CN108459418B - 棱镜型偏光结构及具有其的背光模块 - Google Patents

Abstract

一种棱镜型偏光结构，包括上基板、下基板、多个第一直角三角形棱镜以及多个第二直角三角形棱镜。第一直角三角形棱镜的斜面均具有一偏极转换膜，第二直角三角形棱镜的斜面均具有一偏极分光膜。第一直角三角形棱镜的奇数部分偏极转换膜与偏极分光膜相对接合，偶数部分偏极转换膜与偏极分光膜交错间隔排列。偏极分光膜用以将一入射光分为偏振方向垂直的多个第一偏振光以及多个第二偏振光，第二偏振光经由与偏极分光膜交错间隔排列的偶数部分偏极转换膜一次反射后转换成多个第三偏振光，第三偏振光与第一偏振光具有相同偏振方向。

Description

棱镜型偏光结构及具有其的背光模块

技术领域

本发明是有关于一种光学结构，且特别是有关于一种棱镜型偏光结构及具有其的背光模块。

背景技术

传统的吸收型偏光板利用碘分子呈有序排列，而形成具有吸收性能的偏光子，且此类型的偏光板仅让单一偏振方向的光线通过，让垂直于此单一偏振方向的另一偏振方向的光线被吸收，因此，吸收型偏光板对于偏振光的透过率理想上仅有入射光的50％，实际上偏振光的转换效率亦受材质影响约仅30％～40％之间。

发明内容

本发明有关于一种棱镜型偏光结构及具有其的背光模块，以偏振转换替代偏振吸收用以减少光能损耗、提高入射光的偏光效率，进而提高光利用率。

根据本发明的一方面，提出一种棱镜型偏光结构，包括一上基板、一下基板、多个第一直角三角形棱镜以及多个第二直角三角形棱镜。下基板与上基板相对接合。第一直角三角形棱镜设置于上基板并朝向下基板，此些第一直角三角形棱镜的斜面均具有一偏极转换膜。第二直角三角形棱镜设置于下基板并朝向上基板，此些第二直角三角形棱镜的斜面均具有一偏极分光膜。其中，前述的偏极转换膜例如由非均向折射光学层堆栈而成，而偏极分光膜例如由多个光学层堆栈而成，此外，奇数部分的第一直角三角形棱镜与第二直角三角形棱镜系采上下对应设置，且上下对应的第一与第二直角三角形棱镜上的偏极转换膜与偏极分光膜相对接合，而偶数部分的第一直角三角形棱镜与第二直角三角形棱镜上的偏极转换膜与偏极分光膜交错间隔排列，其中第一直角三角形棱镜的数量为第二直角三角形棱镜的两倍。偏极分光膜用以将一入射光分为偏振方向垂直的多个第一偏振光以及多个第二偏振光，第一偏振光穿过与偏极分光膜相对接合的部分偏极转换膜，第二偏振光经由与偏极分光膜交错间隔排列的其余偏极转换膜达成一次反射后转换成多个第三偏振光，第三偏振光与第一偏振光具有相同偏振方向。

根据本发明的另一方面，提出一种背光模块，包括一光源、上述的棱镜型偏光结构以及一导光板。导光板设置于光源与棱镜型偏光结构之间。光源用以提供入射光至导光板，导光板与下基板的底面相对，导光板具有多个反射及散射结构，且此些反射及散射结构的位置与具有此些偏极分光膜的第二直角三角形棱镜的位置上下相对。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附图式详细说明如下：

附图说明

图1A及图1B分别绘示依照本发明一实施例的棱镜型偏光结构的分解示意图以及组合示意图。

图2绘示依照本发明一实施例的棱镜型偏光结构的剖面及光线由入光面至出光面的路径示意图。

图3绘示依照本发明一实施例的结合微透镜的棱镜型偏光结构的示意图。

图4绘示依照本发明一实施例的结合微透镜的棱镜型偏光结构的示意图。

图5绘示依照本发明一实施例的结合吸收型偏光膜的棱镜型偏光结构的示意图。

图6A绘示依照本发明一实施例的结合反射层的棱镜型偏光结构的示意图。

图6B绘示绘示入光区与第一直角三角形棱镜的尺寸关系图。

图7绘示依照本发明一实施例的结合光源、导光板及棱镜型偏光结构的背光模块的示意图。

图8绘示依照本发明一实施例的结合上偏光板、液晶显示面板及图7所述的背光模块的液晶显示设备的示意图。

其中，附图标记：

100、101、102、103、104：棱镜型偏光结构

110：上基板

111：顶面

112、112a、112b：第一直角三角形棱镜114：斜面

116、116a、116b：偏极转换膜

120：下基板

121：底面

122：第二直角三角形棱镜

124：斜面

126：偏极分光膜

130：微透镜一维数组

131、131’：微透镜

132：第一外凸曲面

133：第二外凸曲面

f1、f2：焦距

134：内凹曲面

135：外凸曲面

140：吸收型偏光膜

152：入光区

154：反射区

162：光源

164：导光板

160：背光模块

166：反射及散射结构

168：反射片

170：液晶显示设备

172：液晶显示面板

174：上偏光板

W1：第一底面宽度

W2：第二底面宽度

G：间隙

L：入射光

L1：第一偏振光

L2：第二偏振光

L3：第三偏振光

L4：第四偏振光

L5：第五偏振光

X：开口宽度

Lv：垂直入射光

H：距离

θ：入射角

具体实施方式

以下系提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。以下是以相同/类似的符号表示相同/类似的组件做说明。本实施例的图式中所绘示的棱镜型偏光结构的厚度或高度约为传统偏光片的厚度，不会超出导光板的厚度以及液晶显示面板的厚度，但是为了让本发明的特征更为明显易懂，图式中的棱镜型偏光结构的尺寸可能与实际尺寸不同，因此，下列图式仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。

请参照图1A、1B及图2，依照本发明一实施例的棱镜型偏光结构100包括一上基板110、一下基板120、多个第一直角三角形棱镜112、多个第二直角三角形棱镜122、多个设置于第一直角三角形棱镜112的斜面114上的偏极转换膜116以及多个设置于第二直角三角形棱镜122的斜面124上的偏极分光膜126。

下基板120与上基板110相对接合。上基板110的顶面111与下基板120的底面121大致上平行，上基板110的顶面111至下基板120的底面121的高度约为上基板110的厚度、下基板120的厚度以及第一直角三角形棱镜112或第二直角三角形棱镜122的高度的总和(参见图6A，以H表示)。上基板110与下基板120例如为具有透光性的薄膜或玻璃基板，因此光线可经由下基板120的底面121入射，再经由上基板110的顶面111出射。在本实施例中，上基板110与下基板120可透过胶合而形成一体化薄形偏光板(或偏光片)。

第一直角三角形棱镜112设置于上基板110并朝向下基板120。第二直角三角形棱镜122设置于下基板120并朝向上基板110。在一实施例中，可藉由锯齿形的切割工具分别在上基板110及下基板120上形成多个相互平行的第一直角三角形棱镜112以及多个相互平行的第二直角三角形棱镜122，或是直接在模具中塑型，如射出成型或热压膜成型等，以形成第一直角三角形棱镜112与第二直角三角形棱镜122。在本实施例中，第一直角三角形棱镜112与第二直角三角形棱镜122例如具有相同底面宽度以及相同高度，亦即具有相同的斜率(高度除以底面宽度)，斜率可为1、小于1或大于1，本发明对此不加以限制。以下实施例，皆以斜率1(底角45度)的直角三角形棱镜为范例做说明。此外，为了便于分辨第一与第二直角三角形棱镜112、122的二斜面114、124，以下实施例图式中将此二斜面114、124分开一距离，然而在实际应用上，一部分斜面114与斜面124相互接合且无空隙存在。

请参照图2，第一直角三角形棱镜112具有一第一底面宽度W1，第二直角三角形棱镜122具有一第二底面宽度W2，且第二底面宽度W2等于第一底面宽度W1，亦即W2＝W1。在本实施例中，两相邻的第一直角三角形棱镜112的底面相连接，两相邻的第二直角三角形棱镜122以一间隙G相间隔，且间隙G的宽度等于第二底面宽度W2，其中G+W2＝2W1。当然，在其他实施例中，间隙G亦可小于或大于第二底面宽度W2。根据上述周期排列的方式，第一直角三角形棱镜112的数量可为第二直角三角形棱镜122的数量的两倍，其中奇数部分的第一直角三角形棱镜112a与第二直角三角形棱镜122上下相对，偶数部分的第一直角三角形棱镜112b与第二直角三角形棱镜122交错排列。然而，在另一实施例中，第一直角三角形棱镜112a可为偶数部分，第一直角三角形棱镜112b可为奇数部分，本发明对此不加以限制。

此外，偏极转换膜116设置于第一直角三角形棱镜112的斜面114上，偏极分光膜126设置于第二直角三角形棱镜122的斜面124上，且第一直角三角形棱镜112a上的偏极转换膜116a与第二直角三角形棱镜122上的偏极分光膜126相对接合，第一直角三角形棱镜112b上的偏极转换膜116b与第二直角三角形棱镜122上的偏极分光膜126交错间隔排列，以使入射光L先经由偏极分光膜126分为偏振方向互相垂直且光路不同的两道偏振光L1、L2之后，其中一道偏振光L2再经由偏极转换膜116b转换偏振光L2的偏振方向。偏极转换膜116例如由非均向折射光学层堆栈而成，而偏极分光膜126例如由多个光学层堆栈而成。所谓非均向折射系指藉由结构性的光学层构成的条件使其对入射光的两互相垂直的光振动的反射与透射率不同以及其双折射特性，使其达成光学偏极转换的目的。

请参照图2，各个偏极分光膜126用以将一入射光L分为偏振方向互相垂直的第一偏振光L1以及第二偏振光L2，第一偏振光L1例如是P偏振光，第二偏振光L2例如是S偏振光。第一偏振光L1可直接通过偏极分光膜126，而第二偏振光L2以45度的反射角被偏极分光膜126反射。第一偏振光L1以及第二偏振光L2的出光方向大致上相差90度。

请参照图2的光路，简言之，第一偏振光L1可直接穿过与偏极分光膜126上下相对的偏极转换膜116a而由上基板110出射，第二偏振光L2则是经由与偏极分光膜126交错间隔排列的偏极转换膜116b经一次反射后转换成第三偏振光L3，第三偏振光L3可经由上基板110出射。第三偏振光L3与第一偏振光L1具有相同偏振方向，第三偏振光L3例如是P偏振光。若不考虑光损耗，本实施例的棱镜型偏光结构100经由偏极转换膜116a、116b转换入射光L的偏振方向，可提高入射光L的偏光效率至100％，远高于传统的吸收型偏光板的光利用率。

在本实施例中，偏极分光膜126例如以倾斜45度蒸镀多层膜的方式仅形成于斜面124上，并可藉由多个膜层界面(图未绘示)的折射率差来达到第一偏振光L1穿透及第二偏振光L2反射的功效，而偏极转换膜116a、116b例如以斜向沉积多层膜的方式形成非均向折射光学层于斜面114上，偏极转换膜116a具有让第一偏振光L1穿透时不影响偏振性的特性，但偏极转换膜116b具有让第二偏振光L2反射并转换成第三偏振光L3时却仅让S偏振光转P偏振光具高转换率的特性，由于偏极转换膜116b一侧为空气另一侧为相对高折射率的光学膜及棱镜材，因此第二偏振光L2由棱镜材入射偏极转换膜116b后与空气接口间会形成一次反射而达到转换为第三偏振光L3的功效。因此，透过本实施例的棱镜型偏光结构100，可使第一偏振光L1与第三偏振光L3具有相同的出光方向及偏振极性。

请参照图3，其绘示依照本发明一实施例的结合微透镜一维数组130的棱镜型偏光结构101，其中微透镜一维数组130包括多个微透镜131。在本实施例中，微透镜一维数组130以一体化方式形成，且此些微透镜131设置于棱镜型偏光结构101的下方，与下基板120的底面121相对，如此可使入射光L先经由微透镜131聚光后，再经由棱镜型偏光结构101对入射光L进行偏光。在本实施例中，各个微透镜131具有两个不同焦距的第一外凸曲面132以及第二外凸曲面133，分别位于微透镜一维数组130的相对两侧，且第一外凸曲面132的焦距为f1，第二外凸曲面133的焦距为f2，其中f1<f2。如图3的光路所示，入射光L先经由微透镜131的第二外凸曲面133折射聚光之后，再经由微透镜131的第一外凸曲面132折射后平行出光，如此可使光线集中在第二直角三角形棱镜122的正下方。在一实施例中，第一外凸曲面132的宽度约为第一底面宽度W1，第二外凸曲面133的宽度约为第一底面宽度W1的两倍，也就是说，第二外凸曲面133的宽度约为第一外凸曲面132的宽度的两倍。

请参照图4，其绘示依照本发明另一实施例的结合微透镜一维数组130的棱镜型偏光结构102，其中微透镜一维数组130包括多个微透镜131’。本实施例的微透镜131’与图3的微透镜131不同之处在于：各个微透镜131’具有两个不同焦距的一内凹曲面134及一外凸曲面135，分别位于微透镜一维数组130的相对两侧，且内凹曲面134的焦距为f1，外凸曲面135的焦距为f2，其中|f1|<|f2|，且外凸曲面135与内凹曲面134的中心距离为|f2|-|f1|。如图4的光路所示，入射光L先经由微透镜131’的外凸曲面135折射聚光之后，再经由微透镜131’的内凹曲面134折射后平行出光，如此可使光线集中在第二直角三角形棱镜122的正下方。在一实施例中，内凹曲面134的宽度约为第一底面宽度W1，外凸曲面135的宽度约为第一底面宽度W1的两倍，也就是说，外凸曲面135的宽度约为内凹曲面134的宽度的两倍。

相对于传统的吸收型偏光板，上述的棱镜型偏光结构101、102结合微透镜一维数组130，若不计算反射损失而考虑光学膜在可见光域的光损耗，可将入射光L的偏光效率提高至90％以上，减少光能的损耗，进而提高光利用率。

请参照图5，其绘示依照本发明一实施例的结合吸收型偏光膜140的棱镜型偏光结构103，在本实施例中，吸收型偏光膜140设置于上基板110的顶面111，用以吸收与第二偏振光L2具有相同偏振光向的第四偏振光L4，第四偏振光L4例如是S偏振光。简言之，如图5所示，入射光L穿过与偏极分光膜126交错间隔排列的偏极转换膜116b后仍是偏振方向交互垂直且共光路的两偏振光，例如分别为第四偏振光L4及第五偏振光L5，其中第四偏振光L4与第二偏振光L2具有相同偏振方向，第五偏振光L5与第一偏振光L1具有相同偏振方向。由于第一偏振光L1、第三偏振光L3及第五偏振光L5的偏振方向平行于吸收型偏光膜140的传输轴，因此第一偏振光L1、第三偏振光L3及第五偏振光L5不会被吸收型偏光膜140吸收。然而，第四偏振光L4的偏振方向垂直于吸收型偏光膜140的传输轴，因此第四偏振光L4会被吸收型偏光膜140吸收。虽然本实施例中吸收型偏光膜140会吸收部分光能而导致光利用率下降，但若不考虑光损耗，本实施例的棱镜型偏光结构100结合吸收型偏光膜140仍可将入射光L的偏光效率提高至67.5％，高于传统的吸收型偏光板的光利用率。

请参照图6A，其绘示依照本发明另一实施例的结合反射层150的棱镜型偏光结构104。在本实施例中，反射层150设置于下基板120的底面121，且反射层150包括多个入光区152以及多个反射区154，此些入光区152与反射区154交错配置，且此些入光区152对应位于第二直角三角形棱镜122的下方，且此些反射区154对应位于各间隙G的下方，以使入射光L经由入光区152进入棱镜型偏光结构104内，而入光区152周围的光线被反射区154阻挡而无法进入棱镜型偏光结构104内。请参照第6A及6B图，其中图6B绘示入光区152与第一直角三角形棱镜112的尺寸关系图，在一实施例中，上基板110的顶面111至下基板120的底面121的距离为H，各个入光区152具有一开口宽度X，第一直角三角形棱镜112具有一第一底面宽度W1，入射光L相对于垂直入射光的光轴的入射角在±θ度内。开口宽度X小于第一底面宽度W1，且根据下列的关系式W1＝X+2H*tanθ，可得知入光区152的开口宽度X＝W1-2H*tanθ，入射角θ依存于偏极分光膜126及偏极转换膜116对波长作用的范围。在本实施例中，以可见光域(400nm～700nm)作用范围内，入射光L相对于垂直入射光的光轴的入射角θ较佳控制在±3度内，以限制入射光L的入射角，进而提高入射光L的偏光效率。

请参照图7，其绘示依照本发明一实施例的结合光源162、导光板164及棱镜型偏光结构104的背光模块160。在本实施例中，背光模块160包括一光源162、一棱镜型偏光结构104以及一导光板164。导光板164设置于光源162与棱镜型偏光结构104之间。光源162例如设置于导光板164的侧边，用以提供侧向的入射光L至导光板164。导光板164与下基板120的底面121相对，用以将侧向的入射光L均匀传导至反射层150的入光区152。此外，入光区152周围大角度的入射光将被反射区154反射回到导光板164，经再次回收反射而进入棱镜型偏光结构104内，进而提高光利用率。

请参照图7的光路，在本实施例中，导光板164例如具有多个反射及散射结构166，且此些反射及散射结构166对应于入光区152的下方，亦即，此些反射及散射结构166的位置与第二直角三角形棱镜122的位置上下相对，以使侧向的入射光L可经由反射结构166反射及散射后，以接近垂直入射光Lv的光轴方向进入棱镜型偏光结构104内。

上述的侧光型背光模块160藉由反射及散射结构166将侧光转向正向光，使入射光L大致导向棱镜型偏光结构104的入光处，并可藉由导光板164上的膜层(例如扩散膜、增光膜)改变出光角度及出光方向，使背光模块160的出光对应位于此些第二直角三角形棱镜的下方。此外，请参照图8，导光板164下方还可设置一反射片168，此反射片168与导光板164之间例如以一空气层稍稍隔开，此反射片168可使散射出去的光再次反射而进入导光板164内，进而提高光利用率。

上述的背光模块160除了采用图6A的结合反射层150的棱镜型偏光结构104之外，亦可采用图5的结合吸收型偏光膜140的棱镜型偏光结构103、第3或4图的结合微透镜一维数组130的棱镜型偏光结构101、102、或图2的棱镜型偏光结构100，本发明对此不加以限制。

请参照图8，其绘示依照本发明一实施例的结合上偏光板174、液晶显示面板172及图7所述的背光模块160的液晶显示设备170。在本实施例中，液晶显示面板172位于上偏光板174与背光模块160之间，可经由液晶扭转特性来控制偏振光通过上偏光板174与否而形成明暗效果，而棱镜型偏光结构104用以取代传统的下偏光板，以减少入射光L被吸收或遮蔽，进而提高光利用率。同时，棱镜型偏光结构104兼具有偏光及增亮的功效，因此不需额外设置增亮膜，以减少制膜成本。

上述的液晶显示设备170除了采用图6A的结合反射层150的棱镜型偏光结构104之外，亦可采用图5的结合吸收型偏光膜140的棱镜型偏光结构103、第3或4图的结合具有多个微透镜131、131’的模块的棱镜型偏光结构101、102、或图2的棱镜型偏光结构100，本发明对此不加以限制。

本发明上述实施例所揭露的棱镜型偏光结构、背光模块及液晶显示设备，系利用多个设置于第一直角三角形棱镜的斜面上的偏极转换膜以及多个设置于第二直角三角形棱镜的斜面上的偏极分光膜，使入射光先经由偏极分光膜分为不同偏振方向的偏振光之后，再经由偏极转换膜转换偏振光的偏振方向，如此可提高入射光的偏光效率，减少光能的损耗，进而提高光利用率。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种棱镜型偏光结构，其特征在于，包括：

一上基板；

一下基板，与该上基板相对接合；

多个第一直角三角形棱镜，设置于该上基板并朝向该下基板，该些第一直角三角形棱镜的斜面均具有一偏极转换膜；以及

多个第二直角三角形棱镜，设置于该下基板并朝向该上基板，该些第二直角三角形棱镜的斜面均具有一偏极分光膜，其中，奇数部分的该些第一直角三角形棱镜与该些第二直角三角形棱镜系上下对应，且上下对应的第一直角三角形棱镜与第二直角三角形棱镜上的该些偏极转换膜与该些偏极分光膜相对接合，而偶数部分的该些第一直角三角形棱镜与该些第二直角三角形棱镜上的该些偏极转换膜与该些偏极分光膜交错间隔排列，该些第一直角三角形棱镜的数量为该些第二直角三角形棱镜的两倍，

其中，该些偏极分光膜用以将一入射光分为偏振方向垂直的多个第一偏振光以及多个第二偏振光，该些第一偏振光穿过与该些偏极分光膜相对接合的该些偏极转换膜，该些第二偏振光经由与该些偏极分光膜交错间隔排列的其余该些偏极转换膜达成一次反射后转换成多个第三偏振光，该些第三偏振光与该些第一偏振光具有相同偏振方向；

该些第二直角三角形棱镜互相平行，两相邻的该些第二直角三角形棱镜以一间隙相间隔，该些第二直角三角形棱镜分别具有一第二底面宽度，该间隙的宽度等于该第二底面宽度。

2.根据权利要求1所述的棱镜型偏光结构，其特征在于，该些第一直角三角形棱镜分别具有一第一底面宽度，且各该第二底面宽度等于各该第一底面宽度。

3.根据权利要求1所述的棱镜型偏光结构，其特征在于，该些第一直角三角形棱镜互相平行，且两相邻的该些第一直角三角形棱镜的底面相连接。

4.根据权利要求2所述的棱镜型偏光结构，其特征在于，更包括一反射层，设置于该下基板的底面，该反射层包括多个入光区以及多个反射区，该些入光区与该些反射区相邻配置，该些入光区对应位于该些第二直角三角形棱镜的下方，且该些反射区对应位于各该间隙的下方。

5.根据权利要求4所述的棱镜型偏光结构，其特征在于，该些入光区分别具有一开口宽度，各该开口宽度小于相对应的各该第一直角三角形棱镜的该第一底面宽度。

6.根据权利要求1所述的棱镜型偏光结构，其特征在于，更包括具有多个微透镜的一维数组模块，与该下基板的底面相对，该些微透镜分别具有两个不同焦距的外凸曲面或具有不同焦距的一内凹曲面及一外凸曲面。

7.根据权利要求1所述的棱镜型偏光结构，其特征在于，更包括一吸收型偏光膜，设置于该上基板的顶面，其中该入射光穿过与该些偏极分光膜交错间隔排列的该些偏极转换膜后，形成仍是偏振方向交互垂直且共光路的多个第四偏振光与多个第五偏振光，其中该些第四偏振光与该些第二偏振光具有相同偏振方向，该些第五偏振光与该些第一偏振光具有相同偏振方向，该吸收型偏光膜用以吸收该些第四偏振光。

8.根据权利要求1所述的棱镜型偏光结构，其特征在于，该些偏极转换膜由多个非均向折射光学层堆栈而成，而该些偏极分光膜由多个光学层堆栈而成。

9.一种背光模块，其特征在于，包括：

一光源；

一权利要求1至8其中之一所述的棱镜型偏光结构；以及

一导光板，设置于该光源与该棱镜型偏光结构之间，

其中该光源用以提供该入射光至该导光板，该导光板与该下基板的底面相对，该导光板具有多个反射及散射结构，且该些反射及散射结构对应位于该些第二直角三角形棱镜的下方。

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