CN101061421A - 暗状态光再循环薄膜和显示器 - Google Patents

暗状态光再循环薄膜和显示器 Download PDF

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Abstract

一种液晶显示器包括用于提供照明的背光单元，在背光单元附近的后偏光器，用于接收入射照明并透射充分偏振的照明。液晶空间光调制器通过有选择地逐像素调制充分偏振的照明的偏振来形成调制光束。滤色器阵列透射来自液晶空间光调制器的调制光束的所选择波长。前偏光器具有透射轴，用于透射调制光束中具有与透射轴对准的偏振的部分。反射偏振元件布置在液晶空间光调制器和前偏光器之间，用于朝背光单元反射回一部分的暗状态光。

Description

暗状态光再循环薄膜和显示器
技术领域
本发明总的涉及一种使用偏光器的彩色LCD显示器，并更特别地涉及一种相结合地使用反射型滤色器阵列和反射型偏光器来再循环暗状态光的LCD显示器，否则暗状态光将由LCD的滤色器阵列或前偏光器吸收。
背景技术
传统液晶设备(LCD)显示器通过调制入射到显示器表面的照明的偏振状态来形成图像。在一般的背光LCD显示器中，偏光器的布置用于支持LCD调制，包括作为分析器的在LCD和光源之间的后偏光器，用于提供偏振光给LCD空间光调制器和前偏光器。(通过定义，前偏光器被指定为最靠近观看者的偏光器)。在操作中，显示器上的每个像素可具有亮状态，其中从显示发射与前偏光器的透射轴对准的调制光，或暗状态，其中光不与前偏光器的透射轴对准，并且有效地阻止光的发射。
参考图11，这里以概括的形式示出了用于处理入射到每个像素的偏振光的液晶显示器的关键部件的行为，示出了在随后描述中使用的符号和图形约定。正交的P和S偏振状态由直线或圆圈分别表示，并添加了箭头以指示入射光的方向。透射轴类似用地双侧箭头或圆圈表示。吸收偏光器50a、50b发射与其偏振轴对准的偏振光并吸收正交方向的偏振光。通过比较，反射偏光器52a、52b发射与其偏振轴对准的偏振光并反射正交方向的偏振光。单独的LC部件54a/54b通过以逐像素方式调制充分偏振的照明束来调制入射束。按照本说明书中使用的约定，关状态LC部件54旋转入射光的偏振。开状态LC部件54b不旋转入射光的偏振。在本公开中使用的总的术语“LC部件”应用于LCD空间光调制器本身上的光调制元件。LCD空间光调制器可被当作为LC部件54a/54b的阵列。
对于由LCD空间光调制器调制的任何像素来说存在两个可能的状态：暗状态和亮状态。在本申请中，术语“暗状态”和“亮状态”可用于描述像素状态；如上所述的术语“开状态”和“关状态”是指LC部件本身的偏振活动，而不是指所表示的像素状态。
明显地观察到，每种类型的LCD空间光调制器的特征确定了每个LC部件的开状态是向其对应的像素提供暗状态还是亮状态。如上所述，在本申请所说明的例子使用随后的约定：
(i)开状态LC部件54b提供暗状态像素；
(ii)关状态LC部件54a提供亮状态像素。但是，亮和暗状态像素与开和关状态的相反对也是可能的。对于本申请的随后描述，除了专门另外指出的情况，应用这里所声明和图11中说明的约束。
除了支持用于偏振和偏振光再循环的部件，LC部件在通常的应用中还具有滤色器阵列(CFA)。图1示出了LCD显示器10的传统布置，该LCD显示器10具有前偏光器50a、后偏光器50b、背光单元56、反射薄膜57，以及关状态LC部件54a，其将S偏振(圆圈)转换成P偏振(直线)，并相反地，将P偏振转换成S偏振。开状态LC部件54b不执行偏振转换。关状态LC部件54a和开状态LC部件54b都示出为被分段成三个独分离的段，用于每个元素的三种颜色分量。滤色器阵列60，在由LC部件54a和开状态LC部件54b的阵列形成的调制光束的路径中，提供了滤色器的对应布置，红色标记为60r、绿色标记为60g、蓝色标记为60b。(为了简化，各个滤色器60r、60g和60b只有当在随后附图中需要时才被标记。)在传统LC部件设计中，滤色器阵列60的分量滤色器60r、60g和60b是吸收型的。
如已知的，通常利用调制光束中多个相组合(例如红色+绿色+蓝色)的颜色来形成显示图像。为了允许更直接的描述，图1-10D被简化以示出一次只处理单色的光(通常为红色、绿色或蓝色之一)。实际上，多个颜色可按照图1-10D的实施例的描述来处理。
从背光56发射非偏振光。在该亮状态下，只有具有S偏振的光可透射过后偏光器50b。对于每个红(R)、绿(G)或蓝(B)颜色分量，预期的光透射过其对应的滤色器阵列60的分量滤色器60r、60g和60b；其它颜色由分量滤色器60r、60g和60b中的其它两个吸收。只有透射过关状态LC部件54a的P偏振光透射过前偏光器50a；S偏振的光由前偏光器50a吸收。
由于后偏光器50b的吸收和滤色器阵列60的吸收，在输出端只可为单个亮像素提供大概1/6的可用光。可以容易理解，对于为每个亮像素增加可用光量的部件布置是有益的。
参考图2，示出了传统LC显示器10的布置，该布置通过偏振再循环增加了可用光。这里，反射偏光器52b布置在背光单元56和后偏光器50b之间。相对于图1的传统布置，该布置提供了增加大约2X的可用亮度。
可利用颜色再循环，用反射滤色器阵列62b来获得附加的亮度增加，如图3A中的例子所示。利用反射滤色器阵列62b，滤色器阵列60的吸收要求极大地降低并且提供了更多的光，相对于图1的传统布置，产生大约3X的亮度增加。图3B示出了一个可替换的布置，该布置使用后偏光器50b和LC部件之间的反射滤色器阵列62b。由于后偏光器50b是吸收型的并且处于反射滤色器阵列62b的光再循环的路径中，所以图3B的布置对于亮像素，产生大约图3A布置一半的亮度。偏振和颜色再循环可由单个薄膜部件提供，如在题为″CholestericColour Filters for Reflective and Transmissive LCDs″by R.T.Wegh，C.Doornkamp，and J.Lub in pp.305-308 of Eurodisplay2002的文章中所描述的。参考图4A，示出了使用反射偏振滤色器阵列(RPCFA)63b的传统LC显示器10布置的示意图，如在Wegh等人的文章所描述的。图4B和4C示出RPCFA 63b两种不同的布置。在图4B中，RPCFA 63b在反射偏振器52b之上相对于背光单元56具有其分量反射滤色器阵列62b。在图4C中，使用相反的布置，反射偏振器52b相对于背光单元56在反射滤色器阵列62b之上。该部件还可包括四分之一波片。
如从上面的描述中理解的，反射偏光器和反射滤色器阵列能帮助用于增加LC显示设备的光输出。在传统实践中，多个经验法则应用于这些薄膜部件在LC显示器10的分层布置中的方位，如图2、3A、3B、4B、和4C：
(i)反射偏振器52b放置在背光单元56和后偏光器50b之间。否则，后偏光器50b必须吸收一半的入射光，即是具有与其透射轴正交的偏振状态的光。
(ii)反射滤色器阵列62b放置在背光单元56和和LC部件54a/54b之间。
此外，传统实践会将反射偏振滤色器阵列(RPCFA)63b直接放置到背光单元56和和LC部件54a/54b之间的一些位置。
如图2A-2D中概述的使用反射偏光器的传统布置，在多个专利公开中描述，包括：
授权给Hara的第6,661,482号美国专利，题目为″PolarizingElement，Optical Element，and Liquid Crystal Display″；
授权给Ouderkirk等人的第5,828,488号美国专利，题目为″Reflective Polarizer Display″；
Weber等人的第2003/0164914号美国专利申请公开，题目为″Brightness Enhancing Reflective Polarizer″；和
Maedad的第2004/0061812号美国专利申请公开，题目为″Liquid Crystal Display Device and Electronic Apparatus″。
已知根据如何使用显示器，与LC显示器一起使用不同类型的偏光器，以便实现特定的效果。例如，授权给Kotchick等人的第6,642,977号美国专利，题目为″Liquid Crystal Displays withRepositionable Front Polarizers″，公开了一种用于便携设备的液晶显示模块，其中前偏光器可以是任意多个类型，并且可为显示器可视性合适地加标题或定位。类似地，Sahouani等人的第2003/0016316号美国专利申请公开，题目为″InterchangeablePolarizers for Electronic Devices Having a Liquid CrystalDisplay″，公开了一种设备布置，其中不同类型的前偏光器可移除地互换，以便实现适当的显示效果。在‘977 Kotchick等人和‘16316Sahouani等人两者中提到的可能布置中，公开了将反射偏光器用作为LC显示器的前偏光器。明显注意到，‘977 Kotchick等人和‘16316Sahouani等人的公开都强调了，该布置在多数情况下不是所期望的，除了是在刻意想要与亮度和效率增加无关的特殊“金属”外观效果的情况下。如‘977 Kotchick等人和‘16316 Sahouani等人的公开所示，所确立的实践教导了使用在照明源、背光单元56和后偏光器50b之间的反射偏光器52b，如图2的布置所示，用于提高亮度和效率。确立的实践明确地不将在LC部件54a/54b观看侧上的反射偏光器52b用为前偏光器50a不那么期望的替代，除了是在想要“金属模模样”的显示外观的情况下。使用反射偏光器来代替前偏光器引起对比率剧烈的损失，而有效地消除了亮度增加的任何可能益处。
尽管反射偏光器、反射滤色器阵列和RPCFA的传统布置为LC显示器提供了效率和亮度增加的测量，但认识到，需要在对现有设计不增加成本或复杂性的情况下提高显示器亮度。
本发明要解决的问题
存在对效率提高和亮度增强的LC显示器的需要。
发明内容
本发明的目的是提供能够增加亮度和效率的LC显示器。考虑该目的，本发明提供了一种液晶显示器，包括：
(a)背光单元，用于提供照明；
(b)布置在背光单元附近的后偏光器，用于接收入射照明并透射充分偏振的照明；
(c)液晶空间光调制器，用于通过有选择地逐像素调制充分偏振的照明的偏振来形成调制光束；
(d)滤色器阵列，用于透射来自液晶空间光调制器的调制光束的所选择波长；
(e)具有透射轴的前偏光器，用于透射调制光束中具有与透射轴对准的偏振的部分；和
(f)布置在液晶空间光调制器和前偏光器之间的反射偏振元件，该反射偏振元件朝背光单元反射回一部分的暗状态光。
本发明的一个特征是，反射偏光器和滤色器阵列可以部署在调制光束中，以便反射暗状态光以供再次使用。
本发明的一个优点在于，其相对于传统设计在LC显示器中提供了亮度和效率的递增提高。
附图说明
尽管说明书以特别指出并清楚请求本发明主题的权利要求书结束，但是可以相信，当结合附图时，本发明将从下面的描述中更容易理解，其中：
图1是从横截面侧视图示出LCD显示器的示意图，该LCD显示器具有前偏光器、后偏光器和吸收滤色器阵列，示出了暗和亮状态像素的光行为；
图2是从横截面侧视图示出LCD显示器的示意图，该LCD显示器具有前偏光器、后偏光器、反射偏光器和吸收滤色器阵列，示出了暗和亮状态像素的光行为；
图3A和3B是从横截面侧视图示出LCD显示器的实施例的示意图，该LCD显示器具有前偏光器、后偏光器、吸收滤色器阵列和反射滤色器阵列，示出了暗和亮状态像素的光行为；
图4A是从横截面侧视图示出LCD显示器的示意图，该LCD显示器具有前偏光器、后偏光器、反射滤色器阵列和吸收滤色器阵列，示出了暗和亮状态像素的光行为；
图4B和4C是从横截面侧视图示出LCD显示器的示意图，该LCD显示器具有前偏光器、后偏光器、在两个可能布置的每一个中所示的反射偏振滤色器阵列、和吸收滤色器阵列，示出了暗和亮状态像素的光行为；
图5A是从横截面侧视图示出本发明的LCD显示器的实施例的示意图，该LCD显示器具有前偏光器、后偏光器、反射偏光器和吸收滤色器阵列，示出了暗和亮状态像素的光行为；
图5B是从横截面侧视图示出本发明的LCD显示器的实施例的示意图，该LCD显示器具有前偏光器、后偏光器、反射偏光器和吸收滤色器阵列，示出了暗和亮状态像素的光行为；
图6是从横截面侧视图示出LCD显示器比较例子的示意图，该LCD显示器具有前偏光器、后偏光器、反射滤色器阵列和吸收滤色器阵列，示出了暗和亮状态像素的光行为；
图7A、7B和7C是从横截面侧视图示出本发明的LCD显示器的实施例的示意图，该LCD显示器具有前偏光器、后偏光器、包括反射偏光器和反射滤色器阵列的反射偏振滤色器阵列、以及吸收滤色器阵列，示出了暗和亮状态像素的光行为；
图8A和8B是从横截面侧视图示出本发明的LCD显示器的实施例的示意图，该LCD显示器具有前偏光器、后偏光器、一对反射偏光器和吸收滤色器阵列，示出了暗和亮状态像素的光行为；
图9A和9B是从横截面侧视图示出本发明的LCD显示器的实施例的示意图，该LCD显示器具有前偏光器、后偏光器、反射偏光器、反射滤色器阵列和吸收滤色器阵列，示出了暗和亮状态像素的光行为；
图10A、10B、10C和10D是从横截面侧视图示出本发明的LCD显示器的实施例的示意图，该LCD显示器具有前偏光器、后偏光器、反射偏光器、吸收滤色器阵列和在两种可能布置中的反射偏振滤色器阵列，示出了暗和亮状态像素的光行为；
图11是示出本发明的各部件的术语、符号和行为的一组横截面侧视图；
图12A是示出典型图像的像素图案的顶视图；
图12B是从横截面侧视图示出两个相邻LC部件的示意图，一个部件处于关状态，另一个部件处于开状态。
图13A是根据本发明的关键原理从横截面侧视图示出LCD显示器中处于亮状态的LC部件的示意图，该LCD显示器具有前偏光器、后偏光器、以及在前偏光器和LC部件之间的反射偏光器；
图13B是根据本发明的关键原理从横截面侧视图示出LCD显示器中处于暗状态的LC部件的示意图，该LCD显示器具有前偏光器、后偏光器、以及在前偏光器和LC部件之间的反射偏光器；
图14A是从横截面侧视图示出LCD显示器中处于亮状态的LC部件的示意图，该LCD显示器具有前偏光器和后偏光器。
图14B是从横截面侧视图示出LCD显示器中处于暗状态的LC部件的示意图，该LCD显示器具有前偏光器和后偏光器。
图15A-15C是基于暗像素和亮像素的总比例来示出相对效率增益的曲线图；
图16是示出使用本发明的方法来计算增益相对于透射比的值的表格；
图17A是从横截面侧视图示出LCD显示器中处于亮状态的LC部件的示意图，该LCD显示器具有传统布置中的前偏光器、后偏光器、以及反射偏光器；
图17B是从横截面侧视图示出LCD显示器中处于暗状态的LC部件的示意图，该LCD显示器具有传统布置中的前偏光器、后偏光器、以及反射偏光器；
图18A和18B是从横截面侧视图示出本发明的一组实施例的操作原理的示意图，这些实施例在后偏光器和背光单元之间使用第二反射偏光器；
图19示出在一个实施例中用于亮度控制的部件的示意框图；和，
图20示出用于基于整体图像亮度来适应背光单元亮度的逻辑的流程图。
具体实施方式
本说明书尤其涉及根据形成本发明的设备一部分的，或与之更直接地协作的元件。应当理解，没有专门示出或描述的元件可以采用本领域技术人员已知的各种形式。
本发明的设备和方法通过使用与滤色器阵列协作的一个或多个反射偏光器从LCD显示器获得提高的效率和亮度，以便再循环暗状态光。如上所述，于2004年9月13日以Xiang-Dong Mi的名义普通转让、共同待决的申请“Dark State Light Recycling Film And Display”(代理人卷号88459)为增加显示器效率和亮度而引入了暗状态光再循环的概念和应用。本发明通过利用传统的吸收类型和反射类型的两种滤色器阵列来将这个概念的应用扩展到LCD显示器结构。此外，本发明还公开了用于优化反射偏振滤色器阵列与LCD显示设备的使用。
如在以上给出的背景部分中注意的，已经指出，使用反射偏光器来代替前偏光器50a不是有利于提高亮度或对比度。本发明的实施例在各种LCD显示结构中应用某些类型的反射偏振元件。所述反射偏振元件本身可在单个物品或部件中体现，比如在单片薄膜中，或可以使用合并在更复杂的反射偏振滤色器阵列中的反射偏振和滤色器部件的某组合，类似于先前引用的Wegh等人的文章中所描述的。在本发明的各种实施例的每一个中，反射偏振元件在LCD显示器设备中布置在液晶空间光调制器和前偏振器之间的调制光束的路径中。
暗状态再循环
参考图12A，这里示出了具有暗像素14和亮像素12的LCD显示器20的一部分的平面图。如图12A所表示的，由来自LCD显示器20的调制光束形成的每个图像具有暗像素14和亮像素12的百分比。本发明的设备和方法利用暗像素14所不需要的光，并将这部分光重定向到亮像素12。该行为在图12B中总结，图12B示出了如何能将光从由开状态LC部件56b形成的暗像素重定向到由关状态LC部件54a形成的亮像素12。在随后描述的实施例中，一个或多个滤色器阵列被添加到该方案中，包括新类型的滤色器阵列部件。
为了描述在实践中暗状态再循环如何工作，定义了下面的变量：
I0来自背光单元56的总光通量
x暗像素14与像素总数的百分比
1-x亮像素12与像素总数的百分比
T||沿透射轴偏振的光的吸收偏光器(前偏光器50a和后偏光器50b)的透射比。
T1c液晶层的透射比。作为第一近似，可以假设对于开状态和关状态来说T1c是相同的。
Tf放置在前吸收偏光器50a和LC部件54a/54b之间的前反射偏光器52a的透射比。
Rf放置在前吸收偏光器50a和LC部件54a/54b之间的前反射偏光器52a的反射比。
Tr放置在后吸收偏光器50b和LC部件54a/54b之间的后反射偏光器52b的透射比。
Rr放置在后吸收偏光器50b和LC部件54a/54b之间的后反射偏光器52b的反射比。
R背光单元56的反射比
不用传统反射偏光器的暗状态光再循环
通过比较图13A和13B中的光行为和图14A和14B的传统布置中的光行为来描述根据本发明的第一实施例的暗状态再循环。
不利用暗状态光再循环，如图14A所示，百分比为1-x的从亮像素12发射的总光通量被如下表示为：
Itotal0≈0.5I0T|| 2T1c(1-x)
利用暗状态光再循环，即是，利用放置在前吸收偏光器50a和LC部件54a或54b之间的反射偏光器52a，百分比为1-x的来自亮像素12的光通量大约为0.5I0T|| 2T1cTf(1-x)。(参考图13A)
百分比为x的从暗像素14反射回的和来自背光单元56的通量大约为0.5I0T|| 2T1c 2RfRx(参考图13B)。
该通量具有1-x的被重定向通过亮像素12的概率，和x的被重定向到暗像素14的概率。
在第一再循环之后，从亮像素12出来的总通量为
I total 1 ≈ 0.5 I 0 T | | 2 T 1 c T f ( 1 - x ) + 0.5 I 0 T | | 2 T 1 c 2 R f Rx · 0.5 T | | 2 T 1 c T f ( 1 - x )
= 0.5 I 0 T | | 2 T 1 c T f ( 1 - x ) [ 1 + 0.5 T | | 2 T 1 c 2 R f Rx ]
在第二再循环之后，从亮像素12出来的总通量为
I total 2 ≈ I total 1 + ( 0.5 I 0 T | | 2 T 1 c 2 R f Rx ) 2 · 0.5 I 0 T | | 2 T 1 c T f ( 1 - x )
= 0.5 I 0 T | | 2 T 1 c T f ( 1 - x ) [ 1 + 0.5 T | | 2 T 1 c 2 R f Rx + ( 0.5 T | | 2 T 1 c 2 R f Rx ) 2 ]
那么从亮像素12出来的总通量为
I DS ≈ 0.5 I 0 T | | 2 T 1 c T f ( 1 - x ) [ 1 + 0.5 T | | 2 T 1 c 2 R f Rx + ( 0.5 T | | 2 T 1 c 2 R f Rx ) 2 + . . . ]
= 0.5 I 0 T | | 2 T 1 c ( 1 - x ) T f 1 - 0.5 T | | 2 T 1 c 2 R f Rx
增益被定义为
Gain DS = I DS I total 0 - 1 = T f 1 - 0.5 T | | 2 T 1 c 2 R f Rx - 1
在理想情况下，T||、T1c、Tf、Rf和R都等于1，因此
Gain = 1 1 - 0.5 x - 1 .
当x逼进100％时，最大增益为100％。当x＝50％时，增益为33％。当x＝0％时，增益为0％。100％的最大增益由后偏光器50b限制，当在每个路径上再循环暗状态光时，后偏光器50b吸收一半的光。
令f＝T|| 2T1c 2RfR，则 Gain DS = T f 1 - 0.5 fx - 1
在实践中， T | | ≅ 0.95 , T 1 c ≅ 0.95 , T f ≅ 0.9 , R f ≅ 0.95 , R ≅ 0.9 . f ≅ 0.7 .
图15A、15B和15C分别示出了对于在100％、95％和80％处反射偏光器52a的透射比Tf，增益与暗像素14的百分比x的关系。在所有情况下，对于给定的暗像素14的百分比，因子f越高，增益越高。在固定的f处2，暗像素14的百分比越高，则增益越高。
如图15A所示，当反射偏光器52a的透射比Tf是100％，增益总是正的，而与因子f和暗像素14的百分比x无关。当在理想情况下f＝1并且x逼进100％时，增益为100％。
如图15B所示，当反射偏光器52a的透射比Tf小于100％，这里大约为95％时，增益对于小的x可以是负的，这表明对于具有少量暗像素14(或相反，具有大量亮像素12)的图像，可能存在光效率的实际损失。但是对于具有大量暗像素14或(具有少量亮像素12)的图像，即大的x。则增益是正的。
参考图15C，当反射偏光器52a的透射比Tf足够低，例如80％时，对于小f(例如f＝0.2)的所有0和1之间的x，增益可以是负的。但是对应合理设计的LCD系统，通常f≥0.7。对应于f＝0.7的曲线示出了当暗像素的百分比x≥0.6时的正增益。
因此，可以观察到，暗状态光再循环增益取决于显示器上所示的图像。为了进一步量化增益，以不同f和Tf值来计算具有相等权重的从0到1在x上的平均增益。平均增益在图16的表中示出。为了具有正的增益而不是损耗，因子f和Tf应当获得该表上面三角形内的值。例如，当Tf＝0.75并且f≥0.9时，平均增益是正的。当Tf＝0.9并且f≥0.4时，平均增益也是正的。当Tf＝0.9并且f＝0.7时，平均增益大约是11％。值f和Tf的范围可在采用不同标准时变化。光效率中的增益还可随图像图案分布而不是仅仅随暗像素14的原始百分比而变化。
与传统反射偏光器结合的暗状态光再循环
通过比较图18A和18B中的光行为和图17A和17B的传统布置中的光行为来描述根据本发明的另一实施例的暗状态再循环。
参考图图17A和17B，不利用暗状态光再循环并且利用由反射偏光器52b完成的传统偏振再循环，百分比为1-x的从亮像素12发射的总光通量被如下表示为：
I total RP ≈ 0.5 I 0 T | | 2 T 1 c ( 1 - x ) T r 1 - 0.5 R r R ≤ 2 I total 0
参考图图18A和18B，利用放置在前吸收偏光器50a和LC部件54a或54b之间的反射偏光器52a来进行附加的暗状态光再循环，百分比为1-x的从自亮像素12出来的光通量为：
I DS RP ≈ 0.5 I 0 T | | 2 T 1 c ( 1 - x ) T r 1 - 0.5 R r R T f 1 - T | | 2 T 1 c 2 R f Rx .
与通过传统反射偏光器进行偏振循环的情况相比，增益被定义为
Gain DS RP = I DS RP I total RP - 1 = 1 1 - T | | 2 T 1 c 2 R f Rx - 1
在理想情况下，T||、T1c、Tf、Rf和R都等于1，因此
Gain DS RP = 1 1 - x - 1 .
因此理想地，当x逼进100％时，最大增益不具有上限。
当x＝50％时，增益是100％。当x＝0％时，增益是0％。
令f＝T|| 2T1c 2RfR，则 Gain DS RP = T f 1 - fx - 1
在实践中， T | | ≅ 0.95 , T 1 c ≅ 0 . 95 , T f ≅ 0.9 , R f ≅ 0.95 , R ≅ 0.9 . f ≅ 0.7 .
在该情况下，当x逼进100％时， Gain DS RP = 200 % .
当x＝50％时， Gain DS RP = 38 % .
第一实施例
参考图5A和5B，示出了LCD显示器20的本发明的第一实施例的变型。按照图1-4C，图5A、图5B和随后示出本发明的实施例的附图中使用的图案示出左边的暗状态像素和右边的亮状态像素。
在图5A和5B中，LCD显示器20具有用作为反射偏振元件40的反射偏光器52a，其布置在LC部件54a/54b和前偏光器50a之间。此外，提供了吸收滤色器阵列60，其布置在前反射偏光器52a附近，要么如图5A在前反射偏光器52a和LC部件54a/54b之间，要么如图5B在前反射偏光器52a和前偏光器50a之间。这里并如随后的实施例所示，后和前偏光器50b和50a的透射轴可在+/-10度内彼此垂直，即是一个透射轴相对于另一个旋转到80到100度之内。这里并如随后的实施例所示，反射偏光器52a的透射轴可在彼此至少大约+/-10度内平行于前偏光器50a的透射轴。这些透射轴的可替换的角度设置也是可能的，包括后和前偏光器50b和50a的透射轴可在+/-10度内彼此平行的结构。按照参考图11描述的约定，LC部件54a的关状态将P偏振转换成S偏振，和将S偏振转换成P偏振。反射偏光器52a的透射轴平行于吸收前偏光器50a的透射轴。来自反射偏光器52a的再循环光具有相对于前偏光器50a的正交偏振。
在亮状态中，来自背光单元56的非偏振光入射到后偏光器50b，后偏光器50b透射具有S偏振的光，吸收P偏振分量。关状态LC部件54a旋转光偏振以提供具有P偏振的输出光。该光接着透射过反射偏光器52a和吸收滤色器阵列60，接着透射过前偏光器50a。因此，在亮状态中，反射偏光器52a仅仅透射想要的光。
吸收滤色器阵列60相对于反射偏振元件40的位置影响可得的亮度。在图5A所示的位置，在左边暗状态路径中，来自开状态LC部件54b的光透射过吸收滤色器阵列60并且从反射偏光器52a反射回来，在返回中透射过吸收滤色器阵列60，并定向返回以便再循环。通带之外的光由吸收滤色器阵列吸收并且不能由前反射偏光器52a再循环。此外，由于吸收滤色器阵列60的透射率是不完美的，因此即使是以通带波长，光每次通过还存在某些损失。通过比较，图5B的布置示出了可互换的反射偏振元件40和吸收滤色器阵列部件的相对位置。在图5B的布置中，来自开状态LC部件54b的光在其到达吸收滤色器阵列60之前从前反射偏光器52a反射回来。因此图5B的布置相对于图5A的布置使可用亮度增加了大约
Figure A20058003971700171
其中x是暗像素的百分比。当暗像素的百分比x逼进100％时，图5B的布置相对于图5A的布置使可用亮度增加了大约67％。
在图5A或5B的布置中，反射偏光器52a朝着背光单元56反射回任何具有S偏振的光。该行为具有再循环效果，允许该暗状态光重新用于亮状态像素。通过与图1和2中所示的传统布置比较，图5A和5B的新颖布置允许测量增加的亮度。
比较例子
参考图6，示出了LCD显示器20的可能结构，该LCD显示器20与传统吸收滤色器阵列60相结合地使用反射滤色器阵列62a。在该比较例子中，反射滤色器阵列62a放置与图5B所示的反射偏光器52a同样的位置，即是在LC部件54a/54b和滤色器阵列60之间。该结构可提供增加的光输出，如通过与图1的传统方案比较可理解的。但是，在暗状态像素中，透射过LC部件54b、反射滤色器阵列62a和吸收滤色器阵列60的光最终由前偏光器50a吸收。该例子接着示出无暗状态光再循环效果。
第二实施例
参考图7A、7B和7C，示出了本发明的另一实施例的变型，其中反射偏振滤色器阵列63a用作为反射偏振元件40。反射偏振滤色器阵列63a放置在LC部件54a/54b和吸收滤色器阵列60以及前偏光器50a之间。这些各种布置已经示出，当暗像素的百分比x逼进100％时提供增加到三倍于传统结构亮度的亮度。在图7A中，反射偏振滤色器阵列63a被示出为提供滤色器、偏振和反射属性的单个部件，如以上引用的Wegh等人的文中所描述的。在光路中定位在吸收滤色器阵列60之前，反射偏振滤色器阵列63a再循环暗状态光并最小化必须由吸收滤色器阵列60吸收的光量。
如图7B和7C所示，反射偏振滤色器阵列63a可通过组合在所示的两个可能的分层序列中彼此重叠的反射偏光器52a部件和反射滤色器阵列62a部件而形成。
第三实施例
参考图8A和8B，在本发明的一个实施例中示出吸收滤色器阵列60和成对的前和后反射偏光器52a和52b的两种可能的布置。这里，前反射偏光器52a用作为反射偏振元件40。图8A的布置相对于图5A的布置提供了一些附加的亮度，因为后反射偏光器52b再循环剩下地由后偏光器50b吸收的光。但是，只有大概三分之一的穿过吸收滤色器阵列60的光可由前反射偏光器52a再循环。此外，再循环光的一部分透射过吸收滤色器阵列60两次，如前面提到的，不完美的透射率引起结果的损失。另一方面，图8B的布置优于图8A的布置。在输出光路中定位在吸收滤色器阵列60之前，反射偏光器52a在暗状态光达到吸收滤色器阵列60之前更有效地再循环回暗状态光通过开状态LC部件54b。
遵循图8A和8B中所示的光处理行为是有益的。来自背光单元56的非偏振光入射到透射一个偏振(图8A和8B中的S偏振)的后反射偏光器52b，由此提供线性偏振光，并反射正交偏振回到背光单元56以便再循环。后偏光器50b透射具有S偏振的光，吸收任何残余的P偏振分量。开状态LC部件54b不执行光偏振的旋转。吸收滤色器阵列60有选择地根据波长来透射和吸收光。前反射偏光器52a接着朝背光单元56反射回具有S偏振的光。该行为具有再循环效果，允许该光(通过暗状态像素)被重新用于亮状态像素。关状态LC部件54a旋转光偏振以提供具有P偏振的输出光。吸收滤色器阵列60有选择地根据波长来透射和吸收光。透射的光接着透射过反射偏光器52a和前偏光器50a。
第四实施例
参考图9A和9B，示出吸收滤色器阵列60和反射偏光器52a两种可能的布置。在所示的两个实施例中，前反射偏光器52a再次用作为反射偏振元件40。这些实施例的每一个的光处理器操作在部件间相应于上述的实施例所描述的操作，由于在结构上的不同而引起适当的一些变化。
对于图9A和9B的两个结构，显著的亮度增益是可能的，因为由反射偏光器52a再循环的高等级暗状态光不是由吸收滤色器阵列60吸收。在图9A和9B中，反射滤色器阵列62b依次布置在背光单元56附近，以反射回一部分不可用的光以便再循环。
第五实施例
参考图10A-10D，示出了又一实施例的可能布置，其中用作为反射偏振元件40的前反射偏光器52a与后反射偏振滤色器阵列63b相结合地使用。在图10A和10B中，在两个可能的布置中示出吸收滤色器阵列60与前反射偏光器52a的相对位置。按照为前面实施例给出的推理，可以理解对于暗状态光再循环，图10A的实施例好于图10B的实施例。反射偏振滤色器阵列63b放置在背光单元56附近，以便为了再循环而反射回具有不想要的P偏振的光和具有所期望颜色之外颜色的光。
如图10C和10D所示，反射偏振滤色器阵列63b可表示为复合薄膜，其具有在每个所示的可能结构中彼此重叠的反射偏光器52a部件和反射滤色器阵列62a部件。因为由反射偏光器52a再循环暗状态光，所以对于这四个结构中的任意一个，相对于传统布置，显著亮度增益是可能的。
第六实施例
再次参考图7A、7B和7C，反射偏振滤色器阵列63a或反射偏光器52a和反射滤色器阵列62a两者的组合通过再循环暗状态光来提供增加的亮度。但是，在暗状态光再循环期间，非偏振光必须透射过后偏光器50b而产生光损失，这限制了在循环效率。进一步亮度增加可通过在后偏光器50b和背光单元56之间添加附加的反射偏光器52b来实现。如果反射滤色器阵列62a性能不是完美的，则该附加的反射偏光器52b可用反射滤色器阵列62b或反射偏振滤色器阵列63a来替换，以便进一步增强亮度。
第七实施例
在图8A、8B的第三实施例和图7A、7B和7C的第六实施例中，反射偏光器52b和背光单元56可用已知的线性偏振背光单元65来替换，如图8A中的虚线框所示。线性偏振背光单元65发射偏振光，比如在题为″Micro-structured Polymeric Linearly Polarized LightEmitting Lightguide for LCD Illumination″by H.J.B.Jagt，H.J.Cornelissen，and DJ.Broer in SID 02 Digest pp.1236-1239的文章中所公开的，该文章描述了一种用于线性偏振光导的可替换设计。使用线性偏振背光单元65来代替背光单元56可消除在许多LC显示器应用中对单独的后偏光器50b和/或后反射偏光器52b的需要。
第八实施例
在9A、9B的第四实施例和图7A、7B和7C的第六实施例中，反射滤色器阵列62b和发射白光的背光单元65可用已知的颜色分离背光单元67替换(如图9A中的虚线框所示)。颜色分离背光单元67可分离红色、绿色和蓝色光并将红色光引导到红色滤色器、将绿色光引导到绿色滤色器和将蓝色光引导到蓝色滤色器。一种颜色分离背光单元67在题为″Low-power LCD using a novel optical system″by Y.Taira et al.in SID 02 Digestpp.1313-1315的文章中公开。该设备可尤其有利地用于降低暗状态光再循环所需要的部件数量。Taira等人的文章描述了用于颜色分离光导的可替换设计。使用这种光导作为背光单元56能够消除在许多LC显示器应用中对单独的后反射滤色器阵列62a的需要。
LCD系统
根据本发明来再循环暗状态光为LCD的亮状态像素提供了比相同像素在没有暗状态光再循环的情况下为传统显示器所接收的还要多的光。LCD可以是现有技术已知的任何类型。如在上述说明中所述的，所增加亮度的递增量部分取决于暗像素的百分比x。在一些情况下可能优选的是，对于给定的像素数据值维持连续的像素亮度级，而与暗像素的百分比x无关。本发明还提供用于通过基于暗像素的百分比x动态调整背光单元56的源亮度来维持该连续亮度行为的设备和方法。参考图19的框图，示出了为亮度控制提供的附加部件。控制逻辑部件70接收图像数据并计算暗像素的百分比x。基于该计算，控制逻辑处理器70调制信号到驱动电路72，驱动电路72提供可变信号给背光单元56。背光单元56的光源可以是发光二极管(LED)、LED阵列、或一些其它类型的对改变驱动信号有足够快强度响应的光源。液晶空间光调制器54作为空间光调制器，通过调制其关状态和开状态部件54a和54b的阵列来形成调制光束。
用于亮度调整的控制逻辑是直接的，如图20的示例框图所示。对于每个图像，在获得数据步骤100中访问图像数据。暗百分比计算步骤110接着被执行，其中根据该数据来计算来自调制光束的暗像素的百分比x。基于该计算，亮度级计算步骤120被执行，其中控制逻辑例如使用等式或使用查找表来计算应用于亮状态像素的新亮度级。基于该计算的驱动值，驱动信号调整步骤130被执行，将该值引导到驱动电路62，以作为模拟或数字信号。图20的控制逻辑可用于各个图像或用作为控制循环，以对每一个连续图像重复。
反射偏光器类型
本发明的设备和方法可使用多个不同类型的反射偏光器，包括线栅偏光器(从Moxtek，Inc.，Orem，Utah可得)、具有四分之一波延迟器的胆甾型液晶偏光器、或多层基于干涉的偏光器，诸如由3M，St.Paul，MN制造的VikuitiTM双亮度增强薄膜。在线栅偏光器中，在玻璃衬底上形成薄线。这些线可面朝液晶显示器，以用作为电极、对准和反射偏光器。这些线还可面朝前偏光器。还可使用其它已知的反射偏光器。
对于最佳性能，反射偏光器应当展现出尽可能小的延迟，以便对亮或暗像素不引起相反的效果。如果存在延迟，则衬底的光轴最好设置得与反射偏光器的透射轴平行或垂直。还可能合并现有技术中已知的补偿薄膜，以提高反射偏光器的视角、对比度、和颜色纯度。补偿薄膜可以是反射偏振元件40的集成部件或附加部件，附着或耦合到反射偏振元件40。
对于这里所公开的实施例，附加的部件可被添加以增强亮度和对比度。例如，任何已知的准直薄膜，比如传统亮度增强薄膜，由3M，St.Paul，MN制造的VikuitiTM亮度增强薄膜可被添加以校准照明。用于该目的的亮度增强薄膜可被添加到图5A-10D的结构中，布置在背光单元56附近。
如这里公开的实施例所描述的，反射偏振元件40可由反射偏光器52a形成，如图5A-5B、8A-8B、9A-9B和10A-10D所示，或由反射偏振滤色器阵列63a形成，如图7A-7C所示。布置在液晶空间光调制器54和前偏光器50a之间的反射偏振元件40帮助用来通过再循环来自暗状态像素54b的不想要的光来提高亮状态像素54a的亮度。反射偏振元件可以耦合到液晶空间光调制器的表面。此外，滤色器阵列可耦合到液晶空间光调制器的表面。
可以理解，当添加用于处理照明或调制光束的光学部件时存在潜在的亮度损失。为了产生足够的亮度增加来弥补在每个光学部件处的固有损失，建立某性能标准是有用的。例如已经发现，对于反射偏振元件40，至少0.75(75％)或更好的透射比是特别合适的范围。
已经特别参考了本发明的某些优选实施例来详细描述了本发明，但是将要理解，在本发明上述的和如在所附权利要求中所述的范围内，本领域技术人员可实现变型和修改而不偏离本发明的范围。例如，LC空间光调制器的亮状态和暗状态行为可以颠倒。使用前和后偏光器50a和50b之间的反射偏光器52a必须对这些其它偏振部件的设计做一些改变，这可容易为本领域技术人员所理解。反射偏光器52a可替换地合并到LC部件52a/52b的表面上，使得空间光调制器本身包括该反射偏振元件。
尽管LC显示器20的部件在单独的层中被示意示出，但是所期望的是取决于光学要求，将一个部件直接粘着或耦合到另一部件。例如，后偏光器50b、反射偏光器52b或反射偏振滤色器阵列63a或63b可直接附着到背光单元56的表面，由此提供一种类型的线性偏振光导。
可使用线性偏振光导，如在题为″Micro-structured PolymericLinearly Polarized Light Emitting Lightguide for LCDIllumination″by H.J.B.Jagt，H.J.Cornelissen，and DJ.Broerin SID 02 Digest pp.1236-1239中公开的。Jagt等人的文章描述了用于线性偏振光导的可替换设计。使用这种光导作为背光单元56可消除在许多LC显示器应用中对单独的后偏光器50b和/或后反射偏光器52b的需要。
比如在题为″Low-power LCD using a novel optical system″byY.Taira et al.in SID 02 Digest pp.1313-1315中公开的颜色分离光导尤其有利于用于降低暗状态光再循环所需要的部件数量。Taira等人的文章描述了用于颜色分离光导的可替换设计。使用这种光导作为背光单元56能够消除在许多LC显示器应用中对单独的后反射滤色器阵列62a的需要。
反射滤光器可以是具有比如TiO2/SiO2的交替结构的薄膜光学干涉滤光器，如在题为″Design issues in using thin-film opticalintereference filters as color filters for LCD systemapplications″by S-F.Chen and H-P.D.Shieh in SID 1994 Digestpp.411-416的文章中所讨论的。
因此，所公开的是一种结合滤色器阵列使用反射偏光器来再循环暗状态光的LCD显示器，从而提供了提高的效率和亮度。
零件列表
10  LCD显示器
12  亮像素
14  暗像素
20  LCD显示器
40  反射偏振元件
50a 前吸收偏光器
50b 后吸收偏光器
52a 反射偏光器
52b 反射偏光器
54  液晶空间光调制器
54a 关状态LC部件
54b 开状态LC部件
56  背光单元
57  反射薄膜
60  吸收滤色器阵列(CFA)
62a，62b  反射滤色器阵列
63a，63b  反射偏振滤色器阵列
65  线性偏振背光单元
67  颜色分离背景单元
70  控制逻辑处理器
72  驱动电路
100 获得数据步骤
110 暗百分比计算步骤
120 亮度级计算步骤
130 驱动信号调整步骤

Claims (33)

1.一种液晶显示器，包括：
(a)背光单元，用于提供照明；
(b)布置在背光单元附近的后偏光器，用于接收入射照明并透射充分偏振的照明；
(c)液晶空间光调制器，用于通过有选择地逐像素调制充分偏振的照明的偏振来形成调制光束；
(d)滤色器阵列，用于透射来自液晶空间光调制器的调制光束的所选择波长；
(e)具有透射轴的前偏光器，用于透射调制光束中具有与透射轴对准的偏振的部分；和
(f)布置在液晶空间光调制器和前偏光器之间的反射偏振元件，该反射偏振元件朝背光单元反射回一部分的暗状态光。
2.根据权利要求1的液晶显示器，其中反射偏振元件耦合到液晶空间光调制器的表面。
3.根据权利要求1的液晶显示器，其中滤色器阵列耦合到液晶空间光调制器的表面。
4.根据权利要求1的液晶显示器，其中反射偏振元件的透射比大于75％。
5.根据权利要求1的液晶显示器，还包括布置在后偏光器和背光单元之间的附加反射偏光器。
6.根据权利要求1的液晶显示器，还包括布置在后偏光器和背光单元之间的准直薄膜。
7.根据权利要求1的液晶显示器，还包括与反射偏光器耦合的补偿薄膜。
8.根据权利要求1的液晶显示器，其中前和后偏光器各自的透射轴在+/-10度内彼此平行。
9.根据权利要求1的液晶显示器，其中前和后偏光器各自的透射轴在+/-10度内彼此垂直。
10.根据权利要求1的液晶显示器，其中前偏光器和反射偏振元件各自的透射轴在大约+/-10度内彼此平行。
11.根据权利要求1的液晶显示器，其中反射偏振元件包括线栅偏光器。
12.根据权利要求1的液晶显示器，其中反射偏振元件包括多层基于干涉的偏光器。
13.根据权利要求1的液晶显示器，其中反射偏振元件包括具有四分之一波延迟器的胆甾型液晶偏光器。
14.根据权利要求1的液晶显示器，其中背光单元包括至少一个发光二极管。
15.根据权利要求1的液晶显示器，其中反射偏振元件是反射偏振滤色器阵列。
16.根据权利要求15的液晶显示器，其中反射偏振滤色器阵列包括：
a)反射偏振器；和
b)布置在反射偏振器和前偏振器之间的反射滤色器阵列。
17.根据权利要求15的液晶显示器，其中反射偏振滤色器阵列包括：
a)反射滤色器阵列；和
b)布置在反射滤色器阵列和前偏振器之间的反射偏振器。
18.根据权利要求1的液晶显示器，其中背光单元发射线性偏振的光。
19.根据权利要求18的液晶显示器，其中背光单元还包括反射偏振器。
20.根据权利要求18的液晶显示器，其中滤色器阵列布置在反射偏振元件和前偏光器之间。
21.根据权利要求18的液晶显示器，其中反射偏振元件布置在滤色器阵列和前偏光器之间。
22.根据权利要求1的液晶显示器，还包括布置在背光单元和后偏光器之间的反射滤色器阵列。
23.根据权利要求22的液晶显示器，其中所述滤色器阵列布置在反射偏振元件和前偏光器之间。
24.根据权利要求1的液晶显示器，其中背光单元是颜色分离背光单元。
25.根据权利要求22的液晶显示器，其中反射偏振元件布置在滤色器阵列和前偏光器之间。
26.根据权利要求1的液晶显示器，还包括布置在背光和后偏光器之间的反射偏振滤色器阵列。
27.根据权利要求26的液晶显示器，其中滤色器阵列布置在反射偏振元件和前偏光器之间。
28.根据权利要求26的液晶显示器，其中反射偏振元件布置在滤色器阵列和前偏光器之间。
29.根据权利要求26的液晶显示器，其中反射偏振滤色器阵列包括：
a)反射偏振器；和
b)布置在反射偏振器和背光单元之间的反射滤色器阵列。
30.根据权利要求15的液晶显示器，其中滤色器阵列布置得与反射偏振滤色器阵列邻近。
31.根据权利要求1的液晶显示器，其中前偏光器和反射偏振元件各自的透射轴在+/-10度内彼此正交。
32.一种用于调整显示器亮度的方法，包括：
a)提供背光照明给透射液晶显示器部件；
b)根据图像数据通过逐像素地调制背光照明的偏振来形成调制光束；
c)将反射偏振滤色器阵列放置在调制光束的路径中；
d)基于图像数据确定暗像素和亮像素的相对比例；和
e)基于所显示图像的暗像素和亮像素的相对比例来调制背光照明的亮度级。
33.根据权利要求32的液晶显示器，其中调制背光照明的亮度级的步骤包括将对到发光二极管的驱动电流进行改变的步骤。
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