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CN110187562A - 一种液晶显示器件及显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及显示技术领域，特别涉及一种液晶显示器件及显示装置。该液晶显示器件包括：背光组件、彩膜基板以及设置于背光组件与彩膜基板之间的液晶结构；背光组件用于沿背光组件指向彩膜基板的方向发射自然光束；背光组件与液晶结构之间设置有偏振组件，用于将自然光束转换为偏振光线并进入液晶结构；彩膜基板与液晶结构之间设置有液晶偏振膜，液晶偏振膜内的液晶在液晶偏振膜的厚度方向上相互水平，用于根据光线的偏振状态改变光线的传播方向以使光线射向彩膜基板的显示区或非显示区。该液晶显示器件中，通过改变入射自然光的偏振态实现彩膜基板的灰阶显示，以更简单的液晶驱动方式实现更精准的液晶控制，有利于实现更精准的灰阶显示。

Description

一种液晶显示器件及显示装置
技术领域
本发明涉及显示技术领域，特别涉及一种液晶显示器件及显示装置。
背景技术
液晶显示器是目前大规模使用的显示器件，其具有色域高、轻薄化、响应时间快等一系列的优点，在理论研究以及实际工艺方面都有着成熟的技术。由于液晶显示技术有着出色的显示特性以及多种变形结构，可以满足不同显示场景的具体需求，例如3D显示、防窥显示、透明显示、VR/AR显示等等。
基于对现有器件显示原理的优化，提出了光指向显示的思想，即器件无需偏振片或者只需要一张偏振片，但是已有的控制光线的方式需要液晶的精细调节，对于液晶驱动设计提出了极高的要求，而且液晶调节的精度往往不尽如人意，需要进一步的优化与改进。
因此，现有的液晶光指向显示器件一般采用液晶衍射光栅或者液晶斜棱镜的方式，实现光线的打散或者角度偏转实现灰阶显示。其中液晶光栅的方式主光线无法偏折出射，影响器件效率；而液晶棱镜的方式需要复杂的驱动方式，并且很难形成精确的液晶控制。
发明内容
本发明公开了一种液晶显示器件及显示装置，用于通过改变入射自然光的偏振态实现彩膜基板的灰阶显示，以更简单的液晶驱动方式实现更精准的液晶控制。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种液晶显示器件，包括：背光组件、彩膜基板以及设置于所述背光组件与彩膜基板之间的液晶结构；
所述背光组件用于沿所述背光组件指向所述彩膜基板的方向发射自然光束；
所述背光组件与所述液晶结构之间设置有偏振组件，用于将所述自然光束转换为偏振光线并进入所述液晶结构；
所述彩膜基板与所述液晶结构之间设置有液晶偏振膜，所述液晶偏振膜内的液晶在所述液晶偏振膜的厚度方向上相互水平，用于根据光线的偏振状态改变光线的传播方向以使光线射向所述彩膜基板的显示区或非显示区。
上述液晶显示器件中，背光组件发出的自然光束经偏振组件后转换为偏振光，再经液晶结构改变光线的传播方向，最后光线经偏振膜发生干涉实现角度偏折，使得光线照射到彩膜基板的显示区或非显示区，当光线射向彩膜基板的显示区，实现亮态显示，当光线射向彩膜基板的非显示区，实现暗态显示。可以看出，该液晶显示器件中，通过改变入射自然光的偏振态实现彩膜基板的灰阶显示，以更简单的液晶驱动方式实现更精准的液晶控制，有利于实现更精准的灰阶显示。
可选地，所述偏振组件包括自所述背光组件指向所述彩膜基板依次设置的第一偏振片和λ/4波片；
所述偏振片用于将所述自然光束转换为线偏振光；
所述λ/4波片的光轴方向与所述第一偏振片的透射轴方向呈45°夹角；
所述液晶结构的液晶层厚度为Δnd＝λ/2；
其中，Δn为折射率各向异性，d为所述液晶层厚度，λ为所述自然光束的波长。
可选地，所述偏振组件包括第二偏振片，所述液晶结构的液晶层厚度为Δnd＝3λ/4；
其中，Δn为折射率各向异性，d为所述液晶层厚度，λ为所述自然光束的波长。
可选地，所述液晶结构包括液晶层以及设置于所述液晶层两侧的取向膜。
可选地，所述背光组件包括玻璃衬底、光源以及取光光栅；
所述玻璃衬底具有两个相对的全反射表面；
所述光源设置于所述玻璃衬底的侧面；
所述取光光栅设置于所述玻璃衬底朝向所述偏振组件一侧的全反射表面。
可选地，所述玻璃衬底朝向所述偏振组件的一侧设置有与所述取光光栅同层的平坦层。
可选地，所述彩膜基板包括依次设置于所述偏振组件背离所述背光组件一侧的彩膜层和玻璃基板；
所述彩膜层包括同层设置的黑矩阵和彩色像素层。
可选地，所述彩色像素层为量子点彩膜；或，所述彩色像素层为掺杂有散射粒子的彩色滤光层。
可选地，所述彩膜基板与所述液晶偏振膜之间设置有隔离层。
一种显示装置，所述显示装置包括如上述技术方案提供的任一种所述的液晶显示器件。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种液晶显示器件的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种液晶显示器件中的液晶偏振膜的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种液晶显示器件使得光线最终射向彩膜基板的非显示区的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种液晶显示器件使得光线最终射向彩膜基板的显示区的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种液晶显示器件选用方式一的偏振组件的结构示意图；
图6和图7为本发明实施例提供的一种液晶显示器件选用方式一的偏振组件的工作原理示意图；
图8和图9为本发明实施例提供的一种液晶显示器件选用方式二的偏振组件的工作原理示意图。
附图标记：11-玻璃衬底；12-光源；13-取光光栅；14-平坦层；2-偏振组件；21-第一偏振片；22-λ/4波片；31-液晶层；32-取向膜；4-液晶偏振膜；511-黑矩阵；512-彩膜层；52-玻璃基板；6-隔离层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图9所示，本发明实施例提供了一种液晶显示器件，包括：背光组件、彩膜基板以及设置于背光组件与彩膜基板之间的液晶结构；背光组件用于沿背光组件指向彩膜基板的方向发射自然光束；背光组件与液晶结构之间设置有偏振组件2，用于将自然光束转换为偏振光线并进入液晶结构；彩膜基板与液晶结构之间设置有液晶偏振膜4，液晶偏振膜4内的液晶在液晶偏振膜4的厚度方向上相互水平，用于改变光线的传播方向以使光线射向彩膜基板的显示区或非显示区。
其中，背光组件能够发出指向彩膜基板方向的自然光束，其自然光束的发射方向垂直于背光组件，此时的自然光束光波矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则取向。
当背光组件发出的自然光束射入偏振组件2，偏振组件2对自然光束的光波振动方向取向，使得自然光束的光线转换为具有特定振动方向的偏振光并进入液晶结构。
进入液晶结构的偏振光根据液晶结构的驱动状态改变偏振状态，此时，进入液晶结构的偏振光自液晶结构射出时转变为圆偏振光，其中，圆偏振光的旋向需要根据液晶结构的驱动状态决定。
具体地，如图1所示，液晶结构包括液晶层31以及设置于液晶层31两侧的取向膜32，液晶层31内的液晶分子取向与液晶结构的厚度方向垂直，即平行于实施例中的彩膜基板以及背光组件。用于驱动液晶层31的电极分别位于液晶结构的两侧以对液晶层31形成竖直电场，液晶分子受到竖直电场的驱动而翘起，翘起角度的变化会改变液晶的Δn值，从而改变光程差以及光线的偏振态。其中，由于液晶分子是被整面驱动的，所以只需要上下电极的两个电压信号，可以最大程度优化驱动信号。
自液晶结构射出的圆偏振光进入液晶偏振膜4，如图2所示，由于液晶偏振膜4中的液晶在厚度方向上相互水平，即液晶处于与液晶偏振膜4的厚度方向垂直的水平面内，且液晶在其所处的水平面连续旋转，圆偏振光经过液晶偏振膜4的不同位置时光线的偏振状态会发生连续的变化，不同偏振态的圆偏振光之间相互干涉，圆偏振光在射出时旋向改变，光线的传播方向发生偏折。以图3和图4所示结构中彩膜基板的非显示区和显示区的位置与背光组件射出自然光束的射出位置为例(非显示区位于自然光束射出方向的左侧)，如图6或图8所示，当液晶结构射出的光线为左旋圆偏振光，经过液晶偏振膜4后的左旋圆偏振光转换为右旋圆偏振光，且光线向左偏折射向彩膜基板的非显示区(光线路径如图3所示)，实现暗态显示；如图7或图9所示，当液晶结构射出的光线为右旋圆偏振光，经过液晶偏振膜4后的右旋圆偏振光转换为左旋圆偏振光，且光线向右偏折射向彩膜基板的显示区(光线路径如图4所示)，实现亮态显示。
光线自液晶偏振膜4射出后，射向彩膜基板，彩膜基板最终呈现显示图像。其中，彩膜基板具有显示区和非显示区。当光线射向彩膜基板的显示区，彩膜基板实现亮态显示，当光线射向彩膜基板的非显示区，彩膜基板实现暗态显示。
上述液晶显示器件中，背光组件发出的自然光束经偏振组件2后转换为偏振光，再经液晶结构改变光线的传播方向，最后光线经偏振膜发生干涉实现角度偏折，使得光线照射到彩膜基板的显示区或非显示区，当光线射向彩膜基板的显示区，实现亮态显示，当光线射向彩膜基板的非显示区，实现暗态显示。可以看出，该液晶显示器件中，通过改变入射自然光的偏振态实现彩膜基板的灰阶显示，以更简单的液晶驱动方式实现更精准的液晶控制，有利于实现更精准的灰阶显示。
进一步地，如图1所示，本实施例中的背光组件包括玻璃衬底11、光源12以及取光光栅；玻璃衬底11具有两个相对的全反射表面；光源12设置于玻璃衬底11的侧面；取光光栅13设置于玻璃衬底11朝向偏振组件2一侧的全反射表面。
玻璃衬底11为板面状结构，其两个相对的表面分别为全反射表面，使得光线在玻璃衬底11内实现全反射。因此，设置于玻璃衬底11侧面的光源12发出的初始光线进入玻璃衬底11后在玻璃衬底11的两个相对的全反射表面之间不断反射。
设置于玻璃衬底11朝向偏振组件2一侧的全反射表面的取光光栅13破坏了初始光线的全反射传播，并改变光线传播方向，使得光线自取光光栅13的所在位置以垂直于玻璃衬底11的方向向彩膜基板射出自然光束。
光源12发出的光线自玻璃衬底11的侧边射入玻璃衬底11，由于玻璃衬底11的两个表面为全反射表面，光线在玻璃衬底11内全反射传播，设置于玻璃衬底11其中一个全反射表面的取光光栅13能够将光线的全反射传播破坏使得光线自取光光栅13以垂直于玻璃衬底11且背离玻璃衬底11的方向射出，偏振组件2将光线转换并得到角度偏移的光线，当光线射向彩膜基板的显示区，实现亮态显示，当光线射向彩膜基板的非显示区，实现暗态显示。
为了平坦取光光栅13所带来的高度变化，玻璃衬底11朝向偏振组件2的一侧设置有与取光光栅同层的平坦层14，方便偏振组件2的设置。
具体地，如图1所示，彩膜基板包括依次设置于偏振组件2背离背光组件一侧的彩膜层512和玻璃基板52；如图3和图4所示，彩膜层512包括同层设置的黑矩阵511和彩色像素层，黑矩阵511形成彩膜基板的非显示区，彩色像素层形成彩膜基板的显示区。
需要说明的是，此处的彩色像素层可以选用量子点彩膜，也可以选用掺杂有散射粒子的彩色滤光层，能够在实现彩色显示的同时将光线方向打散，满足显示需求。
此外，彩膜基板的彩膜层512与液晶偏振膜4之间设置有隔离层6。
具体地，进入液晶偏振膜4的光线的偏振状态由偏振组件2和液晶结构共同决定。本实施例中的偏振组件2可以至少有以下两种实施方式。
方式一
如图5所示，偏振组件2包括自背光组件指向彩膜基板依次设置的第一偏振片21和λ/4波片22；偏振片用于将自然光束转换为线偏振光；λ/4波片22的光轴方向与第一偏振片21的透射轴方向呈45°夹角；
其中，Δn为折射率各向异性，d为液晶层31厚度，λ为自然光束的波长。
第一偏振片21对背光组件的自然光束取向，使得自然光束的光线变成线偏振光。而λ/4波片22则对上述线偏振光进一步转换，使得线偏振光变成圆偏振光，最终进入液晶结构的光线为圆偏振光。
液晶结构的液晶层31厚度为Δnd＝λ/2，液晶层31内的液晶分子在不同的驱动状态下呈现不同的状态，经过液晶结构的圆偏振光由于液晶分子的状态得到不同的偏振状态。当液晶结构的液晶层31不被驱动，圆偏振光经过液晶结构后旋向发生变化，当液晶结构的液晶层31被驱动，液晶分子竖起，圆偏振光经过液晶结构后旋向不发生变化。如图6和图7所示的工作原理图，以自偏振组件2射出的光线为右旋圆偏振光为例，液晶层31不被驱动时，右旋圆偏振光经过液晶结构转换为左旋圆偏振光，液晶层31被驱动时，右旋圆偏振光经过液晶结构后依旧为右旋圆偏振光。
方式二
偏振组件2包括第二偏振片，液晶结构的液晶层31厚度为Δnd＝3λ/4；
其中，Δn为折射率各向异性，d为液晶层31厚度，λ为自然光束的波长。
第二偏振片能够对背光组件发出的自然光束取向得到线偏振光，该偏振光进入液晶层31厚度为Δnd＝3λ/4的液晶结构后根据液晶层31的驱动状态能够满足不同的光线传播条件，最终得到不同旋向的圆偏振光。
如图8和9所示，当液晶结构的液晶层31不被驱动，上述偏振光经过液晶结构后变成左旋圆偏振光；当液晶结构的液晶层31被驱动，液晶结构的液晶层31满足Δnd＝λ/4的光线传播条线，上述偏振光经过液晶结构后变成右旋圆偏振光。需要说明的是，在液晶层31内的液晶分子逐渐被竖直电场驱动竖起的过程中Δnd逐渐变化，光线逐渐从左旋偏振光变成右旋偏振光。
基于同样的发明思路，本发明实施例还提供一种显示装置，该显示装置包括如上述实施例提供的任一种液晶显示器件，能够取得上述液晶显示器件所能取得的所有有益效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种液晶显示器件，其特征在于，包括：背光组件、彩膜基板以及设置于所述背光组件与彩膜基板之间的液晶结构；
所述背光组件用于沿所述背光组件指向所述彩膜基板的方向发射自然光束；
所述背光组件与所述液晶结构之间设置有偏振组件，用于将所述自然光束转换为偏振光线并进入所述液晶结构；
所述彩膜基板与所述液晶结构之间设置有液晶偏振膜，所述液晶偏振膜内的液晶在所述液晶偏振膜的厚度方向上相互水平，用于根据光线的偏振状态改变光线的传播方向以使光线射向所述彩膜基板的显示区或非显示区。
2.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其特征在于，所述偏振组件包括自所述背光组件指向所述彩膜基板依次设置的第一偏振片和λ/4波片；
所述偏振片用于将所述自然光束转换为线偏振光；
所述λ/4波片的光轴方向与所述第一偏振片的透射轴方向呈45°夹角；
所述液晶结构的液晶层厚度为Δnd＝λ/2；
其中，Δn为折射率各向异性，d为所述液晶层厚度，λ为所述自然光束的波长。
3.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其特征在于，所述偏振组件包括第二偏振片，所述液晶结构的液晶层厚度为Δnd＝3λ/4；
其中，Δn为折射率各向异性，d为所述液晶层厚度，λ为所述自然光束的波长。
4.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其特征在于，所述液晶结构包括液晶层以及设置于所述液晶层两侧的取向膜。
5.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其特征在于，所述背光组件包括玻璃衬底、光源以及取光光栅；
所述玻璃衬底具有两个相对的全反射表面；
所述光源设置于所述玻璃衬底的侧面；
所述取光光栅设置于所述玻璃衬底朝向所述偏振组件一侧的全反射表面。
6.根据权利要求5所述的液晶显示器件，其特征在于，所述玻璃衬底朝向所述偏振组件的一侧设置有与所述取光光栅同层的平坦层。
7.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其特征在于，所述彩膜基板包括依次设置于所述偏振组件背离所述背光组件一侧的彩膜层和玻璃基板；
所述彩膜层包括同层设置的黑矩阵和彩色像素层。
8.根据权利要求7所述的液晶显示器件，其特征在于，所述彩色像素层为量子点彩膜；或，所述彩色像素层为掺杂有散射粒子的彩色滤光层。
9.根据权利要求1所述的液晶显示器件，其特征在于，所述彩膜基板与所述液晶偏振膜之间设置有隔离层。
10.一种显示装置，其特征在于，所述显示装置包括如权利要求1-9中任一项所述的液晶显示器件。
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