TWI396873B - 一種微結構偏極化之導光裝置 - Google Patents

Description

一種微結構偏極化之導光裝置

本發明係關於一種微結構偏極化之導光裝置，尤指一種由奈米尺寸之微結構所構成的偏極分光結構及偏極轉換模組，其與導光模組所結合而成之導光裝置。

請參閱第一圖，為傳統背光模組結構之側向示意圖。如圖所示，一背光模組1主要包括入射光源冷陰極管10，燈管反射罩9，導光板7，反射板5，擴散板11、稜鏡片Ⅰ12A和稜鏡片Ⅱ12B以及吸收式偏光板13。光線由冷陰極管10發射或是經由燈罩9的反射，直接或間接進入導光板7傳播，經過導光板下方的光學結構設計面與反射板5對全反射的破壞後，光線由導光板7的正面以某一角度擴散射出，均勻分佈於發光區域內，再經由擴散板11及稜鏡片Ⅰ12A、稜鏡片Ⅱ12B對光線出射角進行調整，使光線能聚集在與面板垂直方向趨近於平行出射；在光束進入液晶層前，會再透過吸收式偏光板13達到極化光束之需求，而其所需損耗50%的光源能量，因此光的利用效率不佳。

在所有元件當中，導光板7是背光模組1光源的傳播媒介，其形狀及光學結構設計決定了光出射面的輝度及分布均勻性的表現。由於偏振態的光方能被液晶面板有效利用，因此為了讓導光板具有偏光轉換的功能，將原被吸收式偏極光所吸收的偏極光反射回收再利用，藉以提高光的利用效率，同時，光線能均勻地，集中在與面板垂直方向小角度出射範圍內。

除此之外，隨著TFT彩色液晶顯示器應用的範圍增加，以及今日社會消費者對於TFT彩色液晶顯示器及其所應用之電子電信電腦商品，日趨輕、薄、短、小，以及能產生高亮度，高均勻度及廣視角的要求，因而產業學界，莫不致力於背光系統之改良發展，企求讓背光模組能更亮和消耗功率更小以及更輕薄，進而使得的TFT彩色液晶顯示器的顯示效果更加完美。

如中華民國專利前案第I266117號所揭示者，一種具有偏振光轉換功能的背光模組，導光板設置於相位延遲片上，且其表面係具有複數個微結構。光源設置於導光板側端，其發出的光線藉由導光板下表面的微結構而出射導光板。具有複數條狀結構的次波長光柵片設置於導光板上，用以允許P光通過；並使S光產生反射。

而S光則經由在背光模組底部之反射片產生反射，並因為來回通過相位延遲片二次，轉換成為P光，藉此通過次波長光柵片。利用此設計，加倍強化P光，達成使液晶顯示器的顯示效果加強之效果，並由微結構及複數條狀結構的次波長光柵片之設計，薄型化背光模組。

然而，為滿足消費者更加薄型化和更節能省電的強烈需求，以及協助生產者，能尋求更簡單及更有效率的製程，本案發明者特別提出一種由奈米尺寸之微結構所構成之偏極分光結構及偏極轉換模組，其與導光模組所結合而成之導光裝置，透過反射極化光束之再利用，使背光模組之出光效能具有大幅提昇的可能性，更可使背光模組更能符合趨於輕薄的要求，並可使功率的消耗減少。

本發明之主要目的係提供一種微結構偏極化之導光裝置，尤指一種由奈米尺寸之微結構所構成的偏極分光結構及偏極轉換模組，其與導光模組所結合而成之導光裝置，以使非偏極態的光波得以經由微結構之偏極分光結構及偏極轉換模組，轉換為一偏極化之光波加以利用。

一種微結構偏極化之導光裝置，其包括一非偏極化光源模組、一偏極分光結構以及一偏極轉換模組；非偏極化光源包括一導光板及位於導光板側邊之一光源；導光板之材質為具有高透明度之聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Polymethylmethacrylate)，且其一表面具有複數個出光結構，且該表面可為一傾斜表面或一非傾斜表面；光源設於導光板側邊，來自一冷陰極螢光燈(CCFL)或一發光二極體(LED)等發光元件。

偏極分光結構係為具有奈米尺寸之微結構，由一介電光柵層及一金屬光柵層所構成，其中，介電光柵層成條狀排列結構一體成形於導光板的另一表面，而其材質可與導光板相同，均為PMMA，亦可為其他高分子透光材料或透明玻璃；金屬光柵層則形成於介電光柵層之上，並與介電光柵層垂直向相互堆疊，金屬光柵層的材料可為鋁、金、銀、銅及鎢等金屬族群。

偏極轉換模組係為具有奈米尺寸之微結構，配置在該導光板具有複數個出光結構之該表面，偏極轉換模組由一偏極轉換元件及一反射膜所組成，其中，偏極轉換元件係鄰接在導光板具有複數個出光結構的表面上，其可為一具有奈米尺度之介電質微結構或是一光相位延遲片，而反射膜則包覆於該偏極轉換元件之外表面上。

本發明係有關於一種微結構偏極化之導光裝置，尤指一種由奈米尺寸之微結構所構成的偏極分光結構及偏極轉換模組，其與導光模組所結合而成之導光裝置，以使非偏極態的光波得以經由微結構之偏極分光結構及偏極轉換結構，轉換為一偏極化之光波加以利用，使其在極低的光能量損失下，獲得單一偏極態的光波。為了能更清楚地描述本發明，以下將配合圖示詳細說明之。

請參閱第二圖，係本發明之一種微結構偏極化之導光裝置之一較佳實施例的側面示意圖。如圖所示，一種微結構偏極化之導光裝置100，其包括一導光板110、一冷陰極螢光燈120、一偏極分光結構130以及一偏極轉換模組140。

冷陰極螢光燈120設置在導光板110的側向，作為導光板110的入射光來源；特此說明，該入射光來源所利用之發光元件非僅止於冷陰極螢光燈，亦可使用發光二極體(LED)等其他種類的發光元件。

導光板110之材質係為具有高透明度之PMMA，而該導光板110其中一表面具有複數個出光結構111，而該複數個出光結構111係與導光板110一體成形，而其可設計為V形、梯形、圓弧狀或其他可以使導光板出射光線均勻化之形狀，且複數個出光結構111所在之表面係具有一傾斜度，因而形成一傾斜表面112；事實上，該傾斜表面112亦可設計為一非傾斜表面。

偏極分光結構130則設置在該導光板110相對於該傾斜表面112之另一非傾斜表面113上；而該偏極轉換模組140則配置形成在導光板110之傾斜表面112上。

偏極分光結構130係為具有奈米尺寸之微結構，請參閱第三圖，係本發明之一種微結構偏極化之一較佳實施例的立體示意圖。如圖所示，偏極分光結構130由一介電光柵層131及一金屬光柵層132所構成；介電光柵層131及金屬光柵層132二者皆為次波長光柵，亦即其光柵週期小於入射光之波長；介電光柵層131係與導光板110一體成形，其為條狀排列結構，位於導光板110的非傾斜表面113，材質可與導光板110相同，均為PMMA，且其但亦可為高分子透光材料或透明玻璃；金屬光柵層132形成在介電光柵層131上，並與介電光柵層131成垂直方式相互堆疊，金屬光柵層132的材料可為鋁、金、銀、銅及鎢等金屬族群。

請參閱第二圖，偏極轉換模組140亦為具有奈米尺寸之微結構，設置在該導光板110之傾斜表面112，偏極轉換模組140由一偏極轉換元件141及一反射膜142所組成，其中，偏極轉換元件141鄰接在該導光板110之傾斜表面112上。請參閱第四圖，係為偏極轉換模組140之構成示意圖，如圖所示，偏極轉換模組140之偏極轉換元件141可選擇性的為一具有奈米尺度之介電質微結構或一光相位延遲片，反射膜142則包覆於該偏極轉換元件141之外表面上。請參閱第五圖，係為偏極轉換模組140之應用示意圖，如圖所示，透過偏極轉換元件141及一反射膜142，經由反射之偏極光：P偏極轉S偏極射出；S偏極則轉P偏極射出。

請參閱第六圖，為係本發明之一種微結構偏極化之導光裝置之應用示意圖，如圖所示，一種微結構偏極化之導光裝置100，其中，冷陰極螢光燈120發出光線，自側向入射到導光板110內，因導光板為PMMA材質，可使入射光透過導光板110之出光結構111的多重反射及散射，而形成一均勻面光源，該面光源之光線透過設置在導光板110非傾斜表面113之具有奈米尺寸之微結構的偏極分光結構130內的介電光柵層131與金屬光柵層132，將其形成同一固定相位之偏極光射出。

設置在導光板110傾斜表面112的偏極轉換模組140，利用奈米尺寸之微結構之偏極轉換元件141及反射膜142，可將導光板110內由偏極分光結構130反射之光束，轉換成可出光的極化態，除了使光能減少損耗外，亦藉此增加偏極光之射出量。

請參閱第七圖及第八圖，係本發明之一種微結構偏極化之第二實施例及第三實施例的立體示意圖。如第七圖所示，偏極分光結構130由介電光柵層131及一金屬光柵層132所構成，金屬光柵層132形成在介電光柵層131上，並與介電光柵層131成垂直方式相互堆疊，而於金屬光柵層132的條狀排列結構，更嵌入於複數條介電質材料133，並與該金屬光柵層成相臨形式。

如第八圖所示，偏極分光結構130除了由介電光柵層131及一金屬光柵層132所構成，並在金屬光柵層132的條狀排列結構間，嵌入了與其相接相臨的複數條介電質材料133之外，更在金屬光柵層132的上方表面，再增加一層微結構的介電質層135，可作為奈米結構的保護層，而該介電質層135的材質，同樣的，可以利用PMMA、高分子透光材料或是透明玻璃，經由這些不同的設計，更加強化偏極光之射出量，進一步提升導光裝置100的效能，使TFT彩色液晶顯示器更能達成高亮度，高均勻度及廣視角的要求。

爰是，本發明專利申請案係利用創作人豐富的經驗，以極富創意的構思，設計出簡單卻能充分解決習知技術的不方便性。因此，本發明專利申請案的功能，確實符合具有新穎性與進步性的專利要件。

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。

1．．．背光模組

5．．．反射板

7．．．導光板

9．．．燈管反射罩

10．．．冷陰極管

11．．．擴散板

12A．．．稜鏡片Ⅰ

12B．．．稜鏡片Ⅱ

100．．．微結構偏極化之導光裝置

110．．．導光板

111．．．出光結構

112．．．傾斜表面

113．．．非傾斜表面

120．．．冷陰極螢光燈

130．．．偏極分光結構

131．．．介電光柵層

132．．．金屬光柵層

133．．．介電質材料

135．．．介電質層

140．．．偏極轉換模組

141．．．偏極轉換元件

142．．．反射膜

第一圖　係為傳統背光模組結構之側向示意圖；

第二圖　係本發明之一種微結構偏極化之導光裝置較佳實施例之側面示意圖；

第三圖　係本發明之一種微結構偏極化之較佳實施例之立體示意圖；

第四圖　為本發明之一種微結構偏極化之導光裝置之較佳實施例的偏極轉換模組之構成示意圖；

第五圖　為本發明之一種微結構偏極化之導光裝置之較佳實施例的偏極轉換模組之應用示意圖；

第六圖　係本發明之一種微結構偏極化之導光裝置之較佳實施例之應用示意圖

第七圖　係本發明之一種微結構偏極化之第二實施例之立體示意圖；

第八圖　係本發明之一種微結構偏極化之第三實施例之立體示意圖；

100‧‧‧微結構偏極化之導光裝置

110‧‧‧導光板

111‧‧‧出光結構

112‧‧‧傾斜表面

113‧‧‧非傾斜表面

120‧‧‧冷陰極螢光燈

130‧‧‧偏極分光結構

131‧‧‧介電光柵層

132‧‧‧金屬光柵層

140‧‧‧偏極轉換模組

Claims (12)

1. 一種微結構偏極化之導光裝置，係包括：一非偏極化光源模組，其包括：一導光板，其材質係為具高透明度之聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Polymethylmethacrylate)且該導光板之一表面上形成有複數個出光結構；及一光源，設置該導光板之側邊；一偏極分光結構，係為一具有奈米尺度之微結構，配置於相對該導光板具有該出光結構表面之另一表面，且該偏極分光結構更包括：一介電光柵層，係以條狀排列結構形成於該導光板之相對於該出光結構表面之該表面上，且該介電光柵層係與該導光板一體成形；及一金屬光柵層，形成於該介電光柵層之上，且該金屬光柵層之排列方式係垂直於該介電光柵層之條狀排列結構；以及一偏極轉換模組，配置於該導光板具有該出光結構之該表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種微結構偏極化之導光裝置，其中，該導光板之具有該出光結構之該表面，可選擇性為一傾斜表面及一非傾斜表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一種微結構偏極化之導光裝置，其中，該光源係可選擇性的為一冷陰極螢光燈及一發光二極體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之一種微結構偏極化之導光裝置，其中，該偏極分光結構之該介電光柵層之材質可選擇性為具高透明度之聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、高分子透光材料及透明玻璃。
5. 如申請專利範圍第1項所述之一種微結構偏極化之導光裝置，其中，該偏極分光結構之該金屬光柵層之材質可選擇性的為鋁、金、銀、銅及鎢所構成之族群。
6. 如申請專利範圍第1項所述之一種微結構偏極化之導光裝置，其中，該偏極分光結構之該金屬光柵層的條狀排列結構，更嵌入於複數條介電質材料，並與該金屬光柵層成相臨形式。
7. 如申請專利範圍第6項所述之一種微結構偏極化之導光裝置，其中，該複數條介電質材料，可選擇性的為具高透明度之聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、高分子透光材料及透明玻璃。
8. 如申請專利範圍第6項所述之一種微結構偏極化之導光裝置，其中，該偏極分光結構之該金屬光柵層上表面，更鄰接形成一介電質層。
9. 如申請專利範圍第8項所述之一種微結構偏極化之導光裝置，其中，該介電質層之材質，可選擇性為具高透明度之聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、高分子透光材料及透明玻璃。
10. 如申請專利範圍第1項所述之一種微結構偏極化之導光裝置，其中，該偏極分光結構中該介電質及該金屬光柵層之週期均小於入射光之波長。
11. 如申請專利範圍第1項所述之一種微結構偏極化之導光裝置，其中，該偏極轉換模組更包括一偏極轉換元件及一反射膜，其中，該偏極轉換元件係鄰接於該導光板具有該出光結構之該表面，而該反射膜則包覆於該偏極轉換元件之外表面。
12. 如申請專利範圍第11項所述之一種微結構偏極化之導光裝置，其中，該偏極轉換模組之該偏極轉換元件可選擇性的為一具有奈米尺度之介電質微結構及一光相位延遲片。