TWI484265B - 彩色分光系統 - Google Patents

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TWI484265B TW101140495A TW101140495A TWI484265B TW I484265 B TWI484265 B TW I484265B TW 101140495 A TW101140495 A TW 101140495A TW 101140495 A TW101140495 A TW 101140495A TW I484265 B TWI484265 B TW I484265B
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Description

彩色分光系統
本發明是有關一種彩色分光系統，特別是一種無需使用吸收式彩色濾光片之彩色分光系統。
為了達到色彩化影像顯示之目的，習知之液晶顯示器模組採用吸收式彩色濾光片對來自背光模組之白色光源進行紅光/綠光/藍光三色分色濾光，因而造成約60-70%的入光能量損失。此外，吸收式偏光片亦造成約50%以上之光吸收效應，導致總體液晶顯示面板之光使用率不佳。在能源與環保議題日受重視的趨勢下，大幅提升液晶顯示面板之穿透效率已是刻不容緩的課提。為了解決光使用率過低之問題，吸收式彩色濾光片與吸收式偏光片的替代方案陸續被提出研究。然而，替代方案大多受限於製程精度要求過高、組裝對位精度嚴苛以及生產成本過高而無法達到實用化水準，例如以光柵分色再搭配聚光鏡陣列達成彩色畫素之技術。
綜上所述，如何大幅提升光使用率且製程或組裝對位精度要求相對較低，以取代吸收式彩色濾光片便是目前極需努力的目標。
本發明提供一種彩色分光系統，其是以多個陣列排列之光源模組產生空間上分離之多色光線，再經由導光模組以及光學透鏡陣列使多色光線呈陣列排列入射至液晶顯示面板。藉此可避免使用吸收式彩色濾光片，進而大幅提高光使用率。
本發明一實施例之彩色分光系統包含多個陣列排列之光源模組、一導光模組以及一光學透鏡陣列。每一光源模組包含多個發光元件，其用以分別產生多個中心波長相異且空間上分離之光線；以及一準直 透鏡，其用以準直多條光線。導光模組具有至少一入光面、一出光面以及一底面，其中底面與出光面相對，且入光面與出光面以及底面至少其中之一連接；多個光源模組所產生之多條光線入射至入光面，並經底面反射後從出光面射出導光模組。光學透鏡陣列設置於導光模組之出光面側，用以偏折多條光線，使多條光線由出光面向外射出光學透鏡陣列。
以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
請參照圖1，圖1為本發明一實施例之彩色分光系統結構示意圖。如圖所示，本發明一實施例之彩色分光系統包含多個陣列排列之光源模組100、一導光模組200以及一光學透鏡陣列300。每一光源模組100包含多個發光元件110，其用以分別產生多個中心波長相異且空間上分離之光線；以及一準直透鏡120，其用以準直多條光線L(請參考圖3之多條光線L)。導光模組200具有一入光面210、一出光面220以及一底面230，其中底面230與出光面220相對，且入光面210與出光面220以及底面230至少其中之一連接；多個光源模組100所產生之多條光線L入射至入光面210，並經底面230反射後從出光面220射出導光模組200，如圖3A所示。光學透鏡陣列300設置於導光模組200之出光面220側，用以偏折多條光線L，使多條光線以由出光面220向外射出光學透鏡陣列300。
請參考圖2A及圖2B，圖2A及圖2B為本發明不同實施例之光源模組以及部分導光模組結構示意圖。如圖所示，於每一光源模組100中，多個發光元件110包含紅光發光二極體(R)、綠光發光二極體(G)、藍光發光二極體(B)以及白光發光二極體其中至少二種。亦即，每一光源模組100所包含之發光元件110需為發出相異色光之發光二極體。於一實施例中，每一光源模組100由RGB三種相異色的發光元件110所 構成，因此多個陣列排列之光源模組100，其發光元件110之組合為RGBRGB…(如圖2A所示)。又於另一實施例中，每一光源模組100由RG兩種相異色光的發光元件110所構成，因此多個陣列排列之光源模組100其發光元件110之組合為RGRG…(如圖2B所示)。如此，則不需要使用吸收式的彩色濾光片即可產生空間分離的相異色光。又於一實施例中，更可於導光模組200之至少一側面設置一吸光元件240，用以吸收照射至導光模組200側面之多條光線以避免光線反射回導光模組200。
請參考圖3A，當光源模組100的發光元件110產生多條光線L，多條光線L會通過準直透鏡120，接著進入導光模組200之入光面210。其中準直透鏡120可為雙凸透鏡、平凸透鏡或菲涅爾透鏡等，其作用在於將發散之光源匯聚以入射導光模組200。準直透鏡120除了可以分離設置於光源模組100中，亦可與導光模組200為一體之結構。另外，因為發光元件110係為點光源，光線會向各個方向發散，因此會有部分光線無法進入準直透鏡120，故較佳者，更可設置至少一反射導光元件130，其設置於光源模組100之兩側且與準直透鏡120之光軸平行，用以反射多個發散光線至導光模組200之入光面210，以有效利用光源。需注意者，圖3A所示之反射導光元件130係位於光源模組100之上下兩側，較佳者，反射導光元件130亦可位於光源模組100之左右兩側。
承上，當多條光線L通過準直透鏡120後，除了可以直接進入導光模組200之入光面210以外(如圖3A所示)，亦可經過一次或多次之反射進入入光面210。於一實施例中，如圖3B所示，可設置一第一反射元件R1，其位於準直透鏡120以及導光模組200之入光面210之間，用以偏折多條光線L入射至入光面210，因此多條光線L經過第一反射元件R1的一次反射之後進入入光面210。又如圖3C所示，多條光線L經過第一反射元件R1’的二次反射之後進入入光面210。如此，則多條光線L的偏折光路可依元件需求而設計，光源模組100與導光模組200的相對位置關係可彈性調整以設計不同形式的面板，例如可為 側光式面板。
於另一實施例中，光源模組100的多條光線L不一定僅沿著同一路徑及方向入射導光模組200，亦可沿著兩個以上不同的光路。例如，導光模組200可包含兩個相對之入光面210，且每一入光面210側設置多個光源模組100以產生多條光線L入射兩個相對之入光面210。對應每一入光面210之光源模組100，其相對之準直透鏡120可為同軸配置或是彼此平移一預定距離配置。較佳者，可藉由光源模組100及入光面210於空間中不同的位置排列，達到空間中色彩的對稱性。例如，於導光模組200相同側交替設置RGB以及BGR的多個光源模組，或是於導光模組200相異側皆設置RGB的多個光源模組，皆可使不同色光於空間中均勻分布，惟不限於此。
請再參考圖3A至3C，當多條光線L入射入光面210後，會經底面230反射後從出光面220射出導光模組200。於一實施例中，底面230設有微結構231，用以反射多條光線L至出光面220，例如可為反射式階梯光柵。於另一實施例中，亦可於底面230側，設置一第二反射元件232，用以反射多條光線L至出光面220。
承上，當多條光線L從導光模組200的出光面220射出後，會形成空間分離的多種相異分離色光，如圖4所示，於一實施例中，多條光線L包含了RGB三色的LR 、LG 以及LB 的分離色光，其分別射入光學透鏡陣列300，如圖4所示。其中光學透鏡陣列300可包含多個柱狀透鏡310，柱狀透鏡310係為陣列排列的柱狀凸透鏡，用以聚焦偏折出射的多條光線L的分離色光LR 、LG 以及LB ，使其由出光面220的向外射出光學透鏡陣列300，以與顯示面板上的畫素精準對位。舉例而言，LR 、LG 以及LB 可垂直出光面220向外射出，但不限於此。
另外，光波具有不同的極性，分別為P波與S波，若欲得到光線的某特定極性，例如P波，則可於光學透鏡陣列300之出光側設一偏光元件以消除S波並使P波通過。傳統上乃是採用吸收式偏光元件，將S波吸收，然而此法會耗損50%左右的光能，造成出光效率不彰。 因此本發明之偏光元件改採用了反射式偏光元件320，此元件可讓特定極性的光線通過，例如P波，並將S波反射回導光模組200。為了回收使用被反射回導光模組200的光線，於導光模組200之底面側，更可設置一四分之一波片，舉例而言，四分之一波片可獨立設置亦可整合至第二反射元件232，用以改變反射自該反射式偏光元件320之多條光線之偏極化狀態，亦即將S波轉換成P波後，再重新射出導光模組200並進入光學透鏡陣列300，藉此可提升出光效率。於一實施例中，反射式偏光元件為包含奈米金屬線柵陣列結構之元件或包含液晶層之元件。
綜合上述，本發明提供一種彩色分光系統，其利用多個陣列排列之光源模組產生空間上分離之多色光線，再經由導光模組以及光學透鏡陣列使多色光線呈陣列排列入射至液晶顯示面板。藉此可避免使用吸收式彩色濾光片，進而大幅提高光使用率。另外，若於光學透鏡陣列的出光側採用反射式偏光元件並配合四分之一波片以取代傳統式的吸收式偏光元件，可更進一步提高出光效率，節省能源。
以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即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‧‧‧光源模組
110‧‧‧發光元件
120‧‧‧準直透鏡
130‧‧‧反射導光元件
200‧‧‧導光模組
210‧‧‧入光面
220‧‧‧出光面
230‧‧‧底面
231‧‧‧微結構
232‧‧‧第二反射元件
240‧‧‧吸光元件
300‧‧‧光學透鏡陣列
310‧‧‧柱狀透鏡
320‧‧‧反射式偏光元件
L‧‧‧多條光線
LR 、LG 、LB ‧‧‧RGB之分離色光
R1、R1’‧‧‧第一反射元件
圖1為本發明一實施例之彩色分光系統結構示意圖。
圖2A及圖2B為本發明不同實施例之光源模組以及部分導光模組結構示意圖。
圖3A至圖3C為本發明多個實施例之光源模組以及導光模組結構示意圖，其說明了多條光線的部分行進路線。
圖4所示為本發明一實施例之光學透鏡陣列結構示意圖，其說明了多條光線的部分行進路線。
100‧‧‧光源模組
110‧‧‧發光元件
120‧‧‧準直透鏡
200‧‧‧導光模組
210‧‧‧入光面
220‧‧‧出光面
230‧‧‧底面
231‧‧‧微結構
232‧‧‧第二反射元件
300‧‧‧光學透鏡陣列
310‧‧‧柱狀透鏡
320‧‧‧反射式偏光元件

Claims (14)

  1. 一種彩色分光系統，包含：多個陣列排列之光源模組，其中每一該光源模組包含：多個發光元件，其用以分別產生多個中心波長相異且空間上分離之光線；以及一準直透鏡，其用以準直該多條光線；一導光模組，其具有至少一入光面、一出光面以及一底面，其中該底面與該出光面相對，且該入光面與該出光面以及該底面至少其中之一連接；該多個光源模組所產生之該多條光線入射至該入光面，並經該底面反射後從該出光面射出該導光模組；一光學透鏡陣列，其設置於該導光模組之該出光面側，用以偏折該多條光線，使該多條光線由該出光面向外射出該光學透鏡陣列。
  2. 如請求項1所述之彩色分光系統，其中每一該光源模組之該多個發光元件包含紅光發光二極體、綠光發光二極體、藍光發光二極體以及白光發光二極體其中至少二種。
  3. 如請求項1所述之彩色分光系統，其中該準直透鏡與該導光模組為一體之結構。
  4. 如請求項1所述之彩色分光系統，其中該準直透鏡包含雙凸透鏡、平凸透鏡或菲涅耳透鏡。
  5. 如請求項1所述之彩色分光系統，其中該導光模組之該底面設有微結構，用以反射該多條光線至該出光面。
  6. 如請求項1所述之彩色分光系統，其中該導光模組包含二個相對之該入光面，且每一該入光面側設置多個該光源模組；相對之該準直透鏡為同軸或平移配置。
  7. 如請求項1所述之彩色分光系統，其中該光學透鏡陣列包含多個柱狀透鏡。
  8. 如請求項1所述之彩色分光系統，更包含： 一反射式偏光元件，其設置於該光學透鏡陣列之出光側，用以偏極化該多條光線。
  9. 如請求項8所述之彩色分光系統，其中該反射式偏光元件為包含奈米金屬線柵陣列結構之元件或包含液晶層之元件。
  10. 如請求項8所述之彩色分光系統，更包含：一四分之一波片(quarter wave plate)，其設置於該導光模組之該底面側，用以改變反射自該反射式偏光元件之該多條光線之偏極化狀態。
  11. 如請求項1所述之彩色分光系統，更包含：一反射導光元件，其設置於該光源模組之兩側且與該準直透鏡之光軸平行，用以反射該多條光線至該入光面。
  12. 如請求項1所述之彩色分光系統，更包含：一第一反射元件，其設置於該準直透鏡以及該導光模組之該入光面之間，用以偏折該多條光線入射至該入光面。
  13. 如請求項1所述之彩色分光系統，更包含：一第二反射元件，其設置於該導光模組之該底面側，用以反射該多條光線至該出光面。
  14. 如請求項1所述之彩色分光系統，更包含：一吸光元件，其設置於該導光模組之至少一側面，用以吸收該多條光線以避免該多條光線反射回該導光模組。
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