TWI385446B - 含有成形雙折射反射性偏光板之背光單元 - Google Patents

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Description

含有成形雙折射反射性偏光板之背光單元
本發明係大致有關顯示器照明，尤係有關一種採用基於用於具有大入射角的光的成形雙折射反射性偏光板之背光單元。
液晶顯示器(Liquid Crystal Display；簡稱LCD)被廣泛地用於範圍寬廣的顯示裝置，且在許多顯示器應用上有利地與較傳統的陰極射線管(Cathode Ray Tube；簡稱CRT)監視器競爭。雖然直視型(direct view)LCD在解析度、速度、及整體性能上持續地改進，然而，與CRT比較時，顯示亮度可能仍然是令人失望的。此種缺點在較大的視角(viewing angle)時尤其顯著。
LCD顯示器的限制了亮度之固有問題與對偏光的相依性有關。在典型的應用中，LCD裝置本身有一對吸收式偏光板(absorptive polarizer)，用以吸收自光源發出的未被偏振的光之一半。因此，縱然可提供較亮的光源，該光的相當大的部分仍然被捨棄了。
該問題的一種解決方案是採用諸如由3M公司(位於St. Paul, Mn)製造的VikuitiTM Dual Brightness Enhancement Film、或由Moxtek, Inc.(位於Orem, Utah)供應的線柵偏光板等的反射性偏光板(reflective polarizer)。這些裝置只透射具有LCD的所需偏振之光，且反射具有正交偏振之光，而該等具有正交偏振之光可被 照明組件再配向，因而最終可被用到。
反射性偏光板對一部分的光工作良好，對於入射角幾乎垂直於反射性偏光板的光尤其是如此。然而，無法有效率地利用入射角偏離法線的光或大角度的光。此種無效率難以克服，這是因為通常係在導光板(Light Guide Plate；簡稱LGP)內執行光的某些特意之散射。諸如印刷點或蝕刻圖案等的散射元件通常是將傳統背光系統中之光均一化所必需的。因此，均一化及偏振元件經常可能在相反之目的下工作，因而需要某些妥協，以便同時得到適當的亮度及可接受的均一性。
如授予Li等人的美國專利6,285,423(請參閱授予Li等人的美國專利6,285,423第1a圖之代號20)所揭示的，使用反射性偏光板或偏振分光器(polarizing beamsplitter)的一種方式係將該偏光組件定位在導光板的沒有任何散射元件之下表面。用此類型的配置時，透射經過該反射性偏光板的光被改向為接近垂直角度的照明輸出。被該反射性偏光板反射的光被引導到偏振轉換器，用以改變該光的至少一部分之偏振，並將其改向以供最終的輸出。
使用反射性偏光板的一種替代方式是如授予Saccomanno的美國專利6,443,585(請參閱授予Saccomanno的美國專利6,443,585第1圖之代號8)所揭示的，該替代方式將該元件定位在導光板的沒有任何散射元件之上表面。此種方式因較低的散射耗損而大致提供了 較高的光萃取效率，但無法提供滿意的偏光效果。
為了了解授予Li等人的美國專利6,285,423及授予Saccomanno的美國專利6,443,585的方式所遇到的反射性偏光板使用上之問題，觀察照明系統的導光板內如何處理偏振光將是有用的。為達到此一目的，將本發明揭示中之第1A圖的示意圖與授予Li等人的美國專利6,285,423揭示的第1A圖及授予Saccomanno的美國專利6,443,585的第1圖比較。自被定位在導光板12的入口平面之光源14發出光束10。該入口平面上的入射角在最一般狀況是介於0∘與90∘間之θi 。光束10然後被耦合到導光板12，且入射到反射性偏光板20上。使用標準示意標記法表示各偏振狀態：以沿著光線的大圓點表示S偏振，以與直光線正交之一線是表示P偏振。圖中示出用來抑制導光板12表面上的TIR之三個光萃取結構25；可將背光照明技術中習知的一些不同之薄膜或結構用於該目的。諸如四分之一波膜或板等的偏振轉換器被設置在底面18或端面19，或被同時設置在底面及端面18及19。
若要得知對傳統反射性偏光板20的詳細說明，可參閱授予Li等人的美國專利6,285,423之揭示。簡言之，根據傳統的方式，反射性偏光板20可具有一些可能的形式，其中包括：(1)聚碳酸酯(polycarbonate)基材上沈積的一些1.38/2.35介電層構成之堆疊；(2)基材上的由金屬/介電層構成之堆疊；(3)被夾在兩個基材之間的諸如液晶材料等的一層雙折射材料；或(4)如美國專利6,285,423的 第8c、10c、及12c圖所示，具有雙折射材料及等向性材料(isotropic material)的混合物之伸展的塑膠薄膜。然而，必須強調：只有光是在裝置的受限制的接受角度範圍內時，才能達到偏光的效果。根據授予Li等人的美國專利6,285,423揭示中所示之組構，該接受角度(授予Li等人的美國專利6,285,423中被稱為入射角)是在下列範圍：69∘至79∘(請參閱授予Li等人的美國專利6,285,423中之第9圖)；62∘至82∘(請參閱授予Li等人的美國專利6,285,423中之第11圖)；或0∘至84∘(請參閱授予Li等人的美國專利6,285,423中之第13圖)。
當下列條件符合角度θTIR 時，該反射性偏光板透射一偏振光，且因全內反射(Total Internal Reflection：簡稱TIR)而反射其他的偏振光，因而將落入該導光板的所有光分離成兩種偏振狀態： 以及ne =nLGP '其中nLGP 是導光板基材之折射率，ne 是非尋常折射率(extraordinary index of refraction)，no 是尋常折射率(ordinary index of refraction)。
為了更易於了解授予Li等人的美國專利6,285,423揭示中使用的傳統方式對光入射角之固有限制，更仔細地檢視當反射性偏光板20是一層具有非尋常折射率ne 及尋 常折射率no 的雙折射材料時的例子時，將特別有啟發性。在該特別的例子中，ne 的方向係平行於光源14或垂直於第1A圖所示之入射平面。例如，使用授予Li等人的美國專利6,285,423中使用的值：ne =nLGP =1.589，且‥no =1.5。
落入該導光板的光具有接受角度θa ，該接受角度θa 之範圍如下： 亦即，對於具有折射率nLGP =1.589之基材而言：51∘≦θa <90∘。
因此，介於51與90度的光是在該導光板的接受角度之內。
然而，只有在有全內反射時，亦即，只有在光的入射角大於時，才提供良好的偏光分離。使用傳統的導光板時，在no =1.5且nLGP =1.589的情形下，此種較低的臨界值是71∘。此即意指：根據授予Li等人的美國專利6,285,423中之揭示，反射性偏光板20無法將滿意的偏光分離效果提供給入射角介於51∘與71∘之間的光。只有將可接受的偏光分離提供給在71至90度範圍的光。
表1及附圖第1B、1C、及1D圖所示之比較例子示出反射性偏光板的諸如授予Li等人的美國專利6,285,423 揭示中述及的方式(請參閱授予Li等人的美國專利6,285,423的第8欄之第66至67行)等的傳統方式之缺點。這些例子示出具有nLGP =1.589之聚碳酸酯基材。在第1B至1D圖中，曲線T90(被填滿的方塊)提供了在各種接受角度θa 下的S偏振光(垂直於入射平面且在第1A圖中以大圓點表示之偏振光)之透射率值。曲線R0(開放三角形)提供了正交偏振光或P偏振光(平行於入射平面且在第1A圖中以直線表示之偏振光)之反射率。如第1B圖中之虛線框Q所示，對於來自該導光板的光之偏振而言，需要有在51至90度的範圍中之光的良好分離。當T90及R0值都超過大約0.8，而指示達到了4:1或更佳的偏光分離時，該光分離被視為可接受。
在表1中，提供了折射率nLGP 、ne 、及no 的範例值。深度D是雙折射偏光材料之厚度。在整體性能中特別感興趣的是在最右方各行中提供的重疊角度範圍及有效接受角度θa 範圍。
請注意，表中示出且用於本發明揭示的說明之該89度值是用來表示可接近90度的界限但小於90度的接受角度θa 之角度值。
以具有深度D=5微米的第1B圖所示之例子而言，重疊角度θ係介於71∘與89∘之間，大約為所需51至90度範圍的一半。介於51∘與71∘之間的光並未被適當地偏光。第1C圖所示之例子顯示使用具有極低尋常折射率no =1.389的雙折射層而得到的至少某些改善。然而，這是一種在 ne =1.598的情形下可得到0.2的極大雙折射性之理論性材料。找到一種在ne =1.598的情形下具有可用於波片反射性偏光板(sheet reflective polarizer)的雙折射值之有用材料將是不尋常的。然而，縱然可取得此種材料，重疊角度θa 仍然只在61∘與89∘之間，仍然沒有延伸到所需之範圍。
第1D圖所示之例子由於使用了第1C圖所示例子的該理論性材料且改變了0.5微米的雙折射層深度D而只稍微接近所需的性能。
如第1B至1D圖之比較例子所示，光學材料本身的物理特性嚴重妨礙了補救上述限制的傳統解決方案。例如，如果使用了具有足夠大的雙折射之雙折射材料，則稍微可減輕自71至90度的可工作θa 範圍之限制。例如，大於0.35的雙折射將可減輕該問題。
然而，不易於取得具有較大雙折射及其他所需特性之 材料，或者此種材料不適用於反射性偏光板，或者甚至此種材料可能不存在。導光板12必須具有實質上等於非尋常折射率ne 及尋常折射率no 中之較大的折射率之折射率NLGP 。非尋常折射率ne 及尋常折射率no 中之較小的折射率通常大於1.50，此即意指：該導光板必須具有諸如聚碳酸酯的折射率1.589等的較大之折射率NLGP 。然而，此種方式是不受歡迎的或不切實際的，這是因為大部分常用的導光板是由具有大約1.49的折射率之聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)所製成。因此，使用高階雙折射性的解決方案受限於介電材料本身的特性。
顯然，當採用Li等人所述及且於美國專利6,285,423揭示的第1圖中示出之反射性偏光板解決方案時，將不利用自光源14的光之頗多部分。採用此類的解決方案時，雖然可得到51至90度θ範圍內之光，但是只有71至90度範圍內的光提供了可接受的偏光分離。對於最常用於導光板的材料而言，目前仍未提供在導光板內可於全光角度θa 範圍中工作的反射性偏光板之適當解決方案。使用傳統方法來減輕此問題的嘗試已受挫於光學材料本身的限制。因此，目前需要一種提供了比使用傳統的反射性偏光板技術時所容許的入射角範圍更寬廣的入射角範圍的偏振光之照明解決方案。
本發明提供了一種背光單元，該背光單元按照順序包含： (1)光源；(2)具有朝向該光源的入射面且具有折射率nLGP 之導光板(LGP)；(3)具有與該LGP有光學接觸的成形雙折射之反射性偏光板，該反射性偏光板包含一層，該層具有：(a)具有折射率n1 之細長不導電第一材料；(b)具有與該第一材料的折射率間之差異至少為0.2的折射率n2 之細長不導電第二材料；其中係沿著大致垂直於該LGP的該入射面之方向而對準該第一材料及該第二材料；其中：(i)在平行於該LGP的該光入射面之平面中，該第一及第二材料的橫斷面尺寸中之寬度尺寸係小於100奈米；以及(ii)針對波長550奈米的光，且針對至少一反射性偏光板光入射角θa ，而選擇該反射性偏光板的參數，以便將R0>0.8提供給一個偏振狀態，並將T90>0.8提供給正交偏振狀態。
本發明之特徵在於：本發明使用成形雙折射，以便利用傳統上可取得的材料而得到高階的偏光分離。
本發明之優點在於：本發明提供了一種用於照明裝置之反射性偏光板，該反射性偏光板可呈現所需的偏光分離程度，以便用於一些顯示器應用之導光板。
若檢閱下文中對較佳實施例之詳細說明及最後的申請 專利範圍，並參考各附圖，將可更清楚地了解本發明的上述這些及其他的面向、目的、特徵、及優點。
本發明尤其係有關構成根據本發明的裝置的一部分或與根據本發明的裝置更直接配合之元件。我們當了解：並未特別示出或說明的元件可能採用此項技術中習知的各種形式。
並未特意按照比例繪出本發明的反射性偏光板的結構及配置之圖式，而是為了示出整體結構、成分、及功能而提供該等圖式。
本發明使用成形雙折射的新穎應用而解決了將導光板內的光偏振的角度限制之問題。也被稱為形狀雙折射(form birefringence)之成形雙折射(formed birefringence)使用通常具有小於波長的特徵及間隔或間距尺寸的週期性結構之裝置。諸如使用導線光柵(grating of conductive wire)的線柵偏光板(wire grid polarizer)使用成形雙折射的原理，其中該導線光柵具有足夠高的空間頻率，因而零級光(zero order light)不再繞射，且平行於及垂直於該等光柵特徵的各光路徑長度是不同的。授予Kurtz等人的美國專利6,788,461"Wire Grid Polarizer"中提供了線柵偏光板的一個例子。這些傳統的解決方案將導電金屬線或細長金屬層用於偏光。雖然此類裝置能夠提供偏振狀態的良好分離，然而，其對金屬材料的使用因某些固有的光吸收量而產生非所願的副作用。
然而，在本發明中，並不使用反射及導電線，而是形成其中包含在長度上係沿著光傳播的一般方向而延伸之兩種不導電的介電材料之一層，其中一介電材料具有高折射率n1 ，且另一介電材料具有低折射率n2 。該兩種介電材料可具有等向性或雙折射性。為了便於例示，本發明揭示中提供的所有例子都假設兩種介電材料都具有等向性，亦即，每一材料只有一種折射率。係將所形成的本發明之反射性偏光板建構成：以該配置實現成形雙折射，因而該層在特性上大約等同於具有有效非尋常折射率ne 及尋常折射率no 的由高雙折射材料構成之一層。此處，因成形雙折射結構而得到之有效非尋常折射率ne 及尋常折射率no 通常不同於原始材料的折射率n1 及n2 。必然將該結構的成形雙折射計算為負數，亦即，Δn=ne -no <0。然而，實際上，因為相關量的差異，所以可將絕對值∣Δn∣用來將雙折射性量化。在比較上，n1 及n2 中之一者或兩者通常是導電材料的複數，因而成形雙折射也是複數。該配置意味著使用導電材料時的某些固有之吸收量。
根據本發明的反射性偏光板具有對顯示器應用特別價值之三個優點。第一，該裝置提供了在0.2至0.5或更大的範圍內之高雙折射性∣Δn∣，該雙折射性遠高於使用單一雙折射材料的傳統反射性偏光板所得到雙折射性。係以兩種等向性材料實現該高雙折射性，其中一種等向性材料具有可低至1.0(空氣)的低折射率n2 ，且另一種等向性材料具有可高至1.6至1.8(某些塑膠)且甚至可高至2.35(使 用諸如二氧化鈦等的無機材料)的高折射率n1 。第二，可將有效尋常折射率no 調整到低值。因此，可使用具有滿足前文所述的用於背光裝置的反射性偏光板的重要關係式no =nLGP >ne 的低折射率之LGP基材，其中nLGP 是LGP基材之折射率。第三，該反射性偏光板因n1 及n2 都是不導電介電材料之實數，故有小吸收性。如前文所述，因而與呈現某些內在吸收(intrinsic absorption)的傳統導線柵偏光板形成對比。
第2A圖之透視圖示出具有導光板12的背光裝置38，該導光板12與根據本發明的成形雙折射的反射性偏光板50有光學接觸。導光板12具有面向光源14之入射面16。如第2A圖所示，反射性偏光板50可被夾在導光板12與另一層透明基材之間，該透明基材通常為具有與導光板12相同的折射率之材料。
反射性偏光板50係與導光板12有光學接觸。作為本發明揭示中使用的術語，光學接觸等同於實體接觸或經由光學黏著劑而耦合。反射性偏光板50與導光板12之間沒有空氣間隙。
反射性偏光板50具有一些細長的通道31及32，該等通道31及32係沿著大致垂直於入射面16的長度方向而延伸，且係以交替之方式而在沿著寬度方向分佈。該等通道係大致以90。的角度而垂直於該入射面，或在±15度的範圍內。係使用不導電或介電光學材料以形成每一通道31及32。如第2A圖所示，且如第2B圖之橫斷面所示，通道31 及32具有不同的折射率n1 及n2 。就尺寸而論，通道31及32的寬度是可見光波長之次波長(通常為小於大約150奈米)，且沿著平行於頁面或垂直於入射面16的方向而順著反射性偏光板20的長度延伸。因此，反射性偏光板50具有高效率的非尋常及尋常折射率ne 及no 。非尋常折射率ne 之方向係垂直於通道31及32的長度方向。此外，折射率no 係適用於具有垂直於ne 的偏振軸之光。
在比較例子中，通道31及32係沿著與第2A圖所示方向正交(亦即，平行於入射面16)之方向而延伸。此種配置將導致非尋常折射率ne 的方向係垂直於光源14的長度方向。因此，在該入射面中偏振的光將遭遇ne 及no 之組合，因而難以在該反射性偏光板的表面維持全內反射。
第2B圖示出決定反射性偏光板50的偏光特性之某些重要尺寸。這些尺寸包括：w1、w2：分別為通道31及32之橫斷面寬度；P：通道31及32之間距，此處等於(w1+w2)；d：通道31及32之深度。一個重要的尺寸關係式是填充因數f1 或佔空比(duty cycle)，且可以下式表示：f1 =w1/P
在本發明揭示的上下文中，間距P將包括平均間距，其中間距因製造而可能有某些變化。
第2C圖示出反射性偏光板50之另一實施例，該反射性偏光板50具有被嵌入基體材料34內之散佈材料33， 該散佈材料33被以交替的樣式配置，而可呈現與第2B圖所示週期性樣式相同的反應，但具有非週期性的通道分佈。散佈材料33可具有比基體材料34較高或較低的折射率。該被嵌入材料的寬度尺寸比可見光之波長小，且最好是小於150奈米，而且更好是小於100奈米。小於150奈米的間距P是較佳的。該被嵌入材料的形狀最好是細長形。該基體及散佈材料可以是等向性或雙折射材料。亦可利用該結構提供大的成形雙折射值。該被嵌入(或散佈)材料的體積比率係與第2B圖所示反射性偏光板的填充因數f1 有關。
對於第2A及2B圖所示之成形雙折射實施例而言，第3A至3D圖之圖形示出有效非尋常折射率ne 、尋常折射率no 、及雙折射值Δn=ne -no 係為填充因數f1 之函數。在垂直入射(normal incidence)下，可以零級有效介質(zero-order effective medium)理論提供該等有效折射率ne 及no ： 或者，可使用二級有效介質理論而進行下列的計算：
一般而言，當間距P比入射光的波長小許多時，該零 級值最為適用，因而： 當間距是不可忽略時，該二級方程式可能是更準確的。
在第3A圖(用於零級)及第3B圖(用於二級)中，該等各別的折射率是n1 =2.35及n2 =1.0。在第3A圖中，例如，可使用大約0.6的填充因數f1 而得到大約-0.5的較高之雙折射值。
在第3C圖(用於零級)及第3D圖(用於二級)中，該等各別的折射率是n1 =1.8及n2 =1.0。
概括而言，如第3A圖至第3D圖所示，可使用兩種利用前文所述細長通道配置的一般等向性介電材料而得到較大的雙折射值(仍然係以絕對值而論)。
第4A至4F圖及第5A至5J圖示出根據本發明的成形雙折射且使用折射率nLGP 、n1 、n2 、深度d、及填充因數f1 的某些不同的可能值的反射性偏光板之一些例子。在第4A至4F圖所示之例子中，導光板12基材是具有nLGP =1.589的聚碳酸酯。在第5A至5J圖所示之例子中，導光板12基材是具有nLcP =1.49的聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)。在第4A至4F圖及第5A至5H圖中，間距P是140奈米，且相關的波長為550奈米。在例子5I及5J中，間距P是100奈米，且相關的波長為550奈米。
第4A至5J圖所示之參考虛線框示出相關的接受角 度θa (此處為51至90度)，且有助於將本發明之反射性偏光板與先前於第1B至1D圖所示之傳統反射性偏光板比較。
係使用Gsolver光柵分析軟體工具而在550奈米下將各分析模型化，該軟體工具可使用嚴格耦合波分析(Rigcrous Coupled Wave Analysis；簡稱RCWA)而將次波長結構徹底模型化。可自Grating Solver Development Company(位於P.O. Box 353, Allen, Tex.)購得Gsolver軟體。
請參閱第4A圖所示之例子，基材的折射率是nLGP =1.589，因而如前文中參照授予Li等人的美國專利6,285,423中所提供且在第1B、1C、及1D圖的圖形所總結之例子所述的，落入該導光板的光之接受角度θa 係在51∘≦θa <90∘之範圍。高折射率n1 是2.35，且低折射率n2 是1.0。高折射率材料的填充因數是f1 =0.38。該反射性偏光板的厚度是0.5毫米。
對於在平行於通道31及32的一平面中之偏振光而言，該光碰到有效尋常折射率no 及導光板12基材折射率nLGP 。曲線T90(被填滿的方塊)描述了透射率相對於接受角度之特性。因為該材料的吸收率是小的，且假設為接近零，所以反射率R90=1-T90，且並未繪出反射率。如虛線框Q所示，透射率值T90在所需接受角度的全範圍中大於88%，因而示出該偏振光實質上透射過該反射性偏光板。
對於在垂直於通道31及32的平面中之偏振光而言， 將適用有效非尋常折射率ne 及基材折射率nLGP 。曲線R0(空的的三角形)描述了反射率相對於接受角度之特性。同樣地，透射率T0=1-R0，且並未繪出透射率。R0在58∘以上的所有入射角中大於90%，因而示出該偏振光係該反射性偏光板反射。R0在51∘≦θa <90∘的範圍中超過80%的臨界值，因而示出該反射性偏光板對被耦合到該導光板的實質上所有的光都工作良好。
在第4A圖所示之性能下，可看出本發明的該反射性偏光板實施例由於在較寬廣的光接受角度θa 範圍中有良好的偏振狀態之有效分離，而提供了比諸如前文中參照第1B至1D圖所述的反射性偏光板等的傳統反射性偏光板顯著之改善。
下文中之表2提供了適用於第4A至4F圖的參數及性能值之一總結。對於表2所示的所有例子而言，各折射率是nLGP =1.589、n1 =2.35、n2 =1.0、以及間距P=140奈米。深度d及填充因數f1 則隨著每一例子而有所不同。
參照第4A圖的曲線所述且具有d=0.5微米及f1 =0.38之例子1因自50∘延伸到89∘的重疊角度θa 範圍(其中T90>0.8且R0>0.8)，而提供了最佳的偏光分離性能。
第4B圖所示之例子2除了填充因數f1 =0.30之外使用了例子1中提供的相同值。重疊角度θa 範圍係介於46∘與82∘之間，下限較寬廣，但並未針對較高角度的光而最佳化。
第4C圖所示之例子3除了填充因數f1 =0.50之外使 用了例子1中提供的相同值。重疊角度θa 範圍係介於59∘與77∘之間，下限及上限都較窄。
第4D圖所示之例子4除了深度d=0.40微米之外使用了例子1中提供的相同值。重疊角度θa 範圍係介於51∘與79∘之間，具有大約相同的下限及較窄的上限。
第4E圖所示之例子5除了深度d=0.60微米之外使用了例子1中提供的相同值。重疊角度θa 範圍係介於50∘與72∘之間，具有大約相同的下限及較窄的上限。
第4F圖所示之例子6除了深度d=5.0微米之外使用了例子1中提供的相同值。重疊角度θa 範圍係介於51∘與72∘之間，具有與第4E圖所示例子大約相同的較低下限及上限。
聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)基材之例子(第5A至5J圖)
表3中總結的第5A至5J圖所示之例子示出具有與第4A至4F圖所示例子中提供的參數稍微不同的參數(尤其是 不同的基材折射率nLGP )的根據本發明之反射性偏光板的性能。在這些例子中，LGP折射率nLGP =1.49，因而落入導光板內的光之接受角度θa 係在大約48∘≦θa <90∘的範圍。如前文所述，最常用的導光板材料是具有大約1.49的折射率之聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)。第5至5J圖所示之參考虛線框Q示出在T90及R0的值高於0.8時的大約為48至90度之相關的接受角度θa ，且該參考虛線框Q有助於將本發明之反射性偏光板與先前於第1B至1D圖所示之傳統反射性偏光板以及第4A至4F圖所示的本發明例子比較。
首先請參閱第5A圖，高折射率n1 是1.80，且低折射率n2 是1.0。間距P=140奈米。高折射率材料的填充因數是f1 =0.524。該反射性偏光板的厚度是0.5毫米。此處，反射率R0在59∘以上的接受角度θa 中都超過80%，因而示出該偏振光係該反射性偏光板反射。該反射性偏光板設計因而顯著地優於傳統的反射性偏光板，但不如某些先前提供的例子。
在第5B圖所示之例子中，高折射率n1 是1.589，該折射率對應於授予Li等人的美國專利6,285,423揭示中使用的折射率(請參閱授予Li等人的美國專利6,285,423揭示中之第12及13圖)。低折射率n2 是1.0。高折射率材料的填充因數是f1 =0.787。對於在平行於通道31及32的平面中偏振之光而言，該光碰到尋常折射率no 及導光板12基材折射率nLGF 。透射率T90在所有的接受角度θa 中都大 於95%。反射率R0在71∘以上的接受角度中都大於80%。R0在67.5∘≦θa <90∘的範圍中都大於50%。可看出：該反射性偏光板具有與傳統反射性偏光板的偏光分離效率相當的偏光分離效率，但其優點為使用具有較低折射率(1.49相對於1.589)的基材。因此，縱然整體接受角度θa 範圍是令人失望的，但是性能至少是與授予Li等人的美國專利6,285,423揭示中說明的性能相同，且使用了標準導光板12材料(PMMA)，而不是使用Li等人的解決方案所依賴的較不常用之聚碳酸酯材料。
第5C圖所示之例子除了層的厚度d=5微米且高折射率材料的填充因數為f1 =0.785之外，與第5B圖所示之例子類似。整體分離性能類似於授予Li等人的美國專利6,285,423揭示中所述之分離性能。
第5D圖所示之例子除了高折射率n1 是2.35之外，與第5B圖所示之例子類似。第5E圖所示之例子除了填充因數為f1 =0.45之外，與第5D圖所示之例子類似。第5F圖所示之例子除了填充因數為f1 =0.6之外，與第5D圖所示之例子類似。此處，並無可接受的偏光分離之重疊區。同樣地，第5G圖示出具有深度d=0.4微米且無重疊之例子。第5H圖示出與第5G圖所示例子類似之一例子，但是具有深度d=0.6微米以及極窄的重疊。第5I圖示出具有間距P=100奈米而非140奈米的類似例子。第5J圖示出具有填充因數f1 =0.534之類似例子。請注意，填充因數f1 輕微改變時，將因層厚度之改變而是干涉效應最小化。
第4A至4F及5A至5J圖所示之例子不是限制性的，而是用於例示。將容許有許多其他的參數變化。例如，通道31及32之形狀可以與第2A及2B圖所示之長方形橫斷面有所不同；亦可使用此項技術中習知的其他形狀。間距P可以是較長或較短的，只要能夠發生零階繞射即可。低折射率的不一定是空氣，而也可以是諸如氟化鎂(MgF2 )等的具有較低折射率的任何各種材料。高及低折射率材料也可具有雙折射性，只要其光軸被平行地對準即可。
製造
可將一些不同製造技術中之任何製造技術用來形成反射性偏光板50。對於在通道32中使用空氣的實施例而言，可使用標準微影技術在基材中直接產生將構成通道31之通道結構。其他的方法可使用噴墨印刷(inkjet printing) 或其他精確沈積技術而將材料31沈積到基材上。
在使用微影的一替代方法中，可施加金屬層，作為後續蝕刻的罩幕。此處，係使用諸如鋁等的金屬來沈積金屬層。該沈積方法可以是其中包括熱蒸鍍(thermal evaporation)或濺鍍(sputtering)的數種標準方法中之一種方法。然後，使用標準微影法及接續的金屬蝕刻法(可能是諸如四氯化碳(CCl4 )、三氯化硼(BCl3 )等的乾式金屬蝕刻法)而在該金屬上產生圖案，以便形成罩幕圖案。然後可蝕刻通道32，以便去除多餘的材料，而留下所需的空氣空間。
或者，可採用其中包括介電材料的重複蝕刻或離子束銑削(ion beam milling)的方法。亦可使用剝離(lift off)法。可使用採用諸如用於二氧化矽蝕刻的氫氟酸等的蝕刻化合物之溼式蝕刻。
在其他實施例中，可沈積多層介電材料，以便形成通道31及32中之一者或兩者。此種類型的製造將需要沈積及蝕刻的重複製程，直到得到適當的深度d(第2B圖)為止。
請再參閱第2C圖所示之實施例，在製造反射性偏光板的另一方法中，係將空氣孔隙(voided air)與具有適當折射率的無機或有機膠結材料(binder)混合。然後沿著一方向而伸展該介質。該空氣孔隙之尺寸小於沿著該方向的光之波長，且大於沿著正交方向的光之一些波長。空氣孔隙與膠結材料之相對比率等於用來決定有效非尋常及尋常折射率ne 及no 的通道之填充因數f1 。
可將本發明之反射性偏光板50用於一些不同的可能 實施例中之顯示器背板(backplane)照明。請參閱第6A圖，係將反射性偏光板50用於與錐形導光板30以及顯示器36中之光改向薄膜26光學接觸。背板照明組件的該組合將光導引通過LCD調變器40，增強光利用效率，且減少對通常被提供作為LCD調變器40的一部分的偏光組件之需求。請注意，在底面18及(或)端面19上設有諸如四分之一波膜等的偏振轉換器。
第6B圖示出用來於平坦或非錐形導光板12光學接觸之反射性偏光板50。於虛線所示的在獨立薄膜上之、或在基材表面中直接形成之或被施加到該基材表面之光萃取結構25提供了一光萃取件。如同第6A圖所示之實施例，該組合也有助於增強光利用效率，且減少或消除被設置在該顯示器系統的其他部位的偏光組件之需求。
可以一些不同的可能配置方式將反射性偏光板50與導光板12結合。第6A及6B圖示出反射性偏光板50被定位成朝向導光板12之上表面。
第6C、6D、及6E圖示出將反射性偏光板50定位成朝向導光板12的底部之實施例。為了在這些實施例中得到適當的性能水準，本發明的反射性偏光板50及該等光改向組件之位置看來是重要的。
首先請參閱第6C圖所示之例子，符合條件nLGP =no >ne 。因此，在平行於通道的平面中被偏振的光透射通過反射性偏光板50，且在垂直於通道的平面中被偏振的光被反射性偏光板50反射。然而，任一偏振光可被導引通過與反 射性偏光板50的功能相反之光萃取結構25。因此，此種配置無法執行大部分反射性偏光板應用之要求。
同樣地，在第6D圖中，符合條件no >ne =nLGP 。因此，在平行於通道的平面中被偏振的光被反射性偏光板50反射，且在垂直於通道的平面中被偏振的光透射通過反射性偏光板50。任一偏振光也自光萃取結構25離開，與第6C圖所示者類似。因此，該配置也不適用。
第6E圖示出：在反射性偏光板50被定位成朝向導光板12的底部之情形下，為了有效地使用反射性偏光板50，應如何配置各光萃取特徵。在第6E圖中，如同第6D圖，符合條件no >ne =nLGP 。然而，此處，光萃取結構25a被放置在導光板12之底面18。藉由將該等光萃取特徵之位置自頂面17重新設置在底面作為光萃取結構25a，在平行於通道的平面中被偏振的光被困在導光板12內，直到該光之偏振狀態被轉換為適用狀態為止。此處，只有具有垂直於通道的偏振軸之光自該導光板射出。
比較諸如前文先前技術一節中述及的那些反射性偏光板解決方案等的傳統反射性偏光板解決方案時，本發明之反射性偏光板提供了在導光板的寬廣光角度範圍中之較佳的偏光分離。藉由使用成形雙折射，本發明之反射性偏光板以小尺寸的低成本組件提供了高偏光分離度。
本發明特此引用在本說明書中提及的該等專利及其他出版物之全部內容以供參照。已特別參照本發明的某些較佳實施例而詳細說明了本發明，但是我們當了解：在本發 明的精神及範圍內可實現一些變化及修改。
10‧‧‧光束
12‧‧‧導光板
14‧‧‧光源
16‧‧‧入射面
17‧‧‧頂面
18‧‧‧底面
19‧‧‧端面
20‧‧‧反射性偏光板
25,25a‧‧‧光萃取結構
26‧‧‧光改向薄膜
30‧‧‧錐形導光板
31,32‧‧‧通道
33‧‧‧散佈材料
34‧‧‧基體材料
36‧‧‧顯示器
38‧‧‧背光裝置
40‧‧‧LCD調變器
50‧‧‧反射性偏光板
雖然本說明書最後將以明確地指出且清楚地要求本發明主題的權利之申請專利範圍作為結束，但是發明人相信：若參照前文中之說明，並配合各附圖，將可對本發明有更佳的了解，在該等附圖中：第1A圖以橫斷面示意圖示出使用具有反射性偏光板的背光單元時待解決之問題；第1B、1C、及1D圖示出比較例子之圖形，圖中示出使用反射性偏光板的傳統方法及材料時可得到的理論性能；第2A圖是具有根據本發明的成形雙折射的反射性偏光板的背光單元之透視示意圖；第2B圖是第2A圖中使用的反射性偏光板的實施例之透視圖；第2C圖是第2A圖中使用的反射性偏光板的另一實施例之透視圖；第3A至3D圖示出有效非尋常折射率ne 、尋常折射率no 、及雙折射值Δn=ne -no 係為填充因數f1 之函數；第4A至4F圖示出在nLGP =1.589時具有各種尺寸及光學參數的反射性偏光板之性能；第5A至5J圖示出在nLGP =1.49時具有各種尺寸及光學參數的該等例子之性能；第6A圖示出根據本發明的實施例而使用反射性偏光 板並配合錐形背光單元及光改向薄膜；第6B圖示出根據本發明的另一實施例而使用反射性偏光板並配合光萃取件；第6C圖示出根據比較例子而使用被定位成朝向導光板的底面之反射性偏光板；第6D圖示出根據另一比較例子而另外使用被定位成朝向導光板的底面之反射性偏光板；以及第6E圖示出根據本發明的實施例而使用被定位成朝向導光板的底面之反射性偏光板。
12‧‧‧導光板
14‧‧‧光源
16‧‧‧入射面
31,32‧‧‧通道
38‧‧‧背光裝置
50‧‧‧反射性偏光板

Claims (9)

  1. 一種背光單元，該背光單元按照順序包含：(1)光源；(2)具有朝向該光源的入射面且具有折射率nLGP 之導光板(LGP)；(3)具有與該LGP有光學接觸的成形雙折射之反射性偏光板，該反射性偏光板包含一層，該層具有：(a)具有折射率n1 之細長不導電第一材料；(b)具有與該第一材料的折射率間之差異至少為0.2的折射率n2 之細長不導電第二材料；其中係沿著大致垂直於該LGP的該入射面之方向而對準該第一材料及該第二材料；其中：(i)在平行於該LGP的該光入射面之平面中，該第一及第二材料的橫斷面尺寸中之寬度尺寸係小於100奈米；以及(ii)針對波長550奈米的光，且針對至少反射性偏光板光入射角θa ，而選擇該反射性偏光板的參數，以便將R0>0.8提供給偏振狀態，並將T90>0.8提供給正交偏振狀態，其中，該參數包括間距、厚度、橫斷面寬度、n1 、n2 、nLGP 、反射性偏光板之位置、及填充因數。
  2. 如申請專利範圍第1項之背光單元，其中，在部分(ii)中被選擇的該等參數滿足對接受角度θa 範圍的至少 20°之要求。
  3. 如申請專利範圍第1項之背光單元，其中，對於在介於90°-sin-1 ()與89°之間的角度入射到該反射性偏光板表面上的某些光而言，一個偏振狀態的R0>0.8，且正交偏振狀態的T90>0.8。
  4. 如申請專利範圍第1項之背光單元，其中，具有實質上平行於該導光板的該入射面的第一偏振軸的光之T0超過0.88。
  5. 如申請專利範圍第4項之背光單元，其中，具有實質上垂直於該第一偏振軸的第二偏振軸的光之R90超過0.88。
  6. 如申請專利範圍第1項之背光單元，其中，該反射性偏光板具有小於5微米之厚度。
  7. 如申請專利範圍第1項之背光單元，其中，該第一材料的該橫斷面尺寸與該間距P間之比率是在0.2與0.8間之範圍，其中，該間距P等於該第一材料的該橫斷面尺寸加上該反射性偏光板的該第二材料的該橫斷面尺寸。
  8. 如申請專利範圍第1項之背光單元，其中，該導光板是錐形的。
  9. 如申請專利範圍第8項之背光單元，復包含光改向薄膜。
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