用于电视或移动电话的显示屏的背光设备的制作方法

1.本发明涉及用于电视、移动电话等的屏幕的背光设备。本发明还涉及一种包括这种背光设备的屏幕。


背景技术：

2.目前，用于电视等的屏幕和显示器通常由使用led(发光二极管)背光的lcd(液晶显示器)制成。led产生具有特定光谱分布的光，该光被引导通过多个可以是具有明确限定的带宽选择分布的tft(薄膜晶体管)通道，以提供红色、绿色或蓝色的彩色子像素。这些屏幕通常符合国际标准，如bt 2020或ntsc。通常，在tft通道后面产生的光的平均约6％实际上是从屏幕的前面发射的。这限制了屏幕的发光效率，并且形成了能源浪费。
3.同时，由于穿过不同颜色的tft通道的发射波长重叠，屏幕的感知分辨率受到限制。这可能导致人眼将多个相邻的旨在具有不同颜色的子像素感知为单个子像素。这可能会降低感知分辨率并降低视觉敏锐度。
4.鉴于上述情况，希望提供至少部分克服现有技术的一些不便的解决方案。


技术实现要素：

5.根据本发明，提供了一种用于电视、移动电话等的屏幕的背光设备，其中，该背光设备包括：
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第一光源，其适于发射峰波长在600至630nm之间的光；
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第二光源，其适于发射峰波长在510至530nm之间的光；
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第三光源，其适于发射峰波长在440至460nm之间的光；其中，由光源中的每个或一个(优选地，至少第二光源)发射的光具有小于15nm、优选地小于10nm、更优选地小于5nm的带宽。出于本目的，带宽是波长中的光谱带宽，并限定为半极大处全宽(fwhm)，如在本领域中常见的，并且对带宽的引用应理解为是fwhm带宽。所指的带宽是在室温下测量的。
9.在下文中，第一光源的光谱峰可以被称为红色峰，第二光源的光谱峰可以被称为青色峰，并且第三光源的光谱峰可以被称为蓝色峰。
10.本发明还涉及一种包括这种背光设备的用于电视、移动电话等的屏幕。
11.从背光设备(也称为照明设备)发射的光谱功率分布，增强了包括背光设备的屏幕的观看者的视觉敏锐度和色觉，因为不同光源的发射峰比现有技术的屏幕更好地分离。特定的光谱功率分布也增加了感知分辨率，因为人眼可以更好地区分单个像素。由于光谱分布与人眼的光谱移动灵敏度相适应，感知亮度也得到了提高。这意味着较低的照明功率足以实现相同的感知亮度，从而节省能源。
12.同一申请人在wo 2015/034350中讨论了使用修改的光谱功率分布的提高视觉敏锐度的概念，其全部内容通过引用并入本文。
13.照明设备的光谱功率分布不同于常见的屏幕和显示器标准中限定的光谱(例如bt 2020(rec.2020)或ntsc)，其需要以460、535和625nm为中心的滤波器。事实上，目前的标准
并不符合最适合人眼的光谱功率分布。结果，不仅屏幕内的照明设备，而且屏幕中的其他光学设备通常适用于标准，并且因此与如上所述的照明设备部分不兼容。
14.如本文所述的由照明设备发射的光谱功率分布适合于人眼。具体地，在波长555nm附近眼睛对色差的敏感度很低。因此，在这个波长附近发射的光很难与波长稍有不同的光区分开来，这导致颜色对比度降低，从而降低视觉敏锐度。换句话说，这个波长附近发射的光并不能有效地促进感知的敏锐度。发射这个波长附近的光的像素可以与周围像素区分的概率相对较小，因为它需要大的光谱差才能区分。因此，555nm附近的大峰值不利于屏幕的感知分辨率。因此，在本发明中，尽可能合理地省略该波长附近的光，而是由第二光源引入510至530nm之间的青色峰，并增加红色峰的振幅。这已经在jiang等人的osa optics express 23(1):a741
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51(2015)中的科学文章中用锥体灵敏度差(csd)来解释，该文章通过整体全文并入本文。与峰值在555nm附近的光谱相比，青色峰和红色峰将说明更好的视觉敏锐度和感知分辨率。感知到的色彩或色觉也增加了：观看者将能够更好地分辨颜色，并将感知到更强烈的颜色。同时，由于暗光的部分(中心在505nm附近)相对于明光的部分(中心在555nm附近)增加，所以s/p比增加。
15.优选地，第三光源的蓝峰在强度上受到限制，优选地小于第一和第二光源的峰值中任一峰值的最大值的200％。过多的蓝光可能会损害眼睛的视网膜，并通过增加褪黑素抑制来扰乱昼夜节律。此外，人眼中蓝光的色差可能会扭曲视觉敏锐度。优选地，不需要黄色滤波器来限制蓝色发射峰的强度。
16.峰的带宽很窄，这确保不同峰之间非常有限的重叠或没有重叠。对于至少一个光源，带宽小于15nm。优选地，带宽小于14、13、12、11、10、9、8、7、6或5nm，或在3至15nm之间，优选地在3至10nm之间。
17.优选地，峰是光谱对称的，即，强度在两个光谱方向上从峰起以相同的斜率减小。结果，主导波长(表示观察者大脑观察到的颜色)对应于实际的峰波长。
18.该照明设备优选地不包括具有除如权利要求1所述的第一、第二和第三光源之外的光谱特征的光源。然而，照明设备可以包括多个集群，该集群包括三个光源中的每一个。照明设备可以包括阵列，该阵列是三个光源的或集群的规则重复。该阵列优选地为矩形，但也可以是不同的阵列，例如三角形阵列。阵列中最小的重复分组是光源的集群；每个集群可以包括第一、第二和第三光源，或者三个光源中的每一个中的至少一个。优选地，每个集群仅包括第一、第二和第三类型的光源，并且不包括具有不同光谱特征的光源。屏幕可以设置有至少40个集群的阵列，优选地至少80个集群，更优选地至少120个集群。
19.在一个实施例中，屏幕进一步包括对应于第一、第二和第三光源的峰值波长的光谱滤波器，其中，每个滤波器被配置为基本上不传输来自除其对应的光源以外的光源的光。
20.与传统光源的情况相比，本文所描述的光源在具有带通滤波器的照明设备中是有益的。它们减少了以其他方式被滤波器阻挡的光量，并且还减少了通过滤波器的光泄漏，例如在滤波器的边缘处。
21.当峰被更好地分离时，过滤三个光源中的两个就容易得多，而不会受到其他光源的污染。因此，有限的带宽进一步增加了感知分辨率和视觉敏锐度。此外，如果使用滤波器，由于光源发射的光的一小部分落在滤波器的传输范围之外(即被滤波器阻挡)，因此窄带宽允许更高的效率。
22.在一个实施例中，屏幕是lcd屏幕，例如tft
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lcd屏幕，其包括用于显示图像的屏幕平面，屏幕包括像素阵列，对于每个像素具有三个液晶和三个滤色器，例如tft，对应于第一、第二和第三光源，并且其中，照明设备被配置为朝向像素阵列发射光，并且其中，液晶与滤色器对齐，以便确定从照明设备朝向前平面的光的传输；优选地，其中，屏幕进一步包括用于将数字图像转换为所需像素颜色的集合的处理设备，以及用于控制液晶的传输的控制器，其中，处理设备被配置为将所需像素颜色的集合传送到控制器，并且其中，控制器被配置为适配每个像素中的液晶的传输以通过滤色器的子集传输光，使得每个像素根据所需像素颜色的集合发射所需颜色。
23.光源可以是led和/或vcsel，其优选地安装在屏幕后面的阵列中或沿着屏幕边缘。
24.滤波器限定彩色子像素并与液晶对齐，该液晶适于基于要显示的图像来控制照明设备的每个彩色子像素的光强度。屏幕可进一步包括在液晶两侧的相互垂直的偏振片。
25.屏幕优选地包括漫射器，用于散射由背光设备发射的光，以增加光的方向和空间分布的均匀性，其中，漫射器放置在背光设备和液晶之间。漫射器具有混合来自所有光源的光使得屏幕上就不会看到彩色光斑的功能。
26.优选地，屏幕的分辨率为至少1080p(全高清)、至少2k或至少超高清(4k或8k)。将理解，像素的数量可以高于光源的单个集群的数量。在一个实施例中，像素的数量可以比集群的数量大至少1000倍，优选地至少10000倍。
27.用于led或vcsel的材料例如可以是用于第一光源的gaas或allngap或algaas、用于第二光源的ingan或gap、和/或用于第三光源的ingan或gan，但也可以使用本领域已知的其他材料。本领域技术人员将理解，led或vcsel的光谱分布可以被修改为所需的发射波长。为了限制光源的带宽，它们可以配备以峰值波长为中心的窄带通滤波器。这些窄滤波器与任何与着色像素相关联的滤波器相区别，因为这些窄滤波器与光源本身相关联(因此数量等于光源的数量)，并且几乎过滤所有离开光源的光。与像素相关联的滤波器通常与液晶对齐。可替代地，光源可以配备有量子点(qd)或量子阱(qw)，其也允许窄峰。
28.无论应用程序在哪里提到“屏幕”，都旨在包括替代概念，例如“显示器”、“界面”、“监视器”和等同物。屏幕可以旨在用于电视、移动电话、笔记本电脑、膝上型电脑、个人电脑、平板电脑、车辆内饰、手表、公用电器、数字广告牌、智能板和其他设备。
29.在一个实施例中，光源中的至少一个是垂直腔面发射激光光源(或，简称vcsel光源或vcsel)。vcsel是非常薄的盘形激光器，在晶片上制造，光由顶面发射。商用电泵vcsel可以廉价地制造，并具有自然圆形的光束。vcsel可以制造成阵列，发射非常高的功率。
30.在一个实施例中，第三光源是led光源，第二光源是vcsel光源，并且优选地，第一光源是vcsel光源。具体地，只有第二光源可以是vcsel光源。可替代地，第一光源和第二光源可以是vcsel光源，而第三光源是led光源。可替代地，所有三个光源都是vscel光源。
31.通常，本文描述的屏幕和背光设备适合于lifi通信。led或vcsel允许所需的高传输速率和快速切换。具体地，vcsel通常具有高截止频率，这有助于当照明设备用于lifi通信时的高速。
32.对于第三光源(蓝色)，可以使用传统的led，因为蓝色led具有高效率并且在经济上可行。在这种情况下，可以形成混合led
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vcsel背光设备，其提供led和vcsel光源的组合。它们结合在一起，在高效率下产生所需的窄发射峰。
33.对于第二光源(青色)，vcsel非常有用，因为以经济的方式生产满足波长和效率要求的led更具挑战性。可能的，第二光源可以是包括磷光体涂层或层的较短波长的vcsel，使得磷光体发射满足光谱要求的光(并且激发磷光体的vcsel光被阻挡)。将理解，除了现有的青色led具有相对宽的光谱这一事实之外，占据中心频率这一事实意味着它潜在地干扰来自第一和第三光源的其他峰值。它还对555nm处的光谱功率有贡献，这是要避免的。因此，选择用窄带宽vcsel取代青色led是比现有照明设备更具成本效益的改进。
34.在一个实施例中，照明设备提供光谱功率分布，其在555nm处的光谱功率小于第一光源的峰值波长处的光谱功率的50％，优选地小于20％，更优选地小于10％。在555nm处发射的光不能有效地改善视觉敏锐度，因此抑制在该波长处的功率增加了整体视觉效率。
35.在一个实施例中，照明设备适于以s/p比在2至5之间的光谱功率分布发射光。与(传统的)较低的s/p比相比，这些s/p比确保了改进的感知强度。
36.在一个实施例中，光谱功率分布的cct(相关色温)在6000到7000k之间，优选地在6500k附近。这些cct对应于自然光。
37.在一个实施例中，照明设备包含具有最大光谱功率的光谱功率分布，并且在470至490nm之间的范围内的光谱功率小于最大光谱功率的15％，优选地具有小于最大光谱功率的5％的最小光谱功率；和/或在550和590nm之间的范围内的光谱功率小于最大光谱功率的15％，优选地具有小于最大光谱功率的10％的最小光谱功率。因为更好的分离峰，这种光谱功率分布允许更好的感知敏锐度。
附图说明
38.参考以下多个示例性实施例的示意图，将进一步理解本发明的特征和优点，其中相应的附图标记指示相应的部分。
39.图1a示意性地示出了根据实施例的电视屏幕的前视图；
40.图1b示意性地示出了根据实施例的电视屏幕的一部分的横截面；
41.图2示意性地示出了根据现有技术的照明设备的光谱分布；
42.图3示意性地示出了根据本发明的实施例的屏幕或照明设备的光谱分布；
43.图4a示意性地示出了根据本发明的实施例的屏幕或照明设备的光谱分布；
44.图4b示意性地示出了与图4a中的光谱分布相对应的颜色空间或色域；
45.图5再次示意性地示出图4a的光谱分布以及示例性滤波器特征。
46.附图仅用于说明目的，并不作为对权利要求所规定的范围或保护的限制。
具体实施方式
47.图1a示意性地示出了根据实施例的lcd电视屏幕1的前视图，该lcd电视屏幕放置在安装有屏幕1的外壳2中。屏幕包括像素阵列3(仅部分示出)，该像素阵列由可以单独设置颜色的像素阵列构成。为了在屏幕1上显示图像，处理设备4将数字图像(例如由网络服务器、数字存储器或计算机传送)转换成与像素阵列3中的像素相对应的颜色集合。处理后的图像被传送到控制器5，该控制器控制像素阵列3中每个像素的单独颜色。处理设备4和控制器5优选地被结合在屏幕1本身的外壳2中，例如在屏幕的背面。可替代地，它们与屏幕1分离，但能够与屏幕1的相关部分，具体是像素阵列3通信或具体地与液晶通信。
48.图1b示意性地示出了lcd电视屏幕的一部分的横截面。该图示出了屏幕1的一部分的横截面，不包括安装有屏幕的外壳。在背面，屏幕1包括背光设备10，该背光设备包括集群19的阵列11，每个集群包括第一光源12、第二光源14和第三光源16。从照明设备发射的光穿过漫射器18朝向液晶30。漫射器确保来自各种光源的光被混合，使得颜色在屏幕上空间和方向上均匀分布。液晶30和滤波器40被子像素31a、31b、31c、32a、32b、32c、41a、41b、41c、42a、42b、42c划分，以便能够通过借助于对应的液晶30控制通过每个滤波器40的传输来改变颜色。三种不同颜色的三个子像素形成像素阵列中的像素31、41。液晶30和滤波器40夹在相互垂直的偏振片20、50之间。在前侧，透明覆盖层60限制屏幕1。本领域技术人员将理解，可以设想与本发明兼容的对屏幕的部件和层的许多变化。在所示的情况下，照明设备10中的三种类型的光源12、14、16以阵列11的集群19安装在液晶30后面。可替代地，集群19可以仅放置在屏幕1的边缘，发射到对应于整个屏幕表面的波导中。在另一替代实施例中，光源可以不集群。已经在例如us6243068中更详细地解释示例性背光lcd屏幕的工作，其通过引用整体并入本文。
49.图2示意性地示出了根据现有技术的照明设备的光谱分布200。这种光谱是由白色磷光体转换(pc)led产生的。蓝色峰215对应于激发磷光体的蓝色led，其磷光体发射峰213中心在555nm附近。借助于黄色滤波器减弱蓝色峰215，这导致效率损失。从光谱可以清楚地看出，光的大部分，具体是宽磷光体发射峰213的大部分，是在远离滤波器241、243、245的中心传输波长(由阴影矩形表示)的地方产生的。光的大部分被滤波器阻挡和/或对配备有照明设备的屏幕的感知分辨率没有贡献。
50.图3地示出了根据本发明的实施例的屏幕或照明设备的光谱分布100。显示的光谱分布100对应于来自照明设备的本征发射。第一、第二和第三光源的峰113、115、117各自发射分别对应于625、530和450nm波长的窄的、基本对称的峰。在这种情况下，光源是led。窄的峰113、115、117确保基本上所有的光都可以用来形成彩色屏幕发射，并且几乎没有任何光被过滤掉。具体地，第一光源的峰113是窄的，具有大约14nm的fwhm。
51.所示的光谱分布100使得屏幕能够在需要时发射白光，其cct(相关色温)约为6500k，对应于自然日光。
52.图4a示出了根据本发明的替代实施例的由屏幕或照明设备发射的光谱分布400。光谱分布400包括分别对应于第一、第二和第三光源的峰413、415、417。在这种情况下，光源是vcsel。第一光源发射625nm附近的峰413，第二光源发射525nm附近的峰415，并且第三光源发射450nm附近的峰417。三个峰的带宽(fwhm)约为5nm或更小。
53.图4b示出了与图4a中的光谱分布相对应的颜色空间或色域401。可以理解的是，要求保护的设备(标记为spd)发射的光谱分布的颜色空间401大于根据hdtv(rec.709)标准的颜色空间409或根据uhdtv(rec.2020)标准的颜色空间408，由于第二个峰415的波长比标准中的相应峰(约535nm)短。因此，与根据标准发射光的那些相比，发射光具有spd光谱分布的照明设备可以产生更多不同的颜色。
54.图5示出图4a的光谱分布400，其中滤波器的特征传输光谱443、445、447对应于各自的峰413、415、417。传输光谱443、445、447与光源的峰413、415、417具有非常有限的重叠或基本上没有重叠，并且远离555nm范围。
55.本发明已经通过参考上面讨论的某些实施例来描述。将认识到，这些实施例易受
本领域技术人员公知的各种修改和替代形式的影响。
56.在不脱离本发明的精神和范围的情况下，除了上面描述的那些之外，可以对本文描述的结构和技术进行许多修改。因此，尽管已经描述了特定的实施例，但这些只是示例并且不限制本发明的范围。