CN101339321A - 液晶显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液晶显示装置，所述液晶显示装置在其液晶盒的外侧至外部空间的任一区域内设置一透光部件，实现从液晶盒出射的线偏振光在进入外部空间之前经由该透光部件之后变成圆偏振光或椭圆偏振光出射，有利于降低观看者的视觉疲劳。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种液晶显示装置，尤其涉及一种改变出射光偏振状态的液晶显示装置。
【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。
请参阅图1A、1B所示的液晶显示器的结构示意图，液晶显示器是将两块带透明电极102，104的玻璃基板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，液晶在上下基板之间扭曲90度，上下基板外侧附着两片光轴互相垂直的偏振片110，120。上侧的偏振片120光轴(平行于纸面)与上侧基板处的液晶取向平行，下侧的偏振片110光轴(垂直于纸面)与下侧基板处的液晶取向平行。自然光自下基板至上基板入射液晶屏，不加电场时光线通过下侧偏振片110变为垂直下基板处液晶取向的偏振光，偏振光被液晶层旋光，转过90°后正好与上基板处偏振片的光轴相平行，可以透过，作为显示器的亮态，如图1A所示；加电场时液晶分子130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，透过下偏振片110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120时，偏光轴与出射光的偏振方向垂直，光被截止，呈现暗态，如图1B所示。如果电场不特别强，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，现有的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，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具改变出射光偏振态的液晶显示装置。
为解决上述技术问题，本发明的一种液晶显示装置，该液晶显示装置主要包括：一第一基板与第二基板；一密封于该第一基板与该第二基板两内侧面之间之液晶层，形成液晶盒；一配置于该第一基板外侧面之一线偏光板，光线经该第一线偏光板之后进入液晶层；及一配置于该第二基板外侧面之一透光部件；所述透光部件实现由液晶盒出射的光线经该部件后转变为圆偏振光或椭圆偏振光出射。
其中，所述透光部件沿光的出射方向依次由基底、聚乙烯醇(PolyvinylAlcohol，PVA)、及环烯烃聚合物(Cycio Olefins Polymer，COP)或双轴拉伸的三醋酸纤维素(N-TAC)形成。
其中，所述透光部件的基底是由三醋酸纤维素(TAC)材料形成。
其中，三醋酸纤维素(TAC)材料可以是光学各向同性或采用双轴拉伸具有光学双折射特性功能。
其中，该透光部件的基底是由具有双折射特性的环烯烃聚合物(CycioOlefins Polymer，COP)或采用单轴拉伸三醋酸纤维素、同时涂布聚酰亚胺(PI)材料形成的具有双折射特性的复合材料制成。
其中，该透光部件沿光的出射方向依次由基底、聚乙烯醇(PolyvinylAlcohol，PVA)、及涂布聚酰亚胺(PI)的单轴拉伸三醋酸纤维素形成。
其中，该第一基板的外侧面与线偏光板之间进一步包括一相位补偿膜。
其中，该透光部件是一个光学晶体。
与现有技术相比较，本发明提供一种液晶显示装置，通过在液晶盒出射光一侧设置一具有偏光及光学相位补偿功能的透光部件，从而改变现有液晶显示器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1A、1B是液晶显示器的结构示意图。
图2是实现液晶显示器出射光偏振片加粘贴相位补偿偏的结构示意图。
图3是图2中液晶显示屏的光学示意图。
图4是补偿膜的延迟光轴与偏光片光轴的夹角示意图。
图5是本发明实施方式1揭示的复合膜结构示意图。
图6是本发明实施方式2揭示的复合膜结构示意图。
图7普通偏光片的结构示意图。
图8是图5揭示的复合膜的一改进复合膜的结构示意图。
图9是图6揭示的复合膜的一改进复合膜的结构示意图。
图10是图9所述复合膜采用波长延迟片组合结构示意图。
图11是图10中所示的波长延迟片组合的两延迟光轴与偏光层的偏振方向夹角关系图。
图12是采用相位补偿组合的复合膜与采用λ/4补偿膜的复合膜对可见光的补偿效果对比示意图。
图13是用晶体生产的方式得到复合膜结构示意图。
图14是观看普通液晶电视与加相位补偿片之后对人眼视力影响对比图。
【具体实施方式】
参阅图2至图4，为了能获取出射光为线偏振光或椭圆偏振光状态的液晶显示装置，一个比直简单的方式是通过在液晶显示装置的出射光偏振片120的外侧贴有λ/4相位补偿膜15，所述相位补偿膜15为光学薄膜，可提供相位补偿功能，波长λ的范围通常在可见光范围内，即波长λ在380～760nm之间。所述补偿膜15的相位补偿值为π/2，即延迟厚度为140nm，且通过粘着剂13粘着在出射光偏振片120上。所述补偿膜15外还粘有保护膜17。补偿膜15直接粘附出射光偏振片120上，无需其他附加组件，能使得液晶显示装置的出射光为线偏振光或椭圆偏振光，实现成本较低。
从出射光偏振片120出射的偏振光吸收轴与相位补偿膜15延迟光轴成45度角，因相位补偿膜15的相位延迟值为π/2，故可将从出射光偏振片120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：
假设入射到波长延迟片(即补偿膜16)上的线偏振光具有确定的振动面(如图7)，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：
ax＝Acosα
ay＝Asinα (1-2)
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：
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：
若ax＝ay，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)Ex和Ey之间的位相差 由于 是由波晶片本身引起的，所以选用λ/4延迟片。
2)Ex和Ey的振幅ax＝ay，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ax＝Acosα，ay＝Asinα。要使ax＝ay，必须α＝45度。
总之，令一束线偏振光通过延迟厚度为/4波长奇数倍的相位补偿膜，而且延迟厚度为λ/4波长奇数倍的相位补偿膜的延迟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。
由此可知，在出射光偏振片120上贴有λ/4相位补偿膜15，且相位补偿膜15与入射光成45度角，即可得圆偏振光。
为了更好的产业应用，实用中可以将前述两实施方式中的出射光偏振片120与其上所贴有λ/4相位补偿膜15整合为一个整体，成为一个能同时实现偏光与相位补偿功能复合膜，该复合膜是一个全新的透光部件，将该透光部件设置在液晶盒的出射光一侧，液晶显示装置能实现圆偏振光或椭圆偏振光出射，将有利于改善人眼的视觉疲劳。
请参阅图5所示能同时实现偏光与相位补偿功能的复合膜20结构示意图，该复合膜通过两粘胶层23、25粘结三层材料，各层材料的功能分述如下，处于底层的偏光层24实现偏光功能，常用的是一个偏光片；处于中间位置的是相位补偿层26主要实现相位补偿功能，一般采用λ/4相位补偿片，用于液晶装置中，相位补偿层26的相位补偿值一个较佳的值是π/2，即延迟厚度是140nm，该相位补偿层26的材料可能采用具有双折射特性的环烯烃聚合物(Cycio Olefins Polymer，COP)膜，简称COP，采用双轴拉伸、有双折射特性三醋酸纤维素(N-TAC)膜，简称N-TAC，或是采用单轴拉伸三醋酸纤维素、同时涂布聚酰亚胺(PI)材料形成的具有双折射特性的膜等，相位补偿层26的延迟光轴与偏光层24的偏振方向优选45度角。处于最上层的是表面处理层28，主要起一个防护功能，最常用的是一层TAC膜，可通过增加抗眩光、抗反射处理，以改善屏幕在外界强光环境下的图像质量。此外，为了便于工业生产，方便复合膜20与液晶盒的粘贴，通常偏光层24的外侧面还涂覆有一层粘胶层(图未示)。
使用中，复合膜20是置于液晶盒出射光一侧，通过液晶层的线偏振光经复合膜20的偏光层24实现光线的通过与截止，进行图像显示，再经过相位补偿层26之后变成圆偏振光或椭圆偏振光经表面处理层28出射，从而能实现人眼观看到的液晶显示图像是圆偏振光或椭圆偏振光。
2004年9月22日，中国专利公开号为CN 1530720A公开了名为“使用圆偏振光的多显示域垂直配向型的液晶显示器”揭示了一种新液晶显示器结构，简述之，即在两偏光片与液晶层之间分别增加一层相位补偿片，使得原先液晶显示器中以线偏振光通过液晶层转变为圆偏振光通过液晶层，以解决现有液晶显示器的漏光及颜色偏移的问题，为了进一步适应该类液晶显示器使用需求，可以将本发明的复合膜20与出射光一侧的相位补偿膜进一步整合，形成一个新复合膜30，如图6所示，即将复合膜20的偏光层24的外侧面通粘胶层21再粘贴一层相位补偿层22，该相位补偿层的相关参数与液晶盒入射光一侧设置的相位补偿层的参数相适配，详细的参数配合情况请参阅前述公开号为CN 1530720A的专利，从而使得新复合膜30在使用过程中能沿光线的行进方向同时实现相位补偿、偏光、再相位补偿，形成一个多功能的复合膜。
前述两复合膜20、30是采用粘胶层将各功能材料层粘结在一起，从而使得本发明的复合膜20、30相比现有的液晶显示器要多增加一相位补偿层28，在一定程度上影响了透光率，考滤到两复合膜20、30的中偏光层24是一个偏光片，该偏光片是由两光学各向同性的三醋酸纤维素(Normal TAC)层244、246中间夹一层偏光薄膜材料245，如图7所示，常用的偏光材料245是利用碘染色的聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)薄膜，简称PVA。由于PVA易于吸潮、易变形，极不稳定，因此，用PVA材料做偏光片，通常需要做成三明治结构，中间是一层PVA材料，两边各一层基底材料TAC，以起保护作用。
在本发明的复合膜20中，偏光片24一侧有相位补偿层26，相位补偿层26可以采用双轴拉伸、有双折射特性三醋酸纤维素(N-TAC)膜，而N-TAC除了具有相位补偿功能之外，还具有Normal TAC材料在一般偏光片中起到的基底与保护作用，因此可以将本发明复合膜20中偏光层24的一层保护材料Normal TAC省去，形成一种新的复合膜40，参阅图8所示，按使用中的光线行进方向依次包括基底层244，材料是Normal TAC，偏光层245，材料是PVA，相位补偿层26，粘胶层25及表面处理层28，在此再补充说明一下相位补偿层26的材料除了N-TAC，还可以用COP或是采用单轴拉伸三醋酸纤维素、同时涂布聚酰亚胺(PI)材料形成的具有双折射特性的膜。
按同样的原理，在本发明的复合膜30，可以进行进一步改进，一是可以在复合膜20的基础上进行改进，将复合膜20的偏光层24最外层的一层基底材料Normal TAC直接替换成N-TAC、COP膜或采用单轴拉伸三醋酸纤维素、同时涂布聚酰亚胺(PI)材料形成的具有双折射特性的膜即可实现，相比原来的复合膜30省去了粘胶层21及偏光片24的一层基底材料244。另一种更为简单的结构是在复合膜40的基础上进行改进，将复合膜40的基底层244的材料Normal TAC直接替换成N-TAC、COP膜或采用单轴拉伸三醋酸纤维素、同时涂布聚酰亚胺(PI)材料形成的具有双折射特性的膜即可实现，从而形成一种新复合膜60，如图9所示，按使用过程中的光线方向依次包括相位补偿膜22，偏光材料PVA层245，及相位补偿层26，粘胶层25及表面处理层28，各层的材料如前所述，再此不再赘述。
如前述的本发明的复合膜20、30、40、60中相位补偿层26是采用四分之一波片，其相位补偿值优选π/2，即延迟厚度140nm，为了对可见光波长进行更好的补偿，复合膜20、30、40、60中相位补偿层26可以采用λ/2补偿膜与λ/4补偿膜形成的波长补偿片组合，现以复合膜60结构为例说明，将复合膜60中相位补偿层26与偏光材料PVA层245之间通过粘胶层27再增加一层λ/2补偿膜26a，形成如图10所示复合补偿膜70，其它复合膜20、30、40也可以同样的方式增加一层λ/2补偿膜26a，在此不再作一一赘述。
其中，/2补偿膜26a的延迟光轴若与偏光层的偏振方向夹角为θ，所述λ/4补偿膜26的延迟光轴与偏光层的偏振方向夹角为2θ+45°或2θ+135°，其中θ的变化范围在0～90°之间。所述λ/2补偿膜26a及λ/4补偿膜26延迟厚度值分别优选为270nm及140nm。因此可以将液晶显示器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11及图12，从液晶显示器出射偏振光的偏振方向与λ/2补偿膜26a(λ/2延迟片)的延迟光轴夹角为θ，λ/2补偿膜26a的延迟光轴与λ/4补偿膜26(λ/4延迟片)的延迟光轴夹角为2θ+45°。在本发明的复合膜中，通使用采用/2补偿膜26a与λ/4补偿膜26的波长延迟片组合，可以对可见光波长进行更好的补偿效果。
复合膜20、30、40、60除了前述的方法实现之外，还可以通过晶体分层生长的方式实现，如图13所示，具改变偏振光状态部件80，由基材82，偏光层84，相位补偿层86等三部分构成。各部分功能描述和组成结构如下：基材82可以是光学各向同性的透明基材，例如Normal TAC或玻璃基板等材料，或者是具有相位补偿功能特性的光学基材，例如N-TAC、COP等材料。偏光层84则通过晶体生长技术，在基材1表面生长具有线偏振特性的光学晶体层。相位补偿层3也采用晶体生长技术，在偏光晶体层2的表面生长另一层具有双折射特性的光学晶体层，例如钒酸钇和氟化镁等光学晶体层。通过控制生长条件，实现延迟光轴的方向与偏光晶体层2的吸收光轴方向夹角为45°，同时控制生长厚度，使相位延迟值为π/2，即延迟厚度为140nm。
申请人对本发明提供的两个实施例进行了试验验证。
实验1：
使用2台32英寸的液晶电视，一台加1/4延迟片，一台不作处理。让受试者分别在上述两种电视上连续观看DVD电视节目180分钟内，每隔30分钟进行一次视力的检测。两种情况下电视的最高亮度都设置为325cd/m2。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。
实验得出的结果如图14，曲线B是观看常规液晶电视的受检者的视力平均值随观看时间的变化曲线；曲线A是观看加1/4延迟片液晶电视的受试者的视力平均值随观看时间的变化曲线。常规液晶电视、加1/4延迟片两种情况下，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，两种情况暂时性视力都有不同程度下降。加上1/4延迟片相对常规液晶电视，观看者视力下降幅度比较少，对保护观看者视力有帮助。
实验2：
本次实验利用眨眼频率来评价视觉疲劳。实验中使用2台32英寸的液晶电视，一台加1/4延迟片，一台不作处理。受检者被随机分成两组，分别用上述两种电视观看节目150分钟。在受检者观看电视的过程中，用眼电图(EOG)记录仪监测其眨眼频率。观察受检者观看电视过程中的眨眼频率的变化，可反映出受检者视觉疲劳的情况。本次实验共完成79人次的LCD-TV观看实验与数据记录。
将受检者在各时间点上的眨眼次数转变为眨眼频率(次/秒)，并求平均后列表如下：
表：受检者在各时间点上的眨眼频率(次/秒)
| 分组 | 观看前 | 59min | 89min | 125min | 观看后 |
| 线偏振光 | 13.59 | 13.18 | 14.44 | 16.77 | 16.55 |
| 圆偏振光 | 13.29 | 11.87 | 12.22 | 14.80 | 13.36 |
从上面数据可观察到，两组受检者眨眼频率在观看过程中相对观看前都有下降，随后再逐步变大，并且线偏振光组的变化幅度较圆偏振光组的大。
针对两组受检者观看故事片前后的眨眼频率，用SPSS分析软件的配对t-检验进行分析，结果如下表：
表：两组受检者观看前后的眨眼频率(平均值±标准差次/秒)
| 分组 | 观看电视前 | 观看电视后 | t | p |
| 线偏振光 | 13.6±8.1 | 16.6±9.3 | 3.35 | 0.002 |
| 圆偏振光 | 13.3±6.8 | 13.4±6.2 | 0.11 | 0.913 |
分别对两组受检者观看故事片前后的眨眼频率进行配对t-检验后发现，线偏组受检者观看故事片后的眨眼频率比观看故事片前高，差异有显著意义(p＜0.05)；圆偏组受检者观看故事片前后的眨眼频率差异无显著意义(p＞0.05)。既相比传统的输出光为线偏振光的LCD-TV电视，圆偏振光输出的电视能够减轻眼睛疲劳，从而起到减轻观看电视对人眼视疲劳的影响，达到护眼的目的。
Claims (10)
1.一种液晶显示装置，主包括：
一第一基板和第二基板；
一密封在该第一基板与该第二基板两内面之间的液晶层，形成液晶盒；
一配置在该第一基板外侧面的一线偏光板，光线经该第一线偏光板之后进入液晶层；
一配置在该第二基板外侧面的一透光部件；
其特征在于：所述透光部件实现由液晶层的出射光经该部件后转变为非线偏光出射。
2.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于：所述透光部件沿光的出射方向依次由基底、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)、及环烯烃聚合物(Cycio Olefins Polymer，COP)或双轴拉伸的三醋酸纤维素(N-TAC)形成。
3.如权利要求2所述的液晶显示装置，其特征在于：所述透光部件的基底是由三醋酸纤维素(TAC)材料形成。
4.如权利要求3所述的液晶显示装置，其特征在于：三醋酸纤维素(TAC)材料可以是光学各向同性或采用双轴拉伸具有光学双折射特性功能。
5.如权利要求2所述的液晶显示装置，其特征在于：所述透光部件的基底是由具有双折射特性的环烯烃聚合物(Cycio Olefins Polymer，COP)或采用单轴拉伸三醋酸纤维素、同时涂布聚酰亚胺(PI)材料形成的具有双折射特性的复合材料制成。
6.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于：所述透光部件沿光的出射方向依次由基底、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)、及涂布聚酰亚胺(PI)的单轴拉伸三醋酸纤维素形成。
7.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于：该第一基板的外侧面与线偏光板之间进一步包括一相位补偿膜。
8.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于：所述透光部件是一个光学晶体。
9.如权利要求8所述的液晶显示装置，其特征在于：所述光学晶体由偏光层与相位补偿层组成。
10.如权利要求9所述的液晶显示装置，其特征在于：所述光学晶体的偏光层与相位补偿层是通过分阶段生长形成。
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