DE60008225T2

DE60008225T2 - Verbesserte flachbildschirm-flüssigkristallanzeige

Info

Publication number: DE60008225T2
Application number: DE60008225T
Authority: DE
Inventors: Rick Johnson; Scott Wolfe; Keith Deutch; Scott Hoffman; Darrell Henke; Saied Barakchi
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1999-04-05
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2020-03-25
Also published as: EP1166173B1; WO2000060406A2; DE60008225D1; US6439731B1; WO2000060406A3; EP1166173A2

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die Erfindung betrifft Flüssigkristalldisplayeinrichtungen und insbesondere das Beleuchten des Hintergrunds derartiger Flüssigkristalldisplayeinrichtungen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Dem Fachmann ist das Flüssigkristalldisplay, genereller als LCD bekannt, bekannt. Die LCD besteht, wie kurz in dem am 10. September 1991 an Worp erteilten US-Patent Nr. 5,046,829, Liquid Crystal Display Backlighting Apparatus Having Combined Optical Diffuser and Shock Dampening Properties beschrieben ist, aus Zellen, die zwischen mehreren segmentierten Elektroden eine dünne Schicht aus Flüssigkristallmaterial enthalten. Ein zwischen den Elektroden einer beliebigen der segmentierten Elektroden angelegtes elektrisches Feld bewirkt, daß sich das Flüssigkristallmaterial dazwischen auf das elektrische Element ausrichtet, und das durch den Polarisator auf einer Seite des Flüssigkristallmaterials hindurchtretende Licht wird von dem Polarisator auf der gegenüberliegenden Seite des Materials absorbiert, so daß der absorbierende Polarisator "Ein" erscheint.
Einige LCD-Einrichtungen absorbieren oder reflektieren Umgebungslicht, das von außerhalb der Einrichtung auf die Displayfläche auftrifft. Zur Betrachtung des Displays ist deshalb Umgebungslicht von der Sonne oder vom Raum erforderlich. Diese passiven LCD-Einrichtungen weisen Vorteile hinsichtlich geringem Stromverbrauch kombiniert mit geringem Gewicht und geringen Kosten auf. Bei schwachem Umgebungslicht oder nachts sind passive LCD-Einrichtungen im allgemeinen jedoch ineffizient. Für schwache Lichtbedingungen gedachte LCD-Einrichtungen verwenden deshalb intern gelieferte zusätzliche Beleuchtung. Bei einem einfachen zusätzlichen Beleuchtungssystem werden ein oder mehrere Lichtquellen, üblicherweise Glühlampen, hinter dem Display angeordnet, d. h., der Hintergrund des Displays wird beleuchtet. Ein Nachteil bei diesen einfachen zusätzlichen Beleuchtungssystemen ist der Mangel an Gleichförmigkeit bei der Beleuchtung. Glühlampen erzeugen lokalisierte Lichtflecken ("hot spots"), die die Lesbarkeit des Displays reduzieren. Während durch eine zwischen der Beleuchtungsquelle und dem Display angeordnete optische Diffusionstafel das Licht von den internen Quellen gleichmäßiger verteilt und das Korrigieren von lokelisierten unterstützt wird, ist in Ermangelung einer gewissen natürlichen Diffusion eine Ungleichmäßigkeit in der Helligkeit unvermeidbar. Die natürliche Diffusion erfordert ausreichend Raum zwischen der Beleuchtungsquelle und dem Display. Die Dünnheit ist jedoch eine Anforderung hinsichtlich Displays in Kraftfahrzeugarmaturentafeln und Flugzeugbedienfeldern, die für eine natürliche Diffusion keinen ausreichenden Raum gestatten. Bei einer Lösung, die in der am 10. März 1987 an Masuda et al. erteilten US-Patent Nr. 4,649,381, Liquid Crystal Panel Display Device vorgestellt wird, wird die Displaytafel in "Displayblöcke" unterteilt, die jeweils Informationen in verschiedenen kleinen Sektoren der Platte anzeigen, wobei jeder Sektor seine eigene zugeordnete Beleuchtungsquelle hinter dem jeweiligen Plattensektor enthält und sich alle die Plattensektoren einen optischen Diffusor teilen. Wenngleich das Unterteilen der Platte in diskrete Sektoren zu einer ausreichend gleichförmigen Beleuchtung in jedem Sektor führen kann, adressieren derartige diskrete Sektoren nicht das Problem, das durch ein Vollschirmgrafik- oder -textdisplay vorgelegt wird. Ein weiterer Nachteil des unterteilten Displays besteht in dem vollständigen Informationsverlust in einem beliebigen diskreten Sektor, wenn die Beleuchtungsquelle in diesem Sektor des Displays ausfällt.
Ein weiterer Nachteil von Glühlampen sind die hohen Energiekosten zum Bestromen der Lampen. Zur Kontrolle der Energiekosten werden bei vielen LCD-Einrichtungen heutzutage Leuchtstofflampen verwendet. Leuchtstofflampen unterliegen jedoch der gleichen Ungleichmäßigkeit bei der Beleuchtung, unter denen auch Glühlampen leiden. Leuchtstofflampen sind außerdem mit weiteren Nachteilen verbunden. Fortgeschrittenere LCD-Einrichtungen enthalten beispielsweise die Möglichkeit, das Lichtniveau des Displays an die Umgebungsbedingungen anzupassen. Ein Display bei einer Kraftfahrzeugarmaturentafel oder einem Flugzeugbedienfeld enthält üblicherweise einen Dimmerschalter zum Einstellen der Displayhelligkeit auf eine komfortable Betrachtungshöhe. Leuchtstofflampen erfordern jedoch komplexe und teure Schaltungen, um die Helligkeit der zusätzlichen internen Beleuchtung einzustellen oder zu dimmen.
Eine weitere zusätzliche Beleuchtungskonfiguration ist die Seiten- oder Peripherbeleuchtung, die eine Beleuchtung an den Seiten des Displays liefert und einen Lichtleiter zum Beleuchten der Innenteile des Displays verwendet. Die Seitenbeleuchtung führt eindeutig zu einem unannehmbar dunklen oder unterbeleuchteten Bereich im zentralen Teil eines großflächigen Displays, und zwar zumindest teilweise aufgrund der Dämpfung bei der Beleuchtungstafel. Insbesondere ist bei einem großflächigen LCD-Display der von der Beleuchtungsquelle entfernte zentrale Teil des Displays unvermeidlich dunkler als die peripheren Bereiche neben der Beleuchtungsquelle. Bisher haben Lichtleiter in verschiedenen Konfigurationen versucht, die Beleuchtungsstrahlen adäquat über die Displayoberfläche zu verteilen, wie beispielsweise in dem am 22. Dezember 1987 an Lang erteilten US-Patent Nr. 4,714,983, Uniform Emission Backlight; dem am 29. Mai 1990 an Guzik et al. erteilten US-Patent Nr. 4,929,062, Light Guide For LCD, in dem am 8. März 1988 an Baba erteilten US-Patent Nr. 4,729,185, Display Panel Illumination Device, und dem obenerwähnten US-Patent Nr. 5,046,829 offenbart wurde. Derartige Lichtleiter sind im allgemeinen bei der Bereitstellung einer gleichförmigen Beleuchtung des Displays erfolglos.
In jüngerer Zeit wurde eine zusätzliche Beleuchtung bereitgestellt, wobei Leuchtdioden oder LEDs verwendet wurden. Wenngleich geschätzt wird, daß die Nutzlebensdauer oder die mittlere Ausfallzeit (MTBF) mindestens zehnmal so lange ist wie die von Leuchtstofflampen, wurde die Verwendung von LEDs durch ihre gegenwärtigen hohen Kosten auf Konfigurationen beschränkt, die Seitenbeleuchtung in Kombination mit Lichtleitern verwenden, wie beispielsweise aus dem obenangeführten US-Patent Nr. 5,046,829 bekannt ist. Diese Versuche sind mit der gleichen Beschränkung behaftet wie mit Glühlampen und Leuchtstofflampen verwendete Lichtleiter: die Seitenbeleuchtung führt zu einem unannehmbar dunklen Bereich in dem von der Beleuchtungsquelle entfernten zentralen Teil eines großflächigen Displays.
Zudem war die Seitenbeleuchtung von LCD-Displays mit weißem Licht bisher unter Verwendung einer Mischung verschiedenfarbiger LEDs möglich, das heißt unter Verwendung von LEDs, die die drei Primärfarben abstrahlen, deren Kombination für den Betrachter als weißes Licht erscheint. LEDs, die bei einigen Wellenlängen abstrahlen, sind jedoch teurer als solche, die bei anderen abstrahlen, und zwar aufgrund von Differenzen bei den chemischen Zusammensetzungen und Herstellungsprozessen, die zum Entwickeln der Fluoreszenz bei der richtigen Wellenlänge erforderlich sind. Die Kosteneinsparungen, die man erhält, wenn man eine große Zahl gleichfarbiger LEDs in einer Schaltung anbringt, stand somit in einem LCD-Display für weißes Licht nicht zur Verfügung.
Bisher war somit die seit langem empfundene Notwendigkeit für eine praktische preiswerte LCD-Einrichtung mit dünnem oder niedrigem Profil und Hintergrund und großem Display mit einer langen Lebensdauer, einem hohen Grad an Beleuchtungsgleichförmigkeit und einer einfachen Helligkeitseinstellschaltung unerreichbar, und zwar aufgrund der Ungleichförmigkeit der Beleuchtung, wenn entweder Leuchtstoff- oder Glühlampen verwendet werden, um große Displays zu beleuchten, selbst in Verbindung mit optischen Diffusoren oder Lichtleitern. der komplexen Schaltung, die erforderlich ist, um die Helligkeit bei Verwendung von Leuchtstofflampen einzustellen und der relativ hohen Kosten von farbigen LEDs. Weiterhin war die seit langem empfundene Notwendigkeit für eine derartige praktische preiswerte LCD-Einrichtung mit dünnem oder niedrigem Profil und Hintergrundbeleuchtung und großem Display mit weißen zusätzlichen Beleuchtungsquellen unerreichbar, und zwar aufgrund der Notwendigkeit zum Mischen verschiedener verschiedenfarbiger LEDs, damit man eine weiße Seiten- oder Hintergrundbeleuchtung erhält.
Aus WO 94/00793 ist ein Display mit einem halbtransparenten Flüssigkristalldisplay-(LCD)-Element, einer darauf angebrachten Unterbaugruppe mit einem Array von hintergrundbeleuchteten LEDs-Elementen, die darauf angebracht sind, und Befestigungsmitteln, die das Displayelement über der Unterbaugruppe befestigen, wobei sich das Displayelement neben den hintergrundbeleuchteten LED-Elementen befindet, bekannt.
Aus WO 95/10066 ist eine Lichtquelle für die Hintergrundbeleuchtung eines Displays bekannt.
Die vorliegende Erfindung überwindet Einschränkungen des Stands der Technik hinsichtlich Displayungleichförmigkeit, Displayhelligkeitssteuerungsschaltungskomplexität, hohen Kosten und kurzer Lampenlebensdauer durch Bereitstellen einer Flüssigkristalldisplayeinrichtung mit einer im wesentlichen gleichförmigen Hintergrundbeleuchtung in einem Flachbildschirm, der mit mehreren Leuchtdioden versehen ist, die in einer hintergrundbeleuchtenden Beziehung mit einer herkömmlichen Flüssigkeitskristalldisplaytafel montiert sind. Die Leuchtdioden stellen dabei eine mittlere Ausfallzeit oder MTBF bereit, die auf das Zehnfache (10×) der von Leuchtstofflampen nach dem Stand der Technik geschätzt wird. Zudem wird das Beleuchtungsniveau oder die Helligkeit der durch die vorliegenden Erfindung bereitgestellten Leuchtdioden durch eine Schaltung gesteuert, die im Vergleich zu der Schaltung, die zum Steuern des Beleuchtungsniveaus der Lampe nach dem Stand der Technik erforderlich ist, relativ einfach und preiswerter ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die hintergrundbeleuchtete Flüssigkristalldisplayeinrichtung die in Anspruch 1 definierten Merkmale.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristalldisplaytafel die in Anspruch 5 definierten Merkmale.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die hintergrundbeleuchtete Flüssigkristalldisplayeinrichtung eine neben den Leuchtdioden gegenüber der Leiterplatte angebrachte optische Diffusionsplatte, d. h. zwischen den Lichtquellen und der Flüssigkristalldisplayplatte. Die optische Diffusionsplatte bildet eine geschichtete Beleuchtungsanordnung mit der Leiterplatte und Leuchtdioden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Oberfläche der Leiterplatte mit den darauf angeordneten Leuchtdioden weiterhin eine darauf ausgebildete lichtreflektierende Oberflächenbeschaffenheit. Bevorzugt sind auch die Innenflächen der optischen Kammer mit einer lichtreflektierenden Oberflächenbeschaffenheit ausgebildet.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt die Erfindung ein Verfahren zur Hintergrundbeleuchtung einer Flüssigkristalldisplaytafel mit weißem Licht unter Verwendung mehrerer Leuchtdioden bereit durch Anbringen einer Flüssigkristalldisplaytafel auf einer Oberfläche einer optischen Kammer; Anbringen der mehreren Leuchtdioden in einem die Oberfläche einer Leiterplatte im wesentlichen abdeckenden zweidimensionalen Array, wobei die Leuchtdioden jeweils ein im wesentlichen weißes Licht erzeugen; Anbringen der Leiterplatte an einer Oberfläche der optischen Kammer in einer hintergrundbeleuchtenden Beziehung zu der Flüssigkristalldisplaytafel und von dieser beabstandet; und Beleuchten des Hintergrunds der Flüssigkristalldisplaytafel mit einer im wesentlichen. gleichförmigen Beleuchtung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen Aspekte und viele der begleitenden Vorteile der vorliegenden Erfindung erkennt man leichter, wenn man selbige durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser versteht. Es zeigen:
1 eine Explosionsansicht der LCD-Einrichtung der Erfindung und
2 eine Explosionsansicht der LCD-Einrichtung der Erfindung aus einer Richtung, die der in 1 gezeigten entgegengesetzt ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die vorliegende Erfindung ist, in Form einer großen flachen Platte, eine Flüssigkristalldisplay- oder LCD-Einrichtung mit einer im wesentlichen gleichförmigen weißen hintergrundbeleuchteten Beleuchtung unter Verwendung von Leuchtdioden oder LEDs.
Die 1 und 2 sind Explosionsansichten der LCD-Einrichtung 1 der Erfindung. Die LCD-Einrichtung 1 enthält eine Leiterplatte oder PCB 10. Die PCB 10 ist allgemein eine im wesentlichen flache Tafel mit zwei zueinander parallelen gegenüberliegenden Oberflächen. Bevorzugt weist die Oberfläche auf einer Seite der PCB 10 eine darauf abgeschiedene weiße oder andere stark lichtreflektierende Oberflächenbeschaffenheit auf. Die stark lichtreflektierende Oberflächenbeschaffenheit auf einer Seite der PCB 10 ist beispielsweise eine hochglänzende weiße Farbe oder eine glänzende Metallschicht wie etwa Aluminium, Kupfer, Nickel, Gold oder ein anderes derartiges Metall.
Die Beleuchtungsquelle 12, am besten in 2 gezeigt, ist auf einer Seite der PCB 10 ausgebildet, bevorzugt der Seite der PCB 10, die die oben beschriebene lichtreflektierende Oberflächenbeschaffenheit trägt, falls eine derartige Oberflächenbeschaffenheit vorliegt. Bei der Beleuchtungsquelle 12 handelt es sich bevorzugt um eine große Menge von Leuchtdioden oder LEDs. Derartige LED-Lichtquellen sind beispielsweise aus dem am 13. Juli 1999 an Kim erteilten US-Patent Nr. 5,923,052, Light Emitting Diode bekannt.
Die die Beleuchtungsquelle 12 bildenden LED-Quellen sind in einem räumlich gleichförmigen zweidimensionalen Array über den größten Teil der Oberfläche der PCB 10 verteilt, beispielsweise wie in dem am 15. April 1997 an Shieh et al. erteilten US-Patent Nr. 5,621,225, Light Emitting Diode Display Package. Wie im US-Patent Nr. 5,621,225 beschrieben, kann die Beleuchtungsquelle 12 bis zu 5 000 bis 80 000 LED-Quellen in räumlich gleichförmigen orthogonalen Zeilen und Spalten enthalten. Die Beleuchtungsquelle 12 gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch zur Beleuchtung des Hintergrunds eines LCD-Displays verwendet und erfordert somit weniger LED-Quellen, was die Ansteuerschaltung erheblich vereinfacht. Die PCB 10 liefert die nicht gezeigten Verbindungs- oder Bondpads bereit, um die Reihen und Spalten von LED-Quellen miteinander zu verbinden. Die LEDs werden unter Verwendung eines Direct-Chip-Attach-(DCA)-Bonding an die Anschlußpads gelötet oder gebondet. Die PCB 10 enthält außerdem Halbleiterchips 13 oder andere herkömmliche Schaltungen, die den Treiber und die Steuerelektronik mit Steuersignalausgangsanschlüssen enthalten, die an die LED-Quellen gekoppelt sind, um die Beleuchtungsquelle 12 gemäß Steuersignalen zu aktivieren, die über Eingangsanschlüsse von einer nicht gezeigten Steuerschnittstelle angelegt werden. Alternativ sind die LED-Quellen direkt mit der Treiberplatine integriert, wodurch Größenanforderungen sowohl für das LED-Array als auch den Treiber minimiert werden, wie in dem obenangeführten US-Patent Nr. 5,621,225 beschrieben.
Die Beleuchtungsquelle 12 strahlt Licht mit einer Wellenlänge ab, die von dem menschlichen Auge als weißes Licht wahrgenommen wird, wobei sie eine vorbestimmte Mischung aus LEDs verwendet, die Licht in allen drei Primärfarben abstrahlt, d. h. im roten, grünen und blauen Lichtband. Bis in jüngster Zeit wurde durch die Begrenzungen bei den verfügbaren Farben oder Wellenlängen, die von im Handel erhältlichen LEDs abgestrahlt werden, diktiert, daß weißes Licht nur dann mit LEDs möglich ist, wenn alle drei Primärfarben von LEDs gemischt werden, d. h. rote, grüne und blaue LEDs, deren Kombination dem Betrachter als weißes Licht erscheint. Beispielsweise wird die Verwendung von allen drei Primärfarben in einem hintergrundbeleuchteten Farbdisplay unter Verwendung von Leuchtstofflampen verwendet, wie aus dem am 8. Mai 1990 an Nelson erteilten US-Patent Nr. 4,924,215, Flat Panel Color Display Comprising Backlight Assembly Ferroelectric Liquid Crystal Shutter Assembly bekannt ist. Durch die vorliegende Erfindung erhält man somit weißes Licht unter Verwendung einer entsprechenden Kombination aus verschiedenfarbigen LEDs, d. h. unter Verwendung einer Mischung von LEDs, die die drei Primärfarben abstrahlen. LEDs, die bei einigen Wellenlängen abstrahlen, sind aufgrund von Unterschieden bei den chemischen Bestandteilen und Herstellungsprozessen, die erforderlich sind, um eine Fluoreszenz bei der ordnungsgemäßen Wellenlänge hervorzurufen, teurer als solche, die bei anderen abstrahlen. Durch die Ausübung der Erfindung unter Verwendung einer Mischung von Primärfarben-LEDs werden die Kosteneinsparungen reduziert, die normalerweise erhältlich sind, wenn eine große Anzahl gleichfarbiger LEDs in einer Schaltung angebracht werden.
Alternativ verwendet die Beleuchtungsquelle 12 eine Menge von LEDs, die weißfarbiges Licht abstrahlen. Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform enthält die Beleuchtungsquelle 12 eine Menge organischer Leuchtdioden oder OLEDs, die in einem räumlich gleichförmigen zweidimensionalen Array auf ähnliche Weise verteilt sind. Derartige OLED-Lichtquellen sind beispielsweise aus dem am 14. April 1998 an Guha erteilten US-Patent Nr. 5,739,545, Organic Light Emitting Diods Having Transparent Cathode Structures, bekannt. OLED-Lichtquellen sind analog entweder eine vorbestimmte Mischung aus Quellen, die im roten, grünen und blauen Lichtband abstrahlen, oder eine Menge Quellen, die weißes Licht abstrahlen.
Eine fakultative Lichtniveaueinstellschaltung 14, die auch als Dimmschaltung bekannt und im weiteren als Helligkeitseinstellschaltung bezeichnet wird, ist elektrisch an die Lichtquelle 12 gekoppelt, um die Beleuchtungsintensität einzustellen. Die Helligkeitseinstellschaltung 14 variiert die an die Beleuchtungsquelle 12 gelieferte elektrische Leistung über einen Bereich. Wie der Durchschnittsfachmann erkennt, ist die Helligkeitseinstellschaltung 14 zur Verwendung mit einer aus LED- oder OLED-Quellen ausgebildeten Beleuchtungsquelle 12 im Vergleich zu einer. Lichtpegeljustierschaltung zur Verwendung mit Leuchtstofflampen eine relativ einfache Schaltung. Diese weniger komplexe Schaltung führt im Vergleich zu Einrichtungen nach dem Stand der Technik zu einer dramatischen Kostenreduzierung. Weiterhin ist der Charakter von LED- und OLED-Quellen derart, daß die Licht- oder Strahlungsabgabe unendlich eingestellt werden kann, was im Vergleich zu Leuchtstoffeinrichtungen zu einer hervorragenden Dimm- oder Helligkeitssteuerung führt. Die Helligkeitseinstellschaltung 14 ist allgemein an eine nicht gezeigte Steuerschnittstelle gekoppelt, die entweder in Hardware oder Software vorliegt und zur Eingabe durch einen Displaybediener oder Betrachter verfügbar ist. Eine Einstellung der Helligkeitseinstellschaltung 14 stellt die Displayhelligkeit so ein, wie es dem Betrachter unter verschiedenen Umgebungslichtbedingungen paßt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Helligkeitseinstellschaltung 14 auf einer von der Beleuchtungsquelle 12 gegenüberliegenden Seite der PCB 10 angebracht. Der Durchschnittsfachmann auf dem relevanten Gebiet erkennt jedoch, daß die Helligkeitseinstellschaltung 14 an anderer Stelle angebracht sein kann, sogar von der Beleuchtungsquelle 12 und der PCB 10 entfernt.
Die PCB 10 ist so bemessen, daß sie in eine optische Kammer 16 mit einer Flüssigkristalldisplaytafel oder LCD-Tafel 18, die darauf angebracht ist, paßt. In der Regel ist die optische Kammer 16 von rechteckiger Form, wie gezeigt, doch kann die Erfindung gleichermaßen auf Kammern mit einer anderen Form angewendet werden, wie etwa einer quadratischen, runden, elliptischen oder anderen geeigneten Form. Die optische Kammer 16 ist mit zwei im wesentlichen parallelen Montageoberflächen 16A und 16B versehen, die durch die vier Seitenwände 16C, 16D, 16E und 16F unter Bildung der optischen Kammer 16 beabstandet sind. Die PCB 10 ist an einer der beabstandeten parallelen Montageoberflächen 16A und 16B angebracht. Die PCB 10 ist an einer der beabstandeten parallelen Montageoberflächen 16A und 16B angebracht. Bevorzugt arbeitet die PCB 10 in der optischen Kammer 16 mit stark reflektierenden Oberflächen, weshalb die Innenflächen der Seitenwände 16C bis 16F der optischen Kammer 16 bevorzugt mit einer stark lichtreflektierenden Oberflächenbeschaffenheit ausgebildet sind, ähnlich der oben in Verbindung mit PCB 10 beschriebenen. Eine derartige reflektierende Oberflächenbeschaffenheit auf den Innenflächen der optischen Kammer 16 vergrößert die Gesamthelligkeit und Gleichförmigkeit der Beleuchtung durch Reflektieren von auf die Seitenwände der optischen Kammer 16 gelenkten Lichtstrahlen auf die LCD-Tafel 18.
Bevorzugt enthält die Beleuchtungsquelle 12 ausreichende Mengen an Leuchtdioden, entweder LEDs oder OLEDs, die zueinander in ausreichend geringer Nähe angeordnet sind, so daß das erzeugte Licht ausreichend hell und gleichförmig ist, um das Display bei entsprechenden Lichtpegeln im wesentlichen gleichförmig zu beleuchten. Wenngleich die Beleuchtungsquelle 12 gemäß der vorliegenden Erfindung eine hervorragende Displaygleichförmigkeit liefert, ist eine fakulative optische Diffusortafel 20 zwischen der Beleuchtungsquelle 12 und der LCD-Tafel 18 vorgesehen, um eine Displaygleichförmigkeit sicherzustellen, wie in dem am 19. Januar 1999 an Tedesco erteilten US-Patent Nr. 5,861,990 , Combined, Optical Diffusor And Light Concentrator beschrieben ist. Die optische Diffusortafel 20, die in hintergrundbeleuchteten LCD-Einrichtungen üblich ist, wandeln Licht von Lampensegmenten oder diskreten Quellen in ein gleichförmigeres Glühen über die Oberfläche der LCD-Tafel 18 hinweg um. Derartige Diffusortafeln lenken einfallende Strahlung in mehrere Ausgangsstrahlen um, die helfen, die ansonsten zwischen den diskreten LED- oder OLED-Quellen sichtbaren Lücken zu füllen. Das Ergebnis ist ein gleichförmigere Beleuchtung der LCD-Tafel 18 über einen relativ breiten Bereich von Betrachtungswinkeln. Die optische Diffusortafel 20 eignet sich insbesondere dann, wenn die Erfindung mit einer relativ geringen Zahl von LED- oder OLED-Quellen ausgeübt wird, wodurch Lampensegmente oder diskrete Quellen visuell in der Beleuchtungsquelle 12 erfaßt werden können. Die optische Kammer 16 empfängt die PCB 10, wobei die Seite, auf der die Beleuchtungsquelle 12 angebracht ist, zur LCD-Tafel 18 zeigt. Die fakultative Diffusortafel 20 ist, falls sie vorliegt, zwischen PCB 10 und Display 20 installiert.
Die LCD-Tafel 18 ist zur Anbringung auf der anderen von zwei im wesentlichen parallelen Montageoberflächen 16A und 16B der optischen Kammer 16 gegenüber der PCB 10 bemessen. Die LCD-Tafel 18 weist, wie in der Technik bekannt ist, ein durchlässiges Design auf. Beispielsweise handelt es sich bei der LCD-Tafel 18 um ein herkömmliches matrixartiges Display unter Verwendung einer lichtdurchlässigen Art von ferroelektrischem Flüssigkristalldisplay, das aus zwei transparenten Polarisatoren ausgebildet ist, die einander gegenüber in überkreuzter nicolscher Beziehung ausgebildet sind, wobei zwei transparente Substrate auf den Innenflächen der Polarisatoren angeordnet sind. Mehrere parallele transparente leitende scannende Elektrodenstreifen sind auf der Innenfläche eines transparenten Substrats ausgebildet, und mehrere orthogonal gegenüberliegende parallele transparente leitende Signalelektrodenstreifen sind auf der Innenfläche des gegenüberliegenden transparenten Substrats angeordnet. Eine ferroelektrische Flüssigkristallschicht ist zwischen den transparenten Substraten ausgebildet und dazwischen abgedichtet. Treiber sind jeweils mit den jeweiligen scannenden Elektroden verbunden, um eine Spannung Vc daran anzulegen, und Treiber sind jeweils mit den jeweiligen Signalelektroden verbunden, um daran eine Spannung Vs anzulegen. Die orthogonal gegenüberliegenden scannenden Elektrodenstreifen und Signalelektrodenstreifen überlappen unter Ausbildung diskreter Bildelemente oder Pixel. Die herkömmliche hintergrundbeleuchtete LCD-Tafel wird betrieben, indem verschiedene der Pixel in Licht durchlassende und blockierende Zustände gebracht werden, indem die Spannungen Vc und Vs an entsprechende Elektroden angelegt werden. Ein bestimmtes Pixel wird transparent und läßt das von der Beleuchtungsquelle 12 erzeugte Licht durch, wenn eine der Gleichungen (1) oder (2) über einen Zeitraum von T Sekunden oder länger erfüllt ist. Vc – Vs ≥ Vth1 (1) Vc–vs ≥ – vth2 (2)wobei Vth₁ und Vth₂ Schwellwertspannungen des Flüssigkristalls sind und T eine reelle Zahl über Null ist. Im Gegensatz wird ein bestimmtes Pixel undurchlässig oder blockiert den Durchgang von Licht, wenn die andere der Gleichungen (1) und (2) für einen ähnlichen Zeitraum von T Sekunden oder länger erfüllt ist. Somit aktivieren die an eine Reihe und Spalte angelegten Ansteuersignale ein ausgewähltes Pixel. Ein derartiges herkömmliches matrixartiges Display, das eine lichtdurchlässige Art von ferroelektrischem Flüssigkristalldisplay verwendet, wird beispielsweise in dem am 7. April 1992 an Numao erteilten US-Patent Nr. 5,103,328, Liguid Crystal Display Having Light Shutter Elements Disposed Between the Backlight Source And The Display Panel beschrieben. Die Steuerschaltung liefert die Ansteuersignale.
Wie in der Technik wohlbekannt ist, kann die Abgabe von LED-Lichtquellen mit Temperaturänderungen erheblich variieren, wobei sie bei höheren Temperaturen stark reduziert ist. Die Leistung von vielen Elektronikkomponenten ist analog bei erhöhten Temperaturen beeinträchtigt. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten infolgedessen eine fakultative Kühlkörpereinrichtung 22 zum Führen von Wärme, die von der Beleuchtungsquelle 12 und Halbleiterchips 13, die Treiber- und Steuerelektronik enthalten, erzeugt wird. Der Kühlkörper 22 bildet bevorzugt eine geschichtete Baugruppe, wobei die PCB 10 zwischen die optische Diffusortafel 20 und den Kühlkörper 22 geschichtet ist, Beleuchtungsquelle 12 parallel und in unmittelbarer Nähe zur Diffusortafel 20 und beide Halbleiterchips 13 und Helligkeitssteuerschaltung 14 in einem in einer Fläche des Kühlkörpers 22 ausgebildeten Hohlraum 24 passen. Die so ausgebildete geschichtete Baugruppe ist auf einer Seite der optischen Kammer 16 gegenüber von dem LCD-Display 18 und von diesem beabstandet angebracht. Alternativ wird von der Beleuchtungsquelle 12 erzeugte Wärme unter Verwendung einer nichtgezeigten üblichen Gebläseeinrichtung abgeführt. Das Gebläse ist entweder in Kombination mit den anderen Elementen der Flüssigkristalldisplayeinrichtung der Erfindung oder als eine getrennte Kühleinheit auf einem Elektronikgehäuse ausgebildet, auf dem die Flüssigkristalldisplayeinrichtung angebracht ist.
Wenngleich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, ergeben sich dem Durchschnittsfachmann auf dem relevanten Gebiet Abweichungen und Modifikationen. Beispielsweise ist der Kühlkörper 22 nicht auf die gezeigte flache Platte begrenzt. Der Kühlkörper 22 ist wahlweise mit herkömmlichen wärmewegführenden Rippen auf einer Oberfläche gegenüber der Aufnahme zur PCB 10 ausgestattet, um ein effizienteres Kühlen zu fördern. Bei einem weiteren Beispiel läßt sich die Erfindung gleichermaßen zur Verwendung in Kraftfahrzeugarmaturentafeln und Flugzeugcockpits anwenden. Die Erfindung weist, wie vorgeschlagen, auch Anwendungen für viele Computer- und Unterhaltungsanwendungen auf, bei denen preiswerte Flüssigkristalldisplays von Vorteil sind, beispielsweise Flachbildschirme für Laptop- und Palmtop-Computer. Zumindest aus diesen Gründen soll die Erfindung angesichts der Ansprüche interpretiert werden und nicht auf die hier beschriebenen besonderen Ausführungsformen beschränkt werden.

Claims

Hintergrundbeleuchtete Flüssigkristalldisplayeinrichtung, die folgendes umfaßt: eine optische Kammer (16) mit einer ersten und zweiten offenen Fläche, die einander gegenüberliegend und beabstandet sind; ein Flüssigkristalldisplay (18), das an der ersten Fläche der optischen Kammer angebracht ist; eine Leiterplatte (10) mit einer ersten und zweiten Oberfläche, die im wesentlichen parallel sind, wobei die erste Oberfläche an der zweiten Fläche der optischen Kammer angebracht ist; mehrere Leuchtdioden (12), die in einem zweidimensionalen Array über im wesentlichen der ganzen ersten Oberfläche der an der optischen Kammer angebrachten Leiterplatte angeordnet sind, um den Hintergrund des Flüssigkristalldisplays zu beleuchten; eine Helligkeitseinstellschaltung (14), die auf der Leiterplattenoberfläche gegenüber den Leuchtdioden angeordnet ist; einen Kühlkörper (22), wobei ein Hohlraum (24) in einer Fläche des Kühlkörpers ausgebildet ist, der neben der Leiterplattenoberfläche gegenüber den Leuchtdioden angeordnet ist; und wobei die Helligkeitseinstellschaltung (14) in den Hohlraum (24) eingepaßt ist.
Hintergrundbeleuchtete Flüssigkristalldisplayeinrichtung nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere der einzelnen Leuchtdioden weißes Licht abstrahlen.
Hintergrundbeleuchtete Flüssigkristalldisplayeinrichtung nach Anspruch 2, weiterhin mit einer optischen Diffusionsplatte (20) neben den Leuchtdioden gegenüber der Leiterplatte.
Hintergrundbeleuchtete Flüssigkristalldisplayeinrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste Oberfläche der Leiterplatte mit den darauf angeordneten mehreren Leuchtdioden weiterhin eine darauf ausgebildete lichtreflektierende Oberflächenbeschaffenheit enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristalldisplaytafel, deren Hintergrund mit weißem Licht unter Verwendung von Leuchtdioden beleuchtet wird, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Anbringen einer Flüssigkristalldisplaytafel (18) an einer ersten offenen Oberfläche einer optischen Kammer (16); Anbringen mehrerer Leuchtdioden (12) in einem die Oberfläche einer Leiterplatte (10) im wesentlichen abdeckenden zweidimensionalen Array, wobei eine oder mehrere der einzelnen Leuchtdioden jeweils ein im wesentlichen weißes Licht erzeugen; Anbringen der Leiterplatte an einer zweiten offenen Oberfläche der optischen Kammer in einer im wesentlichen direkt hintergrundbeleuchtenden Beziehung zu der Flüssigkristalldisplaytafel und von dieser beabstandet; Anbringen einer Helligkeitseinstellschaltung (14) auf der den Leuchtdioden gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte; Anbringen einer wärmeabführenden Einrichtung (22) mit einem in einer Fläche ausgebildeten Hohlraum (24) in einer geschichteten Beziehung mit der Leiterplatte auf einer Seite der Leiterplatte gegenüber den Leuchtdioden, so daß die Helligkeitseinstellschaltung (14) in den Hohlraum (24) eingepaßt wird; und wobei das Bestromen des zweidimensionalen Arrays von Leuchtdioden eine Hintergrundbeleuchtung der Flüssigkristalldisplaytafel mit einer im wesentlichen gleichförmigen Beleuchtung bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin mit dem Anbringen einer optischen diffundierenden Einrichtung (20) in einer geschichteten Beziehung mit der Leiterplatte und der wärmeabführenden Einrichtung auf einer Seite der Leiterplatte gegenüber der wärmeabführenden Einrichtung.