CN101390005B - 显示有色分段的液晶显示设备以及装有该设备的计时器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种液晶(38)显示设备(12)，其包括液晶(38)单元(30)，控制单元(26)，以及背光照明模块(48)，该背光照明模块包括在光导装置(54)内部传输光线(Rr，Rb)的具有不同颜色的至少第一(50)和第二(52)光源，该显示设备(12)的特征在于：光导装置(54)包括将光线(Rr，Rb)偏转向显示面(28)的多个棱镜(64，66)，其中第一组(S1)的棱镜(64，66)取向为朝向第一光源(50)，第二组(S2)的棱镜(52)取向为朝向第二光源(52)；并且这些棱镜(64，66)分布在光导装置(54)的处于电极(40)下方的区域中。本发明还提出了一种装有该设备(12)的计时器(10)。

Description

显示有色分段的液晶显示设备以及装有该设备的计时器
技术领域
本发明涉及一种使用分段显示的液晶显示设备，以及包含该显示设备的计时器，尤其是手表。
背景技术
其中显示面被设为朝上的这类显示设备具体包括：
-液晶单元，其包括至少顶部基板和底部基板，在这两个基板的相对面上形成的至少两个电极和至少一个反电极，每个电极代表一种象征图形(figurative pattern)或象征图形的一部分；
-控制单元，其通过将确定值的控制电压施加在选定的电极与反电极之间来控制液晶单元，以改变液晶取向和引起相应的象征图形的显示，以及
-背光照明模块，其在与显示面相对的那侧上被设置在液晶单元的下方，该模块包括颜色不同的至少第一和第二光源，这些光源在至少一个光导装置内部传输光线，其中光导装置包括允许光线离开的顶面。
这类显示设备的优点在于价格便宜，因为用于该液晶单元的技术，即所谓的分段显示技术，非常简单并且得到验证。该技术使用为字符的分段形状的电极，这种形状允许使用简化的电子线路，各电极或段的供电以全部或全无模式直接得到控制，并将通常为板形式的反电极接地。这类液晶单元的控制因此不象阵列式显示器那样需要对行和列进行扫描，这除了使电子控制线路得到简化之外，还使得显示图形更容易阅读。
通常，液晶分段显示单元都是单色的。例如，当将反射膜放置在该单元下方并且给所述段供电以防止光被反射到显示面上时，显示段呈现黑色。显示段也可以呈现背光照明模块的光源的颜色。
为了增加显示的可能性和改善美观，已经提出通过使用包含几个具有不同透射色的光源的背光照明模块来使显示设备为彩色的。
在日本专利JP 3217818A中公开了这类显示设备。在该文献中，由中央控制线路同步进行分段显示控制、字符显示控制和光源照明控制以允许用其中一种颜色连续显示各个段。
这种方案并不令人十分满意，因为它需要非常复杂的电子控制线路来完成同步。而且，在任何时刻，所有的显示段都用同种颜色照亮，或者用通过同时点亮几个光源得到的相同混合色照亮。
发明内容
本发明的目标是通过提出一种制造和控制更为简单的显示设备来克服上述缺陷。本发明的另一个目标是提出一种光输出得到改善并因此其显示出的图形的清晰度也得到改善的显示设备。
本发明因此提出了一种上述类型的显示设备，其特征在于：光导装置的至少一个面设置有棱镜，这些棱镜将来自第一光源的光线向显示面偏转，第一组的棱镜朝向第一光源取向以偏转来自第一光源的光线，第二组的棱镜朝向第二光源取向以偏转来自第二光源的光线；并且这些棱镜选择性地分布在光导装置的仅处于电极下方的区域中，以将光源发出的光线分布和会聚在这些电极上。
由于根据本发明的显示设备，可以制造出经济的彩色显示设备。实际上，该显示设备的背光照明***具有高的光输出，因为光源发出的光中的大多数都被用来照亮图形部分。光能没有被浪费用来照亮该单元的并未用于显示的区域。
根据有利实施例，第一组的棱镜被设置在第一组的电极下方，第二组的棱镜被设置在与第一组不同的第二组的电极下方。因此，用于背光照明设备的控制线路会非常简单。实际上，象征图形的颜色是由结构决定的。因此，仅需要同时打开所有的光源，就能够以预定的颜色显示该象征图形。
根据另一有利实施例，与象征图形(其被称为“彩色图形”)相对应的至少一个电极被设置在属于第一和第二组的棱镜上方，以允许选择性地以下列颜色显示该彩色图形：
-在打开第一光源而关闭另一光源时的对应于第一组的棱镜的第一颜色；
-在打开第二光源而关闭另一光源时的对应于第二组的棱镜的第二颜色；
-在同时打开这两个光源时的第一和第二颜色的混合色。
根据该实施例的第一种形式，第一和第二组的棱镜在与彩色图形相对应的电极下方相互交错，以使得同时打开这两个光源能够形成与这两种原始色的叠加相对应的一种新的颜色。
根据该实施例的第二种形式，将第一组的棱镜和第二组的棱镜在与彩色图形相对应的电极下方的不同区域中重新组合，以允许在同时打开这两个光源时在数个颜色区域显示该彩色图形。
因此，该实施例在显示图形的设计上具有很大的自由度，同时不需要提供复杂的控制线路，因为只需要开/关一个光源。
优选，该象征图形是字符并且每个电极的形状为字符的分段，这简化了显示设备的制造及其控制。
有利的是，将透反型(transflective)吸收偏振器设置在液晶单元的底面上，而将透射型反射偏振器设置在光导装置和吸收偏振器的上方。而且将透射型反射偏振器设置在液晶单元的上方。由于这些反射偏振器，可在所显示的象征图形与它们所处的背景之间得到更好的对比度。而且，这些反射偏振器使得未选择的象征图形对于观察者来说是不可见的。
优选，光导装置为板状，这样便于在最小化其空间要求下，将所述板设置在液晶显示单元的下方。设置在光导装置的顶面上的光漫射膜允许实现均匀地照亮该象征图形。
因此，本发明提出了一种计时器，其特征在于：其包括根据上述特征之一的显示设备。因此可以得到一种具有彩色显示的计时器，诸如手表，其中这种彩色显示具有低能耗，并且不需要复杂的控制线路。
有利的是，该计时器包括其上装有形成该显示设备的光源的发光二极管的印刷电路板，并且光导装置被设置在该印刷电路板的上方。因此，通过使用最少数量的零件和最少的组装操作，得到了一种易于组装并且具有较小轴向厚度的计时器。
附图说明
通过参考附图阅读以下详细描述，本发明其他特征和优点将更加清楚地呈现出来，这些附图是以非限制性实例的方式给出的，并且其中：
图1是示意性示出装有根据第一实施例和本发明内容的显示设备的计时器的轴向横截面图；
图2是图1的细节的放大视图；
图3是示意性示出图1的显示设备的液晶显示单元及其电极的俯视图；
图4是示意性示出装到图1的显示设备上的光导装置的一部分并且示出了反射棱镜的位置的放大俯视图；
图5是与上图类似的视图，其示意性地示出了包含彩色显示段的本发明第二实施例；以及
图6是与上图类似的视图，其示意性地示出了第二实施例的变型，其中该彩色段包含多个有色区域。
具体实施方式
在下面的描述中，一致或类似的元件将用相同的参考数字来指示。
图1示意性地示出了一种装有根据本发明内容的液晶显示设备12的计时器10，诸如手表。
计时器10包括外壳14，外壳14总体上为具有轴线A1的圆柱形，其顶部覆盖有允许用户查看由设置在外壳14内部的显示设备12显示的读数的保护晶体16。
在下面的描述中，将以非限制性的方式取轴线A1的方向为竖直方向。
外壳14容纳电子控制线路20，在此处电子控制线路20被设置在印刷电路板22的底面上，并且用电池24向其供电。具体地，电子线路20包括控制单元26，其用于控制显示设备12以显示与时间相关的数据或其它数据。可在外壳14的外部面上提供诸如按钮27这样的外部控制装置以允许用户操作电子线路20。
显示设备12，其显示面28在观察者侧是朝上的，所述显示设备12包括液晶单元30，该液晶单元30包括顶部基板或者前基板32，以及底部基板或后基板34。板形式的这两个基板32、34被密封框架36隔开，该框架36限定用于限制液晶38的空间。单元30优选为扭曲向列型。
在图2和3中具体示出了单元30的结构。
单元30包括在顶部基板32的底面上形成的一组电极40，和在底部基板34的顶面上形成的板形式的反电极42。
每个电极40代表象征图形的一部分。根据示出的实施例，各电极40的形状为直线段，并且对这些直线段进行设置以形成两个数字“8”，这使得能够通过选择在给定时刻以恰当方式显示的段来示出从“0”到“9”的所有数字以及特定字母。
当然，根据本发明的变型(未示出)，电极40可以具有更复杂的形状，例如：一个电极40本身就可以代表单个字符、符号或诸如花这样的装饰图形。
每个电极40都与供电路径相连，供电路径在与电极40相对的那端上包括接触区43，该接触区43用于通过诸如Zebra连接器这样的连接装置(未示出)将电极40电连接到电子控制线路20上。在此处，所有电极40的接触区43都被对准以方便该连接。与电极40类似地，路径41和接触区43也在顶部基板32的内面上形成。
类似地，反电极42包括用于将其电连接到电子控制线路20上的连接装置(未示出)。
通常，单元30包括顶部偏振滤光器44和底部偏振滤光器46，其分别设置在顶部基板32的顶面和底部基板34的底面上。这两个偏振滤光器44、46的偏光平面之间形成90度角。
有利的是，由反射型偏振滤光器(也称作反射偏振器)形成顶部偏振滤光器44，并且由吸收型偏振滤光器(也称作吸收偏振器)形成底部偏振滤光器46。
在本申请中，“反射偏振器”指的是这样的偏振滤光器：当将其设置在另一偏振滤光器下方并且使这两个偏振滤光器交叉时，其会向上反射所接收到的光线。当单元在背光照明模式下工作时，这种类型的偏振滤光器使得显示环境色的段。
相反地，“吸收偏振器”指的是这样的偏振滤光器：当将其设置在另一偏振滤光器下方并且使这两个偏振滤光器交叉时，其会吸收从上方接收到的光线。当单元工作在非背光照明模式下时，这种类型的偏振滤光器使得显示深灰色的段。
而且，顶部偏振滤光器44选自透射型反射偏振器中的一种，即，其被用来允许光同时沿两个方向传播。
底部偏振滤光器46选自透反型吸收偏振器中的一种，该偏振器在其底面侧上设置有反射层以向上反射光线。因此，在非背光照明模式下，穿过单元30的环境光在底部偏振滤光器46上发生反射，而在背光照明模式下，由设置在单元30下方的背光照明模块48发射的光线朝显示面28方向穿过底部偏振滤光器46。
单元30由控制单元26来控制，控制单元26将确定值的控制电压施加于选定的电极40与反电极42之间以改变液晶的取向并且引起相应的象征图形的显示。
背光照明模块48在与显示面28相对的一侧被设置在液晶单元30的下方。在此处，背光照明模块48包括具有不同颜色的第一和第二光源50、52，这些光源在板状的光导装置54内部发射光线Ri。第一光源50发射例如红光Rr，第二光源52发射例如蓝光Rb。
当然，背光照明模块48可以包含两个以上的光源50、52。在这种情况下，几个光源50、52可以为相同的颜色。
根据在此示出的实施例，光源50、52由有色发光二极管50、52形成，这些发光二极管被装配在印刷电路板22的顶面上，并且与电子控制线路20电连接。这些二极管50、52被用来产生大致沿向上的轴向方向行进的光束。各个二极管50、52被接收在凹口56内，其中凹口56靠近光导装置54的周缘60被设置在光导装置54的底部宽面58上，以使得由各二极管50、52发出的光线中的大多数能通过合适的入射表面62穿过光导装置54。
根据本发明的内容，光导装置54的一面(在此为其底面58)设置有棱镜64、66，其将二极管50、52发出的光线Ri偏转向显示面28。第一组S1的棱镜64朝向第一二极管50取向以偏转来自第一二极管50的光线Rf，第二组S2的棱镜66朝向第二二极管52取向以偏转来自第二二极管52的光线Rb。
在此处，棱镜64、66由设置在光导装置54的底面58中的凹部形成。每个棱镜64、66包括反射表面68，其法线对应于由穿过反射表面68和对应二极管50、52的第一直线和穿过反射表面68和观察者眼睛的第二直线形成的角的等分线。因此，在由各二极管50、52发出的光线Ri中，有一定比例的光线会以直接入射的方式，或者在经过光导装置54的底部宽面和顶部宽面58、70中的至少一个上的一次或多次反射之后到达相关棱镜64、66的反射表面68。
到达反射表面68的光线Ri在给定的入射角下根据全反射原理被向上反射，这就形成了穿过单元30射向显示面28的背光照明束。
在反射面68上被反射的光线Ri的比例可随着给定棱镜64、66的某些几何参数而得到调节，具体地随着相关二极管50、52与反射面68的间隔距离以及相对于光导装置54厚度的棱镜64、66高度而得到调节。在根据要求修改这些参数方面，本领域技术人员将不会遇到任何特殊困难。
在图2中，反射面68与底部宽面58之间的角度大约为45度，以便能够沿着近似轴向的方向偏转光线Ri。
光导装置54可以由具有所需特性的任何一种材料制成，这些特性具体包括关于光(特别是在可见光范围内的光)传播的透射性。优选的是，可以通过注入、复制或其它任何合适的方式用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)型塑料材料制成光导装置54，这些方案的优点主要在于相应制造方法的简易性和成品在大批量制造时具有较低的***格。
采用当前的制造技术，能够展望制作出尺寸在10μm量级上的棱镜64、66。此外，反射面68可以采用各种平坦或弯曲的形状，用于调节反射束的形状和例如使其稍微有些发散。
根据一种变型(未示出)，棱镜64、66可从光导装置54的宽面58、70之一突出。
有利的是，光导装置54的外周部分72和顶面70朝向底面58弯曲，以使得二极管50、52朝向光导装置54的周缘60发出的光线能够全部反射到外周部分72上，并因此偏转向设置在光导装置54的中心部分上的棱镜64、66。
当然，根据一种变型(未示出)，二极管50、52可被设置成沿径向方向朝向轴线A1发光。于是必须沿着径向方向将二极管50、52设置成与轴向入射表面62相对。
根据本发明的另一特征，将棱镜64、66分布在位于电极40下方的光导装置54区域中，以便将源自光导装置54的顶面70的光线R1会聚在电极40上。因此，棱镜66在光导装置54的底面58上大体重现了电极40的轮廓。
仅面对电极40设置棱镜64、66。光导装置54在电极40下方区域以外的地方不含有任何棱镜64、66。因此，光导装置54仅朝向电极40向上传播光线Ri。
根据在图1-4中示出的第一实施例，第一组S1的棱镜64被设置在第一组E1的电极40下方，第二组S2的棱镜66被设置在不同于第一组的第二组E2的电极40下方。因此，每个电极40仅可以由单个二极管50、52点亮，并且其背光照明颜色对应于将其照亮的二极管50、52的颜色。
优选的是，在光导装置54的顶面70上设置光漫射膜74。该光学膜74用于在棱镜64、66的上方横向漫射光导装置54发出的光，以及均匀地照亮各个电极40。
根据各种变型，光学膜74可以是用于光导装置54发出的光的聚焦或结构膜，这取决于所追求的背光照明效果。
有利的是，单元30包括底部透射型反射偏振器，其插在底部偏振滤光器46与光学膜74之间。该底部反射偏振器76的功能将在下文中进行解释。
根据第一实施例的显示设备12的操作如下：
在非背光照明模式(也称为反射模式)下，不给背光照明模块30供电，利用环境照明获得对应于通电的电极40的显示段与对应于未通电的电极40的非显示段之间的对比度。显示设备12的这种操作方式是一种常规操作方式，并且对应于通电的电极40的显示段呈现环境照明的颜色。
来自环境照明的光穿过顶部偏振滤光器44，然后穿过单元30，接着在底部偏振滤光器46的反射层上反射，随后在朝向显示面28的反向方向上沿相同的路径返回。
在背光照明模式下，给背光照明模块30供电，与通电的电极40对应的段分别呈现确定的颜色。
在背光照明模式下，两个二极管50、52被同时点亮。因此，光导装置54在第一组E1的电极40下发出红色光线Rr，而在第二组E2的电极40下发出蓝色光线Rb。
当电子线路20给确定的电极40供电以在显示面28侧显示相应的段时，位于该电极40下方的液晶被取向成允许背光照明模块48发出的光在该电极40下面通过。
例如，在图3中，通过给对应用于显示字符“6”的电极40a、40b供电来显示该字符“6”。由于电极40a属于第一组E1，因此相应的两个段被显示为红色，这是因为设置在这些段下方的棱镜64被取向成朝向红色二极管50。由于电极40b属于第二组E2，因此相应的四个段被显示为蓝色，这是因为设置在这些段下方的棱镜66被取向成朝向蓝色二极管52。
根据该实施例，每个显示段总是由相同的二极管50、52来点亮。
根据在图5中示出的第二实施例，对应于彩色段的至少一个电极40c被设置在属于第一组S1和第二组S2的棱镜64、66的上方。而且，第一组S1和第二组S2的棱镜64、66是相互交错的。因此，该实施例使得能够选择性地以几种颜色显示该彩色段，其中所显示的颜色取决于点亮的是哪个二极管50、52。
在点亮红色二极管50而未点亮蓝色二极管52，并且当前正在给对应于该彩色段的电极40c供电的情况下，该彩色段被点亮成红色。
在点亮蓝色二极管52而未点亮红色二极管50，并且当前正在给对应于该彩色段的电极40c供电的情况下，该彩色段被点亮成蓝色。
在两个二极管50、52被同时点亮，并且当前正在给对应于该彩色段的电极40c供电的情况下，这两个二极管50、52的红光和蓝光混合在一起从而以洋红色显示该彩色段。
根据图6所示的第二实施例的变型，第一组S1的棱镜64和第二组S2的棱镜66在对应彩色段的电极40c下方的不同区域Z1、Z2中重新组合，以允许在同时点亮这两个二极管50、52时在数个颜色区Z1、Z2显示该彩色段。该实施例允许该彩色段的外观有很多种变化，其可呈现为彩色条带或彩环。
当然，上述两个实施例可被组合在一起以使得某些段是彩色的，而其它段则以单色显示。
将反射偏振器用于顶部偏振膜44所带来的优点是，改善了光输出并因此改善了显示段的亮度，因为与吸收型滤光器相比，它允许更多的光通过。
此外，顶部偏振滤光器44的向外反射效应降低了非显示段对于观察者的可见度。实际上，应注意到：通过顶部偏振滤光器44得到的视觉效果防碍了观察者辨别在未通电的电极40处通过单元30的少量光线。
在背光照明模式下，底部反射偏振器76也降低了非显示段的可见度。实际上，当光导装置54在包括未通电的电极40在内的所有电极40下方发光时，会有一定数量的透射光设法在未通电的电极40处通过单元30，这会导致观察者看到这些非选择段。底部反射偏振器76将不希望的光的量降至最低。具体地，这归功于一部分光线Rr、Rb在底部反射偏振器76上发生的反射。

Claims (12)

1.一种液晶(38)显示设备(12)，其包括显示面(28)，所述显示面(28)取向为朝向在观察者侧的设备(12)的顶部，所述设备(12)包括：
-液晶(38)单元(30)，其包括：至少一个顶部基板(32)和一个底部基板(34)、在这两个基板(34，32)的相对面上形成的至少两个电极(40)和至少一个反电极(42)，每个电极(40)代表象征图形或象征图形的部分；
-控制单元(26)，其通过将确定值的控制电压施加在选定的电极(40)与反电极(42)之间而控制液晶(38)单元(30)，以改变液晶(38)的取向和引起相应的象征图形的显示，以及
-背光照明模块(48)，其在与显示面(28)相对的一侧上被设置在液晶单元(30)的下方，该模块包括颜色不同的至少第一光源(50)和第二光源(52)，这些光源在至少一个光导装置(54)内部发射光线(Rr，Rb)，所述光导装置(54)包括允许光线(Rr，Rb)离开的顶面(70)，
所述设备(12)的特征在于：所述光导装置(54)包括将光线(Rr，Rb)向显示面(28)偏转的多个棱镜(64，66)，第一组(S1)的棱镜(64 )的反射表面取向为朝向第一光源(50)以偏转第一光源(50)发出的光线(Rr)，第二组(S2)的棱镜( 66)的反射表面取向为朝向第二光源(52)以偏转第二光源(52)发出的光线(Rb)；并且这些棱镜(64，66)分布在光导装置(54)的仅处于电极(40)下方的区域中，以将来自光导装置(54)的顶面(70)的光线(Rr，Rb)会聚在这些电极(40)上。
2.如权利要求1所述的显示设备(12)，其特征在于：第一组(S1)的棱镜(64)被设置在第一组(S1)的电极(40a)的下方，并且第二组(S2)的棱镜( 66)被设置在与第一组(S1)不同的第二组(S2)的电极(40b)的下方。
3.如权利要求1或2所述的显示设备(12)，其特征在于： 与称作彩色图形的象征图形相对应的至少一个电极(40c)被设置在属于第一组(S1)和第二组(S2)的棱镜(64，66)的上方，以允许选择性地以下列颜色显示所述彩色图形：
-在点亮第一光源(50)而未点亮另一光源时的与第一组(S1)的棱镜(64)相对应的第一颜色；
-在点亮第二光源(52)而未点亮另一光源时的与第二组(S2)的棱镜(66)相对应的第二颜色；
-在同时点亮这两个光源(50，52)时的第一和第二颜色的混合色。
4.如权利要求3所述的显示设备(12)，其特征在于：第一组(S1)和第二组(S2)的棱镜(64，66)在与彩色图形相对应的电极(40c)下方相互交错，以使得同时点亮这两个光源(50，52)形成与这两种原始色的叠加相对应的一种新的颜色。
5.如权利要求3所述的显示设备(12)，其特征在于：将第一组(S1)的棱镜(64)和第二组(S2)的棱镜(66)在与彩色图形相对应的电极(40c)下方的不同区域(Z1，Z2)中重新组合，以在同时点亮这两个光源(50，52)时在数个颜色区域(Z1，Z2)显示该彩色图形。
6.如权利要求1所述的显示设备(12)，其特征在于：所述象征图形是字符，并且每个电极(40)的形状为字符的分段。
7.如权利要求1所述的显示设备(12)，其特征在于：
在液晶单元(30)的底面上设置有透反型的吸收偏振器(46)，并且在光导装置(54)与吸收偏振器(46)之间设置有透射型的反射偏振器(76)。
8.如权利要求1所述的显示设备(12)，其特征在于：
在液晶单元(30)的上方设置有透射型的反射偏振器(44)。
9.如权利要求1所述的显示设备(12)，其特征在于：
在光导装置(54)的顶面(70)上设置有光学漫射膜(74)。
10.如权利要求1所述的显示设备(12)，其特征在于：
光导装置(54)为板状。
11.一种计时器(10)，其特征在于包括如前述权利要求中的任一项 所述的显示设备(12)。
12.如权利要求11所述的计时器(10)，其特征在于：所述计时器(10)包括印刷电路板(22)，在所述印刷电路板(22)上安装有形成显示设备(12)的光源(50，52)的发光二极管(50，52)，并且光导装置(54)被设置在所述印刷电路板(22)的上方。 
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