本发明涉及一种由液晶材料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；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“enlargingthecolorgamutofliquidcrystaldisplayswithafunctionalreflectivepolarizer”,期刊opticsexpress,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；以及之前本发明人提出的通过波片和偏光片调制偏振光的色域拓宽技术(发明名称为“一种色域拓宽装置”的中国发明专利no.201810017963.0)，使用偏光片与波片调制偏振光，形成特定的透光效果，实现色域拓宽。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)，颜色陷滤波器以及函数反射偏光片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，通过波片和偏光片调制偏振光的色域拓宽技术由于提出时间较短，同时在视角方面存在一定缺陷，也尚未大规模应用。
技术实现要素：
本发明的目的是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，提供了一种液晶材料色域拓宽装置。该装置利用组合扭曲液晶层结构实现对于不同波长偏振光的调控，即通过将起偏偏光装置、多层液晶层以及检偏偏光片依次按一定角度平行排列，构成了一个光学系统，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。
本发明的技术方案为：
一种液晶材料色域拓宽装置，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，第一液晶层，第二液晶层和检偏偏光装置；
其中，所述起偏偏光装置的透光轴方向为0度；在此基准下：
第一液晶层内液晶分子取向角为0度，液晶分子扭曲角为720度；
第二液晶层内液晶分子取向角为0度，液晶分子扭曲角为720度。
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；
所述的液晶层厚度在5微米至30微米之间；
所述装置中的第一液晶层，第二液晶层为正向或反向顺序排列；
所述的装置中的各部分可以为全部正向或反向顺序排列；
本发明的实质性特点为：
在本发明中首次提出通过组合扭曲液晶层结构实现对于不同波长偏振光的调控。对比于通过波片调控偏振光的色域拓宽装置，本发明依赖于液晶层的旋光作用而波片结构依赖于波片对于偏振光的偏转，这两种装置在光学原理上是完全不同的，而本发明在实现相同色域拓宽效果的前提下装置结构更加简单，同时不存在视角问题，是一种更加优秀的色域拓宽装置。
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液晶材料，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液晶材料，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120％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为光源或显示屏与液晶材料色域拓宽装置截面结构图；
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为实施例1中的装置结构图、；其中，图3(a)为装置结构图,图3(b)为透射光谱图，图3(c)为色域图。
图4为实施例2中的液晶材料色域拓宽装置的透射光谱和色域图；其中，图4a为透射光谱图；图4b为为色域图。
图5为实施例3中的液晶材料色域拓宽装置的透射光谱和色域图；其中，图5a为透射光谱图；图5b为为色域图。
图6为实施例2中的液晶材料色域拓宽装置的透射光谱和色域图；其中，图6a为透射光谱图；图6b为为色域图。
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，第一液晶层2，第二液晶层3，检偏偏光装置4，起偏偏光装置1的透光轴与检偏偏光装置3的透光轴垂直。第一液晶层内液晶分子取向方向为0度，扭曲角为720度，左旋，第二液晶层内液晶分子取向角为0度，扭曲角为720度，右旋。本发明中以下实施例具体使用的液晶材料均为5cb，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；图2(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；图2(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；图2(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；图2(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。
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3(a)所示为一种液晶材料色域拓宽装置结构图，起偏偏光装置1使用偏光片，透光轴角度为0度，在此基准下，第一液晶层21采用液晶盒结构，其中包括玻璃基板211，取向层(本发明所述的取向层的材质均为聚酰亚胺)212，液晶层213，取向层214，玻璃基板215，在两基板处液晶分子取向方向均为0度方向，通过添加手性剂使液晶分子左旋扭曲，扭曲角为720度，液晶材料使用5cb液晶，液晶层厚度设置为13.5微米(即液晶层厚度)，第二液晶层31采用液晶盒结构，其中包括玻璃基板311，取向层312，液晶层313，取向层314，玻璃基板315，在两基板处液晶分子取向方向均为0度方向，通过添加手性剂使液晶分子右旋扭曲，扭曲角为720度，液晶材料使用5cb液晶，液晶层厚度设置为13.5微米，检偏偏光装置4使用偏光片，透光轴方向沿90度方向。
图3(b)为该液晶材料色域拓宽装置的透过率光谱，在该透过率光谱中，在红绿蓝三原色对应的波长位置有半峰全宽很窄的透过率峰，纯化了光源的颜色，可以有效拓宽显示器的色域，图3(c)为该液晶材料色域拓宽装置与ksf-led背光lcd面板结合时得到的色域图，色域覆盖面积为120.9％ntsc。
实施例2，
本实施例装置的其他结构与实施例一相同，不同之处为将第一液晶层与第二液晶层内液晶分子的扭曲角度改为540度，其扭曲方向仍然为第一液晶层左旋，第二液晶层右旋。
图4(a)为该液晶材料色域拓宽装置的透过率光谱，在该透过率光谱中，没有明显的透过率峰，色域拓宽效果很差，图4(b)为该液晶材料色域拓宽装置与ksf-led背光lcd面板结合时得到的色域图，色域覆盖面积为104.2％ntsc。
实施例3，
本实施例装置的其他结构与实施例一相同，不同之处为将检偏偏光装置的透光轴方向改为0度方向。
图5(a)为该液晶材料色域拓宽装置的透过率光谱，从该透过率光谱可以看出该装置不仅没有色域增强效果，反而会减小显示器的色域，图5(b)为该液晶材料色域拓宽装置与ksf-led背光lcd面板结合时得到的色域图，色域覆盖面积为82.4％ntsc。
实施例4，
本实施例装置的其他结构与实施例一相同，不同之处为将第二液晶层内液晶分子的扭曲方向由右旋改为左旋。
图6(a)为该液晶材料色域拓宽装置的透过率光谱，在该透过率光谱中，没有明显的透过率峰，没有色域增强效果，图6(b)为该液晶材料色域拓宽装置与ksf-led背光lcd面板结合时得到的色域图，色域覆盖面积为95.7％ntsc。
其它利用本发明专利中的基本结构使用使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。