CN103631052B - 液晶显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种液晶显示装置，其包括：一背光模块，提供一光线群；一液晶面板，设置于该背光模块之上，部分该光线群穿透该液晶面板，该液晶面板包括相对设置的第一基板及第二基板、及一设置于该第一基板与第二基板之间的液晶层；以及一第一光学膜，置于该液晶面板之上，用以使通过该第一光学膜的部分该光线群被绕射式扩散，被扩散的部分该光线群包括一第一绕射光，该第一绕射光具有一绕射角α1介于40度至90度之间；其中，该背光模块的该光线群包括一第一强度U(θ)与一第二强度U(θ+α1)，的比值小于或等于10％并大于0，且θ为0度以上并小于50度。

Description

液晶显示装置

技术领域

本发明涉及一种液晶显示装置，特别是一种具有Colliwide广视角技术的液晶显示器。

背景技术

液晶显示器已广泛使用于各种电子产品中，例如，具显示荧幕的电脑设备、行动电话、或数字相框等，而广视角技术为目前液晶显示器的发展重点之一。对于扭转向列型(Twisted Nematic，简称TN)、垂直配向型(Vertical Alignment，简称VA)及横向电场效应型(In-Plane Switching，简称IPS)的穿透式液晶显示器而言，其侧视角的电压-穿透率(V-T)光学特性曲线受到液晶排列的影响，其中部分会出现灰阶反转的缺点，而影响其广视角的影像显示效能。

Colliwide技术是以近准直背光源搭配与液晶面板之上偏光板结合的散射式光学扩散膜，使得液晶排列影响侧视角的电压-穿透率光学特性曲线的效应降低，藉以实现广视角的液晶显示技术。然而，目前Colliwide技术对近准直背光源的设计考量仅于选择出射光型半高宽狭窄的背光源，而忽视了较大侧视角有无亮度反转，或背光源与光学扩散膜的搭配对于各视角的影响，因此，于观察者一般使用的视角范围内，仍有可能灰阶反转的不良影像视觉效果。

发明内容

本发明的目的在于解决现有液晶显示技术中存在灰阶反转的问题，提供一种具有Colliwide广视角技术的液晶显示装置。

为达成此目的，根据本发明的一方面，一实施例提供一种液晶显示装置，其包括：一背光模块，提供一光线群；一液晶面板，设置于该背光模块之上，部分该光线群穿透该液晶面板，该液晶面板包括一第一基板、一相对的第二基板、及一设置于该第一基板与该第二基板之间的液晶层；以及一第一光学膜，置于该液晶面板之上，用以使通过该第一光学膜的部分该光线群被绕射式扩散，被扩散的部分该光线群包括一第一绕射光，该第一绕射光具有一绕射角α1介于40度至90度之间；其中，该背光模块的该光线群包括一第一强度U(θ)与一第二强度U(θ+α1)，的比值小于或等于10％并大于0，且θ为0度以上并小于50度。

此外，该被扩散的部分该光线群包含一中央绕射光。该中央绕射光可具有一中央峰值强度，该第一绕射光可具有一第一峰值强度，且该第一峰值强度与该中央峰值强度的比值介于4％至10％之间。

此外，该液晶层包括扭转向列型液晶，该第一基板可包含一第一配向层，该第二基板可包含一第二配向层，且该第一配向层的第一配向角ψa1介于-40度至-50度之间，该第二配向层的第二配向角ψa2介于-130度至-140度之间。

此外，该聚光层包含一第一棱镜片及一第二棱镜片，该第二棱镜片位于该第一棱镜片之上，该第一棱镜片与该第二棱镜片具有多个平行排列的长条形棱镜，该第一棱镜片具有第一长轴方向角ψ11介于-40度至-50度之间或是介于-130度至-140度之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过适当地设置背光模块上的棱镜片组合，可使进入液晶面板下视角方向的光减少，并使其正面视角方向的光，经由液晶面板上的光学扩散膜而部分绕射至其下视角方向，而达到灰阶反转的补偿效果。

附图说明

图1为根据本发明实施例的液晶显示装置的剖面示意图。

图2为根据本发明实施例的液晶面板配向方向示意图。

图3说明当一光束通过扩散膜所产生至少二绕射光的示意图。

图4A为具有多个彼此平行的长条形棱镜的棱镜片的设置方向示意图。

图4B为具有多个彼此平行的长条形棱镜的棱镜片的设置方向示意图。

图5为数个背光源的平面光在下视角方向上的强度分布曲线图。

图6为正交座标系(x,y,z)与球座标系(r,θ,φ)的示意图

附图标记说明：100-液晶显示装置；101-观察者；110-背光模块；120-液晶面板；121-第一基板；122-第二基板；123-液晶层；130-第一光学膜；131-第二光学膜；140-聚光层；141-第一棱镜片；142-第二棱镜片；181-第一配向方向；182-第二配向方向；183-下视角方向；200-光束；210-中央绕射光；I0-中央峰值强度；220-第一绕射光；I-第一峰值强度；310/320/330曲线。

具体实施方式

为便于对本发明的特征、目的及功能进一步的认知与了解，兹配合图式详细说明本发明的实施例如后。在所有的说明书及图示中，将采用相同的元件编号以指定相同或类似的元件。

在本发明的实施例说明中，对于一元素被描述是在另一元素的「上面/上」或「下面/下」，是指直接地或间接地在该元素之上或下的情况，而包含设置于其间的其他元素。为了说明上的便利和明确，图式中各膜层的厚度或尺寸，是以夸张或省略或概略的方式表示，且各构成要素的尺寸并未完全为其实际的尺寸。

此外，关于角度的叙述请见图6，是采用球座标系统(Spherical coordinatesystem)的天顶角(azimuthal angle)θ与方位角(polar angle)φ，并定义绝对的三维xyz正交座标系统作为角度定义的参考。天顶角θ是以+z轴出发，朝向顺时针方向绕行定义为正，而以逆时针方向绕行定义为负。方位角φ是以+x轴出发，朝向逆时针方向绕行定义为正，而以顺时针方向绕行定义为负。原点的天顶角θ=0度及方位角φ=0度。一般而言正视观察者的视线方向朝-z轴方向，x-y为其观察的平面(法线为+z轴方向)，x轴相对观察者为水平轴，y轴相对观察者而言为垂直轴。其次，若观察者以侧视观察物体，则位于方位角φ=-90度称之为下视角，其余角度依此类推。此外，在本发明的各实施例中，光线与特定参考线(面)的夹角是指光线的半高宽中间值及光线出射原点之连线与特定参考线(面)的夹角，其角度可容忍±5度的误差。

如前所述，习知Colliwide广视角技术仅强调背光模块发光光型强度分布的半高宽是否狭窄，而忽略在天顶角θ为大角度时其强度分布是否有灰阶反转的情况发生，或是忽略光学扩散膜与背光模块的搭配性。由于一般TN型液晶显示器的下视角常为其光学影像显示特性较差的视角所在，灰阶反转现象也最为严重，因此在本发明的各实施例中，将针对此下视角进行光学影像显示特性的改善，藉由适当地设置背光模块上的棱镜片组合，可使进入液晶面板下视角方向的光减少，并使其正面视角方向的光，经由液晶面板上的光学扩散膜而部分绕射至其下视角方向，而达到灰阶反转的补偿效果；但本发明不以上述的下视角情况为限制。

图1为根据本发明实施例的液晶显示装置100的剖面示意图。该液晶显示装置100包含一背光模块110、一液晶面板120、一第一光学膜130以及一第二光学膜131；其中，该背光模块110用以提供一光线群，光线群是指复合波长、复合出射角度及复合强度的一群光线。该液晶面板120设置于该背光模块110之上，背光模块110提供的光线群部分穿透该液晶面板120，该第一光学膜130设置于该液晶面板120之上且邻近于观察者101，而该第二光学膜131设置于该液晶面板120及该背光模块110之间，光线群亦部分穿透该第一光学膜130及该第二光学膜131。在本实施例中，该第一光学膜130贴附于该液晶面板120的上侧表面，该第二光学膜131系贴附于该液晶面板120的下侧表面，且该第二光学膜131与该背光模块110彼此分开而于两者之间具有一间隔。此外，该液晶面板120及该背光模块110皆具有驱动元件(未绘示)并连接驱动装置(未绘示)以显示画面。以下将对本实施例的各组成单元详加描述。

该背光模块110所发出的光线群照射该液晶面板120的背面(亦即图1所示该液晶面板120的下方)，部分光线群的光线穿透该液晶面板120由正面(亦即图1所示该液晶面板120的上方)出射，使得观察者101得以在该液晶面板120的正面看到灰阶影像画面。该第一光学膜130包括一第一偏振膜(未绘示)及一第一粘着层(未绘示)，该第二光学膜131包括一第二偏振膜(未绘示)及一第二粘着层(未绘示)，其中，该第一光学膜130更包括一扩散膜(未绘示)，其设置于该第一光学膜130的上方出光面，该扩散膜为该液晶显示装置100最邻近观察者101的元件。此外，该第一光学膜130及该第二光学膜131可视实际情况的需要，而再增加相位延迟膜(phase retarder)或是补偿膜(compensator)等光学功能元件。

该液晶面板120包含一第一基板121、一第二基板122、及一液晶层123。该第一及第二基板121及122彼此相对且平行设置，以作为该液晶面板120的上下基板，其材料可以是透明的玻璃、塑胶或高分子聚合物，用以支承该液晶面板120的元件结构并具有透光性，以减少光路径上不必要的亮度损耗。该第一基板121及该第二基板122上可包含薄膜电晶体层(thin film transistor，简称TFT)、电极层、导线、配向层、彩色滤光片层(color filter，简称CF)、间隙子(spacer)及封闭物(sealant)等元件结构，其位于该第一基板121的该第一光学膜130的相反侧面或该第二基板122的该第二光学膜131的相反侧面。

该液晶层123于本实施例中可为TN型液晶分子(未图示)，充填于该第一基板121与该第二基板122之间的液晶细胞盒(LC cell)内，此液晶细胞盒的容积主要由间隙子及封闭物决定。当液晶分子的排列及其折射系数受到电场的影响，可改变穿透光线的偏极化状态，再搭配具有偏振(polarization)功能的该第一光学膜130及该第二光学膜131，即可达成灰阶影像的显示。此外，该液晶面板120的该液晶层123亦可为垂直配向型(VA)液晶或共平面转向型(IPS)液晶。

在本实施例中，该第一基板121包含一薄膜电晶体层(未图示)及一第一配向层(未图示)，且该第二基板122包含一彩色滤光层(未图示)及一第二配向层(未图示)；因此，该第一基板121为薄膜电晶体(TFT)基板，而该第二基板122为彩色滤光(CF)基板。但本发明并不以此为限，该液晶面板120亦可以是薄膜电晶体基板在上而彩色滤光基板在下的配置。在本实施例中，该液晶层123为TN型液晶，该第一配向层被朝向第一配向方向进行配向处理，该第二配向层被朝向第二配向方向进行配向处理。图2为图1的由观察者101的视线方向(亦即沿着如图1所示之方向A)上所观察到的，该液晶显示装置100的正面作为x-y座标平面之示意图，则该第一配向方向181与x轴的夹角称之为第一配向角φa1，该角度介于-40度至-50度之间，较佳者为-45度。该第二配向方向182与x轴的夹角称之为第二配向角φa 2，该角度介于-130度至-140度之间，较佳者为-135度。而观察者放入下视角方向183为方位角φ=-90±5度的方向，但本发明并不对此加以限制。

该第一光学膜130置于该液晶面板120之上并具有扩散膜(diffuse film)。该扩散膜可利用绕射(diffracting)、折射(refracting)、散射(scattering)等方式来调控光线，而本实施例是使用绕射式。当光线群经过该液晶面板120之后，最终受到该第一光学膜130的扩散膜的作用而被绕射式扩散。图3可用以说明当一光束200通过该第一光学膜130时，该光束200可被绕射式扩散而产生至少二部份绕射图案的示意图。该光束200通过该扩散膜130后可产生包含一天顶角θ为0度以上及小于5度之间的中央绕射光210及一天顶角θ=α1度(此处的φ可能为特定角度或不限特定角度皆可)的第一绕射光220。倘若设定该光束200前进方向为该第一光学膜130的法线方向，该光束200穿透该第一光学膜130的点为原点，则θ为该第一光学膜130表面的天顶角。所谓的该中央绕射光210是指中央绕射亮纹(光波积分的第一建设性干涉位置)的波峰与原点的连线，而该第一绕射光220是指第一级绕射亮纹(光波积分的第二建设性干涉位置)的波峰与原点的连线。该第一绕射光220的绕射角α1大于或等于40度并小于90度，为了达到较佳的灰阶反转补偿，该第一绕射光220可设置于下视角方向或方位角φ=-45度至-135度之间的范围内；但不以此为限，端视实际的情况而定。

如图3所示，该中央绕射光210具有一中央峰值强度I0，该第一绕射光220具有一第一峰值强度I。在本实施例中，该第一峰值强度I与该中央峰值强度I0的比值可介于4％至30％之间，更佳的是介于4％至10％之间。藉此，可使输出液晶面板正面视角方向的光线群经由该第一光学膜130的绕射式扩散而将部分光线群转移至侧视方向，以达到灰阶反转的补偿效果；如果该绕射效果为加强下视角方向的影像显示，则可以提高TN型液晶显示器的光学影像显示特性。

此外，该第一光学膜130的扩散膜亦可使用折射或散射方式调控光线，或是将原有的绕射式扩散膜掺入近于透明微粒子，利用该些微粒子与原有绕射式扩散膜材质的折射率差异，达到兼具绕射、折射及散射的多重扩散功效。

该液晶显示装置100可进一步包含一聚光层140于该背光模块110之上。聚光层140包括具有多个条彼此平行长条形棱镜的增亮膜，其具有聚光的功效，可藉以调整该背光模块110的发光光型。请参考图4A及图4B，在本实施例中，该聚光层140可包含第一棱镜片141及第二棱镜片142，该第二棱镜片142位于该第一棱镜片141之上，且该第一棱镜片141与该第二棱镜片142的长条形棱镜的长轴(或长条形棱镜之延伸方向)彼此垂直(交叉式)。藉此，该背光模块110可提供Colliwide技术所需的光源。

参考图4A及图4B及图5所示，本实施例的下视角方向的光强度分布曲线310，320及330，其中θ表示以上述法线方向定义的出光方向角，曲线310是该第一棱镜片141的第一长轴方向角φ11介于130度至140度之间(或φ11介于40度至50度之间)而该第二棱镜片142的第二长轴方向角φl2介于40度至50度之间(或φl2介于130度至140度之间)的情况，其光强度随着出光方向角θ的增大而逐渐递减，无反转情况产生；曲线320是该第一棱镜片141的第一长轴方向角φl1介于-5度至5度之间，而该第二棱镜片142的第二长轴方向角φl2介于85度至95度之间的情况，其光强度在θ介于35度至50度之间发生亮度曲线反转情况；曲线330是第一棱镜片的第一长轴方向角φl1介于-5至5度之间，而第二棱镜片的第二长轴方向角φl2介于85度至95度之间的情况，其光强度在θ约50度之后发生曲线尾部上扬或称为拖尾的现象，曲线320及曲线330皆可能对液晶显示器的光学影像显示特性造成不良影响。然而，倘若以目前近准直背光源以强度分布半高宽角来定义其发光光型，则曲线310，320及330的半高宽角皆为θ约20度而无法区别，导致曲线反转或拖尾的不良特性影响最后该液晶显示装置100的光学表现。因此，本实施例对于背光源发光光型的规格设定为：背光模块110发出的光线群强度曲线上包括第一光强度U(θ)及第二光强度U(θ+α1)，则小于或等于10％并大于0，也就是得以获得类似上述曲线310光强度随着天顶角θ的增大而逐渐递减的结果，无强度反转的情况；其中，θ为0度以上并小于50度，是指θ+α1必须为0度以上但小于90度的天顶角限制。但本发明并不对此比例的值加以限制，端视实际对显示器的光学影像显示特性要求而定。

此外，在上述的各实施例中，是针对显示器下方视角的光学影像显示特性进行改善，这是由于TN型液晶显示器的下方视角常为其光学影像显示特性最差的视角所在，灰阶反转现象也最为严重；然而，本发明并不以此下方视角为限制基础，倘若光学影像显示特性最差之处出现于其他视角，亦可依据本发明的实施例加以适当的调整(例如，调整背光模块的强度分布或光学膜的绕射角度等)以因应之。此外，本发明的液晶显示装置亦可以是包含前述实施例液晶显示装置100的计算器或电脑，例如，含有显示荧幕的电脑设备、平板电脑、行动电话、或数字相框等，但本发明并不对此加以限制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，当不能以之限制本发明的范围。即大凡依本发明权利要求所做的均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。

Claims (5)

1.一种液晶显示装置，其特征在于，包括：

一背光模块，提供一光线群；

一液晶面板，设置于该背光模块之上，部分该光线群穿透该液晶面板，该液晶面板包括一第一基板、一相对的第二基板、及一设置于该第一基板与该第二基板之间的液晶层,该液晶层包括扭转向列型液晶；

一聚光层，其设置于该背光模块之上；该聚光层包含一第一棱镜片及一第二棱镜片，该第二棱镜片位于该第一棱镜片之上，该第一棱镜片与该第二棱镜片具有多个平行排列的长条形棱镜，且该第一棱镜片与该第二棱镜片的长条形棱镜的长轴方向彼此垂直；该第一棱镜片的长条形棱镜的长轴方向具有一第一长轴方向角，该第一长轴方向角介于40度至50度之间；以及

一第一光学膜，置于该液晶面板之上，用以使通过该第一光学膜的部分该光线群被绕射式扩散，被扩散的部分该光线群包括一第一绕射光，该第一绕射光具有一绕射角α1介于40度至90度之间；

该第一基板包含一第一配向层，该第一配向层包括一第一配向角，该第一配向角介于-40度至-50度之间，该第二基板包含一第二配向层，该第二配向层包括一第二配向角，该第二配向角介于-130度至-140度之间；

其中，该背光模块的该光线群具有一第一强度U(θ)与一第二强度U(θ+α1)，的比值小于或等于10％并大于0，且θ为0度以上并小于50度。

2.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于，被扩散的部分该光线群进一步包含一中央绕射光，该中央绕射光具有一中央峰值强度，该第一绕射光具有一第一峰值强度，且该第一峰值强度与该中央峰值强度的比值介于4％至10％之间。

3.如权利要求2所述的液晶显示装置，其特征在于，在观察方位角介于-85度至-95度之间，该第一峰值强度与该中央峰值强度的比值介于4％至10％之间。

4.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于，进一步包含一第二光学膜，其设置于该液晶面板与该背光模块之间；其中，该第一光学膜具有一第一偏振膜，该第二光学膜具有一第二偏振膜。

5.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于，该第一光学膜包括微粒子。