專利名稱：一種光學(xué)全息反射元件及含有該元件的透射型lcd和半反半透型lcd的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)全息反射元件及其在透射型IXD和半反半透型IXD中的應(yīng)用，屬于LCD背光材料技術(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。透射型TFT IXD模塊由液晶面板部分和背光材料部分組成，背光材料包括亮度增強(qiáng)薄膜，反射型偏光片、擴(kuò)散膜，粘合在偏振片與光波導(dǎo)之間，背光的光波導(dǎo)有側(cè)置式LED光源，它與光波導(dǎo)板連接，用于背光照明?，F(xiàn)有技術(shù)中的光波導(dǎo)的背面，粘貼一層鍍鋁或氧化鎂的金屬膜，對透過光波導(dǎo)的入射光，比如經(jīng)過反射型偏振片反射回的光線，起到鏡面反射的作用，實(shí)現(xiàn)對光的回收和再利用，此結(jié)構(gòu)對于光波導(dǎo)的光效率，仍有進(jìn)一步提高的空間。由于光波導(dǎo)的表面在制備中引進(jìn)了微小尺寸的刻槽，微小機(jī)械刻槽改變了光波導(dǎo)中傳播光線的傳播方向，使其朝向LCD面板方向傳播，用于背光照明。但是，當(dāng)部分反射的光線透過光波導(dǎo)時(shí)，這些刻槽的存在會造成光線的散射，降低了反射光穿過光波導(dǎo)的透射率，影響了光的回收效率。現(xiàn)有技術(shù)中半反半透型LCD，與透射型TFT LCD類似，只是在偏振片與反射型偏光片之間有半反半透薄膜材料，效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對透射型TFT IXD以及半反半透型TN IXD、STN IXD和TFT IXD中背光效率不甚理想的問題，提供了一種光學(xué)全息反射元件及含有該元件的透射型LCD和半反半透型LCD，提高LCD顯示屏的背光照明和前光照明的光效率。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種光學(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。光學(xué)全息反射元件優(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，光學(xué)全息反射元件的色彩濾波帶寬被加大到40nm以上。制備方法等同于側(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 and Color，，，MIT Thesis,1999?！N透射型IXD,包括液晶面板部分和背光材料部分,背光材料部分包括光波導(dǎo)板、上述光學(xué)全息反射元件，光學(xué)全息反射元件將光波導(dǎo)板傳播的光，以衍射的方式改變其方向，照明液晶面板部分。所述的背光材料部分還包括與光學(xué)全息反射元件粘接的金屬反射膜層，將穿過光學(xué)全息反射元件的光反射回去。
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，在光波導(dǎo)板后面設(shè)有上述光學(xué)全息反射兀件，光波導(dǎo)板后面的光學(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。所述的偏振片與反射型偏光片之間為半反半透薄膜材料層或?qū)＠鸆N1116003A中所述的全息光元件。所述的背光材料部分還包括與光學(xué)全息元件粘接的金屬反射膜層。本發(fā)明透射型IXD、半反半透型IXD中的光學(xué)全息元件，有效地將光波導(dǎo)中的光耦合到液晶玻璃板背面，同時(shí)對光波導(dǎo)面板上方在傳播路徑中被反射回來的光線，通過光學(xué)全息元件和背面金屬反射膜層的反射，得到了回收利用，進(jìn)一步提高光波導(dǎo)的光使用效率，提高了亮度和對比度。


圖I為本發(fā)明透射型IXD結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明半反半透型IXD結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例I中光波導(dǎo)板后面的光學(xué)全息反射元件結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明光學(xué)全息反射元件制備原理圖；圖5為顯示器亮度隨視角的變化曲線圖；圖6為顯示器對比度隨視角的變化曲線圖；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.半反半透薄膜材料層或CN1116003A中所述的全息光兀件,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，a、b、C、d、e、f > g、h、i、j、k、I、m、n、o、p、q、r> s 為光線，A、B、C、D、E、F、G、H、I、J 為選取的光入點(diǎn)，β I、β2、α I、α 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。實(shí)施例I如圖I所示，一種透射型IXD，包括背光材料部分和液晶面板部分，由后向前依次為金屬反射膜I，光學(xué)全息反射元件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，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18、光學(xué)膠粘合層16、襯底材料層17,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。光聚合物薄膜材料源于杜邦公司生產(chǎn)銷售的HRF-800X001和HRF-00X070，使用北京創(chuàng)作科技有限公司研制生產(chǎn)的光聚合物材料，達(dá)到同樣的光學(xué)性能要求。厚度為15至20微米的全息薄膜材料層，依附在厚度50微米的襯底材料PET或PE之上。光聚合物薄膜材料通常使用Acrylic單分子化合物材料和用于誘發(fā)分子鏈接反應(yīng)的激活媒介材料組成，為了有效地曝光，根據(jù)激光波長的需要，光聚合物摻雜微量光敏材料，如小于O. 1%微量的光敏染料(methylene blue),充分混合入光聚合物材料中。
制備全息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lOOmW/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)散薄膜，擴(kuò)散膜是杜邦公司生產(chǎn)和銷售的色彩調(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4所示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，稱為信號光，使用的信號光是平面波，或平面波透過毛玻璃產(chǎn)生的漫散射的信號光，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材料體內(nèi)。透射型IXD的工作原理A點(diǎn)從LED光源發(fā)出的光線a，進(jìn)入光波導(dǎo)板。傳播到光波導(dǎo)板界面，由于光線的入射角小于臨界反射角度，因而從光波導(dǎo)板產(chǎn)生折射和反射，折射光產(chǎn)生光線c,反射光在波導(dǎo)板中傳播，繼續(xù)重復(fù)其在界面折射和反射的過程。B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。C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。D點(diǎn)被反射回的光線h，在經(jīng)過光學(xué)全息元件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j ;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E點(diǎn)處。
E點(diǎn)入射到金屬反射膜的光線在E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U起到了對部分反射回來的光線的回收利用。實(shí)施例2一種半反半透型LCD，包括前面的液晶面板部分和其后面的背光材料部分，由后向前依次為金屬反射膜I，光學(xué)全息反射元件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,半反半透薄膜材料層或CN1116003A中所述的全息光兀件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18、光學(xué)膠粘合層16、襯底材料層17,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。光聚合物薄膜材料源于杜邦公司生產(chǎn)或銷售的HRF-800X001和HRF-00X070,制備全息薄膜材料層的第一步是激光曝光過程，使用相干公司的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的金屬鹵化物燈(metal halide lamp)照射5分鐘，UV曝光能量lOOmW/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)散薄膜，擴(kuò)散膜是杜邦公司生產(chǎn)和銷售的色彩調(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)。全息薄膜材料層的光學(xué)制備環(huán)境同實(shí)施例I。LED光源發(fā)出的光線路徑同實(shí)施例I所述，從LCD前面進(jìn)入的光，選用半反半透薄膜材料層時(shí)光線經(jīng)F點(diǎn)產(chǎn)生漫反射沿光線ο方向傳播，選用專利CN1116003A中所述的全息光元件時(shí)光線經(jīng)F點(diǎn)產(chǎn)生漫反射沿光線η方向傳播。本實(shí)施例半反半透型IXD的性能測試用STN LCD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Φ0. 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Φ0. 1_。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。本實(shí)施例半反半透型LCD的亮度與用常規(guī)反射膜的LCD亮度比較見圖5，圖中所測的亮度是相對值，視角為零度角的方向是鏡面反射參考點(diǎn)。在相同光源的光照條件下，使用全息反射元件的半反半透型LCD亮度值在有效視角9-24°內(nèi)高于常規(guī)反射膜液晶顯示的亮度值，在對比度峰值及有效視角范圍9-24°內(nèi)，全息反射元件的亮度峰值與對比度峰值的觀測視角方向相吻合，漫反射光得到有效地利用，解決了常規(guī)反射膜產(chǎn)生的主要的漫反射光與可接受的觀測對比度的方向不一致的問題。測試結(jié)果顯示，測量的亮度峰值提高了3-4 倍。本實(shí)施例半反半透型LCD與用常規(guī)反射膜的LCD對比度隨視角的變化曲線見圖6，視角為零度角的方向是鏡面反射參考點(diǎn)。在相同光源的光照條件下，使用全息反射元件的半反半透型LCD對比度在有效視角9-24°內(nèi)有了明顯提高，在對比度峰值及有效視角范圍9-24°內(nèi)，測試結(jié)果顯示，測量的對比度峰值提高 了 3-3. 5倍。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)全息反射兀件，包括全息薄膜材料層，其特征是，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。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)全息反射元件，其特征是，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所述的光學(xué)全息反射元件，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所述的光學(xué)全息反射元件，其特征是，所述的光聚合物薄膜材料激光曝光，激光器發(fā)出的激光，用分光鏡分成兩束，一束照射到光聚合物薄膜材料板一面，稱為參考光；另一束照射到光聚合物薄膜材料板另一面上，稱為信號光，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)。
5.一種透射型IXD，包括液晶面板部分和背光材料部分，其特征是，背光材料部分包括光波導(dǎo)板、光波導(dǎo)板后面的權(quán)利要求I所述的光學(xué)全息反射元件，光學(xué)全息反射元件將光波導(dǎo)板傳播的光，以衍射的方式改變其方向，照明液晶面板部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的透射型LCD，其特征是，所述的背光材料部分還包括與光學(xué)全息反射元件粘接的金屬反射膜層，將穿過光學(xué)全息反射元件的光反射回去。
7.一種半反半透型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，其特征是，在光波導(dǎo)板后面設(shè)有上述光學(xué)全息反射元件，光波導(dǎo)板后面的光學(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。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半反半透型LCD，其特征是，所述的背光材料部分也還包括與光學(xué)全息反射元件粘接的金屬反射膜層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半反半透型LCD，其特征是，所述的偏振片與反射型偏光片之間為半反半透薄膜材料層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)全息反射元件及含有該元件的透射型LCD和半反半透型LCD，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。透射型LCD背光材料部分包括光波導(dǎo)板、上述光學(xué)全息反射元件；在半反半透型LCD的偏振片與反射型偏光片之間設(shè)有上述光學(xué)全息反射元件。本發(fā)明通過光學(xué)全息反射元件的衍射有效地提高了背光效率。
文檔編號G02B5/32GK102636835SQ20121011473
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