专利名称：降低内部反射的光学结构及其方法
技术领域：
本发明一般地涉及光学系统，更具体地涉及利用光的相消干涉来有效降低在光学系统内的较高折射率层处的反射的显示结构。本发明也涉及制造具有降低的内部反射的光学结构的方法。
背景技术：
许多光学系统包含具有相对折射率η的层。这引起了系统内的反射，使入射光偏离了其设计路径，降低了效率且增加了噪声。尤其是，一些系统包含被两种低折射率介质包围的高折射率介质。在这样的一些系统中，高折射率介质足够薄，从而取决于光程差，可能发生在高折射率层的两个表面处的反射之间的相长或相消干涉。图1中图示的一个这样的系统是液晶显示器(IXD)，其中一个η 1. 95的铟锡氧化物(ITO)电极102位于η 1. 53的液晶(LC)层104与η 1. 53的玻璃或滤色镜(CF) 101 之间，并且另一个电极位于LC 104与η 1. 59的平坦树脂108之间。还存在η 1. 70的聚酰亚胺(PI)的薄层103，位于LC与每一个ITO电极之间。还存在η 2. 04的氮化硅层 105，位于η 1. 55的二氧化硅(silica)层106之间和/或二氧化硅层106与平坦树脂之间。二氧化硅和氮化硅层用作电介质，并且用于薄膜晶体管(TFT)系统内部及周围的钝化。 玻璃107支撑此结构。这是一种在工业中使用的典型结构。在显示设备处的环境光反射不合时宜地降低了观察者所看见的图像的对比度。抗反射涂层(ARC)被用在显示器的前表面上，其能将显示器的反射率到低于1%。然而，发生在设备内部的反射，特别地在ITO电极和氮化硅层处的反射，也将导致在明亮房间内的图像的降级。已经详细研究了用于光学系统的外表面的ARC。例如在美国专利No. 6，207，263(2001年3月27日)中描述了一种ARC。关于光学系统内的界面，受到最大关注的是介于低折射率介质与高折射率介质之间的单一界面。美国专利No. 5，061，874(1991年10月四日)描述了在两种介质之间引入的层， 加上界面的粗糙化，以降低镜面反射。在IXD领域，着眼于降低反射，已经研究了一些特定的情形。降低玻璃-半导体界面处的反射是美国专利申请No. 2006/0197096A(2006年9月7日)的主题。美国专利 No. 7, 167，221 (2007年1月23日)中主张一种作为吸收体的结构，该结构利用光的相消干涉来产生“黑矩阵”效应。美国专利申请No.2004/0109305A(2004年6月10日)描述了用在IXD背光元件上且与空气接触的ARC。W02004/044998 (2004年5月27日)描述了一种有机发光二极管(OLED)的设计。 所有的层，最外层和内层、发光层，都具有根据它们的折射率选定的厚度，以导致环境光在反射时的相消干涉。最后，美国专利No. 7，215，075 (2007年5月8日)描述了一种降低OLED的阴极处的反射的结构，所述阴极具有比它周围的介质更高的折射率。根据美国专利US7，215，075 的方法利用具有交替的高折射率和低折射率的偶数层来取代单一阴极层。
发明内容
根据本发明的设备和方法可以用于如液晶显示器的光学系统中，以最小化内部反射。更具体地，根据本发明的设备和方法提供了一种包括在第二层与第三层之间形成的第一层的结构，其中第一层的折射率高于第二层和第三层的折射率。更进一步，在第二层的一侧形成了第四层，且在第三层的一侧形成了第五层，其中第四层和第五层分别具有比第二层和第三层更低的折射率。根据本发明的设备和方法降低了光学设备的内部反射，同时相对于传统光学设备利用了更少的层。而且，利用根据本发明的原理的显示设备，例如LCD，相对于传统LCD设备，可以以更低的成本生产。根据本发明的一个方面，一种用于降低光学系统中的内部反射的结构包括层堆叠，所述层堆叠包括具有第一折射率的第一层、具有第二折射率的第二层、具有第三折射率的第三层、具有第四折射率的第四层和具有第五折射率的第五层，其中第二层布置在第一层与第三层之间，并且第四层布置在第三层与第五层之间，以及其中第三折射率大于第二和第四折射率，第二折射率大于第一折射率，并且第四折射率大于第五折射率。根据本发明的一个方面，第二折射率不同于第四折射率。根据本发明的一个方面，第一折射率不同于第五折射率。根据本发明的一个方面，至少一层包括液晶层。根据本发明的一个方面，第一层包括滤色镜，第二层包括聚酰亚胺，第三层包括铟锡氧化物电极，第四层包括聚酰亚胺，且第五层包括液晶层。根据本发明的一个方面，第一层包括液晶材料，第二层包括聚酰亚胺，第三层包括铟锡氧化物电极，第四层包括聚酰亚胺，且第五层包括平坦层。根据本发明的一个方面，第一层包括平坦层，第二层包括聚酰亚胺，第三层包括氮化硅层，第四层包括聚酰亚胺，且第五层包括二氧化硅层。根据本发明的一个方面，选择层堆叠中的层的相应厚度，以通过相消干涉来最小化光学系统中的总反射率。根据本发明的一个方面，该结构进一步包括二氧化硅和氮化硅中的至少一个，布置在层堆叠中；和经过层堆叠的光传输路径，其中二氧化硅和氮化硅中的所述至少一个被构图为不位于光传输路径中。根据本发明的一个方面，第二和/或第四层包括聚碳酸酯、聚苯乙烯和铟锌氧化物中的至少一个。根据本发明的一个方面，显示设备包括支撑装置，并且根据本发明的结构布置在支撑装置上。根据本发明的一个方面，支撑装置包括玻璃和聚合物中的至少一个。根据本发明的一个方面，显示设备是液晶显示器、有机发光二极管显示器和电润湿(electrowetting)显示器中的至少一个。根据本发明的一个方面，显示设备包括光学设备，所述光学设备包括本文中描述的结构，所述光学设备包括多个像素。更进一步，显示设备包括显示电路，显示电路包括至少一个信号输入和多个信号输出，所述至少一个信号输入用于接收与要显示的图像相对应的数据，所述多个信号输出中的每一个耦合到所述多个像素中的相应像素，显示电路操作以控制所述多个像素产生图像。根据本发明的一个方面，提供了一种用于降低光学系统中的反射的方法，所述光学系统包括层堆叠，所述层堆叠包括具有第一折射率的第一层，具有第三折射率的第三层和具有第五折射率的第五层，第三层形成在第一层与第五层之间，其中第三折射率大于第一折射率和第五折射率，所述方法包括在第一层与第三层之间添加具有第二折射率的第二层，和在第三层与第五层之间添加具有第四折射率的第四层，其中第三折射率大于第二折射率和第四折射率，第二折射率大于第一折射率，且第四折射率大于第五折射率。根据本发明的一个方面，所述方法包括选择第四层和第五层，从而使第四层的折射率不同于第五层的折射率。根据本发明的一个方面，所述方法包括优化层堆叠的各个层，以通过相消干涉最小化光学设备中的总反射率。根据本发明的一个方面，所述方法包括使第二层形成一定的厚度，从而使在第二层处反射的全部光的幅度取决于从第二层的不同表面反射的光波的相差。为了实现前述和相关的目标，本发明包括下文中完整描述的和在权利要求中具体指出的特征。下面的描述和附图详细阐明了本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施例只是反映了一些不同的实现本发明的原理的方式。当结合附图考虑时，从下面本发明的详细描述中，本发明其他的目的、优点和新颖的特征将是显而易见的。
图1图示了 IXD系统的示例性光学结构。图2图示了包括位于两个低折射率介质之间的高折射率层的示例性光学结构。图3图示了根据本发明的实施例的包括中间折射率层以降低光学系统中的反射的示例性光学结构。图4图示了设计为相对于图2的一层系统降低了反射的传统的两层光学系统。图5图示了设计为相对于图2的一层系统降低了反射的具有交替层的传统的四层光学系统。图6图示了根据本发明的实施例的包括中间折射率层的示例性LCD结构。图7图示了可替代图1的结构的IXD结构。图8图示了根据本发明的实施例具有中间折射率层的图7中的LCD结构。图9是用于可使用根据本发明的结构的液晶显示器的控制电子装置的标准规划图的示意图。
具体实施例方式将参考附图进行描述本发明的原理。因为本发明是为了在液晶显示器系统中使用而设计和开发的，因此这里主要在这个背景下描述本发明。然而，本发明的原理在更广泛的方面可以适用于其他类型的光学系统，例如有机发光二极管(LED)显示器系统和电润湿显示器系统。在传统的光学设备中，在显示器(或其他光学)系统中存在高折射率层，其提供一些功能并且理想上也是完全透明的。然而，此高折射率层和周围层之间的折射率差异引起了反射。这种反射的反射比(power of reflection)具有与高折射率层的厚度相关的下限。 根据本发明，将附加层引入光学设备，附加层可显著降低反射比的下限，并且也显著地低于利用现有技术考虑的偶数个层的结构可获得的反射比。根据本发明的设备和方法降低了被两个低折射率介质包围的高折射率介质处的反射。在上面讨论的现有技术中，只有美国专利No. 7，215，075(2007年5月8日)解决了此问题。WO 2004/044998 (2004年5月27日)也考虑到了来自复杂的分层结构的反射。WO 2004/044998 (2004年5月27日)未将任何额外的层添加到结构中。根据本发明的设备和方法因此能降低根据本发明的设备和方法处理过的这类结构处的反射。(例如参看表4和5附近的讨论)美国专利No. 7，215，075 (2007年5月8日)通过将偶数个层的一个高折射率层改变为交替折射率来处理此结构。根据本发明的设备和方法将中间折射率层添加到高折射率层的任一面。这导致了比美国专利No. 7，215，075 (2007年5月8日)的应用更低的反射， 如下文中所讨论的。参考图2，示出了可以应用根据本发明的原理的示例性光学结构。如图2所示，高折射率层(例如具有比其他介质的折射率数值更大的折射率的介质)HI被低折射率层(例如具有比HI的折射率数值更小的折射率的介质)LIl和LI2包围，其中LIl和LI2可以具有相同或不同的折射率。高折射率层的厚度使得总反射比为在高折射率层的表面处的两个反射之间的干涉的结果(取决于光的相干性，存在使该条件成立的HI层的最大厚度)。参看图3，中间折射率层MIl和MI2被应用到高折射率层HI的每一侧，位于高折射率层与低折射率包围介质LIl和LI2之间。MIl和MI2可以具有相同或不同的折射率。本发明的一个特征是保留高折射率层，同时降低它的反射率。应注意的是，在非LC显示器(例如0LED)中，与透明电极相邻的不是聚酰亚胺层， 从而在这些显示器中针对每个透明电极将添加两层。相对比的是，对于IXD来说，针对每个透明电极仅添加一个额外的层，因为ITO层已经有一个相邻的中间折射率层，从而即为结构中的五种介质中的四种。根据图3的设备降低了光学系统中被低折射率介质包围的高折射率层处的反射。 更进一步，根据图3的设备比美国专利No. 7，215，075中描述的2层、4层和6层系统更有效地降低了反射。这一点将在下面论述。下面的结果是利用下山单纯形多维最小化数字方法获得的，如ft~eSS，W. H.， et al. , 'Numerical recipes in C :the art of scientific computing', second edition (Cambridge University Press，1992)，第 408-412 页中所描述。对于法线入射的光，利用在 Smith, W. J. , 'Modern Optical Engineering', third edition (McGraw-Hill, 2000)，第205-207页(等式7. 32已经校正为与7. 30和7. 31 一致)中提出的计算方法计算反射率。针对从450nm到750nm的平坦光谱来对它们进行平均。平均反射率(下文中称为反射率)根据层的折射率(这里它们是未知的)和厚度被最小化。Press和Smith的上述参考部分通过引用被包含于此。a)参考图2，考虑如下情况n = 1. 95的HI层被两个η = 1. 50的介质LIl和LI2 包围。就HI的厚度而言，在HI处的最小反射率为0.013。在此示例中HI为148nm厚。尽管HI与LIl和LI2之间的折射率有差异，但是由于在HI的两个表面处反射的光的相消干涉，反射率很低。根据本发明，且如上述所述，可以将中间折射率的两个额外层添加到图2的系统中。所述两个额外层为图3中所述的MIl和MI2。新的三层系统(HI、MI1和MI2形成三层) 的反射率可以最小化到0. 00005,即反射率相对于图2的设备被降低了 3000倍。在此示例中，MIl和MI2的折射率均为1. 66，并且它们的厚度为85nm。HI (η = 1. 95)厚度为145nm。在与美国专利7，215，075相关的方法中，作为替代，一个单一的额外层E被添加到系统中，如图4的传统光学结构中所示。在这种两层的情况下(HI和E形成了两层)，可能的最小反射率为0. 0084，并且额外层具有折射率1. 61。将上述根据图4的两层系统获得的结果与图3中的设备获得的结果相比，两层解决方案在反射率上的降低得到了改进，在此示例中改进了 170倍。b)为了与美国专利7，215，075的下一个最简单的实施例作对比，将研究在美国专利7，215，075的示例中使用的材料。这是一个四层系统，具有交替的高和低折射率，在图 5(层Y、X、Y和X形成四层)中图示。Ll和L2是包围所述四层的介质。每一个交替层由介质X或Y构成。美国专利7，215，075中的示例使用具有折射率1. 8和2. 2的X和Y层。Ll和L2 没有被特别指定，因此这种配置无法完全与图3中所示的实施例作对比。这里Ll和L2采用1. 5的折射率。利用多维最小化算法改变此四层结构中的厚度，这些层(被介质Ll和L2 包围)处的反射率可以最小化到0. 018。所述方法可进一步包括优化层堆叠的各个层，以通过相消干涉最小化光学系统中的总反射率。在上述示例中使用的同样的材料可用在根据本发明的设备中，例如这里所描述的三层系统。在此情况下，HI的折射率为2. 2，MIl和ΜΙ2的折射率均为1. 8，且LIl和LI2的折射率均为1. 50。就此三层的厚度而言，在此三层处的反射率可最小化到0. 0017。因此，在根据本发明的设备中使用同样的材料，与美国专利7，215，075的四层实施例相比，反射率降低了一个数量级。c)参考图5，考虑这样的四层系统，其Ll层的折射率为1.50，L2层的折射率为 1.60，且X和Y层的折射率分别为1.70和1.95。所述四层系统具有最小反射率为0. 0039。根据本发明的三层系统采用同样的材料，即在图3中Mil、HI和MI2的折射率为 1. 70、1. 95和1. 70，可获得最小反射率为0. 00056。与采用与美国专利7，215，075的四层实施例相同的材料相比，这次反射率再次降低了 7倍。一个六层的交替系统(也是美国专利7，215，075的实施例)，采用折射率为1. 70 和1. 95，获得最小反射率为0. 0037。考虑到所有这些结果，可以看出，当高折射率层被低折射率介质包围时，根据本发明的设备与根据美国专利7，215，075的方案相比，提供了更好的反射率降低。参考附图，在下文中更加完整地描述根据本发明的设备。然而，根据本发明的原理可以以不同的形式体现，并且不应解释为受本文阐述的实施例所限制。实施例一参考图1，描述了可实施为液晶显示器(IXD)的光学结构的示例，其中η 1.95的一个ITO电极102位于η 1. 53的液晶层(LC) 104与η 1. 53的玻璃或滤色镜(CF) 101之间，并且另一个ITO电极位于LC 104与η 1. 59的平坦树脂108之间。在LC与每一个 ITO电极之间，还存在η 1. 70的聚酰亚胺(PI)的薄层103。在η 1. 55的二氧化硅层 106之间和/或二氧化硅层106与平坦树脂层之间，还存在η 2. 04的氮化硅层105。二氧化硅层和氮化硅层用作电介质，且在TFT系统内和周围起钝化作用。玻璃107支撑所述结构(另一种类型的支撑装置可以是例如聚合物(例如聚合物基板))。这是一种在工业中使用的典型的结构，且在表1中描述，同时给出了每一层的厚度。表 权利要求
1.一种用于降低光学系统中的内部反射的结构，包括层堆叠，所述层堆叠包括具有第一折射率的第一层、具有第二折射率的第二层、具有第三折射率的第三层、具有第四折射率的第四层和具有第五折射率的第五层，其中第二层布置在第一层与第三层之间，并且第四层布置在第三层与第五层之间，以及其中第三折射率大于第二和第四折射率，第二折射率大于第一折射率，并且第四折射率大于第五折射率。
2.根据权利要求1所述的结构，其中第二折射率不同于第四折射率。
3.根据权利要求2所述的结构，其中第一折射率不同于第五折射率。
4.根据权利要求1-3中的任意一个所述的结构，其中层堆叠的至少一层包括液晶层。
5.根据权利要求1-4中的任意一个所述的结构，其中第一层包括滤色镜，第二层包括聚酰亚胺，第三层包括铟锡氧化物电极，第四层包括聚酰亚胺，且第五层包括液晶层。
6.根据权利要求1-4中的任意一个所述的结构，其中第一层包括液晶材料，第二层包括聚酰亚胺，第三层包括铟锡氧化物电极，第四层包括聚酰亚胺，且第五层包括平坦层。
7.根据权利要求1-4中的任意一个所述的结构，其中第一层包括平坦层，第二层包括聚酰亚胺，第三层包括氮化硅层，第四层包括聚酰亚胺，且第五层包括二氧化硅层。
8.根据权利要求1-7中的任意一个所述的结构，进一步包括二氧化硅和氮化硅中的至少一个，布置在层堆叠中；和经过层堆叠的光传输路径，其中二氧化硅和氮化硅中的所述至少一个被构图为不位于光传输路径中。
9.根据权利要求1-8的任意一个所述的结构，其中第二和/或第四层包括聚碳酸酯、聚苯乙烯和铟锌氧化物中的至少一个。
10.根据权利要求1-9中的任意一个所述的结构，其中选择层堆叠中的层的相应厚度， 以通过相消干涉来最小化光学系统中的总反射率。
11.一种显示设备，包括支撑装置和布置在所述支撑装置之上的根据权利要求1-10中的任意一个的结构。
12.根据权利要求11所述的显示设备，其中支撑装置包括玻璃和聚合物中的至少一个。
13.根据权利要求11-12中的任意一个所述的显示设备，其中所述显示设备为液晶显示器、有机发光二级管显示器和电润湿显示器中的至少一个。
14.一种显示设备，包括包括根据权利要求1-10的任意一个所述的结构并且包括多个像素的光学设备；和显示电路，包括至少一个信号输入和多个信号输出，所述至少一个信号输入用于接收与要显示的图像相对应的数据，所述多个信号输出中的每一个耦合到所述多个像素中的相应像素，显示电路操作以控制所述多个像素产生图像。
15.一种用于降低光学系统中的反射的方法，所述光学系统包括层堆叠，所述层堆叠包括具有第一折射率的第一层，具有第三折射率的第三层和具有第五折射率的第五层，第三层形成在第一与与第五层之间，其中第三折射率大于第一折射率和第五折射率，所述方法包括在第一层与第三层之间添加具有第二折射率的第二层，和在第三层与第五层之间添加具有第四折射率的第四层，其中第三折射率大于第二折射率和第四折射率，第二折射率大于第一折射率，且第四折射率大于第五折射率。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括选择第四层和第五层，从而使第四层的折射率不同于第五层的折射率。
17.根据权利要求15-16中的任意一个所述的方法，进一步包括使第二层形成一定的厚度，从而使在第二层处反射的全部光的幅度取决于从第二层的不同表面反射的光波的相差。
全文摘要
一种用于降低光学系统中的内部反射的结构，包括层堆叠，所述层堆叠包括具有第一折射率的第一层、具有第二折射率的第二层、具有第三折射率的第三层、具有第四折射率的第四层和具有第五折射率的第五层。第二层布置在第一层与第三层之间，并且第四层布置在第三层与第五层之间。此外，第三折射率大于第二和第四折射率，第二折射率大于第一折射率，并且第四折射率大于第五折射率。
文档编号G09F9/30GK102439650SQ20108002207
公开日2012年5月2日 申请日期2010年5月18日 优先权日2009年5月22日
发明者阿利斯代尔·P·科德 申请人:夏普株式会社