TWI443420B - 增加液晶顯示器視角的光學膜 - Google Patents

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Description

增加液晶顯示器視角的光學膜
本發明係有關液晶顯示器，尤其是有關可增加液晶顯示器視角的光學膜。
圖1顯示液晶顯示器(LCD)100的各種不同的一般組件。一個背光單元(Black light unit)101，例如產生一個接近均勻的光線以照射液晶模組(LCD panel)103。液晶模組103被三明治式的結合於兩片偏光板(Polarizer)102之間。第一偏光板102位於背光單元101與液晶模組103之間，以極化(Polarize)進入液晶模組103的光線。第二偏光板102位於液晶模組103的相對端面，其極化方向與第一偏光板102的極化方向垂直，以阻擋任何穿過液晶模組103時未改變偏振(Polarization)的光線。此外，液晶顯示器100通常包括一蓋玻片(Cover glass)105以保護內部的組件。
然而液晶顯示器100的視角是有限的。無任何進一步增加視角的手段，典型的視角大約+/-30度，該範圍在許多應用上是不夠的，例如應用在電視或手提電腦上。事實上平板及行動電話需要有較大的視角以供多數人共用顯示。有關使一散射膜置於蓋玻片105及偏光板102之間的解決手段，常常會降低液晶顯示器100影像的清晰度。更複雜的解決手段例如變更液晶顯示器等其費用更高。
本發明揭示的技術及裝置是有關利用一光學膜(Optical film)以增加液晶顯示器的視角。
本發明的主要目的，在提供一種增加液晶顯示器視角的光學膜，此種光學膜可包含稜鏡結構(Prism structures)陣列及/或繞射元件(Diffractive elements)使穿過液晶模組的光線轉向，以增加液晶顯示器視角。稜鏡結構及/或繞射元件可間隔的設於光學膜，使至少一部分穿過液晶模組的光線沒有轉向。
本發明詳細的說明可利用不同型態的稜鏡結構及/或繞射元件，裝配在不同的光學膜上，以獲得不同的功效。
本發明揭示的液晶顯示器實施例，包括一背光元件，一第一偏光板，一液晶模組、一第二偏光板、一透明蓋片及一使光線轉向的膜。此膜可具有第一折射率及多個使光線轉向的結構，多個結構位於膜的一表面。膜的表面上設有多個沒有使光線轉向結構的區域。最後，此膜可被置於第二偏光板及透明蓋片之間。
完成此種液晶顯示器可包含一個或多個下列特徵。一稜鏡膜(Prism film)，其多個結構包括多個稜鏡結構。多個稜鏡結構沿著稜鏡膜的至少一維(長或寬)的方向週期性間隔的配置。每一個稜鏡結構具有一個特定寬度，且稜鏡結構之間的距離大於稜鏡結構的特定寬度。一個週期等於第一稜鏡結構的寬度加上相鄰的第一稜鏡結構與第二稜鏡結構之間的距離，第一稜鏡結構與第二稜鏡結構之間的距離為該週期的75%至85%。每一稜鏡結構的頂點面對第二偏光板。一媒介(Media)置於稜鏡膜及第二偏光板之間；媒介具有小於第一折射率的第二折射率。每一稜鏡結構呈三角形。一個週期等於第一稜鏡結構的寬度加上相鄰的第一稜鏡結構與第二稜鏡結構之間的距離，該週期小於液晶模組內的色彩元件(Color element)的寬度。
本發明揭示的液晶顯示器的另一個實施例，包括一背光單元、一第一偏光板、一液晶模組、一第二偏光板、一透明蓋片及一具有第一折射率及多個繞射結構的繞射膜。繞射膜置於第二偏光板及透明蓋片之間。
完成此種液晶顯示器可包含一個或多個下列特徵。多個繞射結構群(Groups of diffractive structures)沿著繞射膜的至少一維(長或寬)的方向週期性間隔的配置。一個週期等於第一繞射結構群的寬度加上相鄰的第一繞射結構群與第二繞射結構群之間的距離。一週期小於液晶模組內的色彩元件(Color element)的寬度。每一繞射結構群具有特定寬度，且每一繞射結構群之間的距離大於該特定寬度；一個週期等於第一繞射結構群的寬度加上相鄰的第一繞射結構群與第二繞射結構群之間的距離，第一繞射結構群與第二繞射結構群之間的距離為該週期的75%至85%。多個繞射結構群被設於面向第二偏光板的繞射膜的一端面。一媒介(Media)置於繞射膜及第二偏光板之間；媒介具有不同於第一折射率的第二折射率。多個繞射結構群設於繞射膜背向第二偏光板的端面。一媒介(Media)置於繞射膜及第二偏光板之間；媒介具有小於第一折射率的第二折射率。
本發明揭示的液晶顯示器的另一個實施例，包括一具有多個繞射結構群的繞射膜，該多個繞射結構群沿著繞射膜的至少一維(長或寬)的方向週期性間隔的配置。每一繞射結構群之間的距離可大於每一繞射結構群的寬度。此外繞射膜可與液晶模組相關配置，而使穿透液晶模組的光線中有一部分光線被繞射膜的繞射結構轉向。
完成此種液晶顯示器可包含一個或多個下列特徵。一個週期等於第一繞射結構群的寬度加上相鄰的第一繞射結構群與第二繞射結構群之間的距離，該週期小於液晶模組內的色彩元件的寬度。繞射結構被安裝以使光線在互相垂直的二維方向被轉向。
當結合附圖時將更充份的體會及更容易了解本發明的其他目的、特徵及功效，其中在多個圖中的參考編號係指相同或相似的元件。本發明的其他目的、功效，請參閱圖式及實施例，詳細說明如下。
下列說明使熟悉此項技術者能利用本發明，且提供特殊應用及必要條件的相關內容。熟悉本項技術者將容易及顯而易知的對於本發明實施例進行各種修飾，且在無背離本發明的精神及範圍的情況下，本發明實施例揭示的原理可適用於其他的實施例及應用。因此，本發明不限於實施例所揭示者，應涵蓋與本發明揭示的原理及特徵一致的最廣範圍。
圖2顯示一稜鏡202如何藉由折射使一光線201轉向。如圖2所示，光線201以角度θ1入射稜鏡202的前端面，在稜鏡202內部的被折射的光線的折射角度θ2被下列方程式所規範：
n1sinθ1=n2sinθ2　(1)
上式來自折射定律；其中n1是稜鏡202的外部介質的折射率，n2是稜鏡202內部的折射率。折射光線以角度θ3射入稜鏡202的後端面，且以角度θ4離開後端面。兩角度可由下列折射定律獲得：
n1sinθ4=n2sinθ3　(2)
經由方程式(1)、(2)可得知光線射入稜鏡的角度及射出稜鏡的角度之間的關係。一個稜鏡202或包括一個或多個稜鏡的結構，可被設計以改變射入的光線由一所需的角度射出。例如一稜鏡陣列或稜鏡結構302可設於一透明的膜上而形成一稜鏡膜300，如圖3A所示。稜鏡膜300可改變射入稜鏡膜300的光線201的方向至散開的方向。例如光線201-1射入設有稜鏡結構302的區域306，將穿透稜鏡膜300幾乎沒有改變方向。光線201-2射入有稜鏡結構302的區域，將被改變至不同的方向。
如圖1、3A所示，稜鏡結構302可沿著稜鏡膜300的至少一維(長或寬)呈週期性間隔的配置，以確保穿透下層的液晶模組103的光線被均勻的轉向。多色彩液晶模組的每一像素(Pixel)設有多種色彩元件或色彩濾器(典形的有三種)；每一週期301包括(第一)稜鏡結構302的寬度303及相鄰的兩稜鏡結構302(相鄰的第一稜鏡結構與第二稜鏡結構)之間的距離距離304；每一週期301的長度可被設定與液晶模組103的色彩元件有關，以協助確保下層的液晶模組103的每一色彩皆被轉向。例如液晶模組103的色彩元件的寬度為100微米(Microns)，則稜鏡膜300的週期301將少於100微米。(雖然週期301大於或等於下層的色彩單元的寬度也可以被使用，但產生的影像可能會有干涉條紋，例如莫爾條紋(Moire patterns))。此寬度有助於確保每一週期足夠小於僅含蓋一色彩元件的範圍。
稜鏡膜300內的稜鏡結構302之間的距離304也有助於確保穿透稜鏡膜300而無轉向的光線的數量。例如稜鏡膜300內的每一週期301，稜鏡結構302之間的距離304可大於每一稜鏡結構302的寬度303。此種設計有助於確保大多數的光線沒有被轉向的穿透稜鏡膜300。此外，稜鏡結構302之間的距離304可為週期301的75%至85%，因此射入稜鏡膜300的光線大約有15%至25%的光線被轉向。另外的實施例依據所需求功能的考量，可使稜鏡結構302之間的距離304大於或小於週期301的75%至85%。(此外，若稜鏡結構302的週期間隔沿著二維配置，將會增加稜鏡結構302之間的間隔區域，且稜鏡結構302的數量會相對的減少)。在稜鏡膜300上設有該種間隔，有助於確保在液晶顯示器的前方可看到使用此稜鏡膜300的液晶顯示器所顯示的清晰影像。
雖然圖3A所示的稜鏡膜300將入射的光線導向三個不同的射出方向，稜鏡膜300可使下層的液晶模組103所射出的光線轉向至稜鏡膜300所提供擴大視角範圍內的任何地方。這是由於從下層的液晶模組103射出的光線以不同的角度射入稜鏡膜300。如圖3B所示，由下層的液晶模組(圖中未顯示)射至稜鏡膜300的光線可呈錐狀。錐狀的光線310可具有+/-20至30度的半角(Half-angle)。稜鏡膜300導致錐狀的光線310穿透稜鏡膜300後形成錐狀的光線311，當時另外的錐狀的光線312沒有轉向。稜鏡膜300可被設計以確保被轉向的錐狀光線311與不被轉向的錐狀光線312互相垂疊，以從稜鏡膜300提供的擴大視角範圍內的任何地方清楚地看到液晶顯示器上的影像。此外，因為不同色彩的光線被稜鏡轉向的角度稍微的不同，錐狀的光線310使光線擴散有助於確保在視角範圍內的任何觀看位置觀看的色彩的稠厚度。
可用多種方法設計稜鏡膜300，考量的因素如所需要的視角和入射光線的半角(即錐狀的光線310)和製造上的考量。例如以鑽石加工(Diamond machining)高折射率的UV樹脂(UV curable polymer)可製成稜鏡膜300。此種類型的樹脂的折射率約為1.54，但也可使用折射率大於或小於1.54的其他樹脂。例如許多材料具有1.4的折射率，此種材料也可用於稜鏡膜300。一般而言，事實上稜鏡膜可由折射率大於與稜鏡膜連接，被入射光線穿過的介質的折射率的任何材料製成。另外或可選擇，稜鏡膜300可由多種不同折射率的多種材料所製成。
圖3C顯示使光線沿著一維轉向的稜鏡膜300-C實施例的立體圖。特別地，稜鏡結構沿著第一維延伸形成稜鏡柱320。稜鏡柱320使光線沿著大體上垂直第一維的第二維轉向。此種光線的一維轉向在許多應用上是很有用的。例如一具有稜鏡膜300-C的液晶電視或電腦顯示器，配置稜鏡柱320垂直的橫過螢幕將增加水平視角。
稜鏡膜300也可用以在二維上增加液晶顯示器的視角。例如，若一個如圖3C所示的稜鏡膜300-C的第一稜鏡膜300被安裝於液晶顯示器，使稜鏡柱320相對於液晶顯示器呈垂直的朝向，另一與第一稜鏡膜300相同的第二稜鏡膜300可高於第一稜鏡膜300，使第二稜鏡膜300的稜鏡柱320相對於液晶顯示器呈平行的朝向。如此設計，第一稜鏡膜將增加液晶顯示器的水平視角，第二稜鏡膜將增加液晶顯示器的垂直視角。此外，稜鏡結構302可在二維上週期間隔使單一稜鏡膜300可在二維上增加液晶顯示器的視角。如圖3A、3B所示三角形的稜鏡結構302可以呈角錐狀(不同於如圖3C所示向一維延伸的形狀)且沿著二維週期間隔配置。依據所需要的功能，稜鏡的形狀及/或稜鏡間的距離在不同的維上可以不同。
稜鏡膜300的稜鏡結構302的形狀可變化，依據多種考量例如製造上的考量及需要的功能。例如，但不能作為限制，稜鏡結構302可以是三角形、三角錐、四角錐、圓錐、多邊形、圓柱形、球形、半球形、梯形、半圓柱形等。此外，依據所需的功能，稜鏡結構302可以沿著不同的維有不同的形狀。甚至多種不同形狀的稜鏡結構302可用於單一的稜鏡膜300。
可改變稜鏡結構302的形狀以提供不同的功能，且可能需要稜鏡膜300的特定朝向。例如，有關三角形稜鏡結構，在有些稜鏡結構實施例的二邊的夾角可以是45度，但在其他的實施例可以包含較小的夾角，如30度或更小及/或大於如60度或更大。(如圖2所示，夾角能影響稜鏡使多少入射光線轉向)。此外，一般希望稜鏡膜300的朝向對應於下層的液晶模組，如此使液晶模組103射光的光線入射於稜鏡膜300具有稜鏡結構302的面，不在乎稜鏡結構302的形狀。另一方面，一般希望確保稜鏡結構302的頂端(如圖3A中的頂端305)面對偏光板因為光線穿過液晶模組103後有助於確保從液晶模組射出的光線適當的轉向，和降低光線會被內部的全反射而反射回至偏光板的可能性。
圖4顯示如何應用一稜鏡膜300，以設計一相較於圖1所示一般的液晶顯示器100具有更大的視角的改良的液晶顯示器400。例如可設置稜鏡膜300使背光單元101的光線穿過偏光板102及液晶模組103之後被稜鏡膜300轉向。液晶顯示器400的視角因稜鏡膜的折射角度而增大。
稜鏡膜300及液晶模組102之間的間隔406可以填充不同形態的媒介，或簡單的可以是空的。空的間隔406可使稜鏡膜300更容易使光線轉向，因為空氣(或真空)的折射率很低。此外，黏著劑或其他的材料可充填於間隔406以提供稜鏡膜300或蓋玻片105的進一步結構支撐。如上述只要材料的折射率小於稜鏡膜300(或更準確的說，稜鏡膜300內部的稜鏡結構302)，稜鏡膜300能有效的使穿透液晶模組103及偏光板102的光線轉向。因此，若使用黏著劑時，該黏著劑最好具有較低的折射率。
圖5A-5C顯示繞射膜(Diffractive films)500、500-B、500-C可如上述圖4顯示的稜鏡膜300的類似方式被應用。雖然稜鏡膜300利用折射使來自下層的液晶模組103的光線轉向，但繞射膜500能利用繞射的方式在同樣的情況下使光線轉向。例如圖5A顯示一繞射膜500利用一群繞射元件501如稜鏡膜300利用稜鏡結構302一般。繞射元件501之間的間隔加上繞射元件501的寬度定義一週期T，與繞射角θ5及繞射光線的波長入有關，為下列方程式所界定：
sinθ5=入/T　(3)
因為繞射膜500的每一群繞射元件501能如同稜鏡膜300的稜鏡結構302使光線轉向，繞射元件501群並且如同稜鏡膜300的稜鏡結構302可被週期性間隔的配置。特別地，繞射膜500可包含沒有繞射元件501的部分502，因此使至少一部分光線沒有被轉向的穿透繞射膜500。繞射元件501群之間的間隔可如上述稜鏡結構302之間的間隔一般。例如一週期等於每一繞射元件501群的寬度加上相鄰的群與群之間的間距，群與群之間的間距以大於週期的50%及/或在週期的75%至85%之間。
繞射膜500的繞射元件501典型地比相關的稜鏡膜300的稜鏡結構302小。例如稜鏡膜300沿著其一維具有週期性間隔配置的多個稜鏡結構302，可具有100微米的週期。假若稜鏡結構302之間的間隔為週期的80%，則每一稜鏡結構302的寬度大約20微米。對應的繞射膜500因而可有約20微米寬的繞射元件501群，而T(相對於個別繞射元件501的寬度及兩繞射元件501之間的間隔)約為0.9微米。在此例子，繞射膜500因而利用一群約有20個繞射元件501(換言之20個週期T)對應於稜鏡膜300的一個稜鏡結構302。
繞射元件501的高度可依據製造方法及其他因素而定，但一般將比對應的稜鏡結構302更低。例如約20微米寬的三角形的稜鏡結構302大約有10微米高，另一方面對應的約20微米寬的繞射元件501群中的每一繞射元件501的高度約為0.2至0.3微米。
製造繞射膜500不同於製造稜鏡膜300，例如可利用UV鑄造及/或浮雕技術於不同的材料，如UV樹脂製造繞射膜500，而不是使用鑽石加工技術。上述製造技術可用以製造繞射膜500，能在二維方向增加液晶顯示器的視角。美國專利US6,775,037，名稱為"格柵矩陣記錄系統(Grating Matrix Recording System)〞提供有些繞射膜500的製造技術，可全面的合併於本發明。
繞射元件501的製造影響繞射元件501的形狀。例如繞射元件501具有二元的結構(如一方形，如圖5A-5C所示者)可利用蝕刻技術製成，但利用UV鑄造及/或浮雕技術可能有困難。然而UV鑄造及/或浮雕技術可製造正弦曲線狀的繞射元件501。也可考量使繞射元件501具有除了二維或正弦曲線狀之外的形狀。
圖5B是一用於使光線沿著一維的方向轉向的繞射膜500-B實施例的立體示意圖。與圖3C所示的稜鏡膜300-C相類似，繞射膜500-B包括沿著一維延伸的繞射元件以形成繞射元件柱520。繞射元件柱520使光線沿著基本上垂直於一維的二維的方向轉向。此外，繞射元件柱群525可被週期的間隔，以確保一特定數量的光線穿過繞射膜500後被較少的轉向或沒有被轉向。
圖5C是一繞射膜500-C實施例的立體示意圖，用於使光線沿著二維的方向轉向。此實施例的繞射元件501並非沿著一維延伸，而是在二維上具有週期間隔取代。此外，繞射元件501的間隔在二維方向可不同，例如在一維上的週期T1可不同於在另一維上的週期T2，而在各維提供不同的視角。此外繞射元件501的群525可在一維或二維上週期性的間隔，且該間隔可依據需要的功能而變化。最後，可注意繞射膜500，如圖5A-5C所示者，可與繞射元件501向內面對一下層圖4顯示的液晶模組103及稜鏡結構102，或向外面對蓋玻片105，而微不足道或沒有影響繞射膜500使光線轉向的效力。
需了解，上述本發明揭示的例子、圖式及實施例僅為了說明的目的，熟悉此項技術者依照本申請聯想到的不同修飾或變化，將被包含於本申請的精神及範圍及請求項所請求保護的範圍。例如本說明書中顯示某些特徵的圖式已被簡化而未按照比例繪製。
此外，當與本申請的精神及要點一致時，本申請的例子中的特徵、圖式及實施例可被移除、增加、結合或分成不同的組件。因此，本申請上述說明不應被認為是請求項界定範圍的限制。
100、400．．．液晶顯示器
101．．．背光單元
102．．．偏光板
103．．．液晶模組
105．．．蓋玻片
201、201-1、201-2、310、311、312．．．光線
202．．．稜鏡
300、300-C．．．稜鏡膜
301．．．週期
302．．．稜鏡結構
303．．．寬度
304．．．距離
305．．．頂端
306．．．區域
320．．．稜鏡柱
406．．．間隔
500、500-B、500-C．．．繞射膜
501．．．繞射元件
502．．．部分
520．．．繞射元件柱
525．．．繞射元件柱群
T、T1 T2．．．週期
圖1為一般液晶顯示器的簡化的上視示意圖。
圖2為稜鏡的剖面示意圖。
圖3A為本發明增加液晶顯示器視角的光學膜實施例的部分稜鏡膜的上視的示意圖。
圖3B為本發明增加液晶顯示器視角的光學膜圖3A所示的部分稜鏡膜的另一上視示意圖。
圖3C為本發明增加液晶顯示器視角的光學膜實施例的部分稜鏡膜的立體示意圖。
圖4為本發明增加液晶顯示器視角的光學膜實施例的簡化的上視示意圖。
圖5A為本發明增加液晶顯示器視角的光學膜部分繞射膜實施例的上視示意圖。
圖5B為本發明增加液晶顯示器視角的光學膜部分繞射膜實施例的立體示意圖。
圖5C為本發明增加液晶顯示器視角的光學膜部分繞射膜另一實施例的立體示意圖。
101．．．背光單元
102．．．偏光板
103．．．液晶模組
105．．．蓋玻片
300．．．稜鏡膜
302．．．稜鏡結構
400．．．液晶顯示器
406．．．間隔

Claims (12)

  1. 一種液晶顯示器，包括：一背光單元；一第一偏光板；一液晶模組；一第二偏光板；一透明蓋片；及一繞射膜，用以使光線轉向；該繞射膜具有：一第一折射率，多個繞射結構；其中該繞射膜被置於第二偏光板及透明蓋片之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的液晶顯示器，其中該多個繞射結構包括多個繞射結構群；該多個繞射結構群沿著該繞射膜的至少一維的方向週期性間隔的配置。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的液晶顯示器，其中一個週期等於第一繞射結構群的寬度加上相鄰的該第一繞射結構群與第二繞射結構群之間的距離，該週期小於該液晶模組內的色彩元件的寬度。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的液晶顯示器，其中：該多個繞射結構群中的每一個群具有一個特定寬度；及該多個繞射結構群中的每一個群之間的距離大於該繞射結構群的特定寬度。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的液晶顯示器，其中一個週期等於第一繞射結構群的寬度加上相鄰的該第一繞射結構群與第二繞射結構群之間的距離，該第一繞射結構群與該第二繞射結構群之間的距離為該週期的75%至85%。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的液晶顯示器，其中該多個繞射結構位於該繞射膜的一表面；該多個繞射結構面對該第二偏光板。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的液晶顯示器，進一步包括一媒介；該媒介置於該繞射膜及該第二偏光板之間；該媒介具有不同於第一折射率的第二折射率。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的液晶顯示器，其中該多個繞射結構位於該繞射膜的一表面；該多個繞射結構背對該第二偏光板。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的液晶顯示器，進一步包括一媒介；該媒介置於該繞射膜及該第二偏光板之間；該媒介具有不同於第一折射率的第二折射率。
  10. 一種液晶顯示器，包括：一繞射膜，具有多個繞射結構群，其中：該多個繞射結構群沿著該繞射膜的至少一維的方向週期性間隔的配置；該多個繞射結構群中的每一個群之間的距離大於該每一個群的寬度；及 該繞射膜與該液晶模組相關配置，而使穿透該液晶模組的光線中有一部分光線被該繞射膜的繞射結構轉向。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的液晶顯示器，其中一個週期等於第一繞射結構群的寬度加上相鄰的該第一繞射結構群與第二繞射結構群之間的距離，該週期小於該液晶模組內的色彩元件的寬度。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的液晶顯示器，其中該繞射結構被安裝以使光線在互相垂直的二維方向被轉向。
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