TWI499840B - 液晶顯示裝置 - Google Patents

Description

液晶顯示裝置

本發明係關於一種液晶顯示裝置，特別是一種具有Colliwide廣視角技術的液晶顯示器。

液晶顯示器已廣泛使用於各種電子產品中，例如，具顯示螢幕的電腦設備、行動電話、或數位相框等，而廣視角技術為目前液晶顯示器的發展重點之一。對於扭轉向列型(Twisted Nematic，簡稱TN)、垂直配向型(Vertical Alignment，簡稱VA)及橫向電場效應型(In-Plane Switching，簡稱IPS)的穿透式液晶顯示器而言，其側視角的電壓-穿透率(V-T)光學特性曲線受到液晶排列的影響，其中部分會出現灰階反轉的缺點，而影響其廣視角的影像顯示效能。

Colliwide技術係以近準直背光源搭配與液晶面板之上偏光板結合的散射式光學擴散膜，使得液晶排列影響側視角的電壓-穿透率光學特性曲線的效應降低，藉以實現廣視角的液晶顯示技術。然而，目前Colliwide技術對近準直背光源的設計考量僅於選擇出射光型半高寬狹窄的背光源，而忽視了較大側視角有無亮度反轉，或背光源與光學擴散膜的搭配對於各視角的影響，因此，於觀察者一般使用的視角範圍內，仍有可能灰階反轉的不良影像視覺效果。

為達成此目的，根據本發明的一方面，一實施例提供一種液晶顯示裝置，其包括：一背光模組，提供一光線群；一液晶面板，設置於該背光模組之上，部分該光線群穿透該液晶面板，該液晶面板包括一第一基板、一相對的第二基板、及一設置於該第一基板與該第二基板之間的液晶層；以及一第一光學膜，置於該液晶面板之上，用以使通過該第一光學膜的部分該光線群被繞射式擴散，被擴散之部分該光線群包括一第一繞射光，該第一繞射光具有一繞射角α ₁ 介於40度至90度之間；其中，該背光模組的該光線群包括一第一強度U(θ )與一第二強度U(θ +α ₁ )，的比值係小於或等於10%並大於0，且θ 係為0度以上並小於50度。

此外，該被擴散之部分該光線群包含一中央繞射光。該中央繞射光可具有一中央峰值強度，該第一繞射光可具有一第一峰值強度，且該第一峰值強度與該中央峰值強度的比值介於4%至10%之間。

此外，該液晶層係包括扭轉向列型液晶，該第一基板可包含一第一配向層，該第二基板可包含一第二配向層，且該第一配向層之第一配向角ψ_a1 介於-40度至-50度之間，該第二配向層之第二配向角ψ_a2 介於-130度至-140度之間。

此外，該聚光層包含一第一稜鏡片及一第二稜鏡片，該第二稜鏡片位於該第一稜鏡片之上，該第一稜鏡片與該第二稜鏡片具有複數平行排列的長條形稜鏡，該第一稜鏡 片具有第一長軸方向角ψ₁₁ 係介於-40度至-50度之間或是介於-130度至-140度之間。

為便於對本發明之特徵、目的及功能進一步的認知與瞭解，茲配合圖式詳細說明本發明的實施例如後。在所有的說明書及圖示中，將採用相同的元件編號以指定相同或類似的元件。

在本發明的實施例說明中，對於一元素被描述是在另一元素之「上面/上」或「下面/下」，係指直接地或間接地在該元素之上或下的情況，而包含設置於其間的其他元素。為了說明上的便利和明確，圖式中各膜層的厚度或尺寸，係以誇張或省略或概略的方式表示，且各構成要素的尺寸並未完全為其實際的尺寸。

此外，關於角度之敘述請見圖6，係採用球座標系統(Spherical coordinate system)之天頂角(azimuthal angle)θ 與方位角(polar angle)φ，並定義絕對之三維xyz正交座標系統作為角度定義之參考。天頂角θ 係以+z軸出發，朝向順時針方向繞行定義為正，而以逆時針方向繞行定義為負。方位角φ係以+x軸出發，朝向逆時針方向繞行定義為正，而以順時針方向繞行定義為負。原點的天頂角θ =0度及方位角φ=0度。一般而言正視觀察者的視線方向朝-z軸方向，x-y為其觀察之平面(法線為+z軸方向)，x軸相對觀察者為水平軸，y軸相對觀察者而言為垂直軸。其次，若觀察者以側視觀察物體，則位於方位角φ=-90度稱之為下 視角，其餘角度依此類推。此外，在本發明的各實施例中，光線與特定參考線(面)之夾角係指光線之半高寬中間值及光線出射原點之連線與特定參考線(面)之夾角，其角度可容忍±5度之誤差。

如前所述，習知Colliwide廣視角技術僅強調背光模組發光光型強度分布的半高寬是否狹窄，而忽略在天頂角θ 為大角度時其強度分布是否有灰階反轉的情況發生，或是忽略光學擴散膜與背光模組的搭配性。由於一般TN型液晶顯示器的下視角常為其光學影像顯示特性較差的視角所在，灰階反轉現象也最為嚴重，因此在本發明的各實施例中，將針對此下視角進行光學影像顯示特性的改善，藉由適當地設置背光模組上的稜鏡片組合，可使進入液晶面板下視角方向的光減少，並使其正面視角方向的光，經由液晶面板上的光學擴散膜而部分繞射至其下視角方向，而達到灰階反轉的補償效果；但本發明不以上述的下視角情況為限制。

圖1為根據本發明實施例的液晶顯示裝置100之剖面示意圖。該液晶顯示裝置100包含一背光模組110、一液晶面板120、一第一光學膜130以及一第二光學膜131；其中，該背光模組110用以提供一光線群，光線群係指複合波長、複合出射角度及複合強度之一群光線。該液晶面板120設置於該背光模組110之上，背光模組110提供之光線群部分穿透該液晶面板120，該第一光學膜130設置於該液晶面板120之上且鄰近於觀察者101，而該第二光學膜131設置於該液晶面板120及該背光模組110之間，光線 群亦部分穿透該第一光學膜130及該第二光學膜131。在本實施例中，該第一光學膜130係貼附於該液晶面板120之上側表面，該第二光學膜131係貼附於該液晶面板120之下側表面，且該第二光學膜131與該背光模組110彼此分開而於兩者之間具有一間隔。此外，該液晶面板120及該背光模組110皆具有驅動元件(未繪示)並連接驅動裝置(未繪示)以顯示畫面。以下將對本實施例的各組成單元詳加描述。

該背光模組110所發出的光線群照射該液晶面板120的背面(亦即圖1所示該液晶面板120的下方)，部分光線群之光線穿透該液晶面板120由正面(亦即圖1所示該液晶面板120的上方)出射，使得觀察者101得以在該液晶面板120的正面看到灰階影像畫面。該第一光學膜130包括一第一偏振膜(未繪示)及一第一黏著層(未繪示)，該第二光學膜131包括一第二偏振膜(未繪示)及一第二黏著層(未繪示)，其中，該第一光學膜130更包括一擴散膜(未繪示)，其設置於該第一光學膜130的上方出光面，該擴散膜係為該液晶顯示裝置100最鄰近觀察者101之元件。此外，該第一光學膜130及該第二光學膜131可視實際情況的需要，而再增加相位延遲膜(phase retarder)或是補償膜(compensator)等光學功能元件。

該液晶面板120包含一第一基板121、一第二基板122、及一液晶層123。該第一及第二基板121及122彼此相對且平行設置，以作為該液晶面板120的上下基板，其材料可以是透明的玻璃、塑膠或高分子聚合物，用以支承 該液晶面板120的元件結構並具有透光性，以減少光路徑上不必要的亮度損耗。該第一基板121及該第二基板122上可包含薄膜電晶體層(thin film transistor，簡稱TFT)、電極層、導線、配向層、彩色濾光片層(color filter，簡稱CF)、間隙子(spacer)及封閉物(sealant)等元件結構，其位於該第一基板121的該第一光學膜130之相反側面或該第二基板122的該第二光學膜131的相反側面。

該液晶層123於本實施例中可為TN型液晶分子(未圖示)，充填於該第一基板121與該第二基板122之間的液晶細胞盒(LC cell)內，此液晶細胞盒的容積主要由間隙子及封閉物決定。當液晶分子的排列及其折射係數受到電場的影響，可改變穿透光線的偏極化狀態，再搭配具有偏振(polarization)功能的該第一光學膜130及該第二光學膜131，即可達成灰階影像的顯示。此外，該液晶面板120的該液晶層123亦可為垂直配向型(VA)液晶或共平面轉向型(IPS)液晶。

在本實施例中，該第一基板121包含一薄膜電晶體層(未圖示)及一第一配向層(未圖示)，且該第二基板122包含一彩色濾光層(未圖示)及一第二配向層(未圖示)；因此，該第一基板121為薄膜電晶體(TFT)基板，而該第二基板122為彩色濾光(CF)基板。但本發明並不以此為限，該液晶面板120亦可以是薄膜電晶體基板在上而彩色濾光基板在下的配置。在本實施例中，該液晶層123為TN型液晶，該第一配向層被朝向第一配向方向進行配向處理，該第二配向層被朝向第二配向方向進行配向處理。圖2為圖1之由 觀察者101的視線方向(亦即沿著如圖1所示之方向A)上所觀察到的，該液晶顯示裝置100的正面作為x-y座標平面之示意圖，則該第一配向方向181與x軸之夾角稱之為第一配向角φ_a1 ，該角度介於-40度至-50度之間，較佳者為-45度。該第二配向方向182與x軸之夾角稱之為第二配向角φ_a2 ，該角度介於-130度至-140度之間，較佳者為-135度。而觀察者之下視角方向183為方位角φ=-90±5度的方向，但本發明並不對此加以限制。

該第一光學膜130置於該液晶面板120之上並具有擴散膜(diffuse film)。該擴散膜可利用繞射(diffracting)、折射(refracting)、散射(scattering)等方式來調控光線，而本實施例係使用繞射式。當光線群經過該液晶面板120之後，最終受到該第一光學膜130的擴散膜的作用而被繞射式擴散。圖3可用以說明當一光束200通過該第一光學膜130時，該光束200可被繞射式擴散而產生至少二部份繞射圖案的示意圖。該光束200通過該擴散膜130後可產生包含一天頂角θ 為0度以上及小於5度之間的中央繞射光210及一天頂角θ =α₁ 度(此處之φ可能為特定角度或不限特定角度皆可)的第一繞射光220。倘若設定該光束200前進方向為該第一光學膜130之法線方向，該光束200穿透該第一光學膜130之點為原點，則θ 為該第一光學膜130表面之天頂角。所謂的該中央繞射光210係指中央繞射亮紋(光波積分之第一建設性干涉位置)之波峰與原點之連線，而該第一繞射光220係指第一級繞射亮紋(光波積分之第二建設性干涉位置)之波峰與原點之連線。該第一繞射光220之繞 射角α₁ 大於或等於40度並小於90度，為了達到較佳的灰階反轉補償，該第一繞射光220可設置於下視角方向或方位角φ=-45度至-135度之間的範圍內；但不以此為限，端視實際的情況而定。

如圖3所示，該中央繞射光210具有一中央峰值強度I₀ ，該第一繞射光220具有一第一峰值強度I。在本實施例中，該第一峰值強度I與該中央峰值強度I₀ 的比值可介於4%至30%之間，更佳的是介於4%至10%之間。藉此，可使輸出液晶面板正面視角方向的光線群經由該第一光學膜130的繞射式擴散而將部分光線群轉移至側視方向，以達到灰階反轉的補償效果；如果該繞射效果係加強下視角方向的影像顯示，則可以提高TN型液晶顯示器的光學影像顯示特性。

此外，該第一光學膜130之擴散膜亦可使用折射或散射方式調控光線，或是將原有的繞射式擴散膜摻入近於透明微粒子，利用該些微粒子與原有繞射式擴散膜材質的折射率差異，達到兼具繞射、折射及散射的多重擴散功效。

該液晶顯示裝置100可進一步包含一聚光層140於該背光模組110之上。聚光層140包括具有複數條彼此平行長條形稜鏡的增亮膜，其具有聚光的功效，可藉以調整該背光模組110的發光光型。請參考圖4A及圖4B，在本實施例中，該聚光層140可包含第一稜鏡片141及第二稜鏡片142，該第二稜鏡片142位於該第一稜鏡片141之上，且該第一稜鏡片141與該第二稜鏡片142的長條形稜鏡之長軸(或長條形稜鏡之延伸方向)彼此垂直(交叉式)。藉此， 該背光模組110可提供Colliwide技術所需的光源。參考圖4A及圖4B及圖5所示，本實施例之下視角方向的光強度分布曲線310，320及330，其中θ表示以上述法線方向定義之出光方向角，曲線310係該第一稜鏡片141之第一長軸方向角φ₁₁ 介於130度至140度之間(或φ₁₁ 介於40度至50度之間)而該第二稜鏡片142之第二長軸方向角φ₁₂ 介於40度至50度之間(或φ₁₂ 介於130度至140度之間)的情況，其光強度隨著出光方向角θ的增大而逐漸遞減，無反轉情況產生；曲線320係該第一稜鏡片141之第一長軸方向角φ₁₁ 介於-5度至5度之間，而該第二稜鏡片142之第二長軸方向角φ₁₂ 介於85度至95度之間的情況，其光強度在θ介於35度至50度之間發生亮度曲線反轉情況；曲線330係第一稜鏡片之第一長軸方向角φ₁₁ 介於-5至5度之間，而第二稜鏡片之第二長軸方向角φ₁₂ 介於85度至95度之間的情況，其光強度在θ約50度之後發生曲線尾部上揚或稱為拖尾的現象，曲線320及曲線330皆可能對液晶顯示器的光學影像顯示特性造成不良影響。然而，倘若以目前近準直背光源以強度分布半高寬角來定義其發光光型，則曲線310，320及330的半高寬角皆為θ約20度而無法區別，導致曲線反轉或拖尾的不良特性影響最後該液晶顯示裝置100的光學表現。因此，本實施例對於背光源發光光型的規格設定為：背光模組110發出之光線群強度曲線上包括第一光強度U(θ)及第二光強度U(θ+α₁ )，則小於或等於10%並大於0，也就是得以獲得類 似上述曲線310光強度隨著天頂角θ的增大而逐漸遞減的結果，無強度反轉之情況；其中，θ係為0度以上並小於50度，此係指θ+α₁ 必須為0度以上但小於90度的天頂角限制。但本發明並不對此比例的值加以限制，端視實際對顯示器的光學影像顯示特性要求而定。

此外，在上述的各實施例中，係針對顯示器下方視角的光學影像顯示特性進行改善，這是由於TN型液晶顯示器的下方視角常為其光學影像顯示特性最差的視角所在，灰階反轉現象也最為嚴重；然而，本發明並不以此下方視角為限制基礎，倘若光學影像顯示特性最差之處出現於其他視角，亦可依據本發明之實施例加以適當的調整(例如，調整背光模組的強度分佈或光學膜的繞射角度等)以因應之。此外，本發明的液晶顯示裝置亦可以是包含前述實施例液晶顯示裝置100的計算器或電腦，例如，含有顯示螢幕的電腦設備、平板電腦、行動電話、或數位相框等，但本發明並不對此加以限制。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。

100‧‧‧液晶顯示裝置

101‧‧‧觀察者

110‧‧‧背光模組

120‧‧‧液晶面板

121‧‧‧第一基板

122‧‧‧第二基板

123‧‧‧液晶層

130‧‧‧第一光學膜

131‧‧‧第二光學膜

140‧‧‧聚光層

141‧‧‧第一稜鏡片

142‧‧‧第二稜鏡片

181‧‧‧第一配向方向

182‧‧‧第二配向方向

183‧‧‧下視角方向

200‧‧‧光束

210‧‧‧中央繞射光

I₀ ‧‧‧中央峰值強度

220‧‧‧第一繞射光

I‧‧‧第一峰值強度

310/320/330‧‧‧曲線

圖1為根據本發明實施例的液晶顯示裝置之剖面示意 圖。

圖2為根據本發明實施例的液晶面板配向方向示意圖。

圖3說明當一光束通過擴散膜所產生至少二繞射光的示意圖。

圖4A為具有複數個彼此平行的長條形稜鏡的稜鏡片之設置方向示意圖。

圖4B為具有複數個彼此平行的長條形稜鏡的稜鏡片之設置方向示意圖。

圖5為數個背光源的平面光在下視角方向上的強度分布曲線圖。

圖6為正交座標系(x,y,z)與球座標系(r,θ ,φ)之示意圖

100‧‧‧液晶顯示裝置

101‧‧‧觀察者

110‧‧‧背光模組

120‧‧‧液晶面板

121‧‧‧第一基板

122‧‧‧第二基板

123‧‧‧液晶層

130‧‧‧第一光學膜

131‧‧‧第二光學膜

140‧‧‧聚光層

Claims (12)

1. 一種液晶顯示裝置，其包括：一背光模組，提供一光線群；一液晶面板，設置於該背光模組之上，部分該光線群穿透該液晶面板，該液晶面板包括一第一基板、一相對的第二基板、及一設置於該第一基板與該第二基板之間的液晶層；以及一第一光學膜，置於該液晶面板之上，用以使通過該第一光學膜的部分該光線群被繞射式擴散，被擴散之部分該光線群包括一第一繞射光，該第一繞射光具有一繞射角α₁ 介於40度至90度之間；其中，該背光模組的該光線群具有一第一強度U(θ)與 一第二強度U(θ+α₁ )，的比值係小於或等於 10%並大於0，且θ係為0度以上並小於50度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之液晶顯示裝置，其中，被擴散之部分該光線群進一步包含一中央繞射光，該中央繞射光具有一中央峰值強度，該第一繞射光具有一第一峰值強度，且該第一峰值強度與該中央峰值強度的比值介於4%至10%之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之液晶顯示裝置，其中，在觀察方位角介於-85度至-95度之間，該第一峰值強度與該中央峰值強度的比值介於4%至10%之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之液晶顯示裝置，其中，該液晶層包括扭轉向列型液晶。
5. 如申請專利範圍第4項所述之液晶顯示裝置，其中，該 第一基板包含一第一配向層，該第一配向層包括一第一配向角，該第一配向角介於-40度至-50度之間，該第二基板包含一第二配向層，該第二配向層包括一第二配向角，該第二配向角介於-130度至-140度之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之液晶顯示裝置，進一步包括：一聚光層，其設置於該背光模組之上。
7. 如申請專利範圍第6項所述之液晶顯示裝置，其中，該聚光層包含一第一稜鏡片及一第二稜鏡片，該第二稜鏡片位於該第一稜鏡片之上，該第一稜鏡片與該第二稜鏡片具有複數平行排列的長條形稜鏡，且該第一稜鏡片與該第二稜鏡片的長條形稜鏡之長軸方向彼此垂直。
8. 如申請專利範圍第7項所述之液晶顯示裝置，其中，該第一稜鏡片的長條形稜鏡之長軸方向係具有一第一長軸方向角，該第一長軸方向角介於40度至50度之間。
9. 如申請專利範圍第7項所述之液晶顯示裝置，其中，該第一稜鏡片的長條形稜鏡之長軸方向係具有一第一長軸方向角，該第一長軸方向角介於130度至140度之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述之液晶顯示裝置，進一步包含一第二光學膜，其設置於該液晶面板與該背光模組之間；其中，該第一光學模具有一第一偏振膜，該第二光學膜具有一第二偏振膜。
11. 如申請專利範圍第1項所述之液晶顯示裝置，其中，該第一光學膜包括微粒子。
12. 如申請專利範圍第1項所述之液晶顯示裝置，其中，該液晶層包括垂直配向型液晶。