CN104483798A - 应用液晶透镜结构的液晶显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用液晶透镜结构的液晶显示器，属于液晶显示器技术领域。所述液晶显示器包括彩膜基板、阵列基板以及设置于所述阵列基板与彩膜基板之间的液晶透镜结构，所述液晶透镜结构沿彩膜基板至阵列基板的方向依次包括：上表面取向层、液晶层以及下表面取向层。其通过在应用直下式背光源的液晶显示器中设置凹形或凸型的液晶透镜结构，并利用外接电压控制液晶层的排布，使得即使不设置偏振片，也可以使液晶展现显示效果，并呈现出更高的亮度；此外，由于偏振片的设置存在相当大的自由度，可以仅在单面上设置偏振片，甚至可以双面均不设置偏振片，因此可以有效降低液晶显示器生产工艺中的制造成本。

Description

应用液晶透镜结构的液晶显示器

本发明专利申请是申请日为2011年07月25日、申请号为201110209362.8、名称为“应用液晶透镜结构的液晶显示器”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明属于液晶显示器技术领域，具体涉及一种应用液晶透镜结构的液晶显示器。

背景技术

目前MEMS((Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)作为一种早已公开的技术为人所知，但由于其结构在应用于商业化的过程中存在难以克服的问题，因为，针对其商业化应用的研究正在不断进行中。

如图1-1及图1-2所示，展示了MEMS技术方案的基本动作原理，对于图1-1中所设置的显示装置为应用屈伸像素(telescopic pixel)108的技术方案，设置有透明ITO电极107，从左至右放射通过背光源的平行背景光103，经过玻璃104，但无法透射显示装置上所设置的第一镜面(悬挂薄膜)105及第二镜面106而被反射，因此，在观察者101看来，屏幕102上呈现的是黑色画面；而对于图1-2中所设置的显示装置为应用屈伸像素(telescopic pixel)108的技术方案，设置有透明ITO电极107，其第二镜面106的设置保持不变，但对第一镜面(悬挂薄膜)105施加了电压使其发生偏转，从而在背光源平行背景光103照射到第一镜面105上时会形成带有偏向角的反射光，反射光再经第二镜面106进行二次反射后被观察者101所捕获，从而实现投射光进行显示的目的，从而该装置可以作为显示器来使用。

基于这样的技术原理的MEMS显示方案，尽管多次被提供出来，但至今为止一直没有成功的应用到商业化量产中。这主要是由于MEMS结构对电极形成来说，其形成工艺难度高，产率低且制造成本昂贵，因此，难以将其商业化量产。

对于液晶透镜(LC lens)，其光学特性与液晶显示器相类似，在形成电极的面板之间充入液晶，根据外部施加的电压来驱动液晶，使透过液晶的光线产生路径差，从而使其焦距f发生变化。更具体的情况，如图2所示，其中，k即为焦距f，而k(x)则表示为对f的对角线距离，该对角线距离为根据f和垂直距离x来决定的对角线长度；角度γ是一个与锚定能量W(x)的空间距离、施加电压V以及电池间隙d相关的函数，这与液晶的绝缘性、弹性及光学常量相类似，对于某一特定的液晶，该角度γ可以被定义为：

$\mathrm{\γ}(W\left(x\right),V,d)=\arctan \left(\frac{x}{f}\right).;$

其中，f为透镜的焦距，当对作为透镜的液晶单元施加固定的V，且d及f固定时，可以根据上述公式计算得到锚定能量W(x)的空间距离，而施加不同的电压V则可以改变该焦距f。目前关于如何评价该可调节的液晶镜面的潜在能力的研究正在不断进行中。

在已公开发表的文献“SID 2008：A Liquid Crystal Lens withNon-uniform Anchoring Energy(一种带有不均匀的锚定能量的液晶透镜)”中，提供了应用液晶透镜的示例，使其在两张玻璃基板之间，在已放入液晶的液晶透镜结构上，形成液晶显示器结构，进而来进行三维图像的显示效果；此时，液晶透镜根据基板内的电极结构、液晶配向以及外部所施加的电压，来实现凹透镜及凸透镜的作用功能。

此外，在已公开发表的文献“SID 2008：25.3：Autostereoscopic2D/3D Switching Display Using Electric-Field-Driven LC Lens(ELCLens)(应用了电场驱动液晶透镜结构的自动立体2D/3D开关显示器)”中，提供了通过施加电场来调整焦距的两种方法，如图3-1及图3-2所示，分别在开关关及开关开的状态下，通过基于凸形结构的液晶凸透镜的变化来驱动透镜透过光线的on/off状态，而对于图3-3及图3-4，分别在开关关及开关开的状态下，则通过基于各向异性透镜(anisotropiclens)的偏正开关来进行驱动。

综上所述，在目前的技术环境下，如何在MEMS结构中，通过改变外加电压来实现液晶透镜的焦距调节，利用液晶透镜的结构和反射原理来调整光线的方向，从而获得投射光线的目的，已引起了越来越的研究课题的关注。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：在直下式背光源技术方案中，如何提供一种应用液晶透镜结构使图像表现优秀且造价低廉的液晶显示器。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种应用液晶透镜结构的液晶显示器，包括彩膜基板以及阵列基板，所述液晶显示器还包括：

液晶透镜结构，其设置于所述阵列基板与彩膜基板之间，其沿彩膜基板至阵列基板的方向依次包括：上表面取向层、液晶层以及下表面取向层。

所述液晶显示器还包括：

第一反射板，其设置于彩膜基板朝向所述液晶透镜结构的侧面上；

第二反射板，其设置于阵列基板朝向所述液晶透镜结构的侧面上；

在所述彩膜基板及阵列基板上均设置有透明电极，所述透明电极用于对所述液晶层进行电压控制。

所述第一反射板设置为两块，所述两块第一反射板分别置于所述彩膜基板的两端位置；

所述第二反射板设置为一块，置于所述阵列基板的中间位置。

所述液晶透镜结构设置为凸透镜结构。

所述第一反射板设置为一块，置于所述彩膜基板的中间位置；

所述第二反射板设置为两块，所述两块第二反射板分别置于阵列基板的两端位置。

所述液晶透镜结构设置为凹透镜结构。

所述三块反射板的尺寸之和设置为覆盖所述彩膜基板。

所述三块反射板的尺寸之和设置为覆盖所述阵列基板。

所述阵列基板上设置有偏振片。

所述液晶显示器还包括直下式背光源结构。

(三)有益效果

本发明技术方案提供一种应用了液晶透镜结构的液晶显示器，其通过在应用直下式背光源的液晶显示器中设置凹形或凸型的液晶透镜结构，并利用外接电压控制液晶层的排布，使得即使不设置偏振片，也可以使液晶展现显示效果，并呈现出更高的亮度；此外，由于偏振片的设置存在相当大的自由度，可以仅在单面上设置偏振片，甚至可以双面均不设置偏振片，因此可以有效降低液晶显示器生产工艺中的制造成本。

附图说明

图1-1及图1-2为现有的MSNS结构的示意图；其中，101：观察者；102：屏幕；103：平行背景光；104：玻璃；105：第一镜面；106：第二镜面；107：透明ITO电极；108：屈伸像素；

图2为现有的液晶透镜的原理示意图；

图3-1至图3-4为现有的液晶透镜结构中利用外加电压调整焦距的示意图；其中，301：玻璃；302：凹透镜；303：液晶层；304：偏振片；305：基片；306：偏振活性微透镜；307：偏振开关(TN)；

图4-1为初始状态下包含凸型液晶透镜的液晶显示器结构示意图；图4-2为通电状态下包含凸型液晶透镜的液晶显示器结构示意图；其中，401：凸透镜；402：液晶层；403：偏振片；404：第一反射板；405：第二反射板；

图5-1为初始状态下包含凹型液晶透镜的液晶显示器结构示意图；图5-2为通电状态下包含凹型液晶透镜的液晶显示器结构示意图；其中，501：凹透镜；502：液晶层；503：偏振片；504：第一反射板；505：第二反射板；

图6为本发明提供的反射型基板的结构示意图；其中，601：彩膜基板反射板；602：阵列基板反射板；603：液晶层；604：电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决上述技术问题，本发明提供一种应用液晶透镜结构的液晶显示器，包括彩膜基板以及阵列基板，所述液晶显示器还包括：液晶透镜结构，其设置于所述阵列基板与彩膜基板之间，其沿彩膜基板至阵列基板的方向依次包括：上表面取向层、液晶层以及下表面取向层，所述液晶显示器还包括直下式背光源结构。

所述液晶显示器还包括：第一反射板，其设置于彩膜基板朝向所述液晶透镜结构的侧面上；第二反射板，其设置于阵列基板朝向所述液晶透镜结构的侧面上；在所述彩膜基板及阵列基板上均设置有透明电极，所述透明电极用于对所述液晶层进行电压控制。所述第一反射板及第二反射板的材料选择可以为金属等可对光线阻断并进行反射的材料。

如图4-1及图4-2所示，所述第一反射板404可以设置为两块，所述两块第一反射板404分别置于所述彩膜基板的两端位置；所述第二反射板405设置为一块，置于所述阵列基板的中间位置。所述两块第一反射板404与所述一块第二反射板405的尺寸设置为该三块反射板尺寸之和覆盖所述彩膜基板。此时，将所述液晶透镜结构设置为凸透镜401结构。此处，凸透镜结构或者凹透镜的设置过程也非常简易，如图所示，把曲折面向上设置的话，就起到凸透镜的作用，然后收集投射的光；而将曲折面向下设置的话，则起到凹透镜的作用，然后把投射的光扩散出去。

这样，如图4-1所示，将该凸型液晶透镜应用于直视反射型液晶显示器中，在初始状态通过取向层将液晶进行垂直配向，在开关没有对上下电极进行通电的初始状态，不使用偏振片，由背光源直射进入的光线首先部分由第二反射板405阻隔反射，然后剩下透过液晶层402结构的光线会直进，再由第一反射板404全部反射，从而可实现黑屏状态面，当然也可以如图中所示的在阵列基板的一面上设置偏振片403；而如图4-2所示，在开关对上下电极进行通电来使液晶层402起反应，进而液晶根据上下电极而移动，这样就会发生阻滞(retardation)，因而光线的进行方向会改变，直射进入的光线由呈凸透镜的液晶透镜进行驱动，使得光线路径转移，一部分路径转移的光线就会直接透过，另一部分光线则会经反射过程来透光，从而显示屏展现出灰色、白色等其他色彩，从而实现显示效果。

此外，如图5-1及图5-2所示，所述第一反射板504也可以设置为一块，置于所述彩膜基板的中间位置；所述第二反射板505设置为两块，所述两块第二反射板505分别置于阵列基板的两端位置。所述两块第一反射板504与所述一块第二反射板505的尺寸设置为该三块反射板尺寸之和覆盖所述彩膜基板。此时，将所述液晶透镜结构设置为凹透镜501结构。

这样，如图5-1所示，将该凹型液晶透镜应用于直视反射型液晶显示器中，在初始状态通过取向层将液晶进行垂直配向，在开关通电情况下，不使用偏振片，由背光源直射进入的光线首先部分由第二反射板505阻隔反射，然后剩下透过液晶层502结构的光线会直进，再由第一反射板504全部反射，从而可实现黑屏状态，当然也可以如图中所示的在阵列基板的一面上设置偏振片503；而如图5-2所示，在开关断电情况下，液晶是根据上下电极而移动，这样就会发生阻滞(retardation)，因而光线的进行方向会改变，直射进入的光线由呈凹透镜的液晶透镜进行驱动，使得光线路径转移，一部分路径转移的光线就会直接透过，另一部分光线则会经反射过程来透光，从而显示屏展现出灰色、白色等其他色彩，从而实现显示效果。

当然，在上述技术方案中，可仅在所述阵列基板上设置偏振片或者在所述彩膜基板及阵列基板上均不设置，尽管附图4-1至附图5-2中展示出设置有偏振片的情况，但应该可以理解到，即使不设置偏振片，也依旧可以达到实现选择性透光的功能，并且还可获得更高亮度的LCD显示效果。

如图6所示，为在一般的TFT-LCD(Thin film transistor liquidcrystal display，液晶平板显示器)应用上述液晶透镜结构来实现本发明所提出的新型反射型结构显示器的情况。其实际上为体现彩色显示的一种例子。

其中，在阵列基板(Array)上，形成有透明电极604来对液晶层603进行控制，且在阵列基板上形成有阵列基板反射板(Metal BM)602(即前述的第二反射板)，在彩膜(color filter)基板上也形成有彩膜基板反射板601(即前述的第一反射板)。其中，“R”、“G”、“B”分别代表“红色(Red)”、“绿色(Green)”、“蓝色(Blue)”。在显示器运行初期状态下，在画面上看液晶是垂直排列的，开始阶段不加入电极电压时，显示器维持黑屏状态；而通过施加电场使液晶得到反应并反射光，以液晶透镜(图上是凸透镜)形态发挥作用从而实现显示，来呈现灰色或白色等色彩。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种应用液晶透镜结构的液晶显示器，包括彩膜基板、阵列基板以及液晶透镜结构，所述液晶透镜结构设置于所述阵列基板与所述彩膜基板之间，其沿彩膜基板至阵列基板的方向依次包括：上表面取向层、液晶层以及下表面取向层；

其特征在于，所述液晶显示器还包括：

第一反射板，其设置于彩膜基板朝向所述液晶透镜结构的侧面上；

第二反射板，其设置于阵列基板朝向所述液晶透镜结构的侧面上；

在所述彩膜基板及阵列基板上均设置有透明电极，所述透明电极用于对所述液晶层进行电压控制。

2.如权利要求1所述的应用液晶透镜结构的液晶显示器，其特征在于，所述第一反射板(404)设置为两块，所述两块第一反射板(404)分别置于所述彩膜基板的两端位置；

所述第二反射板(405)设置为一块，置于所述阵列基板的中间位置。

3.如权利要求2所述的应用液晶透镜结构的液晶显示器，其特征在于，所述液晶透镜结构设置为凸透镜(401)结构。

4.如权利要求1所述的应用液晶透镜结构的液晶显示器，其特征在于，所述第一反射板(504)设置为一块，置于所述彩膜基板的中间位置；

所述第二反射板(505)设置为两块，所述两块第二反射板(505)分别置于所述阵列基板的两端位置。

5.如权利要求4所述的应用液晶透镜结构的液晶显示器，其特征在于，所述液晶透镜结构设置为凹透镜(501)结构。

6.如权利要求2或4所述的应用液晶透镜结构的液晶显示器，其特征在于，所述三块反射板的尺寸之和设置为覆盖所述彩膜基板。

7.如权利要求2或4所述的应用液晶透镜结构的液晶显示器，其特征在于，所述三块反射板的尺寸之和设置为覆盖所述阵列基板。

8.如权利要求2或4所述的应用液晶透镜结构的液晶显示器，其特征在于，所述阵列基板上设置有偏振片。

9.如权利要求1所述的应用液晶透镜结构的液晶显示器，其特征在于，所述液晶显示器还包括直下式背光源结构。