TW594115B - A liquid crystal display device and an illumination device for a direct viewing type display element - Google Patents

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Tomonori Korishima
Yoshiharu Ooi
Masao Ozeki
Hiroaki Ito
Hiroshi Hasebe
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Description

594115 A7 B7 經濟部智慧財產局g:工消費合作社印奴 五、發明説明（1 ) 本發明有關於一種供應用於液晶電視、電腦液晶顯示 幕等類物件中之直觀式液晶顯示裝置。 近年來，直觀式液晶顯示裝置之技術有顯著的進步， 尤以使用彩色顯示元件者爲然。有許多顯示器已具有可與 CRT相比之顯示品質。在黑白顯示方面，直至數年之 前’技術主流還處在不使用背光之反射式液晶顯示元件的 階段。不過現今即使在黑白顯示中，也幾乎均爲使用背光 之透射式液晶顯示元件所取代。在彩色液晶顯示方面，若 無背光顯示幕即無法操作，而在直觀式液晶顯示裝置中， 背光更屬不缺的裝置。 在近年受廣泛使用之所謂「筆記型個人電腦」中，攜 帶性是十分重要的，因此必須以電池來達成驅動。然而目 前在電池不再充電的情形下僅能驅動裝置數小時的時間而 已，尙未到達可整天連續操作的階段。由此可見，使連續 使用時間得以延長是十分重要的。特別是，上述系統中之 照明裝置乃是消耗極大功率的裝置，因此減少照明裝置之 功率耗損具有極高的重要性。 另一方面，在筆記型個人電腦所使用的液晶顯示元件 中，會根據視角而有特定之對比比例分配。圖5以超扭轉 向列液晶顯示元件爲例示出一個代表性的例子。圖5示出 超扭轉向列液晶顯示元件之代表性錐形視圖，以及圖示出 通過錐形視圖之對比比例中心的水平線上之各部分的對比 比例變化。如圖5所示，液晶顯示元件之視角在垂直於影 像平面的方向上大約寬幅爲40°至50° ，且圖中顯示在 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本貢)
裝* 訂 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210Χ297公釐） 594115 A7 B7 經濟部智慈財產局資工消費合作社印災 五、發明説明（2 ) 中心附近有特別高的對比比例。 在實際使用情況中，例如在筆記型個人電腦的情形 下’顯示裝置通常是設定成使操作者所觀看的影像平面上 的對比比例最大。因此，若在觀看方向（主要爲與影像平 面垂直之方向或稍與之偏離一點的方向）上形成最大照明 亮度而構成最大對比比例，便可實質提高照明效率。 筆記型個人電腦中所使用之液晶顯示元件的視角寬幅 實質上並不小於40°至50° ，且目前正在進行加寬視角 的硏究。因此’調整照明裝置之光分送方向，以使顯示幕 可由多少有點歪斜的方向來觀看，是十分重要的。 要提高實質亮度，使照明裝置之亮度分配配合上述對 比比例分配，是一項十分重要的手段。 彩色液晶顯示裝置大體可分爲兩種系統，一種是由使 用T F T作主動矩陣驅動而構成之扭轉向列（Τ N )液晶 顯示裝置，一種是由多重驅動方式構成之超扭轉向列（ S T N )液晶顯示裝置。二者之結構中均將偏光板安置在 元件之光入射側與光放射側，其中液晶層由玻璃基體來支 持固定，且液晶顯示系統係藉由調整入射線性極化光之極 化狀態來操作。 然而，因隨機極化光之故，習知液晶顯示元件之入射 光的極化方向並不均勻。因此，一半以上的入射光會爲安 置在顯示元件之光入射側的偏光板所吸收，而對構成照明 光毫無實質貢獻。曾有人建議一種可將偏光板所吸收之光 再行利用的結構（日本未審查專利公告第1 8 4 4 2 9 / (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
裝· 訂 d 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -5 - 594115 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（3 ) 1992號），其中將一偏光分離器介置於投射式液晶顯 示元件內的光源燈與液晶顯示裝置之間，以將未極化光分 成相互正交之極化光，其中一極化光直接由偏光分離器放 射，另一極化光聚合至光源燈而供重行使用作爲光源光 線。 然而，採用此方法的前提是必須爲投射燈（投射 式），且必須在光源與偏光分離器間提供足夠的距離。此 外，只有當光線是相當平行之光線時，該裝置才能有效提 供投射式液晶顯示元件之照明作用。因此，對於直觀式顯 示元件用之照明而言，由於薄形化爲不可或缺之要件，且 照明裝置之亮度分配須配合液晶顯示之對比比例分配，故 上述裝置並不適用。 此外，亦有人提出將稜鏡陣列介置於照明光源與顯示 元件之間，以供在與顯示面垂直的方向上作爲聚光機構之 用。然而在此種手段中，是藉由將照明光之方向縮小至一 特定範圍來提昇與顯示面垂直之方向上的亮度，故會縮窄 照明光之光分送方向。而且即使採取此手段，垂直於顯示 面之方向上的亮度也仍不足夠。因此，並不能提供適合直 觀式液晶顯示元件應用之照度分佈。 本發明中注意到如下之事實：僅有具特定極化方向之 極化光才對直觀式液晶顯示元件之照度分佈有所貢獻，且 本發明選擇性地將對提昇液晶顯示元件之照度並無貢獻之 極化光中某一特定方向之光的極化方向予以轉變。依此方 式，對於極化方向有助於提昇照度之極化光而言，可增進 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
裝- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -6- 594115 A7 B7 經濟部智慧財4局員工消費合作社印製 五、發明説明（4 ) 在特定方向上的光強度，並仍維持相當寬的光分送方向。 根據本發明的第一項內容，提供有一種供直觀式顯示 元件用之照明裝置，包含： 一平坦光導； 一光源，經設定而使光入射至該平坦光導的側部； 一極化偏光板，設置在平坦光導之光放射處的第一側 上，以對應於實質具有一預定入射方向之光線而透射p極 化光成份及反射S極化光成份的至少一部份；以及 一光反射薄片，安置在與平坦光導之光放射處相反的 第二側上而與該光放射處平行。 根據本發明的第二項內容，提供有一種如第一內容所 述之供直觀式顯示元件用之照明裝置，其中該極化偏光板 含有一多層結構，此結構中將具有較大折射係數之光傳輸 介質與具有較小折射係數之光透射介質層合在一起。 根據本發明的第三項內容，提供有一種如第一內容所 述之供直觀式顯示元件用之照明裝置，其中該極化偏光板 含有一個透明支持體與層合在該透明層合體上之至少一個 介電薄膜，其厚度等於或小於可見光之波長。 根據本發明的第四項內容，提供有一種如第一內容所 述之供直觀式顯示元件用之照明裝置，其中該極化偏光板 含有層合之多個折射係數不同的透明聚合物層。 根據本發明的第五項內容，提供有一種液晶顯示裝 置，其中在一直觀式液晶顯示元件的背側安置有一個如申 請專利範圍第1項所述之照明裝置，而使由照明裝置所放 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
裝· 訂 d 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 594115 B7 五、發明説明（5 ) 射之光的主要極化方向大致與位在液晶顯示元件之光入射 側處的偏光板的極化光軸方向相一致。 請 先 閲 讀 背 % 事 項 再 填 寫 本 頁 根據本發明的第六項內容，提供有一種如第五內容所 述之液晶顯示裝置，此裝置更包含有： 光偏折機構，安置在極化偏光板與液晶顯示元件之 間，用以偏折光線之方向而使光分送方向中與液晶顯示元 件之顯示面實質呈垂直之方向上有最大之光強度。 根據本發明的第七項內容，提供有一種如第五內容所 述之液晶顯示裝置，此裝置更包含有： 用以旋轉極化方向之機構，安置在照明裝置與液晶顯 示元件之間，以供旋轉放射光之主要方向。 根據本發明的第八項內容，提供有一種供直觀式顯示 元件用之照明裝置，包含： 平坦光放射機構，用以放射一擴射光，此擴散光包括 具有第一極化方向之第一極化光成份與具有第二極化方向 垂直之第二極化方向的第二極化光成份；以及 經濟部智慧財4局員工消費合作社印製 極化光轉換機構，安置在該平坦光放射機構所放射之 光的光學路徑上，以供放射所述第一極化光成份，並對應 於具有一光方向之光線而選擇性地將第二極化光成份的至 少一部分轉換成第一極化光成份且透射第二極化光成份的 該部份，以使其亮度最大化。 雖然有許多可供製造平坦照明裝置之系統，不過它們 大體上可分爲兩類。最常見的一類系統稱作「內部照明系 統」或「直接方式」，其中光源安置在顯示幕的直接下 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 594115 A7 _____B7_ 五、發明説明（6 ) 請 先 閱 讀 背 Ϊ 事 項 再 填 窝 本 頁 方。另一方面，在另一類「邊緣光」式系統中，光源則是 安置在顯示幕之外；例如，將一個或多個接近線性光之放 射體（比如爲螢光燈等，大部分採用冷陰極螢光燈）安裝 至由透明壓克力板或類似物製成之光導（此即光照明平 面）的一側或兩側，並藉由設置含有反射器之燈罩來將光 引至光導上。 本發明之光放射機構最好採用邊緣光式系統，其中包 含有一個平坦光放射器與一或多個與之附接之光源而使光 入射至平坦光導的側部，因爲邊緣光式照明裝置較精巧， 且就提昇液晶顯示裝置之攜帶性而言大體上較爲理想。 經濟部智慧財產局員工涓費合作社印製 此外，最好提供一個極化偏光板，將之設置在平坦光 導的光放射面側，以對應於實質具有一特定入射方向之光 線而透射P極化光成份（第一極化光成份）及反射S極化 光成份（第二極化光成份）的至少一部份；並設置一個由 導件與光反射薄片所構成的極化光轉換機構，將之安置在 平坦光導上相反於光放射平面的一側而與光放射平面大致 呈平行。在此種使用光反射平面之結構中，經區分之極化 光可予再行利用，而極化之方向則在反射時改變。因此， 光反射平面構成一種與極化偏光板合作之極化光轉換機 構。下文中將含有極化偏光板之元件稱作偏光分離器。不 過這並不表示偏光分離器必須是一個與平坦光導分離的元 件。平坦光導本身亦可設有極化光功能。 在此種結構中，對於以特定入射角來入射至偏光分離 器之光線，其通過偏光分離器之P極化光成份於通過偏光 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 594115 A7 B7 五、發明説明（7 ) 板後入射至液晶顯示 平坦光導的內部。當 光導的表面上時，便 離器透射之P極化光 反射之S極化光成份 個轉成P極化光成份 之成份的一部份。其 裝置可具有高照度。 設置在液晶顯示 成使其對於由偏光分 的透射量，以便使用 亦即，由平坦照明裝 軸之平均方向應大致 光板之極化光軸一致< 元件上，而其S極化光成份則反射至 反射傳回之S極化光成份反射至平坦 產生相位改變，而形成可經由偏光分 成份。因此，藉由將由偏光分離器所 反射至平坦光導的表面上，便形成一 之成份，而構成透射至液晶顯示元件 結果是，就特定視角而言，平坦照明 元件之光入射側的偏光板最好是安置 離器所放射出之P極化光成份有最大 照明裝置作爲液晶顯示元件之背光。 置之平坦光導所射出之光線的極化光 與位於液晶顯示元件之光入射側的偏 請 先 閲 讀 背 & 之 注 意 事 項 再 填 寫 本 頁 經濟部智慧財4局員工消費合作社印¾ 本發明之偏光分離器可採用如下之各種結構： 具有較大折射係數之光透射介質與具有較小折射係 種光透射介質予以交替層疊之多層化結構；一種至 平坦光透射支持體的一個表面上形成有至少一層厚 不大於1 0 0 0 nm之介電膜的結構；或是一種將 數不同之多種透明聚合物層予以層合的結構。 以下說明由具有較大折射係數之光透射介質與 小折射係數之他種光透射介質交替層疊而成之多層 所構成之偏光分離器。 一種將 數之他 少在一 度最好 折射係 具有較 化結構 此種多層化結構具有一種性質，此即，對於一歪斜入 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -10- 594115 A/ ___B7_ 五、發明説明（8 ) 射光而言，其透射比與反射比係依該歪斜入射光之極化情 況而定。因此，此結構可供應用作爲一非光吸收式極化元 件。眾所周知地，在折射係數爲η。之光學材料與折射係數 爲11 !之光學材料間的介面上，由折射係數爲η 。之光學材 料入射至折射係數爲η !之光學材料的光之入射角0(π可用 下式表示：t a η θ〇ι=η ι/η。，此時在反射光中無ρ極 化光成份，反射光係由s極化光所組成，而透射之光則是 由剩餘之s極化光成份與p極化光所組成。入射角0 cm稱作 布儒斯特角0 b ( Brewster’s angle )。因此，當折射係數爲 η 。與η !之光學材料層交替層合時，對於入射角大致等於 布儒斯特角之入射光而言，Ρ極化光成份會透射通過整個 結構，但s極化光成份則會爲多個介面所反射，且其透射 之光成份近於可忽略。所以，由上述多層結構所放射之光 僅有一種極化狀態。 多層結構可爲任何成份，只要是由至少兩層折射係數 不同之透光材料所組成即可。不過，由於極化光之反射對 介面之相依程度甚爲敏感，當折射係數差較大時，最好採 用折射係數差較大之組合。舉例而言，可採用空氣（η〜 1 . 0 )與透明樹脂之組合，例如塑膠（η〜1 · 5 ); 壓克力樹脂，聚碳酸鹽，聚膣酯，聚苯乙烯等。上述組合 較佳的原因是因爲可用低成本來製造大面積之多層結構。 多層結構之各層厚度基本上並無限制。不但如此’尙 可採用依位置不同而呈不均質變化的結構，或在一均質塑 膠內以薄層形式散布平坦氣泡層之結構等，只要多層結構 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 請 先 閲 讀 背 & 之 注 意 事 項 再 i 經濟部智慈財產局員工消費合作社印^ -11 - 594115 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（9 ) 之各層彼此實質呈平行安置即可。 使用透明介電多層膜來作爲結構材料亦屬可能。當使 用介電多層膜來構成多層結構時，各層厚度不可少於光波 長數階之十倍，以使爲多層結構之各層介面所反射之光不 致彼此干擾，而得以提供對白光源具極小之波長相依性質 之極化特性。另一方面’當各層厚度過大時’多層結構之 總厚度會太大而不適合形成重量輕且薄形化之結構。因 此，各層厚度以約3 //m至1 0 0 /zm爲合適。此外’當 膜厚不均勻時，可抑制因光干涉而造成之顏色顯現。因 此，使各層厚度不均一較佳。 於採用在一均質塑膠內以薄層形式散布平坦氣泡層之 結構時，平坦氣泡層之厚度應爲約3 //m至1 〇 〇 //m。 另外還有一種可採用之多層結構’其中將厚度爲約3 //m 至1 0 0 //m之透明薄板層合在例如珠狀物或光纖等之散 射間隙控制材料上。與在一均質塑膠內以薄層形式散布平 坦氣泡層之結構相較，上述結構可提供具有高光區別比例 之極化操作，因爲在不同折射係數之材料間的介面上之入 射角並未如在平坦氣泡層結構中一般地會隨位置而有所變 化。 在折射係數爲η 。之材料與折射係數爲η !之另一材料 間的介面上，於布儒斯特角之狀況下’ s極化光之反射比 Rs可由下列（1)式來表示： R s = (ηι2-η〇2)/(ηι2 + η〇2)2 =(t a η2 0 1) 2/( tan2 0 b+1)2 (1) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
裝· 訂 d 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -12- 594115 A7 B7 五、發明説明（1Q) 折射係數間之差越大’反射比越大。因此’在不考慮 各層間多重反射之近似估計下（在本案中已充分適用）， 於入射至多層結構之入射光中之p極化光成份1 〇 〇%透 射而S極化光成份有X %的比例透射的情形下’可由下列 (2)式來表示所需之層數N: (2) 請 先 閲 讀 背 ιέ 5 i 事 項 再 填 寫 本 頁 N = 〇.5x log(x/100)/l〇g(l-Rs) 因此，當多層結構是由空氣（η 1〜1 · 0)與塑膠 (η。〜1 . 5)之組合所構成，布儒斯特角Θβ = 56.3° ，R s=14 · 8%時，使s極化光成份之透射 比不大於2%所需之層數爲1 2。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印^ 所以在一均質塑膠內以薄層形式散布平坦氣泡層之結 構中，若在深方向上形成有六個以上之平坦氣泡層，則對 於入射角大致爲布儒斯特角之光線而言，s極化光成份之 透射比不大於2%，即9 8%以上之成份均反射。另一方 面，p極化光成份則接近1 0 0 %透射而不致影響光品 質。 如上所述，當入射角爲布儒斯特角時，多層結構之極 化操作功能最爲有效。因此，當將多層結構設置在由光源 與平坦光導構成之平坦照明裝置中時，若要實質提昇亮 度，最好在構造中藉由光源，平坦光導及加入有光反射機 構之光學元件等，來使入射至多層結構之入射光的入射角 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇Χ297公釐） 594115 B7 五、發明説明（11 ) 大致等於布儒斯特角。 使用具光干涉性之介電薄層來作偏光分離器之原因如 下。此偏光分離器有透射比與反射角相依於歪斜入射光之 極化角度的性質，故可應用作爲非光吸收式極化元件。 當將一個膜厚在可見光波長數階範圍，且折射係數爲 η !之光學元件插置在折射係數爲n ^之光學材料與另一折 射係數爲η 2之光學材料間時，光會干涉。由折射係數爲 η ^之光學材料入射至折射係數爲η !之光學材料的光之入 射角與出射角分別爲0 〇與0 ,。由折射係數爲η ,之光學材 料入射至折射係數爲η 2之光學材料之光的入射角與出射角 分別爲01與02。當光學材料之折射係數爲η !而膜厚爲 d !時，考慮到干涉效應之下，反射複振幅可由下列（3 ) 式表示： p b exp-(2i δ )) (3) δ = ( p a+p b exp(-2i(5 ))/(l+p p = 2 7Γ nidi cos θ ι/Λ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印¾ 其中P a與p b分別表示在折射係數爲n ^之光學材料與折射 係數爲η 1之光學材料間的介面，以及在折射係數爲n i之 光學材料與折射係數爲n 2之材料間的介面上所造成之菲伲 耳（Fresnel )反射之振幅反射比。 反射比可由下列（4)式得出，其中P*爲P之共軛複 數。 -14- 請 先 閱 讀 背 之 注 意 事 項 再 填 本 頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 594115 A7 ____B7_ 五、發明説明（12 ) R = ρ · p 氺 =(p 22+ p b2 + 2 p a · p b cos2 δ )/ (1 + 2 p a · P b cos2 δ* +( p a · p b)2) (4) (5) 請 先 閱 讀 背 之 注 意 事 項 再 填 寫 本 頁 P極化光成份可由下列（5 )式得到： p a = (n〇/cos 0 〇-ni/cos^ i)/(n〇/cos0 〇 + m/cos (9 〇 p b = (ni/cos0 i-n2/cos0 2)/(ni/cos0 i + n2/cos0 2) s極化光成份可由下列（6 )式得出： p a = (n〇 · cos0 〇-ηι · cos θ i)/ (n〇 · cos Θ 〇 + m · cos 0 i) p b = (m · cos Θ i-n2 · cos 0 2)/ (m · cos0 i + ri2 · cos 0 〇 (6) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印髮 上述各式顯示當折射係數η ^與η 2，折射係數n ,及 膜厚d !滿足某一條件時，在某一入射角之下與無干涉 之情況相比，P極化光成份之透射光強度對s極化光成份 之透射光強度的比例增加。以上各式是針對干涉膜爲單一 層之情形。不過當干涉膜爲多層時，亦可用相似方式來作 考量。 如上所述，由在一平坦光透射支持體的至少一個表面 上形成有至少一層厚度不大於1 0 0 0 nm之介電膜而構 成之偏光分離器具有高極化程度。膜厚不大於1 0 〇 〇 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ 15 - 594115 A7 B7 五、發明説明（13) nm表示厚度不大於可見光波長之數階，且其最好不大於 8 0 0 n m 〇 由於厚度在可見光數階範圍的偏光分離器之介電膜利 用了光干涉，故於層數增加時通常可提昇一特定波長極化 程度，而反過來說，波長相依性亦會增加。當所使用之背 光光源爲窄頻帶波長時，可構成一種極化程度相對於背光 光波長範圍而增加之多層膜。不過膜層太多會使產能低 落。因此層數最好爲5至1 5。另一方面，當於彩色顯示 幕中使用白色背光時，最好使用不多於5層之干涉膜，尤 以單層爲佳，以限制極化程度之波長相依性至較低數値。 最好是採用TiO 2或21*〇2之單層膜，因爲它們雖不能 提供高度之極化，但在整個可見光區域中均可達成平坦的 極化程度，且膜厚易於控制。 偏光分離器中所使用的平坦光傳輸支持體之材質爲玻 璃或壓克力樹脂，聚碳酸鹽，聚膣酯，聚苯乙烯等類之塑 膠。材質最好是輕而表面平滑者。 介電膜之材料可爲Ti〇2，Zr〇2，ZnS， Y 2 0 3， Si〇 2，MgF 2，Na 3 A 1 F 6，Ta 2 0 5 等。這些介電膜的折射係數一般在1.4至2.5的範圍 內，且可藉由選擇具有相關折射係數之介電膜來製膜。製 膜方法可採用一般常用之方法如蒸氣沈積，濺射等。 此外，本發明之偏光分離器可藉層疊多種折射係數不 同之透明聚合物層來予以形成。此時亦與前述多層結構或 介電薄膜結構相同地，可作爲一種非光吸收式之極化分光 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -16 - --------衣— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 d 經濟部智慧財4局員工消費合作社印繁 594115 A/ 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 五、發明説明（14) 器。 偏光分離器可製成多層膜構造，以使極化程度得以相 對於背光波長範圍而提昇。由於膜層太多會使產能低落， 層數最好不少於30，而以1〇〇至4〇〇爲佳。具有不 同折射係數之光透射聚合物材料最好均能適合形成多層層 合體。此外，折射係數之差越大越佳。 透明聚合物材料最好是由下列塑膠中所選出之至少 兩種··壓克力樹脂，聚碳酸鹽樹脂，聚膣酯，聚苯乙烯， 三醋酸基纖維素，聚甲基戊烯，聚乙烯鎞等。此外，折射 係數之差最好不小於0 · 〇 3，以增進效率。 對於上述選擇下之偏光分離器，其製造方法需加以考 量。雖然有鑄造法，多層擠製法等製造多層層合物之方 法，不過最好是採用多層擠製法，藉此可經濟地形成少於 3 0層之多層膜。 製造方法揭示於USP3，773，882與USP 3，883，603號案中。當偏光分離器之厚度足以降 低光之干涉操作時，總厚度會增加。因此，於要利用光干 涉時，具有不同折射係數之聚合物的至少一者之光學厚度 必須不少於0 · 05//m且不大於0 · 45#m。此外， 兩聚合物之厚度最好是相當不同而不要接近相同，因爲由 各層厚度變化所造成之珍珠色較不顯著。又，可在表面上 設置矽石等製之硬塗覆層。 圖4爲運用光干涉之偏光分離器的輪廓剖面圖。第一 聚合物層2 1與第二聚合物層2 2交替層疊’且至少第二 (請先閱讀背面之注意事 項再填· 裝-- 寫本頁) 碰 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210Χ297公釐） -17- 594115 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（15) 聚合物層2 2具有足以產生光干涉之厚度。 在製造方法之考量下，較佳之聚合物組合例爲壓克力 樹脂與聚碳酸鹽，壓克力樹脂與聚苯乙烯，聚甲基戊烯與 聚碳酸鹽等。 以下使用圖1之代表性構造圖來說明本發明之液晶裝 置。 在透明而供作照明薄片用之光導3 (壓克力樹脂板） 的一側裝設有一個螢光燈1 (冷陰極螢光燈），其長度對 應於光導3之側表面的長度；並有一個燈罩，其內表面上 設有反射體，此燈罩設置供將燈所發出之光線引入光導3 中 〇 如前所述，在直觀式液晶顯示元件所使用之照明中， 照明光之光分送性質是極爲重要的。傳輸通過光導3之光 的指向性（角度分佈），是由螢光燈的光方向分送性質， 反射體之光聚集性質，光導板之光傳送性質等來予以決 定。此外，在光導之光傳送性質中，將入射至光導邊緣部 分之入射角傳送至光導內部的功能，及將所透射光放射至 一預定方向之功能，是十分重要的。 將入射至光導邊緣部分之入射光傳送至光導內部的功 能是由光導所採用之材質及介面反射性質來決定。也就是 說，在光導3朝向液晶顯示元件1 2的一側，入射角不小 於全反射角由光導3之折射係數所決定）之光線會全 部反射而透射通過光導3，但入射角小於全反射角Θ 之光 線則在光導3之表面上產生折射而照射至液晶顯示元件側 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
壯衣 -訂 d 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -18- 594115 A/ __B7 _五、發明説明（16) 上。舉例而言，在空氣（η〜1 · 〇 )與透明塑膠（例如 η〜1 · 5)之介面上的全反射角可由下列（7)式得 出，而入射角不大於42 · 2°之入射光可由光導3之照 明平面上放射出來。 Θ
S 4 2.2 7 經濟部智慧財1局員工消費合作社印製 光導中所採用之透明樹脂例如以壓克力樹脂，聚碳酸 鹽，聚膣酯，聚苯乙烯，矽石等爲佳。 當光導上與液晶顯示元件相反側上形成有一反射面5 (例如鋁製反射面）時，反射光便被導引至光導內側。 又，反射面5可爲一擴散型反射面，以增加由光導3在液 晶顯示元件1 2側之表面所放射之光。 另一方面，當大部分入射至光導3之光線之入射角不 小於全反射角0。時，由光導所放射之光便極少。因此，必 須藉由避免全反射狀況來使光照射至光導3在液晶顯示元 件1 2之側上。作爲防止全反射狀況之手段，可採用之方 式有：在光導3的表面上製備一白光擴散材料，或在光導 表面上形成呈透鏡或稜鏡形之菲伲耳形狀（微透鏡陣列， 稜鏡陣列等）。 在此情況下，可在光導於液晶顯示元件1 2之一側表 面上或在其相對側表面上形成菲伲耳形狀。此外，可在光 導表面上安置一個具有菲伲耳形狀之膜板。於此膜板安置 在光導上時，在膜與光導間必須沒有空氣層。因此，在塗 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 填 本 頁 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） · 19 - 594115 A7 B7 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 五、發明説明（17) 敷膜層後最好予以除氣’或者使用折射係數與膜相近之粘 著劑來塗膜。又，膜之折射係數最好大致與光導之折射係 數相同。 本發明所使用之偏光分離器對於具有特定範圍的入射 角（布儒斯特角）之入射光呈現極佳之極化分光功能。因 此，最好使入射至偏光分離器上之光入射角在偏光分離器 之布儒斯特角處有最大値，且光量大致集中於布儒斯特角 處，以提昇照度。所以控制光由光導放射時之出射角是十 分重要的。 要控制出射角，需調整白光擴散材料之分佈’具有透 鏡或稜鏡形之菲伲耳形狀（微透鏡陣列’稜鏡陣列等） 等。舉例而言，在光導表面上安置一個由與光導相同成份 之材質製成的稜鏡陣列膜1 3 (見圖2 )，由光導放射之 光強度便可集中在偏差範圍+40°至+80°與一 40° 至—8 0 °之間。 詳言之，當形成前述平坦氣泡層呈層疊形式散布之多 層結構時，在壓克力樹脂與氣泡層之間的介面上的布儒斯 特角由（1 )式得知爲3 3 · 7 ° 。因此，若使螢光燈的 光方向分佈性質，反光器之光聚集性質及光導平面之光傳 送性質等最佳化，而使由壓克力樹脂側至多層結構之入射 光大約呈3 3 . 7 ° ，便可僅使p極化光成份照射至液晶 元件1 2之側上。另一方面，在全反射情形下，s極化光 成份透射通過光導3。又，此偏光分離器之極化特性即使 於入射光稍微偏離布儒斯特角時，仍能充份有效。上例 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
裝. 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -20- 594115 A7 B7 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印发 五、發明説明（18) 中，即使光線入射角爲20°至40° (接近全反射角）， 極化分光操作仍十分顯著，僅是s與p極化光成份之消光 比稍有劣化而已。 由偏光分離器放射之光的指向未必一定分佈至液晶顯 示元件之觀看的視角（即與液晶顯示元件表面正交之方 向）。相反地，在一般情形下，以接近布儒斯特角入射至 極化分光器上之光的放射方向集中於視角外之範圍。例 如，在包含傳送通過光導之光的光軸之平面上，照射方向 相對於與液晶顯示元件表面垂直之方向而集中在- 4 0° 至一 70°與40°至70°之範圍，且到達觀看者視角範 圍之光線非常少。因此，尙不能提供一個淸楚的顯示幕。 舉例而言，在圖1中，於入射光由壓克力樹脂側以 3 3 · 7°之入射角入射至多層結構中時，多層結構之出 射角爲 sin'yCsinSS·?。）/!!): 56 · 3° 。要將光方向分佈於偏差視角平面（±40°至 ± 7 0 ° )之平坦照明裝置之光分送方向轉換至與照明平面 垂直之方向，需在偏光分離器之光出射側再設置一個偏光 器。作爲偏光器，可使用具有透鏡或菲伲耳形狀之微透鏡 陣列或稜鏡陣列等。 圖1示出將表面呈菲伲耳形狀之棱鏡陣列安在光導3 (與偏光分離器6層合）與偏光板9 (位於液晶顯示元件 1 2的光入射側）之間，並使棱鏡表面與光導3中傳送之 光的進展方向平行之情形。棱鏡陣列7爲柱狀稜鏡所構 成，而包含由平坦光導3所射出之光線之平均光軸的交界 -裝—— (請先閲讀背面之注意事項#|填寫本頁) 訂 d 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -21 - 594115 A7 B7 經濟部智慧財產局P'工消費合作社印製 五、發明説明（19) 處呈三角形。就稜鏡陣列7而言，隨形狀與配置（棱鏡頂 點是位於光入射側或光出射側）之不同，而有以下兩種情 形：一種中折射是在稜鏡之光入射面與光出射面處發生， 另一種中會發生全反射，且出射光之光分佈方向之指向可 加以控制。最佳形狀與配置可由最後所要之光分佈方向之 指向及由偏光分離器射出之光的光分佈方向之指向來決 定。 舉例而言，使用剖面呈等腰三角形且頂角約爲6 0 ° 之稜鏡陣列7並將之安排成使頂點面對偏光分離器之表 面。在此情形下，由偏光分離器以均等於6 0 °出射角射 出之光線入射至稜鏡之一側面，並由另一側面所全反射， 之後由稜鏡底表面以對應於液晶顯示元件側之垂直入射方 向來射出。因此，可將由偏光分離器所射出之出射角約爲 6 0 °之光的方向轉變成與液晶顯示元件表面垂直之方 向。 依此方式，可提供一種在垂直之光分送方向上照明液 晶顯示元件之線性極化光平坦照明裝置。當通過光導傳送 之光的定向性大時，由平坦照明裝置射出之光的光分佈方 向集中在垂直方向上，且能有淸晰顯示之視角範圍太窄。 此時，可在液晶顯示元件與諸如上述稜鏡陣列之光偏折機 構間安置例如光擴散薄片8之光學元件，以降低定向性。 此外，可將形成在光導與液晶顯示元件相反之表面上 的反射面5改成光擴散面，以降低光導所傳送之光的定向 性。又，偏光分離器本身可設有一細微之崎嶇結構，以在 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 •項再填. 裝- 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 594115 A 7 B7 經濟部智慧財產局工消費合作社印^ 五、發明説明（2Q) 結構介面上造成散射。於偏光分離器具有前述將平坦氣泡 層以層疊方式散佈於均質塑膠中之結構的情形下，氣泡層 之介面呈隨機形狀而易於製成細小崎嶇結構。因此，可輕 易同時傳送散光效應。 圖1所示之情形中，多層結構是形成在光導的表面 上。不過多層結構不必一定要形成在光導的表面上，亦可 安置在光導內部。 在本發明中，將多層結構中反射回傳至光導內部的s 極化光轉變成含有P極化光成份者是十分重要的，如此可 將之在光導中有效傳送並再行利用，而得以由平坦照明裝 置來有效地提供線性極化光。將s極化光轉換成含有p極 化光成份者之方法有多種。以下說明一些代表性的例子。 眾所周知，當線性極化光以歪斜方向入射至金屬表面 上並反射時，線性極化光會隨金屬之光學物理常數（折射 係數η，吸收係數k )而轉變成橢圓極化光。亦即，即使 於s極化光入射時，也會在反射光中形成p極化光成份。 因此，當形成在光導3相對於液晶顯示元件1 2之表面上 的反射面5爲金屬製時（例如本發明中爲鋁），每當此反 射面反射光線時，一部分s極化光便爲轉變成p極化光。 另一種方法是使用由透明高聚合物材料所構成之相差板。 例如，將具有相關膜厚之移相板安置在光導之反射面5與 偏光分離器6之間，由偏光分離器所反射之s極化光便變 成橢圓極化光，且其一部分會轉變成P極化光。圖1不出 此種構造的一例，其中將位相差板4附接至光導3上所設 (請先閱讀背面之注意事項巧填寫本頁) 裝· 訂 d 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -23- 594115 A 7 B7 五、發明説明（21) 置之反射面5上，而有效地達成極化光轉換。又，移相薄 片4可安置在偏光分離器6與光導3之間。 圖2實例中使用將一介電膜層製作在一平坦透明支持 體之表面上所形成之偏光分離器，並使用一個稜鏡陣列 1 3，以放射光線至液晶顯示元件而避免光導之全反射狀 況。標號6 a代表平坦光透射支持體，6 b代表介電膜。 由於其他構造大致均與圖1相同，故圖2中與圖1相同之 部分以相同標號來標示，且省略其說明。 如前所述，偏光分離器可爲與光導不同之組件。不 過，它亦可爲單一組件。例如，可在光導上形成一個諸如 介電體干涉膜之極化分光層。光導，光導外部，及介電體 干涉膜之間的各介面達成與偏光分離器相似的效應。在光 導結構呈稜鏡陣列之類的形狀時，可使介電體干涉膜形成 在呈稜鏡陣列形狀的表面上，以使由光導放射的光之光量 均勻。 圖3示出此種實例。有一棱鏡陣列形狀形成在光導3 之表面，且在稜鏡陣列的表面上進一步形成一介電膜 6 c。極化光功能出現在光導與介電膜間的介面上。由於 其他構造與圖1大致相同，故圖3中與圖1相同的部分以 相同標號來表示，並省略其說明。 要使透射通過液晶板之光量爲最大，液晶板在極化分 光器側之極化板的極化光軸方向必須與偏光分離器所放射 之光的極化光軸方向相一致。然而由偏光分離器所放射之 光的極化光軸是由安置在平坦光導側部上之光源的位置所 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） · 24 - (請先閱讀背面之注意事項^填寫本頁) 裝. 經濟部智慧財凌局員工消资合作社印製 594115 Α7 Β7 五、發明説明（22) 決定。例如，在圖1的情形中，所放射之光是在與線性光 源垂直的方向上極化。另一方面，在液晶板上隨視角之不 同，而有對比比例較高之方向與對比比例較低之方向。一 般而言，液晶板係經設計而使觀看液晶板方向上之對比比 例最大。該視角會受極化板之極化光軸角度所影響。因 此，當液晶板在偏光分離器側之極化板的極化光軸角度受 到限制時，視角方向便無法自由決定。 本發明中可在照明裝置與顯示裝置間設置極化光軸旋 轉機構，以解決此問題。 一般而言，光之極化光軸旋轉是因光透射通過具有雙 折射性質之介質，或光透射通過具有旋光能力之介質，而 造成的。當具有雙折射性質之介質層合在用以旋轉光軸之 多層結構中時，便可旋轉極化光軸。 深入言之，當線性極化光入射至具有雙折射性質之介 質上時，會由之放射橢圓極化光。橢圓之橢圓度及長軸方 向由雙折射介質之雙折射率及光軸方向來決定。不過當線 性極化光入射至雙折射率爲入射光波長入之一半的基體上 時，所放射之光仍會是線性極化光。此外，當雙折射率爲 λ / 2之介質相對於入射極化光之極化光軸方向而有傾斜 0之前進相軸方向時，所放射之線性極化光相對於入射線 性極化光之極化光軸方向會有2 0之傾斜。 利用上述性質，便可將極化於任意方向之線性極化光 之極化光軸轉變成特定方向，且仍將該線性極化光維持爲 原本狀態。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -25 - 批衣-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
、^T 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 594115 Α7 Β7 經濟部智慧財產局8工消費合作社印^ 五、發明説明（23) 液晶顯示裝置所需之波長區域爲所有可見光，且照明 光之性質因決定板之雙折射率所作之波長選擇而有相當之 不同。作爲λ / 2板，就重疊輕，薄，成本等觀點考量， 最好採用平坦膜。由於並無對所有可見光均能滿足λ/2 條件之膜層，故最好使用在波長約等於5 5 0 n m處（此 時觀看敏感度最大）滿足λ / 2條件之膜層。亦即，該膜 層之雙折射率在2 7 5 nm波長左右。 極化光軸旋轉器之雙折射量λ / 2代表沿光線軌跡之 量。光線以最大光量通過極化光軸旋轉機構之方向並不一 定是與極化光軸旋轉機構之平坦薄板垂直之方向。最好是 就光量最大之光線軌跡來考量，而以最佳情形來設計膜層 之雙折射大小。 膜之材質可爲聚乙烯醇，聚碳酸鹽，聚苯乙烯，聚甲 基甲基丙烯酸鹽等。 膜之雙折射性質一般是藉單軸延伸來形成。亦即，以 單軸延伸來產生指向軸方向與垂直指向軸之方向間的折射 係數差。雙折射在厚度方向上產生，且折射係數之橢面爲 單軸。 此外，就使照明均勻之觀點而言’在本發明構造中可 提供一均勻光形成機構。於所放射的光用作邊緣光式背光 時，與光源之距離越大，光量便越小。當邊緣光式背光是 作爲供大影像面積之顯不兀件用之照明裝置時’上述情形 並不理想。因此，可設置一個使平坦光導所放射之光的平 面強度分佈均勻之機構。換言之’出射光距光源越遠，平 裝-- (請先閱讀背面之注意事項#|填寫本頁) 訂 d 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） -26- 594115 A 7 B7 五、發明説明（24) 坦光導所放射之光的光放射效率越佳。 均勻光形成機構可設置在平坦光導的兩表面上，或僅 設置於其一側。用以使放射光均勻之均勻光形成機構的設 計可視光源是僅安置於平坦光導之一側或安置於兩側來予 以決定。 光擴散機構可用來作爲均勻光形成機構之一。當光源 安置在平坦光導之一側上時，最好使光擴散效應在光源側 較小，而使光擴散效應在離光源越遠時越強。不過由於在 光導與光源相反之側面上通常設置有光反射機構，故最好 擴散效應在光導與光源相反之側面附近處較在光源側稍有 增強。當光源安置在平坦光導的兩側上時，最好中間部分 處的擴散效應爲大。 擴散效應可予簡單而有效地控制，以在光導上進行白 墨之網目印刷，及控制網目的大小或密度。不過，使用散 光材料可能會使由均勻光形成機構放射之光的定向性降 低，並且可能減少具有布儒斯特角而適合由偏光分離器來 分離S極化光成份與P極化光成份之入射光。因此，以光 擴散機構之外的他種機構來使光均勻形成，會較爲理想。 作爲光擴散機構以外的他種均勻光形成機構，可使用 一種在平坦光導表面上形成透鏡形狀之機構。當光源僅安 置於平坦光導一側上時，最好使光源側上之光放射效率較 低，而於所放射之光離光源越遠時，光放射效率越高。又 當有反射機構安置在光導與光源相反之側面上時，最好使 光放射效率在光導相對於光源之側面附近處較在光源側爲 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐〉 -27 - 裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、-ιτ 經濟部智慧財產局g(工消费合作社印^ 594115 A7 B7 五、發明説明（25) 高。當光源安置在平坦光導的兩側上時，最好使中間部分 的光放射效率爲大。 供控制透鏡之光放射效率的機構示意顯示於圖8 (a)至8 (d)中。在這些圖中，數字61代表光源， 6 2代表反射板，6 3代表平坦光導。 圖8 (a)示出改變弧面分佈之一例。圖8 (b)示 出改變弧面高度h之一例。圖8 ( c )示出改變弧面高度 與寬度之一例。圖8 ( d )示出改變橢圓之部分縱橫比的 一例。自然，這些曲線亦可搭配運用。 又，作爲光均勻形成機構，亦可使用一種在平坦光導 表面上形成稜鏡形狀之機構。當光源僅安置於平坦光導一 側上時，最好使光源側上之光放射效率較低，而於所放射 之光離光源越遠時，光放射效率越高。又當有反射機構安 置在光導與光源相反之側面上時，最好使光放射效率在光 導相對於光源之側面附近處較在光源側爲高。當光源安置 在平坦光導的兩側上時，最好使中間部分的光放射效率爲 大。 供控制稜鏡陣列之光放射效率的機構示意顯示於圖9 (a)至9 (d)中。在這些圖中，數字61代表光源， 6 2代表反射板，6 3代表平坦光導。 圖9 (a)示出改變棱鏡分佈之一例。圖9 (b)示 出改變稜鏡高度之一例。它們當然可以搭配運用。又，棱 鏡與透鏡亦可同時使用。 棱鏡或透鏡之節距最好選在0·1至1mm之範圍 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -28 - (請先閲讀背面之注意事項Θ寫本頁) 1 裝· 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 594115 A7 B7 五、發明説明（26) 內，因爲太大則過於顯著，太小則難以製造。 此種均均光形成機構雖可與光導分開設置，不過就減 小零件數目的角度而言，通常以將之與光導整合一體爲 佳。 實例1至3 以下參考圖1來說明本發明的實例。 在一邊緣光式背式系統中，有一螢光燈1 (冷陰極螢 光燈）附接至作爲照明平面的透明壓克力樹脂平坦光導3 的一側，而光經過由光反射體所構成的光罩2來引導入光 導3中，系統中並整合設置有一個具多層結構之極化分光 器。 螢光燈1是1 0W或1 6W的冷陰極螢光燈，具有小 管徑，其長度對應於- 1 0吋液晶顯示平面之側面長度 (15 2mm)。又，燈罩2採用呈圓柱形或橢圓柱形而 圍繞冷陰極螢光燈之反射鏡，光導3則採用由壓克力樹脂 製之透光光導板（η = 1·49)，其尺寸爲160mm X 2 2 Ommx 5mm。此外，在光導3之背面與光導相對 於設置螢光燈一面之另一側面上設置有位相差板4 ’並有 一由鋁金屬反射膜製成之反射面形成於其上。 偏光分離器6之多層構造採用如下之構造：其中在一 均質透明板（η〜1 _ 5)中以層疊形式散佈約五層之平 坦氣泡層，氣泡層在厚度方向之高度約爲1 〇 而半徑 約爲數m m，此結構設置在光導3之光放射面側。 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 經濟部智慧財產局S工消费合作社印¾ 594115 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（27) 稜鏡陣列7採用各稜鏡呈等腰三角形之剖面且頂點角 度爲5 8 °者，稜鏡陣列安置時其頂點面對偏光分離器 6。稜鏡陣列板的厚度爲2 m m且稜鏡陣列的節距爲1 mm。此外，有一光擴散板8安置在棱鏡陣列7的光放射 表面側，以加寬視角。 液晶單元1 1使用R G B彩色T F T驅動之T N液晶 顯示單元，其像素數目相當於V GA。 光入射側之偏光板9採用普通之光吸收式有機極化 板。當所需對比比例約爲1 0 : 1時，可不使用此一極化 薄片而僅使用前述多層結構。不過在此情形下，因爲極化 光之光區分比例很低（約1 0 : 1 ;使用光吸收式有機極 化板時約爲1 0 0 0 : 1 )，故在需要不小於1 0 0 : 1 之對比比例的T F T驅動液晶單元電視機中，必須設置入 射側之偏光板。就光吸收式有機極化板之極化光軸而言， 由偏光分離器6所射出之光線的極化光軸與偏光板9之極 化光軸彼此一致，而使由多層結構所放射之P極化光具有 最大透射率。 光放射側之偏光板1 0亦相似地使用光吸收式有機偏 光板。極化光軸方向依據顯示模態（正白，正黑）來適當 予以選擇。不過在本實例中，於正白顯示情況時，光放射 側偏光板1 0之極化光軸是設置在將光入射側極化薄片9 之極化光軸旋轉9 0°之方向。 將光源與光導之性質作多種變化，以調整燈之功率耗 損及垂直方向上之觀看區的亮度，而得到實例1至3。表 (請先閱讀背面之注意事項和填寫本頁) 裝- 、τ d 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 594115 A7 B7 五、發明説明（28 ) 1示出這些實例及一習知例 表1 燈之功率耗 損(w) 垂直觀看區 之亮度 (cd/m2) 1/2最大高度 之視角範圍 水平 垂直 習知例 16 100 ±50° ±40。 實例1 16 150 ±50° ±40。 實例2 10 100 ± 5〇〇 ±40。 實例3 16 100 ±60。 ±40。 請 先 閱 讀 背 面 i 事 填 寫 本 頁 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印^ 實例1中，亮度較習知例提高1襤5倍，且視角範圍 並未變窄。實例2中，亮度與視角均知習知例中大致相 同，但燈之功率耗損降低至習知例之2 / 3，故電池使用 時間可增長。實例3中，燈之功率耗損與垂直觀看區之亮 度和習知例中相同，但視角變寬3。 依此方式，可依據所用之液晶顯示元件的對比比例來 提供各種光方向分佈。特別是，可以選擇性地增進垂直觀 看區的壳度。 實例4至6 以下參考圖2來說明本發明的其他實例。 所使用的是邊緣光式背光，其中將一螢光燈1 ( C C F L )附接至作爲照明平面的透明壓克力樹脂平坦光 導3的一側，而光經過由光反射體所構成的光罩2來引導 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210Χ：297公釐） -31 - 594115 經濟部智慧財產局5SK工消費合作社印焚 A7 _B7 _五、發明説明（29) 光導3中。 螢光燈1採用2W和4W之CCFL (冷陰極螢光 燈），其長度對應於一般筆記型個人電腦的側面長度（ 120mm)。又，燈罩2採用呈圓柱形或橢圓柱形而圍 繞冷陰極放電管之反射鏡，光導3則採用由壓克力樹脂製 之透明光導板（n = l .49)，其尺寸爲128mmx 225mmx2·8mm〇 此外，在光導3之背面與光導相對於設置螢光燈一面 之另一側面上設置有位相差板4，並有一由鋁金屬反射膜 製成之反射面形成於其上。位相差板爲1/4波長板。 稜鏡陣列1 3採用各稜鏡呈等腰三角形之剖面且頂點 角度爲1 6 0 °者，稜鏡陣列安置時其頂點面對極化分光 器6。稜鏡陣列板的厚度爲2 m m且棱鏡陣列的節距爲1 mm。稜鏡陣列1 3與光導3採用相同材質之壓克力樹 月旨。又，在稜鏡陣列1 3與光導3之間使用一種折射係數 與壓克力樹脂同爲1檻4 9之光學接著劑。 偏光分離器6之結構爲，將一層膜厚約爲6 4 0 A之 二氧化鈦膜（Ti〇2: n = 2 · 35) 6a形成在一均質 玻璃基體（η = 1 · 5 2 ) 6 b之表面上，並將此結構設 置在光導3的光放射平面側。偏光分離器的分光角約爲 7 2。。 稜鏡陣列7採用各稜鏡呈等腰三角形之剖面且頂點角 度爲6 0°者，稜鏡陣列安置時其頂點面對偏光分離器 6。稜鏡陣列板的厚度爲2 m m且稜鏡陣列的節距爲1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 項再填· 裝· 訂 d 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -32- 594115 A7 B7 五、發明説明（3Q) mm。此外，有一擴散板8安置在棱鏡陣列7的光放射表 面側，以加寬視角。 液晶顯示元件1 2採用層合有雙折射膜的單色顯示之 S Τ N液晶顯示元件。扭曲角度爲2 4 0 ° 。 光入射側之偏光板9採用普通之光吸收式有機極化 板。就光吸收式有機極化板之極化光軸而言，由極化分光 器6所射出之光線的極化光軸與偏光板9之極化光軸彼此 一致，而使由多層結構所放射之P極化光具有最大透射 率。 光放射側之偏光板1 0亦相似地使用光吸收式有機偏 光板。雖然極化光軸方向之選擇有相依性，不過在本實例 中，光放射側偏光板1 0之極化光軸是設置在將光入射側 偏光板9之極化光軸旋轉8 5 °之方向。 將光源與光導之性質作多種變化，以調整燈之功率耗 損及垂直方向上之觀看區的亮度，而得到實例4至6。表 2示出這些實例與一不具有偏光分離器之習知例的比較。 請 閱 讀 背 面 之 注 意 項 再 填 本 頁 經濟部智慧財產局員工消費合作社印災 表2 燈之功率耗 損… 垂直觀看區 之亮度 (cd/m2) 1 / 2最大局度 之視角範圍 水平 垂直 習知例 2 60 ±50° ±20。 實例4 2 90 ±50° ±2〇。 實例5 1.3 60 ±50° ±2〇。 實例6 2 90 ± 6〇〇 ± 2〇〇 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐〉 -33- 594115 A7 B7 31 五、發明説明（ 請 先 閱 讀 背 之 注 意 事 項 再 填 寫 本 頁 實例4中，亮度較習知例提高1 · 5倍，且視角範圍 並未變窄。實例5中，亮度與視角均知習知例中大致相 同，但燈之功率耗損降低至習知例之2 / 3，故電池使用 時間可增長。實例6中’燈之功率耗損與垂直觀看區之亮 和習知例中相同，但視角變寬3。 依此方式，可依據所用之液晶顯示元件的對比比例來 提供各種光方向分佈。特別是’可以選擇性地增進垂直觀 看區的亮度。 實例7 經濟部智慈財/1局資工消費合作社印製 以下參考圖3來說明一實施例。光導3之表面形狀呈 稜鏡陣列形狀。三層Z r 0 2與S i 0 2薄膜交替均勻地形 成在該表面上。詳言之，這三層形成在光導上的次序爲 Zr〇2，Si〇2與Zr〇2，而布儒斯特角之極化程度 在5 3 0 nm波長附近時爲最大。光導與介電干涉膜整合 成一體。光導3之稜鏡陣列的頂角爲160° 。由於由介 電體干涉膜所放射之光線的方向分佈於垂直光導表面之方 向，故在與光導相反側上尙設置有一稜鏡陣列，各稜鏡之 頂點面對光導。上述之外的其他構造部分與實例4相同。 與實例1相比本例之亮度稍有增加。這是因爲在實例7中 介面減少了，故介面反射降低了。此外，因整合製作之 故，與實例4相比厚度可予減小。又，在大量製造下，尙 有降低成本之優點。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐〉 -34 - 594115 A7 _____B7_ 五、發明説明（32) 實例8 偏光分離器採用如圖2所示相同形狀之層合物，其中 設置有4 0 0層之壓克力樹脂與聚碳酸鹽。與未使用極化 分光器之情形相比，垂直方向上的亮度較之增強約1 _ 5 倍。 實例9 以下參考圖6與7來說明本發明的另一實例。 所使用的是邊緣光式背光，其中將一螢光燈1 ( C C F L )附接至作爲照明平面的透明壓克力樹脂平坦光 導3 4的一側，而光經由含有反射體3 3的光罩3 2來引 導光導3 4中。 螢光燈3 1採用管直徑爲3mm而長度對應於一般筆 記型個人電腦的側面長度（1 2 5 m m )之C C F L。 又，燈罩3 2採用呈圓柱形或橢圓柱形而圍繞C C F L之 反射鏡，光導3 4則採用由壓克力樹脂製之透光光導板 (η = 1 . 4 9 )，其尺寸爲 128mmx225mmx 2 · 8 m m 〇 此外，在光導3 4之背面與光導相對於設置螢光燈一 面之另一側面上設置一個λ/4相位干涉3 5，並有一由 鋁金屬反射膜製成之反射面3 6形成於其上。 本實例中使用一透鏡陣列3 7，將其安置成使凸出部 分面向偏光分離器3 8之形式。透鏡陣列的厚度爲2mm 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -35 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝- 經濟部智慈財產局工消費合作社印製 594115 Α7 Β7 經濟部智慧財4局g(工消費合作社印災 五、發明説明（33) 且其節距約爲3 0 //m。透鏡陣列3 7與光導3 4採用相 同材質之壓克力樹脂。又，在透鏡陣列3 7與光導3 4之 間使用一種折射係數與壓克力樹脂同爲1 · 4 9之光學接 著劑。 偏光分離器3 8之結構爲，將一層膜厚約爲6 4 0A 之二氧化鈦膜（Ti〇2: n = 2 · 35) 6a形成在一均 質玻璃基體（n = l . 52) 6b之表面上，並將此結構 設置在光導3 4的光放射平面側。偏光分離器的分光角度 爲7 2 ° 。亦即，入射角爲7 2 °之P極化光成份近乎 1 0 0%穿透偏光分離器而幾乎無反射，但只有約1 5% 之s極化光成份穿透而有8 5%反射。 由偏光分離器所放射之極化光在垂直於線性光源之方 向上極化。 稜鏡陣列3 9採用各稜鏡呈等腰三角形之剖面且頂點 角度爲6 5°者，稜鏡陣列安置時其頂點面對偏光分離器 3 8。稜鏡陣列板的厚度爲2mm且其節距約爲3 0 。依此方式，可增強在垂直於光導板方向附近透射之 光線的光量。 此外，在稜鏡陣列3 9的外側設置有一個λ / 2延遲 板4 0。λ/2位相差板的快速軸相對於與圖7之光源垂 直的方向而言傾斜0=45° 。材質採用PC (聚碳酸 鹽），其於波長5 5 0 n m處測量時具有λ / 2之雙折射 率。圖7中數字51代表螢光燈，52代表光導，53代 表快速軸方向，5 4代表光入射側偏光板之極化光軸， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 -項再填· 裝. *11 d 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -36- 594115 A7 B7 五、發明説明（34) 5 5代表光出射側偏光板之極化光軸，5 6代表光入射側 之摩擦方向，5 7代表光出射側之摩擦方向。 液晶板4 1採用液晶顯示之T F T液晶顯示元件。光 入射側之偏光板4 2採用普通之光吸收式有機極化板。極 化光軸爲Θ = 9 0 ° 。光放射側之偏光板4 3亦使用光吸 收式有機偏光板。其極化光軸爲0 = 0 ° 。光入射側上之 摩擦方向爲0=90° ，而光放射側上之摩擦方向爲 0。° 由於當本實例中所使用之光入射側偏光板之極化光軸 爲9 0 °時，從偏光分離器所放射之光線爲方向垂直於光 源之非常線性的極化光，故於使用傾斜4 5 °之λ / 2位 相差板時可提供接近液晶顯示裝置亮度之三倍的亮度增 加，且光之使用效率也可以提昇。 實例1 0 在位相差板P C上形成一層駄石（titania)來取代實例 9中之偏光分離器及λ / 2相差，而供作相同之兩項功 能，且將其安置在透鏡與稜鏡陣列間，而使干涉膜側位在 光源側。P C位相差板對於以約6 0 °之入射角入射的入 射光而言，在5 5 0 nm波長處具有λ/2之雙折射率。 本實例獲得與前述各實例相似的結果。 根據本發明，可提供一種在高對比比例之特定區域內 具有特別高的實質亮度之供直觀式顯示元件用之照明裝 置。尤其在本發明中，可將所要觀看方向之光線中對顯示 (請先閲讀背面之注意事項一?%寫本頁) 裝- 訂 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -37^ 594115 A7 __B7 五、發明説明（35) 裝置之照明並無實質貢獻的光線轉換成極化光來提昇所要 觀看方向上之亮度，而這與使用單一稜鏡陣列等時是不同 的。因此，可提供一種在特定方向上具有高亮度，且能維 持寬廣照廣分佈之照明裝置。此點對於供具有寬廣視角之 直觀式顯示元件用之照明裝置而言十分重要。 此外，使用所謂的邊緣光式光源來作爲光放射機構， 可輕易提供與直觀式顯示元件之照明光有關的擴散光。 又，尤其當以邊緣光之光導的光放射平面側上所設置的極 化分光平面與平坦光導相對於光放射面的另一側上所設置 的光反射平面來合作構成一極化光轉換機構時，邊緣光之 光導可使用作爲區分極化光的空間。因此，本案就提供精 巧構造此點而言尤屬較佳。 此外，藉由將本發明之照明裝置安置在液晶顯示元件 之背面，並使由照明裝置所放射之光線的光軸方向與液晶 顯示元件之光入射側上的極化板之光軸方向大致一致’可 提供一種在實際視角上具有高照度且功率耗損低之直觀式 液晶顯示裝置。 圖式之簡單說明： 圖1爲剖面圖，示出本發明之一實例； 圖2爲剖面圖，示出本發明之另一實例； 圖3爲剖面圖，示出本發明之另一實例； 圖4爲剖面圖，示出本發明中所用之偏光板的結構； 圖5示出S T N液晶顯示元件之對比比例曲線圖； (請先閱讀背面之注意. 裝-- 填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局8工消費合作社印紫 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） · 38 - 594115 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 B7五、發明説明（36) 圖6爲剖面圖’示出本發明之另一實例； 圖7爲平面圖’示出圖6之光軸的安排； 圖8 (a)至8 (d)爲剖面圖，分別示出本發明之 均勻光形成機構的實例；而 圖9 (a)與9 (b)爲剖面圖，分別示出本發明之 均勻光形成機構的其他實例。 圖號對照表： 1 螢光燈 2 光罩 3 光導 4 位相差板 5 反射面 6 偏光分離器 6 a 平坦光透射支持體 6 b 介電膜 6 c 介電膜 7 稜鏡陣列 8 光擴散薄片 9 偏光板 10 偏光板 11 液晶單元 12 液晶顯示元件 13 稜鏡陣列 (請先閱讀背面之注意事項@寫本頁) 一 裝- 訂 d 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐） -39 - 594115 經濟部智慧財/i局®工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（37 ) 21 第一聚合物層 22 第二聚合物層 3 1 螢光燈 3 2 燈罩 3 3 反射體 3 4 光導 3 5 相位干涉 3 6 反射面 3 7 透鏡陣列 38 偏光分離器 3 9 稜鏡陣列 4 0 位相差板 4 1 液晶板 4 2 偏光板 4 3 偏光板 5 1 螢光燈 5 2 光導 5 3 快速軸方向 5 4 極化光軸 5 5 極化光軸 5 6 摩擦方向 5 7 摩擦方向 6 1 光源 6 2 反射板 (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) -ml"裝. -項^^寫太 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -40- 594115 A7 B7 五、發明説明（38 ) 63 平坦光導 (請先閲讀背面之注意事項寫本頁) _ 裝. 訂 d 經濟部智慧財產局肖工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -41 -

Claims (1)

  1. 5941151公告本丨 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 申請專利範圍 第9 0 1 1 7 8 2 4號專利申請案 中文申請專利範圍修正本，’… ； 民國93年月25。日修正 • .. I·:。， 1、 一種液晶顯示裝置，包含： 一直觀式液晶顯示元件（1 1 ，4 1 )，置於一前側 偏光板（1 0 ，4 3 )與一後側偏光板（9 ，4 2 )之 間； 一邊緣照明型之背光照明裝置，包含一光導（3， 3 4 )、一光源（1，2 ; 3 2，3 3 )及一光反射機構 (4，5 ; 3 6 )， 且進一步包含： 一光反射器（7，3 9 )，置於從該光導射出之光線 的光學路徑中，用於將光線反射於與該液晶顯示元件垂直 之方向上， 其特徵在於一偏光分離器（6，6 c ; 3 8 )，置於 該光導與該液晶顯示元件之間， 其中第一極化光成份透射該偏光分離器，且至少一部 份的第二極化光成份被該光反射機構轉換成該第一極化光 成份。 2、 如申請專利範圍第1項之液晶顯示裝置，其中偏 光分離器包含塑膠。 3、 如申請專利範圍第2項之液晶顯示裝置，其中{扁 光分離器是一多層構造，含有至少兩層具有不同折射率白勺 光透射媒體。 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) Α4規格（210Χ：297公釐） 7^1 '~---
    594115 A8 B8 C8 — D8 ---------- _________ 六、申請專利範圍 4、 如申請專利範圍第2項之液晶顯示裝置’其中偏 光分離、器是藉由擠壓製成。 5、 如申請專利範圍第1項之液晶顯示裝置’其中反 射機構是一擴散反射平面。 6、 如申請專利範圍第1項之液晶顯示装置’其中液 晶顯示元件是S T N。 7、 如申請專利範圍第1至6項任意一項之液晶顯示 裝置，其中後側偏光板由該偏光分離器取代。 8、 如申請專利範圍第1至6項任意一項之液晶顯示 裝置，其中該液晶顯示裝置使用在含電池之液晶筆記型電 腦中。 II _ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS >A4規格（210x297公釐） —2 -
TW090117824A 1992-10-09 1993-10-06 A liquid crystal display device and an illumination device for a direct viewing type display element TW594115B (en)

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