CN101271201A - 可改变偏振光状态的光学组件及液晶显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可改变偏振光状态的光学组件及采用该光学组件的液晶显示装置，其中，该光学组件安装在液晶显示装置于出射光出射方向上的外侧至外部空间的任一区域内，其包括透明基板以及波长补偿膜，所述波长补偿膜覆盖于基板表面，所述光学组件用于将液晶显示装置的出射光由线偏振光变成圆偏振光或椭圆偏振光出射，以保护使用者的视力。由于本发明在液晶显示装置上安装了具有波长补偿功能的光学组件，从而可改变液晶显示装置的线偏振出射光为圆偏振光出射光或椭圆偏振光出射光，有利于降低视觉疲劳。

Description

可改变偏振光状态的光学组件及液晶显示装置

【技术领域】

本发明涉及一种可改变出射的偏振光偏振状态的光学组件的新用途及其在液晶显示装置中的应用。

【背景技术】

随着液晶技术的不断发展，液晶显示器得到广泛的应用，从液晶手表的出现开始，液晶就作为电子时代的重要角色分外引人注目。相继出现了带有液晶显示的便携式电话、游戏机、电子辞典、摄像机、数字相机、可视电话，乃至笔记本电脑、监视器、液晶电视等。特别是近年来，在电视与个人电脑领域，液晶显示器已逐步取代CRT，成为市场的主流。

随着信息化的发展，人们对信息获取需求越来越强烈，白天在办公室需要使用个人电脑，晚上在家通过看电视或个人电脑从网上获取信息，因此，人们将会花费大量的时间面对液晶显示装置，如个人电脑、液晶电视等。

请参阅图1，液晶显示器是将两块带透明电极的玻璃基板102、104用数微米直径的玻璃珠或塑料珠隔垫，边缘用胶固定，注入扭曲向列相液晶130，液晶130在上、下基板104、102之间扭曲90度，上、下基板104、102外侧分别附着一片光轴互相垂直的偏振片120、110。上侧的偏振片120光轴(平行于纸面)与上侧基板104处的液晶取向平行，下侧的偏振片110光轴(垂直于纸面)与下侧基板102处的液晶取向平行。自然光自上基板104至下基板102入射液晶屏，不加电场时光线通过第一块偏振片120变为平行上基板104处液晶取向的偏振光，偏振光被液晶层旋光，转过90°后正好与下基板102处偏振片110的光轴相平行，可以透过，作为显示器的亮态；加电场时液晶130分子沿电场方向竖起，原来的扭曲排列变为垂直平行排列，偏振光与垂直排列的液晶不作用，透过上偏振片120的偏振光通过液晶层时偏振面不再发生旋转，到达出射端的偏振片110时，偏光轴与出射光的偏振方向垂直，光被截止，呈现暗态。如果电场不是特别强，液晶分子处于半竖立状态，旋光作用也处于半完全状态，则会有部分光透过，呈现中间灰度，这就是液晶显示器的工作原理。从液晶显示器的工作原理可知，液晶显示器的出射光是一种线偏振光。

除了这种扭曲向列相液晶外，液晶还有展曲、弯曲等畸变特性，不同的畸变特性对应于液晶的不同显示模式。但这些不同的显示模式的基本原理与上述的扭曲向列相液晶的显示原理类似，即通过液晶分子的排列改变光线的偏振方向来实现显示，而最终出射的光是线偏振光。

与线偏振光不同，自然光在各个方向上的矢量分布是均匀的，这种均匀分布的自然光对人眼的感光细胞的刺激是各向同性的，人眼习惯于这种自然光。圆偏振光也是一种偏振光，但由于圆偏振光的矢量方向是快速旋转的，也表现为各向同性，与自然光最接近。与线偏振光相比，人眼观看圆偏振光则相对较为舒适。

因此，通过光学组件改变现有的液晶显示器的出射光的偏振状态，对于降低人们视觉疲劳具有十分重要的意义。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可改变出射光偏振光状态的光学组件的新用途，以降低视觉疲劳。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种采用上述光学组件的液晶显示装置，其出射光透过上述光学组件后为圆偏振光或椭圆偏振光。

为解决上述技术问题，本发明的一种技术方案是：提供一种可改变偏振光状态的光学组件，其安装在液晶显示装置于出射光出射方向上的外侧至外部空间的任一区域内，包括透明基板以及膜覆盖于基板表面的波长补偿膜，所述光学组件用于将液晶显示装置的出射光由线偏振光变成圆偏振光或椭圆偏振光出射，以降低视觉疲劳。

更具体地，所述波长补偿膜为λ/4奇数倍的波长补偿膜。

更具体地，所述λ/4奇数倍的波长补偿膜的光轴与液晶显示装置的出射光偏振方向成45度或135度。

更具体地，所述波长补偿膜还可为一层具有λ/4补偿功能的复合膜。

更具体地，所述波长λ的范围在380～760nm之间。

更具体地，所述复合膜在沿出射光方向由一层λ/2补偿膜与一层λ/4波长补偿膜组成。

更具体地，所述λ/2补偿膜的延迟光轴与出射光偏振方向夹角为θ，所述λ/4补偿膜的延迟光轴与出入射光偏振方向夹角为2θ+45°或2θ+135°。

更具体地，所述出射光偏振方向与λ/2补偿膜的延迟光轴夹角为θ，夹角θ值范围在0°～90°之间。

更具体地，所述补偿膜上还粘覆有另一透明基板或保护膜，以保护波长补偿膜。

更具体地，所述光学组件通过一夹具固定在液晶显示装置上，以便于将光学组件安装在液晶显示装置上。

更具体地，所述夹具具有二夹头，所述二夹头之间通过弹性元件连接。

本发明提供的另一技术方案是：提供一种液晶显示装置，其具有显示屏，该显示屏在出射光出射方向上的外侧至外部空间的任一区域内安装有一光学组件，所述光学组件包括透明基板以及覆盖于基板表面的波长补偿膜，所述光学组件用于将液晶显示装置的出射光由线偏振光变成圆偏振光或椭圆偏振光出射，以降低视觉疲劳。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：由于本发明在液晶显示装置上安装了具有波长补偿功能的光学组件，从而可改变液晶显示装置的线偏振出射光为圆偏振光出射光或椭圆偏振光出射光，有利于降低视觉疲劳。

【附图说明】

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1是液晶显示器的结构示意图。

图2是本发明中光学组件第一较佳实施例的结构示意图。

图3是图2的俯视示意图。

图4a是图2中夹具的示意图。

图4b是图4a中的夹具处于工作状态时的示意图。

图5是图2所示实施例中波长补偿膜的延迟光轴与液晶显示装置的出射光光轴的夹角示意图。

图6是本发明中光学组件第二较佳实施例的结构示意图。

图7是图6所示实施例安装在液晶显示装置上的光学示意图。

图8是图2及图6所示实施例安装在液晶显示装置上的光学特性比对图。

【具体实施方式】

请参阅图2至图3，是本发明中光学组件的第一较佳实施例，该光学组件可安装在液晶显示装置(如液晶显示器、液晶电视等)的显示屏于出射光方向上的外侧至外部空间的任一区域内，其具有二透明玻璃基板1、2以及波长补偿膜3。所述波长补偿膜3为光学薄膜，其为λ/4奇数倍的补偿膜，可提供波长相位延迟功能，波长补偿膜3的波长λ的范围在380～760nm之间、厚度为140nm，可通过粘着剂粘着覆盖在基板1上，采用波长补偿膜3结构可减少光损耗，当然，上述波长补偿膜3还可以通过镀膜等方式覆盖于基板1上。另一基板2则贴覆在波长补偿膜3的表面，以保护波长补偿膜3，此外，还可以采用PVC等材料制成的保护膜来替代基板2，采用保护膜时，可将保护膜直接贴附在波长补偿膜3上。可以理解，上述光学组件中的基板1、2的材质并不限于玻璃，其也可以是采用其他材质制成的透明基板，只要不影响光线的出射即可。

为便于将上述光学组件安装在液晶显示装置上，本发明还设有夹具4，所述夹具4可对称地夹持住光学组件及液晶显示装置。如图4a及图4b所示，在本实施例中，所述夹具4具有二夹头41，二夹头41之间通过弹性元件42(如弹簧等)连接，从而使二夹头41之间的距离可随被夹持件的厚度进行调节，并通过弹性元件42的弹性回复力夹持住被夹持件。

请参阅图5，所述λ/4奇数倍补偿膜3的延迟光轴与夹具4所夹持的液晶显示装置出射光的偏振方向成45度或135度角，因波长补偿膜3的波长延迟为λ/4，故可将从液晶显示装置出射的线偏振光转换成圆偏振光。此种结论可依据以下原理所得：

假设入射到波长补偿膜3上的线偏振光具有确定的振动面(如图8)，振动面的X轴和Y轴的电矢量可表示为：

其中，A是入射光的振幅，ω是角频率，是相位角，λ是光的波长。并且：

a_x＝Acosα        (1-2)

a_y＝Asinα

令：

τ＝ωt           (1-3)

则式(1-1)可改为：

令：

其中δ为入射光在X轴和Y轴分量的位相差；

则有：

将式(1-6)方程两边分别平方然后相加则得：

${\left(\frac{E_x}{a_x}\right)}^2+{\left(\frac{E_y}{a_y}\right)}^2-\frac{2E_x{E}_y}{a_x{a}_y}\cos \mathrm{\δ}={\sin }^2\mathrm{\δ}---(1-7)$

由式(1-7)垂直振动合成的轨迹方程，当位相差δ＝±π/2时，得到式(1-8)轨迹方程：

${\left(\frac{E_x}{a_x}\right)}^2+{\left(\frac{E_y}{a_y}\right)}^2=1---(1-8)$

若a_x＝a_y，则式(1-8)变为圆的方程。由此，一束线偏振光入射到厚度为d的波晶片上，出射光是圆偏振的条件有为：

1)E_x和E_y之间的位相差 $\mathrm{\δ}=\±\frac{\mathrm{\π}}{2},$ 由于 $\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_y-n_x)d$ 是由波晶片本身引起的，所以选用λ/4奇数倍的波长补偿膜。

2)E_x和E_y的振幅a_x＝a_y，假定入射线偏振光的振幅为A，其振动方向与X轴的夹角为α，则a_x＝Acosα，a_y＝Asinα。要使a_x＝a_t，必须α＝45度。

总之，令一束线偏振光通过λ/4奇数倍的波长延迟片，而且λ/4奇数倍的波长延迟片的光轴与出射光的偏振方向成45度角时，可以得到一束圆偏振光。

由此，本发明第一较佳实施例在基板1上贴有λ/4补偿膜3，且波长补偿膜3与入射光成45度角，即可得圆偏振光。

请一同参阅图6及图7，是本发明中光学组件的第二较佳实施例，其与上述第一较佳实施例的区别主要在于：在基板1上设置有λ/4补偿功能的复合膜5，所述复合膜5由在沿出射光方向有一层λ/2补偿膜5a与一层λ/4补偿膜5b组成，所述λ/2补偿膜5a粘在λ/4补偿膜5b与基板或保护膜2之间。上述光学组件同样可通过夹具4夹设在液晶显示装置上，其波长的范围在380～760nm之间，出射光偏振方向与λ/2补偿膜5a的延迟光轴夹角为θ，λ/4补偿膜5b的延迟光轴与出入射光偏振方向夹角为2θ+45°或2θ+135°，其中θ的变化范围在0～90°之间。

所述λ/4补偿膜5b及λ/2补偿膜5a厚度分别优选为140nm及270nm，因此可以将液晶显示装置出射光由线偏振光转换成圆偏振光和椭圆偏振光。

请再次参阅图6及图7，从液晶显示装置出射偏振光的偏振方向与λ/2补偿膜5a的延迟光轴夹角为θ，λ/2补偿膜5a的延迟光轴与λ/4补偿膜5b的延迟光轴夹角为2θ+45°。本发明第二较佳实施例采用λ/2补偿膜5a与λ/4补偿膜5b组合复合膜，即波长延迟片组合，可以对可见光波长进行更好的补偿效果。

申请人对本发明提供的光学组件的两个实施例进行了试验验证。实验时使用32英寸的液晶电视，对常规液晶电视、以及在常规液晶电视上分别安装有上述第一、第二较佳实施中所述的光学组件三种情况进行测试比较，连续观看DVD电视节目180分钟内，每隔30分钟进行一次，对眼睛的疲劳自觉症状和视力情况进行了调查。三种情况下电视的最高亮度都设置为325cd/m2，观看环境为一般家庭的照度等级，即90～100lux，观看者距离屏幕约2.2m。样本数为分为少年组、青年组、中年组、老年组三个组，其中少年组年龄分布8～18岁、青年组年龄分布19～35岁、中年组年龄分布36～55岁、老年组年龄分布55岁以上，各抽取了10人，即总共40人进行了对比试验。

实验得出的结果如下，常规液晶电视、在常规液晶电视上分别安装第一、第二较佳实施例中所述的光学组件三种情况下，观看DVD节目的视力随观看时间的长短都有不同程度的下降。对比来看，观看半小时以后，三种情况暂时性视力都有不同程度下降。安装有第一、第二较佳实施例中所述的光学组件的，相对常规液晶电视观看者视力下降幅度比较少，其中，安装有第二较佳实施例中所述的光学组件的又相对安装有第一较佳实施例中所述的光学组件的观看者视力下降幅度更小，对保护观看者视力下降最有帮助。

Claims (15)

1. 一种可改变偏振光状态的光学组件，安装在液晶显示装置于出射光出射方向上的外侧至外部空间的任一区域内，其包括透明基板以及波长补偿膜，所述波长补偿膜覆盖于基板表面，其特征在于：所述光学组件用于将液晶显示装置的出射光由线偏振光变成圆偏振光或椭圆偏振光出射，以降低视觉疲劳。

2. 如权利要求1所述的可改变偏振光状态的光学组件，其特征在于：所述波长补偿膜为λ/4奇数倍的波长补偿膜。

3. 如权利要求2所述的可改变偏振光状态的光学组件，其特征在于：所述波长补偿膜的光轴与液晶显示装置的出射光偏振方向成45度或135度。

4. 如权利要求1所述的可改变偏振光状态的光学组件，其特征在于：所述波长补偿膜为一层具有λ/4补偿功能的复合膜。

5. 如权利要求2或4所述的可改变偏振光状态的光学组件，其特征在于：所述波长λ的范围在380～760nm之间。

6. 如权利要求4所述的可改变偏振光状态的光学组件，其特征在于：所述复合膜在沿出射光方向由一层λ/2补偿膜与一层λ/4波长补偿膜组成。

7. 如权利要求6所述的可改变偏振光状态的光学组件，其特征在于：所述λ/2补偿膜的延迟光轴与出射光偏振方向夹角为θ，所述λ/4补偿膜的延迟光轴与出入射光偏振方向夹角为2θ+45°或2θ+135°。

8. 如权利要求6所述的可改变偏振光状态的光学组件，其特征在于：所述出射光偏振方向与λ/2补偿膜的延迟光轴夹角为θ，夹角θ值范围在0°～90°之间。

9. 如权利要求1、2、4或6所述的可改变偏振光状态的光学组件，其特征在于：所述波长补偿膜上还覆盖有另一透明基板或保护膜。

10. 如权利要求1所述的可改变偏振光状态的光学组件，其特征在于：所述光学组件通过一夹具固定在液晶显示装置上。

11. 如权利要求10所述的可改变偏振光状态的光学组件，其特征在于：所述夹具具有二夹头，所述二夹头之间通过弹性元件连接。

12. 一种液晶显示装置，具有显示屏，所述显示屏在出射光出射方向上的外侧至外部空间的任一区域内安装有一光学组件，所述光学组件包括透明基板以及覆盖于基板表面的波长补偿膜，其特征在于：所述光学组件用于将液晶显示装置的出射光由线偏振光变成圆偏振光或椭圆偏振光出射，以降低视觉疲劳。

13. 如权利要求12所述的液晶显示装置，其特征在于：所述波长补偿膜为λ/4奇数倍的波长补偿膜。

14. 如权利要求12所述的液晶显示装置，其特征在于：所述波长补偿膜为一层具有λ/4补偿功能的复合膜。

15. 如权利要求14所述的液晶显示装置，其特征在于：所述复合膜在沿出射光方向由一层λ/2补偿膜与一层λ/4波长补偿膜组成。

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