CN1125367C - 显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种设有波导部件的透射反射式显示装置，该波导部件将从侧面或上方入射的光分离为两个互相垂直的偏振方向。偏振分离在光导部件的两种材料的界面处发生，这两种材料对一个偏振方向具有相同的折射系数，对另一偏振方向具有不同的折射系数。

Description

显示装置
本发明涉及一种由显示板和照明***组成的显示装置，该显示板有一在象素位置处装有电极的第一衬底、一透光的第二衬底和在该两衬底之间的液晶材料，该照明***位于第二衬底的背向液晶材料的一侧，它包括一个由光学透明材料制成的光导部件，该部件有一个面对显示板的出射表面和多个端面，在这些端面的至少一个的对置处安置一个光的入射面，由此光能够在光导部件的该端面处耦合入射。
此种反射式显示装置例如用于便携式设备如便携式计算机、移动电话、个人偏排器等。从节能观点看，当有足够的环境光时，希望光源能够关掉。
上述类型的显示装置描述于SID 96申请书摘要集PP.43-46的“反射式显示器用的紧凑型前照明装置”。在该文件中描述一种光导部件，其上加一光学补偿器，以防止由于光导部件的观看者一侧上的凹槽结构(微棱镜)而产生的图象失真。图象失真可能由于凹槽结构具有不同坡度由此造成多重图象而产生。凹槽结构对于沿显示板方向反射光线是必需的。在上述出版物中，通过提供一个具有互补式凹槽结构的光学补偿器来防止多重图象。
为了合适地起作用，两个光学部件(光导部件和光学补偿器)之间的空气间隙必须在整个平面上有一小的精确限定的厚度。这需要极精确的安装步骤，而空气间隙厚度中的每个局部变化产生光学行为的变化和图象失真。
本发明的目的是提供对上述问题的解决方法。
为达到该目的，根据本发明的一种显示装置的特征在于，一个偏振器位于光导部件和显示板之间，而该光导部件包括用于使入射光偏振的偏振机构。
该偏振器可以整体形成于显示装置中。
偏振机构的作用是，一方面，类似于已知装置中的凹槽结构，就是使从光源来的光线沿显示板方向偏转，而另一方面，只有偏振光在出射表面处通过。偏振光随后通过偏振器(在该情况下，偏振机构和偏振器的偏振假定是相同的)。为此目的，偏振机构最好位于光导部件的出射表面位置处。
通过偏振器的反射光也沿观看者方向通过偏振机构和光导部件的另一部分。因为偏振机构是在光导部件中整体形成的，所以可以免去上述安装步骤(同时光学行为的变化不再发生)。
从观看者一侧入射的光束与垂线形成的入射角小于光导部件一空气界面处的临界角，入射光束与其偏振方向无关地耦合出射。偏振器通过合适偏振的光，该光随后由显示板的反射电极反射，并再一次通过偏振器和光导部件。
由于偏振，一股从光源产生的非偏振光束分离为两个互相垂直的偏振的光束分量。获得这样一种偏振分离的方法例如是，使该非偏振光束撞击在具有折射系数为np的各向同性材料的区域和具有折射系数为no和ne的各向异性材料的区域之间的界面上，其中两个系数no或ne之一等于或基本上等于np。如果一股非偏振光束入射在这样一个界面上，与各向同性和各向异性材料之间的过渡处的折射系数差别无关的光束分量不受反射地通过，而另一光束分量偏转或反射。
如果np等于或基本上等于no，普通光束不偏转地通过各向同性材料和各向异性材料之间的界面，而如果np等于或基本上等于ne，这样一个界面不偏转地通过异常光束。
以小于临界角的角度入射在光导部件一空气界面上的偏转的光束分量再一次耦合出射，而偏振器再一次通过适当偏振的光，后者随后由显示板的反射电极反射。
最好是，偏振机构的偏振方向与偏振器的偏振方向相同。在该情况下，在例如以(扭转)向到液晶效应和铁电效应为基础的显示板中不损失光。如果偏振机构和偏振器的偏振方向不同，那么可以利用相位板来防止光的损失。
上述偏振一分离可以用各种方法得到。
本发明的第一实施例的特征在于，光导部件设有一层材料(如涂层)，它不同于光导部件其它部分的材料，并在于该偏振机构是由该层材料和光导部件的其它部分之间的异型轮廓界面形成的，光导部件的其它部分的材料或该层材料为光学各向异性的，而另一材料为光学各向同性的。
一个第二实施例的特征在于，该光导部件设有许多个凹槽，它们由不同于光导部件其它部件的材料构成，并在于该偏振机构是由凹槽和光导部件其它部分之间的界面形成的，光导部件其它部分的材料或凹槽中的材料是光学各向异性的，而另一材料是光学各向同性的。
这样一种光导部件本质上从WO 97/08582(PHN 15.415)已知。
在所述文件中，在与光导部件出射表面对置的表面处以小于临界角的角度入射在光导部件一空气界面上的光线，通过给该表面装设一个反射器而被防止耦合出射。
为了防止此种光线的耦合出射，根据本发明的另一种显示装置优选实施例的特征在于，耦合入射机构位于一个光源和该光导部件之间，该机构将一股耦合入射的光线和光导部件的一个平行于出射面的平面之间的角度限制为最大15度。
最好是，对于光导部件的光学各向同性部分，np等于或基本上等于n。
对于可以应用于这样一种光导部件的聚合物，通常应用ne相当高，而上述选择可以更容易地实现为np等于或基本上等于ne。对于光学各向异性材料，最好是选择一种各向异性聚合物凝胶或一种各向异性聚合物网状物。
这些材料可以非常合适地用作涂敷涂层或填充凹槽用的双折射材料，仅需要少量。
参考下述实施例，可以清楚本发明的上述和其它方面。
附图中：
图1是本发明的反射式显示装置的实施例的截面图。
图1中示意地表示一种显示装置1，包括一个显示板2和一个照明***7。
显示板2在两个衬底3、4之间包括一种液晶材料5，其作用是以扭转向到(TN)、超扭转向到(STN)或铁电效应为基础，来调制其上入射光的偏振方向。显示板包括(例如)一个象素矩阵，其反光图象电极6设置在衬底3上。衬底4是透光的。为简单起见，假定图1中仅示出一个图象电极6。显示板还包括一个偏振器14。
照明***7由光导部件7组成，它由一种光透明材料制成，并包括四个端面10、10’。与所述端面之一(如端面10)对置地设置一光源12，其光经过端面10耦合在光导部件7中。所述光源12例如可以是一个棒形荧光灯。该光源也可以(例如)由一个或多个发光二极管(LED)形成，特别是在具有小型显示板的平面显示装置如移动电话中。此外，光源12可以是可拆卸的。
光导部件7的出射表面9面对显示板2。
为了保证从照明***7产生的光为偏振光，在该例子中，光导部件7分为用不同材料制成的两部分，它们由一锯齿形轮廓隔开，一种材料(15)是各向同性的，另一种材料(16)是各向异性的。
偏振分离产生于各向同性和各向异性材料之间的界面处。同时在光导部件的一个表面中可以设置填有不同材料的凹槽，该表面可以是出射表面9，也可以是对置表面24。对于光导部件的其它变化方案，以及其中所用的材料，可参考上述专利说明书WO 97/08582。
透明板的没有耦合入射光的每个端面10’，可以设置一反射器22。以此种方式，可以防止在出射表面9处没有耦合出射而因此通过该光导部件传播并到达一端面处的光经过端面10’离开光导部件7。
偏振分离产生于各向同性和各向异性材料之间的界面17处。如果一股从光源12产生的非偏振光束入射在这样一个界面上，该光束将分离为两束具有互相垂直的偏振方向的组分19、19’。(为清楚起见，图1中示出的光束当其离开光源时已分离为这些组分。)为了保证偏振分离发生，必须保持各向同性材料具有折射系数np而各向异性材料具有折射系数no和ne，系数no或ne之一等于或基本上等于np。在该例子中，其偏振方向与图的平面横交地延伸的光束分量19’向着界面17传播，在该处它沿出射表面9的方向折射，如果它以大于临界角的角度入射，它将在那里反射，从而得到全内反射。如果入射角小于所述临界角，该分量将离开光导部件7。其偏振方向位于图的平面内的光束分量19在该例子中向着界面24传播，如果它以大于临界角的角度入射，它将在那里反射，从而得到全内反射。如果入射角小于该临界角，该分量将离开光导部件7。在出射表面9、24处内反射的情况下，光束分量19被反射而将通过光导部件7传播，这将在该光束分量中导致消偏振。该消偏振的光束分量将最终到达界面17，随后，如上所述地被偏振。另一种可能是，该分量或其一部分到达端面10，在该处消偏振，因此，在到达界面17时，将选择具有所要偏振方向的部分。通常，在光导部件中产生一定程度的双折射，由此，光束分量19、19’的偏振方向发生变化。结果，光将耦合出射，否则它会由于内反射而保持滞留在光导部件中。
为了防止光离开光导部件7而对照明***的光出射没有贡献，灯12的光最好通过耦合入射机构13耦合到光导部件7中，例如利用一个楔形的光导部件，它限制入射光束相对于出射表面9、24的角度为15度。此外，因为不产生杂散光，这导致增大对比度。
在显示板2中反射后，光束19’通过光导部件传播(对该例子，由于不同折射系数的折射假定可以忽略)，并到达观看者20。
如果有足够的环境光，例如从灯25或另一外光源产生的光，入射光束分离为两股具有互相垂直的偏振方向的光束组分(为清楚起见，图1中示出的光束当其离开光源时已分离为这些组分)。因为层16的两个折射系数之一大于光导部件7的部分15的折射系数，所以在该例子中，其偏振方向与图的平面横交地延伸的光束部件18’向着垂线折射，而另一光束组分基本上未折射地传播。因为这些光束组分与垂线形成的角度通常小于光束19、19’与垂线形成的角度，所以两个光束组分传播得远至显示板2。其偏振方向在图的平面内延伸的光束组分18被偏振器14吸收，而其偏振方向与图的平面横交的光束组分18’能够通过。随后，在显示板2中反射后，光束组分18’通过光导部件传播(由于不同折射系数的折射再一次假定可以忽略)，并到达观看者20。
由于这些，显示装置可以非常合适地与灯12(侧光)一起使用(光束19、19’)或不用灯12地使用(光束18、18’)。
在上面叙述中，假定偏振机构的(以及因此光束18’、19’的)偏振方向与偏振器14的偏振方向相同。但是，实际中，并非始终如此，例如，因为偏振器14的偏振方向被选成平行于液晶分子的取向方向。为了防止光的损失，图1中示出一个用虚线表示的相位板21，该板使偏振轴以这样一种方式转动，使得(基本上)防止该损失。
如上所述，光导部件的各种变化方案都是可能的，例如那样描述的，尤其是在WO 97/08582中。例如，偏振机构可以替换地位于出射表面24处。也可以使用图1的具有可变出距的锯齿形，例如，当离灯12的距离较大时，该齿距减小。
图象电极6并不必须反光。在一种可以替换的实施例中，这些图象电极用作透光的ITO电极，这些电极后面安置一个镜子。
总之，本发明涉及一种显示装置，它包括一个装有光导部件的前光照明***，它在环境光的情况下可以关掉。该光导部件是以在两种具有不同折射系数的材料之间的界面处的偏振分离为基础的，由此，对于一种光束组分两材料的折射系数相同，而对于另一光束组分两折射系数是不同的。

Claims (10)

1.一种由显示板和照明***组成的显示装置，该显示板有一在象素位置处装有反光电极的第一衬底、一透光的第二衬底和在该两衬底之间的液晶材料，该照明***位于第二衬底的背向液晶材料的一侧，它包括一个由光学透明材料制成的光导部件，该部件有一个面对显示板的出射表面和多个端面，在这些端面的至少一个的对置处安置一个光的入射面，由此光能够在光导部件的该端面处耦合入射，其特征在于，一个偏振器安置在该光导部件和显示板之间，而该光导部件包括用于使入射光偏振的偏振机构。
2.一种如权利要求1中所述的显示装置，其特征在于，该偏振机构安置在光导部件的出射表面的位置处。
3.一种如权利要求1中所述的显示装置，其特征在于，经过偏振机构发射的光的偏振方向与偏振器的偏振方向相同。
4.一种如权利要求1中所述的显示装置，其特征在于，耦合入射机构位于一光源和该光导部件之间，该机构将一股耦合入射光线跟光导部件的一个平行于出射面的平面之间的角度限制到最大为15度。
5.一种如权利要求1中所述的显示装置，其特征在于，对于入射光，偏振分离发生在具有不同折射系数的两种材料之间的界面处，由此，对于一个光束组分，两种材料的折射系数是相同的，而对于另一个光束组分，两个折射系数是不同的。
6.一种如权利要求5中所述的显示装置，其特征在于，该光导部件设有一层不同于光导部件其它部分的材料，而偏振机构由该层材料和光导部件其它部分之间的异型轮廓界面形成，光导部件其它部分的或该层的材料是光学各向异性的，而另一材料是光学各向同性的。
7.一种如权利要求5中所述的显示装置，其特征在于，该光导部件设有许多个凹槽，它们由不同于光导部件其它部分的材料构成，而偏振机构由这些凹槽和光导部件其它部分之间的界面形成，光导部件其它部分的材料或凹槽中的材料是光学各向同性的，而另一材料是光学各向异性的。
8.一种如权利要求6中所述的显示装置，其特征在于，该层材料和光导部件其它部分之间的界面为锯齿轮廓形状。
9.一种如权利要求1中所述的显示装置，其特征在于，一个相位板位于光导部件和显示板之间。
10.一种如权利要求1中所述的显示装置，其特征在于，该显示装置在光的入射面一侧上设有一个光源。
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