用于显示器的非反转透射反射组合件的制作方法

专利名称：用于显示器的非反转透射反射组合件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括一个透射反射组合件的多层光学装置。另一方面，本发明涉及它的制造方法。
背景技术：
微处理器体积小型化技术的发展制造出了手提式个人电脑、袖珍秘书、无线电话和寻呼机。所有这些装置，以及其它装置，如时钟、手表、计算器等都需要一种耗电量小的数据显示屏，从而在更换电池或电池充电时延长有效工作时间。普通的液晶显示器(LCD)通常用作这些装置的显示器。LCD可根据照明源来分类。反射显示器由从正面进入该显示器的环境光来照明。在一些用途中，当环境光的强度不足因而无法观察时，使用补充照明，如背光照明组合件来照亮显示器。已有一些电子显示装置设计为在可能的情况下使用环境光，而只在必须的时候使用背光照明。这种反射和透射的双重功能导致了名称“透射反射”的产生。
液晶显示器(LCD)是利用偏振光的又一例子。图1A和1B是一种具有利用背光照明的E模式透射与通常白光(NW)操作的简单的TN(扭转向列)LCD的一个例子的示意图。可以明白，还有各种各样其它类型LCD与其它操作模式，以及利用环境光或利用背光与环境光的组合的显示器。本文中讨论的发明可以容易地用于这些显示器类型与操作模式。
图1A与1B的液晶显示器50，包括液晶(LC)盒52、偏振片54、检振片56和背光源58。偏振片54和检偏片56上的箭头55和57分别表示透过该元件的光的偏振方向。箭头51和53分别表示射入与射出液晶盒52的线偏振光的偏振面。此外，含有箭头51、53的液晶盒52的平面上通常有透明电极。来自背光源58的光经过偏振片54成为线偏振光。在图1A所示的实施方式中，在液晶盒上未施加电压的情况下，指向矢基本上位于显示器平面中，沿其深度方向均匀地扭转90°。偏振光透过液晶盒52时，其偏振方向理想地旋转90°，液晶的指向矢如箭头51、53所示。然后，这种光就能透过检偏片56。
可以在液晶盒52的前后两端附近的电极(图中未示出)上施加电压，从而在液晶盒内建立电场。在液晶材料具有正介电各向异性的情况下，指向矢基本上按电场电力线方向排列，只要在两个电极上施加足够的电压。在这种情况下，液晶盒中央的指向矢的取向垂直于显示面。射入液晶盒的线偏振光不再发生透过检偏片所需要的90角旋转。图1B所示的实施方式中，偏振光在其离开液晶盒52时，其偏振面(如箭头53所示)并未改变原有取向(如箭头51所示)。由于离开液晶盒52的光的偏振方向不正确，因而离开液晶盒的光无法透过检偏片。获取显示灰度色标的方法之一，就是只施加足够强的电压使得介于上述两种构型之间的液晶的指向矢部分取向。此外，还应认识到，例如采用滤色片可形成带色彩的显示器。
一般说来，偏振片54和检偏片56是利用吸光型偏振片制造的，因为这类偏振片对不需要的偏振光具有良好的消光作用。然而，这样也会造成的大量的光损失，这是因为背光源通常发出的是非偏振光。不需要的偏振方向的光被偏振片吸收。作为另一种构型(如图1C所示)，在偏振片54与背光源58之间，放置一块反射型偏振片60。反射型偏振片将不需要的偏振方向的光反射回背光源。采用背光源后面的反射片62可将反射光汇集，大部分反射光可重新利用。

发明内容
总的来说，本发明涉及一种透射反射组合件，包含该透射反射组合件的制品及其使用和制造方法。
本发明的一个实施方式是一种组合件，它包括一个第一反射偏振片，它使具有第一偏振状态的光基本上反射并且使具有第二偏振状态的光基本上透射；一个偏振旋转片，设置在接受通过第一反射偏振片的光的位置；一个第二反射偏振片，设置在接受通过所述偏振旋转片的光的位置，所述第二反射偏振片使具有第三偏振状态的光通过偏振旋转片基本上反射回去并且使具有第四偏振状态的光基本上透射。任选地，所述偏振旋转片也可设置在接受由第二反射偏振片反射的光的位置。该组合件还可以包括一个吸光偏振片、一个去偏片、或两者兼有。该组合件可与背光照明系统结合使用。
本发明的另一个实施方式是一种组合件，它包括一个第一反射偏振片，它使具有第一偏振状态的光基本上反射并且使具有第二偏振状态的光基本上透射；一个去偏片，设置在接受通过第一反射偏振片的光的位置，所述去偏片将一部分入射光转化为垂直偏振状态；一个第二反射偏振片，设置在接受通过所述去偏片的光的位置，所述第二反射偏振片使具有第三偏振状态的光通过去偏片基本上反射回去并且使具有第四偏振状态的光基本上透射。任选地，该组合件还可以包括一个偏振旋转片。该组合件还可以包括一个吸光偏振片。该组合件可与背光照明系统结合使用。
本发明的再一个实施方式是一种显示器，它包括一个液晶盒，它构造排列成使用偏振光进行操作；一个光源；和一个置于液晶显示盒和光源之间的前述组合件。
本发明的另一个实施方式是一种使光发生偏振的方法。将光投向一个第一反射偏振片。所述第一反射偏振片使具有第一偏振状态的光基本上反射并且使具有第二偏振状态的光基本上透射。具有第一偏振状态的光发生旋转。第二反射偏振片接受发生旋转的光。经第二反射偏振片反射的光发生旋转并供给第一反射偏振片。
以上对本发明的概述并不能描述本发明的每一个公开的实施方式或每一个例子。下面的附图及详细描述将更具体地例示这些实施方式。


下文中对本发明各种实施方式的详细描述连同下面的附图，可以提供对本发明更完整的理解。
图1A为扭转向列型液晶显示器的一个实施方式的透视图。
图1B为图1A的液晶显示器的透视图，其中LCD的液晶盒两端施加了电压。
图1C为LCD的第二个实施方式的透视图。
图2是本发明的透射反射组合件的一个实施方式的截面示意图。
图3是本发明的透射反射组合件的第二实施方式的截面示意图。
图4是本发明的透射反射组合件的第三实施方式的截面示意图。
图5是本发明的透射反射组合件的第四实施方式的截面示意图。
图6是本发明的透射反射组合件的第五实施方式的截面示意图。
图7是本发明的透射反射组合件的第六实施方式的截面示意图。
图8是本发明的LCD的一个实施方式的透视图。
图9是本发明的LCD的另一个实施方式的透视图。
虽然可以对本发明进行各种修改与变换，其具体情况以附图中的例子表示并将加以详细的描述。但是应该明白，本发明并不限于所述具体的实施方式。相反，本发明包含所有各种修改与等价内容以及符合本发明精神与范围的各种改变，如所附权利要求书中所限定的那样。
具体实施例方式
本发明涉及在辊对辊层叠(roll-to-roll lamination)过程中制造非反转透射反射器的方法。概括地说，本发明的制品包括反射偏振片，在它们之间设置一个偏振旋转片、去偏片或两者兼有。偏振旋转片可以是，例如偏振片、补偿膜、Brewster型偏振装置或偏振光导装置。本发明的一个实施方式涉及具有平行的偏振轴的线反射偏振膜，在它们之间设置了偏振旋转片、去偏片或两者兼有。
所述透射反射显示器可以使用多层光学膜作为反射偏振片的优越的性能。这些膜的优点、特征和制造方法描述在，例如美国专利5,882,774和5,965,247中。所述多层光学膜可以用作，例如反射片或偏振片。
本发明使用的作为反射偏振片或吸光偏振片的多层光学膜，显示出较低的入射光吸收性，以及较高的离轴光线及正常光线的反射率。无论这些膜是用来反射偏振光还是吸收偏振光，这些性能都起作用。所述多层光学膜的独特的性能和优点使设计高效的透射反射显示器成为可能。透射反射显示器描述在，例如美国专利6,124,971中。
图2是本发明的透射反射组合件的一个实施方式的截面示意图。该透射反射组合件100一般包括一个吸光偏振片102，一个反射偏振片104，一个偏振旋转片106和一个第二反射偏振片108。该透射反射组合件可以通过背反射片连接在背光照明系统110上。在一些实施方式中，吸光偏振片102、反射偏振片104和第二反射偏振片108的透射轴是基本平行的；但是，对本发明而言，这不是必须的。所述透射轴是允许光以最大的透射率透过的轴。如本文中定义的，基本平行的透射轴是指相应偏差在5°之内。任选地，偏振旋转片还可设置在吸光偏振片102和反射偏振片104之间，尤其是在这两个偏振片具有不同的偏振轴时。
图3是本发明的透射反射组合件的另一个实施方式的截面示意图。该透射反射组合件100包括一个吸光偏振片102，一个反射偏振片104，一个去偏片112和一个第二反射偏振片108。该透射反射组合件可以通过背反射片连接在背光照明系统110上。背光照明系统可以是适合于所述透射反射组合件100的具体用途的任意光源。任选地，偏振旋转片也可设置在吸光偏振片102和反射偏振片104之间，尤其是在这两个偏振片具有不同的偏振轴时。
图4是本发明的透射反射组合件的另一个实施方式的截面示意图。该透射反射组合件100包括一个吸光偏振片102，一个反射偏振片104，一个去偏片112，一个偏振旋转片106和一个第二反射偏振片108。该透射反射组合件可以通过背反射片连接在背光照明系统110上。背光照明系统可以是适合于所述透射反射组合件100的具体用途的任意光源。任选地，偏振旋转片也可设置在吸光偏振片102和反射偏振片104之间，尤其是在这两个偏振片具有不同的偏振轴时。
在一些实施方式中，在反射模式中，具有适宜的偏振性质从而能通过吸光偏振片102的光也会通过反射偏振片104。偏振旋转片106改变了透射光的总偏振方向，使得一部分光将被反射偏振片108反射。较佳地，偏振旋转片106使光的偏振方向旋转45°以上。未反射的光将进入背光照明系统110，从那里反射并且最终再次进入透射反射组合件100。从反射偏振片108反射返回偏振旋转片106的光将第二次改变其偏振方向，并且一部分光将通过反射偏振片104而被观测到。如果光从反射偏振片104反射，则该过程将继续下去。在其它实施方式中，通过去偏片112的光的偏振减小，并且一部分光将由反射偏振片108反射。未反射的光将进入背光照明系统110，从那里反射并且最终再次进入透射反射组合件100。从反射偏振片108反射返回偏振旋转片106的光的偏振将第二次减小，并且一部分光将通过反射偏振片104而被观测到。如果光从反射偏振片104反射，则该过程将继续下去。
图5是本发明的透射反射组合件的再一个实施方式的截面示意图，其中未提供吸光偏振片102。透射反射组合件100包括一个反射偏振片104，一个偏振旋转片106和一个第二反射偏振片108。
图6是本发明的透射反射组合件的再一个实施方式的截面示意图，其中未提供吸光偏振片102。透射反射组合件100包括一个反射偏振片104，一个去偏片112和一个第二反射偏振片108。
制造透射反射组合件100的方法之一是辊轧法。该方法可用来制造具有平行的透射轴的反射偏振片/吸光偏振片的组合件。该方法可使用辊轧技术进行。作为一个例子，发生偏振或能改变偏振方向的元件的膜，如反射偏振片或吸光偏振片或两者，从一卷材上解绕下来。可以通过，例如涂布或其它方法将一光致排列的材料设置在膜上(通常使用溶剂或分散剂)，从而在膜上形成排列层。涂布可以一步或多步进行。任选地，也可干燥该光致排列的材料，至少部分地(较佳的是基本上或者完全)除去溶剂或分散剂。使用偏振的紫外光沿所需的排列方向固化所述光致排列的材料，以制得排列层。固化可以在将液晶材料设置在排列层上之前或之后进行，如下所述。代替涂布及使光致排列的材料进行排列以形成排列层的其它方法包括，例如使用具有排列表面的发生偏振元件或改变偏振方向的元件；涂布或以其它方法设置一个排列层，然后拉伸、摩擦或以其它机械方式使排列层取向；或者以倾斜的角度将材料溅射在膜上形成排列层。
然后，用液晶材料涂布在排列层上，此时通常使用溶剂或分散剂。涂布可以一步或多步进行。任选地，可以干燥液晶材料以至少部分地(较佳的是基本上或者完全)除去溶剂或分散剂。在另一种方法中，排列层和液晶材料可通过，例如共挤压，同时设置在偏振元件或改变偏振方向的元件上。
另外，基底膜，如TAC膜，或其它光学膜，如偏振片(例如，反射偏振片或吸光偏振片)，或者补偿膜从卷上解绕下来，并且以同样的方式在该膜上形成排列层。这可以是在偏振元件或改变偏振方向的元件上形成排列层和液晶材料之前或之后同时进行。在另一个实施方式中，液晶材料还可涂布在基底膜/排列层的结构上。在再一个实施方式中，液晶材料涂布或以其它方式设置在基底膜/排列层的结构上，但是不设置在偏振元件或改变偏振方向的元件/排列层的结构上。
然后，使涂布的偏振元件或改变偏振方向的元件膜和基底膜集合在一起(例如，通过层压)，使得液晶材料位于两层膜之间。使用光活化、热或电子束的固化法固化所述液晶材料，以形成偏振旋转片。任何光活化的或电子束的固化一般都是透过基底膜的幅照进行。然后，将最终的组合物缠绕在辊轴上。较佳地，液晶材料的固化将两层膜结构结合在一起。
在另一个实施方式中，偏振元件或改变偏振方向的元件的膜，如反射偏振片，从卷上解绕下来。通过，例如将光致排列的材料涂布在该膜上(通常使用溶剂或分散剂)，在膜上形成排列层。涂布可以一步或多步进行。任选地，可以干燥液晶材料以至少部分地(较佳的是基本上或者完全)除去溶剂或分散剂。使用偏振的紫外光沿所需的排列方向固化所述光致排列的材料，以制得排列层。或者，可使用前述实施例中描述的任一种其它方法。
用液晶材料涂布在排列层上，此时通常使用溶剂或分散剂。涂布可以一步或多步进行。任选地，可以干燥液晶材料以至少部分地(较佳的是基本上或者完全)除去溶剂或分散剂。在另一种方法中，排列层和液晶材料可通过，例如共挤压，同时设置在偏振元件或改变偏振方向的元件上。
或可使用溶剂或分散剂涂布或以其它方式将第二排列层设置在液晶材料上。如果所需的扭转角度或延迟效应可由液晶材料来提供，则宜不采用第二排列层。如果使用第二排列层，则可任选地对其干燥以至少部分地(较佳的是基本上或者完全)除去溶剂或分散剂。在一个实施方式中，第二排列层是一个使用偏振的紫外光沿所需的排列方向固化的光致排列的材料。在另一个实施方式中，第二排列层通过以下方式形成例如将具有一排列表面的偏振元件或改变偏振方向的元件设置在液晶材料上；涂布或以其它方法将第二排列层设置在液晶材料上，然后拉伸、摩擦或以其它机械方式使第二排列层取向；或者以倾斜的角度将材料溅射在膜上以形成第二排列层。
所述液晶材料通过光活化、热或电子束的固化方法来固化。任何光活化的或电子束的固化方法通常都是透过第二排列层的幅照进行，以形成偏振旋转片。该固化可在形成第二排列层(或者甚至在形成第一排列层或第一及第二排列层)的同时或对第二排列层进行固化之后进行。然后，将最终的组合物缠绕在辊轴上。
图7是本发明的透射反射组合件的另一个实施方式的截面示意图。在该透射反射组合件100的实施方式中，第一反射偏振片104和第二反射偏振片108具有不平行的透射轴，尤其是在这两个偏振片结构的不相同时。如果吸光偏振片102的透射轴与反射偏振片104的透射轴不平行，则将偏振旋转片200夹在吸光偏振片102和反射偏振片104之间。在一些实施方式中，吸光偏振片102和偏振旋转片200构造成单层的膜并层压在显示器上，该透射反射组合件100的剩余部件另外组装之。如上所述，在其它实施方式中并不使用吸光偏振片102。
偏振旋转片通常由双折射材料形成。合适的双折射材料的例子，包括取向聚合物膜，取向聚合物膜的层压结构，以及有机或无机多层双折射涂层。其它例子包括具有可控制的指向矢的任何液晶材料。向列型液晶通常由许多棒状分子组成，其分子的长轴大致互相平行排列。在介质中任意一点可以定义一个矢量，代表该点近邻分子的较佳取向。该矢量通常称之为指向矢。合适的液晶(LC)材料包括例如亲液的向列型胆甾醇型液晶材料。其例子包括Merck公司的E7，BL036，5CB和RM257；荷兰阿姆斯特丹的Koninklijke Philips Electronics N.V.公司的C6M，76，296，495和716；巴斯夫公司(德国路德维希堡)的PaliocolorLC242和Paliocolor CM649；以及Vantico公司(卢森堡)的LCP-CB483。其它一些合适的材料包括如美国专利5,793,455、5,978,055和5,206,752中所述的材料。液晶材料可以是聚合物或单体材料。合适的单体材料还包括那些可反应形成聚合物液晶材料的材料。
对于有些实施方式，优选扭转向列型LC结构。在这些实施方式中，指向矢相对于偏振旋转片表面的法线呈现均匀螺旋状扭曲。扭曲角度与最初取向可以通过使用一个或多个可用的排列层进行选择。
在另一实施方式中，液晶结构的局部指向矢相对于其扭曲或旋转的轴与LC材料所在的基底表面不是垂直的。在这一实施方式中，向列指向矢处于偏振片或能改变偏振方向的元件的平面之外。相对于基底表面，局部指向矢所处的或相对于其扭曲的轴的角度被定义为前倾角α。螺距为常数，或沿该轴发生变化(即增加或缩小)。扭曲角度与取向可通过使用一层或多层可用的排列层来进行选择。
至少有些液晶材料，如手性向列型液晶(如胆甾醇型液晶)包含一种手性成分，它能形成这样一种结构，即液晶材料的指向矢自然地围绕垂直于指向矢的轴旋转。手性向列型液晶的螺距与获得指向矢360°角旋转所需的材料厚度对应。至少有些非手性向列型液晶可通过添加手性化合物制成手性材料。通过改变手性组分对于非手性组分的比例可达到改变材料螺距的目的。
者如向列型液晶之类的单轴双折射材料以有两个主折射率no与ne为特征。寻常折射率no影响其电场极化矢量垂直于双折射介质光学对称轴的光的成分。非常折射率ne则影响其电场极化矢量平行于双折射介质光学对称轴(例如，在正介电各向异性的向列型液晶材料情况下平行于指向矢)的光的成分。
介质的双折射Δn可由no和ne定义为Δn＝ne-no入射在双折射介质上的偏振光以寻常光线成分与非常光线成分传播。由于对这两个成分的折射率不同，这两个成分的相速度有差异。光的总相差或光的总延迟取决于介质的双折射与介质的厚度。
合适的偏振旋转片的一个实施方式对应于一个具有二分之一波长延迟片厚度的层，其光轴偏离入射线偏振光的偏振面某一方位角φ。该偏振旋转片的光轴位于平行于非常光线且垂直于寻常光线的平面内。二分之一波长延迟片将入射的线偏振光的偏振方向旋转2φ角度。例如，45°偏振旋转片的光轴偏离入射线偏振光的偏振方向为22.5°。“二分之一波长延迟片”这个术语表示偏振旋转片具有厚度为d，Δnd＝(2m+1)λ/2，其中λ为光的波长，m为整数，0，1，2等。对于其它波长的光，该偏振旋转片会提供不同旋转值。此实施方式仅对满足前述要求的波长起完美偏振旋转片的作用。
还有另外一个例子，可采用液晶材料形成一层偏振旋转片，该液晶材料的指向矢沿偏振旋转片的厚度轴旋转一个扭曲角Φ，该扭曲角远远小于该偏振旋转片的相位延迟Γ。相位延迟定义为Γ＝2πΔnd/λ对于一特定光的波长或波长范围，当Φ＜＜Γ时，入射在偏振旋转片一面的线偏振光，它射出时会以该波长的光的扭曲角Φ作相同角度的旋转。这种效应在当偏振旋转片包含具有扭转向列型结构的液晶材料时可以显现。采用手性向列型液晶材料或者在偏振旋转片的相背两面采用可用的排列层(如图3所示)，其中两层之间的排列方向相差一个所需的扭曲角，或者由这两个方法的组合可以获得扭转向列型结构。
偏振旋转片也可以设计成利用扭曲角和延迟手段来改变入射光的偏振方向和椭圆度。作为一个例子，考虑线偏振光的一束电场矢量平行于扭转向列型结构指向矢的输入光束。根据琼斯阵列法(参见例如Pochi Yeh和Claire Gu的“Optics of Liquid Crystal Displays”(液晶显示器光学)一书，John Wileyand Sons，1999)，射出光的椭圆度和方位角取向由下式给出
e=tan(12sin-1[ΓφX2sin2X])]]>tan2ψ=2φXtanX(φ2-Γ24)tan2X-X2]]>其中Ψ为偏振椭圆主轴与射出面局部指向矢轴的夹角。这里φ为扭转向列型结构的扭曲角。Γ为如上定义的相位延迟，上式中的X为X=φ2+(Γ2)2.]]>例如，对于波长为550nm的光，具有双折射为0.12、厚度为1.62μm、扭曲角为64°的偏振旋转片可将线偏振光的偏振方向改变成椭圆度为-1的光。
偏振旋转片可采用一层或多层不同材料层(如涂层)制成。例如，多层材料层可在一特定基底或偏振片元件上沉积而成，或可加上溶剂去除步骤，以及对各层的沉积物之间进行部分或全部固化的步骤。如果该特定的基底或偏振片对温度、湿度或这两者敏感的话，则这种方法特别有用。材料的多次施涂可以降低去除溶剂或对材料进行固化所需的温度与时间。如又一个例子，偏振旋转片所用的材料层可以生成在不同的两个基底或偏振片上，然后将这两层结合在一起。这种方法可将各个部件结合(如层压)成单一制品。或可进行高温退火步骤，用以促进两层或多层偏振旋转片材料之间的扩散、偶合或排列。
液晶材料可选择使用那些含有能使材料交联的反应性官能团的材料。在用来生成偏振旋转片的组合物中，也可以加入交联剂或玻璃化剂与液晶材料混合。液晶材料可根据需要排列(例如在向列相、扭转向列相、或手性向列相中)，然后交联或以其他方式玻璃化以保持排列。这类交联过程可以通过各种工艺完成，例如，光引发，电子束处理或热固化等。
偏振旋转片或用来形成偏振旋转片的组合物中，可以加入其它材料。例如，如果需要的话，可加入漫射或散射材料使偏振旋转片引起光的漫射或散射。另一例子中，如果需要显示某种颜色或消除某种颜色的话，则可以加入能吸收特定波长的光的吸光材料。合适的吸光材料的例子如染料与颜料。在一些实施方式中，采用的是二向色性染料(如能优先吸收某一偏振光的材料)。特别是那些在偏振旋转片内可以排列的二向色性染料更为理想。合适的二向色性染料包括例如碘，以及蒽醌，偶氮，重氮，三氮，四氮，五氮以及mericyanine染料，刚果红(二苯基-双-α-萘胺磺酸钠)，亚甲蓝，芪基染料(色指数(CI)＝620)，1，1’-二乙基-2，2’-花青氯(CI＝374(橘红)或CI＝518(蓝))，2-苯基偶氮噻唑，2-苯基偶氮苯噻唑，4，4’-二(芳基偶氮)芪，苝化合物，可被2-苯基或2-甲氧苯基任选取代的4-8-二羟基蒽醌，4，8-二氨基-1，5-萘醌染料，和聚酯染料，如PalanilTM蓝BGS和BG(德国路德维希堡的巴斯夫公司)。这些染料的性质及其制备方法在E.H.Land的文章中(Colloid Chemistry(胶体化学)，1946)中有述。其它一些二向色性染料及其制备方法在Kirk OthmerEncyclopedia of Chemical Technology，第8卷，第652-661页(1993年第四版)中有述，这里予以参考结合。
其它添加剂包括例如油类，增塑剂，抗氧化剂，抗臭氧剂，紫外稳定剂，固化剂，以及交联剂。这些材料可以与或不与液晶材料反应。
在一个实施方式中，偏振旋转片/偏振片采用的是液晶材料的扭转向列型结构，该结构还包含随液晶材料取向的吸光分子。在一个实施例中，吸光分子按液晶材料的方向排列。偏振方向与液晶材料指向矢平行的光被吸收，而偏振方向垂直于液晶材料指向矢的光则透过。本例中偏振旋转片也起偏振片作用。这种特殊的偏振旋转片可以是置于反射偏振片之后的“清除作用”偏振片，用以强化对具有不需要的偏振状态的光的消光作用。
偏振旋转片中采用的任何材料的光学特性，包括折射率等均与波长有关。例如对于某一波长的二分之一波长延迟片的厚度可以产生对于另一波长小于二分之一波长的延迟效果。至少在一些实施方式，特别是显示器用途中，要求降低或最大程度地减少某一波长范围内，如在可见光区域内(即波长在380-800nm之间区域)的上述差异。降低偏振旋转片对波长依赖性(即降低色度性)的方法之一，是形成两层或多层使用不同材料的单独层，并使这两层排列，使它们的光轴交叉呈某一特定角度。例如，使它们的光轴互呈90°。要选用材料使制得的偏振旋转片中的Δnd/λ对所需求波长范围基本上为一常数(即变化不超过10％或5％)。例如，一层聚丙烯层可以横向置于一层聚碳酸酯层上(或反过来)，这样得到的元件在整个可见光波长区域基本上呈均匀一致的光学延迟作用。较好的是，对两层膜透过该层的光学距离对波长的依赖性之间的差别在所感兴趣波长区域中基本上均匀一致。这两层膜的相对厚度可进行调整，改变该复合膜对波长的依赖性。
排列层可以用于偏振旋转片，用来规定偏振旋转片表面的光轴。此光轴可以与平行于排列层的表面成某一角度。此外，至少一些情况下，排列层可以使得该光轴与排列层表面呈一定的倾斜角。排列层对液晶材料特别有用，它可规定偏振旋转片表面液晶的指向矢的排列。液晶材料(如偏振旋转片)相背的两个面上都可提供排列层。另一种办法是采用仅一个排列层，并依赖偏振旋转片的螺距与厚度决定另一面的排列。
排列层可以是分开生成的层，也可以是膜的一个或多个其他光学元件的一部分。例如，偏振片也可以起排列层作用。在排列之后可对液晶材料进行交联以维持该排列。或可在液晶材料交联或玻璃化之后，从装置中去除一个或多个排列层。
已知许多制备排列层的方法，因为排列层一直用于包括液晶盒在内的其它器件中。通常制备排列层的一类己知技术涉及机械或物理排列方法，另一类涉及化学与光学排列技术。
通常制备排列层采用的机械方法，包括对聚合物(如聚乙烯醇或聚酰亚胺)按所需排列方向进行摩擦。另一种物理方法包括拉伸或以其他方式使聚合物膜(如聚乙烯醇膜)在排列方向上取向。许多种取向聚合物膜具有液晶材料的排列特征，包括聚烯烃(如聚丙烯)、聚脂(如聚对苯二甲酸乙二醇酯与聚萘二甲酸乙二醇酯)、以及聚苯乙烯(如无规立构，全同立构，或间同立构的聚苯乙烯)等聚合物。聚合物可以是均聚物或共聚物，也可以是两种或多种聚合物的混合物。起排列层作用的聚合物膜可以有一层或多层。起排列层作用的取向聚合物膜可任选地包含连续相与分散相。另一种物理排列方法包括按要排列的方向斜向溅射一层材料(如SiOx、TiO2、MgF2、ZnO2、Au和Al)在表面上。另一种机械方法是使用具有微凹槽的表面，如美国专利4,521,080、5,946,064和6,153,272中所述。
排列层也可采用光化学方法生成。如美国专利4,974,941,5,032,009和5,958,293所述，可光取向的聚合物可以生成排列层，对置于介质中或基底上的各向异性吸光分子用线偏振的光(如紫外光)按所需排列方向(在一些例子中垂直于所需排列方向)辐照而成。合适的可光取向的聚合物有聚酰亚胺，如含有取代1，4-苯二胺的聚酰亚胺。
另一类可光学取向的材料通常为聚合物，可用来生成排列层。这些聚合物在偏振紫外光的存在下沿该偏振紫外光的电场矢量方向或垂直于该电场矢量的方向有选择地发生反应，反应后能使液晶材料排列。这些材料的例子如美国专利5,389,698，5,602,661和5,838,407中所述。合适的可光聚合材料包括聚肉桂酸乙烯酯，以及其它如美国专利5,389,698，5,602,661和5,838,407所公开的聚合物。如美国专利6,001,277和6,061,113所述的可光致异构化合物，如偶氮苯衍生物也适合于光致排列。
此外，有些亲液型液晶材料也可用作排列层。这类材料当剪切涂布在基底上时，对热致变液晶材料能起很强的排列作用。这类合适材料的例子如美国专利申请序列号09/708,752所述。
代替使用排列层的一种方法是用电场或磁场对偏振旋转片的液晶材料进行排列。使液晶材料排列的另一种方法是通过剪切或拉伸的流动场，如涂覆或挤压过程中的流动场。然后，使液晶材料交联或玻璃化以保持这种排列。此外，在已排列的基底(如聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚萘二甲酸乙二醇酯一类的取向聚脂)上涂覆液晶材料也能够产生排列。
偏振旋转片106或去偏片112可以任何材料或结构，最好是适于能够影响光的偏振状态的带材形式进行处理的材料或结构来形成。去偏片112可以是漫射层，如漫射胶粘剂层，它在某种程度上能搅乱偏振方向。去偏片112可以是使用前倾的椭圆形去偏片。粗糙的、结构化的或棱柱形的表面也可以用作去偏片112。去偏片112可以包括一种聚合物基质，该基质含有使光偏转的颗粒。较佳地，去偏片112在所需的去偏波长范围内吸光不明显(即，吸光率不超过约1％、5％或10％)。
去偏片112的光学性质通过选择或控制各种参数来确定，包括颗粒的折射指数、颗粒的尺寸和形状、颗粒的体积分数和去偏片112的厚度。
沿去偏片所含的两种材料(即，颗粒和聚合物基质)之间的特定轴的折射指数匹配或不匹配将直接影响沿该轴偏振的光的散射程度。通常，散射能力根据折射指数失配的平方而改变。因此，沿特定轴的指数的失配越大，沿该轴偏振的光的散射越强。相反地，当沿特定轴的指数失配越小，沿该轴偏振的光散射程度较小，并因此能镜面透射物体的体积。
颗粒的尺寸对散射有显著的影响。如果颗粒太小(即，小于在有关介质中的光波长的约1/30)，并且如果每波长立方有许多颗粒，则去偏片就起具有有效的折射率(某种程度上是在沿任一给定的轴的两相之间)的介质的作用。在这种情况下，光的散射很少。如果颗粒太大，则光由颗粒表面镜面反射，而在其它方向上的漫射很少。当颗粒在至少两个垂直方向上太大时，还会产生不需要的彩虹效应。当颗粒变大时还会达到使用的限制，此时去偏片的厚度变大并且损害了所需的机械性能。
颗粒的形状也会对光的散射产生影响。颗粒对于电场的去偏振因子会减少或增加在给定方向上散射的量。这种影响会增加或减少折射指数失配引起的散射的量。
颗粒的形状还会影响因颗粒散射引起的光的漫射程度。这种形状效应通常较小，但是会随着垂直于光的入射方向的平面中的颗粒的几何截面的长宽比的增加以及颗粒的变大而增加。
形成去偏片的方法之一是将细颗粒分散在树脂中来形成膜。由聚合物小珠形成的细颗粒固定在树脂(例如聚合物基质)中，树脂的折射率与细颗粒的折射率不同。细颗粒的折射指数和尺寸分别为1.0-1.9和1-10μm。例如，树脂可以是折射率为1.5的光活化丙烯酸树脂。将细颗粒分散在光活化树脂中得到的材料施涂在第一基底上，然后在压制的同时进行紫外辐射。由此形成具有平表面的光散射层。
吸光偏振片102、反射偏振片104或第二反射偏振片108可具有各种结构。反射偏振片可采用各种形式。反射偏振片有各种形式。合适的反射偏振片是那些具有不同折射率的两种或多种不同材料以交替层形式或位于连续相内的分散相形式存在的元件。聚合物多层反射偏振片如美国专利5,882,774和5,965,247，以及PCT公开申请WO95/17303；WO95/17691；WO95/17692；WO95/17699；WO96/19347和WO99/36262中所述。一种市售形式的多层反射偏振片是明尼苏达州圣保罗的3M公司产的双亮度增强膜(Dual BrightnessEnhanced Film，DBEF)。无机多层反射偏振片例如在H.A.Macleod所著的Thin-Film Optical Filters(薄膜滤光片)，第2版，Macmillan PublishingCo.(1986)和由A.Thelan所著的Design of Optical Interference Filters(干涉滤光片的设计)，Mcgraw-Hill，Inc.(1989)中有述。漫反射偏振片包括在美国专利5,825,543中所述的连续/分散相反射偏振片，以及在美国专利5,867,316中所述的漫反射多层偏振片。美国专利5,751,388和5,940,211叙述了其它一些反射偏振片。
另一类反射偏振片的例子是采用胆甾醇型液晶材料形成的。胆甾醇型液晶偏振片元件在相应于胆甾醇型液晶螺距的光学长度的波长处能透射右旋或左旋的圆偏振光。未透过的光被反射，并在反螺旋性内被圆偏振化。在例如美国专利5,793,456，5,506,704，5,691,789，以及欧洲专利公开申请EP 940 705中介绍了胆甾醇型液晶反射偏振片。由于液晶显示器要求输入线偏振光，胆甾醇型反射偏振片通常提供有四分之一波长延迟片，将透射的圆偏振光转变成线偏振光。合适的胆甾醇型反射型偏振片在市场上有售，为Merck and Company，Incorporated的商品名为TRANSMAXTM的产品和Nitto Denko Corporation的商品名为NIPOCSTM的产品。
另一种偏振片为吸光偏振片。它们通常由经过取向的且能吸收特定偏振方向的光的材料制成。这类偏振片的例子包括经取向的聚合物层，它用二向色性染料(如碘或金属螯合物)染色。这类结构的例子包括用碘染色的经拉伸聚乙烯醇层。有关合适吸光偏振片的讨论例如参见美国专利4,166,871、4,133,775、4,591,512和6,096,375。
另一种吸光偏振片包括一种经取向的聚合物，它可以无需额外的染料或色料，该聚合物包括选择性吸光的聚合物材料的链段、嵌段或接枝。一个无需染料或色料的吸光偏振片的例子是一种经取向的共聚物，它包含聚乙烯醇嵌段和聚亚乙烯基嵌段，其中聚亚乙烯基嵌段由聚乙烯醇分子脱水而成。有关无需染料或色料制得的偏振片的讨论例如参见美国专利3,914,017和5,666,223。
如果需要的话，上述吸光偏振片元件的经取向聚合物膜可起到偏振旋转片的排列层作用。在一个实施方式中，在反射偏振片上覆盖一层经取向的聚乙烯醇吸光偏振片(如参见美国专利6,096,375)。对于将液晶材料放在吸光偏振片上而形成的偏振旋转层来说，该经取向聚乙烯醇吸光偏振片也可用作排列层。
如上面指出的，可以使用另一个改变偏振方向的元件来代替偏振片(图3所示的元件202)。这种改变偏振方向的元件包括例如补偿膜。这种膜能改变光的偏振方向，提供不同的椭圆偏振或圆偏振。这样的显示器就具有较宽的水平视角，垂直视角，或两者兼而有之。
所述的膜可以具有一层以上的偏振片或其它改变偏振方向的元件。例如，偏振旋转片可以放置在两个偏振片之间。而且，这层膜可以包含多个偏振旋转片。此外，其它光学元件也可以包含在膜中，包括例如微结构棱镜膜(如美国专利5,932,626和6,044,196所述)，漫射层，散射层，以及按波长选择性吸收的层和透射的层。膜中还可加入基本上不会改变制品的光学特性的其它层，包括例如胶粘剂层和基底。
可以制造各种不同结构的制品。这些制品可以各种不同方法制造。除了本文中所述的方法之外，制造这些制品的方法和制备偏振旋转片的其它例子，以及偏振旋转片的例子，在提交于2001年9月27日的待审查的美国专利申请序列号为_________，发明名称为″Methods of Making Polarization Rotatorsand Articles Containing the Polarization Rotators″(制备偏振旋转片的方法以及含该偏振旋转片的制品)中也有描述。具体地说，该制品的任意一个单独的元件可以分开地、顺序地、或同时制造。例如，两层或多层元件(如反射偏振片和偏振旋转片或去偏片)可以共挤出或可以同时涂覆在一可用的可去除的基底上。在另一实施例中，一个元件(如偏振旋转片)可以涂覆或以其他方式放置在先前生成的层(如偏振片)上。或者，一个元件可以先分开地形成，然后层压在一起。膜可采用这些方法的任意组合来制造。例如，反射偏振片和偏振旋转片与排列层可以共挤出形成；反射偏振片可以涂覆在偏振旋转片上；或者反射偏振片可以层压到偏振旋转片上形成制品。
制品的各个元件可通过各种方法形成一个制品，所用方法通常取决于诸如所用各元件层的类别，各个元件层的生成方法，以及各元件层的材料等因素。可以理解，有多种不同方法可以用来形成单层的膜(如可以先共挤出形成一个偏振片和偏振旋转片，然后将另一个偏振片层压在其上)。将各元件形成一个制品的方法包括例如共挤出、涂布、胶粘剂层压、热层压、高温扩散、两层上的反应基团之间的反应耦合以及交联。当采用胶粘剂时，最好该胶粘剂在使用的波长区域内是光学透明的，除非该胶粘剂也用作膜内的光学层。
该透射反射组合件100可用于各种用途，包括LCD和其它电子显示器，包括蜂窝电话和PDA(个人数字助理)。一种较佳的用途是WNI(白色非反转的)透射反射元件。图8示出了LCD的一个实施方式。将会明白，其它LCD的构形也是已知的，并且该透射反射组合件100也可以用于这些显示器构形。图8的构形只是提供一个显示透射反射组合件100的例子。LCD 400包括一个液晶盒402、一个可用的偏振片410、一个吸光偏振片102、一个反射偏振片104、一个偏振旋转片106或一个去偏片112或者两者兼有、一个第二反射偏振片108、一个检偏片406、一个背光照明源408和一个反射片412。图9示出了LCD的另一个实施方式。LCD 400包括一个液晶盒402、一个任选的偏振片410、一个合起来称为单膜的透射反射组合件100、一个检偏片406、一个背光照明源408和一个反射片412。所述透射反射组合件100包括一个吸光偏振片102、一个反射偏振片104、一个偏振旋转片106或一个去偏片112、和一个第二反射偏振片108。
本发明不应认为仅限于上述一些具体的实施例，应该明白，本发明覆盖了所附权利要求书中清楚地列出的所有方面。在阅读了本说明书后，对本发明的各种修改、等价处理以及许多可应用于本发明的结构，对本领域技术人员而言是显而易见的。权利要求书用于覆盖这些修改和装置。
权利要求
1.一种组合件，它包括一个第一反射偏振片，它使具有第一偏振状态的光基本上反射并且使具有第二偏振状态的光基本上透射；一个偏振旋转片，它设置在接受通过第一反射偏振片的光的位置；一个第二反射偏振片，它设置在接受通过所述偏振旋转片的光的位置，所述第二反射偏振片使具有第三偏振状态的光通过偏振旋转片基本上反射回去并且使具有第四偏振状态的光基本上透射。
2.如权利要求1所述的组合件，其特征在于所述偏振旋转片设置在使经第二反射偏振片反射的光发生旋转的位置。
3.如权利要求1所述的组合件，其特征在于它还包括一个设置在第一反射偏振片和第二反射偏振片之间的去偏片，所述去偏片将一部分入射光转化为垂直偏振状态，其中，所述第二反射偏振片设置在接受通过偏振旋转片和去偏片的光的位置。
4.如权利要求1所述的组合件，其特征在于它还包括一个背光照明系统，该系统设置在接受来自第二反射偏振片的光的位置，所述背光照明系统是一个反射片。
5.如权利要求1所述的组合件，其特征在于它还包括一个吸光偏振片，所述吸光偏振片设置在接受来自外部光源的光的位置，使具有第五偏振状态的光基本上吸收并且使具有第六偏振状态的光基本上透射。
6.如权利要求1所述的组合件，其特征在于所述第一反射偏振片的透射轴基本上与第二反射偏振片的透射轴平行排列。
7.如权利要求5所述的组合件，其特征在于所述吸光偏振片的透射轴基本上与第一反射偏振片的透射轴平行排列。
8.如权利要求7所述的组合件，其特征在于所述第一反射偏振片的透射轴基本上与第二反射偏振片的透射轴平行排列。
9.如权利要求5所述的组合件，其特征在于所述第一反射偏振片的透射轴基本上与吸光偏振片的透射轴不平行排列，所述组合件还包括一个设置在第一反射偏振片和吸光偏振片之间的第二偏振旋转片。
10.如权利要求1所述的组合件，其特征在于所述第一反射偏振片与偏振旋转片偶联。
11.如权利要求9所述的组合件，其特征在于所述偏振旋转片与第二反射偏振片偶联。
12.如权利要求1所述的组合件，其特征在于所述偏振旋转片是一个液晶聚合物偏振旋转片。
13.如权利要求1所述的组合件，其特征在于所述偏振旋转片是一个半波片。
14.一种组合件，它包括一个第一反射偏振片，它使具有第一偏振状态的光基本上反射并且使具有第二偏振状态的光基本上透射；一个去偏片，它设置在接受通过所述第一反射偏振片的光的位置，所述去偏片将一部分入射光转化为垂直偏振状态；一个第二反射偏振片，它设置在接受通过所述去偏片的光的位置，所述第二反射偏振片使具有第三偏振状态的光通过去偏片基本上反射回去并且使具有第四偏振状态的光基本上透射。
15.如权利要求14所述的组合件，其特征在于它还包括一个背光照明系统，该系统设置在接受来自第二反射偏振片的光的位置，所述背光照明系统是一个反射片。
16.如权利要求14所述的组合件，其特征在于它还包括一个吸光偏振片，所述吸光偏振片设置在接受来自外部光源的光的位置，使具有第五偏振状态的光基本上吸收并且使具有第六偏振状态的光基本上透射。
17.如权利要求14所述的组合件，其特征在于所述第一反射偏振片的透射轴基本上与第二反射偏振片的透射轴平行排列。
18.如权利要求16所述的组合件，其特征在于所述吸光偏振片的透射轴基本上与第一反射偏振片的透射轴平行排列。
19.如权利要求18所述的组合件，其特征在于所述第一反射偏振片的透射轴基本上与第二反射偏振片的透射轴平行排列。
20.如权利要求15所述的组合件，其特征在于所述第一反射偏振片的透射轴基本上与吸光偏振片的透射轴不平行排列，所述组合件还包括一个设置在第一反射偏振片和吸光偏振片之间的第二偏振旋转片。
21.如权利要求14所述的组合件，其特征在于所述第一反射偏振片与偏振旋转片偶联。
22.如权利要求21所述的组合件，其特征在于所述去偏片与第二反射偏振片偶联。
23.如权利要求14所述的组合件，其特征在于所述去偏片是一个漫射胶粘剂层。
24.如权利要求14所述的组合件，其特征在于所述去偏片的表面是经过粗糙处理的。
25.一种显示器，它包括一个液晶盒，它构造排列成能使用偏振光来进行操作；一个第一反射偏振片，它使具有第一偏振状态的光基本上反射并且使具有第二偏振状态的光基本上透射；一个偏振旋转片，它设置在接受通过第一反射偏振片的光的位置；一个第二反射偏振片，它设置在接受通过所述偏振旋转片的光的位置，所述第二反射偏振片使具有第三偏振状态的光通过偏振旋转片基本上反射回去并且使具有第四偏振状态的光基本上透射。
26.一种显示器，它包括一个液晶盒，它构造排列成能使用偏振光来进行操作；一个第一反射偏振片，它使具有第一偏振状态的光基本上反射并且使具有第二偏振状态的光基本上透射；一个去偏片，它设置在接受通过所述第一反射偏振片的光的位置，所述去偏片将一部分入射光转化为垂直偏振状态；一个第二反射偏振片，它设置在接受通过所述旋转偏振片的光的位置，所述第二反射偏振片使具有第三偏振状态的光通过旋转偏振片基本上反射回去并且使具有第四偏振状态的光基本上透射。
27.一种使光发生偏振的方法，它包括将光投向第一反射偏振片，所述第一反射偏振片使具有第一偏振状态的光基本上反射并且使具有第二偏振状态的光基本上透射；使由所述第一反射偏振片透射的具有第一偏振状态的光旋转至第一旋转的偏振状态；用第二反射偏振片接受具有第一旋转偏振状态的光，所述第二反射偏振片使具有第三偏振状态的光基本上反射并且使具有第四偏振状态的光基本上透射；使经所述第二反射偏振片反射的具有第三偏振状态的光旋转至第二旋转的偏振状态；用第一反射偏振片接受具有第二旋转偏振状态的光，所述第一反射偏振片使具有第一偏振状态的光基本上反射并且使具有第二偏振状态的光基本上透射。
28.一种使光发生偏振的方法，它包括将光投向第一反射偏振片，所述第一反射偏振片使具有第一偏振状态的光基本上反射并且使具有第二偏振状态的光基本上透射；将一部分由所述第一反射偏振片透射的光转化为垂直偏振状态；用第二反射偏振片接受具有垂直偏振状态的光，所述第二反射偏振片使具有第三偏振状态的光基本上反射并且使具有第四偏振状态的光基本上透射；将一部分经所述第二反射偏振片反射的光转化为垂直偏振状态；用第一反射偏振片接受具有垂直偏振状态的光，所述第一反射偏振片使具有第一偏振状态的光基本上反射并且使具有第二偏振状态的光基本上透射。
全文摘要
一种膜，它包括一个第一反射偏振片(104)，它使具有第一偏振状态的光基本上反射并且使具有第二偏振状态的光基本上透射；一个偏振旋转片(106)或去偏片(112)或两者兼有，设置在接受通过第一反射偏振片(104)的光的位置；一个第二反射偏振片(108)，设置在接受通过偏振旋转片(106)或去偏片(112)的光的位置，所述第二反射偏振片(108)使具有第三偏振状态的光通过偏振旋转片(106)或去偏片(112)基本上反射回去并且使具有第四偏振状态的光基本上透射。还可以形成包含该膜的制品。
文档编号G02F1/1335GK1791830SQ02819096
公开日2006年6月21日 申请日期2002年8月26日 优先权日2001年10月1日
发明者P·E·沃森, K·M·科奇克, R·C·艾伦 申请人:3M创新有限公司