CN1405584A - 偏振元件和包括它的光学显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种偏振元件20，包括能选择性地反射入射光中右手和左手圆偏振光分量中的二者之一的胆甾醇层21，以及吸收性椭圆偏振片22，它层压在胆甾醇层21上。这种偏振片22透射以圆偏振光分量作为其所含主要分量的椭圆偏振光，该圆偏振光分量具有的旋光方向与胆甾醇层21选择性地反射的圆偏振光的旋光方向相同。在这种偏振元件20中，排列在胆甾醇层21的吸收性椭圆偏振片一侧表面上的液晶分子的主轴方向d1，与吸收性椭圆偏振片22产生的椭圆偏振光的主轴方向d2之间所形成的角度(层压角)，落在中心为90°左右的特定角度范围内。

Description

偏振元件和包括它的光学显示装置
发明背景
发明领域
本发明涉及用于光学显示装置诸如透射-反射型液晶显示装置中的偏振元件。具体地说，本发明涉及用来增进光学显示装置的对比值从而提供改进的显示质量的偏振元件，并涉及包含这类偏振元件的光学显示装置。
有关技术描述
透射-反射型液晶显示通常已知是一种这样的液晶显示，它能以反射模式使用外部光并以透射模式使用反向光。一种半透射式反射器通常被用于这类透射-反射型液晶显示中作为一种反射片或反射外部光。这种半透射式反射器当显示器用于反射方式时能反射外部光，而当显示器用于透射方式时，能透射在它的背面设置的表面光源所发射的反向光。
近年来，具有胆甾醇规律性的一层(胆甾醇层)已经被用作上述半透射型反射器。胆甾醇层具有选择偏振光的性质(分离偏振光的性质)，它使入射光被分成在某一方向上的圆偏振光分量和在相反的方向上的圆偏振光分量，这是基于胆甾醇层中分子的物理排列(平面的排列)。沿平面排列的螺旋轴进入胆甾醇层的光被分裂成右手偏振分量和左手偏振分量，而胆甾醇层反射这些圆偏振光分量中之一而透射其中的另外一种。这种现象广泛地被称为二色性。如果借助入射光适当地选择圆偏振光分量的旋光方向，则圆偏振光的一个分量可以在和胆甾醇层的胆甾醇结构的螺旋轴相同的方向上被选择性地反射或透射。
在胆甾醇层在显示器中被用作半透射反射器的情况，在胆甾醇层的背面、即在表面光源一侧设置圆偏振片(椭圆偏振光)，从而使通过胆甾醇层的光当显示器被用于反射模式时、其中使用了外部光，光线将返回到观察者一边。(请注意没有真正的能在实际水平上产生完全圆偏振状态的圆偏振片；因此，所有不能产生完全圆偏振状态的圆偏振片，包括那些通常被称为圆偏振片的偏振片，在本说明书中都被称作“椭圆偏振片”)。
图8A和8B是说明透射-反射型液晶显示器运作的示意图，它们分别相应于透射模式和反射模式。
如在图8A和8B中所示那样，用于透射-反射型液晶显示中的胆甾醇层具有并不完全的反射可见光的特定圆偏振光分量能力。而是在某种程度上透射这一特定分量。可以确立透射对反射之比，使它落在95∶5至5∶95范围内。
具体地说，当显示器被用于透射模式时，胆甾醇层反射1份(L3)右手圆偏振光(L2)并透射它的其余部份(L1)，如图8A中所示。反过来，当显示器被用于反射模式时，胆甾醇层会反射一份(L3)右手圆偏振光(L2)并透射它的其余部份(L1)，如图8B中所示。
然而，一般来说，上述普通的透射-反射型液晶显示器有这样一个问题，即运行于使用反向光的透射模式时(参见图8A)，对比值较低。这样，强烈要求解释这一问题的原因并改进对比值。
为满足这些要求，本发明人进行了认真的研究，并且，作为研究结果，已发现在透射-反射型液晶显示器中对比值主要是依赖于胆甾醇层和椭圆偏振片(后者被设置在反向光单元的表面上)是怎样相互层压在一起的。特别是，在以透射模式运行时(参见图8A)如果偏振状态在通过胆甾醇层之前和之后(L2、L1)被扰动，则当液晶显示单元开启时，右手圆偏振光不能充分地被右手椭圆偏振片所衰减，该偏振片是设置在观察者一边。于是发生光的泄漏而降低了黑色指示的质量。
                    发明概述
本发明是基于上述发现而完成的。本发明的一个目的是提供一种可用来增进对比值的偏振元件，从而达到改进光学显示装置的显示品质的目的，以及一种包括这样的偏振元件的光学显示装置。
本发明的第一个方面是含有胆甾醇层的偏振元件，该胆甾醇层可选择性地反射入射光中的右手和左手圆偏振光分量中的一种；以及层压在胆甾醇层上的一种吸收性椭圆偏振片。偏振片透射含有圆偏振光分量作为其主要分量的椭圆偏振光，该圆偏振光的旋光方向与被胆甾醇层选择性地反射的圆偏振光分量的旋光方向相同。胆甾醇层和吸收性椭圆偏振片被这样相互层压在一起，使得排列在胆甾醇层的吸收性椭圆偏振片的一侧表面上的液晶分子的主轴方向可以和由吸收性椭圆偏振片所产生的椭圆偏振光的主轴方向形成一个角度，该角度落在中心约为90°的特定角度范围内。
本发明的第二个方面是一种光学显示装置，它包含用调制光来显示图像的显示元件；在显示元件的背面设置有表面光源；以及在显示元件和表面光源之间设置的偏振元件。这种偏振元件包括胆甾醇层，它能选择性地反射由表面光源发射的入射光中的右手和左手圆偏振光分量中的一种；以及层压到胆甾醇层上的吸收性椭圆偏振片，它透射含有圆偏振光分量作为其主要分量的椭圆偏振光，该圆偏振光分量的旋光方向与被胆甾醇层选择性地反射的圆偏振光分量的旋光方向相同。胆甾醇层和吸收性椭圆偏振片被这样相互层压在一起，使得排列在胆甾醇层的吸收性椭圆偏振片的一侧表面上的液晶分子的主轴方向可以和由吸收性椭圆偏振片所产生的椭圆偏振光的主轴方向形成一个角度，该角度落在中心约为90°的特定角度范围内。
在上述第一和第二个方面中，优选吸收性椭圆偏振片是由设置在胆甾醇层上的迟滞层以及设置在由胆甾醇层的这一迟滞层的反面上的线偏振层所组成的。也优选特定的角度范围为90°±22.5°，更优选90°±15°。进一步，胆甾醇层和吸收性椭圆偏振片可以直接互相层压在一起，也可以通过各向同性的中间层相互层压在一起。最好是，这一中间层的折射率是在胆甾醇层的折射率和吸收性椭圆偏振片的折射率之间。
按照本发明，能选择性地反射入射光中右手和左手圆偏振光分量中的一种的胆甾醇层，和发射含有与胆甾醇层选择性地反射的同一种圆偏振光分量作为其主要分量的椭圆偏振光的吸收性椭圆偏振片被这样相互层压在一起，使得排列在胆甾醇层的吸收性椭圆偏振片一侧表面上的液晶分子的主轴方向可以与由吸收性椭圆偏振片所产生的椭圆偏振光的主轴方向形成一个角度，该角度落在中心约为90°的特定角度范围内。这样，由吸收性椭圆偏振片产生的椭圆偏振光的主要圆偏振光分量中，以一定百分数已通过胆甾醇层的圆偏振光分量，当它通过显示元件诸如液晶显示元件并通过设置在观察者一侧的椭圆偏振片时，即被有效地衰减，从而使黑色指示的品质得以改善。并入这样一种偏振元件的光学显示装置从而能具有增进的对比值，并且，作为其结果，能成功地达到改善显示品质的目的。
                     附图简述
在这些附图中，
图1A和1B是显示本发明偏振元件的一种方案的图解性图；
图2是说明图1A和1B中偏振元件中的胆甾醇层和吸收性椭圆偏振片层相互层压状况的图解性图；
图3是显示图1A和1B中的偏振元件的一种变体的图解性图；
图4显示的是包括本发明的偏振元件的透射-反射型液晶显示(光学显示装置)的一种实施方案的图解性横截面图；
图5是阐明用于实施例中的一种测量方法的图解性图；
图6是显示在测定对比值的实例中所得测量结果的图形；
图7是显示用计算机模拟相应于在实例中进行的实验所得结果的图形；
图8A和8B是说明透射-反射型液晶显示的运作的图解性图。
                 优选实施方案详述
通过参照所附的图，下面将描述本发明的实施方案。
本发明的偏振元件的一种实施方案将首先通过参照图1A和1B来描述。
如图1A和1B中所示，这一实施方案的偏振元件20包括能选择性地反射入射光中右手和左手圆偏振光分量之一的胆甾醇层21，以及层压到胆甾醇层21上的吸收性椭圆偏振片22。这种吸收性椭圆偏振片22可透射含有圆偏振光分量作为其主要分量的椭圆偏振光，该圆偏振光分量具有的旋光方向与被胆甾醇层21所选择性地反射的圆偏振光分量的旋光方向相同。
如图1B中所示，吸收性椭圆偏振片22是由设置在胆甾醇层21上的迟滞层23和24、以及设置在来自胆甾醇层21上的迟滞层23和24的反面的线偏振层25所组成的，因此从线偏振层25进入的自然光是椭圆偏振的。由吸收性椭圆偏振片22所产生的椭圆偏振光的主要圆偏振光分量应该和被胆甾醇层21所选择性地反射的圆偏振光分量相同。这样，例如，反射右手圆偏振光分量R并透射左手圆偏振光分量L的胆甾醇层21与产生右手椭圆偏振光R’的吸收性椭圆偏振片22结合使用，如图1A中所示。
胆甾醇层21具有胆甾醇规则性的结构，其中胆甾醇液晶分子被排列成螺旋形式，并且如图1A中所示，那些存在于胆甾醇层21的吸收性椭圆偏振片一侧表面上的液晶分子，由于排列层的排列规则作用或类似因素而被排列，从而使它们的主轴定向在基本上一个方向上。在图1A中胆甾醇层21中显示的箭头指明了分子取向的方向(定向器)。
应该注意胆甾醇液体包含一种向列型液晶和一种手性试剂；并且这种向列型液晶可以是以下化学式所代表的任何一种化合物。
Figure A0212827000081
Figure A0212827000091
                                   x＝2～5(整数)
另一方面，手性试剂可以是以下化学式所代表的化合物：
                                  a＝2～12(整数)
                                  b＝2～12(整数)
                                   c＝2～5(整数)
进一步，如图2中所示，排列在胆甾醇层21的吸收性椭圆偏振片一侧表面上的液晶分子的主轴方向d1，与吸收性椭圆偏振片产生的椭圆偏振光的主轴方向d2所形成的角度(层压角)，落在中心为90°左右的特定角度范围内。层压角的范围成选90°±22.5°；这是为增进对比值所必需的范围(即确保达到最大对比值的75％以上所需的范围)。更优选层压角的范围为90°±15°；这是为确保达到最大对比值的90％以上所需的范围。在胆甾醇层21中排列在基本一个方向上的液晶分子的主轴方向d1，和吸收性椭圆偏振片22产生的椭圆偏振光的主轴方向d2，可被取作定向器，它们分别有两个相反的方向，而两个定向器之间的角度关系只在0°至180°范围内进行讨论。
胆甾醇层21和吸收性椭圆偏振片22可以被直接相互层压在一起，或者也可以如图3所示，通过一层各向同性的中间层诸如玻璃底物41或粘合层42相互层压在一起。最好是，这样一层中间层的折射率要使之在胆甾醇层21的折射率和吸收性椭圆偏振片22的折射率之间，从而使每两层之间的界面上不会有反射现象发生。当然，也可在吸收性椭圆偏振片22中，把粘合层43和44分别设置在迟滞层23和24之间，以及设置在迟滞层24和线偏振层25之间，如图3中所示。
胆甾醇层21既可以是单一的层，也可以是由具有不同手性螺距的许多薄膜形成的层压物。进一步，除了包含两层迟滞层的吸收性椭圆偏振片22以外，含有单一迟滞层或三层或多层迟滞层的吸收性椭圆偏振片也可以使用。
其次，可通过参照图4来描述包含图1A和1B中所示的偏振元件20的透射-反射型液晶显示装置(光学显示装置)的一个实施方案。
如图4中所示，按照这种实施方案，透射-反射型液晶显示器10包括通过偏振(调制的)光显示图像的液晶显示元件26；设置在液晶显示元件26背面的表面光源16；并且如图1A至图3所示，偏振元件20被设置在液晶显示元件26和表面光源16之间。进一步，椭圆偏振片27被设置在液晶显示元件26的观察者一侧。表面光源16包括光导向器17，它让已经从它的侧面进入的光线从它的顶部或底部出射；光源19向光导向器17的侧面发射光；反射器18使得从光导向器17底部出射的光线被反射。在光源19的背面，设置了反射器19a。
这样一种透射-反射型液晶显示器10，在以透射模式运作时，是通过用由表面光源发射的反向光通过偏振元件20来显示图像的；而在以反射模式运作时，则是通过用被偏振元件20反射的外部反射的外部光线来显示图像的。
这样，按照这种实施方案，能选择性地反射入射光中的右手和左手固偏振光分量中的一种的胆甾醇层21，和能透射以与胆甾醇层21所选择性地反射的圆偏振光分量相同的圆偏振光分量作为其主要分量的椭圆偏振光的吸收性椭圆偏振片22，被这样相互层压在一起，使得排列在胆甾醇层21的吸收性椭圆偏振片一侧表面上的液晶分子的主轴方向d1，与吸收性椭圆偏振片22所产生的椭圆偏振光的主轴方向d2之间能形成一个角度，该角度落在中心为90°左右的特定角度范围内。这样，在吸收性椭圆偏振片22所产生的椭圆偏振光的主要圆偏振分量中，已按一定百分数通过了胆甾醇层21的圆偏振光分量，当它通过液晶显示元件26和通过设置在观察者一侧的椭圆偏振片27时就被有效地衰减，从而改进了黑色指示的品质。于是，并入了这样的偏振元件的光学显示装置会具有增进的对比值，并且作为其结果，可成功地达到显示品质的改善。
                      实施例
现在参照图5、6和7，本旭有的上述实施方案将被更具体地阐明。
通过粘合层，往由许多薄膜组成的、具有反射右手圆偏振光性质、并且有宽广的选择性反射波长范围(400至750纳米)的胆甾醇层上，层压吸收性椭圆偏振片，后者也具有宽广的选择性反射波长范围(400至750纳米)，从而获得本发明的偏振元件。这种胆甾醇层是通过用向列型液晶单体和手性向列型液晶单体的混合物经光聚合固化而形成的。具体地说，向列型液晶单体具有下列化学式(1)：手性向列型液晶单体具有下列化学式(2)：
Figure A0212827000112
把(1)和(2)混合，前提是混合比从94∶6至97∶3不同地改变，并且这样获得的混合物被用来形成许多具有不同手性螺距的胆甾醇薄膜。这些胆甾醇膜在此被层压形成按反射波长的上行次序的胆甾醇层，最先形成在玻璃底物上的胆甾醇薄膜的反射波长是最短的。对于椭圆偏振片，是用色素类型的线偏振薄膜结合使用1/2波长薄膜和1/4波长薄膜(在450至650纳米的椭圆度为90％以上)。为形成粘合层，可使用Norland Product Inc.U.S.A公司制造的一种其折射率约为1.5的光学粘合剂，例如NOA65或NOA68。
作为这样，以上述方法制备8个偏振元件，其中在胆甾醇层和吸收性椭圆偏振片之间的层压角度分别为0°、30°、60°、75°、90°、105°、120°和180°。
用图5中所显示的测量方法，并考虑到可见度，按照亮度(Y值)对8个试样进行评估。具体地说，从光源31所发出的光(非偏振光)被施加到每个偏振元件20，从偏振元件20出射的光经过椭圆偏振片28而被测量装置32所检测。卤素光源被用作光源31， Apex Corporation公司制造的测角光度计被用作测量装置32。
每个试样被置于两种不同类型的测量，(1)用右手椭圆偏振片(测量实施例1)或(2)用左手椭圆偏振片(测量实施例2)作为椭圆偏振片28来测量，该椭圆偏振片是被层压到偏振元件20的观测者一侧的表面上的(测量装置一侧表面)。
在测量实施例1中，试验的试样是经(右手椭圆偏振片)→(胆甾醇层)→(右手椭圆偏振片)的组合，并且相应于光学显示装置的白色指示状态。在测量实施例2中，试验试样是经(右手椭圆偏振片)(胆甾醇层)→(左手椭圆偏振片)的组合，并相应于光学显示装置的黑色指示状态。
这样，当应用图5中所显示的测量方法时，就有可能出生地同一种这样的状态，它等价于偏振元件20被并入到一种透射-反射型液晶显示装置中。其中装入了偏振元件20的光学显示装置的对比值，因而可通过计算(测量实施例1测定的Y值)/(测量实施例2测定的Y值)所得的值而获得，即计算(白色指示状态的Y值)/(黑色旨示状态的Y值)来获得。
图6是显示在这一实例中进行对比值测定的测量结果的图形。
在通常的光学显示装置的情况下，为确定显示装置是否具有良好的显示品质的判断标准之一是对比值为120或更大。图6中显示的结果证实层压角度在90°±22.5°的偏振元件能满足这一标准。从图6中所显示的结果也可看出层压角度在90°±22.5°范围内的偏振元件能确保达到最大对比值的75％，并且层压角度在90°±15°范围内的偏振元件能确保达到最大对比值的90％。
对相应于上述实验的结果进行了计算机模拟，其结果被显示于图7中。在这一计算机模拟中所用软件为LCD Maste(由日本Shintec.Inc.公司制造)，是本领域中通常使用一种模拟软件。如从图7中可以清楚看到的那样，计算机模拟的结果近乎与图6中所示的结果等同。

Claims (15)

1.一种偏振元件，包括：
能选择性地反射入射光的右手和左手圆偏振光分量二者中之一的胆甾醇层；
层压在该胆甾醇层上的吸收性椭圆偏振片，这种偏振片透射以圆偏振光分量作为其所含主要分量的椭圆偏振光，该圆偏振光分量具有的旋光方向与胆甾醇层选择性地反射的固偏振光的旋光方向相同；
其中胆甾醇层和吸收性椭圆偏振片被这样互相层压在一起，使得排列在胆甾醇层的吸收性椭圆偏振片的一侧表面上的液晶分子的主轴方向，可以和由吸收性椭圆偏振片所产生的椭圆偏振光的主轴方向，形成一个角度、该角度落在中心为90°左右的特定角度范围内。
2.权利要求1的偏振元件，其中的吸收性椭圆偏振片包括一层设置在胆甾醇层上的迟滞层，以及设置在从胆甾醇层起迟滞层的反面的线偏振层。
3.权利要求1的偏振元件，其中的特定角度范围为90°±22.5°。
4.权利要求1的偏振元件，其中的特定角度范围为90°±15°。
5.权利要求1的偏振元件，其中的胆甾醇层和吸收性椭圆偏振片是直接彼此层压在一起的。
6.权利要求1的偏振元件，其中的胆甾醇层和吸收性椭圆偏振片是通过各向同性的中间层彼此层压在一起的。
7.权利要求6的偏振元件，其中的中间层所具有的折射率是在胆甾醇层的折射率和吸收性椭圆偏振片的折射率之间。
8.一种光学显示装置，包括：
通过调制光显示图像的显示元件；
设置在显示元件背面的表面光源；和
设置在显示元件和表面光源之间的偏振元件；
其中偏振元件包括能选择性地反射由表面光源发出的入射光的右手和左手圆偏振光分量二者中之一的胆甾醇层；以及层压到胆甾醇层上的吸收性椭圆偏振片，这种偏振片透射以圆偏振光分量作为其所含主要分量的椭圆偏振光，该圆偏振光分量所具有的旋光方向与胆甾醇层选择性地反射的圆偏振光分量的旋光方向相同，胆甾醇层和吸收性椭圆偏振片是这样互相层压在一起的，使得排列在胆甾醇层的吸收性椭圆偏振片一侧表面上的液晶分子的主轴方向，可以和由吸收性椭圆偏振片所产生的椭圆偏振光的主轴方向形成一个角度，该角度落在中心为90°左右的特定角度范围内。
9.权利要求8的光学显示装置，其中的吸收性椭圆偏振片包括设置在胆甾醇层上的迟滞层，以及设置在从胆甾醇层迟滞层的反面的线偏振层。
10.权利要求8的光学显示装置，其中的特定角度范围为90°±22.5°。
11.权利要求8的光学显示装置，其中的特定角度范围为90°±15°。
12.权利要求8的光学显示装置，其中的胆甾醇层和吸收性椭圆偏振片是直接彼此层压在一起的。
13.权利要求8的光学显示装置，其中的胆甾醇层和吸收性椭圆偏振片是通过各向同性的中间层彼此层压在一起的。
14.权利要求13的光学显示装置，其中的中间层所具有的折射率是在胆甾醇层的折射率和吸收性椭圆偏振片的折射率之间。
15.权利要求8的光学显示装置，其中的显示单元是液晶显示。
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