CN102636836A - 一种全息增亮元件及含该元件的半反半透型lcd - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全息增亮元件及含该元件的半反半透型LCD，全息增亮元件包括全息薄膜材料层，全息薄膜材料层为用具有相干性的一束平面光与一束漫反射光从光聚合物薄膜材料两侧入射进行激光曝光，调节材料光折射率而得到的具有光衍射性能的材料层。半反半透型LCD在其偏振片与反射型偏光片之间设有上述全息增亮元件，利用光学全息元件的滤波功能，有效地将入射于半反半透型LCD显示屏的照明光，通过对光的衍射、漫反射作用，会聚到显示屏的观察视角范围进一步提高背光效率和照明光效率。全息增亮元件的滤波光谱与背光光波导LED光源光谱分离，背光照明可不受全息增亮元件的衍射影响，达到全透射，可以转变成全反全透型LCD。
Description
技术领域
本发明涉及一种全息增亮元件及含该元件的半反半透型LCD(Transflective LCD)，属于LCD显示屏光学材料技术领域。
背景技术
LCD显示屏可分为反射型LCD和透射型LCD，已有的技术中，使用光聚合物材料制备的基于衍射原理的全息元件，实现了在反射型LCD中的应用(见专利号为94190861.5的中国专利，CN1116003A)，反射型TN LCD(Twisted Nematic)，STN LCD (Super TwistedNematic)，TFT LCD(Thin Film Transistor)利用全息元件的衍射效应，提高了反射型LCD的亮度、可见度。
半反半透型LCD模块包括TN LCD，STN LCD，TFT LCD，由液晶面板部分和背光材料部分组成。背光材料包括半反半透膜、反射型偏光片、棱镜增亮膜、光漫扩散膜，放置于偏振片与光波导之间。光波导有侧置式LED光源，用于背光照明，它与光波导板相连接。在半反半透LCD中，偏振片与反射型偏光片之间置有半反半透薄膜材料，常规的半反半透膜是一层毛化的镀铝或氧化镁的金属膜，对正面入射LCD的光线，产生漫反射，不足的是镜面反射信号与半反半透膜的漫反射最亮方向重叠，造成LCD的观测的干扰；同时LED(Light EmitingDiode)背光透过半反半透膜，对液晶屏进行照明时，会有一部分光被吸收掉，通常50％反射50％透射，或70％反射30％透射。
发明内容
本发明的目的是针对半反半透型TN LCD、STN LCD和TFT LCD中背光效率不甚理想的问题，提供了一种全息增亮元件及含该元件的半反半透型LCD，利用全息增亮元件的衍射特性，可以有选择性地对不同波段滤波，通过改变漫反射的视角方向和角度范围，可以有效地避开了镜面反射产生的干扰，显著地提高了户外光照下的的亮度和对比度，若全息增亮元件的滤波光谱与背光光波导LED光源光谱分离，背光照明可不受全息增亮元件的衍射影响，达到全透射，半反半透型LCD进而可以转变成全反全透型LCD。
本发明采取的技术方案为：
一种全息增亮元件，包括全息薄膜材料层，全息薄膜材料层为用具有相干性的一束平面光与一束漫反射光从光聚合物薄膜材料两侧入射进行激光曝光，调节材料光折射率而得到的具有光衍射性能的材料层。
所述的全息增亮元件还包括光学胶粘合层、衬底材料层，全息薄膜材料层通过光学胶粘合层粘接衬底材料层。
上述的全息薄膜材料层厚度15微米至20微米。
上述的衬底材料层为PET薄膜或PE薄膜。
全息增亮元件优选中心波长488nm蓝色、530nm绿色、580nm橙色、615nm红色，使用扩散薄膜进行热处理后，中心波长有几个nm的红移，全息增亮元件的色彩滤波带宽被加大到40nm以上。
一种半反半透型LCD，包括前面的液晶面板部分和其后面的背光材料部分，背光材料部分包括偏振片、反射型偏光片、光波导板，在偏振片与反射型偏光片之间设有上述全息增亮元件，全息增亮元件通过光的衍射将射入其中的光以漫反射的方式会聚到LCD显示屏的视角方向。
所述的光波导板后面设有光学全息反射元件，光学全息反射元件将射入其中的光，以衍射的方式改变其方向，照明液晶面板部分。制备方法同于侧置式照明的全息成像薄膜的制备，制备详述参考Ryder Sean Nesbitt，“Edgelit Holography：Extending Size and Color”，MIT Thesis，1999。
所述的光学全息反射元件后面粘接着金属反射膜层。
所述的全息增亮元件的滤波峰值与入光波导板的LED背光光谱错开，减少光谱范围重叠。蓝光LED波长465nm，带宽30nm；绿光LED波长505nm，带宽35nm；红光LED波长655nm，带宽25nm；基于蓝光波长的全息增亮元件对655nm光波段的衍射影响可忽略，因此以波长655nm的红光LED作为背光光源基本可全部透过，红光波长的全息增亮元件对465nm光波段的衍射影响也较小，因此以波长465nm的蓝光LED作为背光光源也可大部分透过。
所述的光学全息反射元件，包括全息薄膜材料层，全息薄膜材料层为用两束相干性的平面光从光聚合物薄膜材料两侧入射进行激光曝光，调节材料光折射率而得到的具有光衍射性能的材料层。
所述的光学全息反射元件还包括光学胶粘合层、衬底材料层，全息薄膜材料层通过光学胶粘合层粘接衬底材料层。上述的全息薄膜材料层厚度15微米至20微米。上述的衬底材料层为PET薄膜或PE薄膜。
本发明半反半透型LCD，偏振片与反射型偏光片之间的全息增亮元件的滤波峰值与光波导LED背光光谱错开，这样照明光可通过全息增亮元件有效地漫反射，为反射状态下的LCD面板提供照明，同时，来自光波导的背光可以有效透过，从而不但提高了照明光下的漫反射光的使用效率，而且提高了背光LED光波导的光效率。偏振片与反射型偏光片之间的全息增亮元件对入射的照明光有最佳聚光角度，其方向为入射方向相对于垂直的法向45度角，偏振片与反射型偏光片之间的全息增亮元件衍射方向决定了LCD显示屏的观测角度，即视角方向，在元件的垂直法向的另一侧的15度角，漫反射产生的垂直视角范围相对于垂直法向为0度至30度视角范围，水平视角范围相对于垂直法向为-10度至+10度视角范围。通过采用视角方向偏离LCD面板镜面反射的方向，从而进入视角范围的衍射信号与镜面反射信号的角度错开，有效地减少LCD触摸屏、玻璃片、光学材料层产生的耀眼光对LCD观测信号的干扰，使LCD在户外光照明下更易使用。利用全息增亮元件的滤波功能，有效地将入射于半反半透型LCD显示屏的照明光，通过对光的衍射、漫反射作用，会聚到显示屏的观察视角范围。同时，来自光波导的背光可有效地透过，以透射模式照明显示屏，进一步提高半反半透型TNLCD、STN LCD和TFT LCD背光效率和照明光效率。若全息增亮元件的滤波光谱与背光光波导LED光源光谱分离，背光照明可不受全息增亮元件的衍射影响，达到全透射，半反半透型LCD进而可以转变成全反全透型LCD。
附图说明
图1为本发明半反半透型LCD结构图；
图2为本发明光波导板后面的全息增亮元件结构图；
图3为本发明全息增亮元件、光学全息反射元件制备原理图；
图4为不同滤波波段的全息增亮元件CIE色度图；
其中，1.金属反射膜，2.光学全息反射元件，3.光波导板，4.光漫扩散膜，5.棱镜增亮膜，6.反射型偏光片，7.偏振片I，8.玻璃板I，9.ITO电极(下)，10.液晶分子，11.ITO电极(上)，12.玻璃板II，13.彩色滤光片，14.偏振片II，15.全息增亮元件，16.光学胶粘合层，17.衬底材料层，18.全息薄膜材料层，19.激光器，20.分束镜，21.反光镜M1，22.反光镜M2，23.反光镜M3，24.扩束镜L1，25.扩束镜L2，26.空间调制器，b、d、e、f、h、i、k、m、n、o、p、q、r、s为光线，F、G、H、I、J为选取的光入点，β1、β2、α1、α2为角度。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明，但不限于下述实施例。
如图1，一种半反半透型LCD，包括前面的液晶面板部分和其后面的背光材料部分，整个LCD由后向前依次为金属反射膜1，光学全息反射元件2，光波导板3，光漫扩散膜4，棱镜增亮膜5，反射型偏光片6，全息增亮元件15，偏振片I7，玻璃板I8，ITO电极(下)9，液晶分子10，ITO电极(上)11，玻璃板II12，彩色滤光片13，偏振片II14。
光学全息反射元件2包括全息薄膜材料层、光学胶粘合层、衬底材料层(在全息薄膜材料层后面)，全息薄膜材料层通过光学胶粘合层粘接衬底材料层，全息薄膜材料层为用两束相干性的平面光从光聚合物薄膜材料两侧入射进行激光曝光，调节材料光折射率而得到的具有光衍射性能的材料层。
全息增亮元件15包括全息薄膜材料层18、光学胶粘合层16、衬底材料层17(在全息薄膜材料层后面)，全息薄膜材料层18通过光学胶粘合层16粘接衬底材料层17；全息薄膜材料层18为用具有相干性的一束平面光与一束漫反射光从光聚合物薄膜材料两侧入射进行激光曝光，调节材料光折射率而得到的具有光衍射性能的材料层。全息增亮元件的滤波峰值与入光波导板的LED背光光谱错开。
光聚合物材料来源于北京创作科技有限公司的光聚合物，或杜邦公司生产或销售的全息薄膜材料HRF-800X001和HRF-00X070。制备光聚合物薄膜材料层的第一步是激光曝光过程，使用美国相干公司的Verdi V10固体激光器，工作波长532nm，Spectra Physics公司生产的Ar+离子激光器，工作波长514nm，488nm，476nm，激光输出功率小于5W/cm2，照射光强2mW/cm2，激光照射下光聚合物的曝光能量50mj/cm2；第二步，对激光处理过的元件进行UV光照固化，固化剩余的单分子或小分子化合物材料，使用UV波长340nm至380nm的金属卤化物灯(metal halide lamp)照射5分钟，UV曝光能量100mW/cm2以上；第三步，紧贴光聚合物薄膜材料，粘合一层成分由低分子化合物组成的扩散膜，该扩散膜来自杜邦公司生产的色彩调制膜，在120℃、有空气充分对流的环境下，热烘干处理2小时。
图3所示为全息薄膜材料层的光学制备环境，激光器发出的激光，用分光镜分成两束，一束经反光镜、空间调制器和扩束镜照射到全息干板，称为参考光；另一束光经反射镜、空间调制器和扩束镜，照射到全息干板上，称为信号光，制备光学全息反射元件I 2使用的信号光是平面波。制备全息增亮元件15过程中，使用的信号光是平面光通过LSD(Light ShapingDiffuser，美国Physical Optics公司生产和销售)产生的漫反射光信号，通过采用相关指标规格的LSD，可以控制水平方向和垂直方向光线传播的漫反射分布范围，以此获得和产生椭圆形分布的光的漫反射分布信号。两束光在光聚合物薄膜材料上发生干涉，形成明暗交替的干涉条纹，干涉条纹被记录在光聚合物薄膜材料体内，用此方法制备出的全息薄膜材料层，光线从40度至45度的入射角β1入射，通过控制信号光的入射角度α1的范围，这里选定角度为15度，可以控制衍射产生的光线r的反射角α2，即光聚合物薄膜材料层的视角方向。
如图1所示LCD显示屏面板前面的照明光通过液晶面板，以光线m入射到全息增亮元件15，全息增亮元件15将以衍射的方式，改变光线的传播方向，使之朝着液晶面板的视角范围照明，如光线n。有部分少量的光线沿镜面方向反射，如光线o，但与常规的镀铝或氧化镁薄膜相比较，沿着镜面方向的漫反射光线，相当部分得到减少，因而，前光照明的光能资源得到有效利用。图中的G、H、I、J点，说明的是LCD显示屏背光照明的情况，来自LED光波导的背光的光线传播过程：
G点：从LED光源发出的光线b，到达光波导板上表面时，由于光线的入射角大于临界反射角度，发生内全反射，限定在光波导内空间中继续传播，产生光线d。
H点：光线d在如图所示的C点处，由于光学全息反射元件I的衍射作用，结果分成两部分，一部分波段的光满足衍射的条件，传播方向被光学全息反射元件I改变，通过光的衍射产生光线e；另一部分波段和未衍射输出的光则仍然发生全反射，继续在光波导板中传播，如光线f。传播方向被改变了的光线e，从光波导板中耦合输出，观察者所观察到的是光线e的一部分，如光线g；其余光线被途中的光学膜部分反射回背离LCD面板的方向，被反射回来的光线，统一用光线h表示。
I点：被反射回的光线h，在经过光学全息反射元件I，若满足光衍射条件，传播反向被改变，如光线i，透过各种光学膜，最终被观察者观察到的为光线；部分光线发生全反射，如光线q；光线h的另一部分光线则穿过全息元件，入射到金属反射膜，如图所示的J点处。
J点：入射到金属反射膜的光线在J点发生镜面反射，产生光线k，透过各种光学膜，成为被观察者观察到的光线，起到了对部分反射回来的光线的回收利用。
我们对全息增亮元件和使用该元件的STN LCD中试样机在反射模式工作状态下进行性能测试，测试试验中使用高压水银灯作为点光源来模拟户外照明光，柯尼卡美能达(KonicaMinolta)CS-200色彩亮度计为探测器，在标配镜头前面加配Φ0.1mm的近摄镜头，其分辨率较标准配置提高5倍，测量的最小尺度Φ0.1mm。光源与探测器的夹角固定为50°，将反射光进入探测器时样机的角度定为参考角度即零度角，然后开始旋转测试样机，测试不同视角下的亮度和对比度。
(1)液晶显示器的亮度
全息增亮元件使自然光镜面反射信号得到了充分利用，并且偏离视角，在有效视角范围内全息增亮元件液晶显示的亮度值高于常规反射膜液晶显示的亮度值。我们将有效视角范围内的亮度值求平均，如表1所示：
表1：有效视角范围内的亮度值
计算可知，有效视角范围内全息增亮元件液晶显示的平均亮度为常规反射膜液晶显示平均亮度的2.15倍。
我们在对比度最大处附近取三个角度的亮度值求平均(即：在最亮有效视角范围内求亮度的平均值)，见表2：
表2：最亮有效视角范围内的亮度值
计算可知，最亮有效视角范围内全息增亮元件液晶显示的平均亮度为常规反射膜液晶显示平均亮度的2.86倍，亮度有了显著提高。
(2)液晶显示器的对比度
含全息增亮元件液晶显示器的对比度比常规反射膜液晶显示器的对比度有了明显的提高。我们在有效视角范围内求对比度的平均值，见表3：
表3：有效视角范围内的对比度
有效视角范围内全息增亮元件液晶显示对比度的平均值为5.87，而常规反射膜液晶显示的对比度则取最大值1.96，计算可知全息增亮元件液晶显示的对比度比常规反射膜液晶显示的对比度提高了2.99倍。
同样在最亮有效视角范围内求对比度的平均值，如表4所示：
表4：最亮有效视角范围内的对比度
最亮有效视角范围内全息增亮元件液晶显示对比度的平均值为6.35，而常规反射膜液晶显示对比度仍取最大值1.96，计算可知，全息增亮元件液晶显示对比度比常规反射膜液晶显示对比度提高了3.24倍。
(3)不同滤波波段的全息增亮元件
在同一自然光照射下，处于不同滤波波段的全息增亮元件呈现出黄、绿、蓝等不同的色彩，通过对这几种不同滤波波段全息增亮元件的亮度和色度分别进行测试，将测试结果呈现在图4所示的CIE 1931色度空间中，其中的三个样品测试点代表蓝色、绿色、橙色三个不同滤波波段的全息增亮元件，反映出全息增亮元件的色彩和有选择性的滤波特性。
Claims (10)
1.一种全息增亮元件，其特征是，包括全息薄膜材料层，全息薄膜材料层为用具有相干性的一束平面光与一束漫反射光从光聚合物薄膜材料两侧入射进行激光曝光，调节材料光折射率而得到的具有光衍射性能的材料层。
2.根据权利要求1所述的全息增亮元件，其特征是，所述的全息增亮元件还包括光学胶粘合层、衬底材料层，全息薄膜材料层通过光学胶粘合层粘接衬底材料层。
3.根据权利要求1所述的全息增亮元件，其特征是，全息薄膜材料层厚度15微米至20微米。
4.根据权利要求1所述的全息增亮元件，其特征是，衬底材料层为PET薄膜或PE薄膜。
5.一种半反半透型LCD，包括前面的液晶面板部分和其后面的背光材料部分，背光材料部分包括偏振片、反射型偏光片、光波导板，在偏振片与反射型偏光片之间设有权利要求1所述的全息增亮元件，全息增亮元件通过光的衍射将射入其中的光以漫反射的方式会聚到LCD显示屏的视角方向。
6.根据权利要求5所述的半反半透型LCD，其特征是，所述的光波导板后面设有光学全息反射元件，光学全息反射元件将射入其中的光，以衍射的方式改变其方向，照明液晶面板部分。
7.根据权利要求6所述的半反半透型LCD，其特征是，所述的光学全息反射元件后面粘接着金属反射膜层。
8.根据权利要求6所述的半反半透型LCD，其特征是，所述的光学全息反射元件，包括全息薄膜材料层，全息薄膜材料层为用两束相干性的平面光从光聚合物薄膜材料两侧入射进行激光曝光，调节材料光折射率而得到的具有光衍射性能的材料层。
9.根据权利要求5所述的半反半透型LCD，其特征是，所述的全息增亮元件的滤波峰值与入光波导板的LED背光光谱错开。
10.根据权利要求9所述的半反半透型LCD，其特征是，LED背光选用蓝光LED或红光LED。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131106 Termination date: 20180418 |