TW200935145A - Backlighting system including a specular partial reflector and a circular-mode reflective polarizer - Google Patents

Backlighting system including a specular partial reflector and a circular-mode reflective polarizer Download PDF

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TW200935145A
TW200935145A TW097151068A TW97151068A TW200935145A TW 200935145 A TW200935145 A TW 200935145A TW 097151068 A TW097151068 A TW 097151068A TW 97151068 A TW97151068 A TW 97151068A TW 200935145 A TW200935145 A TW 200935145A
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Mark Brian O'neill
Philip Edwin Watson
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3M Innovative Properties Co
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Description

200935145 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於資訊顯示器。更特定而言，其係關於包含 反射偏光器之背光式光學資訊顯示器。 本申請案主張薦年12月28日提出申請之美國臨時專利 申請案第61/017255號之權利，該臨時專利申請案之揭示 内容之整個内容以引用方式併入本文中。 【先前技術】 ® 光學資訊顯示器普遍用於電視機、膝上型及桌上型電 腦、手持式裝置（例如行動電話）及其他應用。一種廣泛使 用類型之顯不器係液晶（LC)顯示器。一典型Lc顯示器圍繞 一 LC面板構建，其中一具有一相關聯電極矩陣之液晶交錯 於一對吸收偏光器之間。於一LC面板中，液晶之若干部分 藉由經由電極矩陣施加之一電場使其光學狀態改變。端視 其狀態’該液晶之一既定部分（對應於該顯示器之一像素 或子像素）將以一更大或更小量值旋轉透射穿過其之光之 ® 偏振。穿過入射偏光器、液晶及出射偏光器行進之光端視 該光遇到的液晶之部份之光學狀態被減弱至不同程度。一 LC顯示器利用此行為提供一可電子控制之在不同區域中具 有不同外觀之顯示器。 由於LC面板本身不產生光，因此一 lc顯示器需要一照 明源-通常係經反射之周圍光或更普遍地係來自一背光之 光。背光通常包含一可包含光源（例如發光二極體或螢光 燈）之照明裝置’及多個位於照明裝置與LC面板之間的光 137311.doc 200935145 管理膜。概言之，該等光管理膜可藉由促進更高效及有效 地使用光來增強一顯示器之作業。 【發明内容】 於一個態樣中，本發明提供一種背光，其包含一具有至 .少一個光源之照明裝置、一圓形模式反射偏光器及一鏡面 部份反射器。該鏡面部份反射器安置於該照明裝置與該圓 形模式反射偏光器之間。此外，該鏡面部份反射器與該圓 形模式反射偏光器實質上直接偏振連通。 © 於另一態樣中，本發明提供一顯示器，其包含一…面 板及一向該LC面板提供光之背光。該背光包含一具有至少 一個光源之照明裝置、一圓形模式反射偏光器及一鏡面部 份反射器。該圓形模式反射偏光器安置於顯示器模組與照 明裝置之間且該鏡面部份反射器位於照明裝置與圓形模式 反射偏光器之間。此外，該鏡面部份反射器與該圓形模式 反射偏光器實質上直接偏振連通。 ❹ 於再一態樣中，本發明提供一用於提供經偏振光之背 光，該背光包含一具有至少一個光源之照明裝置、一圓形 模式反射偏光器及一鏡面部份反射器。該圓形模式反射偏 光器經組態以透射一具有一第一圓形偏振之第一部分光且 反射一具有一正交於該第一圓形偏振之第二圓形偏振之第 二部分光。鏡面部份反射器位於照明裝置與圓形模式反射 偏光器之間。其適於接收來自圓形模式反射偏光器之第二 部分光且將一第三部分光返回至該圓形模式反射偏光器。 該第二部分光係第二部分光之一小部分且具有可由圓形模 137311.doc 200935145 式反射偏光器透射之第一圓形偏振。 於又一態樣中，本發明提供一種製造一背光之方法。該 方法包含提供一照明裝置及一圓形模式反射偏光器；選 擇一正交反射分數值用於一鏡面部份反射器以產生一最佳 化背光亮度；及將一具有選定之正交反射分數值之鏡面部 份反射器放置於該照明裝置與該圓形模式反射偏光器之 間。此外，鏡面部份反射器與圓形模式反射偏光器實質上 直接偏振連通。 根據以下詳細闡述，本發明之該等及其他態樣將顯而易 見。然而，在任何情況下均不應將以上概要内容解釋為對 所請求標的物之限制，此標的物僅由隨附申請專利範圍定 義，該等申凊專利範圍可在執行過程中加以修正。 【實施方式】 概言之，本發明提供一可使經偏振光有效地再循環之背 光。此經偏振光可用於照明一光學資訊顯示器。 一 LC顯示器之一背光向該顯示器之面板提供光，該 顯示器之LC面板僅自具有透射穿過面板之入射偏光器之,，通 過"偏振之光形成一影像。入射於面板上之具有”阻擋” 偏振之光通常被入射偏光器吸收且被浪費掉。因此，有利 地，最大化自背光到達面板之經通過偏振光之量及最小化 到達面板之經阻擋偏振光之量。 一種用於最大化經通過偏振光且最小化經阻擋偏振光之 技術係將一反射偏光器定位於一背光與一 LC面板之間以將 經通過偏振光透射至LC面板且將經阻擋偏振光反射回至背 137311.doc 200935145 光中。然後，可將經反射之阻擋偏振光轉換為具有通過偏 振之光且使其在第二次或隨後遇到時透射穿過反射偏光 器。 光自阻擋偏振至通過偏振之轉換可以多種方式發生。其 可作為月光中光散射之一結果而發生，其往往使偏振隨機 化。藉助隨機化’纟-既定循環中至多—半的經阻擔偏振 光可藉由散射而轉變成通過偏振。第二次或隨後次數遇到
反射偏光器之具有阻擋偏振之光可再被反射至背光中以獲 知被隨機彳b 最終被射出之另—機會，但由於損耗機制所 致每當其再循料其量值亦會被減小。依靠隨機化來實現 再循環之背光普遍用於當前可購得之顯示器。背光效能之 -潛在改良可藉由使用依靠確定性過程之用於轉換光之偏 振之其他機制達成。 於本發明中，可將偏振轉換反射器放置於—背光中以將 光自阻擋偏振確定性地轉換為通過偏振以透射穿過一反射 偏光器且然後到達一 LC面板上。此一每灿取 双工此反射器之一位置係在 一背光之背面。此位置之-潛在缺點係··具有通過偏振之 光在其自背面之反射器至前面之反射偏光器前進時可自其 他可降格該偏振之背光元件散射或折射穿過該等元件。另 -選項係將-偏振轉換部份反射器放置於背光中較前方 (接近反射偏光器）以便經偏振轉換 锊侠之先可自反射器前進至 反射偏光器而不會遇到潛在有害之中間背光組件。此類型 設計之-考量係部份反射器在背光曾到達反射偏光器之前 將向後反射背光中之某些光。然而，於本發明中發現當考 13731I.doc -9- 200935145 量背光系統之總效能時，此反射器位置之優點可克服該等 缺點》 圖1係一光學顯示器1 00之一個實施例之一刮面示意圖。 顯示器100包含一 LC面板110及一可向LC面板11〇提供光之 . 背光120。 .於某些實施例中，背光120包含一照明裝置13〇及一或多 個定位於照明裝置與LC面板11 0之間的光管理膜14〇。如本 文中進一步闡述，照明裝置130可包含一或多個可向lC面 ® 板11 0提供照明光之光源（未示出）。光管理膜140可包含增 強顯示器100之作業之各種光學膜或其他組件中之一者或 多者。舉例而言，其可包含漫射器或影響光之角度分佈之 棱鏡亮度增強膜。一或多個光管理膜14〇還可包含一允許 經偏振光到達LC面板11〇之反射偏光器膜。 於某些實施例中，LC面板110調變具有一個（”通過”）偏 振之光且吸收具有一正交（”阻擋"）偏振之光。端視LC面板 ❹ U0之液晶之若干部分（對應於顯示器100之像素或子像素） 之狀態，以某一量值旋轉具有通過偏振之入射光之偏振， 且然後端視偏振之旋轉度，部分地透射光且部分地吸收 光。於其他實施例中，可包含基於除液晶之外之技術之偏 振顯示器模組。 在入射於LC面板110上之光中，實質上僅具有通過偏振 之小部分光可由LC面板調變，且具有阻擋偏振之小部分光 主要被吸收且並未被使用。鑒於此，可期望組態背光120 以在通過偏振中將儘可能多的光有效地遞送至LC面板 ΙΟ Ι 373 n.doc 200935145 110 ’代價是不使用阻擋偏振，但只要滿足對LC面板照明 之其他要求即可。目此，—或多個光管理膜可包含一 反射偏光器以向LC面板11〇提供具有通過偏振之光。 反射偏光器經設計以透射具有—第—偏振（其可係前述 之通過偏振或可由（例如）—延遲器轉換為通過偏振之一偏 振狀態）之光且反射具有一第二正交偏振之光。當來自照 明裝置130之光入射於—反射偏光器上時，使該光之具有 第一偏振之部分朝向LC面板n〇透射，且反射該光之具有 第二偏振之部分。隨後，然後可藉由背光内之任一結構 (例如，一反射器，未示出）將具有第二偏振之經反射光之 部分向前朝向反射偏光器再反射，在被向前再反射之過程 中了改變被再反射光之偏振以使該光中之某些光現在係 處於可透射之第一偏振中。保持在第二（經反射）偏振中之 光了.’、·!又進一步反射直至最終其在第一偏振中透射穿過反 射偏光器或在光學腔中被吸收。藉由此過程，一反射偏光 器使否則不使用之具有第二偏振之光能夠"再循環"。例 如，可在美國專利第6,025,897號（Weber等人）中發現對併 入有一反射偏光器之一顯示器之闡述。 如本文中所闡述之一再循環背光可依靠一或多個用於將 反射偏光器反射之具有第二偏振之光中之某些光轉換成為 具有可透射之第一偏振之光的機制。通常，此隨著光經再 反射偏離照明裝置130之背面反射器而發生。於此再反射 (其有時係一漫反射）中’可攪亂、隨機化或否則混合偏 振。偏振狀態之改變亦可同樣在光透射穿過其他背光組件 137311.doc 200935145 或自其他背光組件反射時發生。通常僅發現朝向反射偏光 器反射回之光之一部分處於可透射之第一偏振中。 右可將具有第二偏振之經反射光有效地轉換為具有可透 射之第-偏振之光且可將其返回至反射偏光器，則背光可 能夠更有效地將處於第一偏振中之光遞送㈣面板11〇。 . 利用圓形偏振之性質可提供執行此作業之一途徑。一鏡面 反射反轉經圓形偏振光之旋向且提供用於在正交偏振狀態 之間轉換之一簡單確定性過程。雖然光學組件位於背面反 ® & 11與反射偏光器之間可干涉自第二偏振至第-偏振之簡 單轉換，但此鏡面反射可由位於一背光系統後部之背面反 射器提供。藉由背光組件之適當位置，可避免此複雜情 形。本文將闡述包含一或多個鏡面反射器及圓形模式反射 偏光器之背光。 圖2係一光學顯示器2〇〇之一個實施例之一剖面示意圖。 顯示器200包含一 LC面板210及一背光220。背光220包含一 ❹ 照明裝置23〇及一或多個定位於LC面板21 0與照明裝置230 之間的光管理膜240。 照明裝置230包含一或多個光源232。光源232可係線 性、冷陰極螢光燈（CCFL)。然而可使用其他類型之光源 232 ’例如經發現係合適之其他種類之螢光燈、白熾燈、 發光二極體、有機發光二極體或任何其他光源。 照明裝置230可包含一背面反射器234。背面反射器234 可係一鏡面反射器、一漫反射器或一組合鏡面及漫反射 器。一鏡面反射器之一個實例係可自3Μ公司購得之 137311.doc 12 200935145
Vikuiti™增強鏡面反射器（ESR)膜。合適漫反射器之實例 包含載入有漫反射粒子之聚合物。如（例如）在美國專利 6,497,946號（Kretman等人）中所論述，漫反射器之其他實 例包含微孔材料及含有原纖維之材料。除此處所列出之彼 . 等反射器之外，其他類型之反射器亦可用於背面反射器 234 ° 可將顯示器200闡述為"直接發光"，其具有直接定位於 LC面板210後面之光源232。於其他實施例中，顯示器200 Ο 可包含一邊光式照明裝置，例如圖3之邊光式照明裝置 330。照明裝置330包含安置於光波導336之一或多個邊緣 337處或其附近之一或多個光源332。光波導336具有一大 致平面平板或楔形，但可採用任一合適形式。光源332通 常由一光源反射器333包圍，該光源反射器促進自光源放 射出的光經由邊緣337光學耦合至光波導336中。光部分地 受全内反射之輔助而在光波導336内傳播，且經由出射表 面338離開照明裝置330朝向LC面板前進。照明裝置33〇還 可包含一背面反射器334，該背面反射器可用於沿lc面板 方向重定向光線。如（例如）在美國專利第6,447，135號 (wortman等人）中所述，背面反射器334可直接附接至光波 * 導336’或其可在結構上獨立。 返回至圖2 ’ 一或多個光管理膜240可包含光學膜及可能 其他意欲增強且改良背光效能之結構。於某些實施例中， 一或多個光管理膜240可包含一圓形模式反射偏光器242 ^ 一圓形模式反射偏光器實質上反射入射在其上之具有一個 137311.doc •13· 200935145 圓形偏振旋向之光’且實質上透射具有圓形偏振之另一正 交旋向之光。應注意’自圓形模式反射偏光器242反射之 光實質上維持與其入射於偏光器上之前表示其特性之圓形 偏振旋向相同的圓形偏振旋向。端視偏光器之構造之細節 (如本文進一步論述），透射穿過圓形模式反射偏光器242之 . 光可具有或不具有其入射於該偏光器上之前擁有之偏振。 圓形模式反射偏光器242可係一獨立膜，或其可附接至顯 示器200中之另一結構。於某些實施例中，圓形模式反射 © 偏光器242附接至LC面板210。 圓形模式反射偏光器242可包含任一合適的反射偏光 器’例如在美國專利第5,793,456號（Broer等人）中所述之彼 等偏光器。概言之，圓形模式反射偏光器可以多種方式形 成。可使用膽固醇液晶材料形成一圓形模式反射偏光器。 膽固醇液晶化合物通常係旋光性分子且可係聚合物。膽固 醇液晶化合物包含具有一膽固醇液晶相位之化合物，其中 ❹ 液晶之指向矢（亦即，沿平均局部分子對準方向的單位向 量）以一螺旋方式沿垂直於該指向矢之維度旋轉。膽固醇 液晶化合物之間距係指向矢旋轉過360度需要之距離（沿一 垂直於該指向矢之方向）^此距離通常係1〇〇 nm或更多。 • 一膽固醇液晶化合物之間距通常可藉由將一膽固醇液晶 化合物與一向列液晶化合物混合在一起或否則組合在一起 (例如’藉由共聚合）來改變。間距相依於該膽固醇液晶化 合物與該向列液晶化合物之重量相對比。通常，間距經選 擇約為所關注光之波長。指向矢之螺旋扭轉導致介電張量 137311 ,d〇c -14- 200935145 之一空間週期變化，此又引起波長選擇性光反射。舉例而 言’間距可經選擇以使該選擇性反射在光之可見光、紫外 線或紅外線波長中達到頂峰。 可將膽固醇液晶組成（具有或不具有經添加以修改間距 之一種或一種以上額外向列液晶化合物或單體）形成為一 層’該層在光波長之一特定頻寬上實質上反射具有一個圓 形偏振（例如，經左旋或右旋圓形偏振光）之光且實質上透 射具有其他圓形偏振（例如，經右旋或左旋圓形偏振光）之 光。此特性闡述以正常入射角被引導至膽固醇液晶材料之 指向矢之光之反射或透射。以其他角度引導之光通常被膽 固醇液晶材料橢圓形偏振。通常關於正常入射光表徵膽固 醇液晶材料；然而應認識到’此等材料之回應可針對非正 常入射光使用已知技術來確定。 一具有恆定間距之膽固醇液晶層在一限定頻寬（通常係 100 nm或更小）上展現反射率。為增強由膽固醇液晶材料 形成之反射偏光器之效用，可採用具有不同間距之多個層 或可使用具有一分立或連續改變之間距之一單個層。此等 構造可導致反射偏光器具有寬頻寬’涵蓋（例如）自大約4〇〇 至700 nm之可見光譜。在美國專利第6,573,963號 (Ouderkirk 等人）；第 6,876,427 號（Watson 等人）；第 6,913,708 號（Solomonson 等人）；及第 6 917 399 號（Wats〇n 等人）中可發現對膽固醇液晶製造過程及光學本體之論 述。NiP〇CSTM(可自日本日東電工（Nitt〇 Denk〇)購得）係一 合適膽固醇液晶膜之一個實例。 137311.doc •15· 200935145 一圓形模式反射偏光器亦可由其他光學組件之一組合製 成。圖5係由一線性模式反射偏光器544及一四分之一波長 延遲器546之組合形成之一圓形模式反射偏光器542之一剖 視圖。如圖解闞釋該等兩個大致平面組件544及546可實體 連接在一起或其可分開。線性模式反射偏光器之實例包含 如（例如）美國專利第5,882,774號（Jonza等人）中所述之 Vikidti™ DBEF多層光學膜反射偏光器，及如（例如）美國 專利第5,825,543號（Ouderkirk等人）中所述之DRPF漫反射 偏振膜，一者皆可自3M公司購得。如（例如）美國專利第 6，122，1〇3號（Perkins等人）中所述之光柵偏光器係另一類型 之線性模式反射偏光器。舉例而言，可由定向聚合材料 (例如’聚碳酸酯、聚對笨二曱酸乙二酯、聚乙烯醇）或由 經塗佈之液晶材料提供四分之一波長延遲器。 在此一圓形模式反射偏光器542中，線性模式反射偏光 器544透射具有一第一線性偏振之光且反射具有一第二正 交線性偏振之光。概言之，當由線性模式反射偏光器544 反射之經線性偏振光隨後通過四分之一波長延遲器546 時，將產生經橢圓形偏振光。若相對於自線性模式反射偏 光器544反射之光之偏振軸以一 45度角度定向四分之一波 長延遲器546之快軸，則產生經圓形偏振光。另一選擇 係，如熟習此項技術者將瞭解，可使用具有其他定向之其 他延遲器來執行線性至圓形、近似圓形或橢圓形偏振之轉 換。 返回至圖2，一或多個光管理膜24〇可進一步包含一鏡面 137311.doc -16· 200935145 部份反射器250。鏡面部份反射器250位於照明裝置230與 圓形模式反射偏光器242之間。於各種實施例中，鏡面部 份反射器250可採用多種形式，包含如圖2中所表示之一獨 立組件或作為附接至背光之另一結構之一塗層或其他組 •件。自正對圓形模式反射偏光器242之側入射於鏡面部份 . 反射器250上之光部分地以一實質上鏡面方式被反射。藉 由鏡面部份反射器25〇之光之此鏡面反射通常導致經圓形 偏振光旋向之一反轉，從而使經反射光處於圓形模式反射 ❹ 偏光器242隨後可透射之一狀態，如本文中更詳細地闡 述。光之未被鏡面部份反射器25〇反射之部分可或不可以 鏡面方式透射。對於自正對照明裝置23〇之側入射於鏡面 部伤反射器250上之光而言，反射及透射（單獨考量每一者） 可係或可不係鏡面的。 鏡面部份反射器25〇可包含任何合適一個或一個以上膜 或其他光學組件。鏡面部份反射可藉由一背光中具有另一 ❹ 力能之，组件提供。舉例而言，一鏡面部份反射器㈣可 由用作一蓋片之一低密度表面紋理化膜、一位於一光學膜 集合之頂部或否則外部邊界之膜提供…鏡面部份反射器 250亦可由光波導336之出射表面338或由光管理膜24〇中之 一者之另一表面提供。鏡面部份反射器250亦可由一個或 一個以上專用膜提供。 鏡㈣份反㈣可❹财切成。―鏡㈣份反射器 可由-大致整體片之透明介電材料形成。菲埋耳方程 (—η6】 Μ — —與電介質之折射率知識結合在一起可用 137311.doc 17 200935145 於預測此-鏡面部份反射器之主表面之反射率。合適材料 包3例如聚對苯二曱酸乙二酯、聚碳酸酯、或聚甲基丙烯 酸甲S曰等之聚合物。形成一鏡面部份反射器之其他方式係 使用薄的金屬化或金屬層或使用一經圖案化之金屬化或 . 金屬層，其中具有若干不同反射率及透射率之區。此一層 可被塗佈於一介電基板或平板上或嵌入於其内。 介電或金屬的部份反射層可被塗佈在一背光中之另一 光學結構或基板上或附接至其或否則與其連接以提供一鏡 © 面部份反射器。該結構或基板可提供一不同於反射器之光 學功能之光學功能。舉例而言，於圖6之剖視圖中，一部 份反射層650附接至圓形模式反射偏光器642。於圖7之剖 視圖中’ 一部份反射層750與光學膜760連接。在一介電層 之情形下’可期望具有相對高折射率之電介質，此乃因其 通常會提供一相對於鄰近介質較大之折射率差，且因此提 供較強之反射。 一鏡面部份反射器可利用自多個主表面之反射。在一由 一整體片之透明介電材料形成之鏡面部份反射器中，該片 之兩個表面可用於以鏡面方式反射光。於另一實例中，一 透明介電材料之多層光學膜堆疊可擔當一所設計反射器之 基礎。圖8係包含介電材料之交替層852及854之一多層鏡 面部份反射器850之一剖面示意圖。數個參數可影響一多 層堆疊之反射率，其中有層厚度及堆疊中該等層之折射率 之間的關係。可使用標準薄膜光學設計準則以交替之低及 高指標之光學薄層（意指層具有所關注波長之數量級之厚 137311.doc -18· 200935145 度）設計該堆疊以利用光學干涉效應。另一選擇係，可使 用具有多個波長之數量級之厚度之厚層，該等厚層具有交 替的低及高指標或者相同材料而對效能不具有干涉效應。 鏡面部份反射器之另一設計考量係在反射器中使用之介 . 電材料之雙折射。雙折射可以至少兩種方式影響反射器效 能。首先’在任一其中光在一雙折射電介質内部傳播之反 射器中’雙折射可影響或改變光之偏振。概言之，可將經 圓形偏振光轉換為一橢圓形偏振狀態。其次，概言之，偏 © 離與一雙折射材料之一介面之光波之反射會對該材料之雙 折射敏感，此乃因端視沿偏振軸之折射率，波之偏振分量 將以不同量值被反射’如菲涅耳方程所述。在本發明中， 某些鏡面部份反射器將包含一或多個實質上非雙折射材 料。 如本文中所述’本發明之一鏡面部份反射器將具有以下 性質·自正對圓形模式反射偏光器入射於其上之光以一實 質上鏡面方式被部分地反射。概言之，以正常入射角正常 入射的圓形偏振光偏離一各向同性基板之鏡面反射將產生 一具有一經反轉（正交）偏振旋向之反射光。就反射脫離鏡 面方面而言，經反射光之偏振可較不確定性地與入射光之 ， 偏振相關。舉例而言，用具有一拓撲粗糖表面之一光學片 替代鏡面部份反射器可導致具有混合偏振之高度漫反射 光。同樣，如本文中所論述，一雙折射基板可導致並非完 全反轉經圓形偏振光之旋向之鏡面反射。為計及此等及其 他效應’ 一反射器之特性可在於在正交於入射光之狀態之 137311.doc -19- 200935145 偏振狀態中反射之入射圓形偏振光之分數，其可被稱為正 交反射分數。舉例而言，由一具有一 15之折射率之各向 同性材料形成之一反射器通常反射正常入射（假定自空氣 入射）光之4°/。。若在此實例中反射表面係非常光滑，則反 射器之正交反射分數值可接近4%。若我們考量一片此材 料之兩個光滑側，則該值可接近8。/(^由相同材料形成但 具有一高度漫反射之非常粗糙表面之一替代反射器可相當 大地隨機化偏振，且正交反射分數可係低得多，例如， © 2%左右。 再次返回至圖2，在一或多個光管理膜24〇中亦可包含其 他組件，例如實例性光學膜260。光學膜26〇可係一影響光 之角度分佈之膜，例如可自3Μ公司購得之VikuiUTM BEF m 亮度增強膜。例如在美國專利第等 人）及第6,354,709號（Campbell等人）中可發現對亮度增強膜 之闡述。此等亮度增強膜通常包含一沿一靠近顯示器之軸 β 之方向重定向偏軸光之表面結構。其他可能組件包含（但 並不限於）：漫射器、漫射器板、增益漫射器、轉向膜、 偏光器、反射偏光器、延遲器或透射反射器。於圖2中， 將光學膜260繪示為位於鏡面部份反射器250與照明裝置 2 3 0之間。 於某些實施例中，在偏光器242與反射器250之間存在直 接光學連通’以使在其之間傳送之光在其各種物理特性 (例如輻射率、傳播方向、光譜組成及偏振狀態)方面實質 上不党影響。於其他實施例中，可藉由插入背光組件影響 13731 l.doc 200935145 在偏光器242與反射器25〇之間傳送之光之物理特性中之— 者或多者’同時保持—或多個其他特性實f上不受影響。 虽在4件之間傳播之光之—物理特性不受影響時，可將該 等部件闡述為（例如）處於"直接偏振連通"或"直接光譜連 通”。於本發明之某些實施例中，圓形模式反射偏光器曰242 與鏡面部份反射器250為實質上直接偏振連通。 LC面板2 1 〇之組態概言之將部分相依於顯示器2〇〇之背 光220之組態。於一個實施例中，如圖2中所圖解闡釋， 面板210包含一具有相關聯電極矩陣之液晶層212、一延遲 器214、一第一吸收偏光器216及一第二吸收偏光器218。 於此實施例中，自圓形模式反射偏光器242傳播且入射在 LC面板210上之光經圓形偏振。延遲器214影響光之構成偏 振分量之相位’從而將光自圓形偏振轉換為線性偏振。然 後此經線性偏振光入射於第一吸收偏光器216上，該第一 吸收偏光器之通過軸與來自延遲器214之光之偏振轴對 準。第一吸收偏光器216用於增加進入液晶層2丨2之光之偏 振之對比。第一吸收偏光器21 6有時可被稱為一 ”整理，•偏 光器。 於另一實施例中，LC面板210未必包含延遲器214。此 組態將適於一其中圓形模式反射偏光器242將經線性偏振 光傳遞至LC面板210之背光。於又一實施例中，LC面板 210可缺少一第一吸收偏光器216,但包含一第二吸收偏光 器218’視需要，其中一延遲器在液晶層212與第二吸收偏 光器之間。LC面板之其他實施例可包含偏光器及延遲器之 137311.doc -21 - 200935145 其他組態。 如本文中所論述之背光組態可用經偏振光有效地照明一 液晶面板。概言之，當光離開背光朝向一 LC面板傳播時此 等組態有效地再循環自一反射偏光器反射之光，其將此被 反射光轉換為可由反射偏光器在隨後遇到時透射之偏振狀 態。以下論述藉由闌述如圖4中之剖面示意圖中所示之一 背光420之作業之態樣圖解闡釋此等觀點。 背光420包含一照明裝置43〇，該照明裝置包含一或多個 光源432及一背面反射器434。一或多個光管理膜44〇包含 一圓形模式反射偏光器442及一定位於圓形模式反射偏光 器442與照明裝置430之間的鏡面部份反射器45{)。圖4還包 含指示背光420内之光之傳播方向之箭頭。概言之，此圖 中箭頭之方向性僅對於光朝向（向上）或遠離（向下）背光之 輸出方向傳播（其朝向圖中（例如）一 LC面板將位於其處之 頂部（向上））係有意義。箭頭之朝向圖右邊之方向性僅為清 楚起見且不應視為具有侷限性；實際光線亦朝向左邊且還 以各種角度傳播。 對背光420作業之論述繼續進行對自光源432傳播之光 460之一實例性部分之檢驗。在與鏡面部份反射器450互動 過程中’光460之一部分作為光462透射穿過部份反射器， 且一部分作為光464被反射。光462接下來與圓形模式反射 偏光器442互動。在偏光器442處，入射光462之一部分作 為右旋圓形偏振光466R經透射離開背光420，且部分作為 左旋圓形偏振光468L被反射。（於此實例中，選擇偏光器 137311.doc -22· 200935145 442為右旋圓形透射及左旋圓形反射完全係任意且可將其 反轉。） 經反射光468L返回至鏡面部份反射器45〇，在該鏡面部 份反射器處之一部分的光作為左旋圓形偏振光47〇L而予以 • 透射，且一部分的光作為右旋圓形偏振光472R而予以反 射。偏離鏡面部份反射器450之鏡面反射轉換反射光之偏 振。此轉換使光472R處於適於透射穿過圓形模式反射偏光 器442之狀態中，從而產生被透射之光474R。以此方式， © 鏡面部份反射器450幫助形成背光420之一再循環腔。 自鏡面部份反射器450向下傳播之光464及47礼及自光源 432向下傳播之光476共同表示朝向背面反射器434傳播之 光。此光反射偏離背面反射器434且共同由朝向鏡面部份 反射器450(在此處光478之至少一部分可作為右旋圓形偏 振光而透射離開背光420)傳播之光478表示。以此方式， 背面反射器434亦幫助形成背光42〇之一再循環腔。 ❹背面反射器434之性質及在鏡面部份反射器45〇下面的任 何其他結構之性質將影響反射光478之偏振。部分地，光 478之偏振決定性地取決於光4M、47〇[及476之偏振狀 態，且部分地，取決於例如進行反射之類型及光橫貫之透 明材料的雙折射等因數，其可被隨機化。相較之下，由左 旋圓形偏振光468L之偏離鏡面部份反射器45〇之部份反射 產生之右旋圓形偏振光472R可高度確定地予以偏振。 具有一圓形模式反射偏光器及鏡面部份反射器之一背光 系統之效能將取決於各種因數，包含鏡面部份反射器之反 137311.doc •23- 200935145 射率。此反射率可由本文中定義之正交反射分數值予以量 化。隨著正交反射分數值增加，自圓形模式反射偏光器傳 播至鏡面邛伤反射器之第二偏振之光（例如，圖4中之 468L)之一更大部分將在可透射之第一偏振（例如，472R) 中再循環回至偏光器。同時，增加之反射率將減弱自照明 裝置（例如，460、478)到達偏光器（例如，462)之光的量。 可以最大化亮度或閣述自背光提供至1^(：面板之光之其他可
量測參數為目標而最佳化正交反射分數值。此處聞述一研 究以圖解闌釋本發明之此態樣。 使用一模型系統模擬採用一鏡面部份反射器之一背光系 統之效能。將背光組件之各種組合放置於一照明裝置之一 頂部表面上並量測該系統效能。照明裝置係由漫射白色 则一材料構造之具有大約13 cm長之邊之一立方體。光 由-光纖束引入至該立方體之内側中。立方體内部之多次 反射用於使光均勾且導致來自該立方體表面之高度一致、 均句輸出。首先，照明裝置本身對其頂部面進行一來考量 測。-Phot。Researeh PR_65〇分光轄射譜儀用於進行亮度 量測。進行參考量測之後，將—反射偏光H放置於該照明 :置上且重複該量測。接下來’隨著擔當位於反射偏光器 與照明裝置之間的鏡面邱 J蜆面。P伤反射器之破璃反射器板（顯微 鏡載片)之數目之一增加進行一系列量測。用一圓形模式 反射偏光器及-線性模式反射偏光器兩者執行此協定。
Nlpoc:™(可自曰本曰東電工購得之膽固醇液晶膜)可用作 一圓形模式反射偏光器。可自3M公司購得之DBEF_E及其 137311.doc •24· 200935145 他類似DBEF變體用作線性反射偏光器。 圖9顯示以下三種背光組態之隨玻璃反射器板（每—玻璃 板具有兩個反射主表面)數目變化之亮度或光亮度（按cd/m2 量測，亦即"尼特”）：（a)具有一圓形模式反射偏光器，（b) . 具有一線性模式反射偏光器，及（c)不具有一偏光器。曲線 . 9〇Oa顯示在給系統添加玻璃板時亮度之一增加（且因此， 正交反射分數增加）’其中在添加三個板時亮度達到峰 值’而此後再添加額外板反而使亮度降低。亮度增加歸因 © 於由自玻璃板之鏡面反射所提供之經改良再循環。推測超 過三個板時之減小係由於自照明裝置穿過增加反射之板堆 疊至反射偏光器之透射受阻礙所致。與曲線9〇〇a中所示之 系統回應對比，由曲線90 Ob表示之線性模式反射偏光器背 光之效能顯示在鏡面部份反射器堆疊在反射率方面增加時 僅亮度減小。此係期望情形；鏡面反射不幫助經線性偏振 光再循環，此乃因反射並未改變光之偏振狀態。顯示僅具 ❹ 有玻璃板之背光之亮度的曲線900c顯示在添加第一板時亮 度增加。據信此係由於斜向上傳播之光線偏離玻璃板底部 之掠反射所致。此光之反射回照明裝置之某一部分以一接 近法向之角度（同軸亮度量測對其敏感之角度）向後再循環 而向上穿過堆疊。 儘管本發明關於圓形偏振光及圓形模式偏光器論述背光 作業及效能之若干態樣，但熟習此項技術者將認識到通常 s忍為整個圓形偏振光之純偏振狀態為一數學構造，且在實 際系統中圓形偏振光通常將包含一橢圓率度。此外，本發 137311.doc -25- 200935145 日月之背光之益處可在包括背離純圓形之偏振狀態之系統内 實現且因此通常應認為此等系統在本發明之範嘴内。 本文中引用之所有參考文獻及出版物之整個内容皆以引 用方式明確地併入本發明中，除可能與本發明直接相矛盾 • 之内谷以外）。已論述了本發明之圖解闡釋性實施例且提 了本發明範疇内之可能變化形式。在不背離本發明之範 鳴之情形下，熟習此項技術者將顯而易見本發明中之此等 &其他變化形式及修改’且應理解本發明並不侷限於本文 ® 中所述之圖解闡釋性實施例。因此，本發明僅受下文提供 之申請專利範圍限制。 【圖式簡單說明】 將根據附圖闡述本發明，在該等圖中相同參考編號通常 指示相同元件，且其中： 圖1係一可能包含光管理組件之光學顯示器之一個實施 例之一剖面示意圖。 ©圖2係一光學顯示之另一實施例之一剖面示意圖。 圖3係一照明裝置之一個實施例之一剖面示意圖。 圖4係一背光系統之一個實施例之一照明裝置及光管理 •組件之一部分之一剖面示意圖。 圖5係一圓形模式反射偏光器之一個實施例之一剖面示 意圖。 圖6係包含一塗層之一圓形模式反射偏光器之一個實施 例之一剖面示意圖。 圖7係包含一塗層之一光學膜之一個實施例之一剖面示 137311.doc -26- 200935145 意圖。 圖8係多層鏡面部份反射器之一個實施例之一剖面示 意圖。 圖9係一曲線圖’其顯示一照明裝置及光管理組件之各 種實施例與所包含鏡面部份反射器之數目之亮度效能。 【主要元件符號說明】 100 光學顯示器 110 LC面板
120 背光 130 照明裝置 140 光管理膜 200 光學顯示器 210 LC面板 212 液晶層 214 延遲器 216 第一吸收偏光器 218 第二吸收偏光器 220 背光 230 照明裝置 232 光源 234 背面反射器 240 光管理膜 242 圓形模式反射偏光器 250 鏡面部份反射器 137311.doc -27- 200935145 260 光學膜 330 照明裝置 332 光源 333 光源反射器 334 背面反射器 336 光波導 337 邊緣 338 出射表面 ❹ 420 背光 430 照明裝置 432 光源 434 背面反射器 440 光管理膜 442 圓形模式反射偏光器 450 鏡面部份反射器 460 光 ❹ 462 光 464 光 466R 右旋圓形偏振光 468L 左旋圓形偏振光 470L 左旋固形偏振光 472R 右旋圓形偏振光 474R 光 476 光 137311.doc -28- 200935145 478 542 544 546 642 650 750 760 Ο 850 852 854 光 圓形模式反射偏光器 線性模式反射偏光器/平面組件 延遲器/平面組件 圓形模式反射偏光器 反射層 反射層 光學膜 鏡面部份反射器 交替層 交替層 137311.doc •29-

Claims (1)

  1. 200935145 十、申請專利範圍： 1 · 一種背光，其包括： 一照明裝置，其包括至少一個光源； 一圓形模式反射偏光器；及 一鏡面部份反射器，其位於該照明裝置與該圓形模式 反射偏光器之間； 其中該鏡面部份反射器與該圓形模式反射偏光器實質 上直接偏振連通。 ® 2.如請求項1之背光，其中該照明裝置進一步包括一光波 導’其中該至少一個光源係光學地辆合至該光波導之一 邊緣。 3. 如請求項1之背光’其中該圓形模式反射偏光器包括一 膽固醇液晶層。 4. 如請求項1之背光’其中該圓形模式反射偏光器包括： 一線性模式反射偏光器；及 ^ 一四分之一波長延遲器，其位於該線性模式反射偏光 器與該鏡面部份反射器之間。 5·如晴求項1之背光，其中該鏡面部份反射器包括位於一 基板上之一層，該基板具有—不同於該鏡面部份反射器 之光學功能的一光學功能。 6. 如明求項丨之背光，其中該鏡面部份反射器包括一位於 該圓形模式反射偏光器上之塗層。 7. 如明求項丨之背光，其中該鏡面部份反射器包括一金屬 化部份反射器。 137311.doc 200935145 8. 9. 10. 11. 〇 12. 13. 14. 15. 16. 如月求項1之背光，其中該鏡面部份反射器包括複數個 實質上以鏡面方式反射之主表面。 如凊求項8之背光，其中該鏡面部份反射器包括一多層 光學媒》 如叫求項9之背光，其中該多層光學膜包括一或多個聚 合物層。 月求項1之责光，其中該鏡面部份反射器具有一至少 2%之正交反射分數值。 如叫求項1之背光，其中該鏡面部份反射器具有一至少 4%之正交反射分數值。 如凊求項1之背光，其中該鏡面部份反射器具有一至少 8%之正交反射分數值。 如凊求項1之背光，其中該鏡面部份反射器具有經選定 以產生一最佳化背光亮度之一正交反射分數值。 一種顯示器’其包括一液晶面板及一向該液晶面板提供 光之背光，其中該背光包括： 一照明裝置，其包括至少一個光源； 一圓形模式反射偏光器’其位於該液晶面板與該照明 裝置之間；及 一鏡面部份反射器’其位於該照明裝置與該圓形模式 反射偏光器之間； 其中該鏡面部份反射器與該圓形模式反射偏光器實質 上直接偏振連通。 一種用於提供經偏振光之背光，其包括： 137311.doc 200935145 一照明裝置’其包括至少一個光源； 一圓形模式反射偏光器，其經組態以透射具有一第一 圓形偏振之一第一部分光且反射具有一正交於該第一圓 形偏振之第二圓形偏振之一第二部分光；及 一鏡面部份反射器’其位於該照明裝置與該圓形模式 反射偏光器之間’該鏡面部份反射器適於接收來自該圓 形模式反射偏光器之該第二部分光，且將一第三部分光 返回至該圓形模式反射偏光器，該第三部分光係該第二 部分光之一小部分且具有可藉由該圓形模式反射偏光器 透射之該第一圓形偏振。 1 7. —種製造一背光之方法，其包括： 提供一照明裝置； 提供一圓形模式反射偏光器； 選擇用於一鏡面部份反射器之一正交反射分數值以產 生一最佳化背光亮度；及 將一具有該選定之正交反射分數值之鏡面部份反射器 置於該照明裝置與該圓形模式反射偏光器之間，其中該 鏡面部份反射器與該圓形模式反射偏光器實質上直接偏 振連通。 137311.doc
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