含有反射型全息光元件的液晶显示器 本发明涉及一种适于用环境光照明的液晶显示器，尤其涉及一种含有一个反射型全息光元件的液晶显示器，该反射型全息光元件以一个优先的反射形式通过一个液晶面板来改变漫射光的方向。按照本发明的一个方面，该反射型全息光元件是一个用于交替地背照明该液晶显示器的透射—反射器(transflector)。
典型的液晶显示器包括一个液晶面板，用于形成通过面板前侧观看到的显示。该液晶面板包括一层夹在前后透明聚合物板或玻璃板之间以及在具有相互垂直的偏振轴的前后偏振器之间的液晶材料。把透明电极附加在透明板的内表面以改变在面板邻近区域中液晶材料的光透射特性。以此方式，电极确定了产生显示的象素。在这里象素指的是一个形成显示的亮区或暗区的液晶面板的区域。一个通常地显示是由象素(即以规则的阵列分布的圆点)形成。另一种通常类型的显示包括按数字8形状分布并且可选择通断的象素以形成字母数字符号。
在不施加电场时，偏振光通过一个偏振器进入并且由液晶层重新取向以通过相对的偏振器，从而使面板透明并且为显示产生了一个亮象素。然而，施加在电极之间的电位改变了中间的液晶材料以阻止光通过该面板，从而在该面板上产生一个表现为一个暗象素的不透明区域。因此，通过向电极选择性地施加电流，可以在一个透明或亮状态和一个不透明或暗状态之间逐个地转换象素。
尽管液晶面板通过局部改变象素的光透射特性来产生显示，但是液晶面板并不会产生观察该显示所需要的光。有两种提供用于显示的光的基本方法。一种方法采用环境光并且包括一个面对着液晶面板后面的反射器。在一个透明区域，环境光由一个前偏振器滤光，通过该面板，由反射器反射，并且再通过该面板以产生一个亮象素。当然，在一个不透明的区域光不通过该面板，产生一个暗象素。在第二种方法中，该装置包括一个用于照明液晶面板后面的光源，光由后偏振器筛选并且通过液晶面板的透明区域以产生亮象素。人们试图通过在液晶面板后面和一个光源之间采用一个透射—反射器从而把这两种方法结合在一个装置中。该透射—反射器在环境光状态下操作时反射环境光，并且在背照明状态下透射来自光源的光。通常的透射—反射器所遇到的一个问题是透射—反射器的透射特性必然降低反射率(即反射光与入射光的比率)，并且与之类似地透射—反射器的反射特性会降低透射率，这就使得比如一个百分之五十透射的透射—反射器只反射大约百分之五十的光，因此在两种模式下工作都会降低可观察到的光的比例。
尽管在背照明时通过提供一个预定强度的光源可获得所需要的亮度，但环境光照明却依赖周围光的亮度，周围光可能来自任何方向且强度是变化的。为了在这样的变化条件下提供足够大的亮度，已经开发了产生漫反射的反射器。与产生基于光入射角的高度方向依赖性的反射的反光镜相比，一个漫射反射器在一个大的角度范围内均匀地反射光，这样使得反射光的强度相对来说不依赖于环境光的方向。然而这样的漫射反射必须会降低由观察者所感觉到的光的强度。另外，由于在通过面板的两次透射中的损耗(例如，通过偏振器)进一步会降低显示的表观亮度。其结果是环境光照明就会有由观察者感觉到的表现亮度下降的缺陷。这个缺陷在环境光暗的情况下尤其引人注意。因此有必要增加能够用于观察显示的反射光的效率以提高由观察者感觉到的表观亮度。
本发明试图提供一种可以由漫射环境光，比如在一个房间内以不同的方向及不同的强度照射该显示器的光，来照明的液晶显示器。该液晶显示器包括一个液晶面板和一个反射型全息光元件。该液晶面板包括一个用于观察显示的前面和一个后面，并且还包括至少一个具有透明状态的区域以使得照明前面的漫射环境光通过该面板并且从后面射出。反射型全息光元件光耦合到该面板后面并且包含有一个或多个反射部分，该反射部分接收从液晶面板发出的光并且以一定的反射形式向着面板方向改变光的方向。因此，在液晶面板的透明区域，照明前面的漫射环境光通过面板到达反射型全息光元件并被改变方向而再次通过该区域，从而产生一个亮象素。
根据本发明的一个方面，反射型全息光元件以一个狭小的反射角度围绕一个构成优选观察角的轴来改变光的方向。在反射位置以反射角度范围以外的入射角接收的漫射环境光在该角度范围内改变方向以增加显示的表观亮度。
根据本发明的另一方面，该反射型全息光元件是一个透射—反射器。该液晶显示器还包括一个光源，使得该反射型全息光元件插在该光源和该液晶面板的后面之间。用反射型全息光元件来改变通过液晶面板的环境光的方向以使得环境光再次通过液晶面板来提供用于显示的亮度。另外，来自光源的光透过反射型全息光元件照明液晶面板的后面并且通过该液晶面板以补偿用于显示的亮度。
下面参照附图进一步解释本发明，其中：
图1示出一个漫射反射器和一个用于本发明的反射型全息光元件的反射光强度与反射角的函数关系的曲线图；
图2示出根据本发明一个优选实施例的反射角度的示意图；
图3示出本发明第一实施例的包含有一个反射型全息光元件的液晶显示器的剖视图。
图4示出曝光一个成像层，用以形成一个用于图3中的液晶显示器的反射型全息光元件的配置。
图5示出曝光成像材料用以形成一个用于图3中的液晶显示器的反射型全息光元件的另一种配置。
图6示出本发明另一实施例的包含有一个反射型全息光元件的液晶显示器的剖视图；
图7示出本发明又一个实施例的包含有一个反射型全息光元件的液晶显示器的剖视图；
图8示出图7所示的反射型全息光元件的反射光强度与频率的函数关系的曲线图；和
图9示出本发明的再一个实施例的包含有一个反射型全息元件的液晶显示器的剖面图。
对于理解本发明，了解一个反射器是由多个反射部分形成以使每束光线在一个特定部分与该反射器相交并且由该部分的特性确定的方向来改变方向，是很有帮助的。光线由镜表面的一部分以一个相对于一个垂直于该镜表面的轴的特定方向反射使得反射角等于入射角，也是很有帮助的。通常在一个液晶显示器采用的一种漫反射器在一定角度范围内散射光，使得亮度通常不依赖入射角或反射角。图1示出从反射器的预定部分发出的反射光的强度与相对于一个垂直于该部分的轴而测量的反射角的关系曲线图。曲线A代表由漫反射器一部分上产生的优选的反射模式。相反，本发明采用了一种适于由漫射环境光照明并且在一个预定反射角度内改变光方向的反射型全息光元件。曲线B代表优选的反射图案并且表示光被限制在围绕该轴的一个角度空间内，使得在该角度范围内光展示出增加的强度，从而导致增强的亮度。
参照图2，用于本发明的优选的反射型全息光元件10(在这里也称为全息反射器)由连续的反射部分构成，其中反射部分12可以作为代表。在一个优选实施例中，该反射元件是一个由具有不同折射率区域的成像膜构成的体积全息光元件，这些区域以一个类似于衍射光栅的形式协调配合，以一个干涉图案(也称为反射图案)改变光的方向。在这里使用的反射部分称为反射器的一个区域，从该区域开始出现干涉图案。元件10最好由基本上具有均匀反射特性的部分构成。在该实例中，该反射图案通过一个围绕一个在部分12处垂直于元件10的轴14且以边界线16为边界的圆锥空间发出光，边界线16与轴14呈一个角度地与反射部分12相交。该角度最好是60°或者更小，并且可有效地集中漫射光以便在该图案中显著地增加亮度。
本发明的一个显著特点是反射型全息光元件10光耦合到一个液晶面板上以接收由漫射环境光得到的偏振光，并因而增强沿着一个相对于图2中轴14的优选观察角的显示。在此所使用的漫射环境光照以是指在照明良好的房间中的照明和光线趋于从多个方向以不同的强度照射的照明。当反射型全息元件10暴露于漫射环境光，照射部分12的光线可包括在反射图案以外由箭头18所指示的光线和在反射图案以内由箭头20所指示的光线。根据该优选实施例，这些光线在反射图案内改变光线的方向，例如在由箭头22指示的方向。与在理想的反射图案以外沿箭头24的方向也反射光的漫反射器相比，从部分12发出的光基本上限定在该反射图案内。其结果是比如沿着箭头18的反射图案以外的光由全息反射器在反射图案内改变方向，因此在反射图案内聚积光。由图1中的曲线B所表示，这就导致了在反射图案内的可用于观察的光的强度的增益。这就又增强了由观察者观察到的显示的表观亮度。
在该实例中，反射型元件10的多个反射部分围绕垂直于该元件的轴产生反射图案，这些轴对应于优选的观察显示的角。另外，在该实例中，反射图案是围绕轴的圆。然而，本发明也可以适当地采用可以产生这样一个反射图案的一个元件，其中光最好沿着并不垂直于该元件的轴改变方向，以便例如当显示装置相对于观察者倾斜时得到最佳的观看结果。另外，来自不同部分的反射图案的轴可以是不平行的。还有，可以适当改变干涉图案的特性以产生不是圆形的反射图案。例如，该全息反射器可以产生一个围绕一个优选观察轴的对称的反射图案，但该反射图案具有一个椭圆形的横截面以增大水平观察角范围并且减小垂直观察角度范围。
参照图3，在本发明的第一实施例中，一个液晶显示装置30包括一个液晶面板32和一个反射型全息光元件34。
这种类型的液晶面板32易于从商业途径得到并且适于形成一个通过前面36观察的显示装置。面板32的特征在于它是一个平面的、层状的结构，并且包括一个与前面36相对的后面38。该面板包括一个由比如扭曲向列液晶材料形成的层40，该层40夹在前和后透明聚合物板42和44之间。面板32还包括一个附加在板42外表面上的前偏振器46和一个附加在后板44外表面上的后偏振器48。偏振器46和48具有沿垂直方向取向的偏振轴。
液晶面板32具有一个通常垂直于多个元件的轴50并且包括一个由51表示的围绕轴50的区域51，其中元件之间相互配合确定了一个用于显示的象素，该象素可以在透明状态和不透明状态之间转换。借助于一个常规液晶面板的实例，面板32包括分别附着在邻近液晶层40的板42和44的内表面上的透明电极52和54。合适的电极由铟锡氧化物构成。在电极52和54上不施加电位的情况下，通过前偏振器46对照明面板前面36的漫射环境光滤光以使偏振光进入面板。由液晶层40使偏振光重新取向以调整其偏振方向，使其平行于后偏振器48的偏振轴。在此方式中，区域51对偏振光是透明的。另外，施加到电极52和54上的电位干扰了液晶层40使得偏振光不被为了通过后偏振器48而重新取向。在此方式中，区域51是不透明的。为了进行说明，本实施例采用设置在相对表面上的简单的电极。然而，电极可以是任何图形的图案以产生所希望得到的设计图案的显示。在一个替换实例中，把附加在前板上的电极设置成行，并且把附加在后板上的电极设置成列，在行与列相交的交叉点处确定象素。
反射器34是一个包含有一个夹在前和后透明板62和64之间的成像材料层60的体积全息光元件。反射器34包括一个反射光从此发出的反射型前表面63，和一个后表面65。前表面63由许多基本上均匀的反射部分组成，其中以部分66为代表。在该实施例中，光照明部分66发出由线68表示的圆锥形图案的光。可以通过商业途径从Polaroid公司买得商标名为“Mirage Hologram”的合适的全息光元件，该全息光元件包括一个由商标名为“DMP-128”的光聚合物构成的层60，该层60用激光曝光并且显影以形成不同折射率的区域，这些区域可以以一个对应于一个用于装置30的优选反射图案的干涉图案有效地改变光的方向。
图4示出用于激光成像层60以产生一个合适的反射图案的典型光路图。在曝光和显影过程中，层60加在一个板62上，但不覆盖以便接下来可由显影液处理。用分束器74对来自一个激光器72的光束70进行分光。光的第一部分76被反射，形成一个合适的图案78(比如白反射器)并且照明成像层60。第二部分光82由反光镜84反射并且同时照明层60，因此产生一个记录在成像材料中的干涉图案。在此之后，对层60进行强光曝光以使白光均匀，并且显影以在该层内永久性地巩固该干涉图案，并且用第二板64覆盖。
另外，可以如图5所示那样通过曝光成像层90来形成一个反射图案。层90加在一个板91上并且具有同时由分束的激光束94和95曝光的相对表面92和93。用由一个具有大孔径和短焦距的透镜96聚焦的激光光束来扫描一个对应于面对着液晶面板后面的表面92，该光束类似于均匀的漫射的环境光在一个大的角度范围内曝光每个反射部分。通过可产生一个对应于想要的反射图案的发射图案的透射型光漫射器97用激光来对相对的表面93曝光。在曝光以在成像层中形成所需要的干涉图案之后，对层90进行强光曝光，显影并且向完成的反射型全息光元件覆盖第二透明板。
然后反射型全息光元件34与液晶面板32组合以形成图1中的液晶显示器30。在这种布置中，反射表面63面对着面板32的后表面38，并且部分66与区域51轴向对齐，这样使得全息反射器34光学地耦合到液晶面板32上以接收通过面板传输的光并且朝面板改变光的方向。因此，在电极52和54之间不加电场的情况下，光照表面36的漫射环境光由前偏振器42滤光，由液晶层40重新改变方向并且通过后偏振器48。从面板后面38发出的偏振光照明全息元件34的部分66并且由该全息元件在反射图案内沿着线68改变方向，随后光通过后偏振器，由液晶层40再次改变方向并且通过前偏振器46以产生一个用于显示的亮象素。当然，当在电极52和54之间加电位时，面板在区域51变得不透明，这样使得环境光不会通过面板32来照明部分66，并且使得由部分66反射的光(比如通过液晶面板32的邻近区域接收的光)不会通过该面板，从而产生了一个用于显示的暗象素。然而，本发明有一个显著的特征，即以反射图案以外的角度通过面板到达部分66的光(比如由箭头69所指示)在反射面板内改变方向。这样的光包括通过经过围绕所希望的象素的面板区域的光，以及以锐角通过该区域到达面板的光。考虑到这一点应当指出，为了进行说明夸张了图3中几个元件的厚度。在任何情况下，这样的漫射光总在反射图案中改变方向，从而使沿接近于相应于优选观察方向的轴50观察时象素的表观亮度显著增加。这种增强的亮度与产生漫反射的漫反射器相比尤其显著。
虽然在图3中，液晶面板32和反射型全息光元件34是分开的，但反射元件可以层叠在面板后面38上的形成一个整体结构。
图6表示根据本发明另一实施例的液晶显示器100。液晶显示器100包括一个类似于图3中的液晶面板32的液晶面板102，并且具有一个用于观察显示的前面104，和一个后面106。根据本发明，液晶显示器100还包括一个反射型全息光元件108，该光元件108具有一个面对着液晶面板102的后面106的前表面110。该反射型元件108包括多个部分，其中可以反射部分112作为代表。反射部分112适于接收漫射光照明并且在反射图案内沿114线改变光的方向。该反射型元件包括一个与前表面110相对的后表面106。根据本实施例，液晶显示器100还包括一个具有一个面对着表面116的表面120的漫反射器118，以便以漫反射方式接收和反射光。
根据本实施例，液晶显示器100采用漫射环境光照明表面104以形成显示。通过偏振器和中间的液晶材料对漫射环境光滤光以传输偏振光来照明部分112。在反射部分112，大多数漫射光以所希望的反射图案通过面板102改变了方向。任何没有被反射器108反射的光(比如在反射器的有效光谱范围以外的光)由漫反射元件118向面板102改变方向以进一步增加显示的亮度。
图7表示根据本发明的另一个实施例的液晶显示器150。该液晶显示器150包括一个类似于图3中的面板32的液晶面板152，并且该面板152包括一个用于观察显示的前面154，和一个与前面154相对的后面156。该液晶显示器还包括一个反射型全息光元件158，在本实施例中该光元件158为一个透射—反射器。该透射—反射器158包括一个与面板后面156相面对的前表面160，和一个后表面162。该透射—反射器158包括多个反射部分，其中反射部分164可作为代表。在第一种操作方法中，液晶显示器150适于采用反射的环境光形成显示。因此，用漫射环境光照明前面154，借此使该光的偏振部分通过液晶面板154并且照明透射—反射器158(包括在部分164处的)。在部分164处，环境光按以线166表示的反射方式向着后面156改变方向。另外，例如在环境光暗的条件下，液晶显示器150也适于采用背照明来产生显示。为此目的，液晶显示器150还包括一个用于照明透射—反射器158的后面162的光源170。来自光源170的光通过透射—反射器158传输以照明后面156，并且通过液晶面板152以用来产生显示。因此，可以采用反射的环境光、或者采用来自一个内部光源170的光、或者为了得到所希望的亮度而将两者组合在一起的光形成显示。
最好选择发射频率在透射—反射器158的有效反射光谱范围以外的光的光源170。借助于该优选实施例，参照图8，可以通过用频率小于a但大于b的可见光对成像材料进行合适的曝光来形成透射—反射器158，使得最后得到的全息反射器可以包括在小于a以及大于b的频率处能有效地反射光、但是在a和b之间的频率范围内不反射光的干涉图案。这个范围称为一个光谱通带或者一个光谱孔。通过采用一个在该光谱孔内发射光的光源170，相当大一部分光可透过该透射—反射器传输以照明该显示器，从而提高了背照明效率。
另外，该全息透射—反射器可以包括多个光谱孔，并且可以和一个或多个发射具有在多个孔内频率的光的光源一道使用，因而可以使显示的颜色优化。
图9表示根据本发明的再一个实施例的液晶显示器200。该液晶显示器200包括一个类似于图3中的面板32的液晶面板202，并且该面板202包括一个用于观察显示的前面204，和一个后面206。该液晶显示器200还包括一个反射型全息光元件208，该反射型全息光元件208在本实施例中是一个透射—反射器。该反射型元件208包括一个面对着面板后面206的前表面210，和一个后表面212。面板208由多个反射部分形成，其中反射部分214可以作为代表。
根据本实施例，该透射—反射器208可在第一状态和第二状态之间进行电转换，在第一状态中部分214以反射方式沿线218所指示的方向朝着后面216改变漫射光的方向，在第二状态中光透过面板。一种合适的全息材料包括散布在聚合物基质中的液晶材料微滴，并且在由Richard T.Ingwall和Timothy Adams的题为“全息图：液晶组合物”，SPIE，第1555卷，第279-290页(1991)的文章中进行了描述。用例如由铟锡氧化物构成的透明导电层216和218来涂敷表面210和212。在层214和216之间不加电压的情况下，液晶微滴形成一个产生全息反射图案218的干涉图案。然而，施加到层216和218之间的电压219改变了液晶材料以消除了干涉图案，随后透射—反射器208变得透明了。
因而，液晶显示器200适于或者利用反射环境光、或者利用背照明来进行显示，并且包括一个用于照明透射—反射器208的后面212的光源220。在第一种模式中，在层214和216之间没有加上电压，漫射环境光通过面板202到达透射—反射器208的部分214上，在图案218中反射以产生一个用于显示的亮象素。另外，也可以向层214和216之间施加电压219以消除全息反射图案，并且开启光源220。从光源220发出的光通过透射—反射器208传输，并且照明面板后面206以提供形成显示的光。
尽管已经根据特定的实施例描述了本发明，但并不意味着本发明限于上述描述，而是由下面提出的权利要求限定其保护范围。
按如下所述来限定要求保护的具有排它性的本发明的实施例。