阳光下可见的彩色液晶显示器.pdf

本发明系利用电可控的反射型液晶偏振片制造的一种既可在阳光下明显可见，又可在户内黑暗环境下正常工作的全反射、全透过的全彩色液晶显示器。这种电可控的双稳态反射型液晶偏振片放置在液晶显示器和背光源之间，因具有两种稳态的光学效应，即反射效应和散射效应圆满地实现了全反射和全透过的显示功能。

1、  一种阳光下可见的彩色液晶显示器包括：
a.具有至少一个彩色显示单元的第一液晶盒；
b.具有胆甾液晶无场双稳态的第二液晶盒；
c.背光源组件；
其中第二液晶盒位于第一液晶盒和背光源组件之间，其特征在于在电场作用下对光线进行调制：它的第一稳态，即胆甾平面结构能够全部反射来自前光源且透过第一液晶盒的彩色偏振光线，从而产生阳光下可见的彩色图像；它的第二稳态，即胆甾焦锥结构能够全部散射来自背光源组件的光线，使之透过第一液晶盒，从而产生暗环境下可见的彩色图像。

2、  根据权利要求1中所述的阳光下可见的彩色液晶显示器，其特征是全反射全透过式的彩色液晶显示器。

3、  根据权利要求1中所述的阳光下可见的彩色液晶显示器，其特征在于第一液晶盒是由上、下两线性偏振片帖合而成的有源或无源驱动的液晶盒。

4、  根据权利要求1中所述的阳光下可见的彩色液晶显示器，其特征在于第一液晶盒是由上部线性偏振片和下部圆偏振片帖合而成的有源或无源驱动的液晶盒。

5、  根据权利要求1中所述的阳光下可见的彩色液晶显示器，其特征在于第一液晶盒是由上、下两椭圆偏振片帖合的有源或无源驱动的液晶盒。

6、  根据权利要求1中所述的阳光下可见的彩色液晶显示器，其特征在于第二液晶盒是具有无场双稳态性质的可见光全光谱反射型的胆甾液晶盒。

7、  根据权利要求1中所述的阳光下可见的彩色液晶显示器，其特征在于第二液晶盒是由具有不同螺距的胆甾液晶微畴组合而成的。

8、  根据权利要求1中所述的阳光下可见的彩色液晶显示器，其特征在于第二液晶盒是由具有同样螺距但离散分布的胆甾液晶微畴组合而成的。

9、  根据权利要求1中所述的阳光下可见的彩色液晶显示器，其特征在于第二液晶盒是由上、下两塑料导电薄膜制造而成。

10、  根据权利要求1中所述的阳光下可见的彩色液晶显示器，其特征在于第二液晶盒在全反射模式中的作用是电控反射式线性偏振光调制器。

11、  根据权利要求1中所述的阳光下可见的彩色液晶显示器，其特征在于第二液晶盒在全反射模式中的作用是电控反射式圆偏振片调制器。

12、  根据权利要求1中所述的阳光下可见的彩色液晶显示器，其特征在于第二液晶盒在全透过模式中的作用是电控均光板。

13、  根据权利要求1中所述的阳光下可见的彩色液晶显示器，其特征在于第一稳态即胆甾平面结构和第二稳态即胆甾焦锥结构，可以在电脉冲作用下相互转换，并可以在零电场下长期保持。

阳光下可见的彩色液晶显示器
技术领域：
本发明系利用电可控的反射型液晶偏振片制造的一种既可在阳光下明显可见，又可在户内黑暗环境下正常工作的全反射、全透过的全彩色液晶显示器。这种电可控的双稳态反射型液晶偏振片放置在液晶显示器和背光源之间，因具有两种稳态的光学效应，即反射效应和散射效应圆满地实现了全反射和全透过的显示功能。
背景技术：
进入二十一世纪以来，信息显示领域发生了日新月异的变化。伴随着多媒体、3G无线通讯、网络技术、MP3、MPEG4等数位信息压缩技术、各种嵌入式电脑、家用电器、便携式信息终端、无纸化办公系统等雨后春笋般的大量涌现。作为人机的视觉媒界，显示器也正在进行着一场史无前例的变革。就户外阳光下使用的显示器及其相应的电子产品而言，人们对显示器提出了下列四项要求：
1、既可以在阳光下明显可读，又可在室内环境和夜间使用的全反全透型显示模式。
2、节省能耗，待机时间长，在白天工作场合下充分利用太阳能。
3、结构轻便，人性化设计，便于移动，整机重量最好不大于250克。
4、全彩动画，响应速度和画面质量满足视频和高分辨率的要求。
其中第一项和第四项尤其重要，但是到目前为止，现有的各种显示器都不能满足要求。
液晶显示器问世30年以来，对于便携式电子产品的发展起了至关重要的作用，从早期的电子手表，计算器到后来的个人信息助理PDA，移动电话、便携计算机等。其中的黑白反射模式可以在阳光下直读，但全彩色显示器譬如彩色手机，手提式电脑等，由于采用了彩色滤光片都不能在阳光下或在明亮的户外环境下使用。从而给使用者带来了巨大的不便。原因是目前彩色手机和手提式电脑所采用的背光源(发光二极管，冷阴极屏光灯)等都无法与户外的光强相比，有人曾企图采用半透过、半反射式的设计，即有关在反射铝镀膜上开孔，或采用半反半透镀膜的方法都不能满足用户的要求。
近年来兴起的有机发光显示器(OLED)是一种主动发光的平板显示器，它无需使用背光源，就可实现在户内明亮的显示效果。由TFT驱动的全彩色OLED显示器也逐步完成商品化。但是一个无争的事实是，有机发光体显示器也不能在户外阳光下使用，其亮度不能“同日而语”。
不言而喻，目前家用电视机普遍使用CRT阴极显像管和薄型化电子发射显示器FED、等离子体平板显示器PDP等都不能作为户外显示器之用，因为它们都是基于磷光物质发光的显示器，其亮度均不能与户外光亮度相比。有机发光二极管OLED和反射型液晶共用的显示器，该装置结构模式试图结合两种显示器的优点，以便在阳光下使用反射型液晶显示功能，而在户用和夜间使用发光的有机发光二极管的显示功能。但是，不难发现，该装置和户外阳光下能得到的只是传统的、黑白型液晶显示效果，即与液晶手表和计算器等同样的反射效果，满足不了阳光下全彩色显示的要求。
在某些特种用途的显示器，有人将多个冷阴极萤光灯管密集地安装在彩色液晶显示器后边，达到了阳光下可显的效果。但是这一方法是用加大了功率消耗和显示器的重量为代价得到的，满足不了上述第二、第三项的要求。显然不适合用作阳光下可读的全彩色便携式显示器。
发明内容：
本发明的最主要目的是利用电可控的反射型液晶偏振片制造既可在阳光下明显可见，又可以在户内和黑暗环境下工作的全反射、全透过型全彩色显示器。该电可控的双稳态反射型液晶偏振片放置在全彩液晶显示器和背光极之间。在户外阳光模式下，液晶偏振片被置于反射型排列状态，其功能等同于传统的全反射偏振片，从而使全彩液晶显示器产生明显的彩色画面；在户内和黑暗环境中，液晶偏振片放置于散射排列状态，起到背光源的均光板的效果，由背光源的开启保证了全彩液晶显示器的正常工作。
本发明的另一个主要目的是利用电可控的双稳态胆甾液晶圆偏振片制造无功率消耗的光调制器件，无论它被用作反射型偏光板，还是被用作散射型的均光板，除了触发的瞬间，胆甾液晶圆偏振片都处于零功耗的永久稳态。
本发明的结构适用于一切利用偏振光调制的全彩色液晶显示器，譬如TFT-TN(薄膜晶体管-向列型液晶显示器)，TFT-IPS(薄膜晶体管-平面开关型液晶显示器)，TFT-MVA(薄膜晶体管-多畴垂直取向)型液晶显示器和STN(超扭曲向列型液晶显示器)等。
本发明采用了可见光全光谱反射型胆甾液晶圆振片各种制造方案，用于实现各种阳光下可见的全彩色显示器显示功能。
附图说明：
图1  TFT-TN显示器结构示意图。其中图1a为全反射型显示模式；图1b为全透过型显示模式。
图2  另一种TFT-TN显示器结构示意图。表示工作在圆偏振光工作状态下的全反射型显示模式。其中图2a为全反射型显示模式；图2b为全透过型显示模式。
图3  STN显示器结构示意图。
具体实施方式：
具体实施方式1：图1所图示的是一种阳光下可见的TFT-TN液晶显示器。图1a表示液晶显示的全反射模式；图1b表示液晶显示器的全透过模式。如图1所示，本发明装置系有两个液晶盒100，110和背光源组件120所组成。第一个液晶盒100所代表地正是全彩色TFT-TN显示器，即由薄膜晶体电路控制和驱动90°扭曲向列型液晶显示器。玻璃基板101嵌有薄膜晶体管的平面有源电路103，通常由非晶态硅或称α-Si，和由多晶态硅或称P-Si材料在玻璃上镀膜制成的(内部电路和外部电路引线从略)。玻璃基板102的内表面制有彩色滤光片红、绿、兰子像素105，和氧化铟锡透明导电共用电极层104。上、下两玻璃板的间距被控制在3.5～10微米之间，由边框胶和两基板构成满足第一极小值的90°扭曲向列型液晶盒。液晶则由真空灌注到盒体内，受到表面取向和电场取向的作用分别呈现出90°扭曲108，和场致向列相109结构。液晶盒外表面分别贴有线性偏振片106和107，两偏振片之间可作平行也可作垂直摆放。在本图为垂直放置，称为常白模式。
与以往显示器根本不同的是，本发明采用了第二液晶盒110。第二液晶盒110系由上玻璃基板111和下玻璃基板112和边框构成。其上、下玻璃基板的内表面分别镀有透明氧化铟锡导电层113，114。为了减少重量和厚度，第二液晶盒的上、下两基板，也可由聚碳酸酯塑料薄膜制作，通常薄膜厚度为0.1～0.15毫米。两基板的间距控制在10～20微米之间，中间填充有胆甾液晶，在外部电路118的作用下，可分别呈现稳态平面结构和稳态焦锥结构。在第二液晶盒的上表面贴有1/4λ波片，其作用是使第二液晶盒起到电控反射型线性偏振片的作用，其原理后述。在第二液晶盒的下方，装备有背光机构120，由光源123，导光板121和均光膜122组成。在图1a中，背光源关闭，第二液晶盒处于稳态平面结构，显示器工作在全反射模式，即可在阳光和户外光线下清晰可见的工作模式。
自然光131，由显示器的上表面入射，通过上偏振片106后转化为垂直于纸面(简称垂直)的线性偏振光，在第一液晶盒的90°扭曲区域108，垂直偏振光也被扭转了90°，变成了平行于纸面的平行偏振光。此分量透过彩色滤光片105，转换为彩色平行偏振光，然后又顺利透过平行摆放的下偏振片107，成为彩色平行分量132。当此分量遇到反射型偏振片110时，其相位和振幅都没有大的变化，成为反向传播的平行分量133。该分量第二次穿过偏振片107、下基板102和彩色滤色片105时仍然保持其平行分量。但当穿越液晶90度扭曲排列区域108时，受到液晶的所谓波导作用而转变为垂直分量，最后顺利通过上偏振片。以垂直彩色偏振光134的状态，到达观察者140，此时显示器称为光学亮态。在户外光强或阳光下，彩色偏振光134十分艳丽，其亮度超过户内背光的全透模式。由图1a右半部所示，当自然光131，透过上偏振片106而转化为垂直分量后，再透过场致向列型109的液晶区域，其相位与幅度即光学状态均未产生大的变化，仍保持垂直偏振状态，在经过下偏振片时完全被吸收。此时显示器处于光学暗态。当然受到第一液晶盒100电场及驱动波形的控制，显示器可呈现介于亮态和暗态的不同灰度和彩度的图案。在图1b中，背光源开启，第二液晶盒处于稳态焦锥结构。此时，显示器工作在全透过工作模式，即可在户内和黑暗环境下正常工作的模式。由背光源发出的漫射光线135，由显示器底部投向第二液晶屏。此时，第二液晶屏110处于稳态焦锥结构。胆甾液晶分子的螺旋轴基本上与基板平行。焦锥结构117对入射光线产生了强烈的散射作用，进一步起到了均光板的作用。穿过第二液晶屏110的光线136是光强更加均匀，完全消偏振的白光(其光谱决定于光源122)。当光线136投向第一液晶显示器时，经上偏振片107的作用转化为平行偏振光，再经过彩色滤光片105转化为平行彩色偏振光。在第一液晶盒的90°扭曲区域108，平行偏振光被波导效应扭曲了90°，转变为垂直偏振光。此光线进而顺利透过垂直于纸面的上偏振片，最后以垂直彩色线偏振光的状态到达观察者的眼睛。此时显示器处于光学亮态。再者，当光线136投向第一液晶显示器时，经下偏振片107的作用转化为平行偏振光，再经过彩色滤光片105转化为平行彩色偏振光，此分量投射到第一液晶盒的场致向列相区域109，其偏振状态未受到明显改变，仍基本上保持平行偏振光状态。此光线在通过上偏振片106时被全部吸收，结果显示器处于光学暗态。然而受到第一液晶盒电极电压及驱动波形的控制，显示器可呈现出介于亮态和暗态的不同灰度和彩度的图案。第一液晶盒的光电特性曲线决定了显示器的工作电压和灰度等级等参数。
这里第二液晶盒根据前光源和背光源两种工作模式可以自动或手动切接，其转换的电压与波形是由胆甾液晶的光电效应决定的。在前光源模式触发脉冲到来后，液晶分子由原焦锥结构经电场致向列相结构驰豫到胆甾平面结构，并且在脉冲过后，此一结构可在无电场下长期保存。此结构的光学特点是对前光源的同旋圆偏振(同手征)分量进行无相移全反射。再经过1/4λ波片115的转换，整个结构110相当于电控反射型线性偏振片。经反射后的线性偏振光133，经第一液晶盒的调制，改变偏振状态后(见134)顺利到达观察者140。
在背光源模式的触发脉冲到来后，液晶分子直接由平面结构转换为焦锥结构，并在脉冲过后，在无场状态下长期保存焦锥结构。此结构的光学特点是液晶畴之间由于光轴间的角度差异而形成大的光学各向异性，从而对入射光线起到强烈的散射、消偏振作用，并且95％的光线被向前散射，因此对于来自背光源的漫射光进一步进行了匀化，透射。起到了均光板的作用。
应特别指出的是，这里的胆甾液晶盒是一种可见光全光谱反射器件。如何将布拉格反射的窄光谱扩展到可见光全光谱或三原色光谱的原理和制造方法，请参阅作者的中国专利CN1181568A和美国专利USP.5,949,513和USP.6,285,434等。其全光谱反射的实现既可以通过不同螺距的胆甾液晶畴组合而成，又可以通过相同螺距的胆甾液晶畴组合而成，其畴的大小在0.3～1.0微米之间，本专利中第二液晶盒的功能只是一种光电开关故而没有上述专利中复杂的驱动、扫描电路。另外从结构上考虑，第二液晶盒可由导电薄膜制成0.2～0.3毫米厚的柔性薄膜直接帖合在背光板上，或者帖合在第一液晶盒上，从而达到轻薄，省电的目的。
图1中给出了有源驱动的扭曲向列液晶显示器的结构示意图。它同样适合于近年来发展起来的其他有源或无源驱动显示器，譬如TFT-MVA(薄膜晶体管-多畴垂直取向)模式，TFT-IPS(薄膜晶体管-平面开关)模式和无源铁电液晶等。因为这些模式都是偏振光的电控调制器件，结构上只需将TFT-MVA，TFT-IPS和铁电液晶盒与图1中的第一液晶盒100置换即可。于是构成了阳光下可见的TFT-MVA，TFT-IPS和铁电液晶等新型显示器。
具体实施方式2：图2所示的是阳光下可见的另一种TFT-TN液晶显示器。图2a表示全反射模式；图ab则表示全透过模式。如图2所示，本发明装置系有两个液晶盒200，210和背光源组件220所组成。第一个液晶盒200所代表的是全彩色TFT-TN显示器，即由薄膜晶体管电路控制和驱动的90°扭曲向列型液晶显示器。玻璃基板201内表面嵌有薄膜晶体管的平面有源电路203，通常由非晶态硅或多晶态硅材料在玻璃上多层镀膜蚀刻而成。玻璃基板202的内表面预制有红、绿、兰子像素的彩色滤光片205和氧化铟锡(ITO)透明导电层204。上、下两玻璃板的间距被控制在3.5～10微米之间，由边框胶和两基板构成了第一极小值90°扭曲向列型液晶盒。通过真空灌注到盒内的液晶受到表面取向和电场取向的作用分别呈现出90°扭曲结构208和场致向列相结构209。液晶盒外表面帖有性质不同的两种偏振片。上表面帖有线型偏振片206，下表面帖有圆型偏振片207，其起偏光轴朝下方。
与以往显示器根本不同的是，本发明采用了第二液晶盒210，第二液晶盒210系由上玻璃基板211和下玻璃基板212和边框组成，其上、下玻璃基板内的内表面分别镀有透明氧化铟锡导电层213、214。为减少重量和厚度，第二液晶盒的上、下两基板也可由聚碳酸酯塑料薄膜制成，通常薄膜的厚度为0.1～0.15毫米。两基板的间距控制在10～20微米之间，中间填充有胆甾液晶，在外部电路218的作用下，可分别呈现稳态平面结构和稳态焦锥结构。
在图2a中，背光源关闭，第二液晶盒处于稳态平面结构，显示器工作在全反射模式，即在阳光下清晰可见的工作模式。自然光231，由显示器的上表面入射，通过上线偏振片后转化为线性偏振光。尔后在第一液晶盒的90°扭曲区域208，垂直偏振光被扭转90°变成了平行偏振光，此分量透过彩色滤光片205继而转换成彩色平行偏振光，然后又透过圆偏振片207变为彩色圆偏振光232。由于圆偏振光232与电控反射式胆甾液晶圆偏振片的极性相同，绝大部分被定向反射回来，成为圆偏振光233。当该分量第二次通过圆偏振(解偏)片时转换为平行线性偏振光，尔后穿越彩色滤光片变成彩色线偏振光。此分量在穿越液晶区域208时，扭曲90°而成为垂直线性偏振光。最后顺利透过上线性偏振片，以垂直彩色偏振光的状态到达观察者。
与图1a不同的是，第一液晶盒采用了线性偏振片和圆偏振片的搭配，从而直接与电控胆甾液晶圆偏振片结合。无需进行角度对准，同时消除了界面反射。
由图2a右半部所示，当自然光231透过上线性偏振片206而转化为垂直分量后，再透过场致向列型209的液晶区域，仍保持其垂直偏振状态。最后在通过圆偏振片时，完全被吸收。此时显示器处于光学暗态。于是在图2a的左右两半部分形成亮与暗的反差。
图2a给出了阳光下可见的有源驱动扭曲向列型液晶显示器的工作原理。它同样适合于近年来发展起来的其它有源或无源驱动显示器。譬如TFT-MVA，TFT-IPS等属于有源驱动型显示器，FE铁电液晶显示器则属于无源驱动型显示器，此类显示器的共同点是对于偏振光在电场作用下实现导通或关断作用，都属于对偏振光进行调制的光电器件。
在图2b中，背光源开启，第二液晶盒处于稳态焦锥结构。此时，显示器工作在全透过工作模式，即可在户内和黑暗环境下正常工作的模式。由背光源发出的漫射光线235，由显示器底部投向第二液晶屏。此时，第二液晶屏210处于稳态焦锥结构，胆甾液晶分子的螺旋轴基本上与基板平行。焦锥结构217对入射光线产生了强烈的散射作用，进一步起到了均光板的作用。穿过第二液晶屏210的光线236是亮度均匀，完全消偏振的白光(其光谱决定于光源222)。当光线236投向第一液晶显示器时，经下圆偏振片207的解偏作用转化为平行偏振光，再经过彩色滤光片205转化为平行彩色偏振光，此分量在第一液晶盒的90°扭曲区域208，因波导效应被扭曲了90度，转变为垂直偏振光。此光线进而顺利透过垂直于纸面的上偏振片，最后以垂直彩色线偏振光的状态到达观察者的眼睛。此时显示器称为光学亮态。再者，当光线236投向第一液晶显示器时，经下圆偏振片207的作用转化为平行偏振光，再经过彩色滤光片205转化为平行彩色偏振光，此分量投射到第一液晶盒的场致向列相区域209，其偏振状态未受到明显改变，仍基本上保持平行偏振光状态，此光线在通过上线性偏振片206时被全部吸收，结果，显示器处于光学暗态。然而受到第一液晶盒电极电压及驱动波形的控制，显示器可呈现出介于亮态和暗态的不同灰度和彩度的图案。第一液晶盒的光电特性曲线决定了显示器的工作电压和灰度等级等参数。
具体实施方式3：图3所示的是阳光下可见的超扭曲向列型(STN)液晶显示器。与图1、图2相比，除了第一液晶盒不同以外，其它部分大致相同。所以光路分析从略。图3的第一液晶盒是目前彩色手机最流行的显示器，世界的保有量至少上亿只。如此众多的使用者共同面临的问题就是彩色手机白天在户外光线下无法使用，无法查找消息。因此，图3提出了一个创造性的方案。阳光下可见彩色STN的结构，如图3所示，是由第一液晶盒、第二液晶盒和背光组件构成的。第一液晶盒是目前典型的彩色STN显示器，由上、下两玻璃基板301，302与边框胶包络而成。盒内液晶与表面搭配成220°～270°的扭曲角度，液晶盒的内表面的配向层使液晶分子相对表面呈3～7°的预倾角。盒厚与液晶的光学各向异性(Δn·d)的设计充分满足STN的光学要求，上椭圆偏振片和下椭圆偏振片恰恰能够抵偿STN引起的色散使其得到近乎黑白的显示效果。内置的彩色滤色片305则使STN模式转换为彩色模式。图3的左半部分为光学亮态，在户外阳光下，第二液晶盒被触发成平面焦锥结构。显示器仍然呈现明亮的彩色效果；图3的右半部分为光学暗态，它是由STN本身的关断作用而引起的，与前、后光源无关。可以预见，本发明中关于阳光下可见的液晶显示器，将为彩色移动电话、便携电脑等提供更广阔的发展空间。