專(zhuān)利名稱(chēng)：使用反射偏振材料的光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及使用反射偏振器的光學(xué)裝置，尤其，涉及使用漫反射偏振材料的光學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
反射偏振器通常包括透射第一偏振光，并反射不同的第二偏振光的材料。反射偏振器包括，僅作為實(shí)例而不限于，漫反射偏振器，多層反射偏振器，和膽甾醇型偏振器。漫反射偏振材料的實(shí)例包括美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5,783,120和5,825,543以及PCT專(zhuān)利申請(qǐng)公布號(hào)WO 97/32223、WO 97/32224、WO 97/32225、WO 97/32226、WO 97/32227、WO 97/32230中所揭示的，所有這些內(nèi)容都通過(guò)參考，結(jié)合于此。在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5,882,774中描述了多層反射偏振器的實(shí)例，其內(nèi)容通過(guò)參考結(jié)合于此。EP 606 940和美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5,325,218中描述了膽甾醇型反射偏振器的實(shí)例，這兩個(gè)的內(nèi)容通過(guò)參考結(jié)合于此。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了使用反射偏振器例如漫反射偏振器的光學(xué)裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，提供了顯示裝置。顯示裝置包括具有第一表面的光調(diào)制層，和用于將光線(xiàn)提供給光調(diào)制層的光空腔。布置光導(dǎo)以接收來(lái)自光空腔的光線(xiàn)，并相對(duì)于光調(diào)制層的第一表面以低角度輸出光線(xiàn)。布置轉(zhuǎn)向透鏡，以接收光導(dǎo)輸出的低角度光線(xiàn)，并改變光線(xiàn)的方向使它朝向光調(diào)制層。顯示裝置還包括布置在轉(zhuǎn)向透鏡和光調(diào)制層之間的漫反射偏振器，用于接收改向后的光線(xiàn)，并向光調(diào)制層透射改向后的第一偏振光分量，并漫反射改向后不同于第一偏振的第二偏振光分量。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的顯示裝置包括用于提供光線(xiàn)的光源和反射器，反射器包括接近于光源布置的漫反射偏振器，和與漫反射偏振器相連并遠(yuǎn)離光源布置的鏡面反射器。在使用中，第一偏振光的分量被漫反射偏振器透射，被鏡面反射器鏡面反射，并通過(guò)漫反射偏振器再次鏡面透射，以提供具有第一分布的第一偏振鏡面反射光。不同的第二偏振光的第二分量被漫反射偏振器漫反射(不到達(dá)鏡面反射器)，以提供具有不同于第一分布的第二分布漫反射光。漫射光可用作一般的背景光，第一偏振的鏡面反射光可用作例如作業(yè)光。
根據(jù)另一實(shí)施例的照明系統(tǒng)包括光調(diào)制層和適于將光線(xiàn)提供給光調(diào)制層的光空腔。該裝置還包括布置在光調(diào)制層和光空腔之間的漫反射偏振器，用于透射光空腔提供的用于觀(guān)看的第一偏振光的分量，并漫反射從光空腔接收的第二偏振光的分量。光空腔通常反射入射光，例如偏振器漫反射的光線(xiàn)，并對(duì)入射光有第一程度去偏振的作用。偏振器以大于第一程度去偏振的第二程度去偏振作用漫反射光線(xiàn)，以提供第一偏振光。由于偏振，第一偏振漫反射光的至少一部分被光空腔反射，而沒(méi)有朝向用于透射的漫反射偏振器的偏振。
在另一實(shí)施例中，提供的顯示裝置包括提供光線(xiàn)的光空腔和用于接收光線(xiàn)的漫反射偏振器。漫反射偏振器向光空腔漫反射第二偏振光，并透射第一偏振光。漫反射偏振器具有選定分散相濃度，它提供期望的增益分布。
在另一實(shí)施例中顯示裝置包括用于提供光線(xiàn)的發(fā)射元件和布置在發(fā)射元件觀(guān)察側(cè)上的對(duì)比度增強(qiáng)濾光片。對(duì)比度增強(qiáng)濾光片包括吸收偏振器和比吸收偏振器更接近于發(fā)射元件布置的反射偏振器。對(duì)比度增強(qiáng)濾光片還可以包括例如在漫反射偏振器上和/或下的一個(gè)或多個(gè)有色層。反射偏振器例如可以是漫反射偏振器。
本發(fā)明的以上說(shuō)明并非試圖描述每個(gè)說(shuō)明性的實(shí)施例或本發(fā)明的每個(gè)實(shí)現(xiàn)。以下的附圖和詳細(xì)描述將更具體地例示這些實(shí)施例。


結(jié)合附圖，根據(jù)以下本發(fā)明各種實(shí)施例的詳細(xì)描述，可以更完整地理解本發(fā)明，附圖中圖1A顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的典型顯示裝置；圖1B顯示了本發(fā)明另一實(shí)施例的典型顯示裝置；圖1C顯示了本發(fā)明又一實(shí)施例的典型顯示裝置；圖2顯示了本發(fā)明另一實(shí)施例的典型顯示裝置；圖3A顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的典型投影顯示系統(tǒng)；圖3B顯示了本發(fā)明另一實(shí)施例的典型投影顯示系統(tǒng)；圖3C顯示了本發(fā)明又一實(shí)施例的典型投影顯示系統(tǒng)；圖3D顯示了本發(fā)明另一實(shí)施例的典型微顯示系統(tǒng)；圖3E顯示了本發(fā)明又一實(shí)施例的典型微顯示系統(tǒng)；圖3F顯示了本發(fā)明再一實(shí)施例的典型微顯示系統(tǒng)；
圖3G顯示了本發(fā)明又一實(shí)施例的典型微顯示系統(tǒng)；圖4A-4B顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的典型透射反射(transflective)顯示系統(tǒng)；圖5A顯示了具有傳統(tǒng)對(duì)比度增強(qiáng)濾光片的顯示器；圖5B顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中具有對(duì)比度增強(qiáng)濾光片的顯示器；圖5C的曲線(xiàn)圖顯示了相對(duì)亮度作為對(duì)比度增強(qiáng)顯示器色輝的函數(shù)；圖5D的曲線(xiàn)圖顯示了對(duì)比度系數(shù)作為對(duì)比度增強(qiáng)顯示器色輝的函數(shù)；圖5E的曲線(xiàn)圖顯示了對(duì)比度增強(qiáng)顯示器的另一對(duì)比度特征的曲線(xiàn)圖；圖6顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的典型顯示裝置；圖7A顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的典型照明系統(tǒng)；圖7B顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，用于圖7A中照明系統(tǒng)的典型反射材料；圖8A-8D顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中使用漫反射偏振器的典型安全標(biāo)簽。
圖9顯示了本發(fā)明又一實(shí)施例的典型顯示裝置。
雖然本發(fā)明服從各種變化和改變的模式，但是其細(xì)節(jié)已經(jīng)在附圖中作為實(shí)例顯示了，并將更詳細(xì)地描述。然而，應(yīng)該理解本發(fā)明不限于特定實(shí)施例所述的發(fā)明。相反，本發(fā)明試圖覆蓋落入附帶權(quán)利要求所定義本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有變化、等效技術(shù)、和其它方案。
詳細(xì)描述本發(fā)明確信可用于使用反射偏振器的多種不同光學(xué)裝置。本發(fā)明的各方面尤其適于漫反射偏振器的使用。雖然本發(fā)明不限于此，但是將通過(guò)以下實(shí)例的討論獲得對(duì)本發(fā)明各方面的理解。
漫反射偏振器(DRP)通常鏡面透射第一偏振入射光的分量，并漫反射第二偏振光的分量。術(shù)語(yǔ)“鏡面”和“漫”是可以根據(jù)申請(qǐng)文本變化的相對(duì)術(shù)語(yǔ)。這里所用的鏡面透射光通常是指不實(shí)質(zhì)偏離其入射路徑的透射光。術(shù)語(yǔ)“漫反射光”通常是指具有相當(dāng)漫射的反射光。作為實(shí)例而不作為限制，鏡面透射光可以指偏離其入射路徑大約8°或更小的光，而漫反射光可以指偏離反射角大約8°或更多的光，該反射角等于光的入射角。
很多實(shí)例說(shuō)明了顯示裝置或其它包括光源、光導(dǎo)和/或光空腔的光學(xué)裝置。這里所用的術(shù)語(yǔ)光源是指光線(xiàn)的源頭，諸如燈泡。這里可交換使用的術(shù)語(yǔ)光學(xué)空腔和光空腔是指提供光線(xiàn)的空腔。這種空腔可以包括一個(gè)或多個(gè)以下的元件光源、光導(dǎo)或其它透明介質(zhì)，和一個(gè)或多個(gè)鏡面或漫反射器。
圖1A顯示了一個(gè)實(shí)施例中使用漫反射偏振器的顯示裝置。典型的顯示裝置100包括光調(diào)制系統(tǒng)130，和用于將光提供給光調(diào)制系統(tǒng)130，并照亮顯示裝置100的光空腔120。在該實(shí)施例中，光調(diào)制系統(tǒng)130包括第一偏振器105、第一透明基底106、光調(diào)制層107、第二透明基底108、和第二偏振器109。典型的顯示裝置100例如可以是具有液晶光調(diào)制層107的液晶顯示器(LCD)。第一偏振器105通常是二向色偏振器，它透射期望偏振的光，并吸收非期望偏振的光。光空腔120通常包括光源111和用于接收光源111所發(fā)出光線(xiàn)的光導(dǎo)102。光源111可以是例如線(xiàn)性光源，例如冷陰極熒光燈，即CCFT。光導(dǎo)102例如可以由透明塑料材料制成，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。如圖1所示，光導(dǎo)102通常為楔形，但也可以使用其它形狀。
在操作中，通過(guò)反射器112的幫助，將光源111發(fā)出的光導(dǎo)入光導(dǎo)102。通過(guò)光導(dǎo)102傳播的光線(xiàn)中大部分光線(xiàn)以大于臨界角的角度沖擊表面114和116，因此完全被全內(nèi)反射(TIR)。為了從光導(dǎo)102中提取光線(xiàn)，表面114中可以組合入小表面不規(guī)則或局部角變化，以抑制一些全內(nèi)反射，稱(chēng)為受抑全內(nèi)反射(FITR)現(xiàn)象。由于光導(dǎo)102通常比較薄，所以光線(xiàn)只能在較窄的方向范圍中穿過(guò)它。因此，離開(kāi)光導(dǎo)102的光線(xiàn)(例如光線(xiàn)151和153)以相對(duì)于光調(diào)制層107表面118比較小的角度α離開(kāi)。在很多應(yīng)用中角度α通常小于20°，在一個(gè)實(shí)施例中，它在10到20°的范圍內(nèi)。
為了使光線(xiàn)的方向朝向光調(diào)制層107，可以提供轉(zhuǎn)向透鏡103以折疊照明光線(xiàn)的光路，例如光線(xiàn)151和153，因此將光空腔120發(fā)出的光線(xiàn)導(dǎo)向光調(diào)制層107。典型地轉(zhuǎn)向透鏡103包括面向光空腔120的結(jié)構(gòu)表面103a，和在相反側(cè)上的相對(duì)平面表面103b。結(jié)構(gòu)表面103a可以包括例如多個(gè)棱鏡。轉(zhuǎn)向透鏡103例如可以彎曲小角度光線(xiàn)，使它朝向如圖所示光調(diào)制層表面118的實(shí)質(zhì)法線(xiàn)方向。光空腔120還可以包括接近于表面116配置的反射器101，用于將脫離表面116的光反射回光導(dǎo)102，在一次或多次反射之后，其中至少一些將最終穿過(guò)表面104離開(kāi)光導(dǎo)102。例如展寬可視方向范圍的顯示裝置100可以選擇性地包括漫射器104，由于光線(xiàn)151和153和一些光源可以對(duì)準(zhǔn)比較窄的方向范圍。在一些情況下，光學(xué)漫射器104還可以改進(jìn)顯示器100在其它方面的顯示，例如提供更均勻的顯示器100的顯示。
典型的顯示裝置100還包括配置在轉(zhuǎn)向透鏡103和光調(diào)制層107之間的漫反射偏振器(DRP)，用于接收改向后的光線(xiàn)，并向光調(diào)制層107透射第一偏振改向光線(xiàn)的分量，并向光導(dǎo)102漫反射不同于第一偏振的第二偏振改向光線(xiàn)的分量。
在一個(gè)實(shí)施例中，DRP層110a配置在轉(zhuǎn)向透鏡103和漫射器104之間，而不接觸其它元件(如圖1A中左側(cè)所示)。另一種方案是，DRP層110b可以接觸，例如層疊，到轉(zhuǎn)向透鏡103上(如圖1A中右側(cè)所示)。在其它實(shí)施例中，DRP層110c可以接觸漫射器104(如圖1B中左側(cè)所示)，或DRP層110d可以接觸轉(zhuǎn)向透鏡103和漫射層104(如圖1B中右側(cè)所示)。參考圖1C，DRP層110e通過(guò)接觸漫射器104可以集成在顯示裝置100中，漫射器104依次接觸偏振器105(如圖1C中左側(cè)所示)。DRP層110f可以接觸轉(zhuǎn)向透鏡103和漫射器104，漫射器104依次接觸偏振器105(如圖1C中右側(cè)所示)。在省略漫射器的地方，DRP層例如可以接觸光調(diào)制系統(tǒng)(例如偏振器105)的底部。
此外，在以上實(shí)施例中，用具有漫射功能的DRP層可以省略漫射器。例如，當(dāng)DRP層用于沒(méi)有漫射器的實(shí)施例中，可以控制DRP層的表面粗糙度，以提供表面漫射。另一種方案是，可以通過(guò)調(diào)節(jié)透射偏振狀態(tài)鏡面透射對(duì)透射偏振狀態(tài)漫透射的程度，調(diào)節(jié)DRP以提供體漫射。
漫反射偏振器110a-f和光空腔120可以被有利地優(yōu)化用于光線(xiàn)重復(fù)利用。在一個(gè)實(shí)施例中，光空腔120輕微去偏振地反射光線(xiàn)，漫反射偏振器110a-f實(shí)質(zhì)去偏振地漫反射光線(xiàn)。換句話(huà)說(shuō)，DRP層110a-f漫反射第二偏振光，使得反射光包括相對(duì)大量的第一偏振光。例如，對(duì)于很多應(yīng)用，第一偏振光和第二偏振光的比值可以是1∶4或更大。在操作中，DRP層110a-f透射期望的第一偏振光，漫反射非期望的第二偏振光。由于去偏振，反射光包括相當(dāng)大的期望第一偏振分量。反射光通過(guò)轉(zhuǎn)向透鏡103，并被光空腔120輕微去偏振地再次反射。第一偏振的再次反射光通過(guò)DRP層110a-f實(shí)質(zhì)透射，第二偏振的再次反射光漫反射并部分去偏振，以繼續(xù)重復(fù)利用過(guò)程。因此，顯示裝置100使用更多的由光源111產(chǎn)生的光線(xiàn)。此外，在各種不同的光路上DRP層110a-f反射的光重復(fù)利用趨于平衡照明的變化，該變化有時(shí)在背光照明器中產(chǎn)生。
雖然帶有提供輕微去偏振的反射器使該實(shí)施例工作地特別好，但本發(fā)明不限于此。另外，可以使用更多的具有或不具有實(shí)質(zhì)去偏振DRP層的去偏振反射器和光空腔。此外，在其它實(shí)施例中，可以設(shè)置DRP和光空腔的角去偏振特征，使得光空腔能有效地將入射角處的光線(xiàn)去偏振，該光線(xiàn)包括來(lái)自DRP的相當(dāng)多的非去偏振光，反之亦然。
與包含展開(kāi)和垂直軸的平面相比，在包含交叉展開(kāi)和垂直軸的平面中DRP的漫射通常要高得多。在期望漫射使提取圖形模糊的地方，應(yīng)該優(yōu)化提取圖形，以與DRP一同使用。例如，如果DRP取向45°，那么如提取圖形的最佳取向通常為0°。
在一些實(shí)施例中，取向膜中包括非偏振分量，以獲得漫射。例如，在用合成物展開(kāi)之前，可以復(fù)合或覆蓋先質(zhì)膜，在制造DRP所必須條件下的展開(kāi)期間該合成物不發(fā)生明顯的雙折射。合適合成物的實(shí)例包括PMMA基質(zhì)中的丙烯酸和苯乙烯∶丙烯酸的共聚物大圓球。
圖2顯示了具有選定增益分布并帶有DRP層的顯示裝置。典型的顯示裝置200包括DRP層220和光空腔230，在說(shuō)明性的實(shí)施例中，光空腔使用光源232和反射器233，以產(chǎn)生漫射光線(xiàn)231，入射到DRP層220。顯示裝置200還包括光調(diào)制層210，在典型的實(shí)施例中，它包括配置在兩個(gè)偏振器212和216之間的液晶層214。DRP層220透射偏振P1的光221，以此分離它和漫反射回空腔230的光223。光221(P1)入射到光調(diào)制層210的第一偏振器212，它的透射軸平行于DRP層220的透射軸，以便將偏振P1’的光225(P1’)透射入液晶層214。偏振P1’通常與偏振P1的不同之處在于由于穿過(guò)偏振器212，偏振P1’通常是更純的線(xiàn)性偏振，偏振器212通常是能產(chǎn)生高度線(xiàn)性偏振的吸收二向色偏振器。
在典型實(shí)施例中，液晶層214由電子可尋址液晶像素單元陣列組成，這些像素單元被個(gè)別編址，施加經(jīng)過(guò)電極陣列的電場(chǎng)以排列每個(gè)像素的液晶材料，在非旋光狀態(tài)(例如，電壓開(kāi)，也就是施加電場(chǎng)時(shí))或旋光狀態(tài)(例如，電壓關(guān)，也就是沒(méi)有施加電場(chǎng)時(shí))。這里所用術(shù)語(yǔ)旋光的意思是改變了偏振光穿過(guò)旋光材料時(shí)偏振平面的取向。第二偏振器216用作檢偏器，根據(jù)透射光的偏振方向，透射或阻止組成液晶層214的像素所透射的光，這由每個(gè)像素是旋光還是非旋光狀態(tài)確定。通過(guò)適當(dāng)?shù)叵驁D像方式液晶陣列中的個(gè)別像素施加電壓，顯示器200形成可視圖像。雖然說(shuō)明了帶有液晶層的液晶顯示器，但是本發(fā)明不限于此。其它類(lèi)型的顯示器可以受益于使用選定的增益分布。
DRP層220通過(guò)將光223反射回反射空腔230，改進(jìn)了液晶顯示器210中光的利用，反射空腔中的一部分被再次反射回DRP層220，DRP層220再次透射偏振P1的部分，并實(shí)質(zhì)反射剩余的部分，以此增加顯示器210的照明。這個(gè)稱(chēng)為光重復(fù)利用的過(guò)程一直持續(xù)直到所有的光231被DRP層220偏振P1地透射，或被損耗吸收。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)光重復(fù)利用能大大地增加光的利用。對(duì)于特定的光空腔照明等級(jí)，增加的光利用可以增加液晶顯示器的亮度，或者它可以允許較低的光空腔照明等級(jí)得到相同的亮度，以此減小能量消耗。還可以?xún)?yōu)化DRP層220和光空腔，以重復(fù)利用光線(xiàn)。例如，DRP層220和具有低去偏振特征的光空腔將漫反射光實(shí)質(zhì)去偏振以促進(jìn)光重復(fù)利用。另一種方案是，設(shè)置兩個(gè)元件的角去偏振特征，使得光空腔有效地將入射角處的光線(xiàn)去偏振，該光線(xiàn)包括相當(dāng)多的非去偏振光，如上所述反之亦然。
典型的DRP層220包括選定的增益分布。增益通常指帶有DRP層的顯示器亮度和不帶有DRP層的顯示器亮度的比值。例如，可以通過(guò)相對(duì)于連續(xù)相的濃度選擇分散相的濃度，以提供選定的增益分布。作為實(shí)例，相對(duì)于連續(xù)相的濃度增加分散相的濃度通常能相對(duì)于離軸增益增加同軸增益。相反，相對(duì)于連續(xù)相的濃度減小分散相的濃度通常會(huì)降低相對(duì)于離軸增益的同軸增益。例如，用同軸增益為1.35，40°(相對(duì)于法線(xiàn))增益為1.29的薄膜，通過(guò)增加其分散相濃度并減小其連續(xù)相濃度，薄膜的同軸增益將增加1.44，它離軸40°增益將減小到1.18。根據(jù)期望的增益分布，可以選擇分散相的濃度。
以下的表格說(shuō)明了具有不同分散相濃度的DRP的同軸增益和離軸增益(-60到垂直)。

表1可以通過(guò)控制如201和202觀(guān)察者所見(jiàn)的光分布，提供選定的增益分布，以增加顯示器210的可視度，如光線(xiàn)211和213所示。描述亮度分布的有用參數(shù)是半高度角θ，也就是該角度處的亮度是最大亮度(這里假設(shè)為同軸)的一半。如果，例如光線(xiàn)211表示在垂直觀(guān)察角觀(guān)察時(shí)顯示器210所顯示圖像明亮部分的亮度，光線(xiàn)213表示從圖像上同一點(diǎn)發(fā)出的，具有光線(xiàn)211的一半亮度的光線(xiàn)，那么稱(chēng)為半高度角的角度θ就是顯示圖像光分布寬度的衡量。
應(yīng)該理解對(duì)于來(lái)自光線(xiàn)221的特定亮度等級(jí)，增加的θ更平坦地分布觀(guān)察光，以此減小通常在垂直觀(guān)察角產(chǎn)生的、如光線(xiàn)211所示的最大亮度。在一個(gè)被從較寬角度范圍觀(guān)看的顯示器中，這是期望的情況。然而，在單個(gè)觀(guān)察者從實(shí)質(zhì)垂直角度觀(guān)看顯示器的情況下，就期望通過(guò)減小θ保存能量，以致為該觀(guān)察者照亮顯示器。通常，分散相濃度的增加減小角度θ，以此使觀(guān)察光的分布變窄，并為觀(guān)察者201提供較亮的顯示，例如同時(shí)降低了觀(guān)察者202的亮度。相反，減小層220中分散相的濃度會(huì)增加θ，以此使觀(guān)察顯示的光分布平坦。
可以通過(guò)選擇分散相和連續(xù)相的相對(duì)濃度制造具有特定增益分布的DRP層，以提供期望的增益分布。該選擇可以考慮到的兼容相的濃度。應(yīng)該理解用這種方法設(shè)計(jì)光分布的能力是顯示器設(shè)計(jì)者的期望特征，因?yàn)樗乖O(shè)計(jì)者能生產(chǎn)各種不同觀(guān)察應(yīng)用的顯示器，而僅僅只要根據(jù)層220中分散相的濃度選擇不同的DRP材料。
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的典型投影顯示系統(tǒng)。典型的投影顯示系統(tǒng)300利用照明器310照亮反射成像器304，產(chǎn)生的圖像被偏振分束器303反射，穿過(guò)投影透鏡305，到達(dá)屏幕320。照明器310通常包括光源301，光學(xué)外殼308，和光束調(diào)節(jié)器302。光束調(diào)節(jié)器302可以包括透鏡或其它光束成形元件、除去光的紅外或紫外波長(zhǎng)的濾光器，和反射偏振材料，例如DRP層。光學(xué)外殼308可以包括一個(gè)內(nèi)表面，該內(nèi)表面是漫反射的，或者內(nèi)表面包括偏振改變裝置，如雙折射層。光學(xué)外殼308不限于矩形形狀，而可以是任何合適的形狀，還可以包括其內(nèi)表面上的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供了另一有效的內(nèi)部光學(xué)形狀。
偏振分束器303通常包括反射偏振材料。期望分束器303以實(shí)質(zhì)鏡面的方式反射圖像光線(xiàn)353，以便保存成像器304產(chǎn)生的圖像。因此，它有利于用于分束器303的任何多相反射材料的分散相為均勻取向粒子的形式，該粒子具有均勻較高的、最好是實(shí)質(zhì)上無(wú)窮大曲率半徑，以便減小反射光的漫射分量。合適的粒子可以包括薄片、小盤(pán)、或其它具有實(shí)質(zhì)平坦、可定向表面的粒子。
在使用中，照明器310通過(guò)偏振分束器303照亮成像器304。通常期望通過(guò)光束調(diào)節(jié)器302和外殼308重復(fù)利用非期望偏振的光線(xiàn)，將照明器310發(fā)出的光線(xiàn)305預(yù)偏振成例如偏振P1。分束器303還偏振光線(xiàn)350，并將偏振光351提供給反射成像器304，反射成像器可以包括例如表示數(shù)字圖像像素的液晶單元陣列。根據(jù)施加到每個(gè)像素的電壓，觸發(fā)像素的光351的偏振是轉(zhuǎn)動(dòng)的或是保留不轉(zhuǎn)動(dòng)的，并被反射回分束器303。分束器303反射光線(xiàn)353，光線(xiàn)353在偏振P1到偏振P2的偏振中轉(zhuǎn)動(dòng)，穿過(guò)投影透鏡305，然后到達(dá)屏幕320，在屏幕上投影反射成像器304產(chǎn)生的圖像。分束器303將具有未改變偏振P1的光線(xiàn)352透射回照明器310，使得表示該偏振的像素在屏幕上顯示黑暗。透射回照明器310的光部分可以被反射、再次偏振、和重復(fù)利用。
圖3B顯示了以上系統(tǒng)的另一實(shí)施例，其中分束器303反射的光，而非分束器透射的光，用于成像器304的照明。成像器304根據(jù)其像素狀態(tài)，反射偏振P1或P2的光301。然后分束器303透射偏振P2的光353(P2)，并將偏振P1的光反射回照明器310。在這種情況下，分束器可以是實(shí)質(zhì)上鏡面透射的漫反射偏振器。這種類(lèi)型投影顯示器的光學(xué)布局可以做得比一些傳統(tǒng)投影裝置更緊湊，因?yàn)樗墙Y(jié)合于上文的參考中所揭示漫反射偏振材料的特征，可以將它們做成對(duì)入射角相當(dāng)不敏感，因此能夠較強(qiáng)地偏振發(fā)散或會(huì)聚光束，而無(wú)需平行光學(xué)。
參考圖3C，顯示了另一投影系統(tǒng)，它使用透射成像器306，而非以上兩個(gè)系統(tǒng)中所用的反射成像器。在該系統(tǒng)中，光束調(diào)節(jié)器302和任選的吸收偏振器307提供了具有偏振P1的偏振光350，它照亮成像器306。成像器306還可以包括表示數(shù)字圖像像素的液晶單元陣列，它透射或阻擋圖像方式的光350，以形成之后被投影的圖像，穿過(guò)投影透鏡305，到達(dá)屏幕320。照明器310還可以包括反射器，用于將光束調(diào)節(jié)器302反射的光改向或隨機(jī)化，射向光束調(diào)節(jié)器302并從中透射過(guò)，以此重復(fù)利用光線(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，光束調(diào)節(jié)器302是DRP。在一種情況下，DRP將漫反射光去偏振，和/或反射器將光線(xiàn)去偏振，使得未透射過(guò)DRP的光能重復(fù)利用，并且之后能從中通過(guò)。
參考圖3D，可以使用類(lèi)似于圖3A所顯示的光學(xué)布局，除了不是將實(shí)像投影到屏幕上，觀(guān)察者1可以使用凸透鏡305’觀(guān)看成像器340的放大虛像。用這種方式工作的顯示器在下文中稱(chēng)為微顯示器。參考圖3E，可以使用類(lèi)似于圖3B所顯示的光學(xué)布局，除了不是將實(shí)像投影到屏幕上，觀(guān)察者1可以使用凸透鏡305’觀(guān)看成像器340產(chǎn)生的放大虛像。分束器303是DRP時(shí)，這種布局是有利的，因?yàn)榉质?03不需要鏡面反射，而只需要鏡面透射。
在類(lèi)似于圖3E的另一實(shí)施例中，如圖3F所示，偏振分束器303被層疊或連接到透明的立方體306，以形成更緊湊的布局。在又一實(shí)施例中，如圖3G所示，照明器310發(fā)出的光350進(jìn)入光導(dǎo)307，在光導(dǎo)中光被漫反射偏振器303偏振，并被反射到成像器304。成像器304通常由表示數(shù)字圖像像素的液晶單元陣列組成，它反射帶有未改變偏振P1或轉(zhuǎn)動(dòng)偏振P2的偏振光351，這由施加到成像器304之像素單元的電壓確定。具有偏振P2的光353是成像器304反射光的一部分，它具有能被反射偏振器303透射的偏振，所以它穿過(guò)偏振器303，到達(dá)任選偏振器308。偏振器308可以是例如吸收偏振器，它過(guò)濾任何具有偏振P1的光，以此阻止不恰當(dāng)偏振的光到達(dá)觀(guān)察者1。然后觀(guān)察者1通過(guò)凸透鏡309觀(guān)看反射成像器304產(chǎn)生的放大虛像。
圖4A-4B顯示了使用DRP層的透射反射(transflective)光調(diào)制顯示裝置。一般，透射反射顯示器通常包括光閥或像素陣列組成的光調(diào)制層，其中每一個(gè)都表示數(shù)字圖像的像素。透射反射顯示器可以工作在反射模式，其中顯示器主要依賴(lài)于從觀(guān)察側(cè)進(jìn)入的用于照明的環(huán)境光；或者工作在透射或背光模式，其中顯示器主要依賴(lài)于從相對(duì)于觀(guān)察側(cè)的光空腔發(fā)出的、用于照明的光。透射反射光調(diào)制顯示器的實(shí)例包括使用扭曲或超扭曲向列型液晶層的顯示器。這些類(lèi)型的液晶顯示器通常通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或保留不轉(zhuǎn)動(dòng)線(xiàn)性偏振光束的偏振面，進(jìn)行工作。
典型透射反射光調(diào)制顯示裝置400包括吸收偏振器401、配置在吸收偏振器401-側(cè)的光調(diào)制層402、配置在光調(diào)制層402相對(duì)于吸收偏振器401一側(cè)的漫反射偏振器404、配置在漫反射偏振器404相對(duì)于光調(diào)制層402一側(cè)的陷光層405、和配置在陷光層405相對(duì)于漫反射偏振器404一側(cè)的光空腔406。典型的顯示裝置400還包括任選的偏振保留漫射層403。
現(xiàn)在將描述典型顯示器400的工作。通過(guò)參考圖4A，光調(diào)制顯示屏400的像素402a以電壓關(guān)狀態(tài)表示，當(dāng)用環(huán)境光照明時(shí)它產(chǎn)生明亮的像素。在這種情況下，非偏振環(huán)境光通過(guò)吸收偏振器401進(jìn)入顯示器，它穿過(guò)光線(xiàn)中具有偏振P1的部分，該部分表示為光線(xiàn)451。然后光線(xiàn)451穿過(guò)光調(diào)制像素層402，其中由于顯示處于電壓關(guān)狀態(tài)，其偏振被轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣產(chǎn)生具有偏振P2的光453。然后光線(xiàn)453穿過(guò)保留偏振P2的偏振保留漫射器403，并穿過(guò)DRP層404，其中由于DRP層404被排列成漫反射偏振P2光線(xiàn)的取向，所以光線(xiàn)453被漫射返回，如光線(xiàn)455。漫反射光線(xiàn)455的去偏振通常被最小化，以增加偏振P2的量。光線(xiàn)455再次穿過(guò)漫射器403，然后穿過(guò)光調(diào)制像素層402a，其中它的偏振再次轉(zhuǎn)動(dòng)成P1，因此允許它通過(guò)吸收偏振器，并作為明亮像素被觀(guān)察者1看見(jiàn)。
在圖4A的右側(cè)，光調(diào)制層402的像素402b以電壓開(kāi)狀態(tài)表示，當(dāng)用環(huán)境光照明時(shí)它產(chǎn)生黑暗像素。在這種情況下，非偏振環(huán)境光通過(guò)吸收偏振器401進(jìn)入顯示器，它穿過(guò)光線(xiàn)中具有偏振P1的部分，如光線(xiàn)451所示。然后光線(xiàn)451穿過(guò)光調(diào)制像素層402，其中由于像素402b處于電壓開(kāi)狀態(tài)，其偏振保持不變，因此產(chǎn)生仍然具有偏振P1的光線(xiàn)463。然后光線(xiàn)463穿過(guò)偏振保留漫射器403，并傳到DRP層404，其中由于DRP層404被排列成透射偏振P1光線(xiàn)的取向，所以光線(xiàn)463被透射，如光線(xiàn)465。
然后，光線(xiàn)465進(jìn)入陷光層405，陷光層吸收光線(xiàn)465，向觀(guān)察者1顯示黑暗的像素。陷光層405可以包括光吸收染料或色素，或偏振轉(zhuǎn)動(dòng)元件。在很多情況下，一些光線(xiàn)465會(huì)被陷光層405反射到DRP層404。一些光線(xiàn)還可以通過(guò)陷光層405，被空腔406反射，并再次通過(guò)陷光層405到達(dá)DRP層404。在后者的情況下，由于多次穿過(guò)陷光層405，所以光線(xiàn)的數(shù)量通常相當(dāng)小。用光的任一分量，可以?xún)?yōu)化DRP層404和下陷光層405和空腔406，以將光的偏振轉(zhuǎn)動(dòng)成P2，使得它被DRP層404反射，而非從中透射。
參考圖4B，顯示了背光模式中工作的電壓開(kāi)狀態(tài)的像素402a(左側(cè))。在背光模式中，電壓開(kāi)狀態(tài)產(chǎn)生明亮的像素。非偏振光由光空腔406產(chǎn)生，之后它伴隨一些可能的衰減穿過(guò)陷光層405，到達(dá)DRP層404。DRP層404將光線(xiàn)471中偏振P2的部分漫反射回陷光層405并到達(dá)光空腔406，其中光線(xiàn)可以被反射，偏振可以改變，并回到另一重復(fù)利用試圖通過(guò)DRP層404。任何以這種方式成功重復(fù)利用的光線(xiàn)提供了顯示系統(tǒng)中光利用效率的提高。光線(xiàn)471中具有偏振P1的部分被DRP層404透射，并成功任選漫射器403，到達(dá)光調(diào)制像素層402a。由于像素402a處于電壓開(kāi)狀態(tài)，光線(xiàn)473從中通過(guò)而沒(méi)有改變其偏振到達(dá)吸收偏振器401。由于吸收偏振器401透射具有偏振P1的光，所以光線(xiàn)473離開(kāi)顯示器400，并作為明亮像素被觀(guān)察者1看見(jiàn)。
對(duì)于圖4B的右側(cè)，顯示了背光模式中工作的電壓關(guān)狀態(tài)的像素402b。在背光模式中，電壓關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生黑暗的像素。光空腔406產(chǎn)生的光以電壓開(kāi)狀態(tài)中相同的方式到達(dá)像素402b，但在這種情況下，由于像素402b處于電壓關(guān)狀態(tài)，光線(xiàn)473的偏振被轉(zhuǎn)動(dòng)成偏振P2，之后它被吸收偏振器401吸收，使得這種情況下的像素作為黑暗像素被看見(jiàn)。用這種方式，提供了透射反射顯示器，其中像素的明亮或黑暗狀態(tài)在背光模式和環(huán)境光模式之間根據(jù)給定的電壓狀態(tài)，如開(kāi)或關(guān)，而改變。此外，DRP的漫反射性質(zhì)可用于透射反射顯示器，以提供照亮的粗糙表面，當(dāng)環(huán)境光照亮顯示器時(shí)，該表面作為光的背景；而當(dāng)顯示器在具有低環(huán)境光的背光模式中工作時(shí)，提供光重復(fù)利用。
在另一實(shí)施例中，提供了使用反射偏振器的對(duì)比度增強(qiáng)濾光片，例如漫反射偏振器。與傳統(tǒng)對(duì)比度增強(qiáng)濾光片相比，這種對(duì)比度增強(qiáng)濾光片可以提供例如具有相等對(duì)比度的較高顯示器亮度。對(duì)比度增強(qiáng)濾光片通?？捎糜诎l(fā)射信息顯示，其中大部分基于無(wú)機(jī)或有機(jī)的光發(fā)射材料，這種材料在可尋址矩陣中受激發(fā)，以形成圖像。如熒光劑的光發(fā)射材料和襯底通常是可視光的較佳反射器。因此，如果沒(méi)有對(duì)比度增強(qiáng)濾光片，在較高環(huán)境照明的情況下，光發(fā)射材料的反射率會(huì)使顯示器被“沖潰”。
圖5A顯示了帶有發(fā)射單元的傳統(tǒng)CE濾光片。傳統(tǒng)CE濾光片500通常包括透明材料，例如有色偏振器510，它具有對(duì)可視光的中等高的吸收率。發(fā)射元件512發(fā)射的光穿過(guò)有色吸收器510一次，然而環(huán)境光必須穿過(guò)它兩次。作為實(shí)例，吸收50％可視光的薄片510將減小50％的發(fā)射光和75％環(huán)境漫射和非漫射光。在實(shí)踐中，由于發(fā)射元件512的有效反射率通常小于100％(例如，由于磷光和波長(zhǎng)的移動(dòng))，所以該降低有點(diǎn)偏高。在以上實(shí)例中，對(duì)比度增加2倍。傳統(tǒng)CE濾光片500還包括有色或無(wú)色的吸收偏振器514。其工作原理非常類(lèi)似于簡(jiǎn)單有色的情況。
雖然使用吸收偏振器的傳統(tǒng)CE濾光片改進(jìn)了對(duì)比度，但是它們還實(shí)質(zhì)降低了亮度。亮度的降低會(huì)使顯示器的顯示大大地退化。因此，顯示器業(yè)的需要是具有相當(dāng)高亮度的對(duì)比度增強(qiáng)層。
圖5B顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的典型顯示器，該顯示器包括具有反射偏振器的對(duì)比度增強(qiáng)(CE)濾光片。反射偏振器可以是例如漫反射偏振器。典型的顯示器550包括如熒光劑的發(fā)射元件560，和例如CE濾光片570，以及任選有色層572。典型的CE濾光片570包括通常排列成用于最高透射的吸收偏振器574和反射偏振器576。例如可以提供作為疊層的吸收偏振器574和反射偏振器576。通常，疊層緊密連接到發(fā)射元件，反射偏振器朝向發(fā)射元件。發(fā)射元件560通常直接構(gòu)造在反射偏振器576上。這可以在密封入顯示器之前，在真空顯示器中通過(guò)適當(dāng)?shù)貙⒎瓷淦衿髅摎舛鴮?shí)現(xiàn)。
在反射偏振器576上或下，或兩側(cè)，可以配置一個(gè)或多個(gè)任選有色層572。如圖5B中所示，在反射偏振器576上提供有色層572通常能增加顯示對(duì)比度，并對(duì)亮度影響較小。配置在反射偏振器576下的有色層572通常也會(huì)增加對(duì)比度，但對(duì)亮度影響較大。前者的位置有利于減小單元560和DRP576之間的距離。
圖5B顯示了與對(duì)比度增強(qiáng)顯示器相互作用的兩條光線(xiàn)。一條是顯示器發(fā)射光線(xiàn)d。光線(xiàn)d首先與反射偏振器576相互作用，將光線(xiàn)分成透射光線(xiàn)d和反射光線(xiàn)e。光線(xiàn)d被任選有色層572削弱，并被吸收偏振器574透射。反射光線(xiàn)e被發(fā)射元件560散射，產(chǎn)生反射光線(xiàn)f。然后光線(xiàn)f執(zhí)行和光線(xiàn)d相同的過(guò)程。然后顯示亮度為光線(xiàn)d加上光線(xiàn)f，等等。環(huán)境光線(xiàn)a首先被吸收偏振器574吸收，留下光線(xiàn)a的大約50％透射。光線(xiàn)還被有色吸收器572削弱，并被反射偏振器576透射，以到達(dá)發(fā)射元件560。一旦從發(fā)射元件560反射，衰減的光線(xiàn)b執(zhí)行與光線(xiàn)d相同的過(guò)程。
反射偏振器576的位置通常比吸收偏振器574更接近發(fā)射元件。這能通過(guò)減小反射偏振器和發(fā)射元件之間的距離，改進(jìn)圖像。由于發(fā)射元件通常在較寬的角度范圍上發(fā)射光線(xiàn)，所以如果與反射偏振器576之間的距離遠(yuǎn)大于發(fā)射元件560的側(cè)向尺寸，圖像可以漫射顯示。在一個(gè)實(shí)施例中，反射偏振器576和發(fā)射元件之間的距離是發(fā)射元件側(cè)向距離的3倍或更小。在另一實(shí)施例中，反射偏振器576和發(fā)射元件之間的距離是發(fā)射元件側(cè)向距離的2倍或更小。在又一實(shí)施例中，該距離等于或小于發(fā)射元件的側(cè)向距離。
有色吸收器(如果使用)和吸收偏振器(如果有色)的顏色可以用產(chǎn)生有色光的顯示器優(yōu)化。例如如果顯示器產(chǎn)生綠光，那么色彩具有理想的相對(duì)高的紅光和藍(lán)光吸收，相對(duì)低的綠光吸收。這個(gè)概念可用于全色顯示器，通過(guò)提供有色片的色彩矩陣，以符合各個(gè)發(fā)射元件的色彩。
發(fā)射元件例如可以是發(fā)射特定色彩的像素或子像素單元。使用反射偏振器和吸收偏振器的CE濾光片可用于具有發(fā)射元件的多種不同系統(tǒng)。作為實(shí)例，這種系統(tǒng)包括熒光照明顯示器、場(chǎng)致發(fā)光顯示器、有機(jī)或無(wú)機(jī)光發(fā)射二極管顯示器、真空熒光顯示器、場(chǎng)致發(fā)射顯示器(FED)、和等離子體顯示器。
此外，雖然漫反射偏振器工作地相當(dāng)好，但是本發(fā)明不限于此。還可以使用其它類(lèi)型提供線(xiàn)性偏振光的反射偏振器。這些其它反射偏振器例如包括如上所述的多層反射偏振器，和膽甾醇型反射偏振器。
對(duì)于特定的對(duì)比度，使用帶有反射偏振器(例如DRP)的CE濾光片，與沒(méi)有反射偏振器的傳統(tǒng)CE濾光片相比，可以獲得較高的顯示亮度。圖5C-5E顯示了圖5B中具有反射偏振器的CE濾光片(下文中稱(chēng)為RP CE濾光片)和圖5A中傳統(tǒng)CE濾光片的各種特征。圖5C是表示環(huán)境漫射和反射光的相對(duì)亮度對(duì)作為色輝函數(shù)的發(fā)射亮度的曲線(xiàn)圖。曲線(xiàn)582和586分別顯示了使用RP CE濾光片的發(fā)射和環(huán)境光的相對(duì)亮度。曲線(xiàn)584和588分別顯示了使用傳統(tǒng)CE濾光片的發(fā)射和環(huán)境光的相對(duì)亮度?？梢钥闯鯮P CE濾光片在整個(gè)色輝等級(jí)上產(chǎn)生較高的亮度。
圖5D是顯示了對(duì)于RP CE濾光片(590)和傳統(tǒng)濾光片(592)的對(duì)比度系數(shù)(也就是顯示亮度與環(huán)境亮度的比值)曲線(xiàn)圖，該對(duì)比度系數(shù)作為色輝的函數(shù)。為了產(chǎn)生曲線(xiàn)圖，將環(huán)境光和顯示光都任意地設(shè)置為1，對(duì)比度系數(shù)隨著環(huán)境光的變化而變化?？梢詮那€(xiàn)圖中看出，在最高的色輝等級(jí)處，獲得最高的對(duì)比度。此外，曲線(xiàn)590和592實(shí)質(zhì)重疊，因此顯示對(duì)于相同的對(duì)比度系數(shù)，RP CE濾光片提供較高的顯示亮度。
圖5E是顯示另一對(duì)比度特征的曲線(xiàn)圖，對(duì)于兩個(gè)CE濾光片，作為單程色輝透射的函數(shù)，環(huán)境亮度小于發(fā)射亮度。該對(duì)比度系數(shù)可用于提供顯示器清晰度的指示(例如與讀取信息相關(guān)的速度和應(yīng)變)。曲線(xiàn)594顯示了RP CE濾光片的該特征，曲線(xiàn)596顯示了傳統(tǒng)CE濾光片的該特征?？梢钥闯?，在所有等級(jí)上，ORP CE濾光片提供比傳統(tǒng)CE濾光片高的對(duì)比度。
本發(fā)明的漫反射偏振器還可用于改變并改進(jìn)現(xiàn)存背光光閥或調(diào)制顯示器的顯示和可視度，例如背光扭曲向列型或超扭曲向列型顯示器。圖6顯示了背光顯示裝置600，它包括光調(diào)制層606、提供光照明光調(diào)制層606的光空腔610，和配置在光調(diào)制層606觀(guān)察側(cè)的DRP層603。顯示裝置600可以是例如具有液晶光調(diào)制層的LCD，液晶光調(diào)制層由表示數(shù)字圖像像素的液晶單元陣列組成。光空腔610例如可以包括光源，和通常的光導(dǎo)。
來(lái)自照明器610的光線(xiàn)651和653通常非偏振，但是可以具有一定程度的預(yù)偏振，通常提供具有吸收偏振器605和604的顯示裝置600。然后光調(diào)制層606根據(jù)電壓是否施加到各個(gè)像素單元，透射或阻擋圖像方式的光線(xiàn)651。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)插入顯示器620和觀(guān)察者1之間的漫反射偏振器層603改變了顯示器620的顯示，它使顯示器620與其它顯示器相比顯示得更獨(dú)特。還可以將適當(dāng)數(shù)量的定向變化透射擴(kuò)散性組合入層603中，以調(diào)節(jié)顯示器的觀(guān)察角度，而無(wú)需將顯示器的亮度減小到不能接受的程度。如上所述，這可以通過(guò)例如控制分散相的數(shù)量實(shí)現(xiàn)。
信息顯示中改進(jìn)的可視度不限于電子顯示器。在更寬的意義上，印刷品和版面描繪，例如標(biāo)牌和告示牌也是信息顯示。更一般的，眾所周知使用偏振光有助于很多物體的觀(guān)察，尤其是那些需要詳細(xì)觀(guān)察的，因?yàn)樵跊_擊物體的光的入射平面中偏振的光，稱(chēng)為P-偏振光，可能具有較低的反射率，因此與S-偏振光相比，產(chǎn)生眩光的趨勢(shì)較低，S-偏振光是相對(duì)于物體觀(guān)察表面，垂直于入射平面偏振的光。然而，由于產(chǎn)生偏振光中固有的光損耗，有時(shí)很難用經(jīng)濟(jì)可行的方式產(chǎn)生足夠數(shù)量的偏振光，用于觀(guān)察大顯示器，如標(biāo)牌或告示牌，或用于一般的室內(nèi)照明。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)漫反射偏振器可用于產(chǎn)生保持偏振光優(yōu)點(diǎn)的光，而它仍然利用所有實(shí)質(zhì)上原始的、非偏振光。
圖7A-B顯示了另一實(shí)施例的照明裝置。典型的照明裝置700可以是例如用于室內(nèi)的架空照明系統(tǒng)，例如在辦公室中。典型的照明裝置700包括光源707和反射器708。光源707通常提供非偏振光給反射器708。光源707可以包括反射襯底，還可以被配置成實(shí)質(zhì)指定照明只在朝向反射器708的方向。所示的反射器708鏡面反射第一偏振(P1)光線(xiàn)705，以提供具有第一分布的P1光，并漫反射不同的第二偏振光706，以提供具有不同于第一分布的第二分布的P2光。根據(jù)應(yīng)用，可以用不同的方式使用不同的偏振和分布。
在典型實(shí)施例中，圖7B中最佳地顯示了反射器708包括接近于光源707配置的漫反射偏振器701，和遠(yuǎn)離光源707配置的鏡面反射器702。反射器708的兩個(gè)元件701、702例如可以為固定連接(如通過(guò)層疊)。配置漫反射偏振器以漫反射P2光706，并鏡面透射P1光705。
在使用中，光源707用如入射光線(xiàn)750的光照明反射器708。光線(xiàn)中具有第一偏振P1的分量703被漫反射偏振器701透射，被鏡面反射器702鏡面反射，并再次鏡面透射過(guò)漫反射偏振器701，以提供鏡面反射P1光705。光線(xiàn)中具有不同的第二偏振P2的分量704被漫反射偏振器701漫反射，以提供具有不同于第一分布的第二分布的漫反射光706。
可以將反射器708配置成繞光源707彎曲，使得鏡面反射P2光705具有實(shí)質(zhì)均勻的分布，漫反射P1光均勻散射分布。反射器708可以圍繞光源707配置，所以它將光線(xiàn)聚焦或指引到一集中區(qū)域。在這種情況下，P1光705可用于提供一種偏振的集中偏振照明，而漫反射P2光706可用于提供具有正交偏振的一般室內(nèi)照明。用這種方式，可以使用光源707發(fā)出光的兩種偏振，同時(shí)保留了在較小區(qū)域中需要較高光強(qiáng)的特定任務(wù)中照明偏振的優(yōu)點(diǎn)。
在一個(gè)特殊實(shí)施例中，第一偏振的漫反射光是P-偏振光(垂直偏振光)，不同的第二偏振的鏡面反射光是S-偏振光(水平偏振光)。當(dāng)用作吊燈時(shí)，可以將反射器708配置成指定S-偏振光的方向朝向地面。用這種方式，產(chǎn)生眩光的S-偏振光指向最小眩光的位置。另一方面，散射P-偏振光，以提供一般的室內(nèi)環(huán)境光。
照明裝置還可以包括反射遮光柵709，它被配置成鏡面反射P1光，漫反射P2光。每個(gè)反射遮光柵709都可以包括在一側(cè)或兩側(cè)上的DRP層，DRP層被配置成漫反射P1光，鏡面反射P2光，配置在DRP后側(cè)的鏡面反射器被配置成鏡面反射P2光，類(lèi)似于反射器708。遮光柵709通常被轉(zhuǎn)軸固定在照明裝置的框架上，以控制反射光的方向，尤其是鏡面反射光。
在遮光柵709(以及上述的反射器708)被構(gòu)造成鏡面反射S-偏振光并漫反射P-偏振光，遮光柵709可以轉(zhuǎn)動(dòng)，所以引起眩光的S-偏振光在眩光最小的方向上，如朝向地面，被鏡面反射。引起較小眩光的P-偏振光被有利地漫透射，以提供例如一般的室內(nèi)照明。
通常安置遮光柵709以接收光源707發(fā)出的、經(jīng)過(guò)反射器708的光線(xiàn)。在典型實(shí)施例中，通過(guò)反射器708接收光線(xiàn)，反射器中具有漫反射P2光(例如P-偏振光)DRP層和鏡面反射P1光(例如S-偏振光)的鏡面反射器。在另一實(shí)施例中，只鏡面反射的反射器708可以與遮光柵709一起使用，只作為漫反射和鏡面反射的元件。
雖然以上顯示并討論了DRP/鏡面反射器遮光柵709和反射器708，但是本發(fā)明不限于此。鏡面和漫反射材料的其它組合也可用于反射器708和/或遮光柵709，并試圖落入本發(fā)明的范圍。
在另一實(shí)施例中，一個(gè)或兩個(gè)元件(也就是反射器708和/或遮光柵709)包括接近于光源配置的多層反射膜，和遠(yuǎn)離光源配置的漫反射表面。在使用中，多層反射膜鏡面反射P1光(如S-偏振光)，并透射P2光(如P-偏振光)。漫反射表面漫反射P2光，P2光被多層反射膜再次透射，以提供漫反射P2光。漫反射表面可以是例如有紋理的金屬表面。
在另一實(shí)施例中，任一或兩個(gè)元件包括多層反射膜，它具有用于漫反射P2光(如P-偏振光)的一個(gè)或兩個(gè)結(jié)構(gòu)表面，還包括鏡面反射器，它遠(yuǎn)離光源配置，用于鏡面反射P1光(如S-偏振光)。然后P1光被多層膜再次透射，以提供鏡面反射P1光。
圖8A-8D顯示了本發(fā)明另一實(shí)施例中使用一個(gè)或多個(gè)DRP層的安全標(biāo)簽。參考圖8A，典型的安全標(biāo)簽890包括標(biāo)簽部分800和安全部分810。標(biāo)簽部分800包括信息部分804，信息部分可以是例如帶有印刷、圖像或其它信息的紙或薄膜基片。通過(guò)粘合層805，信息層804連接到例如保護(hù)層806。保護(hù)層806可以永久連接到信息層804，例如其中粘合層805是永久粘合劑。另一種方案是，粘合層805可以是壓敏粘合劑，層806可以是保護(hù)層805上可除去的粘合襯墊，保護(hù)直到標(biāo)簽890被連接到外殼或其它基底上。如果保護(hù)層806是永久保護(hù)層，可以提供附加的粘合層807，使標(biāo)簽連接到被標(biāo)記的基底。
標(biāo)簽890的安全部分810包括沿第一方向排列的第一漫反射偏振層801a，和沿正交方向排列的第二漫反射偏振層801b，以形成一對(duì)交叉漫反射偏振器。此外，可以提供保護(hù)層803。
在使用中，可以通過(guò)從第一位置1觀(guān)察標(biāo)簽，其中產(chǎn)生信息層804上所帶信息的模糊圖像，然后從表示為第二位置3的掠射角處觀(guān)察，在這種情況下信息變得更清晰，以確定標(biāo)簽890的可靠性。將一些小的或復(fù)雜的印刷品或其它圖形組合入信息層804中，當(dāng)從位置1觀(guān)看可靠標(biāo)簽時(shí)，它們對(duì)模糊感覺(jué)敏感，這也有助于鑒定。
參考圖8B，通過(guò)在信息層804和第一漫反射偏振層801a之間插入透明分隔層809，產(chǎn)生了另一實(shí)施例。較佳的是，層809是空氣或其它流體材料，通過(guò)向保護(hù)層803施加壓力，該流體材料能被從偏振層801a和信息層804之間排出。在施加壓力之前，包括透明層809的安全部分820阻擋了從位置1或位置3觀(guān)察信息層804。通過(guò)施加壓力，使得除去層809，發(fā)生圖8A中所述的情況，其中可靠標(biāo)簽的信息層804從位置1看雖然可視，但是模糊的，從位置3看是清晰的?？梢酝ㄟ^(guò)透明板，或通過(guò)合適的環(huán)形物或其它包含孔的裝置，以施加合適的壓力，在施加壓力期間通過(guò)該孔可以觀(guān)察信息層804。層809的合適流體材料包括空氣或其它氣體，以及透明液體。在沒(méi)有用機(jī)械手段施加壓力時(shí)，層804和801a可以保持分離，這些手段如通過(guò)將細(xì)微的波紋組合入這些層中，或者通過(guò)液壓，如果層809是由能被加壓的流體組成的。應(yīng)該理解提供被層809所排斥流體的合適出口或容器也是有用的。
使用DRP的安全標(biāo)簽還可以被制作成應(yīng)用分離的觀(guān)察裝置，辨認(rèn)標(biāo)簽的人可以將觀(guān)察裝置和標(biāo)簽一起使用。參考圖8C，觀(guān)察層802可以是一種類(lèi)型的偏振層，例如吸收偏振器或其他偏振材料。觀(guān)察層802和保護(hù)層803之間的距離d不是很?chē)?yán)格，它可以是任何允許觀(guān)察者1讀取信息層804的方便距離。由于觀(guān)察層802可重復(fù)使用，所以就不會(huì)遭遇與帶有標(biāo)簽的一次性層所相同的成本約束問(wèn)題。安全層830包括漫反射偏振層801和保護(hù)層803。觀(guān)察者1通過(guò)觀(guān)察層802觀(guān)看信息層804，例如首先從觀(guān)察層802之透射軸與層801之透射軸正交的方向觀(guān)察信息層804。用這種方式觀(guān)察，可靠標(biāo)簽信息層804的顯示較模糊。然后將觀(guān)察層802轉(zhuǎn)動(dòng)到其透射軸與層801之透射軸平行的方向，于是可靠標(biāo)簽信息層804的顯示較清晰。
在另一實(shí)施例中，如圖8D所示，安全部分840包括透明分隔層809，漫反射偏振層801和保護(hù)層803。然后觀(guān)察者1通過(guò)觀(guān)察層802觀(guān)察信息層804，其取向?yàn)橛^(guān)察層802的透射軸與層801的透射軸正交。在這種情況下，信息層804的圖像完全被阻擋，而不是僅僅模糊，當(dāng)沒(méi)有分隔層809時(shí)，和以上圖8C中所示實(shí)例的情況相同。然后將觀(guān)察層802轉(zhuǎn)動(dòng)到其透射軸與層801之透射軸平行的方向，于是信息層804的顯示較清晰，與以上實(shí)例中相同。
應(yīng)該理解在以上實(shí)施例中，和本發(fā)明的一些應(yīng)用中，保護(hù)層803是任選的，層801可以是實(shí)質(zhì)耐用的，并在沒(méi)有附加保護(hù)下使用。對(duì)本領(lǐng)域中具有一般技能的技術(shù)人員，以上實(shí)施例的其它變化是顯而易見(jiàn)的。
對(duì)于很多應(yīng)用，場(chǎng)致發(fā)光板是方便有效的光源，因?yàn)樗木o密度和輕量化。此外，很多這種應(yīng)用需要產(chǎn)生偏振光的光平面。這種需要的一個(gè)實(shí)例是液晶顯示器。因此需要使用這種光源有效地產(chǎn)生偏振光線(xiàn)，而不增加系統(tǒng)的額外重量和大小。
參考圖9，提供了使用漫反射偏振層901的場(chǎng)致發(fā)光板900，以提供偏振光。在工作中，當(dāng)通過(guò)例如電源910將電壓施加在透明電極902和904之間時(shí)，光發(fā)射層903(如熒光劑層)發(fā)射光線(xiàn)。層903向所有方向發(fā)射光線(xiàn)，所以加入反射器905使光線(xiàn)朝向DRP層901的一般方向。應(yīng)該理解電極904可以是金屬反射電極，因此不需要分離反射器905。發(fā)射層903發(fā)射的光通過(guò)透明電極902透射，到達(dá)漫反射偏振層901，漫反射偏振層901透射偏振P1的光906，并漫反射偏振P2的光907。光907進(jìn)一步漫射和反射，偏振發(fā)生變化，其中的部分最終從層903中形成偏振P1的光906’。部分907’再次漫反射回層903，其中它的偏振再次改變，由于漫射、反射和其它偏振改變現(xiàn)象，直到它最終從層903中形成并透射成光906″。該光重復(fù)利用的結(jié)果是，增加了場(chǎng)致發(fā)光板900所發(fā)射適當(dāng)偏振光的數(shù)量。在一些情況下，有用的是除了發(fā)射熒光劑材料，在層903中再組合如一些材料，以增加發(fā)射層903的反射和偏振改變效率。
DRP層901和發(fā)射層/反射器還可以被優(yōu)化以重復(fù)利用光線(xiàn)。例如，DRP層901和具有較低去偏振特征的發(fā)射層可以將漫反射光實(shí)質(zhì)去偏振以便于光重復(fù)利用。如上所述另一種方案是，可以設(shè)置兩個(gè)元件的角偏振特征，使得發(fā)射層將入射角處的光線(xiàn)有效地去偏振，該光線(xiàn)包括相當(dāng)多的非去偏振光，反之亦然。
如上所述，本發(fā)明可用于多種使用漫反射偏振器的不同裝置。因此，不應(yīng)該認(rèn)為本發(fā)明只限于上述特殊實(shí)施例，而應(yīng)該理解成覆蓋附帶中所述本發(fā)明的所有方面。對(duì)于本領(lǐng)域中具有一般技能的技術(shù)人員通過(guò)檢閱本說(shuō)明書(shū)，可使用本發(fā)明的各種變化，等價(jià)過(guò)程，以及多種結(jié)構(gòu)是顯而易見(jiàn)的。權(quán)利要求書(shū)試圖覆蓋這種變化和裝置。
權(quán)利要求
1.一種顯示裝置，其特征在于，它包括光調(diào)制層，其具有第一表面；光空腔，用于將光線(xiàn)提供給光調(diào)制層；光導(dǎo)，用于接收光空腔發(fā)出的光，并以相對(duì)于光調(diào)制層第一表面的小角度輸出光；轉(zhuǎn)向透鏡，用于接收光導(dǎo)輸出的小角度光，并改變光線(xiàn)方向，使它朝向光調(diào)制層；漫反射偏振器，配置在轉(zhuǎn)向透鏡和光調(diào)制層之間，用于接收改向光線(xiàn)，并向光調(diào)制層透射改向光線(xiàn)中第一偏振分量，并漫反射改向光線(xiàn)中不同于第一偏振的第二偏振分量。
2.如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于，小角度小于20°。
3.如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于，轉(zhuǎn)向透鏡包括朝向漫反射偏振器的相對(duì)平面表面和朝向光導(dǎo)的結(jié)構(gòu)表面。
4.如權(quán)利要求1所述的顯示裝置，其特征在于，還包括漫射層，它配置在漫反射偏振器和光調(diào)制層之間，用于漫射漫反射偏振器所透射的光線(xiàn)。
5.一種照明系統(tǒng)，它包括光源，用于產(chǎn)生光線(xiàn)；和反射器，它包括接近于光源配置的漫反射偏振器和遠(yuǎn)離光源配置的鏡面反射器；其特征在于，光線(xiàn)中第一偏振分量被漫反射偏振器透射，被鏡面反射器鏡面反射，并通過(guò)漫反射偏振器再次透射，以提供具有第一分布和第一偏振狀態(tài)的鏡面反射光；光線(xiàn)中不同的第二偏振分量被漫反射偏振器漫反射，以提供具有不同于第一分布的第二分布的漫反射光。
6.如權(quán)利要求5所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，反射器繞光源彎曲，使得第一偏振的鏡面反射光具有實(shí)質(zhì)均勻的分布。
7.如權(quán)利要求5所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，還包括反射遮光柵，用于接收并反射光線(xiàn)中具有第一和第二偏振的分量。
8.如權(quán)利要求7所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)遮光柵包括漫反射偏振器，用于漫反射第二偏振光并鏡面反射第一偏振光，和與漫反射偏振器相連的鏡面反射器，用于接收和鏡面反射漫反射偏振器所透射的第一偏振光。
9.如權(quán)利要求8所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，第二偏振的漫反射光是P-偏振光，第一偏振的鏡面反射光是S-偏振光。
10.一種照明系統(tǒng)，其特征在于，它包括光源，用于產(chǎn)生光線(xiàn)；和反射遮光柵，用于接收光線(xiàn)，并鏡面反射S-偏振光和漫反射P-偏振光。
11.如權(quán)利要求10所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)遮光柵包括接近于光線(xiàn)配置的漫反射偏振器，用于漫反射P-偏振光并鏡面反射S-偏振光，和遠(yuǎn)離光線(xiàn)配置的鏡面反射器，用于鏡面反射通過(guò)漫反射偏振器透射的S-偏振光，其中鏡面反射光通過(guò)漫反射偏振器再次透射，以提供鏡面反射S-偏振光。
12.如權(quán)利要求10所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，遮光柵被轉(zhuǎn)軸固定到框架上。
13.一種顯示裝置，其特征在于，它包括光調(diào)制層；光空腔，適于將光線(xiàn)提供給光調(diào)制層，光空腔反射入射光并對(duì)入射光有第一程度的去偏振作用；和漫反射偏振器，它配置在光調(diào)制層和光空腔之間，用于透射光空腔提供的用于觀(guān)察的第一偏振光分量，并漫反射從光空腔接收到的第二偏振光分量，該偏振器以大于第一程度去偏振的第二程度去偏振作用漫反射第二偏振光，以提供第一偏振光；其中漫反射光中至少一部分第一偏振光被光空腔沒(méi)有去偏振地反射到漫反射偏振器，用于從中透射過(guò)。
14.一種顯示裝置，其特征在于，它包括光空腔，用于提供光線(xiàn)；和漫反射偏振器，用于接收光線(xiàn)，選擇漫反射偏振器的分散相濃度，以提供期望的增益分布。
15.如權(quán)利要求14所述的顯示裝置，其特征在于，分散相濃度按重量為30％或更多。
16.如權(quán)利要求14所述的顯示裝置，其特征在于，分散相濃度按重量為35％或更多。
17.如權(quán)利要求14所述的顯示裝置，其特征在于，分散相濃度按重量為40％或更多。
18.一種顯示裝置，其特征在于，它包括發(fā)射元件，用于提供光線(xiàn)；和對(duì)比度增強(qiáng)濾光片，它配置在元件觀(guān)察側(cè)上，濾光片包括吸收偏振器和比吸收偏振器更接近于元件配置的反射偏振器。
19.如權(quán)利要求18所述的顯示裝置，其特征在于，反射偏振器是漫反射偏振器。
20.如權(quán)利要求18所述的顯示裝置，其特征在于，元件具有側(cè)向尺寸，其中漫反射偏振器離開(kāi)元件的距離不大于側(cè)向尺寸的3倍。
全文摘要
本發(fā)明提供了使用反射偏振器,尤其是漫反射偏振器的光學(xué)裝置。很多光學(xué)裝置使用漫反射偏振器的漫反射和鏡面透射性質(zhì),以增強(qiáng)其光學(xué)特征。光學(xué)裝置包括照明系統(tǒng),它使用由漫反射偏振器連接到鏡面反射器而形成的反射器。另一光學(xué)裝置是顯示裝置,它使用與轉(zhuǎn)向透鏡結(jié)合的漫反射偏振層,它向光調(diào)制層折疊小角度光線(xiàn)。當(dāng)反射光線(xiàn)時(shí),其它光學(xué)裝置使用漫反射偏振器的去偏振特征。還有的光學(xué)裝置使用漫反射偏振器重復(fù)利用光線(xiàn),并增加顯示亮度。
文檔編號(hào)G02F1/1335GK1352751SQ99816759
公開(kāi)日2002年6月5日 申請(qǐng)日期1999年7月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月22日
發(fā)明者R·C·阿倫, 小S·科布, E·M·克羅斯, T·J·內(nèi)維特, A·J·烏德柯克, R·J·塔巴, D·L·沃特曼, S·L·肯特 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司