CN1143754A - 液晶显示装置 - Google Patents

Abstract

一种液晶显示装置，以全息分色镜将白光分成红、绿、蓝三色，每一色光都以不同的角度入射到液晶板上，在液晶板上有由全息光学元件构成的微透镜阵列，分别将各色光聚到相应的像素上，因液晶板上未使用滤色镜，原本会被吸收的光线都能被有效地利用，且原本会被液晶板上的“黑矩阵”吸收的光线，因为微透镜的聚焦作用，全部都能穿透液晶板的开口而出，所以亮度将再增加，热的问题也能有效解决。

Description

液晶显示装置

本发明涉及一种液晶显示装置，特别涉及一种利用全息分色镜折射率、相位或穿透率的分布，将白光经全息分色镜折射出具有不同的入射角度的红、绿、蓝三色光，分别入射到液晶板上，使原本会被吸收的光线全部被释放出来，使投射至荧幕上的光点亮度提高数倍的装置。

当不同的驱动电压加在液晶分子上时，液晶分子会改变其排列状态，使通过液晶板的光线改变其偏振特性。所以若是将光源发出的光线先通过一片偏光板，使光线成为线性偏振光，再利用不同的电压加在液晶分子上，使得光线的偏振方向随电压的不同而改变，当光线的偏振方向与第二片线性偏光板不同时，则光线会被吸收，若是光线偏振方向相同，则光线可不被吸收地通过装置。假如偏振方向与第二片线性偏光板的偏振方向夹一不为0的角度θ，则出射光线的能量将为不吸收通过时的COS²θ倍，所以通过驱动电压的改变，我们可以在荧幕上得到黑白的图像。

另一方面，如果想获得彩色的图像，一般多采用空间性红、绿、蓝三色分离方式，即在液晶板的像素上，以三角或条纹等排列方式分别加上红、绿、或蓝色的滤色镜，每一种滤色镜只让某种特定波段的光线通过，所以在荧幕上所看到的将是红、绿、蓝三种光点交错排列。因为人眼所能辨别的分辨率有限，所以由远处观看画面时，所感受到的将是红、绿、蓝三点所混成的颜色，不同比例的三色光将可在大脑中形成不同颜色的感觉，这就是单片式彩色液晶投影电视的工作原理。但是由于光线经过第一片偏光板时，已有一半以上的能量被吸收，液晶的开口率双多半在30％～40％之间，再加上滤色镜只容许三原色中的某一色通过，其余两色都将被吸收掉，所以又只有1/3的光线能通过，整个液晶模组将吸收掉1-0.5×0.3×1/3＝95％的光线，只有5％的光线能通过装置，造成单片式液晶投影电视亮度不足。若是采取加大灯泡瓦数的方式来提高亮度，偏光板及液晶板所吸收的能量也将会相对增加，这些能量转变成热能之后，很容易使液晶及偏光板毁损，可靠度降低，所以需要其它方法来解决此问题。

为解决上述亮度不足的问题，有些发明采取利用棱镜或四分之一波长延迟片等方式将灯源发出散乱偏振极性的光束全部变成同一极性，如此原本会被第一片偏光板吸收的能量即可被有效利用，亮度可提高一倍以上。但液晶板所吸收的光线能量也会相对增加，所以灯泡所能使用的瓦数必须有所限制。LCD所能工作的温度，将是此装置最后所能达到亮度的最后决定因素；另一方面，有些发明在液晶板上加了一层由离子交换法所制造的微透镜阵列，以使原本将被像素电极阻挡的光线，也能顺利通过液晶板，使得亮度能够有效提高。但是因为微透镜将光聚在滤光镜上，将使滤光镜的染料易起化学变化而逐渐褪色，大大影响画面质量。

本发明主要目的，在于解决上述亮度和发热的缺陷，我们利用全息分色镜将白光分成红、绿、蓝三色，每一色光都以不同的角度入射到液晶板上，在液晶板上有由全息光学元件(H.O.E)构成的微透镜阵列，分别将各色光聚到相应的像素上，液晶板上未使用滤色镜，原本会被吸收的光线都能被有效地利用，所以亮度可以提高，而原本会被液晶板上的“黑矩阵”吸收的光线，因为微透镜的聚焦作用，全部都能穿透液晶板的开口而出，所以亮度将再增加，由于原本会被吸收的光线都能被有效地利用，所以热的问题也能有效地解决；由于液晶板上未使用滤色镜，所以也不存在褪色的问题。

本发明又一目的，在于利用反射式全息分色镜将光线分成红、绿、蓝三束光，再由全息微透镜阵列聚焦于相应像素中。此种方式在准直上较容易。

本发明另一目的，在于穿透式全息分色镜分为两层，第一层为使红光偏折的全息分色镜，第二层为使蓝光偏折的全息分色镜，绿光则完全不改变方向地前进，再由全息微透镜阵列将各色光聚到相应的液晶像素点(Pixel)上。另一种方式则是将分色镜与微透镜阵列合而为一，此种结构在准直上较容易，成本较低。

本发明再一目的，在于利用二色滤镜(dichroic mirror)及全息微透镜阵列，可得一较稳定的画质。

本发明再一目的，在于利用一全息分色镜与微透镜阵列或数字全息片的分色微透镜，将从灯泡发出的光线通过反射镜经聚光镜入射到分色微透镜，直接将白光分成红、绿、蓝三束光并聚焦于相应像素中。

为实现本发明上述目的，本发明的一种液晶显示装置包括：一组灯及聚光元件，提供显示***所需的光源；一至数片全息分色镜，可将不同波长范围的光线折射到不同的角度；微小透镜阵列，将来自不同角度的不同波长范围光线会聚于相应显示元件像素的开口中；由许多像素构成的显示元件。

为了解上述方法、目的与装置，以及本发明所采用的技术手段及其功效，现参照附图对本发明实施例的方法、装置及功能进行详细说明。

图1是本发明液晶显示装置的示意图。

图2是本发明三层体积全息片构成的全息分色镜结构示意图。

图3是本发明二层体积全息片及一片二色滤镜构成的全息分色镜结构示意图。

图4是本发明单层式全息分色镜的结构示意图。

图5A是本发明的反射型全息分色镜制作过程示意图。

图5B是本发明的反射型全息分色镜使用方式示意图。

图6A是本发明的穿透型全息分色镜拍摄方式示意图。

图6B是本发明的穿透型全息分色镜使用方式示意图。

图7是本发明的四阶层二元式菲涅尔微型透镜示意图。

图8是本发明的锯齿状二元式菲涅尔微型透镜示意图。

图9是本发明的光线经过微透镜阵列的示意图。

图10是本发明的穿透式显示方式实施例示意图。

图11是本发明的四片二色滤镜方式实施列的示意图。

图12是本发明反射式的实施例示意图。

图13是本发明的体积型反射式实施例示意图。

图14A是本发明全息分色微透镜制作过程示意图。

图14B是本发明全息分色微透镜阵列使用方法示意图。

图1所示为本发明液晶显示装置示意图。如图所示，本发明的液晶显示装置，是采用全息分色镜，将白光分成红、绿、蓝三色，每一色光都以不同的角度入射到液晶板上，在液晶板上有由全息光学元件(Holographic Optical Element)构成的微透镜阵列，分别将各色光聚到相应的像素上。由于前述液晶板上未使用滤色镜，原本会被吸收的光线都能被有效地利用，所以亮度可以提高三倍；且原本会被液晶板上的“黑矩阵”吸收的光线，因为微透镜的聚焦作用，全部都能穿透液晶板的开口而出，所以亮度将再增加2.5倍，由于原本会被吸收的光线都能有效地被利用，所以热的问题也能有效地解决。

以上述的方法，使本发明的液晶显示装置在灯泡10的光线101通过由反射镜20和聚光镜30变成平行光后，入射到全息分色镜40上，全息分色镜40将红41、绿42、蓝43三色分成不同角度如-8°、0°、8°的三道平行光后，入射到液晶模组50的第一层偏光板51至微透镜阵列52，经微透镜阵列52聚焦作用，将不同角度的入射光从不同的像素穿出液晶板55，再通过第二层偏光板53及平面透镜54，再经由投影镜头60投射到荧幕上。

图2、3、4为三种本发明的反射型全息分色镜结构示意图。上述全息分色镜40为如图2所示的三层体积全息片(Volume Hologram)，或如图3所示的由二层体积全息片及一片二色滤镜(dichroicmirror)所构成，对于该三层体积全息片的全息分色镜40，第一层为只对红光作用的全息片401，第二层为只对蓝光作用的全息片402，第三层为只对绿光作用的全息片403；对于二层体积全息片全息分色镜40，第一层为只对红光作用的全息片404，第二层为只对蓝光作用的全息片405，以及二色滤镜406，且以上各层全息片排列顺序可依据不同的需求而改变，例如先对绿光作用，再对红光作用等等；而前述体积全息片的制作方法及过程，如图5A所示，物体光71与参考光72在感光材料(记录介质Recording Medium)70上形成干涉条纹73，当感光材料70经过显影，定影、漂白等程序处理后，感光材料70内部穿透率或相位、折射率会随着干涉条纹73作周期性变化。如图5B所示，在重建光81照射在拍好的全息片80(Hologram)时，在满足布拉格反射条件(Bragg reflection condition)2d sinθ＝nλ方向上会获得与原物体光82相同的实像。由于对于特定的角度θ及干涉条纹73间隔的距离(fringe spacing d)，都只有部分波长满足布拉格条件(Bragg condition)，所以除了特定波长的光线被反射偏折某一角度外，其余的光线将丝毫不受影响地继续通过全息片80。所以适当地安排距离d及角度θ的值，将可使得不同层的全息片80将不同颜色的光偏折到不同的角度上。例如第一层使红光偏折53°，第二层使蓝光偏折37°，第三层绿光以45°射出。

此外，上述三层全息片80也可能由一片体积全息片(VolumeHologram)取代，当用一片全息片80时，可用不同波长及不同角度在同一感光材料70上拍摄三次，得到三组干涉图案(fringe patte-rn)(如图4所示)，再经过定影、显影、漂白等手续后，当白光照射在全息片80上时，不同颜色的光将依据原先设定的反射方向以不同的角度射出，如图2、3所示，与以三层体积全息片或二层体积全息片及一片二色滤镜组成的一样。在穿透式全息分色镜的使用方面，如图6B所示，在白光81a入射到全息片80a时，便以不同的角度穿透出三束红光82a、绿光83a、蓝光84a，而此三束穿透光需满足布拉格反射条件。穿透式的全息分色镜基本结构及原理与反射型相似，只不过在拍摄时，物体光与参考光位于记录材料的同一侧，如图6A所示，该物体光71与参考光72同在感光材料(记录介质RecordingMedium)70一侧。记录材料所使用的感光材料70有很多种，如卤化银、感光树脂(photoresists)、光聚合物(Photopolymer)等等。光聚合物因可使用紫外线照射方式大量生产，所以特别适用于本发明。经过分色后的光线将以不同的角度进入微透镜阵列52，该微透镜阵列可以使用多种方式构成，例如离子交换法等等，但因考虑批量生产的容易性及质量的稳定性等因素，在此建议利用四阶层二元式或锯齿状二元式菲涅尔微型透镜(如图7、8所示)，但其它方式制作的微透镜仍可用于本发明上。

上述菲涅尔微透镜阵列的制造方法有很多种，常用的如利用电子束蚀刻(Electron beam lithography)或IC蚀刻方式制做母模，再以压铸或射出成型等方法大量制造。且不同角度的光线经过微透镜阵列的作用，将会聚于不同的像素中，如图9所示。因此每个微小透镜都对应于红、绿、蓝三个像素，由于液晶板上像素排列的方式有多种，如条纹、三角排列等等，所以微小透镜的形状可能为柱状、六角形等等不同的形态，根据不同的应用而定。从不同像素出射的光线，经过菲涅尔微型透镜及投影镜头的作用，在荧幕上即可产生彩色的图像，而与已有的技术相比，本发明显然简化了准直(alignment)的问题。在已有的技术中每片二色滤镜(dichroicmirror)都必需适当调整角度，否则很容易产生混色或光线无法通过装置等问题，本发明显然排除了上述困难。此外，因为全息分色镜粘贴在同一片玻璃上，所以投影装置的体积较已有技术中的大为缩小，有体积小、重量轻的优点。

图10是本发明实施例的示意图。如图所示：在灯泡10a的光线101a通过反射镜20a和聚光镜30a变成平行光后，入射到穿透型全息分色镜40a，该穿透型全息分色镜40a分为两层，第一层为使红光偏折的全息分色镜41a，第二层为使蓝光偏折的全息分色镜42a，绿光则完全不改变方向地前进，以上分色顺序也可有所改变，如先偏折蓝光，再偏折绿光，红光维持原方向通过。偏折成三个不同角度的绿、红、蓝平行光，再由全像微透镜阵列43a会聚于相应的像素上，再射出装置。另一种方式则是将分色镜与微透镜阵列合而为一，形成穿透分色微透镜阵列，在拍摄此种全息片时，物体光为相对应液晶像素所在位置的点光源，参考光则为平行光，当用反向的参考光束重建时，光线会往原液晶所在位置偏折聚光，使用满足不同布莱格条件拍摄三次的穿透型体积全息片时，即可将白光分成红、绿、蓝三束光直接聚焦到相应液晶像素上，这样省掉了微透镜阵列。此种结构在排列上较容易，成本较低。(如图14A、B的制作及使用方式)。

图11是本发明实施列的示意图。如图所示：从灯泡10b发出的光线101b通过反射镜20b经聚光镜30b变成平行光后，入射到二色滤镜40b，再由二色滤镜50b射入全息微透镜阵列60b，再射至液晶板70b上。利用全息微透镜阵列60b，使亮度提高。

图12是本发明实施例的示意图。如图所示：灯泡10c的光线101c通过反射镜20c经聚光镜30c入射到全息分色镜40c，全息分色镜40c由表面起伏状的全息片所构成，此种表面起伏状的全息片可以影响入射光的相位，使能量集中于一级的衍射光中，由于不同波长的光所走的光程不同，白光入射后，在第一级衍射光的方向上，不同波长的光会衍射到不同的角度上，再由全息微透镜阵列50c将红、绿、蓝三色聚焦于相应的像素中。此种方式在准直上较容易。

图13是本发明实施例的示意图。如图所示，将图10中的穿透型全息分色微透镜阵列改成反射型全息分色微透镜阵列，其工作原理与穿透型相似，只是拍摄时物体光及参考光在记录材料的相反两侧，白光经过此种反射型全息分色镜后，红绿蓝三束光直接会聚于相应的液晶像素而射出装置。

本发明的液晶显示装置，不仅可大大提高图像像点亮度，还可防止元件因过热而老化褪色，而且节省能源，符合现代环保要求，具有很好的实用效应。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，不能因此而拘限本发明的专利要求范围，凡利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，都应包含于本发明的范围之中。

Claims (15)

1、一种液晶显示装置，包括：

一组灯及聚光元件，提供显示***所需的光源；

一至数片全息分色镜，可将不同波长范围的光线折射到不同的角度；

微小透镜阵列，将来自不同角度的不同波长范围光线会聚于相应显示元件像素的开口中；

由许多像素构成的显示元件。

2、根据权利要求1所述的液晶显示装置，其中，该全息分色镜为三层体积全息片或二层体积全息片及一片二色滤镜所构成，三层体积全息片的全息分色镜的第一层为只对红光作用的全息片，第二层为只对蓝光作用的全息片，第三层为只对绿光作用的全息片，该二层体积全息片的全息分色镜的第一层为只对红光作用的全息片，第二层为只对蓝光作用和全息片及一紫红二色滤镜所构成，以上分色的顺序可以改变，如先分蓝色，再偏折绿色等，此时二色滤镜须用氰基二色滤镜(Cyan Dichroic filter)。

3、根据权利要求1所述的液晶显示装置，其中，该全息分色镜可为穿透式或反射式。

4、根据权利要求1所述的液晶显示装置，其中，所述微小透镜阵列为全息光学元件微小镜片阵列、微小菲涅尔透镜镜片阵列、GRIN镜片阵列、球面及非球面镜片阵列、双凸透镜(Lenticular)或者Cyliner镜片阵列、以离子交换法制作的折射率分布型微小镜片阵列。

5、根据权利要求1所述的液晶显示装置，其中，所述显示元件若为液晶模组时，该液晶模组由第一层偏光板、微透镜阵列液晶板、第二层偏光板所构成；若装置已有棱镜或四分之一波长延迟片等方式，使光源发出的光线变成线性偏振光，则第一片偏光片可以省掉不用，对散射型液晶高分子显示装置，前后两块偏光板都可省略不用。

6、根据权利要求1所述的液晶显示装置，其中，所述灯的光线通过反射镜或所述聚光元件变成平行光后，入射到所述全息分色镜，第一层为使红光偏折的全息片，第二层为使蓝光偏折的全息片，绿光则完全不改变方向地前进，再由全息微透镜阵列分光，以上分色顺序可以改变；另一种方式则是将分色镜与微透镜阵列合而为一，此种结构在准直上较容易，成本较低。

7、根据权利要求1所述的液晶显示装置，其中，所述灯的光线通过反射镜或所述聚光元件变成平行光后，入射到二色滤镜，再由二色滤镜射入全息微透镜阵列，再射至液晶板上，利用全息微透镜阵列，使图像质量较稳定。

8、根据权利要求1所述的液晶显示装置，其中，所述灯的光线通过反射镜或所述聚光元件入射到全息分色镜，利用反射式的全息分色镜将光线分成红、绿、蓝三束光，再由微透镜阵列聚焦于相应的像素中，此种方式在准直上较容易。

9、根据权利要求1所述的液晶显示装置，其中，每个所述微小透镜都对应于红、绿、蓝三个像素，由于液晶板上像素排列的方式有多种，如条纹、三角排列等，所以微小透镜的形状可能为柱状、六角形等等不同的形态。

10、根据权利要求2所述的液晶显示装置，其中，所述全息分色镜的三层或二层全息片可由一片体积全息片取代，当用一片全息片时，可用不同波长及不同角度在同一感光材料上拍摄三次或二次，得到三组或两组干涉条纹图案，再经过定影、显影、漂白等手续后，当白光照射在全息片上时，不同颜色的光将依据原先设定的反射方向以不同的角度射出。

11、根据权利要求2所述的液晶显示装置，其中，所述全息分色镜利用一全息分色微透镜阵列或数字全息片，将所述灯发出的光线通过反射镜或所述聚光装置平行入射到全息分色微透镜，直接将白光分成红、绿、蓝三束光聚焦于相应像素中。

12、根据权利要求2所述的液晶显示装置，其中，在所述全息分色镜中适当安排所述全息片上干涉条纹间隔距离d及角度θ的值，以使得不同层的全息片将不同颜色的光偏折到不同的角度上。

13、根据权利要求2所述的液晶显示装置，其中，所述全息分色镜中的全息片制作时，物体光与参考光在感光材料(记录材料Re-cording Medium)上形成干涉条纹，当感光材料经过显影、定影、漂白等程序处理后，感光材料内部穿透率或相位、折射率随着干涉条纹作周期性变化。

14、根据权利要求2所述的液晶显示装置，其中，所述全息分色镜可分别将每层体积全息片分别粘贴或拍摄于玻璃上，使每片玻璃恰可折射或反射一或两种颜色的光，通过将每片玻璃以不同的角度排列，可使得不同颜色的光线以不同的角度入射到液晶板，达到分色的目的。

15、根据权利要求13所述的液晶显示装置，其中，所述记录材料所使用的感光材料可以是卤化银、感光树脂(Photoresists)、光聚合物(Photopolymer)、重铬酸化合物(Dichromic)、明胶(Gela-tin)等等。

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