对背面照明的改进以及与之有关的改进 本发明涉及背面照明，并且，尽管是非排它性的，尤其涉及液晶显示器(LCD)的背面照明。
比起早得多产生的并且具有极大竞争性的阴极射线管(CRT)技术，LCD技术的主要优点之一在于厚度尺寸上的紧凑性，而且在某些显示应用中上述的紧凑性使得LCD成为唯一可行的解决办法。在其它的大量应用中出于审美的原因CRT的庞大使得CRT变成不是所要求的。
尽管CRT有效地包含着其自身的光源，而LCD需要外界照明。有时这可以借助环境照明来达到，在这种情况下LCD实质上是反射性的。但是，更经常地，LCD需要背面照明，并且背面照明技术必须不会过分地损害上述厚度尺寸上的紧凑性。而且还要求背面照明的亮度基本上是均匀的，在功耗上是经济的并且具有可接受的寿命。
已经进行了许多努力为LCD研制有效的和紧凑的背景光源，由荧光管和漫射管构成的背景光源是公知的。此外，例如在JP-A-63150850、JP-A-63208543、JP-A-62150647和US-A-4，872，741中已公开了许多改进设备的建议。
上述所有的文献都公开采用无电极灯技术的相对薄的背景光源。JP-A-63150850和JP-A-63208543公开在一个公用支架上使用多个管状无电极灯，这些灯由不同的线圈结构所激励。另一方面，JP-A-62150647和US-A-4，872，741公开采用由单个平面封套(unitary flat envelopes)组成的无电极灯。
很清楚为了背面照明LCD需要采用无电极技术，这是因为无电极技术能够发出具有良好均匀性和高亮度光线以及具有长寿命和在厚度尺寸上具有潜在紧凑性的光输出。
但是，含有气体填充物的无电极灯也存在着困难，为了使这种灯工作需要激励它，并且为了触发和运转这种灯需要把射频能量施加到激励器元件上并且再耦合到气体填充物中。要使这种灯可靠地运行并且具有强的均匀亮度，该耦合的效率是首要重要的。无电极背面照明技术的这个方面正是本发明所主要关心的。
JP-A-62150647提出沿矩形无电极背景光源的周边排列耦合元件。但是，一旦背景光源平面超过某个相对小的尺寸时这种布局不能按所需的均匀度激励灯。另一方面，US-A-4，872，741提出采用沿矩形背景光源的后表面分布的圆环线圈阵列。但是，这种布局可能引起对灯激发的制约，此外由于圆环线圈的厚度增加了背景光源的总厚度尺寸，所以在某种程度上它还损害了组件的紧凑性。并且往往还会导致缺少对所产生的气体放电形状的控制，从而限制了均匀性性能。
根据本发明提供了一种照明显示器的无电极背景光源，该背景光源包括一个基本上平的组件，为了和显示器的尺寸相一致，该组件是按二维构形而其第三维代表着该组件的厚度，该组件带有至少一个含有气体填充物的封套气体填充物可以响应对其所施加的射频能量而产生电磁辐射，该电磁辐射反过来又激励转换媒介以产生可见光，该背景光源的特征在于用于把所述射频能量施加到所述气体填充物的装置包括一个或多个由导电材料所组成的驱动装置，驱动装置和沿所述二维延展的预定图像相一致，而在所述第三维上驱动装置基本上只扩大所述导电材料的厚度，所述图案大致为螺旋形状并和所述封套并列。
为了清晰地理解本发明和方便地施行本发明，现将参照附图说明一些仅作为例子的实施方式，附图是：
图1示意性地说明本发明的第一实施方式；
图2示意性地说明可替换的螺旋状线圈；
图3示意性地说明在可替换线圈的等离子弧上的效应；
图4示意性地说明螺旋状线圈的可替换的图案；
图5示意性地说明用来驱动根据本发明的一个线圈的电路；
图6示意性地说明根据本发明的非平面式的布局；
图7示意性地说明在一个灯泡封套上直接构成螺旋线圈；
图8(a)、(b)和8(c)表示如何由一些各具有自身螺旋电极(或电极组)的单独的、相对小地背景光源构成用于大面积显示器的背景光源；
图9表示由六边形背景光源嵌装图案组成的一部分的背景照明结构；
图10和图11分别由透视图和分解图表示根据本发明的一种实施方式的圆形背景光源的典型结构；以及
图12表示射频驱动电路的常规电路布局。
首先参见图1，可以看出在电路板基片4上螺旋式地形成由导电材料(在本情况下是铜)构成的电感线圈2。最初把铜镀在电路板4的至少一个主表面上，然后通过标准的金属板印刷技术把铜去掉，以形成基本上为螺旋图案的线圈2。
板4被非常贴近地放到含有气体填充物的密封玻璃封套10中。气体填充物的性质是由背景光源所要生成的光学特性所确定的，但是通常封套10含有降低压力(≈2mbar)的一种或几种惰性气体并且还含有少量的汞。该封套两个主表面中的一个(在本情况下该主表面为离板4最远的那个表面，即朝着被照明的LCD的前表面)的内侧上带有荧光涂层。当如图1中的虚线12所示板4和封套10相互邻接时，并且使线圈2和封套10相并列，经接触点6、8从电压源(图中未示)向线圈2提供射频交流电压。螺旋线圈2不是必须如图中所示是单向的，而重要的是使气体填充物中所感应的电流是不相互抵消的。对于熟练的技术人员这个要求是很容易理解的。如周知，在封套10中引起产生紫外辐射的等离子弧，该紫外辐射所具有的波长可激励荧光物质以发出可视辐射。以这种方式背景光源产生可用于照明LCD的可见光。
很清楚封套10的另一个主表面(若需要，以及一些次表面)也可以涂覆荧光材料。通常封套10是用玻璃制造的，在这种情况下要把荧光物质涂在封套的内部，这是因为如果把荧光物质涂在封套10的外部玻璃会吸收紫外辐射从而大大降低了装置的有效性。但是，如果封套10是用不明显吸收紫外辐射的材料如石英制造的，则可以采用外部荧光物质涂层，该外部涂层比内部涂层要容易实现。
在所述的任一种结构中，可以在封套10的后表面上或者靠近后表面设置反射材料，以便把会从后表面上泄露的因而会浪费掉的任何可见光或紫外辐射反射回到封套之中。在图1的例子中，线圈2被表示为是按单一的标准的几何螺线螺旋式地形成的。通过参照图2还可以看出对于线圈可能有不同的许多可替换的螺旋状形状，相对于已知的非螺旋状电感线圈这些形状各具有不同的优点。但是和这些广义的螺旋式图案相符合的一个共同的优点是它可以更容易和更可靠地激励放电。这归功于这些广义螺旋状图案所产生的电场具有辐射状性质。
可以看出图2(a)表示如图1相同的圆环螺旋式线圈2，图2(b)表示椭圆螺旋式线圈2，图2(c)是矩形线圈而图2(d)是多重同心线圈。很明显这里所采用的“螺旋地”和“螺旋式”术语不仅包括弯曲的而且还包括线状的、非均匀的以及多重的螺旋线。而每一种“螺旋线”的特点在于从中心点为准以线圈的每一完整圈或匝的平均增大的“半径”。
尽管如图2中所示螺旋状线圈2的形状在一定程度上是任意的，但是在封套10的气体填充物中每种形状产生它自己的特征等离子弧。参照图1、2和3，将说明几种这样的特征。
在图3(a)3(b)和3(c)的各图中按图1中箭头的方向表示出封套10的截面ABCD，其中线段CD沿长度最大的一边等分该封套。图3中的各图表示不同形状的线圈2的气体填充物中的等离子弧放电的例子。截面ABCD之中的实线13是等离子弧的电子密度等高线。
图3(a)表示按US-A-4，872，741建议的圆环形线圈产生的非均匀放电。该线圈具有圆的形状其剖面如参考数12所示。
如图3(b)中剖面14为图2(a)中所示的标准螺旋状线圈2。可以看出图3(b)的高电子密度等高线要比图3(a)的等高线更均匀地沿封套分布。这是由于该线圈的扁平螺旋特性所决定的。
类似地，图3(c)的剖面1b为图2(d)的螺旋状线圈2的剖面。从等高线的形状中可以清楚地看出原理上它提供图3所示各线圈布局中的最均匀电子密度分布以及最均匀的光线输出。但是，在实际中最好采用图2(a)中圆形螺旋布局或图2(b)中椭圆布局中的一种。
尽管本发明的一个特点是根据本发明的螺旋状线圈是单层的，从而可以有效地提供比例如环状线圈占据较少空间的二维线圈，但是有可能如图4中所示把许多这样的单层堆积和/或重叠起来。
图4(a)表示许多方形螺旋状线圈18，而图4(b)表示许多六角形螺旋状线圈20。如上面尤其是参照图3所讨论的那样，这些各种布局将在封套10中造成各具特性的等离子弧。在表示圆形螺旋状线圈的图4(c)中，在板4的一例上构造前台上的线圈22，而在板4的另一侧上构造线圈24。
现参照图5示意性地说明适用于驱动根据本发明的线圈的电路。经电容器26、28通过触点6、8线圈2和电压源30连接。电源30产生频率为13.56MHz的交流电压，电容器26为19pF而电容器28为54pF。线圈2加工为(以周知的方式)具有2.5mH电感的尺寸。
尽管根据本发明的螺旋状线圈必须在单层中构成，但是不是必须象上面的例子那样，该层可以不是平面状的，并且该封套也可以不是平面状的。当然，为了在背景光源和线圈之间得到有效的耦合单层线圈的形状应该和背景光源的形状一致，因此如需要该层可能是弯曲的或扭曲的。在图6中显示了这样的例子，图6中用相同的数字代表和上述例子中相类似的部件。从图6中可以看出，线圈2仍然在板4上的单层上，但是板4是弯曲的而不是如上面所示是平面形的。
在上面的各例子中，线圈2表示为是在板4上构造的，尽管线圈2是和封套10相邻的，但线圈是和封套分开的。但如图7所示，不必如此，可以在封套10上构造线圈2并成为一个整体，这样可以提供比前面所描述布局更加细长的布局。
熟练的技术人员可以意识到对于螺旋状线圈—不论其形状如何—不必强迫其具有均匀的匝间间距。从而本发明旨在得到比采用已知的单层螺旋状线圈具有更均匀光输出的更薄的背景光源。
对于熟练的技术人员这一点也是明显的，即根据本发明的螺旋状线圈在导电部件的各相邻的匝或圈之间总存在着间隙或间隔。例如可以通过把电绝缘材料涂覆在导电部件上以在各圈之间留下空气间隙并把该柔软物按螺旋式围绕自身缠绕起来而得到这种间隙或间隔。
当构造一个用于相对大面积的显示器(如6英寸×8英寸)的背景光源时，用几个较小的，各具有自身激励螺旋形电极或电极组的背景光源光源组建这个大背景光源是简便的。例如，一个6″×8″的背景光源可以由四个6″×2″的封套构成，如图8(a)、8(b)和8(c)的布局中所示，这些封套一个靠着一个地排列着并且每个各由一个、二个或三个螺旋状电极驱动。
很清楚，封套不必是矩形的，并且如果它们是矩形的它们也不必和图8(a)、8(b)和8(c)中所示的布局相一致。例如，最好用八个3″×2″的封套，而不是用四个6″× 2″的封套构成用于6″×8″显示器的背景光源，并且相应地各螺旋状电极的布局也可能是不同的。但是，通常最好使用来构造本段和前面段中所讨论的组合型背景光源类的各个封套的数量为最小，因为各个不同封套间的接合或连接线可以造成光线输出的不均匀性。在需要时可借助各种光学部件诸如漫射器或者微透镜阵列来补偿这种不均匀性，但是不使用额外的部件制造组合背景光源会更便宜和更容易。
把各个六角形封套镶嵌成蜂窝状结构而构成的组合光源是一种特别适宜的布局，其有规则的但又是非线性的连接线的分布格式使得在显示器的整个表面区域上光线输出的非线性是按一个可接受的型式分布的。在图9中示意地表示了这种布局。
在所有的实施方式中，尽管该方法不是必不可少的，通过对诸如印刷电路板的非导电基片上的铜质镀层进行蚀刻构造螺旋状电极是简便的。铜的厚度典型地为30至60微米并且蚀刻是按照标准的光刻过程进行的。因为典型地螺旋状电极是由频率为13.56MHz并且功率大约为20瓦的电源驱动的，基片材料必须能够耐受显著的加热，在某些情况下最好采用陶瓷基片。另一方案是，如上面所述，螺旋状电极或电极组可以直接构造在封套自身的表面上，该封套通常是用玻璃或石英制定的。
从图5中可以看出，在本情况下各电容器用于和带有螺旋状电极电感的电路进行调谐。把这些电容器构放在铜镀层的未使用区域上是适宜的，使它们远离由螺旋状电极或电极组占据的区域，尤其当采用双面都带有铜镀层的基片时更应如此。在这种情况下，可以把基片相对面铜镀层的覆盖区域留着用于建立电容器。在任何情况下，设置一种微调谐能力是适宜的，它可以采用移动式交错元件的微调电容器的形式，并相对于电源和电极(或电极组)适当地安装该微调容器。
图10表示直径为70mm的圆形背景光源构件的典型结构，它本质上包括一个含有短粗圆柱式背景光源封套36的主外壳34。如可从图11分解图中更容易地看出那样，在尾部为部件34和36增添了已说明过类型的螺旋状电极38以及直流至射频转换器与功率匹配驱动电路40，后者安装在主外壳34之内。此外，在不同的位置上有不同的防护部件，如尾部紧固板42和构件背板44，以及在构件前部的前部紧固板46、氯丁橡胶缓冲垫片48、透明防护屏幕50及封套固定板52。在主外壳34的前部还添加了一个型号及序号牌54。通过插座56向主机座34内提供直流电源并且把直流电源连接到电路40上。
图12表示驱动上面所说明的螺旋状电极的频率为13.56MHz功率为20瓦的电源的适宜的电路装置。
该电路装置预定是装在一个压铸盒(未示出)里的，为了和前面所说明的与图10和图11有关的圆形灯(未示出)一起使用而构造了这个压铸盒，该电路装置要求一个电压高至30伏电流为1.25安培的直流电源。固定在该压铸盒外部的散热片允许电路连续工作。
该电路具有一个驱动单级终端放大器60的晶体控制振荡器58。该放大器设计成在得到80％的从直流到射频的效率时以50欧姆的负载阻抗按E类放大器工作。当在其它阻抗下驱动时可能得到较低的效率。
电路中使用了两个场效应晶体管(FET)62和64，振荡器里FET62的型号为2N7000而输出放大器里FET64的型号为IRF510。2N7000的初始偏压是由1M/100K欧姆的分压器66提供的，68提供栅极电压。为了启动振荡需要一个约为25伏的电源，而当一旦启动之后振荡会超过起动偏压从而如果需要可以减小该电源。维持振荡的反馈是由FET62的漏极栅极之间的4K7的电阻器70和13.56MHz的晶体72提供的。借助和地连接的33pF的电容器74反馈信号的相角得到优化。该级的调谐负载是由0.68μH的电感器76、220pF的电容器78和FET64的栅极电容提供的。
为了得到所需的输出，需要大约10欧姆的输出阻抗，从而连接了一个低通“L”型电路节阻抗变换器。该变换器的串联电感和输出网络的串联电感器结合起来给出一个单分量。该电感器制成是可变的以允许电路调整和公差。
10nF的馈通电容器80以及馈电线与地之间的100nF的电容器82减小了射频沿电原的传导。
尽管E类电路是简单的和有效的，但是这种电路在晶体管上施加了高电压和高电流。峰值电流几乎是均值的三倍而峰值电压要超出电源电压的三倍。采用100伏的晶体管时最大的电源电压应该限制在30伏。
出于完整性，下面列出图12中所示电路的其它元件的值：
电阻器84……1M
电阻器86……100K
电阻器88……120
电容器90……4n7
电阻器92……1K
电感器94……4μH
电容器96……150p
电容器98……470p
电感器100……0.6μH，可变
电容器102……180p
电容器104……330p
现在讨论一种可应用于需要非常高的亮度和非常好的均匀性照明情况中的进一步的改进，在这种情况下可以去掉前荧光物质涂层(即背景光源对着显示器的那个主表面上的涂层)。这层涂层的制造是特别困难的，因为为了使放电生成的前向紫外辐射引起有用的可见光转换该层必须足够厚，但是为了不吸收过多的由后部荧光物质产生的前向可见光该层又不能太厚。
在实际中要同时达到这些目标是非常困难的，从而必须采取一种折衷办法，这种折衷办法涉及到采用不很薄的荧光物质以便把到达前部荧光物质上的所有紫外辐射全部转换为可见光辐射。最终这可能意味着在亮度或均匀性上背景光源不能达到它的全部潜力。此外，生产具有厚后部荧光物质以及要很好控制的薄前部荧光物质的封套造成很大的制造难度，尤其当采用具有内部荧光物质的玻璃封套时。
如果只在封套的后部设置单层外部或内部荧光物质层则可以克服或减小这些困难。该荧光层可足够厚以确保沿向前方向(即朝向显示器)最大地产生可见光辐射。在靠近封套前表面的地方安置一个分色镜(其对紫外辐射必须是透射的)，该分色镜所具有的特性是可透射在波谱的可见光部分(波长＞400nm)的辐射而反射在波谱的紫外部分(波长＜400nm，尤其在低压汞放电所产生的254nm附近的主紫外线处)的辐射。这样可形成由后部表面荧光物质产生的以及直接来自背景光源以极小衰减沿向前方向传送的由等离子体产生的有用可见光辐射。而来自等离子体的向前方向的紫外辐射波被反射回到等离子体，并由等离子体重新吸收或者经等离子体传播并帮助后表面荧光物质的发射。按这种方式来自等离子体的向前方向的紫外辐射的绝大部分将用于在光学上激励等离子体放电(从而减小驱动该放电所需的射频功率)或者用于增加后部荧光物质产生的可见光辐射的总量。现在可以得到在波谱的一部分具有很高透射性而波谱的另一部分上具有高反射性的这种所需特性的分色镜。