CN1246728C - 反射式液晶显示器 - Google Patents

Abstract

一种改进的反射式液晶显示器包括：用于产生光束的光源；建立在光源一侧的导光部分，用于把光源部分发出的光束均匀地导向；和设置在导光部分以下的用于形成图象的LCD板。反射式LCD甚至在低功耗下实现均匀地高亮度。反射式LCD的导光部分具有一种形成在导光部分一个表面处的图案并具有特定的结构和形状，由此避免莫尔条纹的出现。另外，导光部分能够使光源发出的光束均匀地入射到LCD板部分，因而实现在极低功耗下的具有均匀高亮度的反射式LCD。前述的优点使得LCD纤巧和轻盈，并且使得LCD应用到小尺寸的信息显示器上如便携式信息显示器上。

Description

反射式液晶显示器

本发明涉及一种反射式液晶显示器，并尤其涉及一种甚至在低功耗下获得高亮度的反射式液晶显示器，该装置能够避免莫尔条纹的出现并能够使LCD具有轻盈的重量和较小的尺寸。

通常，液晶显示器(LCD)通过对液晶分子施加电场而把液晶分子的排列改变到特定的排列方形。这种LCD利用光学特性变量如液晶盒的双折射、圆偏振、二向色性和光散射等把光学特性变量变成视觉特性变量。所以，LCD是利用光调制的平板显示器。

按使用的液晶类型区分，LCD基本上可以分成扭曲向列相(TN)液晶显示器和超扭曲向列相(STN)液晶显示器，按驱动方式区分，基本上可以分成使用TN液晶的有源矩阵显示器和使用STN的无源矩阵显示器。

有源矩阵型和无源矩阵型的主要不同之处在于晶体管作为开关元件的使用。有源矩阵显示器利用薄膜晶体管(TFT)-LCD，用薄膜晶体管作为开关元件驱动LCD，而无源矩阵显示器不用薄膜晶体管作为开关元件，并因而不必使用复杂的电路驱动LCD。

另外，这些LCDs按采用的光源类型区分可以分成利用背光的透射式LCD和利用外光源的反射式LCD。

目前，利用背光的透射式LCD得以广泛地使用，但背光的利用增大了功耗以及LCDs的体积和重量。

作为解决透射式LCD的上述缺点的一个反向提议，反射式LCD正在赢得人们的青睐，并且正在进行多项研究和改进。

预期用反射式LCD代替透射式LCD是因为便携式信息显示器与文化水平的提高保持一致的顾客需求。

现在正在生产和研究利用这种应用黑白TN方式或黑白STN方式的反射式LCD的计算机终端，并且还正在积极开发彩色反射式LCD。

尤其是，彩色反射式LCD的开发在IMT-2000(国际移动通信)方面是一个重要的目标，并且正在向着轻盈、纤巧和减小结构尺寸方面以及显示器颜色方面进行着多项研究。

日本待定专利申请1999-352470公开了一种通行的反射式LCD，并且图1表示这种反射式LCD以及入射光行径的截面图。

参见图1，反射式LCD包括：一个LCD板2，一个设置在LCD板2以下的反射板4，用于把入射到LCD板2上的入射光束反射向LCD板的上表面；和一个设置在LCD板2上的散射片6，散射片6上形成有一种斑纹图案。

当环境光从LCD板2的外表面入射到散射片6上时，具有斑纹图案的散射片6散射入射光。散射光入射到设置在LCD板后表面处的反射板4并被反射板4反射。反射光透过散射片6并向LCD板2的外侧辐射。

因为上述的反射式LCD利用环境光作为光源，所以它不容易保证充足的亮度。为此，反射式LCD有一个缺点，即对比度非常低并且色调和亮度都不清晰。

为了解决这些缺点，现在正在尝试着各种努力，如改变液晶盒的结构、寻找新材料、改进反射板和光学滤波器并应用到改进的DMGB(双金属宾主)LCD、ECB(电控双折射)LCD、PCGH(相变宾主)LCD、NH(新滞变)LCD等。

但是，这些各种LCD有着相同的缺陷，即入射光的亮度太低。为了解决这些问题，提高了一种在LCD的上边缘形成一个灯的方式。

应用这种方式时，灯发出的总光量中的入射光量变得比发射到外部的光量少。结果，显示板上的图象显得混暗并且得不到很高的亮度。另外，因为灯占据着一定的体积，所以这种方式不适于减小反射式LCD。

日本专利申请JP7-011755(涉及美国专利申请US5640258)公开了一种使用光导板和阴极射线管的反射式LCD，其中阴极射线管类似于近期开发的透射式LCD的背光单元。

但是，前述的反射式LCD功耗非常高，并因而不适宜用于便携式信息显示器。

因此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够以较低的功耗获得高亮度的反射式LCD，防止莫尔条纹的出现，并使得LCD具有轻盈的重量和小巧的尺寸。

为了实现本发明的上述目的，提供了一种反射式液晶显示器设备，包括：一个显示图像的显示板；一个用于产生用于显示板的光束的光源部分；一个第一导光板，其邻接光源并且在第一方向上引导光源产生的光；以及一个第二导光板，其邻接第一导光板、形成在显示板上并且在基本垂直于第一方向的第二方向上引导来自第一导光板的光束，其特征在于，所述第二导光板具有局部地反射从第一导光板向显示板引导的光束并且局部地透射被显示板反射的光束的第一图案，第一图案具有平行于选定的方向排列的多个棱形图案，多个棱形图案的每一个都包括：邻近光源设置的透明面，用于透射从显示板反射的光束；以及反射面，用于把来自光源的光束向着显示板反射，其中，透明面和第二导光板的平坦面之间的第一顶角在3.0度到3.5度的范围内，反射面和平坦面之间的第二顶角在33度到34度的范围内。

通过下面参考附图对优选实施例的详细描述，本发明的上述目的和优点将变得更加清晰，其中：

图1是表示常规的反射式LCD入射光束行径的简化截面图；

图2是根据本发明的反射式LCD的透视图；

图3是根据本发明的反射式LCD平面图；

图4是沿图3中B1-B2线截取的截面图；

图5是沿图4中D1-D2线截取的截面图；

图6是根据本发明的反射式LCD中导光部分的图案的倾斜结构简图；

图7是根据本发明的反射式LCD中导光部分的图案的倾斜结构简图；

图8是莫尔条纹依据本发明的反射式LCD中象素排列和导光部分的图案分布之间的角度的计算结果曲线；

图9是沿图3中C1-C2曲线截取的截面图；

图10是根据本发明的反射式LCD的导光部分内入射光行径的简图；

图11是在本发明的具有防反射元件的反射式LCD中波长-反射率测量结果曲线；和

图12是根据本发明反射式LCD中表示入射光行径的反射式LCD简图。

图2是本发明反射式LCD的透视图，图3是根据本发明的反射式LCD平面图，图4是沿图3中B1-B2截取的截面图，和图5是沿图4中D1-D2线截取的截面图。

参见图2和图3，本发明的反射式LCD包括一个光源11，一个设置在光源部分11，一个设置在光源部分11的一个边缘的导光部分21，和一个设置在导光部分21之下以形成图象的LCD板部分32。

光源部分11设置在导光部分21的一个边缘，并且使得光源部分11发出的光束能够入射到导光部分21上。

导光部分11包括一个包含发光器件(LED)的光源10。在光源10的一个边缘处设置一个第一导光板12以把从光源10发出的光束光引向导光部分21。

常规的反射式LCD利用需要大约1W～7W的较高功耗的线性光源如阴极射线管(CRT)而具有上述结构的反射式LCD利用大约70mW功耗的LED，与常规的LCD相比具有极低的功耗。尽管采用的是具有极低功耗的LED，但本发明的反射式LCD提供极高的亮度。

第一导光板12是一个板状的长方体结构，并且是一种透明材料，如与塑料系统有关的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。最好第一导光板12是一种由日本合成橡胶有限公司制造的ARTON。

此时，第一导光板12可以做成楔形。

参见图5，第一图案部分13设置在导光板12的一个面12b上，面12b与导光板12的另一个面12a相对，面12a邻近光源10发出的光束的入射面。

第一图案部分13用于把从光源10发出的光束导向导光部分21并再入射到第一导光板12上，使得导引的光束能够均匀入射。

为了执行上述功能，第一图案部分13有多个刻槽图案，每个刻槽的截面形状是三角形。在三角形刻槽图案中，顶角最好约90°。

在此，第一图案部分13可包括各种图案，如印刷在其上的点状图案。

参见图2至4，外壳16设置在光源部分11的外表面和邻近光源部分11的导光部分21的边缘部分。外壳16由铝或黄铜制成，并且环绕光源部分11和导光部分21的一部分。

反射元件14设置在外壳16的内表面上。反射元件14用于向导光部分21反射光源部分11发出的光束。

导光部分21包括一个第二导光板18。

第二导光板18具有长方体结构的板形。第二导光板18平行于第一导光板12设置，并且是塑料系中的一种透明材料，如包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的丙烯。最好第二导光板18由日本合成橡胶有限公司生产的ARTON制造。

此时，第二导光板18最好是楔形。

另外，在导光板21和光源部分11之间，还设置一个散射板(未示出)，用于把从光源11发出的光束均匀地分布到导光板21。

在亮态中，第二导光板18必须让外光源产生的光束充分地透射到LCD板。在暗态中，第二导光板18把从放置在暗态中的导光部分21一侧的光源发出的光束反射到LCD板部分32，并把从LCD板部分反射的光束透射到外部，由此把图象显示到板32上。换言之，第二导光板18利用由于折射率之差的反射和透射特性，由此控制依赖于第二导光板18的图案形状的光路。

为了把光束反射到LCD板部分并且透射从LCD板部分32反射的光束，在第二导光板18的上表面设置第二图案部分20，第二导光板18与LCD板32的上表面相对。

当入射光被第二图案部分20反射并再入射到LCD板32上时，由于LCD板部分32的象素和入射到LCD板部分32的入射光束之间的干涉而出现莫尔条纹，在莫尔条纹中，波形图案显示在屏幕上.为了避免莫尔条文的出现，第二图案部分20具有多个倾斜图案，这些图案与第二导光板18的平坦表面夹θ角，以恒定的间隔相隔。

具体地说，出现的莫尔条纹依据于第二图案部分20的形状和LCD板30的结构。换言之，由于第二图案部分20的反射面和LCD板的反射面之间的复杂干涉而出现莫尔条纹。

以下参考附图对莫尔条纹作以描述。

图6和图7是本发明反射式LCD中第二导光板18的一个图案的倾斜结构的示意图。

参见图6和7，第二图案部分20形成在第二导光板18的上表面上，并且以相对于LCD板32的象素图案21以θ角的角度倾抖分布。

在图6中，第二图案部分20的图案之间的距离″d1″大于LCD板像素之间的距离“d2”，并且倾角θ处于0度至45度之间或更小。在图7中，第二图案部分20的图案之间的距离″d1″大于距离″d2″并且倾角θ满足：45°≤θ≤90°。

在图6的实例中，莫尔条纹的间隔(ac)定义为下列方程(1)：

$\mathrm{ac}=\frac{d1}{\tan \mathrm{\θ}}\·\·\·\left(1\right)$

在图7的实例中，莫尔条纹的间隔(ei)定义为下列方程(2)：

$\mathrm{ei}=\frac{d1(1+\mathrm{\α})}{\sqrt{{(1+\mathrm{\α}-\sin \mathrm{\θ})}^2+{\cos }^2\mathrm{\θ}}}\·\·\·\left(2\right),$ 其中，-1＜α＜0，

图8表示从以上方程(1)和(2)得到的莫尔条纹的计算结果，其中采用的反射式LCD对角线大小为2.04，两象素之间的间隔“d2”为153μm，第二图案部分20的图案之间的距离“d1”为0.195mm，0.27mm和0.345mm。

参见图8，可以看出，莫尔条纹之间的间隔敏感地随倾角在0＜θ＜15度的角度范围内的变化而变化。当用户的眼睛感觉不好时的莫尔条纹的间隔不小于2mm，并且第二图案部分20的图案间隔“d1”为0.195mm时，倾角θ应大于5.5度，以便消除莫尔条纹的出现。此时，当倾角θ小于5.5度时，莫尔条纹很显著地显示在板上。

所以，随着倾角θ的增大，莫尔条纹之间的间隔变小，由此在板上显示出质量优良的图象。并且随着图案之间的间距增大，莫尔条纹之间的间隔显示出一种因此增大的趋势。另外，当倾角θ不小于20度时，无论第二图案部分20的图案间隔如何都可以避免莫尔条纹的出现。

同时，当倾角θ不大于20度时，出现一个问题，即光束集中到第二导光板18的中心上，并且当倾角不小于30度时，从第二导光板18的一侧入射的光束的均匀性降低，并且得不到均匀的亮度。

因此，希望倾角θ处于20～30度的范围内，最好大约为22.5度。

图9是沿图3中C1-C2线截取的截面图，图10是根据本发明的反射式LCD的导光部分21内入射光行径的简图。

参见图9和图10，第二图案部分20包括：一个用于把从第二导光板18入射的光束的一部分反射到LCD板部分32的反射面20b；和一个用于透射从LCD板部分32反射并再入射到第二导光板18上的光束的透明面20a。

最好第二图案部分20有一种这样的结构：多个具有截面为三角形的棱形的图案排列成与第二导光板18的上表面平行。

在第二图案部分20的前述图案中，透明面20a邻近第一导光板12，并且反射面20b是一个对应于透明面20a并面对第一导光板12的一个侧面的面。

参见图10，第二导光板18的反射面20b和平坦面之间的锐角最好处于24～45度之间的范围内，使得第二图案部分20反射从第一导光板12入射的光束的一部分。

当锐角小于24度或大于45度时，出现一个问题，即从第一导光板12出射的光束不指向第二导光板18的下表面而指向LCD板32。

尤其希望第二导光板18的反射面20b和平坦面之间的锐角处于33～34度的范围内。

另外，透明面20a和第二导光板18之间的锐角“α”最好处于3.0～3.5度的范围内。

当锐角α超过定义的范围时，穿过第二图案部分20入射到LCD板部分32并再被LCD板部分32反射的光束不能透过第二导光板18。

在导光部分21的下表面，即在导光部分21和LCD板部分32之间，设置一个防反射元件30，以防止从第二导光板18的第二图案部分20反射并再入射到LCD板部分32的光束在第二导光板18与LCD板部分32接触的界面处又被反射。

防反射元件30可以形成在第二导光板18下板面的外表面和对应于形成LCD板部分32的区域的象素的第二导光板18选定部分中的任何一处。

防反射元件30包括一个胶结层，一个第一二氧氧化锆(ZrO₂)层，一个第一氧化硅层，一个第二二氧化硅(ZrO₂)层，它们以上述的顺序叠置在第二导光板18的后表面上。

防反射元件30最好通过利用溅射法在邻近LCD板部分32的第二导光板18的选定表面上以指定的顺序叠置第二氧化硅层、第二二氧氧化锆(ZrO₂)层，第一氧化硅层，第一二氧氧化锆(ZrO₂)层和胶结层。

防反射元件30可以形成五层或更多的层。当防反射元件30由五层或更多的层形成时，虽然在控制叠置层厚度方面产生的误差很小，但光束的透射率增大到95％或更多，由此增强LCD的整体亮度。

图11是在应用防反射元件的反射式LCD中反射率的测量结果。

在图11中，标号“J”对应于没应用防反射元件30的反射式LCD中反射率的测量结果(以下称作“例J″)，标号K对应于应用三层叠置结构的防反射元件30的反射式LCD中反射率的测量结果(以下称作“例K″)，标号L对应于应用五层叠置结构的防反射元件30的反射式LCD中反射率的测量结果(以下称作“例L″)。

参见图11，例L在整个测量的波长范围内比例J和例K的反射率低很多。

返回到图9，LCD板部分32设置在导光部分21以下。LCD板部分32包括一个反射式LCD板。

导光板部分21可以利用胶结元件(未示出)连接到LCD板部分32。

在防反射元件30形成在第二导光板18的下板面的整个表面上的情形中，胶结元件形成在防反射元件30的外侧表面。并且在防反射元件30只形成在LCD板32之内的象素形成区域的对应1部分时，胶结元件可以形成在第二导光板18下板面的外侧部分。

图12表示本发明的反射式LCD中入射光束的行径。

参见图12，光源产生的光束入射到第一导光板12上，并从第一导光板12的第一图案部分13和设置在第一导光板12外表面的反射元件14反射，再入射到第二导光板18.

之后，光束以各种角度入射到第二导光板18内，并根据入射光的行径分成“F”泄漏光、“G”反射光和“H”衍射光，“F″泄漏光从第二导光板18的下表面反射并再经第二图案部分20透过第二导光板18，“G”反射光被第二图案部分20的反射面反射到LCD板32，“H”衍射光在第二导光板18的内侧延伸。

在以上的描述中，泄漏光“F”导致对比度降低。为了减少这种泄漏光，在第二导光板18的下表面上设置防反射元件30。防反射元件30由此避免从第二导光板18下表面反射的光束泄漏。

衍射光“H”在第二导光板18内部重复反射并再向LCD板30入射。

通过上述机制，本发明的反射式LCD可以确保入射光以最大的角度入射并因而增强了LCD的亮度。

如前所述，本发明的反射式LCD配置了一个具有极低功耗的光源部分和一个把光源产生的光束均匀地引向LCD板的导光部分，由此实现一种具有低功耗和高亮度的反射式LCD。

另外，反射式LCD配置有一个包含特定结构的图案的导光部分，由此实现一种能够避免LCD板上出现莫尔条纹并具有高亮度的反射式LCD。

因此，反射式LCD的整体厚度和高度降低，并且获得均匀地高亮度。所以，前述的优点使得LCD纤巧和轻盈，并且使得LCD应用到小尺寸的信息显示器上如便携式信息显示器上。

虽然对本发明进行了详细的描述，但应该理解，在不脱离本发明由权利要求限定的实质和范围的前提下可以进行各种改变、替换。

Claims (16)

1.一种显示设备，包括：

一个显示图像的显示板；

一个产生用于显示板的光束的光源；

一个第一导光板，其邻接光源并且在第一方向上引导光源产生的光；以及

一个第二导光板，其邻接第一导光板、形成在显示板上并且在垂直于第一方向的第二方向上引导来自第一导光板的光束，

其中，所述第二导光板具有局部地反射从第一导光板向显示板引导的光束并且局部地透射被显示板反射的光束的第一图案，第一图案具有平行于选定的方向排列的多个棱形图案，多个棱形图案的每一个都包括：邻近光源设置的透明面，用于透射从显示板反射的光束；以及反射面，用于把来自光源的光束向着显示板反射，

其中，透明面和第二导光板的平坦面之间的第一顶角在3.0度到3.5度的范围内，反射面和平坦面之间的第二顶角在33度到34度的范围内。

2.如权利要求1所述的显示设备，其特征在于，光源包括发光二极管。

3.如权利要求1所述的显示设备，其特征在于，第一导光板还包括一个将来自光源的光束均匀地引向第二导光板的第二图案。

4.如权利要求3所述的显示设备，其特征在于，第一导光板具有邻接第二导光板的第一侧以及与第一侧相对的第二侧，第二图案形成在第一导光板的第二侧上。

5.如权利要求3所述的显示设备，其特征在于，第二图案包括多个刻槽图案。

6.如权利要求5所述的显示设备，其特征在于，刻槽图案的截面是三角形。

7.如权利要求6所述的显示设备，其特征在于，刻槽图案具有一个其顶角为90度的顶点。

8.如权利要求1所述的显示设备，其特征在于，第二导光板具有对着显示板的第一面以及和第一面相对的第二面，第一图案形成在第二面上。

9.如权利要求1所述的显示设备，其特征在于，第一图案具有一种图案，该图案相对于沿着第一导光板和第二导光板之间的界面形成的轴以20～30度的角倾斜。

10.如权利要求1所述的显示设备，还包括一个包围第一导光板和一部分第二导光板的外壳。

11.如权利要求10所述的显示设备，其特征在于，外壳包括一形成在外壳内表面处的反射元件，用于把光源发出的光束反射到第二导光板。

12.如权利要求10所述的显示设备，其特征在于，外壳由选自包括铝和黄铜的任何一种材料制成。

13.如权利要求1所述的显示设备，还包括一个设置在第一导光板和第二导光板之间的散射元件，用于使光源发出的光束具有均匀的分布并入射到第二导光板。

14.如权利要求1所述的显示设备，还包括一个设置在第二导光板和显示板之间的防反射元件，用于避免从第二导光板导向显示板的光束被第二导光板和显示板之间的接触面反射。

15.如权利要求14所述的显示设备，其特征在于，防反射元件包括：i)一个胶结层，ii)一个第一二氧化锆层，iii)一个第一氧化硅层；iv)一个第二二氧化锆层；和v)一个第二氧化硅层。

16.如权利要求15所述的显示设备，其特征在于，防反射元件通过利用溅射法在邻近于显示板的第二导光板的一个面上以所列的顺序沉积第二氧化硅层、第二二氧化锆层、第一氧化硅层、第一二氧化锆层和胶结层而形成。

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