偏振光導板單元和使用其的背光單元及顯示裝置的製作方法
2023-09-23 02:57:45
專利名稱：偏振光導板單元和使用其的背光單元及顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有改善了偏振性能的偏振光導板(LGP)單元和使用該偏振LGP單元的背光單元，以及使用該背光單元的顯示裝置。
背景技術：
平板顯示器分為自身發光來產生圖像的自發射顯示器和利用來自外光源的光來產生圖像的非發射顯示器。非發射顯示器的典型例子是液晶顯示器(LCD)。LCD需要諸如背光單元的單獨光源以便產生圖像。
現有的LCD僅使用從光源發射光的總量的約5％來產生圖像。光利用率低是由LCD內的偏光器或濾色器中的光吸收所造成。LCD包括分別具有第一和第二電極的第一和第二基板，該第一和第二電極與注入在第一和第二基板之間的液晶材料一起用來產生電場。形成有第一電極的第一基板表面設置成面對形成有第二電極的第二基板表面。在LCD中，通過把電壓施與第一和第二電極上所產生的電場改變液晶分子的排列來控制光的透射率。這樣，LCD顯示圖像。
就是說，LCD像快門一樣動作，通過改變線性偏振光的偏振方向使得光穿過或不穿過。因為LCD僅利用在一個方向上的線性偏振光，所以在LCD的前面和後面都設有偏光器。設置在LCD兩邊的偏光器是吸收偏光器，其透射在一個方向上偏振的光並吸收在另一方向偏振的光。吸收約50％的入射光到偏光器中是LCD光利用率低的最大因素。
為了減輕這一問題，正在積極地進行研究以通過替換吸收偏光器或通過將大多數的光轉換成與設置在LCD後表面上的後偏光器的偏振方向具有相同偏振方向的光來提高光利用率。例如，諸如雙亮度增強膜(DBEF)的多層反射偏振膜可以貼附到光導板(LGP)上，以便提高LCD的光利用率。然而，由於反射偏振膜的昂貴和偏振轉換元件的缺乏，所以難於增加光利用率。因而，有必要集中研究分離和轉變偏振的偏振LGP。
圖1是常規偏振背光單元的截面圖。參考圖1，該常規偏振背光單元包括用作線光源的燈L，設置在LGP1的一側並圍繞燈L的銀片R，設置在LGP1的底面4上的偏振轉換元件15，面對LGP1的出射表面3設置的偏振分離板8，以及面對偏振分離板8的稜鏡片10。
LGP1將由燈L發射並通過入射面2入射的光轉換成通過出射面3出射的面光。偏振分離板8導致僅一種偏振態的光在分離後出射，同時偏振轉換元件15轉換其他偏振態的光的偏振方向，從而增加光利用率。然而，利用折射率和入射角之間的關係來分離一種偏振態的光的偏振分離板8不能使光垂直於出射表面3離開。因而，該常規的背光單元發射具有廣角度範圍的光，並需要分開的稜鏡片10，其使光垂直於出射面3出射。同樣，稜鏡片10沒有集成到LGP1中，從而使LGP1的製作複雜。
發明內容
本發明提供具有改善了偏振性能的偏振光導板(LGP)單元和帶有偏振LGP單元的背光單元，以及帶有背光單元的顯示裝置。
根據本發明的一個方面，提供有一種偏振LGP單元，其包括LGP，引導由光源發射的光；準直儀，設置在LGP上，並包括多個反射圖案，每個圖案具有斜面，其反射在向上的方向上LGP出射的光；和偏振分離層，設置在多個反射圖案和LGP之間，並透射第一偏振態的光，而反射與第一偏振態成直角的第二偏振態的光。
根據本發明的另一方面，提供有一種背光單元，其包括光源；LGP，引導由光源發射的光；準直儀，設置在LGP上，並包括多個反射圖案，每個圖案具有斜面，其反射在向上方向上LGP出射的光；和偏振分離層，設置在多個反射圖案和LGP之間，並透射第一偏振態的光，而反射與第一偏振態成直角的第二偏振態的光；和反射板，設置在LGP的一側上。
根據本發明的另一方面，提供有一種顯示裝置，其包括背光單元，該背光單元包括光源；引導由光源發射的光的LGP；準直儀，其設置在LGP上並包括多個反射圖案，每個圖案具有斜面，其反射在向上的方向上LGP出射的光；偏振分離層，設置在多個反射圖案和LGP之間，並透射第一偏振態的光，而反射與第一偏振態成直角的第二偏振態的光；和設置在LGP的一側上的反射板；以及顯示面板，利用背光單元出射的光產生圖像。
參照附圖，通過詳細描述其中的示範性實施例，本發明的上述和其它特徵及優點將變得更明了，其中圖1是常規偏振背光單元的截面圖；圖2是根據本發明實施例的偏振光導板(LGP)單元和採用該偏振LGP單元的背光單元的截面圖；圖3A和3B是根據本發明實施例的如圖2所示的準直儀的透視圖；圖4是示出根據本發明實施例的圖2所示的偏振分離層的結構和分離偏振過程的示意圖；圖5是示出出射圖2的偏振LGP單元的S偏振態和P偏振態光的透射率關於入射角的曲線圖；圖6是示出出射圖2的偏振LGP單元的S偏振態和P偏振態光的透射率關於關于波長的曲線圖；圖7A和7B是根據本發明實施例的偏振LGP單元的截面圖；和圖8是根據本發明實施例的顯示裝置的截面圖。
具體實施例方式
現將參照附圖詳細描述根據本發明優選實施例的背光單元和採用該背光單元的顯示裝置。然而，本發明可以以許多不同形式實施，並且不應解釋成限於在此闡明的實施例；而是，提供這些實施例以便本公開向本領域的技術人員充分地轉達本發明的概念。在附圖中，相同的參考數字表示相同的元件，並且為清楚和方便起見可以放大每個元件的尺寸。
圖2是根據本發明實施例的偏振光導板(LGP)單元200和採用該偏振LGP單元200的背光單元400的截面圖。參照圖2，背光單元400包括光源100和偏振LGP單元200，該偏振LGP單元200將由光源100發射的非偏振光在使光出射之前轉換成線性的偏振光。
例如，光源100可以為諸如冷陰極螢光燈(CCFL)的線光源或諸如發光二極體(LED)的點光源。偏振LGP單元200包括引導由光源100發射的光的LGP 260、設置在LGP 260上的準直儀220和偏振分離層240，該偏振分離層240設置在LGP 260和準直儀220之間，並根據偏振部件分離LGP260出射的光。
LGP 260具有第一入射面260a和第一出射面260b，並且從光源100發射的光通過第一入射面260a入射，而通過第一出射面260b出射。LGP 260由可以透射入射光的透明材料形成，例如光學各向同性材料，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)。
準直儀220包括多個反射圖案226。準直儀220例如包括基板223和設置在基板223上的多個反射圖案226。反射圖案226相對LGP 260設置，並反射在向上方向上LGP 260出射的光。多個反射圖案226中的每一個都具有第二入射面226a和斜面226b，從第一出射面260b出射的光通過第二入射面226a進入，斜面226b向第二出射面223a反射入射光。反射圖案226可以具有多面體形狀。斜面226b在垂直於第二出射面223a的方向上準直向第二出射面223a出射的光。即，準直光的方向可以通過調節斜面226b的斜度來調節。斜面226b具有斜度，以便在從斜面226b反射並通過第二出射面223a出射的光與第二出射面223a的法線之間的角度約在-10°和10°之間。圖3A和3B是根據本發明實施例的如圖2所示的準直儀的透視圖。參照圖3A和3B，瞄準器220包括多個反射圖案226，其可以設置在一個或兩個方向的陣列中。
偏振分離層240由多個具有不同反射率的薄膜形成，形成在第一出射面260b和第二入射面226a之間，透射通過第二入射棉226a進入的第一偏振態的光，並反射與第一偏振態成直角的第二偏振態的光。例如，第一偏振態和第二偏振態可以分別為P和S偏振態。
在偏振分離層240內分離入射光成不同偏振態的主要原理將在以後描述。
偏振LGP單元200可以包括粘合層280。粘合層280設置在LGP 260和多個偏振分離層240之間。粘合層280可以具有比LGP 260低的折射率。在這種情況下，因為只有入射角小於出射第一出射面260b的光的臨界角的光可以通過粘合層260b透射，所以光在狹小角度範圍入射在斜面226b上，從而導致從斜面226b上反射的光在狹小的角度範圍通過第二出射面223a出射。
反射板310與面向第一入射面260a的LGP 260的表面相對設置，並將從LGP 260和粘合層280之間的界面反射的光和通過偏振分離層240反射的偏振光反射回LGP 260中。通過反射板310反射的光在通過粘合層280透射之前在LGP 260內沿部分改變的路線傳播。
第一偏振轉換元件330可以設置在反射板310和LGP 260之間。反射的而不是通過偏振分離層240透射的S偏振態光在通過偏振分離層240透射之前被轉換成P偏振態光。為了促進偏振態的轉化，第二偏振轉化元件350可以設置在面對第一出射面260b的表面上。例如，第一和第二偏振轉換元件330和350可以為由各向異性材料製成的1/4波板。背光單元400可以包括第一或第二偏振轉化元件330或350。
圖4是示出偏振LGP單元200的偏振分離層240結構和根據偏振部件分離光的過程的示意圖。參照圖4，偏振分離層240由具有折射率n1至n5的第一至第五層241至245的疊層形成在一種結構上，在該結構中，依次層疊了具有折射率ni的LGP 260和具有折射率na的粘合層280。現將更詳細地描述通過偏振LGP單元200的光傳播路徑。首先，通過LGP 260傳播到粘合層280的光的入射角θi的範圍由等式(1)定義90°-θc1＝90°-sin-1(1/ni)＜θ1＜θc2＝sin-1(na/ni)...(1)θc1表示當光從具有折射率ni的LGP 260到折射率為1的空氣層傳播時發生全反射的臨界角。因為當來自光源100的光通過空氣層向LGP 260傳播時，θc1是入射在LGP 260上的光的角QL的最大值，所以90°-θc1是向粘合層280傳播的光的入射角θi的最小值。，θc2表示當光從LGP 260向粘合層280傳播時發生全反射的臨界角，並且是可以向粘合層280傳播的光的入射角θi的最大值。在粘合層280和第一層241之間，在第一和第二層241和242之間，在第二和第三層242和243之間，在第三和第四層243和244之間，以及在第四和第五層244和245之間的界面241a至245a上的入射角θ1至θ5基於等式(1)和Snell定律定義的入射角θi的範圍來絕對。當Brewster角θB1至θB5分別落在界面241a至245a上的入射角θ1至θ5範圍內時，反射S偏振態光，而透射P偏振態光。當光從具有折射率n1的介質向具有折射率n2的介質傳播時，Brewster角定義成tan-1(n2/n1)。入射角θ1至θ5的範圍應分別包含Brewster角θB1至θB5。
例如，假設折射率n1高於折射率n2，並且從具有高折射率n1的介質向具有低折射率n2的介質傳播的光的入射角θ2的範圍包括在第一和第二層241和242之間的界面242a上的Brewster’s角θB2。通過界面242a透射的光的角θ3是入射到具有折射率n3的第三層243的光的角度。角θ3大於入射角θ2。為了入射角θ3的範圍在界面243a包含Brewster角θB3，Brewster角θB3應大於Brewster角θB2而n3應大於n2。利用這一原理，偏振分離層240可以包括多個交互高和低的折射率層。
偏振分離層240包括諸如Al2O3、CeO2、Ta2O5、TiO2、ZnS、ZrO2、CaF2或MgF2的在可見光波長上透明的任意材料的薄層。
當LGP 260和粘合層280分別具有1.59和1.45的折射率時，以及當偏振分離層240具有折射率為2.35和1.63的兩種材料的交替層時，51.03°＜θi＜65.78°，如等式(1)所定義。
表1展示在界面241a至245a計算的入射角θ1至θ5和Brewster角θB1至θB5的範圍。
表1
如表1所明示，入射角θ2至θ5的範圍分別包含Brewster角θB2至θB5。儘管入射角θ1的範圍不包含Brewster角θB1，但通過使粘合層280的折射率略高於1.45，入射角θ1可以包含Brewster角θB1。當在界面241a至245a的入射角θ1至θ5等於Brewster角θB1至θB5時，垂直偏振態(S偏振態)的透射率具有最小值0。在這種情況下，反射具有S偏振態的入射光的預定部分，而僅透射水平偏振態(P偏振態)的光。因為當入射角θ1至θ5分別進一步偏離Brewster角θB1至θB5時，S偏振態的光的透射逐漸增加，所以僅小量S偏振態的光向每個連續層傳播。當上述過程在界面241a至245a上重複時，S偏振態的光重複地從界面241a至245a反射，而P偏振態的光分離然後通過偏振分離層240透射。從界面241a至245a反射的大部分光具有S偏振態，而剩餘的光具有P偏振態。這是由於隨著入射角θ1至θ5分別進一步偏離Brewster角θB1至θB5，透射的P偏振態的光的數量逐步減少。反射的P偏振態光轉換成具有入射角的光，從而其可以通過偏振分離層240透射。因為包括在LGP 260中的光學各向同性材料具有可以根據偏振方向改變的折射率，所以當S偏振態的光在LGP 260內傳播時可以轉換成P偏振態的光。作為選擇，在通過偏振分離層240透射之前，通過偏振轉換元件330和350，S偏振態的光可以轉換成P偏振態的光。
圖5是示出出射偏振LGP單元(圖2中的200)的S偏振態和P偏振態的光的透射率關於入射角的曲線圖。光具有550納米的波長。如圖5的曲線圖所明示，P偏振態的光在(入射到偏振分離層240的光的)64°的入射角上具有100％的最大透射率，並且隨著入射角進一步偏離64°，透射率逐步降低。另一方面，S偏振態光的透射率在整個入射角的範圍上小於5％。因而，偏振分離層表現出極好的效率。
圖6是示出出射偏振LGP單元(圖2中200)的S偏振態和P偏振態光的透射率關于波長的曲線圖。實線表示在64°入射角的透射率，而虛線表示在54°和74°入射角的透射率。如圖6的曲線圖所明示，基本在450nm至700nm的可見光範圍中，在整個波長範圍上P偏振態光的透射率大於約90％，而S偏振態光的透射率小於約20％。
隨著在偏振分離層240中的層數增加，因為利用大量界面的偏振分離出現的更多，所以可以改善偏振分離效率。此外，偏振分離效率可以通過選擇每層的折射率而增加，以便相對於入射角的範圍最佳地選擇Brewster角。
偏振分離層240可以由單個的薄層形成。圖7A和7B是帶有偏振分離層247和249的偏振LGP單元的截面圖，每個都由根據本發明實施的單個薄層形成。圖7A的偏振LGP單元不包括任何粘合層，而圖7B的偏振LGP單元包括粘合層280。參照圖7A，因為從光源100入射LGP 260的光的角θL的最大值是sin-1(1/ni)，所以入射到偏振分離層247的光的角θ的範圍在90°-sin-1(1/n)和90°之間。因而，偏振分離247的折射率n可以滿足下面的等式(2)，以便Brewster角在入射角θ的範圍內。
tan-1(n/ni)＞90°-sin-1(1/ni) ...(2)參照圖7B，如圖4所描述，入射到粘合層280上的角θi的範圍如等式(1)所定義。因為入射到偏振分離層249的光的角θ的範圍在sin-1[(ni/na)cos(sin-1(1/ni))]和90°之間，所以偏振分離層249的折射率n可以滿足下面的等式(3)，以便Brewster角在入射角θ的範圍內。
tan-1(n/na)＞sin-1[(ni/na)cos(sin-1(1/ni))] ...(3)圖8是根據本發明實施例的顯示裝置的截面圖。參照圖8，顯示裝置包括背光單元400和顯示面板500，該背光單元400包括根據本發明實施例的偏振LGP單元。顯示面板500可以為例如LCD板。顯示裝置還包括設置在顯示面板500之上的散射板600。由於基於前面所述的同樣原理，通過背光單元400偏振的光可以垂直於顯示面板500出射，將不再給出其中的詳細描述。顯示面板500利用從背光單元400發射的光來產生圖像，而散射板600散射光，以便為通過顯示面板500產生的圖像提供寬視角。
具有根據本發明上述構造的偏振LGP單元增加了偏振光的數量，並且增加了垂直於偏振LGP出射的光的數量。因而，當採用根據本發明的偏振LGP單元的背光單元用於顯示裝置時，其具有高的光利用率和改善的圖像特性，如亮度或對比率。因為允許光垂直出射的結構可以集成到LGP中，所以本發明還提供了簡單的背光單元。
儘管本發明參照其中的示範性實施例已經進行了具體的展示和描述，但是本領域普通技術人員可以理解的是，可以對其做形式上和細節上的各種改變，而不脫離如權利要求所限定的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種偏振光導板單元，包括光導板，引導通過光源發射的光；準直儀，其設置在該光導板上，並且包括多個反射圖案，每個圖案具有斜面，其反射在向上方向上該光導板出射的光；和偏振分離層，設置在該多個反射圖案和該光導板之間，並透射第一偏振態的光，而反射與該第一偏振態成直角的第二偏振態的光。
2.如權利要求1所述的偏振光導板單元，其中該反射圖案具有多面體形狀。
3.如權利要求1所述的偏振光導板單元，其中該偏振分離層包括具有不同折射率的多個薄膜。
4.如權利要求1所述的偏振光導板單元，其中該偏振分離層包括具有不同折射率的多個交替的雙薄膜。
5.如權利要求1所述的偏振光導板單元，其中該斜面的該斜度是可調的，以便在從該斜面反射並通過該瞄準器的頂面出射的光和該頂面的法線之間的角度介於約-10°和10°之間。
6.如權利要求1所述的偏振光導板單元，其中該多個反射圖案設置在一個或兩個方向的陣列中。
7.如權利要求1所述的偏振光導板單元，其中該偏振分離層由具有折射率n的單個薄膜形成，且當ni為該光導板的折射率時，n滿足tan-1(n/ni)＞90°-sin-1(1/ni)。
8.如權利要求2所述的偏振光導板單元，其中在該偏振分離層中的每個該薄膜是由選自於由Al2O3、CeO2、Ta2O5、TiO2、ZnS、ZrO2、CaF2和MgF2組成的組中的一種製成。
9.如權利要求1所述的偏振光導板單元，還包括設置在該光導板和該偏振分離層之間的粘合層。
10.如權利要求9所述的偏振光導板單元，其中該偏振分離層由具有折射率n的單個薄膜形成，並且當ni和na分別表示該光導板和該粘合層的折射率時，n滿足tan-1(n/na)＞sin-1[(ni/na)cos(sin-1(1/ni))]。
11.如權利要求2所述的偏振光導板單元，還包括粘合層，其設置在該光導板和該偏振分離層之間，並具有低於該光導板的折射率。
12.一種背光單元，包括光源；光導板，引導來自該光源的光；準直儀，其設置在該光導板上，並且包括多個反射圖案，每個圖案具有斜面，其反射在向上方向上該光導板出射的光；偏振分離層，設置在該多個反射圖案和該光導板之間，並透射第一偏振態的光，而反射與該第一偏振態成直角的第二偏振態的光；和反射板，設置在該光導板的一側上。
13.如權利要求12所述的背光單元，其中該偏振分離層包括具有不同折射率的多個薄膜。
14.如權利要求12所述的背光單元，其中該偏振分離層包括具有不同折射率的多個交替的雙薄膜。
15.如權利要求12所述的背光單元，其中該斜面的斜度是可調節的，以便從該斜面完全地反射並通過該準直儀頂面出射的光和該頂面的法線之間的角介於-10°和10°之間。
16.如權利要求12所述的背光單元，其中該多個反射圖案設置在一個或兩個方向的陣列中。
17.如權利要求12所述的背光單元，還包括設置在該光導板底面上的偏振轉換元件。
18.如權利要求12所述的背光單元，還包括設置在該反射板和該光導板之間的偏振轉換元件。
19.如權利要求18所述的背光單元，其中該偏振轉換元件是1/4波板。
20.如權利要求12所述的背光單元，其中該偏振分離層的每個該薄膜由選自於由Al2O3、CeO2、Ta2O5、TiO2、ZnS、ZrO2、CaF2和MgF2組成的組中的一種製造。
21.如權利要求12所述的背光單元，還包括粘合層，其設置在該光導板和該偏振分離層之間，並且具有低於該光導板的折射率。
22.一種顯示裝置，包括如權利要求12所述的背光單元；和利用該背光單元出射的光產生圖像的顯示面板。
23.一種顯示裝置，包括如權利要求21所述的背光單元；和利用該背光單元出射的光產生圖像的顯示面板。
全文摘要
本發明提供一種偏振光導板(LGP)單元、採用該偏振LGP單元的背光單元和採用該背光單元的顯示裝置。該偏振LGP單元包括LGP，引導由光源發射的光；準直儀，其設置在LGP上，並包括多個反射圖案，每個圖案具有在向上方向上反射LGP出射光的斜面；和偏振分離層，設置在多個反射圖案和LGP之間，並透射第一偏振態的光和反射成直角該第一偏振態的第二偏振態的光。具有根據本發明上述構造的偏振LGP單元增加了偏振光的數量，並且增加了垂直於偏振LGP出射的光的數量。因而，當採用根據本發明的偏振LGP單元的背光單元用於顯示裝置時，其具有高的光利用率和改善的圖像特性。本發明還提供了簡單的背光單元。
文檔編號G02B6/00GK101063767SQ200610171140
公開日2007年10月31日 申請日期2006年12月25日 優先權日2006年4月27日
發明者黃聖模, 劉在鎬 申請人:三星電子株式會社