专利名称：反射偏振片与彩色液晶显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及偏振片这种光学元件，它只透射在某一方向上振动的线性偏振光。本发明尤其涉及反射偏振片，它用在液晶显示装置以及带有反射偏振片的彩色液晶显示装置中。
背景技术：
自从TV广播开始以来，CRT(阴极射线管)类型的TV接收机已经应用了许多年，作为替代产品，已经开发了像LCD(液晶显示)或PDP(等离子体显示板)这样的超薄TV接收机，并已经投入到实际的使用中。特别地，幸而大尺寸的彩色液晶显示板具有低功耗或价格不断下调的特点，使得使用彩色液晶显示板的彩色液晶显示装置预期会变得越来越流行，因此，彩色液晶显示装置被视为在未来具有很大市场潜力的一种显示装置。
彩色液晶显示装置照亮形成于彩色液晶显示板上的图像，以便由此在该装置上显示该图像，其过程中所用的照明光线来自背光部件。图1A和1B分别示意性地解释了TN(向列扭曲的)类型的液晶显示板的原理。如图1A所示，被封装在两个光分布膜af1和af2之间的液晶LC的分子以扭曲的形式排列，其中两个光分布膜的光分布方向彼此交叉垂直。当预定的电压在此时加在液晶LC上时，液晶LC的分子排列方向便如图1B所示的那样转换到垂直方向。
因此，当提供偏振滤波片pf1和pf2且电压并未加在液晶LC上时(偏振滤波片pf1和pf2的偏振方向分别对应于光分布膜af1和af2的光分布方向)，如图1所示，已经穿过偏振滤波片pf1的光线在沿着液晶LC的分子之间的空间前进的同时以直角的角度扭曲。因此，在这种情形中，该光线可以通过偏振滤波片pf2。
另一方面，当提供偏振滤波片pf1和pf2且电压被加在液晶LC上时(偏振滤波片pf1和pf2的偏振方向分别对应于光分布膜af1和af2的光分布方向)，已经穿过偏振滤波片pf1的光线在沿着液晶LC的分子之间的空间前进，其间并未改变方向。因此，在这种情形中，该光线不能通过偏振滤波片pf2。
如上所述，液晶LC使用电压作为触发器用来当作一个透光或遮光的快门。这便是液晶显示板中图像显示的原理。对要被加在液晶LC上的电压进行的控制不仅提供黑色和白色两个值，还提供要表现出的灰度色标。
如参照图1A和1B所描述的那样，被允许进入液晶LC的光线需要是在某一方向上振动的线性偏振光。为此，该光线要通过偏振滤光片pf1。因此，由液晶背光部件发射的光的量，在当光线进入液晶显示板的那一刻已减少到一半或更少。即，偏振滤光片的存在显著地减小了液晶显示装置的亮度。为了确保液晶显示装置具有所期望的亮度，考虑到因偏振滤光片的存在而引起的通光量损失(该通光量损失是功耗增加的原因)，有必要增加从背光部件中发出的光的量。
为应对这一点，已经设计了一种方法。该方法是这样的在从背光部件出来并要进入液晶显示板的光线中，因偏振滤光片而损失的偏振分量被重新利用，从而增加了液晶显示装置的亮度而同时又抑制了功耗。
具体来讲，通过在背光部件和液晶显示板之间放置一个反射偏振片用作亮度增强膜，可以重新利用与因液晶显示板的偏振滤波片的存在而引起的损失相对应的通光量。在下文中，使用图2的液晶显示装置100(包括边发光类型的背光部件110)作为一个模型，将通过对使用亮度增强膜130的情形和未使用亮度增强膜130的情形进行比较，来检测进入液晶显示板120的照明光线。
如图2所示，在液晶显示装置100的左侧区域LF中未使用亮度增强膜130，所以从光源111发出的光线在被光引导盘112引导时基本上是在垂直的方向上偏振的，并作为照明光线直接进入液晶显示板120的下侧偏振滤波片afd。液晶显示板120的下侧偏振滤波片afd只透射P偏振光，同时屏蔽偏振方向与P偏振光正交的S偏振光。
很自然，此时只有P偏振光通过下侧偏振滤光片afd，并由液晶显示板120对其进行空间调制，之后从液晶显示装置100的左侧区域LF输出。
另一方面，如图2所示，在液晶显示装置100的右侧区域RF中，亮度增强膜130被放置在背光部件110和液晶显示板120之间，所以照明光线像上述的那样从光源111和光引导盘112中发出，首先进入亮度增强膜130，然后进入液晶显示板120的下侧偏振滤光片afd。像下侧偏振滤光片afd那样，亮度增强膜130透射P偏振光。亮度增强膜130不透射S偏振光，反而将S偏振光反射回背光部件110。
被反射回背光部件110的部分S偏振光又被光引导盘112反射，或进入光引导盘112。进入光引导盘112的S偏振光被放置在光引导盘112的底部表面上的反射板113所反射，以使其被转换成P偏振光并再次进入亮度增强膜130。已进入亮度增强膜130的P偏振光穿过该亮度增强膜130和液晶显示板120，增加了通光量，所以与液晶显示装置100的左侧区域LF相比，可以增加其右侧区域RF的亮度。
亮度增强膜130使背光部件110发出的光线偏振化并将其分开，从而实现对在目前所使用的许多液晶显示装置中被视为没必要利用的偏振分量进行重新利用，因此亮度增强膜130变为构成液晶显示装置所不可缺少的功能性构件。作为一种亮度增强膜，DBEFTM(由日本Sumitomo 3M有限公司制造)被许多目前所使用的液晶显示装置采用(例如，可参照<URLhttp://www.mmm.co.jp/display/dbef/index.html>)。
通过使用高双折射聚合体，DBEF实现了一种堆叠式结构，该结构包括高折射率材料/低折射率材料的组合。因此DBEF在其表面内给定的方向上具有折射率差异，在垂直于该给定方向的方向上不具有折射率差异。具有上述结构的DBEF是一种多层光学膜，该光学膜反射在具有折射率差异的方向上振动的光线(例如，S偏振光分量)，并透射在没有折射率差异的方向上振动的光线(例如，P偏振光分量)。
发明内容
本发明是在考虑到上述背景技术的前提下作出的，并期望提供反射偏振片。该反射偏振片能使光线偏振/分离，并且反射/重新利用当不使用高双折射聚合物时曾被视为多余的偏振分量。本发明还期望提供带有该反射偏振片的彩色液晶显示装置。
根据本发明，提供一种反射偏振片，它通过利用双折射特性使入射光偏振/分离，使平行于入射光的第一偏振面而振动的第一线性偏振分量透射过去，并反射平行于第二偏振面(第二偏振面与第一偏振面垂直)而振动的第二线性偏振分量。反射偏振片是通过以多次交替的方式堆叠高折射率层和低折射率层而获得的电介质多层膜，其中该高折射率层是通过使用具有双折射特性的电介质材料而构成的，低折射率层是通过使用一种电介质材料而构成的，该电介质材料的折射率基本上与具有双折射特性的电介质材料所具有的折射率之一相同。
根据本发明，提供一种彩色液晶显示装置，它包括具有彩色滤光片的透射型彩色液晶显示板，该彩色滤光片包括用来选择性地透射红光波长、绿光波长和蓝光波长的三原色滤光片；背光部件，它用白光从彩色液晶显示板的背面照亮该显示板；以及反射偏振片，它位于彩色液晶显示板和背光部件之间。背光部件所具有的光源是由红光LED、绿光LED、蓝光LED以及颜色混合装置构成，其中红光LED发出的峰值波长是λpr的红光，绿光LED发出的峰值波长是λpg的绿光，蓝光LED发出的峰值波长是λpb的蓝光，颜色混合装置则用于将从光源发出的红光、绿光和蓝光混合以产生白色。反射偏振片是通过以多次交替的方式堆叠高折射率层和低折射率层而获得的电介质多层膜，其中该高折射率层是通过使用具有双折射特性的电介质材料而构成的，低折射率层是通过使用一种电介质材料而构成的，该电介质材料的折射率基本上与具有双折射特性的电介质材料所具有的折射率之一相同。通过利用双折射特性以使入射白光偏振/分离，反射偏振片使第一线性偏振分量透射，该组分的偏振方向平行于从背光部件中发出的白光的第一偏振面，该背光部件适用于构成白光的红光、绿光和蓝光；该反射偏振片反射第二线性偏振分量，该组分的偏振方向平行于与第一偏振面相垂直的第二偏振面。
根据本发明的反射偏振片是通过以多次交替的方式堆叠高折射率层和低折射率层而获得的电介质多层膜，其中该高折射率层是通过使用具有双折射特性的电介质材料而构成的，低折射率层是通过使用一种电介质材料而构成的，该电介质材料的折射率基本上与具有双折射特性的电介质材料所具有的折射率之一相同。通过利用双折射特性以使入射光偏振/分离，反射偏振片使第一线性偏振分量透射，该组分的偏振方向平行于入射光的第一偏振面；该反射偏振片反射第二线性偏振分量，该组分的偏振方向平行于与第一偏振面相垂直的第二偏振面。
使用上述配置，当本发明用在液晶显示装置中时，可以使从背光部件中发出的各种颜色的光线偏振/分离，并且重新利用所反射的偏振分量，因此防止偏振分量被吸收之后变为热能，从而抑制了损耗。因此，从背光部件中发出并用于照亮彩色液晶显示装置的光线的使用效率增加了，从而显著提高了亮度。
此外，在本发明中，既然反射偏振片是由电介质多层膜构成的，则很容易针对要被用作背光部件的光源的波长进行相应的膜设计，由此无论要使用的光源是何种类型都可以使其反射特性发挥出最大效用。
图1A和1B是用于解释液晶显示板的显示原理的图；图1A示出了这样的情形，其中电压没有加在液晶上，光线可以通过液晶显示板；图1B示出了这样的情形，其中电压加在液晶上，光线不能通过液晶显示板。
图2是用于解释亮度增强膜的功能的图。
图3是用于解释根据本发明较佳实施例的彩色液晶显示装置的配置的图。
图4示出了在彩色液晶显示装置中用作背光部件光源的LED的光谱特性。
图5示出了广泛使用的三波长区域光发射CCFL(冷阴极荧光灯)的光谱特性。
图6示出了当使用碳酸钙(CaCO3)作为双折射材料时与绿光相对应的电介质多层膜的“波长-反射率”特性。
图7示出了当使用碳酸钙(CaCO3)作为双折射材料时与三原色光线相对应的电介质多层膜的“波长-反射率”特性。
图8示出了当使用碳酸钙(CaCO3)作为双折射材料时在电介质多层膜中偏振方向与折射率差值较小的偏振面相平行的光线的“波长-反射率”特性。
图9示出了当使用碳酸钙(CaCO3)作为双折射材料时与三原色光线相对应的电介质多层膜的“波长-反射率”特性，其中用作光源的LED所具有的光谱特性不同于图4中的光谱特性。
图10示出了当使用钒酸钇(YVO4)作为双折射材料时与蓝光和绿光相对应的电介质多层膜的“波长-反射率”特性。
图11示出了当使用钒酸钇(YVO4)作为双折射材料时与三原色光线相对应的电介质多层膜的“波长-反射率”特性。
图12示出了当使用硼酸钡(α-BBO)作为双折射材料时与三原色光线相对应的电介质多层膜的“波长-反射率”特性。
图13示出了当使用碳酸钙(CaCO3)作为双折射材料时根据与三原色光线相对应的电介质多层膜的层数而变化的“波长-反射率”特性。
图14示出了当使用碳酸钙(CaCO3)作为双折射材料时与三原色光线相对应的电介质多层膜的反射率和层数之间的依赖关系。
具体实施例方式
下面将参照附图对本发明的较佳实施例进行描述。不言自明，本发明并非只限于下面的实施例，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出各种改变。
在本发明中，并未使用用于前面提到过的DBEF中的高双折射聚合物，但使用了具有双折射特性的电介质多层膜以构成反射偏振片，该反射偏振片能够使光线偏振/分离，并对偏振分量进行反射/重新利用。
本发明可应用于背光式彩色液晶显示装置40，该装置40具有如图3所示的配置。
透光式彩色液晶显示装置40包括透光式彩色液晶显示板10、在彩色液晶显示板10的背面上的背光部件25以及在显示板10和背光部件25之间的光学功能性膜30。
尽管并未示出，但彩色液晶显示装置40可以包括像模拟调谐器或数字调谐器这样的接收机，用来接收地面电波或卫星电波；视频信号处理器和音频信号处理器，用来处理由接收机接收到的视频信号和音频信号；以及像扬声器这样的音频信号输出部分，用来输出由音频信号处理器处理过的音频信号。
透光式彩色液晶显示板10具有透明的TFT玻璃基板11、对置的电极基板12以及液晶层13，扭曲向列相(TN)液晶被封装在液晶层13中。TFT基板11和对置的电极基板12彼此相对放置着。液晶层13位于TFT基板11和对置的电极基板12之间。此外，彩色液晶显示板10具有偏振片21和22，并使TFT基板11和对置的电极基板12插放在偏振片21和22之间。
形成于TFT基板11之上的是以矩阵的形式排列好的信号线14和扫描线15，放置在信号线14和扫描线15交叉点处并用作开关元件的薄膜晶体管16，以及像素电极17。薄膜晶体管16是由扫描线15来选择的，并将信号线14提供的视频信号写入相对应的像素电极17。在对置电极基板12的中间表面上形成的是对置电极18和彩色滤光片19。
在彩色液晶显示装置40中，背光部件25位于透光式彩色液晶显示板10的背面上，该背光部件25用白光来照射具有上述配置的彩色液晶显示板10。在这种情形中，当以有源矩阵方法来驱动彩色液晶显示装置40时，可以显示出所期望的全彩色图像。
尽管未示出，但背光部件25使用发出红光的红光LED(发光二极管)、发出绿光的绿光LED以及发出蓝光的蓝光LED作为光源。背光部件25从其发光表明25a发出白光以照亮彩色液晶显示板10，该白光是通过混合来自光源的各光线而获得的。
在彩色液晶显示板10和背光部件25之间是光学功能性膜30，该膜30包括漫射膜31、棱镜膜32、亮度增强膜33等，这些膜按顺序堆叠在背光部件25的发光表面25a上。光学功能性膜30的配置并非只限于上述这种，可以使用任何光学功能性膜，只要它能够将背光部件表面发出的光转换成具有最适合照亮彩色液晶显示板10的特性的照明光即可。
如背景技术那部分所描述的那样，光学功能性膜30中的亮度增强膜33使背光部件25发出的光偏振/分离，并对通过在背景技术中被偏振/分离之后已被认为是多余的偏振分量进行反射/重新利用，从而增加彩色液晶显示装置40的亮度。特别地，既然三种发出三原色光线的LED被用作背光部件25的光源，则根据本发明的实施例的亮度增强膜33具有与这些LED发光特性相对应的光学功能。
图4示出了峰值波长λpb为455nm蓝光LED、峰值波长λpg为530nm绿光LED以及峰值波长λpr为640nm红光LED的光谱特性，这些LED被用作背光部件25的光源。图5示出了被广泛用作背光部件的光源的三波长区域发光CCFL(冷阴极荧光灯)的光谱特性。
如图4和5所示，与CCFL的发射光谱不同，红光LED、绿光LED和蓝光LED的每个发射光谱在宽广的光谱区域中并没有多个子峰，而在其中心波长附近的半带宽极窄。因此，通过使亮度增强膜33对应于图4所示的LED光谱特性，可以显著增加能够被反射/再利用的偏振分量。
〔使用电介质多层膜的亮度增强膜33〕在形成亮度增强膜33(根据发出三原色光线的LED光谱特性，该亮度增强膜33能够使光线偏振/分离，并对偏振分量进行反射/再利用)的过程中，使用了双折射材料来构成电介质多层膜(在该电介质多层膜中，高折射率层和低折射率层交替堆叠)。
电介质多层膜(在该电介质多层膜中，高折射率层和低折射率层交替堆叠)以选择性的方式强烈反射具有给定波长的光线。假定给定波长是λ，为了以选择性的方式强烈反射给定波长λ，即为了强烈反射用给定波长λ作为中心波长的光线，高折射率层和低折射率层的光学膜厚度需要被分别设定为λ/4。
此外，具有双折射特性的电介质材料被用作高折射率层，而具有接近用作高折射率层的电介质材料的较低折射率的电介质材料，即具有可减小折射率差异的折射率被用作低折射率层。结果，通过交替堆叠高折射率层和低折射率层而形成的电介质多层膜所具有的高反射率是针对这样的光线偏振分量的，即该偏振分量是在高折射率层的较高折射率的方向上偏振的；该电介质多层膜对于这样的光线偏振分量是不反射的，该偏振分量是在高折射率层的较低折射率的方向上偏振的。因此，该电介质多层膜实现了偏振分离功能。
如上所述，便是有关亮度增强膜33的基本设计原理。如此设计出的亮度增强膜33可以根据偏振分量的不同来反射或透射具有给定波长λ的光线。假定红光LED峰值波长λpr、绿光LED峰值波长λpg以及蓝光LED峰值波长λpb的诸多数值被用作那些给定波长，当三种类型的电介质多层膜组(它们中的每个都包括以交替方式堆叠的高折射率层和低折射率层，这些膜层的厚度对应于三原色光线的峰值波长之一)被堆叠好时，可以获得能够增加背光部件25(该背光部件25使用发出三原色光线的LED作为光源)的亮度的亮度增强膜33。
〔示例1碳酸钙(CaCO3)被用作具有双折射特性的电介质材料〕在示例1中，使用CaCO3作为具有双折射特性的电介质材料，它的折射率为对应于不同偏振面的1.48和1.66，该不同的偏振面平行于线性偏振光的偏振方向。即，CaCO3被用于构成亮度增强膜33的高折射率层，亮度增强膜33是电介质多层膜。另一方面，作为低折射率层，折射率为1.455的电介质材料SiO2被选用，1.455与CaCO3的较低的折射率接近。
通过一种像溅射或真空蒸发这样的已知的薄膜形成工艺，将高折射率层和低折射率层交替堆叠在像PET(对苯二酸聚乙烯)这样的基板上，由此形成亮度增强膜33。
当使用具有如图4所示的光谱特性的LED作为光源时，下面将对电介质多层膜进行描述，该电介质多层膜的形成是与峰值波长λpg为530nm的绿光相对应的。具体来讲，光学膜厚度为λpg/4的0.5倍的高折射率层(0.5H)、光学膜厚度为λpg/4的低折射率层(1L)、以及光学膜厚度为λpg/4的0.5倍的高折射率层(0.5H)的组合被设置为最小堆叠单元，而最小堆叠单元再堆叠27次((0.5H1L0.5H)27)以构成电介质多层膜。在这种情形中，图6示出了偏振分量的“波长-反射率”特性，该偏振分量的偏振面所在的方向上CaCO3的折射率为1.66。
如图6所示，这种电介质多层膜具有中心波长为530nm的反射峰RPg，该中心波长与绿光的峰值波长λpg相同，在该波长处反射率为100％。反射峰RPg的宽度Wrpg是由高折射率层和低折射率层之间的折射率差值来确定的(在这种情形中，即为1.66和1.455之间的差值)。此外，反射峰RPg的边缘Erpg的清晰度是由堆叠单元的重复堆叠次数来确定的(在这种情形中，即为27次)。既然每个LED的发射光谱具有如图4所示的窄半带宽，则如果反射峰的中心波长对应于绿光的中心波长，电介质多层膜就可以反射掉绿光LED发出的绿光中的大部分而不必在意图6所示的相对较窄的反射峰具体的样子。
同样，使用相同的设计原理来构成适用于蓝光LED(峰值波长λpb为455nm)、红光LED(峰值波长λpb为640nm)的电介质多层膜。即，高折射率层的折射率设置成nH＝1.66(CaCO3)，低折射率层的折射率设置成nL＝1.455(SiO2)。与蓝光LED和红光LED发出的蓝光和红光相对应的电介质多层膜组(这两种LED具有如图4所示的光谱特性，峰值波长λpb和λpr分别为455nm和640nm)被分别堆叠在一起作为最小单元，其比率由(0.5H1L0.5H)来表示，而(0.5H1L0.5H)是相对于λpb/4和λpr/4而言的。每个所获得最小单元都被堆叠27次。
总共由163个包括高折射率层和低折射率层的层组成的电介质多层膜(其中与红光、绿光和蓝光相对应的各电介质多层膜组都是堆叠而成的)用作亮度增强膜33，该亮度增强膜33可以使从具有图4所示的光谱特性的LED中发出的光线偏振/分离，并对经偏振/分离后已被认为是多余的偏振分量进行反射/再利用。
在这种情形中，偏振分量的“波长-反射率”特性变为图7所示的那样，其中在该偏振分量的偏振面所在的方向上，CaCO3(亮度增强膜33的电介质材料)的折射率为1.66。
如图7所示，亮度增强膜33的反射峰RPb具有与蓝光峰值波长λpb相同的中心波长455nm，反射峰RPg具有与绿光峰值波长λpg相同的中心波长530nm，反射峰RPr具有与红光峰值波长λpr相同的中心波长640nm，在这些波长处，每种颜色的反射率都是100％。结果，亮度增强膜33几乎可以完全反射红光、绿光和蓝光的偏振分量，在各偏振面所在的方向上，用来形成高折射率层的CaCO3的折射率都是1.66。
在1.455(它是用来形成低折射率层的电介质材料SiO2的折射率)和1.48(它是用作高折射率层的电介质材料CaCO3的较低折射率)之间的折射率差值是非常小的。因此，该偏振分量(在该偏振分量的偏振面所在的方向上，用于形成亮度增强膜33的高折射率层的CaCO3的折射率是1.48)展现出图8所示的“波长-反射率”特性。尽管在455nm、530nm和640nm附近，因CaCO3折射率1.48与SiO2折射率1.455之间存在微小的折射率差异而导致红光、绿光和蓝光的20％到30％可以被反射，但是从图8中可以看到，红光、绿光和蓝光几乎不被反射而全部透射。
如上所述，亮度增强膜33是总共由163个包括高折射率层和低折射率层的层组成的电介质多层膜。该亮度增强膜33几乎可以完全反射红光、绿光和蓝光的偏振分量，每个偏振分量都具有在折射率差异较高的方向上的一个偏振面，例如S偏振光偏振分量；该亮度增强膜33几乎可以完全透射各偏振分量，每个偏振分量都具有在折射率差异较低的方向上的一个偏振面，例如，P偏振光偏振分量。
当上述亮度增强膜33被用于图3所示的彩色液晶显示装置40时，除了可以再利用所反射的偏振分量之外，还可以使从背光部件25中发出的白光偏振/分离出构成白光的各彩色光，从而防止偏振分量被吸收变为热能，抑制了损耗。因此，从背光部件25中发出并用于照亮彩色液晶显示板10的光线的使用效率增加了，从而显著提高了亮度。
〔示例2在改变LED的峰值波长的情况下的膜设计〕在示例2中，当不改变用作亮度增强膜33(该亮度增强膜33是电介质多层膜)的电介质材料时，用作背光部件25的光源的LED的各峰值波长发生了移动，在这种情况下要检查亮度增强膜33的反射特性。
用作光源的多个LED是峰值波长λpb为450nm的蓝光LED、峰值波长λpg为550nm的绿光LED以及峰值波长λpr为670nm的红光LED。如示例1所示的那样，与各彩色光相对应的电介质多层膜是通过将最小堆叠单元堆叠27次((0.5H1L0.5H)27)而获得的，其中高折射率层和低折射率层是堆叠而成的，其比率由(0.5H1L0.5H)来表示，而(0.5H1L0.5H)是相对于各个光学膜厚度λpb/4、λpg/4和λpr/4而言的。
在亮度增强膜33(总共由163个包括高折射率层和低折射率层的层组成的电介质多层膜，其中与红光、绿光和蓝光相对应的各电介质多层膜都是堆叠而成的)中，偏振分量(在该偏振分量的偏振面所在的方向上，用来构成高折射率层的CaCO3的折射率是1.66)的“波长-反射率”特性变得如图9所示的那样。
如图9所示，亮度增强膜33的反射特性具有中心波长为450nm的反射峰RPb(它与蓝光峰值波长λpb相同)、中心波长为550nm的反射峰RPg(它与绿光峰值波长λpg相同)以及中心波长为670nm的反射峰RPr(它与红光峰值波长λpr相同)，在这些波长处，每种颜色的反射率都为100％。
即，甚至当用作光源的多个LED的各峰值波长发生移动时，通过根据峰值波长来改变高折射率层和低折射率层的光学膜厚度，可以几乎完全反射红光、绿光和蓝光的各偏振分量，其中在各偏振分量的偏振面所在的方向上CaCO3的折射率是1.66。
另一方面，上述各偏振分量尽管未被示出且几乎不被反射，但在示例1的情形中却是可被透射的，其中在各偏振分量的偏振面所在的方向上，用来形成亮度增强膜33的高折射率层的CaCO3的折射率是1.48。
结果，甚至当用作背光部件25的光源的多个LED的各峰值波长移动到所期望的数值时，通过使用亮度增强膜33(其中高折射率层和低折射率层的光学膜厚度是根据峰值波长来设计的)，除了可以再利用所反射的偏振分量之外，还可以针对构成白光的各彩色光使背光部件25发出的白光偏振/分离，从而防止偏振分量被吸收变为热能，抑制了损耗。因此，从背光部件25中发出并用于照亮彩色液晶显示板10的光线的使用效率显著增加了，从而提高了亮度。
〔示例3当除CaCO3以外的双折射材料被使用时的膜设计〕在示例3中，当使用除CaCO3以外的电介质材料作为具有双折射特性(该双折射特性用于亮度增强膜33，该亮度增强膜33是电介质多层膜)的电介质材料时，要检查亮度增强膜33的反射特性。在示例1的情形中，要被用作背光部件25的光源的LED具有如图4所示的光谱特性。
(1)作为具有双折射特性的电介质材料，使用钒酸钇(YVO4)来替代示例1和2中的CaCO3。YVO4具有不同的折射率no＝1.99以及ne＝2.22，分别对应入射光(λ＝630nm)的不同偏振面。下面将对通过将高折射率层的折射率nH＝2.22与低折射率层的折射率nL＝1.455结合起来而获得的偏振方向进行描述。
在这种情形中，折射率差值较大，由Δn＝ne-no＝0.765来表示。因此，形成这样的电介质多层膜，使得其反射峰的中心波长被设置在λpb＝490nm，490nm基本上是绿光的峰值波长λpg＝530nm和蓝光的峰值波长λpr＝455nm的中间值。更具体地讲，最小堆叠单元(其中高折射率层和低折射率层的堆叠比率是由(0.5H1L0.5H)来表示的，且(0.5H1L0.5H)是相对于光学膜厚度λgb/4而言的)被堆叠了10次((0.5H1L0.5H)10)以获得电介质多层膜。
在上面的电介质多层膜中，偏振分量的“波长-折射率”特性变为如图10所示，其中在该偏振分量的偏振面所在的方向上YVO4的折射率为2.22。如图10所示，当YVO4被用作具有双折射特性的电介质材料以形成具有上述配置的电介质多层膜时，可以覆盖峰值波长λpb为455nm的蓝光和峰值波长λpg为530nm的绿光的发射光谱。
因此，为了覆盖三原色光(包括峰值波长λpr为640nm的红光)，一种用来偏振/分离红光的电介质多层膜被堆叠在上述电介质多层膜上，并由可以此获得亮度增强膜33。例如，其反射峰的中心波长被设置在λgr＝590nm，590nm基本上是绿光的峰值波长λpg＝530nm和红光的峰值波长λpr＝640nm的中间值。
更具体地讲，当最小堆叠单元(其中高折射率层和低折射率层的堆叠比率是由(0.5H1L0.5H)来表示的，且(0.5H1L0.5H)是相对于光学膜厚度λgr/4而言的)被堆叠了10次((0.5H1L0.5H)10)以获得电介质多层膜时，其反射峰的中心波长可以被设置在λgr＝590nm。所获得的电介质多层膜可以使峰值波长λpg＝530nm的绿光和峰值波长λpr＝640nm的红光发生偏振/分离。
即，亮度增强膜33是由总共41个包括高折射率层和低折射率层的层构成的电介质多层膜，其构成方式就是把使绿光和蓝光发生偏振/分离的电介质多层膜以及使绿光和红光发生偏振/分离的电介质多层膜堆叠起来。
在这种亮度增强膜33中，偏振分量的“波长-反射率”特性变为图11所示的那样，其中在该偏振分量的偏振面所在的方向上，用来构成高折射率层的YVO4的折射率为2.22。如图11所示，亮度增强膜33在多个LED的整个发射光谱中具有一个反射峰，在该反射峰处反射率为100％。结果，亮度增强膜33几乎可以完全反射红光绿光和蓝光的偏振分量，在每个偏振分量的偏振面所在的方向上，用来构成高折射率层的YVO4的折射率为2.22。
另一方面，各偏振分量(在每个偏振分量的偏振面所在的方向上，用来构成亮度增强膜33的高折射率层的YVO4的折射率为1.99)尽管没有示出且几乎很难被反射，但在示例1的情形中却是可被透射的。
结果，如同示例1和2中的情形那样，甚至当YVO4取代CaCO3而被用作构成亮度增强膜33(该亮度增强膜33是电介质多层膜)的高折射率层的电介质材料时，通过充分思考设计出高折射率层和低折射率层，除了可以对所反射的偏振分量进行再利用以外，可以针对构成白光的各彩色光使背光部件25发出的白光偏振/分离，从而防止偏振分量被吸收变为热能，抑制了损耗。因此，从背光部件25中发出并用于照亮彩色液晶显示板10的光线的使用效率显著增加了，从而提高了亮度。
此外，与使用CaCO3的情况相比，使用YVO4作为用来构成高折射率层的电介质材料可以显著减小亮度增强膜33的高、低折射率层的堆叠层数。在这种情况下，总共的堆叠层数可以从163层减小到41层。
此外，如图11所示，使用YVO4可在较宽的波长范围中实现100％的反射率，所以当使用CCFL(CCFL具有如图5所示的光谱特性)作为背光部件25的光源时，它可以有效地增加亮度。
(2)取代示例1和2中所用的CaCO3，使用硼酸钡(α-BBO)作为具有双折射特性的电介质材料。α-BBO具有不同的折射率no＝1.68以及ne＝1.60，分别对应于入射光(λ＝532nm)的不同偏振面。下面将对通过将高折射率层的折射率nH＝1.68与低折射率层的折射率nL＝1.455结合起来而获得的偏振方向进行描述。
在这种情形中，折射率差值较小，由Δn＝no-ne＝0.225来表示。因此，如同示例1中的情况那样，需要形成这样的电介质多层膜，使其与LED发出的各彩色光的峰值波长相对应。
形成了与蓝光峰值波长λpb＝455nm相对应的电介质多层膜、与绿光峰值波长λpg＝530nm相对应的电介质多层膜、以及与红光峰值波长λpr＝640nm相对应的电介质多层膜。各彩色光是从蓝光LED、绿光LED和红光LED中发出的，这些LED具有如图4所示的光谱特性。更具体地讲，针对每种彩色光，最小堆叠单元的电介质多层膜是通过将高折射率层和低折射率层以(0.5H1L0.5H)比率堆叠而成的，(0.5H1L0.5H)是相对各光学膜厚度λpb/4、λpg/4和λpr/4而言的。所获得的最小堆叠单元被堆叠了27次((0.5H1L0.5H)27)，以获得与各彩色光相对应的电介质多层膜。
总共由163个包括高折射率层和低折射率层的层组成的电介质多层膜(其中与红光、绿光和蓝光相对应的各电介质多层膜组都是堆叠而成的)用作亮度增强膜33，该亮度增强膜33可以使从具有图4所示的光谱特性的LED中发出的光线偏振/分离，并对已被认为是多余的偏振分量进行反射/再利用。
在这种亮度增强膜33中，偏振分量的“波长-反射率”特性变为如图12所示的那样，其中在该偏振分量的偏振面所在的方向上，用来构成高折射率层的α-BBO的折射率为1.68。
如图12所示，亮度增强膜33的反射峰RPb具有与蓝光峰值波长λpb相同的中心波长455nm，反射峰RPg具有与绿光峰值波长λpg相同的中心波长530nm，反射峰RPr具有与红光峰值波长λpr相同的中心波长640nm，在这些波长处，每种颜色的反射率都是100％。结果，亮度增强膜33几乎可以完全反射红光、绿光和蓝光的偏振分量，在各偏振分量的偏振面所在的方向上，用来形成高折射率层的α-BBO的折射率都是1.68。
另一方面，红光、绿光和蓝光的各偏振分量尽管没有被示出且很难被反射但如示例1中的情形那样可被透射，其中在每个偏振分量的偏振面所在的方向上，用来构成亮度增强膜33的高折射率层的α-BBO的折射率是1.60。
结果，如同示例1和2中的情形那样，甚至当α-BBO取代CaCO3而被用作构成亮度增强膜33(该亮度增强膜33是电介质多层膜)的高折射率层的电介质材料时，通过充分思考设计出高折射率层和低折射率层，除了可以对所反射的偏振分量进行再利用以外，还可以针对构成白光的各彩色光使背光部件25发出的白光偏振/分离，从而防止偏振分量被吸收变为热能，抑制了损耗。因此，从背光部件25中发出并用于照亮彩色液晶显示板10的光线的使用效率显著增加了，从而提高了亮度。
〔示例4堆叠次数有所改变的情况下〕在示例1中，与各彩色光相对应的电介质多层膜是按下面的描述形成的。即，形成了与蓝光峰值波长λpb＝455nm相对应的电介质多层膜、与绿光峰值波长λpg＝530nm相对应的电介质多层膜、以及与红光峰值波长λpr＝640nm相对应的电介质多层膜。各彩色光是从蓝光LED、绿光LED和红光LED中发出的，这些LED具有如图4所示的光谱特性。更具体地讲，针对每种彩色光，最小堆叠单元的电介质多层膜是通过将高折射率层和低折射率层以(0.5H1L0.5H)比率堆叠而成的，(0.5H1L0.5H)是相对各光学膜厚度λpb/4、λpg/4和λpr/4而言的。所获得的最小堆叠单元被堆叠了27次((0.5H1L0.5H)27)，以获得与各彩色光相对应的电介质多层膜。
在示例4中，当与各彩色光相对应的电介质多层膜的最小堆叠单元(各最小堆叠单元由((0.5H1L0.5H)27)来表示)的层数被假定为N并且改变N以改变包括在亮度增强膜33中的高、低折射率层的数目时，要检查层数和反射率的关系。在本示例中，CaCO3被用作具有双折射特性的电介质材料，具有如图4所示的光谱特性的LED被用作背光部件25的光源。
图13示出了偏振分量的“波长-反射率”特性，其中在该偏振分量的偏振面所在的方向上，用来构成高折射率层的CaCO3的折射率是1.66，最小堆叠单元的层数被设置为10、20和30。如图13所示，当层数N＝10和20时，反射率100％不能被实现。当层数N＝30时，100％的反射率可以被实现。
图14示出了当最小堆叠单元的层数N从5开始逐渐增加时，亮度增强膜33的反射率的变化，其中针对用作光源的多个LED的峰值波长λpb＝455nm、λpg＝530nm和λpr＝640nm，分别画出了其反射率的变化。从图14中可以看出，当层数N从5开始增大时，亮度增强膜33的各个颜色的反射率是线性增加的，但当反射率大约超过80％的时候，便进入了非线性的饱和态。
如图13和14所示，与各彩色光相对应的电介质多层膜的最小堆叠单元的层数N越大，亮度增强膜33的反射率变得越高，从而展现出良好的反射特性。不过，当层数变得过大，则膜形成的时间和成本都会增加。因此，当反射率增加到约80％并开始进入到非线性的饱和区时，最好将此时所对应的层数N设定为堆叠层数的下限，并为彩色液晶显示装置40确定出与各彩色光相对应的电介质多层膜的最小堆叠单元的层数N，要使N在设计要求的范围之内大于上述的下限。
即，通过将用来构成亮度增强膜33的高、低折射率层的层数设定到可以使在该亮度增强膜33上的入射光的反射率大于80％，可以形成这样的亮度增强膜33，它能够显著提高彩色液晶显示装置40的亮度，同时还能够抑制像制造时间的增加或制造成本的上升等类似的负面因素。
对于本领域的技术人员而言，应该理解，根据设计要求和其它因素，可以有各种修改、组合、部分组合以及替换，只要它们落在所附的权利要求书或其等价方案的范围之内。
权利要求
1.一种反射偏振片，通过利用双折射特性偏振/分离入射光，所述反射偏振片可以使偏振方向平行于所述入射光的第一偏振面的第一线性偏振分量透射过去，并反射偏振方向平行于与所述第一偏振面相垂直的第二偏振面的第二线性偏振分量，所述反射偏振片包括通过多次交替堆叠而获得的电介质多层膜；通过使用具有双折射特性的电介质材料而形成的高折射率层；以及通过使用这样一种电介质材料而形成的低折射率层，所述电介质材料的折射率基本上与具有双折射特性的电介质材料所具有的折射率之一相同。
2.如权利要求1所述的反射偏振片，其特征在于，所述电介质多层膜是通过堆叠第一电介质多层膜、第二电介质多层膜以及第三电介质多层膜而获得的，所述第一电介质多层膜偏振/分离峰值波长为λpr的红光，所述第二电介质多层膜偏振/分离峰值波长为λpg的绿光，所述第三电介质多层膜偏振/分离峰值波长为λpb的蓝光。
3.如权利要求2所述的反射偏振片，其特征在于，所述第一电介质多层膜是通过堆叠最小堆叠单元Nr(Nr是自然数)次而形成的，所述最小堆叠单元是由光学膜厚度为λpr/4的0.5倍的高折射率层、光学膜厚度为λpr/4的低折射率层以及光学膜厚度为λpr/4的0.5倍的高折射率层共同组成的，所述第二电介质多层膜是通过堆叠最小堆叠单元Ng(Ng是自然数)次而形成的，所述最小堆叠单元是由光学膜厚度为λpg/4的0.5倍的高折射率层、光学膜厚度为λpg/4的低折射率层以及光学膜厚度为λpg/4的0.5倍的高折射率层共同组成的，以及所述第三电介质多层膜是通过堆叠最小堆叠单元Nb(Nb是自然数)次而形成的，所述最小堆叠单元是由光学膜厚度为λpb/4的0.5倍的高折射率层、光学膜厚度为λpb/4的低折射率层以及光学膜厚度为λpb/4的0.5倍的高折射率层共同组成的。
4.如权利要求3所述的反射偏振片，其特征在于，所述Nr是这样一个数值，它使所述第一电介质多层膜所反射的红光的第二线性偏振分量的反射率大于80％，所述Ng是这样一个数值，它使所述第二电介质多层膜所反射的绿光的第二线性偏振分量的反射率大于80％，以及所述Nb是这样一个数值，它使所述第三电介质多层膜所反射的蓝光的第二线性偏振分量的反射率大于80％。
5.如权利要求1所述的反射偏振片，其特征在于，碳酸钙(CaCO3)被用作具有双折射特性的电介质材料。
6.如权利要求1所述的反射偏振片，其特征在于，硼酸钡(α-BBO)被用作具有双折射特性的电介质材料。
7.如权利要求1所述的反射偏振片，其特征在于，所述反射偏振片以堆叠的方式包括第一电介质多层膜，它可以偏振/分离峰值波长为λpg的绿光以及峰值波长为λpb的蓝光；以及第二电介质多层膜，它可以偏振/分离峰值波长为λpg的绿光以及峰值波长为λpr的红光。
8.如权利要求7所述的反射偏振片，其特征在于，假定在峰值波长为λpg的绿光和峰值波长为λpb的蓝光之间的中间波长是λgb，所述第一电介质多层膜是通过堆叠最小堆叠单元Ngb(Ngb是自然数)次而形成的，所述最小堆叠单元是由光学膜厚度为λgb/4的0.5倍的高折射率层、光学膜厚度为λgb/4的低折射率层以及光学膜厚度为λgb/4的0.5倍的高折射率层共同组成的，以及假定在峰值波长为λpg的绿光和峰值波长为λpr的红光之间的中间波长是λgr，所述第二电介质多层膜是通过堆叠最小堆叠单元Ngr(Ngr是自然数)次而形成的，所述最小堆叠单元是由光学膜厚度为λgr/4的0.5倍的高折射率层、光学膜厚度为λgr/4的低折射率层以及光学膜厚度为λgr/4的0.5倍的高折射率层共同组成的。
9.如权利要求8所述的反射偏振片，其特征在于，所述Ngb是这样一个数值，它使所述第一电介质多层膜所反射的绿光和蓝光的第二线性偏振分量的反射率大于80％，以及所述Ngr是这样一个数值，它使所述第二电介质多层膜所反射的绿光和红光的第二线性偏振分量的反射率大于80％。
10.如权利要求1所述的反射偏振片，其特征在于，钒酸钇(YVO4)被用作具有双折射特性的电介质材料。
11.一种彩色液晶显示装置，它包括具有彩色滤光片的透光式彩色液晶显示板，所述彩色滤光片包括用来选择性地透射红光波长、绿光波长和蓝光波长的三原色滤光片；背光部件，它用白光从所述彩色液晶显示板的后面照亮所述彩色液晶显示板；以及位于所述彩色液晶显示板和所述背光部件之间的反射偏振片，所述背光部件所具有的光源是由下列构成的红光LED，它发出峰值波长为λpr的红光；绿光LED，它发出峰值波长为λpg的绿光；蓝光LED，它发出峰值波长为λpb的蓝光；以及颜色混合装置，它用于将所述光源发出的红光、绿光和蓝光混合起来以产生所述白光，以及所述反射偏振片所包括的电介质多层膜是通过多次交替堆叠高折射率层和低折射率层而形成的，其中所述高折射率层是通过使用具有双折射特性的电介质材料而形成的，而所述低折射率层在形成过程中所使用的电介质材料的折射率基本上与具有双折射特性的电介质材料所具有的折射率之一相同；通过利用双折射特性使入射白光偏振/分离，所述反射偏振片针对构成所述白光的各红光、绿光和蓝光使偏振方向平行于从所述背光部件中发出的白光的第一偏振面的第一线性偏振分量透射过去，并反射偏振方向平行于与所述第一偏振面相垂直的第二偏振面的第二线性偏振分量。
12.如权利要求11所述的彩色液晶显示装置，其特征在于，所述电介质多层膜是通过堆叠第一电介质多层膜、第二电介质多层膜以及第三电介质多层膜而获得的，所述第一电介质多层膜偏振/分离峰值波长为λpr的红光，所述第二电介质多层膜偏振/分离峰值波长为λpg的绿光，所述第三电介质多层膜偏振/分离峰值波长为λpb的蓝光。
13.如权利要求12所述的彩色液晶显示装置，其特征在于，所述第一电介质多层膜是通过堆叠最小堆叠单元Nr(Nr是自然数)次而形成的，所述最小堆叠单元是由光学膜厚度为λpr/4的0.5倍的高折射率层、光学膜厚度为λpr/4的低折射率层以及光学膜厚度为λpr/4的0.5倍的高折射率层共同组成的，所述第二电介质多层膜是通过堆叠最小堆叠单元Ng(Ng是自然数)次而形成的，所述最小堆叠单元是由光学膜厚度为λpg/4的0.5倍的高折射率层、光学膜厚度为λpg/4的低折射率层以及光学膜厚度为λpg/4的0.5倍的高折射率层共同组成的，以及所述第三电介质多层膜是通过堆叠最小堆叠单元Nb(Nb是自然数)次而形成的，所述最小堆叠单元是由光学膜厚度为λpb/4的0.5倍的高折射率层、光学膜厚度为λpb/4的低折射率层以及光学膜厚度为λpb/4的0.5倍的高折射率层共同组成的。
14.如权利要求13所述的彩色液晶显示装置，其特征在于，所述Nr是这样一个数值，它使所述第一电介质多层膜所反射的红光的第二线性偏振分量的反射率大于80％，所述Ng是这样一个数值，它使所述第二电介质多层膜所反射的绿光的第二线性偏振分量的反射率大于80％，以及所述Nb是这样一个数值，它使所述第三电介质多层膜所反射的蓝光的第二线性偏振分量的反射率大于80％。
15.如权利要求11所述的彩色液晶显示装置，其特征在于，碳酸钙(CaCO3)被用作具有双折射特性的电介质材料。
16.如权利要求11所述的彩色液晶显示装置，其特征在于，硼酸钡(α-BBO)被用作具有双折射特性的电介质材料。
17.如权利要求11所述的彩色液晶显示装置，其特征在于，所述彩色液晶显示装置以堆叠的方式包括第一电介质多层膜，它可以偏振/分离峰值波长为λpg的绿光以及峰值波长为λpb的蓝光；以及第二电介质多层膜，它可以偏振/分离峰值波长为λpg的绿光以及峰值波长为λpr的红光。
18.如权利要求17所述的彩色液晶显示装置，其特征在于，假定在峰值波长为λpg的绿光和峰值波长为λpb的蓝光之间的中间波长是λgb，所述第一电介质多层膜是通过堆叠最小堆叠单元Ngb(Ngb是自然数)次而形成的，所述最小堆叠单元是由光学膜厚度为λgb/4的0.5倍的高折射率层、光学膜厚度为λgb/4的低折射率层以及光学膜厚度为λgb/4的0.5倍的高折射率层共同组成的，以及假定在峰值波长为λpg的绿光和峰值波长为λpr的红光之间的中间波长是λgr，所述第二电介质多层膜是通过堆叠最小堆叠单元Ngr(Ngr是自然数)次而形成的，所述最小堆叠单元是由光学膜厚度为λgr/4的0.5倍的高折射率层、光学膜厚度为λgr/4的低折射率层以及光学膜厚度为λgr/4的0.5倍的高折射率层共同组成的。
19.如权利要求18所述的彩色液晶显示装置，其特征在于，所述Ngb是这样一个数值，它使所述第一电介质多层膜所反射的绿光和蓝光的第二线性偏振分量的反射率大于80％，所述Ngr是这样一个数值，它使所述第二电介质多层膜所反射的绿光和红光的第二线性偏振分量的反射率大于80％。
20.如权利要求11所述的彩色液晶显示装置，其特征在于，钒酸钇(YVO4)被用作具有双折射特性的电介质材料。
全文摘要
本发明是在不使用高双折射聚合物的情况下形成的一种反射偏振片。本发明提供这样一种反射偏振片，通过利用双折射特性偏振/分离入射光，它可以使偏振方向平行于入射光的第一偏振面的第一线性偏振分量透射过去，并反射偏振方向平行于与第一偏振面相垂直的第二偏振面的第二线性偏振分量。该反射偏振片包括一种电介质多层膜，该电介质多层膜是通过多次交替堆叠高折射率层和低折射率层而形成的，其中高折射率层是通过使用具有双折射特性的电介质材料而形成的，而低折射率层在形成过程中所使用的是这样一种电介质材料，该电介质材料的折射率基本上与具有双折射特性的电介质材料所具有的折射率之一相同。
文档编号G02B5/30GK1776505SQ20051012506
公开日2006年5月24日 申请日期2005年11月18日 优先权日2004年11月19日
发明者久保田重夫, 大迫纯一, 河嵨利孝, 冲田裕之 申请人:索尼株式会社