CN116107110A - 偏振装置及显示设备 - Google Patents

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CN116107110A CN202211654577.5A CN202211654577A CN116107110A CN 116107110 A CN116107110 A CN 116107110A CN 202211654577 A CN202211654577 A CN 202211654577A CN 116107110 A CN116107110 A CN 116107110A
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张庆训
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赵文卿
陈东
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Abstract

本申请公开一种偏振装置及显示设备，属于偏振控制技术领域。偏振装置包括偏振片、液晶层、相位差膜层以及电压调节件，偏振片、液晶层和相位差膜层依次叠置，光线经偏振片输出第一线偏振光，第一线偏振光经液晶层输出椭圆偏振光，椭圆偏振光经相位差膜层输出第二线偏振光；电压调节件与液晶层电连接，电压调节件用于控制液晶层的电压，以通过电压改变椭圆偏振光的偏振状态，进而改变第二线偏振光的方向。显示设备包括上述的偏振装置。如此，液晶层、相位差膜层以及电压调节件占用的空间比机械结构占用的空间小，偏振装置体积较小，有利于集成至显示设备中。

Description

偏振装置及显示设备
技术领域
本申请属于偏振控制技术领域，具体涉及一种偏振装置及显示设备。
背景技术
在许多显示设备中，如偏振相机或偏振摄像头，利用光的偏振原理来显示图像，即显示设备内设有偏振装置，通过偏振装置来获取不同偏振方向的线偏振光，实现更高的图像信噪比。
相关技术中，偏振装置包括偏振片以及带动偏振片转动的机械结构，自然光通过偏振片可以转换为线偏振光，通过机械结构带动偏振片转动来改变偏振方向，从而输出不同方向的线偏振光。但是，机械结构通常包括输出移动动力或旋转动力的驱动件以及传动部件，驱动件和传动部件的整体尺寸和体积较大，占用空间较大，不利于偏振装置集成至显示设备内。相关技术中，偏振装置也可通过刻蚀不同方向的金属线栅实现不同偏振方向的输出，但是金属线栅一般采用光栅刻蚀的方式制作，价格昂贵，且偏振方向不可自由控制，不利于偏振装置的广泛应用。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种偏振装置，能够解决相关技术中通过机械结构带动偏振片运动导致占用空间大的问题，以及解决金属线栅偏振片不可自由调节方向的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种偏振装置，包括偏振片、液晶层、相位差膜层以及电压调节件，所述偏振片、所述液晶层和所述相位差膜层依次叠置，光线经所述偏振片输出第一线偏振光，所述第一线偏振光经所述液晶层输出椭圆偏振光，所述椭圆偏振光经所述相位差膜层输出第二线偏振光；
所述电压调节件与所述液晶层电连接，所述电压调节件用于控制所述液晶层的电压，以通过所述电压改变所述椭圆偏振光的偏振状态，进而改变所述第二线偏振光的方向。
第二方面，本申请实施例还提供一种显示设备，包括上述的偏振装置。
在本申请实施例中，利用液晶层改变第一线偏振光的偏振状态，即输出椭圆偏振光，进而利用相位差膜层再将椭圆偏振光输出为第二线偏振光，故偏振装置对偏振片输出的线偏振光增加转换过程，以使电压调节件能够通过改变液晶层的电压来改变液晶层对第一线偏振光的偏振效果，即改变椭圆偏振光的偏振状态，进而改变最终输出的线偏振光的方向，解决了金属线栅偏振片不可自由调节方向的问题。因此，本方案的液晶层、相位差膜层以及电压调节件可以代替现有技术中的机械结构，起到改变线偏振光的方向的效果。其中，液晶层和相位差膜层可以采用较薄的膜层，电压调节件可以为薄膜晶体管等占用体积较小的部件，而现有技术中的机械结构，驱动件通常为电机等结构比较复杂的部件，传动件为齿轮等结构，整体来看，液晶层、相位差膜层以及薄膜晶体管占用的空间比机械结构占用的空间要小，故本方案的偏振装置体积较小，占用空间较小，有利于其集成至显示设备中。
附图说明
图1-图4是本申请不同实施例公开的偏振片、液晶层和相位差膜层的示意图；
图5是本申请实施例公开的液晶层的结构示意图；
图6是本申请实施例公开的偏振装置的结构示意图；
图7是本申请实施例公开的液晶分子层的配向示意图；
图8是本申请实施例公开的当电压为零时液晶层的液晶分子的示意图；
图9是本申请实施例公开的当电压较低时液晶层的液晶分子的示意图；
图10是本申请实施例公开的当电压较高时液晶层的液晶分子的示意图；
图11是本申请另一实施例公开的偏振装置的结构示意图；
图12是本申请另一实施例公开的偏振装置的输出偏振态的示意图；
图13是本申请实施例公开的邦加球上偏振光转换示意图。
附图标记说明：
100-偏振片、
200-液晶层、210-液晶分子层、211-液晶区域、a-液晶分子、220-第一配向层、230-第二配向层、240-第一基板、241-第一电极、250-第二基板、251-第二电极、300-相位差膜层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的偏振装置及显示设备进行详细地说明。
请参考图1-图13，本申请实施例公开的偏振装置包括偏振片100、液晶层200、相位差膜层300以及电压调节件，其中，偏振片100是可以使自然光变为线偏振光的光学元件；液晶层200采用常规显示用液晶；相位差膜层300采用拉伸法或涂布式工艺制作，其材料采用各向异性材料。
偏振片100、液晶层200和相位差膜层300依次叠置，自然光线经偏振片100输出第一线偏振光，第一线偏振光经液晶层200输出椭圆偏振光，椭圆偏振光经相位差膜层300输出第二线偏振光。其中，第二线偏振光的方向与第一线偏振光的方向不同，也就是说，偏振光将自然光转换为线偏振光，经过液晶层200和相位差膜层300的作用，线偏振光的偏振方向被改变。
电压调节件与液晶层200电连接，电压调节件用于控制液晶层200的电压，以通过电压改变椭圆偏振光的偏振状态，进而改变第二线偏振光的方向。可选地，电压调节件可以为薄膜晶体管，薄膜晶体管可以与液晶层200的电极电连接。电压调节件可以控制液晶层200的电压，使液晶层200内部的液晶分子a的排列方向改变，那么，液晶分子a对第一线偏振光的作用改变，液晶层200输出的椭圆偏振光的偏振状态也会改变，同时，由于相位差膜层300具有各向异性，那么，相位差膜层300输入的椭圆偏振光的偏振状态改变，输出的第二线偏振光的方向也会改变。
在本申请实施例中，利用液晶层200改变第一线偏振光的偏振状态，即输出椭圆偏振光，进而利用相位差膜层300再将椭圆偏振光输出为第二线偏振光，故偏振装置对偏振片100输出的线偏振光增加转换过程，以使电压调节件能够通过改变液晶层200的电压来改变液晶层200对第一线偏振光的偏振效果，即改变椭圆偏振光的偏振状态，进而改变最终输出的线偏振光的方向。
因此，本方案的液晶层200、相位差膜层300以及电压调节件可以代替现有技术中的机械结构，起到改变线偏振光的方向的效果。其中，液晶层200和相位差膜层300可以采用较薄的膜层，电压调节件可以为薄膜晶体管等占用体积较小的部件，而现有技术中的机械结构，驱动件通常为电机等结构比较复杂的部件，传动件为齿轮等结构，整体来看，液晶层200、相位差膜层300以及薄膜晶体管占用的空间比机械结构占用的空间要小，故本方案的偏振装置体积较小，占用空间较小，有利于其集成至显示设备中。
一种可选的实施例中，在液晶层200的电压为零的情况下，液晶层200的配向与偏振片100的吸收轴所在的方向之间的夹角为45°或135°，相位差膜层300的慢轴所在的方向与液晶层200的配向之间的夹角为45°或135°。可选地，相位差膜层300的慢轴与偏振片100的吸收轴可以相互平行，也可以相互垂直。采用本实施例，偏振片100的吸收轴、液晶层200的配向以及相位差膜层300的慢轴满足上述条件，线偏振光经过液晶层200能够准确输出椭圆偏振光，且椭圆偏振光经过相位差膜层300能够准确输出第二线偏振光。
可选地，如图1和图2所示，偏振片100的吸收轴所在的方向和相位差膜层300的慢轴所在的方向相平行；如图1所示，液晶层200的配向与偏振片100的吸收轴所在的方向之间的夹角为45度；如图2所示，液晶层200的配向与偏振片100的吸收轴所在的方向之间的夹角为135度；图1中液晶层200的配向与图2中液晶层200的配向相垂直；如图3和图4所示，偏振片100的吸收轴与相位差膜层300的慢轴所在的方向相垂直；如图3所示，液晶层200的配向与偏振片100的吸收轴所在的方向之间的夹角为45度；如图4所示，液晶层200的配向与偏振片100的吸收轴所在的方向之间的夹角为135度；图3中液晶层200的配向与图4中液晶层200的配向相垂直。采用这四种方案，可以使第二线偏振光的输出角度范围相同，但每种方案对应输出第二线偏振光的位置不同，可以根据需要采用对应的方案。
一种可选的实施例中，液晶层200为向列相液晶层，液晶层200包括液晶分子层210、第一配向层220和第二配向层230，第一配向层220和第二配向层230分别设置于液晶分子层210相背的两侧，且第一配向层220的配向和第二配向层230的配向相平行。具体地，第一配向层220和第二配向层230经过表面处理后，可以为液晶分子a提供其所需依附或对准的理想方向。可选地，第一配向层220和第二配向层230可以采用光配向或摩擦取向。如图7所示，在第一配向层220的配向作用下，液晶层200靠近第一配向层220的液晶分子a按一定的方向和角度排列，同样地，在第二配向层230的配向作用下，液晶层200靠近第二配向层230的液晶分子a按一定的方向和角度排列，当液晶层200被施加电压后，液晶层200靠近中间位置的液晶分子a倾斜一定角度，即靠近中间位置的液晶分子a的配向改变，而靠近第一配向层220的液晶分子a和靠近第二配向层230的液晶分子a的配向不变，因此，液晶层200的液晶分子a整体呈现扭曲的形势。具体地，向列相液晶是指处在向列相下的液晶，本方案采用特殊设计向列相液晶，液晶上下层配向方向一致，液晶分子a在施加电压状态时只沿着电场方向倾斜，不发生扭转。液晶分子a将依据所加电压的大小倾斜相应的角度。
采用向列相液晶，其对于电流的反应准确，故在改变电压时，液晶分子a的排列方向能够迅速改变，液晶层200及时改变对第一线偏振光的偏振效果，改变椭圆偏振光的偏振状态。
可选地，参考图8-图10所示，施加电压范围为0-5V，如图8所示，当施加电压为零时，液晶分子层210的液晶分子a的长度方向均与第一配向层220和第二配向层230的配向方向一致；如图9所示，当施加电压值较低时，如施加电压为3V，此时液晶分子层210的中间位置的液晶分子a旋转一定角度，其长度方向与第一配向层220和第二配向层230的配向之间的夹角为锐角，液晶分子a整体发生一定扭曲，液晶分子层210对椭圆偏振光的偏振效果改变；如图10所示，当施加电压值较高时，如施加电压为5V，此时液晶分子层210的中间位置的液晶分子a旋转90°，其长度方向与第一配向层220和第二配向层230的配向相垂直，液晶分子a整体的扭曲程度加重，液晶分子层210对椭圆偏振光的偏振效果再次改变。
当然，在其他实施例中，液晶层200也可以采用其他种类的向列相液晶层。
一种可选的实施例中，液晶层200还包括第一基板240和第二基板250，第一基板240和第二基板250层叠设置，第一基板240和第二基板250可以为任意适当的类型，本申请实施例不做具体限定。可选地，第一基板240和第二基板250可以为玻璃基板或薄膜，其中，薄膜可以为柔性薄膜或刚性薄膜，薄膜可以为三醋酸纤维素薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、环烯烃聚合物薄膜等。第一基板240朝向第二基板250的一侧设置第一电极241，第二基板250朝向第一基板240的一侧设置第二电极251，液晶分子层210位于第一基板240和第二基板250之间，且电压调节件分别与第一电极241和第二电极251电连接，即电压调节件通过调节第一电极241和第二电极251之间的电压，来改变液晶分子层210的电压。
可选地，第一电极241和第二电极251均可以为透明电极，进一步可选地，第一电极241和第二电极251可以为氧化铟锡(Indium tin oxide，ITO)电极。
一种可选的实施例中，第一基板240、第二基板250、液晶分子层210可以位于第一配向层220和第二配向层230之间。在另一种实施例中，液晶分子层210、第一配向层220和第二配向层230均位于第一基板240和第二基板250之间，即第一配向层220位于液晶分子层210和第一基板240之间，第二配向层230位于液晶分子层210和第二基板250之间。采用本实施例，
参考图13所示的通过邦加球展示的偏振光转换示意图。
其中，邦加球的赤道代表线偏振光，南北极点代表椭圆偏振光，邦加球表面的其余位置代表椭圆偏振光，邦加球的球心代表自然光。图13中的In点代表初始自然光，经过偏振片100后到达1点，说明自然光转换为第一线偏振光；再经过液晶层200后到达2点，说明第一线偏振光转换为椭圆偏振光；最后经过相位差膜层300后到达Out点，说明椭圆偏振光转换为第二线偏振光，第二线偏振光与第一线偏振光的方向不同。
一种可选的实施例中，参考图11所示，液晶分子层210包括至少一个液晶区域211，第一电极241和第二电极251设置至少一个，液晶区域211、第一电极241和第二电极251一一对应，电压调节件分别与各第一电极241和各第二电极251电连接，且电压调节件用于控制每个第一电极241与对应的第二电极251之间的电压不同。如图12所示，每个液晶区域211对应的电压不同，则每个液晶区域211的偏振态不同，即偏振效果不同。采用本实施例，通过控制每对电极的电压，来改变每个液晶区域211所对应的电压，改变每个液晶区域211对第一线偏振光的偏振效果，使每个液晶区域211分别输出不同偏振态，能够满足不同区域输出不同偏振态的需求；而且，也可以连续改变同一液晶区域211所对应的第一电极241和第二电极251之间的电压，使同一液晶区域211连续输出不同偏振态，满足相同区域连续输出不同偏振态的需求。因此，本实施例可以满足不同情况下输出不同偏振态的需求，适用范围更广。可选地，液晶区域211、第一电极241和第二电极251均可以设置一个，也可以设置至少两个。
相关技术中，通常利用金属线栅偏振片100来获取不同偏振态的偏振光，但由于设计光栅刻蚀技术，价格昂贵，且不易自由控制偏振方向。而本方案可应用于偏振相机或偏振摄像头，来代替现有技术中的金属线栅偏振片100，结构简单，成本较低，而且能够自由控制偏振方向。
在可选的实施例中，液晶分子层210的厚度与相位差膜层300的厚度的比值范围为0.2-0.7，可选地，比值范围为0.3-0.6。如此设置，第二线偏振光的输出角度范围在90°-180°。可选地，液晶分子层210的厚度与相位差膜层300的厚度的比值范围为0.6-0.7，此时第二线偏振光的输出角度范围大于180°，此时电压调节件对液晶分子层210的电压的调节精度也会更高。因此，选择不同厚度的液晶分子层210，可以实现偏振装置输出不同角度范围的第二线偏振光，可根据第二线偏振光输出角度范围的需要来选择对应厚度的液晶分子层210。
当然，在其他实施例中，液晶分子层210的厚度与相位差膜层300的厚度的比值可以小于0.2或大于0.7。
在可选的实施例中，液晶分子层210的各向异性折射率差与相位差膜层300的各向异性折射率差相等。如此，通过液晶分子层210，能够准确实现线偏振光转换为椭圆偏振光的过程，同时，通过相位差膜层300，也能够准确实现椭圆偏振光转换为线偏振光的过程。
当然，在其他实施例中，液晶分子层210的各向异性折射率差与相位差膜层300的各向异性折射率差可以不相等，液晶分子层210的各向异性折射率差与相位差膜层300的各向异性折射率差存在一定差异。
一种可选的实施例中，液晶层200可以为正分散液晶层，正分散液晶层仅能对于单波长偏振光进行偏振调制。在另一种实施例中，液晶层200为逆分散液晶层，逆分散液晶层能够对各个波长的偏振光进行偏振调制。因此，为适用于不同的应用场景，优先选择逆分散液晶层。
在可选的实施例中，相位差膜层300的厚度满足以下条件：
Re＝Δn·d1，其中，Re为相位差膜层300的相位差，Δn为相位差膜层300的各向异性折射率差，d1为相位差膜层300的厚度。如此，可根据需要的相位差膜层300的相位差，来选择合适的材料作为相位差膜层300(确定各向异性折射率差)，以及选择合适厚度的相位差膜层300。
可选地，相位差膜层300需满足λ/4膜的要求，即Re＝λ/4。此情况下，相位差膜层300相当于四分之一波片，能够用来使线偏振光转换为圆偏振光或椭圆偏振光，或者，将圆偏振光或椭圆偏振光转换为线偏振光。因此，相位差膜层300满足该条件，无论液晶层200输出椭圆偏振光还是圆偏振光，相位差膜层300均能将其准确转换为第二线偏振光，满足偏振需求。
基于本申请公开的偏振装置，本申请实施例还公开一种显示设备，显示设备包括上述实施例中的偏振装置。该偏振装置的体积和占用空间较小，能够集成于显示设备，满足显示设备的偏振需求。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种偏振装置，其特征在于，包括偏振片(100)、液晶层(200)、相位差膜层(300)以及电压调节件，所述偏振片(100)、所述液晶层(200)和所述相位差膜层(300)依次叠置，光线经所述偏振片(100)输出第一线偏振光，所述第一线偏振光经所述液晶层(200)输出椭圆偏振光，所述椭圆偏振光经所述相位差膜层(300)输出第二线偏振光；
所述电压调节件与所述液晶层(200)电连接，所述电压调节件用于控制所述液晶层(200)的电压，以通过所述电压改变所述椭圆偏振光的偏振状态，进而改变所述第二线偏振光的方向。
2.根据权利要求1所述的偏振装置，其特征在于，在所述液晶层(200)的电压为零的情况下，所述液晶层(200)的配向与所述偏振片(100)的吸收轴所在的方向之间的夹角为45°或135°，所述相位差膜层(300)的慢轴所在的方向与所述液晶层(200)的配向之间的夹角为45°或135°。
3.根据权利要求1所述的偏振装置，其特征在于，所述液晶层(200)为向列相液晶层(200)，所述液晶层(200)包括液晶分子层(210)、第一配向层(220)和第二配向层(230)，所述第一配向层(220)和所述第二配向层(230)分别设置于所述液晶分子层(210)相背的两侧，且所述第一配向层(220)的配向和所述第二配向层(230)的配向相平行。
4.根据权利要求3所述的偏振装置，其特征在于，所述液晶层(200)还包括第一基板(240)和第二基板(250)，所述第一基板(240)和所述第二基板(250)层叠设置，所述液晶分子层(210)、所述第一配向层(220)和所述第二配向层(230)均位于所述第一基板(240)和所述第二基板(250)之间，且所述第一基板(240)朝向所述第二基板(250)的一侧设置第一电极(241)，所述第二基板(250)朝向所述第一基板(240)的一侧设置第二电极(251)，所述电压调节件分别与所述第一电极(241)和所述第二电极(251)电连接。
5.根据权利要求4所述的偏振装置，其特征在于，所述液晶分子层(210)包括至少一个液晶区域(211)，所述第一电极(241)和所述第二电极(251)设置至少一个，所述液晶区域(211)、所述第一电极(241)和所述第二电极(251)一一对应，所述电压调节件分别与各所述第一电极(241)和各所述第二电极(251)电连接，且所述电压调节件用于控制每个所述第一电极(241)与对应的所述第二电极(251)之间的电压不同。
6.根据权利要求3所述的偏振装置，其特征在于，所述液晶分子层(210)的厚度与所述相位差膜层(300)的厚度的比值范围为0.2-0.7。
7.根据权利要求3所述的偏振装置，其特征在于，所述液晶分子层(210)的各向异性折射率差与所述相位差膜层(300)的各向异性折射率差相等。
8.根据权利要求1所述的偏振装置，其特征在于，所述液晶层(200)为逆分散液晶层。
9.根据权利要求1所述的偏振装置，其特征在于，所述相位差膜层(300)的厚度满足以下条件：
Re＝Δn·d1，其中，Re为所述相位差膜层(300)的相位差，Δn为所述相位差膜层(300)的各向异性折射率差，d1为所述相位差膜层(300)的厚度。
10.一种显示设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的偏振装置。
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