无反转图像的透射反射显示器的制作方法

专利名称：无反转图像的透射反射显示器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及显示器，更具体地涉及工作在环境光和背光照明下的透射反射显示器。
在这类装置中最普通的是液晶显示器(LCD)。LCD可以根据照明光源来分类。反射显示器通过从显示器前面进入显示器的环境光照明。诸如设置在LCD后面的擦拭型(brushed)金属反射器的反射表面反射通过LCD传输的光并且保持入射到反射表面上的光偏振方向。虽然反射显示器符合低能耗的需要，但该显示器只在好的环境光条件下有用。在较差的环境光条件下，该显示器常常是暗的并且难以读出。因此，纯粹的反射显示器实用性有限。
另一种LCD显示器是背光(backlit)显示器，在这显示器中背向光用于照明显示器。观察者观察从背向光通过LCD显示器传输的光。通常，该背光装置包括灯，光发射二极管(LED)或其它发射光的装置，和一些引导光从光发射器到LCD的光学元件。背光也可以用于反射显示器这样它能够用于宽范围的环境光条件。但是，使用背光装置会增加电池的能量消耗，明显地减少了电池的使用时间，或电池充电间的时间。
背光和环境反射显示器的结合导致了“透射反射”薄膜的需要。透射反射薄膜设置在LCD和光源之间，用于反射通过LCD传输的环境光并且传输来自光源的光以照明LCD。但是，在环境光条件下，当背景为亮时显示在屏幕上的字符可以是暗的，而在背光条件下在暗背景上出现的字符是亮的。换言之，背光图像相对环境反射图像是反转的。当背光照明时通过反转LCD显示器的奇偶性(parity)可以用电子方法克服这个问题。当显示器的奇偶性从一个状态翻转到另一个状态时，用户会经历一些烦燥或不适。这类显示器的另一个问题是模糊，当环境光和背景光大约相同强度时会发生这样的问题，这样就使观看在显示器显示的信息变得困难。
另外，对于诸如移动电话和传呼机之类的当用户使用这些装置时需要背景光照明的一些应用，需要不论环境光条件确保一定的最小可见能力。在这样的例子中，因为该显示器在所有时间中都工作在反射光模式，就不可能转换LCD的奇偶性。因此，透射反射薄膜需要使得背光图像相对环境光反射图像不反转。现在可用的无反转透射反射薄膜在工作时有高的损耗，这使它们反射环境光的适用性减小，并且使观看者正确观看背光图像需要的光功率量增加。
因此，需要改进无反转透射反射薄膜，该薄膜在保持显示图像的高可见性时，减小了对背光照明器的功率需要。
在一个具体的实施例中，本发明包括一个透射反射装置，其吸收偏振片有透射偏振轴。设置第一反射偏振片来接收通过吸收偏振片传输的光，第一反射偏振片有基本上平行于吸收偏振片透射偏振轴的透射偏振轴。设置第二反射偏振层来接收来自吸收偏振片的通过第一反射偏振层传输的光，并且有不平行于该吸收偏振片透射偏振轴的透射偏振轴。
在另一个具体的实例中，本发明包括一个偏振器装置，其吸收偏振装置吸收第一偏振态的光并且在垂直于第一偏振态第二偏振态的透射光，并且第一偏振反射装置反射在不平行于第一和第二偏振态的第三偏振态反射光并且传输在垂直于第三偏振态的第四偏振态透射光。第二偏振反射装置设置在该吸收偏振装置和第一偏振反射装置之间来反射在第一偏振态的光和透射在第二偏振态的光。
在本发明的另一个具体实施例中，光学系统有透射反射装置，它包括了有透射偏振轴的第一吸收偏振片，和设置为接收通过该吸收偏振片传输的第一反射偏振片，并且第一反射偏振片有基本上平行于第一吸收偏振片透射偏振轴的透射偏振轴。在该装置中设置第二反射偏振层来接收来自第一吸收偏振片的通过第一反射偏振层传输的光，第二反射偏振片有不平行于第一吸收偏振片透射偏振轴的透射偏振轴。该系统进一步包括设置为将光向透射反射装置第二反射偏振层传输的光源。
本发明的另一个实施例是透射反射装置，它包括吸收偏振片和设置为反射至少一部分通过吸收偏振片传输光的第一反射偏振片。第二反射偏振片设置在吸收偏振片和第一反射偏振片之间。第二反射偏振片反射通过第一反射偏振片透射的光，在吸收偏振片有可吸收偏振，并且透射通过吸收偏振片向第一反射偏振片透射的光。
本发明的上述摘要并没有描述本发明的每个示范实施例或每个应用例。下面的附图和详细描述将更具体地示出这些实施例。
图2示出在透射反射显示器中的供电，控制信号和光流。
图3示出有反转图像的透射反射显示器。
图4示出产生无反转图像的透射反射显示器的实施例。
图5示出产生无反转图像的透射反射显示器的另一实施例。
图6示出根据本发明的产生无反转图像改进的透射反射显示器的实施例。
图7是在图4-6中示出的背光显示器实施例的反射增益和背光增益的示意图。
图8A是用于图6中示出的改进透射反射显示器的根据对准角度作出的反射增益和背光增益的曲线图。
图8B是图6所示实施例中，对在中间偏振片和吸收偏振片间各种对准角度的反射增益和背光增益的示意图。
图9-12是根据本发明的不同透射反射装置实施例的示意图。


图13和14是示出根据本发明的采用反射圆偏振片的透射反射装置的不同实施例示意图。
图15和16是根据本发明的反射椭圆偏振片的不同实施例的示意图。
图17-20是根据本发明的透射反射装置的附加实施例的示意图。
图21是示出根据本发明的结合光控制层的透射反射装置实施例的示意图。
图22是示出根据本发明的结合滤色片层的透射反射装置的实施例示意图。
虽然本发明适于各种修改和替换形式，在附图中通过实例示出了具体的例子并且将详细描述。不过，可以理解，本发明并不限于具体实施例所描述的例子。正相反，本发明覆盖了由附加权利要求所限定的本发明精神和范围中的所有修改，等价技术方案和替换形式。
透射反射型显示器可用于许多类型装置中的信息显示，包括计算机，轻便管理器，移动电话，寻呼机，和因特网附件。图1示出了在移动电话100中的透射反射显示器。移动电话100可以包括控制按钮102，拨号按钮104，和一些光标按钮106来控制在透射反射显示器108中的光标。透射反射显示器108显示几种类型的信息，例如拨号信息，通话接收信息，由移动电话100接收的信息，以及用于移动电话100本身上的选择特定功能和设置的菜单。
在图2中示出透射反射显示器单元199的示意图。显示器200，通常是液晶显示器(LCD)之类，连接到控制在显示器200上显示信息的控制器202。透射反射薄膜204布置在显示器200下面。电源206提供能量到显示器控制器202，显示器200和光源208。电源206可以是电池，可充电电池，或其它供电源。当供电装置206是电池时，减少光源208和显示器控制器202所需的电量是有好处的，以便增加电池寿命。
光源208用于产生光210，它通过透射反射器204和显示器200传播，并且成为光212输出到用户。在环境显示模式中，环境光214入射到显示器200。由显示器200传输并且由透射反射器204反射的光，成为光216传向观察者，留住图像展示给观察者。
在图3中示出了常规的透射反射显示器300的实施例。该装置300有吸收偏振片302，LCD304和透射反射层306。例如，透射反射层可以是对一个偏振态光高反射并且对垂直偏振态光高透射。在透射反射薄膜306下面设置有背光源308。
首先我们考虑入射到偏振片薄膜302上的环境光。在偏振片薄膜302中吸收有垂直于吸收偏振片302的通行偏振态的偏振光线310。有由吸收偏振片302透射的偏振的光312，它通过LCD 304传输并且偏振没有旋转。光线312通过透射反射薄膜306传输。另一束光线314通过吸收偏振片302和LCD 304传输。光线314的偏振由LCD 304旋转并且被透射反射薄膜306强反射，成为光316，是观察者看见的图像光。
当在背光条件下工作时，与在环境光条件下工作相比显示器300反转该图像。当背光时，光线318通过透射反射薄膜306传输，并且当它被吸收偏振片302吸收前，由LCD 304旋转它的偏振。光线320通过透射反射层306传输，通过LCD而没有偏振旋转，并且通过吸收偏振器302传输。背向光322首先由透射反射层306反射，但在通过透射反射层306和背光源308间的来回反射后它的偏振被随机化，可以通过透射反射器。光线322的偏振在通过LCD 304的传输中没有旋转，因此通过该吸收偏振片302被传输。光线324首先通过透射反射层306反射，但会来回反射直到其偏振能够传输。光线324的偏振由LCD 304旋转并且在吸收偏振片302中被吸收。
因此，在环境光条件下，那些偏振在通过LCD传输后被旋转的光线形成了图像。相反，在背光下，那些偏振没有被LCD旋转的光线形成了被用户观察到的图像。因此，在环境光条件下，在屏幕上显示的字符是暗的，而背景是亮的，但在背光条件下出现在暗背景上的字符是亮的。换言之，背光图像相对环境光反射图像是反转的。当背光照明时反转LCD显示器的奇偶性可以用电子方法克服这个问题。当显示器的奇偶性从一个状态转换到另一个状态时，用户可能会经历一些烦燥或不适。可以理解显示器可以是单色的，或是由不同象素产生不同色彩的彩色显示器。
另外，对某些诸如移动电话和寻呼机的应用，它们需要在用户使用该装置时进行背光照明，不考虑环境光条件确保特定的最小可视能力。在这样的情况下，由于显示器必须在所有的时间能工作在反射模式，不可能切换LCD的奇偶性。因此，透射反射薄膜必须要使背光图像相对环境光反射图像是无反转的。现有无反转透射反射薄膜损耗高，减小了它们反射环境光的适应能力，并且增加了能使观察者正确地观察到背光图像需要产生的光功率量。
在图4中示出了无反转透射反射显示器的一个实施例。显示器400包括了吸收偏振片薄膜402，LCD 404和较低的偏振片薄膜406。透射反射薄膜408设置在下吸收偏振片406下面。在显示器400中设置光源410来产生通过LCD 404的光。光控制层412可以被设置到透射反射薄膜408和光源410之间来提高来自光源410的光照明特性。
在这个具体实施例中，透射反射薄膜408是半反射薄膜，例如是有由绝缘层形成的奇偶反射器薄膜，或包括金属薄片悬浮物(suspension)的聚合物薄膜。在后面的情况中，一些光由薄片反射，而其它光在薄片间传输。半反射薄膜也可以是有带有沉积金属层的织构表面的薄膜或有在产生织构的沉积后擦拭过(brushed)的金属层薄膜。
光控制层412可以包括一层或更多层薄膜414，其上有微结构棱镜表面，将光从光源410改变方向到显示器400的轴向。例如，棱镜层414可以是由明尼苏达St.Paul 3M公司生产的BEF薄膜。光控制层412可以包括两个棱镜薄膜414，两个薄膜互相交叉，这样能在两个方向中控制光的发散，例如在图的纸面中和在图的纸面外。
光源410有益地均匀照明LCD，这样观察者看见在显示器400上基本上不变的光强度分布。在这个具体的实施例中，光源410包括一个或更多的发射光进入光波导418的光发射器416。例如，光发射器416可以是光发射二极管(LEDs)，荧光或任意其它适宜的光发射装置。LEDs可以是单色的或可以包括许多工作在不同波长的发射器以产生白光输出。
光波导418将来自光发射器416的光引导向LCD 404。在这个具体实施例中，光波导418包括在它的下表面422上的光发散点420。沿着光波导418传导的入射到光发散点420上的光从点420漫反射并且向上通过光波导的上表面424传输到LCD 404。反射薄膜426可以设置在光波导418下面以反射任意来自光控制层412的通过光波导418传输的光。例如，反射层426可以是由明尼苏达St.Paul 3M公司生产的EDR薄膜。
我们现在研究通过显示器400的光路。在这个特定实施例中，上和下吸收偏振片402和406的传送偏振态(也称作透射偏振状态，)互相交叉。入射到吸收偏振片402上的光线430由上偏振吸收器402吸收，其中光线430的偏振与上吸收偏振片402的透射偏振态垂直。光线432通过偏振吸收器402透射并且通过LCD 404而不使偏振旋转。光线432在下偏振吸收器406被吸收。
光线434通过上偏振吸收器402透射，并且在通过LCD 404之后被转它的偏振。光线434通过下吸收偏振器406，并且其很大一部分被透射反射薄膜408反射，反射光被往回透射出显示器400成为图像光线436。一部分光线434通过透射反射薄膜408透射，成为光线435，它向光源传输。这个光最后作为背景光泄漏出显示器400。
我们现在考虑来自背光410的通过显示器400的光。光线438由散射点420向上折射，并且通过控制层412向显示器400的轴重新定向。光线438通过透射反射薄膜408传播，通过在透射反射薄膜408的反射损耗一部分439。光线438的偏振垂直于下吸收偏振片406的传送偏振态因而被下吸收偏振片406吸收。
光线440经光线控制层412通过并且在透射反射层408被反射而损失一部分441。光线440的偏振平行于下吸收偏振片406的传送偏振态因而通过下吸收偏振片406和LCD 404传送。光线440的偏振不被LCD 404旋转，因而光线440上吸收偏振片402被吸收。光线442由光控制层412重新定向并且被透射反射层408的反射损耗一部分443。光线442的偏振平行于下吸收偏振片406的透射偏振，因而向上传输到LCD 404，其中偏振被旋转。因此，光线442传出上吸收偏振片402成为被用户看到的图像光线。
可以预期，在这类显示器中，被用户观察到环境光和背景光这两者的偏振都由LCD 404旋转过。因此，这可以称作无反转图像显示器。将它与图1示出的反转显示器100比较，其中由用户观察到的环境光使它的偏振在LCD中旋转过，而由用户观察到的背光它的偏振没有在LCD中旋转过，反之亦然。
但是，反射的透射反射层408透射环境光的很大一部分并且反射背景光的很大部分。因此，这类显示器的效率相当低而导致高能耗。
还可以预期上和下吸收偏振片402和406的透射偏振态不需要以90°互相交叉，但也可以是一些其它角度这要根据LCD 404把通过那里的光旋转度而定。
在图5中示出在WO97/01788中揭示的透射反射显示器500的不同的实施例，在这里引用合并使其完整。显示器500包括交叉的上、下吸收偏振片502和506，其间是LCD 504。在下吸收层506的下面设置透射反射层508。在透射反射层508下布置了光控制层512。在光控制层512下设置有背光源510来为背光操作引导光向上通过显示器500。
在这个实施例中，透射反射层508由两层形成。上层530是松弛的散射层，而下层532是反射偏振片。例如，扩散层530可以是用于粘合透射反射层508到下吸收偏振片506的粘合层。扩散层530可以用于使由观察者观察到的图像均匀化。有益地，扩散层530是偏振保持层是有好处的。
在显示器500的这个实施例中，光源510使用光波导518，光波导518在它的下表面522上备置了小平面(facet)520。来自光发射器516的光通过小平面520向上方向反射而离开光波导518。在光波导518下面设置漫反射层526来反射不是来自光控制层512就是来自反射偏振片532的被任意反射的光。
显示器500以下面的模式工作。首先，考虑入射到上吸引偏振片502的环境光。光线540的偏振平行于上吸收偏振片502的透射偏振态，因而通过LCD 504传输。光线540的偏振不被LCD 504旋转，因而在下吸收偏振片506中被吸收。光线542有被上吸收偏振片502传送的偏振。由LCD 504旋转光线542的偏振，因而光线542通过下吸收偏振片506传输。光线542通过透射反射层反射，通过下吸收偏振片和LCD 504返回，在此处其偏振再一次旋转，并且通过上吸收偏振片502传输成为图像光为观察者所见。
光线544从光波导518和光控制层512向上传输。选择反射偏振片532的方向使得有能被下吸收偏振片506透射偏振的很大一部分的从背光入射来的光被反射。因此，很大一部分的光线544，这部分的偏振与能量吸收偏振片506的透射偏振态垂直，通过透射反射层508传输，并且被下吸收偏振片506吸收。但是，一部分光线544通过反射偏振片532反射成为光线545向漫反射器526传输。因此，在光线545中的光可以通过漫反射器526的反射再来回反射。
光线546通过光波导518和光控制层512向上传输。一部分光线546，由反射偏振片532反射成为光线547，并来回反射。通过透射反射层508的那部分光线546，经过下吸收偏振片506，和LCD 504传输。LCD 504不旋转光线546的偏振，因此光线546在上吸收偏振片502被吸收。通过光波导518和光控制层512把光线548向上传导。通过反射偏振片532将一部分光线548反射，并向光扩散器526传输，在那里光线可能来回反射。通过透射反射层508传输的那部分光线548通过下吸收偏振片506传输。光线548的偏振被LCD 504旋转，因而光线548通过上吸收偏振片502，并成为被用户所见的图像光。
由透射反射显示器500的这个实施例提供的一个优点是由透射反射器508反射的环境光量相对于图4示出的实施例有增加。这可以通过相对下吸收偏振片506选择反射偏振片532的透射轴方向来得到。但是，对通过下吸收偏振片506传输的光，透射反射层508的反射率增加也导致背光反射的增加，所述背光反射有通过下吸收偏振片506的传输偏振。另外，增加了通过透射反射层508的光，即在下吸收偏振片506中被吸收的光的透射。
根据WO9701788，通过选择在反射偏振片532和下吸收偏振片506的透射轴之间的特定角度，在环境光条件下透射反射显示器500的性能和在相对背光条件下的性能可以协调。通常选择大约72°的角度作为在环境光和背光条件下工作的折衷方案。
透射轴，或透射偏振轴被定义为偏振片的偏振轴。对于线性偏振片，平行于透射轴的入射光偏振分量被偏振片透射。偏振片的透射偏振态是由偏振片透射的最大的偏振态。对于线性偏振片，透射偏振态是偏振方向平行于透射偏振轴的线性偏振态。对于圆偏振片，透射偏振态是有绕过圆偏振片的偏振手势的圆偏振态。
在图6中示出了根据本发明的透射反射显示器的一种具体的实施例。显示器600包括两个吸收偏振片602和606，中间是LCD 604。在下吸收偏振片606下面是由松弛散射层630和反射偏振片632形成的透射反射层608。反射偏振片632的透射轴是相对于下吸收偏振片606的透射轴的一个角度而设置的。在透射反射层608的下面设置光控制层612来控制来自光源610的经过显示器600传播的光的方向。在这个实施例中，光源包括有做成小平面后表面622的光波导618以从光波导618中取光。在光波导618下面可以设置高漫反射层626用来反射和再来回反射光。
反射偏振片609的透射轴基本上平行于下吸收偏振片606的透射轴，它被设置在下吸收偏振片606和透射反射层608之间。这个附加的反射偏振片609有益地增加了来自背光610的通过显示器600的光通量。反射偏振片609，下吸收偏振片606和透射反射层608一起可以看作是形成“透射反射装置”。
光线640是入射到上吸收偏振片602并且其偏振平行于上吸收偏振片602的透射偏振。因此，光线640通过吸收偏振片602传输到LCD 604。光线640的偏振在通过LCD 604的路径上不旋转，而光线640在下吸收偏振片606被吸收。
光线642通过上吸收偏振片602传输，并且其偏振由LCD 604旋转。因此，光线642通过下吸收偏振片606。光线642也通过反射偏振片609，并且由透射反射层608反射，并且在显示器600的输出端成为光线643出现。一部分光线642可能通过透射反射层608透射向漫反射器626传输，且可能来回反射。
光线644从光源610和光控制层612向上传播。光线644基本上通过透射反射层608传输，但是，因为它的偏振垂直于下吸收偏振片606的通行偏振态，光线644在反射偏振片609反射，并返回漫反射器626，可能在那里来回反射。这点与图5示出的实施例不同，在那个例子中没有在透射反射层508和下吸收偏振片506之间的反射偏振片。因此，在图5示出的实施例中，在下吸收偏振片506吸收了很大部分来自于背光的光。在这个实施例600中由于中间反射偏振片609避免了这个问题。
光线646从光源610和光控制层612向上传播。一部分光线646由透射反射层608反射，成为光线647并且向漫反射器626传输，可能在那是来回反射。一部分通过透射反射层608传输的光线646也通过中间反射偏振片609和下吸收偏振片606传输。光线646的偏振不被LCD 604旋转，因此光线646由上吸收偏振片602吸收。
光线648从光源610和光控制层612向上传播。一部分光线646通过透射反射层608反射，成为光线649向漫反射器626传输，可能在那里来回反射。一部分通过透射反射层606传输的光线648也通过中间反射偏振片609和下吸收偏振片606传输。光线648的偏振由LCD 604旋转，从而光线648通过上吸收偏振片602传输并且成为图像光出射为用户所见。
在显示器600中可以使用各种类型的光源。例如，在图4中示出的这类光源也可以用于显示器600。显示器600不需要包括光控制层612，或可以只包括一层光引导层614。
在显示器600中的不同层可以互相分离，可以互相粘合，例如使用粘合剂，光照，或其它适宜的将一层粘合到另一层的方法。
在图4-6中示出的各种类型的无反转透射反射显示器的相对性能在图7中示出。示出了显示器的反射增益对背光增益的曲线图。增益定义为相对于理想朗伯光源的同轴(on-axis)照明性能。
在图4中示出的实施例的反射和背光增益表示为曲线700。在图5中示出实施例的反射和背光增益表示为曲线702。在图6中示出实施例的反射和背光增益表示为曲线704和706。曲线704和706的差别依赖于中间反射偏振片609和较低反射偏振片632的透射通行偏振轴之间的对准角度θ。曲线704相当于角度θ＝75°，而曲线706相当于角度θ＝70°。
附加的反射偏振片用作透射反射器，表示为曲线702，它相对使用金属薄片透射反射薄膜的曲线700增加反射增益。这是因为可以选择反射偏振片的方向来增加环境光的反射量。但是，曲线702的背光增益小于700的背光增益，因为反射偏振片的角度选择会增加反射增益，导致来自背光的通过显示器传播的光量减少。
中间反射偏振片609反射并且来回反射来自背光610的光，否则该光就在下吸收偏振片606中被吸收。该附加的光来回反射导致了背光增益的增加，而不会明显地损害反射增益。
图8A示出了在中间反射偏振片609和反射偏振片632之间的透射轴之间的改变校准角度θ的作用。背光增益和反射增益作为两个反射偏振片609和632之间的对准角度θ的函数测量。采用七个不同的样品进行这些测量。各个样品制作成三个线性偏振片的堆叠，它们是一个吸收偏振片和两个反射偏振片，以在第二反射偏振片和吸收偏振片之间插入第一反射偏振片的次序排列。吸收偏振片是高对比碘型吸收偏振片而两个反射偏振片是多层偏振片，是明尼苏达St.Paul 3M公司制造的Dual Brightness Enhancement Film(DBEF)(双增强亮度薄膜)。在所有的样品中，该偏振片使用光学透明压力灵敏粘合剂结合在一起。对这七个样品中的每一个，吸收偏振片的透射偏振轴与中间反射偏振片的透射偏振轴对准。对各个样品，在两个反射偏振片的透射偏振轴之间的对准角度不同。这些样品，用范围从90°到60°，每次5°的增量的对准角度θ形成。样品通过使用扩散压力灵敏粘合剂使透明玻璃片与面对该片下吸收偏振片相结合。
反射增益比较了当以无偏振的10°半角照明环照明时，样品的同轴偏振反射在测试条件下对朗伯照明标准下的比率。
背光增益比较了在有和没有测试样品的散射光腔的同轴传输照明的比率。散射光腔包括了有散射顶部表面和自由不固定底部白反射器的边缘照明聚合物光波导。绿光LED提供了该照明源。标准显示器吸收偏振片放置在光波导上，模仿了LCD的传输操作。在测试下的样品是这样设置的使下吸收偏振片侧面从光源朝外，但基本上与固定吸收偏振片平行对准并在其下面起到了LCD层的作用。在这样的设置下，记录到了由偏振再循环导致的亮度增加。
可以看到，背光增益在对准角度θ从90°减小时增加，而反射增益在对准角从90°下降时下降。对准角度θ只是选择的问题，可以通过平衡诸如照明功率和在不同照明条件下的所需屏幕亮度等的各种因素来选择。对准角度θ可以在从0°到90°的任意角度范围中，更适宜的是在40°和90°之间的角度范围中。
中间反射偏振片609的透射偏振轴不需要与吸收偏振片606的透射偏振轴精确对准。图8B示出对不同α值，即在吸收偏振片606和中间反射偏振片609之间的对准角度的背光增益相对反射增益的关系图。第一曲线802相当于α＝0°的值，其中中间反射偏振片的透射轴与吸收偏振片的透射轴对准。曲线上的不同点相当于不同θ值，即两个反射偏振片的透射轴之间的角度。第二曲线相当于α＝10°的值，换言之吸收偏振片和中间反射偏振片的透射轴的偏差角为10°。曲线上的三点相当于在曲线802中使用的θ的相同值。
虽然透射反射可以工作在α≠0°，例如α#15°，在图8B中示出的结果表示当α＝0°时反射和背光增益的结合是较佳的。例如，在背光增益为1处，当α＝0°时反射增益大约为2.8，但当α＝10°时只为大约2.4。另外，当反射增益大约2.1时，当α＝0°时反射增益大约为1.6，但当α＝10°时只为大约1.2。
在图9-12中示出了透射反射装置的不同实施例。在图9中，透射反射装置900包括了吸收偏振片902，中间反射偏振片904和较低反射偏振片906。一般设置中间反射偏振片904使得中间反射偏振片904的透射偏振态大约平行于吸收偏振片902的透射偏振态。较低反射偏振片906的透射偏振态的方向为相对吸收偏振片902的透射偏振态的对准角θ。
通过任意适宜类型的反射偏振片可以形成中间和较低的反射偏振片904和906，诸如多层反射偏振片，金属线栅反射偏振片，或漫反射偏振片，例如由明尼苏达St.paul 3M公司制造的DRPF薄膜。另外，中间和较低反射偏振片904和906的一个或两个可以是在下面讨论的胆甾醇偏振片。
吸收和反射偏振片902，904和906可以叠层在一起，例如使用粘合层，热迭片方法或溶解结合。任意迭片使用的粘合层可以是扩散粘合剂层，来引导一些扩散到隐藏层表缺陷，诸如彩色非均匀性或灰尘斑点，并且散射光可以在整个角度范围中被看见。而且，扩散粘合层将有益地偏振保持来保持显示对比度。例如，透射反射装置900可以提供上粘合层908来得到在LCD上或其它层上下吸收偏振片902。透射反射装置900也可以提供在吸收偏振片902和中间反射偏振片904之间的粘合层910，以及在两个反射偏振片904和906之间的粘合层912。在示出的特定实施例中，在吸收偏振片902和中间反射偏振片904之间的粘合剂层910是扩散粘合剂层，用阴影表示。
任意一个或更多的粘合剂层908，910和912可以是扩散层。例如，在图10中示出的透射反射装置1000包括两个扩散粘合剂层，即粘合剂层910在吸收偏振片902和中间反射偏振片904之间，而粘合剂层1012在两个反射偏振片904和906之间。这个特定实施例的一个优点是散射粘合剂压层和反射偏振片可以用于透射反射装置1000中的反射偏振片。
在图11中示出透射反射装置1100的另一个实施例。透射反射装置1100包括吸收偏振片1102，和一对反射偏振片层1104和1106。修改的透射反射器1100可以装备粘合剂层1108，1110和1112以将不同的偏振层902，904和906粘合一起。在这个实施例中，反射偏振片1104和1106的一个或两个可以是漫反射偏振片。这个实施例的一个优点是由至少一个反射偏振片1104和1106提供扩散，这样就不需要粘合剂层1108，1110和1112中的任一个成为扩散层。即使粘合剂层1108，1110和1112一起省略，透射反射器1100还是提供了一些漫射，而透射反射装置1100使用叠层制造。
可以包括其它特征来提供一些散射而不需要散射层。例如，可以使一层或更多层表面变粗糙，而在粗糙表面中的折射率差将足以提供一些散射。
在图12示出的实施例中，改进的透射反射器1200包括了吸收偏振片1202，中间反射偏振片1204和下反射偏振片1206。该中间反射偏振片1204和吸收偏振片1202可以是叠层的，例如使用上述的一种叠层技术。在所示的特定实施例中，中间反射偏振片1204和吸收偏振片1202使用粘合剂层1210叠层，或可以压层到一起，虽然可知粘合剂层不需要叠层。另外，中间反射偏振片1204和吸收偏振片1202可以作为单一单元处理，例如由WO95/17691描述的例子，在这里引用合并使其完整。
吸收偏振片1202的顶部表面可以装备另一层粘合剂层1208以粘合吸收偏振片到另一层显示器层，诸如LCD。在这个特定的实施例中，下反射偏振片1206不压层或粘合到中间反射偏振片1204中，而是可自由移动的。这个实施例的一个优点是在制造中，当它们脱离各自的滚筒时，吸收偏振片1202和中间反射偏振片1204可以压层在一起，而下反射偏振片1206单独包括到透射反射装置1200中。可以预期两个反射偏振片1204和1206可以作为分离单元来压层，它可相对吸收偏振片1202自由移动而不是只有的下反射偏振片1206是自由移动。
在图13中示出了透射反射装置1300的另一个实施例。对这个实施例和下面示出的所有其它透射反射层实施例，在任意或所有示出层间可以添加透明或散射的粘合剂层。但是，为了清晰起见，附图中没有示出粘合剂层。
透射反射装置1300使用诸如胆甾醇偏振片之类的反射圆偏振片来代替线偏振片。该透射反射装置1300包括吸收偏振片1302，中间反射圆偏振片1304和较低反射圆偏振片1306。在吸收偏振片和中间反射圆偏振片1304间和中间和下反射圆偏振片1304和1306之间可以分别设置延迟层1308和1310。四分之一波延迟片和反射圆偏振片的结合有类似于反射线性偏振片的光学效应。确定上四分之一波延迟片1308的快轴方向，这样上四分之一波延迟片1308和中间反射圆偏振片1304的结合有基本上平行于吸收偏振片1302的透射偏振态的有效偏振透射态。同样确定下四分之一波延迟片1310的快轴方向使得下四分之一波延迟片1310和下反射圆偏振片1306的结合有定向于相对吸收偏振片1302透射偏振态有对准角度θ的有效偏振透射态。可以预期延迟层不需要是当结合圆偏振片光时产生椭圆偏振光透射的四分之一波延迟片。
这样将下反射偏振片1306和四分之一波延迟片1310的结合来反射通过吸收偏振片1302入射的大部分环境光。中间反射圆偏振片1304和上四分之一波延迟片1308透射通过吸收偏振片1302透射的环境光。中间反射偏振片1304也反射大部分通过下反射圆偏振片1306的向吸收偏振片1302透射的光，这些光不然就被吸收偏振片1302吸收。
在图14中示出了透射反射装置1400的另一个实施例。透射反射装置1400包括了吸收偏振片1402，中间反射圆偏振片1404和设置在吸收偏振片1402和中间反射圆偏振片1404之间的四分之一波延迟片层1408。在中间反射圆偏振片1404下面设置有胆甾醇反射椭圆偏振层1406。来自光源的光向上通过反射椭圆偏振片1404并以圆偏振的混合态到达中间反射圆偏振片1404，只有其中一部分通过中间反射圆偏振片1404传输。另外，反射椭圆偏振片1406反射通过中间反射圆偏振片1404传输的绝大部分环境光。
反射椭圆偏振片可以使用在薄膜中的胆甾醇材料形成，该材料与通过该薄膜的光方向不平行。在图15中示出反射椭圆偏振片1500的一个实施例。椭圆偏振片包括了含有胆甾醇液晶材料1504的薄膜1502。胆甾醇材料1504夹在两层表面1506之间，这两层成结构的表面1506定向于相对偏振片1500平面的一个角度。例如，通过微复制可以形成成结构表面1506。极力使胆甾醇材料1504在直角与成结构表面1506对准，使胆甾醇材料1504相对偏振片1500平面对准在一个角度上。因此，从法线入射到偏振片1500上的光1508碰到了相对传播方向成角度的胆甾醇材料1504。结果，胆甾醇材料1504使光1508椭圆偏振，而不是当光平行于胆甾醇材料轴向传输时使光圆偏振。
在图16中示出反射椭圆片1600的另一个实施例。椭圆偏振片包括含有胆甾醇材料1604的薄膜1602。胆甾醇材料1604以类似于常规圆偏振片的方式垂直对准薄膜1602的表面1606。折射层1608放置在薄膜1606的两个表面上来在垂直于偏振片1600平面的方向使光1610入射到偏振片1600。折射层1608可以包括多个如图所示的棱镜结构，或可以包括其它能再传导通过偏振片1600的光的折射结构可以通过微复制或其它适宜的技术形成折射层1608。通过折射率基本上与相邻层不同的材料较佳地形成折射率层1608来增加折射层1608的方向改变效应。垂直于偏振片1600平面方向的入射到偏振片1600上的光1610通过折射层1608改变方向使得以相对胆甾醇材料1604方向的一个角度通过薄膜1602传播。光1610再次改变方向，从偏振片1600出射到平行于光1610先前通过偏振片1600的方向。
可以预期透射反射装置可以包括线性和圆形或椭圆偏振片的结合。在图17中示出了包括这类结合的透射反射装置1700的一个实施例。透射反射器1700包括吸收偏振片1702，中间反射偏振片1704和下反射偏振片1706。在这个实施例中，中间反射偏振片1704是与它的基本上与吸收偏振片1702透射偏振态平行的透射偏振态对准的线性反射偏振片。
下反射偏振片1706可以是反射圆偏振片，而层1708是四分之一波延迟片层，这样当光是线性偏振光时透射到中间反射偏振片，而光是圆偏振光时由下反射偏振片1706反射。确定四分之一波延迟片1708的快轴方向这样四分之一波延迟片1708与下反射偏振片1706的结合可类似一个线性偏振片使用，该线性偏振片有相对吸收偏振片1702的偏振透射态成一个对准角度θ的偏振透射态。
在相关的实施例中，(没有示出)可以省去四分之一波延迟片层1708，而下反射偏振片1706由反射椭圆偏振片来提供，把它定向到能反射绝大部分通过中间反射偏振片1704传输的环境光。
层1710可以是粘合层，或是粘合散射层，或可以一起省去。
在图18中示出了包括了反射偏振片类型的透射反射装置1800的另一个实施例。透射反射片1800包括吸收偏振片1802，中间反射偏振片1804和下反射偏振片1806。在这个实施例中，下反射偏振片1804是线性反射偏振片。中间反射偏振片1804可以是反射圆偏振片。层1808可以是四分之一波延迟片，将它的快轴对准到使得中间反射偏振片1804和四分之一波延迟片层1808结合起来起一个线性偏振片的作用，该线性偏振片的偏振透射态基本上与吸收偏振片1802的偏振透射态平行。
层1810可以是粘合层或粘合散射层。另外，层1810可以是诸如半波延迟层的偏振旋转层来耦合在下反射偏振片1806和中间反射偏振片1804之间的光。例如，下反射偏振片1806的偏振透射态可以基本上与吸收偏振片1802的偏振透射态平行。在这样的情况中，偏振旋转层1810可以使由下反射偏振片传输的光偏振旋转，使其相对吸收偏振片1802的偏振透射态成一个角度θ。本实施例的一个优点是吸收偏振片1802的偏振透射态和下反射偏振片1806可以平行，这样使得透射反射片1800能由吸收偏振薄膜和反射线性偏振片薄膜的平行滚筒装配。
可以预期偏振转动层1810可以一起省去，例如在图19中示出的透射反射片1900。在这个情况中，下反射偏振片1806的偏振透射轴定向于相对吸收偏振片1802的偏振透射轴的一个角度，θ。
在图20中示出了改进的透射反射片2000的另一个实施例。该透射反射片2000包括吸收偏振片2002，中间反射偏振片2004和下反射偏振片2006。在这个特定的实施例中，两个反射偏振片2004和2006是反射线性偏振片，各自与其偏振透射态对准，与吸收偏振片的偏振透射态基本平行对准。在反射偏振片2004和2008之间设置设置了偏振旋转层2008，例如是半波延迟片层，从而使通过一个反射偏振片到另一个的传输光偏振旋转。这个实施例的一个优点是允许透射反射片2000使用吸收和反射偏振片的平行滚筒制造，这样简化了制造工艺。
可以预期执行附加功能的不同层可以被包括在透射反射装置的偏振层之间，也可以放置在透射反射装置外侧，例如在透射反射装置和光源之间。在图21中示出了有附加层的透射反射装置的一个特定实施例。透射反射装置2100包括吸收偏振片层2102，中间反射偏振片层2104和下反射偏振片层2106。在两个反射偏振片层2106和2108之间设置了导光层2108，例如是全息层。导光层2108可以用于在较佳的方向中引导光，特别是在背光中产生的光。在观察者的位置像要离开相对透射反射显示器的轴向时这是有用的。导光层2108也可以设置在吸收偏振片2102和中间反射偏振片2104之间。
在图22中示出透射反射装置2200的另一个实施例。该透射反射装置2200包括吸收偏振片层2202，中间反射偏振片层2204和下反射偏振片层2206。在两个反射偏振片层2106和2108之间设置了滤色片层2208。滤色片层可以用于过滤反射和透射光的特定波长范围或几个范围。例如，滤色片层2208可以透射在第一波长λa的光，而吸收在第二波长λb的光。例如，这对于产生彩色背景而不是白色背景是有益的。可以预期在透射反射显示器中的一个或更多下吸收偏振片或反射偏振片可以是波长相关的，这样可以控制被用户观看到的光谱。
如上所述，本发明用于透射反射显示器，而且可以特别用于增加亮度并且减小这类装置的能耗。
虽然上面提供了各种例子，本发明不仅限于所示的特定实施例。例如，显示器的不同层可以压层在一起，例如使用粘合剂，热压层或一些其它适宜的技术或使用这些技术的结合。显示器层的一层或多层可以自由移动。另外，附加的结合层可以常常附着在邻近层上，而不是使用压层连接。透射反射显示器可以使用任意适宜的，包括在这里示出的光源类型。另外，在LCD每一侧下吸收偏振片不需要使它们的透射偏振方向互相成90。，但可以是依赖于通过LCD传输光偏振旋转的一些其它角度。
因此，本发明不应该仅限于上述的特定例子，而需要考虑在附加的权利要求中阐述的本发明所有方面。那些普通技术人员将理解本发明可以应用的各种修改，等价处理和多种结构，对他们而言，通过研究本说明书将了解本发明。权利要求覆盖了这样的修改和装置。
权利要求
1.一种用于显示器模块和光源间的透射反射装置，其特征在于，该装置包括在该装载的显示器侧上下吸收偏振片，限定了吸收偏振片透射偏振态；第一反射偏振片，设置它来接收来自该装置显示器侧面的通过吸收偏振片透射的光，第一反射偏振片限定了第一反射偏振片透射偏振态与该吸收偏振透射偏振态的预先选定的关系；以及在该装置光源侧设置的第二反射偏振片层，它接收来自吸收偏振片的通过第一反射偏振层透射的光，第二反射偏振片限定了不同于吸收偏振透射偏振态的第二反射偏振透射偏振态。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中第一反射偏振片透射偏振态基本上类似于吸收偏振片透射偏振态。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中吸收偏振片透射偏振态是线性偏振态并且第一反射偏振片透射偏振态是与吸收偏振片透射偏振态定向在大约15°内的线性偏振态。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中第一反射偏振片包括反射线性偏振片。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中第一反射偏振片包括反射圆偏振片和设置在反射圆偏振片和吸收偏振片之间的延迟层。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，其中延迟层是四分之一波延迟片。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中第二反射偏振片包括反射线性偏振片。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，其中吸收偏振片透射偏振态是线性偏振态并且第二反射偏振片透射偏振态是与吸收偏振片透射偏振态不平行的线性偏振态。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，第二反射偏振片包括在反射线性偏振片和第一反射偏振片之间的偏振旋转层，反射线性偏振片限定了反射线性偏振片透射偏振态基本与吸收偏振片透射偏振态平行。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中第二反射偏振片包括反射圆偏振片和设置在反射圆偏振片和第一反射偏振片之间的延迟层。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，其中延迟层是四分之一波延迟片。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中第二反射偏振片是反射椭圆偏振片。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，其中反射椭圆偏振片包括椭圆偏振片薄膜，它有薄膜平面并且螺旋胆甾醇材料基本上与薄膜平面非垂直对准。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，其中反射椭圆偏振片包括椭圆偏振片薄膜，它有薄膜平面并且螺旋胆甾醇材料基本上与薄膜平面垂直对准，该椭圆偏振片薄膜有第一和第二表面装备有光折射层，使以基本上垂直于薄膜平面方向入射到光折射层的光偏移到通过基本与薄膜平面不垂直的椭圆偏振片薄膜的传播方向。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中至少第一和第二反射偏振片中的一个包括漫反射偏振片。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中第一和第二反射偏振片是线性反射偏振片，第二反射偏振片的透射偏振轴的角度定向在相对第一反射偏振片透射偏振轴的60°到90°的角度范围。
17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括在i)吸收偏振片和第一反射偏振片之间以及ii)第一和第二反射偏振片之间中至少一个的粘合层。
18.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括在i)吸收偏振片和第一反射偏振片之间以及ii)第一和第二反射偏振片之间中至少一个的散射层。
19.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括设置的导光层，它把光通过第一反射偏振片传播的光引导到吸收偏振片。
20.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括设置的滤色片来吸收通过吸收偏振片传播的一个波长的光并且透射通过吸收偏振片传播的不同波长的光。
21.一种偏振片装置，其特征在于，包括第一偏振片装置，吸收入射到第一偏振片装置第一侧的第一偏振态光并且反射入射到第一偏振片装置在第一侧对面的第二侧的第一偏振态光，并且透射垂直于第一偏振态的第二偏振态光；以及反射偏振装置，有不同于第一和第二偏振态的反射偏振态，以反射由第一偏振装置接收的在第三偏振态中的光并且透射由第一偏振装置接收的垂直于第三偏振态的在第四偏振态中的光。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，其中第一偏振片装置包括在第一侧下吸收偏振片和在第二侧的反射偏振片。
23.一种光学系统，其特征在于，包括一个光调制器；一个光源；设置在光调制器和光源之间的第一吸收偏振片，第一吸收偏振片限定了第一吸收偏振片透射偏振态；设置在第一吸收偏振片和光源间的第一反射偏振片，限定了与第一吸收偏振片透射偏振态不同的第一反射偏振片透射偏振态；以及设置在第一吸收偏振片和第一反射偏振片之间的第二反射偏振片，第二反射偏振片反射自光源通过第一反射偏振片透射的光，该透射光的光源有能在吸收偏振片中被吸收的偏振，并且第二反射偏振片将来自光调制器通过吸收偏振片透射的光传输到第一反射偏振片。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于，其中光源包括至少一个发射光到光波导的光发射器，并且沿着光波导设置取光器来从光波导第一侧向第一反射偏振片传输的光取出。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，其中取光器包括在光波导第一表面对面的光波导第二表面的漫射区域。
26.如权利要求24所述的系统，其特征在于，其中取光器包括在光波导第一表面对面的光波导第二表面的一些小平面。
27.如权利要求23所述的系统，其特征在于，进一步包括设置为把光向第一反射偏振片反射的漫反射层，在第一反射偏振片和漫反射层之间设置该光源。
28.如权利要求23所述的系统，其特征在于，进一步包括设置在光源和第一反射偏振片之间的光控制层来控制来自光源传输到第一反射偏振片传播的光的方向。
29.如权利要求23所述的系统，其特征在于，进一步包括设置的第二吸收偏振片来接收来自第一吸收偏振片的通过光调制器传输的光。
30.如权利要求23所述的系统，其特征在于，其中光调制器装置显示单元是液晶显示器单元。
31.如权利要求23所述的系统，其特征在于，进一步包括耦合到光调制器单元的控制器，它控制通过光调制器传输的由光调制器加载的图像。
32.如权利要求31所述的系统，其特征在于，其中控制器是移动电话的一个元件并且该控制器控制显示器单元显示来自移动电话给用户的信息。
33.如权利要求23所述的系统，其特征在于，进一步包括耦合到光源的电源。
34.在光调制器和光源间的显示器中使用的透射反射装置，其特征在于，该装置包括设置在该装置显示器侧下吸收偏振片；设置在该装置光源侧的第一反射偏振片，反射至少一部分通过吸收偏振片传输的光；和设置在吸收偏振片和第一反射偏振片之间的第二反射偏振片，第二反射偏振片反射来自光源侧的通过第一反射偏振片传输的光，且该光的偏振在吸收偏振片中被吸收，并且第二反射偏振片把光通过吸收偏振片向第一反射偏振片传输。
35.如权利要求34所述的装置，其特征在于，其中第二反射偏振片是线性反射偏振片，其偏振透射轴取向在相对吸收偏振片的偏振透射轴成在15°之内。
36.如权利要求34所述的装置，其特征在于，其中第二反射偏振片是线性反射偏振片，其偏振透射轴取向为基本上平行于吸收偏振片的偏振透射轴。
37.如权利要求34所述的装置，其特征在于，其中第二反射偏振片基本上反射所有通过第一反射偏振片传输的光，该光在吸收偏振片中有可吸收的偏振。
38.如权利要求34所述的装置，其特征在于，进一步包括在吸收偏振片和第二反射偏振片间或是第一和第二反射偏振片间设置的至少一个漫散射层。
39.如权利要求34所述的装置，其特征在于，其中第二反射偏振片包括胆甾醇偏振片和在胆甾醇偏振片和吸收偏振片间设置的延迟层来基本上使由胆甾醇偏振片、通过吸收偏振片向第二反射偏振片传输的光减到最小。
40.如权利要求34所述的装置，其特征在于，其中第二反射偏振片是反射线性偏振片，把它定向来基本上传输来自吸收偏振片接收的所有光。
41.如权利要求34所述的装置，其特征在于，其中第一反射偏振片是线性偏振片。
42.如权利要求41所述的装置，其特征在于，其中确定第一反射偏振片的位置使得通过第一反射偏振片的来自吸收偏振片的部分透射光由第一反射偏振片接收。
43.如权利要求41所述的装置，其特征在于，其中第一反射偏振片是线性反射偏振片，其透射偏振轴基本上与吸收偏振片的透射偏振轴平行，并且进一步包括设置在第一和第二反射偏振片之间的双折射延迟层，确定双折射延迟层的位置使得在第一和第二反射偏振片间的传输光偏振旋转。
44.如权利要求34所述的装置，其特征在于，其中第一反射偏振片包括胆甾醇偏振片。
45.如权利要求44所述的装置，其特征在于，其中胆甾醇偏振片是反射圆偏振片，并且第一反射偏振片进一步包括设置在胆甾醇偏振片和第二反射偏振片间的延迟层，确定第二反射偏振片的方向使通过第一反射偏振片的来自吸收偏振片的部分传输光由第一反射偏振片接收。
46.如权利要求44所述的装置，其特征在于，其中胆甾醇偏振片是反射椭圆偏振片，确定其位置使得通过第一反射偏振片传输的来自吸收偏振片的部分光由第一反射偏振片接收。
47.如权利要求34所述的装置，其特征在于，进一步包括光传导层来引导来自第二反射偏振片通过吸收偏振片传播的光。
48.如权利要求34所述的装置，其特征在于，进一步包括滤色片层，设置它吸收由吸收偏振片传输的在第一波长光并且传输由吸收偏振片传输的在第二波长光。
全文摘要
一种透射反射装置，包括吸收偏振片(606)和第一反射偏振片(632)，它们的设置是反射至少一部分通过吸收偏振片传输的光(642)。第二反射偏振片(609)设置在吸收偏振片和第一反射偏振片之间。第二反射偏振片反射通过第一反射偏振片透射的在吸收偏振片中有可吸收偏振的光(644)，并且通过吸收偏振片的透射光(642)向第一反射偏振片传输。
文档编号G02F1/13363GK1454329SQ00819665
公开日2003年11月5日 申请日期2000年8月22日 优先权日2000年4月18日
发明者K·M·科特契克, P·E·沃特森, R·本尼特 申请人:3M创新有限公司