TW479119B - Planar light source illumination system and the manufacturing method thereof - Google Patents

Description

479119 五、發明說明（1) 發明領域 本舍明係關於平面式光源系統（f 1 a t H g h t i n g system)。特別地，係關於一種具有光柵繞射結構 (di f fraction grating structure)的平面式光源照明系 統及其製作方法。 發明背景 傳統的成光源糸統（f r 〇 n t 1 i g h t i n g s y s t e m)，主要 包含光源（light source)、反射罩（refiector)、準直管 (col 1 imator)、含有特殊幾何折射結構的光導板 (lightguide)、以及一個補償片（compensator)等元件。 由光源發出的光在光導管中藉由幾何折射結構以全反射的 方式將入射光轉向約9 0。，進入液晶顯示器（1 i qu i d crystal display ’LCD)面板（panel)中，經過液晶面板反 射回來的光再以接近垂直的方向入射穿過光導管後，到達 使用者的眼睛。由於補償片與幾何折射結構間為空氣界 面，因此會產生影像分離的現象。當補償片與幾何折射纤 構間的空氣界面越大時，所產生的影像分離會越嚴重。& 種影像分離的現象，會嚴重影響高解析度的影像品質。 而，如果在組裝對位時產生偏差，可能會產生疊紋的影像 (mo rie pattern)，造成使用者視覺上的干擾。

479119 五、發明說明（2) 如圖一所示，由CLIO Technologies inc·，和Seiko Epson Corρ·，兩家公司所設計之用於使光產生偏折的稜鏡 結構中，入射光1 0 1〜1 〇 1 ”進入光導管平板1 〇 2後，會使 出射光1 0 3〜1 0 3 ’’產生不同的角度偏折。即使加入了補 償片，仍有出射光之間距變小或變大之平行飄移的現象， 造成影像的扭曲變形（d i s t 〇 r t i ο η )。

在CL 10 Technologies Inc·的專利中前光源系統主要 包含光源、反射罩、準直管、含有微稜鏡結構表面的光導 管、以及一個補償片等元件。由光源發出的光經過反射罩 及準直管後，被集中在以光導管為中心轴的範圍内，然後 入射到達光導管中。在光導管中藉由微稜鏡（micr〇prism) 以王反射（total internal reflection)的方式將入射光 轉向約90◦，進入液晶顯示器面板中。經過液晶顯示器面 板反射回來的光再以接近垂直的方向入射穿過光導管後， 至J達使用者的眼睛。如圖二所示^ 補eΐ十 hnologies提出的技術裡，用互補結構的 :員片來補償光程差’卩消除因為微稜鏡結構 ，曲的現象，如圖三所示。然…於補償二= =為空氣界面，因此一定會產生影像分離的現象。二=二 與微棱鏡間的空氣界面越大時，所產生的号 二7貝 曰趣厭重。即使當光源關閉的狀態下只使用外界環产、月， 仍然會產生影像分離的現象。此現象嚴重影響兄光 W Μ"析度的 479119 五、發明說明（3). 影像品質。而為了配合冷陰極螢光(c〇id cath〇Hc llght’ CCFL)的管徑大小以及補償片的存在， 使付整個前置光源模έ且的厘@ ^ ^ f —t 了煨、、且的厚度很難縮減到4mm以下。此厚 度的限制是影變等髀口哲# _ _ _ & & θ μ Z L 的一個因素。另外，由於微稜鏡 與補4員片的幾何結構是互福&同 傅疋立補的圖形，因此在對位組裝時若 產生偏差，可能會產峰聶纺&旦> 你 AA工m 生且、、文的衫像，而造成使用者視覺上 的干擾。 ώ ΓΤ TtSeik〇 EpS〇n提出的技術裡，前置光源的結構大致 與C L I 0類似’如圖四中所示。 另外在平面背光源（backlight)系統方面，主 ==原、二射罩、準直管、以及含有特殊幾何折射:構 2 ? 分的專利都著重在改善光導板效率的i升 方面。在IBM公司所提出的專利巾，也是以’&升 的傳光元件，他們以兩種不同折射率介質的六··、'要 作而成的薄板’並配合光全反射的特性來碉=:八::所製 的傾斜角。再將此薄板貼付於傳導光=莲二貝膜層 (wave^e llght Plpe)上，以此製作成 光轉向7L件’卩得出—個所需求的平面光源 ：且的 ::句性必須靠著不同折射率層間介質 ：：： 同折射率介質層界面間的全反射特性來達成疋：=不 示。由於滿足全反射條件的入射光其入射角必須 五、發明說明（4) _ 臨界角 = 越整個井=t三取後必定有許多小角度的入射光會傳遞穿 报差。先波v管而損失掉，並且整個平面光源的均勻性會 的折射ϊ ΐ U f此種情形發生’必須在不同位置有不同 制在製作卜：ΐ ί有不同的傾斜界面肖，則此種光轉向機 乍上έ、交得非常複雜而困難。 又，中 光源系統專 定的，並且 成，因此光 方面，係以 萬作前光源 使用光波導 計的光源反 束。因此光 來達成，在 發明概述 華民國 利申請 光均勻 轉向元 兩種不 模組的 平板來 射罩， 均勻性 設計及 專利申 案中， 性的分 件的設 同折射 光轉向 當作傳 來得出 的分布 製作上 請號871 1 光入射到 布是藉由 計較為簡 率介質交 元件。而 導光束的 均勻照射 ，主要是 簡化許多 3 6 9 2提出 光轉向元 反射罩的 化。至於 錯排列形 ，為了減 工具。只 於光轉向 藉由反射 的平面 件的角 特殊設 在前光 成的結 少厚度 以 個 元件上 罩的特 行前置 度是固 計來達 源模組 構，來 ，並不 特殊設 的光 殊設計 之幸11明克服上述傳統之光源照明系統之缺點。本發明 法，以提：ί:提供一種平面式光源照明系統及其製作方 统主要勺C 一個均句的平面光源。此光源照明系 光元件’―光源反射罩，和-備有光轉 向兀件的光波導平板。

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五、發明說明（5) 本發明之又一目的為，本光源照明系統中的光轉向元 件具有繞射光柵的結構。根據本發明，繞射光柵是利用滿 足Bragg condition的條件，來將光波導平板中的光偏折 向顯示器的方肖，以達到對顯示器提供-個均勾的平面光 本發明之平面式光源昭 ^ '、、、 之前光源或是背光源照明系 元件和製作方法來達成。 明糸統的又一目的為’平面式 統皆可以本發明之系統的組成 本發明的較佳實施例分 知、明糸統為例，並以相位式 當作光源照明系統的光轉向 element) ° 別以前光源照明系統和背光源 繞射光栅（phase grating)來 元件（light converting 點 本發明由於具有繞射 如以下所摘述： 光柵的結構 因而備有多項優 (1)不會存在有直接 足Bragg condition “ m)。 、視克上的干擾，因為入射光必須滿 因此繞射光栅的間距非常小（約為1

479119 五、發明說明（6) 率，因為繞射光栅是利用不同區域的折射率 (refraction index)差異，來改變入射光的光程差 (optical path difference) 〇 (3 )藉由適度的調整繞射光 的篩選及對入射波長的篩選 光柵對入射光角度的嚴格篩 反射回來的光有效的進入到 被繞射光柵所繞射。 拇的厚度可改變對入射光角度 °利用厚型（thick)繞射 選，'可使經過反射式LCD 觀看者的眼睛，而不會再次的 即可控制出射光的偏

(4)調整繞射光柵的間距或傾斜 折方向。 、” X (5 )調整不同區域的折射率至 光的繞射效率，因而有效異，可控制不同區域對入射 文的控制光分布的均勻性。 (6 ) 對繞射光柵經過特殊的^ 源系 個前光源照明糸統。 光源耦合進入前光源系統的二件限制及設計後，可將外界 、、、、勺光波導管中，共同使用一 (7 )可以控制對應於不同_ — 時，有不同光栅間距的光;;、、不器光閥像素（pixel)位置 段的繞射光進入被照體，=刀布，以產生不同頻碏波 filter)的像素位置相巴配達到與彩色濾波器（color " 以達到最大的光源效益。

479119 五、發明說明（Ό (8 )以（7 )的方式製作而成的背光源系統，只要適當的控 制繞射光撕的條件，使得從背光源系統出來的光已經將顏 色分離開來’則此背光源系統可同時取代彩色濾波器。 兹配合下列圖式、實施例之詳細說明及專利申請範 圍’將上述及本發明之其他目的與優點詳述於后。 圖式之簡要說明

圖一係說明傳統之用於使光產生偏折的棱鏡結構中，出射 光之間距變小或變大之平行飄移的示意圓。 圖二係CLIO Technologies公司所提出之一種傳統的前光 源系統的架構圖。 圖三係說明CLIO Technologies公司用以消除影像扭曲現 象的示意圖。 圖四係Seiko Epson公司所提出之一種傳統的前光源系統 的架構圖。

圖五係IBM公司提出之一種平面背光源系統的結構示意 圖。 圖六係本發明之平面式光源照明系統之用於前光源照明系 統一較佳實施例的架構圖。 圖七係本發明之平面式光源照明系統之用於背光源照明系 統一較佳實施例的架構圖。

第10頁 479119 五、發明說明（8) 圖八係說明光進入光波導平板後，在介質面形成全反射條 件的示意圖’其中’滿足全反射條件的臨界角為 42· 16◦’而光與光波導平板水平方向的夾角為 47· 84〇。 圖九係說明在假設的入設角5 0。與折射角2 〇◦，及繞射光栅 深度T的條件下’入射光與繞射光柵的夾角，及繞射 光栅與光波導平板水平面的夾角，其相關的角度關 係。 圖十係說明對於不同入射光波長所應對應之繞射光柵的間 距大小關係。 光栅對於入射光的 光柵對於入射光的 光栅對於入射光的 光柵對於入射光的 圖十一係說明繞射光栅深度為2 V m時 角度篩選情形。 圖十二係說明繞射光柵深度為5 時 角度篩選情形。 圖十三係說明繞射光柵深度為2 “爪時 波長筛選情形。 圖十2說明繞射光柵深度為5/zm時 波長篩選情形。 圖十五'係說明光；t 冊、、适♦去Ο η 士 尤珊/木度為2 # m時，要逵釗婊& l十 恰，對於不同入射#、由ι 要違到％射效率為1 值。 射先波長所需要達到的折射率差異 圖十六係說明卉撼、、穴存 口士 九柵，木度為5 A m時，要逵到婊以 哙，對於不同人射#、ά且 罟運到％射效率為1 值。 门入射先波長所需要達到的折射率差異

第11頁 479119 五、發明說明（9) 圖十七係說 時’滿 率。 圖十八係說 時’滿 率。 圖十九係說 中，將 而共同 圖二十係說 中，藉 素位置 像素位 圖二十一係 作出所 十二係 用光學 射光栅 十三係 合，以 圖 。 圖二十四係 不同的 ☆的位 明光柵深度為2//m時，在折射率差異值為〇 足Bragg condition所能達到的最大繞射效 明光柵深度為5 // m時，在折射率罢1 干左吳值為0.05 足Bragg condition所能達到的最大繞射效 圖 圖 明在本發明之 外界光源搞合 使用本實施例 明在本發明之 由調整所需的 有不同的光栅 置相匹配的示 說明根據本發 要之繞射光柵 說明根據本發 干涉的方式進 的寬度的示意 根據本發明， 涵蓋所有可見 說明根據本發 光柵分佈，以 置，其上面的 平面式光源 進入本貫施 的示意圖。 平面式光源 光柵分佈方 分佈，可達 意圖。並描 明，利用光 的寬度的示 明，以具有 行曝光，以 圖。 使用數種不 光波段的光 照明系 例之光 並描繪 照明系式，控 到與彩 繪其光 罩曝光 意圖。 南同調 調整製 統的實施例 波導平板， 其光路情形。 統的實施例 制在不同像 色濾波器的 路情形。 方式來調整製 性的光源，利 作出所要之繞 同光柵的設計與混 進入被照體的示咅 明，藉由控制在不同像素位 t #：L、i一 你丁门 ^ 、、彔二種不同彩色、# 繞射光柵對應於本發明 =/ ^ <貫施例

第12頁 479119 -¾ 五、發明說明（10) 中’不同衫色濾波器像素位置處所對應的不同間距的 繞射光柵分佈情形。 圖號說明 1〇1入射光 102光波導平板 1〇3出射光 601光波導平板60 2光源反射罩 603發光元件 604繞射光栅 6 0 6液晶顯示器面板607反射層 608入射光 609滿足Bragg condition的入射光 610不滿足Bragg condition的入射光 611入射光 6 1 2〜6 1 2 進入液晶顯示器面板中的入射光 61 3使用者的眼睛 701光波導平板70 2光源反射罩 703發光元件 7 〇 4繞射光柵 7 0 5入射光 7 0 6液晶顯示器面板 707 滿足Bragg condition的入射光 7 0 8使用者的眼睛 1901外界光源 1 9 0 2鈿光源系統原有之入射光源 1 9 0 3出射平面前光源 2 0 0 2数色光 2 0 0 1前光源系統之原入射光源 2003綠色光 2004紅色光 2 1 0 1光罩 2 1 0 2紫外光 2201〜2202雷射光源

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第13頁 479119 五、發明說明（11) ----^ 240 1紅色濾波器2402綠色濾波器2403藍色濾波荞 發明之詳細說明 /圖六說明本發明之平面式光源照明系統用於前光源照 明系統一較佳實施例的架構圖。參考圖六，本發明之平ς 式光源照明系統主要包含有一備有光轉向元件的光波導 板6 0 1、光源反射罩6 〇 2和發光元件6 0 3。光波導平板之光 轉向元件備有繞射光柵6 04的結構。其中繞射光栅是利用 滿足Bragg condi t ion的條件，來將光波導平板6〇1中的 光偏折向液晶顯示器的方向，以達到對液晶顯示器提供— 個均勻的前平面光源的目的。 ^ 整個光路說明如下：光由發光元件6 〇 3發出之後，麵 過光源反射罩6 0 2後’將儘可能將入射光6 q 8控制在光波導 平板6 0 1的全反射臨界角α範圍内（約為± 5 〇。），以提高光 能量的有效使用效率，然後入射到光波導平板6 q 1中，在 光波導平板6 0 1中，當光線入射到繞射光栅6 〇 4時，滿足 Bragg condition的入射光6 0 9將會產生偏折（約9〇。），進 入液晶顯示器面板（LCD panel) 60 6中，另外不滿足Bragg c〇nd i t i on的入射光6 1 0則繼續前進，直到入射光6 1 i於適 當角度相位式繞射光柵時才會產生偏折，如標示6丨i : @ 進入液晶顯示器面板中的入射光6 1 2〜6 1 2 "，在經過}夜晶 面板背面的反射層6 0 7反射回來之後，再穿過繞射光拇6 〇 4

第14頁 479119 五、發明說明（12) 及以接近垂直的方向穿過光波導平板6 〇 1後，到達使用者 的眼睛6 1 3。 ，由於此反射回來的光穿過繞射光栅6〇4時，大部.分並 無法滿足Bragg condition，因此將會直接穿越繞射光栅 而不會再次產生偏折，所以並不會有如傳統幾何折 的影像分裂的情形發生。 ^ # 圖七說明本發明之平面式光源照明系統用於背光 佳實施例的架#。參考圖七，本背光源照'明 糸、、先亦：别先源照明系統相包含有一備有光轉向元件 ^先波¥平板701、光源反射罩7〇2和發光元件7〇3。光波 :平板70 1中的光偏折向液晶顯示器的方向， 夜 晶顯示器提供-個均句的平面背光源的目的。對液 整個光路說明如下··光由义 過光源反射罩7 0 2後，將_ π 务出之後，經 早以攸將j迪可能的將入射去 的全發射臨界角α範圍内(約為士工二皮 =以:Γ中效率：然後入射到光波導平_中 U "! 光“射到繞射光栅…時，滿足 = lon的入射光70 7將會產生偏折(約 9 0〜1 6 0。），進入液晶顯示哭 、， 示器到達使用者的眼睛7 〇 8中。 亚牙越過液晶顯

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在本發明之實施例中，以相位式繞射光柵來當作圖丄 之前光源照明系統及圖七之背光源照明系統的光轉向元 件。一方面可讓部份滿足Bragg condition的光產生偏折 進入被照物體，另一方面可使其他部份的光，繼續在光波 ‘言中傳播兩進’以產生一個平面光源。並且可藉由對鮮 射光栅的調整，來調整整個平面前光源的均勻性，以得^ 一個理想的平面光源。 $ 如前所述，由於本發明之平面式光源照明系統之光波 導平板備有繞射光柵的結構，因而有多項優點。現將各項 優點及其條件--詳細說明如后： 、 (1)由於相位光柵的設計必須使入射光滿足Bragg c〇ndi t ion，因此光柵的間距非常小（約為1 “m)，遠 小於人眼的解析能力’因此並不會有直接的視覺上的 干擾。、 光進入光波導平板後’要在此光波導平板介質中順利 的向前傳播的話，必須滿足介質與其外圍空氣界面間的全 反射條件，一般而言，可使用Aery 1 i c為此光波導平板的 材料’則其折射率約為1 · 49。由於滿足全反射條件 界角為

479119 五、發明說明（14)

0C sm J.49 42.16 因此，光在介質界面要形成全反射的入射角最小限制 為42· 16。，此時由光源發出的光與光波導平板水平方向的 夾角為4 7 · 8 4。，如圖八中所示。 為了計算上的方便，此後假設由光源發出的光與光 導平板水平方向的夾角為。此時光在波導界面的入身j角1 (已大於最小臨界角的要求），以此假設條件做為 1厂令限制 條件的計算基礎。假設入射角50度（咖：=15。），把 度（邠=35。、 折射角20 )，繞射光柵的深度為T，則在介皙咖如 射光栅間的垂直距離d“為 貝内部，繞 τ _ λα ^ 2· w)-sin(/9〇) 而在介質愈办奋两 —界面表面上所看到的光柵，間距dsAa則為 sin(/%) 〇 :::為介質折射率’ η為光在空氣中的波長，你=15。 : 光與繞射光柵的夾角，而 -、光波導管水平 ^ 則為繞射光柵 …面的失角，其相關的角度關係，如圖九中

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五、發明說明（15 ) 所示。 在上面假設的入射角以及折射角條侔 w 、丁 Γ ，k上面白勿兩 個方程式中’進而可以得到對應於不同入射光波長，Z 須對應的繞射光柵的間距大小關係，如圖% - .、 口 Τ尸/f不，橫♦由你 表波長。在介質内部所應對應的繞射光栅間的垂直距 實線表示於圖巾。而在介質表面所對應的光栅間距： 表示於圖中，因為在介質表面的光柵間距才是實際制=線 所需要用到的數值。 (2) 由於相位光柵是利用不同區域的折射率差里，來 入射光的光程差，利用此種光程差來改變入射光= 進方向，因此整個光轉向元件都是透明體 ： 光的穿透率。 曰1牛低 一般繞射光柵有數種不同的製作方式，如反射式傾斜 先柵（blazed gratlng)、黑白相間的振幅式光柵 jamplltude grating)、表面起伏式的穿透式光柵 rf = ce relief grating)以及相位式繞射光柵等數種方 :二：而’傾斜光栅及穿透式光柵有表面的凹凸起伏，會 * : i產生分離的？象’而振幅式的光柵則將會減少光的 =;;°本發明之貫施例中的相位式的繞射光柵則沒有前 2 =點，它是利用在不同位置形成不同的折射率，以不 的先程差來達到光柵的效果’目此全都是透明體，不會

第18頁 479119 五、發明說明（16) 降低光的穿透率。 (3 )適度的調整繞射光柵的厚度可改變對入射光角度的篩 選及對入射波長的篩選。利用厚型繞射光柵對入射光 角度的嚴格篩選，可使經過反射式LCD反射回來的光有 效的進入到觀看者的眼睛。 朵μ在^遵寸/馬合波理論（c〇upled wave theory)的厚型繞射 备库~ ’光拇的深度（長度）對於滿足Bragg conditi〇n的 角度篩選較為鞮从 μ iu“uii：i〇n的 轉合波理論的並且對於波長的篩選亦較為嚴格。在 選擇範圍（光柵的牛ό私/應於波長為1a的入射光，其角度 式求得， 的自動角度筛選範圍）<5 Aa可用下面的方程 δ. ξ^λα_ 兀· no · Τ · sin(0o) 圖十一和圖十二八 、 、， 光拇對於入射。K篩以::深度T為^與、時， 的，頻譜入’對應於中心波長為Aa 長筛選範圍）可用下面的；、擇二圍△ λ Aa (光柵的自動波 y才王式求得

苐19頁 479119 五、發明說明（17) ΑΛ, ξ · λα1 2·π ·ηο ·Τ · tan( θο) · sin( θο) 圖十三和圖十四分別為，當光栅深度T為2//m與5/zm時光 柵對入射光的波長篩選情形。 (4 )調整繞射光柵的間距或傾斜角度，即可控制出射光的 偏折方向。 在製作上，調整不同光波導平板位置的繞射光柵，使 其在不同位置有不同的光柵密度分布，如此便可有效的涵 蓋了所有的可見光波長。 (5 )調整不同區域的折射率差異，可控制不同區域對入射 光的繞射效率，如此可有效的控制光分布的均勻性。 至於滿足耦合波理論的繞射光柵，其繞射效率7/ Aa可 以由下面的公式得出： π · An · T λα · cos( θο) ，其中△ η為折射率差異值

第20頁 479119 五、發明說明（18)

本發明實施例中’根據本發明，繞射光柵的材料係一 種感光材料，如光聚合物（p h 0 t 0 P 〇 1 y m e r )。以光聚人物“ 當作相位光柵的材料。由上式中的△ n條件可發現，已知~ 的光聚合物的材料中，沒有一種可以達到如此高的折射 差異值。一般而言，光聚合物可調制的折射率差異值， 其最大的極限，無法任意進行調整。因此，本發明利用 同的曝光量來得出不同的繞射光栅深度（長度），如 整而得出整體前置光源最大的效率及均勻性。 ° » 件下2 為當光栅深度為與一的條 最射率差異值。⑯圖十五中可以發現，欲得出 知的剛聚1物：：具有的折射率差異’都遠大於目前已 σ物材料所能夠達到的調制極限。以日太 千產異值為0· 04。 此折射率差異值 結果的需求了。 已經可以達到上面公 式所計算出來的

置的繞射光 率差異，因 如此，便可 栅，ϊ ί::條件中’在不同的光波導平板位 而 工制不同位置的光柵長度或其折射 °以控制在不同位置產生不同的繞射效率。、

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圖十七和圖十八分別為當繞射光栅的深度為2 _與5 /zm時，在折射率差異值大小固定的條件下（假設△ n = 0.05) ’滿足Bragg condition*能達到的最大繞射效 率。從圖十七可知’當光柵的深度為2 _時，對於整體的 可見光波段的繞射效率值顯然偏I。而從圖十八中可以發 現’當光柵沬度為5㈣時’以可達到本整 光源照明系統的需求了。 » (6)當對繞射光栅經過特殊的條件限制 將 界光源1 901與本實施例之俞亦馮έ &又T伋 』肘外 ,、之剛先源糸統原有之入射光源 19〇】麵合(:〇UPle)進入此繞射光柵式前光源系統之光 波‘平板"、以產生出理想的出射平面前光源】9 〇 3。 可與外界光源共同使用的前光源照明系統，如圖十九 中所示。 (7)可以控制對應於不同顯示器光閥pixel位置時，有不 同光栅間距的光柵分布，以產生不同頻譜波段的繞射 光進入被照體，可達到與彩色濾波器的像素位置相匹 配，以達到最大的光源效益。 本發明之貫施例中以相位型繞射光栅為基礎的前光源 照明系統，可適當的調整所需的光栅分布方式，可以控制

第22頁 479119 五、發明說明（20) 在不同像素位置有不同的光柵分布，以使不同頻譜波段的 光被繞射進入不同影像顯示位置的影像顯示光閥，如 LCD、DMD等之中。使不同繞射光柵所篩選出來的不同色彩 的光直接照射在相對應的影像位置，如此將此前光源系統 原入射光源2 0 0 1分開成獨立的三原色出射平面光，藍色光 20 0 2、綠色光20 0 3、紅色光2004，可達到與彩色濾波器的 像素位置相匹配，以達到最大的光源效益，如圖二十所 ✓1、 ° 而當相位式繞射光柵的設計可以完全的將外面的照射 光耦合進入光波導平板中時，本發明之設計亦有機會取代 彩色濾波器的使用。 (8 )若以（7 )的方式來製作背光源系統時，由於背光源旅 沒有外面的照射光源存在，所有的光都是由背光源系 統所提供，因此只要從背光源系統出來的光已經將顏 色分離開來，則此背光源系統可同時取代彩色濾、波 器。 對繞射光栅而言，要滿足Bragg condition的一般化條 件方程式為 n^d + -sin 02 = /1

第23頁 479119 五、發明說明（21) θ\ = sin" \n-d sin 其中，0 i與02分別為入射角與繞射角。從上面、 子中可以知道’最後出射光若要維持在固定的角度的 '式 本發明提供下列三種不同的方式來達成： X 6 ’ a. b. 當入射光的角度每變化1度的話’光栅的角度必須— 變化0. 5度’並且光柵的密度也要跟著產生 ' x者 或變疏）。 又化（交密 只有光柵的間距（密度）產生變化，角度維持固 =光柵的傾斜度產生變化，光柵的間距(密度)維持 關於本發明以繞射光柵為基礎的平面式异％ 的製作方法，包含右·^ ¥疋幻十面式先源照明系統 ⑽等，以產生Λ/、/步驟：（a)提供一發光元件 發光元件產源。（b)提供一光源反射罩，將& 作-備有光轉向元件的的角度範圍。(C)製 人光波導平板中的t ϋ板二此光轉向元件將進 示器提供均勻的平面光源。斤°顯不益的方向，以對此顯 此％轉向 70件具有繞射光栅的結構 此具有繞射光柵

479119 五、發明說明（22) 結構的光波導平板的製作，更包含兩個步驟。首先，將光 聚合物附著在光波導平板的外層表面上；然後，將繞射光 柵曝光形成在此光聚合物上。 此種光聚合物可包括可見光感光或紫外光（UV )感光的 聚合物。而，.光聚合物附著在光波導平板之外層表面上的 方式可以用液態型式旋轉塗佈（sPin coating)或以薄膜型 式貼附在光波導平板上。 繞射光柵也可以有幾種不同的方式來製作。例如，以 光罩曝光（photomask exposure)的方式，或是以具有高同 調性的光源，利用光學干涉的方式來進行曝光。 光罩曝光的方式係利用 曝光的傾斜角度，來調整製 如圖二十一中所示，假設光 d„，紫外光2 102的入射角為 柵的間距為dmc〇s 。因此 外光斜角曝光方式也可以^ 同的光罩寬度設計分太 刀布，則 度分布範圍。另外，$ 逐過整* 同深度的光柵條件，、 斤、 布之不同光柵深度的+ •心 &的需求。 光罩的寬度設計和控制紫外光 作出所要的繞射光柵的寬度。 罩2101的黑白間距為 又 ，則所曝光得出的繞射光 相同的光罩寬度利用不同的紫 出不同的繞射光柵的寬度。不 了涵盍更大範圍的光柵間距寬 外光不同的曝光量即可產生不 本發明為了要達到光岣勻性分

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五、發明說明（23) 以具有高同調性的光源（如雷射光源或極接近、線光、源 的光），利用光學干涉的方式進行曝光。則，如圖二十二 所示，調整兩束光2201和2202之間不同的曝光角产，即一可 得出不同間距大小的繞射光栅。調整兩束光的傾斜角产， 即可得出不同傾斜角度的繞射光栅。此種製作方式的^點 為，以光學干涉的方式來進行繞射光柵的製作，可較^方 便的以兩光束間不同的夾角，在不同的小區域範圍^以 同的曝光條件，製作出隨機（rand〇m)分布的不同 距、不同折射率差異值、不同光栅深度條件的繞射光才:。 筛選：：厚(=)繞射光柵對波長和角度有較為嚴格的 中月之較佳實施例的平面式光源照明系統 中為了此夠/函盍（cover)整個可見光波帶， 種不同的光柵間距條件，圖二 义/員3又计數 不同的光栅間距的區域，並且將；：=同紋理來代表 有規則的隨機排列，以避务吝斗θ — ° a距的光柵區域 之間的干⑮。本發明使不ί =明顯色彩分離或造成相互 計與混合，…： = 有數種不同的光柵設 -所有可見光波段的光進入 可以Ξ:在：31:S所需的光柵分布方4，本發明 譜波段的光被繞射進 =同的光柵分布，以使不同頻 閥，如LCD、DMD中，佶5衫像顯示位置的影像顯示光 彩的光直接照射在相 ：:光栅所篩選出來的不同色 對應“像位置，可達到與彩色淚波

479119 五、發明說明（24) 、 器的像素位置相匹配，以達到最大的光源效益。而當相位 式繞射光柵的設計可以完全的將外面的照射光耦合進入光 波導平板中時，則此設計可以取代彩色濾波器的使用。如 圖二十四中所示，圖中的2 4 0 1 ，2 4 0 2和2 4 0 3分別代表紅、 藍、綠三種不同彩色渡波器的位置，而其上面的繞射光柵 則對應於發明之實施例的前光源照明系統中，不同彩色濾 波器像素位置處所對應的不同間距的繞射光柵分布情形。 唯，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當 不能以此限定本發明實施之範圍。即大凡依本發明申請專 丨· 利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋 之範圍内。

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Claims (1)

1. 479119 六、申請專利範圍 1 . 一種平面式光源昭明备β ^ 一 r ^ 、、月糸統，應用在備有照明系統的顯 不器，該平面式光源照明系統包含有： 一發光元件，以產生入射光源；. 一光=:罩’將該發光元件產生的該入射光調制在 一預定的角度範圍；以及， 備有光轉向兀件的光波導平板，該光轉向元件將進 入忒光波V平板中的該入射光偏折向該顯示器的方 向，以對該顯示器提供均勻的平面光源； 其中，忒务光兀件係介於該光源反射罩和該光波導平 板之間。 2·如專利申請範圍第丨項所述之平面式光源照明系統.，直 中’該光轉向元件係具有繞射光栅的結構。 ’、 3. 4. 5. 如專利申明範圍第2項所述之平面式光源照明系統，」 中，該光源反射罩將該入射光調制在該光波導平板的 全反射臨界角範圍内。 如專利申請範圍第2項所述之平面式光源照明系統，其 中’該光波導平板更包含一導光的基板。 " =專利申請範圍第2項所述之平面式光源照明系統，兮 導光的基板的材質為玻璃或塑膠材料，該繞射光柵為^ 一層感光材料的繞射光柵，且塗佈在該導光的基板的

   _ 第28頁 479119 六、申請專利範圍 一外部表面上 6 ·如專利申請範圍第5項所述之平面式光源照明系統，其 中’該繞射光栅為一相位碧光柵。 7·如專利申請範圍第6項所述之平面式光源照明系統，其 中’該相位型光柵的光柵間距為0 · 1至2 // m，而光柵的 長度為0. 1至1〇 。

   8 ·如專利申請範圍第6項所述之平面式光源照明系統，其 中’該相位型光栅的作用是使光經過光柵的繞射後產 生偏折，突破光傳播的全反射條件限制而進入被照： 體。 9 ·如專利申請範圍第6項所述之平面式光源照明系統，其 中’該相位型光柵係以數種不同光柵間距排列的光 柵’用以涵蓋所有可見光波段的光進入到被照體。 1 0 ·如專利申請範圍第7項所述之平面式光源照明系統，其 中，藉由控制該相位型光柵在對應於不同顯示器光閥 像素位置時，有不同光柵間距.的光栅分布，以產生不 同頻譜波段的繞射光進入被照體，達到與彩色濾波器 的像素位置相匹配，以達到最大的光源效益。 .·

   第29頁 479119 六、申請專利範圍 1 1.如專利申請範圍第1 0項所述之平面式光源照明系統， 其中，該光源照明系統為一平面式背光源照明系統。 « 1 2.如專利申請範圍第1 1項所述之平面式光源照明系統， 其中，藉由控制該光柵分布方式為，在不同像素位置 時有不同的光栅分布，以使不同頻譜波段的光被繞射 進入不同影像顯示位置的影像顯示光閥中，使不同繞 射光柵所篩選出來的不同色彩的光，直接照射在相對 應的影像位置。 1 3.如專利申請範圍第11項所述之平面式光源照明系統， 其中，從該背光源照明系統的光已經將顏色分離出來 時，該背光源照明系統同時係一彩色濾波器。 1 4.如專利申請範圍第2項所述之平面式光源照明系統，其 中，該平面式光源照明系統係一將外界光源耦合進入 該光源照明系統之光波導平板中，而能共同使用的光 源照明系統。 1 5. —種平面式光源照明系統的製作方法，應用在備有照 明系統的顯示器，該平面式光源照明系統的製作方法 包含有下列步驟： (a) 提供一發光元件，以產生入射光源； (b) 提供一光源反射罩，將該發光元件產生的該入射

   第30頁 479119 六、申請專利範圍 光調制在一預定的角度範圍；以及， (C )製作一備有光轉向元件的光波導平板，該光轉向 元件係將進入該光波導平板中的該入射光偏折向 該顯示器的方向，以對該顯示器提供均勻的平面 光源； 其中，將該發光元件置於該光源反射罩和該光波導平 板之間。 16. 如專利申請範圍第1 5項所述之平面式光源照明系統的 製作方法，其中，步驟（c)中該光轉向元件係具有繞 射光柵的結構。 17. 如專利申請範圍第1 6項所述之平面式光源照明系統的 製作方法，其中，該具有繞射光柵結構的光波導平板 的製作更包含下列步驟： (a)將一感光聚合物附著在該光波導平板的外層表面 上；以及， -， (b ) 將該繞射光栅曝光形成在該感光聚合物上。 18. 如專利申請範圍第1 7項所述之平面式光源照明系統的 製作方法，其中，步驟（a)中該感光聚合物係以液態 型式旋轉塗佈於該光波導平板的外層表面上。 19. 如專利申請範圍第1 6項所述之平面式光源照明系統的

   479119 六、申請專利範圍 製作方法，其中，步驟（a)中該感光聚合物係以薄膜 型式貼附在該光波導平板的外層表面上。 20. 如專利申請範圍第1 7項所述之平面式光源照明系統的 製作方法，其中，步驟（b )中該繞射光柵係以光罩曝 光的方式來製作。 21. 如專利申請範圍第1 7項所述之平面式光源照明系統的 製作方法，其中，步驟（b )中該繞射光栅係以高同調 性的光源，利用光學干涉的方式來進行曝光。 2 2. 如專利申請範圍第1 7項所述之平面式光源照明系統的 製作方法，其中，該繞射光柵係一相位型繞射光栅。

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