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CN1315012A - 具有受控光分布的反射式光学偏振装置及装有它的液晶显示器 - Google Patents

具有受控光分布的反射式光学偏振装置及装有它的液晶显示器 Download PDF

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Abstract

一种反射可控角度范围内的一个偏振方向的光的光学偏振装置(45),和装有它的改进的扭曲排列的向列液晶显示器装置(60),包括有支承在网状基片上的导电元件(46)格栅,使一个偏振方向的光在反射垂直偏振光时透过格栅。该反射光的角度分布由基片的网纹结构决定。液晶显示器实施例包括一个用环境光在前面照明的专门的结构和一个由内部光源进行前部照明和背部照明的结构。

Description

具有受控光分布的反射式 光学偏振装置及装有它的液晶显示器
发明的背景
1、本发明的领域
本发明涉及一种漫射和非镜面反射式偏振装置，尤其适合于液晶显示器。特别是，本发明涉及一种偏振装置，它具有多个薄的、细长的元件，用于(ⅰ)透射具有垂直于该元件的偏振方向的光，(ⅱ)反射具有平行于该元件的偏振方向的光，其中每个细长的元件具有一个与其一起限定网状表面的的外露表面以便以漫射方式或相对于一个参考平面以非镜面的方式反射第二偏振光。
2、现有技术
典型的液晶显示装置包括夹在前和后透明板之间的液晶材料层。透明电极位于透明板的内表面上并用于施加改变液晶层的透光性的电信号。透明电极一般制成确定显示装置的象素结构的样式。
优选的和最通用的液晶显示器的形式为公知的“扭曲排列的向列式”液晶效果。扭曲排列的向列式效果是最好的，因为它提供了最好的对比度、与电流驱动电路技术相兼容的低驱动电压和锐响应阈、宽视角和良好的灰度再现。
在扭曲排列的向列液晶显示器中，显示器夹层也包括固定在前和后透明板外部并具有偏振正交轴的线性偏振器。液晶层设计成使透过该层的光的偏振向量在未施加电场时转动90度，而在施加电场时不转动。因此，在未施加电场时，经一个偏振器透射的光重新定向以穿过相对的偏振器，使得控制板透明并明亮地显现给观察者。在施加电场时，经一个偏振器透射的光不转动且因此而被第二偏振器挡住。使得控制板不透明并不显现给观察者。用这种方式，透明电极可被用于将电场施加给控制板的选择的区域以产生光形式的可视图象和暗的象素。
在许多应用中，液晶显示装置由位于夹层背面后的光源照明并从相对的一侧观看。在这种情况下，可视图象由单次经过控制板的光产生。但是，在某些应用中，如便携式通讯设备中要求低能耗且显示器主要由环境光照明。在这种情况下，反射式元件位于液晶夹层的后面以便环境光透过夹层、从反射式元件反射并从反方向再次穿过夹层到达观察者处。这样，由观察者所看到的图象由穿过液晶装置两次的光形成。
具有现行的环境照明的扭曲排列的向列液晶装置的问题涉及光两次通过该装置的情况。最主要的问题是通常所说的“视差”问题，它是因反射器位于后透明板和后线性偏振器的后面的离液晶层相当距离处。进入显示器的环境光由液晶层进行空间调制以形成光投射到后反射器上的亮和暗区的样式。反射后，光以相反的方向穿过液晶装置并再次进行空间调制。但是，由于显示器正对着照明而以与显示器表面倾斜的角度进行观看，两次穿过液晶夹层形成的图象没有重合且是重影，或是大多数情况下阴影被观察者看到。虽然对于低分辨显示器如用于便携式电话和计算器中的那些显示器，阴影普遍被接收，该现象限制了环境照明的扭曲排列的向列液晶装置的分辨率、或缩小了象素大小，并妨碍了需要高信息密度显示器的产品如膝上型计算机的应用。
现有的环境照明的扭曲排列的向列液晶装置的另一个问题是因线性偏振器的吸收引起的亮度的额外的损失。注意这对在吸收100％的正交偏振的光时透射100％的一个偏振方向的光的理想的偏振器来讲不是问题。但是，现有的线性偏振器只透射90％或更少的优选的偏振方向的光。在第二次穿过液晶夹层时的额外的吸收导致了至少20％的可显示亮度的损失。
已公开了用于消除环境照明的扭曲排列的向列液晶装置中的视差备选的方法。一种方法是在美国专利4,492,432和5,139,340中所公开的利用仅在显示器前部需要一个偏振器的交变的液晶光电现象。由于不需要后偏振器，后反射器可紧挨着液晶层放在后透明板的内表面上。在这种方法消除视差问题的同时，采用该方法的显示器不提供高对比度、宽视角、快响应、和扭曲排列的向列液晶装置所提供的平滑的灰度再现。
另一种方法是聚合物扩散的液晶显示器(PDLC)，其中液晶层自身作为漫反射器，消除对偏振器或单独的反射器的需求。当这种方法提供高显示亮度的电势的时候，PDLC需要不与现有的驱动电路技术兼容的高驱动电压和复杂的驱动波形。所给出的这些具有可选择的技术的问题对现有技术中的发展显示器技术是一个促进，它在消除视差问题的同时保留了扭曲排列的向列液晶装置的优点。
Grinberg公开的美国专利4,688,897提出了通过在扭曲排列的向列液晶装置内使用导线格栅反射式偏振器来改进环境光照明的扭曲排列的向列液晶装置。该导线格栅用作后偏振器，作为镜面反射器并作为与液晶层的后面的电接触。在该方法依据具有与液晶层紧密接触的后反射器消除视差同时，这样做牺牲了使用镜面的而不是漫射的反射器的扭曲排列的向列显示器的有吸引力的特性。
人们早就认识到在环境光照明的扭曲排列的向列液晶显示器中有三个理由不接受镜面反射器。第一，镜面的反射图象必须沿与来自前表面和显示器夹层的内表面自然产生的镜面反射同样的轴进行观察。这些面反射(没进行空间调制而形成图象)可以是5％或更多的入射光。由于偏振元件的吸收，显示器图象的最大亮度不能多于40％的入射光。这样，显示器的可能的最大对比度是40％/5％或8∶1，且可能更少。第二，带有镜面反射器的显示器的视角和亮度严格地由照明光来决定。例如，当显示器的性能可在漫射的室内照明的情况下被接受的同时，在用点光源照明时视角极小，而在阳光直接照射的情况下观察时显示器的亮度将超出肉眼的识别能力。第三，带有镜面反射器的显示器常具有因装置内的多重反射产生的令人讨厌的彩色条纹。对于这些原因，当把偏振器和反射器移进液晶单元中以消除视差问题时，上述方案没提供改进的环境光照明液晶显示装置。因此，还需要在保持扭曲排列的向列液晶现象的优点的同时克服视差问题的改进的环境光照明显示器。
因此，要优先开发具有减少的视差的液晶显示装置，或能减小或消除视差的偏振装置。还要优先开发能漫反射光的偏振装置。也要优先开发能以非镜面方式反射一个偏振方向的光的偏振装置。
本发明的目的和概述
本发明的一个目的是提供将光源的光分成两个正交偏振的分量，其一个分量既被吸收也被透射，而另一个分量在整个可控角度范围内被漫反射或以非镜面方式反射。
本发明的另一个目的是提供一种具有与现有的驱动电路兼容的低驱动电压、高对比度、无视差现象和重影的高分辨率及可控视角的改进的环境光照明的液晶显示装置。
本发明的这些和其它目的和优点由一个偏振装置实现，它具有平行设置的多个薄的、细长的元件，每个具有一起形成网状表面的外露表面。该元件排列在源光束中，以便从总体上(ⅰ)透射具有垂直于该元件的偏振方向的光，以及(ⅱ)反射具有平行于该元件的偏振方向的光。
大多数细长的元件共有与参考平面共同的方向和一个与参考平面垂直的共同的参考轴。元件的外露表面确定了多个限定网状表面的单元表面。因此，多个网状表面的单元表面的每一个都以漫射方式或以各种角度反射一个偏振方向的光。
每个单元表面有一个垂直于单元表面的单元轴。大多数单元表面不与参考平面共面或平行。这样，单元表面具有不同于有效平均高度的升高。大多数单元表面的单元轴形成了与公共参考角不同的角度的范围。多个单元表面具有限定一峰值的升高部分和限定一谷值的降低部分。每个单元表面具有单元表面相对侧之间的大小或直径。该直径平行于细长的元件。大多数网状表面由具有大于可见光或近可见光的波长的直径或距离的单元表面形成。
细长的元件的外露表面也确定了可为波浪形的横截面。该波浪形的横截面可以是周期性的或不规则性的。另外，该波浪形横截面可由曲面或平面确定。外露表面也可确定多个凹槽或突起。该突起可以是凸的或平的。同样，该凹槽可以是凹的或平的。
该偏振装置还可具有其上设置有元件的基片。该基片有被网纹化的表面，形成了对元件的外露表面的对应的网状表面。
另外，大多数单元表面的轴具有与参考轴相似的方向，但与参考轴的角度不同，以便相对于参考平面以非镜面的方式反射第二偏振方向的光。
偏振装置可在液晶材料后形成偏振器或漫反射器。另外，偏振装置也可提供电接触，或建立一个等电势的平面，以便作为电极并产生横跨液晶材料的电场。多个短接棒(shorting bar)可电连接到元件的片段上以确保完全的电连接。
本领域普通技术人员将通过下面的结合附图的详细说明更清楚地了解本发明的这些和其它目的、特点、优点和可选择的方面。
附图说明
图1是广泛地应用在便携式装置中的典型的环境光照明的扭曲排列的向列液晶显示装置的剖面图。
图2是在典型的环境光照明的扭曲排列的向列液晶显示装置中发生的视差或图像阴影的草图。
图3是采用Grinberg(美国专利4,688,897)的导线格栅偏振器的液晶显示装置的剖面图。
图4是从采用镜面反射器的液晶显示装置的反射的草图。
图5A是本发明优选实施例的漫反射偏振器的剖面图。
图5B是本发明优选实施例的漫反射偏振器的平面图。
图6是本发明另一实施例的采用漫反射偏振器的液晶显示装置的剖视图。
图7是从采用漫反射器的液晶显示装置反射的草图。
图8a本发明偏振装置的透视图。
图8b本发明偏振装置的透视图。
图9a本发明偏振装置的透视图。
图9b本发明偏振装置的透视图。
图10本发明偏振装置的透视图。
图11本发明偏振装置的透视图。
发明的详细描述
现在参考附图，在附图中本发明的各种元件都给出一个标号，且将对本发明进行讨论以使本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明。
为了说明本发明的特征，将描述关于一改进的环境照明的，或反射式扭曲排列的向列液晶显示器。但是，通过阅读说明书将明白本发明并不限于应用于这一显示器。图1是传统的反射式扭曲排列的向列液晶显示器10的剖面草图。该显示器包括夹在第一透明板12和第二透明板13之间的液晶层11。这些板12和13中的每一个都有一个或多个分别沉积在靠近液晶材料11的板12或13的表面上的透明电极14和15。第一偏振器16位于第一玻璃板12和光源19之间。第二偏振器17位于第二玻璃板13的后面，而漫反射板18位于第二偏振器17之后。
注意图1并不是按比例绘制的。特别是，为了清楚起见，液晶层11和透明电极14和15的厚度已被极大地放大。透明板12和13典型的实际厚度是0.5至1.1毫米(mm)。液晶层11和透明电极14和15的厚度分别是0.004毫米和0.0001毫米。
通过透明板12和13的表面的合适的处理，液晶材料11的分子可以调整成平行于板12和13的表面且处于最佳方向。在扭曲排列的向列液晶显示器中，透明板12和13是如此定向的，它使第一板12上的液晶的优选方向正交于第二板13的液晶的方向。这一定向造成了液晶材料的扭曲排列效果处于其放松状态。这一效果由Fergason进行了描述(美国专利3,731,986)。
第一偏振器16被定向成使其以取向平行于第一透光板12表面的液晶分子的偏振方向透射光，而第二偏振器17被定向成使其以取向正交于第一偏振器16的偏振方向的偏振方向透射光。
在没有施加电压时，液晶材料处于其放松状态。透过第一偏振器16的光进入液晶层11。沿液晶分子的取向的扭曲产生了光的偏振向量以便随着光通过液晶层11地转动90度，使得光从具有按要求取向的偏振向量的液晶层11射出以透过具有最小吸收能力的第二偏振器17。光从反射器18反射，且效果相同地以相反的顺序经偏振器16和17和液晶层11返回。因此，如果不施加电压，则显示器显示明亮。
当在透明电极14和15之间施加电压时，液晶分子朝与电场一致的实际上不扭曲分子的方向转动。在这一过程中，从第一偏振器16透射的光沿偏振向量的方向无改变地穿过液晶层11。这样该光不能穿过第二偏振器17并因此被吸收。这一吸收导致了对应于施加电场的区域的显示器表面的暗区的产生。通过把透明电极划分成图案型，可使显示器显示符号和其它信息。
图2是说明传统反射型扭曲排列的向列液晶显示器存在的主要问题的剖视图。该示意图除了液晶层11和透明电极14和15的厚度已减小之外其它均与图1的相同。另外，示出了液晶层11分成了三个片段或图像单元11a、11b和11c，它们可通过透明电极14和15的对应的片段进行单独的控制。
为了便于讨论，假定电场没有施加给图像单元11a和11c中的液晶材料且液晶材料处于扭曲排列的状态。另外，假定电压施加给图像单元11b且液晶材料处于非扭曲排列的状态。这样将看到图像单元11b的区域是暗的。但是，另外，由于透过图像单元11b的光被第二偏振器17吸收，图像单元11b在漫反射器18上投射出阴影使得漫反射器的表示为22的区域也变暗。这样，暗图像单元11b的表面尺寸放大而相邻的亮图像单元11c的表面尺寸减小。注意该现象是由于液晶层11中的图像单元和漫反射器18之间的视差或位移造成的，且应注意该现象发生在显示器分辨率的上限处。
应明白的是如果反射器处在与液晶层密切接触状态则该视差现象可被消除。在这种情况下，由于反射器必须放在第二偏振器的后面，使得偏振器和反射器都不得不在由第一和第二玻璃板所形成的液晶显示器元件内。传统的偏振器通常由与用于构造液晶显示器元件的处理不相容的着色拉紧的聚合物膜制成。而且，由于膜偏振器位于液晶层和第二玻璃板上的电极之间，使得偏振器膜与液晶层进行电串联，这将极大地增加不扭曲排列液晶分子所需要的电压。
图3是如由Grinberg在美国专利4,688,897中所述的改进的反射式扭曲排列的向列液晶显示器30的剖视图。该显示器30包括夹在前透明板32和后板33之间的液晶材料31的层。该液晶材料如前面所述地与玻璃板32和33的表面一致。前板32具有沉积在靠近液晶材料31的表面的透明电极34。线性偏振器36位于前透明板32和光源37之间。靠近液晶材料31的后板33的表面涂覆有紧密间隔的平行导体35格栅。当沿导体方向偏振电磁波时，适当隔开的导体格栅(conductor grid)将反射该波，并透射正交于导体偏振的电磁波。这样，在液晶显示器装置30中，导体格栅35组合了偏振器、反射器和与液晶层31电接触的功能。来自导体格栅35的反射是镜面状的，意指反射角等于入射到垂直于反射器表面的对面的角度。
图4是如由Grinberg在美国专利4,688,897中所述的液晶显示器30在设计上的主要不足之处的剖视图。来自光源37的光入射到显示器30上。该光的一些部分从显示器的前表面和内表面反射，分别如光线40和41所示。这些反射一般占有入射光总量的5％。另一部分光则透过前偏振器36并也被导体格栅35反射，如光线39所示，或经后板33透射地吸收。一般35％的入射光在没有电压施加给液晶层31的区域被从导体格栅35反射，且1％或更少的入射光在电压施加给液晶层31的区域被反射。这一设计的主要不足之处在于光线39、40和41都是平行的，且观察者所看到的亮度是这些组分的总和。因此对比度或光区的亮度对暗图像元素的亮度的比率将不高于(35％+5％)/(1％+5％)或约为7到1。而且，由于光线39、40和41都是平行的，所以会在某些光照下因这些光束之间的干涉而看到彩色光带或条纹。
图5A和5B为根据本发明的能够以可控方式分布光的偏振装置45的平面图和剖面图。该偏振装置45包括紧密排列的支承在基片47上的导电元件46的格栅，如图5B所示。导电元件的上表面48已由相关的装置制成网状面。控制表面48的网状表面使得该表面法线的改变是以算出把镜面反射的光分布成对应于液晶显示器所需要的视角的区域的方式进行的。格栅小平面的衍射也可影响光的分布。当图5含有包括任意平面或格栅小平面的表面时，只要小心地避免来自周期性结构的反射所引起的干涉现象，则连续改变的网状表面也是有用的。来自周期性结构的反射由Lavin在美国埃尔塞维尔出版公司(American Elsevier Publishing Company)的“镜面反射”中述及。
将图5的装置作为高效率偏振器，相邻导电元件间的间隔即距离X必须比被偏振的电磁辐射的波长小。在可见光谱中使用时距离X为0.005微米到0.2微米，具有较小的尺寸，由于它会增加导线格栅的偏振性能。另外，为了使偏振器高效地发挥作用，格栅小平面的尺寸或直径即距离Y必须大于波长。同时，对于具有均一外观质量的装置，距离Y必须比肉眼可视系统的分辨力小。距离Y通常在0.5到10微米的范围内，尽管在特定的应用中可采用其它范围。
当本发明的偏振装置用于液晶装置中时，图案或粗糙表面的垂直尺寸也很重要。一般显示器的液晶材料的厚度在3到5毫米。当增加采用本发明的液晶显示器装置的这一厚度时，图案或粗糙表面的垂直尺寸的范围受到了限制。处理这一限制的一种方式是通过将高过表面的格栅小平面分成两个或多个较小的格栅小平面以使大的格栅小平面侧的角度保持在较小格栅面侧的角度内来减少距离Y的最大尺寸。这会影响近似地表示等量的相对入射光倾斜一定角度的表面面积以保持所需要的光分布，同时减少了垂直尺寸范围。但是，必须小心地避免不必要的衍射现象。处理基片的垂直尺寸的限制的另一种方式是用平面化或部分平面化表面的材料的薄膜多涂一层在本发明的偏振器上。该涂覆不必很厚(1到5毫米级的厚度就足够了)，也不必为了进行所希望的改进而使表面十分地平整。当然，如协调好用于液晶的材料的光学指数的问题对获得最佳性能是重要的。本领域普通技术人员会想到处理因液晶材料厚度作用在垂直尺寸范围上的限制的其它方法。
许多公知的技术被用于制造漫反射偏振装置，且只要符合表面结构的相关技术要求则制造技术的选择不限于本发明。最直接的方法是直接在网状基片上沉积和模制铝或银的薄膜。只要该方法提供足够的场深度，许多对半导体工业通用的沉积和模制技术也可用于在网状表面上形成清晰的图案。如由Garvin在美国专利4,049,944中和由Ferrante在美国专利4,514,479中所述的全息照相平板印刷术是一种提供充足的分辨率和场深度的方法。
位于基片之下的需要的表面结构可通过基片的机械磨制如研磨或喷砂清洁处理或通过基片的化学磨蚀如使用公知的稀释的氢氟酸蚀刻玻璃而得到。变形的材料可沉积到基片上并接着通过压印或通过辐射辅助制造来构建，如Shvartsman在美国专利5,279,689中所述。在另一种方法中，网状表面在连续的塑性薄膜上可进行压印或制造(如，使用由Blenkhorn在美国专利4,840,757中所述的方法)接着叠压成刚性基片。
制造漫反射偏振器的另一种方法是在包括聚合物薄膜的光滑表面上沉积和模制平行的导体格栅，并接着采用由Zager在美国专利5,466,319中所述的方法压印网状表面。制造技术的其它组合形式必定属于本发明的范围。
制造或压印网状表面的任何过程都需要金属工具，通常称作夹铁，它通常是在感光树脂层中所产生的表面凸版图案上电镀金属。产生合适的任意网状的感光树脂层的技术由Dainty在1990年9月出版的关于散射现象的现代分析的国际研讨会会刊(TheProceedings of the International Workshop on Modern Analysis ofScattering Phenomena)的第S30页(p.S30)的题为“Measurementsof light scattering by a characterized random rough surface”上进行了描述。制造具有不对称漫射特性的网纹表面的改进技术由Petersen在美国专利5,609,939上进行了描述。
为了表现出网状的特征，限定一个通常平行于作为支承导电元件的基片材料板的参考平面。该参考平面考虑到网纹结构也以各种方式被限定，如一个合适的参考平面是由网状平面离参考平面的平均距离为零或其它有效值的条件所限定的平面。该限定可用在偏振装置的整个跨度上以限定一个整体参考平面，或酌情地只用在偏振装置的部分区域上。
在图5图示厚度近似等于元件宽度的导电元件的单个格栅时，也可使用改进导线格栅偏振器性能的公知技术。例如，如果必须改进格栅的消光比的话，可采用由Garvin在美国专利4,289,381上描述的双层格栅方法或由Keilmann在美国专利5,177,635上描述的过厚的导体技术。众所周知，以反射光的总量为代价元件中心距间的宽度或周期的变化可被用于增强格栅的消光，或相反地在减少格栅的消光的同时增加反射光。本领域普通技术人员必定会想到改进导线格栅性能的其它技术和方法。
图6是仅从显示器的观察者一侧照明的改进的扭曲排列的向列液晶显示器装置60的剖视图。显示器60包括夹在前透明板62和将反射格栅偏振器65支承在靠近液晶层61的表面上的后板63。该反射偏振器65包括许多如前所述的沉积在网状表面上的平行的导电元件67。网状表面的特性被选择为按前面所述的方式控制来自表面各个部分的镜面反射的光的分布。液晶材料如前所述地与玻璃板62和63的表面一致。对于液晶材料的最佳性能如果必需平整表面的话也可引入前面所述的平面化层70。前板62在靠近液晶层61的表面上沉积有透明电极64。线性偏振器66位于前透明板62和光源69之间。由于经格栅偏振器65透射的光必须被吸收，后板63可进行吸收，或是吸收材料68，如沉积在后板63背面的黑漆。
线性偏振器66是一个使光偏振的偏振装置的示例，它使得只有单个偏振或第一偏振的光通过。在垂直偏振方向上的或第二偏振的光可被吸收。理应明白的是偏振器具有多种作用且线性偏振器66可通过一定量的第二偏振光和第一偏振光，且吸收一定量的第一偏振光和第二偏振光。任何偏振装置可用于实际上只通过一个偏振方向的光。
液晶材料61，和相关的电极，是在其从第一偏振到第二偏振穿过时选择改变光的偏振方向的偏振改变装置的一个示例。理应明白的是任何偏振改变装置可用于有选择地改变光的偏振方向，包括如前面所述的在其一侧带有电极的液晶材料，或前侧上的电板和带有下面将要讨论的短接棒的导线格栅偏振器，等等。
反射偏振器65是透过第一偏振光和反射地扩散第二偏振光的反射式扩散偏振装置的一个示例。反射偏振器65可具有总体上平行的薄的、细长的、分开的元件67的设置。元件67提供与光的电磁波相互作用的手段以透射具有垂直于元件的偏振方向的光，并反射具有平行于元件的偏振方向的光。每个元件具有一个与其它元件的外露表面一起以漫射方式反射大多数第二偏振光的外露表面，后面将进行更全面的说明。
吸收材料68是吸收透过反射偏振器66之后的第一偏振光的吸收装置的一个示例。
图7是图示将可控制光的分布的偏振器插入本发明的扭曲排列的向列显示器单元内时所产生的显示器性能的改进的剖视图。除了反射偏振器36现在反射或分配整个角度控制范围内的光之外，显示器装置30的结构均与前面图3所示的相同，如多束光线39所示。以相对于正入射的角度观察显示器的观察者将看到只有从偏振器反射的光，且显示器的对比度不会被反射面40和41削弱。因此，如图6所示的显示器60控制光以通过反射观察者23(图2)可看到的光产生可视图象，该观察者所在的方向确定为沿多个方向的在整个角度范围内产生可视图象的前方。
当与液晶显示器装置一起使用时，格栅偏振器可用于与液晶材料电接触并用作偏振器和漫反射器。在这种情况下，格栅必须被分成与用于对显示器象素编址的技术相关的电绝缘片段。另外，在每个电绝缘片段内，格栅的电阻必须低到足以保证将均匀的电压施加到液晶层上。短接棒，它以长于光波长的间隔连接格栅线，被插入以确保与绝缘片段的细长元件充分地电接触。如果需要，这些棒在宽度上可以为几个毫米，且一般在表面上稀疏地分布。特别是，它们最好窄到足以避免破坏显示器的图象化并窄到足以使肉眼看不见。如果必要，它们也可合理地紧密地放在一起，虽然它们很多，但它们比典型的可见光的波长要远得多。如果它们使用的数目紊乱，则它们将会反过来影响偏振器的性能，这是因为它们将显示没有偏振该反射光的显著的表面面积。由于它们能反射未偏振的光，所以它们对肉眼来讲将表现出比周边区域更亮且如果它们是不合理的窄的话则会更突出。
如上所述，偏振装置的网状表面可以各种方式表示，且结构自身可采取各种形式。再次参见图5A和5B，偏振装置设置有多个总体上平行的薄的、细长的、隔开的元件46。细长的元件46与光源相互作用以便(1)透射具有垂直于元件46的偏振方向的光和限定一第一偏振的透射光束，(2)反射具有平行于元件46的偏振方向的光和限定一第二偏振的反射光束。
每个细长的元件46具有一个可以是上表面或一般与基片47的表面48相对的外露表面80。多数外露表面80具有网纹结构。因此，元件46的外露表面80以漫射方式或覆盖不同的角度范围地反射大多数光。
参见图5B，如所标明的，可限定参考平面84。该参考平面84可由网状表面48的平均高度来确定。参考平面一般与基片47平行。参考法线88也由垂直于参考平面84而确定。
元件46的外露表面80可形成多个单元表面92或格栅小平面。每个单元小平面92和93具有通常与相应的单元表面垂直的单元轴96和97。单元轴96和97形成了相对于公共参考轴88的不同角度范围。许多单元表面92和93可以是整体非共面的和不与参考平面88平行的。每个单元轴96和97可具有与公共参考轴88相同的取向，但具有与参考轴88不同的角度值以便以相对于参考平面84非镜面的方式反射光。
许多单元表面92和93具有一限定峰值的升高部分100和限定一谷值的降低部分104。单元表面92和93相对于有效平均高度或参考平面84具有许多不同的高度或升高轮廓。参见图5A，许多单元表面92和93具有由穿过单元表面的相对侧的距离确定的直径、大小或长度L。相当多的单元表面92和93的大小或长度L大于可见光或近可见光的波长。因此，大小或长度L最好是大于约0.4微米。长度L以任意需要的方向横穿单元表面，包括平行于细长的元件46的方向。
参见图8a和8b，细长的元件46的外露表面80可限定波浪形截面110。该截面垂直于参考平面84。波浪形截面110可以是周期性的或不规则性的。另外，波浪形截面110可以由曲面112形成，如图8a所示，或由平面114形成，如图8b所示。波浪形截面110可以由锯齿面或锯齿截面形成，如图8b所示。
参见图9a和9b，细长的元件46的外露表面80可限定多个凹槽120。凹槽120具有曲面侧122或呈凹形，如图9a所示，或者具有平面侧124，如图9b所示。
参见图10和11，细长的元件46的外露表面80可限定多个突起130。突起具有平面侧132，如图10所示，或者具有曲面侧134或呈凸状，如图11所示。
理应明白的是细长的元件的外露表面可由自身为网状表面的基片形成。另外，应明白元件的外露表面可形成品种繁多的单元表面。单元表面可以是平的、曲线的或其它组合形的。最好是，多个单元表面的尺寸是确定的，且构造成以漫射方式或相对于参考平面非镜面的方式反射光。细长的元件的外露表面确定了网状表面。该网状表面可由空间振动的分布来确定。主要或最基本的振动最好具有大于可见光或近可见光的波长的周期，或者大于0.4微米。
当公开本发明和详细说明其特定实施例时，并不意味着本发明仅限于这些实施例。本领域普通技术人员会想到不脱离本发明的精神和范围的许多变型。例如，在依据扭曲排列的向列液晶显示器已对本发明进行说明时，本发明也用于其它方式中，包括采用其它液晶材料或光电效果的显示器。意指将本发明限定在附加权利要求书的范围内。

Claims (42)

1、一种反射式扩散的偏振装置，通常用于将可见光或近可见光光谱区内的源光束分成两束正交的偏振光束，并以多于一个的角度方向反射其一束光中的大部分，该装置包括：
总体上平行设置的多个薄的、细长的、隔开的、构造成配置在源光束中的元件，该元件提供与源光束的电磁波相互作用的手段，以便从总体上(ⅰ)透射具有垂直于该元件的偏振方向的光和限定一第一偏振的透射光束，以及(ⅱ)反射具有平行于该元件的偏振方向的光和限定一第二偏振的反射光束，
每个细长的元件具有一个与其它元件的外露表面一起以漫射方式反射大部分第二偏振光的外露表面。
2、如权利要求1所述的偏振装置，其中这些细长的元件的大多数外露表面包括一个构造成在整个不同的角度范围内漫反射大部分第二偏振光的网纹结构。
3、如权利要求1所述的偏振装置，其中大多数细长的元件配置共有一与参考平面共用的总体方向和一垂直于该参考平面的公共参考轴；且其中这些元件的外露表面形成多个单元表面，每个单元表面具有一垂直于相应单元表面的单元轴，多个单元轴形成了相对于该公共参考轴的不同的角度范围。
4、如权利要求1所述的偏振装置，其中大多数细长的元件配置共有一与参考平面共用的方向，且其中这些元件的外露表面形成多个通常不与参考平面共面或平行的单元表面。
5、如权利要求1所述的偏振装置，其中这些细长元件的大多数外露表面包括含有多个单元表面的网纹结构，大多数网纹结构由分别具有与该细长的元件平行的长度的单元表面形成，该长度长于可见光或近可见光的波长。
6、如权利要求1所述的偏振装置，其中这些细长元件的大多数外露表面形成多个单元表面，大多数单元表面分别具有限定一峰值的升高部分和限定一谷值的降低部分，每个单元表面具有由相对侧间的直径限定的大小，实际的许多单元表面的直径大于可见光或近可见光的波长。
7、如权利要求1所述的偏振装置，其中大多数细长的元件共有一与参考平面共用的总体方向，且其中这些细长元件的外露表面限定了一个垂直于参考平面的波浪形截面。
8、如权利要求7所述的偏振装置，其中该截面是周期性的。
9、如权利要求7所述的偏振装置，其中该截面是不规则的。
10、如权利要求7所述的偏振装置，其中该波浪形截面由曲面限定。
11、如权利要求7所述的偏振装置，其中该波浪形截面由平面限定。
12、如权利要求7所述的偏振装置，其中该波浪形截面由锯齿面限定。
13、如权利要求1所述的偏振装置，其中这些细长元件的外露表面限定了多个凹槽。
14、如权利要求13所述的偏振装置，其中该凹槽是凹的。
15、如权利要求13所述的偏振装置，其中该凹槽具有平面侧。
16、如权利要求1所述的偏振装置，其中这些细长元件的外露表面限定了多个突起。
17、如权利要求16所述的偏振装置，其中该突起是凸的。
18、如权利要求16所述的偏振装置，其中该突起具有平面侧。
19、一种反射式扩散的偏振装置，通常用于将可见光或近可见光光谱区内的源光束分成两束正交的偏振光束，并以多于一个的角度方向反射其一束光中的大部分，该装置包括：
总体上平行设置的多个薄的、细长的、隔开的、构造成配置在源光束中的元件，该元件提供与源光束的电磁波相互作用的手段，以便从总体上(ⅰ)透射具有垂直于该元件的偏振方向的光和限定一第一偏振的透射光束，以及(ⅱ)反射具有平行于该元件的偏振方向的光和限定一第二偏振的反射光束，
每个细长的元件具有一个与其它元件的外露表面一起形成多个组成网纹结构的单元表面，大多数单元表面分别具有限定一峰值的升高部分和限定一谷值的降低部分，每个单元表面具有由单元表面相对侧间限定的直径，大多数网状表面由分别具有大于可见光或近可见光的波长的直径的单元表面形成，从而以多于一个的角度方向反射该反射光束。
20、如权利要求19所述的偏振装置，其中大多数细长的元件共有一与具有参考平面共用的总体方向，并带有一垂直于该参考平面的公共参考轴；且其中每个单元表面限定了一垂直于相应单元表面的单元轴，该单元轴形成了相对于该参考轴的多个角度。
21、如权利要求19所述的偏振装置，其中多数网纹结构由具有大于约0.4微米的横穿单元表面的相应的直径的单元表面形成。
22、如权利要求19所述的偏振装置，其中该网纹结构由一空间振动的分布来确定，主振动具有大于0.4微米的周期。
23、如权利要求19所述的偏振装置，其中多数网纹结构由大体上平的单元表面来形成。
24、如权利要求19所述的偏振装置，其中多数网纹结构由大体上凸的单元表面来确定。
25、如权利要求19所述的偏振装置，其中多数网纹结构由大体上凹的单元表面来确定。
26、如权利要求19所述的偏振装置，其中多数网纹结构由限定一垂直于该网纹结构的波浪形截面的单元表面来形成。
27、如权利要求19所述的偏振装置，其中多数网纹结构由分别具有多个相对于有效平均高度的不同的升高的单元表面来形成。
28、如权利要求19所述的偏振装置，还包括具有网状表面的基片；且其中在基片的网状表面上设置有多个大体上平行的薄的、细长的元件，该基片的网状表面使细长的元件的外露表面形成单元表面。
29、一种反射式扩散的偏振装置，通常用于将可见光或近可见光光谱区内的源光束分成两束正交的偏振光束，并以多于一个的角度方向反射其一束光中的大部分，该装置包括：
设置在源光束中的基片并具有一个表面；
多个总体上平行的、薄的、细长的元件设置在该基片表面上并彼此隔开，每个细长的元件具有一个与其它元件的外露表面一起形成多个相对于有效平均高度确定的网状反射表面的升高轮廓，大多数网状表面由具有平行于细长的元件的长度的轮廓形成，其长度近似地大于可见光或近可见光的波长，该元件提供与源光束的电磁波相互作用的手段，以便从总体上(ⅰ)透射具有垂直于该元件的偏振方向的光和限定一第一偏振的透射光束，以及(ⅱ)反射具有平行于该元件的偏振方向的光和限定一第二偏振的反射光束，从而以多于一个的角度方向投射该反射光束。
30、如权利要求29所述的偏振装置，其中多数网状表面由长度大于约0.4微米的轮廓形成。
31、如权利要求29所述的偏振装置，其中该网状表面由一空间振动的分布来确定，主振动具有大于0.4微米的周期。
32、如权利要求29所述的偏振装置，其中多数网状表面由大体上平的轮廓来形成。
33、如权利要求29所述的偏振装置，其中多数网状表面由大体上凸的轮廓来形成。
34、如权利要求29所述的偏振装置，其中多数网纹结构由大体上凹的轮廓来形成。
35、一种制造反射式扩散的偏振装置的方法，该方法包括：
提供一带有表面的基片；以及
将一材料沉积在该基片的表面上以形成大体上平行的、薄的分离的元件图案，每个元件具有一个与其它元件的外露表面一起形成多个相对于有效平均高度确定的网状反射表面的升高轮廓，该元件提供与源光束的电磁波相互作用的手段，以便从总体上(ⅰ)透射具有垂直于该元件的偏振方向的光和限定一第一偏振的透射光束，以及(ⅱ)反射具有平行于该元件的偏振方向的光和限定一第二偏振的反射光束。
36、如权利要求35所述的方法，其中提供基片的步骤包括有：提供具有多个单元表面的基片，大多数单元表面分别具有横跨相对边缘的限定网状表面的大于可见光或近可见光的波长的长度。
37、如权利要求35所述的方法，其中将一材料沉积以形成大体上平行的、薄的分离的元件图案的步骤包括：在元件的外露表面上形成多个轮廓。
38、一种反射式偏振装置，通常用于将可见光或近可见光光谱区内的源光束分成两束正交的偏振光束，并以相对于参考平面非镜面的方式反射其一束光中的大部分，该装置包括：
总体上平行设置的多个薄的、细长的、隔开的、构造成配置在源光束中的元件，该元件提供与源光束的电磁波相互作用的手段，以便从总体上(ⅰ)透射具有垂直于该元件的偏振方向的光和限定一第一偏振的透射光束，以及(ⅱ)反射具有平行于该元件的偏振方向的光和限定一第二偏振的反射光束，
每个细长的元件具有一个与其它元件的外露表面一起形成多个单元表面的外露表面，大多数细长的元件配置共有一与参考平面共用的总体方向和一垂直于该参考平面的公共参考轴，每个单元表面具有一垂直于相应单元表面的单元轴，多个单元轴具有与参考轴相同的方向，但与参考轴不同的角度值，以相对于参考平面以非镜面方式反射大部分第二偏振光。
39、一种用于液晶显示器中的反射式扩散的偏振装置，通常用于将可见光或近可见光光谱区内的源光束分成两束正交的偏振光束并以多于一个的角度方向反射其一束光中的大部分，该装置包括：
总体上平行设置的多个薄的、细长的、隔开的、构造成配置在源光束中的元件，该元件提供与源光束的电磁波相互作用的手段，以便从总体上(ⅰ)透射具有垂直于该元件的偏振方向的光和限定一第一偏振的透射光束，以及(ⅱ)反射具有平行于该元件的偏振方向的光和限定一第二偏振的反射光束，
每个细长的元件具有一个与其它元件的外露表面一起以漫射方式反射大部分第二偏振光的外露表面；以及
电接触装置，电连接到构造成确立跨过液晶材料的场的该细长的元件上。
40、如权利要求39所述的偏振装置，其中电接触装置包括多个电连接到该细长元件上的短接棒。
41、一种显示装置，用于通过透射和/或反射可见光来控制光以产生观察者可在整个角度范围内看到的图象，观察者所在的方向为前方，该装置包括：
构造成使光偏振的第一偏振装置，以使只有单个偏振方向的光通过，限定为第一偏振；
设置在第一偏振装置之后的偏振改变装置，并在它从第一偏振到一第二偏振经过时响应于装置而有选择性地改变光的偏振方向；
设置在偏振改变装置之后的反射式扩散的第二偏振装置，用以通过第一偏振光，并经偏振改变装置和第一偏振装置往回反射地扩散第二偏振光，该第二偏振装置具有多个总体上平行设置的薄的、细长的、隔开的元件，每个细长的元件具有一个与其它元件的外露表面一起以漫射方式反射大部分第二偏振光的外露表面，该元件提供与光的电磁波相互作用的手段，以便从总体上(ⅰ)透射具有垂直于该元件的偏振方向的光和限定一第一偏振的透射光束，以及(ⅱ)反射具有平行于该元件的偏振方向的光和限定一第二偏振的反射光束，从而以多于一个的方向扩散而在整个角度范围内产生可视图象。
42、如权利要求41所述的显示装置，还包括设置在第二偏振器之后的吸收装置，用于在其穿过第二偏振器之后吸收第一偏振光。
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