[发明专利]具有用于偏振光再循环的互补非均质偏振器的LCD

说明书

技术领域

本发明的一个实施方式涉及液晶显示器。更具体地，本发明的 一个实施方式涉及具有偏振光再循环(recycling)的液晶显示器。

背景技术

液晶显示器(“LCD”)是薄的、扁平的显示设备，其由排列在 光源或反射器之前的任何数量的彩色或单色像素组成。其相对于竞 争技术具有很多优势，因为其使用极少量的电能，并且因为其很薄 而因此适于在电池供电的电子设备中使用。

LCD中的每个像素包括液晶(“LC”)分子层，该分子层悬浮 在两个透明的电极之间，并且夹在两个交叉的线性偏振器(即，具 有彼此垂直的透射(transmission)轴线的偏振器)之间。在偏振器 之间没有液晶的情况下，通过一个偏振器的光将被另一个偏振器所 阻挡。液晶通过改变来自于后偏振器的光的偏振态来充当偏振修改 光阀。为了以该方式起作用，液晶分子必须适当地对准，从而它们 接受由后偏振器透射(transmit)的偏振态的光，并且可以将其旋转 到由前偏振器透射的偏振态。已知用于实现液晶分子适当对准的各 种技术。这些技术包括机械摩擦，其引入了极小的槽，或使用正确 对准的层衬底定向线性偏振UV照明。电场的应用(通过对透明电 极应用电压)可以修改偏振旋转的度数，因此支持对通过像素的光 的精细控制。LCD的操作依赖于后偏振器透射轴线、液晶层的对准 (对于进入和射出的光两者)以及前偏振器的透射轴线之间的正确 关系。

像素本身不生成光并且因此LCD需要外部照明，该外部照明来 自于用于“反射式”LCD的环境源或来自于用于“透射式”LCD的 背光(或来自于“半透反射式(transflective)”LCD的情况中的组 合)。透射式LCD的大部分功耗用于背光。然而，已知的透射式LCD 的一个问题在于：该大多数功耗消耗于产生由于被滤除而最终在显 示输出中不使用的光。这些已知LCD的典型光输出(即，由全部活 跃的像素透射的所生成光的部分)约为5％-7％。

LCD设计固有的光损耗通常归因于以下要素(假设照明来自于 非偏振白光源)：

色彩过滤器组：约28％透射；

孔径比：约70％透射；以及

前后偏振器：约40％透射。

由于背光通常生成白光，所以需要色彩过滤器。由于LCD的某些区 域不透射光，所以产生孔径比。

偏振损耗源自LCD设计的固有方面。如上所述，LCD需要照明 被线性偏振并且正确定向，其通常导致来自于背光的至少一半可用 光的损失。

已经进行了改进LCD光输出的各种尝试，其可以大大改进LCD 的电效率，因此支持更节能的设备、延长移动设备的电池寿命、降 低所需的背光照明分量(因为需要更少或更低功率的灯元件来提供 特定的亮度级别)并且改进了显示单元中的热管理(因为大部分损 耗的光被作为热而吸收)。改进光输出的一个方法是通过例如美国 专利No.7,038,745中公开的偏振光再循环。图1是典型的现有技术 透射式LCD 10的剖视图，该透射式LCD 10为了改进光输出而包括 偏振光再循环。图1仅示出了直接涉及光再循环的那些元件并且未 示出经常在LCD中发现的很多其他元件(例如，色彩过滤器、棱镜 片、散射器(diffuser)等)。LCD 10包括液晶层17。液晶层17夹 在均质前偏振器19和均质后反射式偏振器18之间。后偏振器18透 射第一偏振光(“P1”)，并且反射第二偏振光(“P2”)。前偏振 器19与后偏振器18交叉(即，具有垂直的透射轴线)并且透射P2 光。液晶层17充当多个偏振修改光阀(即，像素)，每个光阀根据 应用的电压量可以旋转入射P1光以包括P2分量。LCD 10还包括背 光单元11，其包括用于生成非偏振白光的背光12、用于反射光的后 反射器14以及用于引导并且均质化生成的以及反射的光的光导30。

在操作中，背光单元11产生包括P1和P2光的白非偏振照明(箭 头20)的均匀分布。该光入射在均质后反射偏振器18上，该偏振器 18透射一个偏振P1(箭头21)并将大部分其他分量P2(箭头23) 反射回背光单元11中。LC层17将箭头21的某些偏振转换为P2光 并且如箭头24所示透射，其中，P2光部分最终由均质前偏振器19 如箭头25所示透射。