CN102681164A - 调光装置及显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及动态调光技术领域，提供了一种调光装置及显示器。本发明的调光装置包括透镜屏和挡板；其中，透镜屏包括两层电极和两层电极中间的透明液体：所述底电极上设置一层疏水绝缘层，透明液体是至少一个电润湿液滴透镜，顶电极在与每一液滴透镜相应的位置形成有开口；挡板在与每一液滴透镜相应的位置设有图案化的遮光区域。本发明中通过控制液滴透镜的焦距，使得背光源通过液滴透镜后再经过相应的开口在不同位置聚焦，进而通过挡板的适当遮挡，即可实现对背光源透过光线的强度大小的调节，因而无需设置偏光片即可实现调光，大大提高了背光利用率。

Description

调光装置及显示器
技术领域
本发明涉及动态调光技术领域，特别涉及一种调光装置及显示器。
背景技术
传统的液晶型显示器通常是被动发光的透射型显示器，背光源发出的光从液晶面板的一端进入，经过第一偏光片的选择后特定方向的光进入液晶层处理，处理后各像素单元显示的光经第二偏光片的选择再输出。可以看出，液晶显示器中由于需要使用偏光片，透射时会过滤掉背光源发出的大部分光，同时液晶面板中各层的开口率有一定限制，从而导致整体的光透过率很低，通常状况下彩色液晶面板的光透过率仅有5%～8%。液晶面板的这种结构使得显示器整体的亮度和对比度受到很大影响，此外，为了保证显示器的亮度和对比度在一定范围内，必须采用功率较大的背光源，也造成了额外的能量损耗。
电润湿显示器作为一种反射式显示技术，它的光反射效率超过50%。当电润湿技术应用于透射型显示器，由于液滴需要添加黑色颜料实现吸光，其本身吸光性能有限，平铺扩大面积后吸光性能进一步下降，因此对比度不高。
发明内容
（一）要解决的技术问题
针对上述缺点，本发明为了解决现有技术中透射型背光源的利用率低的问题，提供了一种调光装置及显示器。采用本发明的结构，无需偏光片即可控制背光源透过光线的强度大小，因而大大提高了背光利用率。
（二）技术方案
为了解决上述技术问题，本发明具体采用如下方案进行：
首先，本发明提供一种调光装置，所述装置包括：
透镜屏和挡板；
其中，所述透镜屏包括底电极、顶电极，以及二者中间的液体，所述液体能形成至少一个液滴透镜；
所述挡板包括遮光区域与透光区域。
优选地，所述液滴透镜设置在底电极表面上；所述顶电极在与每一液滴透镜相对应的位置设置透光区域，所述顶电极的其他位置为遮光区域。
优选地，所述底电极为面电极，所述顶电极为面电极；
或，所述底电极为面电极，所述顶电极为与每一个液滴透镜相对应的位置设置的至少一个独立电极；
或，所述底电极为与每一个液滴透镜相对应的位置设置的至少一个独立电极，所述顶电极为面电极；
或，所述底电极为与每一个液滴透镜相对应的位置设置的至少一个独立电极，所述顶电极为与每一个液滴透镜相对应的位置设置的至少一个独立电极。
优选地，底电极上设立至少一个限制液滴大小和范围的挡墙。
优选地，所述挡板在与每一液滴透镜相应的位置设有遮光区域。
优选地，所述底电极上设置一层疏水绝缘层，所述液滴透镜为电润湿液滴透镜。
优选地，所述底电极和所述顶电极之间形成电场，通过控制所述电场的大小来调节所述液滴透镜的焦距。
优选地，所述顶电极的透光区域的面积不大于与其所对应的所述液滴透镜面积的1.1倍。
优选地，所述挡板与所述液滴透镜的距离大于所述液滴透镜的最小焦距。
另一方面，本发明还同时提供一种显示器，所述显示器包括如上所述的调光装置，以及设置在所述调光装置的底电极外侧的面光源。
优选地，在所述底电极的非透镜区域还设置有反射层。
优选地，在所述挡板处或挡板之外、对应每一液滴透镜位置或对应整个透镜屏的位置放置光学扩散结构。
优选地，通过将所述液滴透镜彩色化、和/或在与所述液滴透镜相对应的位置放置彩色滤光片、和/或将挡板的透光区域中与所述液滴透镜相对应的位置彩色化和/或将顶电极的透光区域彩色化来实现彩色化显示。
（三）有益效果
本发明中通过控制液滴透镜的焦距，使得背光源通过液滴透镜后再经过相应的开口在不同位置聚焦，进而通过挡板的适当遮挡，即可实现对背光源透过光线的强度大小的调节，采用本发明的结构，无需设置偏光片即可实现调光，因而大大提高了背光利用率。
附图说明
图1为本发明中调光装置的基本结构示意图；
图2为本发明中调光装置的彩色化实施例1的结构示意图；
图3为本发明中调光装置的彩色化实施例2的结构示意图；
图4为本发明中调光装置的彩色化实施例3的结构示意图；
图5为本发明中调光装置的彩色化实施例4的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的调光装置主要通过电润湿的方式做一层可控焦距的透镜，首先，本发明中的调光装置的基本结构如图1所示，该装置一般由两层构成，一层为透镜屏1，另一层为挡板2。其中，透镜屏由两层电极和两层电极中间的液体组成。所述液体形成至少一个液滴透镜。所述底电极和所述顶电极之间形成电场。进一步地，通过控制电场的大小，可以控制形成具有不同焦距的液滴透镜。
优选地，底电极3为在与每一个液滴透镜相对应的位置设置成一个个独立电极的图案化结构，液体设置在底电极表面上，为与底电极图案相对应的至少一个液滴透镜4。液滴透镜4可以为透明也可以为彩色的。顶电极5设置有挡光区域和透光区域，顶电极5在与每一液滴透镜4相对应的位置形成有透光区域501（可以为狭缝或小孔，也可以为透明导电材料）。顶电极5的其他位置为遮光区域。挡板2包括遮光区域与透光区域，即挡板2为图案化的。
可选地，挡板2的透光区域可以为狭缝或者小孔。当挡板2的透光区域为狭缝时，狭缝可以为正多边形，如正方形、正五边形、正六边形等其他形状。较佳地，挡板中在与每一电润湿液滴透镜4相应的位置设有遮光区域201。可选地，所述遮光区域201的面积小于与其所对应的液滴透镜的面积。
较佳地，底电极采用疏水绝缘材料进行表面涂覆，其上形成一层疏水绝缘层，液滴透镜4为电润湿液滴透镜。示例性地，电润湿液滴透镜可由一种疏水绝缘性液体和一种导电液体混合组成。进一步地，疏水绝缘材料可为杜邦公司的AF1600、Cytonix公司的Fluoropel804A等，疏水绝缘性材料可以为二硫化碳、四氯化碳、四氯乙烯硅油、烷烃等，导电液体可为水的盐溶液，或者离子液体等。
从而，利用电压控制基板表面与液滴透镜中的液体的浸润性，从而控制液滴透镜形成不同的焦距。通过控制两层电极之间电场的大小，可以控制形成具有不同焦距的液滴透镜。例如，以下述一种电润湿（Electrowetting）方式实现。在底电极上，当调整电压来改变疏水绝缘材料与液滴透镜中的液体的浸润性时，使液滴透镜中的液体形状发生变化，从而形成不同的透镜焦距。本发明利用不同电压，控制电润湿液滴的透镜焦距，将背光经过液滴透镜后可聚焦在不同位置，在最小焦距外设置一个挡板将光吸收，因此只需要调节合适的焦距，就可以调节绕过挡板的光强大小。因为该设计无偏光片，而且可以通过透镜从而使大部分背光能被透镜投过狭缝，所以背光利用率比传统液晶要高很多。
本发明的调光装置的工作原理为：背光源发出的光通过底电极3和电润湿液滴透镜4，利用不同电压，控制电润湿液滴透镜4的焦距，将背光经过液滴透镜4后可聚焦在不同焦距位置，再经过有顶电极的透光区域501的顶电极5调整透过光的取向，最后通过一层在最小焦距外设置的图案化遮光区域201的挡板2吸收一定量的光，获得各个点（液滴透镜）处指定强度的透射光，从而完成整个调光装置。
具体地，当透镜4将焦距对准在挡板2的遮光区域201时，则光线被完全吸收，不能透过；当透镜的焦距大于或小于挡板距离时，则部分光线可透过，因而通过调节透镜焦距大小，就可以调节绕过挡板的光强大小，从而实现了调光。由于本发明的结构中无偏光片，而且可以通过透镜从而使大部分背光能被透镜透过顶电极的透光区域，所以背光利用率比传统液晶要高很多。在获得较高亮度和对比度的同时也可显著降低背光源的功耗。
在本发明的调光装置中，顶电极设置有挡光区域和透光区域。顶电极上的开口面积（也即透光区域）优选为透镜面积1.1倍以内，更佳的在1倍以内，最佳的在0.8倍以内。所述顶电极的透光区域可以为狭缝或者小孔。当所述顶电极的透光区域为狭缝时，狭缝可以为正多边形，如正方形、正五边形、正六边形等其他形状。此外，用于吸光的挡板的与所述液滴透镜的距离必须在透镜的最小焦距外，更佳的其距离大于最小焦距的2倍。
作为本发明的可替代的实施例，对于两层电极的设置，可选地，底电极为一个面电极，顶电极可以为一个面电极；具体实施方式包括：顶电极的挡光区域和透光区域的导电材料都连接起来，以便形成等电压，构成面电极。进一步地，在底电极区域可以设立挡墙，将液滴透镜的液体限制在挡墙内，并可以根据需要设立多个挡墙单元，以便于控制液滴大小，从而更易于控制液滴透镜的焦距范围。
可选地，底电极为一个面电极，顶电极可以为与每一个液滴透镜相对应的位置设置的一个个独立电极。此时，顶电极为图案化的电极。
可选地，底电极为图案化结构，由数据线和栅线交叉所形成的矩阵单元，每一个矩阵单元里面设置一个独立电极（较佳地，该独立电极采用透明电极材料形成，如铟锡氧化物）、一个TFT（Thin FilmTransistor，薄膜晶体管），这和LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）的阵列基板的构成和材料相类似。然后对底电极的表面采用疏水绝缘材料进行表面涂覆。在每个矩阵单元里，还设置一个液滴透镜，进一步地，可在矩阵单元四周设置挡墙，将液滴透镜的液体限制在该矩阵单元内。此时，顶电极可以选用面电极的形式，也可以采用与每一个液滴透镜相对应的位置设置的一个独立电极。
电极的透光区域可以用ITO(Indium Tin Oxides,铟锡氧化物)来形成，透明，且具有导电性。
电极的挡光区域可以用金属或者是黑色材料来形成，以实现挡光的功能。
进一步地，本发明所有的实施例中，在底电极区域可以设立限制液滴大小和范围的挡墙，将液滴透镜的液体限制在挡墙内，并可以根据需要设立多个挡墙单元，以便于控制液滴大小，从而更易于控制液滴透镜的焦距范围。
当本发明的调光装置用在显示器中时，在其背后加一个均匀的面背光源即可使用。采用本发明的结构，无需设置偏光片即可实现调光，因而大大提高了背光利用率。为提高显示器背光源利用率，可在液晶透镜的底电极非透镜区域设置反射层；进一步地，在液晶透镜的底电极非透镜区域靠近背光源的那一侧设置反射层，背光源在远离底电极的一侧一般会设置反射材料，这样当背光不能从底电极的非透镜区域透过的时候，可以经反射层反射到背光源的反射材料，再由此反射材料反射回去，由此提高显示器背光源的利用率。为实现宽视角，可在透镜（每一液滴透镜或整个透镜屏）对应位置外（如在挡板位置同一层或挡板位置之外）放置光学扩散结构，所述光学扩散结构为光学扩散薄膜（附在挡板上或附在某一透明材料上）或光学扩散片；此外，还可以利用液滴本身的颜色实现彩色化，也可通过其他层彩色化，如增加彩色滤光片层或将其他层改为彩色等。
该调光装置还可作为光信号检测、接收等应用，因为不改变光的偏振状态，可以很好的用于光通信。
下面结合各附图来说明将本发明中的透镜型调光装置彩色化的几种实施方式：
实施例1
本发明中，将透镜型调光装置彩色化的实施例1如图2所示，在该实施例1中，通过将液滴透镜彩色化来实现整个调光装置的彩色化。
具体地，在一个像素单元内设置三个液滴透镜，将这三个液滴透镜分别彩色化为红（R）、绿（G）、蓝（B）三色（因附图中无法显示颜色，在图2中斜线条纹表示该区域为红色，竖线条纹表示该区域为绿色，横线条纹表示该区域为蓝色；以下各附图的条纹与图2中含义相同，下文中不再赘述），通过不同强度的三种颜色透过光的组合来得到一个像素单元上显示的色彩和亮度。多个这样的像素单元阵列式的排布可得到具有相应分辨率的彩色显示面板。
实施例2
本发明中，将透镜型调光装置彩色化的实施例2如图3所示，在该实施例2中，通过放置彩色滤光片来实现整个调光装置的彩色化。彩色的颜色分布的位置（例如R、G、B分布的位置）与所述液滴透镜相对应。
具体地，顶电极和挡板之间放置彩色滤光片、或者在挡板之外放置彩色滤光片，与TFT-LCD阵列基板相类似，彩色滤光片上一个像素单元内设置有红、绿、蓝三个子像素单元，每个子像素单元与一个液滴透镜相对应，将该液滴透镜透过的光过滤为相应颜色的光，通过不同强度的三种颜色透过光的组合来得到一个像素单元上显示的色彩和亮度。多个这样的像素单元阵列式的排布可得到具有相应分辨率的彩色显示面板。
实施例3
本发明中，将透镜型调光装置彩色化的实施例3如图4所示，在该实施例3中，通过将挡板的透光区域彩色化来实现整个调光装置的彩色化。彩色的颜色分布在挡板的透光区域中，挡板的每个透光区域划分为两种颜色，在临近每个遮光区域201的两侧设置的是同样的颜色。并且每个颜色的整体位置与液滴透镜相对应。此时可选地，挡板的遮光区域201的面积小于与其所对应的液滴透镜的面积。
具体地，与实施例2相类似，在挡板的透光区域布置各种颜色的滤光片，挡板上一个像素单元内形成为红、绿、蓝三个子像素单元，每个子像素单元与一个液滴透镜相对应，将该液滴透镜透过的光过滤为相应颜色的光，通过不同强度的三种颜色透过光的组合来得到一个像素单元上显示的色彩和亮度。多个这样的像素单元阵列式的排布可得到具有相应分辨率的彩色显示面板。
实施例4
本发明中，将透镜型调光装置彩色化的实施例4如图5所示，在该实施例4中，通过将顶电极的透光区域彩色化来实现整个调光装置的彩色化。
具体地，与实施例3相类似，在顶电极的透光区域布置各种颜色的滤光片，顶电极上一个像素单元内形成为红、绿、蓝三个子像素单元（即包括三个不同颜色的开口），每个子像素单元与一个液滴透镜相对应，将该液滴透镜透过的光过滤为相应颜色的光，通过不同强度的三种颜色透过光的组合来得到一个像素单元上显示的色彩和亮度。多个这样的像素单元阵列式的排布可得到具有相应分辨率的彩色显示面板。
当然，采用上述实施例2至实施例4中多种实施方式的组合来实现整个调光装置的彩色化也是本发明的实施方式之一。
本发明的透镜型调光装置中，通过控制液滴透镜的焦距，使得背光源通过液滴透镜后再经过相应的开口在不同位置聚焦，进而通过挡板的适当遮挡，即可实现对背光源透过光线的强度大小的调节。采用本发明的结构，无需设置偏光片即可实现调光，因而大大提高了背光利用率，相较于传统的液晶面板，本发明可明显获得较高的亮度和对比度，由于不需要提高背光源功率，也可显著降低器件功耗。此外，当用作显示器时，通过简单地改进即可实现广视角和彩色化，更进一步地提高背光的利用率，应用前景广泛。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的实际保护范围应由权利要求限定。

Claims (13)

1.一种调光装置，其特征在于，所述装置包括：
透镜屏和挡板；
其中，所述透镜屏包括底电极、顶电极，以及二者中间的液体，所述液体形成至少一个液滴透镜；
所述挡板包括遮光区域与透光区域。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述液滴透镜设置在底电极表面上；
所述顶电极在与每一液滴透镜相对应的位置设置透光区域，所述顶电极的其他位置为遮光区域。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述底电极为面电极，所述顶电极为面电极；
或，所述底电极为面电极，所述顶电极为与每一个液滴透镜相对应的位置设置的至少一个独立电极；
或，所述底电极为与每一个液滴透镜相对应的位置设置的至少一个独立电极，所述顶电极为面电极；
或，所述底电极为与每一个液滴透镜相对应的位置设置的至少一个独立电极，所述顶电极为与每一个液滴透镜相对应的位置设置的至少一个独立电极。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，底电极上设立至少一个限制液滴大小和范围的挡墙。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述挡板在与每一液滴透镜相应的位置设有遮光区域。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底电极上设置一层疏水绝缘层，所述液滴透镜为电润湿液滴透镜。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底电极和所述顶电极之间形成电场，通过控制所述电场的大小来调节所述液滴透镜的焦距。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述顶电极的透光区域的面积不大于与其所对应的所述液滴透镜面积的1.1倍。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述挡板与所述液滴透镜的距离大于所述液滴透镜的最小焦距。
10.一种显示器，其特征在于，所述显示器包括如权利要求1-8任一项所述的调光装置，以及设置在所述调光装置的底电极外侧的面光源。
11.根据权利要求9所述的显示器，其特征在于，在所述底电极的非透镜区域还设置有反射层。
12.根据权利要求9所述的显示器，其特征在于，在所述挡板处或挡板之外、对应每一液滴透镜位置或对应整个透镜屏的位置放置光学扩散结构。
13.根据权利要求9所述的显示器，其特征在于，通过将所述液滴透镜彩色化、和/或在与所述液滴透镜相对应的位置放置彩色滤光片、和/或将挡板的透光区域中与所述液滴透镜相对应的位置彩色化和/或将顶电极的透光区域彩色化来实现彩色化显示。
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