CN1851539A - 全反射全透过型彩色液晶显示器 - Google Patents

Abstract

利用非吸收型偏振片制造既可在户外阳光下明显可见，又可在户外黑暗环境中工作的全反射，全透过型全彩色液晶显示器。该非吸收型偏振片放置在全彩色液晶显示器和背光板之间。在反射模式下，非吸收型偏振片处于全反射工作状态，能够完全反射一种极性的偏振光；而在透射模式下，非吸收型偏振片处于全透过工作状态，能够完全透过另一种极性的偏振光。

Description

全反射全透过型彩色液晶显示器

技术领域：

利用非吸收型偏振片制造既可在户外阳光下明显可见，又可在户外黑暗环境中工作的全反射，全透过型全彩色液晶显示器。该非吸收型偏振片放置在全彩色液晶显示器和背光板之间。在反射模式下，非吸收型偏振片处于全反射工作状态，能够完全反射一种极性的偏振光；而在透射模式下，非吸收型偏振片处于全透过工作状态，能够完全透过另一种极性的偏振光。

背景技术：

进入二十一世纪以来，信息显示领域发生了日新月异的变化。伴随着多媒体、3G无线通讯、网络技术、MP3、MPEG4等数位信息压缩技术、各种嵌入式电脑、家用电器、便携式信息终端、无纸化办公系统等雨后春笋般的大量涌现。作为人机的视觉媒界，显示器也正在进行着一场史无前例的变革。就户外阳光下使用的显示器及其相应的电子产品而言，人们对显示器提出了下列四项要求：

1、既可以在阳光下明显可读，又可在室内环境和夜间使用的全反全透型显示模式。

2、节省能耗，待机时间长，在白天工作场合下充分利用太阳能。

3、结构轻便，人性化设计，便于移动，整机重量最好不大于250克。

4、全彩动画，响应速度和画面质量满足视频和高分辨率的要求。

其中第一项和第四项尤其重要，但是到目前为止，现有的各种显示器都不能满足要求。液晶显示器问世30年以来，对于便携式电子产品的发展起了至关重要的作用，从早期的电子手表，计算器到后来的个人信息助理PDA，移动电话、便携计算机等。其中的黑白反射模式可以在阳光下直读，但全彩色显示器譬如彩色手机、手提式电脑等由于采用了彩色滤光片都不能在阳光下或在明亮的户外环境下使用。从而给使用者带来了巨大的不便。原因是目前彩色手机和手提式电脑所采用的背光源(发光二极管，冷阴极屏光灯)等都无法与户外的光强相比，有人曾企图采用半透过、半反射式的设计，即有关在反射铝镀膜上开孔，或采用半反半透镀膜的方法都不能满足用户的要求。

近年来兴起的有机发光显示器(OLED)是一种主动发光的平板显示器，它无需使用背光源，就可实现在户内明亮的显示效果。由TFT驱动的全彩色OLED显示器也逐步完成商品化。但是一个无争的事实是，有机发光体显示器也不能在户外阳光下使用，其亮度不能“同日而语”。

不言而喻，目前家用电视机普遍使用CRT阴极显像管和薄型化电子发射显示器FED、等离子体平板显示器PDP等都不能作为户外显示器之用，因为它们都是基于磷光物质发光的显示器，其亮度均不能与户外光亮度相比。有机发光二极管OLED和反射型液晶共用的显示器，该装置结构模式试图结合两种显示器的优点，以便在阳光下使用反射型液晶显示功能，而在户用和夜间使用发光的有机发光二极管的显示功能。但是，不难发现，该装置和户外阳光下能得到的只是传统的黑白型液晶显示效果，即与液晶手表和计算器等同样的反射效果，满足不了阳光下全彩色显示的要求。

在某些特种用途的显示器，有人将多个冷阴极萤光灯管密集地安装在彩色液晶显示器后边，达到了阳光下可显的效果。但是这一方法是用加大了功率消耗和显示器的重量为代价得到的，满足不了上述第二、第三项的要求。显然不适合用作阳光下可读的全彩色便携式显示器。

发明内容：

本发明的主要目的是利用非吸收型偏振片制造既可在户外阳光下明显可见，又可在户内黑暗环境下工作的全反射，全透过型全彩色液晶显示器。该非吸收型偏振片放置在全彩液晶显示器和背光板之间。在户外阳光模式下，非吸收型偏振片处于反射型工作状态，其功能等同于传统的全反射偏振片，从而使全彩色液晶显示器产生明显的彩色画面；在户内和黑暗环境中，背光源启动非吸收型偏振片处于全透过型工作状态，从而保证了全彩色液晶显示器的正常工作。

本发明的另一个目的是利用非吸收型偏振片取代了传统液晶显示器的下吸收型偏振片，并且将非吸收型偏振片直接贴合在液晶盒的表面上。从而减少了界面损失，减少了光学器件。

本发明的另一个目的是利用非吸收型偏振片既可作为反射型偏振片，也可作透过型偏振片，偏振极性相反的原理，使液晶显示器工作在不同的模式：正显示模式或负显示模式。

本发明的另一个目的是利用非吸收型偏振片显著提高对光线的利用率，从而提高显示器的亮度，降低在背光状态下的能源消耗。

附图说明：

图1线性偏振片调制的显示器结构示意图。其中图1a是全反射常白模式；图1b是全透过型常黑模式。

图2线性偏振片调制的显示器结构示意图。其中图2a是全反射常黑模式；图2b是全透过型常白模式。

图3同极性圆偏振片调制的显示器结构示意图。其中图3a是反射模式；图3b是透过模式。

图4相反极性圆偏振片调制的显示器结构示意图。其中图4a是反射模式；图4b是透过模式。

具体实施方式：

具体实施方式1：图1所示的是一种线性偏振片调制的TFT-TN液晶显示器。其中图1a表示全反射模式；图1b表示全透过模式。从图1不难看出，本发明装置是由液晶盒100，线性前偏振片110，反射型线性偏振片120，吸收型圆偏振片130以及背光源组件140组成的。这里，液晶盒100所代表的是全彩色TFT-TN显示器，即由薄膜晶体管电路控制和驱动的90°扭曲向列型液晶显示器。玻璃基板101嵌有薄膜晶体管及平面有源电路104，通常是由非晶硅(α-Si)或多晶硅(P-Si)在玻璃上经多次镀膜刻蚀而成。玻璃基板102的内表面制有红、绿、兰三原色的彩色滤光膜103和氧化铟锡透明导电层105。上、下两玻璃基板的间距被控制在3.5～10微米之间，由边框和两基板构成了满足第一极小值的90°扭曲向列型液晶盒。液晶则由真空灌注到盒体内，因受到表面取向和电场取向的作用分别呈现出90°扭曲排列106和场致向列相107区域。在液晶盒上方帖有线性吸收型偏振片110，下方则帖有非吸收型线性偏振片120和吸收型圆偏振片130。线性偏振片110和120之间呈垂直放置。

与以往显示器根本不同的是，本发明采用了非吸收型线性偏振片或称反射型偏振片。本发明是利用胆甾液晶聚合物制造的宽光谱反射型圆偏振片与1/4λ波长的延迟片的复合体作为非吸收型线偏振片材料的。此复合体的厚度一般为0.1～0.15毫米。使用时，1/4λ波片一侧与液晶盒下基板102的外表面帖合。到目前为止，已有多种制造胆甾液晶聚合物圆偏振片的制造方法，这里不再论述。在非吸收型偏振片下方装备了吸收型圆偏振片130，用于增加对比度。最后在吸收型偏振片的下方装备有背光机构140，由光源141、导光板142和均光膜143构成，在图1a中，背光源关闭，显示器工作在全反射模式，即在阳光和户外光线下清晰可见的工作模式。

自然光151，由显示器上方入射，通过上偏振片110后转化为垂直线偏振光152，此分量在经过液晶盒90°扭曲液晶区域106时，也被扭曲了90°，变成了平行偏振光分量153。接着此平行分量在遇到反射型线偏振片120时，其相位和振幅都没有发生大的变化，成为反向传播的平行分量154。该分量第二次穿过下基板102和彩色滤光片103时，仍保持平行偏振状态。但当穿越90°扭曲液晶区域106时，又被扭转90°而变成垂直分量155，最终顺利透过上偏振片，以垂直彩色偏振光156的状态到达观察者170。此时的显示器称为常亮模式，在户外光强或阳光下，彩色偏振光156十分艳丽，其亮度超过户内打背光的全透过模式。

在图1a的右半部分，当垂直偏振光分量152透过场致向列相液晶区域107时，其偏振状态未产生大的变化，仍基本保持垂直偏振光状态，此分量157能够顺利通过非吸收型偏型片120和吸收型偏振片130，到达显示器背光板(见分量158)，此分量158在均光板143的表面上被散射并消偏振(见光线159)，一部分散射光被背光组件所吸收，一部分则被吸收型偏振片131所吸收。此时，显示器处于光学暗态。当然受液晶盒100电场及驱动波形的控制。显示器可呈现出介于亮态和暗态的许多灰度和彩度的图案。

在图1b中，背光源140开启，显示器工作在全透过工作模式，即可在户内和黑暗环境下正常工作的模式。由背光源发出的漫散光线161首先投向吸收型偏振片131和1/4λ波片，转变为圆偏振光162，进而顺利通过非吸收型偏振片120，转变为垂直线性偏振光163。当此光线投向液晶盒90°扭曲区域106时，被液晶的波导效应扭曲了90°，变成了平行分量164，最后被垂直排列的偏振片110完全吸收，成为光学暗态。另一方面，当线性偏振光163投向液晶盒场致向列相区域107时，其偏振状态并未引起明显的变化，仍保持了垂直偏振分量165，随后此分量顺利通过了垂直偏振片，变为垂直分量166，最后到达观察者170。显示器工作在光学亮态。应该特别指出的是，在全透过模式中，由于吸收型偏振片的引入而大大提高了显示器的对比度。众所周知，胆甾液晶制成的宽光谱圆偏振片天然具有选择反射性，即在反射时，一种极性的圆偏振光被反射，而在透射时，另一种相反极性的圆偏振光被透过。但从偏振效率上说，反射圆偏振光比透射圆偏振光的效率要高得多。为了保证全透过模式的光学对比度，确有必要在非吸收型偏振片之前，设置吸收型的线性偏振片131，其偏振度通常在99.99％。而1/4λ波片的作用是将线性偏振片转化为圆偏振片，进而使光线顺利通过同旋的胆甾液晶圆偏振片。

图1所示的工作原理同样适合于其它非吸收型的偏振片材料，譬如美国3M公司出产的“多层复合薄膜”的反射型线性偏振片。此种反射性偏振片系由两种不同折光指数的塑料超薄膜经多层叠合而成，利用界面的反射，将一分量的线偏振光反射，而将另一分量的线偏振光透过，与胆甾型偏振片不同的是，直接应用这种偏振片时，1/4λ波片122和132可以省却。但问题在于由多层膜共挤出工艺制成的反射型线性偏振片在反射模式下的偏振效率不很理想，使用时应加以注意。

图1中，前光工作模式和背光工作模式恰好互为反模式，在本例中，反射式为常亮模式，透过式为常黑模式。对于TN液晶显示器而言，其光电特性曲线在两种模式下基本上是对称的。因此在两种工作模式的转换时，除了前光源和背光源的自动或手动切换外，每个像素都应该向反模式转换。否则就会产生照像中的正片与负片的差别，造成画面失真。

具体实施方式2：图2所示的是另一种线性偏振片调制的TFT-TN液晶显示器，其中图2a表示全反射模式；图2b表示全透过模式。从体系结构上看图2与图1基本相同，所不同的是线性偏振片210和220之间是按平行排列放置的。在图2a中，背光源关闭，显示器工作在全反射模式。

自然光251，由显示器上方入射，通过上偏振片210后转化为平行线偏振光252，此分量在经过液晶盒200的90°扭曲液晶区域206时，也被扭曲了90°，变成了垂直偏振光分量253。接着经非吸收型圆振片221的转换，线性偏振光转变为圆偏振光254。再由1/4λ波片和吸收型偏振片的导引还原为垂直偏振分量255。尔后此光线遇到背光均光板的粗糙的表面后，完全消偏振并随机向各个方向散射，进而或者被背光组件或者被吸收型偏振片231完全吸收。此时显示器处于光学暗态。

在图2a的右半部分，当平行偏振光分量252透过场致向列相液晶区域207时，其偏振状态未产生大的变化，仍基本保持了平行偏振光状态。此分量在非吸收型线性偏振片的表面上被反射，并继续保持平行偏振状态257。继而穿过场致向列相液晶区域和线性偏振片最后到达观察者(见偏振光线259)，此时显示器处于光学亮态。

在图2b中，背光源240开启，显示器工作在全透过工作模式，即可在户内和黑暗环境下正常工作的模式。由背光源发出的漫射光线261首先投向吸收型偏振片231和1/4λ波片，转变为圆偏振光262，继而顺利通过非吸收型偏振片220，转变为垂直线偏振光263。当此光线投向液晶盒90°扭曲区域206时，被液晶的所谓波导效应扭曲了90°，转变为平行分量264，最后透过偏振片210以平行偏振光265的形式被观察者所感知。成为光学亮态。另一方面，当线性偏振光263投入液晶盒场致向列相区域207时，其偏振状态并未引起明显的变化，仍保持了垂直偏振分量266，最后被偏振片210全部吸收。显示器工作在光学暗态。

图2所示的显示器与图1所示的相比，更加适应人的视觉习惯，即在反射模式中以提高画面的亮度为主；在透射模式中以提高画面的对比度为主。在反射模式中，由于光线需两次通过彩色滤光膜和液晶盒，很多光线被吸收或色散掉。在扭曲向列区和场致向列区二者之间，对偏振光透过率最大的当数后者；在透过模式中，通常希望获得最大的对比度，譬如大于100∶1，显然，光学暗态越黑，对比度就越高。由TN型显示器的光电特性曲线很容易得出结论，场致向列相作为光学暗态，其黑度最大。原因是，此时相当于两个正交偏振片之间夹层了各向同性的媒介薄膜，其透过率仅取决于偏振片的交叉透过率。当然理论上讲只有法线方向即与液晶盒表面垂直的方向才满足以上的假设。毫无疑问，图2给出了最佳的全反射全透过模式的TFT-TN液晶显示器。即在反射模式下，显示器最明亮，在透过模式下，显示器的对比度最高。

具体实施方式3：图3所述的是一种圆偏振片调制的TFT-TN液晶显示器。其中图3a表示反射模式；图3b表示透过模式。从图3不难看出，本发明装置是由液晶盒300，上圆偏振片310，反射型圆偏振片320，下圆偏振片330和背光源组件340构成的。这里液晶盒300所代表的是全彩色TFT-TN显示器，即由薄膜晶体管电路控制和驱动的90°扭曲向列型液晶显示器。玻璃基板301嵌有薄膜晶体管及平面有源电路304，通常由非晶硅(α-Si)或多晶硅(P-Si)在玻璃上经多次镀膜刻蚀而成。玻璃基板302的内表面制有红、绿、兰三色的彩色滤光膜303和氧化铟锡透明导电层105。上、下两玻璃基板的间距被控制在3.5～10微米之间，由边框和两基板构成了满足第一极小值的90°扭曲向列型液晶盒。液晶则由真空灌注到盒体内，因受到表面取向和电场取向的作用分别呈现出90°扭曲排列306和场致向列相307区域。在液晶盒上方帖有吸收型圆偏振片310，下方则帖有非吸收型圆偏振片320和吸收型圆偏振片330。上方的圆偏振片与下方的圆振片极性有特定的搭配。譬如，上方为左旋圆偏振片，下方分别为左旋反射型圆偏振片和右旋吸收型圆偏振片。

与以往显示器根本不同的是，本发明直接采用胆甾聚合物圆偏振片帖附在液晶盒的表面上，而且显示器是依靠对圆偏振光的调制而工作的。

在图3a中，背光源关闭，显示器工作在全反射模式。自然光351，由显示器上方入射，通过上偏振片转化为左旋圆偏振光352，此分量在经过液晶盒90°扭曲液晶区域306时，相位被调转了180度，转变为右旋圆偏振分量353。此分量继而透过圆偏振片320和330。以右旋圆偏振光354形态投向背光均光板的粗糙的表面上。在那里被消偏振、散射成光线355，最后被背光组件和偏振片所吸收。显示器处于光学暗态。此时90°扭曲液晶区域在光学上等效于一个1/2λ波片，亦称半波片，将圆偏振光改变了极性。

在图3a的右半部分，当左旋圆偏振光352透过场致向列相液晶区域307时，其偏振态未产生大的变化，仍基本保持圆偏振状态，即左旋圆偏振光356。在反射型左旋圆偏振片的界面上，它被同旋反射(见光线357)，继而透过液晶盒(见光线358)最后透过前左旋圆偏振片到达观察者(见光线359)。此时，显示器处于光学亮态。

在图3b中，背光源340开启，显示器工作在全透过模式，即可在户内和黑暗环境下正常工作的模式。由背光源发生的漫射光线361首先投向吸收型圆偏振片变为右旋圆偏振光362。此分量顺利透过非吸收型圆偏振片而继续保持右旋圆偏振状态(见光线363)。当光线投向液晶盒的90°扭曲区域306时，被改变了圆偏振极性，即由右旋变为左旋圆偏振光364。最后透过左旋圆偏振片310以左旋圆偏振状态到达观察者。在图3b的右半部分，右旋圆偏振光363投向电致向列相的液晶区域。在那里仍然保留了右旋状态(见光线366)。最后无法透过极性相反的左旋圆偏振片而使显示器处在光学暗态。

使用圆偏振片作为显示器光调制器件，最大的优点是消除了各种表面反射光，提高了反射型显示器的对比度。从而使全反射的图像具有高亮度、高对比度。

具体实施方式4：图4所述的是另一种偏振片调制的TFT-TN型液晶显示器。其中图4a表示反射模式，图4b则表示透过模式。图4的结构基本上与图3的结构相似，不同点在于圆偏振片的极性相反。譬如，图4中的圆偏振片的编排是：上方为右旋圆偏振片，下方分别是左旋反射型圆偏振片和右旋吸收型圆偏振片。与以往TFT-TN显示器根本不同的是，本发明直接采用胆甾聚合物圆偏振片帖附在液晶盒的表面上，而且显示器是依靠对圆偏振光的调制而工作的。

在图4a中，背光源关闭，显示器工作在全反射模式。自然光451，由显示器上方入射，通过上偏振片转化为右旋圆偏振光452。此分量在经过液晶盒90°扭曲液晶区域406时，相当于通过了一个半波片，相位被调转了180度，转变为左旋圆偏分量453。在反射型左旋圆偏振片的界面上，它被同旋反射为左旋圆偏振光454，继而在通过区域406时又被转换成右旋圆偏振光455，最后顺利通过右旋圆偏振片而到达观察者。此时显示器处于光学亮态。在图4a的右半部分，当右旋圆偏振光452透过场致向列相液晶区域407时，其偏振态未产生大的变化，仍基本保持圆偏振状态，即右旋圆偏振光457。此分量继而透过圆偏振片420和430，以右旋圆偏振光458形态投向背光均光板的粗糙的表面上，被消偏散射为光线459。随后在随机的散射中被背光组件或偏振片所吸收。显示器处于光学暗态。

在图4b中，背光源开启，显示器工作在全透过模式，即可在户内和黑暗环境下正常工作的模式。由背光源发生的漫射光线461首先投向吸收型圆偏振片变为右旋圆偏振光462。此分量顺利透过非吸收型圆偏振片而继续保持右旋圆偏振光463状态。当光线投向液晶盒的90°扭曲区域406时，被改变了极性，由右旋转变为左旋圆偏振光466，最后被右旋圆偏振片410完全吸收，显示器处于光学暗态；在图4b的右半部分，右旋圆偏振光463投向电致向列相的液晶区域。因在那里仍然保留了右旋状态(见光线464)，继而能顺利通过右旋圆偏振片410而使显示器处于光学亮态(见光线465)。

图4所示的显示模式不但适合于TFT-TN显示器，而且同样适合于TFT-MVA(薄膜晶体管——多畴垂直取向)、TFT-IPS(薄膜晶体管——平面转换)和STN(超扭曲向列型)等彩色液晶显示器。使用圆偏振片作为显示器的偏振器件，其最大的优点是消除了光路中的各种因折光指数不匹配而引起的表面反射，提高了显示器的对比度。此特性对全反射全透过型的液晶显示器尤为重要。

Claims (10)

1、一种全反射全透过型彩色液晶显示器包括：

a.具有正模式和反模式两个工作模式的液晶盒；

b.吸收型上偏振片；

c.非吸收型下偏振片；

d.吸收型下偏振片；

e.背光源组件；

其中吸收型上偏振片贴合于液晶盒的上表面，非吸收型下偏振片帖合于液晶盒的下表面，吸收型下偏振片附合于非吸收型下偏振片的外表面和背光源组件之间。其特征在于在一个工作模式下，非吸收型偏振片能够完全反射一种极性的偏振光，显示器处于全反射工作状态；在另一个工作模式下，非吸收型偏振片能够完全透过另一种极性的偏振光，显示器处于全透过工作状态。

2、根据权利要求1中所述的全反射全透过型彩色液晶显示器，其特征在于液晶盒是有源或无源驱动的全彩色液晶盒。

3、根据权利要求1中所述的全反射全透过型彩色液晶显示器，其特征在于非吸收型下偏振片是反射型线性偏振片。

4、根据权利要求1中所述的全反射全透过型彩色液晶显示器，其特征在于非吸收型下偏振片是反射型胆甾液晶圆偏振片。

5、根据权利要求1中所述的全反射全透过型彩色液晶显示器，其特征在于非吸收型下偏振片直接与液晶盒实现光学接触，帖合于液晶盒的下基板。

6、根据权利要求1中所述的全反射全透过型彩色液晶显示器，其特征在于吸收型上偏振片是圆偏振片。

7、根据权利要求1中所述的全反射全透过型彩色液晶显示器，其特征在于所提供的一个工作模式是在液晶的一个排列状态下使外光源入射的线偏振光分量或圆偏振光分量全部或部分被非吸收偏振片所反射的全反射模式。

8、根据权利要求1中所述的全反射全透过型彩色液晶显示器，其特征在于所提供的另一个工作模式是在液晶的另一个排列状态下使背光源入射的线偏振光分量或圆偏振光分量全部或部分透过非吸收偏振片的全透过模式。

9、根据权利要求1中所述的全反射全透过型彩色液晶显示器，其特征在于无电场作用的液晶区域处于光学亮态，有电场作用的液晶区域处于光学暗态的正工作模式。

10、根据权利要求1中所述的全反射全透过型彩色液晶显示器，其特征在于无电场作用的液晶区域处于光学暗态，有电场作用的液晶区域处于光学亮态的负工作模式。

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