CN108051947B - 一种色域拓宽装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种色域拓宽装置。该装置的组成为：在光路方向上，依次设置有平行排列的起偏偏光装置和M组第一基本单元；每个第一基本单元包括顺次排列的相位延迟片组和检偏偏光装置，M＝1～5；所述的相位延迟片组由平行排列的N片相同的相位延迟片组成，N＝1～20，每片相位延迟片的光轴方位角度为：±[(2K‑1)*90/(2N)]+m度；或者，当N为4的倍数加1时，相位延迟片组中，从第一片相位延迟片起，每4个相位延迟片的光轴方位角度依次为±45度、90度、±45度、0度，最后一个相位延迟片的光轴角度为±45度。本发明装置的光学结构简单，可以实现超过140％NTSC的色域，可以通过更低的成本来实现更好的宽色域效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种由相位延迟片与偏光装置构成的色域拓宽装置，可应用于显示器件和光源光谱调控。
背景技术
近年来，高色域光源成为了研究的热点，光源的色域取决于光源的发光质量，包括光谱中发光峰的位置以及发光峰的半峰全宽，发光峰的位置决定色彩的颜色，发光峰的位置越接近红绿蓝三原色的波长范围，光源的显色特性越好，发光峰的半峰全宽决定色彩的纯度，发光峰的半峰全宽越窄，色彩越纯，光源的色域越宽。
现有宽色域光源技术大体可以分为两种，一种是以使用单色光性能好的电致发光二极管技术为代表的光源技术，其发光效果完全取决于光源，价格昂贵；另一种是以光致量子点发光技术为代表的背光源色域拓宽方法，其发光效果取决于色域拓宽装置对于指定波长光的吸收或反射。在背光源色域拓宽方法中，包括现有的以量子点膜作为色域拓宽装置的光致量子点发光技术(如发明名称为“量子点滤色器和包括该量子点滤色器的显示装置”的中国发明专利 No.201610915843.3)，使用蓝光来激发绿色和红色量子点材料，实现红绿蓝三颜色光的发射；或者使用颜色陷波滤波器作为色域拓宽装置的技术(发明名称为“具有宽色域和能量效率的高动态范围显示器”的中国发明专利No.201280041032.5)，使用颜色陷波滤波器对光源的白光进行控制，使部分颜色的光不能通过，来实现色域增宽；或者使用滤波器作为色域拓宽装置的技术(如发明名称为“以滤波器包封的有机发光二极管显示器”的中国发明专利No.200980117147.6)，使用光学滤波器对光源的光进行控制，实现出射光的色域控制；又或者以及使用函数反射偏光片作为色域拓宽装置的技术(发表论文题目“Enlarging the color gamut of liquid crystal displays with a functionalreflective polarizer”,期刊Optics Express,Vol.25,102-111,2017)，使用函数反射偏光片来实现偏振光的同时，对部分波长的光进行全反射，从而出射的光中缺少部分波长的光，实现宽色域。这些技术都是将色域拓宽装置与光源组合，产生的宽色域光源，在这些技术中光致量子点发光技术是唯一在实际中得到应用的技术，可以实现最高110％NTSC色域标准的发光效果，但是由于其材料特性使其仍然面临着高昂的制作成本(约为普通显示器的2倍)，其它技术理论上可以进一步提高光源色域至 120％NTSC色域标准，但是由于在色域拓宽装置中包括了数量巨大的在纳米尺寸的复杂结构以及与之配套的其它电子器件，使得其生产难度与结构复杂程度达到了相当高的水平，所以至今未得到实际的应用。
发明内容
为了解决现有宽色域光源制备难度大，结构复杂，成本高昂的问题，本发明提供了一种色域拓宽装置。通过将起偏偏光装置、相位延迟片组以及检偏偏光片依次按一定角度平行排列，构成了一个光学***，按照本发明排列的相位延迟片对不同波长的偏振光作用不同，最终的透射光仅在特定波长范围具有高透过率，实现了宽色域光源的效果。与现有的宽色域光源技术相比，本发明对于宽色域的实现不依赖于量子点等特殊的材料；各结构采用普通的偏光片和相位延迟片，制作精度在微米量级即可，同时与现有液晶显示器件所使用的材料具有通用性能，所以结构所需的生产难度低；装置功能的实现仅依赖于光学结构，与光源的组合简单，降低了应用环境的要求。本发明可以通过更容易的制作工艺来实现宽色域的光源效果。
本发明的技术方案为：
一种色域拓宽装置，该装置的组成包括：
在光路方向上，依次设置有平行排列的起偏偏光装置和M个第一基本单元；第一基本单元包括相位延迟片组和检偏偏光装置，M＝1～5；
所述的起偏偏光装置为吸收型偏光片、偏振选择器、金属线栅或者反射型偏光片；
所述的检偏偏光装置为吸收型偏光片、偏振选择器、金属线栅或者反射型偏光片；
所述起偏偏光装置的透光轴方向为0度；在此基准下：
所述的检偏偏光装置的透光轴角度为0度或90度，优选为0度。
所述的相位延迟片组由平行排列的N片相同的相位延迟片组成，N＝1～20的整数，优选为 1～5；
所述的相位延迟片组中，每片相位延迟片的光轴方位角度为：±[(2K-1)*90/(2N)]+m度；其中，K为相位延迟片的次序数，m＝-10～10，优选为m＝0；涉及的角度中同时为正或同时为负；
或者，当N为4的倍数加1时，相位延迟片组中，从第一片相位延迟片起，每4个相位延迟片的光轴方位角度依次为±45度、90度、±45度、0度；最后一个相位延迟片的光轴角度为±45度；涉及的角度中同时为正或同时为负；
所述的相位延迟片对于在可见光范围内波长为500纳米-550纳米的某一单波长光为多级全波片，波片级数在2～9的范围内。
所述的相位延迟片组中，其中的相位延迟片排列顺序和光轴角度确定后，相位延迟片组在装置中可以为全部正向或反向顺序排列。
本发明的有益效果为：
与现有的量子点技术相比，本发明对于高光源色域的实现不依赖于特殊材料和复杂的微结构，降低了工艺生产难度，同时与量子点技术相比，受使用环境的制约小，可以应用于现有的所有类型的显示器件当中，并且本发明中使用的材料可以为普通的补偿膜材料，所以使用寿命是无限制的；将本发明的装置直接贴在光源或显示器外侧，就可以使用，因此工艺生产非常容易。本发明装置的光学结构简单，与光源的组合简单，即可放在显示器的最外侧，也可以放在液晶显示器的背光模组中，也可以直接放在LED背光源的发光部件前端，直接调控发出光的波段。与现有其它光学结构技术相比，本发明可以在现有的工艺条件下实现色域拓宽效果。应用本发明装置，可以实现超过140％NTSC的色域，比量子点膜最高110％NTSC的色域大了很多，并且本发明可以通过更低的成本来实现更好的宽色域效果。
附图说明
图1为光源或显示屏与色域拓宽装置结构图；
图2为起偏偏光装置的四种类型的结构图；其中，图2(a)为普通偏光片的结构图，图2 (b)为偏振选择器的结构图，图2(c)为金属线栅的结构图，图2(d)为反射式偏光片的结构图；
图3为一种相位延迟片(聚碳酸酯)的双折射率与波长的关系图；
图4为实施例1中的装置结构图、透射光谱和色域图；其中，图4(a)为结构中有一个相位延迟片的装置结构图,图4(b)为透射光谱，图4(c)为色域图
图5为实施例2中的装置结构图、透射光谱和色域图；其中，，图5(a)为第二种有一个相位延迟片的装置结构图,图5(b)为透射光谱，图5(c)为色域图
图6为实施例3中的装置结构图、透射光谱和色域图；其中，，图6(a)为含有两个相位延迟片的装置结构图,图6(b)为透射光谱，图6(c)为色域图
图7为实施例4中的装置结构图、透射光谱和色域图；其中，，图7(a)为含有三个相位延迟片的装置结构图,图7(b)为透射光谱，图7(c)为色域图
图8为实施例5中的装置结构图、透射光谱和色域图；其中，，图8(a)为含有四个相位延迟片的装置结构图,图8(b)为透射光谱，图8(c)为色域图
图9为实施例6中的装置结构图、透射光谱和色域图；其中，，图9(a)为第一种含五个相位延迟片的装置结构图,图9(b)为透射光谱，图9(c)为色域图
图10为实施例7中的装置结构图、透射光谱和色域图；其中，，图10(a)为第二种含五个相位延迟片的装置结构图,图10(b)为透射光谱，图10(c)为色域图
图11为实施例8，图11(a)为含有9个相位延迟片的装置结构图,图11(b)为透射光谱，图11(c)为色域图
图12为实施例9中的装置结构图、透射光谱和色域图；其中，，图12(a)为一种含有3个偏光片和14个相位延迟片的装置结构图,图12(b)为透射光谱图，图12(c)为色域图
图13为实施例10中的装置结构图、透射光谱和色域图；其中，，图13(a)为一种含有3 个偏光片和10个相位延迟片的装置结构图,图13(b)为透射光谱图，图13(c)为色域图。
具体实施方式
如图1所示，色域拓宽装置可以用于各种光源器件，用来调整光源发出的光谱特性，拓宽光源的色域；或者用于各种显示器件，用来拓宽显示器的显示色域。色域拓宽装置放置在光源或显示屏上面，从下向上分别为起偏偏光装置1，相位延迟片组2，检偏偏光片3，起偏偏光装置1的透光轴与检偏偏光片3的透光轴平行或垂直。相位延迟片组2有一个或多个相位延迟片组成，相位延迟片的光轴(慢轴)平行于延迟片平面，所用材料可以为各种具有双折射率的材料，一般为无机晶体材料和有机高分子材料。本发明中以下实施例具体使用的双折射率材料均为聚碳酸酯，光源均采用全谱光源。
图2为本装置中所用起偏偏光装置1的四种类型。(a)为普通偏光片11，自然光透过时，透过平行于偏光片透光轴的偏振光，吸收垂直于偏光片透光轴的偏振光，也可以为显示器本身的外偏光片；(b)为偏振选择器12，透过平行于入射面121的偏振光，反射垂直于入射面的偏振光；(c)为金属线栅13，透过垂直于金属线条131的偏振光，反射平行于金属线条的偏振光； (d)为反射式偏光片14，有光学各向异性的膜层141和光学各向同性的膜层142组成，光学各向异性膜的两个折射率中的一个与光学各向同性膜的折射率相等，透射偏振方向为折射率相等方向的偏振光，反射另外一个方向的偏振光。所有反射的偏振光可以经过光源或显示器背光模组中的反射镜再反射回来加以利用。检偏偏光片一般为吸收型偏光片。在本发明中使用的是理想偏光片，以上各种起偏偏光装置和检偏偏光装置，在不考虑反射光的再次利用情况下的极限光学特性，即为理想偏光片的特性：透过一个方向的线偏振光，吸收另外一个方向的线偏振光。
图3为本发明专利中所使用的一种相位延迟片(聚碳酸酯)的双折射率与波长之间的关系，双折射率随着波长的增加而减小，该相位延迟片的厚度在不加特殊说明的情况下优选为20微米。在满足光学器件色域要求的情况下，相位延迟片的双折射率与波长的关系、以及其厚度不受这里的参数限定。
在光路上依次设置有平行排列的起偏偏光装置，相位延迟片组，检偏偏光片。透过起偏偏光装置被利用的偏振光的偏振方向定义为0度，并以此作为后面各光学器件光轴(透光轴或延迟片的光轴)方位角度的参考。起偏偏光装置可分为普通的吸收型偏光片，偏振选择器，金属线栅，或者反射型偏光片，用来产生线偏振光。检偏偏光片使用吸收型偏光片，检偏偏光片的透光轴方向可以为0或90度，用于透过所需要波长的光和遮掩不需要波长的光，检偏偏光片的透光轴方向为其它角度，则不能够完全遮掩不需要波长的光，因此不能够达到最优的色域拓宽而被放弃。相位延迟片组放置在起偏偏光装置和检偏偏光片之间，对不同波长的偏振光进行相位调制，从而达到从检偏偏光片出射的光中，所需要波长的光具有最大透过率，同时能够降低不需要部分波长光的透过率或阻挡不需要部分波长光的透过。
相位延迟片组所用的相位延迟片为晶体材料或聚合物材料制作的相位延迟片，其光轴(特殊折射率方向)平行于相位延迟片的平面，所用的相位延迟片优选相同材料制作的具有相同双折射率和厚度的膜片。所用相位延迟片的数量可以为一片，两片，三片，四片，五片，按照需要可以使用很多片。所用相位延迟片的延迟量在可见光范围内至少在3个波长处呈现全波片的特性，可以表示为：△n*d/λ＝k(k为整数，△n为相位延迟片的双折射率，d为相位延迟片的厚度)，当λ为不同值时，k也为不同值。当起偏偏光装置产生的线偏振光进入到相位延迟片组中，呈现全波片的光的偏振状态不发生变化，可以保持线偏振的特性，其它波长的光则可能会发生偏振状态的变化，通过控制相位延迟片的光轴角度来控制偏振状态的变化，使其在通过相位延迟片后，偏振状态与呈现全波片的光的偏振状态相垂直。从而在光轴平行或垂直的起偏偏光装置和检偏偏光片的作用下，形成对可见光进行选择性波段透过，也可对已知的各种光源进行波段调整，从而获得色域增宽的效果。
在控制透过该装置的光波段变化时，可以通过增加相位延迟片厚度达到透射光谱的红移，减小相位延迟片厚度达到透射光谱的蓝移，从而实现光谱三基色位置的变化。
下面结合附图对本发明实现色域增宽的特性进一步说明。
实施例1，如图4(a)所示为第一种含有一个相位延迟片的色域装置结构图，起偏偏光装置1的透光轴与检偏偏光片3的透光轴平行(角度为0度)，相位延迟片211的优选光轴角度为正45度或负45度，两种的效果相同；相位延迟片对于520纳米的光为4级全波片，即采用聚碳酸酯材料，厚度为20微米(以下实施例也选取这种相位延迟片，但不限定于此)。对可见光范围内不同波长情况下具有相同光强度的自然光，其透过光的偏振方向为0度方向，透过率与波长的关系如图4(b)所示，其透过率在445、520和660纳米处有峰值，相位延迟片对这几个波长的光表现为全波片特性，相位延迟片不会改变这几个波长光的偏振特性，因此有最大的透过率；在峰值之间存在透过率为零的波长，相位延迟片对这些波长的光表现为半波片特性，可以把0度方向偏振的光旋转到90度方向，从而被检偏偏光片吸收而不能透过；其它波长的光被改变偏振状态和偏振方向，从而被检偏偏光片部分吸收部分透过；这类光谱可被认为是红绿蓝三基色所构成的光谱，其色度坐标如图4(c)所示，该色度坐标为CIE1931坐标系，该光谱的色域面积与NTSC标准(1953)的色域面积之比为116％，也就是说该色域拓宽装置比传统的色域控制方法所获得色域面积大了16％，在显示器显示颜色方面具有多16％的颜色种类的显示。
实施例2，如图5(a)所示为第二种含有一个相位延迟片的色域装置结构图，其结构与实施例1仅有检偏偏光片的角度不同，其检偏偏光片31的透光轴角度为90度，此结构下相位延迟片的优选厚度为23.5微米，透过率与波长的关系如图5(b)所示，透过率在405、450、520 和640纳米处有峰值，其色度坐标如图5(c)所示，该光谱的色域面积与NTSC标准的色域面积之比为111％，相比实施例1稍小，但依然能够得到比传统色域控制方法得到的色域面积大的结果。
实施例3，与实施例1所不同的内容为使用了两个相位延迟片，结构如图6(a)所示，其中第一相位延迟片231和第二相位延迟片232的优选厚度为20微米，其优选光轴角度分别为 22.5和67.5度，或者为-22.5和-67.5度，两个相位延迟片的光轴角度前后顺序调换，结果相同，透过率与波长的关系如图6(b)所示，相比于实施例1，每个峰对应的半高峰宽减小了，透过率为零的波长宽度增大了，也可以说是红绿蓝三基色的颜色更纯了，其色度坐标如图6(c) 所示，该光谱的色域面积与NTSC标准的色域面积之比为128％。
实施例4，与实施例3相比增加了一个相位延迟片，如图7(a)所示，第一相位延迟片241、第二相位延迟片242和第三相位延迟片243的优选光轴角度顺序分别为15、45和75度，或者为-15、-45和-75度，三个相位延迟片的光轴角度按照顺序反过来，结果相同，透过率与波长的关系如图7(b)所示，每个峰对应的半高峰宽更小了，其色度坐标如图7(c)所示，该光谱的色域面积与NTSC标准的色域面积之比为137％。
实施例5，与实施例4相比增加了一个相位延迟片，如图8(a)所示，第一相位延迟片251、第二相位延迟片252、第三相位延迟片253和第四相位延迟片254的优选光轴角度顺序分别为 11.25、33.75、56.25和78.75度，或者为-11.25、-33.75、-56.25和-78.75度，四个相位延迟片的光轴角度按照顺序反过来，结果相同，透过率与波长的关系如图8(b)所示，其色度坐标如图8(c)所示，该光谱的色域面积与NTSC标准的色域面积之比为137％。
实施例6，与实施例5相比增加了一个相位延迟片，如图9(a)所示，第一相位延迟片261、第二相位延迟片262、第三相位延迟片263、第四相位延迟片264和第五相位延迟片265的优选光轴角度顺序分别为9、27、45、63和81度，或者为-9、-27、-45、-63和-81度，五个相位延迟片的光轴角度按照顺序反过来，结果相同，透过率与波长的关系如图9(b)所示，其色度坐标如图9(c)所示，该光谱的色域面积与NTSC标准的色域面积之比为139％。
实施例7，与实施例6所用相位延迟片数量相同，如图10(a)所示，不同之处为第一相位延迟片271、第二相位延迟片272、第三相位延迟片273、第四相位延迟片274和第五相位延迟片275的优选光轴角度顺序分别为45、90、45、0和45度，或者为-45、90、-45、0和-45度，第二和第四相位延迟片的光轴角度互换，结果相同，透过率与波长的关系如图10(b)所示，其色度坐标如图10(c)所示，该光谱的色域面积与NTSC标准的色域面积之比为136％，该结构与实施例6相比，色域面积稍小。
实施例8，使用9片相位延迟片来实现色域增宽效应，如图11(a)所示，第一相位延迟片 281至第九相位延迟片289的优选光轴角度顺序分别为(2k-1)×5度(k＝1,2…9)，或者为-(2k-1) ×5度(即具体分别为1*90/18度、3*90/18度、…(2k-1)*90/18度…17*90/18度)，顺序反过来，结果相同，透过率与波长的关系如图11(b)所示，其色度坐标如图11(c)所示，该光谱的色域面积与NTSC标准的色域面积之比为142.5％。
实施例9，使用实施例6和实施例8的叠加，如图12(a)所示，使用一个起偏偏光装置和两个检偏偏光片，实施例6的结构和实施例8的结构共用中间的检偏偏光片3，两个实施例的结构上下位置互换，结果相同，透过率与波长的关系如图12(b)所示，其色度坐标如图12(c) 所示，该光谱的色域面积与NTSC标准的色域面积之比为148％。
实施例10，使用2个实施例7的叠加，如图13(a)所示，使用一个起偏偏光装置和两个检偏偏光片，2个实施例的结构共用中间的检偏偏光片3，透过率与波长的关系如图13(b)所示，从图中可以看到在实施例7结果中的两个透过率峰值之间的小峰没有了，其色度坐标如图 13(c)所示，该光谱的色域面积与NTSC标准的色域面积之比为146％，相比于实施例7的136％增大了10％。
其它利用本发明专利中的基本结构使用其它数量相位延迟片，以及使用两个实施例或更多实施例组合来实现拓宽色域的结构，均属于本发明专利范畴。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (4)
1.一种色域拓宽装置，其特征为该装置的组成为：
在光路方向上，依次设置有平行排列的起偏偏光装置和M个第一基本单元；第一基本单元包括相位延迟片组和检偏偏光装置，M＝1～5；
所述的起偏偏光装置为吸收型偏光片、偏振选择器、金属线栅或者反射型偏光片；
所述的检偏偏光装置为吸收型偏光片、偏振选择器、金属线栅或者反射型偏光片；
所述的起偏偏光装置出射的偏振光偏振方向为0度；
所述的检偏偏光装置的透光轴角度为0度或90度；
所述的相位延迟片组由平行排列的N片相同的相位延迟片组成，N＝1～20的整数；
所述的相位延迟片组中，每片相位延迟片的光轴方位角度为：±[(2K-1)*90/(2N)]+m度；其中，K为相位延迟片的次序数，m＝-10～10；涉及的角度中同时为正或同时为负；
或者，当N为4的倍数加1时，相位延迟片组中，从第一片相位延迟片起，每4个相位延迟片的光轴方位角度依次为±45度、90度、±45度、0度；最后一个相位延迟片的光轴角度为±45度；涉及的角度中同时为正或同时为负；
所述的相位延迟片对于在可见光范围内波长为500纳米-550纳米的某一单波长光为多级全波片，波片级数在2～9的范围内；
所述的相位延迟片组中相位延迟片的片数为1～5。
2.如权利要求1所述的色域拓宽装置，其特征为所述的相位延迟片组中，其中的相位延迟片排列顺序和光轴角度确定后，相位延迟片组在装置中为全部正向或反向顺序排列。
3.如权利要求1所述的色域拓宽装置，其特征为所述的检偏偏光装置的透光轴角度为0度。
4.如权利要求1所述的色域拓宽装置，其特征为所述的相位延迟片组中相位延迟片的光轴方位角度里，m＝0。
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