專利名稱：一種全息增亮元件及含該元件的半反半透型lcd的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全息增亮元件及含該元件的半反半透型IXD(TransflectiveIXD)，屬于IXD顯示屏光學(xué)材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
IXD顯示屏可分為反射型IXD和透射型IXD，已有的技術(shù)中，使用光聚合物材料制備的基于衍射原理的全息元件，實(shí)現(xiàn)了在反射型LCD中的應(yīng)用(見專利號(hào)為94190861. 5的中國專利，CN1116003A)，反射型 TN LCD(Twisted Nematic), STN LCD (Super TwistedNematic), TFT IXD(Thin Film Transistor)利用全息元件的衍射效應(yīng),提高了反射型IXD的亮度、可見度。半反半透型IXD模塊包括TN IXD，STN IXD，TFT IXD，由液晶面板部分和背光材料部分組成。背光材料包括半反半透膜、反射型偏光片、棱鏡增亮膜、光漫擴(kuò)散膜，放置于偏振片與光波導(dǎo)之間。光波導(dǎo)有側(cè)置式LED光源，用于背光照明，它與光波導(dǎo)板相連接。在半反半透LCD中，偏振片與反射型偏光片之間置有半反半透薄膜材料，常規(guī)的半反半透膜是一層毛化的鍍鋁或氧化鎂的金屬膜，對正面入射LCD的光線，產(chǎn)生漫反射，不足的是鏡面反射信號(hào)與半反半透膜的漫反射最亮方向重疊，造成LCD的觀測的干擾；同時(shí)LED (LightEmiting Diode)背光透過半反半透膜，對液晶屏進(jìn)行照明時(shí)，會(huì)有一部分光被吸收掉，通常50 %反射50 %透射，或70 %反射30 %透射。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對半反半透型TN IXD、STN IXD和TFT IXD中背光效率不甚理想的問題，提供了一種全息增亮元件及含該元件的半反半透型LCD，利用全息增亮元件的衍射特性，可以有選擇性地對不同波段濾波，通過改變漫反射的視角方向和角度范圍，可以有效地避開了鏡面反射產(chǎn)生的干擾，顯著地提高了戶外光照下的的亮度和對比度，若全息增亮元件的濾波光譜與背光光波導(dǎo)LED光源光譜分離，背光照明可不受全息增亮元件的衍射影響，達(dá)到全透射，半反半透型IXD進(jìn)而可以轉(zhuǎn)變成全反全透型IXD。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種全息增亮元件，包括全息薄膜材料層，全息薄膜材料層為用具有相干性的一束平面光與一束漫反射光從光聚合物薄膜材料兩側(cè)入射進(jìn)行激光曝光，調(diào)節(jié)材料光折射率而得到的具有光衍射性能的材料層。所述的全息增亮元件還包括光學(xué)膠粘合層、襯底材料層，全息薄膜材料層通過光學(xué)膠粘合層粘接襯底材料層。上述的全息薄膜材料層厚度15微米至20微米。上述的襯底材料層為PET薄膜或PE薄膜。全息增亮元件優(yōu)選中心波長488nm藍(lán)色、530nm綠色、580nm橙色、615nm紅色,使用擴(kuò)散薄膜進(jìn)行熱處理后，中心波長有幾個(gè)nm的紅移，全息增亮元件的色彩濾波帶寬被加大到40nm以上。一種半反半透型LCD，包括前面的液晶面板部分和其后面的背光材料部分，背光材料部分包括偏振片、反射型偏光片、光波導(dǎo)板，在偏振片與反射型偏光片之間設(shè)有上述全息增亮元件，全息增亮元件通過光的衍射將射入其中的光以漫反射的方式會(huì)聚到LCD顯示屏的視角方向。所述的光波導(dǎo)板后面設(shè) 有光學(xué)全息反射元件，光學(xué)全息反射元件將射入其中的光，以衍射的方式改變其方向，照明液晶面板部分。制備方法同于側(cè)置式照明的全息成像薄膜的制備，制備詳述參考Ryder Sean Nesbitt,“Edgelit Holography !Extending Size andColor”，MIT Thesis，1999。所述的光學(xué)全息反射元件后面粘接著金屬反射膜層。所述的全息增亮元件的濾波峰值與入光波導(dǎo)板的LED背光光譜錯(cuò)開，減少光譜范圍重疊。藍(lán)光LED波長465nm，帶寬30nm ;綠光LED波長505nm，帶寬35nm ;紅光LED波長655nm,帶寬25nm ;基于藍(lán)光波長的全息增亮元件對655nm光波段的衍射影響可忽略，因此以波長655nm的紅光LED作為背光光源基本可全部透過，紅光波長的全息增亮元件對465nm光波段的衍射影響也較小，因此以波長465nm的藍(lán)光LED作為背光光源也可大部分透過。所述的光學(xué)全息反射元件，包括全息薄膜材料層，全息薄膜材料層為用兩束相干性的平面光從光聚合物薄膜材料兩側(cè)入射進(jìn)行激光曝光，調(diào)節(jié)材料光折射率而得到的具有光衍射性能的材料層。所述的光學(xué)全息反射兀件還包括光學(xué)膠粘合層、襯底材料層，全息薄膜材料層通過光學(xué)膠粘合層粘接襯底材料層。上述的全息薄膜材料層厚度15微米至20微米。上述的襯底材料層為PET薄膜或PE薄膜。本發(fā)明半反半透型LCD，偏振片與反射型偏光片之間的全息增亮元件的濾波峰值與光波導(dǎo)LED背光光譜錯(cuò)開，這樣照明光可通過全息增亮元件有效地漫反射，為反射狀態(tài)下的LCD面板提供照明，同時(shí)，來自光波導(dǎo)的背光可以有效透過，從而不但提高了照明光下的漫反射光的使用效率，而且提高了背光LED光波導(dǎo)的光效率。偏振片與反射型偏光片之間的全息增亮元件對入射的照明光有最佳聚光角度，其方向?yàn)槿肷浞较蛳鄬τ诖怪钡姆ㄏ?5度角，偏振片與反射型偏光片之間的全息增亮元件衍射方向決定了 LCD顯示屏的觀測角度，即視角方向，在元件的垂直法向的另一側(cè)的15度角，漫反射產(chǎn)生的垂直視角范圍相對于垂直法向?yàn)?度至30度視角范圍，水平視角范圍相對于垂直法向?yàn)?10度至+10度視角范圍。通過采用視角方向偏離LCD面板鏡面反射的方向，從而進(jìn)入視角范圍的衍射信號(hào)與鏡面反射信號(hào)的角度錯(cuò)開，有效地減少LCD觸摸屏、玻璃片、光學(xué)材料層產(chǎn)生的耀眼光對LCD觀測信號(hào)的干擾，使LCD在戶外光照明下更易使用。利用全息增亮元件的濾波功能，有效地將入射于半反半透型LCD顯示屏的照明光，通過對光的衍射、漫反射作用，會(huì)聚到顯示屏的觀察視角范圍。同時(shí)，來自光波導(dǎo)的背光可有效地透過，以透射模式照明顯示屏，進(jìn)一步提高半反半透型TNIXD、STN IXD和TFT IXD背光效率和照明光效率。若全息增亮元件的濾波光譜與背光光波導(dǎo)LED光源光譜分離，背光照明可不受全息增亮元件的衍射影響，達(dá)到全透射，半反半透型IXD進(jìn)而可以轉(zhuǎn)變成全反全透型IXD。


圖I為本發(fā)明半反半透 型IXD結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明光波導(dǎo)板后面的全息增亮元件結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明全息增亮元件、光學(xué)全息反射元件制備原理圖；圖4為不同濾波波段的全息增亮元件CIE色度圖；其中，1.金屬反射膜,2.光學(xué)全息反射兀件,3.光波導(dǎo)板,4.光漫擴(kuò)散膜,5.棱鏡增亮膜，6.反射型偏光片，7.偏振片I，8.玻璃板I，9. ITO電極(下)，10.液晶分子，11. ITO電極(上)，12.玻璃板II，13.彩色濾光片，14.偏振片II，15.全息增亮元件，16.光學(xué)膠粘合層，17.襯底材料層，18.全息薄膜材料層，19.激光器，20.分束鏡，21.反光鏡Ml，22.反光鏡M2，23.反光鏡M3，24.擴(kuò)束鏡LI，25.擴(kuò)束鏡L2，26.空間調(diào)制器，b、d、e、f、h、i、k、m、n、o、p、q、r、s為光線，F(xiàn)、G、H、I、J為選取的光入點(diǎn)，PU 6 2、a I、a 2為角度。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明，但不限于下述實(shí)施例。如圖1，一種半反半透型IXD，包括前面的液晶面板部分和其后面的背光材料部分，整個(gè)LCD由后向前依次為金屬反射膜1，光學(xué)全息反射兀件2,光波導(dǎo)板3,光漫擴(kuò)散膜4，棱鏡增亮膜5，反射型偏光片6，全息增亮元件15，偏振片17，玻璃板18，ITO電極(下)9，液晶分子10，ITO電極(上)11，玻璃板1112，彩色濾光片13，偏振片1114。光學(xué)全息反射兀件2包括全息薄膜材料層、光學(xué)膠粘合層、襯底材料層(在全息薄膜材料層后面)，全息薄膜材料層通過光學(xué)膠粘合層粘接襯底材料層，全息薄膜材料層為用兩束相干性的平面光從光聚合物薄膜材料兩側(cè)入射進(jìn)行激光曝光，調(diào)節(jié)材料光折射率而得到的具有光衍射性能的材料層。全息增亮元件15包括全息薄膜材料層18、光學(xué)膠粘合層16、襯底材料層17 (在全息薄膜材料層后面)，全息薄膜材料層18通過光學(xué)膠粘合層16粘接襯底材料層17 ;全息薄膜材料層18為用具有相干性的一束平面光與一束漫反射光從光聚合物薄膜材料兩側(cè)入射進(jìn)行激光曝光，調(diào)節(jié)材料光折射率而得到的具有光衍射性能的材料層。全息增亮元件的濾波峰值與入光波導(dǎo)板的LED背光光譜錯(cuò)開。光聚合物材料來源于北京創(chuàng)作科技有限公司的光聚合物，或杜邦公司生產(chǎn)或銷售的全息薄膜材料HRF-800X001和HRF-00X070。制備光聚合物薄膜材料層的第一步是激光曝光過程，使用美國相干公司的Verdi VlO固體激光器,工作波長532nm, Spectra Physics公司生產(chǎn)的Ar+離子激光器，工作波長514nm，488nm, 476nm,激光輸出功率小于5W/cm2，照射光強(qiáng)2mW/cm2，激光照射下光聚合物的曝光能量50mj/cm2 ;第二步，對激光處理過的元件進(jìn)行UV光照固化，固化剩余的單分子或小分子化合物材料，使用UV波長340nm至380nm的金屬齒化物燈(metal halide lamp)照射5分鐘，UV曝光能量100mW/cm2以上；第三步,緊貼光聚合物薄膜材料，粘合一層成分由低分子化合物組成的擴(kuò)散膜，該擴(kuò)散膜來自杜邦公司生產(chǎn)的色彩調(diào)制膜，在120°C、有空氣充分對流的環(huán)境下，熱烘干處理2小時(shí)。圖3所不為全息薄膜材料層的光學(xué)制備環(huán)境,激光器發(fā)出的激光,用分光鏡分成兩束，一束經(jīng)反光鏡、空間調(diào)制器和擴(kuò)束鏡照射到全息干板，稱為參考光；另一束光經(jīng)反射鏡、空間調(diào)制器和擴(kuò)束鏡，照射到全息干板上，稱為信號(hào)光，制備光學(xué)全息反射元件
I2使用的信號(hào)光是平面波。制備全息增亮元件15過程中，使用的信號(hào)光是平面光通過LSD (Light Shaping Diffuser,美國Physical Optics公司生產(chǎn)和銷售)產(chǎn)生的漫反射光信號(hào)，通過采用相關(guān)指標(biāo)規(guī)格的LSD，可以控制水平方向和垂直方向光線傳播的漫反射分布范圍，以此獲得和產(chǎn)生橢圓形分布的光的漫反射分布信號(hào)。兩束光在光聚合物薄膜材料上發(fā)生干涉，形成明暗交替的干涉條紋，干涉條紋被記錄在光聚合物薄膜材料體內(nèi)，用此方法制備出的全息薄膜材料層，光線從40度至45度的入射角3 I入射，通過控制信號(hào)光的入射角度a I的范圍，這里選定角度為15度，可以控制衍射產(chǎn)生的光線r的反射角a 2，即光聚合物薄膜材料層的視角方向。如圖I所示IXD顯示屏面板前面的照明光通過液晶面板，以光線m入射到全息增亮元件15，全息增亮元件15將以衍射的方式，改變光線的傳播方向，使之朝著液晶面板的視角范圍照明，如光線n。有部分少 量的光線沿鏡面方向反射，如光線O，但與常規(guī)的鍍鋁或氧化鎂薄膜相比較，沿著鏡面方向的漫反射光線，相當(dāng)部分得到減少，因而，前光照明的光能資源得到有效利用。圖中的G、H、I、J點(diǎn)，說明的是LCD顯示屏背光照明的情況，來自LED光波導(dǎo)的背光的光線傳播過程G點(diǎn)從LED光源發(fā)出的光線b,到達(dá)光波導(dǎo)板上表面時(shí)，由于光線的入射角大于臨界反射角度，發(fā)生內(nèi)全反射，限定在光波導(dǎo)內(nèi)空間中繼續(xù)傳播，產(chǎn)生光線d。H點(diǎn)光線d在如圖所示的C點(diǎn)處，由于光學(xué)全息反射元件I的衍射作用，結(jié)果分成兩部分，一部分波段的光滿足衍射的條件，傳播方向被光學(xué)全息反射元件I改變，通過光的衍射產(chǎn)生光線e ;另一部分波段和未衍射輸出的光則仍然發(fā)生全反射，繼續(xù)在光波導(dǎo)板中傳播，如光線f。傳播方向被改變了的光線e，從光波導(dǎo)板中耦合輸出，觀察者所觀察到的是光線e的一部分，如光線g ;其余光線被途中的光學(xué)膜部分反射回背離LCD面板的方向，被反射回來的光線，統(tǒng)一用光線h表不。I點(diǎn)被反射回的光線h，在經(jīng)過光學(xué)全息反射元件I，若滿足光衍射條件，傳播反向被改變，如光線i，透過各種光學(xué)膜，最終被觀察者觀察到的為光線；部分光線發(fā)生全反射，如光線q ;光線h的另一部分光線則穿過全息元件，入射到金屬反射膜，如圖所示的J點(diǎn)處。J點(diǎn)入射到金屬反射膜的光線在J點(diǎn)發(fā)生鏡面反射，產(chǎn)生光線k，透過各種光學(xué)膜，成為被觀察者觀察到的光線，起到了對部分反射回來的光線的回收利用。我們對全息增亮元件和使用該元件的STN IXD中試樣機(jī)在反射模式工作狀態(tài)下進(jìn)行性能測試，測試試驗(yàn)中使用高壓水銀燈作為點(diǎn)光源來模擬戶外照明光，柯尼卡美能達(dá)(Konica Minolta) CS-200色彩亮度計(jì)為探測器,在標(biāo)配鏡頭前面加配C>0. Imm的近攝鏡頭，其分辨率較標(biāo)準(zhǔn)配置提高5倍，測量的最小尺度￠0. 1mm。光源與探測器的夾角固定為50°，將反射光進(jìn)入探測器時(shí)樣機(jī)的角度定為參考角度即零度角，然后開始旋轉(zhuǎn)測試樣機(jī)，測試不同視角下的亮度和對比度。(I)液晶顯示器的亮度全息增亮元件使自然光鏡面反射信號(hào)得到了充分利用，并且偏離視角，在有效視角范圍內(nèi)全息增亮元件液晶顯示的亮度值高于常規(guī)反射膜液晶顯示的亮度值。我們將有效視角范圍內(nèi)的亮度值求平均，如表I所示表I :有效視角范圍內(nèi)的亮度值
權(quán)利要求
1.一種全息增亮元件，其特征是，包括全息薄膜材料層，全息薄膜材料層為用具有相干性的一束平面光與一束漫反射光從光聚合物薄膜材料兩側(cè)入射進(jìn)行激光曝光，調(diào)節(jié)材料光折射率而得到的具有光衍射性能的材料層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全息增亮元件，其特征是，所述的全息增亮元件還包括光學(xué)膠粘合層、襯底材料層，全息薄膜材料層通過光學(xué)膠粘合層粘接襯底材料層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全息增亮元件，其特征是，全息薄膜材料層厚度15微米至20微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全息增亮元件，其特征是，襯底材料層為PET薄膜或PE薄膜。
5.一種半反半透型LCD，包括前面的液晶面板部分和其后面的背光材料部分，背光材料部分包括偏振片、反射型偏光片、光波導(dǎo)板，在偏振片與反射型偏光片之間設(shè)有權(quán)利要求I所述的全息增亮元件，全息增亮元件通過光的衍射將射入其中的光以漫反射的方式會(huì)聚到IXD顯示屏的視角方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半反半透型LCD，其特征是，所述的光波導(dǎo)板后面設(shè)有光學(xué)全息反射兀件，光學(xué)全息反射兀件將射入其中的光，以衍射的方式改變其方向，照明液晶面板部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半反半透型LCD，其特征是，所述的光學(xué)全息反射元件后面粘接著金屬反射膜層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半反半透型LCD，其特征是，所述的光學(xué)全息反射元件，包括全息薄膜材料層，全息薄膜材料層為用兩束相干性的平面光從光聚合物薄膜材料兩側(cè)入射進(jìn)行激光曝光，調(diào)節(jié)材料光折射率而得到的具有光衍射性能的材料層。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半反半透型LCD，其特征是，所述的全息增亮元件的濾波峰值與入光波導(dǎo)板的LED背光光譜錯(cuò)開。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半反半透型IXD，其特征是，LED背光選用藍(lán)光LED或紅光LED。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全息增亮元件及含該元件的半反半透型LCD，全息增亮元件包括全息薄膜材料層，全息薄膜材料層為用具有相干性的一束平面光與一束漫反射光從光聚合物薄膜材料兩側(cè)入射進(jìn)行激光曝光，調(diào)節(jié)材料光折射率而得到的具有光衍射性能的材料層。半反半透型LCD在其偏振片與反射型偏光片之間設(shè)有上述全息增亮元件，利用光學(xué)全息元件的濾波功能，有效地將入射于半反半透型LCD顯示屏的照明光，通過對光的衍射、漫反射作用，會(huì)聚到顯示屏的觀察視角范圍進(jìn)一步提高背光效率和照明光效率。全息增亮元件的濾波光譜與背光光波導(dǎo)LED光源光譜分離，背光照明可不受全息增亮元件的衍射影響，達(dá)到全透射，可以轉(zhuǎn)變成全反全透型LCD。
文檔編號(hào)G02B5/32GK102636836SQ20121011488
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月18日
發(fā)明者于英霞, 孫渝明, 譚虎威, 陳更生 申請人:濟(jì)南量譜信息技術(shù)有限公司