[发明专利]包括多个偏振光栅布置和相关器件的偏振无关液晶显示器件

说明书

政府支持声明 

本发明是根据合同0621906在国家科学基金会（NSF）的政府支持下完成的。美国政府对本发明具有某些权利。

技术领域

本发明涉及液晶显示器，并且更特别地涉及液晶偏振光栅和相关制造方法。

背景技术

液晶可以包括其中存在分子的有序排列的液体。通常，液晶（LC）分子可以是各向异性的，具有细长的（杆状）或扁平的（盘状）形状。由于各向异性的分子的排序，块体LC常常在其物理性质方面表现出各向异性，诸如在其机械、电、磁和/或光学的性质方面的各向异性。

由于杆状或盘状的属性，LC分子的取向的分布可能在光学应用中扮演重要角色，诸如在液晶显示器（LCD）中。在这些应用中，可以由配向表面来规定LC排列。可以处理配向表面以使得LC以可预测和可控的方式相对于表面排列。在许多情况下，配向表面可以保证通过LC器件的单畴。在不存在已处理的配向表面的情况下，LC可能具有许多畴和/或取向方面的许多不连续性。在光学应用中，这些畴和不连续性可能引起光的散射，从而导致显示器性能的劣化。

许多液晶器件（包括液晶显示器）可能要求输入光是偏振的以便正确地运行。然而，由于大多数光源产生非偏振光（例如，荧光灯、发光二极管、超高性能灯、白炽灯），液晶器件可以使用一个或多个线性偏振器来将来自光源的非偏振光转换成具有期望的偏振态的光。常规线性偏振器可以允许具有期望的偏振态的光从中穿过；然而，这样的线性偏振器还可以吸收具有其它偏振态的光。这样，来自光源的可用光的至少50%可能例如作为热量被损耗。因此，液晶器件可能具有显著的光功率损耗（例如，大于50%），并且因此可能要求光源比必要的功率更大。例如，由于有关功耗、热量和/或成本的原因，这可能是不期望的。

发明内容

根据本发明的某些实施例，液晶器件包括第一偏振光栅、液晶层和第二偏振光栅。第一偏振光栅被配置为将入射光偏振并衍射成具有不同的偏振且与入射光的传播方向相比具有不同的传播方向的第一和第二射束。液晶层被配置为从第一偏振光栅接收第一和第二射束，并被配置为在基本上不影响从中穿过的第一和第二射束的各自的偏振的第一状态与改变从中穿过的第一和第二射束的各自的偏振的第二状态之间进行切换。第二偏振光栅被配置为从液晶层接收第一和第二射束，并被配置为分析且衍射第一和第二射束以响应于液晶层的状态改变它们的传播方向。

在某些实施例中，可以将第二偏振光栅配置为改变第一和第二射束的传播方向以在液晶层处于第二状态时透射沿着基本上平行于入射光的方向的方向传播的光，并在液晶层处于第一状态时透射不沿着基本上平行于入射光的方向的方向传播的光。在这样的实施例中，第一偏振光栅可以具有第一周期性双折射图案，并且第二偏振光栅可以具有相对于第一周期性双折射图案倒转的第二周期性双折射图案。例如，第一偏振光栅可以是包括第一周期性向列指向矢图案的聚合液晶层，并且第二偏振光栅可以是包括第二周期性向列指向矢图案的聚合液晶层，第二周期性向列指向矢图案相对于第一向列指向矢图案具有相同周期性但被全局地旋转约180度。

在其它实施例中，可以将第二偏振光栅配置为改变第一和第二射束的传播方向以在液晶层处于第一状态时透射沿着基本上平行于入射光的方向的方向传播的光，并在液晶层处于第二状态时透射不沿着基本上平行于入射光的方向的方向传播的光。在这样的实施例中，第一和第二偏振光栅可以具有周期性相同且取向相同的各自的第一和第二周期性双折射图案。例如，所述第一和第二偏振光栅可以是包括被相似地定向的局部向列指向矢图案的聚合液晶层。

在某些实施例中，液晶器件可以包括被配置为接收从第二偏振光栅透射的输出光的角度滤波级。该角度滤波级可以被配置为阻挡以大于期望角度的角度传播的输出光并朝着屏幕引导以小于期望角度的角度传播的输出光。例如，可以将所述角度滤波级配置为允许沿着基本上平行于入射光的方向传播的输出光但阻挡不沿着基本上平行于入射光的方向传播的输出光。在某些实施例中，所述角度滤波级可以包括至少一个透镜和孔径光阑。在其它实施例中，所述角度滤波级可以是防窥膜。

在其它实施例中，入射光可以是非偏振光，并且第一偏振光栅可以被配置为衍射入射光，使得第一和第二射束分别包括可见光波长范围内的入射光的强度的大于约25%。另外，可以将第二偏振光栅配置为衍射第一和第二射束以透射包括可见光波长范围内的入射光的强度的大于约50%的光。在某些实施例中，可以将第二偏振光栅配置为在约400 nm至约700 nm的波长范围内以大于约90%的透射率来透射输出光。