CN1141087A - 显示装置和显示屏 - Google Patents

Abstract

一种显示装置，包括照明系统、宽带(胆甾相)反射器和可在反射器和检偏器之间转换的电光学介质(液晶元件)，该装置可使各种参数(例如：扭转角，在取向面和偏振面之间的角度以及板的厚度)最佳。

Description

显示装置和显示屏

本发明涉及包括照明系统和显示屏的显示装置，该照明系统具有提供辐射光束用的辐射源，该显示屏具有在两偏振器之间的电光学显示介质，该介质可在两光学状态之间转换。

本发明也涉及用于这种显示装置的显示屏。

这种显示装置，尤其具有作为电光学介质(LCD)的液晶介质的显示装置用于，例如视频装置、监测器，以及信息和仪表板(如机动车辆仪表板)中。

这种显示装置已公知，但存在很大的缺陷，即使在使用理想的吸收偏振器时，由于吸收了方向不恰当的偏振光，在两偏振器中产生大约50％的损失，因此，低于辐射源所加光的50％、通常仅为25％的光可用于形成图像。并且在彩色滤光片和其它层中也产生损失。不但在直观式显示装置中而且在图像投影装置中，这些都是对观众有用的光。

为补偿在偏振器中的光损失，在两装置中都必须采用高功率灯，这种灯消耗大量的电功率，因而具有相对较短的寿命，同时还必须对它们进行冷却。

如果对于便携式直观显示装置，则由于它们必须增补高功率灯，因此电池具有较短的寿命。图像投影装置必须配置高强度辐射源。

由于在两种场合下入射至偏振器的光强度都高，由于吸收，这些偏振器都被加热。由于偏振器在这种装置中的显示屏附近，因而还必须提供冷却系统，所以该显示装置变得很复杂、很昂贵并产生讨厌的噪声。

本发明的目的在于提供一种尽可能地解决上述问题的显示装置。

为此，本发明的显示装置的特征在于：电光学显示介质在两光学状态的至少一种状态中为双折射的，至少一个偏振器为反射偏振器，偏振光转换装置位于远离显示屏的相面对的一侧。

偏振光转换装置可理解为将偏振光的不需要状态转换为偏振光的所要求的状态，并将其输送给显示屏。

反射偏振器传送具有所需偏振方向的辐射，同时反射具有不需要的偏振光方向的辐射。如果有一种将不需要的偏振光状态至少部分地转换为所需的偏振光状态的装置，该被转换的辐射将也至少部分地被传送至电光学显示介质。以这种方式，由于偏振光的重复反射和偏振光方向的反复转换，因而偏振器几乎通过了所有辐射光束的辐射，从而使辐射源发射的最大部分的辐射强度用于形成图像。

本发明实施例的特征在于反射偏振器为胆甾相(cholesteric)滤光片，偏振转换装置包括反射器。

胆甾相滤光片具有胆甾相排列的液晶材料光学层。这是指这种材料的分子在溶解状态中自发地排列为具有间距P的螺旋或螺旋线结构。在将这种溶液用作在两平行衬底之间的薄光学激活层之后，以这种方式调整螺旋状结构即使螺旋线的轴横向于该层。通过在衬底相对表面上提供取向层可改善螺旋线的定位。

当非偏振的辐射光束入射在这种滤光片上时，将反射具有相应于分子的螺旋线方向的环状方向(左旋或右旋)和相应于螺旋间距的波长的辐射，而具有相反的偏振光方向或不被滤光片吸收的波长的辐射将通过。胆甾相滤光片的反射波λ0由下列公式确定：

λ0＝1/2.(n0+ne).p

其中n0和ne为滤光片材料的正常和异常折射率，P为分子螺旋线的间距。

具有偏振器不需要的偏振方向的光不再被胆甾相滤光片吸收，但被其反射，从而防止由于吸收而致的加热。

分子螺旋线的间距P最好随在下限和上限之间的滤光层厚度改变，使获得的反射光带宽相应于在整个可视范围内激活滤光片所要求的带宽。根据按申请人名称查得的EP-A-0606940(PHN14.345)可知这种胆甾相滤光片。

在两个光学状态中的一种状态为双折射的电光学显示介质例是例如扭转向列型显示元件(NT或STN)。

本发明显示装置的最佳实施例的特征在于显示介质可在两双折射光学状态之间转换。

在两光学状态中为双折射的电光学显示介质例是例如在电场作用下在显示屏平面上主轴旋转的非轴向双折射介质，或铁电液晶显示装置(FLCD)，最好为表面稳定的FLCD(SSFLCD)。

显示装置最好选择具有至少10度和最多60度的扭转角的显示屏。

在反射偏振器一侧的液晶材料的排列方向和在线性偏振器一侧的偏振面之间的角度选择为至少10度和最多60度。

本发明显示屏的特征在于：电光学显示介质在两光学状态的至少一个中为双折射的，和至少该偏振器为反射偏振器，偏振光转换装置位于远离显示屏的相面对的一侧。

根据下文所述的实施例并参照其说明，本发明的这些和其它方面将会更清楚。

附图中：

图1概括示出本发明的显示装置；

图2概括示出在这种装置中的光径，同时

图3-5示出本发明某些显示装置的透射/电压特性。

图1是显示装置1的局部示意性剖视图，在本例中，它具有包括扭转向列型液晶材料3的显示屏2，该扭转向列型液晶材料3位于两衬底(未示出)如玻璃衬底之间，并配置有电极。该装置还包括以这种方式使液晶材料在衬底内壁上排列的取向层(未示出)，从而使光电元件具有扭转角φ。该装置还包括照明系统6以及漫射和消偏振材料(如具有表面结构的透明板)的漫射器8和在远离显示屏2的辐射源7一侧的反射镜9，其中照明系统6作为带一个或多个辐射源7的简单背面照明示于图中。

在照明系统6一侧，显示屏2具有反射偏振器4，在本例中为胆甾相滤光片。来自辐射源7并具有所需偏振状态的辐射将通过液晶材料3，同时具有附加偏振状态的辐射将被反射。被反射的辐射基本上由偏振转换装置，在本列中为金属反射镜8，将其转换为具有可通过偏振器4的偏振状态的辐射。未通过该偏振器4的辐射在反射镜8和偏振器4之间反射，直到它具有可被传送到液晶材料3的适当偏振状态。因而具有偏振器4所不需要的偏振方向的辐射不再在偏振器中被吸收而每次都被消偏振，然后部分被透射，部分被反射以改变其偏振状态，因此，在不考虑反射损失的情况下，所有来自光源7的辐射最终都将到达液晶材料3。正如在EP-A-0606940中所述，借助于具有沿层厚度连续变化的间距的胆甾相滤光片可显著地获得该效果。

由这种胆甾相反射器所传送的辐射为环形偏振(参见图2)。对于这种构形，透射的辐射强度T为 $T=\frac{1}{2}-\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}}\sin \left(\mathrm{\φ\β}\right)\cos \left(\mathrm{\φ\β}\right)\sin \left(2(n+\mathrm{\φ})\right)$ $+\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\β}}^2}{\sin }^2\left(\mathrm{\φ\β}\right)\cos \left(2(n+\mathrm{\φ})\right)-----\left(1\right)$

在该公式中，β由下列式(2)确定： $\mathrm{\β}=\sqrt{1+{\mathrm{\α}}^2}-----\left(2\right)$

其中 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\πd\Δn}}{\mathrm{\φ\λ}}-----\left(3\right)$

在α的定义式中，d表示液晶层厚度，Δn表示折射率的各向异性，λ表示所用光波波长。Ω是在反射偏振器一侧的取向与线性偏振器偏振面之间的角度。

当偏振器的传送方向转过π/2的角度时，透射从T变为1-T。通过使胆甾相反射器的扭转方向反向来获得相同的变化(向左或向右)。

当Φ＝0时，透射为： $T=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\sin \left[\begin{array}{c}\frac{2\mathrm{d\π\Δn}}{\mathrm{\λ}}\\ \end{array}\right]\sin \left(2n\right)-----\left(4\right)$

此时，当sin(2Ω)＝±1并且dΔn＝λ/4时，T＝1或T＝0。

在这种构形中，可用不同的方式来利用这种液晶的作用。

首先，可将液晶元件用作双折射介质，在(驱动)电场作用下，主轴在该元件的平面中旋转。由公式(4)描述有关的透射。这种介质可得到，例如通过铁电液晶，尤其是表面稳定的铁电液晶(表面稳定的FLCD或SSFLCD)或用在碟状结构A相产生的电子诊断效应(electrocliniceffect)。此时，公式(4)中的角度Ω改变。当d.Δn＝±λ/4，±3λ/4，±5λ/4，...等时得到最大和最小透射(T＝1和T＝0)。在大多数常用材料中，当d.Δn＝±λ/4时，它产生相当薄的元件(因此难以制造)；考虑技术和被使用的光学性能(由于较厚元件的脱色)，最佳选择显然是d.Δn＝±3λ/4。

第二种可能性是控制液晶元件在双折射状态或非双折射状态之间。例如，扭转向列效应可被用于该目的。但是，图2的构形在液晶元件的非双折射状态(透光)时(Δn＝0)具有约二分之一的透射。

用这种元件可得到既考虑亮度(或心理测试亮度(psychometric lightness))又考虑制造可能性的最有利的结果，在这种元件中的有效双折射可在两双折射状态之间转换，一种状态产生几乎完全的吸光，而另一种状态产生几乎所有光的透射。为此改变公式(4)中的角度Ω和Φ。角度Φ在如10°与60°之间变化。在较大角度时，透射的整个调制几乎是不可能的。

例1：图3表示对于Φ＝0和Ω＝π/4时的构形的作为在元件上的电压V的函数的心理学亮度(psychometriclightness)。

例2：图4表示对于Ω＝π/9和Φ＝2π/9时的构形的透射/电压曲线。由此可知，随加至元件上的驱动电压的增加，透射从约100几乎减小为0。

例3：图5表示对于Φ＝π/6和Ω＝π/6时的构形的透射/电压曲线。由此可知，随加至元件上的驱动电压的增加，透射从约100几乎减小为0。

其它Φ和Ω的组合当然也可交替选用，同时也可使用不同于扭转向列型液晶元件的其它双折射介质。更概括地说，本发明涉及具有发光系统、宽带(胆甾相)反射器和在反射器和检偏器之间的可转换的电光学介质(液晶元件)，并使各种参数(例如：扭转角、取向面与偏振面之间的角度以及屏的厚度)最优化的显示装置。

Claims (14)

1一种显示装置，包括具有提供辐射光束用的辐射源的照明系统，和具有在两偏振器之间的电光学显示介质的显示屏，该介质可在两个光学状态之间转换，其特征在于：电光学显示介质在两光学状态的至少一个中为双折射的，至少一个偏振器为反射偏振器，偏振转换装置位于远离显示屏的相面对的一侧。

2根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于：反射偏振器为胆甾相滤光片，偏振转换装置包括反射器。

3根据权利要求1或2所述的显示装置，其特征在于：另一偏振器为线性偏振器。

4根据权利要求1、2或3所述的显示装置，其特征在于：显示介质可在两双折射光学状态之间转换。

5根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于：该装置包括扭转向列型液晶材料并具有至少10度和最多60度的扭转角。

6根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于：在反射偏振器一侧的液晶材料的排列方向和线性偏振器的偏振器面之间的角度至少为10度和最多为60度。

7根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于：显示屏包括铁电液晶或电子诊断材料。

8一种具有在两偏振器之间的电光学显示介质的显示屏，该介质可在两个光学状态之间转换，其特征在于：电光学显示介质在两光学状态的至少一个中为双折射的，和至少一个偏振器为反射偏振器，偏振转换装置位于远离显示屏的相面对的一侧。

9根据权利要求8所述的显示屏，其特征在于：反射偏振器为胆甾相滤光片，偏振转换装置包括反射器。

10根据权利要求8或9所述的显示装置，其特征在于：另一偏振器为线性偏振器。

11根据权利要求8、9或10所述的显示屏，其特征在于：显示介质可在两双折射光学状态之间转换。

12根据权利要求10或11所述的显示装置，其特征在于：该装置屏包括扭转向列型液晶材料并具有至少10度和最多60度的扭转角。

13根据权利要求12所述的显示屏，其特征在于：在反射偏振器一侧的液晶材料的排列方向和线性偏振器的偏振面之间的角度至少为10度和最多为60度。

14根据权利要求11所述的显示屏，其特征在于：显示屏包括铁电液晶或电子诊断材料。

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