TWI480644B - 具有改善色彩混合及效率的液晶顯示器之背光系統 - Google Patents

Description

具有改善色彩混合及效率的液晶顯示器之背光系統

本申請案宣告擁有於2005年9月6日申請的美國第60/714,474號臨時申請案、2006年4月4日申請的美國第60/789,225號臨時申請案及2006年5月2日申請的美國第60/796,727號臨時申請案之優先權，上述之申請案之全部內容合併為本案之參考。

本發明係有關一種液晶顯示器之背光系統，特別是一種具有改善色彩混合及效率的液晶顯示器之背光系統。

理想的液晶顯示器之背光系統應具有高效率及均勻的強度分布，一種應用彩色發光二極體(LED)之典型的液晶顯示器之背光系統如第1圖所示，一液晶顯示器之背光系統100包含複數發光二極體110、複數偏光板120及一液晶顯示面板130。發光二極體110以R、G、B表示分別代表紅、綠、藍三個主要顏色，發光二極體110間係具有一間隔(以S表示)，且於距離發光二極體110一特定的位置上(以厚度T表示)設置液晶顯示器之背光系統100。在此例子中，液晶顯示的效率受限於偏光板120，而偏光板120所吸收之大半數的光又多為不適當的偏極光。又，均勻度係取決於發光二極體110的間隔S與厚度T，當液晶顯示器之背光系統100越厚且間隔S越窄時，由各種顏色的發光二極體110所發射之光將有更多重疊。因此，要求一高密度發光二極體總數及較大厚度的液晶顯示器之背光系統，將可使一般的液晶顯示 器之背光系統100達到均勻顯示。然而，高密度發光二極體總數及較大厚度的液晶顯示器之背光系統二者在液晶顯示器之背光系統的實際應用中係無法令人滿意的。

因此，本發明著手進行藉由再利用偏極光、減少液晶顯示器的厚度及增加發光二極體的間隔，以便減少一般液晶顯示器之背光系統的發光二極體使用數量來提供具有高效率及均勻強度分布的液晶顯示器之背光系統。

依據本發明之一實施例，一種液晶顯示器之背光系統利用一反射偏光鏡反饋(feedback)一未用偏極光進入一光源，並再利用此未用偏極光作為有用的光；本發明亦利用光部分延遲波板(fractional wave plates)允許選擇性極化旋轉以在發光二極體之間提供虛擬光源，以便允許發光二極體之間具有較大之間隔。

依據本發明之一實施例，一種具有改善色彩混合及效率的液晶顯示器之背光系統係包含一反射表面、複數光源固設於反射表面、複數光部分延遲波板及一反射偏光板，複數光部分延遲波板固設於反射表面之複數光源間，反射偏光板所傳遞之光具有一可用之光偏極性，且將一未用偏極光反射回反射表面，且自反射偏光板反射之一部分未用偏極光通過一光部分延遲波板，又反射表面反射此部分未用偏極光再次通過光部分延遲波板，使得此未用偏極光之光偏極性轉換為可用之光偏極性，藉以再利用此未用偏極光作為有用的光。

依據本發明之一實施例，一種具有改善色彩混合及效率的液晶顯示器之背光系統包含一反射表面、複數光源固設於反射表面、複數光部分延遲波板(fractional wave plates)及一反射偏光板。複數光部分延遲波板位於反射偏光板及反射表面之間，反射偏光板所傳遞之光具有一可用之光偏極性，且將一未用偏極光反射回反射 表面，且自反射偏光板反射之一部分未用偏極光通過一光部分延遲波板，又反射表面反射此部分未用偏極光再次通過光部分延遲波板，使此未用偏極光之光偏極性轉換為可用之光偏極性，藉以再利用此未用偏極光作為有用的光。

由底下的詳細說明更容易明白本發明其他各式各樣的目的、優點及特徵，且新穎的特徵將於所附之申請專利範圍中具體指出。

藉由參考圖式以說明描述本發明之示範實施例，這些實施例說明本發明之原理而不應構成本發明之限制。

依據本發明之一示範性實施例，一液晶顯示器之背光系統200包含複數發光二極體(LED)240、一偏光板250、一液晶顯示面板260、一反射偏光板210(reflective polarizer)，及複數個光部分延遲波板220(較佳者為1/4波板)設置於一反射表面230。發光二極體240包含單色或具有常用之紅(R)、綠(G)、藍(B)三色之多色光，四色或五色亦被使用於改善色彩的呈現，又眾多的色光亦可使用以於螢幕上產生較佳之色彩，但將產生額外之費用。利用反射偏光板210將未用的偏極光反射回發光二極體240的固設表面(即反射表面230)，於反射表面230上之發光二極體240之間的空間覆蓋了光部分延遲波板220。未用的偏極光通過光部分延遲波板220(較佳者為1/4波板)且被反射表面230反射，之後反射光再次通過光部分延遲波板220，從而完成一完整的半波通過光部分延遲波板220且有效改變反射光的光偏極性狀態，此時未用偏極光的光偏極性已經適合通過反射偏光板210來傳遞，進而有利地提供額外的光輸出至液晶顯示面板260。

雖然反射偏光板210的利用增加了液晶顯示器之背光系統200的效率，但可理解地，假如發光二極體240之間的 間隔(S)較大時，其強度分布將不均勻。因此，依據本發明之一示範性實施例，如第3圖所示，設計或製造液晶顯示器之背光系統200以使得來自發光二極體240的光於通過反射偏光板210之前有較長或較遠的傳播距離，從而提供液晶顯示器之背光系統200具有改善的色彩混合功能或作用。第3圖所示為依據本發明之一示範性實施例，其液晶顯示器之背光系統200除了不使用光部分延遲波板220之外，其他皆與第2圖所示之液晶顯示器之背光系統200相似，即光部分延遲波板220由第2圖所示之液晶顯示器之背光系統200中的反射表面230移除，使得未用的偏極光在經反射後仍然具有相同之光偏極性，且持續被反射偏光板210及反射表面230反射並受限於反射偏光板210及反射表面230之間。第3圖所示之Lp即為可通過反射偏光板210之可用偏極光，而Lrp即為被反射之未用偏極光。

依據本發明之一示範性實施例，如第4圖所示之液晶顯示器之背光系統200包含複數光部分延遲波板220覆蓋於反射表面230的部分區域上，可以理解地，一部份的光線，在第4圖中以光線A表示，照射至光部分延遲波板220，進而可通過反射偏光板210傳遞；其餘之光線，以光線B表示，將被限制於反射偏光板210及反射表面230之間持續地傳播，光線B也許能或也許不能在第二次反射時入射至光部分延遲波板220。上述過程將持續至所有光線皆通過反射偏光板210成為一可使用之光，其中有些光經一次反射後即可通過，其餘的光則需經多次反射之後才可通過，且此時已遠離發光二極體240晶片。此將有利地提供較佳之色彩混合且增加效率，並改善第4圖所示之液晶顯示器之背光系統200的均勻度。

雖然未於圖式中表示，但可以理解地，本發明液晶顯示器之背光系統200可額外地包含典型液晶顯示器之背光 系統普遍使用之擴散板及稜鏡膜等，藉以進一步增加強度分布的均勻度且控制離開液晶顯示面板260之光線的角度。

依據本發明之一示範性實施例，發光二極體240可為晶片型式，亦可固設或塑封於透鏡中，依據本發明之精神，發光二極體240之間的間隔(S)取決於每一發光二極體240的輸出，發光二極體240的輸出越高，間隔(S)越大，目前的發展趨勢為每一發光二極體240的輸出隨著技術進步而增加，因此間隔(S)可預期會增加以減少本發明之成本，從而使本發明更可實施及可應用。

依據本發明之一示範性實施例，反射偏光板210可與擴散板整合在一起，由3M公司所製造之非多層膜式反射偏光片(Diffused Reflective Polarizer Film,DRPF)即為其中一例，3M也提供其他幾種具有相同功能但具有些許差異的薄膜。

雖然本發明所描述之不同實施例係使用發光二極體240，但本發明仍可利用其他的光源，例如冷陰極燈管(cold cathode fluorescent lamp，CCFL)。

依據本發明之一示範性實施例，反射表面230上，光部分延遲波板220的覆蓋範圍可以被圖案化為條紋、圓形(環繞發光二極體240之環形，或圓點)、正方形、矩形、或其他幾何形狀，圖案亦可為任意形狀或固定形狀任意分布於反射表面230上。可以理解地，在反射表面230的覆蓋密度及比率將決定色彩混合的數量，且可配合本發明液晶顯示器之背光系統200的厚度(T)及間隔(S)以達到最佳化。亦考慮利用發光二極體240所發射之光的角度分布來設計本發明液晶顯示器之背光系統200的另一參數，既然本發明液晶顯示器之背光系統200的每一反射均會遭受損失，液晶顯示器之背光系統需配合效率及均勻度之間的交換才能達到最佳化。

依據本發明之一示範性實施例，如第2圖所示之光部分延遲波板220可為1/4波板，半波板或其他具有相位差之波板，使個別通過光部分延遲波板220的輸出光為非圓偏極光，且經反射後第二次通過光部分延遲波板220的輸出光與入射光之間為非直角，此將導致隨後射至反射偏光板210的光並不符合反射偏光板210的光偏極性而僅能部分傳遞，因此，部分的反射光將在反射偏光板210及反射表面230之間傳播且重複上述過程。故光在反射偏光板210及反射表面230之間展現或經歷了多重反射，且光的離開反射偏光板210係取決於光部分延遲波板220的相位差，其所達成之最終效果係使得本發明液晶顯示器之背光系統200可提高每一光源的光分布。

依據本發明之一示範性實施例，如第2圖及第4圖所示之光部分延遲波板220並不排列成一直線，或不符合反射偏光板210的光偏極方向，導致由光部分延遲波板220反射的光與入射光之間為非直角，於此需注意到入射光或射至反射偏光板210的光並不符合反射偏光板210的光偏極性而僅能部分傳遞，因此，部分的反射光將在反射偏光板210及反射表面230之間傳播且重複上述過程，故光在反射偏光板210及反射表面230之間展現或經歷了多重反射，且光的離開反射偏光板210係取決於光部分延遲波板220的相位差，其所達成之最終效果係使本發明液晶顯示器之背光系統200可提高每一光源的光分布。

依據本發明之一示範性實施例，如第2圖及第4圖所示之光部分延遲波板220與一般的波板並非附著於底部的反射表面230，而是位於反射偏光板210與反射表面230之間，如第5a圖及第5b圖所示，依據本發明之精神，假如光部分延遲波板220附著在反射偏光板210，反射偏光板210的數目與定向可被預先製作，進而調整光的強度分布；此將有利地簡化液晶顯示器之背光系統200中照明系統的組裝。

可以理解地，光部分延遲波板220可為1/4波板、半波板或其他具有相位差之波板，光部分延遲波板220可全面覆蓋或部分覆蓋反射表面230以最大化強度分布的均勻度。

在本發明液晶顯示器之背光系統200的不同實施例中，發光二極體240係設置於與液晶顯示面板260相同平行方向的平面，可以理解地，本發明之使螢幕更佳均勻的方法亦可應用至側光式背光模組，如第6圖所示，依據本發明之一示範性實施例，發光二極體240係設置於顯示器的側板(side panel)280上，且位於反射偏光板210及底部的反射表面230之間，光線係被引導在反射偏光板210及底部的反射表面230之間，且藉由上述所描述之方法利用光部分延遲波板220將光線引出；如第7圖所示，發光二極體240係以陣列排列固設於側板280上，發光二極體240可為紅色、綠色、藍色、白色或任何其他適合的顏色，亦可包含多於三色；依據本發明之精神，液晶顯示器之背光系統200包含一光學反射表面270，例如第7圖所示之未設置有發光二極體240的側板280表面皆可選擇性地設為反射表面，以增加液晶顯示器之背光系統200的效率。

依據本發明之一示範性實施例，於液晶顯示面板260的四邊緣分別設置一側板280，如第8圖所示，四邊的側板280分別以SP-A、SP-B、SP-C及SP-D表示表示，依據液晶顯示器之背光系統200所需的照明量，一個或多個側板可包含複數個發光二極體240或發光二極體240陣列，以便由液晶顯示器之背光系統200的一邊緣或多邊緣提供照明，每一剩餘之無設有發光二極體240的側板280表面將不是具有反射性、吸收性，就是具有部分反射性。

依據本發明之一示範性實施例，發光二極體240的陣列可以冷陰極燈管取代，依據本發明之精神，一個或多個側板 280可包含冷陰極燈管，使液晶顯示面板260的照明來自於發光二極體240及冷陰極燈管的結合，可以理解地，發光二極體240的顏色選擇可由所需要的光譜決定。

依據本發明之一示範性實施例，在側板280上的發光二極體240或冷陰極燈管可發射不具偏極化或具偏極化的光，在可發射具偏極化的光之實施例中，如第6圖所示，本發明液晶顯示器之背光系統200可包含一偏光板290，且為了使偏極化更有效率，本發明液晶顯示器之背光系統200可包含一偏極光復原系統(recovery system)或一偏極光再循環系統(recycling system)。

依據本發明之一示範性實施例，如第9圖所示，偏極光再循環系統300包含一偏極光分光鏡310及一半波板320，依據本發明之精神，側板280可包含偏極光再循環系統300，以便提供由側板280上之發光二極體(圖中未示)或冷陰極燈管所輸出的光。

依據本發明之一示範性實施例，如第10圖所示，偏極光再循環系統400包含一反射偏光板410以反射部分光回到包含有發光二極體240或冷陰極燈管之側板280中，此返回的光被側板280的選擇性反射表面420反射回到輸出方向，進而增加本發明偏極光再循環系統400的效率。

雖然本發明已以上述之實施例具體描述，本發明之專利範圍應解釋為包含以上所述之實施例而不能以之限定，大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

100‧‧‧液晶顯示器之背光系統

110‧‧‧發光二極體

120‧‧‧偏光板

130‧‧‧液晶顯示面板

200‧‧‧液晶顯示器之背光系統

210‧‧‧反射偏光板

220‧‧‧光部分延遲波板

230‧‧‧反射表面

240‧‧‧發光二極體

250‧‧‧偏光板

260‧‧‧液晶顯示面板

270‧‧‧光學反射表面

280‧‧‧側板

290‧‧‧偏光板

300‧‧‧偏極光再循環系統

310‧‧‧偏極光分光鏡

320‧‧‧半波板

330‧‧‧反射棱鏡

400‧‧‧偏極光再循環系統

410‧‧‧反射偏光板

420‧‧‧選擇性反射表面

在實施方式中所列出之實施例並不能單獨用來限定本發明，且配合所附之圖式將能更了解本發明，圖式中類似的元件及特徵具有類似的參考圖號。

第1圖所示為一典型之液晶顯示器之背光系統示意圖。

第2圖所示為根據本發明一示範性實施例之具有改善色彩混合及效率的液晶顯示器之背光系統示意圖。

第3圖所示為根據本發明一示範性實施例之具有改善色彩混合及效率的液晶顯示器之背光系統示意圖。

第4圖所示為根據本發明一示範性實施例之具有改善色彩混合及效率的液晶顯示器之背光系統示意圖。

第5a圖及第5b圖所示為根據本發明一示範性實施例之波板固設於反射偏光板示意圖。

第6圖所示為根據本發明一示範性實施例之具有側板的液晶顯示器之背光系統示意圖。

第7圖所示為根據本發明一示範性實施例之側板示意圖。

第8圖所示為根據本發明一示範性實施例之具有四側板的液晶顯示面板示意圖。

第9圖所示為根據本發明一示範性實施例之偏極光復原系統示意圖。

第10圖所示為根據本發明一示範性實施例之偏極光再循環系統示意圖。

200‧‧‧液晶顯示器之背光系統

210‧‧‧反射偏光板

220‧‧‧光部分延遲波板

230‧‧‧反射表面

240‧‧‧發光二極體

250‧‧‧偏光板

260‧‧‧液晶顯示面板

Claims (29)

1. 一種液晶顯示器之背光系統，包含：一反射表面；複數光源固設於該反射表面上；複數光部分延遲波板(fractional wave plates)固設於該反射表面上於該複數光源之間之空間；及一反射偏光板，傳遞具有一可用之光偏極性之光，且將一未用偏極光朝向該反射表面反射回去；其中從該反射偏光板反射之一第一部分之該未用偏極光通過一光部分延遲波板並至該反射表面上，且該反射表面反射該第一部分之該未用偏極光再次通過該光部分延遲波板，使得該未用偏極光之光偏極性改變為可用之光偏極性，藉以再利用該未用偏極光作為有用的光；及其中一第二部分之該未用偏極光被反射回該等光源供再利用而不改變光偏極性。
2. 如請求項1所述之液晶顯示器之背光系統，其中該等光部分延遲波板僅部分地覆蓋該等光源之間之空間，其中一第三部分之該未用偏極光被反射回該反射表面供再利用而不改變光偏極性。
3. 如請求項1所述之液晶顯示器之背光系統，其中該複數光源係為發光二極體。
4. 如請求項3所述之液晶顯示器之背光系統，其中該發光二極體係為晶片型式。
5. 如請求項3所述之液晶顯示器之背光系統，其中該發光二極體係固設且塑封於透鏡中。
6. 如請求項3所述之液晶顯示器之背光系統，其中每一該發光二極體係產生紅光、綠光或藍光。
7. 如請求項5所述之液晶顯示器之背光系統，其中來自該發光二極體之該部分之該未用偏極光在通過該光部分延遲波板前，係被反射一次或多次，以混合來自該複數發光二極體之光的顏色。
8. 如請求項1所述之液晶顯示器之背光系統，更包含一液晶顯示面板，其中該反射偏光板傳遞該可用之光偏極性之光至該液晶顯示面板。
9. 如請求項1所述之液晶顯示器之背光系統，其中該未用偏極光在被該反射偏光板傳遞之前，係於該反射表面與該反射偏光板之間傳播一次或多次。
10. 如請求項1所述之液晶顯示器之背光系統，其中該反射偏光板係與一擴散板整合。
11. 如請求項1所述之液晶顯示器之背光系統，其中該複數光源係為一冷陰極燈管。
12. 如請求項1所述之液晶顯示器之背光系統，其中該複數光部分延遲波板係於該反射表面形成一圖案。
13. 如請求項12所述之液晶顯示器之背光系統，其中該圖案係為條紋、圓形、環繞光源之環形、正方形、矩形、其他幾何形狀、任意形狀或固定形狀其中之一任意分布於該反射表面。
14. 如請求項1所述之液晶顯示器之背光系統，其中各光源間係具有一間隔(S)，且該複數光源與該反射偏光板間係具有一厚度(T)。
15. 如請求項14所述之液晶顯示器之背光系統，其中該光部分延遲波板在該反射表面的密度及覆蓋比率係配合該間隔及該厚度以達到最佳化，並決定該背光系統的色彩混合數量。
16. 如請求項1所述之液晶顯示器之背光系統，其中該光部分延遲波板係全面或部分覆蓋於該複數光源之間。
17. 如請求項1所述之液晶顯示器之背光系統，其中該光部分延遲波板包含1/4波板、半波板及/或其他具有相位差之波板。
18. 如請求項1所述之液晶顯示器之背光系統，其中個別通過光部分延遲波板的輸出光係為非圓偏極光。
19. 如請求項18所述之液晶顯示器之背光系統，其中第二次通過該光部分延遲波板的輸出光與入射光之間為非直角。
20. 如請求項19所述之液晶顯示器之背光系統，其中該第二次通過的該輸出光不符合該反射偏光板的光偏極性，導致僅能部分傳遞。
21. 如請求項20所述之液晶顯示器之背光系統，其中該第二次通過的該輸出光中，不被該反射偏光板傳遞的反射部分在被該反射偏光板傳遞之前，係於該反射表面及該反射偏光板之間傳播一次或多次。
22. 如請求項1所述之液晶顯示器之背光系統，其中該複數光部分延遲波板不被對準成符合該反射偏光板的光偏極方向，導致該第二次通過該光部分延遲波板的該輸出光與入射光之間為非直角。
23. 如請求項1所述之液晶顯示器之背光系統，更包含一液晶顯示面板，其係具有四側板，每一該側板包含下述其中之一：發光二極體陣列或冷陰極燈管、一反射表面、吸收表面或部分反射表面。
24. 如請求項23所述之液晶顯示器之背光系統，其中包含有該發光二極體陣列或該冷陰極燈管的該側板更包含有偏光板以提供偏極光。
25. 如請求項23所述之液晶顯示器之背光系統，更包含一偏極光復原系統或一偏極光再循環系統。
26. 如請求項25所述之液晶顯示器之背光系統，其中該偏極光復原系統或該偏極光再循環系統更包含一偏極光分光鏡及一光部分延遲波板，以提供偏極光輸出。
27. 如請求項23所述之液晶顯示器之背光系統，其中包含有該發光二極體陣列或該冷陰極燈管的該側板更包含一選擇性反射表面，及更包含一反射偏光板反射部分光回到包含有該發光二極體陣列或該冷陰極燈管的該側板中，以提供一返回的光，且該選擇性反射表面係反射該返回的光至該反射偏光板。
28. 一種液晶顯示器之背光系統，包含：一反射表面；複數光源固設於該反射表面；一反射偏光板，傳遞具有一可用之光偏極性之光，且將一未用偏極光反射回該反射表面；複數光部分延遲波板(fractional wave plates)位於該反射偏光板及該反射表面之間；及其中自該反射偏光板反射之一部分之該未用偏極光通過一光部分延遲波板，且該反射表面反射該部分之該未用偏極光再次通過該光部分延遲波板，使該未用偏極光之光偏極性改變為可用之光偏極性，藉以再利用該未用偏極光作為有用的光；及其中另一部分之該未用偏極光之光被該反射偏光板反射回該反射表面係不通過任何的光部分延遲波板來再利用。
29. 如請求項28所述之液晶顯示器之背光系統，其中該複數光部分延遲波板係以相間隔的位置黏設於該反射偏光板，使射入光部分延遲波板之間的該反射偏光板的一部分之該未用偏極光之光被反射回該反射表面而不改變光偏極性來再利用。