CN101634773B - 显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种显示装置，包括：显示面板，具有以矩阵形式设置的多个像素；第一偏光板；第二偏光板；面发光源；第三偏光板；以及偏光控制元件，其透射轴的定向根据控制信号而改变。控制部输出控制偏光控制元件的透射轴的定向的控制信号，以使偏光控制元件的透射光的偏光轴在对应于黑色显示的像素位置的部分中被定向为与第一偏光板的透射轴相交的方向，并在对应于白色显示的像素位置的部分中被定向为与第一偏光板的透射轴平行的方向。通过本发明，在抑制白色显示中亮度降低的同时，可以提高对比度。

Description

显示装置
相关申请的交叉参考
本发明含有与2008年7月24日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2008-190528相关的主题，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种在光源和显示面板之间具有能够使用控制信号来执行偏光控制的偏光控制元件的显示装置。
背景技术
传统地，液晶显示装置被用作个人计算机、电视机、便携式电话等的显示装置。通常，液晶显示装置具有以下结构：通过将液晶单元夹置在一对透明电极之间获得的液晶显示面板被透射轴彼此正交的一对偏光板所夹置。通过改变液晶单元中液晶分子的角度并调整背光的光量来显示图像。
在液晶显示装置中，尤其重要的是使对比度较高以增加商品价值。目前，作为设置在液晶显示面板的两侧的每一个偏光板，通常使用具有约75％～85％的与透射轴平行的偏振光的亮度透射率和约0.005％以下的与透射轴正交的偏振光的亮度透射率的偏光板。市场上也存在亮度透射率为0.001％以下的高级机型。在将具有这种亮度透射率的偏光板设置在液晶显示面板两侧的情况下，理想地对比度应等于亮度透射率并认为其至少为20000∶1～30000∶1以上。
然而，实际上，由于液晶单元中的光散射、滤色板等中颜料微粒的散射以及相差膜的双折射的影响，发生入射到液晶显示面板上的偏振光轻微的消偏振。因此，入射到液晶显示面板上的偏振光的偏光方向被干扰，并且黑色显示中整个单元的透射率变得高于两个偏光板重叠以使透射轴彼此正交的情况下的透射率。结果，对比度变成约1000∶1～3000∶1，这是与偏光板的偏光度相差甚远的值。
作为提高对比度的方法，建议使用光源的局部接通/关闭的方法。在该方法中，根据视频图像的明亮度来调整光源的输出，并且与增加偏光板的偏光度或减少液晶单元的消偏振的方法相比，大大提高了对比度。具体地，在将多个LED正好排列在液晶显示面板下方的设备用作背光的情况下，由于容易执行部分的点亮或熄灭并且响应速度高，所以可通过使用该方法来容易地提高对比度。
然而，在光源是冷阴极管或使用导光板的边缘照明型光源的情况下，不能使用该方法。在前一种情况下，在与冷阴极管的延伸方向平行的方向上不能执行开/关控制，并且响应速度低于具有普通磷光体的发光速度的LED的响应速度。在后一种情况下，由于结构的问题而不能局部地接通光源。因此，还要求这些类型的光源大大提高对比度。
例如，作为不管光源类型而提高对比度的方法，日本未审查专利申请公开第2008-51912号、2008-15289号、H03-055592号和H03-113427号公开了以下技术：制备液晶显示面板被透射轴彼此正交的一对偏光板所夹置的另一个显示装置并将该装置用作光闸的装置。
发明内容
然而，上述方法存在一个问题。由于在用于光闸的液晶面板的两侧上设置偏光板，所以仅通过两个偏光板来较低地抑制黑色显示中的亮度，但白色显示中的亮度还是大大减少。
因此，期望提供一种在抑制白色显示中的亮度降低的同时实现改进的对比度的显示装置。
作为本发明实施方式的第一显示装置包括具有以矩阵形式设置的多个像素的显示面板。基于图像信号来驱动多个像素。在显示面板的一面上设置第一偏光板，以及在显示面板的另一面上设置第二偏光板。显示装置具有从第一偏光板侧照射显示面板的面发光源。在第一偏光板与面发光源之间，从第一偏光板侧开始按顺序设置第三偏光板和透射轴的定向根据控制信号而改变的偏光控制元件。显示装置还包括用于输出控制信号的控制部。控制部输出控制偏光控制元件的透射轴的定向的控制信号，以使偏光控制元件的透射光的偏光轴在对应于黑色显示的像素位置的部分中被定向为与第一偏光板的透射轴交叉的方向，并在对应于白色显示的像素位置的部分中被定向为与第一偏光板的透射轴平行的方向。
在作为本发明实施方式的第一显示装置中，偏光控制元件的透射光的偏光轴在对应于黑色显示的像素位置的部分中被定向为与第一偏光板的透射轴交叉的方向并在对应于白色显示的像素位置的部分中被定向为与第一偏光板的透射轴平行的方向。通过这种配置，偏光控制元件中穿过对应于黑色显示的像素位置的部分的光被第一偏光板所吸收。与光穿过第一偏光板而不被第一偏光板吸收的情况相比，入射到显示面板中的黑色显示中的像素位置上的光量减少。在偏光控制元件中，当光穿过偏光控制元件时仅调整偏光轴的定向，并且难以发生光吸收。因此，入射到对应于偏光控制元件中的白色显示的像素位置的部分上的光在几乎不被减弱的同时穿过偏光控制元件和第一偏光板，并进入显示面板的白色显示的像素位置。
作为本发明实施方式的第二显示装置包括具有以矩阵形式设置的多个像素的显示面板。基于图像信号来驱动多个像素。在显示面板的一面上设置第一偏光板，并且在显示面板的另一面上设置第二偏光板。显示装置设置有从第一偏光板侧照射显示面板的面发光源。在第一偏光板和面发光源之间，从第一偏光板侧开始按顺序设置第三偏光板和根据控制信号散射或透射第三偏光板的透射光的偏光控制元件。显示装置还包括用于输出控制信号的控制部。控制部输出控制偏光控制元件的控制信号，以在对应于黑色显示的像素位置的部分中散射第三偏光板的透射光，而在对应于白色显示的像素位置的部分中透射该透射光。
在作为本发明实施方式的第二显示装置中，偏光控制元件在对应于黑色显示的像素位置的部分中散射第三偏光板的透射光并在对应于白色显示的像素位置的部分中透射该透射光。通过这种配置，在对应于偏光控制元件中的黑色显示的像素位置的部分中被散射的光被第一偏光板所吸收。与光穿过第一偏光板而不被第一偏光板吸收的情况相比，入射到显示面板中的黑色显示中的像素位置上的光量减少。在偏光控制元件中，当光穿过偏光控制元件时难以发生光损耗。因此，入射到对应于偏光控制元件中的白色显示的像素位置的部分上的光在几乎不被减弱的同时穿过偏光控制元件和第一偏光板，并进入显示面板中的白色显示的像素位置。
在作为本发明实施方式的第一显示装置中，偏光控制元件的透射光的偏光轴被定向为在对应于黑色显示的像素位置的部分中与第一偏光板的透射轴交叉的方向，并被定向为在对应于白色显示的像素位置的部分中与第一偏光板的透射轴平行的方向。因此，入射到显示面板中的黑色显示的像素位置上的光量减少，并且可以减少发生在显示面板上的消偏振。另外，入射到对应于偏光控制元件中的白色显示的像素位置的部分上的光在几乎不被减弱的同时穿过偏光控制元件和第一偏光板，并进入显示面板中的白色显示的像素位置，使得可以抑制白色显示中亮度的降低。因此，在抑制白色显示中亮度降低的同时，可以提高对比度。
在作为本发明实施方式的第二显示装置中，偏光控制元件在对应于黑色显示的像素位置的部分中散射第三偏光板的透射光并在对应于白色显示的像素位置的部分中透射透射光。因此，入射到显示面板中的黑色显示中的像素位置上的光量减少，并且可以减少发生在显示面板中的消偏振。另外，入射到对应于偏光控制元件中的白色显示的像素位置的部分上的光在几乎不被减弱的同时穿过偏光控制元件和第一偏光板，并进入显示面板中的白色显示的像素位置，使得可以抑制白色显示中亮度的降低。因此，在抑制白色显示中亮度降低的同时，可以提高对比度。
本发明的其他以及进一步的目的、特征和优点将根据以下描述而显而易见。
附图说明
图1是示出了作为本发明第一实施方式的显示装置的结构实例的截面图。
图2是示出了图1中的液晶显示面板的结构实例的截面图。
图3是示出了图1的显示装置的结构的另一实例的截面图。
图4是示出了图1中的偏光控制元件的结构实例的截面图。
图5是基于功能块单元示出了图1中的驱动电路的结构的示意图。
图6A和图6B是示出了图1中的偏光控制元件的开/关操作与液晶显示面板的白色显示和黑色显示之间的关系实例的关系图。
图7A和图7B是用于说明图1的显示装置中的偏光状态的一实例的示意图。
图8A和图8B是用于说明图1的显示装置中的偏光状态的另一个实例的示意图。
图9是示出了作为本发明第二实施方式的显示装置的结构实例的截面图。
图10是示出了图9中的偏光控制元件的结构实例的截面图。
图11A和图11B是用于说明图9中的偏光控制元件中的操作的示意图。
图12是示出了图9中的偏光控制元件中所施加的交流电压与线性透射率之间的关系实例的关系图。
图13是示出了图9中的偏光控制元件的开/关操作与液晶显示面板的白色显示和黑色显示之间的关系实例的关系图。
图14A和图14B是用于说明图9的显示装置中的偏光状态的实例的示意图。
图15是示出了图1的显示装置的结构的另一实例的截面图。
图16是示出了图9中的显示装置的结构的另一实例的截面图。
图17是示出了实施例和比较例的显示装置的对比度和最大亮度的对比图。
具体实施方式
以下将参考附图详细地描述本发明的实施方式。
第一实施方式
图1示出了作为本发明第一实施方式的显示装置1的一般结构的实例。显示装置1具有液晶显示面板10(显示面板)、夹置液晶显示面板10的偏光板20A(第一偏光板)和偏光板20B(第二偏光板)、设置在偏光板20A的后侧上的照明装置30以及驱动液晶显示面板10以显示视频图像的驱动电路40。偏光板20A的表面朝向观察者(未示出)。
液晶显示面板10被设置为显示视频图像。例如，液晶显示面板10是根据视频信号来驱动像素的透射型显示面板，并具有液晶层被一对透明基板夹置的结构。具体地，如图2所示，从照明装置30侧开始的顺序，液晶显示面板10具有透明基板11、像素电极12、取向膜13、液晶层14、取向膜15、公共电极16、滤色板17和透明基板18。
透明基板11和18是对可见光来说透明的基板(例如，玻璃板)。尽管没有示出，但在照明装置30侧的透明基板11上，形成包括TFT(薄膜晶体管)以及电连接至像素电极12的配线的有源驱动电路等。
例如，像素电极12和公共电极16由ITO(氧化铟锡)制成。像素电极12在透明基板11上进行栅格排列或三角排列，并用作各个像素的电极。另一方面，公共电极16形成在滤色板17的一个表面上，并用作面对像素电极12的公共电极。
取向膜13和15由诸如聚酰亚胺的高聚物材料制成，并对液晶执行取向处理。
例如，液晶层14由处于VA(垂直对准)模式、TN(扭曲向列)模式或STN(超扭曲向列)模式的液晶制成，并且如稍后所描述的，具有通过来自驱动电路40的施加电压逐像素地来改变从照明装置30发出的光的偏光轴的定向的功能。通过以多级改变液晶的排列，以多级来调整每个像素的透射轴的定向。
滤色板17将穿过液晶层14的光分离为例如红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的三原色或者诸如R、G、B和白色(W)的四个颜色。以与像素电极12的排列相应地排列滤色板17中各个颜色的图案。滤色板排列(像素排列)通常是条纹排列、斜纹排列、三角排列、矩形排列等。
偏光板20A是设置在液晶显示面板10的光入射侧的偏光板。偏光板20B是设置在液晶显示面板10的光出射侧的偏光板。偏光板20A和偏光板20B是一种光闸，并且仅透射预定振动方向上的光(偏振光)。偏光板20A可以是吸收除透射轴之外的振动方向上的光(偏振光)的吸收型偏光元件。从提高亮度的观点来看，将光反射向照明装置30侧的反射型偏光元件是优选的。偏光板20A和偏光板20B经设置以使它们的偏光轴彼此相差90度。通过这种配置，从照明装置30发出的光经由液晶层14穿过或被遮断。
偏光板20A的透射轴与稍后将进行描述的反射型偏光元件35的透射轴平行，或者与反射型偏光元件35的透射轴相交(正交)。
照明装置30具有光源31。例如，如图1所示，在照明装置中，在光源31的液晶显示面板10侧，从光源31侧开始按顺序设置扩散板32、扩散片33、棱镜片34、反射型偏光元件35(第三偏光板)和偏光控制元件36。另外，在光源31的背侧，设置反射片37。优选地，照明装置30是上述所谓的直下背光型。例如，如图3所示，照明装置30可以是使用导光板38的侧边缘型。
图1中的光源31和反射片37对应于本发明的“面发光源”的具体实例。
例如，如图1所示，在光源31中，多个线状光源以相等的间隔(例如，20mm的间隔)平行排列。线状光源通常是冷阴极荧光灯(CCFL)。可选地，可以线性地设置诸如发光二极管(LED)或有机EL(电致发光)元件的点状光源。例如，可通过将点状光源以等间隔设置为栅格形状来获得光源31。
例如，反射片37通过从光源31侧开始顺序堆叠铝(Al)、膨胀聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚碳酸酯而获得。反射片将从光源31发出的一部分光反射向液晶显示面板10。通过这种结构，可以有效地使用从光源31发出的光。
例如，扩散板32通过将扩散材料(填充物)扩散到相对较厚的板状透明树脂中而形成。例如，扩散片33通过将含有扩散材料的透明树脂(粘合剂)涂覆在相对较薄的膜状透明树脂上而形成。作为板状或膜状透明树脂，例如，使用PET、丙烯酸、聚碳酸酯等。作为扩散材料，例如，使用诸如SiO2的无机填充物、诸如丙烯酸树脂的有机填充物等。
例如，棱镜片34由具有半透明性的树脂材料制成。包括棱镜片34的平面被设置为与液晶显示面板10的表面平行。在棱镜片34的光出射侧的面(表面)中，形成多个凸部34a。例如，棱镜片34的光入射侧(背面)的面是镜面。
多个凸部34a的每一个都具有线状或锥体状的立体形状。优选地，在每个凸部34a都具有线状的立体形状且光源31是线状光源的情况下，凸部34a的延伸方向被设置为与光源31的延伸方向平行。在这种情况下，凸部34a可以被设置为在从光学特性的观点来看在容许的范围内与光源31的延伸方向相交。
例如，反射型偏光元件35具有堆叠有具有不同折射率的层的多层结构(未示出)。反射型偏光元件35对其方向性被棱镜片34提高的光进行ps分离，仅透射p波并选择性地反射s波。被反射的s波由设置在光源31的背侧的反射片37等再次反射。此时，将光分离为p波和s波，使得可以重新使用由反射型偏光元件35反射的s波。反射型偏光元件35可以具有通过由一对扩散片来夹置多层结构所获得的结构。在这种情况下，在反射型偏光元件35的扩散片中扩散穿过多层结构的p波，从而使视角变宽。
偏光控制元件36被设置为尽可能地抑制视频图像中所包括的黑色显示部分中的黑色亮度。例如，偏光控制元件36是根据控制信号来驱动像素的透射型面板，并具有液晶层被一对透明基板夹置的结构。具体地，如图4所示，偏光控制元件36从照明装置30侧开始按顺序具有透明基板51、X电极52、取向膜53、液晶层54、取向膜55、Y电极56和透明基板57。
透明基板51和57是对可见光来说透明的基板(例如，玻璃板)。在该实施方式中，在照明装置30侧的透明基板51上，不形成诸如TFT的驱动电路。
例如，X电极52和Y电极56由ITO制成。X电极52被形成为沿一个方向在透明基板51上延伸。Y电极56被形成为沿与X电极52正交的方向在透明基板57上延伸。X电极52和Y电极56彼此面对的部分起到像素电极的功能。即，偏光控制元件36是简单矩阵驱动型的面板。
偏光控制元件36的像素间距P2等于或大于液晶显示面板10的像素间距P1。为液晶显示面板10中的一个或多个像素设置偏光控制元件36的像素。通常，液晶显示面板10中相邻像素之间的亮度差极小。因此，即使在偏光控制元件36的像素间距P2稍宽于液晶显示面板10的像素间距P1时，在视频图像的显示中也不存在任何问题。通常，当需要尽可能地抑制视频图像中的黑色显示部分的亮度时，占据视频图像的黑色显示部分较宽。因此，即使在偏光控制元件36的像素间距P2比液晶显示面板10的像素间距P1宽得多时，在占据视频图像的黑色显示部分较宽的情况下，在视频图像的显示中也不存在任何问题。
取向膜53和55由诸如聚酰亚胺的高聚物材料制成，并对液晶执行取向处理。
例如，液晶层54由处于TN模式、VA模式、IPS模式等的定向液晶制成，并且如稍后所描述的，具有通过来自驱动电路40的施加电压逐像素地来改变穿过反射型偏光元件35的光的偏光轴的定向的功能。通过以两级或多级改变液晶的排列，液晶层54可以以两级或多级来调整每个像素的透射轴的定向。由于可以减少在旋转偏光面时诸如波长分散的影响，所以优选将处于TN模式的定向液晶用于液晶层54。必要时，可以设置用于抑制倾斜方向上的着色的相差补偿层，使其与液晶层54的光出射侧的面相接触。
根据来自驱动电路40的控制信号(后面提及的驱动电压46a)，偏光控制元件36的透射轴(偏光控制元件36的透射光的偏光轴)沿与偏光板20A的透射轴平行的方向被定向或沿与偏光板20A的透射轴相交(正交)的方向被定向。
例如，在偏光板20A的透射轴与反射型偏光元件35的透射轴平行的情况下，当控制信号关闭(例如，当驱动电压46a为零伏)时，偏光控制元件36的透射轴与偏光板20A的透射轴平行。当控制信号打开(例如，当驱动电压46a变为使入射到偏光控制元件36上的光的偏光轴旋转90°的值时)，偏光控制元件36的透射轴旋转并与偏光板20的透射轴相交(变成正交)。
例如，在偏光板20A的透射轴与反射型偏光元件35的透射轴相交(正交)的情况下，当控制信号关闭时，偏光控制元件36的透射光的偏光轴与偏光板20A的透射轴相交(正交)。当控制信号打开时，偏光控制元件36的透射轴旋转并变得与偏光板20A的透射轴平行。
图5示出了驱动电路40的功能块。驱动电路40包括：视频处理部41，处理来自外部的视频信号以生成RGB信号41a并生成通过将RGB信号转换为二值信号或多值信号所获得的灰度信号41b；视频存储器42，作为存储来自视频处理部41的RGB信号41a的帧存储器；灰度存储器43，作为用于存储来自视频处理部41的灰度信号41b的帧存储器；X驱动器44，将基于一条线的RGB信号42a的驱动电压44a提供给液晶显示面板10中的像素电极12；Y扫描器45，顺序扫描液晶显示面板10中的扫描线(未示出)；X驱动器46，将基于像素的灰度信号41b的驱动电压46a顺序提供给偏光控制元件36中的X电极52；Y扫描器47，顺序扫描偏光控制元件36中的Y电极56；以及控制部48，控制X驱动器44、Y扫描器45、X驱动器46和Y扫描器47。
例如，视频处理部41中的二值化处理是指将与RGB信号41a中的中间灰度和高灰度(白色显示)相对应的信号设置为“1”而将RGB信号41a中的低灰度(黑色显示)相对应的信号设置为“0”的处理。例如，视频处理部41中的多级处理是指将根据RGB信号41a的亮度级的正数分配给RGB信号41a的处理。
X驱动器46执行使偏光控制元件36的透射轴(偏光控制元件36的透射光的偏光轴)成为与偏光板20A的透射轴平行的方向和与偏光板20A的透射轴相交(正交)的方向的控制。
在本实施方式中，X驱动器46执行控制以使反射型偏光元件35的透射光在与液晶显示面板10中的低灰度(黑色显示/关闭)的像素位置相对应的像素中被散射，并使得透射光在与液晶显示面板10中的中间灰度和高灰度(白色显示/打开)的像素位置相对应的部分中穿过。
例如，在偏光板20A的透射轴与反射型偏光元件35的透射轴平行，并且当控制信号关闭时偏光控制元件36的透射轴与偏光板20A的透射轴平行的情况下，X驱动器46不将控制信号(驱动电压46a)输出至与液晶显示面板10中的中间灰度和高灰度(白色显示)的像素位置相对应的像素。即，X驱动器46输出零伏。此时，X驱动器46将控制信号(驱动电压46a)输出至与液晶显示面板10中的低灰度(黑色显示)的像素位置相对应的像素。即，X驱动器46输出使入射到偏光控制元件36上的光的偏光轴旋转90°的值的电压。图6A示出了这种情况下的偏光控制元件36的开/关操作与液晶显示面板10中的白色显示和黑色显示之间的关系。
例如，在偏光板20A的透射轴与反射型偏光元件35的透射轴平行，并且当控制信号关闭时偏光控制元件36的透射轴与偏光板20A的透射轴相交(正交)的情况下，X驱动器46将控制信号(驱动电压46a)输出至与液晶显示面板10中的中间灰度和高灰度(白色显示)的像素位置相对应的像素。即，X驱动器46输出使入射到偏光控制元件36上的光的偏光轴旋转90°的值的电压。此时，X驱动器46不将控制信号(驱动电压46a)输出至与液晶显示面板10中的低灰度(黑色显示)的像素位置相对应的像素。即，X驱动器46输出零伏。图6B示出了这种情况下的偏光控制元件36的开/关操作与液晶显示面板10中的白色显示和黑色显示之间的关系。
例如，在偏光板20A的透射轴与反射型偏光元件35的透射轴相交(正交)，并且当控制信号关闭时偏光控制元件36的透射轴与偏光板20A的透射轴平行的情况下，X驱动器46不将控制信号(驱动电压46a)输出至与液晶显示面板10中的中间灰度和高灰度(白色显示)的像素位置相对应的像素。即，X驱动器46输出零伏。此时，X驱动器46将控制信号(驱动电压46a)输出至与液晶显示面板10中的低灰度(黑色显示)的像素位置相对应的像素。即，X驱动器46输出使入射到偏光控制元件36上的光的偏光轴旋转90°的值的电压。图6A示出了这种情况下的偏光控制元件36的开/关操作与液晶显示面板10中的白色显示和黑色显示之间的关系。
例如，在偏光板20A的透射轴与反射型偏光元件35的透射轴相交(正交)，并且当控制信号关闭时偏光控制元件36的透射轴与偏光板20A的透射轴相交(正交)的情况下，X驱动器46将控制信号(驱动电压46a)输出至与液晶显示面板10中的中间灰度和高灰度(白色显示)的像素位置相对应的像素。即，X驱动器46输出使入射到偏光控制元件36上的光的偏光轴旋转90°的值的电压。此时，X驱动器46不将控制信号(驱动电压46a)输出至与液晶显示面板10中的低灰度(黑色显示)的像素位置相对应的像素。即，X驱动器46输出零伏。图6B示出了这种情况下的偏光控制元件36的开/关操作与液晶显示面板10中的白色显示和黑色显示之间的关系。
现在，将参考图7A和图7B以及图8A和图8B来描述实施方式的显示装置1的动作和效果。图7A和图7B以及图8A和图8B示意性地示出了显示装置1中的偏光状态的实例。
从光源31发出并穿过扩散板32、扩散片33和棱镜片34的非偏振光入射到反射型偏光元件35的背面上。在入射到反射型偏光元件35的背面上的光中与反射型偏光元件35的透射轴“a”平行的偏振光分量穿过反射型偏光元件35并入射到偏光控制元件36的背面上。另一方面，在入射到反射型偏光元件35的背面上的光中与反射型偏光元件35的透射轴“a”相交的偏振光分量被反射型偏光元件35所反射。反射光被扩散板32、扩散片33和棱镜片34或反射片37的表面反射并变为非偏振光。非偏振光再次进入反射型偏光元件35。通过重复这种循环，增加了光提取效率，并提高了正面亮度。
入射到偏光控制元件36的背面上的偏振光的偏光轴被偏光控制元件36控制为在与液晶显示面板10中的低灰度(黑色显示)的像素位置相对应的部分中与偏光板20A的透射轴相交(正交)的方向，并且被控制为在与液晶显示面板10中的中间灰度和高灰度(白色显示)的像素位置相对应的部分中与偏光板20A的透射轴平行的方向。
例如，如图7A和图7B所示，在偏光板20A的透射轴“c”与反射型偏光元件35的透射轴“a”平行的情况下，在与白色显示的像素位置相对应的部分中，如图7A所示，偏光控制元件36的透射轴“b”被控制信号(驱动电压46a)所控制以使偏光控制元件36的透射轴“b”变得与偏光板20A的透射轴“c”平行。在与黑色显示的像素位置相对应的部分中，如图7B所示，偏光控制元件36的透射轴“b”被控制信号(驱动电压46a)所控制以使偏光控制元件36的透射轴“b”与偏光板20A的透射轴“c”相交(变成正交)。
例如，如图8A和图8B所示，在偏光板20A的透射轴“c”与反射型偏光元件35的透射轴“a”相交(正交)的情况下，在与白色显示的像素位置相对应的部分中，如图8A所示，偏光控制元件36的透射轴“b”被控制信号(驱动电压46a)所控制以使偏光控制元件36的透射轴“b”与偏光板20A的透射轴“c”相交(变成正交)。在与黑色显示的像素位置相对应的部分中，如图8B所示，偏光控制元件36的透射轴“b”被控制信号(驱动电压46a)所控制以使偏光控制元件36的透射轴“b”变成与偏光板20A的透射轴“c”平行。
穿过偏光控制元件36的偏振光进入偏光板20A。在入射到偏光板20A上的光中与偏光板20A的透射轴“c”相交的偏振光分量被偏光板20A吸收或反射，并且与透射轴“c”平行的偏振光分量穿过偏光板20A。穿过偏光板20A的光根据在液晶显示面板10中以像素单元为基础的施加电压的大小而经受偏光控制。所得到的光是通过滤色板17(参考图2)分离的颜色，并且所得到的光入射到偏光板20B上。只有与偏光板20B的透射轴“d”平行的偏振光分量才穿过偏光板20B以在面板的正面形成图像。以这种方式，在显示装置1中显示图像。
在现有技术中，入射的偏振光穿过液晶显示面板并被出射侧的偏光板所吸收。由于具有非常高强度的偏振光穿过液晶显示面板，所以偏振光平面受到消偏振的干扰。未被出射侧的偏光板吸收而泄露的光量很大，并且难以减少黑色显示中的亮度。
另一方面，在本实施方式中，在偏光板20A的背侧设置偏光控制元件36，并根据来自驱动电路的控制信号(驱动电压46a)将偏光控制元件36的透射轴“b”设置为在与液晶显示面板10中的低灰度(黑色显示)的像素位置相对应的部分中与偏光板20A的透射轴“c”相交(正交)的方向。通过这种配置，穿过与偏光控制元件36中的黑色显示的像素位置相对应的部分的光被设置在液晶显示面板10的背侧的偏光板20A吸收或反射。结果，可以减少偏光平面被液晶显示面板10中的消偏振所干扰的光本身，使得可以进一步降低黑色显示的亮度。
在现有技术中，为了提高对比度，存在制备通过透射轴彼此正交的一对偏光板夹置液晶显示面板所获得的另一个结构并将其用作用于光闸的结构的情况。然而，在该方法中，由于对用于光闸的液晶显示面板的两面中的每一面均设置一个偏光板，所以尽管可以仅通过两个偏光板来抑制黑色显示中的亮度，但存在白色显示中的亮度也大大降低的问题。
另一方面，在本实施方式中，在偏光板20A的背侧设置偏光控制元件36，并根据来自驱动电路的控制信号(驱动电压46a)将偏光控制元件36的透射轴“b”设置为在与液晶显示面板10中的中间灰度和高灰度(白色显示)的像素位置相对应的部分中与偏光板20A的透射轴“c”平行的方向。此时，在偏光控制元件36中，在穿过偏光控制元件36时仅调整透射轴“b”的方向，并在反射型偏光元件35中存在极小的光损耗。具体地，如图7A所示，在偏光板20A的透射轴“c”与反射型偏光元件35的透射轴“a”平行，并且入射至偏光控制元件36的光仅仅是穿过而在偏光控制元件36内不旋转入射至偏光控制元件36的光的偏光轴的情况下，在反射型偏光元件35中几乎不存在光消耗。因此，入射到与偏光控制元件36中的白色显示的像素位置相对应的部分上的光在几乎不被减弱的情况下穿过偏光控制元件36和偏光板20A，并进入液晶显示面板10中的白色显示的像素位置。结果，可以抑制白色显示中亮度的降低，并且可以获得与不具有偏光控制元件36的现有技术的装置一样高的白色显示中的亮度。
因此，在本实施方式中，可以在抑制白色显示中亮度的降低的同时提高对比度。
在本实施方式中，在照明装置30中设置偏光控制元件36时，照明装置30的类型(例如，直下背光型或侧边缘型)不受限制。因此，无论照明装置30的类型是什么，都可以在抑制白色显示中亮度的降低的同时，提高对比度。
第二实施方式
图9示出了本发明第二实施方式的显示装置2的示意性结构的实例。显示装置2的结构与先前实施方式的显示装置1的不同之处在于：设置了具有偏光控制元件61的照明装置60来取代先前实施方式的偏光控制元件36。以下，将主要描述与先前实施方式不同的点，并且将不再重复对与先前实施方式相同的点的描述。
如先前实施方式中的偏光控制元件36，设置偏光控制元件61是为了抑制视频图像中所包括的黑色显示部分中的黑色亮度。例如，偏光控制元件61是根据控制信号来驱动像素的透射型面板，并具有液晶层被一对透明基板夹置的结构。具体地，如图10所示，偏光控制元件61从照明装置30侧开始按顺序具有透明基板51、X电极52、取向膜53、液晶层62、取向膜55、Y电极56和透明基板57。
液晶层62由所谓的聚合物分散型液晶制成。具体地，液晶层62是包括主要由高聚物形成的块体(bulk)62A以及分散在块体62A中并主要由单体制成的多个颗粒62B的复合层。例如，可通过将光固化或热固化单体和液晶的混合液体注入两个透明基板之间并且通过热施加或紫外线照射仅固化单体来生成聚合物分散型液晶。然而，实际上，当如上所述形成聚合物分散型液晶时，存在颗粒62B被形成为并不完全是独立的颗粒而是处于网络状态(海绵状态)并且难以完全将颗粒62B与块体62A分离的情况。
在聚合物分散型液晶中，在不施加电压的情况下，随机地定向密封颗粒62B(参考图11A)。因此，颗粒62B的折射率不具有各向异性，并且所有方向的折射率的值都高于块体62A的折射率。当光在此时进入液晶层62时，由于块体62A和颗粒62B之间的折射率差，使得光被块体62A和颗粒62B之间的界面所散射。在施加预定电压的情况下，沿电压施加方向(液晶层62的厚度方向)对准颗粒62B中的液晶(参考图11B)。因此，在颗粒62B中出现折射率各向异性，并且沿与电压施加方向平行的方向的折射率变得低于与电压施加方向正交的方向上的折射率。在此时沿与电压施加方向平行的方向的折射率与块体62A的折射率几乎彼此一致的情况下，在界面中不存在折射率差。因此，进入液晶层62的光不被散射，而是可以透过液晶层62。如上所述，液晶层62可以根据控制信号(驱动电压46a)来透射或散射入射光(偏振光)。
图12示出了在使用由NSG UMU产品有限公司制造的UMU作为聚合物分散型液晶的情况下的施加AC电压Vpp和线性透射率之间的关系。从图12可以了解，通过减小施加AC电压Vpp，入射光(偏振光)可以被散射，而通过增大施加AC电压Vpp，入射光(偏振光)可以穿过。
在本实施方式中，X驱动器46执行控制以使反射型偏光元件35的透射光在与液晶显示面板10中的低灰度(黑色显示)的像素位置相对应的像素中被散射，并使得透射光在与液晶显示面板10中的中间灰度和高灰度(白色显示)的像素位置相对应的部分中穿过。
例如，X驱动器将控制信号(驱动电压46a)输出至与液晶显示面板10中的中间灰度和高灰度(白色显示)的像素位置相对应的像素，以使颗粒62B中的单体沿电压施加方向(液晶层62的厚度方向)对准。X驱动器46不将控制信号(驱动电压46a)输出至与液晶显示面板10中的低灰度(黑色显示)的像素位置相对应的像素，以使颗粒62B中的液晶被随机定向。图13A示出了偏光控制元件61的开/关操作与液晶显示面板110中的白色显示和黑色显示之间的关系。
现在，将参考图14A和图14B来描述本实施方式的显示装置2的动作和效果。图14A和图14B示意性示出了显示装置2中的偏光状态的实例。
从光源31发出并穿过扩散板32、扩散片33和棱镜片34的非偏振光入射到反射型偏光元件35的背面上。在入射到反射型偏光元件35的背面上的光中与反射型偏光元件35的透射轴“a”平行的偏振光分量穿过反射型偏光元件35并入射到偏光控制元件61的背面上。另一方面，在入射到反射型偏光元件35的背面上的光中与反射型偏光元件35的透射轴“a”相交的偏振光分量被反射型偏光元件35反射。反射光被扩散板32、扩散片33和棱镜片34或反射片37的表面所反射并变成非偏振光。非偏振光再次进入反射型偏光元件35。通过重复这种循环，增加了光提取效率，并提高了正面亮度。
入射到偏光控制元件61的背面上的偏振光被偏光控制元件61所控制以在与液晶显示面板10中的低灰度(黑色显示)的像素位置相对应的部分中被散射，而在与液晶显示面板10中的中间灰度和高灰度(白色显示)的像素位置相对应的部分中穿过。
例如，如图11B所示，在与白色显示的像素位置相对应的部分中，颗粒62B中液晶的对准被控制信号(驱动电压46a)所控制，以使颗粒62B中的单体沿电压施加方向(液晶层62的厚度方向)对准。如图11A所示，在与黑色显示的像素位置相对应的部分中，颗粒62B中的单体的对准被控制信号(驱动电压46a)所控制，以使颗粒62B中的单体被随机定向。
穿过偏光控制元件61的偏振光进入偏光板20A。在入射到偏光板20A上的光中与偏光板20A的透射轴“c”相交的偏振光分量被偏光板20A吸收或反射，而与透射轴“c”平行的偏振光分量则穿过偏光板20A。穿过偏光板20A的光根据在液晶显示面板10中以像素单元为基础的施加电压的大小来经受偏光控制。所得到的光是由滤色板17分离的颜色，并且所得到的光入射到偏光板20B上。只有与偏光板20B的透射轴“d”平行的偏振光分量穿过偏光板20B以在面板的正面形成图像。以这种方式，在显示装置2中显示图像。
在现有技术中，入射的偏振光穿过液晶显示面板，并被出射侧的偏光板所吸收。由于具有非常高强度的偏振光穿过液晶显示面板，所以偏光平面被消偏振所干扰。未被出射侧的偏光板吸收而泄露的光的量很大，并且难以减少黑色显示中的亮度。
另外，在本实施方式中，在偏光板20A的背侧设置偏光控制元件61，并且反射型偏光元件35的透射光在与液晶显示面板10中的低灰度(黑色显示)的像素位置相对应的部分中被散射或者在与液晶显示面板10中的中间灰度或高灰度(白色显示)的像素位置相对应的部分中穿过。通过这种配置，入射到与偏光控制元件61的黑色显示的像素位置相对应的部分上的光在进入偏光板20A和液晶面板10之前被偏光控制元件61散射。结果，可以减少偏光平面被液晶显示面板10中的消偏振所干扰的光本身。另外，从与偏光控制元件61中的黑色显示的像素位置相对应的部分泄露的光被设置在液晶显示面板10的表面侧的偏光板20B所吸收(参考图14B)。因此，可以进一步降低黑色显示的亮度。
在现有技术中，为了提高对比度，存在制备通过透射轴彼此正交的一对偏光板夹置液晶显示面板而获得的另一个结构并将其用作用于光闸的结构的情况。然而，在该方法中，由于在用于光闸的液晶显示面板的两面的每一面上均设置了一个偏光板，所以尽管可以仅通过两个偏光板来较低地抑制黑色显示中的亮度，但存在白色显示中的亮度也大大降低的问题。
另一方面，在本实施方式中，在偏光板20A的背侧设置偏光控制元件61的情况下，根据来自驱动电路40的控制信号(驱动电压46a)，使颗粒62B中的液晶沿电压施加方向(液晶层62的厚度方向)对准，并且与颗粒62B的电压施加方向平行的方向的折射率和块体62A的折射率几乎匹配，进入液晶层62的光可以在不使偏光轴旋转的情况下穿过液晶层62。在这种情况下，在偏光控制元件61中，在穿过偏光控制元件61时仅调整颗粒62B中单体的定向，并且在反射型偏光元件35中几乎不存在光损耗。因此，入射到与偏光控制元件61中的白色显示的像素位置相对应的部分上的光在几乎不被减弱的情况下穿过偏光控制元件61和偏光板20A，并进入液晶显示面板10中的白色显示的像素位置。结果，可以抑制白色显示中亮度的降低，并且可以获得与不具有偏光控制元件61的现有技术的装置一样高的白色显示中的亮度。
因此，在本实施方式中，在抑制白色显示中亮度的降低的同时，可以提高对比度。
此外，在本实施方式中，在照明装置30中设置偏光控制元件61时，照明装置30的类型(例如，直下背光型或侧边缘型)不受到限制。因此，无论照明装置30的类型是什么，都可以在抑制白色显示中亮度的降低的同时，可以提高对比度。
第一和第二实施方式的变形例
尽管在第一实施方式中偏光控制元件36是简单矩阵驱动型的面板，但是其可以是静态驱动型或TFT驱动型的面板。在静态驱动中，逐像素地在垂直方向上单独地形成配线图案，并且在无需时间分割的情况下执行驱动。
在第一和第二实施方式中，在偏光板20A是吸收除透射轴之外的振动方向上的光(偏振光)的吸收型偏光元件的情况下，优选地，在照明装置30的顶面上(例如，如图15所示，在偏光板20A和偏光控制元件36之间)设置具有与偏光板20A的透射轴平行的透射轴的反射型偏光元件39。在这种情况下，优选地，反射型偏光元件39的透射轴与偏光板20A的透射轴平行。在这种情况下，可以减少被偏光板20A吸收的光的比率，使得增加了光使用效率，并且提高了正面亮度。
在第二实施方式中，如图16所示，照明装置30可以是使用导光板38的侧边缘型。
在第一和第二实施方式中，已经描述了棱镜片中的凸部34a仅具有形状各向异性但是不具有折射率各向异性的情况。棱镜片34中的凸部34a可以不仅具有形状各向异性而且还具有折射率各向异性。例如，可以凸部34a的延伸方向上的折射率小于凸部34a的对准方向上的折射率。相反地，可以凸部34a的对准方向上的折射率小于凸部34a的延伸方向上的折射率。由于折射率较小的方向与棱镜片34的透射轴相对应，所以优选地，棱镜片34被设置为以使棱镜片34的透射轴变得与反射型偏光元件35的透射轴平行。
在棱镜片34中的凸部34a具有折射率各向异性的情况下，棱镜片34可以根据偏光状态来改变入射到棱镜片34上的光的特性。因此，这种情况等效于为棱镜片34提供反射型偏光元件35的功能从而可以不设置反射型偏光元件35的情况。在第一实施方式中，在不设置反射型偏光元件35的情况下，根据偏光控制元件36的结构，偏光板20A的透射轴与棱镜片34的透射轴平行或与棱镜片34的透射轴相交(正交)。
[实施例]
将与第一和第二比较例相比较来描述本发明的第一和第二实施例。第一实施例的显示装置对应于第一实施方式的显示装置1的具体实施例。在Sony公司(Sony Corporation)制造的40英寸液晶电视机“BRAVIA 2005”(BRAVIA是Sony公司的注册商标)中，在液晶面板和反射型偏光元件之间的屏幕中心安装5英寸的TN型液晶面板作为偏光控制元件。在第一实施例中，将反射型偏光元件的透射轴、当不施加控制信号时偏光控制元件(TN型液晶面板)的透射轴以及液晶显示面板后侧的偏光板的透射轴设置成彼此平行。第二实施例的显示装置对应于第二实施方式的显示装置2的具体实施例。代替第一实施例的显示装置中的TN型液晶面板，安装由NSG UMU制造有限公司(NSG UMU products Co.，Ltd.)制造的“UMU膜”(UMU膜是NSG UMU制造有限公司的注册商标)作为偏光控制元件。第一比较例的显示装置通过从第一实施例的显示装置中去除TN型液晶面板来获得。第二比较例的显示装置通过在第一实施例的显示装置中的TN型液晶面板的两侧上设置透射轴彼此正交的两个偏光板来获得。
第一和第二实施例以及第一和第二比较例的显示装置的亮度，具体地，在整个屏幕中显示白色时的亮度(白色亮度)和在整个屏幕中显示黑色时的亮度(黑色亮度)通过使用由TOPCON公司(TOPCON Corporation)制造的分光辐射谱仪SR-UL1来测量。图17中，将通过利用黑色亮度对白色亮度进行标准化所获得的值表示为对比度，以及将白色亮度表示为最大亮度。在不向TN型液晶面板施加电压的情况下测量第一实施例中的白色亮度(在这种情况下，偏光平面由TN型液晶面板旋转90°)。在施加30V的大电压Vpp以使入射偏光不旋转90°的状态下测量第一实施例的黑色亮度。在以1kHz的频率向UMU膜(注册商标)施加40V的电压Vpp的状态下测量第二实施例的白色亮度。在不向UMU膜(注册商标)施加电压的状态下测量第二实施例的黑色亮度。
从图17的第一实施例和第一比较例的结果应了解，通过设置TN型液晶面板作为液晶面板和反射型偏光元件之间的偏光控制元件并将其驱动，与不设置TN型液晶面板的情况相比，可以将对比度提高约3.8倍，并且可以使最大亮度的降低在3％以下。
从图17的第二实施例和第一比较例的结果应了解，通过设置UMU膜(注册商标)作为液晶面板和反射型偏光元件之间的偏光控制元件并将其驱动，与不设置UMU膜的情况相比，可以将对比度提高约两倍，并且可以使最大亮度的降低在10％以下。
从图17的第一和第二比较例的结果应了解，通过在TN型液晶面板上设置透射轴彼此正交的两个偏光板，与不设置TN型液晶面板和两个偏光板的情况相比，可以将对比度提高约七倍，而最大亮度下降约47％。
尽管通过实施方式、变形例和实施例描述了本发明，但本发明并不限于这些实施方式等，而是可以有多种修改。
例如，在先前实施方式等中，在照明装置30中设置诸如扩散板32、扩散片33、棱镜片34、反射型偏光元件35和偏光控制元件36的光学片。根据需要，可以设置其他光学片。可以不设置扩散板32、扩散片33和棱镜片34。
尽管在先前实施方式等中已经描述了在显示装置1中设置液晶显示面板10的情况，但是可以设置具有与液晶显示面板10的功能类似的功能的另一显示面板。

Claims (12)

1.一种显示装置，包括：
显示面板，具有以矩阵形式设置的多个像素，所述多个像素基于图像信号来驱动；
第一偏光板，在所述显示面板的一个面上；
第二偏光板，在所述显示面板的另一面上，所述第二偏光板的偏光轴与所述第一偏光板的偏光轴彼此相差90度；
面发光源，从所述第一偏光板侧照射所述显示面板；
第三偏光板，在所述第一偏光板和所述面发光源之间，所述第三偏光板是反射型偏光元件；
偏光控制元件，在所述第一偏光板和所述第三偏光板之间，并且其透射轴的定向根据控制信号而发生改变，所述偏光
控制元件包括：一对透明基板，被设置成彼此分离以彼此面对；
一对透明电极，被设置为面向所述一对透明基板的表面；以及
液晶层，位于所述一对透明基板之间的间隙中；以及
控制部，输出控制所述偏光控制元件的所述透射轴的定向的控制信号，以使所述偏光控制元件的透射光的偏光轴在对应于黑色显示的像素位置的部分中被定向为与所述第一偏光板的透射轴交叉的方向，并在对应于白色显示的像素位置的部分中被定向为与所述第一偏光板的透射轴平行的方向，其中，
所述偏光控制元件被配置为使得在不施加所述控制信号时，所述偏光控制元件的透射光的偏光轴与所述第三偏光板的透射轴平行，而当施加所述控制信号时，所述偏光控制元件的透射光的偏光轴与所述第三偏光板的透射轴相交。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述第一偏光板的透射轴与所述第三偏光板的透射轴平行，以及
所述偏光控制元件被配置为使得在不施加所述控制信号时，所述偏光控制元件的透射光的偏光轴与所述第一偏光板的透射轴平行，而当施加所述控制信号时，所述偏光控制元件的透射光的偏光轴与所述第一偏光板的透射轴相交。
3.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述第一偏光板的透射轴与所述第三偏光板的透射轴相交，以及
所述偏光控制元件被配置为使得在不施加所述控制信号时，所述偏光控制元件的透射光的偏光轴与所述第一偏光板的透射轴相交，而当施加所述控制信号时，所述偏光控制元件的透射光的偏光轴与所述第一偏光板的透射轴平行。
4.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述第一偏光板是反射型偏光元件。
5.根据权利要求1所述的显示装置，还包括位于所述第一偏光板和所述偏光控制元件之间的反射型偏光元件。
6.根据权利要求5所述的显示装置，其中，所述反射型偏光元件的透射轴与所述第一偏光板的透射轴平行。
7.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述一对透明电极中的至少一个具有以宽于所述显示面板的像素间距的间距且以矩阵形式设置的多个像素电极。
8.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述面发光源是边缘光型。
9.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述面发光源是直下背光型。
10.一种显示装置，包括：
显示面板，具有以矩阵形式设置的多个像素，所述多个像素基于图像信号来驱动；
第一偏光板，在所述显示面板的一个面上；
第二偏光板，在所述显示面板的另一面上，所述第二偏光板的偏光轴与所述第一偏光板的偏光轴彼此相差90度；
面发光源，从所述第一偏光板侧照射所述显示面板；
第三偏光板，在所述第一偏光板和所述面发光源之间，所述第三偏光板是反射型偏光元件；
偏光控制元件，在所述第一偏光板和所述第三偏光板之间，根据控制信号来使所述第三偏光板的透射光散射或透射，所述偏光控制元件包括：一对透明基板，被设置成彼此分离以彼此面对；一对透明电极，被设置为面向所述一对透明基板的表面；以及液晶层，位于所述一对透明基板之间的间隙中，其中，所述液晶层是包括高聚物和液晶的复合层，并且所述复合层中的液晶部分是颗粒形状；以及
控制部，输出控制所述偏光控制元件的控制信号，以使在对应于黑色显示的像素位置的部分中散射所述第三偏光板的透射光，而在对应于白色显示的像素位置的部分中透射所述透射光，其中，
所述偏光控制元件在不施加所述控制信号时散射所述第三偏光板的透射光，而在施加所述控制信号时在不改变偏光轴的情况下透射所述第三偏光板的透射光。
11.根据权利要求10所述的显示装置，其中，所述第一偏光板的透射轴与所述第三偏光板的透射轴平行。
12.根据权利要求10所述的显示装置，其中，多个颗粒被配置为使得当不施加所述控制信号时所述颗粒沿所述液晶层的厚度方向的折射率具有与所述液晶层的厚度方向上的折射率不同的值，而当施加所述控制信号时，所述颗粒沿所述液晶层的厚度方向的折射率具有与所述液晶层的厚度方向上的所述折射率相同的值。
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