CN1248714A - 增加偏振分量的光导器件及液晶显示器件 - Google Patents

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Abstract

从光源发出的光入射到包括多个光导层的光导上并被端面反射到光导层之间的界面上。穿过端面透射的偏振分量被波长片在其偏振面上旋转并被反射片反射,在光导端面上面重新进入光导。由于偏振面已旋转,重新进入的光大部分穿过界面透射。反射的光偏振分量返回到波长片和反射片并且再次被引导回到界面。穿过界面透射的偏振分量在下一界面类似地透射和反射。通过增加在界面上反射的偏振分量的反射可减少界面的数量。

Description

增加偏振分量的光导器件及液晶显示器件
本发明涉及到一种用于液晶显示器件中的增加光偏振分量的光导部件和一种具有此种光导部件的液晶显示器件。具体地，本发明涉及到一种用于把从光源发出的光有效地转变成偏振光的光导部件和一种具有能把从此种光导部件发射出的偏振光有效地引导到液晶单元的装置的液晶显示器件。
液晶显示器件传统上通过引导偏振光到液晶单元而显示，它使偏振面根据单元状态旋转以穿过偏振片。偏振光光源放在液晶板的背面，因而称为“背光源”。为获得此种偏振光波，传统上将非偏振光入射到偏振片，偏振分量即S分量和P分量中的任何一个被吸收。顺便提到，假定由入射到表面上入射点的光确定的平面为入射面，那么平行入射面的偏振分量称为P分量，而与入射面垂直的分量则称为S分量。因此，理论上超过50％的入射光没有有效地利用，实测表明大约58％的入射光被吸收。而且，在传统液晶显示(LCD)器件中为了通过吸收偏振分量得到偏振光，除偏振器件以外通常还使用具有印制点的散光片，这使得又有20％的光利用不上。
图1示出传统LCD器件的LCD模块100。从光源101发出的光穿过96％透射率的光导片102、80％透射率的散光片103、42％透射率的下偏振片104、40％数值孔径的玻璃衬底105、30％透射率的滤色片106和90％透射率的上偏振片107透射，从而得到的实际有效的光强度为光源101所产生光的3.5％。这大大地阻碍能量的有效利用。所以特别需要用于低耗电量LCD器件中的一个高光强度背光源系统，因为在便携式个人计算机中，一个重要目的是在给定电池容量下确保更长的使用时间，而且背光108的耗电量在总耗电量中占主要百分比。
而且，在下偏振片104等中被吸收的光能转变成使LCD器件性能下降的热能。尤其对于STN(超扭转向列)型液晶显示材料，其中显示质量因热而降低，降低此种热的产生是重要的目的之一。如图1所示，因在下偏振片104和散光片103中光的吸收，66.4％的光能转变成热能(这占光能所产生热的69％)。
为解决此问题，本专利申请人递交了申请号为9-249139的申请，涉及到一种通过使至少部分的未被利用的偏振分量被有效利用而提高在获得偏振光时的光利用效率的方法。本方法的原理如图3所示。从荧光灯CFL光源发出的光经由反射镜和照准仪入射到层叠光导片部件的端面，穿过光导片层传播，到达切成斜角的另一端面，入射光在该另一端面上一部分被反射，其余的则由此透射。穿过端面透射的光的偏振面被置于其下的波长片旋转，并被放置在波长片下的反射片反射，从而作为P分量再次穿过波长片重新进入光导片层。重新进入光导片的P分量入射到相邻光导片层的界面上。界面上的光入射角为Brewster角(以后详细描述)。因此，入射到界面上的光的所有P分量和部分的S分量穿过界面透射而其余的S分量反射回波长片和反射片。被反射片再次反射的光在被波长片转变成P分量后再次引导到界面，所有的P分量和部分的S分量，如果有的话，在此透射而其余的被反射。在此反射的光以相似的方式重新被反射并且每次反射转变成P分量的光穿过界面透射。由此，光导部件最终把从光源发出的大部分光作为P分量发射出。因为偏振光以大大偏离前面的法线方向发射，因此要使用把光的方向改变到前面以对着液晶单元的棱镜薄片。通过在棱镜薄片上进一步放置偏振片可使偏振继续提高。
由于S分量和P分量的反射率和透射率特性不同，穿过界面透射的光和被界面反射的光有不同的偏振分量。为解释本发明的工作原理，参照图4、5和6描述穿过不同折射率材料之间界面透射或从该界面反射的光偏振分量的变化。
在图4中，当光204到达分别具有不同折射率n1和n2的两种材料201和202之间界面203时，当入射角φ1小于临界角时一部分光205被反射，同时一部分光206穿过界面透射。假定由入射到表面上入射点的光确定的平面为入射面，入射光204分成平行于入射面的P分量和与入射面垂直的S分量。
修改用于介电材料的Maxwell方程，偏振分量P和S的透射率由下式给出：
Tp＝sin(2φ1)×sin(2φ2)/(sin2(φ1+φ2)×cos2(φ1-φ2))
Ts＝sin(2φ1)×sin(2φ2)/sin2(φ1+φ2)
n1×sin(φ1)＝n2×sin(φ2)
其中：
Tp：P分量的透射率(1-反射率Rp)
Ts：S分量的透射率(1-反射率Rs)
φ1：光的入射角
φ2：光的射出角
n1：材料201的折射率
n2：材料202的折射率
或众所周知：
Rp＝((n1/cosφ1-n2/cosφ2)/(n1/cosφ1+n2/cosφ2))2
Rs＝((n1×cosφ1-n2×cosφ2)/(n1×cosφ1+n2×cosφ2))2
其中：
Rp：P分量的反射率(1-透射率Tp)
Rs：S分量的反射率(1-透射率Ts)
P偏振分量和S偏振分量的反射率随入射角φ1和射出角φ2变化，如图5和6所示，并且即使在相同入射角φ1时彼此也不同(S和P偏振分量的反射率/透射率特性不同)。例如，当光从折射率1.49的丙烯酸材料射向折射率1.00的空气时(图6)，全反射发生时的临界角为42.1°。如果光以小于临界角的40°入射，根据Snell定律射出角φ2为77.8°。将其代入上述Rs和Rp方程，S分量的反射率为35.69％而P分量的反射率为7.98％。
从参照图4～6的以上描述应当可以清楚地理解，在本发明中光的偏振分量如何在界面上透射和反射。
从上述原理可知，对于以多层形式层叠的光导层而言，使在光每次到达层间界面时反射的不需要的S分量返回并且作为可透过界面的P分量返回，由此提高把从部件发射出的光最终转变成P分量的效率，是十分重要的。
然而，从利用光源能量的效率考虑，层叠太多的层是不利的，因为每层部分引起一些光的损失。另外，所层叠的层的数量增加，即使使用薄层，也会导致整个部件厚度的增加。厚度的增加也会引起重量的增加。对于便携信息处理设备如笔记本电脑而言，最重要的目的是尽可能多地减小电池的耗电量以及整个部件的厚度和重量。
本发明涉及到根据上述型式的光导部件的一种改进，本发明的目的在于提供整个部件厚度减小而性能不变的光导部件。
本发明的另一个目的在于，通过把从此种高效率光导部件发出的光有效地用到液晶单元上来提高液晶显示器件的亮度且不导致耗电量增加。
本发明的基本设置是这样的一种结构，其中：入射到层叠光导片部件端面的由光源发出的光穿过每一光导片层传播，部分光被斜切的另一端面反射，而其余的光由此透射，以使透射光偏振面被其下的波长片旋转并被波长片下面的反射片反射，从而作为P分量再次穿过波长片重新进入光导片层。重新进入光导片的P分量入射到相邻光导片之间的界面上。入射到界面上的光的入射角优选为Brewster角。因此，入射到界面上的所有P分量光和部分S分量光透射过界面而其余的S分量光反射回波长片和反射片。被反射片再次反射的光在被波长片转变成P分量后引导回界面，所有的P分量和部分的S分量，如果有的话，穿过界面透射而其余的被反射。在此反射的光重复性地经过相同的步骤并在每次重复中转变成P分量的光而穿过界面透射。由此，光导部件最终把从光源发出的大部分光作为P分量发射出。因为偏振光以大大偏离垂直于前面的方向发射，故使用把向前面发射的光改变方向到达液晶单元的棱镜薄片。
在本发明中，S分量在光导层界面被反射在本发明的原理中是重要的。通过使尽可能多的S分量被反射以减少穿过界面透射的S分量，可以减少界面的数量即光导层的数量。本发明通过使用更少数量的把折射率各向异性材料作为光导层以提高S分量在界面上反射率的光导层，提供一种可与使用各向同性材料的光导层相当的转变效率。各向异性材料两个折射率的轴线分别与P和S分量平面重合。在位于P分量平面中的轴线方向的折射率可与传统的相同，但在S分量平面的折射率比传统的高。越高越好。从上述反射率Rs表达式看出，当在界面上S分量平面轴线上的折射率更大时S分量的反射率变大。
包括此种各向异性折射率的层叠光导层的光导部件，在其端面(叠层横截面)接收从光源发出的入射光，使部分入射光在斜切的相对的端面上反射而其余的光由此透射。1/4波长片固定在斜切端面上，而反射片设置在波长片下。穿过端面透射的光在被波长片旋转后被反射片反射，并在被波长片再次旋转后入射到端面上。入射到端面的光入射到界面上，在此它如本发明原理中所述那样透射和反射。然而，在本发明中大部分的S分量在界面上被反射，其余的则穿过界面透射。因此，用更少数量的层能把从光源发出的入射光转变成P分量。
在本发明中，入射到第一光导界面的光优选以Brewster角入射。通过画几何光路图容易看出，到达光导部件斜切端面的光的入射角决定界面上的入射角。在本发明中，对到达光导部件斜切端面的光的入射角进行调整，使入射到第一光导界面的光以Brewster角入射。
光导部件相对于波长片和反射片倾斜，以致形成以此方式决定的入射角。为减小倾斜，在斜切端面上形成能获得此入射角的多个斜面。这使整个光导部件不必以入射角倾斜就能形成必需的入射角。这使整个部件的厚度得到进一步减小。
在本发明中，光导部件可形成为包括叠层顶层、斜切端面和从光源发出的光的入射面的三角楔形形状。这使在部件下楔形间隙可接收各种分量。这对于尤其需要薄而轻型的便携数据处理设备而言是有利的。
在本发明的另一方面，用于向前面引导偏振光的棱镜部件具有以与液晶单元的列相同间距地设置的多个棱镜。每一棱镜有入射表面和反射表面。由于光从反射表面发射，相应于入射表面的部分是暗的。在本发明中，通过使相应于反射表面的部分与液晶单元的列对齐，暗的入射表面部分设置为不用于照亮液晶单元。从而将从光导发射的所有偏振光引导到液晶单元。
图1简略示出传统LCD器件。
图2示出传统LCD偏振片部件的结构。
图3示出传统LCD偏振片部件的结构。
图4示出在不同材料之间光的折射。
图5示出当光从折射率1.0的材料入射到折射率1.49的材料的反射率特性图。
图6示出当光从折射率1.49的材料入射到折射率1.0的材料的反射率特性图。
图7示出光通过棱镜薄片的偏转。
图8示出光通过棱镜的偏转。
图9简略示出本发明另一实施例的原理。
本发明的基本结构如图2所示。层叠光导部件由如图中所示层叠的薄光导层制成，并且光源装在它的一个端面。光源包括荧光灯和反射薄片。切割该层叠体使其具有一个斜切端面，在该斜切端面上结合有1/4波长片和反射片的组合。该端面与1/4波长片和反射片成φ角。因而，光以π/2-2φ角度入射到端面。从几何图形容易发现对于层间界面的入射角为π/2-2φ。优选地此入射角为Brewster角。当光以Brewster角入射到界面时，所有位于入射平面内的偏振分量(P)透射过界面而所有位于与入射平面垂直的平面内的偏振分量(S)被反射。任何可穿过界面透射的S分量将被下一界面反射。从界面反射的S分量被波长片和反射片作为P分量返回到光导层并且再次入射到界面。以上步骤中每次被反射的S分量在多个界面上重复，作为P分量穿过界面，从而使从光源发出的大部分光作为P分量从光导部件发射。
多个薄光导膜还可在光导部件顶部光导层上层叠，如图3所示。这样可进一步增加透射和反射的界面。
光导部件和多个光导层优选内部光吸收低的材料例如丙烯酸薄片并且优选包括丙烯酸树脂、PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂)、聚碳酸脂、聚乙烯、硒和氯化银的透明材料。光导部件的形状可为适宜使用的任何形状，而并不局限于片和薄片，例如条和曲面。光导部件可为单个或多个薄片的层叠体。这些光导不局限于相同尺寸或相同材料，需要刚度的部件可设计得厚些而不需要刚度的部件可设计得薄些。而且，不同折射率的材料可淀积在刚性光导部件的多层中以增加叠层的数目，同时还可保持刚度。在光导部件中使用丙烯酸类薄片时，片厚从刚度和光利用效率考虑优选为0.1～4.0mm。本发明中所用的层叠体不局限于在光导体之间塞入空气，而且还可在光导体之间引入水蒸汽以防止光导部件的性能下降，在光导体之间塞入水或粘合剂用于防止光导体脱落，或者塞入折射率与光导体不同的材料。在本发明中反射片的高反射率是优选的，并且反射片可由铝淀积薄片、银淀积薄片和金属箔等制成。
在本发明中，光导层由在位于S分量平面内的轴线上具有高折射率的材料制成。例如，虽然丙烯酸类材料的各向同性折射率一般为1.49，但在位于S分量平面内的轴线方向上折射率可增加到高达约1.69。通过这样做，增加的S分量部分在界面上被反射(更少量的S分量透射过界面)因而可用比各向同性材料所需要的更少的层获得相同的效果。例如，当折射率1.49的丙烯酸类材料用作各向同性材料时，每层的S分量反射率为28％而透射率为72％。如层叠10层，总的透射率为0.7210＝0.04。相反，如果在S分量方向上折射率为1.66，那么反射率为40％而透射率为60％并且用6层(0.66＝0.04)就可得到相同的效果。具有此种各向异性折射率的薄片在市场上是容易买到的。
尽管光导膜的厚度不重要且优选界面数量尽可能地大，但从减少光导部件重量方面考虑光导层优选尽可能地薄。通过使光导层在此部分的厚度变得极薄可产生额外的空间，而且在层叠体中使用基本相同尺寸的层，并不要求层的尺寸逐渐地变化而得到如图2所示的阶梯形结构。由此，通过从层的边缘重新进入光不会损失并且暗和亮条纹得到消除。即使如图2所示保留阶梯状，光重新进入的可能性较小并且由于层薄且边缘尺寸非常小，可辨认的条纹不会产生。通过使用以上结构，本发明的光导部件的横截面形状可以为如图3所示的的三角形，这与与具有如图2所示的矩形横截面传统部件是不同的。通过使用此种结构，部件的重量和体积可约为传统部件的一半。而且，本发明能实施这样一种模式，它与传统背光源(不产生偏振光)使用楔形横截面光导以使间隙有效使用的模式相似，并使传统背光源可用本偏振背光以与传统型式相兼容的形式替代。尽管在到此为止所述的实例中光导层为丙烯酸类材料且周围材料为空气，但可使用任何的层材料和周围材料，只要材料折射率使入射光满足Brewster角或接近于Brewster角的角度即可。
为使入射角π/2-2φ为Brewster角θB需要下列条件。在表达式中，n1为光导的折射率，n2为除光导以外材料(在图5中为空气)的折射率，而φ为槽(更大倾斜角的斜面)的角度。Brewster角θB与n1、n2之间的关系由以下给定；
θB＝sin-1[n1 2/(n1 2+n2 2)]1/2  (弧度)
入射到光导上部表面的入射角通过用φ进行几何分析给定：
π/2-2φ    `        (弧度)
斯涅尔(Snell)定律在光导上表面上表示为：
sinθB/sin(π/2-2φ)＝n1/n2
从此表达式求φ得到以下一般解：
φ＝cos-1{(n2/n1)[n1 2/(n1 2+n2 2)]1/2}/2  (弧度)
任何满足以上一般表达式的介质都满足本发明的条件。
尽管整个光导部件相对于波长片和反射片倾斜以便形成等于Brewster角的入射角，但很多形成此入射角的斜面在斜切端面上形成。如图3中放大视图所示，垂直于图面的很多斜面在斜切端面上形成并且设置为对光导中入射光形成所需角度。尽管整个光导体不以此角度倾斜但满足Brewster角的入射角可由此形成。必需的入射角可以由此形成，但光导部件不整个地以此角度倾斜，由此减小整个部件的厚度。
考虑将本发明用作液晶显示器件的背光源。液晶显示器件包括光源和夹有液晶的玻璃衬底，从本发明光导部件发射出的偏振光入射到该液晶上。
在本发明中从光导体发射出的光与前表面成约70°的倾斜角。有两种方法可用于将光偏转到与前表面成直角。第一种方法是使光折射两次以偏转到前面，其中使用其尖顶朝上的棱镜薄片，如图7所示。当棱镜材料的折射率n为1.58时，需要顶角32°的棱镜薄片将光偏转到前面。第二种方法是使光折射一次并全反射一次以偏转到前面，其中使用其尖顶朝下的棱镜薄片，如图8所示。在此情形中，需要顶角65.4°的棱镜。从以上看到，无论棱镜朝上或朝下都可得到相同的效果。从制作观点看，从生产和成本方面考虑使用尖顶朝下的棱镜更有利，因为棱镜顶角越小越难制作(当尖顶朝下时可使用更大的顶角)。棱镜薄片由玻璃或塑料材料制成。
参照图7和8，可以看到，每一棱镜的斜面不是光反射面，不向前面发射光。换句话说，从棱镜薄片发射的光呈条纹图案。这有可能导致带有液晶单元门线或数据线的干涉图案。为防止条纹图案产生，棱镜薄片的棱镜间距(例如50微米)可制作得比液晶单元的间距(例如200微米)更小以使间距不一致。通过这样做，可观察到棱镜薄片似乎从前面均匀地发射光，而且因棱镜薄片的间距非常小所以能防止干涉图案产生。
然而，入射到没有开口的液晶单元阵列部分的光在那里被吸收并且在此情形中被浪费。本发明的另一方面提供了一种能避免此种浪费的结构。
根据本发明此种结构，棱镜薄片的棱镜间距制作得与液晶单元阵列的间距相同，从而使液晶单元的开口部分与对应于发射光的反射面的棱镜部分吻合。非反射面的对应于棱镜斜面的部分与没有开口的部分吻合。图9简略示出本发明结构的原理。如图9所示，棱镜薄片的棱镜间距制作得与液晶单元阵列的间距相同。棱镜反射表面反射的光引导到液晶单元开口部分。没有开口的部分不接受光，因为它面对非反射面的表面。所有从光导部件发射出的光因而引导到开口部分，没有被吸收而利用不上的光。因为棱镜有比图7和8中所示更大的间距，所以容易制造棱镜。顶角和反射/透射表面比可在详细设计工作中适当地选定。
如图9所示，液晶单元阵列可直接在棱镜薄片上形成。在此情形中，棱镜薄片还起到液晶单元玻璃衬底的作用。与分立的棱镜薄片设置在液晶单元和光导膜之间的情况相比，介质之间界面的数量减少两个，从而使效率相应地提高。
因为根据本发明可用比传统光导体更少数量的层把光转变成P偏振分量，所以光导的厚度和重量得到减小。在本发明的另一方面，由于所有从光导体来的光引导到液晶单元的开口部分所以不存在被吸收而利用不上的光。

Claims (20)

1.一种光导器件，其中包括：具有多个光导层的层叠体的光导部件，其一端面为光入射面，而另一端面相对于层叠体方向斜切；设置为与所述另一端面相邻的反射片；以及位于所述另一端面和所述反射片之间的用于改变光偏振方向的装置，其特征在于：
所述光导层具有各向异性的折射率，其中在从所述入射面来的光的一个偏振分量被反射的轴线方向上的折射率大于另一个偏振分量被透射的轴线方向上的折射率。
2.根据权利要求1的光导器件，其中所述另一端面斜切成某一角度，从而使被所述另一端面反射的且入射到所述光导层之间界面上的光以Brewster角入射。
3.根据权利要求1的光导器件，其中所述另一端面在与光导层层叠方向垂直的方向和光的入射方向上有多个斜面。
4.根据权利要求3的光导器件，其中所述斜面包括其倾角比所述另一端面的倾角小的表面的组合，所述大斜角和具有大倾角的表面使在后一表面上反射且入射到光导层之间界面的光以Brewster角入射。
5.根据权利要求4的光导器件，其中所述大倾角表面的倾角φ由下式给定：
φ＝cos-1{(n2/n1)[n1 2/(n1 2+n2 2)]1/2}/2     (弧度)
其中n1为光导体的折射率，n2为除光导体以外的材料的折射率。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的光导器件，其中在所述光导部件的所述多个光导层的顶层上进一步层叠多个光导膜。
7.根据权利要求6的光导器件，其中所述光导膜比所述光导层更薄。
8.根据权利要求6或7的光导器件，其中在所述多个光导膜上进一步设置用于改变偏振方向的相位膜。
9.一种包括液晶单元和位于所述液晶单元背面的光导器件的液晶显示器件，其中所述光导器件包括：具有多个光导层的层叠体的光导部件，其一端为光入射面，而另一端相对于层叠体方向斜切；设置为与所述另一端的表面相邻的反射片；位于所述另一端面和所述反射片之间的用于改变光偏振方向的装置；以及棱镜薄片，该棱镜薄片位于所述光导部件的最上面的光导层上，并且仅在其一侧上具有尖顶部分，在其上形成有所述尖顶的那一侧与所述光导部件相面对，其特征在于：
所述光导层具有各向异性的折射率，其中在从所述入射面来的光的一个偏振分量被反射的轴线方向上的折射率大于另一个偏振分量被透射的轴线方向上的折射率。
10.一种包括液晶单元和位于所述液晶单元背面的光导器件的液晶显示器件，其中所述光导器件包括：具有多个光导层的层叠体的光导部件，其一端为光入射面，而另一端相对于层叠体方向斜切；设置为与所述另一端面相邻的反射片；位于所述另一端面和所述反射片之间的用于改变光偏振方向的装置；以及棱镜薄片，该棱镜薄片位于所述光导部件的最上面的光导层上，并且仅在其一侧上具有尖顶部分，在其上形成有所述尖顶的那一侧与所述光导部件相面对，其特征在于：
所述棱镜薄片的多个棱镜的间距与液晶单元阵列的间距相同。
11.根据权利要求10的液晶显示器件，其中所述棱镜薄片的每一棱镜的反射面与液晶单元的开口部分对齐。
12.根据权利要求10或11的液晶显示器件，其中所述液晶单元粘附在所述棱镜薄片上。
13.根据权利要求10或11的液晶显示器件，其中所述棱镜薄片与所述液晶单元的衬底一体地形成。
14.一种液晶显示器件，其中包括：
排列在透明衬底上的液晶单元阵列；以及
在所述衬底的与所述液晶单元相反的另一面上形成的多个棱镜的列，其每一棱镜的反射面与所述液晶单元的开口部分对齐。
15.根据权利要求13或14的液晶显示器件，其中所述衬底由玻璃形成。
16.根据权利要求13或14的液晶显示器件，其中所述衬底由塑料材料形成。
17.根据权利要求11的液晶显示器件，其中所述液晶单元阵列直接在所述棱镜薄片上形成。
18.根据权利要求10-17中任一项所述的液晶显示器件，其中在所述棱镜薄片上进一步设置偏振片。
19.根据权利要求10或17中任一项所述的液晶显示器件，其中所述棱镜薄片由偏振材料形成。
20.根据权利要求10或19中任一项所述的液晶显示器件，其中所述光导层具有各向异性的折射率，其中在从所述入射面来的光的一个偏振分量被反射的轴线方向上的折射率大于另一个偏振分量被透射的轴线方向上的折射率。
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