TWI472841B - 顯示裝置 - Google Patents

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Description

顯示裝置
本發明係有關於顯示裝置，特別係有關於具有繞射光學元件的顯示裝置。
目前影像顯示器主要有液晶顯示器、電漿顯示器、有機發光二極體顯示器及電子紙顯示器等等。其中，液晶顯示裝置係一非自發光之顯示器，因此，一般需利用背光源來產生光線，並使其穿透擴散膜、增亮膜等光學膜層，來形成一均勻之平面光射入液晶顯示面板，藉以呈現影像。
扭轉向列型(Twisted Nematic；TN)或超扭轉向列型(Super Twisted Nematic；STN)為常用之液晶顯示器之一。這類液晶顯示器雖然具有價格上的優勢，但其可視角卻較一般廣視角液晶顯示器(例如：多區域垂直配向(Multi-domain Vertical Alignment；MVA)液晶顯示器、平面內切換液晶顯示器(In-Plane Switching；IPS)、邊緣電場切換(Fringe field Switching；FFS)液晶顯示器等等)來得小。
所謂的可視角係指顯示器在某視角範圍以內，其影像品質仍能保持一定的水準。例如，就一般桌上型液晶顯示器而言，主要的觀賞視角為正視角，故對設計者而言，因為液晶分子的不同排列會造成不同之光學效果，所以會以正視角為主要考量來設計顯示器。於是當觀察者從液晶顯示器的側視角來觀賞影像時，便會察覺到影像的色彩及亮度與正視觀賞時不同，而且會隨著視角變大而差異更大。常用的液晶顯示器中，其中以TN型之上述情況為最甚。就未加任何視角補償機制的TN液晶顯示器而言，通常，從液晶顯示器的側視角所觀察之影像會有對比度嚴重降低(下降到10以下)、灰階反轉程度等問題。
因此，需要一種顯示裝置，其可同時改善對比度、灰階反轉等等影像品質的問題。
本發明係有關於一種顯示裝置，可同時改善對比度與灰階反轉等影像品質的問題。
提供一種顯示裝置。顯示裝置包括一顯示器與一繞射光學元件。顯示器用以顯示一影像。繞射光學元件配置於顯示器的一出光側上。繞射光學元件包括複數個第一光柵區域。各個第一光柵區域具有週期固定且方位角相同的複數個第一繞射光柵。第一光柵區域占繞射光學元件面積之17.5%~94%。
下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
第1圖繪示本發明一實施例之顯示裝置的立體圖。第2圖至第11圖、第20圖至第32圖繪示實施例中的繞射光學元件。第12圖至第19圖繪示實施例中繞射光學元件的光柵區域。第33圖繪示一實施例之顯示裝置的剖面圖。第34圖繪示顯示器中之配向膜與液晶層的立體圖。第35圖繪示液晶層中液晶分子的液晶傾倒方位角。第36圖至第41圖繪示繞射光學元件與偏光板之偏光方向的關係。第42圖顯示具有兩種方位角之繞射光柵的繞射光學元件對顯示器之對比的影響。第43圖繪示顯示裝置在未使用繞射光學元件(比較例)時正視角(天頂角0度)與側視角(天頂角45度與60度)之伽瑪曲線。第44圖繪示使用繞射光學元件之顯示裝置於正視角(天頂角0度)與側視角(天頂角45度與60度)之伽瑪曲線。第45圖顯示具有三種方位角之繞射光柵的繞射光學元件對顯示器之對比與亮態之亮度的影響。第46圖顯示具有三種方位角之繞射光柵的繞射光學元件對顯示器之對比與暗態之亮度的影響。第47圖繪示顯示裝置在未使用繞射光學元件(比較例)時正視角(天頂角0度)與側視角(天頂角45度與60度)之伽瑪曲線。第48圖繪示使用繞射光學元件之顯示裝置於正視角(天頂角0度)與側視角(天頂角45度與60度)之伽瑪曲線。第49圖至第51圖繪示繞射光學元件與顯示器之畫素的關係。第52圖至第59圖繪示光柵區域與畫素單元區域的配置。第60圖繪示顯示裝置之對比、亮態之亮度與繞射光學元件之光柵區域之間的距離的關係曲線。
請參照第1圖，繞射光學元件2係配置在用以顯示影像之顯示器10的出光側上。顯示器10可為液晶顯示器、電漿顯示器、有機發光二極體顯示器及電子紙顯示器或其他用來顯示影像之顯示器。同時前述顯示器10也可以與其他元件(例如裝置觸控元件而形成一觸控面板)做結合，繞射光學元件2亦可配置在其他元件(例如抗反射膜、觸控面板)並配置在顯示影像之顯示器10的出光側上。其中液晶顯示器可為垂直或多域垂直配向型(Vertical Aligned/Multi-domain Vertical Aligned)液晶顯示器、扭轉向列型(Twisted Nematic；TN)液晶顯示器、超扭轉向列型(Super Twisted Nematic；STN)液晶顯示器、光學補償彎曲型(Optically compensated bend；OCB)液晶顯示器或色序法(color sequential)液晶顯示器(即無CF液晶顯示器)。繞射光學元件2可為設置有光柵(例如相位光柵)之膜片，用以繞射顯示器10所發出之光線。在此將觀看液晶顯示器的觀測角以球座標系統中的天頂角θ與方位角ψ來表示。其中，ψ為方位角，此方位角ψ為圖中在X軸及Y軸平面上與X軸所夾的角度。而天頂角θ為與X軸及Y軸平面垂直之Z軸之夾角。而任意兩方向所夾角度的表示方式以逆時針方向夾角為正、順時針方向夾角為負。
請參照第2圖，於實施例中，繞射光學元件32係包括互相分開的光柵區域43與光柵區域53。繞射光學元件32之光柵區域43與光柵區域53以外的「一般區域(或非光柵區域)」係產生較低程度之繞射作用的區域，詳細地來說，光柵區域43與光柵區域53能對特定方向穿透的光線造成零階繞射(出射方向不變直接出射)光和非零階繞射(出射方向改變)光總和之強度比低於100:1的高繞射效果，「一般區域(或非光柵區域)」則係對穿透的光線造成零階繞射(直接出射)光和非零階繞射(出射方向改變)總合光之強度比高於100:1的低繞射效果，以增強光的透過量。或者，「一般區域(或非光柵區域)」幾乎不讓光線穿過，亦即為非透光的區域，也可以有相同的效果。光柵區域43與光柵區域53係分別排列成複數個橫列。交錯排列的光柵區域43與光柵區域53係構成複數個直行。光柵區域43與光柵區域53係分別具有週期固定(亦即繞射光柵44結構之波峰(波谷)連線間具有一致的間距，或繞射光柵54結構之波峰(波谷)連線間具有一致的間距)且方向(方位角)相同的繞射光柵44與繞射光柵54。
於實施例中，繞射光柵的方向係以繞射光柵結構上波峰(波谷)連線的方向。光柵區域中以實線表示實施例中繞射光柵的方向，繞射光柵的方向與X軸所夾的角度為繞射光柵之方位角τ。於一實施例中，繞射光柵的週期表示繞射光柵結構中波峰與波峰之間(或波谷與波谷之間)的間距。例如，繞射光柵44的週期D1係1 μm，表示光柵區域43中的繞射光柵結構中波峰與波峰之間距為1 μm。繞射光柵54的週期D2也可為1 μm。繞射光柵44的方向係不同於繞射光柵54的方向。繞射光柵44的方向可垂直於繞射光柵54的方向。於此例中，舉例來說，繞射光柵44的方位角τ1係90度，繞射光柵54的方位角係0度。光柵區域43與光柵區域53可為圓形，分別具有直徑K1以及K2例如28 μm-29 μm。繞射光柵材料的折射率約為1.49，波峰與波谷之間高低的差約為0.4μm。繞射光柵結構的設計例如材料的折射率、波峰與波峰之間距、波峰與波谷之間的高低差的設計，以能對特定方向穿透的光線造成零階繞射(直接出射)光和某特定範圍的非零階繞射(例如出射方向相較於原入射方向產生偏折大於15度以上之繞射範圍)光總合之強度比低於100:1的高繞射效果為宜。非光柵區域則設計係對穿透的光線造成零階繞射(直接出射)光和某特定範圍的非零階繞射(例如出射方向相較於原入射方向產生偏折大於15度以上之繞射範圍)總合光之強度比高於100:1的低繞射效果為宜，設計方法則不再贅述。
於其他實施例中，單一個光柵區域亦可具有方位角相同而週期有變化的繞射光柵。舉例來說，在單一個光柵區域中，係由兩組波峰(波谷)連線間距的繞射光柵所組成，大致為1 μm與0.5 μm。光柵區域可占繞射光學元件面積之17.5%~94%。
請參照第2圖，在由光柵區域43與光柵區域53交錯配置所構成之行列中，光柵區域43與光柵區域53之間的最近距離可視實際需求調整成固定或具有變化性的。舉例來說，光柵區域43與光柵區域53之間的最近的距離S1、S2可介於1 μm-15 μm，例如皆為1 μm、9 μm或15 μm。於其他實施例中，距離S1係9 μm，距離S2係15 μm。於另一實施例中，光柵區域43與光柵區域53之間的最近的距離可以為0甚至是負數(即光柵區域43與光柵區域53有互相重疊的區域)。
請參照第2圖，舉例來說，在分別由光柵區域43與光柵區域53所構成之行列中，光柵區域43之間的最近距離與光柵區域53之間的最近距離可分別視實際需求調整成固定或具有變化性的。於一實施例中，光柵區域43之間的最近的距離S4與光柵區域53之間的最近的距離S5係分別介於1 μm-15 μm，例如1 μm與13 μm。於另一實施例中，光柵區域43之間的最近的距離S4與光柵區域53之間的最近的距離S5可以為0甚至是負數(即光柵區域43之間或光柵區域53之間有互相重疊的區域)。
於一實施例中，繞射光學元件中第一種繞射光柵之方位角為0±60度(亦即表示角度的範圍係落在大於或等於-60度，小於或等於+60度，或等於0度，之後相似的概念不再重述)，較佳係0±20度，且第二種繞射光柵之方位角為90±60度，較佳係90±20度。於另一實施例中，第一種繞射光柵之方位角為+45度±20度，較佳係+45±10度，且第二種繞射光柵之方位角為135度±20度，較佳係135±10度。於又另一實施例中，第一種繞射光柵之方位角為-45度±20度，較佳係-45度±10度，且第二種繞射光柵之方位角為45度±20度，較佳係45度±10度。第一種光柵區域可占繞射光學元件面積之17.5%~38.5%，且第二種光柵區域可占繞射光學元件面積之17.5%~38.5%。第3圖之繞射光學元件62與第2圖之繞射光學元件32的不同處在於，繞射光學元件62係具有繞射光柵74方位角一致的光柵區域73。
第4圖之繞射光學元件82與第2圖之繞射光學元件32的不同處在於，繞射光學元件82係包括繞射光柵94、104與114方位角不同的光柵區域93、103與113。舉例來說，繞射光柵94的方位角τ2係135度，繞射光柵104的方位角係0度，繞射光柵114的方位角τ3係45度。
於一實施例中，繞射光學元件中第一種、第二種與第三種繞射光柵之方位角分別為90±15度、135±15度與45±15度。於另一實施例中，第一種、第二種與第三種繞射光柵之方位角分別為15±10度、60±10度與-30±10度。又於另一實施例中，第一種繞射光柵之方位角為0±40度，較佳為0±20度，第二種繞射光柵之方位角為45±40度，較佳為45±20度，第三種繞射光柵之方位角為135±40度，較佳為135±20度。第一種光柵區域可占繞射光學元件面積之17.5%~38.5%，第二種光柵區域可占繞射光學元件面積之17.5%~38.5%，且第三種光柵區域可占繞射光學元件面積之17.5%~38.5%。
第5圖之繞射光學元件122與第2圖之繞射光學元件32的不同處在於，光柵區域133與光柵區域143係分別排列成複數個橫列，且光柵區域133與光柵區域143在垂直方向係互相交錯地排列。
第6圖之繞射光學元件142與第5圖之繞射光學元件132的不同處在於，光柵區域145橫向(X方向)的週期C1與光柵區域146的橫向週期C2係為不同。於一實施例中，週期C1係30μm，週期C2係48μm。此外，光柵區域145與光柵區域146之間的縱向(Y方向)循環間距(cycle space)C3係41μm。在此以循環間距(cycle space)來表示光柵區域(包含一光柵區域與另一不同光柵方向之光柵區域)的出現週期。
第7圖之繞射光學元件152與第2圖之繞射光學元件32的不同處在於，所有的光柵區域163與光柵區域173係交錯地排列。
第8圖之繞射光學元件182與第2圖之繞射光學元件32的不同處在於，光柵區域193之繞射光柵194與光柵區域203之繞射光柵204的方位角係具有0度與90度以外的角度。舉例來說，繞射光柵194的方位角τ4係45度，繞射光柵204的方位角τ5係135度。
第9圖之繞射光學元件183與第8圖之繞射光學元件182的不同處在於，光柵區域185橫向(X方向)的週期C4與光柵區域186的橫向週期C5係為不同。於一實施例中，週期C4係30μm，週期C5係48μm。此外，光柵區域185與光柵區域186之間的縱向(Y方向)循環間距(cycle space)C6係41μm。
於一些實施例中，繞射光學元件中的繞射光柵方向也可以有三種以上方位角不同的繞射光柵所組成。
請參照第10圖，舉例來說，繞射光學元件202具有光柵區域205、光柵區域206與光柵區域207。光柵區域205之繞射光柵208的方位角為135度。光柵區域206之繞射光柵209的方位角為0度。光柵區域207之繞射光柵210的方位角為90度。於實施例中，數量(或密度)較高的光柵區域205係排列成一橫行，數量(或密度)較低的光柵區域206與光柵區域207係交錯排列成另一橫行，能夠較佳地利用繞射光學元件202的配置空間。在繞射光學元件202使用於TN面板的例子中，光柵區域205主要係用於補償上下灰階反轉的方向，光柵區域206與光柵區域207主要係用於補償45度與-45度的方向，即繞射光學元件202逆時針轉45度(+45度)來使用。於一實施例中，光柵區域205橫向(X方向)的週期C7係不同於光柵區域206與光柵區域207之間的橫向(X方向)循環間距C8。舉例來說，週期C7係36μm，循環間距C8係32μm。於另一實施例中，光柵區域205與光柵區域207(或光柵區域206)之間的縱向(Y方向)循環間距(cycle space)C9係36μm。
請參照第11圖，舉例來說，繞射光學元件192之繞射光柵174的方位角為0度，繞射光柵184的方位角τ6為45度，繞射光柵214的方位角τ7為90度，繞射光柵234的方位角τ8為135度。於另一實施例中，具有三組以上方位角不同的繞射光柵地繞射光學元件，方位角不同的光柵區域之間也可以彼此交錯排列。
於一實施例中，單一光柵區域中的繞射光柵方向並不限定只有一個方向。一個光柵區域也可以由複數個方向方位角的繞射光柵所組成，此外光柵區域亦不限定於如第2圖至第11圖所示的圓形輪廓。單一光柵區域具有四個繞射光柵方向的實施例，例如可包括正方形(第12圖)、長方形(第13圖)或其他四邊形。單一光柵區域具有三個繞射光柵方向的實施例，例如可包括正三角形(第14圖)、等腰三角形(第15圖)、不等腰三角形(第16圖)。單一光柵區域具有多個繞射光柵方向的實施例，例如可包括正五邊形(第17圖)或其他任意五邊形；正八邊形(第18圖)或其他任意八邊形；橢圓形(第19圖)或其他任意曲面的形狀；或其他合適的任意形狀。此外，前述多邊形間的光柵亦可複數個不同方向光柵的組合，而非必需形成一多邊形即有效果。
於一些實施例中，繞射光學元件212包括如第20圖所示的光柵區域223。請參照第20圖，於一實施例中，光柵區域223的週期T係124 μm。光柵區域223的寬度W係116 μm至118 μm。繞射光柵224的週期N係1 μm。繞射光柵224之間的距離M係6 μm至8 μm。於另一實施例中，光柵區域223之間的最近的距離可以為0甚至是負數(即光柵區域223與鄰近光柵區域223間有互相重疊的區域)。
請參照第21圖，繞射光學元件232也可包括繞射光柵244、254。繞射光學元件232亦可視為由具有繞射光柵244的光柵區域與具有繞射光柵254的光柵區域互相重疊所構成。於一實施例中，繞射光學元件262包括如第22圖所示的光柵區域273與光柵區域283。
請參照第23圖，繞射光學元件263包括光柵區域264與光柵區域265。光柵區域264之繞射光柵267的方位角為45度。光柵區域265之繞射光柵268與繞射光柵269的方位角分別為90度與0度。於一實施例中，光柵區域264(沿方位角135度量測)的寬度W1與光柵區域265(沿方位角135度量測)的寬度W2係分別為20μm。光柵區域264與光柵區域265之間(沿方位角135度量測)的間隔C10或C11係60μm。
請參照第24圖，繞射光學元件271包括光柵區域272與光柵區域274。光柵區域272之繞射光柵275的方位角為45度。光柵區域274之繞射光柵276的方位角為135度。於一實施例中，光柵區域272的橫向(X方向)寬度W3與光柵區域274的橫向(X方向)寬度W4係分別為20μm。光柵區域272與光柵區域274的橫向(X方向)之間的最近的距離(間距)S15為36μm。
請參照第25圖，繞射光學元件277包括光柵區域278、光柵區域279與光柵區域280。光柵區域278之繞射光柵281的方位角為90度。光柵區域279之繞射光柵282的方位角為45度。光柵區域280之繞射光柵284的方位角為135度。於一實施例中，光柵區域278的橫向(X方向)寬度W5、光柵區域279的橫向(X方向)寬度W6與光柵區域280的橫向(X方向)寬度W7係均為28μm。鄰近之光柵區域278與光柵區域279之間的橫向(X方向)循環間距(cycle space)C12為60μm。鄰近之光柵區域278與光柵區域280之間的橫向(X方向)循環間距(cycle space)C13為60μm。
請參照第26圖，於一實施例中，舉例來說，光柵區域286的橫向(X方向)寬度W8係22μm。光柵區域287的橫向(X方向)寬度W9與光柵區域289的橫向(X方向)寬度W11係分別為18μm。光柵區域288的橫向(X方向)寬度W10係14μm。光柵區域286與光柵區域287之間的最近的距離S12係25μm。光柵區域286與光柵區域289之間的最近的距離S13係15μm。於其他實施例中，也可以由兩個如第25圖所示的繞射光學元件277疊合所構成。
請參照第27圖，繞射光學元件290包括光柵區域291、光柵區域293與光柵區域294。於一實施例中，光柵區域291的橫向(X方向)寬度W12、光柵區域293的橫向(X方向)寬度W13與光柵區域294的橫向(X方向)寬度W14係分別為28μm。鄰近之光柵區域291之間的最近的距離S14係5μm。
繞射光學元件292亦可包括如第28圖所示的光柵區域303與光柵區域313。
繞射光學元件的光柵區域並不限定於規則組合的排列，而可視實際情況調整成不規則組合的排列。請參照第29圖，舉例來說，繞射光學元件322亦可包括不規則組合排列的光柵區域333、343、353、363與373。
於實施例中，亦可視實際情況將多數個繞射光學元件疊合使用。不同層次的光柵區域可配置成具有相同圖案(亦即具有相同的形狀或繞射光柵)的係互相重疊，或配置成具有不同圖案(亦即具有不同的形狀或具有不同條件的繞射光柵)的係互相重疊。請參照第2圖，舉例來說，係將一繞射光學元件32與另一繞射光學元件32重疊使用，其中一個繞射光學元件32中的光柵區域53係與另一個繞射光學元件32中的光柵區域43重疊，一個繞射光學元件32中的光柵區域43係與另一個繞射光學元件32中的光柵區域53重疊。舉例來說，當使用雷射光源對如第2圖之單一層繞射光學元件32正射照射時，會產生兩種方向(如0/180度、90/270度)的繞射光線。但當使用雷射光源對由多層繞射光學元件構成的堆疊結構來照射時，不但會產生單一層繞射光學元件之繞射方向的穿透光，也會產生其他繞射方向(例如斜方向)的穿透光。這主要原因是繞射元件上的結構週期，多了斜方向的週期結構，另外推測例如原本垂直射入靠近入光側的光柵區域的光在繞射後，又射入遠離入光側且方向不同的光柵區域而再一次地被繞射，因此除了單一層繞射光學元件產生的兩種方向(如0/180度、90/270度)的繞射光線之外，還會產生其他斜方向(如45度、135度、225度、315度)或兩繞射光柵的方位角間所夾之角平分線方向的繞射光線。
在使用多層繞射光學元件所構成之堆疊結構的實施例中，可視實際情況將具有相同圖案的光柵區域配置成互相重疊。請參照第2圖，於一實施例中，舉例來說，係由一繞射光學元件32與另一繞射光學元件32重疊所組成，其中一個繞射光學元件32中的光柵區域43與另一個繞射光學元件32中的光柵區域43重疊，一個繞射光學元件32中的光柵區域53與另一個繞射光學元件32中的光柵區域53重疊。如此還可以增加繞射的效果。
請參照第30圖，繞射光學元件334可由兩個繞射光學元件重疊而構成。舉例來說，其中一個繞射光學元件係具有光柵區域335A與光柵區域335B，另一個繞射光學元件係具有光柵區域336。光柵區域335A之繞射光柵337A與光柵區域335B之繞射光柵337B的方位角皆為135度。光柵區域336之繞射光柵338的方位角為45度。位在第一橫列與第三橫列中的光柵區域335A橫向(X方向)的週期C14係36μm。位在第二橫列與第四橫列中的光柵區域336橫向(X方向)的週期C15係41μm，且光柵區域335B橫向(X方向)的週期C25係41μm。光柵區域335A的縱向(Y方向)週期C26係72μm。光柵區域335A與光柵區域336之間的縱向(Y方向)循環間距(cycle space)C16係36μm。
請參照第31圖，繞射光學元件339可由兩個繞射光學元件重疊而構成。舉例來說，其中一個繞射光學元件係具有光柵區域340A與光柵區域340B，另一個繞射光學元件係具有光柵區域341。光柵區域340A之繞射光柵342A與光柵區域340B之繞射光柵342B的方位角皆為0度。光柵區域341之繞射光柵344的方位角為90度。位在第一橫列與第三橫列中的光柵區域340A橫向(X方向)的週期C17係36μm。位在第二橫列與第四橫列中的光柵區域341橫向(X方向)的週期C18係41μm，且光柵區域340B橫向(X方向)的週期C27係41μm。光柵區域340A的縱向(Y方向)週期C28係72μm。光柵區域340A與光柵區域341之間的縱向(Y方向)循環間距(cycle space)C19係36μm。
請參照第32圖，繞射光學元件345包括光柵區域346、光柵區域347與光柵區域348。於一實施例中，光柵區域346之間橫向(X方向)的週期C20為26μm。光柵區域347之間橫向(X方向)的週期C21為48μm。光柵區域348之間橫向(X方向)的週期C22為26μm。光柵區域346與光柵區域347之間的縱向(Y方向)循環間距(cycle space)C23係41μm。光柵區域347與光柵區域348之間的縱向(Y方向)循環間距(cycle space)C24係41μm。
於實施例中，繞射光學元件係根據顯示器的條件與欲調整的效果而定。
請參照第33圖，於實施例中，顯示器410係液晶顯示器且包括背光模組411、液晶面板427、偏光板415與425。液晶面板427係配置於背光模組411上且包括例如薄膜電晶體基板416、液晶層418、彩色濾光片基板421、配向膜417與419。配向膜419可配置於彩色濾光片基板421上。配向膜417可配置於薄膜電晶體基板416上。液晶層418可配置於配向膜417與419之間。偏光板415可配置於薄膜電晶體基板416與背光模組411之間(液晶面板427的入光側)。偏光板425可配置於彩色濾光基板421上(液晶面板427的出光側)。繞射光學元件402可配置於偏光板425的出光側上。而繞射光學元件402的配置上並不限於將波峰結構面對偏光板425，亦可背對偏光板425。而此繞射光學元件425也可以再堆疊其他有不同的功能的配件(例如抗反射層、防刮層等)。
於一些實施例中，顯示器410係扭轉向列型(Twisted Nematic；TN)液晶顯示器。於此例中，請參考第34圖，配向膜417與配向膜419係配置成配向方向426與436的方位角不相互平行。液晶層418中的液晶分子428受到配向膜417與配向膜419的配向，因此鄰近配向膜419(亦稱頂層配向膜，鄰近如第33圖所示的彩色濾光片基板421)的液晶分子428a(亦即頂層液晶分子)與鄰近配向膜417(亦稱底層配向膜，鄰近如第33圖所示的薄膜電晶體基板416)的液晶分子428b(亦即底層液晶分子)係配置成扭轉型結構，並具有一預傾角。其中具有預傾角的液晶分子遠離配向板之一端可稱為頭端，另一端可稱為尾端。例如，配向膜419係將頂層液晶分子428a配向並使其具有預傾角。又例如，配向膜417係將底層液晶分子428b配向並使其具有預傾角。而配向膜417和419之配向方向不相互平行，如此位於其間的液晶分子428會被連續地扭轉，構成扭轉型液晶結構，其中液晶分子428的扭轉角度可定義為從底層液晶分子428b頭端經由中間層液晶分子連續地扭轉至頂層液晶分子428a尾端的角度。
另外，值得一提的是，對一般的扭轉型(Twisted Nematic;TN)液晶顯示器而言，從底層液晶分子428b的頭端，經由中間層液晶分子連續地扭轉至頂層液晶分子428a的尾端，此視角範圍之光學特性不佳故在使用上常定義為觀察者的下視角方向。當然，也可依應用需求，將上述視角不好之範圍，定義成觀察者的某視角方向。
此液晶分子的傾倒時對應基板之方位角定義為傾倒方位角，例如經配向或驅動後的液晶分子與基板夾一定角度時，該傾倒之液晶即具有在水平面上的方位角。換句話說，液晶分子的頭端在基板水平面上的投影方向與基板X軸的夾角，為液晶傾倒方位角。其中當液晶顯示器為多域垂直配向型(Multi-domain Vertical Aligned)液晶顯示器時，可以理解會同時產生多種液晶傾倒方位角。
於一些實施例中，繞射光學元件係根據顯示器410(第34圖)之液晶分子428的條件而定，舉例來說，請參考第35圖，液晶分子428a係具有液晶傾倒方位角Q1，例如45度。液晶分子428b係具有液晶傾倒方位角Q2，例如315度。於此例中，可使用具有方位角為0度與90度之繞射光柵的繞射光學元件。此外，光柵方向之方位角度為0度之繞射光柵的密度(亦即，繞射光柵佔繞射光學元件的面積百分比)係大於或等於方位角為90度之繞射光柵的密度。舉例來說，可使用如第2圖所示的繞射光學元件32。於其他實施例中，亦可使用具有方位角為0度、45度與135度之繞射光柵的繞射光學元件。此外，方位角為0度之繞射光柵的密度係分別大於或等於方位角為45度與135度之繞射光柵的密度。舉例來說，可使用如第4圖所示的繞射光學元件82。於一實施例中，繞射光學元件中第一種繞射光柵之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係90±10度或0±10度，第二種繞射光柵之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係180±10度或90±10度。
於一實施例中，當頂層、底層之液晶分子的傾倒方向係夾90度時，繞射光學元件中第一種繞射光柵之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係0±20度，較佳係0±10度，第二種繞射光柵之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係-90±20度，較佳係-90±10度。於另一實施例中，當頂層、底層之液晶分子的傾倒方向係夾90度時，繞射光學元件中第一種繞射光柵之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係90±20度，較佳係90±10度，第二種繞射光柵之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係0±20度，較佳係0±10度。於又另一實施例中，當頂層、底層之液晶分子的傾倒方向係夾90度時，繞射光學元件中第一種繞射光柵之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係45±60度，較佳係45±20度，最佳係45±10度，第二種繞射光柵之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係-45±60度，係較佳-45±20度，最佳-45±10度。
於一實施例中，繞射光學元件中第一種繞射光柵之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係45±20度，較佳係45±10度，第二種繞射光柵之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係0±20度，較佳係0±10度，第三種繞射光柵之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係90±20度，較佳係90±10度。於另一實施例中，當頂層、底層之液晶分子的傾倒方向係夾90度時，繞射光學元件中第一種、第二種與第三種繞射光柵之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角分別係-45±15度、90±15度與0±15度。於又一實施例中，當頂層、底層之液晶分子的傾倒方向係夾90度時，繞射光學元件中第一種、第二種與第三種繞射光柵之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角分別係30±10度、-15±10度與75±10度。於一實施例中，當頂層、底層之液晶分子的傾倒方向係夾90度時，繞射光學元件中第一種、第二種與第三種繞射光柵之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角分別係45±20度、0±20度與90±20度。
於一些實施例中，繞射光學元件也可根據顯示器410之配向膜417、419(第33圖)的條件而定。舉例來說，於一實施例中，配向膜419的配向方向的方位角係45度，配向膜417的配向方向方位角係-45度。於此例中，可使用具有光柵方向之方位角度為0度與90度之繞射光柵的繞射光學元件。此外，於一些實施例中，光柵方向之方位角為0度之繞射光柵的密度係大於或等於光柵方向之方位角為90度之繞射光柵的密度。舉例來說，可使用如第2圖所示的繞射光學元件32。於其他實施例中，亦可使用具有光柵方向之方位角度為0度、45度與135度之繞射光柵的繞射光學元件。此外，方位角為0度之繞射光柵的密度係分別大於或等於方位角為45度與135度之繞射光柵的密度。舉例來說，可使用如第4圖所示的繞射光學元件82。
於一實施例中，當上、下方之配向膜的配向方向係夾90度時，繞射光學元件中第一種繞射光柵之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係45±60度，較佳係45±20度，最佳係45±10度，第二種繞射光柵之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角-45±60度，係較佳-45±20度，最佳係-45±10度。於另一實施例中，繞射光學元件中第一種繞射光柵之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係0±20度，較佳係0±10度，第二種繞射光柵之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係-90±20度，較佳係-90±10度。於一實施例中，繞射光學元件中第一種繞射光柵之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係+90±20度，較佳係+90±10度，第二種繞射光柵之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係0±20度，較佳係0±10度。
於一實施例中，當上、下方之配向膜的配向方向係夾90度時，繞射光學元件中第一種、第二種與第三種繞射光柵之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角分別係-45±15度、90±15度與0±15度。於另一實施例中，當上、下方之配向膜的配向方向係夾90度時，繞射光學元件中第一種、第二種與第三種繞射光柵之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角分別係30±10度、-15±10度與75±10度。於又一實施例中，第一種、第二種與第三種繞射光柵之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角分別係45±20度、0±20度與90±20度。
於一些實施例中，使用的繞射光學元件係根據偏光板的配置方式而定。
請參照第36圖，舉例來說，位於出光側之偏光板(例如第33圖中的偏光板425)之偏光方向445的方位角ψ1 係135度(即偏光板的穿透軸的方位角是135度、吸收軸的方位角是45度)。鄰近背光模組之偏光板(例如第33圖中的偏光板415)之偏光方向455的方位角ψ2 係45度(即偏光板的穿透軸方位角是45度、吸收軸方位角是135度)。繞射光學元件462(與第2圖的繞射光學元件32相似)係具有光柵區域473與483，分別具有光柵方向之方位角為0度的繞射光柵474與光柵方向之方位角為90度的繞射光柵484。繞射光柵473的密度係大於或等於繞射光柵483的密度。於此例中，由光柵區域473構成之橫列的長軸方向的方位角與由光柵區域483構成之橫列的長軸方向的方位角係0度。由光柵區域473與光柵區域483交錯配置所構成之直行的長軸方向的方位角係90度。
第37圖所示之實施例與第36圖所示之實施例的差異在於，光柵區域493(相似於第36圖的光柵區域473)與光柵區域503(相似於第36圖的光柵區域483)係互相交錯地排列。於此例中，由光柵區域493構成之橫列的長軸方向496的方位角與由光柵區域503構成之橫列的長軸方向497的方位角係0度。由光柵區域493與光柵區域503交錯配置所構成之直行的長軸方向498的方位角係60度。第38圖所示之實施例與第36圖所示之實施例的差異在於，光柵區域513(相似於第36圖的光柵區域473)與光柵區域523(相似於第36圖的光柵區域483)係互相交錯地排列。於此例中，由光柵區域513與光柵區域523交錯配置所構成之橫列的長軸方向的方位角係0度。由光柵區域513與光柵區域523交錯配置所構成之直行的長軸方向的方位角係90度。
請參照第39圖，位於出光側之偏光板(例如第33圖中的偏光板425)之偏光方向505的方位角ψ3係135度(即偏光板425的穿透軸的方位角是135度、吸收軸的方位角是45度)。鄰近背光模組之偏光板(例如第33圖中的偏光板415)之偏光方向515的方位角ψ4 係45度(即偏光板455的穿透軸方位角是45度、吸收軸方位角是135度)。繞射光學元件522(與第4圖的繞射光學元件82相似)係具有光柵區域533、543與553，舉例來說，分別具有光柵方向之方位角為135度的繞射光柵534、光柵方向之方位角為0度的繞射光柵544與光柵方向之方位角為45度的繞射光柵554。於一實施例中，特別是應用在扭轉向列型液晶顯示器時，繞射光柵544的密度係大於或等於繞射光柵534的密度與繞射光柵554的密度。
請參照第40圖，位於出光側之偏光板(例如第33圖中的偏光板425)之偏光方向545的方位角ψ5 係135度(即偏光板425的穿透軸的方位角是135度、吸收軸的方位角是45度)。鄰近背光模組之偏光板(例如第33圖中的偏光板415)之偏光方向555的方位角ψ6 係45度(即偏光板455的穿透軸方位角是45度、吸收軸方位角是135度)。繞射光學元件562(與第8圖的繞射光學元件182相似)係具有光柵區域573與583，分別具有光柵方向之方位角為135度的繞射光柵574與光柵方向之方位角為45度的繞射光柵584。
請參照第41圖，位於出光側之偏光板(例如第33圖中的偏光板425)之偏光方向605的方位角ψ7 係135度。鄰近背光模組之偏光板(例如第33圖中的偏光板415)之偏光方向615的方位角ψ8 係45度。搭配使用的繞射光學元件622係與第28圖的繞射光學元件292相似，係具有光柵區域603與613，分別具有複數個繞射光柵方向的繞射光柵604與光柵方向之方位角為90度的繞射光柵614。
方位角於一實施例中，繞射光學元件中第一種與第二種繞射光柵之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向間的夾角分別為135±20度與45±20度。於另一實施例中，當出光側之偏光板之偏光方向與入光側之偏光板之偏光方向的角度夾90度且出光側偏光方向為之方位角為135度時，繞射光學元件中第一種繞射光柵之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向間的夾角為90±20度，較佳為90±10度，第二種繞射光柵之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向間的夾角為0±20度，較佳為0±10度。於又另一實施例中，當出光側之偏光板之偏光方向與入光側之偏光板之偏光方向的角度夾90度且出光側偏光方向為之方位角為135度時，繞射光學元件中第一種繞射光柵之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向間的夾角為180±20度，較佳為180±10度，第二種繞射光柵之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向間的夾角為90±20度，較佳為90±10度。於一實施例中，繞射光學元件中第一種、第二種與第三種繞射光柵之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向間的夾角分別為45±15度、0±15度與90±15度。於另一實施例中，繞射光學元件中第一種、第二種與第三種繞射光柵之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向間的夾角分別為20±10度、75±10度與165±10度。於一實施例中，繞射光學元件中第一種、第二種與第三種繞射光柵之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向間的夾角分別為135±20度、90±20度與180±20度。
於一實施例中，實驗方法係以Konica Minolta CS-2000量測配置有如第20圖顯示之繞射光學元件212(T=124μm,W=117μm,N=1μm,M=7μm)之N101L6-L07型液晶顯示器，以逆時針方向每5度測量顯示器之亮態與暗態，並計算對比值(亮態(255灰階)亮度/暗態(0灰階)亮度)以及各灰階常態化亮度(各灰階亮度/亮態(255灰階)亮度)，數據顯示於表1。以未放置繞射光學元件的顯示器為比較例，調整繞射光柵角度對顯示器的特定灰階之常態化亮度的影響顯示於表2。表2顯示之性質的量測方式，係調整繞射光柵角度，量測對顯示器的特定灰階(224灰階、232灰階)在天頂角為0°時的常態化亮度與在天頂角為45°或60°時的常態化亮度差。灰階反轉以8個灰階為一單位，以下一單位灰階與前一單位灰階的差異若為負值則視為有灰階反轉。正規化差異為以繞射光柵方位角為0度為基準，相較於其他旋轉角度的差異。
由於密度較高(94%)的關係，對側視角的改善較好，但因為只有單一光柵方向，旋轉的角度影響很大。
調整繞射光柵方向與偏光板偏光方向的夾角會對顯示裝置的對比造成影響。
於另一實施例中，係以Konica Minolta CS-2000量測以型號為N101L6-L07型液晶顯示器(畫素為800*600，126 PPI，畫素長邊為203.2μm，畫素短邊為67.73μm)搭配與有如第36圖所示之繞射光學元件462(S1=9μm,S2=15μm,S4=S5=13μm,D1=D2=1μm,K1=K2=28μm，請參照第2圖，於其他實施例中，亦可為S1=9μm,S2=15μm,S3=9μm,D1=D2=1μm,S4=S5=41μm,K1=K2=28μm)的顯示裝置，以逆時針方向每5度測量顯示器之亮態與暗態，並計算對比值(亮態(255灰階)亮度/暗態(0灰階)亮度)以及常態化亮度(各灰階亮度/亮態(255灰階)亮度)。其中調整繞射光柵角度對顯示器的對比影響結果顯示係如表3與第42圖所示。以未放置繞射光學元件的顯示器為比較例，調整繞射光柵角度對顯示器的特定灰階之常態化亮度的影響顯示於表4、第43圖與第44圖。
在第42圖與表3中，0度角表示光柵區域473之繞射光柵474的方位角為0度、光柵區域483之繞射光柵484的方位角為90度，如第36圖之配置關係。在第42圖與表3中，+5度角表示繞射光柵474之方位角為+5度、繞射光柵484之方位角為+95度。其中出光側之偏光板的偏光方向445的方位角ψ1 係固定為135度，因此出光側之偏光板的偏光方向與繞射光柵474之光柵方向之間的夾角為-130度(或+50度)、與繞射光柵484之光柵方向之間的夾角為-40度(或+140度)，角度以逆時針方向為正值，以順時針方向為負值。以此類推。
從表3的結果發現，若希望對對比影響盡量降低，則繞射光柵474之方位角為約略在+45度、繞射光柵484之方位角為135度。若想維持對對比影響低於90%，則繞射光柵474之方位角為45±20度、繞射光柵484之方位角為135±20度。若希望對對比影響低於95%，則繞射光柵474之方位角為45±10度、繞射光柵484之方位角為135±10度。當頂層、底層之液晶分子的傾倒方向係夾90度時，繞射光學元件中繞射光柵474之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係0±20度，較佳係0±10度，種繞射光柵484之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係-90±20度，較佳係-90±10度。此外，繞射光柵474之光柵方向與第一(頂層)配向膜(例如第34圖的419)之配向方向間的夾角係0±10度，繞射光柵484之光柵方向與第一配向膜之配向方向間的夾角係-90±10度。當出光側之偏光板之偏光方向與入光側之偏光板之偏光方向的角度夾90度且出光側偏光方向之方位角為135度時，繞射光柵474之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向間的夾角為90±10度，繞射光柵484之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向間的夾角為0±10度。
中從表3的結果也發現，若希望對對比影響盡量降低，則繞射光柵474之方位角為約略在-45度、繞射光柵484之方位角為45度。若想維持對對比影響低於90%，則繞射光柵474之方位角為-45±20度、繞射光柵484之方位角為45±20度。若希望對對比影響低於95%，則繞射光柵474之方位角為-45±10度、繞射光柵484之方位角為45±10度。於此實施例中，繞射光柵474之光柵方向與頂層液晶分子(例如第34圖的428a)之傾倒方向間的夾角係90±10度，繞射光柵484之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係0±10度。繞射光柵474之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係+90±10度，繞射光柵484之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係0±10度。當出光側之偏光板之偏光方向與入光側之偏光板之偏光方向的角度夾90度且出光側偏光方向之方位角為135度時，出光側之偏光板的偏光方向與繞射光柵474之光柵方向間的夾角為180±10度、與繞射光柵484之光柵方向間的夾角為90±10度。
表4顯示之性質的量測方式，係調整繞射光柵角度，量測對顯示器的特定灰階(224灰階、232灰階)在天頂角為0°時的常態化亮度與在天頂角為45°或60°時的常態化亮度差。灰階反轉以8個灰階為一單位，以下一單位灰階與前一單位灰階的差異若為負值則視為有灰階反轉。正規化差異為以繞射光柵方位角為0度為基準，相較於其他旋轉角度的差異。
在(θ,ψ)=(45,270)之觀測角度時，比較例在天頂角θ=45之正規化亮度與天頂角θ=0之正規化亮度兩者間差值於224灰階為最大(56.41%)，因此以224灰階為天頂角θ=45之觀察基準。隨著繞射光學元件462中繞射光柵474的方位角偏離0度角越大，於θ=45之天頂角量測224灰階之正規化亮度值與θ=0差值越大。當達到偏離約30~40度時，差值最大(53.2%)(但仍小於比較例(58.9%))，之後差值又漸小。
在(θ,ψ)=(60,270)之觀測角度時，比較例在天頂角θ=60時，以232灰階之正規化亮度與θ=0之正規化亮度兩者間的差值為最大(58.92%)。於(θ,ψ)=(60,270)之觀測角度時，232灰階之正規化亮度與θ=0差值隨著繞射光學元件462中繞射光柵474的方位角偏離0度角越大，差值越大。當達到偏離約45度時，差值最大(50.0%)(但仍小於比較例(58.9%))。相較於表2的結果，旋轉繞射光學元件462造成的影響比旋轉繞射光學元件212還來得小。
整体而言，繞射光學元件462大約偏離40~45度時，效果較差，但仍優於比較例之情況，故繞射光學元件462偏離0~60度皆為可用範圍。
於本實施例中，若希望對灰階反轉有改善，繞射光柵474之方位角為0±60度，繞射光柵484之方位角為90±60度。若希望更進一步改善下視角品味，則繞射光柵474之方位角為0±20度、繞射光柵484之方位角為90±20度。繞射光柵474之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向間的夾角為135±20度，繞射光柵484之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向的夾角為45±20度。繞射光柵474之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係45±10度，繞射光柵484之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係-45±10度。繞射光柵474之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係45±10度，繞射光柵484之光柵方向與與頂層配向膜之配向方向間的夾角係-45±10度。
於又另一實施例中，實驗方法係以Konica Minolta CS-2000量測配置有如第39圖所示之繞射光學元件522(S6=1μm,S7=1μm,S8=1μm,D3=D4=D5=1μm,S9=S10=S11=1μm,K3=K4=K5=28μm)之N101L6-L07型液晶顯示器，以逆時針方向每5度測量顯示器之亮態與暗態，並計算對比值(亮態(255灰階)亮度/暗態(0灰階)亮度)以及各灰階常態化亮度(各灰階亮度/亮態(255灰階)亮度)。實驗結果顯示於第45圖與第46圖中。在第45圖與第46圖中，舉例來說，0度角表示光柵區域533之繞射光柵534的方位角為135度，約佔繞射光學元件522面積的24.4%，光柵區域543之繞射光柵544的方位角為0度，約佔繞射光學元件522面積的24.4%，光柵區域553之繞射光柵554的方位角為45度，約佔繞射光學元件522面積的24.4%。+5度角表示表示光柵區域533之繞射光柵534的方位角為140度、光柵區域543之繞射光柵544的方位角為5度、光柵區域553之繞射光柵554的方位角為50度。其中出光側之偏光板的偏光方向505的方位角ψ3 係固定為135度，因此繞射光柵534之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向505之間的夾角為-5度(或+175度)、繞射光柵544之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向505之間的夾角為-50度(或130度)、繞射光柵554之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向505之間的夾角為-95度(或+85度)，角度以逆時針方向為正值，以順時針方向為負值。以此類推。其中調整繞射光柵角度對顯示器的對比影響結果顯示於表5、第45圖與第46圖。以未放置繞射光學元件的顯示器為比較例，調整繞射光柵角度對顯示器的特定灰階之常態化亮度的影響結果顯示於表6、第47圖與第48圖。
請參考表5，實驗中發現，當繞射光柵534之方位角為45±15度，繞射光柵544之方位角為90±15度，且繞射光柵554之方位角為135±15度時，能對對比造成較低的影響。於本實施例中，當出光側之偏光板之偏光方向505與入光側之偏光板之偏光方向515的角度係夾90度且出光側之偏光板的偏光方向505的方位角ψ3係固定為135度時，出光側之偏光板的偏光方向505與繞射光柵534之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向505間的夾角為90±15度，繞射光柵544之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向505間的夾角為45±15度，繞射光柵554之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向505間的夾角為0±15度。繞射光柵544之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係-45±15度，繞射光柵554之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係-90±15度，繞射光柵534之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係0±15度。繞射光柵544之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係-45±15度，繞射光柵554之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係-90±15度，繞射光柵534之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係0±15度。
於一實施例中，當繞射光柵534之方位角為-30±10度，繞射光柵544之方位角為15±10度，且繞射光柵554之方位角為60±10度時，能對對比造成較低的影響。當出光側之偏光板之偏光方向505與入光側之偏光板之偏光方向515的角度係夾90度且出光側之偏光板的偏光方向505的方位角ψ3係固定為135度時，繞射光柵534之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向505間的夾角為165±10度、繞射光柵544之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向505間的夾角為120±10度、與繞射光柵554之光柵方向間的夾角為75±10度。繞射光柵544之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係30±10度，繞射光柵554之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係-15±10度，繞射光柵534之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係75±10度。繞射光柵544之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係30±10度，繞射光柵554之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係-15±10度，繞射光柵534之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係75±10度。
請參閱表6，在(θ,ψ)=(45,270)之觀測角度時，比較例在天頂角θ=45之正規化亮度與天頂角θ=0之正規化亮度兩者間差值於224灰階為最大(56.41%)，因此以224灰階為天頂角θ=45之觀察基準。隨著旋轉使繞射光學元件522中繞射光柵544的方位角偏離0度角越大，於θ=45之天頂角量測224灰階之正規化亮度值與θ=0差值越大。當達到偏離約60度時，差值最大(43.58%)(但仍小於比較例(56.4%))。相較於表1，旋轉繞射光學元件522造成的影響比旋轉繞射光學元件212還來得小。
在(θ,ψ)=(60,270)之觀測角度時，比較例在天頂角θ=60時，以232灰階之正規化亮度與θ=0之正規化亮度兩者間的差值為最大(58.92%)。於(θ,ψ)=(60,270)之觀測角度時，232灰階之正規化亮度與θ=0差值隨著繞射光學元件522中繞射光柵544的方位角偏離0度角越大，差值越大。當達到偏離約50度時，差值最大(39.71%)(但仍小於比較例(58.9%))，之後差值又漸小。
整体而言，繞射光學元件522大約偏離60度時，效果較差，但仍優於比較例之情況，故繞射光學元件522偏離0~60度皆為可用範圍。於本實施例中，若希望對灰階反轉有改善，繞射光柵534之方位角為135±40度、繞射光柵544之方位角為0±40度、繞射光柵554之方位角為45±40度。若希望更進一步改善下視角品味，則繞射光柵534之方位角為135±20度，繞射光柵544之方位角為0±20度，繞射光柵554之方位角為45±20度。繞射光柵534之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向間的夾角為180±20度，繞射光柵544之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向間的夾角為135±20度，繞射光柵554之光柵方向與出光側之偏光板的偏光方向間的夾角為90±20度。於此實施例中，繞射光柵544之光柵方向與頂層液晶分子(例如第34圖的428a)之傾倒方向間的夾角係45±20度，繞射光柵554之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係0±20度，繞射光柵534之光柵方向與頂層液晶分子之傾倒方向間的夾角係90±20度。繞射光柵544之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係45±20度，繞射光柵554之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係0±20度，繞射光柵534之光柵方向與頂層配向膜之配向方向間的夾角係90±20度。
於一些實施例中，使用的繞射光學元件係根據顯示器之畫素的條件而定。
請參照第49圖，顯示器之一畫素630包括畫素單元區域637、638與639，其中的各個係具有例如相鄰的長畫素側邊647與短畫素側邊648。畫素單元區域637、638與639可分別為紅色、綠色與藍色畫素單元區域。於其他實施例中，畫素單元區域可以不只三個區域，也可以有不同的顏色組成。一般而言，短畫素側邊648的長度J係長畫素側邊647之長度L的三分之一倍。在一些實施例中，畫素630亦可為單色而形成黑白顯示器，此時每個畫素單元區域可具有等長的畫素側邊(未顯示)。
請參照第49圖，於此例中，光柵區域653構成之橫列的長軸方向與由光柵區域663構成之橫列的長軸方向係大致上分別平行於短畫素側邊648的方向。由光柵區域653與光柵區域663交錯配置所構成之直行的長軸方向係大致上平行於長畫素側邊647的方向。此外，在光柵區域653構成的橫列中，光柵區域653之間的週期Px係小於或等於短畫素側邊648的長度J。在由光柵區域663構成的橫列中，光柵區域663之間的週期Gx也小於或等於短畫素側邊648的長度J。如此可以確保每個畫素的光線得到至少一個光柵區域653與至少一個光柵區域663的作用。於另一些實施例中，在光柵結構單元固定且特定單一畫素單元中的光柵密度盡量不變的情況下，光柵區域653之間的週期Px或光柵區域663之間的週期Gx不一定要小於或等於短畫素側邊648的長度J，也可大於J。例如，在畫素短邊方向上為紅色、綠色與藍色畫素單元區域週期性排列的顯示器上，以紅色畫素單元區域而言，在某一直行紅色畫素有光柵排列，而左(右)方最近之下一紅色畫素單元區域直行的紅色畫素單元無光柵排列或有其他型式的排列，以此作週期性排序。
請參照第49圖，於另一些實施例中，在光柵區域653以及663所構成的直行中，光柵區域653之間的週期Py係小於或等於長畫素側邊647的長度L。在由光柵區域663構成的直行中，光柵區域663之間的週期Gy也小於或等於長畫素側邊647的長度L。如此可以確保每個畫素的光線得到至少一個光柵區域653與至少一個光柵區域663的作用。於另一些實施例中，在光柵結構單元固定且特定單一畫素單元中的光柵密度盡量不變的情況下，光柵區域653之間的週期Py或光柵區域663之間的週期Gy不一定要小於或等於長畫素側邊647的長度L，也可大於L。例如，在畫素長邊方向上，在某一橫列上出現光柵，而下(上)方最近之一橫列則不出現光柵或有其他型式的排列，以此往下作週期性排序。
請參照第50圖所示之實施例與第49圖所示之實施例的不同處在於由光柵區域673與光柵區域683構成之行列的長軸並未平行於短畫素側邊668與長畫素側邊667。於實施例中，由光柵區域673與光柵區域683交錯配置所構成之行列的長軸係與短畫素側邊668之間具有一夾角g，大於0度且小於90度，且光柵區域673與光柵區域683中的光柵軸向也跟著轉角g。在由光柵區域673與光柵區域683交錯配置所構成之行列的週期中，光柵區域673與光柵區域683之間的循環間距F係等於或小於J/cos(g)，其中J係短畫素側邊668的長度。由光柵區域673構成之行列的長軸與由光柵區域683構成之行列的長軸係分別與短畫素側邊668之間具有夾角90-g。在由光柵區域673構成之行列與光柵區域683構成之行列中，光柵區域673之間的週期V與光柵區域683之間的週期Y係分別小於或等於J/cos(90-g)。此種結構的排列，可用來解決moire現象，或者在不改變現有整體排列的情況下，改變繞射元件的主要繞射方向相對於顯示器的方向。
另外，第50圖中，光柵區域673與光柵區域683中的光柵軸向是跟著跟整體排列轉了g角度，但這時候，本來欲補償的方向也會著有g角度的偏移，若想要盡量維持主要繞射方向與未轉g角度前的情況，製作光柵區域673與光柵區域683時，可不轉變其中的光柵軸向，如第51圖所示。
光柵區域的排列方式亦可視實際的需求作適當的調變。例如參照第52圖與第53圖，光柵區域係根據對應的畫素單元區域配置，例如光柵區域在相同顏色或相同架構(例如以一組三個紅綠藍畫素為一個單位或數組紅綠藍畫素為一個單位)的畫素單元區域中具有相同的配置方式，而在不同顏色或不相同架構(例如以一組三個紅綠藍畫素為一個單位或數組紅綠藍畫素為一個單位)的畫素單元區域中具有不同的配置方式。例如對正視角而言，白色灰階色偏是偏藍的。若顯示器在正視角(θ=0的觀測角)產生白色灰階色偏差，則藍色畫素單元區域中的光柵密度可高於紅色及綠色的畫素單元區域中所對應的光柵密度。在第54圖繪示的實施例中，係控制相同顏色的畫素單元區域中具有由相同的光柵區域所構成的行列，不過行列的配置在畫素中的位置可改變，如此可破壞光柵週期性結構中在光學中容易發生的moire現象。在第55圖中，由光柵區域所構成的行列與畫素側邊之間的角度可作適當的改變，例如於此例中，皆具有相同的夾角g1。請參照第56圖，於此例中，對應於上排畫素之由光柵區域所構成的行列其與畫素側邊之間的具有相同的夾角g2。對應於下排畫素之由光柵區域所構成的行列其與畫素側邊之間的具有不同的夾角g3、g4、g5、g6。可藉由這種方式使得每個畫素具有大致相同面積的光柵區域。請參照第57圖，亦可使由光柵區域所構成的行列其與畫素側邊之間具有不同的夾角。請參照第58圖，於此例中，對應於上排畫素之由光柵區域所構成的行列其與畫素側邊之間的具有相同的夾角g8。對應於下排畫素之由光柵區域所構成的行列其與畫素側邊之間的具有相同的夾角g9。夾角g8與夾角g9分別小於、大於90度。第59圖所示的例子亦可視為第54圖所示之例子的變化例，第59圖之例子與第54圖之例子的不同處在於，在第59圖之例子中，一些光柵區域係偏離於行列的長軸中。偏離的程度以不超過行列之間的週期為限。這樣能使每個相同性質的(例如相同顏色或或是相同的LC mode..等)畫素平均而言具有相同面積的光柵區域。其中，光柵區域間的周期為Λ1,...Λn，對應在一組RGB畫素範圍內，每一組RGB畫素重覆此型式光柵排列。於另一些實施例中，也可某一組RGB畫素範圍內搭配一組光柵排列，下一組RGB畫素範圍內搭配下一組光柵排列。只要RGB畫素之週期與光柵結構週期有一定重配性搭配即可。
光柵區域所構成的行列其與畫素側邊之間具有不同的夾角也可以減輕(moire)減輕。
於實施例中，實驗方法係以Konica Minolta CS-2000量測量測配置有如第36圖之繞射光學元件462繞射光柵(S1=9μm,S2=15μm,S3=9μm,D1=D2=1μm,K1=K2=28μm，請參照第2圖)的8”TN(型號為N101L6-L07型)面版之亮態與暗態，並計算對比值。此實施例固定S5=13μm，並調整光柵區域之周期，例如圓心與圓心之間的距離=20(S4=-8),23(S4=-5),26(S4=-2),29(S4=1),32(S4=4),35(S4=7),38(S4=10),41(S4=13),44μm(S4=16)。其結果顯示於表7。
光柵區域佔繞射光學元件的面積比可由計算的方式求得。舉例來說，於一實施例中，係發現當光柵區域之間的距離在26μm至41μm之間時，顯示裝置(具有扭轉向列型液晶顯示器)之對比(對比等於亮態的亮度/暗態的亮度)或亮態的亮度會隨著光柵區域之間的距離約略呈線性變化，如第60圖所示。當S5+K2=S4+K1=41μm時，繞射效率大略而言是對稱的，故以此情況當作基準，可大略推估增加或減少繞射效率時，所應對應的結構變化。從第60圖的結果可計算求得光柵區域(具有如第2圖所示之結構)之間的距離每改變1μm，顯示裝置的繞射效率會改變約2.33%(即正向亮度會改變2.3%)。因此，若欲增加/減少斜向整體繞射的效果，可就光柵區域之間的距離就從41μm起視為線性地減少或增加，同理，對比也可依此法推估。例如每欲增加斜向整體繞射的效果(或減少正視的亮度)10%，光柵區域之間的距離就應從41μm起對應減少2.1μm。例如，當欲增加斜向繞射10%，光柵區域之間的距離應為38.9 μm；當欲增加斜向繞射20%，光柵區域之間的距離應為36.7 μm，以此類推。反之，每欲增加正視的亮度(或減少斜向繞射的效果)10%，光柵區域之間的距離就應從41μm起對應增加2.1μm。例如，當欲增加正視的亮度10%，光柵區域之間的距離應為43.1 μm；當欲增加正視的亮度20%，光柵區域之間的距離應為45.3 μm，以此類推。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此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。
2、32、62、82、122、152、182、192、212、232、262、292、322、402、462、522、562、622、142、183、202、263、271、277、290、334、339、345．．．繞射光學元件
43、53、73、93、103、113、133、143、163、173、193、203、223、273、283、303、313、333、343、353、363、373、473、483、493、503、513、523、533、543、553、573、583、603、613、653、663、673、683、145、146、185、186、205、206、207、264、265、272、274、278、279、280、286、287、288、289、291、293、294、335A、335B、336、340A、340B、341、346、347、348．．．光柵區域
44、54、74、94、104、114、174、184、194、204、214、224、234、244、254、474、484、534、544、554、574、584、604、614、208、209、210、267、268、269、275、276、281、282、284、337A、337B、338、342A、342B、344．．．繞射光柵
445、455、505、515、545、555、605、615．．．偏光板之偏光方向
ψ1、ψ2、ψ3、ψ4、ψ5、ψ6、ψ7、ψ8．．．偏光板之偏光方向的方位角
D1、D2、D3、D4、N．．．繞射光柵的週期
τ1、τ2、τ3、τ4、τ5、τ6、τ7、τ8．．．繞射光柵之方位角
K1、K2、K3、K4、K5．．．光柵區域的直徑
T、Px、Py、Gx、Gy、V、Y．．．光柵區域的週期
W．．．光柵區域的寬度
M．．．繞射光柵之間的距離
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15．．．光柵區域之間的最近的距離
411．．．背光模組
427．．．液晶面板
415、425．．．偏光板
416．．．薄膜電晶體基板
418．．．液晶層
421．．．彩色濾光片基板
417、419．．．配向膜
428、428a、428b．．．液晶分子
496、497．．．光柵區域構成之橫列的長軸方向
498．．．由光柵區域交錯配置所構成之直行的長軸方向
Q1、Q2．．．液晶分子的液晶傾倒方位角
10、410．．．顯示器
630．．．畫素
637、638、639．．．畫素單元區域
647、667．．．長畫素側邊
648、668．．．短畫素側邊
J．．．短畫素側邊之長度
L．．．長畫素側邊之長度
g、90-g、g1、g2、gg3、g4、g5、g6、g8、g9．．．夾角
C1、C2、C4、C5、C7、C10、C11、C14、C15、C17、C18、C20、C21、C22、C25、C26、C27、C28．．．週期
C3、C6、C8、C9、C12、C13、C16、C19、C23、C24、F．．．循環間距
W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8、W9、W10、W11、W12、W13、W14．．．寬度
第1圖繪示本發明一實施例之顯示裝置的立體圖。
第2圖至第11圖、第20圖至第32圖繪示實施例中的繞射光學元件。
第12圖至第19圖繪示實施例中繞射光學元件的光柵區域。
第33圖繪示一實施例之顯示裝置的剖面圖。
第34圖繪示顯示器中之配向膜與液晶層的立體圖。
第35圖繪示液晶層中液晶分子的液晶傾倒方位角。
第36圖至第41圖繪示繞射光學元件與偏光板之偏光方向的關係。
第42圖顯示具有兩種方位角之繞射光柵的繞射光學元件對顯示器之對比的影響。
第43圖繪示顯示裝置在未使用繞射光學元件(比較例)時正視角(天頂角0度)與側視角(天頂角45度與60度)之伽瑪曲線。
第44圖繪示使用繞射光學元件之顯示裝置於正視角(天頂角0度)與側視角(天頂角45度與60度)之伽瑪曲線。
第45圖顯示具有三種方位角之繞射光柵的繞射光學元件對顯示器之對比與亮態之亮度的影響。
第46圖顯示具有三種方位角之繞射光柵的繞射光學元件對顯示器之對比與暗態之亮度的影響。
第47圖繪示顯示裝置在未使用繞射光學元件(比較例)時正視角(天頂角0度)與側視角(天頂角45度與60度)之伽瑪曲線。
第48圖繪示使用繞射光學元件之顯示裝置於正視角(天頂角0度)與側視角(天頂角45度與60度)之伽瑪曲線。
第49圖至第51圖繪示繞射光學元件與顯示器之畫素的關係。
第52圖至第59圖繪示光柵區域與畫素單元區域的配置。
第60圖繪示顯示裝置之對比、亮態之亮度與繞射光學元件之光柵區域之間的距離的關係曲線。
32．．．繞射光學元件
43、53．．．光柵區域
44、54．．．繞射光柵
D1、D2．．．繞射光柵的週期
τ1．．．繞射光柵之方向的角度
K1、K2．．．光柵區域的直徑
S1、S2、S3、S4、S5．．．光柵區域之間的最近的距離

Claims (21)

  1. 一種顯示裝置，包括：一顯示器，用以顯示一影像；以及一繞射光學元件，配置於該顯示器的一出光側上，且包括：複數個第一光柵區域，各個該些第一光柵區域具有週期固定且方位角相同的複數個第一繞射光柵，其中該些第一光柵區域占該繞射光學元件面積之17.5%~94%；複數個第二光柵區域，各個該些第二光柵區域具有週期固定且方位角相同的複數個第二繞射光柵，該些第二繞射光柵的方位角係不同於該些第一繞射光柵的方位角。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之顯示裝置，其中該些第一光柵區域占該繞射光學元件面積之17.5%~38.5%，且該些第二光柵區域占該繞射光學元件面積之17.5%~38.5%。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之顯示裝置，其中該些第一光柵區域與該些第二光柵區域分別占該繞射光學元件的不同面積。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之顯示裝置，其中該些第一光柵區域與該些第二光柵區域係互相重疊。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之顯示裝置，其中該繞射光學元件更包括複數個第三光柵區域，各個該些第三光柵區域具有週期固定且方位角相同的複數個第三繞射光柵，該些第三繞射光柵的方位角係分別不同於該些第一繞 射光柵的方位角。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之顯示裝置，其中該些第一光柵區域占該繞射光學元件面積之17.5%~38.5%，該些第二光柵區域占該繞射光學元件面積之17.5%~38.5%，該些第三光柵區域占該繞射光學元件面積之17.5%~38.5%。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之顯示裝置，其中該些第一繞射光柵的密度係分別大於該些第二繞射光柵的密度與該些第三繞射光柵的密度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之顯示裝置，其中該顯示器係液晶顯示器且包括：一背光模組；以及一液晶面板，包括一彩色濾光片基板、一薄膜電晶體基板與一液晶層，其中該液晶層係配置於該彩色濾光片基板與該薄膜電晶體基板之間；一第一偏光板，配置於該彩色濾光基板上，其中該繞射光學元件係配置於該第一偏光板的出光側上；以及一第二偏光板，配置於該薄膜電晶體基板與該背光模組之間，其中該第一偏光板之偏光方向的方位角度係135度，該第二偏光板之偏光方向的方位角度係45度。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之顯示裝置，該些第一繞射光柵的方位角度係0度，該些第二繞射光柵的方位角度係90度。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之顯示裝置，其中該些第一光柵區域占該繞射光學元件的面積係大於該些第 二光柵區域。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之顯示裝置，其中該繞射光學元件更包括複數個第三光柵區域，各個該些第三光柵區域具有週期固定且方位角相同的複數個第三繞射光柵，該些第二繞射光柵與該些第三繞射光柵的方位角係分別不同於該些第一繞射光柵的方位角。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之顯示裝置，其中該些第一光柵區域占該繞射光學元件面積之17.5%~38.5%，該些第二光柵區域占該繞射光學元件面積之17.5%~38.5%，該些第三光柵區域占該繞射光學元件面積之17.5%~38.5%。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之顯示裝置，其中，該些第一繞射光柵的方位角度係0度，該些第二繞射光柵的方位角度係45度，該些第三繞射光柵的方位角度係135度。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之顯示裝置，其中該些第一繞射光柵的密度係分別大於該些第二繞射光柵的密度與該些第三繞射光柵的密度。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之顯示裝置，其中該顯示器係液晶顯示器且包括：一背光模組；以及一液晶面板，配置於該背光模組上且包括：一彩色濾光片基板；一第一配向膜，配置於該彩色濾光片基板上；一薄膜電晶體基板； 一第二配向膜，配置於該薄膜電晶體基板上；以及一液晶層，配置於該第一配向膜與該第二配向膜之間。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之顯示裝置，其中該其中該液晶面板之該第一配向膜的配向方向與該些第一繞射光柵之光柵方向所夾的角度係45±10度，與該些第二繞射光柵之光柵方向所夾的角度係-45±10度。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之顯示裝置，其中該些第一光柵區域占該繞射光學元件面積係大於該些第二光柵區域。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之顯示裝置，其中該繞射光學元件更包括複數個第三光柵區域，各個該些第三光柵區域具有週期固定且方位角相同的複數個第三繞射光柵，該些第二繞射光柵與該些第三繞射光柵的方位角係分別不同於該些第一繞射光柵的方位角。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之顯示裝置，其中該其中該液晶面板之該第一配向膜的配向方向與該些第一繞射光柵之光柵方向所夾的角度係45±20度，與該些第二繞射光柵之光柵方向所夾的角度係-90±20度，與該些第三繞射光柵之光柵方向所夾的角度係0±20度。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之顯示裝置，其中該些第一光柵區域占該繞射光學元件面積係大於該些第二光柵區域與該些第三光柵區域。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之顯示裝置，其中該繞射光學元件更包括該些第一光柵區域以外的一一般區 域。
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