CN100443992C - 无滤色器的液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无滤色器的液晶显示(LCD)装置，其不仅可以用于小尺寸的LCD单元，而且可以用于大尺寸的LCD单元。该无滤色器的LCD装置包括：发光的背光单元；光路转换器，其以倾斜角度折射从背光单元发射的光；色彩分离片，面对光路转换器，把入射光分离成红、绿和蓝光，并且以不同的出射角发射光；液晶屏板，包括分成多个像素的液晶层；和光学装置片，设置在液晶屏板的下表面上，并且具有多个光学装置，其把色彩分离片分离的红、绿和蓝光聚焦在不同的像素上。

Description

无滤色器的液晶显示装置
技术领域
本发明的设备涉及无滤色器的液晶显示(LCD)装置，其不但可以用于小尺寸的LCD单元，而且可以用于大尺寸的LCD单元。
背景技术
常规的液晶显示(LCD)装置包括LCD单元和给LCD均匀地照射白光的背光单元。由于LCD单元仅透射或阻碍背光单元产生的白光，因此需要透射红(R)、绿(G)和蓝(B)光的滤色器实现LCD装置中的色彩。然而，每个滤色器仅过滤由LCD单元透射的红、绿和蓝光之一，并且因此透射率仅为大约30％。考虑到其他光学部件的光损耗，从背光单元发射的光仅有10％被实际透射，而大部分光损耗是由于滤色器。另外，根据滤色器的质量，色彩实现显著不同。
为了解决该问题，提供了一种不需要滤色器来实现色彩的无滤色器的LCD装置。图1图解了常规的无滤色器的LCD装置。参照图1，常规的无滤色器的LCD装置包括：背光单元20，其对应于光的波长以不同的出射角(exit angle)发光；和LCD单元10，其包括光学装置，把预定波长的光聚焦在预定的像素上。
背光单元20包括在侧面上设置了多个光源22的透明光导板21和设置在透明光导板21的上表面上的色彩分离片23。色彩分离片根据光的波长以不同的出射角来透射光。光源22可以是排成一行的分别发射红、绿和蓝光的多个发光二极管(LED)或发射白光的多个LED。色彩分离片23可以是由以正弦波形、棱镜形状或四边形周期排列的衍射屏形成的衍射屏片(diffraction screen sheet)。
LCD显示单元10包括柱面透镜11、透明板12、液晶层分成多个像素的液晶屏板13、在垂直的方向上透射光的衍射光学装置14和透明板15。
在常规的无色彩过滤的LCD装置中，入射在光导板21的侧面上的光在光导板21中被全反射，并且以倾斜角入射在光导板21的上表面上。倾斜入射在光导板21的上表面上的一部分光再次被全反射，其余光的一部分通过色彩分离片23根据光的波长以不同的出射角从光导板21的上表面透射。例如，绿(G)光以0°出射角出射，蓝(B)光以-7.8°出射角出射，而红(R)光以10.5°出射角出射。然后，光入射在柱面透镜11上。如图1所图解，三个柱面透镜11对应于液晶屏板13的三个像素设置。在柱面透镜11上的入射光的汇聚位置根据入射角而不同。因此，如图1所图解，绿光汇聚在中心像素上，蓝光在图中的左侧像素上，而红光在图中的右侧像素上。当每种不同波长的光入射在液晶屏板13的不同像素上时，可以不需要滤色器实现色彩。同样，由于光以倾斜角入射在液晶屏板13上，则由液晶屏板13透射的光也以倾斜角发射。衍射光学装置14在垂直的方向上发射光，并且因此提供更清晰的图像。衍射光学装置14可以用具有相同功能的其他光学装置代替，例如棱镜装置。
如上所述，这样的常规的无滤色器的LCD装置不需要滤色器，并且因此防止了光损耗。因此，提供了更高亮度的LCD装置。
然而，在现有技术中，因为为了通过色彩分离片23进行充分的色彩分离，入射光的入射角必需足够大，所以无滤色器的LCD装置只能包括边缘背光单元。如图2A所图解，当在色彩分离片23上的入射光的入射角α减小时，出射角βB、βG、βR增大，因此尽管进行了色彩分离仍难于把每种色彩汇聚在像素希望的位置上。为了把每种色彩汇聚在像素希望的位置上，绿光的出射角优选为0°而红光和蓝光可以为彼此大约对称的出射角。例如，红光和蓝光的出射角应为，如红光为-10°而蓝光为+10°，或者红光为-8°而蓝光为+8°。为了这样的目的，入射角α尽可能大是有利的。例如，如图2B所图解，尽管取决于色彩分离片23的图案，但是当入射角大约为70°时，其满足上述条件。为了获得这样大的入射角，常规的无滤色器的LCD装置采用边缘背光单元。然而，边缘背光单元仅可以用在小尺寸显示器中，而直接背光单元用在大中型显示器中。因此，无滤色器的LCD装置用在小型LCD装置中。
发明内容
本发明的示范性实施例提供了既可以用在小型显示单元中也可以用在大型显示单元中的无滤色器的液晶显示(LCD)装置。
根据本发明的示范性实施例，所提供的无滤色器的液晶显示(LCD)装置包括：发射光的背光单元；光路转换器，其包括向该背光单元突出的多个并列设置的棱镜图案，所述光路转换器折射从背光单元发射的光，并且以倾斜角发射光；色彩分离片，面对光路转换器，把入射光分离成以不同的出射角发射的红、绿和蓝光；液晶屏板，包括分成多个像素的液晶层；和光学装置片，设置在液晶屏板的下表面上，包括多个光学装置，其把色彩分离片发射的每种红、绿和蓝光聚焦在液晶屏板的不同的像素上，所述光学装置包括并排设置的多个柱面透镜装置。
根据本发明的示范性实施例，光路转换器可以包括多个突向背光单元的并列布置的棱镜图案。
棱镜图案可以包括第一垂直面和第二倾斜面，第二倾斜面可以折射入射到其上的光。
从光路转换器发射的光的出射角的范围可以为大约50°至70°。
根据本发明的实施例，背光单元可以是边缘型背光单元。
根据本发明的另一个实施例，背光单元可以是直接型背光单元。
色彩分离片可以是包括多个周期排列的衍射屏并且面向液晶屏板的衍射屏片。
在色彩分离片分离的红、绿和蓝光中，绿光可以具有0°的出射角，而红和蓝光可以具有围绕绿光彼此对称的出射角。
光路转换器和色彩分离片可以以单体(single body)形成。即光路转换器可以设置在透明板的下表面上，而色彩分离片可以形成在透明板的上表面上。
多个光学装置可以包括并排设置的多个柱面透镜装置。
多个柱面透镜装置的每一个都可以设置成对应于液晶屏板的三个像素。
根据本发明的无滤色器的液晶显示设备还可以包括衍射光学装置，其设置在液晶屏板的上表面上，发射通过液晶屏板在垂直方向上透射的光。
附图说明
参照附图，通过详细描述其中的示范性实施例，本发明上述及其他的特征和优点将变得更加显明，其中：
图1是常规无滤色器液晶显示(LCD)装置的示意图；
图2A根据光的波长图解了入射到衍射屏上的光的出射角；
图2B图解了当绿光在衍射屏中出射角为0度时，绿光的入射角和红光及蓝光的出射角；
图3是根据本发明示范性实施例的无滤色器LCD装置的截面图；
图4图解了根据本发明示范性实施例和光折射原理的光路转换器；
图5是图解根据本发明示范性实施例的如图4所示光路转换器的出射光分布的曲线图；和
图6是根据本发明示范性实施例以单体构成的一片棱镜图案和衍射屏的截面图。
具体实施方式
图3是根据本发明示范性实施例的无滤色器液晶显示(LCD)装置的截面图。如图3所图解，无滤色器LCD装置包括：发射白光的背光单元41；光路转换器42，修正从背光单元41中发射的光的角度；色彩分离片43，面对光路转换器42，其将倾斜入射的光分离成以不同出射角发射的红、绿和蓝光；液晶屏板33，包括分成多个像素的液晶层；透明板32，设置在液晶屏板33下表面上；多个光学装置31，设置在透明板32的下表面上，其把色彩分离片43分离的红、绿和蓝光聚焦在液晶屏板33的不同像素上；衍射光学装置34，其在垂直方向上透射来自液晶屏板33的光；和透明基板35，设置在衍射光学装置34上。液晶屏板33、透明板32、光学装置31、衍射光学装置34和透明基板35形成LCD单元30。
背光单元41可以是直接背光单元，其中多个发光二极管(LED)或者激光二极管(LD)以二维排列。此外，背光单元41可以是象常规无滤色器LCD装置中的带有多个设置在光导板侧面上的LED或者LD或者冷阴极荧光灯的边缘型背光单元。
光路转换器42把从背光单元41发射的光的角度改变成以最佳角入射在色彩分离片43上。当采用直接背光单元时，光路转换器42折射垂直的白光以入射在色彩分离片43上。当采用边缘型背光单元时，倾斜入射的白光的角度增加，使得白光入射在色彩分离片43上。尽管取决于色彩分离片43的图案，但是从光路转换器43发射的白光的出射角的范围可以为从大约50°到70°。
图4图解了根据本发明示范性实施例和光折射原理的光路转换器。如图4所图解，光路转换器42可以是具有多个向背光单元41突出的并列布置的(juxtaposed)棱镜图案45的棱镜片。棱镜图案45具有垂直的第一面S1和倾斜的第二面S2。在该构造中，从背光单元41垂直发射的光经倾斜的第二面S2入射到光路转换器42上。入射在第二面S2上的光首先被倾斜的第二面S2折射，然后再折射，以预定角度从光路转换器42的上表面发射。从光路转换器42发射的光的行进角度可能根据棱镜图案45而变化。例如，当棱镜图案45之间的距离是50μm，而棱镜图案的高度为150μm时，如图5所图解，垂直入射在光路转换器42的棱镜图案45上的白光的出射角度分布在约50°到55°范围内变化，最大的分布是52.5°度角。棱镜图案45可以按照色彩分离片43中的最佳入射角和从背光单元41发射的白光的角度分布进行改进。
面对光路转换器42设置的色彩分离片43将倾斜入射至其上的白光分离成以不同出射角度发射的红、绿和蓝光。色彩分离片43可以是具有以正弦波、棱镜或者四边形周期排列的衍射屏的衍射屏片。经色彩分离片43分离出的红、绿和蓝光中，绿(G)光可以具有0°的出射角，红(R)和蓝(B)光出射角度围绕绿光基本上彼此对称。
在本发明的当前实施例中，光路转换器42和色彩分离片43可以利用单种材料构造成单体。例如，如图6所图解，光路转换器42可以形成在由玻璃或者塑料形成的透明板44的下表面上，而色彩分离片43可以形成在透明板44的上表面上。
再次参照图3，设置在液晶屏板33的下表面上的透明板32和设置在透明板32的下表面上的多个光学装置31可以形成为单体。如图3所图解，光学装置31将色彩分离片43分离出的红、绿和蓝光聚焦在液晶屏板33的不同像素上。为此目的，例如，光学装置31可以是多个并排布置的柱面透镜。也就是说，光学装置片可以是柱面透镜片，其具有并列设置在其表面上的多个长柱面透镜装置。如图3所图解，柱面透镜装置可以设置成对应于液晶屏板33的三个像素，并且可以把红、绿和蓝光分配到三个像素的每个上。
同样，如现有技术一样，衍射光学装置34容许透射穿过液晶屏板34的光垂直行进，为观看者提供改善的图象质量。然而，其它的具有象衍射光学装置同样功能的光学装置，例如棱镜装置可以用来代替衍射光学装置，或者在某种情况下可以省略之。
在下文将描述无滤色器的LCD装置的工作。
首先，从背光单元41发射的白光入射到诸如棱镜图案片的光路转换器42上。当背光单元41是直接背光单元型时，白光垂直入射到光路转换器42上。如图4所图解，入射到光路转换器42上的白光在光路转换器42的出射面上折射，并以预定角度发射。例如，从光路转换器42的出射面发射的白光的出射角度范围可以为50°至70°。
从光路转换器42发射的白光以倾斜的角度入射在色彩分离片43上。如上所述，色彩分离片43将入射其上的白光分离成红、绿和蓝光，并以不同的出射角发射光。从色彩分离片43发射的红、绿和蓝光的出射角度可以由入射到色彩分离片43上的白光的角度来决定。例如，当白光以约70°角度入射时，绿光以大约0°角度发射，蓝光以大约-7.8°角度发射，而红光以大约10.5°角度发射。
然后，红、绿和蓝光均入射到光学装置31(例如形成在透明板32的下表面上的圆柱棱镜)上。如图3所图解，光学装置31设置成对应于液晶屏板33的三个像素。根据入射位置和入射角度，入射在光学装置31上的光的汇聚位置会不同，如图3所图解，绿光汇聚到三个像素中的中间像素上，蓝光汇聚到图中左边的像素上，红光汇聚到图中右边的像素上。由于不同颜色的光单独入射到液晶屏板33的不同像素上，没有滤色器也能够实现色彩。最后，透射穿过液晶屏板33的光经衍射光学装置34沿其垂直方向发射，并穿过透明板35。
如上所述，在本发明的无滤色器的LCD装置中，背光单元可以是直接型背光单元，而不同于常规的无滤色器LCD装置。典型的直接型背光单元可以包括多个光源，例如以二维排列在基板上的LED。因此典型的直接型背光单元均匀地通过漫射基板发射光。大型直接型背光单元与光源排列在光导板侧边上的边缘型背光单元相比，能够制作成更大的尺寸。因此，本发明的无滤色器的LCD装置不仅可以应用于小尺寸的LCD单元上，还能应用于大尺寸的LCD单元上。
尽管本发明已经参照其中的示范性实施例进行了详细的展示和描述，但是本领域的技术人员将认识到，在此可以对其进行形式和细节上的各种变化，而不脱离如权利要求所限定的本发明的精神和范围。
本申请要求于2005年8月16日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2005-0074929的权益，在此将其公开全文引入以作参考。

Claims (11)

1、一种无滤色器的液晶显示装置，包括：
发光的背光单元；
光路转换器，其包括向该背光单元突出的多个并列设置的棱镜图案，所述光路转换器折射从该背光单元发射的光，并且以倾斜角度发射光；
色彩分离片，其面对该光路转换器，把入射光分离成红、绿和蓝光；其中该红、绿和蓝光中的每一种的发射角是不同的；
液晶屏板，包括分成多个像素的液晶层；和
光学装置片，设置在该液晶屏板的下表面上，包括多个光学装置，其把该色彩分离片发射的该红、绿和蓝光的每一种都聚焦在该液晶屏板的不同的像素上，所述光学装置包括并排设置的多个柱面透镜装置。
2、如权利要求1所述的无滤色器的液晶显示装置，其中该棱镜图案包括第一垂直面和第二倾斜面，并且该第二倾斜面折射入射其上的光。
3、如权利要求1所述的无滤色器的液晶显示装置，其中从该光路转换器发射的该光的出射角范围为50°至70°。
4、如权利要求1所述的无滤色器的液晶显示装置，其中该背光单元是边缘型背光单元。
5、如权利要求1所述的无滤色器的液晶显示装置，其中该背光单元是直接型背光单元。
6、如权利要求1所述的无滤色器的液晶显示装置，其中该色彩分离片是衍射屏片，其包括多个周期排列并且面对该液晶屏板的衍射屏。
7、如权利要求6所述的无滤色器的液晶显示装置，其中，在由该色彩分离片分离的该红、绿和蓝光中，该绿光的出射角为0°，且该红光和该蓝光具有在该绿光两侧的彼此对称的出射角。
8、如权利要求6所述的无滤色器的液晶显示装置，其中该光路转换器和该色彩分离片形成单体。
9、如权利要求8所述的无滤色器的液晶显示装置，还包括：
透明板；
其中该光路转换器设置在该透明板的下表面上，且该色彩分离片形成在该透明板的上表面上。
10、如权利要求1所述的无滤色器的液晶显示装置，其中该多个柱面透镜装置的每一个都对应于该液晶屏板的三个像素。
11、如权利要求1所述的无滤色器的液晶显示装置，还包括：
衍射光学装置，设置在该液晶屏板的上表面上，其在垂直的方向上发射通过该液晶屏板透射的光。
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