CN1853135B - 提高了对比度的透反射式显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明能够提高透反射式液晶显示器在透射模式下的对比度，这种透反射式液晶显示器具有后叠层偏振模块(302)，该后叠层偏振模块(302)能够透射具有所需偏振方向的光，并且反射具有相反偏振方向，不需要的光。由于包括了反射阻止模块(306)，强化了黑色状态，因而提高了对比度。反射阻止模块安排在透反射器(301)和后叠层偏振器(302)之间，用来阻止透过后叠层偏振器(302)到达透反射器(301)的光被透反射器(301)反射回后偏振器(302)。因此，阻止具有错误偏振方向的不需要的反射从透反射器(301)透过，从而阻止它影响显示器的透射模式黑色状态。

Description

提高了对比度的透反射式显示器
技术领域
本发明涉及一种液晶显示器装置，具体而言，涉及一种提高了对比度的透反射式液晶显示器装置。
背景技术
透反射式液晶显示器，如超扭转向列液晶显示器(STN-LCD)、有源阵列液晶显示器(AM-LCD)和彩色超扭转向列液晶显示器(CSTN-LCD)，通常用于移动手持应用中。这种显示器装置由于其相对较低的能耗和良好的幕前性能而受到人们喜爱。透反射式液晶显示器的特征在于它能够在反射模式下反射外界光，也能够在透射模式下透射来自辅助光源(例如背光)的光。因此装有这种透反射式显示器的装置在明亮和黑暗的条件下都具有令人满意的可读性。
透反射式显示器的基本原理是众所周知的，例如从英国专利申请2101347可获知该原理。这种透反射式液晶显示器包括具有前基板和后基板的显示器单元，在前基板和后基板之间夹有一层液晶材料。在显示器单元的前面，前偏振器或检偏器以及补偿膜被夹入中间。此外，包括透反射器、四分之一波长延迟器元件、线偏振元件和光源(例如背光)的光学后叠层(optical rear stack)按所述顺序夹在后基板后面。
工作在反射模式下并且这一单元未激活(inactivated)时，也就是前、后电极之间的电路开路时，入射到前基板的外界光将被排列好的液晶层吸收。于是观看者看到的显示器单元为黑暗。另一方面，当这个单元被激活时(activated)(也就是当液晶层暴露于电场时)，液晶中的指向矢(directors)基本上垂直于前、后基板，允许大部分外界光进入前基板，穿过这一单元，在透反射器处被反射并返回到观看者。观看者于是看到显示器为明亮。
然而，当外界光不足以使显示器显示可读图像时，将光源打开，激活透射模式。当透射模式被激活时，光源发出的随机偏振光在光学后叠层中变成圆偏振并且透过透反射器。倘若液晶单元为未激活，从光源发出的投射在其上的圆偏振光则会在排列好的液晶中被吸收。液晶因此起到关闭的光阀的作用，并且未激活的单元呈现黑暗。为了获得这种效果，也就是为了使光阀关闭，光线被精确起偏是很重要的，否则，光线会穿过这一单元并破坏这一黑暗状态。另一方面，当这一单元被激活并且液晶分子垂直于基板时，透过透反射器的大部分光将从这个单元出来朝向观看者，使显示器明亮。
因此，透反射式液晶显示器中光学后叠层的作用就是将从背光入射的随机偏振的光转化为完全的圆偏振光。所述光可以是左旋圆偏振的或右旋圆偏振的，具体取决于液晶单元中的排列状况(alignment)。这种转化通常是通过采用线偏振器和上述四分之一波长延迟器来实现的。然而，由于线偏振器吸收从背光发出的偏振方向错误的所有光，因此采用线偏振器和延迟器将非偏振光转化为圆偏振光会导致透射率较低。
为此，已经提出解决方案来充分提高上述透射率。根据这一解决方案，圆偏振是利用小间距(short pitch)平面扭转向列聚合物层(TN层)替换后偏振器和四分之一波长延迟器来获得的。由于间距足够小，TN层将背光发出的一半光反射掉，并将背光发出的另一半光透射过去。透射光和反射光都是圆偏振的。具体地说，如果扭转层的旋转方向为右旋(左旋)，则反射光为右旋(左旋)圆偏振的，透射光为左旋(右旋)圆偏振的。结果，随机偏振光的左旋圆偏振部分和右旋圆偏振部分被TN聚合物层分开，一部分透射，另一部分反射。
因此，用TN聚合物层替换线偏振器/延迟器结构的优点在于，背光发出入射到偏振器的光，或者被透射(碰巧具有正确偏振方向的那部分光)并且在显示器中被利用，或者被反射回背光，在那里被循环利用。这与非透射光被线偏振器吸收并因此被浪费掉的线偏振器/延迟器结构相反。因此，在光学后叠层中用扭转向列聚合物层替换四分之一波长延迟器和线偏振器能够显著地提高透射率。
然而，尽管采用TN聚合物层的设计确实能够改善光学特性，但是采用扭转向列聚合物层替换后偏振器和四分之一波长延迟器还是伴随着一些缺点。这些缺点之一就是在透射模式的黑暗状态下对比度低。
为此，本发明提供一种采用扭转向列聚合物层并且在黑暗状态下对比度有改善的透反射式液晶显示器。本发明正是基于认识到从背光发出、穿过TN聚合物层并被透反射器反射的大部分光，因为在透反射器上反射的时候发生偏振反转，而被扭转向列聚合物层再次反射。也就是说，在透反射器上被反射的光的偏振方向在反射的时候发生了反转。返回的光线因此以相反的偏振方向入射到扭转向列聚合物层上，因此被全反射到透反射器。结果是，具有反转的偏振方向的光透过透反射器，射向液晶单元，导致黑色状态变差和对比度下降。本发明人进一步意识到，通过在透反射器的后方有效地阻止光反射可以充分地消除这种黑色状态变差的效应，从而提高透射模式中黑暗状态下的对比度。
因此，基于扭转向列聚合物层的偏振器的特征在于它们能够透射一特定偏振方向的光，反射具有相反偏振方向的光。为了本发明的目的，将具有这种性能的偏振器更一般地表示为反射式偏振器。同样将吸收具有错误偏振方向的光的线偏振器更一般地表示为吸收式偏振器。
因此，根据本发明的一个方面，透反射式液晶显示器装置包括：液晶层、透反射器、反射偏振器和背光，按所述顺序夹入中间。背光用来向所述透反射器发出光，透反射器能够透射所述光的第一部分，不能透射所述光的第二部分。这一显示器装置还包括安排在所述透反射器和所述扭转向列聚合物层之间的反射阻止模块，用来阻止所述第二部分光传播回到扭转向列聚合物层。
这样包括反射阻止模块能够阻止具有反转的偏振方向的光透过透反射器射向液晶显示器单元。因此能够避免黑色状态变差，并提高透射模式下显示器的对比度。当然，由于反射阻止模块安排在透反射器的后方，因此显示器的反射模式性能没有受到影响。
于是，将反射阻止模块用来阻止光线返回到TN聚合物层。反射阻止模块可以是黑色表面，它吸收反射光和/或阻止反射以任何形式发生。
可以使用任何类型的透反射器，重要的特性是它能够反射外界光并且透射来自背光设置的光。此时，只要来自背光的部分光被以反转的偏振反射回到TN聚合物层，本发明就能够提供在显示器的透射模式下改善了的黑色状态。
然而，实现正确功能的重点是能够将透过透反射器的光从其余光中分离出来，这是因为第一部分要不受影响，第二部分要被消除。因此，提出了孔镜型(hole-in-mirror type)透反射器，它能够提供良好的透射区和非透射区。
因此，本发明特别适用于具有孔镜型透反射器的透反射式显示器。出于本发明的目的，孔镜型透反射器是具有透射部分和非透射部分的透反射器。入射到透反射器的一些光将因此透过透射部分，一些光将被非透射部分所阻挡。最基本的例子为有小孔安排在其中的反射镜。这些小孔可以由例如分布的穿孔或狭缝组成。例如，具有10/90的透射/反射比的孔镜型透反射器的区域典型地由10％的小孔和90％的非透射材料(通常为某些反射材料)组成。当然，孔镜型透反射器中的小孔不必为真实的小孔，透反射器可以换作包括彼此分离的透射区和非透射区。
反射阻止模块可以有各种设计，只要它能够吸收非透射光，并且不阻挡要透过透反射器的光。因此，反射阻止模块实际上并不一定要如此阻止反射，而是可以换成吸收反射光。此外，反射阻止模块可以用各种不同的方式来设置。例如，反射阻止模块可以包括光吸收层(所谓的黑色掩模)和通常由几个薄层堆叠组成的抗反射涂层。
在透反射器位于后基板前方的情况下，可以在后基板和透反射器之间插入另外一个黑色吸收层。在这种情况下，透反射器和吸收层优选具有对应的透射和非透射区域图案。
黑色层可以有利地按照与孔镜型透反射器相同的图案来进行蚀刻。
光的吸收也可以换成通过采用光反射和光吸收层的堆叠来实现。这些层优选全部用同一个生产工艺步骤来蚀刻。
根据一个实施例，反射和吸收层的堆叠包括至少一个由Cr制成的光反射层和至少一个由CrOx制成的光吸收层。
另一个选择是在后基板和扭转向列聚合物层之间印制或放置一个形成图案的黑色层。
就象人们很容易就能理解的那样，采用现有的制造设备而不实质性地改变传统显示器的总体设计，能够以不同的方式设置反射阻止模块。为任何特定情况选择的方案都取决于现有的生产能力、需要的叠层布局等等。
根据一个实施例，所述液晶为扭转向列(TN)型、超扭转向列(STN)型或非扭转向列型。
下文中，将参照附图详细阐明本发明的透反射式液晶显示器装置的一些实施例，其中：
图1示出现有技术中包括透反射式液晶显示器部件的手持移动部件的一个实例，还示出了这种显示器的放大横截面；
图2说明透射模式下具有扭转向列聚合物层的透反射式液晶显示器部件中光的传播；
图3说明透射模式中本发明的透反射式显示器里光的传播；
图4示出本发明中透反射式液晶显示器的一个实施例；
图5示出结合黑色吸收层用来提供反射阻止模块的一种方法；以及
图6示出在透反射器下提供反射层和吸收层形成的叠层，用来提供反射阻止模块的另一种方法。
具体实施方式
首先，为了对本发明有更好的理解，将对现有技术方案给出更加详细的描述。因此，参照图1，其中示出了包括透反射式液晶显示器装置100的手持装置，还示出了这一透反射式液晶显示器部件的放大横截面。这一显示器部件包括液晶单元108和液晶层109，该液晶单元108包括了玻璃之类构成的前基板104和后基板103，液晶层109夹在二者之间。在前基板的前表面上安排有前散射层104、前补偿层106和检偏器101。在后基板的后方有透反射器108并使其形成图案，从而形成透射部分和反射部分。此外，扭转向列聚合物层105和背光102按所述顺序夹入中间。
图2示意性地说明背光产生的光在现有技术透反射式装置的后叠层中的传播。后叠层包括背光203、扭转向列聚合物层202和透反射器201，其中背光203包括光导205和漫射体204。为了进行说明，将背光发出的光表示为100％。这部分光是随机偏振的，因此50％被反射回背光(在此处它被循环利用)，50％透过TN层202。对于这一特定实例，透反射器具有20/80的透射/反射比，也就是说，20％的入射光透射，80％的入射光反射。由于这一比值20/80，10％(50％中的20％)透过透反射器201，40％(50％中的80％)反射回TN层202。如箭头所示，反射光的圆偏振方向发生了反转。因此，40％的反射光被TN层202再次反射到透反射器201。这一次具有错误偏振方向的8％(40％中的20％)的光透过透反射器201，32％的光被反射到TN从202。然而，圆偏振方向反转了，因此，所有32％的光都从TN层202透射到背光203。因此，具有相反偏振方向的两部分光透过透反射器，导致前面提到的黑色状态变差，因此降低了显示器装置的对比度。对于这个特定实例，10％的光以正确的偏振方向透射，8％的光以错误的偏振方向透射。
为了解决上述问题，提出如图3所示的发明方案。与现有技术类似，本发明包括由漫射体304和光导305组成的光源303、TN聚合物层302和20/80的透反射器301。但是将黑色的光吸收层306安排在透反射器301和TN层302之间。与上面的描述类似，对于图3来说，将背光发出的光表示为100％。这部分光的50％被TN层302反射回背光303，在此处它可在光导305中被循环利用。透过TN层302的剩余50％射向透反射器301。由于透反射器具有20/80的透射/反射比，因此10％的光(50％中的20％)透过。然而，光吸收层306吸收了剩余光，因此，没有光被反射回TN层302。因此，所有的有害反射都被阻止了。
下面将参照图4说明本发明第一实施例中的透反射式液晶显示器装置400。液晶显示器装置400包括液晶单元410和液晶层412，该液晶单元410包括例如玻璃之类构成的前基板411和后基板415，液晶层412夹在前、后基板411、415之间。在前基板411的顶部，光散射层403、补偿层402和检偏器401按所述顺序夹入其中。透反射器413夹入后基板415的顶部，并且扭转向列聚合物层404和背光设置405安排在后基板415下方。
此外，根据该实施例，在透反射器413和后基板415之间采用黑色光吸收层414形式的反射阻止模块。不过，反射阻止模块可以放置在透反射器和TN聚合物层之间的任意位置。
反射阻止模块可以通过例如印制的方式来提供，或者作为单独的选择性蚀刻层。
根据图5所示的实施例，将透反射器503安排在后基板和TN层504之间，并且反射阻止模块作为附加的黑色层502安排在透反射器503和TN层504之间。透反射器层503可以由例如Cr制成，光吸收层可以由例如CrxOx(氧化铬)制成。为了简化生产工艺，优选用相同的工艺来蚀刻黑色层502。在这个图中，更加详细地示出了透反射器的布局，它包括不透光区域510和透光区域520。这是一个典型的孔镜型布局。
根据图6所示的另一个实施例，反射阻止模块600包括抗反射膜601、602、603叠层。抗反射膜在本领域中是公知的，并且可以采用任何抗反射材料。该叠层可以直接安排在透反射器上，也可以与之分离。
应当注意，不应当将本发明的上述实施例解释为对本发明的限制，给出它们是作为说明如何利用本发明的实例。本领域的技术人员在不偏离后面的权利要求所给出的本发明的精神和范围的条件下，能够设计出本发明的许多可替换实施例。
实质上，本发明能够提高透反射式液晶显示器在透射模式下的对比度，这种透反射式液晶显示器具有后叠层偏振模块302，该后叠层偏振模块302能够透射具有所需偏振方向的光，并且反射具有相反的不需要的偏振方向的光。由于包括了反射阻止模块306，强化了黑色状态，因而提高了对比度。反射阻止模块安排在透反射器301和后叠层偏振器302之间，用来阻止透过后叠层偏振器302到达透反射器301的光被透反射器301反射回后偏振器302。因此，阻止具有错误偏振方向的不需要的反射从透反射器301透过，从而阻止它影响显示器的透射模式黑色状态。

Claims (8)

1.一种透反射式液晶显示器装置(400)，包括：液晶层(412)、透反射器(413)、扭转向列聚合物层(404)和背光(405)，按所述顺序夹入该显示器装置中；所述背光(405)用来向所述透反射器(413)发出光；所述透反射器(413)用于透射第一部分所述光，不透射第二部分所述光；并且所述扭转向列聚合物层(404)用来透射具有第一偏振方向的圆偏振光并且反射具有与所述第一偏振方向相反的第二偏振方向的圆偏振光；所述显示器装置还包括安排在所述透反射器(413)和所述扭转向列聚合物层(404)之间的反射阻止模块(414)；所述反射阻止模块(414)用来阻止所述第二部分光传播回到所述扭转向列聚合物层(404)。
2.如权利要求1所述的透反射式液晶显示器装置，其中所述透反射器(413)为孔镜型透反射器，并因此包括透光区域和非透光区域。
3.如权利要求2所述的透反射式液晶显示器装置，其中反射阻止模块(414)包括黑色的光吸收层。
4.如权利要求3所述的透反射式液晶显示器装置，其中所述透反射器(413)和所述黑色的光吸收层具有对应的透光和非透光区域图案。
5.如权利要求1所述的透反射式液晶显示器装置，其中所述反射阻止模块(414)包括一个黑色的光吸收层。
6.如权利要求5所述的透反射式液晶显示器装置，其中所述黑色的光吸收层包括氧化铬。
7.如权利要求1所述的透反射式液晶显示器装置，其中所述反射阻止模块(414)包括一抗反射叠层。
8.如权利要求1所述的透反射式液晶显示器装置，其中所述液晶层(412)为扭转向列型、超扭转向列型或非扭转向列型。
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