专利名称：透反射式lcd中的光循环利用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液晶显示器装置，具体而言，涉及一种在透射模式下提高了亮度的透反射式液晶显示器装置。
背景技术：
透反射式液晶显示器，特别是透反射式有源阵列液晶显示器(AM-LCD)和彩色超扭转向列液晶显示器(CSTN-LCD)通常用于移动式手持应用中。这些显示器装置由于其相对较低的能耗及其良好的幕前性能而受到人们喜爱。透反射式液晶显示器的特征在于能够工作在能够反射环境光的反射模式，以及能透过来自辅助光源(例如来自背光)的光的透射模式。因此，装有这种透反射式显示器的装置在明亮和黑暗的条件下都具有令人满意的可读性。
透反射式显示器的基本原理是众所周知的，例如从UK专利申请2101347可以获知该原理。这种透反射式液晶显示器包括具有前基板和后基板的显示器单元，在前基板和后基板之间夹有一层液晶(LC)材料。在显示器单元的前面层叠有前偏振器，或者检偏器，以及补偿膜。
此外，在后基板的后面依次层叠有包括四分之一波长延迟器和线偏振器元件的光学后叠层、漫射层和光源。最后，在光学后叠层与液晶层之间设有透反射器。
透反射式显示器可以按照常黑(normally black)单元思路或常白单元思路工作。常黑单元思路是在液晶上未施加电场的情况下产生黑色图像，常白单元思路是在未施加电场的情况下产生明亮图像。
当常黑单元工作于反射模式下，并且当该单元未被激活时(也就是在LC层上没有施加电场)，由于液晶层中指向矢的取向，进入前基板的环境光将被吸收。于是观看者感到显示单元是暗的。另一方面，当激活该单元时(也就是在电极之间施加电场时)，液晶中的指向矢改变位置，并基本垂直于前基板和后基板。从而使进入前基板的大部分环境光能够透过该单元，在透反射器处发生反射，并朝向前基板返回。于是观看者感到显示器是明亮的。
但是，当环境光不足以使显示器显示可读图像的时候，将光源打开，激活透射模式。当透射模式被激活的时候，从光源发射出的随机偏振光由偏振器变为线偏振，并被四分之一波长延迟器(在光学后叠层中)变为圆偏振，透过透反射器。然而，在液晶单元处于非激活状态时，从光源入射到液晶单元上的光在前部液晶中被吸收。于是非激活单元看起来是暗的。另一方面，当单元被激活且液晶分子垂直于基板时，透过透反射器的光的大部分将朝向观看者方向射出单元，使显示器处于明亮模式。
常白单元的操作与常黑单元几乎相同，不过具有适当的改变。文献中公开了使用与上述类似配置的几种其它装置。
无论未来的具体应用是怎样的，朝向液晶层透射的光具有正确的偏振态是非常重要的。偏振态不正确的光不会受液晶层中排列(aligned)的指向矢的影响，从而无论液晶的状态如何(即对准或受干扰(aligned or disturbed)的指向矢)，这些光都将透过液晶层。下面，将朝向LC层方向透射的正确偏振态的光视作用于显示的相长光，而将朝向LC层透射的具有错误偏振态的光视作显示的相消光。
在目前的商业产品中，透反射器的典型反射/透射比从90/10到60/40不等。这意味着从辅助光源(即背光)发射出的光的60～90％没有透过。这是透反射式液晶显示器的典型透射值(比率)非常低(2-3％)，导致低亮度的一个原因。可以对反射和透射模式性能分别调节和优化，使性能得到改善，但是也会导致制造困难，并且制造成本更高。在透反射式显示器中，依然必须在透射性能与反射性能之间作出折衷考虑。
在90/10透反射器处，从光源入射的光基本上会浪费掉90％。这意味着仅仅为了补偿透反射器的弱透射率就需要将所需输出功率增大10倍。光源通常为透反射式显示器中最耗能的部件。因此非常需要增大透过透反射器的相长光的比例，而不影响反射特性。
发明内容
为此，本发明提供一种透反射式显示器，其中更多的相长光透过透反射器。
本发明基于这样一种认识源于背光且入射到透反射器上的圆偏振光在透反射器处发生反射时，其偏振态反转(即右旋偏振态转变成左旋偏振态，或者相反)。圆偏振态反转的反射光通过四分之一波片，被基本转变回线偏振光，并向后透过线偏振器。
线偏振器基本上是一种吸收滤光片，吸收与偏振器的光轴垂直的光分量。在随机偏振光入射到线偏振器上时，一半的光透过(恰好与偏振器的轴一致的光)，另一半光被吸收。在射出时，从透反射器返回的光经历延迟-反射-延迟，将光的线偏振态改变90°。因此，被透反射器反射的光垂直于线偏振器的透射轴，因而完全被偏振器吸收。结果，最初透过偏振器的光中的大部分，无论如何在偏振器中都会被吸收。
然而，根据本发明，从透反射器返回的光被设置在透反射器与偏振器之间的消偏振模块消偏振。因此，返回光是随机偏振的，因而大约一半的光透过线偏振器，可以在背光装置中被循环利用。
因此，根据本发明一个方面，提供一种透反射式液晶显示器装置，包括依次层叠的液晶层、透反射器、偏振模块以及背光。背光用于朝向所述透反射器发射光，透反射器可以透过所述光的第一部分，但不能透过所述光的第二部分。显示器装置还包括设置在透反射器与偏振模块之间的消偏振模块。消偏振模块用于有选择地使所述第二部分光消偏振，从而使所述第二部分光的一部分能透过偏振模块，在背光中被循环利用。从而使反射光的一部分向回朝向背光透射，在背光处被循环利用，从而可以增大背光发射出的光的总量。因此有更多的光到达LC层，从而到达观看者，产生更明亮的显示器和/或降低能耗。结果，更多的光能相长地透过透反射器，而不会影响透反射式显示器的反射特性。
根据一个实施例，所述偏振模块为吸收式偏振模块。因而，在该结构中包括消偏振模块就使被透反射器反射的光的一部分通过偏振器，而不会被偏振装置吸收。吸收式偏振模块可以例如包括线偏振器和圆偏振器(例如四分之一波长延迟器)，就象上面描述的一样。
不过，所记载的最新发现表明，可以将线偏振器和圆延迟器换成层扭转向列聚合物层。这些层通过精确调节，可以产生与上面所述的线偏振器与延迟器的组合相同的偏振效果。不过，存在一个主要的区别。当线偏振器作为吸收滤波器吸收具有不希望的偏振态的光时，聚合物层会反射具有不希望偏振态的光。这是有益的，因为由于错误的偏振态，源于背光但没有透过偏振器的光，被向回朝向背光反射，从而可以被循环利用而并非被偏振器吸收。
因此，扭转向列(TN)层透过在一个方向上圆偏振的光，并反射相反方向的圆偏振的光。这与传统中使用的透过一个方向线偏振的光并吸收相反方向线偏振光的线偏振器不同。
在具有扭转向列层而不是常规线偏振器和延迟器的透反射式显示器中，透过偏振器并被透反射器反射的光的表现与传统装置不同。如传统装置那样，被透反射器反射的光在反射时其偏振态发生反转。不过，当其入射到TN层上时会被全部反射，而并非被吸收。但是，反射光依然具有反转的偏振态。因此，返回透反射器时，一部分光以错误的偏振态朝向液晶层透射，从而会干扰黑色状态。因此，在这种显示器部件中，光不仅会浪费，而且浪费的光实际上会破坏黑色状态，从而降低整个显示器的对比度。
不过，在本发明的消偏振模块设置在透反射器与TN层之间的情形中，相反以错误偏振态透射的一部分光此时透过偏振器，并可以在背光中被循环利用。在这种实施方式中，本发明具有以下双重效果增大显示器中利用的相长光的量和减小所使用的干扰黑色状态的相消光的量。
换言之，所述偏振模块或者可以包括吸收具有不希望偏振态的光的吸收式偏振器(诸如线偏振器)，或者包括反射具有错误偏振态的光的反射式偏振器(诸如扭转向列聚合物层)。当然，本发明还考虑部分吸收和部分反射的偏振器。
从而，根据一个实施例，所述偏振模块为反射式偏振模块。在此情形中，消偏振模块具有增大向后朝向背光透射的光量的作用，不过以损失透过透反射器的相消光(具有错误偏振态)的量为代价。在效果上，光从相消性被重新改变为相长性。反射式偏振模块可以例如包括扭转向列聚合物层。
为了使本发明正确地起作用，重要的是能够将相长地透过透反射器的光与其余光分离。孔镜型透反射器广泛地用在透反射式显示器中，并且特别适于本发明。在这种结构中，通过使用具有消偏振反射镜部分的透反射器，易于使反射光有选择地消偏振。于是，透过孔部分的光当然不会受到消偏振影响，而所有反射光都被有效地消偏振。因此，根据一个实施例，透反射器为包括至少一个不透光部分和至少一个透光部分的孔镜型。使用这种透反射器易于区分不同的光部分，这是因为透射光与其余光在空间上是分离的。消偏振模块优选设有具有与透反射器的图案一致的图案的有源(消偏振)区和无源(非消偏振)区。
透反射器可以例如为设置在液晶层与后基板之间的显示单元的内部的孔镜型单元内漫反射器(IDR)。通过将金属蒸发到后基板的面对液晶层的粗糙表面上，可以得到这种透反射器。如果使用这种透反射器，则蒸发金属层中可以包含小的光散射颗粒，以便使透反射器具有消偏振能力。
第二种选择是在孔镜型透反射器下面、从而面对背光，插入一个单独的漫反射层。所插入的这一层应当具有使从背光入射到其上的光反射和消偏振的能力。这可以通过在漫反射层的光源一侧上沉积白色漫反射层来实现。可以使用与打通有机IDR层相同的掩模步骤在漫反射层中形成小孔，从而保证各层中的小孔对准，以便使透过透反射器的光保持圆偏振。在未打通有机层的情况下，可以使用另外的掩模步骤产生用于透过辅助光的小孔。
所插入的消偏振层也可以是透射式的。在此情形中，通过透反射器提供反射，消偏振模块仅用于在反射前和/或后使光消偏振。不过，对于所插入的消偏振模块而言，重要的是具有与透反射器的图案大致一致的透光/不透光图案。否则，将要透过透反射器、且由此应当被偏振的光，有可以能被消偏振，干扰显示器的黑色状态。另一方面，消偏振模块没有覆盖透反射器的整个不透光区，从而并非所有反射光都被消偏振时，这会减小本发明的效果。不过，当然，这不会导致随机偏振光发生任何透射，从而不会发生任何黑色状态干扰。
根据一个实施例，将消偏振装置直接设置在所述透反射器上，面对背光。这样做的优点在于，可以在与透反射器相同的制造步骤中制造消偏振模块。例如，在制造过程包括蚀刻时，消偏振模块可以使用与透反射器相同的掩模。
根据一个实施例，消偏振模块包括白色、漫射、消偏振反射层和形成所述反射层整个部分的光散射颗粒。无论消偏振模块的位置如何，都能使用这种结构，并且易于制造且有效地消偏振。
根据应用情况，液晶可以为扭转向列(TN)型，超扭转向列(STN)型或者非扭转向列型。
下面将参照附图、以附图为例，更详细地描述根据本发明的透反射式液晶显示器装置的实施例，在附图中图1示出包括现有技术透反射式液晶显示器部件的手持式移动部件的一个实例，以及该显示器部件的横截面；图2说明具有吸收式偏振器的现有技术显示器装置中，透射和吸收光的百分比；图3说明具有反射式偏振器的现有技术显示器装置中，透射和反射光的百分比；图4和5分别与图2和3对应，不过具有本发明的消偏振模块；图6说明在现有技术和本发明的包括吸收式偏振器的显示器部件中，光按照不同的方式传播；图7和8说明本发明不同实施例的横截面；图9说明提供消偏振模块的一种方法，该方法需要在透反射器的粗糙区域中包含小颗粒；图10说明提供消偏振模块的另一种方法，该方法需要在透反射器的下面设置附加的反射层；图11是示出针对不同单元思路的循环利用效率的表格。
具体实施例方式
首先，为了更好地理解本发明，将对现有技术进行更详细的描述。从而，参照图1，其中示出了包括透反射式液晶显示器装置100的手持式装置，以及该透反射式液晶显示器部件放大的横截面。该显示器部件包括具有玻璃等形成的前基板104和后基板103的液晶单元108，以及夹在它们之间的液晶层109。在前基板的前表面上，设有前散射层105、前补偿层106和检偏器101。在后基板的后侧设有透反射器107，将透反射器107构图从而形成透射部分和反射部分。此外，依次层叠扭转向列聚合物层105和背光102。
为了说明本发明原理，图2～5中示出不同透反射式显示器的后叠层。后叠层包括具有漫射层204和光导205的背光203，偏振模块202、302以及透反射器201。在这个具体实例中，透反射器的透射/反射比为20/80。图3和5说明本发明的显示器，从而还包括消偏振模块206。作为一个实例，将背光发射出的随机偏振光的量表示为100％。
图2说明现有技术结构，其中偏振模块为吸收型(例如线偏振器和四分之一波长延迟器)。从而，50％的随机偏振光被偏振器202吸收，50％的随机偏振光透过偏振器202。由于透射/反射比为20/80，10％(50％中的20％)的光透过透反射器，40％(50％中的80％)被被反射回偏振模块202。如箭头所示，反射光的圆偏振态被反转。因而所有40％的反射光都被吸收式偏振模块202吸收。从背光发射出的光中总共有90％在吸收式偏振模块200中被吸收。
图3示意地说明使用反射式偏振器(例如扭转向列聚合物层)的装置。由于偏振器的反射性，从背光发射出的光的50％被反射回背光，50％透过偏振模块302。由于透射/反射比为20/80，10％(50％中的20％)的光透过透反射器，40％(50％中的80％)反射回偏振模块302。如箭头所示，反射光的圆偏振态被反转。从而使所有40％的反射光被反射式偏振器302再次反射回透反射器201。此时8％(40％中的20％)透过透反射器201，其余的32％被反射回偏振模块302。此时圆偏振态再次被反转(回到初始取向)，从而所有的其余光(32％)都朝向背光203方向透过偏振模块302。于是，具有相反偏振方向的两部分光都透过透反射器，导致黑色状态变差，显示器装置的对比度下降。对于该具体实例，10％以正确的偏振态透过，8％以错误的偏振态透过，从而被浪费掉。
图4说明使用吸收式偏振器的装置，如同图2那样，不过还包括消偏振模块206。于是，被透反射器反射的光(40％)在入射到吸收式偏振器202上时，为随机偏振，从而使20％的光透过(被线偏振器变为线偏振)，偏振器仅吸收20％。偏振器总共吸收70％的光。
图5说明使用反射式偏振器302和消偏振层206的装置。如图所示，该装置导致光在透反射器与偏振器之间多次反射。由于消偏振装置，入射在偏振器上的光为随机偏振。因此每次有一半的光被反射回背光，一半的光朝向透反射器反射，具有反转的偏振态。由于偏振器仅反射具有错误偏振态的光，在每个周期中仅将反射具有错误(相消)偏振态的光。透反射器处的每次反射都导致20％的入射光(具有反转的偏振态)透过，其余被反射和消偏振。在该具体实例中，使用20/80透反射器，总共大约6.5％的光以反转的偏振态透过，其余大约33.5％的光将向回朝向背光透射。从而相消透射被减小大约1.5个百分点，朝向背光透射的光增加同样的量。
在上面的实例中，应当注意的是以百分比表示的光量仅用于说明本发明的基本原理。在实际实施中，透射、反射和吸收光的量通常取决于所使用的具体材料和成分。效果上，透射光量没有上面实例中那样高。但是无论是否使用消偏振层，这些效果都相似。
在图6中示出对于现有技术情形(部分620)和对于具有消偏振模块的情形(部分630)，透反射式LCD装置后部中的光路。该具体透反射式LCD的后部包括背光601、线偏振器602、延迟层603以及限定在后基板604顶部上的透反射器605。部分630还包括消偏振模块606。
如图所示，从背光601发射出并且入射在偏振器602上的随机偏振光的一部分，被偏振器602变为线偏振且透过偏振器602。之后，线偏振光入射在延迟层603上，在那里变为圆偏振，并朝向透反射器605透射。在显示器部分620中，示出现有技术显示器的操作。当入射到透反射器605上时，大部分圆偏振光以反转的偏振方向向回朝向延迟层603反射，并在该处被变为线偏振。入射在偏振器602上的线偏振光的偏振方向垂直于偏振器602的光轴，从而使偏振器602吸收该光。因此，基本上被透反射器604反射的所有光，当向回朝向背光601传播时，都将被偏振器602吸收，从而被浪费。由于线偏振器中的吸收，被透反射器反射的光不会被背光601循环利用，而是被浪费掉。
不过，在显示器部分630中设有本发明的消偏振装置606。于是，在透反射器处反射的光被消偏振模块变为随机偏振。因此，随机偏振光入射到线偏振器上。由于这一吸收特性，一半的入射光向回朝向背光透射，仅有一半的光在偏振器中被吸收。
可以按照与现有技术显示器相同的方法来制造本发明的显示器，仅作出微小的改变，以便设置消偏振模块。
消偏振模块通常为可以按照多种不同方法设置的消偏振层，例如直接设置在透反射器上或者与透反射器隔开一层或多层。
现在将参照图7描述根据本发明一个实施例的透反射式液晶显示器装置700。该液晶显示器装置700包括具有例如玻璃等制成的前基板711和后基板715液晶单元710，以及夹在前基板711与后基板715之间的液晶层712。散射层703、补偿层702和偏振器701按照原有公知方式层叠在前基板711的顶部。透反射器713层叠在后基板715的顶部上，并且在后基板715下面设置扭转向列聚合物层704和背光装置705。扭转向列聚合物层还可以用线偏振器和四分之一波长延迟器按照原有方式取代。
此外，根据该实施例，在透反射器713与后基板715之间采用消偏振层714形式的消偏振模块。不过，消偏振模块可以设置在透反射器与偏振模块704之间任何位置处。透反射器层713可以由例如Cr形成。最好在与透反射器相同的步骤中蚀刻消偏振层714，以简化制造过程。
背光705通常包括漫射膜706、光导707，并且可以任选包括反射器708。光导与诸如发光二极管(LED)的光源耦合，通常设置在显示器部件(未示出)的侧面。在这种背光装置705中，返回光或者被光导707捕获，被反射到光导下面的反射器上，或者被背光漫射膜直接散射。被反射器反射的光一部分通过漫射膜传播到后叠层，一部分进入光导中。光导中的光通常在光导中被多次反射，并通过漫射体耦合出光导。因此，从透反射器反射回的光可以被循环利用，从而增强亮度和/或降低能耗，这是因为可以降低施加给光源的电压。
图8说明另一实施例，其与图7中所示的实施例类似，不过在后基板715与偏振模块704之间设有消偏振模块。
在上述设计中，偏振模块可以为反射型、吸收型或者部分反射、部分吸收的任何中间类型。例如，除上面给出的实例之外，偏振模块可以包括反射式偏振器，如“DBEF”(双重亮度增强膜)。
本发明的显示器的一般设计和制造在很大程度上与现有技术显示器的设计和制造相同，因此在本说明中不再对过多细节进行描述。基本上，本发明的显示器与现有技术显示器之间的区别通常限于消偏振模块及其沉积。
例如，参照图9，可以使用在透反射器904的后面沉积的小光散射颗粒902，例如小SiOx(二氧化硅)颗粒，将反射光消偏振。用于本实施例的透反射器最好为孔镜型单元内漫射金属反射器，包括防止在反射模式中发生镜面反射，也就是出现能够干扰所显示图像的镜像的粗糙层903。用于将光的反射部分散射和消偏振的小颗粒902，优选分散到后基板901顶部透反射器904后侧的粗糙层903中。不过，类似的具有颗粒的结构还可以用作设置在单元外部(即，后基板的背光一侧上)的消偏振器。
参照图10，本发明的另一实施例利用透反射器1003与后基板1001之间的分离的白色漫反射层1002。最好在沉积IDR有机层之前，将该分离层沉积到后基板上。这可以这样来实现使用与打通有机IDR层所用相同的掩模步骤在漫反射层中制造小孔，或者如果没有打通有机层，则通过附加的掩模步骤产生用于透过辅助光的小孔。
图11示出一个表格，其中列出对于具有25/75透射/反射比的透反射器的不同单元结构，理论上的循环利用效率。使用不具有消偏振模块的现有技术显示器单元作为基准。可以看出，仅12.5％的入射光透过，高达87.5％的光被吸收。包含消偏振模块时，导致19％的光被循环利用。在使用“DBEF”层的情形中，在到达偏振器之前50％的光被循环利用。结合使用“DBEF”层和消偏振模块，导致69％的光被循环利用，仅18.5％的光被吸收。
本发明的显示器当然可以按照原有的方式设置滤色器，以便提供彩色显示器，例如RGB(红、绿，蓝)显示器。可以按照任何常规方式来包含这种滤色器。
本发明可以应用于其中的液晶层为例如扭转向列(TN)型、超扭转向列(STN)型或非扭转向列型的液晶显示器。
应当注意，不应将本发明的上述实施例理解为限制本发明，而应该理解为仅仅作为如何使用本发明的实例。本领域技术人员在不偏离所附权利要求限定的本发明精神和范围的条件下，能够设计出本发明的多种可选实施例。
权利要求
1.一种透反射式液晶显示器装置(700，800)，包括依次层叠的液晶层(712)、透反射器(713)、偏振模块(704)和背光(715)；所述背光(715)用于朝向所述透反射器(713)发射光，所述透反射器(713)能够透过所述光中的第一部分，不能透过所述光中的第二部分；所述显示器装置(700，800)还包括设置在所述透反射器(713)与所述偏振模块(704)之间的消偏振模块(714)；所述消偏振模块(714)用于有选择地将所述第二部分光消偏振；从而使所述第二部分光中的一部分能够透过所述偏振模块(704)，并在所述背光(705)中被循环利用。
2.如权利要求1所述的透反射式液晶显示器装置(700，800)，其中所述偏振模块(704)为吸收式偏振模块。
3.如权利要求2所述的透反射式液晶显示器装置(700，800)，其中所述偏振模块(704)包括线偏振器和圆偏振器。
4.如权利要求1所述的透反射式液晶显示器装置(700，800)，其中所述偏振模块(704)为反射式偏振模块。
5.如权利要求4所述的透反射式液晶显示器装置(700，800)，其中所述偏振模块(704)包括扭转向列层。
6.如权利要求1所述的透反射式液晶显示器装置(700，800)，其中所述透反射器(713)为孔镜型，包括至少一个不透光部分和至少一个透光部分。
7.如权利要求6所述的透反射式液晶显示器装置(700，800)，其中所述消偏振模块(714)被设置成与所述透反射器(713)直接接触。
8.如权利要求7所述的透反射式液晶显示器装置(700，800)，其中所述消偏振模块(704)包括白色、漫射、消偏振反射层(903)和形成所述反射层(903)整个部分的光散射颗粒(902)。
9.如权利要求1所述的透反射式液晶显示器装置(700，800)，其中所述液晶层(712)为扭转向列型、超扭转向列型或非扭转向列型。
全文摘要
本发明能够使工作于透射模式的透反射式显示器提高亮度并降低能耗。本发明基于在透反射器(201)与后叠层偏振器(202)之间包括消偏振模块(206)。该消偏振器(206)被设置成将源于背光(203)且被透反射器(201)反射的光有选择地消偏振，并基本上不影响透过透反射器的光。从而使一部分反射光向回透过后叠层偏振器(202)，可以在背光(203)中被循环利用。可以将本发明应用于具有透反射器(201)的任何透反射式显示器，其中在源于背光(203)的光向后朝向背光(202)反射时，透反射器改变光的偏振态。
文档编号G02F1/1335GK1856732SQ200480027392
公开日2006年11月1日 申请日期2004年9月15日 优先权日2003年9月23日
发明者马蒂纳斯·P·克勒森, 弗兰斯·利恩霍特斯, 亨德里克·C·M·赫门斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司