专利名称：具有较高对比度的黑白手征向列相显示器的制作方法
技术领域：
本发明描述了一种新的手征向列相显示器结构，采用它可以获得较高的黑白对比显示。
传统的液晶显示器已经得到广泛应用。一些应用中，严格地依赖观察角度和背光较大的电能消耗都是主要的缺点。因此，在过去的几十年中，人们对手征向列相液晶进行了积极的研究。手征向列相显示器的一个主要的特性是亮状态和暗状态都是双稳的，即，即使电压没有接通也是稳定的。这种双稳性使得图像具有保持力，而且看起来无闪动。除此之外，手征向列相显示器的驱动方法和电光响应和传统的液晶显示器不同，且在显示的最大多工方面并无限制。
这类显示器有两种状态，即平面状态和焦点圆锥曲线状态。在平面状态中，液晶分子以螺旋状排列，且螺旋轴垂直于显示平面。与螺距和螺旋的螺旋性相匹配的波长的圆形极化光被Bragg反射。这种螺旋结构的螺距和峰值反射波长可以被调整到频谱的可见光范围和不可见光的范围。其余的频谱通过手征向列相且不受影响。此外，对于相反的圆形极化，全频谱通过手征向列相且不受影响。另一方面，在焦点圆锥曲线状态中，液晶形成微小域，且每个域是一个小螺旋结构，螺轴从显示法线高度倾斜，和显示平面大约平行。光在域边界处被散射(向后面、向侧面以及主要向前面)，其中在域边界处有一个光反射指数的突变。焦点圆锥曲线状态呈模糊的透明状，破坏了所传输光的极化。
在许多应用中，需要以较高的对比度和较低的电能消耗来显示信息内容。手征向列相显示器在很高的分辨率、图像的保持力、很低的电能消耗、高对比度和很宽的观察角度方面有特殊的优点。
本发明提供了一种全频谱黑白反射手征向列相显示器，包括可控制的平面结构和焦点圆锥曲线结构的显示器，所述结构包括手征向列相液晶物质，所述物质位于两个具有导电电极的透明底基之间，所述物质位于两个椭圆形极化镜之间，还有一个反光镜。
因此采用本发明，两个双稳手征向列相显示器配置可以实现。每个显示器具有较高对比度的全频谱白光。它们具有很低的电能消耗，而且任何适用于驱动手征向列相显示器至平面和焦点圆锥曲线状态的驱动方案都可以应用于该显示器。
下面借助实施例，参考附图描述体现本发明的手征向列相显示器。
图1所示为本发明黑白手征向列相显示器的第一种光学配置图；图2所示为本发明黑白手征向列相显示器的第二种光学配置图；图3所示为在平面状态反射和传输特性图，在平面状态，输入光具有和手征向列相物质相同的椭圆形极化；图4所示为在平面状态反射和传输特性图，在平面状态，输入光具有和手征向列相物质相对的椭圆形极化；图5所示为在焦点圆锥曲线状态，手征向列相物质的反射和传输特性图；图6所示为本发明黑白手征向列相显示器的第一种光学配置的光路径图7所示为所示为本发明黑白手征向列相显示器的第二种光学配置的光路径图；参考附图，其中，同样的部分用相同的数字表示。一般情况下，公开的手征向列相显示器1基本上包括叠片，如从附图的前面和顶部看去的那样。一个线性极化镜2，一个四相波延迟薄膜3、具有导电电极的前透明底基和后透明底基4和5以及夹在中间的手征向列相液晶6、一个四相波延迟薄膜7、一个线性极化镜8和一个反光镜9。
线性极化镜2和四相波延迟薄膜3形成至手征向列相显示器的相反圆形极化态。
现参考附图1中所示的第一种光学模式配置图，第一种黑白手征向列相显示器是向手征向列相显示器6增加两个椭圆形极化镜2、3和螺旋性的相反指向(左手和右手)7、8以及一个反光镜。选择椭圆形(尤其是圆形)的极化镜以使其和手征向列相反射和传输的极化类型(即圆形)相匹配。制作圆形极化镜的一个简单方法是将线性极化镜2、8与四相波延迟薄膜3、7以45°相叠置。四相波延迟薄膜被适当调整，以便给左手圆形极化镜或右手圆形极化镜。手征向列相显示器6包括任意反射频谱和任意圆形极化的指向(手)的手征向列相液晶物质层，该层夹在两个具有透明导电电极的透明底基4、5之间。透明底基4、5可以是任意透明的光通过时不改变极化的物质。这样透明的底基的例子是玻璃或塑料。透明导电电极例如可以是氧化铟锡或氧化锡。手征向列相液晶6物质具有稳定的平面状态和焦点圆锥曲线状态。然后手征向列相显示器被夹在相反手椭圆形极化镜2、3和7、8之间，前椭圆形极化镜相反指向手征向列相液晶物质，后椭圆形极化镜具有和手征向列相液晶物质相同的指向。此外，前、后四相波延迟薄膜3、7面向手征向列相显示器6的各个透明底基4、5，以便在整个光路径从上面或下面进入中间手征向列相物质的光被椭圆形极化。在后椭圆形极化镜的线性极化镜的下面放置一个反光镜。这是体现本发明黑白手征向列相显示器的第一种结构配置。
在白色“开(ON)”状态，手征向列相液晶6物质处于焦点圆锥曲线状态。当非极化光通过前椭圆形极化镜2、3时，光强度的一半被吸收，其余的继续进入手征向列相物质。这束光被焦点圆锥曲线结构去极化，并在通过后椭圆形极化镜7、8后和另外丢失的以50％的强度极化。线性极化光被反光镜9反射，并再次通过后椭圆形极化镜7、8。在再次通过手征向列相物质6之后，光被去极化。该去极化的光在通过前椭圆形极化镜2、3后被再次极化，且强度被进一步减半。此极化/去极化/极化/反射/去极化/极化的光路径与波长无关，如果输入光是白色，则进入观察者眼中的输出光也是白色。作为输入光，在白色“ON”状态的强度是12.5％。
在黑色“OFF(关)”状态，手征向列相液晶物质处于平面状态。和“ON”时的情况相似，进入手征向列相物质6的光在通过前极化镜后以减少50％的强度被圆形极化(和手征向列相物质相反指向)。如图4所示，该经极化的光没有被改变，而且完全通过了手征向列相物质。然后它被后椭圆形极化镜(和前极化镜的极化相反)吸收。没有光进入镜子和黑色状态结果。观察者看到光强度为零。
第二种光模式配置如图2所示。体现本发明的第二种黑白手征向列相显示器的结构是通过向手征向列相显示器4、5、6增加两个具有相同的螺旋性指向的椭圆形极化镜2’、3’和7’、8’来实现的。椭圆形极化镜2’、3’和7’、8’的指向和手征向列相显示器6相反。椭圆形(更精确的是圆形)极化镜被选择，以使其与手征向列相反射和传输的极化类型(即圆形)相匹配。制作圆形极化镜的一种方法是将线性极化镜2’、7’与四相波延迟薄膜3’、8’以45°相叠置。四相波延迟薄膜优选的是宽带的。线性极化镜和四相波延迟薄膜之间的角度可以被适当调整，以便给左手圆形极化镜或右手圆形极化镜。手征向列相显示器6包括一个任意反射频谱和任意螺旋性的手征向列相液晶物质层，该层夹在两个具有透明导电电极的透明底基4、5之间。透明底基可以是任意透明的光通过时不改变极化的物质。这样透明的底基的例子可以是玻璃或塑料。透明导电电极例如可以是氧化铟锡或氧化锡。手征向列相液晶物质具有稳定的平面状态和焦点圆锥曲线状态。然后手征向列相显示器6被夹在椭圆形极化镜(和手征向列相物质相反指向)之间。此外，前、后四相波延迟薄膜3’、7’面向手征向列相显示器的透明底基，以便在整个光路径从上面和下面进入中间手征向列相物质的光被椭圆形极化。在后椭圆形极化镜的线性极化镜的下面放置一个反光镜9’。这是黑白手征向列相显示器的第二种结构配置。
在白色“ON”状态下，手征向列相液晶物质处于平面状态。当去极化的光通过前极化镜时，光强度的一半被吸收，其余的圆形极化进入手征向列相物质。该束光(和手征向列相物质相反指向)通过手征向列相物质、后极化镜，被反光镜反射，再次进入后极化镜、手征向列相物质，最后进入前极化镜，但极化态和强度没有发生变化。输出光被观察者观察到。整个光路径与波长无关，经反射的光是白色的，其光强度为原始输入光的50％。
在黑色“OFF”状态下，手征向列相液晶物质处于焦点圆锥曲线状态。和“ON”时的情况相似，进入手征向列相物质的光被圆形极化。该经极化的光被焦点圆锥曲线手征向列相物质去极化。经去极化的光通过后极化镜之后被极化，其强度减半。然后该经极化的光被镜子9’反射，再次进入后极化镜，但极化态和强度没有任何变化。这束光将通过焦点圆锥曲线手征向列相物质，然后再次被去极化。经去极化的光再次通过前极化镜，被极化，其强度减半。输出(经极化的)光被观察者观察到，是强度为12.45％的白色光。
从上述内容可以理解到，在图1的实施例中，描述了体现本发明的第一种光学配置。黑白手征向列相显示器配置通过任意反射频谱和任意椭圆形极化的手征向列相显示器进行编排。手征向列相物质有选择性地反射和传输一定椭圆形(尤其是圆形)极化态的光。前线性极化镜和前四相波延迟薄膜之间的角度被优化，使得线性极化光被椭圆形地转化为和手征向列相物质的极化光相对应的极化光。对于后线性极化镜和后四相波延迟薄膜也是这样。前极化光被调整为和手征向列相物质相反的极性。选择后线性极化镜和后四相波延迟薄膜之间的角度，使其和手征向列相物质的极性相同。
当手征向列相物质处于焦点圆锥曲线状态时，即为图1所示配置的光学亮“ON”状态，当手征向列相物质处于平面状态时，即为光学暗“OFF”状态。
下面描述亮“ON”状态下第一种光学配置的光路径。当输入的未极化光碰撞前线性极化镜2、3时，光被线性极化，然后进入四相波延迟薄膜。四相波延迟薄膜将该线性极化光转换为和手征向列相物质具有相反极性的椭圆形极化光，然后到达手征向列相物质。光的一半被线性极化镜吸收。在前四相波延迟薄膜之后，椭圆形极化光进入焦点圆锥曲线向列相，然后被去极化。去极化光通过后四相波延迟薄膜和后线性极化镜。在后线性极化镜之后，光的一半被阻挡，其余极化的一半被线性极化。然后被镜子9反射，再次进入后线性极化镜7、8和后四相波延迟薄膜，但其强度没有任何衰减。然后在前四相波延迟薄膜之后被椭圆形极化，再次进入焦点圆锥曲线手征向列相。椭圆形极化光之后被去极化。去极化光在通过前极化镜之后被极化，强度再次减半。这种极化/去极化/极化/反射/去极化/极化的光路径与波长无关，观察者看到的反射光包括全频谱白光，其强度为原始输入光的12.5％。
在暗“OFF”状态下，通过前椭圆形极化镜的光的机构和“ON”状态下相同。和手征向列相物质极性相反的椭圆形极化光进入中间手征向列相物质。在平面状态下，椭圆形极化光将通过手征向列相物质进行传输，但其极化态和强度不会变化。该极化光将进入后椭圆形极化镜(极性相反)，然后被完全吸收。没有光进入反光镜，因此观察者看不到光。这种极化/传输/吸收的光路径造成暗状态，而且没有反射到观察者。第一种光学配置的黑白对比度很高，而且理论上对比率无限大。
图2描述了本发明第二种光学配置。黑白手征向列相显示器通过任意反射频谱和任意椭圆形极化的任意手征向列相显示器构成。手征向列相物质选择性地反射和传输一定椭圆形(尤其是圆形)极化态的光。前线性极化镜和前四相波延迟薄膜之间的角度经过优化，使得线性极化光转换为和手征向列相物质对应的椭圆形极化光。对于后线性极化镜和后四相波延迟薄膜也是这样。前、后椭圆形极化光被调整为和手征向列相物质相反的螺旋性。
当手征向列相物质处于平面状态时，即为图2所示配置的光学亮“ON”状态，当手征向列相物质处于焦点圆锥曲线状态时，即为光学暗“OFF”状态。
下面描述亮“ON”状态下的光路径。当输入的未极化光碰撞前线性极化镜2、3时，输出光被线性极化，然后进入四相波延迟薄膜5。四相波延迟薄膜将该线性极化光转换为和手征向列相物质具有相反极性的椭圆形极化光。在平面状态下，椭圆形极化光将通过手征向列相物质进行传输，但其极化态和强度不会变化。该极化光将进入后椭圆形极化镜(极性相同)，被线性极化反射后，再次进入后椭圆形极化镜的后极化镜，其强度没有衰减。然后，光从后椭圆形极化镜出来，通过相反极性的平面状态手征向列相物质和相同极性的前椭圆形极化镜，但其极性和强度没有任何变化。整个光路径和波长无关，输出光为白色，其强度为原始输入光的50％。
在暗“OFF”状态下，前线性极化镜和前四相波延迟薄膜的机构和“ON”状态下相同。光的一半被前线性极化镜吸收。进入焦点圆锥曲线手征向列相物质的椭圆极化光被去极化。去极化光通过后四相波延迟薄膜和后线性极化镜。在后线性极化镜，光的一半被吸收，另一半被线性极化。然后被镜子反射，再次进入后线性极化镜和后四相波延迟薄膜，且被椭圆形极化。该椭圆形极化光再次进入焦点圆锥曲线手征向列相，且被再次去极化。该去极化光之后再次被前极化镜极化。这种极化/去极化/极化/反射/去极化/极化的光路径和波长无关，观察者观察到的输出光的强度为原始输入光的12.5％，导致暗状态。
在上述两种光学模式配置中，平面结构和焦点圆锥曲线结构可以共同存在，也就是说，在手征向列相物质中，一些是平面结构，一些是焦点圆锥曲线结构。不同的灰度是通过手征向列相物质的平面结构和焦点圆锥曲线结构中域的不同比率来实现的。平面和焦点圆锥曲线结构的全“ON”和全“OFF”、不同比率可以通过一些手征向列相驱动方案来控制。例如，这些光学模式在现有驱动方案中是适用的，例如幅度调制、脉宽调制、3-相位动态驱动、5-相位动态驱动、加重驱动、双频驱动和多频驱动。
图6和7所示为本发明的显示器中光路径的示例图。图6a和6b所示为本发明第一种光学配置的显示器中(1)至(4)阶段的光路径图。图6a所示为平面状态的光路径。下表(表I)中给出详细信息。
表I平面状态模式
图6b所示为焦点圆锥曲线状态时(1)至(8)阶段的光路径。下表(表II)中给出详细信息。
表II焦点圆锥曲线状态模式
图7a和7b所示为本发明第二种光学配置的显示器中的光路径图。图7a所示为平面状态模式的光路径图。下表(表III)中给出光路径的详细信息。
表III
图7b所示为焦点圆锥曲线状态模式图。
下表(表IV)列出了焦点圆锥曲线状态模式的步骤(1)至(8)的光路径。
表IV
权利要求
1.一种全频谱黑白反射手征向列相显示器，包括可控制的平面结构和焦点圆锥曲线结构的显示器(1)，其特征在于，手征向列相液晶物质(6)位于两个具有导电电极的透明底基(4、5)之间，前述物质(6)位于两个椭圆形极化镜(2、3、7、8)之间，并且具有一个反光镜(9)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中一个前述椭圆形极化镜(2、3、7、8)和手征向列相液晶物质(6)之极性相反。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，当前述手征向列相液晶物质(6)在焦点圆锥曲线状态时，具有光学“ON”亮状态。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，具有全频谱白色的光学“ON”亮状态。
5.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，当前述手征向列相物质(6)处于平面状态时，具有光学“OFF”暗状态。
6.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，前述手征向列相物质(6)具有椭圆形极化态和特定峰值波长的反射频谱。
7.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，其中两个前述椭圆形极化镜(2、3、7、8)之极性相反。
8.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，其中两个前述椭圆形极化镜(2、3、7、8)是宽频带的或非宽频带的。
9.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，手征向列相显示器被夹在两正交的椭圆形极化镜之间，前述反光镜(9)被叠置在后椭圆形极化镜(7、8)上。
10.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，前(2、3)与后(7、8)椭圆形极化镜配置使得从上面或下面进入手征向列相物质(6)的光被椭圆形极化。
11.如权利要求1-10任何一项所述的装置，其特征在于，后椭圆形极化镜(7、8)配置使得入射到反光镜(9)的光被线性极化。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，离开前椭圆形极化镜进入前述手征向列相物质(6)的光被椭圆形极化，其极性和前述手征向列相物质的极性相反，前椭圆形极化镜(2、3)的极性和前述手征向列相物质的极性相反。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，后椭圆形极化镜(7、8)的极性和前述手征向列相物质(6)的极性相同。
14.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，反光镜(9)为扩散的或非扩散的。
15.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，当通过焦点圆锥曲线状态手征向列相物质(6)时，去极化光产生“ON”状态。
16.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，在装置的“ON”状态下，去极化与波长无关。
17.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，在装置的“OFF”状态下，极性相反的椭圆形极化光进入并通过平面状态手征向列相物质(6)，极性不变。
18.如权利要求1-16任何一项所述的装置，其特征在于，通过一对正交的前椭圆形极化镜(2、3)和后椭圆形极化镜(7、8)对光进行吸收产生装置的“OFF”状态。
19.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，在装置的“OFF”状态下，光的吸收和波长无关。
20.如权利要求2所述的装置，其特征在于，两个椭圆形极化镜的极性和手征向列相液晶物质(6)的极性相反。
21.一种全频谱黑白反射手征向列相显示器，包括可控制的平面结构和焦点圆锥曲线结构的显示器(1)，其特征在于，手征向列相液晶物质(6)夹在两个透明底基(4、5)之间，每个透明底基表面都具有一个透明电极；两个椭圆形极化镜(2’、3’、7’、8’)，极性均与手征向列相液晶相反；以及一个反光镜(9’)。
22.如权利要求20或21所述的装置，其特征在于，当前述手征向列相物质(6)处于平面状态时，为光学“ON”亮状态。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，光学“ON”亮状态为全频谱白色。
24.如权利要求20-23任何一项所述的装置，其特征在于，当前述手征向列相物质处于焦点圆锥曲线状态时，为光学“OFF”暗状态。
25.如权利要求20-24任何一项所述的装置，其特征在于，手征向列相物质(6)具有椭圆形极化态和特定峰值波长的反射频谱。
26.如权利要求20-25任何一项所述的装置，其特征在于，其中两个前述椭圆形极化镜(2’、3’、7’、8’)的极性相同，且都与手征向列相液晶物质(6)的极性相反。
27.如权利要求18-26任何一项所述的装置，其特征在于，手征向列相显示器夹在两个前述椭圆形极化镜(2’、3’、7’、8’)之间，反光镜(9’)叠置在后椭圆形极化镜(7’、8’)上。
28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，两个椭圆形极化镜是宽频带的或非宽频带的。
29.如权利要求21-28任何一项所述的装置，其特征在于，配置前、后椭圆形极化镜，使得从上面或下面进入手征向列相物质(6)的光被椭圆形极化。
30.如权利要求18-29任何一项所述的装置，其特征在于，配置后椭圆形极化镜(7’、8’)，使得入射到反光镜(9’)的光被线性极化。
31.如权利要求21-30任何一项所述的装置，其特征在于，反光镜(9’)为扩散的或非扩散的。
32.如权利要求21-31任何一项所述的装置，其特征在于，当手征向列相物质(6)处于平面状态时，在第一次通过前极化镜(2’、3’)后，沿后续光路径维持与前述手征向列相物质(6)相反的椭圆形极化态，产生“ON”状态。
33.如权利要求32所述的装置，其特征在于，在“ON”状态下，整个光路径和波长无关。
34.如权利要求21-33任何一项所述的装置，其特征在于，“OFF”状态是由于在焦点圆锥曲线手征向列相物质(6)中光的去极化而引起的。
35.如权利要求34所述的装置，其特征在于，在“OFF”状态下，光的去极化和波长无关。
36.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，透明底基(4、5)具有光通过时极化态不受影响的属性。
37.如权利要求36所述的装置，其特征在于，底基为玻璃或塑料。
38.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，透明电极为导电的。
39.如权利要求38所述的装置，其特征在于，电极为氧化铟锡或氧化锡。
40.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，通过在结构中的任意位置增加一个颜色过滤器，制成全色或区域颜色。
41.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置具有灰度能力，平面结构和焦点圆锥曲线结构共同存在于像素区域中。
42.如权利要求41所述的装置，其特征在于，任意像素内灰度的不同色调是由局部区域内的手征向列相物质(6)的平面结构和焦点圆锥曲线结构域的不同比率导致的。
43.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，具有静态驱动方案。
44.如权利要求1-42任何一项所述的装置，其特征在于，具有能动矩阵驱动方案。
45.如权利要求1-42任何一项所述的装置，其特征在于，具有被动矩阵驱动方案。
46.如权利要求1-42任何一项所述的装置，其特征在于，具有灰度驱动方案。
47.如权利要求1-42任何一项所述的装置，其特征在于，具有动态驱动方案。
48.如权利要求1-42任何一项所述的装置，其特征在于，具有双频驱动方案。
49.如权利要求1-42任何一项所述的装置，其特征在于，具有加重驱动方案。
50.如权利要求49所述的装置，其特征在于，具有加重二相位驱动方案。
51.如权利要求1-42任何一项所述的装置，其特征在于，具有单极性驱动方案。
52.如权利要求1-42任何一项所述的装置，其特征在于，具有多选择驱动方案。
53.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，低临界电压由使用较长间距的手征向列相物质(6)或较小的单元间隙来实现的。
全文摘要
本发明涉及一种手征向列相显示器配置，一般在液晶显示器中，包括可控制的平面结构和焦点圆锥曲线结构的显示器(1)，其中，手征向列相液晶物质(6)位于两个具有导电电极的透明底基(4、5)之间，所述物质(6)位于两个椭圆形极化镜(2、3、7、8)之间，还有一个反光镜(9)。本发明实现了较高的黑白对比显示。实施例中的显示器是黑白手征向列相显示器的第一种和第二种光学模式配置。
文档编号G09G3/36GK1477429SQ03150
公开日2004年2月25日 申请日期2003年7月24日 优先权日2002年7月26日
发明者曾富安, 李泽康 申请人:法瑞英特勒(Bvi)有限公司, 多伦斯, 莱斯礼, 强森