的激發(fā)光但反射嚴重偏離法向如偏離30°的光。
另一種方案涉及一種液晶顯示器，顯示器包括一個預定波長范圍的激發(fā)光源，一個調制激發(fā)光的液晶層，和一個輸出層，當受到通過液晶盒的激發(fā)光觸擊時發(fā)射較長波長的光；顯示器還包括一個位于液晶和輸出層之間的濾光片，濾光片由一疊電介質片組成，其中激發(fā)光源還發(fā)射上述較長波長區(qū)域中的激發(fā)光，這些波長的光被介電濾光片阻擋。
因為就波長而言濾光片的截止邊緣可以正好設置在激發(fā)光的波長之上(與US4830469相反，在該專利中沒有確定截止邊緣，但截止邊緣可以位于激發(fā)光波長370nm和藍色熒光物質的可見光發(fā)射450nm之間的任何位置)，疊式濾光片阻擋激發(fā)光的傾斜光束并且還防止波長長于激發(fā)光的光到達熒光層以及熒光層發(fā)射的光經(jīng)盒返回。因為介質堆棧(干涉)濾光片可以設計成具有很尖銳的截止邊緣，所以激發(fā)光的波長范圍可以非常接近可見光范圍但沒有可見光特別是藍光從熒光層返回穿過濾光片或由燈發(fā)射的可見光發(fā)射透過系統(tǒng)的危險。
另外，可以用普通玻璃做光源的外殼，減小成本和不希望的吸收。還有一個優(yōu)點在于激發(fā)光處于近可見UV或甚至在短波長可見光范圍，例如GB2291734中所述。因此，在優(yōu)選實施例中，激發(fā)光具有380-405nm范圍內(nèi)的波長，濾光片具有長于峰值10nm的截止波長。當使用365nm區(qū)的標準燈時，截止波長可以在375nm的區(qū)域。在任何情況下截止波長應在405nm以下，從而截止405nm的汞光束。截止以嚴重偏離法線的角度入射的光束是很重要的。
應考慮的另一個細節(jié)是濾光片形成于其上的基底。因為濾光片理想地處于直接鄰近發(fā)射熒光層的位置，處于熒光層和激發(fā)光調制器之間，所以基底要盡可能的薄這一點很重要。這是因為熒光元件將進一步從液晶層移動等于濾光片及相連基底的厚度的距離。然后，由液晶開關的激發(fā)光在觸擊熒光層之前進一步傳播。如果激發(fā)光不被完全地準直，該額外的距離將會使激發(fā)光進一步地發(fā)散。這種擴展將導致熒光屏產(chǎn)生的圖象模糊。更壞的情況是，擴展將導致“串擾”，鄰近被激發(fā)象素的熒光象素也被UV光觸擊并因而也被激發(fā)。鄰近的熒光象素可以發(fā)射不同的顏色去選擇象素，結果將是觀察顏色的去飽和。
為了減少這種問題，最好把濾光片形成在一個盡可能薄的基片上，如厚度范圍小于100微米的“微片”薄玻璃的形成范圍?；蛘咭部梢杂帽∷芰匣缇埘ツ?，PMMA，聚碳酸酯，三乙酸纖維素等。為了把介電濾光片淀積在這種基片上，不太可能用電子束蒸發(fā)技術，因為需要高處理溫度實現(xiàn)高質量的光學性能。因此需要用更新的技術，如OCLI采用的技術，氧化步驟之后進行前體膜的低溫濺射以形成介電氧化層。此方法能夠使高質量的濾光片淀積到具有低溫性能的薄基底上。為了進一步地減小元件的厚度，可以把濾光片直接淀積在顯示器中存在的一個元件上，如偏振器上，由此避免附加的基底。通常濾光片中大量的介電層導致更好的性能，使用少于20的介電層的收益仍然大于損耗。這種簡單的濾光片特別適合于上述的低溫濺射過程。
為了更好地理解本發(fā)明，下面將通過實例、參考附圖對實施例進行描述。其中附圖如下圖1是如同已經(jīng)討論的公知預準直層的特性；圖2和圖3是可用于本發(fā)明的干涉濾光片在各種角度入射時的濾光特性；圖4是使用本發(fā)明濾光片的顯示器示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置中的各種光路。
在圖4所示的裝置中，顯示板由一個液晶層1構成，沒有更進一步顯示出的是液晶層夾在玻璃基底3、5之間以形成光調制盒。因為液晶材料與紫外光一起作用，所以它有很低的UV吸收，這種材料例如是薄盒中的Merck材料ZLI2293。盒的厚度d和雙折射率Δn最好與第一和第二Gooch Terry最小量匹配；典型地d處于1.5至6μm。對于ZLI2293，第一和第二最小值在365nm的UV波長處分別是2.11μm和4.71μm(在385nm時為2.23μm和4.97μm)。如果在液晶材料中加進二色染料，此盒以扭曲的結構(例如90°或270°扭曲)形成在兩個偏振片之間或一個偏振片之后。x，y電極(未示出)以通常的方式設置在盒壁上以形成一個可尋址象素的矩陣。
熒光點7位于此實施例中對應于盒的象素的RGB矩陣中盒的前玻璃板的前側(觀看者側)，如WO 95/27920。熒光物質例如可以是US-A-3669897(Wachtel)中公開的那種。對于標準的扭曲盒結構，還包括一個設置在疊層9之下前玻璃3上的偏振片；如果不希望把無機干涉濾光片淀積在有機材料制成的偏振片上，則可以用分離的層代替疊層施加在帶有熒光物質的基底上。光源21位于盒之后并發(fā)射385nm及其它波長的近UV激發(fā)光。此光束由預準直器11部分地沿光軸準直，垂直于顯示板，光的大部分被以大約50°的小旁瓣轉向到半角約為20°的錐體內(nèi)，如圖1所示。
調節(jié)介電疊層9，通過反射穿過LC盒之后的圖中25a的旁瓣而將之消除，同時穿過圖中23a所示的中心錐體。燈21發(fā)出的大部分的UV光通過這種方式用于顯示器。
由例如Ta2O5和SiO2或MgF2的交互層制成的介電層可以從市場上得到，由OCLI提供，作為一種UV透射型(和可見光阻擋型)濾光片；其對各種入射角的透射特性與波長的關系如圖2所示。在垂直入射處(最稠密的曲線)，UV在大約405nm處達到截止(50％)，此波長以上的可見光通過濾光片的很少。隨著入射角的增大，截止波長逐漸變短。設計上的小改動可以使透射邊緣的相對于UVA熒光發(fā)射特性的位置最佳，同時保持寬帶可見光反射。例如，用垂直入射的左截止(50％)在395nm處代替405nm處，激發(fā)光波成為385nm±10nm。改進的濾光片的特性以及激發(fā)光的發(fā)射光譜如圖3所示。實驗測試中366nm處的峰值和405nm處較小的峰值大于實際顯示中的值。
本實施例中，在背照明發(fā)射光通過LC盒之前用3M的BEF膜部分地將其準直。位于盒前部的介電層9用作多用途元件。它反射大角度入射的雜散UVA光25a，反射從RGB熒光物質向后發(fā)射的大部分可見光(＞420nm)并實質上截止所有的背照明發(fā)射可見光。
在另一個實施例中，預準直器可以按上述PCT/GB98/01203中所述的方式以第二介電層堆棧的形式替代BEF膜。此介電層堆棧對于垂直入射的激發(fā)光有395nm的截止波長，但它允許更長波長的以某一小角度入射的光通過。可以調諧本發(fā)明的第二濾光片以消除以這些角度傳播的光。
利用標準的濾光片設計，在大角度的入射處(偏離光軸大約50和80度)會發(fā)生綠Hg線的某些泄漏，從圖2中可以看出。這可通過利用改進的設計解決，但如果液晶能夠開關可見光和UVA激發(fā)波長，則在某些情況下就不需要改變上述設計。從汞熒光背照明燈中發(fā)出的綠光的小部分以大角度通過濾光片。這不會嚴重改變綠熒光發(fā)射的飽和度，但移動紅和綠發(fā)射光的觀察CIE坐標。使用多于所需的更飽和的發(fā)射的紅或藍熒光可以抑制這些。在這些情況下綠色附加物將把顏色“拉”向理想的CIE坐標(如為標準的RGB顯示所需)。
權利要求
1.一種具有適于調制從后面入射光束的調制器(1)和用于在光束到達調制器之前將其局部地沿光軸準直的預準直裝置(11)的顯示器；顯示器還包括一個位于調制器輸出端的濾光片(9)。
2.如權利要求1所述的顯示器，其特征在于濾光片(9)適于阻擋光的通過，例如從調制器以大于與光軸的預定角的角度出射的入射光。
3.如權利要求1或2所述的顯示器，其特征在于濾光片(9)包括至少一個位于調制器輸出端的電介質堆棧。
4.如權利要求3所述的顯示器，其特征在于所述電介質堆棧形成在厚度小于1mm的薄聚合物或玻璃基底上。
5.如權利要求1至3中任意一項所述的顯示器，其特征在于調制器結構中的一個或多個已存在的元件用作濾光片的基底。
6.如前述任一權利要求所述的顯示器，其特征在于調制器是一個液晶器件。
7.如權利要求6所述的顯示器，還包括一個由入射光激發(fā)的輸出元件(7)，用于產(chǎn)生可視顯示。
8.如權利要求6所述的顯示器，其特征在于濾光片(9)位于輸出元件(7)和激發(fā)光調制層之間，最好緊挨著鄰近輸出元件。
9.如權利要求6至8中任一項所述的顯示器，其中的輸出元件由光致發(fā)光材料構成，如熒光物質。
10.如權利要求6至8中任一項所述的顯示器，其中的輸出元件由光致變色材料構成。
11.如前述任一權利要求所述的顯示器，其中的預準直裝置包括衍射準直器。
12.如前述任一權利要求所述的顯示器，其中的準直器由棱形片形成。
13.一種液晶顯示器，包括一個在預定波長范圍內(nèi)的激發(fā)光的光源，一個用于調制激發(fā)光的液晶層，和一個在受到穿過液晶盒的激發(fā)光觸擊時發(fā)射較長波長的光的輸出層；顯示器還包括一種位于液晶和輸出層之間的濾光片，濾光片由厚度和折射率能夠基本通過所有以垂直或近似垂直入射的激發(fā)光但反射嚴重偏離法向的激發(fā)光的電介質疊層組成。
14.如權利要求13所述的顯示器，其中的濾光片阻擋以大于約30°入射的激發(fā)光。
15.一種液晶顯示器，包括一個在預定波長范圍內(nèi)的激發(fā)光的光源，一個用于調制激發(fā)光的液晶層，和一個在受到穿過液晶盒的激發(fā)光觸擊時發(fā)射更長波長的光的輸出層；顯示器還包括一種位于液晶和輸出層之間的濾光片，濾光片由電介質疊層組成，其中，激發(fā)光的光源還發(fā)射上述更長波長范圍內(nèi)的光束，這些波長的光被電介質濾光片所阻擋。
16.如權利要求7至15中任一項所述的顯示器，其中的入射激發(fā)光基本上是單色光，波長處于380-405nm的范圍。
全文摘要
一種顯示器具有一種最好是液晶盒的調制器,調制器適于調制從盒后部入射到在盒的觀察者側的熒光型輸出元件(7)上的UV激發(fā)光(23,25),顯示器還有一個諸如棱形片的預準直裝置(11),用于將入射光在到達液晶盒之前部分地準直,以便提高液晶調制器的對比度。在本發(fā)明中還有一個以介質堆棧濾光片(9)的形式夾在盒(11)和輸出元件(7)之間的調制器。調諧此濾光片從而阻擋以大于與液晶盒的法線的預定角角度從液晶盒出射的基本單色的入射光(25a),還用于阻擋可見光波段中的光通過。這確保較好的光輸出,同時消除非常有害(即消減對比度)的偏軸光線。
文檔編號G02B5/23GK1276067SQ9881010
公開日2000年12月6日 申請日期1998年8月11日 優(yōu)先權日1997年8月15日
發(fā)明者P·A·拜萊, T·M·科克, W·A·克羅斯蘭德, A·B·達維 申請人:英國國防部