CN100437270C - 具有偏振光转换功能的背光模块 - Google Patents

Abstract

一种具有偏振光转换功能的背光模块，包括一反射片、一相位延迟片、一导光板、一光源及一次波长光栅片。其中，相位延迟片设置于反射片上。导光板设置于相位延迟片上，且其表面具有多个微结构。光源设置于导光板侧端，其发出的光线由导光板下表面的微结构而出射导光板。次波长光栅片设置于导光板上，用以(1)允许P光通过；(2)使S光产生反射。其中，S光在背光模块底部的反射片产生反射，并因为来回通过相位延迟片二次，而转换成为P光，由此可通过次波长光栅片。

Description

具有偏振光转换功能的背光模块

技术领域

本发明关于一种背光模块，特别是一种具有偏振光转换功能的背光模块。

现有技术

请参照图1，图1为现有液晶显示器示意图。液晶显示器10包括一液晶面板12以及一背光模块14，背光模块14用以提供液晶面板12所需的光源。

液晶面板12包括一上偏振片124、一彩色滤光层121、一液晶层122、一TFT层123以及一下偏振片125，TFT层123中数组排列的像素电极可调控液晶层122中液晶分子16的旋转角度。

来自背光模块14的光线穿过下偏振片125后，产生一偏振光，并进入透明的TFT层123，当TFT层123外加一电压时，可使液晶分子16产生不同的旋转角度，而在液晶层122产生不同的穿透率。不同穿透率的光线使得液晶显示器10呈现出灰阶的画面，接着光线经过彩色滤光层121之后，则可以呈现出彩色的画面。

由上述液晶显示器的基本显示原理可知，液晶层122中不同旋转角度的液晶分子16使光线产生不同穿透率，进而构成灰阶画面为液晶显示器其中一项关键技术。而由于液晶分子16对光线穿透率的调控，由图1所示的液晶分子16具有双折射效果，类似一椭圆偏光仪，可使特定方向的偏振光通过。因此，进入液晶层122的光线必须是属于同一偏振方向的偏振光。所以在现有的液晶显示器10之中，大部份需要一片或数片偏振片(例如图1中的标号124与125)，使灯管所提供的非偏极化的光线，经过偏振片之后而成为具有特定偏振方向的偏振光。若此些偏振片并非设置在液晶面板12之中，则需要设置在背光模块14内。

由上述现有的液晶显示器的介绍可知，为了使得背光模块14所提供的光线有良好的均匀度与辉度，因此灯管141所提供的光线经过层层的传导后，才由背光模块14出射并提供予液晶面板(图1标号12)。在此情形下，最后真正能被液晶面板12所利用的光线，往往不到灯管141所提供光线的百分之八，因此发光效率不高为现有液晶显示器长久以来的缺点。尤其，关于图2所示侧端入光背光模块14大多应用在可携式的电子产品中，如笔记型计算机的屏幕，相较于直下式背光模块而言，可使用的灯管数目较少，因此发光效率对侧端入光的背光模块14而言更形重要。

在背光模块14内部的光线传导过程中，光线经过偏振片145所产生的损失是极大的一寰，因为一般光线可分为比例各占百分之五十的P光与S光，因此，当光线通过偏振片145(或图1偏振片124、125)时，S光会被吸收，而造成百分之五十的光线损失。

在此说明现有偏振片145(或图1偏振片124、125)通常的制造方法及作用原理：关于偏振片的制造，通常是将特殊的长链型分子埋入可伸缩的透明塑料片中，将塑料片拉长以致使该长链型分子互相平行排列。如此一来，偏振片会将任何偏振方向顺着分子长轴的光线(S光)吸收，而与它们垂直的光线(P光)则可通过。因此来自导光板142的光线通过偏振片145时即产生了百分之五十的损失。

以下介绍现有侧端入光的背光模块。请参照图2，图2为现有背光模块示意图。背光模块14包括一灯管141、一导光板142、一反射片143、一偏振片145以及多层光学薄膜147。

灯管141设于导光板142的侧端，此种将光线由导光板142侧端入射的背光模块通常称为侧端入光(edge light)背光模块。灯管141通常采用冷阴极灯管。

导光板142靠近灯管141的侧端具有一斜面1421，且导光板142的底部具有多个沟槽状结构(slot structure)1422。斜面1421使得入射的光线以特定的角度射向该些沟槽状结构1422，而使光线可出射导光板142。

如图2所示，由沟槽状结构1422的分布密度，由靠近灯管之一端向另一端逐渐增加，其目的在于使得出射导光板142上、下表面的光线分布的更均匀。避免导光板142较靠近灯管141的一侧端(图中左端)的亮度特别高，而产生亮度不均的情形。

设置于导光板142下方的反射片143用来使光线可向上反射，以使来自灯管141的光线能有效地被导至导光板142的上表面(出光面)。

综上所述，如何有效地利用偏振片所吸收的S光，使得背光模块能够将其中灯管所发出的光线能被更有效地利用，为现有技术所缺乏。除此之外，如何在开发可将上述被吸收的S光加以利用的技术时，同时考虑到其应用于背光模块产品化的加工便利性，甚至考虑到其所花费的成本，以使得新技术不只能改善现有背光模块中发光效率偏低的缺点，并能快速地应用于生产线 上，并投入目前蓬勃发展的液晶显示器市场中，为当前技术开发时的另一重点。

因此，对于从事液晶显示器相关领域的研发人员而言，莫不致力于解决现有技术所仍然具有的缺点，以期能够更进一步提高背光模块的发光效率与品质，并因此而使液晶显示器产品的背光源品质提升后，进而提升其整体品质，加强其市场竞争力。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有偏振光转换功能的背光模块。

本发明的另一目的在于改善现有背光模块发光效率偏低的缺点。

本发明的另一目的在于提供一种易于产品化的背光模块。

本发明所提供的背光模块，其包括一反射片、一相位延迟片、一导光板、一光源、一次波长光栅片以及多层光学薄膜。

相位延迟片设置于反射片上，其为一二分之一波片与一四分之一波片的组合；由四分之一波片与二分之一波片互相配合，可使得来回通过的可见光均匀地产生二分之一波长的相位差。

而导光板亦设置于相位延迟片上方，其表面具有多个微结构，用以增加背光模块的均匀度。光源则设置于导光板侧端，其所发出的光线由在导光板内部产生全反射，而散布于导光板中，并由导光板表面的该些微结构，而出射导光板。

次波长光栅片(sub-wavelength grating plate)，设置于导光板上，其具有多个周期为数十纳米(nm)平行排列的条状结构，用以：

(1)允许光线中偏振方向垂直该些次波长光栅的偏振光通过，并定义该些通过的偏振光为P光。

(2)使光线中偏振方向平行该些次波长光栅的偏振光产生反射，并定义该些反射的偏振光为S光。

其中，该些S光会在背光模块底部的反射片再一次产生反射；并因为由次波长光栅片射向反射片，且再次反射回到次波长光栅片的过程中，该些S光会来回通过相位延迟片二次，因而转换成为P光。由此，S光转换成为P光而可通过次波长光栅片。

由次波长光栅片、四分之一波片、二分之一波片与反射片的配合，光源所提供的非偏极化的光线可近乎全数地转变成为P光。

多层光学薄膜设置于次波长光栅片上，其用以加强背光模块所提供的P光的均匀度与辉度；多层光学薄膜包括上、下扩散片与上、下棱镜片。

本发明提供了一种具有偏振光转换功能的背光模块，并改善了现有背光模块发光效率偏低与制作困难的缺点。本发明利用次波长光栅片、相位延迟片及反射片的配合，成功地利用了现有技术中被吸收掉的S光，使光源所发出的光线更有效地利用。并且利用二分之一波片，使得在可见光的范围之中，S光可均匀地转换为P光。且本发明背光模块在开发时兼顾到在生产上的便利性，其架构可快速地应用于生产线上，有利于产业的竞争力与发展。

附图说明

图1为现有液晶显示器示意图；

图2为现有背光模块示意图；

图3为本发明背光模块示意图；

图4显示波长-相位差关系图；

图5显示本发明另一实施例；

图6显示本发明另一实施例；及

图7显示本发明另一实施例。

图号对照表

液晶显示器    10         液晶面板      12

彩色滤光层    121        液晶层        122

TFT层         123        偏振片        124、125、145

背光模块      14         灯管          141

导光板        142        斜面          1421

沟槽状结构    1422       反射片        143

多层光学薄膜  147        液晶分子      16

P光           P          S光           S

背光模块      30         反射片        32

相位延迟片    33         四分之一波片  34

二分之一波片  36         导光板        38

微结构        381        光源          40

次波长光栅片  42         条状结构      421

多层光学薄膜  44         第一曲线      L1

第二曲线    L2        第三曲线    L3

第四曲线    L4

具体实施方式

请参照图3，图3为本发明背光模块示意图。背光模块30具有偏振光转换的功能，其包括一反射片32、一相位延迟片33、一导光板38、一光源40、一次波长光栅片42以及多层光学薄膜44。

相位延迟片33设置于反射片32上，其为一四分之一波片34与一二分之一波片36的组合。

而导光板38设置于相位延迟片33上方，其表面具有多个微结构381。其中每一微结构381具有一特定的斜面。

光源40则设置于导光板38侧端，光源38所发出的光线由在导光板38内部产生全反射，而散布于导光板38中，并由导光板38表面的该些微结构381，而出射导光板38。

如图3所示，微结构381分布密度，由靠近光源40的一侧端向另一侧端逐渐增加，其目的在于避免背光模块30较靠近光源40的一侧端(图中左端)的亮度特别高，而产生亮度不均的情形

次波长光栅片(sub-wavelength grating plate)42，设置于导光板38上，次波长光栅片38具有多个周期为数十纳米(nm)平行排列的条状结构421，其用以：

(1)允许光线中偏振方向垂直该些条状结构421的偏振光通过，并定义该些通过的偏振光为P光。

(2)使光线中偏振方向平行该些条状结构421的偏振光产生反射，并定义该些反射的偏振光为S光。

其中，该些S光会在背光模块30底部的反射片32再一次产生反射；并因为由次波长光栅片42射向反射片32，且再次反射回到次波长光栅片42的过程中，该些S光会来回通过相位延迟片33，产生二分之一波长的相位延迟，因而转换成为P光。由此，背光模块30内部的S光转换成为P光，而可通过次波长光栅片42。由次波长光栅片42、相位延迟片33与反射片32的配合，光源40所提供的非偏极化的光线可近乎全数地转变成为P光。

如图3所示，多层光学薄膜44设置于次波长光栅片42上，其用以加强背光模块30所提供的光线的均匀度与辉度，实施时，多层光学薄膜44可包括上、下扩散片与上、下棱镜片。

相较于现有技术使用偏振片145的背光模块14(图2)，本发明背光模块30(图3)采用次波长光栅片42来取代现有技术中的偏振片145。在功效上而言，次波长光栅片42与偏振片145主要的不同在于：次波长光栅片42是将S光予以反射，而偏振片145则会吸收S光。

且本发明利用背光模块中既有的反射片32配合相位延迟片33，使得被次波长光栅片42反射的S光可在来回经过其中的四分之一波片34时，产生二分之一波长的延迟(retardation)而造成相位差，而恰好能转换成为P光，大幅地改善了现有技术中因偏振片145所造成的光线损失。

在本发明部份实施例中，次波长光栅片是采用Moxtek公司的PPL、PBS或PBF系列产品。在本发明另一实施例中，亦考虑在制作导光板38的射出成型模具时，预先设置与该些条状结构421相对应的结构于模具上，以将该些条状结构421与导光板38一体成型地制出。导光板38的下表面为一体成型的微结构381外，其上表面保持平整，可便利于导光板38与次波长光片42的组合，为一有利于背光模块30整体制程速度的实施方式。

请继续参照图3，本发明背光模块30之中，相位延迟片33除了包括上述的四分之一波片34之外，另具有一片二分之一波片36。由于本发明此设置方式主要是着眼于背光模块30所提供的光线并不是单一波长，而是包含了可见光的波长范围(约400～700nm)-背光模块仅设置四分之一波片34而未设置二分之一波片36时，虽然依然可以达到产生P光，且转换部份的S光的目的，然而在不同波长(不同色)的光线上，其效果会有所不同，而造成色偏问题，使得显示品质下降。

请参照图4，图4显示波长-相位差关系图。关于背光模块30中，二分之一波片与四分之一波片不同的设置方式，会对各种不同波长的光线，产生不同的相位差效果。

图4中第一曲线L1与第二曲线L2，代表背光模块30仅设置有一片四分之一波片(图3的标号34)，而未设置有二分之一波片(图3的标号36)时，光线经过该片四分之一波片后的相位差结果。

第一曲线L1代表使用polycarbonate材质的四分之一波片的实施例，而第二曲线L2代表使用polyvinyl alcohol材质的四分之一波片的实施例。

第三曲线L3与第四曲线L4代表同时设置一片四分之一波片(图3标号34)与一片二分之一波片(图3标号36)时，光线来回通过该片二分之一波片，并通过该四分之一波片一次的实验结果。

第三曲线L3代表以polycarbonate材质的二分之一波片及四分之一波片的实施例，其中二分之一波片与四分之一波片的相对轴夹角为10度。

而第四曲线L4代表以polycarbonate材质的二分之一波片及四分之一波片的实施例，其中二分之一波片与四分之一波片的相对轴夹角为17.5度。

比较第一～第四曲线(L1～L4)，很明显地，同时设置有二分之一波片与四分之一波片时(L3，L4)，不论是接近400nm的光线(接近紫光)或是接近700nm的光线(接近红光)，其相位差皆较集中于四分之一波长，因此偏振光转换的效果会较均匀。且其中以相对轴夹角介于9度～11度时效果较佳。而仅设置有四分之一波片时(L1，L2)，仅有在550nm附近的光线的相位差较接近四分之一波长，如图4所示，其中L1接近400nm的相位差甚至已到达八分之三波长；因此，此类实施例的偏振光转换效果会较不均匀，例如波长550nm的光线的偏振光转换效果，会优于波长400nm的光线。

本发明具有偏振光转换功能背光模块的部份具体实施方式将介绍如下，请配合图3。

背光模块30中，导光板38不再设置有图2的现有背光模块14中的斜面1421，如图3所示，导光板38靠近光源40的侧端为平整，如此的设计不但使得在制造导光板38时更为容易，而且在组装导光板38与光源40时因可不需考虑光源40与斜面的配合，因此组装更为简便。

而导光板38底部的微结构381提供了多个细微的特定斜面，取代了现有背光模块14中的导光板142的斜面1421的功能(图2)，微结构381可使得导光板38内部全反射的光线顺利出射导光板38。

微结构381可为V沟结构，或是具有特定斜面的凸块(Bump)结构(图5)，其形成是可由制作导光板38的射出成型模具时，预先设置与微结构381相对应的结构于模具上，以将微结构381与导光板38一体成型制出。此外，以V沟结构为例，亦可在表面仍为平整的导光板38上利用V沟刮刀以形成V沟结构。

值得一提的是，图3所示乃本发明背光模块示意图，其中各组件可叠放入一框架之中，各组件彼此之间并未必有图3所示的间距。且微结构381除了设置于导光板38下表面之外，在另一实施例中可设置于导光板38上表面(图6)，且在另一实施例中可在导光板38之上、下表面皆设置有微结构381(图7)。

综合以上所述，本发明提供了一种具有偏振光转换功能的背光模块，并改善了现有背光模块发光效率偏低与制作困难的缺点。本发明利用次波长光栅片、相位延迟片及反射片的配合，成功地利用了现有技术中被吸收掉的S光，使光源所发出的光线被更有效地利用。并且利用搭配二分之一波片，使得在可见光的范围之中，S光可均匀地转换为P光。且本发明背光模块在开发时兼顾到在生产上的便利性，其架构可快速地应用于生产线上，有利于产业的竞争力与发展。

Claims (8)

1.一种偏振转换功能的背光模块，其特征在于，包括：

一导光板，其表面设有多个微结构；

一次波长光栅片，设于该导光板的上方，其具有多条状结构；

一光源，设于该导光板的一端，该光源所发出的光线含有可通过上述条状结构的P光，以及可被上述条状结构反射的S光，其中P光与S光的相位相差二分之一波长；

一相位延迟片，设于该导光板的下方，该相位延迟片至少包括一四分之一波片与一二分之一波片；以及

一反射片，设于该相位延迟片的下方，

其中，该光源的光线在进入该导光板之后，在该导光板内部产生全反射，并利用上述微结构射出该导光板，其中P光可直接通过该次波长光栅片，而S光则必须经过该反射片的反射，以及经过该相位延迟片至少二次，使其相位延迟二分之一波长并转换成P光以通过该次波长光栅片。

2.如权利要求1所述的背光模块，其特征在于，该四分之一波片与该二分之一波片是以一介于9度～11度的相对轴夹角相结合。

3.如权利要求1所述的背光模块，其特征在于，该些微结构设置于该导光板的下表面。

4.如权利要求1所述的背光模块，其特征在于，该些微结构设置于该导光板的上表面。

5.如权利要求1所述的背光模块，其特征在于，该些微结构为V沟结构。

6.如权利要求1所述的背光模块，其特征在于，该些微结构为凸块结构。

7.如权利要求1所述的背光模块，其特征在于，该背光模块更包括两个以上光学薄膜设置于次波长光栅片上。

8.如权利要求7所述的背光模块，其特征在于，该些光学薄膜包括一上扩散片、一下扩散片、一上棱镜片以及一下棱镜片。

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