專(zhuān)利名稱(chēng)：暗態(tài)光再循環(huán)的薄膜和顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及使用偏振器的LCD顯示器，并具體涉及使用反射偏振器來(lái)循環(huán)暗態(tài)光的LCD顯示器，否則暗態(tài)光會(huì)被LCD的前偏振器吸收。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的液晶顯示器(LCD)通過(guò)調(diào)制入射到顯示器表面的照明的偏振狀態(tài)形成圖像。在典型的背照明LCD顯示器中，偏振器的布置被用來(lái)支持LCD調(diào)制，包括在LCD和光源之間的后偏振器，以將偏振光提供給LCD空間光調(diào)制器和前偏振器，起到分析儀的作用(通過(guò)定義，前偏振器被指定為最接近觀察者的偏振器)。在運(yùn)行過(guò)程中，在顯示器上的每個(gè)像素或具有亮態(tài)，其中與前偏振器的透光軸對(duì)準(zhǔn)的已調(diào)光從顯示器發(fā)出，或具有暗態(tài)，其中光未與前偏振器的透光軸對(duì)準(zhǔn)并且被有效阻止其發(fā)出。
參考圖6，其以概要形式示出用于處理每個(gè)像素的入射偏振光的顯示器的主要組件的特性，示出在隨后的說(shuō)明書(shū)中使用的符號(hào)和圖形規(guī)約。垂直的P-偏振和S-偏振狀態(tài)分別用線或圓指示，疊加在指示入射光方向的箭頭上。透光軸同樣用雙向箭頭或圓指示。吸收偏振器50a、50b傳輸與其偏振軸對(duì)準(zhǔn)的偏振光且吸收垂直取向的偏振光。通過(guò)比較，反射偏振器52a、52b傳輸與其偏振軸對(duì)準(zhǔn)的偏振光且反射垂直取向的偏振光。獨(dú)立LC組件54a/54b通過(guò)以像素值(pixel-wise)方式調(diào)制基本偏振的照明光束來(lái)調(diào)制入射顯示光束。根據(jù)本說(shuō)明書(shū)中使用的規(guī)約，斷開(kāi)狀態(tài)LC組件54a旋轉(zhuǎn)入射光的偏振。接通狀態(tài)LC組件54b不旋轉(zhuǎn)入射光的偏振。如本發(fā)明公開(kāi)內(nèi)容中所使用的通用命名“LC組件”，應(yīng)用到LCD空間光調(diào)制器自身上的光調(diào)制元件。LCD空間光調(diào)制器能看作一列LC組件54a/54b的陣列。
LCD空間光調(diào)制器調(diào)制的任何像素具有二種可能的狀態(tài)暗態(tài)和亮態(tài)。在這個(gè)應(yīng)用中，術(shù)語(yǔ)“暗態(tài)”和“亮態(tài)”被用來(lái)描述像素狀態(tài)；術(shù)語(yǔ)“接通狀態(tài)”和“斷開(kāi)狀態(tài)”，如上面所注釋的，是指LC組件本身的偏振活動(dòng)，而不是表示的像素狀態(tài)。
重要的是，觀察到每種類(lèi)型的LCD空間光調(diào)制器的特性確定了每個(gè)LC組件的接通狀態(tài)是否對(duì)其對(duì)應(yīng)的像素提供了暗態(tài)或亮態(tài)。如上所述，本發(fā)明中例示的例子使用下面的規(guī)約(i)接通狀態(tài)LC組件54b提供暗態(tài)像素；(ii)斷開(kāi)狀態(tài)LC組件54a提供亮態(tài)像素。
但是，反過(guò)來(lái)配對(duì)亮態(tài)和暗態(tài)像素的接通狀態(tài)和斷開(kāi)狀態(tài)也是可以的。對(duì)于本申請(qǐng)中后來(lái)的描述，除了具體注釋的之外，應(yīng)用了這里所述的和圖6中例示的規(guī)約。
圖1A示出LCD顯示器10的傳統(tǒng)布置，具有前偏振器50a、后偏振器50b、背部照明單元56、反射薄膜57，以及將S-偏振(圓偏振)變換為P-偏振(線偏振)的斷開(kāi)狀態(tài)的LC組件54a(反過(guò)來(lái)，將P-偏振變換為S-偏振)。非偏振光從背部照明單元56發(fā)出。在這種亮態(tài)下，只有具有S-偏振的光傳輸通過(guò)后偏振器50b、通過(guò)斷開(kāi)狀態(tài)LC組件54a，和通過(guò)前偏振器50a。
圖1B示出暗態(tài)的與圖1A相同的組件。這里，接通狀態(tài)LC組件54b沒(méi)有改變?nèi)肷涔馄?即，S-偏振保持S-偏振，P-偏振保持P-偏振)。具有s-偏振的光傳輸通過(guò)后偏振器50b。接通狀態(tài)LC組件54b傳輸這種S-偏振光，其接著被前偏振器50a吸收，如符號(hào)“X”所指示。
圖1A和1B的傳統(tǒng)布置可運(yùn)行，但是限制了顯示器10可用的光的總量。后偏振器50b吸收具有p-偏振的光，實(shí)際上浪費(fèi)了光能量。環(huán)境光不影響該布置的性能。參考圖1C，可以看出環(huán)境光的一半被前偏振器50a吸收。環(huán)境光的另一半穿過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振的斷開(kāi)狀態(tài)LC組件54a，然后穿過(guò)后偏振器50b。這種光的一部分可以被反射薄膜57反射回去以再使用。參考圖1D，示出了環(huán)境光的暗態(tài)處理。這里，前偏振器50a只傳輸具有P-偏振的光。接通狀態(tài)LC組件54b并不改變光偏振。后偏振器50b接著吸收不具有S-偏振的環(huán)境光。接著，在暗態(tài)，環(huán)境光的效果實(shí)質(zhì)性減少，其中一半的光被前偏振器50a衰減而另一半光的大部分被后偏振器50b衰減。
作為增加顯示器照明的效率的一種嘗試，反射偏振器52b可以加到支持偏振器的組群，如圖2A-2D所示。這里，來(lái)自背部照明單元56的非偏振光傳送到反射偏振器52b，其傳輸具有一種偏振(在圖2A-2B的例子中的S-偏振)的光，且反射具有垂直偏振的光?？梢苑磸?fù)循環(huán)反射光組件，使其本身的偏振狀態(tài)由背部照明單元56、反射薄膜57或諸如1/4波片或去偏振薄膜的一些其他的裝置修改。亮態(tài)和暗態(tài)光處理可以以與參考圖1A-1D描述的相同的方式執(zhí)行。在圖2A中，斷開(kāi)狀態(tài)LC組件54a旋轉(zhuǎn)入射光的偏振，且前偏振器50a傳輸與其透光軸對(duì)準(zhǔn)的光(即，P-偏振光)。在圖2B中，具有S-偏振的光傳輸穿過(guò)后偏振器50b。接通狀態(tài)LC組件54b傳輸這種S-偏振光，其接著被前偏振器50a吸收，如符號(hào)“X”所指示。
圖2C和2D示出反射偏振器52b對(duì)入射環(huán)境光的影響。具有P-偏振的環(huán)境光傳輸穿過(guò)前偏振器50a，且穿過(guò)斷開(kāi)狀態(tài)LC組件54a或，相反地，穿過(guò)接通狀態(tài)LC組件54b。后偏振器50b和反射偏振器52b傳輸S-偏振光。后偏振器50b吸收從反射偏振器52b反射的P-偏振的環(huán)境光。在暗態(tài)情況下，環(huán)境光的效果被實(shí)質(zhì)性減少，其中一半的光被前偏振器50a衰減而另一半光的大部分被后偏振器50b衰減。
如圖2A-2D概要性所示，使用反射偏振器的傳統(tǒng)的布置在許多的專(zhuān)利公開(kāi)中進(jìn)行了描述，包括
Hara的美國(guó)專(zhuān)利6,661,482，題為“Polarizing Element，OpticalElement，and Liquid Crystal Display(偏振元件、光學(xué)元件和液晶顯示器)”；Ouderkirk等人的美國(guó)專(zhuān)利5,828,488，題為“ReflectivePloarizer Display(反射偏振器顯示器)”；Weber等人的美國(guó)專(zhuān)利，申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)為2003/0164914，題為“Brightness Enhancing Reflective Polarizer(增強(qiáng)反射偏振器的亮度)”；以及Maeda的美國(guó)專(zhuān)利，申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)為2004/0061812，題為“LiquidCrystal Display Device and Electronic Apparatus(液晶顯示器裝置和電子設(shè)備)”。
另外，T Sergan等人(在“Twisted Nematic Reflective Displaywith Internal Wire Grid Pola rizer(具有內(nèi)部線柵偏振器的扭曲相列反射顯示器) SID 2002，p.514，(P-81))描述了在反射液晶單元內(nèi)部使用的線柵偏振器，同時(shí)提供偏振器、校準(zhǔn)層和后電極的功能。
已知的是，根據(jù)如何使用顯示器，來(lái)和LC顯示器一起使用不同類(lèi)型的偏振器以實(shí)現(xiàn)特定效果。例如，Kotchick等人的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)為6,642,977、題為“Liquid Crystal Displays with RepositionableFront Polarizers(具有可重新定位的前偏振器的液晶顯示器)”公開(kāi)了用于便攜式裝置的液晶顯示器模塊，其中前偏振器可以是多種類(lèi)型中的任何一種，以及能被適當(dāng)?shù)貫轱@示器可見(jiàn)而傾斜或放置。同樣，Sahouani等人的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為2003/0016316、題為“Interchangeable Polarizers for Electronic Devices Having aLiquid Crystal Display(用于具有液晶顯示器的電子裝置的可交換的偏振器)”公開(kāi)了一種裝置布置，其中不同類(lèi)型的前偏振器可拆式交換從而實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)娘@示效果。在′977Kotchick等人和′16316Sahouani等人提到的可行的布置的公開(kāi)中是將反射偏振器用作LC顯示器的前偏振器。重要的是可以注意到，在′977Kotchick等人和′16316Sahouani等人的公開(kāi)中強(qiáng)調(diào)，多數(shù)情況下這種布置不是期望的，除了與增加的亮度和效率無(wú)關(guān)的其中的特殊的“金屬”外形效果是想要的。如′977 Kotchick等人和′16316 Sahouani等人的公開(kāi)中所示，建立的實(shí)踐教導(dǎo)了在照明源、背部照明單元56和后偏振器50b之間使用反射偏振器52b，如圖2A-2D的布置中所示，用于提高亮度和效率。建立的實(shí)踐在LC組件54a/54b的觀察一側(cè)上明顯不使用反射偏振器52b作為前偏振器50a不太理想的替代品，除了其中“看似金屬的”顯示器外形是所期望的以外。前偏振器的反射偏振器的使用引起對(duì)比率的顯著降低，有效消除了在增加亮度方面的任何可能的益處。
在圖2A-2D示出反射偏振器的傳統(tǒng)使用，其放置在如上所述的專(zhuān)利文件中描述的照明源和后偏振器之間，提供LC顯示器的增加的效率和亮度的測(cè)量。但是，為了在更為廣泛的范圍的應(yīng)用中使用LC顯示器，公認(rèn)需要提高顯示器亮度，而不增加現(xiàn)有設(shè)計(jì)的成本或復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有增加了亮度和效率的LC顯示器。出于這個(gè)目的，本發(fā)明提供一種LC顯示器，包含(a)用于提供基本非偏振照明的背部照明單元；(b)后偏振器，設(shè)置成鄰近背部照明單元，用于接收入射的基本非偏振照明和傳輸基本偏振照明；(c)LC空間光調(diào)制器，用于通過(guò)選擇性的、基本偏振照明的偏振的像素值方式調(diào)制來(lái)形成顯示光束；以及，(d)反射偏振器，設(shè)置在LC空間光調(diào)制器和前偏振器之間，該反射偏振器將部分暗態(tài)光的一部分反射回背部照明單元。
本發(fā)明的一個(gè)特征在于，在圖像顯示光束中使用了反射偏振器以用于反射暗態(tài)光而再使用。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比，在LC顯示器亮度和效率方面提供了遞增的改進(jìn)。


盡管本發(fā)明包括具體指出和明顯要求保護(hù)的本發(fā)明的主題的權(quán)利要求，但是可以相信當(dāng)結(jié)合附圖描述下面的說(shuō)明書(shū)時(shí)，本發(fā)明將會(huì)得到更好的理解，其中圖1A是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出具有前偏振器和后偏振器的亮態(tài)中的LCD顯示器的LC組件；圖1B是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出具有前偏振器和后偏振器的暗態(tài)中的LCD顯示器的LC組件；圖1C是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出具有前偏振器和后偏振器以及處理環(huán)境光的亮態(tài)中的LCD顯示器的LC組件；圖1D是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出具有前偏振器和后偏振器以及處理環(huán)境光的暗態(tài)中的LCD顯示器的LC組件；圖2A是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出傳統(tǒng)布置中具有前偏振器和后偏振器以及反射偏振器的亮態(tài)中的LCD顯示器的LC組件；圖2B是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出傳統(tǒng)布置中具有前偏振器和后偏振器以及反射偏振器的暗態(tài)中的LCD顯示器的LC組件；圖2C是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出傳統(tǒng)布置中具有前偏振器和后偏振器以及反射偏振器的亮態(tài)中的LCD顯示器的LC組件，用于處理環(huán)境光；圖2D是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出傳統(tǒng)布置中具有前偏振器和后偏振器以及反射偏振器的暗態(tài)中的LCD顯示器的LC組件，用于處理環(huán)境光；圖3A是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的具有前偏振器和后偏振器以及在前偏振器和LC組件之間的反射偏振器的亮態(tài)中的LCD顯示器的LC組件；圖3B是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的具有前偏振器和后偏振器以及在前偏振器和LC組件之間的反射偏振器的暗態(tài)中的LCD顯示器的LC組件；圖3C是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的具有前偏振器和后偏振器以及在前偏振器和LC組件之間的反射偏振器的亮態(tài)中的LCD顯示器的LC組件，用于處理環(huán)境光；圖3D是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的具有前偏振器和后偏振器以及在前偏振器和LC組件之間的反射偏振器的暗態(tài)中的LCD顯示器的LC組件，用于處理環(huán)境光；圖3E是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出根據(jù)比較實(shí)例的具有前偏振器和后偏振器以及在前偏振器和LC層之間的反射偏振器的亮態(tài)中的LCD顯示器的LC組件；圖3F是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出根據(jù)比較實(shí)例的具有前偏振器和后偏振器以及在前偏振器和LC層之間的反射偏振器的暗態(tài)中的LCD顯示器的LC組件；圖3G是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的具有前偏振器和后偏振器以及在前偏振器和LC層之間的反射偏振器的亮態(tài)中的LCD顯示器的LC組件；圖3H是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的具有前偏振器和后偏振器以及在前偏振器和LC層之間的反射偏振器的暗態(tài)中的LCD顯示器的LC組件；圖4A-4D是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出也在后偏振器和背部照明單元之間使用第二反射偏振器的本發(fā)明的另一實(shí)施例；圖5A-5D是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出具有反射偏振器而沒(méi)有用于背部照明和環(huán)境光的前偏振器的一個(gè)比較實(shí)例；圖6是一組剖面?zhèn)纫晥D，示出用于本發(fā)明組件的命名、符號(hào)和特性；圖7A是示出典型圖像的像素圖案的頂視圖；圖7B是示意圖，從剖面?zhèn)纫晥D示出兩個(gè)鄰近的LC組件，一個(gè)是斷開(kāi)狀態(tài)，一個(gè)是接通狀態(tài)；圖8A-8C是示出基于總的暗對(duì)亮的像素比例的相對(duì)效率增益的圖表；圖9是示出使用本發(fā)明的方法計(jì)算的與透光度有關(guān)的增益值；圖10示出在一個(gè)實(shí)施例中用于亮度控制的組件的示意性方框圖；以及圖11示出基于總圖像亮度適應(yīng)背部照明單元亮度的邏輯的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本文的描述尤其針對(duì)形成根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一部分或更直接與其結(jié)合的元件?？梢岳斫鉃椋渲袥](méi)有具體顯示或者描述的元件可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員已經(jīng)公知的不同形式。
本發(fā)明的設(shè)備和方法通過(guò)使用一個(gè)或多個(gè)反射偏振器來(lái)再循環(huán)暗態(tài)光而從LCD顯示器獲得提高的效率和亮度。
第一實(shí)施例參考圖3A和圖3B，其中分別示出針對(duì)亮態(tài)和暗態(tài)的LCD顯示器20的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中反射偏振器52a設(shè)置在LC組件54a/54b和前偏振器50a之間。這里，前偏振器50a的透光軸和后偏振器50b的透光軸在±10度范圍內(nèi)彼此正交。根據(jù)參考圖1A-1D和圖2A-2D描述的規(guī)約，LC斷開(kāi)狀態(tài)將P-偏振轉(zhuǎn)換為S-偏振，并將S-偏振轉(zhuǎn)換為P-偏振。反射偏振器52a的透光軸與前偏振器50a的透光軸平行。來(lái)自反射偏振器52a的再循環(huán)的光具有一個(gè)相對(duì)于前偏振器50a垂直的偏振。
圖3A示出LC顯示器20如何處理亮態(tài)中的光。來(lái)自背部照明單元56的非偏振光入射到后偏振器50b，該后偏振器傳輸具有S-偏振的光并吸收P-偏振分量。斷開(kāi)狀態(tài)LC組件54a旋轉(zhuǎn)光偏振以提供具有P-偏振的輸出光。該光接著傳輸穿過(guò)反射偏振器52a和前偏振器50a。因此，在亮態(tài)中，反射偏振器52a只傳輸預(yù)期的光。
圖3B示出LC顯示器20如何處理暗態(tài)中的光。接通狀態(tài)LC組件54b不實(shí)施光偏振的旋轉(zhuǎn)。重新參考圖1B和圖2B，具有S-偏振的光必須被前偏振器50a在暗態(tài)中吸收。但是，通過(guò)圖3A-3B的新穎布置，反射偏振器52a將具有S-偏振的任何光向背部照明單元56反射回來(lái)。這種特性具有再循環(huán)效應(yīng)，允許這種暗態(tài)光再次用作亮態(tài)像素。圖7B示出鄰近斷開(kāi)狀態(tài)LC組件54a和接通狀態(tài)LC組件54b的LCD顯示器20的組合特性。
圖3C和圖3D示出環(huán)境光的LC顯示器20的特性。如參考圖1C-1D和圖2C-2D所描述的，前偏振器50a吸收具有S-偏振的光并傳輸具有P-偏振的光。反射偏振器52a以與前偏振器50a同樣的方式傳輸這種光，從而基本上沒(méi)有對(duì)在圖1C-1D和圖2C-2D示出的環(huán)境光的處理進(jìn)行改變。因此，可以看出，通過(guò)將反射偏振器52a放置在LC組件54a/54b和前偏振器50a之間，暗態(tài)光的某部分被再循環(huán)，且沒(méi)有由于環(huán)境光而產(chǎn)生對(duì)比度的退化。
在圖3A-3D的配置中，反射偏振器52a的透光軸與前偏振器50a的透光軸平行。圖3E和圖3F示出另一種情況，其中反射偏振器52a的透光軸與前偏振器50a的透光軸垂直。根據(jù)指示的光程和偏振狀態(tài)，可以看出這種布置并不適當(dāng)。在亮態(tài)中，具有P-偏振的光從反射偏振器52a反射，并非被發(fā)射。在暗態(tài)中，具有S-偏振的光被前偏振器50a吸收而不是被反射回去以再使用。因此，可以看出反射偏振器52a的透光軸必須與前偏振器50a的透光軸在±10度范圍內(nèi)匹配。
第二實(shí)施例在本發(fā)明的圖3G和圖3H的實(shí)施例中，前偏振器50a的透光軸和后偏振器50b的透光軸在±10度范圍內(nèi)彼此平行。當(dāng)LC組件54c/54d的接通狀態(tài)和斷開(kāi)狀態(tài)的特性與圖1A-3F的前述例子的特性相反時(shí)，這種布置也是可以的。這里，斷開(kāi)狀態(tài)LC組件54c沒(méi)有改變?nèi)肷涔獾钠?；接通狀態(tài)LC組件54d旋轉(zhuǎn)入射光的偏振。使用這種可選擇的布置，反射偏振器52a的透光軸必須與前偏振器50a和后偏振器50b的透光軸匹配，以再循環(huán)如圖3H所示的暗態(tài)光。如圖3A-3D的第一實(shí)施例，圖3G和3H的實(shí)施例并沒(méi)有由于環(huán)境光而出現(xiàn)額外的對(duì)比度的退化。
第三實(shí)施例圖4A-4D示出替換實(shí)施例中的LCD顯示器30。這里，一對(duì)反射偏振器52a和52b被用來(lái)提高亮度和效率。對(duì)亮態(tài)和暗態(tài)的光的處理結(jié)合了在圖2A-2D中示出的反射偏振器的傳統(tǒng)使用的功能和在圖3A-3D中示出的本發(fā)明的實(shí)施例。來(lái)自背部照明單元56的非偏振光入射到后反射偏振器52a，其傳輸一種偏振(在圖4A-4D中的S-偏振)并把垂直偏振反射回背部照明單元56以進(jìn)行再循環(huán)。后偏振器50b傳輸具有S-偏振的光，吸收任一剩余P-偏振分量。斷開(kāi)狀態(tài)LC組件54a旋轉(zhuǎn)光偏振以提供具有P-偏振的輸出光。這種光接著被傳輸穿過(guò)反射偏振器52a和前偏振器50a。
圖4B示出LC顯示器20如何處理暗態(tài)中的光。接通狀態(tài)LC組件54b不實(shí)施光偏振的旋轉(zhuǎn)。重新參考圖1B和圖2B，具有S-偏振的光通常被前偏振器50a在暗態(tài)中吸收。但是，通過(guò)圖4A-4B的新穎布置，反射偏振器52a將具有S-偏振的光向背部照明單元56反射回來(lái)。這種特性具有再循環(huán)效應(yīng)，允許這種光再次用作亮態(tài)像素。
圖4C和圖4D示出LC顯示器20如何處理分別在亮態(tài)和暗態(tài)中的環(huán)境光。在亮態(tài)中，一些具有S-偏振的環(huán)境光可以被再循環(huán)和再利用；具有P-偏振的環(huán)境光被后偏振器50b吸收。因此，圖4A-4D的替換實(shí)施例提供增加的亮度和效率，沒(méi)有由于環(huán)境光作用而危及對(duì)比度。
如在上述背景技術(shù)部分中所述，已經(jīng)指出使用反射偏振器代替前偏振器50a對(duì)亮度或?qū)Ρ榷仁遣焕?。圖5A-5D示出在前面位置具有反射偏振器52a的替換實(shí)施例中的LCD顯示器40，并示出當(dāng)進(jìn)行這種替換時(shí)，環(huán)境光如何危及對(duì)比度。圖5A和圖5B示出這種替換布置，其沒(méi)有前偏振器50a，使得反射偏振器52a相對(duì)于觀察者處于前面位置中。第二反射偏振器、后反射偏振器52b的使用是可選的。亮態(tài)和暗態(tài)特性與參考圖3A-3B和圖4A-4B的本發(fā)明的實(shí)施例中的描述相似，具有一些再循環(huán)暗態(tài)光的優(yōu)點(diǎn)，尤其其中使用了可選擇的后反射偏振器52b。
圖5C和圖5D示出LCD顯示器40如何處理環(huán)境光。在亮態(tài)或暗態(tài)中，反射偏振器52a反射一個(gè)偏振分量。這種反射顯著降低顯示器對(duì)比度，因?yàn)樵谄谕玫桨祽B(tài)時(shí)引入了漫射光。因此，盡管使用反射偏振器52a而沒(méi)有前偏振器50a可以滿(mǎn)足一些用于提供“金屬”外觀的一些美學(xué)需求，但是這種布置由于對(duì)比度退化而不是最佳的。
對(duì)于在此公開(kāi)的實(shí)施例，可以增加另外的組件來(lái)增強(qiáng)亮度和對(duì)比度。例如，可以增加傳統(tǒng)的準(zhǔn)直薄膜，諸如由MN(明尼蘇達(dá)州)圣保羅3M生產(chǎn)的VikuitiTM亮度增強(qiáng)薄膜，來(lái)對(duì)準(zhǔn)照明?？梢詫⒂糜谶@個(gè)目的的準(zhǔn)直(或亮度增強(qiáng))薄膜增加到圖3A-4D的配置中，典型地設(shè)置在背部照明單元56和LC組件54a/54b之間。還可以使用其他的已知準(zhǔn)直薄膜。
暗態(tài)再循環(huán)參考圖7A，其中示出具有暗像素14和亮像素12的LCD顯示器20的一部分的平面視圖。如圖7A所示，在LCD顯示器20上形成的每個(gè)圖像具有一定比率的暗像素14和亮像素12。本發(fā)明的設(shè)備和方法利用了不被暗像素14所需要的光的優(yōu)點(diǎn)并重新將該光的一部分引向亮像素12。這種特性在圖7B中進(jìn)行了簡(jiǎn)化，其示出光能如何從由接通狀態(tài)LC組件54b形成的暗像素14被重新引向由斷開(kāi)狀態(tài)LC組件54a形成的亮像素12。
為了描述暗態(tài)再循環(huán)在實(shí)際過(guò)程中如何工作，定義了下面的變量I0來(lái)自背部照明單元56的光的總通量x暗像素14占像素總量的百分率
1-x亮像素12占像素總量的百分率T‖沿著透光軸偏振的光的吸收性偏振器(前偏振器50a和后偏振器50b)的透光度Tlc液晶層的透光度。作為第一近似值，可以假定Tlc對(duì)接通狀態(tài)和斷開(kāi)狀態(tài)相同Tf放置在前吸收性偏振器50a和LC組件54a/54b之間的前反射偏振器52a的透光度Rf放置在前吸收性偏振器50a和LC組件54a/54b之間的前反射偏振器52a的反射率Tr放置在后吸收性偏振器50b和LC組件54a/54b之間的后反射偏振器52b的透光度Rr放置在后吸收性偏振器50b和LC組件54a/54b之間的后反射偏振器52b的反射率R背部照明單元56的反射率例1沒(méi)有傳統(tǒng)的反射偏振器的暗態(tài)光再循環(huán)根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的暗態(tài)再循環(huán)可以通過(guò)比較圖3A和圖3B中的光特性與圖1A和圖1B的傳統(tǒng)布置中的光特性而進(jìn)行說(shuō)明。
沒(méi)有暗態(tài)光再循環(huán)，如圖1A所示，從所占百分比為(1-x)的亮像素12發(fā)射的光的總通量如下Itotal0≈0.5I0T‖2Tlc(1-x)暗態(tài)光再循環(huán)，也就是說(shuō)，反射偏振器52a放置在前吸收性偏振器50a和LC組件54a或54b之間，來(lái)自所占百分比為(1-x)的亮像素12的光通量大約是0.5I0T‖2TlcTf(1-x)。
從暗像素14(暗像素14占的百分比為x)反射回來(lái)的、以及從背部照明單元56反射的通量大約是0.5I0T‖2Tlc2RfRx。
該通量具有可以再引向(1-x)的亮像素12的可能性，并具有再引向x的暗像素14的可能性。
在第一次再循環(huán)后，從亮像素12產(chǎn)生的總通量是
Itotal1≈0.5I0T||2TlcTf(1-x)+0.5I0T||2Tlc2RfRx·0.5T||2TlcTf(1-x)]]>=0.5I0T||2TlcTf(1-x)[1+0.5T||2Tlc2RfRx]]]>在第二次再循環(huán)后，從亮像素12產(chǎn)生的總通量是Itotal2≈Itotal1+(0.5I0T||2Tlc2RfRx)2·0.5I0T||2TlcTf(1-x)]]>=0.5I0T||2TlcTf(1-x)[1+0.5T||2Tlc2RfRx+(0.5T||2Tlc2RfRx)2]]]>接著，從亮像素12產(chǎn)生的總通量是IDS≈0.5I0T||2Tlc2Tf(1-x)[1+0.5T|2Tlc2RfRx+(0.5T||2Tlc2RfRx)2+...]]]>=0.5I0T||2Tlc(1-x)Tf1-0.5T||2Tlc2RfRx]]>增益被定義為GainDS=IDSItotal-1=Tf1-0.5T||2Tlc2RfRx-1]]>在理想的情況下，T‖、Tlc、Tf、Rf、R全部等于1，因此Gain=11-0.5x-1]]>當(dāng)x接近100％時(shí)，最大增益是100％。當(dāng)x＝50％時(shí)，增益是33％。當(dāng)x＝0％時(shí)，增益是0％。最大增益100％由后偏振器50b所限制，當(dāng)暗態(tài)光在每個(gè)路徑上再循環(huán)時(shí)，其吸收一半的光。
假設(shè)f=T||2Tlc2RfR]]>那么GainDS=Tf1-0.5x-1]]>在實(shí)際中，T∥≌0.95，Tlc≌0.95，Tf≌0.9，Rf≌0.95，R≌0.9，f≌0.7。
圖8A、8B和8C分別示出反射偏振器52a的透光度Tf在100％、95％和80％處的增益對(duì)暗像素14的百分比x。在所有的情況下，對(duì)于給定暗像素14的百分比，因數(shù)f越高，增益越高。在一固定的f處，暗像素14的百分比越高，增益越高。
如圖8A中所示，當(dāng)反射偏振器52a的透光度Tf是100％時(shí)，增益總是正的獨(dú)立于因數(shù)f和暗像素14的百分比x。當(dāng)在理想情況下f＝1和x接近100％時(shí)，增益是100％。
參考圖8B，當(dāng)反射偏振器52a透光度Tf比100％小時(shí)，這里大約是95％，則對(duì)于小的x增益可以為負(fù)，其表明對(duì)于具有少量暗像素14(或，相反地，具有大量亮像素12)的圖像的光效率有實(shí)際損耗。但是對(duì)于具有大量暗像素14(或少量亮像素12)的圖像，即大的x，增益是正的。
參考圖8C，當(dāng)反射偏振器52a的透光度Tf足夠低，例如為80％，對(duì)于小的f(例如，f＝0.2)的在0和1之間的所有的x，增益為負(fù)。但是對(duì)于合理設(shè)計(jì)的LCD系統(tǒng)而言，通常f≥0.7。對(duì)應(yīng)于f＝0.7的曲線示出當(dāng)暗像素的百分比x≥0.6時(shí)的正增益。
因此，可以觀察到，暗態(tài)光再循環(huán)的增益依賴(lài)于顯示器上示出的圖像。為了進(jìn)一步量化增益，在不同的f和Tf值處計(jì)算了具有相等權(quán)重的從0到1的x的平均增益。平均增益如在圖9的表格中所示。為了具有正增益而不是損耗，因數(shù)f和Tf應(yīng)該在該表格的上三角內(nèi)獲得數(shù)值。例如，當(dāng)Tf＝0.75和f≥0.9時(shí)，平均增益為正。當(dāng)Tf＝0.9和f≥0.4時(shí)，平均增益還是為正。當(dāng)Tf＝0.9和f＝0.7時(shí)，平均增益大約是11％。當(dāng)采用不同準(zhǔn)則時(shí)，數(shù)值f和Tf的范圍可以變化。光效率的增益也可以因?yàn)閳D像圖案分布而不只是因暗像素14的原始百分比而改變?？傊?，反射偏振器的透光度優(yōu)選在所關(guān)注波長(zhǎng)處大于75％。
例2結(jié)合傳統(tǒng)反射偏振器的暗態(tài)光再循環(huán)根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的暗態(tài)再循環(huán)能通過(guò)比較在圖4A和圖4B中的光特性和圖2A和圖2B的傳統(tǒng)布置的光特性來(lái)說(shuō)明。
參考圖2A和圖2B，沒(méi)有暗態(tài)光再循環(huán)和通過(guò)反射偏振器52b完成傳統(tǒng)的偏振再循環(huán)，從所占百分比為1-x的亮像素12發(fā)射的光的總通量是ItotalRP=0.5I0T||2Tlc2(1-x)Tr1-0.5RrR≤2Itotal0]]>參考圖4A和圖4B，另外的暗態(tài)光再循環(huán)代替放置在前吸收性偏振器50a和LC組件54a或者54b之間的反射偏振器52a，從所占百分比為(1-x)的亮像素12產(chǎn)生總通量是
IDSRP≈0.5I0T||2Tlc(1-x)Tr1-0.5RrRTf1-T||2Tlc2RfRx.]]>與用傳統(tǒng)反射偏振器的偏振再循環(huán)的情況相比的增益被定義為GainDSRP=IDSRPItotalRP-1≈11-T||2Tlc2RfRx-1]]>在理想情況下，T∥、Tlc、Tf、Rf和R全部等于1，因此GainDSRP=11-x-1.]]>因此，理想地，當(dāng)x接近100％時(shí)，最大的增益沒(méi)有上限。當(dāng)x＝50％時(shí)，增益是100％。當(dāng)x＝0％時(shí)，增益為0％。
假設(shè)f=T||2Tlc2RfR,]]>那么GainDSRP=Tf1-fx-1.]]>在實(shí)際中，T∥≌0.95，Tlc≌0.95，Tf≌0.9，Rf≌0.95，R≌0.9，f≌0.7。在這種情況下，當(dāng)x接近100％時(shí)，GainDSRP=200%.]]>當(dāng)x＝50％時(shí)，GainDSRP=38%.]]>LCD系統(tǒng)根據(jù)本發(fā)明的再循環(huán)暗態(tài)光給LCD的亮態(tài)像素提供了比沒(méi)有暗態(tài)光再循環(huán)的傳統(tǒng)顯示器的相同的像素將接收的更多的光。如在上面的說(shuō)明書(shū)中給出的，附加亮度的遞增量部分地依賴(lài)于暗像素的百分比x。在一些情況下，優(yōu)選對(duì)給定的像素?cái)?shù)據(jù)值維持像素亮度的一致等級(jí)，而不管暗像素的百分比x。通過(guò)基于暗像素的百分比x動(dòng)態(tài)調(diào)整背部照明單元56的源亮度，本發(fā)明還提供一種用于維持這種一致亮度特性的設(shè)備和方法。參考圖10的方框圖，其中示出提供了亮度控制的另外的組件?？刂七壿嬏幚砥?0接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)并計(jì)算暗像素的百分比x?；谶@種計(jì)算，控制邏輯處理器60調(diào)制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路62，其提供可變信號(hào)給背部照明單元56。光源提供能被控制的輸出。背部照明單元56的光源可以是發(fā)光二極管(LED)、LED陣列或具有充分快速的強(qiáng)度以響應(yīng)于變化的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的其他類(lèi)型的光源。
亮度調(diào)整的控制邏輯是直接的，如圖11的示例方框圖中所示。對(duì)于每個(gè)圖像，圖像數(shù)據(jù)在獲得數(shù)據(jù)步驟100中被訪問(wèn)。接著運(yùn)行暗像素百分比計(jì)算步驟110，其中暗像素百分比x由該數(shù)據(jù)計(jì)算得出?；谠诹炼燃?jí)計(jì)算步驟120運(yùn)行的該計(jì)算，其中控制邏輯使用諸如方程或使用查找表計(jì)算新的亮度級(jí)?；谶@種計(jì)算的驅(qū)動(dòng)值，運(yùn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)整步驟130，將這個(gè)數(shù)值作為模擬或數(shù)字信號(hào)引向驅(qū)動(dòng)電路62。圖11的控制邏輯能用于個(gè)別圖像或用作為每個(gè)連續(xù)圖像重復(fù)的控制回路。
反射偏振器類(lèi)型本發(fā)明的設(shè)備和方法能使用大量不同類(lèi)型的反射偏振器，包括線柵偏振器(可從猶他奧勒姆Moxtek公司得到)、圓偏振器(例如具有四分之一波延遲器的膽甾醇型液晶組件)、或基于多層干涉的偏振器，例如由MN(明尼蘇達(dá)州)圣保羅3M生產(chǎn)的VikuitiTM雙重亮度增強(qiáng)薄膜。在線柵偏振器中，在玻璃基底上形成薄線。線能面向液晶層，起到電極、對(duì)準(zhǔn)和反射偏振器的作用。線也能面向前偏振器。還能使用其他已知的反射偏振器。反射偏振器能耦接到液晶空間光調(diào)制器的表面，意味著反射偏振器和液晶光調(diào)制器共用共同的基底。反射偏振器能放置在基底的內(nèi)部或外部。
為了最好的性能，反射偏振器應(yīng)該呈現(xiàn)盡可能小的延遲性，從而不會(huì)對(duì)亮態(tài)或暗態(tài)像素產(chǎn)生不利的效果。如果具有延遲，基底的光軸最好與反射偏振器的透光軸布置成平行或正交?？梢院喜⒈绢I(lǐng)域已知的補(bǔ)償薄膜來(lái)增強(qiáng)反射偏振器的視覺(jué)角度、對(duì)比度和顏色純度。
本發(fā)明已經(jīng)關(guān)于其中特定的優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)地進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解的是，能在上述的本發(fā)明的范圍和所附的權(quán)利要求內(nèi)進(jìn)行變化和修改，而不會(huì)背離本發(fā)明的范圍。例如，LC特性空間光調(diào)制器的亮態(tài)和暗態(tài)特性能被顛倒，如關(guān)于圖3G和圖3H所示。使用在前偏振器50a和后偏振器50b之間的反射偏振器52a迫使對(duì)這些其他的偏振組件的設(shè)計(jì)產(chǎn)生一些變化成為一種必要，如光學(xué)領(lǐng)域技術(shù)人員可以很好理解的。反射偏振器52a能交替地合并在LC組件52a/52b的表面上，使得空間光調(diào)制器本身包括這個(gè)反射偏振組件。
因此，公開(kāi)的是一種使用反射偏振器以再循環(huán)暗態(tài)光的LCD顯示器，提供增強(qiáng)的效率和亮度。
零件列表10LCD顯示器12亮像素14暗像素20、30、40LCD顯示器50a前吸收性偏振器50b后吸收性偏振器52a反射偏振器52b反射偏振器54a斷開(kāi)狀態(tài)LC組件54b接通狀態(tài)LC組件54c斷開(kāi)狀態(tài)LC組件54d接通狀態(tài)LC組件56背部照明單元57反射薄膜60控制邏輯處理器62驅(qū)動(dòng)電路100獲得數(shù)據(jù)的步驟110暗像素百分比計(jì)算步驟120亮度級(jí)別計(jì)算步驟130驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)整步驟
權(quán)利要求
1.一種液晶顯示器，包含(a)用于提供基本非偏振照明的背部照明單元；(b)后偏振器，設(shè)置成鄰近背部照明單元用于接收入射的基本非偏振照明和傳輸基本偏振的照明；(c)液晶空間光調(diào)制器，通過(guò)選擇性的、基本偏振照明的偏振的像素值調(diào)制形成顯示光束；以及，(d)反射偏振器，布置在所述液晶空間光調(diào)制器和前偏振器之間，所述反射偏振器將一部分暗態(tài)光反射回背部照明單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其中所述反射偏振器耦接到所述液晶空間光調(diào)制器的表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其中所述反射偏振器的透光度大于75％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，進(jìn)一步包含設(shè)置在后偏振器和背部照明單元之間的附加反射偏振器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，進(jìn)一步包含布置在后偏振器和背部照明單元之間的準(zhǔn)直薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，進(jìn)一步包含補(bǔ)償薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其中所述前偏振器和后偏振器的各自的透光軸在±10度范圍內(nèi)彼此平行。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其中所述前偏振器和后偏振器的各自的透光軸在±10度范圍內(nèi)彼此垂直。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其中所述前偏振器和反射偏振器的各自的透光軸在±10度范圍內(nèi)彼此平行。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其中所述反射偏振器是線柵偏振器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其中所述反射偏振器包含基于多層干涉的偏振器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其中所述反射偏振器包含具有四分之一波延遲器的圓偏振器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其中所述背部照明單元包含至少一個(gè)具有能被控制的輸出的光源。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的液晶顯示器，其中所述光源包含一個(gè)或多個(gè)光發(fā)射二極管。
15.一種液晶顯示器，包含(a)提供基本非偏振照明的背部照明單元；(b)第一反射偏振器，具有透光軸，用于(i)傳輸來(lái)自其偏振與所述透光軸平行的基本非偏振的背部照明單元的照明的光的一部分；以及，(ii)反射具有與所述透光軸垂直的偏振的光；(c)后偏振器，用于接收從第一反射偏振器傳輸?shù)钠窆猓?d)液晶空間光調(diào)制器，通過(guò)選擇性的、非偏振照明的偏振的像素值調(diào)制形成圖像；以及，(e)第二反射偏振器，設(shè)置在液晶空間光調(diào)制器和前偏振器之間，用于將暗態(tài)光的一部分從液晶空間光調(diào)制器反射回背部照明單元。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液晶顯示器，其中所述第二反射偏振器耦接到LC空間光調(diào)制器的表面。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液晶顯示器，其中所述第二反射偏振器的透光度大于75％。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液晶顯示器，進(jìn)一步包含設(shè)置在后偏振器和背部照明單元之間的準(zhǔn)直薄膜。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液晶顯示器，進(jìn)一步包含補(bǔ)償薄膜。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液晶顯示器，其中所述前偏振器和后偏振器的各自的透光軸在±10度范圍內(nèi)彼此平行。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液晶顯示器，其中所述前偏振器和后偏振器的各自的透光軸在±10度范圍內(nèi)彼此垂直。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液晶顯示器，其中所述前偏振器和第二反射偏振器的各自的透光軸在±10度范圍內(nèi)彼此平行。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液晶顯示器，其中所述第一反射偏振器是線柵偏振器。
24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液晶顯示器，其中所述第二反射偏振器是線柵偏振器。
25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液晶顯示器，其中所述第二反射偏振器包含基于多層干涉的偏振器。
26.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液晶顯示器，其中所述第二反射偏振器包含具有四分之一波延遲器的圓偏振器。
27.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液晶顯示器，其中所述背部照明單元包含至少一個(gè)具有能被控制的輸出的光源。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的液晶顯示器，其中所述光源包含一個(gè)或多個(gè)光發(fā)射二極管。
29.一種用于調(diào)整顯示器亮度的方法，包含a)將背部照明提供給透射液晶顯示器組件；b)根據(jù)圖像數(shù)據(jù)通過(guò)背部照明的偏振的像素值調(diào)制形成圖像光束；c)將反射偏振器設(shè)置在圖像光束的路徑中；d)基于圖像數(shù)據(jù)確定暗像素與亮像素的相對(duì)比例；以及，e)基于顯示的圖像的暗像素與亮像素的相對(duì)比例調(diào)制背部照明亮度級(jí)別。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述調(diào)制背部照明亮度級(jí)別的步驟包含改變驅(qū)動(dòng)電流到可被控制的光源的步驟。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述光源包含一個(gè)或多個(gè)LED。
全文摘要
一種液晶裝置顯示器(20)，具有用于提供基本非偏振照明的背部照明單元(56)，后偏振器(50b)，其設(shè)置成鄰近背部照明單元(56)用于接收入射的基本非偏振照明和傳輸基本偏振照明，液晶空間光調(diào)制器，通過(guò)選擇性的、基本非偏振照明的偏振的像素值調(diào)制形成顯示光束，以及反射偏振器(52a)，設(shè)置在液晶空間光調(diào)制器和前偏振器(50a)之間，所述反射偏振器(52a)將一部分暗態(tài)光向背部照明單元(56)反射回來(lái)。
文檔編號(hào)G09G3/34GK101069120SQ200580030581
公開(kāi)日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月13日
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