现有的液晶显示器(LCDs)作为显示屏广泛地应用于诸如笔记本电脑、摄像机、手机 等等便携式电子产品中。在这些液晶显示器中，由于液晶本身并不发光，显示器的成像 有赖于两种于方式：利用背光源(透射式)、或利用自然环境光(反射式)照亮屏幕。 对一个典型的彩色液晶显示器来说，其背光源的光能利用率仅仅在5到10％之间。这使 得液晶显示器的显示屏亮度及对比度无法与传统的显像管显示屏匹敌。在一台笔记本电 脑中，70％以上的电能被背光源所消耗，即在此类电子产品中60％以上的电能是被浪费掉 的。换言之，限制便携式电子产品有效工作时间的主要因素是其液晶显示器。
为了补偿液晶显示屏的低亮度及低对比度的缺憾，液晶显示器通常使用亮度很高的 背光源。而大量未被利用的光能及由此引起的热量滞留在液晶显示器系统中，并对液晶 显示器的寿命产生负面影响。这种负面影响对显示屏上的器件及材料如薄膜晶体管 (TFT)尤为严重。事实上，低背光源光能利用率是自液晶显示器进入人们的生活中以 来长期困扰工业界的技术瓶颈之一，攻克此难点将会极大的提升液晶显示器在显示器市 场中的地位。
图1给出了典型透射式扭曲相列(TN)液晶显示器的简化结构图。其中液晶屏包括 一对分别置于入射和出射面的线性偏振片11和12，它们的偏振方向互为正交。夹在这 对线性偏振片之间的是一对玻璃基板13和14，其中13为支持驱动电路(诸如薄膜晶体 管15)的有源板；14为支持三原色滤光片的无源板。夹在玻璃基板13和14之间的扭 曲相列液晶分子(TN-LC)17在没有外电场的情况下，顺着基板内侧的导向层方向排列， 其中两块基板上的导向层方向相互垂直(即入射面的液晶分子排列方向与出射面的分子 排列方向相互垂直)。背光源18置于液晶显示屏之后，并向偏振片11方向发射白色自 然光(非偏振光)。
来自背光源18的白色自然光从左边透过线性偏振片11形成光能量少于初始值50％ 的线性偏振光。该偏振白光透过液晶层后，将被无源板上的滤光片16根据不同的位置 分别滤成红、绿、蓝三原色。由于传统的吸收式滤光片在可见光谱透射特定的颜色，而 吸收其它的颜色(能量)，偏振白光经过该滤光片后剩余的光能量小于偏振白光的1/3。 实际上，从背光源18发出的光到达观看者眼球时其光能量不足原来的10％。这个缺陷反 映在技术指标上即是与其它视觉仪器(如显像管)相比更低的亮度及对比度。遗憾的是 如果液晶显示器的基本构造不变，这个瓶颈是无法克服的。

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效地提高光能的利用率的用于液晶 显示器的光学模块及高亮度、低能耗的液晶显示器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于液晶显示器的光学模块， 它包括置于液晶显示屏背光源前的压束片和置于所述的压束片前的分色片，所述的压束 片将一束平行扩展光束分成一组细小平行光束列，所述的分色片将白光分为红、绿、蓝 三原色，并根据颜色顺序折射到不同的位置。
所述的压束片与所述的分色片之间还可以设置有分束片，所述的分束片将非偏振细 小平行光束列分成二组相互正交的线性偏振细小平行光束列，并将它们分离到不同的位 置。
所述的压束片可以包括由光学玻璃或塑料为材料的大直径凸透镜阵列和小直径凸 透镜阵列，所述的大直径凸透镜阵列呈无间隙排列，所述的小直径凸透镜阵列中相邻两 小直径凸透镜由挡光材料隔离，所述的大、小直径凸透镜阵列相互对齐，它们的焦点重 叠以形成望远镜系统，所述的压束片也可以为单一模板，该单一模板为光学玻璃或塑料 为材料的两面半径不同的凸透镜列，其模板厚度为两面焦距之和。
所述的分色片可以为一微型分波器阵列，它可以包括透射第一种原色，反射第二、 三种原色的第一微型分波器，反射第二种原色，透射第三种原色的第二微型分波器和反 射第三种原色的第三微型分波器，所述的微型分波器阵列可以由第一、第二、和第三三 个微型分波器为一组沿与入射光束垂直的方向连续重复排列或由一个第二微型分波器 被夹在两个第一微型分波器之间为一组沿与入射光束垂直的方向连续重复排列或由一 个第二微型分波器被夹在两个第三微型分波器之间为一组沿与入射光束垂直的方向连 续重复排列。
所述的分束片可以由光学玻璃或塑料基板夹着的空间定位高分子材料掺杂的液晶 分子形成，其中液晶分子沿一与入射光束成大于0°、小于90°的夹角方向排列，也可以 为一单轴晶体材料模板，它的光轴与入射光束成一大于0°、小于90°的夹角。
所述的分束片和分色片还可以被进一步集成为分束色片，所述的分束色片将白色非 偏振细小平行光束列分为二组相互正交的红、绿、蓝三原色线性偏振光，并根据颜色顺 序及偏振状态折射到不同的位置。
所述的分色片前还可以设置有散射片。
所述的散射片可以是以凹透镜为单位元素的散射片列阵。
使用上述的用于液晶显示器的光学模块的液晶显示器，它包括液晶显示屏和控制像 素的数据线驱动电路，所述的液晶显示屏设置有一片线性偏振片，所述的线性偏振片置 于所述的液晶显示屏的光束出射面，所述的驱动电路对相邻二组不同偏振态的像素采用 “常关”和“常开”两种相反的驱动模式。
与现有技术相比，本发明的优点在于用光学模块取代现有技术结构中的线性偏振片 及三原色滤光片，由于引入了分色片，背光源可见光频谱内所有的光能都被有效利用， 其利用率提高三倍以上，而由于引入了分束片，背光源所有偏振方向的光能都被有效利 用，其利用率提高一倍以上，串联此两模板，使目前背光源的总体光能利用率提高到六 倍以上，液晶显示屏的亮度及对比度得到显著地提高，其能耗被显著地降低。而使用这 种光学模块的液晶显示器也有望成为真正的高亮度、低能耗的液晶显示器。
附图说明
图1为现有技术液晶显示器的简化结构截面图，其中11、12为一对正交相置的线 性偏振片，13和14分别为有源及无源玻璃基板，15为薄膜晶体管(TFT)阵列，16为 滤光片，17为扭曲相列液晶(TN-LC)分子，18为背光源，箭头和圆点代表相关器件的 偏振方向；
图2为本发明的截面示意图，其中21为压束片，22为分束片，23为分色片；
图3(a)为图2中压束片21的详细截面图，其中两表面由两个不同半径构成的凸 透镜阵列将一束平行扩展光束分成一组细小平行光束列，该凸透镜阵列的分束本领由两 个凸面2111和2112的半径比决定，213阵列是用于阻挡环境漫射光的黑条阵列；
图3(b)是图3(a)中压束片望远镜系统的光学工作原理图，B1和B2分别为凸透 镜两侧的光束宽度，凸透镜阵列的分束本领即为B1∶B2；
图4(a)为图2中压束片21的另一结构截面图，其中211为第一凸透镜阵列，212 为第二凸透镜阵列，此两阵列的设置能保证将一束平行扩展光束分成一组细小平行光束 列，这两个凸透镜阵列的分束本领由两个凸透镜阵列各自凸面的半径之比决定，213阵 列是用于阻挡环境漫射光的黑条阵列；
图4(b)为图4(a)中压束片望远镜系统的光学工作原理图，B1，f1和B2，f2分 别为凸透镜阵列211及212的光束宽度及焦距，凸透镜阵列的分束本领即为B1∶B2。
图5(a)为现有技术的液晶显示器像素的窗口透过率示意图，其中33为行电极(门 电极)，34为列电极(数据电极)，35为薄膜晶体管，36为贮存电容，37为透明电极ITO；
图5(b)为应用本发明模块的液晶显示器像素的窗口透过率示意图，其中33为行 电极(门电极)，34为列电极(数据电极)，35为薄膜晶体管，36为贮存电容，37为透 明电极ITO；
图6(a)为双折射分束片工作原理示意图；
图6(b)为图2中分束片22的截面图，其中被玻璃或塑料板221、222夹着的液晶 分子223沿与光束传播方向成一角度的方向整齐排列；
图7(a)为图2中分色片23的截面图，其中三原色由三个微型分波器(以相对入 射光45°放置的干涉滤光片)根据颜色顺序折射到相应的位置，在此结构中，231、232、 及233分别为红、绿、蓝滤光片；234为基板；
图7(b)为图7(a)中分色片的A视图；
图7(c)为分色片23的光学工作原理，其中231、232、及233分别为45°红、绿、 蓝干涉滤光片；
图8(a)为红(蓝)色干涉滤光片透射曲线，其中红色在45°透射，绿、蓝色在45° 反射；
图8(b)为绿色干涉滤光片透射曲线，其中绿色在45°反射，红、蓝色在45°透射；
图9(a)为仅有两种滤光片(231及232)构成的分色片结构，其中颜色链起始色 为红色；
图9(b)为仅有两种滤光片(232及233)构成的分色片结构，其中颜色链起始色 为蓝色；
图10为分束片22及分色片23集成示意图，其中分色片23作为基板用于形成TN-LC 液晶分束片；
图11(a)为压束片21及分色片23在当前液晶显示器中的应用，其中滤光片阵列 16被本发明模板取代。
图11(b)为图11(a)的进一步集成示意图，其中分色片23被用作为液晶屏的无 源基板。
图12为压束片21、分束片22及分色片23在当前液晶显示器中的应用，其中第一 个线性偏振器11及滤光片阵列16被本发明模块取代；
图13为压束片21、及分色束片24在当前液晶显示器中的应用，其中第一个线性偏 振器11及滤光片阵列16被本发明模块取代；
图14为图13的进一步集成示意图，其中分色束片24被用作为液晶屏的无源基板；
图15为散射片25的截面示意图；
图16为散射片25的立体结构示意图；
图17为压束片21、分色片23、及散射片25作为分离器件在液晶显示器中的应用；
图18为压束片21及散射片25作为分离器件在以分色片23为基板的液晶显示器中 的应用；
图19为分别以分色片23及散射片25为有源及无源基板的液晶显示器的集成。

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
用于彩色液晶显示器的光学模块主要包含如图2所示的以下三个部分：(a)将一束 平行扩展光束分成一组细小平行光束列的压束片21；(b)将非偏振光分成二组相互正交 的线性偏振光的分束片22；(c)将白色线性偏振光分为三原色，并根据颜色顺序折射到 相应位置的分色片23。下面将进一步描述本发明的细节。
来自于背光源的一束白色、非偏振、平行扩展光束首先抵达压束片21的正面，并 被分成一组如图2所示细小平行光束列。这些细小平行光束进一步被分束片22分成二 组相互正交的线性偏振光。细小平行线性偏振光光束在通过分色片23时由三个微分波 器通过透射与反射进一步分成三原色，其中微分波器被置成与入射光成45°角。最终， 从像素射出的光谱在相应的位置呈红、绿、蓝三原色。
图2中以光学玻璃或塑料为材料的压束片21可以是单一模板或二块模板的组合。 其单一模板的形式在图3(a)中示出，这里单一模板实为两面半径不同的凸透镜。如图 3(b)所示，该单一模板被设计为其两凸透镜的焦点重叠，因此宽度为B1的光束经过此 模板后，根据系统压缩比，被压缩为宽度为B2的小光束。压束片21的压缩比即为两凸 面的半径比。
图4(a)给出了由二块凸透镜阵列211、212组成的压束片示意图。二凸透镜阵列 形成典型的望远镜系统，其光路系统由图4(b)示出。与图3类似，该凸透镜阵列被设 计为各自凸透镜的焦点重叠，因此宽度为B1的光束经过此模板后，被压缩为宽度为B2 的小光束。单一模板与二个凸透镜阵列的工作原理相同，其区别为前者的共焦点在玻璃 或塑料媒介中，而后者的共焦点则在空气中。
这些细小平行光束的宽度应等于液晶屏的像素宽度。由于要将涵盖两个(黑白屏) 或六个(彩屏)像素的光束压缩至一个像素内并透射，若不计通光率因素，对黑白液晶 屏来说，压束比应为2∶1；而对彩屏来说，压束比应为6∶1。由于散射光会导致通过分 色片进入液晶屏的颜色不纯而必须抑制，在这两种结构中，213即为用于挡住散射光透 射压束板的黑条阵列。
这种设计的优点在于压束片的压束比可以设置到任何理想的数值。例如，在传统的 液晶显示器结构中，由于一些不透光的区域由黑条阵列、TFT、及储蓄电容覆盖，像素 的通光率通常小于60％，所以不是所有照射在像素上的光能都被有效地利用。如图5所 示，像素的通光率由阴影区域面积(37-ITO电极)与点划线包含面积(照射面积)之比 定义。比较图5(a)(传统像素)和图5(b)(本发明像素)不难发现，在本发明中， 像素的通光率可以通过调整压束片的压束比(使得其照射区域不包含一些不透光的黑条 阵列、储蓄电容等等区域)得到显著的提高。即，像素通光率比的分母被显著减小。实 际上，如果计入像素通光率因素，根据不同像素结构，压束片的压束比应大于2∶1(黑 白屏)或6∶1(彩屏)。需要指出的是，所有的空气/玻璃(塑料)面都需要镀增透膜以 优化透光率。
然后经过压束片的细小平行光束照射到由双折射材料构成的分束片22上。自然光 (非偏振光)在特定的角度下经过该片会呈现如图6(a)所示的“分离”(寻常光(o) 及非寻常光(e)。其“分离角”大小由晶体的晶向及材料的双折射率决定。对给定的分 离角，分离距离与晶体的厚度成正比。因此，通过控制晶体的厚度，分束片的分离距离 能被精确地设计。若不计通光率因素，对彩屏来说，分束片的厚度必须保证其分离距离 大于等于光束宽度的三倍，因为每一束白光将被分色片在不同的位置上分离为红、绿、 蓝三原色。
最典型的双折射材料为方解石、YVO4、LiNbO3等等，但这些晶体十分昂贵，且缺乏 大面积的双折射原材料，这一切使得它们不适用于此应用。本发明利用两块玻璃或塑料 板221及222夹着空间定位的液晶分子(SF-PDLC)223构成如图6(b)所示的分束片， 其中高双折射率液晶分子沿着能产生最大“分离角”的方向排列并被定位。因此，大面 积、低成本的分束片得以实现。如果分束片作为分离模板，它的两面都需要镀增透膜以 优化透光率。
经分束片分离的o光和e光然后行进到由一组与入射光垂直排列、其入射角为45°、 以玻璃或塑料234为基板的干涉滤光片231(红)、232(绿)、233(蓝)构成的分色片 23。该分色片的截面示意图在图7(a)及图7(b)中示出，其中的干涉滤光片为成熟 并广泛应用的光学技术。典型的干涉滤光片由不同折射率的非导电介质层交替叠加形 成。控制这些交替叠加的非导电介质层的膜厚及高、低折射率就能产生理想的干涉滤光 片中心波长及通带宽度。
分色片的工作原理在图7(c)中给出，其中的干涉滤光片光谱分别在图8(a)及 图8(b)中给出。如果颜色链起始色为红色，如图7(c)及图8(a)所示，红色滤光 片则透射红色频谱到液晶屏像素中，同时反射绿色及蓝色频谱。下一个(绿色)滤光片 反射绿色透射蓝色及红色频谱，如图7(c)及8(b)所示，即被第一个滤光片反射的 绿色在此被反射到液晶屏像素中，蓝色频谱则透射此滤光片继续前进。当剩余的频谱行 进到最后一个(蓝色)滤光片时，蓝色频谱在此被反射到液晶屏像素中。至此，三原色 被一一分离并定位。换言之，起始滤光片透射需要的频谱、反射不需要的频谱，其它二 个滤光片则反射需要的频谱、透射不需要的频谱。
显然，在以上的例子中红色滤光片(透射红色、反射其它)具有蓝色滤光片(反射 蓝色)的功能。事实上，二种滤光片的串联组合即可实现三原色的分离，如图9(a)所 示的红(221)、绿(222)滤光片组合。同理，若起始色为蓝色，只要蓝(223)、绿(222) 二种滤光片即可实现三原色的分离(图9(b))。这样生产工艺过程进一步简化、生产成 本进一步降低。与前述的分束片相同，如果分色片作为分离模板，它的两面都需要镀增 透膜以优化透光率。
显而易见，压束片与分色片之间需要精确地对齐；而分束片则不需要任何对齐措施。 由于第一个滤光片为透射式，第二、三个滤光片为反射式，从压束片来的光束需精确地 与第一个滤光片重叠。任何不精确的对齐都会造成色度不纯。
从以上的介绍中不难发现，分束片与分色片可以进一步集成为单一模板。图10中 示出利用分色片作为基板的分束片结构，并将该模板命名为分束色片。在此结构中，由 于高分子材料、液晶、玻璃的折射率接近，分色片内面不需要镀增透膜。对二模板的组 合来说，集成还省却了原基板的外面增透膜。即，相对于二模板的组合，分束色板省却 了二面的增透膜工艺，既简化了系统结构(三模板减为二模板)又降低了工艺成本。
本发明的特点之一是它可以形成与图2所示结构不同的各种组合用于提高液晶显 示器背光源的光能利用率。
图11(a)展示了压束片与分色片作为分离器件与液晶屏的配合。在此结构中，本 模块被夹在背光源与液晶屏之间，它必须与液晶屏像素精确地对齐以最大限度地利用光 能及正确地运行。此组合的工作原理如下。来自于背光源18的一束白色平行扩展光束 经过3∶1压束片被分成一组三分之一原宽度、并与像素等宽度的平行光束列。这些细小 白色平行光束然后经分色片23被分离为等宽的红、绿、蓝三原色，并被一个挨着一个 的定位。这些细小有色平行光束作为光源入射液晶屏。在此结构中，第一个偏振器11 理论上可置于背光源18与液晶屏有源基板13间的任何位置。由于本模块与目前TFT-LCD 技术高度兼容，在TFT-LCD的生产工艺中采用此模块不需要很大的工艺改进。在传统液 晶显示器中，本模块取代了图1中的传统滤光片16。
图11(b)展示了分色片作为液晶屏的基板在液晶显示器中的应用。由于分色片作 为一块玻璃板可以承受任何液晶屏生产工艺过程中的机械及热冲击，它可以作为液晶屏 的(无源或有源)基板来夹置液晶分子。在无源基板上，仅有地(电)极溅镀、高分子 导向膜旋镀及磨擦二道主要工艺过程。在这种情况下，尽管作为示意在图11(b)中第 一个偏振器11被置于压束片21与分色片23(液晶屏基板)间，理论上它可置于背光源 18与分色片23间的任何位置。在此结构中，无源基板必须与有源基板(TFT基板)对 齐。而如果用分色片作有源基板，由于分色片与像素已在有源基板生产过程中对齐，无 源基板与有源基板间无需对齐。由于省略了一层基板，此方案进一步简化了液晶屏的结 构及相应工艺，进一步提升了液晶屏的技术指标。同时，这个省略也避免两道了增透膜 工艺(一道在分色板表面，另一道在液晶屏无源基板的外表面)，从而进一步减小了系 统的厚度。
图12展示了压束片、分束片和分色片被夹在背光源18与液晶屏之间的结构。在这 种情况下，来自于背光源18的一束白色、非偏振、平行扩展光束经过6∶1压束片被分 成一组六分之一原宽度、并与像素等宽度的平行光束列。由于分布于二个偏振态、三原 色的光能必须从一个像素宽度通过，压束片的压束比必须要达到6∶1才能将六个像素的 光能压缩到一个像素宽度内。这些细小平行光束进一步被分束片22分成二组相互正交、 毗邻、等宽的线性偏振平行光束。这些细小白色偏振平行光束然后经分色片23被分离 为等宽的红、绿、蓝三原色，并被一个挨着一个的定位。然后，这些细小有色偏振平行 光束作为光源入射液晶屏基板13。在这种情况下，p-偏振态三原色一组总是毗邻着s- 偏振态三原色一组。同时，压束片21、分色片23与液晶屏像素间需要精确地对齐，而 分束片22则不需要任何对齐措施。由于从像素射出的光束有两种正交的偏振态，电路 驱动方式将设置为相邻二组不同偏振态的像素采用相反的驱动模式，即若第一组三像素 为“常关”，相邻的第二组三像素为“常开”。
图13展示了集成的分束色片24被夹在背光源18与液晶屏之间的结构。它的工作 原理与图12的相同。但由于省略了一层基板，从而避免了两道增透膜工艺(一道在分 束片22的外表面，另一道在分色片23的外表面)，使系统更加紧凑。
图14展示了集成的分束色片24作为液晶屏的无源基板的进一步集成。在如图14 所示的无源基板上，仅有地(电)极溅镀、高分子导向膜旋镀及磨擦二道主要工艺过程， 而无诸如光刻、滤光片印制等复杂工艺过程。同时，本发明中的分束色片是已定位的高 分子液晶模板，可以承受液晶屏生产过程中进一步的工艺冲击，从而是液晶屏理想的无 源基板。
此结构的工作原理与图12、13的相同。它进一步简化了液晶屏的结构及相应的工 艺过程，并提升了其技术指标。由于进一步移掉了一层基板，从而与图13相比进一步 避免了两道增透膜工艺(一道在分色片的外表面，另一道在液晶屏的外表面)。而与图 12相比，它则移掉了二层基板(分束片基板222及液晶屏无源基板14)和四个表面。
由于干涉滤光片的中心波长及通带宽度只对特定的入射角定义，偏离此入射角其中 心波长及通带宽度都会改变，即观众在不同的观摩角度会看到不同的颜色。故此，必须 保证到达不同观摩角度的观众眼中的光束都是从特定的出射角经干涉滤光片透射的光 束。为此需在液晶显示屏的出射面加一块以凹透镜为单位元素的散射片列阵。如图15 所示，在黑条阵列213的保证下，一束平行光束从左边垂直入射散射片25，根据众所周 知的折射定律，该平行光束在散射片的出射面被散射到不同的方向。
图17展示了由压束片21、分色片23、及散射片25等分离器件构成的液晶显示器结 构。
图18为压束片21及散射片25作为分离器件在以分色片23为基板的液晶显示器中 的应用。
图19为分别以分色片23及散射片25为有源及无源基板的液晶显示器的集成。