CN101414022A - 偏振光学元件、液晶显示器、偏振光源及方法 - Google Patents

Abstract

一种低色偏偏振光学元件，包括胆甾液晶膜，以及波长延迟片，该波长延迟片由一片或一片以上的O板(O－plate)相位差膜组合而成，设置于胆甾液晶膜上，其中该波长延迟片兼具偏振状态转换与色差补偿功能。此外，该低色偏偏振光学元件可进一步与背光模块或液晶显示单元结合，以提供一结构简化、全视角低色偏、高亮度的偏振背光源或液晶显示器。

Description

偏振光学元件、液晶显示器、偏振光源及方法

技术领域

本发明涉及一种光学元件，特别涉及一种低色偏的组合型偏振光学膜及含有该光学膜的背光模块和液晶显示器。

背景技术

液晶显示器是一种自身不发光的显示器，为了图像显示，通常需要使用会发光的背光模块作为光源，而液晶在电场的作用下配合偏振材料，其功能如同光阀，结合电极的布置及电极开关的安排，可调节光线的强弱、即可在空间中产生不同的亮暗点而呈现生动的图像。

传统上的偏振片是由二色性材料所形成，其中含有例如碘离子错合物或二色性染料物，使其在两个互相直交的轴上吸收光线的能力不同，亦即在其中一轴(吸收轴)有入射光的最高吸收度，而在其直交轴(穿透轴)上有最低吸收度，因此就实际状况而言有一半以上的入射光会被偏振片吸收而损失，造成偏振片及液晶显示器总体的低光能利用率，无法同时满足液晶显示器高亮度与低能量耗损的需求。

目前用来增进液晶显示器光能利用率最有效的方法之一为偏振转换法，其利用结果为转换偏振轴的方式将原本在吸收轴振动的光转换到穿透轴上(透过与背光模块的反射机制)，达到光的高效能再利用。

胆甾液晶膜是一种可将自然光偏振成圆偏振光的偏振元件，其可以将光线分离成左圆偏振光与右圆偏振光，与胆甾液晶分子堆迭螺旋性(手性)相同的圆偏振光将会被反射，而另一与胆甾液晶分子手性相反的圆偏振光则会穿透胆甾液晶膜。通常将胆甾液晶膜设置于液晶显示器之下偏振片与背光模块之间，如此被胆甾液晶膜反射的光经过背光模块的反射机制将会穿透胆甾液晶膜，增加光能利用率。

一般液晶显示器的光学采用线性偏振光(linear polarized light)的设计，前述胆甾液晶膜所分离出来的是圆偏振光，需将其转换成线性偏振光，从光学原理得知这个转换须用到1/4波长延迟片膜(quarter wave film，简称QWF)，若将该QWF设置于胆甾液晶膜上，与光源成相反侧，并藉由调整1/4波长延迟片与偏振片的轴向的相对夹角，偏振态的转换即可达成，该组合物进一步与背光模块、显示面板的适当组合即可达到增加亮度(高光能利用率)的目的。

然而，传统上所使用的1/4波长延迟膜通常为A板(A-plate)型式，如图1所示，A板型式1/4波长延迟膜的光轴14为与膜面方向平行，A板型式的1/4波长延迟膜与胆甾液晶膜搭配的组合元件往往容易在大视角观察到与原背光源不同的色调，即为色偏现象(color shift)，当色偏现象严重时，就会在大视角处影响图像颜色的准确性，因此，亟需一种整合功能型的光学膜片以改善该现象及增加增亮技术的实用性。

为改善此一现象有许多解决方法被提出，例如美国专利第5731886号是在1/4波长延迟片上另外设置一片正型C板(C-plate)补偿膜来补偿色偏现象，然而，此方法会增加材料的种类以及厚度，并且增加工艺的步骤与复杂度，使得大面积时难以均匀化。

O板相位差膜的特征在于其为光轴在斜方向且不与膜的法线垂直或平行的光学补偿膜，但沿着厚度方向移动，其光轴在膜层两表面间与膜面间的夹角可有两种形式的分布，若光轴在第一表面与第二表面之间与膜面的夹角是连续变化，我们称之为展开型的O板(splay-type O-plate)；另外，若光轴在第一表面与第二表面之间与膜面法线的夹角大致一致，我们称之为倾斜型的O板(synclinic-type O-plate)。

O板相位差膜用于例如扭转向列液晶模式(Twisted Nematic，简称TN)、超扭转向列液晶模式(Super Twisted Nematic，简称STN)等液晶显示器的视角-对比补偿膜，例如美国专利第5504603号及第7088411号所述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低色偏偏振光学元件，包括：胆甾液晶膜，以及波长延迟片，波长延迟片由一片或一片以上的O板(O-plate)相位差膜组合而成，设置于胆甾液晶膜上，其中波长延迟片兼具偏振状态转换与色差补偿功能。

上述的波长延迟片具有1/4波长延迟片的功能，其特征在于使用O板相位差膜组合而成，作为对通过胆甾液晶膜的圆偏振光转换成线偏振光所需的1/4波长延迟片用。此外，其除了作为前述的偏振态转换所需的1/4波长延迟片之外，还兼有降低胆甾液晶膜在大视角方向的色偏功能。因此，上述的波长延迟片为兼具1/4波长延迟片及色偏补偿功能的整合型光学膜。另外，为了提供更对称的光学补偿效果，其中堆迭的各O板相位差膜的光轴可为相互对称或非对称的型式。

本发明的另一目的在于提供一种液晶显示器，其包括：液晶盒，一对上下偏振板对向设置夹设液晶盒，背光源设置于液晶盒与下偏振板下方，以及如上所述的低色偏偏振光学元件，设置于背光源与下偏振板之间，且其中胆甾液晶膜朝向背光源。上述的液晶显示器具有低耗电的功效。

本发明又提供一种低色偏偏振光源，其由如上所述的低色偏偏振光学元件与背光模块所组合成，其中该低色偏偏振光学元件设置于背光模块的出光面上。

此外，本发明更提供一种兼具偏振状态转换与色差补偿的方法，适用于液晶显示器，该方法包括：提供液晶盒，将一对上下偏振板对向设置夹设液晶盒，将背光源设置于液晶盒与下偏振板下方；以及将上述的低色偏偏振光学元件设置于背光源与下偏振板之间，且其中胆甾液晶膜朝向背光源。

为让本发明之上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1为A板1/4波长延迟片的光轴剖面示意图；

图2A与2B为O板相位差膜的光轴剖面示意图；

图3A至3B为本发明的光学元件的结构剖面图，图中显示1片O板相位差膜在胆甾液晶膜上的堆迭方式；

图3C至3J为本发明的光学元件的结构剖面图，图中显示两片O板相位差膜在胆甾液晶膜上的堆迭方式；

图4为本发明的一实施例的液晶显示器的结构剖面图；

图5A为本发明实施例1的光学元件在各视角的色偏值的测量结果；

图5B为本发明比较例1的光学膜在各视角的色偏值的测量结果。

主要元件符号说明

10、200～基底；

12～A板1/4波长延迟片；

14、203、204、205～光轴；

210、418～O板相位差膜；

201～O板相位差膜的下表面；

202～O板相位差膜的上表面；

220、420～胆甾液晶膜；

410～背光源；

412～上偏振板；

414～下偏振板；

416～液晶盒；

430～本发明的低色偏偏振光学元件。

具体实施方式

本发明提供一种光学元件，其利用具有O板特征的相位差膜所组成的1/4波长延迟片设置于胆甾液晶膜上，其与背光源搭配可提供低色偏的偏振光源，并可应用于液晶显示器上。本发明利用O板相位差膜作为1/4波长延迟片的建立元件，同时提供作为偏振状态转换的波长延迟片以及消除在大视角时的色偏现象的整合型功能，因此当其应用于液晶显示器时，可达到结构简化、全视角低色偏以及高亮度的功效。

参阅图2A及2B，O板相位差膜210是一种光轴与厚度的法线之间具有一角度的光学膜，其材料例如为具向列相液晶特性或碟型液晶的材料，可在基底200上形成，基底的材料例如为离型层，当用于本发明的1/4波长延迟片的建立元件及成品时，该离型层不存在。O板相位差膜具有上表面201与下表面202，在上表面与下表面的层间可有多个光轴203，且其中至少一光轴与下表面之间夹有一角度。O板相位差膜大致上可分为两类，其中一种如图2A所示，为展开型的O板(splay type O-plate)，多个光轴从膜的下表面到上表面，由近乎水平状态(亦即0度)连续变化至近乎垂直状态(亦即90度)，且此种O板相位差膜具有一大致的平均倾斜角度θ₁；另一种如图2B所示，为倾斜型的O板(synclinic type O-plate)，光轴从膜的下表面到上表面有几乎相同的倾斜角度θ₂，亦即O板相位差膜自底部至顶部的层间分子所形成的平均光轴与O板相位差膜平面间所夹的角度大抵相同，且倾斜角度θ₂大于0度。

本发明的光学元件可使用一片或一片以上的O板相位差膜的组合作为1/4波长延迟片与胆甾液晶膜搭配成低色偏的偏振光学元件，其中波长延迟片的平面内相位差值(in-plane retardation，简称Ro)介于130±30nm之间，且其平面外相位差值(out-of-plane retardation，简称Rth)大于90nm。本发明的O板相位差膜层内分子所形成的平均光轴与O板相位差膜水平面间所夹的角度可介于0度至75度之间，较佳为10度至60度之间，更佳为15度至50度之间。若使用如图2A所示的O板相位差膜，则其中与胆甾液晶膜接近的光轴可为近乎水平状态或近乎垂直状态。图3A至3B为使用一片O板相位差膜设置胆甾液晶膜上的光学元件，如图3A中所示，其中O板相位差膜210以近乎水平状态的光轴204靠近胆甾液晶膜220，而图3B中的O板相位差膜210则是以近乎垂直状态的光轴205靠近胆甾液晶膜220。

另外，本发明亦可使用由一片以上的O板相位差膜组合而成的1/4波长延迟片与胆甾液晶膜搭配成本发明的低色偏偏振光学元件，其中多片O板相位差膜的堆迭方式可为将各单层O板相位差膜的光轴以对称或非对称方式堆迭，如图3C至3J所示，其为使用2片O板相位差膜堆迭的各种方式，其中图3C、3F、3G和3J的堆迭方式为光轴对称，而图3D、3E、3H和3I的堆迭方式则为光轴非对称，虽然图3C至3J是以2片O板相位差膜堆迭为例，熟悉此技艺人士当可了解，也可以使用2片以上的O板相位差膜堆迭，并且其堆迭方式也可分成光轴对称与光轴非对称。

在本发明的光学元件中，无论使用一片或是一片以上的O板相位差膜，其都可以作为对通过胆甾液晶膜的圆偏振光做偏振状态转换的波长延迟片，此外还可同时具有色偏补偿的功能，因此只需要一种光学膜即可同时达到偏振状态转换与色偏补偿的功能，反观习知技艺中，若需要达到上述的两种功能，则需要利用具有偏振状态转换的1/4波长延迟片搭配正型C板(C-plate)补偿膜来补偿色偏现象，因此本发明可简化材料并节省成本。

本发明的低色偏偏振光学元件可应用于液晶显示器中，在本发明一实施例中，液晶显示器的结构剖面图如图4所示，一对上、下偏振板412、414对向设置，中间夹设液晶盒(liquid crystal cell)416，熟悉此技艺人士当可了解，液晶盒包括彩色滤色器基板与阵列基板夹设液晶层(未绘出)，在下偏振板414与背光源410之间为本发明的光学元件430，其包括一片或多片的O板相位差膜的组合作为1/4波长延迟片418设置于胆甾液晶膜420上。经由该组合型1/4波长延迟片418、胆甾液晶膜420与背光源410搭配，可提供低色偏的偏振光源，同时由于本发明的低色偏偏振光学元件与背光模块的搭配可提高LCD的光能利用率，因此可达到高亮度的需求。

在液晶显示器的应用上，若只针对特定视角需求，例如驾驶员观看的液晶荧幕，则可利用单片型的O板1/4波长延迟片或非对称型组合型O板1/4波长延迟片来补偿特定视角的色偏现象；若需针对对称视角的需求，例如在液晶荧幕的两侧都有观看者，则需要对称型组合型O板1/4波长延迟片以补偿两侧的色偏现象。多片O板组合型O板1/4波长延迟片可提供更对称的光学补偿效果，且无论是光轴对称或非对称的堆迭方式都能达到同样的效果。

本发明的光学元件利用单一种光学膜同时提供作为偏振状态转换的波长延迟片以及消除在大视角时的色偏现象的整合型功能，因此不需像传统的液晶显示器要有各别的1/4波长延迟片及正型C板(C-plate)补偿膜，当其应用于液晶显示器时，可达到结构简化材料、成本降低、全视角低色偏以及高亮度的功效。

实施例1

在550nm波长下，O板相位差膜(取自远东纺织)其单片的平面内相位差值(Ro)为60nm(±5nm)，单片的平面外相位差值(Rth)为94nm(±5nm)，光轴倾斜角为19.6°，将两片上述的O板相位差膜以图3C方式堆迭成组合型1/4波长延迟片，并设置于宽波域胆甾液晶膜上，成为本发明实施例1的低色偏偏振光学元件。

将本发明实施例1的低色偏偏振光学元件以光学仪器Ezcontrast-160(法国Eldim公司产品)测量其在LCD背光模块装设前与装设后所发出的光在各视角的色彩差异情形，所得的结果如图5A所示，其中横轴为视角自-80°至+80°，纵轴为色度座标的差异值(du’v’，简称色偏值)，由图中可得知，使用本发明的光学元件其在小视角(≦±40°)的色偏值约为0.01或0.01以下，且在大视角(≧±50°)的色偏值约为0.02。

比较例1

使用市售的1/4波长延迟片(取自日本帝人化成)，其平面内相位差值(Ro)为147nm(@589nm)，平面外相位差值(Rth)约为75nm(±5nm)，光轴倾斜角为0°，与同实施例1的宽波域胆甾液晶膜搭配，利用光学仪器Ezcontrast-160(法国Eldim公司产品)测量其在LCD背光模块装设前与装设后所发出的光在各视角的色彩差异情形，所得的结果如图5B所示，其中横轴为视角自-80°至+80°，纵轴为色度座标的差异值(du’v’，简称色偏值)，由图中可得知，其在小视角(≦±40°)的色偏值约为0.01，且在大视角(≧±50°)的色偏值约为0.04。

由图5A及图5B的结果比较可得知，虽然市售的1/4波长延迟片搭配宽波域胆甾液晶膜可在小视角时达到与本发明的光学元件相同效果的色偏值0.01，但是其在大视角时的色偏值为0.04，远大于本发明的光学元件在大视角时的色偏值0.02，由此可得知，利用本发明的光学元件较传统的1/4波长延迟片搭配宽波域胆甾液晶膜更能达到液晶显示器在大视角时低色偏的要求。

虽然本发明已揭露优选实施例如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定为准。

Claims (16)

1.一种低色偏偏振光学元件，包括：

胆甾液晶膜；以及

波长延迟片，其由一片或一片以上的O板相位差膜组合而成，设置于该胆甾液晶膜上，其中该波长延迟片兼具偏振状态转换与色差补偿功能。

2.如权利要求1所述的低色偏偏振光学元件，其中该波长延迟片的平面相位差值Ro介于130±30nm之间，且其平面外相位差值Rth大于90nm。

3.如权利要求1所述的低色偏偏振光学元件，其中该O板相位差膜层内分子所形成的平均光轴与该O板相位差膜水平面间所夹的角度介于0度与75度之间。

4.如权利要求3所述的低色偏偏振光学元件，其中该O板相位差膜层内分子所形成的平均光轴与该O板相位差膜水平面间所夹的角度介于10度与75度之间。

5.如权利要求4所述的低色偏偏振光学元件，其中该O板相位差膜层内分子所形成的平均光轴与该O板相位差膜水平面间所夹的角度介于15度与75度之间。

6.如权利要求1所述的低色偏偏振光学元件，其中该O板相位差膜自底部至顶部的层间分子所形成的平均光轴与该O板相位差膜平面间所夹的角度大抵相同，且该角度大于0度。

7.如权利要求1所述的低色偏偏振光学元件，其中该O板相位差膜自底部至顶部的层间分子所形成的光轴与该O板相位差膜平面间所夹的角度由约0度连续变化至约90度。

8.如权利要求1所述的低色偏偏振光学元件，其中该波长延迟片由两片O板相位差膜组成。

9.如权利要求8所述的低色偏偏振光学元件，其中该两片O板相位差膜以光轴对称方式堆迭。

10.如权利要求8所述的低色偏偏振光学元件，其中该两片O板相位差膜以光轴非对称方式堆迭。

11.一种液晶显示器，包括：

液晶盒；

一对上下偏振板，对向设置夹设该液晶盒；

背光源，设置于该液晶盒与该下偏振板下方；以及

如权利要求1所述的低色偏偏振光学元件，设置于该背光源与该下偏振板之间，且其中该胆甾液晶膜朝向该背光源。

12.如权利要求11所述的液晶显示器，其中在该O板相位差膜与该下偏振板之间没有C板补偿膜。

13.一种低色偏偏振光源，包括：

背光模块；以及

如权利要求1所述的低色偏偏振光学元件，设置于该背光模块之上。

14.一种兼具偏振状态转换与色差补偿的方法，适用于液晶显示器，该方法包括：

提供液晶盒；

将一对上下偏振板对向设置夹设该液晶盒；

将背光源设置于该液晶盒与该下偏振板下方；以及

将如权利要求1所述的低色偏偏振光学元件设置于该背光源与该下偏振板之间，且其中该胆甾液晶膜朝向该背光源。

15.如权利要求14所述的兼具偏振状态转换与色差补偿的方法，其中在该O板相位差膜与该下偏振板之间没有设置C板补偿膜。

16.如权利要求14所述的兼具偏振状态转换与色差补偿的方法，其中该背光源与该光学元件的组合提供低色偏偏振光源。

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