CN1158561C - 带有反射偏振片的液晶显示器件及反射偏振片 - Google Patents

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Abstract

一种转换反射的液晶显示器件，包括显示盒(1)和反射偏振片(9)，其中适宜包括胆淄反射镜(12)，它实际上全反射从显示盒发出的特定偏振(左旋或右旋)的入射光(反射效应)，并透过发自(光源(10)上)另一侧的大量相同偏振光(透射效应)。

Description

带有反射偏振片的液晶显示器件及反射偏振片
本发明涉及一种带有液晶显示盒的液晶显示器件，该显示盒包括一层夹在有第一偏振方向的第一偏振片与有第二偏振方向的第二偏振片之间的液晶材料。
本发明进一步涉及一种在第一表面上提供偏振方向的反射偏振片。
该显示器件可用于仪器仪表或(可便携的)通信设备，如移动电话。
文献EP-A-0,606,939(PHN 14,346)中描述了上述类型的显示器件。在所述的文献中，示出了一种透射式的显示器件。该已有的显示器件被具体化为：利用胆甾醇型滤光片和四分之一波片的组合，使得具有第二偏振片的偏振方向的光透过量最大。为了实现这一目标，让第二偏振片的偏振方向平行于透过胆甾醇滤光片与四分之一波片组合的光的偏振方向。所示的显示器件仅仅能用于透射方式。
本发明的目的特别是要提供一种既可以用于透射方式又可以用于反射方式的显示器件。在便携设备所用的显示器件中，可能尤其需要采用反射式显示器件，因为这样可以利用环境光，以使光源(通常是LED)的电源使用时间更长。本发明的目的还包括提供这种透射反射(transflective)的显示器件，其中对发自光源的光(通常为背光或侧光)优化地加以利用。
为此，根据本发明的显示器件，其特征在于：显示盒具有一个反射偏振片，其向着第二偏振片侧的偏振方向与第二偏振方向之间形成一个角度；而且在其背离第二偏振片一侧，对与反射偏振片法线成一定角度入射的光将有偏振改变效应。
在本申请中，术语“反射偏振片”是指这样一种偏振片：至少在反射偏振片的一侧可以让反射偏振片所述偏振方向的线偏振光透过，而让其正交方向的线偏振光反射。在已有的器件中，来自另一侧的圆偏振入射光在一个方向透过，且圆偏振入射光在另一方向反射。但是，有另一种可能，反射偏振片在两侧均透过或反射线偏振光。
术语“偏振改变效应”应理解为：透过反射偏振片后，光的偏振态发生了改变(例如，从圆偏振变到椭圆偏振，或从椭圆偏振变到线偏振，甚至从线偏振逆向返回到圆偏振)，而且所述的光至少有一部分透过，使得透过反射偏振片之后它是偏振光，例如在第二偏振片的偏振方向偏振。这与所谓“消偏振效应”是有区别的，消偏振是以不受控的方式引起偏振态的改变或使偏振完全消失，例如，表面不规则或折射率(尤其是在表面上)等因素的(局部)变化导致的结果。如果与反射偏振片法线成某一角度(如30度角)入射的圆偏振光，被转化成椭圆度至少为2的椭圆偏振光，即已经实现了一个好的“偏振改变效应”，术语椭圆度被定义为用光电场矢量描述的椭圆其长轴与短轴之比。
在已有的器件中，当透过显示盒前侧的光在第二偏振片的偏振方向发生偏振时，该束光透过胆甾醇类滤光片。因此，这种器件不适用于反射方式。在本发明的器件中，反射偏振片所反射光的多少是反射偏振片与第二偏振片的偏振方向之间夹角的函数。如果两者偏振方向正交，将完全反射。因此，该显示器件可适用于(反射)环境光的条件。
光源发出的透过反射偏振片而发生偏振改变效应的那部分光，(部分地)继续透过第二偏振片和显示盒。本发明所采用的偏振改变效应，在已有器件中是应当尽可能地避免的，这是因为会出现对比度减小现象(而不是在交叉偏振片驱动下出现的完全消光)，而且显而易见，该效应甚至还获得了显示器件的第二种(透射式)设置。
在反射偏振片中，偏振的改变随着入射光与法线所夹角度的增大而增大。所以，本发明进一步显示器件的特征在于：显示器件包括一个光源，它主要发出与将要与反射偏振片法线成一个角度入射到反射偏振片背离液晶一侧的光。为此目的，采用的是侧光光源。
反射偏振片适宜包括一个胆甾醇滤光片和一个双折射层。
胆甾醇滤光片包括一个胆甾醇相(聚合物的)液晶材料光学层。这意味着分子按螺距为p的螺旋结构排序。如果非偏振光入射到这样的层上，具有相应于螺旋方向的旋转方向(逆时针或顺时针)和相应于螺距p的波长的圆偏振光分量将被反射，而透过反方向旋转且波长不与螺距相适应的圆偏振光分量。
胆甾醇滤光片因胆甾醇相液晶材料具有可变螺距而可以有宽的带宽，也可以具有窄的带宽。当采用波长范围窄的光源(如LED)时，适合用后者。
在一个具体实施例中，双折射层为一个四分之一波片或一个四分之三波片，其波长与光源的波长相适应(在宽带胆甾醇滤光片的情况下，可选取所用波长范围内的平均波长)。通过涂敷可变的双折射层(即，至少在该层一部分厚度范围内可以调节其偏振改变效应)，可以让光源在透射状态下得到更为充分的利用。根据环境光的情况，可以调节透过光的椭圆度进而是调节对比度。也可以利用对双折射层的调节，来消除椭圆度的变化或由工作过程改变而导致的不需要的多余椭圆度。
本发明的又一个实施例，其特征在于：在第二偏振片的一侧，反射偏振片有一个保持偏振的漫射层。
有时，反射偏振片也发生使观看者烦恼的反射(镜面反射)。这种反射影响通过提供能保持前述效应(作为保持其偏振特性的结果)的漫射层来消除。
借助于位于第一偏振片的背离液晶材料一侧的漫射层可以达到相同的效果。该漫射层不一定要保持偏振。
在一个优选实施例中，漫射层是一个双折射层。
优选地是，反射偏振片与第二偏振片的偏振方向基本以直角相交。这将使环境光的反射最优化。
反射偏振片还可以包括至少一个延迟层。通过对该延迟层折射率的选择，可以影响反射光的角度分布，或增大偏振改变效应，或者得到其它好处。一种主要用于便携(手持式)的应用场合，如电话，的定向反射(以一个特定角度)显示器件，其特征在于：反射偏振片的光轴相对于第二偏振片的平面至少局部地倾斜。
根据本发明的反射偏振片，其特征在于：反射偏振片在所述第一表面上具有保持偏振的漫射层，且该反射偏振片在背离第一表面的第二表面上可以使相对于第二表面法线以一定角度入射的光发生偏振改变效应。
本发明的这些和其它方面，将通过参考下述实施例所作的解释而明示出来。
在附图中：
图1是本发明显示器件的局部剖面图，
图2是本发明显示器件的细部剖面图，
图3是图1所示显示器件的局部变化图，
图4表示了本发明另一显示器件的局部，
图5和图6表示了图4所示部分的变化，
图7和图8表示了本发明的其它显示器件。
这些图是示意性的，且没有按比例标注；相似的部分采用了相同的标号。
图1是包含液晶显示盒1的液晶显示器件一部分的示意性剖面图，在此例中，该液晶盒包括：夹在两块基板3，4之间的扭转向列液晶材料2，基板例如可由玻璃制成。该器件进一步包括两个偏振方向相互垂直的偏振片7，8。该器件还包括例如氧化铟锡(ITO)制成的透明驱动电极5，6和取向层(未画出)，该取向层使基板内壁上液晶材料按照偏振片偏振轴方向取向，以使该液晶盒有90度的扭转角。在这种情况下，液晶材料具有正的光学各向异性和正的介电各向异性。因此，如果给电极5，6通电，则分子以及偶极子将向着电场取向。
在此例中，显示器件进一步包括一个侧向照明灯10，它与反射壁11组合形成光源。该例中由胆甾醇滤光片或胆甾醇偏振片12与四分之一波片13构成的反射偏振片9，被放置在光源与显示盒之间。
在通电状态下，液体实际上呈现为各向同性，即，入射光的偏振态不受影响。于是，经偏振片8起偏的光被吸收，而没有透过偏振方向与偏振片8相垂直的偏振片7。在未通电状态下，入射光14由偏振片8在偏振方向上起偏。该偏振方向按照使该光能够通过偏振片7的方式被旋转了90度。随后，该线偏振光入射到反射偏振片9上，该反射偏振片将透过偏振片7的全部偏振光反射回去。由于该光保持着其偏振方向，因此所光将再次透过偏振片7，并在其偏振方向于液晶材料中被旋转之后透过偏振片8。在上文所述的方法中，显示器件仅仅利用了环境光，并表现为一个反射式的器件。
在图1中，偏振方向平行于偏振片8的反射偏振片9实现了全反射，其中四分之一波片13(或四分之三波片)把来自偏振片7的线偏振光转化成其旋转方向对应于胆甾醇滤光片螺旋方向的圆偏振光，本例中螺旋方向为顺时针方向。
胆甾醇滤光片反射具有这种旋转方向的偏振光。
发自灯10的光束15包括左旋和右旋偏振光。左旋偏振光透过胆甾醇滤光片12并由四分之一波片13转化成偏振方向平行于偏振片8的线偏振光，因此该光不能透过偏振片7。
如果左旋偏振光相对于反射偏振片法线成一定角度地入射，则将在胆甾醇滤光片12的表面发生折射，使得透射光不再是纯左旋光。尤其是，在左旋偏振光通过胆甾醇滤光片时，其偏振态是随入射角度而变化的。
这可以由胆甾醇滤光片的光学特性进行解释，该特性用折射率nx，ny，nz来作宏观描述，(nz：胆甾醇滤光片表面法线方向的折射率；nx＝ny：与nz方向成直角的平面内两个相互垂直方向上的折射率)。
垂直入射的光束15’(图2)在x和y方向几乎不发生折射。但是，斜向入射的光束15(图1，2)一开始就受到x方向比y方向角度更大的折射，并得到更具椭圆性的偏振。随后，该效应继续加强，使得椭圆度不断增加而该光束可以逐渐成为线偏振光(图2中15”)，且可以逐渐成为右旋椭偏光(并再逐渐成为圆偏振光)(光束15”)。四分之一波片13将光束15的光转化成其偏振方向平行于偏振片7偏振方向的(部分)偏振光，该偏振光通过所述的偏振片7。光束的偏振方向在液晶材料中受到了旋转之后，该光束通过偏振片8。这时，显示器件的工作状态是透射方式的。
通过利用一种在纯透射用途场合将导致对比度降低的特性(当通过胆甾醇反射镜(反射偏振片)时偏振发生改变)，可得到一种可以适用于透射方式和反射方式显示器件。在有足够环境光的情况下，关闭灯10并利用反射特性，而在环境光不足的情况下，接通灯10并主要利用透射特性。
当光束15入射到反射偏振片背离液晶一侧上时，光束与法线夹角α越大(如＞30度)，上述的偏振改变效应越强。在此情况下，这可以通过采用侧光照明光源实现，但也不排斥背光照明。
图3所示的反射偏振片包括一个与示意性示出的双折射层16组合在一起的胆甾醇反射镜12，该双折射层的双折射特性是可以选择的。为此，双折射层16可以，例如，包括一个液晶材料层19，用连接着电极17，17’的电压源18在其上施加一个可调节的电压，正是这些电极将该电压施加在液晶材料19上。这能使在所选的反射偏振片部分上呈现双折射特性，这种情况对特殊用途(汽车自动驾驶中的背光调节)和适应制造公差是有用的。双折射层16也可以用图1中的四分之一波片13代替，或可以加上该波片，以便在透射工作状态下提供可选择的透射率。
根据其结构，反射偏振片9有时可能在显示盒1的一侧有一个反射表面，它会在反射工作方式时发生干扰。为了防止该情况发生，可以提供保持偏振的漫射层27，如图1用虚线表示的。通过附加结构层和通过构造胆甾醇层12的表面，可以得到漫射光。在该情况下，漫射层或胆甾醇反射镜不能直接固定在偏振片7上，以便再消除一部分散射效应。为此，漫射层27适宜是位于在反射偏振片9与偏振片7之间的层(有层次的)。所述的漫射层27可以由具有散射微粒的透明膜组成。通过控制散射微粒的数量，可保持偏振。在另一个实施例中，漫射层位于胆甾醇反射镜12与四分之一波片13(或双折射层16)之间。
为了避免所述的反射效应，显示盒也可以设置在漫射层23的观看一侧(即偏振片8背离液晶一侧)；所述的层不一定要保持偏振。
在该实例中，胆甾醇反射镜12的间螺距在其厚度范围内是变化的，螺距最大的部分朝着灯的一侧。借此，灯所发出的红光(如LED发射红光)按完全透过显示盒的方式迅速被变成圆偏振光。当较小螺距的部分位于显示盒侧时，蓝和绿光几乎完全被反射。由此，优化了反射偏振片9，以让红光光源(本例中)发出的光透过，而反射其它颜色的光(蓝，绿光)。这也可以用反射谱带中带有孔的胆甾醇反射镜来实现，该胆甾醇反射镜的两个分层的螺距不相邻。在此情况下，滤光片具有一个较窄的反射谱带(如在400至600nm的范围)，以使该滤光片把蓝光和绿光反射到显示盒侧面上，而灯10(背光或侧光LED)发出的红光几乎完全透过。在光源颜色不同的情况下，必要时应该调整胆甾醇滤光片的特性与之适合。
图4是器件的一个示意性剖面图，其中第二漫射层20位于灯的一侧。借此，灯所发出光的角分布可以更宽，或者光可以按更优选的角度散射出去。
图4所示的器件还包括一个附加延迟层21，必要时该层可包括一或多个分层。层13，27，21的位置是可以改变的，如图5和6所示的。根据用途的不同，延迟层21的折射率nx，ny，nz具有不同的关系(nz：延迟层表面法线方向的折射率；nx，ny：与nz方向成直角的平面内两个相互垂直方向上的折射率)。
a)nx＝ny＞nz(可以通过垂直排列向列单体并随之将其固化而得到)：这种膜对胆甾醇材料的角关系进行补偿，以便在较大观看角度范围内提供清晰度，并且在透射工作方式中得到更暗的背景。
b)nx＝ny＜nz(例如双轴拉伸聚合物膜)：如上文所述，这种膜增强了偏振改变效应，在透过方式时使亮度增大。
c)nx＞ny＝nz：这种膜提供了附加延迟(正或负延迟)并可以作为延迟膜13用。
图7表示了一种变型的情况，其中偏振片7位于反射偏振片的另一侧。这种实施例可以更薄，且视差更小。在此实例中，基板3被稍稍粗糙化，如通过制造使其成为磨砂玻璃的复制品。因此，胆甾醇层12获得一种不平滑的平板结构。为了获得平表面，用附加层22(上涂层)覆盖所述的层。它具有四分之一波长层13和薄偏振片7。
在图8所示的器件中，反射偏振片与漫射层27的组合具有剧齿状结构，以使得光透过，并在与法线成一定较角度处大量地反射光(反射偏振片的光轴相对于该偏振片平面法线有一些倾斜)。这种器件可以非常适合用于，例如，手持的应用场合(移动电话，计算器，控制板等等)，观看者从一个角度观看图象。
简要地说，本发明涉及一种包括显示盒和反射偏振片的转换反射液晶显示器件，它适宜包括一个胆甾醇反射镜，该镜实际上全反射从显示盒发出的特定偏振取向(左旋或右旋)的入射光(反射效应)，并透过发自(光源上)另一侧的大量相同偏振光(透射效应)。

Claims (14)

1.一种具有显示盒的液晶显示器件，该显示盒包括一层夹在具有第一偏振方向的第一偏振片与具有第二偏振方向的第二偏振片之间的液晶材料，其特征在于：所述的显示盒具有一反射偏振片，该反射偏振片在向着第二偏振片一侧的偏振方向与第二偏振方向互成一个角度，而在其背离第二偏振片一侧，使与反射偏振片法线成一个角度入射的光的偏振类型发生改变。
2.如权利要求1的液晶显示器件，其特征在于反射偏振片包括胆淄滤光片和双折射层。
3.如权利要求2的液晶显示器件，其特征在于双折射层的双折射在层厚度的一部分范围内是可调节的。
4.如权利要求2的液晶显示器件，其特征在于胆淄滤光片具有可变的螺距。
5.如权利要求1或2的液晶显示器件，其特征在于该显示器件包括一个光源，它主要发出将以相对于反射偏振片法线成一个角度入射到反射偏振片背离液晶一侧的光。
6.如权利要求1或2的液晶显示器件，其特征在于反射偏振片和第二偏振片的偏振方向基本以直角相交。
7.如权利要求1或2的液晶显示器件，其特征在于在第二偏振片一侧，反射偏振片具有一个保持偏振的漫射层。
8.如权利要求1或2的液晶显示器件，其特征在于该显示器件包括一个漫射层，该层位于第一偏振片背离液晶的一侧上。
9.如权利要求7的液晶显示器件，其特征在于漫射层用作双折射层。
10.如权利要求1或2的液晶显示器件，其特征在于反射偏振片的光轴相对于第二偏振片平面的法线至少局部地倾斜。
11.一种在第一表面具有偏振方向的反射偏振片，其特征在于该反射偏振片在所述第一表面上具有保持偏振的漫射层，而反射偏振片对在背离第一表面的第二表面上，使与第二表面法线成一个角度入射的光的偏振类型改变。
12.如权利要求11的反射偏振片，其特征在于反射偏振片包括胆淄滤光片和双折射层。
13.如权利要求12的反射偏振片，其特征在于保持偏振漫射层被用作双折射层。
14.如权利要求11的反射偏振片，其特征在于反射偏振片相对于第二表面的法线至少部分地倾斜。
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