TWI452402B - 顯示元件 - Google Patents

Description

顯示元件

本發明是有關於一種顯示元件，且特別是有關於一種自發光式的顯示元件。

習知的顯示元件包括顯示基板、多組光源模組以及多個微波導。顯示基板中具有多個彼此平行排列的光通道，藉由每一個微波導分別對準對應之光通道，以使光源模組所發出的光線可透過每一個微波導分別耦合到對應之這些光通道內。另外，顯示基板之光通道下配置有驅動電極，這些驅動電極可使與光通道連接之介質的折射率改變。這樣一來，光通道內光線的全反射便會被破壞，而由顯示基板之出光面出射，進而達到顯示的效果。

然而，在習知技術中，光源模組所發出的光線需藉由與光通道對準之微波導來耦合至光通道內，其中微波導與光通道對準的精準度會嚴重地影響到光線耦合至光通道的效率。換言之，習知的顯示元件其組裝精準度的要求極高，而使其組裝的複雜性增加。此外，為顯示全彩畫面，習知的顯示元件需採用多組光源模組，此設計亦使習知顯示元件的材料成本較高。承上述，如何開發出一種組裝精準度要求較低(組裝複雜性較低)的顯示元件，實為目前研發者亟欲達成的目標之一。

本發明提供一種顯示元件，此顯示元件之組裝精準度要求較低(組裝複雜性較低)。

本發明提供另一種顯示元件，此顯示元件之組裝精準度要求亦較低(組裝複雜性較低)。

本發明提出一種顯示元件，此顯示元件包括顯示基板、光波導、光柵以及第一發光元件。顯示基板具有多個光通道與入光側。光通道相互平行並且共同形成陣列配置的多個顯示畫素，其中每一光通道具有位於顯示基板入光側的入口。光波導設置於顯示基板的入光側。光柵設置於光波導上。第一發光元件提供第一光線。第一光線進入光波導並經光柵後出射至顯示基板的入光側。第一光線通過光柵後繞射成為多個沿不同角度出射且具有不同波長的第一組色光。第一組色光中包括複數不同波長的光，這些不同波長的光分別進入對應的光通道，以作為顯示畫素的光源。

本發明提出另一種顯示元件，此顯示元件包括顯示基板以及多個光源模組。顯示基板具有多個光通道與入光側。光通道相互平行並且共同形成陣列配置的多個顯示畫素。每一光通道具有位於該顯示基板入光側的入口。每一光源模組包括光波導、光柵以及發光元件。光波導設置於顯示基板的入光側。光柵設置於光波導上。發光元件提供單色光線進入光波導。單色光線進入光波導並經光柵後出射至顯示基板的入光側。不同的光源模組的發光元件提供 不同波長的光線，以在通過各自對應的光柵後繞射成為沿不同角度出射的多個色光，這些色光進入對應的光通道以作為顯示畫素的光源。

基於上述，在本發明之顯示元件中，藉由設置在光波導上的光柵可將發光元件所發出的光線繞射成為沿不同角度出射且具有不同波長的多組色光。因同一組色光中的光線互相平行，所以當光波導(或光柵)與光通道入口所在的入光側在與光通道延伸方向垂直的方向上發生位移時，光線耦合至光通道的效率不致受到嚴重的影響。換言之，本發明之顯示元件藉由上述之光柵，其組裝精準度的要求可被有效地降低，而使本發明之顯示元件易於組裝。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

【第一實施例】

圖1為本發明第一實施例之顯示元件100示意圖。請參照圖1，本實施例之顯示元件100包括顯示基板110、光波導120、光柵130以及第一發光元件140。在本實施例中，顯示基板110可具有多個光通道112、114、116與入光側110a，這些光通道112、114、116例如是相互平行並且共同形成陣列配置的多個顯示畫素P，每一光通道112、114、116具有入口112a、114a、116a位於顯示基板110的入光側110a。

更詳細地說，本實施例之光通道112、114、116的下方可配置有多條選擇電極SE與透明電極TE，其中選擇電極SE分別與光通道112、114、116平行且重疊，透明電極TE分別與光通道112、114、116垂直且重疊。當選擇電極SE與透明電極TE間有電位差時，與此選擇電極SE與此透明電極TE的重疊處A1對應的光通道112部份區域R1便可散射出光線，而成為一子顯示畫素P1。類似地，與選擇電極SE與透明電極TE的另一重疊處A2對應的光通道114部份區域R2亦可散射出光線，而成為另一子顯示畫素P2。同樣地，與選擇電極SE與透明電極TE之再一重疊處A3對應的光通道116部份區域R3亦可散射出光線，而成為再一子顯示畫素P3。舉例而言，若光通道112、114、116之部分區域R1、R2、R3可各自散射出不同顏色的色光，則這些子顯示畫素P1、P2、P3可構成一顯示畫素P。

在本實施例中，光波導120可設置於顯示基板110的入光側110a。更進一步地說，本實施例之光波導120具有入光面120a與出光面120b，入光面120a與出光面120b具有夾角θ。在本實施例中，夾角θ例如為90⁰，但本發明不限於此，夾角θ亦可依據實際的設計需求作不同的設計。另外，第一發光元件140設置於入光面120a，出光面120b則面向顯示基板110之入光側110a。在本實施例中，光波導120適於將第一發光元件140所發出之光線L均勻地透過其出光面120b往入口112a、114a、116a傳遞過去。 本實施例之光波導120的材質可為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)、聚碳酸脂(polycarbonate,PC)或玻璃，但本發明並不以此為限。

在本實施例中，光柵130設置光波導120上。更進一步地說，本實施例之光柵130可設置於與出光面120b相對之背面120c。然，本發明不限於此，在其他實施例中，光柵130亦可設置於光波導120之出光面120b，例如為圖2中所示。當然，光波導120之出光面120b與背面120c亦可同時設置有光柵130。此外，本實施例之光柵130的節距(pitch)D可介於250奈米至475奈米之間，例如為圖3所示。詳言之，光柵的節距D可依據第一發光元件140所發出之光線L的波長分布來進行設計。舉例而言，當第一發光元件140所發出之光線L的波長分布為400奈米至700奈米之間(即可見光之波長分佈範圍)時，光柵130的節距D較佳地是介於325奈米至400奈米之間。然本發明不限於此，當第一發光元件140所發出之光線L的波長分布包括近紫外光區(即320奈米至400奈米)時，光柵的節距(pitch)D亦可是介於250奈米至475奈米之間。

在本實施例中，光柵130可包括多個微結構132，其中各微結構132間之間距D(即光柵的節距D)例如為固定值。然，本發明不限於此，在其他實施例中，各微結構132間之間距D亦可根據光線L在光波導120背面120c上的光強度分佈來進行設計。舉例而言，當距離入光面120a較遠那端的背面120c上的光強度分佈較弱時，可將背面 120c上光強度分佈較強之區域，其上的多個微結構132間之間距D設計地較窄，以使通過這些間距D較窄之微結構132的光線L可以較大的角度傳遞出去，而進入距離入光面120a較遠的光通道112、114、116中，進而增加顯示元件100之均勻性。更進一步地說，光柵的節距D(即各微結構132間之間距D)可依實際的設計需求來進行各種不同的設計。

在本實施例中，光柵130具有固定的深度d，例如為圖3中所示。意即，光柵130可包括多個微結構132，其中各微結構132之深度d皆相同。然，本發明不限於此，在其他實施例中，光柵130亦可具有兩種以上的深度d。舉例而言，在其他實施例中，光柵130亦可具漸變深度d。意即，光柵130可包括多個微結構132，其中各微結構132之深度d可不相同。舉例而言，各微結構132之深度d可隨著其與入光面120a之距離K變大而漸漸變深，例如為圖4中所示。更進一步地說，此種深度d漸變之光柵130，可使光線L更均勻地自光波導120中傳導出去，進而使光線L更均勻地進入各個光通道112、114、116中。換言之，這種深度d漸變之光柵130，可使顯示元件100的均勻性更佳。

在本實施例中，光柵130可包括多個微結構132，這些微結構132例如為多個彼此平行的矩形柱。詳言之，若入光面110a位於x-z平面，則這些微結構132可為沿著x方向延伸的多個矩形柱，例如為圖5中所示。然，本發明 不限於此，在其他實施例中，微結構132亦可為等腰三角形柱(如圖6所示)、直角三角形柱(如圖7所示)、其他多邊形柱或不規則形狀的柱體。值得一提的是，微結構132的形狀及配置方式可影響光柵130對光線L的繞射效率(diffraction efficiency)。換言之，設計者可藉由改變微結構132的形狀(或配置方式)來優化(optimax)光柵130的繞射效率。

舉例而言，若這些微結構132為多個彼此平行且沿x方向延伸之等腰三角形柱(圖6所示)，其中各等腰三角形柱的底邊寬度及深度分別為W及d，各等腰三角形柱間之間距均為k，則當等腰三角形柱的深度d越深、填滿率(W/K)越大或深寬比(W/d)越大時，光柵130的繞射效率越好。具體而言，若這些微結構132(等腰三角形柱)之填滿率(W/K)及深寬比(W/d)皆大於0.5時，光柵130的繞射效率佳。

本實施例之第一發光元件140適於提供第一光線L進入光波導120，並經光柵130後出射至顯示基板110的入光側110a，其中第一光線L通過光柵130後繞射成為多個沿不同角度出射且具有不同波長的第一組色光G，而第一組色光G中包括有複數個不同波長的光，這些不同波長的光並分別進入對應的光通道(例如112、114、116)，以作為顯示畫素P的光源。在本實施例中，第一發光元件140可為白光發光二極體，但本發明並不以此為限。

舉例而言，在本實施例中，第一光線L由入光面120a進入光波導120後，通過光柵130而繞射成多組第一組色光G。以圖2之實施例來說明，第一組色光G可包括第一 色光L1、第二色光L2以及第三色光L3，其中第一色光L1、第二色光L2以及第三色光L3分別進入對應之第一色光通道112、第二色光通道114以及第三色光通道116。具體而言，第一色光L1、第二色光L2以及第三色光L3可分別為紅色光、綠色光以及藍色光，第一色光通道112、第二色光通道114以及第三色光通道116可分別為紅色光通道、藍色光通道以及綠色光通道，紅色光進入對應的紅色光通道，藍色光進入對應的藍色光通道，綠色光進入對應的綠色光通道。此外，這些光通道(例如112、114、116)係以第一色光通道112、第二色光通道114以及第三色光通道116的順序重複排列。舉例而言，在本實施例中，紅色光通道、綠色光通道以及藍色光通道可依此順序沿著負z方向重複排列。

在本實施例中，因光柵130的繞射作用同一組第一組色光G中的第一色光L1、第二色光L2以及第三色光L3可分別以三個不同的方向D1、D2、D3自光波導120中出射，進而可分別進入三個不同的位置的第一色光通道112、第二色光通道114以及第三色光通道116。值得一提的是，不同組中的各個第一色光L1(或各個第二色光L2、各個第三色光L3)自光波導120中出射的方向相互平行。如此一來，當光波導120(或光柵130)與顯示基板110的入光側110a有一z方向上的位移時，同是沿著方向D1(或方向D2、或方向D3)出射的另一組第一組色光G中的第一色光L1(或第二組色光L2、或第三組色光L3)仍可進入原對 應的第一色光通道112(或第二色光通道114、或第三色光通道116)中。換言之，本實施例之顯示元件100可藉由光柵130將其組裝精準度的要求有效地降低，而使其容易組裝。

本實施例之顯示元件100可進一步包括多個微透鏡150，這些微透鏡150可分別設置於光通道的入口112a、114a、116a。舉例而言，本實施例之微透鏡150可為曲率半徑介於0.25~0.33釐米之間的平凸透鏡，其凸面150a朝向出光面120b，其凸面150a朝向光通道的入口112a、114a、116a，其中這些微透鏡150的焦平面(focal plane)即為光通道的入口112a、114a、116a所在的入光側110a。

在本實施例中，微透鏡150主要是用來將不同組中的第一光線L1(或第二光線L2、或第三光線L3)聚焦至同第一光通道112(或第二光通道114、或第三光通道116)的入口112a(或114a、或116a)中的。換言之，這些微透鏡150可使第一光線L1(或第二光線L2、或第三光線L3)更有效率地進入第一光通道112(或第二光通道114、或第三光通道116)中，以作為顯示畫素P的光源。在本實施例中，這些微透鏡150可透過光學膠黏著在入光側110a上，光學膠的折射率可與微透鏡150的折射率搭配，以使第一光線L1(或第二光線L2、或第三光線L3)進入第一光通道112(或第二光通道114、或第三光通道116)中的效率更佳。舉例而言，微透鏡150的折射率可為1.58，光學膠的折射率可為1.2。

本實施例之顯示元件100更可包括反射片160，設置於光波導120之相對於出光面120b之背面120c。在本實施例中，反射片160可將自背面120c穿出之光線L反射回光波導120中，進而增加本實施例之顯示元件100的光利用效率。

【第二實施例】

圖8為本發明第二實施例之顯示元件100A示意圖。請參照圖8，本實施例之顯示元件100A與第一實施例之顯示元件100類似，因此與圖1相同的元件以相同的符號表示。以下就兩者相異之處做說明，相同之處就不再重述。

本實施例之顯示元件100A包括顯示基板110、光波導120、光柵130以及第一發光元件140。本實施例之顯示元件100A更包括第二發光元件140’，此第二發光元件140’設置於相對入光面120a之側面120d，此第二發光元件140’提供第二光線L’進入光波導120，並經光柵130後出射至顯示基板110的入光側110a，第二光線L’通過光柵130後繞射成為多個沿不同角度出射且具有不同波長的第二組色光G’，而第二組色光G’中包括有複數不同波長的光，這些不同波長的光分別進入對應的光通道(例如光通道112、114、116)，以作為顯示畫素P的光源。在本實施例中，第一發光元件140與第二發光元件140’皆為白光發光元件，例如白光發光二極體。

在本實施例中，由第一發光元件140發出之光線L透 過光柵130可所繞射出多組第一組色光G，由第二發光元件140’發出之光線L’透過光柵130可繞射出多組第二組色光G’，其中第一組色光G與第二組色光G’的顏色分佈呈鏡像對稱。詳言之，第一組色光G可包括第一色光L1、第二色光L2以及第三色光L3，第二組色光G’可包括第一色光L1’、第二色光L2’以及第三色光L3’，其中第三色光L3與第三色光L3’可重疊且沿著y方向離開出光面120b，第二色光L2與第二色光L2’以第三色光L3(或第三色光L3’)出射出光面120b的方向為軸而成鏡像對稱，第一色光L1與第一色光L1’亦以第三色光L3(或第三色光L3’)出射出光面120b的方向為軸而成鏡像對稱。

在本實施例中，第一色光L1(或L1’)、第二色光L2(或L2’)以及第三色光L3(或L3’)分別進入對應之第一色光通道112、第二色光通道114以及第三色光通道116。具體而言，第一色光L1(或L1’)、第二色光L2(或L2’)以及第三色光L3(或L3’)可分別為紅色光、綠色光以及藍色光，第一色光通道112、第二色光通道114以及第三色光通道116可分別為紅色光通道、藍色光通道以及綠色光通道，紅色光進入對應的紅色光通道，藍色光進入對應的藍色光通道，綠色光進入對應的綠色光通道。

在本實施例中，光通道112、114、116是以第一色光通道112、第二色光通道114、第三色光通道116以及第二光通道114的順序重複排列。舉例而言，光通道112、114、116、114分別是以紅色光通道、綠色光通道、藍色光通道 以及綠色光通道的順序沿著負z方向重複排列。

值得一提的是，在本實施例中，不同第一組色光G中的各個第一色光L1(或各個第二色光L2、各個第三色光L3)自光波導120中出射的方向相互平行。另外，不同第二組色光G’中的各個第一色光L1’(或各個第二色光L2’、各個第三色光L3’)自光波導120中出射的方向亦相互平行。這樣一來，當光波導120(或光柵130)與顯示基板110的入光側110a有一z方向上的位移時，各色光L1、L2、L3、L1’、L2’、L3’仍可進入對應的第一色光通道112(或第二色光通道114、或第三色光通道116)中。換言之，本實施例之顯示元件100A亦可藉由光柵130將其組裝精準度的要求有效地降低，而使其容易組裝。此外，因本實施例之光波導120的兩側皆設置有發光元件，所以本實施例之顯示元件100A的亮度及均勻性的表現佳。

然，本實施例僅以特定節距D之光柵130來說明第一組色光G與第二組色光G’之各光色路徑，但本發明不以此為限，可依據不同光柵130之節距D來設計出不同的各光色路徑，同時也會形成不同顏色組合之顯示畫素P。

【第三實施例】

圖9為本發明第三實施例之顯示元件100B示意圖。請參照圖9，本實施例之顯示元件100B與第一實施例之顯示元件100類似，惟本實施例之第一發光元件140的配置方式與第一實施例中的配置方式不同。

在本實施例中，光波導120具有出光面120b與相對出光面120b之入光面120a，而第一發光元件140設置於入光面120a，且出光面120b則面向顯示基板110之入光側110a。另外，本實施例之光柵130設置於光波導120之出光面。值得一提的是，本實施例之第一發光元件140所發出的光線可經過準直系統調校，以使光線可以合適的角度通過光柵130。本實施例之顯示元件100B與第一實施例之顯示元件100具有類似的功能與優點，於此便不再重述。

綜上所述，在本發明之一實施例之顯示元件中，藉由設置在光波導上的光柵可將發光元件所發出的光線繞射成為沿不同角度出射且具有不同波長的多組色光。因同一組色光中的光線互相平行，所以當光波導(或光柵)與光通道入口所在的入光側在與光通道延伸方向垂直的方向上發生位移時，光線耦合至光通道的效率不致受到嚴重的影響。換言之，本發明之顯示元件藉由上述之光柵，其組裝精準度的要求可被有效地降低，而使本發明之顯示元件易於組裝。

此外，在本發明之另一實施例之顯示元件中，藉由設置在各光源模組中的光柵可將各發光元件所發出各色光線以不同的角度繞射出去，進而可分別進入對應的光通道中。因由同一光源模組繞射出去的光線彼此相互平行，所以光源模組與入光側在與光通道延伸方向垂直的方向上發生位移時，光線耦合至光通道的效率不致受到嚴重的影響。換言之，本發明之另一實施例之顯示元件藉由上述之光柵，其組裝精準度的要求亦可被有效地降低。此外，因 本發明之另一實施例之顯示元件是利用不同的光源模組分別提供不同的色光進入顯示基板中，因此本發明之另一實施例之顯示元件其色彩飽和度(color saturation)的特性佳。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、100A、100B、100C、200‧‧‧顯示元件

110、210‧‧‧顯示基板

110a、210a、210a’‧‧‧入光側

112、114、116、212、214、216‧‧‧光通道

112a、114a、116a、212a、214a、216a‧‧‧光通道入口

120、222、222A、222B、222C‧‧‧光波導

120a‧‧‧入光面

120b‧‧‧出光面

120c‧‧‧光波導背面

130、224‧‧‧光柵

132‧‧‧微結構

140、140’、226、226A、226B、226C‧‧‧發光元件

150‧‧‧微透鏡

150a‧‧‧微透鏡凸面

160‧‧‧反射片

220‧‧‧光源模組

P‧‧‧顯示畫素

SE‧‧‧選擇電極

TE‧‧‧透明電極

A1、A2、A3‧‧‧重疊處

R1、R2、R3‧‧‧光通道部份區域

P1、P2、P3‧‧‧子顯示畫素

θ‧‧‧夾角

L、L’、L1、L2、L3、L1’、L2’、L3’‧‧‧光線

D‧‧‧節距

d‧‧‧深度

K‧‧‧距離

k‧‧‧間距

W‧‧‧寬度

x、y、z、D1、D2、D3‧‧‧方向

G、G’‧‧‧一組色光

圖1為本發明第一實施例之顯示元件示意圖。

圖2為本發明一實施例之顯示元件示意圖。

圖3、圖4、圖6、圖7為本發明之一實施例之光柵剖面示意圖。

圖5為本發明之一實施例之光柵上視示意圖。

圖8為本發明第二實施例之顯示元件示意圖。

圖9為本發明第三實施例之顯示元件示意圖。

圖10為本發明第四實施例之顯示元件示意圖。

100‧‧‧顯示元件

110‧‧‧顯示基板

110a‧‧‧入光側

112、114、116‧‧‧光通道

112a、114a、116a‧‧‧光通道入口

120‧‧‧光波導

120a‧‧‧入光面

120b‧‧‧出光面

120c‧‧‧光波導背面

130‧‧‧光柵

132‧‧‧微結構

140‧‧‧發光元件

150‧‧‧微透鏡

150a‧‧‧微透鏡凸面

160‧‧‧反射片

P‧‧‧顯示畫素

SE‧‧‧選擇電極

TE‧‧‧透明電極

A1、A2、A3‧‧‧重疊處

R1、R2、R3‧‧‧光通道部份區域

P1、P2、P3‧‧‧子顯示畫素

θ‧‧‧夾角

L、L1、L2、L3‧‧‧光線

x、y、z、D1、D2、D3‧‧‧方向

G‧‧‧一組色光

Claims (10)

1. 一種顯示元件，包括：一顯示基板，具有多個光通道與一入光側，該些光通道相互平行並且共同形成陣列配置的多個顯示畫素，每一光通道具有一入口位於該顯示基板的該入光側；一光波導，設置於該顯示基板的該入光側；一光柵，設置於該光波導上；一第一發光元件，提供一第一光線進入該光波導，並經該光柵後出射至該顯示基板的該入光側，其中該第一光線通過該光柵後繞射成為多個沿不同角度出射且具有不同波長的一第一組色光，而該第一組色光中包括有複數不同波長的光，該些不同波長的光並分別進入對應的該些光通道，以作為該些顯示畫素的光源，其中該光波導具有一入光面與一出光面，該光波導的該入光面與該光波導的該出光面具有一夾角，該第一發光元件設置於該光波導的該入光面旁，該光波導的該出光面向該顯示基板之該入光側；多個選擇電極與多個透明電極，配置於該些光通道下方，其中該些選擇電極分別與該些光通道平行且重疊，該些透明電極分別與該些光通道垂直且重疊，當其中一該選擇電極與其中一該透明電極之間有電位差時，與該選擇電極和該透明電極的重疊處對應的其中一該光通道的部份區域散射出一光線，而成為一子顯示畫素；以及多個微透鏡，設置於該些光通道的該些入口，每一該微透鏡的曲率半徑介於0.25釐米至0.33釐米，每一該微 透鏡為一平凸透鏡，該平凸透鏡的一凸面朝向該出光面，該些微透鏡的一焦平面位於該些光通道的該些入口所在的該入光側。
2. 如申請專利範圍第1項所述的顯示元件，其中該光柵的節距(pitch)介於250奈米至475奈米之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述的顯示元件，其中該光柵具有單一深度。
4. 如申請專利範圍第1項所述的顯示元件，其中該光柵具有漸變深度。
5. 如申請專利範圍第1項所述的顯示元件，其中該些不同波長的光包括一第一色光、一第二色光以及一第三色光，且該些光通道係以第一色光通道、第二色光通道以及第三色光通道的順序重複排列。
6. 如申請專利範圍第1項所述的顯示元件，其中該光柵設置於該光波導之該出光面或一相對於該出光面之背面。
7. 如申請專利範圍第1項所述的顯示元件，更包括一反射片，設置於該光波導之一相對於該出光面之背面。
8. 如申請專利範圍第1項所述的顯示元件，更包括一第二發光元件，設置於一相對該入光面之側面，該第二發光元件提供一第二光線進入該光波導，並經該光柵後出射至該顯示基板的該入光側，該第二光線通過該光柵後繞射成為多個沿不同角度出射且具有不同波長的一第二組色光，而該第二組色光中包括有複數不同波長的光，該些不 同波長的光分別進入對應的該些光通道，以作為該些顯示畫素的光源，其中該第一組色光與該第二組色光的顏色分佈呈鏡像對稱。
9. 如申請專利範圍第8項所述的顯示元件，其中該第一組色光與該第二組色光各自包括一第一色光、一第二色光以及一第三色光，且該些光通道係以第一色光通道、第二色光通道、第三色光通道以及一第二光通道的順序重複排列。
10. 如申請專利範圍第1項所述的顯示元件，其中該光柵設置於該光波導之出光面。