TWI705281B - 前光顯示器 - Google Patents

Abstract

一種前光顯示器，包括一光源、一耦合透鏡、一第一與一第二偏振器、一導光板以及一反射顯示器面板。導光板具有一第一表面、一第二表面、連接第一與第二表面的一側表面以及位於第一與第二表面之間的導光微結構。第一偏振器、耦合透鏡以及光源依序設置在側表面的一側處。發射不同顏色的光束的光源的發光元件沿著一第一方向而非一第二方向排列。第一方向平行於側表面以及第一表面，且第二方向平行於側表面並垂直於第一表面。耦合透鏡包括沿著第一方向排列並分別沿著第二方向延伸的垂直柱狀結構。

Description

前光顯示器

本發明是有關於一種顯示器，且特別是有關於一種前光顯示器。

在配備有背光模組的顯示器中，經由提供擴散器與以水平方式放置相同顏色的發光元件或以三角形方式放置不同顏色的發光元件改善了背光模組的光均勻性。然而，對於前光顯示器來說，需要可控制的光線路徑來保持偏振與小的集光率。在前光顯示器中，上述發光元件的配置不僅增大了水平方向上的集光率，並使得光線路徑控制設計更加困難，而且還導致顏色不均勻的問題。此外，擴散器不僅散射了來自光源的光束，破壞偏振方向，導致光效率與對比度的降低，而且還擴大了水平方向上的集光率，並使得光線路徑控制設計更加困難。

本發明提供一種前光顯示器，其具有良好的光均勻性、光效率以及對比度。

本發明的一實施例提供一種前光顯示器，其包括一光源、一耦合透鏡、一第一偏振器、一導光板、一第二偏振器以及一反射顯示器面板。光源適於輸出不同顏色的光束。耦合透鏡設置在來自光源的光束的傳遞路徑上。第一偏振器設置在來自耦合透鏡的光束的傳遞路徑上。導光板設置在來自第一偏振器的光束的傳遞路徑上。導光板具有一第一表面、相對於第一表面的一第二表面、連接第一表面與第二表面的一側表面以及位於第一表面與第二表面之間的多個導光微結構，其中來自第一偏振器的光束通過側表面進入導光板。第二偏振器設置在導光板的第一表面上。反射顯示器面板設置在導光板的第二表面下方。光源包括多個發光元件，且發射不同顏色的光束的這些發光元件沿著一第一方向而非一第二方向排列。第一方向平行於側表面以及第一表面，且第二方向平行於側表面並垂直於第一表面。耦合透鏡包括沿著第一方向排列並分別沿著第二方向延伸的多個垂直柱狀結構。

基於上述，在根據本發明實施例的前光顯示器中，由於發射不同顏色的光束的發光元件沿著第一方向(垂直方向)而不是第二方向(水平方向)排列，因此在水平方向上取得了較小的集光率，且光線路徑控制設計較不困難。此外，經由在發光元件前放置垂直柱狀結構，而不是擴散器，改善了水平方向上的光均勻性，因此在沒有增加水平方向上的集光率與光線路徑控制設計的難度的情況下改善了光均勻性，且沒有降低光效率與對比度。 因此，根據本發明實施例的前光顯示器具有良好的光均勻性、光效率以及對比度。

為讓本發明的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。

1、1A、2、3、4、5:前光顯示器

10:光源

11、11A:耦合透鏡

12:第一偏振器

13:導光板

14:第二偏振器

15:反射顯示器面板

100、101、102:發光元件

103:電路板

110:垂直柱狀結構

111:透明基板

112:水平柱狀結構

130:第一表面

131:第二表面

132、132A、134、134A:側表面

133:導光微結構

BB:藍色光束

BR:紅色光束

BG、BG1、BG2:綠色光束

D、DA:距離

D1:第一方向

D2:第二方向

D3:第三方向

IRB、IRG、IRR:照射範圍

P、PA:節距

P1:第一部分

P2:第二部分

P11、P22:凸部

P12、P21:凹部

W、W’:寬度

圖1是根據本發明一實施例的一種前光顯示器的示意性剖面圖。

圖2A與2B分別示出圖1中的光源的兩個實施例的兩個示意性前視圖。

圖3是圖1中的光源與耦合透鏡的局部示意性剖面圖。

圖4與5分別是一比較的前光顯示器與根據本發明實施例的前光顯示器示意性上視圖。

圖6是根據本發明另一實施例的前光顯示器的局部示意性剖面圖。

圖7是圖6中的光源與耦合透鏡的局部示意性剖面圖。

圖8至10分別是根據本發明其他實施例的前光顯示器的示意性上視圖。

圖1是根據本發明一實施例的一種前光顯示器1的示意 性剖面圖。請參照圖1，前光顯示器1包括光源10、耦合透鏡11、第一偏振器12、導光板13、第二偏振器14以及反射顯示器面板15。

光源10適於輸出不同顏色的光束，例如，紅色光束、綠色光束(綠色光束BG1與BG2在圖1中示意性的示出)以及藍色光束，但經由光源10所輸出的光束的顏色並不以此為限。耦合透鏡11設置在來自光源10的光束的傳遞路徑上。第一偏振器12設置在來自耦合透鏡11的光束的傳遞路徑上。導光板13設置在來自第一偏振器12的光束的傳遞路徑上。導光板13具有一第一表面130、相對於第一表面130的一第二表面131、連接第一表面130與第二表面131的一側表面132以及位於第一表面130與第二表面131之間的多個導光微結構133，其中來自第一偏振器12的光束通過側表面132進入導光板13。第二偏振器14設置在導光板13的第一表面130上。反射顯示器面板15設置在導光板13的第二表面131下方。

圖2A與2B分別示出圖1中的光源10的兩個實施例的兩個示意性前視圖。請參照圖1至2B，光源10包括多個發光元件，例如，能夠輸出紅色光束的多個發光元件100、能夠輸出綠色光束的多個發光元件101以及能夠輸出藍色光束的多個發光元件102。換句話說，發光元件100、發光元件101以及發光元件102分別是紅色發光元件、綠色發光元件以及藍色發光元件。然而，在其他實施例中，光源10可包括能夠輸出其它顏色的光束的多個 發光元件。

發光元件(例如，發光元件100、101、102)可為微發光二極體或發光二極體，但不以此為限。與利用螢光粉產生不同顏色的光束的光源相比，利用發光元件(例如，微發光二極體或發光二極體)產生不同顏色的光束的光源10具有更好的色域。此外，光源10可使用微發光二極體作為發光元件，以縮短發光元件的混光距離(將不同顏色的光混合成白光所需的距離)。另一方面，光源10可使用發光二極體作為發光元件，以減少光源10所需的發光元件的數量，並簡化電路設計。

發射不同顏色的光束的發光元件(例如，發光元件100、101、102)沿著一第一方向D1而非一第二方向D2排列。第一方向D1平行於側表面132以及第一表面130；在此，第一方向D1可以稱為水平方向。另一方面，第二方向D2平行於側表面132但垂直於第一表面130；在此，第二方向D2可以稱為垂直方向。換句話說，發射不同顏色的光束的發光元件不沿著第二方向D2(垂直方向)排列。由於發射不同顏色的光束的發光元件沿著第一方向D1(水平方向)而不是第二方向D2(垂直方向)排列，因此在水平方向上保持了不同顏色的光束的較小集光率，且光線路徑控制設計較不困難。

如圖2A所示，發光元件(例如，發光元件100、101、102)可為微發光二極體，並且發射不同顏色的光束的發光元件可沿著第一方向D1交替排列。此外，發射相同顏色的光束的發光元 件可沿著第二方向D2排列，使得沿著第二方向D2排列的發光元件的數量多於一個。

如圖2B所示，發光元件(例如，發光元件100、101、102)可為發光二極體，例如發光二極體晶片或發光二極體封裝，並且發射不同顏色的光束的發光元件可沿著第一方向D1交替排列。此外，每個發光元件的形狀可為矩形，並且每個發光元件的長軸可沿著第二方向D2延伸。如此，沿著第二方向D2排列的發光元件的數量可僅為一個。或者，沿著第二方向D2排列的發光元件的數量可多於一個。

光源10更可根據需求包括其他元件。例如，光源10更可包括用於承載發光元件與訊號傳輸的電路板103。在其他實施例中，用於控制發光元件的開啟或關閉狀態的控制器(未示出)也可設置在電路板103上。

耦合透鏡11位於光源10與第一偏振器12之間。圖3是圖1中的光源10與耦合透鏡11的局部示意性剖面圖。請參照圖1與3，耦合透鏡11包括沿著第一方向D1排列並分別沿著第二方向D2延伸的多個垂直柱狀結構110。

耦合透鏡11的垂直柱狀結構110適於沿著第一方向D1擴張每個顏色的光束(例如，紅色光束BR、綠色光束BG以及藍色光束BB)的照射範圍。例如，垂直柱狀結構110可包括多個柱狀稜鏡(或稱為三角柱)。此外，柱狀稜鏡可包括多個非等腰柱狀稜鏡。具體地，由第一方向D1與第三方向D3所形成的參考平面 上的至少一些狀稜鏡的剖面的形狀不是等腰三角形，其中第三方向D3垂直於第一方向D1與第二方向D2。垂直柱狀結構110可經由加熱或照射光所固化的光學膠而形成在透明基板(例如，玻璃基板)111上。再者，這些發光元件(例如，發光元件100、101、102)的每一個對應於這些垂直柱狀結構110中的複數個(多於一個)垂直柱狀結構110而設置，且這複數個垂直柱狀結構110的節距P隨著與所對應的發光元件沿著第一方向D1的距離D增加而減少。如此，可將大角度的光束引導向導光板13(參照圖1)，因此擴展了沿著第一方向D1的每個顏色的光束的照射範圍。

注意，圖3示意性地示出了垂直柱狀結構110的示例以及發光元件與垂直柱狀結構110之間的相對設置關係；然而，垂直柱狀結構110的數量、排列、形狀與製造方法以及發光元件與垂直柱狀結構110之間的相對設置關係不限於圖3所示的那些以及上述的說明。

圖4與5分別是一比較的前光顯示器2與根據本發明實施例的前光顯示器1示意性上視圖，其中比較的前光顯示器2與前光顯示器1之間的差異在於，比較的前光顯示器2不包括在根據本實施例的前光顯示器1中的耦合透鏡11。

在圖4與5中，為了便於辨識不同顏色的光束，紅色光束BR及其照射範圍IRR以粗實線表示，綠色光束BG及其照射範圍IRG以細實線表示，並且藍色光束BB及其照射範圍IRB以細虛線表示。

從圖4與圖5中可看出，在根據本實施例的前光顯示器1中沿著第一方向D1的每一照射範圍IRR、IRG與IRB的寬度W’大於在比較的前光顯示器2中沿著第一方向D1的每一照射範圍IRR、IRG與IRB的寬度W。由於不同顏色的光束的照射範圍沿著第一方向D1重疊，因此改善了在第一方向D1(水平方向)上的光均勻性。此外，由於經由在發光元件前放置了垂直柱狀結構110而不是擴散器而改善了水平方向上的光均勻性，所以不在垂直方向上增加集光率就改善了光均勻性，因此光線路徑控制設計較不困難，且可保持光效率與對比度。因此，前光顯示器1可具有良好的光均勻性、光效率以及對比度。

請再參照圖1，導光板13設置在第二偏振器14以及反射顯示器面板15之間，且導光板13的側表面132面對第一偏振器12。在導光板13內的導光微結構133適於將光束引導至反射顯示器面板15，且允許來自反射顯示器面板15的光束通過。注意，圖1示意性地示出了導光板13及其導光微結構133的示例；然而，導光板13及其導光微結構133的數量、排列以及形狀不限於圖1所示的那些。

如圖1所示，導光板13包括第一部分P1以及第二部分P2，其中第一部分P1位於第二部分P2與第二偏振器14之間。第一部分P1以及第二部分P2在兩者之間的界面處具有多個互補的柱狀稜鏡，且這些導光微結構133包括這些互補的柱狀稜鏡。具體地，第一部分P1具有在第三方向D3上交替排列的多個凸部P11 以及多個凹部P12，並且第二部分P2具有在第三方向D3上交替排列的多個凹部P21以及多個凸部P22，其中第一部分P1的凸部P11與第二部分P2的凹部P21在形狀上互補且連接在一起，並且第一部分P1的凹部P12與第二部分P2的凸部P22在形狀上互補且連接在一起。凸部P11、凹部P12、凹部P21以及凸部P22形成互補的柱狀稜鏡。此外，第一部分P1與第二部分P2具有相同的折射率，以避免重像。為了達到PBS效果(以反射S偏振光並允許P偏振光通過)，可在第一部分P1與第二部分P2之間的界面處形成多層塗層。

反射顯示器面板15設置在來自導光板13的光束的傳遞路徑上，以將來自導光板13的光束(照射光束)轉換為影像光束。例如，反射顯示器面板15為矽顯示器上的液晶，但不以此為限。

第一偏振器12與第二偏振器14具有互相垂直的偏振方向。例如，第一偏振器12適於允許s偏振光束通過並過濾(例如吸收)p偏振光束，而第二偏振器14適於允許p偏振光束通過並過濾(例如吸收)s偏振光束。反射顯示器面板15將s偏振光束轉換為p偏振光束，且將p偏振光束反射回導光板13，並且在依序通過導光板13與第二偏振器14之後，從前光顯示器1輸出p偏振光束。

圖6是根據本發明另一實施例的前光顯示器1A的局部示意性剖面圖。圖7是圖6中的光源10與耦合透鏡11A的局部示意性剖面圖。請參照圖6與7，前光顯示器1A與圖1的前光顯示器 1之間的主要差異在於，前光顯示器1A的耦合透鏡11A與圖1的前光顯示器1的耦合透鏡11不同。

具體地，耦合透鏡11A更包括沿著第二方向D2排列並分別沿著第一方向D1延伸的多個水平柱狀結構112，並且水平柱狀結構112與垂直柱狀結構110沿著第三方向D3重疊。例如，經由加熱或照射光依序固化具有不同折射率的光學膠，而在透明基板111上形成水平柱狀結構112與垂直柱狀結構110。然而，水平柱狀結構112與垂直柱狀結構110的相對設置關係、製造順序以及製造方法不限於圖6與7所示的那些以及上述的說明。在其他實施例中，垂直柱狀結構110可以在形成水平柱狀結構112之前形成。此外，水平柱狀結構112與垂直柱狀結構110可分別在透明基板111的兩個相對的表面上形成。或者，水平柱狀結構112與垂直柱狀結構110可在兩個透明基板上形成。

水平柱狀結構112適於沿著第二方向D2擴展每個顏色的光束(在圖6示例性地示出的紅色光束BR)的照射範圍，並允許更多的光束被傳輸至導光板13遠離側表面132的一側。例如，水平柱狀結構112可採用圖3中所示的垂直柱狀結構110的相同的組態；然而，水平柱狀結構112與垂直柱狀結構110之間的排列方向與延伸方向是相反的。在其他實施例中，水平柱狀結構112可採用與垂直柱狀結構110不同的組態。

圖6示意性地示出了在第二方向D2上排列的發射相同顏色的光束(例如，紅色光束BR)的發光元件(例如，發光元件100) 的數量為三個，其中這些發光元件的每一個對應於這些水平柱狀結構112中的複數個(多於一個)水平柱狀結構112而設置，並且這複數個水平柱狀結構112的節距PA隨著與所對應的發光元件沿著第二方向D2的距離DA增加而減少。然而，水平柱狀結構112的數量、排列、形狀與製造方法以及發光元件與水平柱狀結構112之間的相對設置關係不限於圖6與7所示的那些以及上述的說明。

圖8至10分別是根據本發明其他實施例的前光顯示器3、4與5的示意性上視圖。請參照圖8，前光顯示器3與圖5的前光顯示器1之間的主要差異在於光源10、耦合透鏡11以及第一偏振器12相對於導光板13的相對設置關係。具體地，如圖8所示，導光板13具有兩個短側表面(側表面132與132A)以及兩個長側表面(側表面134與134A)。在圖5中，光源10、耦合透鏡11以及第一偏振器12設置在導光板13的短側表面的其中一處(例如側表面132)，而在圖8中，光源10、耦合透鏡11以及第一偏振器12設置在導光板13的長側表面的其中一處(例如側表面134)。

請參照圖9，前光顯示器4與圖5的前光顯示器1之間的主要差異如下。前光顯示器4包括兩個光源10、兩個耦合透鏡11以及兩個第一偏振器12。兩個耦合透鏡11中的每一個對應於兩個光源10的其中一個而設置，並且兩個第一偏振器12中的每一個對應於兩個耦合透鏡11的其中一個而設置。導光板13具有多個側表面132、132A、134與134A，並且兩個光源10對應於這些側 表面132、132A、134與134A中的兩個相對的側表面(例如，側表面132與132A)而設置。

請參照圖10，前光顯示器5與圖9的前光顯示器4之間的主要差異如下。在圖9中，兩個光源10、兩個耦合透鏡11以及兩個第一偏振器12設置在導光板13的短側表面(側表面132與132A)處，而在圖10中，兩個光源10、兩個耦合透鏡11以及兩個第一偏振器12設置在導光板13的長側表面(側表面134與134A)處。

綜上所述，在根據本發明實施例的前光顯示器中，由於發射不同顏色的光束的發光元件沿著第一方向(垂直方向)而不是第二方向(水平方向)排列，因此在水平方向上取得了較小的集光率，且光線路徑控制設計較不困難。此外，經由在發光元件前放置垂直柱狀結構，而不是擴散器，改善了水平方向上的光均勻性，因此在沒有增加水平方向上的集光率與光線路徑控制設計的難度的情況下改善了光均勻性，且沒有降低光效率與對比度。因此，根據本發明實施例的前光顯示器具有良好的光均勻性、光效率以及對比度。在一實施例中，可經由進一步將水平柱狀結構放置在發光元件前面來改善垂直方向上的光均勻性。在另一實施例中，前光顯示器可具有設置在導光板的相對的側表面處的兩個光源、兩個耦合透鏡以及兩個第一偏振器。

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，在不脫離本發明的 精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1:前光顯示器

10:光源

11:耦合透鏡

12:第一偏振器

13:導光板

14:第二偏振器

15:反射顯示器面板

130:第一表面

131:第二表面

132:側表面

133:導光微結構

BG1、BG2:綠色光束

D1:第一方向

D2:第二方向

D3:第三方向

P1:第一部分

P2:第二部分

P11、P22:凸部

P12、P21:凹部

Claims (12)

1. 一種前光顯示器，包括：一光源，適於輸出不同顏色的光束；一耦合透鏡，設置在來自該光源的該光束的傳遞路徑上；一第一偏振器，設置在來自該耦合透鏡的該光束的傳遞路徑上；一導光板，設置在來自該第一偏振器的該光束的傳遞路徑上，該導光板具有一第一表面、相對於該第一表面的一第二表面、連接該第一表面與該第二表面的一側表面以及位於該第一表面與該第二表面之間的多個導光微結構，其中來自該第一偏振器的該光束通過該側表面進入該導光板；一第二偏振器，設置在該導光板的該第一表面上；以及一反射顯示器面板，設置在該導光板的該第二表面下方，其中該光源包括多個發光元件，發射不同顏色的光束的該些發光元件沿著一第一方向而非一第二方向排列，該第一方向平行於該側表面以及該第一表面，且該第二方向平行於該側表面並垂直於該第一表面；以及其中該耦合透鏡包括沿著該第一方向排列並分別沿著該第二方向延伸的多個垂直柱狀結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述的前光顯示器，其中該些發光元件為微發光二極體，且發射相同顏色的光束的該些發光元件沿著該第二方向排列。
3. 如申請專利範圍第1項所述的前光顯示器，其中該些發光元件為發光二極體，輸出不同顏色的光束的該些發光元件沿著該第一方向交替排列，且沿著該第二方向排列的該些發光元件的數量僅為一個。
4. 如申請專利範圍第1項所述的前光顯示器，其中該些垂直柱狀結構包括多個柱狀稜鏡。
5. 如申請專利範圍第4項所述的前光顯示器，其中該些發光元件的每一個對應於該些垂直柱狀結構中的複數個垂直柱狀結構而設置，且該複數個垂直柱狀結構的節距隨著與所對應的發光元件沿著該第一方向的距離增加而減少。
6. 如申請專利範圍第4項所述的前光顯示器，其中該些柱狀稜鏡包括多個非等腰柱狀稜鏡。
7. 如申請專利範圍第1項所述的前光顯示器，其中該耦合透鏡更包括沿著該第二方向排列並分別沿著該第一方向延伸的多個水平柱狀結構，且該些水平柱狀結構在沿著垂直於該第一方向與該第二方向的一第三方向上重疊於該些垂直柱狀結構。
8. 如申請專利範圍第1項所述的前光顯示器，其中該導光板包括一第一部分以及一第二部分，該第一部分位於該第二部分與該第二偏振器之間，該第一部分以及該第二部分在兩者之間的界面處具有多個互補的柱狀稜鏡，且該些導光微結構包括該些互補的柱狀稜鏡。
9. 如申請專利範圍第8項所述的前光顯示器，其中該第一部分與該第二部分具有相同的折射率。
10. 如申請專利範圍第1項所述的前光顯示器，其中該反射顯示器面板為矽顯示器上的液晶，且該第一偏振器與該第二偏振器具有互相垂直的偏振方向。
11. 如申請專利範圍第1項所述的前光顯示器，其中該前光顯示器包括兩個光源、兩個耦合透鏡以及兩個第一偏振器，該兩個耦合透鏡的每一個對應於該兩個光源的其中一個而設置，且該兩個第一偏振器的每一個對應於該兩個耦合透鏡的其中一個而設置，該導光板具有多個側表面，且該兩個光源對應於該些側表面中的兩個相對的側表面而設置。
12. 如申請專利範圍第1項所述的前光顯示器，其中該不同顏色的光束為不同波長的光束或不同色溫的光束。

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