CN1149432C - 光开关 - Google Patents

Abstract

本发明总的涉及一种光开关，尤其涉及一种高解析度的彩色显示器。本发明的目的在提供一种光开关，它比起已知结构的解决方案来构造较简单，且有高度的光输出率，且视差很小。要保证在高达约550℃仍有作用能力。本发明的光开关(例如LCD型)的特徵在于：至少有一载板由彩色结构的二色性偏振玻璃构成，该二色性偏振玻璃中嵌入二向色性滤色器，该二向色性滤色器位于一直角矩阵内沿滤色器层的方向，且该载板的滤色器层从载板表面开始一直到达几微米深度进去。彩色图案在构成该玻璃载板后一直到约550℃仍保持稳定。利用这种彩色结构的二向色性偏振玻璃，使本发明比起传统LCD来，至少可省略一个偏振滤光器(结构较简单)。

Description

光开关

详细说明

本发明总的涉及一种光开关，尤其涉及一种高解析度的彩色显示器。这种具有彩色与偏振作用的光开关不限於可见光的频谱范围。它也可用在紫外线及紫外线范围作光控制以及与可见光谱范围的应用组合。

液晶显示器(Liqrud Crystal Display，LCD)长时以来已为人们所熟知。其特点是，电力需求小，且构造方式强固，实际应用中，有多种类型的液晶显示器，其原理是：一个扭曲的液晶层会根据是否施加有电场，使光的偏振面作不同程度的扭转。因此，该光在一种情形可通过一第二偏振滤光器，在另一种情形则不然。

这种构件由二玻璃板(即载板)构成，液晶位於其间，二玻璃板内侧有导电之透光电极及取向层。在无电场状态下，该液晶分子取平行於玻璃板的方向。二玻璃板内侧带有超微构造，它们互呈相对扭转(一般扭转90°或270°)。由於液晶分子在取向层的构造化部分对准，因此在液晶层中，分子互相扭转。在对立的电极间施一电压，使分子沿电场方向排列，一道透过之光束的偏振方向则不再扭转。

一般与液晶显示器的构造有关的，除了其他元件外，还有两个偏振滤光器，它们各设在载板外侧，而对於彩色LCD则有额外的滤色器。滤色器对较高温度敏感，因为它们往往由有机聚合物材料构成。在传统彩色LCD中，光输出率较低。

德国专利DE4201281 A1中揭示了一种液晶显示器的基质板的设计，它适用于再生彩色影像。该专利中提到，当液晶显示器的基质板利用一种点矩阵电极构造控制且可显示彩色影像时，一般将不同的原色的彩色象素(Pixel)直接形成在一载板上。但由於彩色象素不形成平坦的表面轮廓，因此它们设有一个盖层。这方面的一个进一步的发明系见於DE 4201281 A1，其实现方法是将该由彩色象素构成的滤色器层用一超薄的膜或玻璃层覆盖。如果基质板要使用在某些显示器中，该显示器的液晶分子间的扭转角度90°或液晶格(Zellen)板之间的所容许距离很小，则这种措施被认为是必要的。如今由於利用覆盖实现平坦表面，故可形成液晶分子一致的切换比例。这种背景技术的例子显示出要制造高值的彩色显示器需要作那些措施。

国际专利WO 94/20879中提到一种液晶显示器，它由二片载板构成，该载板由玻璃制成。载板之间有一种液晶物质。载板设有透明电极，而载板的外侧上有偏振器。

至少在一载板上设有彩色结构的二向色性滤光器，它们位在一矩阵内的彩色滤光器层的方向，且被该具有滤光器的载板所承载。

另一德国专利申请19642116.0-33：其名称为“用电子束形成能量传输的方法”，根据此方法，在短时内用电子束将能量传输到由金属、半导体或介电材料或其组合构成的物体(如板或带子)的表面(宜为平面)上，进如到限定的表面元件中。可利用的加工效果系由材料的物理或化学反应配合利用电子束所做的能量传输。这种较佳的应用领域是，在任意长的条带形物体的表面上，形成一种使有限数目的结构元件重复呈矩阵排列成行与列的结构。

前述专利申请的重要发明特点在于：在能量传输之时，要加工的物体在一光罩下方以不与光罩接触的方式移动，使一道沿物体运动方向的电子束沿大约垂直于该物体运动方向高频振动，经过位於光罩中的凹洞，利用一种高速度(此速度比起物体运动速度来高得多)导经该光罩。

一种较佳应用领域是将较面积的物体做高产量的构造化加工。在该热电子束加工的区域中，可用此方法，以将适当地敏化过(施过光敏材料)的玻璃表面作彩色式构造化。举例而言，可将一个玻璃制的基质(它具有制备的薄表面层)利用电子束加工而在重复构造(例如LCD技术中所习用者)中设以一彩色图案。为了得到最希望要的光学效果，将四个排列在一直角矩阵中的象素施加不同的能量密度。在加工时，由于热效应，而使该制备之薄表面层在该象素的区域中经历不同温度的周期循环，这些温度的周期循环在象素区域中时间相同，但最大温度不同，以得到依象素方式决定的光学性质。

利用专利申请案19642116.0-33的方法，首先克服了已知方法中用电子束做能量传输来加工材料的限制。它可使构造元件以及最小的面积区域(例如象素)能在表面上以一定的排列方式用电子束作一定的施加，以在此区域中得到一定的加工效果。

本发明的目的在于提供一种光开关，它比起已知结构解决方案来，构造较简单，这种构造产生高的光输出率及很小的视差(Parallaxe)。本发明的解决方案的直接结果为：该光开关对温度作用较不敏感。如前述，标题为“用电子束形成能量传输的方法”的德国专利申请DE 19642116.0-33在目前是最进步的背景技术，和此专利申请的目的有关的是根据DE 19642116.0-33作构造化制成的特殊构件，也配合该专利申请做应用。

本发明的目的是这样来实现的。其中关于本发明的基本构想可见权利要求1。其他有利的设计见权利要求2-7。

要实现本发明的目的，需要其他实施例。

此光开关(它特别是指一种高解析度的显示器)的载板由玻璃构成，二向色性滤色器嵌入该玻璃中。它系一种依DE 19642116.0-23的方法构成的载板。此载板可设计成平坦或不平坦的方式。

可以只有一片载板或所有的载板都由玻璃构成(这点下文还要说明)以做光开关的构造，二向色性滤色器嵌入该玻璃中。

载板的二向色性滤色器层一般设在载板的一面。对於特别的应用情形，二色滤色器层设在载板两面。

当滤色器层设在载板两面时，可实现相同或不同的吸收与偏振作用。

载板层中的各二向色性滤色器可构成黑白(单色显示器)或彩色(多色显示器)方式。

二向色性滤过器层位於载板的玻璃母质(矩阵)(Matrix)中，且它们对应於制造方法呈矩阵形分布。在此情形中，彩色图案具有重构造，且使得一种具全彩色能力的显示器能构建。

载板的二向色性滤色器层从玻璃表面起一直达到几微米的深度中。此处，深达最大10微米的深度方向可称为“取向”(Orientierung)。此外，彩色区域的厚度也只有十分之几微米。

此二向色性滤色器在可见及/或不可见光谱范围(UV，IR范围)内具有彩色作用与偏振作用。

在一有利的实施例中，为了使视差很小，将载板的构造化过的滤色器层设在与液晶物质接触的那一面上，亦即：为了使构造化之面的间隔尽量小，因此这些面位在内部。此处，基本上系根据已知的设置，其中与已知之背景技术不同的，系使用依DE 196421160.33的方法构成的载板。

如果不要求视差尽量地小，则一个或二个滤色器层可位在载板外侧，一如在已知的构造化的面或滤色器构造的原理。

有一点很重要：如果载板由玻璃制成，则在构成载板後，彩色图案直到550℃/600℃都保持稳定。此处，也不能完全排除采用其他材料的可能性。

如下文将说明，光开关也可以是透过式(背照光式transmissive)、反射式(reflective)及透过反射式(transflektive)的。

采用构成二向色性的载板来制成光开关(例如LCD型)，其特点是结构简单，这是因为至少省去了一层偏振滤光器。这种形成二向色性的滤色器所在的那一层中，可以省却用于将象素高度作补偿的额外成本。此滤色器的特色为很高的光输出率，因为该二向色性滤色器比起传统滤色器来，基本吸收较少。

下面利用实施例说明本发明。

图中：

图1是具有混合色(红、黄、蓝、黑)的透过式彩色LCD，

图2是具有混合色(红、黄、蓝、白)的透过式彩色LCD，

图3是具有混合色(红、黄、蓝、白)的反射式彩色LCD，

图4是具有混合色(红、黄、蓝)的透过式彩色LCD，

图5是具有混合色(红、绿、蓝、白)的透过式彩色LCD，

图6是A型紫外线的光开关〔透过式，在狭小范围中消光(Ausloschung)〕，

图7是狭带式A型紫外线的光开关(透过式)，

图8是宽带式A型紫外线的光开关(透过式)。

〔标号说明〕

(1)彩色结构的二向色性玻璃

(2)透明片段电极

(3)取向层

(4)透明主电极

(5)玻璃载体

(6)前偏振器

(7)偏振滤光器

(8)入射光

(9)出射光——至观看者

(10)液晶分子

(11)反射器

(12)彩色结构的二向色性玻璃

(13)二向色性紫外线玻璃

(14)二向色性紫外线玻璃

(15)二向色性彩色结构的紫外线玻璃

(16)二向色性彩色结构的紫外线玻璃

dR二向色性红

dG二向色性黄

dB二向色性蓝

R红

G黄

B蓝

W白

UV Pol 1-紫外线偏振玻璃

UV Pol 2-紫外线偏振玻璃

UV Pol 3-紫外线偏振玻璃

λ1，λ2，λ3不同波长之出射A型紫外光

图1是具有混合的透过式彩色LCD，它由一彩色结构的二向色性玻璃(1)构成。此光活性层设在一面上，且在内面，此层是根据前面说明的用电子束形成能量传输的方法制造，其中，该玻璃具有双色式红(dR)、双色式黄(dG)、双色式蓝(dB)。在彩色结构的二向色性玻璃(1)上内侧有透明的片段电极(2)与第一取向层(3)。在第二玻璃载体〔用图号(5)表示〕上，在内侧设有一透明主电极(4)及第二取向层(3)〔它相对於第一取向层(3)扭转了90°〕。在玻璃载体(5)下方(在外侧)放一偏振滤色器(7)，而在该彩色结构的双色偏振玻璃(1)上方(同样在外侧)放一前偏振器(6)。该二偏振滤色器设成互相扭转了90°。

入射之未偏振光(8)通过前偏振器(6)，受到线性偏振，通过该彩色结构的二向色性玻璃(1)〔在其中当未施电压时(亦即在未受控制的状态)，其偏振方向扭转90°〕，通过具有偏振滤光器(7)的玻璃载体(5)。由於偏振滤光器(7)的方向性之故，因此不发生吸收情况。线偏振光(9)(具有成份：红、黄、蓝)从该偏振滤色器(7)出来。

在受控制的状态，液晶分子沿电场方向对齐，光的偏振方向不再被扭转。光在偏振滤光器(7)中完全地(在可见光谱的所有波长范围中)被吸收，受控制的片段呈黑暗。

图2中，入射光(未被偏振)直接穿过该彩色结构的二向色性玻璃(1)。电场矢量的一分量保持几乎不受影响，而在扭转了90°的第二平面，则在狭窄波长范围中有吸收。在离开该彩色结构的二向色性玻璃(1)後，得到白光(在偏振平面中)及有彩色成份红、黄、蓝(在该相对于第一偏振面扭转了90°的第二偏振面中)。前偏振器可省略。

在未受控制的状态，偏振方向旋转了90°。此光在通过偏振滤过器(7)(它的朝向使向光成份完全被吸收，而扭转90°的彩色成份则通过去而几乎完全无减弱)之後仍有彩色部分红、黄、蓝，且呈线偏振。

在受控制的状态，光的偏振方向不扭转，因此彩色成份被偏振滤光器(7)吸收，而该旋转了90°的白色成份可穿过去。出来的光为白色且呈线偏振〔见图1之标号(9)〕。

图3显示一种具有混合色的反射式彩色LCD，其中在偏振器(7)(後侧偏振器)之外面有一反射器(11)。关於吸收与色混合方面，系发生相同的作用，如图2所示。只是在光从偏振滤光器(7)出来时，反射器(11)呈附加构件的形式，使光反射。

在图2及图3中，光学活性层如图1的情形，系设在一面且在内侧。

与图1、2、3比较，图4有些变更：此处，彩色结构的二向色性玻璃(1)(12)设在液晶层的两面上(光活性层在内侧，亦即在与液晶物质接触的那面上)。在受控制的状态下，从玻璃出射部分呈线偏振的白光，它在旋转了90°的偏振方向具有彩色成份。此出射光〔见标号(9)——出射光〕由观察者看来呈淡彩色状。在不受控制的状态，此出射光为全彩色且未受偏振者。

图5中，彩色结构的玻璃和图4比较，具有彩色顺序：红、蓝(1)、蓝(2)，而彩色结构的玻璃(12)顺序为蓝、黄、红。藉著将蓝与黄在光束途径中重叠，而产生绿。藉使用一偏振滤光器(7)(後侧偏振器)可在各状态之间切换成彩色(红、绿、蓝)与白色。

图6显示紫外线A的一种光开关(透过式)。

入射光(8)(紫外光A，未偏振)穿过该彩色结构的二向色性紫外线玻璃(15)(它在一内侧具有光学活性层)，再经过液晶层，最後经过一个彩色结构的二向色性紫外线玻璃(16)。二玻璃(15)(16)一面内侧有一光学活性层。在受控制的状态，造成最大50％的消光(Ausloschung)。在不受控制的状态，在给定的紫外线波长范围造成近乎完全的消光。

图7显示狭带式紫外线A的光开关，它未受偏振。入射光(8)经过该二向色性紫外线前玻璃(13)(狭频带式)(它的一面内侧有光学活性层)。此二向色性紫外线偏振玻璃(14)设有一光学活性层，设在一面内侧。在未受控制的状态，造成完全消光。而在受控制的状态，则有紫外线A(9)出射，它受线偏振，在受控制状态光透过率约50％。

图8显示宽频带式紫外线A的光开关，它与图6相比，其不同处在於：该二向色性紫外线玻璃(13)两面具有光学活性层，但其光谱中最大吸收值的频率不同(宽频带加大)。二向色性紫外线玻璃(14)同样地两面具有光学活性层，其光谱中最大吸收值频率亦不同。与图6的情形一样，在未控制的状态，造成消光，而在受控制的状态，该活化的紫外线A呈线偏振，其中透射率约50％。

Claims (6)

1.一种光开关，其特征在于，它由二个玻璃制的载板构成，所述载板之间有液晶物质，所述载板设有透明电极，且至少有一载板由彩色结构的二向色性偏振玻璃(1)构成，二向色性滤色器嵌入所述偏振玻璃中，所述二向色性滤色器系位在玻璃矩阵内，取偏振滤光层的方向，而所述二向色性滤色器从载板表面起一直延伸到约10微米的深度处。

2.如权利要求1所述的光开关，其特征在于：

所述载板由平玻璃构成。

3.如权利要求1所述的光开关，其特征在于：

至少在一载板两面嵌入二向色性滤色器。

4.如权利要求1及3所述的光开关，其特征在于：

一种单色滤色层嵌入至少一载板中。

5.如权利要求1，3，4所述的光开关，其特征在于：

至少一载板的滤色层设置方式使它与该液晶物质接触。

6.如权利要求1到5所述的光开关，其特征在于：

所述光开关在偏振滤光器的数目方面由不多于两个的偏振滤光器构成。

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