对比度增强过滤器和具有这种过滤器的显示器 本发明涉及一种用于显示设备的对比度增强过滤器，它包括一个具有多个相连的倾斜表面的元件，这些倾斜表面担当多个射束分裂器。
本发明也涉及一种配备有这种过滤器的显示设备。
在传统的对比度增强过滤器中，穿过过滤器的光在两个方向上被吸收的程度基本上相等。对比度增强以通过过滤器的光的通路数量为基础。从外部进入过滤器的环境光通过过滤器两次，而来自显示器的光只通过过滤器一次。
传统地对比度增强过滤器的一个问题在于对比度增强是相对有限的。
因此，本发明的目的是提供一种改善了对比度增强的对比度增强过滤器。
本发明的这一目的和其他目的通过引入给定的这种过滤器来实现，它进一步包括多个光吸收器，每个光吸收器排列在多个光束分裂器相邻几个之间的区域，并从该元件第一侧面向至少一个所述的相邻光束分裂器延伸，第一侧面是环境光射入的侧面，光吸收器用于吸收入射到所述区域的光以及由所述相邻光束分离器之一向光吸收器反射的光。
在根据本发明的对比度增强过滤器中，环境光的很大一部分被过滤器吸收，从而增加了对比度的增强。
为了解释这一点，该元件能够看作是一个光束分裂器系统，它分为几个部分，每个部分由两个相邻的光束分裂器组成。所述相邻的光束分裂器形成一个尖角的表面，指向第一侧面。
从第一侧面进入过滤器的入射光碰到尖角表面，一部分向一旁反射到光吸收器。这样，环境光的很大一部分被吸收。而且，入射光的一小部分直接碰到光吸收器，即吸收器作为一种黑色矩阵。在一些应用中，使吸收器比需要的稍宽一些以增强它的功效是有益的。
对于显示器发出的光，它从与第一侧面相对的第二侧面进入过滤器，尖角表面起到一个漏斗的作用。发射光被部分反射，首先穿过尖角形，接着返回到第二侧面。在每次反射时，光被部分透射，第一次继续向过滤器的第一侧面，第二次向吸收壁。
这一过程的结果是，发射光的一小部分向源反射回到光源。在发射性显示实现中这是特别有益的，其中，本发明的过滤器排列在发射层外面，第二侧面面对发射层。反射回到光源的光由发射层再反射到过滤器，因此进一步促进了从屏幕发出的光。因此，增加了发射光中通过过滤器的部分。
优选地，射束分裂器和过滤器外表面之间的角度基本上是45度。在这个角度上，过滤器的对比度增强特别好。
根据一个实施例，该元件包括由多个凹槽形成的基底，吸收器排列在这些凹槽中。凹槽形的基底表面则形成射束分裂器，尖角形由两个凹槽之间的脊产生。这些吸收器起到脊之间的分割器的作用。
根据另一个实施例，该元件包括由多个脊形成的基底，每个脊有一个脊顶和一个脊底，吸收器由沿着所述脊形成的多个通道形成，每个通道从脊的脊顶延伸一段距离到所述第一基底，所述通道填满了光吸收材料。在这种情况下，尖角形由两个脊之间的谷或凹槽形成。
根据优选实施例，过滤器包括：一个由多个脊形成的第一基底，每个脊具有脊顶和脊底；和一个由多个凹槽形成的第二基底，所述第一和第二基底装配在一起，从而使得所述脊由所述凹槽容纳。两个基底具有基本上相反布局的表面。当它们装配在一起时，射束分裂器系统由凹槽和脊在两个基底的分界面接触的表面形成。尖角形现在由基底之间的边界表面形成，从第二基底中的两个凹槽之间的隆起产生，隆起到第一基底中的两个脊之间的谷中。
通过使用两个诸如玻璃之类的固体、透明材料的基底，射束分裂器的质量增强了。
而且，吸收器能够由沿着所述脊长度形成的多个通道形成，每个通道从脊的脊顶延伸一段距离到所述第一基底，所述通道由光吸收材料填满。
根据进一步的实施例，第一基底由平行的Λ形脊形成，而第二基底由平行的V形凹槽形成。这形成了在一个方向上具有规则的之字形横截面的边界表面。
根据再另一个实施例，第二基底由几组平行的V形凹槽形成，所述凹槽之间形成隆起的锥体。两组正交的凹槽形成正方形底的锥体，而三组凹槽形成三棱锥体。优选地，在后一种情况下，所有的三个棱互相垂直，即立方体的转角，形成所谓的逆反射体(retroreflector)。第一基底能够在两种情况下由具有形成凹形的格子的脊形成，其形状与所述锥体之间相适合。
根据再另一个实施例，第二基底由隆起的圆锥形形成。第一基底则能够用适合于容纳所述圆锥形的凹形形成。
优选地，通道向第一基底延伸到至少与脊的脊底水平的程度。通道从而沿着边界表面的整个深度延伸。优选地，至少一个所述基底覆盖有折射或反射涂层。这样的涂层能够影响边界表面的反射和折射，从而确定形成的射束分裂器的特性。
参照附图对优选实施例进行更清楚的描述会使本发明的这些和其他方面更显然。
图1是表示根据本发明的过滤器的原理的示意性截面图。
图2是表示本发明原理的示意性截面分解图。
图3是根据本发明的第一实施例的过滤器基底的透视分解图。
图4是根据本发明的第二实施例的过滤器基底的透视分解图。
图5是根据本发明的第三实施例的过滤器基底的透视分解图。
图6是根据本发明的第四实施例的过滤器基底的透视分解图。
图1示意性示出了根据本发明一个实施例的过滤器1的一部分，它放在具有Al背衬的荧光层10的顶部，形成例如CRT的显示单元的一部分。接下来的说明将主要集中于对比度增强过滤器的这一应用，尽管这不应当认为是对本发明的限制。本发明的对比度增强过滤器能够应用到大多数显示器，比如家用电视和计算机监视器。更具体地，原则上它可以用于CRT、等离子显示器、“薄膜(foil)”显示器、LED显示器等。基本上它能用于其中光产生介质能够由反射面作背衬(back)或其本身可反射的任何显示器。它甚至能用于背部发光(back-lit)的LCD显示器，尽管获益不是很多，因为LCD显示器已经吸收了落入显示器中的大部分环境光。
根据本发明的过滤器的一个不同的应用是单面透视镜(one-waymirror)，这时本发明的过滤器能够确保从一侧进入的光反射得更多，而来自另一侧的光更多地被吸收。这样如果两个相同亮度的房间用这样的镜子分开，则通过这面镜子更容易从一侧看过去。
回到图1，第一光束30从荧光层10发出，而第二光束40表示入射到过滤器1的环境光。这些光束30、40由两个由包括过滤器1的两个基底6、8形成的射束分裂器2、4反射。在射束分裂器2、4的每个侧面上有形成在上基底6上并填满光吸收材料14的通道12、13。
从图2中看到，首先，上基底6具有由两个相邻的脊20的相对斜面18、19形成的三角形谷或凹坑16。凹坑由两个通道12包围着，通道从脊20的脊顶22延伸到脊底23。
以同样的方式，第二下基底8具有由两个相邻的凹槽26的相对斜面24、25形成的三角形隆起27。三角形隆起27适合凹坑16，从而当它们装配在一起时沿着两个基底6、8的边界表面形成该对射束分裂器2、4。
在所述例子中，隆起27的每个侧面24、25与基底8的外表面形成一个45度角(α)，与基本上是直角的角29形成一个三角形27。形成凹坑16的脊20以相应的方式形成。很明显可以想象隆起27和凹坑16的其他形状，比如具有不同角度的形状。
再回到图1，光束30、40的路径30、31、32、33、34、35、36、37和40、41、42、43、44已经被标记。吸收的不同之处接下来将通过计算每个光束的透射和吸收来量化。这里，假定射束分裂器的透射系数是x，荧光材料的反射系数是y。
开始射束30从荧光体发出，射束碰到射束分裂器2、4之一并分为两个射束31、32。表示初始光强度一部分(fraction)x的第一射束31穿过过滤器，而表示一部分1-x的第二射束23向第二射束分裂器4、2反射。第二次分裂发生，表示一部分(1-x)x的射束33继续向通道13前进并被吸收，而表示一部分(1-x)2的另一个射束34向荧光体10反射回来。最后，该射束34被部分反射，产生具有强度(1-x)2y的射束35。剩余的光被吸收。
现在回到从过滤器外入射的射束40，这射束撞击到射束分裂器2，4之一并被分为两个射束41，42。表示原始光强的一部分1-x的第一射束41朝着通道12反射并被吸收。表示一部分x的第二射束42朝着荧光体10发送，一部分被发射，使得光强为xy。剩余光被吸收。
使用以上定义的系数x，y，我们有以下结论：
离开荧光体10的光的透射是：x/[1-(1-x)2y]。
离开荧光体的光的吸收是：
[(1-x)x+(1-y)(1-x)2]/[1-(1-x)2y]。
进入显示器的光的透射是：xy。
进入显示器的光的吸收是：(1-x)+x(1-y)＝1-xy。
因此，从外部进入的光和来自荧光体进入的光的透射比等于
T＝{x/[1-(1-x)2y]}/(xy)＝1/{y[1-(1-x)2y]}。
对于一个普通对比度增强过滤器，从外部进入的光和来自荧光体的光的透射比是(在相同的假设条件下)Tn＝x/(xy)＝1/y
对于y＝0.88(Tn＝1.14)的一些数值：
x T(x) T(x)/Tn(x)
0.01 8.26 7.27
0.2 2.60 2.29
0.3 2.00 1.76
0.5 1.46 1.28
从而，对于一个50/50射束分裂器并且y＝0.88，显示器的亮度是28％，比具有相同对比度增强的普通的“50％”对比度增强过滤器要好。一个30/70射束分裂器是76％，比一个普通的“30％”对比度增强过滤器亮度更好。
这种简单的计算只对垂直于表面的光有效。对于实际的显示器，必须考虑不同的角度。
注意，如果射束分裂器效率(反射系数)依赖于光的入射角，将有不一样的光从过滤器发射出来。但是，该不一样的光发射的效果很不容易注意到，并能够由有技术的技工处理，例如通过使顶基底外表面不平坦。
参照图3和4，接下来说明具有上述特性的过滤器如何实现的例子。
在图3种，“V”形凹槽结构蚀刻到玻璃板6上，为了教学的原因，下文中称之为“Λ”形脊结构，指形成在凹槽之间的平行脊20。通道12沿着脊的脊顶22蚀刻，并且填满黑色吸收材料14，比如碳、黑墨水或黑色聚合物。
同样的“V”形凹槽结构被蚀刻到另一个玻璃盘8上，它接着能够用低折射系数涂层或反射涂层象TiO2、Al或Ag覆盖。涂层增强了射束分裂效果，并能够根据本申请由有经验的技工进行优化。
盘6排列在盘8的顶部。形成两个凹槽表面基本上互相适应，顶板6的脊适合底板8的凹槽26，从而被吸收通道包围。脊和凹槽之间的边界线建立图1所示的射束分裂器。
参照图4，上述“Λ”形脊和“V”形凹槽结构能够用锥体51和“倒锥体”52代替。更具体地，底玻璃板8用锥体51形成，实践中通过蚀刻两个正交平行凹槽组26、30并剩下锥体实现。顶板接着用与这些锥体51匹配的凹坑52形成，或者换句话说，用检验图案中的脊20、21形成中间的凹坑。和第一实施例一样，通道12、13沿着脊的脊顶形成，这种情况下形成了通道的格子。
通过让每个锥体/凹坑表示一个像素，该第二实施例具有光不从一个像素向下一个像素“泄漏”的优点。
如图5所示，通过在下基底8上形成三组平行凹槽26、50、55，锥体将是三棱的所谓逆反射体。上基底6中的凹坑54适于容纳这些锥体53。这种情况下，通道12将在每个锥体周围排列为三角形的形式。尽管如图4所示的正方形锥体51可能对正方形像素是优选的，但是逆反射体具有较少受改变与光源的距离的影响的优点。
另一个例子将具有形成在下基底8上的圆锥形56，如图6所示。上基底6具有对应的凹坑58，适于容纳圆锥体56。这种情况下，通道在每个圆锥形凹坑58周围形成为柱体60。而且，柱体60之间的中间区域用吸收材料填满。这减少了过滤器的发射，但例如对具有所谓的三角微分设计(delta-nabla layout)，即六角形子像素设计，这可能仍然是有用的解决方案。
在以上说明中，基底6、8已经被分别形成并接着装配。制造两个基底的有时是优选的另一种方式是生在基底6或8上蚀刻想要的表面图案，接着用液体材料填充该图案，再形成平坦表面，接着让它硬化。通道12、13能够蚀刻到由此形成的元件上。也可能由其他生产来制造。
射束分裂器能够被(部分)极化，因为环境光、从荧光体发出的光和从荧光体分散散射的光都没有极化。因此，实际上从射束分裂器发出或反射的光是否被极化都没有关系。
应当注意到，上述当前的优选实施例可以由本领域技术人员不偏离随附权利要求限定的范围而作出修改。例如，只要保持吸收通道的功能，脊和凹槽能够有不同的形状。过滤器不必排列在荧光层的顶部，而也能够安排在光的吸收依赖于光的方向的任何应用中。
自然，其他光学元件可以包括在过滤器中用于改善性能。例如，能够包括附加的反射器，而不破坏以上公开的射束分裂器和吸收器的功能。