CN117642686A - 具有偏振红外照明的液晶显示器 - Google Patents

具有偏振红外照明的液晶显示器 Download PDF

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Abstract

公开了用于IR可读透射和反射式显示器的***和方法，其不会遭受由于偏振器的顺序堆叠而导致的不期望的显示器变暗或类似镜子的外观。所公开的***和方法使用可用的IR LED作为可见光LED的补充或替代。作为光导的照明器或集成器被设计成保持光的偏振状态。显示器可以使用常规的可见光前偏振器，并因此不会遭受由具有IR能力的偏振器引起的亮度降低。

Description

具有偏振红外照明的液晶显示器
技术领域
本发明涉及红外可读液晶显示器，并且更具体而言，涉及用偏振红外光照射液晶显示器，以将可读性扩展超过液晶显示器偏振器的可用对比度范围到更长的波长。
背景技术
现代液晶显示器(LCD)可包含数百万个独立像素，其在LCD中为许多组件的薄多层结构。使用诸如发光二极管(LED)之类的非偏振光源来照亮LCD中的像素。
大多数LCD像素基于两种功能原理：1)透明基板之间的电可控液晶层基于所施加的电信号改变穿过它的光的偏振状态，以及2)一个或多个偏振器和可选的附加光学膜将偏振状态差异转化为可见的亮和暗对比区域。(一个或多个)偏振器和液晶层一起形成电可控光阀，该光阀取决于电刺激让一部分光通过。
由于大多数LCD是平的或轻微弯曲的，并且可具有相当大的尺寸，因此通常需要膜偏振器。这种膜粘附在显示器的一个或多个表面上，并基本上覆盖整个图像区域。膜偏振器通常包括两层透明的各向同性聚合物，诸如三醋酸纤维素(TAC)，中间夹有含有各向异性发色团的拉伸聚乙烯醇(PVA)层，该发色团由于PVA的拉伸而排列并提供偏振效应。
发色团通常是碘，其作为L3-和I5-PVA复合物存在于PVA中。备选地，PVA层可以用不同的各向异性染料分子浸渍，所述分子一起覆盖光谱的可见范围。碘方法或染料方法的共同之处在于，由于PVA-碘复合物和通常使用的各向异性染料在近红外是透明的，因此可用对比度的范围限于光谱的可见范围。因此，当使用IR敏感相机或夜视设备观看普通LCD时，当仅在不可见IR照明下操作时，它们不会显示图像。
有时希望或甚至有必要使用不可见的红外光能够观察液晶显示器。例如，可能有必要在没有任何可见光的情况下使用夜视镜来读取LCD，或者可能有必要使用红外相机来读取LCD。
大多数室外光学设备的共同之处在于，其选择性地使用垂直偏振光来消除光滑或潮湿表面的掠射反射造成的强光。这是通过在相机透镜前添加偏振元件来实现的。可以选择这样的偏振元件，使得它们可以拒绝具有不希望的偏振状态的可见光和/或红外光。
虽然可能向偏振器的发色团层添加在较长红外波长下吸收的附加类型的染料分子，以扩大偏振器的可用对比度范围，但这是不期望的，因为这种偏振器在可见光范围内必然具有较低的透射率，导致较暗的显示。这是因为添加更多的染料分子会降低透射率，并且大多数染料具有更高阶的吸收带。例如，将在红外范围内900nm处吸收的染料也可能在可见光范围内的450nm左右处吸收。较高的吸收率(或较低的透射率)是一个问题，特别是对于反射式显示器或电池操作的显示器，在这些显示器中，较低的可见光透射率不能用较强的光源来补偿。
替代类型的偏振器，诸如线栅偏振器、胆甾型膜偏振器和多层双折射堆叠偏振器的工作原理是透射一种偏振状态，同时反射另一种偏振状态。这些类型的偏振器是显示器背面的一种选项，如果有适合透射偏振的吸收器支持的话。这种偏振器通常在近红外具有良好的对比度，因为它们不是基于染料的吸收。例如，普通的3M DBEF偏振器或Nagase WGF对850nm都工作良好。这种装置可以用来代替LCD中的吸收性后偏振器。例如，IR线栅偏振器可以放置在显示器后面作为后偏振器。然而，不希望在显示器的前面使用这种偏振器，因为由于大约一半的入射光的镜面反射，它们具有金属的、类似镜子的外观。如果它们被用在显示器前面，它们将不得不被隐藏在附加的吸收偏振器之下，该偏振器将去除可见光范围内的光的反射部分，同时采取适当的步骤使得红外光的这种镜面反射将不会干扰用红外设备读取显示器。
因此，希望将LCD的可用对比度范围扩展至更长的波长，并使它们可由红外设备读取，而不会产生以下副作用：可见光范围内亮度较低、类似镜子的外观或需要防止类似镜子的外观的额外偏振器。
发明内容
出于总结本发明的目的，本文描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。应当理解，根据本发明的任何一个特定实施例，不一定可以实现所有这些优点。因此，本发明可以以实现或优化本文教导的一个优点或一组优点的方式实施或执行，而不必实现如本文可教导或建议的其它优点。
许多液晶显示器具有集成光源，作为背光或前光。前光或背光通常由实际的光源和“集成器(integrator)”组成，集成器将光均匀地跨显示器分布。光源通常是CCFL管、电致发光膜，或者最合适的是发光二极管，诸如固态LED或有机LED。集成器可以是光腔或透明光导，其将光均匀地跨显示器表面分布。
由于可获得发射所需红外波长范围内的光的LED，此类LED可替代可见光LED或添加到可见光LED中，以形成红外照明器。本发明和公开包括这样的照明器或集成器，其是被设计成保持光的偏振状态的光导。显示器可以使用常规的可见光前偏振器，并且因此不会遭受由具有IR能力的偏振器引起的亮度降低。
LCD显示器前面的偏振器具有两种功能：1)使入射光偏振；以及2)它分析或对比显示器出射光的偏振状态。如果观察者使用偏振光，例如使用偏振太阳镜，或者更合适地，使用光学装置，诸如相机或夜视设备，则该设备已经提供了第二种功能。因此，为了将LCD显示器的可用波长范围扩展到IR范围，或者两种功能都需要扩展到IR范围，或者如果可以确保任何相关的IR设备具有其自己的偏振器，则只将入射光的偏振扩展到IR范围就足够了。
可见光范围偏振器在由夜视设备或红外相机使用的红外范围内，特别是在700至1100nm的范围内，是各向同性的和透明的。因此，如果用偏振的IR光照射显示器，它对于使用IR偏振器来减少强光的IR检测设备将保持可读。
如果显示器具备具有红外能力的后偏振器，则即使光学设备上没有偏振器，用偏振IR源照射它也将会产生对比度，因为光将通过显示器反射出去，这取决于第一次通过显示器后的偏振状态。
本发明和公开的一个示例性实施例为带背光的红外透射LCD显示器，包括光导和LED边缘照明。除了可见光LED之外，发射IR的LED被添加到光导的边缘。诸如线栅偏振器的红外偏振器被放置在红外和可选的可见光LED与光导边缘之间，以提供合适的偏振状态。光导被设计成保持该偏振。
在可见光操作中，偏振或非偏振可见光通过光导导入显示器，并从后向前穿过显示器。当离开光导时，光首先遇到偏振器，该偏振器将其偏振成期望的状态。然后它穿过液晶层，液晶层可以取决于像素的期望状态改变光的偏振。最后，它通过前偏振器，该偏振器充当分析器，并且因此产生肉眼可见的亮度对比度。
在红外操作中，IR LED发出的光在通过IR偏振器时被偏振。偏振的IR光穿过光导并被导向LCD。LCD中的偏振器对IR光呈现透明。如果需要，液晶层基于像素的状态来改变偏振状态。前偏振器对IR光呈现透明，并且因此不充当分析器。
因此，显示器的一些区域以一种偏振状态发射光，而其他区域以另一种偏振状态发射光。红外敏感光学设备，诸如红外相机或带有IR防强光偏振器的夜视镜，可以检测图像，因为它们的偏振器充当分析器，将偏振差异转化为传感器元件的亮度对比度。人眼无法察觉光的偏振状态的差异，但他们可以察觉亮度的差异。分析器的功能是要通过让一种偏振状态通过，同时吸收或反射另一种偏振状态，来将偏振状态的差异转化为亮度的差异。该实施例还可以包括进一步的光学膜，诸如延迟膜、补偿膜或优化装置性能的其他光控制膜。
本发明和公开的另一示例性实施例为具有偏振IR照明的反射式LCD显示器。在可见光操作中，环境光或来自前光中的可见光LED的光穿过前光，使其保持不变，并然后到达前偏振器，在那里光被偏振。在备选实施例中，环境可见光首先遇到可见光(吸收性)偏振器，该偏振器赋予特定的偏振状态，该偏振状态在穿过前光导时保持不变。偏振光然后进入液晶层，在液晶层中，其偏振状态可以取决于所施加的电信号而改变。然后，在被镜反射之前，它可以穿过可选的偏振器，或者它可以被偏振镜(诸如背衬有吸收器的反射式偏振器)反射。
在返回路径上，光再次穿过液晶层并穿过前偏振器，该前偏振器充当分析器，将偏振状态差异转化为亮度对比度。最后，光线穿过前光，该前光对光线来说呈现大部分透明。在一个代替实施例中，在被前偏振器分析之前，光首先遇到前光导，在那里其偏振状态保持不变。
在IR光操作中，来自IR LED的IR光经由IR偏振器耦合到前光光导中。偏振的IR光穿过光导，该光导可以位于前偏振器的前面或者前偏振器和LCD之间，而不会改变偏振状态。光导通过LCD发送光，其中光的偏振状态可以根据所施加的信号而改变。光通过显示器后面的反射式偏振器或偏振器-镜组合选择性地仅反射一种偏振，而吸收另一种偏振。
反射光通过液晶层返回，其中可发生进一步的偏振调节。在离开LCD层时，光遇到前偏振器和前光，这两者对IR光都呈现透明。因此，显示器的某些区域看起来会发出IR光，而其他区域则不会。即使没有红外防强光偏振元件，红外敏感光学设备也将会取决于液晶状态来检测不同的亮度水平。该实施例还可以包括进一步的光学膜，诸如延迟膜、补偿膜、扩散膜和优化装置性能的其他光控制膜。
本发明和公开的另一示例性实施例为用于数字牌照板应用的反射式液晶显示器，包括具有前光的反射式液晶显示器，其包括偏振IR照明。牌照板识别***工作在特定的红外波长，诸如750nm、850nm、870nm等。反射式LCD可以是双稳态或多稳态LCD，因为与需要不断更新的显示器相比，这种显示器的功率要求较低。一种这样的双稳态LCD类型可以是像素存储LCD，另一种可以是称为“Binem”的双稳态向列LCD或称为“ZBD”的双稳态向列显示器。
LCD可在单偏振器的基础上工作，或具有反射式后偏振器，诸如3MTM生产的称为DBEF的多层聚合物堆叠、线栅偏振器，诸如Nagase WGF、或类似物，其具有约380nm至大于850nm的可用对比度。前光导可以位于前偏振器的前面或后面。用可选的白光LED从边缘照亮前光导以用于夜间可见度，并且用多个IR LED取决于颁发这种牌照板的地点的要求选择一个或多个期望的波长。例如，如果符合要求，显示器可以安装几个750nm和几个850nm的LED。其他组合也是可能的。
在所需波长下具有良好偏振效率的偏振器的窄偏振器条置于IR LED和光导之间。这种偏振器可以是染料型偏振器，其染料仅被选择用于红外操作，并且它在可见光谱中可不具有良好的透射或偏振效率，因为不需要可见光穿过它。另一种合适类型的偏振器可以是线栅偏振器或多层堆叠偏振器，因为对于可见光范围，这种偏振器比线夹偏振器更简单，更容易以更低的成本生产。
偏振保护光导可由透明聚合物、玻璃或不同透明材料的组合制成，并可涂有具有不同折射率的材料。由于全内反射，光从光源穿过光导。诸如交替材料的某些形状或诸如凹坑或棱镜的某些表面结构之类的附加特征使得光被发送向显示器，而不是相反的表面。
光穿过液晶层，其中在遇到后反射式偏振器中的选择性反射之前，其偏振可根据液晶排列而改变。在暗区域，光具有穿过反射式偏振器的偏振状态，并被置于显示器组件后面的黑色层吸收。在亮区域，光通过显示器反射回来，其中可发生进一步的偏振变化。前偏振器对红外光呈现透明。
前光中的这些结构设计为允许由显示器反射的光的至少一部分穿过前表面。在透镜上具有可选的防强光IR偏振器的牌照板识别***在由IR LED提供的任何波长上操作，现在将取决于光的局部偏振状态看到显示器的不同区域为亮或暗。
因此，本发明的一个或多个实施例克服了已知现有技术的一个或多个缺点。
例如，在一个实施例中，一种红外光可读液晶显示***包括：液晶显示器，包括：液晶显示器单元，包括：液晶层，用于控制可见光和红外光的偏振状态；前基板；后基板；以及其中所述液晶层位于所述前基板和所述后基板之间；可见光前偏振器，其中所述可见光前偏振器对红外光透明；以及反射式后偏振器，用于偏振可见光和红外光；以及照明单元，包括多个光源，其中所述多个光源中的至少一个发射红外光。
在该实施例中，红外光可读液晶显示***可进一步包括：其中所述液晶显示器是红外透射液晶显示器，并且其中所述照明单元是背光；其中所述背光还包括吸收额外光的吸收器；其中所述红外透射液晶显示器还包括对红外光透明的可见不透明层；以及所述背光还包括反射器，其中所述反射器反射红外光；其中所述背光还包括：偏振保护光导；以及红外偏振器，其中所述红外偏振器位于所述多个光源和所述偏振保护光导之间；其中所述可见不透明层对红外光是透明的，并且其中所述可见不透明层在可见光下呈现黑色；其中所述可见不透明层对红外光是透明的，并且其中所述可见不透明层在可见光下是非黑色的；其中所述多个光源包括至少一个红外发射光源和至少一个可见光发射光源；其中所述液晶显示器是反射式液晶显示器，并且其中所述照明单元是前光；其中所述前光位于所述可见光前偏振器和所述液晶显示器单元之间；其中从观察者的角度来看，所述前光在所述可见光前偏振器的前面；其中所述前光还包括偏振保护光导和具有红外能力的偏振器，并且其中所述具有红外能力的偏振器位于所述照明单元和所述偏振保护光导之间；其中所述多个光源包括至少一个红外发射光源和至少一个可见光发射光源。
在另一示例实施例中，一种用于电子牌照板的红外光可读液晶显示***，包括：液晶显示器，包括：液晶显示器单元，包括：液晶层，用于控制可见光和红外光的偏振状态；前基板；后基板；以及其中所述液晶层位于所述前基板和所述后基板之间；可见光前偏振器，其中所述可见光前偏振器对红外光透明；以及反射式后偏振器，用于偏振可见光和红外光；照明单元，包括多个光源，其中所述多个光源中的至少一个发射红外光；多个光传感器，其中所述多个光传感器中的至少一个对红外光敏感；以及电子电路，能够驱动发射红外光的所述多个光源中的至少一个。
在该实施例中，用于电子牌照板的红外光可读液晶显示***，还包括微控制器，用于从对红外光敏感的所述多个光传感器中的至少一个接收输入，并且其中基于所述输入，所述微控制器控制发射红外光的所述多个光源中的至少一个；还包括独立电路，用于从对红外光敏感的所述多个光传感器中的至少一个接收输入，并且其中基于所述输入，所述独立电路控制发射红外光的所述多个光源中的至少一个；其中所述多个光源包括至少一个红外发射光源和至少一个可见光发射光源；并且其中所述液晶显示器保持稳定的可见图像，而不需要每秒刷新超过一次。
在另一示例实施例中，一种操作红外光可读液晶显示***的方法，包括：提供液晶显示器，所述液晶显示器包括：液晶显示器单元，包括：液晶层，用于控制可见光和红外光的偏振状态；前基板；后基板；以及其中所述液晶层位于所述前基板和所述后基板之间；可见光前偏振器，其中所述可见光前偏振器对红外光透明；以及反射式后偏振器，用于偏振可见光和红外光；提供包括多个光源的照明单元，其中所述多个光源中的至少一个发射红外光；以及基于外部刺激来控制所述多个光源。
在另一示例实施例中，一种操作用于电子牌照板的红外光可读液晶显示***的方法，包括：提供液晶显示器，所述液晶显示器包括：液晶显示器单元，包括：液晶层，用于控制可见光和红外光的偏振状态；前基板；后基板；以及其中所述液晶层位于所述前基板和所述后基板之间；可见光前偏振器，其中所述可见光前偏振器对红外光透明；以及反射式后偏振器，用于偏振可见光和红外光；提供包括多个光源的照明单元，其中所述多个光源中的至少一个发射红外光；提供多个光传感器，其中所述多个光传感器中的至少一个对红外光敏感；提供能够驱动发射红外光的至少一个光源的电子电路；以及基于来自所述多个光传感器的照明条件用所述电子电路控制所述多个光源。
在考虑以下详细说明和附图时，本发明的其他目的、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1显示了用于透射式或透反射式显示器的典型现有技术背光。
图2显示了与反射式显示器结合使用的典型现有技术前光。
图3显示了根据美国专利第9，190，004号的带背光的液晶显示器。
图4显示了与美国专利第9，229，268号一致的现有技术，该专利是对美国专利第9，190，004号的改进，因为其消除了不理想的类似镜子的外观。
图5A显示了本发明的一个示例实施例，该实施例由红外透射LCD显示器组成，该显示器具有反射式后偏振器和由吸收器支撑的背光。
图5B显示了本发明的一个示例实施例，该实施例由红外透射LCD显示器组成，该显示器具有反射式后偏振器和由镜子支撑的背光。
图6显示了本发明的一个示例实施例，该实施例由红外透射LCD显示器组成，该显示器具有偏振保护背光和吸收可见光的后偏振器。
图7显示了本发明的一个示例实施例，该实施例由反射式LCD显示器组成，该显示器具有非偏振IR前光、反射式后偏振器和相机上的IR分析器。
图8显示了本发明的一个示例实施例，该实施例由反射式LCD显示器组成，该显示器具有偏振保护前光和反射式后偏振器。
图9显示了本发明的一个示例实施例，该实施例由数字牌照板显示器组成，该显示器具有反射式LCD、前光和组合IR/可见光照明。
图10以框图形式显示了由显示***组成的本发明的一个示例实施例。
图11以框图形式显示了由显示***的备选布局组成的本发明的一个示例实施例。
图12显示了由IR感应板和LED驱动板组成的示例电路，其可用于检测光和驱动IRLED，而无需引入微控制器。
具体实施方式
以下为实施例的详细说明，用于说明本发明的原理。提供实施例来说明本发明的方面，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围包括许多替换、修改和等同物。本发明的范围仅由权利要求限定。
尽管在以下说明中阐述了许多具体细节，以提供对本发明的全面理解，但本发明可根据权利要求实施，而无需这些具体细节中的一些或全部。
将参照附图详细描述各种实施例。在所有附图中，尽可能使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。对特定示例和实现的引用是为了说明的目的，而不是为了限制权利要求的范围。
背景和现有技术
图1显示了用于透射式或透反射式显示器110的典型现有技术背光100。从观察者的角度来看，背光100放置在显示器110的后面。尽管存在其他背光设计和原理，但是这里应使用基于侧光光导的背光的示例来给出描述。背光100包括光导140，光导140通常由诸如PMMA、PC或玻璃的透明聚合物制成。
光导140关于长度和宽度尺寸与显示器110相似，并且用于跨显示器110均匀传播光线的目的。光导140具有可以在主体中或者在表面上的特征。表面上的这种特征可以是凹坑或棱镜，在主体中它们可以是随机或规则分布的交替材料。特征被设计成使得光150在限定的方向上离开光导140，并且具有均匀的强度分布，如图1所示。
特征可将光150直接发送至显示器110，或从观察者160的视角首先发送至光导140后面的反射器，光150从反射器向显示器110反射。光导140可以结合其他光学功能，诸如漫射或光成形和导向，或者这些功能可以添加到放置在光导140贴近的附近或粘附到光导140上的独立组件(通常是膜片)中。
照明器130沿光导140的一个或多个边缘放置。在一个实施例中，照明器130可以是侧唤起LED。重要的是，光150被有效地耦合到光导140中，而没有过多的浪费。这是通过照明器130和光导140之间的界面的设计以及光源的设计来实现的，使得发射的光150以有用的角度范围离开光源。典型地，柔性印刷电路120提供电流以操作照明器，该照明器可以串联、并联或以更小串联的并联组的形式电布置。
在一个实施例中，可选择包括照明器130的LED发射白光、红光、绿光、蓝光或红外(IR)光或其任何组合。一个背光可以具有多个不同发射波长的LED。
图2显示了与反射式显示器(诸如反射式显示器210)结合使用的典型前光200。前光200的元件类似于背光100的元件，并且包括柔性印刷电路板220、照明器230和光导240。然而，与背光100相比，从观察者260的角度来看，前光200位于显示器210的前面。对前光200的附加要求是，灯150必须排他地朝向显示器210，并且前光200必须允许清晰、锐利和准确的彩色显示图像。
图3显示了根据美国专利第9，190，004号的带背光310的液晶显示器300。背光310布置在显示器300的后面。背光310包括LED光源320、光导板340、光导板340后面的反射器350以及可选的光成形膜330，光成形膜330位于光导板340和显示器300之间。显示器300包括前偏振器360、LCD单元370和后偏振器380。LCD单元370还包括散布在前基板392和后基板394之间的液晶层390。
美国专利第9，190，004号教导，LED光源320可发射可见光和/或IR光，并且前偏振器360和后偏振器380必须能够偏振可见光和红外光两者，以便使显示器300在电磁波谱的可见光和红外光区域具有对比度。典型的液晶显示器偏振器360和380仅在可见光范围内工作，其中它们吸收一种偏振，同时透射另一种偏振。此外，将需要向可见光偏振器添加各向异性IR吸收发色团，并且没有公开如何实现这一点，也没有公开这种附加的发色团将会降低可见光透射率并因此导致暗得多的显示器。
美国专利第9，191，004号教导，可使用某些反射式偏振器，诸如线栅偏振器片、双折射偏振器片或胆甾型液晶偏振器片，它们在可见光和IR区域两者中均工作。这种偏振器的缺点是它们反射而不是吸收不需要的偏振。虽然这可以在后偏振器380中解决，但在前偏振器360中是不希望的，因为它使显示器具有类似镜子的外观。这种显示器中的亮图像区域看起来很亮，而暗图像区域看起来像金属镜。观察者将看到显示图像和反射的场景两者彼此叠加。
图4显示了与美国专利第9，229，268号一致的现有技术，该专利是对美国专利第9，190，004号的改进，因为其消除了不期望的类似镜子的外观。
背光310也包括LED光源320、光导板340、光导板340后面的反射器350和位于光导板340和显示器400之间的可选光成形膜330。
背光310置于液晶显示器400的后面，液晶显示器400包括LCD单元370、包括可见光前偏振器460和IR光前偏振器465的两个前偏振器的顺序堆叠，以及包括可见光后偏振器480和IR光后偏振器485的两个后偏振器的顺序堆叠。LCD单元370还包括散布在前基板392和后基板394之间的液晶层390。
在一个实施例中，前偏振器460和465以及后偏振器480和485中的每一个均为反射型，诸如线栅偏振器片、双折射偏振器片或胆甾型液晶偏振器片，它们在可见光和IR区域两者中均工作。前偏振器460和465以及后偏振器480和485中的另一个是标准的液晶显示器偏振器片，其通过吸收一种偏振，同时透射另一种偏振来仅在可见光范围内工作。这是可行的因为标准吸收偏振器片在IR区域对两种偏振状态都是透明的。
因此，在红外区域，显示器400仍为类似镜子的显示器，而在可见光区域，显示器看起来像预期的那样具有黑色和明亮的图像区域。人类观察者将看不到反射的红外光，而用于观察显示器的红外设备必须被布置和设计成使得反射的不想要的偏振不会损害IR***的图像质量或功能，诸如通过使用光学图案或字符识别***。使用两个前偏振器460和465以及两个后偏振器480和485，而不是每个都使用一个，给显示器400增加了两个昂贵的元件，并且由于两种类型的偏振器在电磁光谱的可见光区域都不是100％透射的，所以显示器的亮度被第二偏振器减弱，这对于可见光是不必要的。
此外，美国专利第9，190，004号和美国专利第9，229，268号均不允许使用反射式显示器，其不能在背光下操作。这两个专利都没有教导使用前光，但是如果所提出的结构用前光照明，并且背面有必要的反射器，则显示器将非常暗，因为光将穿过一系列八个偏振器层，每个偏振器层吸收光的相当大部分。
因此，本公开描述了IR可读透射和反射式显示器的***和方法，该显示器无类似镜子的外观，且不会因连续堆叠的偏振器而导致不想要的显示器变暗。
红外透射LCD显示器500A和500B，具有反射式后偏振器510和非偏振红外背光505A和505B
图5A显示了本发明的一个示例实施例，由其带背光505A的红外透射型LCD显示器500A组成。作为红外透射型显示器，LCD显示器500A通常透射红外光并反射周围的可见光。
背光505A包括发射可见光和红外光的诸如LED 515之类的光源、光导520、从观察者530的有利点看位于光导520后面的吸收器525，以及在一个实施例中位于光导520前面和LCD显示器500A后面的光导向和漫射膜535。可选的光导向和漫射膜535可以包括光学膜，诸如延迟膜、补偿膜和优化装置性能的其他光管理膜。
LCD显示器500A还包括位于可见光前偏振器545和具有IR能力的反射式后偏振器510之间的LCD单元540。LCD单元540包括散布在前基板555和后基板560之间的液晶层550。
前偏振器545为吸收型，其吸收不想要偏振的可见光，同时透射所需偏振的可见光以及与偏振无关的所有红外光。后偏振器510是反射型的，诸如线栅偏振器片、双折射偏振器片或胆甾型液晶偏振器片，它们在可见光区和IR区两者中都工作。
红外敏感图像捕捉或记录装置，诸如相机570，朝向LCD显示器500A。在一个实施例中，相机570包括红外相机。相机570包括透镜575，用于将显示图像聚焦到相机570内部的传感器元件(未示出)上。它还包括IR分析器580，以避免反射表面的强光，如摄影设备中使用的偏振器，以减少强光，其功能仅针对IR波长进行优化。
同样朝向LCD显示器500A的是观察者530，其经由可见环境光源590的光反射来观察LCD显示器500A。环境光源590可以是漫射日光、直射阳光、室内光、来自专用照明源的光等。
在图5-11中，非偏振光592用实线箭头表示，点线表示第一偏振594，诸如线性s偏振或圆形l偏振，并且虚线表示与第一偏振596正交的第二偏振，诸如线性p偏振或圆形r偏振。
在LCD显示器500A的可见光观察中，来自环境光源590的非偏振光592进入LCD显示器500A。具有不希望的偏振的非偏振光592的部分被前偏振器545吸收。所需偏振的光透过前偏振器545进入LCD显示器500A，其中在液晶层550中，取决于液晶层550的状态，光或者保持其偏振596，或者使其偏振变形或变成正交偏振594。
未改变的光透过反射式后偏振器510和背光505A，直至它被吸收器525吸收。对应的显示区域对于观察者530来说看起来是黑色或暗的。具有改变偏振状态的光被后偏振器510反射，并在液晶层550中变回其原始偏振状态，并因此具有正确的偏振状态以通过前偏振器545，并然后传播到观察者530。LCD显示器500A的对应区域对观察者530来说显得明亮。对于来自环境光源590的光的可见观察，不需要背光505A，然而，必须提供吸收器525。
对于红外观察，IR LED 515被激活。来自IR LED 515的非偏振IR光通过光导520传播，并从后面均匀地照亮LCD显示器500A。在通过光成形和漫射膜535之后，光在反射式后偏振器510中被偏振，因为只有一种偏振状态被透射，而另一种偏振状态被反射。光的反射部分返回到光导520中，并且可以在吸收器525中被吸收。
偏振光穿过液晶层550，并且取决于液晶层550中液晶的排列，光保持其偏振或变为另一种偏振状态。图像的“亮”和“暗”区域发出等量的光，但具有不同的偏振状态。这些状态中的一个可以通过相机570的IR分析器580，而另一个偏振被拒绝。
因此，亮区和暗区由透镜575投射到相机570内的图像传感器上，对应于从显示器的相应区域发射的偏振状态。如果需要，在图像分析之前或在LCD显示器500A上显示图像之前，图像的对比度可以被电子反转。因为在LCD显示器500A的任一侧上仅使用一个偏振器，所以没有附加的成本、厚度和LCD显示器500A亮度的过度变暗。因为前偏振器545是吸收型的，所以没有类似镜子的图像显示表面。
在备选实施例中，背光505A可与来自LED 515的可见光结合使用。在该实施例中，使用背光505A的可见光图像具有反转的对比度。这种显示装置可以使用可见光传感器(未示出)并激活背光505A，以此同时，同时电子反转图像的对比度，使得观察者看到适当的对比度(两次反转)。
本领域技术人员应清楚，LCD显示器500A可在前偏振器545和后偏振器510的透射轴正交(交叉)或平行的情况下操作，且液晶层550经布置以在通电或断电时或在一种或另一种稳定状态下保持偏振。这导致几个可能的备选实施例，通常称为具有直接或相反对比度的正常白色和正常黑色。
图5B显示了图5A所示LCD显示器500A的备选实施例。在图5B中，背光505B具有反射器527，作为离观察者530最远的元件，而不是背光505A中的吸收器525。在该实施例中，LCD显示器500B具有添加到LCD显示器500B靠近背光505B的可见不透明(黑色)层526。可见不透明(黑色)层526对于红外光是透明的，但是吸收可见光。可见不透明(黑色)层526可以用诸如Epolight染料的特殊染料印刷，或者它可以由可见光吸收偏振器形成，其透射轴与反射式后偏振器510的透射轴正交(交叉)。在其他实施例中，可见不透明(黑色)层526可以包括其他颜色，诸如透射IR的蓝色不透明层，这导致LCD显示器500B的实施例具有蓝色和白色对比度，而不是黑色和白色对比度。
由于吸收器525更靠近液晶层550，LCD显示器500B在可见光操作中具有减少视差阴影的优点。在红外操作中，后偏振器510处的红外光的反射偏振在背光505B中再循环。这增加了背光505B的效率。
红外透射LCD显示器600，具有吸收可见光后偏振器610和偏振红外背光605
图6显示了本发明的另一个实施例。红外透射型LCD显示器600类似于LCD显示器500A，除了反射式后偏振器510已经被吸收可见光后偏振器610代替。除了在IR LED 515和光导620之间增加了IR偏振器612之外，背光605类似于背光505B。在该实施例中，光导620是偏振保护的。
对于可见光观察，来自环境光源590的非偏振光592进入LCD显示器600。具有不希望的偏振的非偏振光592的部分被前偏振器645吸收。所需偏振的光被透射到LCD显示器600中，其中，在液晶层550中，取决于液晶层550中液晶的排列，光或者保持其偏振596，或者使其偏振变形或变成正交偏振594。未改变的光被后偏振器610吸收。对于观察者530来说，LCD显示器600的对应区域看起来是黑色的。
具有改变偏振状态的光透过后偏振器610和背光605，并被反射器527反射。反射光穿过后偏振器610，并在液晶层550中变回其原始偏振状态，并且因此具有正确的偏振状态以穿过前偏振器545，并然后传播到观察者530。LCD显示器600的对应区域对观察者530来说显得明亮。对于利用来自环境光源590的光的可见观察，不需要背光605，但是必须提供反射器527。
在备选实施例中，如果环境光不足，可将背光605与可选的可见光源(未示出)一起使用。在这种情况下，离开光导620的非偏振光592被后偏振器610偏振，并且在液晶层550中保持不变或者改变其偏振状态，这取决于液晶的取向。具有改变偏振状态的光穿过前偏振器545并到达观察者530。对于观察者530来说，LCD显示器600的对应图像区域看起来是亮的。具有未改变偏振状态的光在前偏振器545中被吸收。对于观察者530来说，LCD显示器600的对应图像区域看起来是暗的。这种布置不会导致对比度反转。
对于红外观察，IR LED 515被激活。来自IR LED 515的非偏振IR光在进入光导620之前用IR偏振器612偏振。偏振的IR光通过光导620传播，并从后面均匀地照亮LCD显示器600。
通过可选的光成形和漫射膜535后，光不变地通过后偏振器610，因为这种偏振器类型对IR光透明。偏振光穿过液晶层550，在液晶层550中，取决于液晶层550中液晶的排列，光保持其偏振或者改变到另一个偏振状态。图像的“亮”和“暗”区域发出等量的光，但具有不同偏振状态。这些状态中的一个可以通过相机570的IR分析器580，而另一个偏振被拒绝。
因此，亮区和暗区由透镜575投射到相机570内的图像传感器上，对应于从LCD显示器600的相应区域发出的偏振状态。如果需要，在图像分析之前或在LCD显示器600上显示图像之前，图像的对比度可以被电子反转。由于在LCD显示器600的任一侧上仅使用一个偏振器，因此没有附加的成本、厚度和显示器亮度的过度变暗。因为前偏振器545是吸收型的，所以LCD显示器600没有类似镜子的图像显示表面。
本领域技术人员将理解，备选实施例具有平行和交叉偏振器的等同物，以及不同的液晶指向器配置，其中一些可或多或少具有优势。
反射式LCD显示器700，具有反射式后偏振器510和非偏振IR前光705
图7示出了本发明的另一实施例，基于反射型液晶显示器700。包括LED照明器515和光导720的前光源705放置在前偏振器545和LCD单元740之间。前偏振器545是吸收性的，其对可见光起作用，但对红外光呈现透明。后偏振器510是反射性的，并且对可见光和红外光两者都起作用。吸收器525位于后偏振器510的后面。
对于可见光观察，来自环境光源590的非偏振光592进入LCD显示器700。具有不希望的偏振的光的部分被前偏振器545吸收。所需偏振596的光透过前偏振器545和前光导720，并进入LCD显示器700，其中，在液晶层750中，取决于液晶层750中液晶的排列，它或者保持其偏振，或者使其偏振变形或变成正交偏振594。
未改变的光596透过反射式后偏振器510，并在吸收器525中被吸收。对于观察者530来说，LCD显示器700的对应区域看起来是暗的。观察者530“看到”黑色吸收器525。具有改变偏振状态594的光被后偏振器510反射，在液晶层750中变回其原始偏振状态596，并因此具有正确的偏振状态以穿过前偏振器545，并然后传播到观察者530。LCD显示器700的对应区域对观察者530来说显得明亮。对于利用来自环境光源590的光的可见观察，不需要前光705。
在备选实施例中，如果来自环境光源590的光不足，可在可见光源和光导720之间使用前光705与可选的可见光源(未示出)和可见光偏振器(未示出)。在这种情况下，离开光导720的偏振光在通过前偏振器745之后采取与环境光相同的路径。
在另一备选实施例中，前光705可位于前偏振器745之前。在这种情况下，可见光源(未示出)和光导720之间的可见光偏振器(未示出)不是必需的。
对于红外观察，IR LED 515被激活。来自光源590的非偏振IR光通过光导720传播，并从前面均匀地照亮LCD显示器700。因为前偏振器545对于IR光是透明的，所以在该实施例的修改中，从观察者530的有利点来看，前光705也可以在前偏振器545的前面。朝向LCD显示器700离开光导720的光不变地穿过液晶层750到后偏振器510，在后偏振器510处，一种偏振光被反射到LCD显示器700中，而另一种偏振光透过反射式后偏振器510，并在吸收器525中被吸收。
反射到LCD显示器700中的偏振光穿过液晶层750，在液晶层750中，取决于层750中液晶的排列，光保持其偏振或变为另一种偏振状态。前光705和前偏振器545对于IR光是透明的。图像的“亮”和“暗”区域发出等量的光，但具有不同偏振状态。这些状态中的一个可以通过相机570的IR分析器580，而另一个偏振被拒绝。
因此，亮区和暗区由透镜575投射到相机570内的图像传感器上，对应于从显示器700的相应区域发射的偏振状态。如果需要，在图像分析之前或在LCD显示器700上显示图像之前，图像的对比度可以被电子反转。由于在LCD显示器600的任一侧上仅使用一个偏振器，因此没有附加的成本、厚度和显示器亮度的过度变暗。因为前偏振器545是吸收型的，所以LCD显示器600没有类似镜子的图像显示表面。
反射式LCD显示器800，具有反射式后偏振器510和偏振红外前光805
图8示出了本发明的另一个实施例。反射型LCD显示器800类似于LCD显示器700，除了IR偏振器812放置在IR LED 515和前光导820之间。前光导820必须是偏振保持的。
LCD显示器800的可见光观察的光路和功能原理与LCD显示器700相同。为了红外观察，IR LED 515被激活。来自IR LED 515的非偏振IR光用光源处的IR偏振器812偏振。偏振IR光通过偏振保持光导820传播，并从前面均匀地照亮LCD显示器800。在该实施例的另一个修改中，因为前偏振器545对于IR光是透明的，所以前光805也可以在前偏振器545的前面。
离开光导820进入LCD显示器800的偏振光不变地传播至液晶层750，在液晶层750中，取决于液晶层750中液晶的取向，光保持其偏振或改变至另一偏振状态。未改变的光596透过反射式后偏振器510，并在吸收器525中被吸收。LCD显示器800的对应区域经由透镜575成像为相机570内部的传感器上的黑色区域，因为没有光传播到相机。
具有改变偏振状态594的光被后偏振器510反射，并在第二次通过液晶层750时变回其原始偏振状态596。前偏振器545对于IR光是透明的，因此光继续到相机570。LCD显示器800的对应区域经由透镜575成像为相机570内部的传感器上的亮区域。在这种配置中，不需要IR分析器580。如果相机***具有防强光IR偏振器580，则LCD显示器800的偏振方向必须被配置成使得传播到相机570的光596基本上是垂直偏振的。这确保了光596可以通过防强光IR偏振器580，其阻挡水平偏振光。
数字牌照板，具有反射式LCD、前光以及组合的红外和可见光照明
图9示出了显示***900，其在一个实施例中为要求可见可读性和IR光学图案或字符识别的数字牌照板的显示***。在这个例子中，对于显示***900，LCD显示器800被放置在外壳905中。然而，在其他实施例中，LCD显示器500、LCD显示器600或LCD显示器700也可以用来代替显示***900中的LCD显示器800。外壳905包括前透镜950、仅对IR光敏感的IR光传感器955和仅对可见光波长敏感的日光传感器960。此外，在一个实施例中，可以添加附加的可选可见光LED 915。
数字牌照板(未示出)必须可由自动牌照板识别(ALPR)相机***975读取。ALRP相机***975包括一个或多个ALRP相机970，其与可见光和IR光以及红外光照明器980一起工作，其与ALRP相机970相邻。ALRP相机***975被优化以读取回射牌照板或具有漫反射Lambertian反射的牌照板，并且必须被放置在道路的上方或旁边或另一车辆上。
来自IR照明器980的照明与ALPR相机970同轴。然而，这种光被数字牌照板反射，基本上远离ALPR相机970，而不是朝向ALPR相机970回来。这需要使用牌照板的内部IR照明。
显示***900具有合适的电子电路(如图10所示)，当IR光传感器955感应到IR强度的快速变化时，该电子电路激活IR LED 515，例如，如果用ALPR相机970使LCD显示器800闪烁时，或如果车辆驶入IR泛光照明区，则IR强度的快速变化发生。这种电子电路可以基于微控制器单元和固件来确定何时开启IR LED 515。
图10以框图1000的形式显示了显示***900，其由以下组成：连接至电池1010的微控制器单元(MCU)1040、日光传感器960、IR传感器955、可选***设备1050、LCD显示器800和照明单元1070，照明单元1070由以下组成：可见光LED 915、第二光源1082、IR LED 515和第四光源1086。照明器单元1070用于照明显示器800。在备选实施例中，也可以使用附加的光源。
备选地，为降低功耗和加快响应，此类电路可将IR光传感器955连接至运算放大器，该运算放大器驱动IR LED 515的电流源，使IR LED 515闪回到与通过IR光的闪烁同步，而无需将数字牌照板及其微控制器***从低功率状态唤醒。
图11以框图1100的形式显示了显示***900的这种备选布局，其由以下组成：仅连接至电池1010的MCU 1040、可选***设备1050和LCD显示器800。光传感器电路1110直接连接到电池，并控制照明器单元1070、可见光LED 915和IR LED 515。照明器单元1070用于照明显示器800。
图12显示了光传感器电路1110的示例，其可用于检测光并驱动IR LED 515，而不涉及MCU 1040，其由IR感测板1210和LED驱动板1220组成。
回到图9，显示***900的内部IR照明代表对询问的主动响应，朝向ALPR相机970，产生更亮的图像、更低的信噪比，并且因此光学图案或字符识别的精度更高。询问***的IR波长和主动响应的IR波长是独立的。可以选择照亮LCD显示器800的内部IR LED 515的IR波长，以在IR图像捕获和记录***中实现最佳可能的对比度和准确性。
反射式LCD显示器800可为双稳态或多稳态LCD，因为与需要持续更新的显示器相比，此类显示器的功率要求较低。在一个实施例中，液晶显示器保持稳定的可见图像，而不需要每秒刷新超过一次。一种这样的双稳态LCD类型可以是像素存储LCD，另一种可以是称为Binem的双稳态向列LCD，或者称为ZBD的双稳态向列显示器。
LCD显示器800可与反射式后偏振器510一起工作，诸如3MTM生产的称为DBEF的多层聚合物堆叠，线栅偏振器，诸如Nagase生产的WGF，或类似物。这种反射式偏振器具有从大约380nm到大于850nm的可用对比度。
前光导820可位于前偏振器845的顶部或下方。利用由日光传感器960控制的用于夜间可见的可选白光LED 915，并且利用取决于颁发这种牌照板的位置的要求为一个或多个所需的波长选择的多个IR LED 515来从边缘照亮它。自动牌照板识别***工作在特定的红外波长，诸如740nm、850nm、940nm等。例如，如果符合要求，则IR LED可以包括几个740nm和几个850nm的LED。本领域技术人员将理解，其他组合也是可能的。
偏振器812可以是染料型偏振器，其染料经选择用于红外操作，且不要求其在可见光谱中具有良好的透射或偏振效率，因为不要求可见光穿过它。另一种合适类型的偏振器可以是线栅偏振器或多层堆叠偏振器，因为对于可见光范围，这种偏振器比线夹偏振器更简单且更容易以更低的成本生产。
偏振保护光导820可由透明聚合物、玻璃或不同透明材料的组合制成，并可涂有不同折射率的材料。
图9中还显示了夜间模式下观察者530的光路990。如果日光传感器960检测到暗环境，它可以激活可见光LED 915。来自可见光LED 915的非偏振光穿过光导820，它从那里被均匀地导向LCD显示器800。因为光是非偏振的，所以它不变地穿过显示器。
部分光在后偏振器510处反射，而不希望的偏振光穿过后偏振器510，并被吸收器525吸收。反射的偏振光将保持不变，或者其偏振将被液晶层850改变，这取决于液晶层750中液晶的取向。
具有未改变偏振状态的光将被前偏振器545吸收。对于观察者530来说，LCD显示器800的对应图像区域看起来是暗的。具有改变偏振状态的光通过前偏振器545并到达观察者530。LCD显示器800的对应显示区域看起来是亮的。在备选实施例中，前光805也可以放置在前偏振器845的前面。在这种情况下，在以类似的方式传递到显示器之前，离开光导820的可见光将首先被吸收性前偏振器845偏振。在又一个备选实施例中，可见光偏振器可以放置在可见光LED 915和光导820之间。
尽管已结合本发明的特定实施例对本发明进行了具体描述，但应理解的是，这是为了说明而非限制。在前述公开和附图的范围内，合理的变化和修改是可能的，而不背离本发明的精神。

Claims (20)

1.一种红外光可读液晶显示***，包括：
液晶显示器，包括：
液晶显示器单元，包括：
液晶层，用于控制可见光和红外光的偏振状态；
前基板；
后基板；以及
其中所述液晶层位于所述前基板和所述后基板之间；
可见光前偏振器，其中所述可见光前偏振器对红外光透明；以及
反射式后偏振器，用于偏振可见光和红外光；以及
照明单元，包括多个光源，其中所述多个光源中的至少一个发射红外光。
2.如权利要求1所述的红外光可读液晶显示***，其中，所述液晶显示器是红外透射液晶显示器，并且其中所述照明单元是背光。
3.如权利要求2所述的红外光可读液晶显示***，其中，所述背光还包括吸收额外光的吸收器。
4.如权利要求2所述的红外光可读液晶显示***，其中：
所述红外透射液晶显示器还包括对红外光透明的可见不透明层；以及
所述背光还包括反射器，其中所述反射器反射红外光。
5.如权利要求2所述的红外光可读液晶显示***，其中，所述背光还包括：
偏振保护光导；以及
红外偏振器，其中所述红外偏振器位于所述多个光源和所述偏振保护光导之间。
6.如权利要求4所述的红外光可读液晶显示***，其中，所述可见不透明层对红外光是透明的，并且其中所述可见不透明层在可见光下呈现黑色。
7.如权利要求4所述的红外光可读液晶显示***，其中，所述可见不透明层对红外光是透明的，并且其中所述可见不透明层在可见光下是非黑色的。
8.如权利要求2所述的红外光可读液晶显示***，其中，所述多个光源包括至少一个红外发射光源和至少一个可见光发射光源。
9.如权利要求1所述的红外光可读液晶显示***，其中，所述液晶显示器是反射式液晶显示器，并且其中所述照明单元是前光。
10.如权利要求9所述的红外光可读液晶显示***，其中，所述前光位于所述可见光前偏振器和所述液晶显示器单元之间。
11.如权利要求9所述的红外光可读液晶显示***，其中，从观察者的角度来看，所述前光在所述可见光前偏振器的前面。
12.如权利要求9所述的红外光可读液晶显示***，其中，所述前光还包括偏振保护光导和具有红外能力的偏振器，并且其中所述具有红外能力的偏振器位于所述照明单元和所述偏振保护光导之间。
13.如权利要求9所述的红外光可读液晶显示***，其中，所述多个光源包括至少一个红外发射光源和至少一个可见光发射光源。
14.一种用于电子牌照板的红外光可读液晶显示***，包括：
液晶显示器，包括：
液晶显示器单元，包括：
液晶层，用于控制可见光和红外光的偏振状态；
前基板；
后基板；以及
其中所述液晶层位于所述前基板和所述后基板之间；
可见光前偏振器，其中所述可见光前偏振器对红外光透明；以及
反射式后偏振器，用于偏振可见光和红外光；
照明单元，包括多个光源，其中所述多个光源中的至少一个发射红外光；
多个光传感器，其中所述多个光传感器中的至少一个对红外光敏感；以及
电子电路，能够驱动发射红外光的所述多个光源中的至少一个。
15.如权利要求14所述的用于电子牌照板的红外光可读液晶显示***，还包括微控制器，用于从对红外光敏感的所述多个光传感器中的至少一个接收输入，并且其中基于所述输入，所述微控制器控制发射红外光的所述多个光源中的至少一个。
16.如权利要求14所述的用于电子牌照板的红外光可读液晶显示***，还包括独立电路，用于从对红外光敏感的所述多个光传感器中的至少一个接收输入，并且其中基于所述输入，所述独立电路控制发射红外光的所述多个光源中的至少一个。
17.如权利要求14所述的用于电子牌照板的红外光可读液晶显示***，其中，所述多个光源包括至少一个红外发射光源和至少一个可见光发射光源。
18.如权利要求14所述的用于电子牌照板的红外光可读液晶显示***，其中，所述液晶显示器保持稳定的可见图像，而不需要每秒刷新超过一次。
19.一种操作红外光可读液晶显示***的方法，包括：
提供液晶显示器，所述液晶显示器包括：
液晶显示器单元，包括：
液晶层，用于控制可见光和红外光的偏振状态；
前基板；
后基板；以及
其中所述液晶层位于所述前基板和所述后基板之间；
可见光前偏振器，其中所述可见光前偏振器对红外光透明；以及
反射式后偏振器，用于偏振可见光和红外光；
提供包括多个光源的照明单元，其中所述多个光源中的至少一个发射红外光；以及
基于外部刺激来控制所述多个光源。
20.一种操作用于电子牌照板的红外光可读液晶显示***的方法，包括：
提供液晶显示器，所述液晶显示器包括：
液晶显示器单元，包括：
液晶层，用于控制可见光和红外光的偏振状态；
前基板；
后基板；以及
其中所述液晶层位于所述前基板和所述后基板之间；
可见光前偏振器，其中所述可见光前偏振器对红外光透明；以及
反射式后偏振器，用于偏振可见光和红外光；
提供包括多个光源的照明单元，其中所述多个光源中的至少一个发射红外光；
提供多个光传感器，其中所述多个光传感器中的至少一个对红外光敏感；
提供能够驱动发射红外光的至少一个光源的电子电路；以及
基于来自所述多个光传感器的照明条件用所述电子电路控制所述多个光源。
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