光学色彩分光系统及应用其的显示装置的制作方法

专利名称：光学色彩分光系统及应用其的显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学色彩分光技术，可以提供在影像的显示或摄取时所需要 的色彩光源。
背景技术：
影像的色彩一般是通过多个原色(Primary Color)光以及分别的原色光灰 阶度变化所构成。原色光一般最常用的例如是红(R)、绿(G)、蓝(B)。
在平面显示器中，背光源常搭配液晶空间调制器(spatial light modulator) 及彩色滤光片以呈现全彩化影像。而在数字相机中的影像传感器，亦需要彩 色滤光片搭配色彩差值的演算以呈现原物体的颜色。在较大型的系统中，如 彩色摄影机及背投影电视则采用三板式或双板式棱镜组或彩色滤光片搭配 准直光源以呈现全彩色化影像。当系统采用彩色滤光片(color filter, CF)时， 因彩色滤光片每一着色像素只能呈现红绿蓝三原色(RGB)的其中单一原色， 约有三分之二的入射白光能量会被吸收，降低光学使用效率，也降低电池使 用寿命。此外彩色滤光片本身的工艺繁瑣，每一原色至少需使用一道以上的 半导体黄光工艺，成本高。
在传统技术，相关技术的制造者或设计者因此提出利用光学方式达到分 光的效果，将RGB三原色光分离出，以避免采用彩色滤光片。
以美国专利U5615024A的内容，其披露一种替代彩色滤光片的光学结 构，主要是利用闪耀式光栅(BlazedGrating)产生三原色分离。在应用于面板 时，每一原色可对应一个像素(主要是一级穿透衍射光)。由于使用一级穿透 衍射光之故，入射光与出射光夹大角度，为使出射光垂直进入液晶层，入射 光须大角度进入闪耀式微光栅。倘若以垂直入射光进入闪耀式微光栅，出射 光只能大角度进入液晶层，将限制可使用性。
除了上述以光学元件为基础的传统技术外，仍还有其他多种不同设计。 然而，传统技术的彩色滤光片的光学结构仍有其个别的优缺点。以光学元件 为基础的分光技术仍继续在研发，以达到更佳的效能。

发明内容
本发明提出以光学元件模块取代彩色滤光片的分光结构，在维持光学效 率的情况下，例如可产生三原色光，其对应于面板像素且接近垂直的方向入 射于液晶层。
本发明提供一种光学色彩分光系统，接收由侧边入射的入射光以分离出 多个色彩光。此系统包括底板、第一导光板、第二导光板以及第三导光板。 第一导光板具有第一表面与第二表面，第二表面上有多个微结构，且第一表 面是设置在底板上。入射光在第一表面与第二表面之间来回反射，其中一部 分的该入射光在这些微结构穿透，产生穿透光。第二导光板具有入射面与光 栅结构面，设置在第一导光板上，且入射面接收穿透光，并且通过光栅结构 面分离出这些色彩光。第三导光板，设置在第二导光板上，其中该第三导光 板的出光面有多个凸出偏折结构，以将这些色彩光偏折到预定方向。
依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如第一导光板、第 二导光板以及第三导光板是紧密叠层结构。
依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如还包括微透镜片 设置在第三导光板上，以聚集这些色彩光到预定位置。
依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如第一导光板、第 二导光板、第三导光板以及微透镜片是紧密叠层结构。
依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如第 一导光板的第 一表面与第二表面是相互平行。
依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如底板是反射层， 或是光学材料层与第 一导光板构成内全反射。
依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如第 一导光板与第 二导光板的界面，除了在这些微结构以外，构成内全反射面。
依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如第二导光板是单 一结构层或是复合结构层。
依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如第三导光板的每 一个该凸出偏折结构具有第一斜面，第二斜面，以及折射系数构成谷底结构， 使这些色彩光从该第 一斜面出射且再于该第二斜面上反射。
依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如底板、第一导光 板、第二导光板以及第三导光板是条状单元。依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如底板、第一导光 板、第二导光板以及第三导光板构成发光面。
依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如底板、第一导光 板、第二导光板以及第三导光板是面状单元，其中第一导光板的微结构是多 个条状结构，相互平行且延伸在同一方向。
依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如底板、第一导光 板、第二导光板以及第三导光板是面状单元，其中第一导光板的微结构是同 心的多个环绕条状结构。
依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如第一导光板、第
二导光板以及第三导光板的折射系数分别为nl、 n2以及n3,通过nl、 n2 以及n3的大小决定内全反射的临界角度。
依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如第 一导光板的每 一个该微结构具有斜面，破坏内全反射，允许该入射光出射到该第二导光板。
依据本发明实施例，在所述的光学色彩分光系统中例如第一导光板与第 二导光板之间还包括第四导光板。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优 选实施例，并配合所附图，作详细说明如下。


图l绘示依据本发明，光学色彩分光系统应用于液晶显示系统的剖面示 意图。
图2绘示依据本发明实施例，光学色彩分光系统应用于液晶显示系统的 剖面示意图。
图3绘示依据本发明实施例，导光板202的微结构202a的作用机制示 意图。
图4绘示依据本发明实施例，在图2中的凸出偏折结构208a的作用机 制示意图。
图5绘示依据本发明实施例，光学色彩分光系统应用于液晶显示系统的 剖面示意图。
图6绘示依据本发明实施例，面状光学色彩分光系统的剖面立体透视示 意图。
6附图标记说明
100:聚光微透镜片102:双层光栅结构片
102a、 102b:光4册结构104: 液晶显示面斧反
106:次像素108:白光
200、 250:底板202:导光板
202a:微结构204导光板
206:光栅片206a:光^f册结构面208:导光4反208a:凸出偏^f结构210、 210，聚光片212影像显示面板
212a:像素214入射光
216:出射光500光源
502:导光光元件504导光板
504a:微结构506光 508:面光源
具体实施例方式
在本发明，光学机制一般例如是利用周期性的多边形光学用结构构成光 栅，其中光栅更例如是闪耀式光栅，兼具分光波效果和衍射效率的光栅。通 过调整光栅的入射光与光栅斜面的相对角度，使得衍射光的方向和以光栅刻
面(Facet)为折射平面时的折射方向相同，此时衍射光学效率在衍射方向(或 Facet的折射方向)可达到优选条件。
一般而言，为了达到良好的光波段的分光效果，入射光栅的光束以高准 直的方式会有优选效果。本发明提出分光结构具有光栅结构，例如可产生高 准直背光源。本发明的色彩分光系统例如结合三层含特定折射率及微结构的 光学层及三层周期性的多边形结构的光学膜片。另外，本发明更允许采用有 偏振的入射光，使其应用于面板或光机系统时，光的使用效率可以更加提升。
以下提出一些实施例作为本发明的描述，但是本发明不受限与所举实施 例，且所举多个实施例之间也可以相互适当结合。又，以下本发明的描述是 以RGB原色光为例来描述，就波长而言，本发明的原色光并不仅限于RGB 的波段。
图l绘示依据本发明，光学色彩分光系统应用于液晶显示系统的剖面示意图。参阅图1，本发明提出通过光学元件的光栅来达到分离原色光，且进
一步应用在液晶显示系统上。聚光孩t透镜片100接收白光108,将白光108 聚集。聚光微透镜片IOO上的微透镜是对应预定的位置设置，例如是对应像 素的位置而设置。聚集后的白光108通过双层光栅结构片102将白光108分 离出RGB的三原色光。光^f册结构片102例如有双层的光4册结构102a、 102b。 基于光栅光学衍射现象，聚集后的白光108通过光栅结构102a后会依照RGB 的波长不同而分离出R、 G、 B的三原色光。此被分离出的R、 G、 B的三原 色光的行进方向会有偏折，其再由另一面的光栅结构102b将这些分离的R、 G、 B的三原色光转回到接近垂直于光栅结构片102的出射方向。接着，光 栅结构片102出射的光会进入液晶显示面板104上的次像素106。三个次像 素106对应R、 G、 B显示灰阶度构成像素。
在图1的结构中，就整体的元件厚度来说，例如需要较长的路径。另夕卜， 基于图l的基本结构设计，本发明再另提出一些实施例。图2绘示依据本发 明实施例，光学色彩分光系统应用于液晶显示系统的剖面示意图。参阅图2， 光学色彩分光系统基本的结构来说，例如包括底板200、导光板202、导光 板204/206、以及导光板208。底板200例如可以是具有折射系数n0的导光 材料或是反射片，其作用是产生反射的效果，其会于后面描述。导光板202 有二个表面，其中一个表面上有多个微结构202a，另一表面则是设置在底板 200上。;跌结构202a有区域几何形状，用以改变光线入射到此区域的入射角， 以破坏内全反射的现象，允许此区域的光穿透过。微结构202a的几何形状 例如在剖面上的几何形状是外凸的三角形，通过其斜面的角度改变入射角 度，允许此区域的光线例如以折射方式穿透。然而，微结构202a的几何形 状不限定于所举的外凸结构。换句话说，#1结构202a例如也已是内凹的结 构。微结构202a至少会有一个出光面，将内全反射的现象改为折射的现象， 使光穿透。微结构202a的作用会于后面继续描述。
第一导光板202的折射系数是nl。入射光214在第一导光板202的二个 表面之间来回反射，例如是光学的内全反射现象。例如，具有折射系数n2 的导光板204设置在导光板202上，通过选择折射系数n2使小于导光板202 的折射系数nl，可以产生内全反射。例如，入射光214从导光板202的侧边， 以预定的角度入射，则光会来回反射，在导光板202内被导向另一边。以底 板200法线方向N为参考方向，例如以62。的入射光在入射点214a入射到底板200，且被反射到入射点214b。就实际操作的入射光束而言，入射角度 会有几度的偏离范围，例如2度的偏离范围。入射光再从入射点214b被反 射到入射点214c。如前述，导光板202上分布有多个微结构202a。在此例子， 光214从入射点214c会被再内全反射到入射点214d,其落在微结构202a的 斜面上。微结构202a的斜面改变入射角，进而从内全反射现象改变为折射 穿透现象。因此一部分的入射光入射在微结构202a时会穿透，产生穿透光。
图3绘示依据本发明实施例，导光板202的微结构202a的作用机制示 意图。先参阅图3，在导光板202的出光面上增加微结构202a。微结构202a 的剖面形状例如是凸出的三角形，其中斜面的斜角以导光板202的水平方向 为参考方向，例如是偏离2度，其中N方向是整个导光板202的垂直方向。 相对N方向例如有62度的入射光，入射于导光板202的平坦区域时会产生 内全反射。然而，当入射于导光板202的^f敫结构202a斜面时，由于斜面偏 离2度，导致内全反射的现象消失，而改变为折射现象，其大部分的光线会 穿透，小部分的光线仍会反射，继续以相同机制在导光板202行进，在其他 适合的微结构202a上再度穿透。选取适当的折射系数后，例如62度的入射 光其穿透的部分会例如以84.2度的角度出射。入射光光束允许有 一个角度范 围。图3仅示意描述将内全反射转换成折射穿透现象的机制。
接着，导光板204的作用是通过折射系数n2与导光板202折射系数nl 之间的差异，对一些入射光角度产生内全反射。接着，在导光板204上设置 光栅片206。于此，导光板204与光栅片206也可以视为整合的导光板。光 栅片206的折射系数n3可以等于n2或是不等于n2。如果n3等于n2则光线 可以直接穿透，且例如导光板204与光栅片206是相同材料，还可以是单片 的光学元件。
在此实施例，导光板208有入射面与光栅结构面206a，设置在导光板 204上，其中入射面接收导光板202在微结构202a区域的穿透光，接着通过 光栅结构面，通过衍射现象与波长的关系分离出例如RGB的不同波段光。 接着，另一导光板208设置在导光板206上。在此实施例，导光板208与导 光板206之间的界面是以共形(conformal)的结构紧密结合。然而，对于实际 的设计安排，共形的紧密结构不是唯一的方式。
接着，为了使分离出的光有较好的利用，例如配合影像显示面板212的 次像素显示，导光板208的出光面可以再设置有多个凸出偏折结构208a，以将这些色彩光偏折到预定方向，例如是近乎垂直于导光板208的方向。凸出 偏折结构208a的i殳计例如有两个斜面。在入射点214f的一个斜面会4妄收分 离的彩色光，使其折射进入到另一个斜面。此斜面的斜角会产生反射效果， 往预定方射出。
导光板208可以配合聚光片210，经适当选择折射系数的差异，也可以 产生内全反射，以预定方向射出。聚光片210上有多个微透镜210a，例如对 应像素的位置来设定。微透镜210a将分离的彩色光适当聚集后，产生出射 光216，其分别对应影像显示面板212的像素212a的RGB次像素，做为显 示的原色光源。
图4绘示依据本发明实施例，在图2中的凸出偏折结构208a的作用机 制示意图。参阅图4，当入射光线例如以66.95。的入射角进入凸出偏折结构 208a，而碰到其一斜面。凸出偏折结构208a的折射系数『1.32小于聚光片 210，的折射系数n二1.56。因此，内全反射会发生于倾斜20度的另一斜面上， 以近乎垂直方向出射，成为出射光线。图4仅是机制示意图，实际设计的条 件可依照需求变化。
图5绘示依据本发明实施例，光学色彩分光系统应用于液晶显示系统的 剖面示意图。参阅图5，图5的结构与图2的结构与机制相似，其间差异在 于底板250是以反射层的结构设置，因此无须考虑底板250的折射系数。
图6绘示依据本发明实施例，面状光学色彩分光系统的剖面立体透视示 意图。前述的结构机制也可以应用于面状的结构，例如是环绕的结构。区域 的光源500在中心从侧边入射于导光光元件502，其波面的结构例如与图2 的结构一样，但是导光板504上的凸出微结构504a是以环状来设置，达到 面发光。入射的光从被导向成发散的光506,其通过凸出微结构504a穿透出， 成为面光源508。
图7绘示依据本发明实施例，导光板的微结构的变化示意图。参阅图7， 以图7(a)的二个折射系数nl与n2为参考，例如是针对入射角为62.94°的入 射光来设计。在图7(b)则可以适当调整折射系数n2，如此入射角可以变化成 61.94°。在图7(c)，微结构的斜面的斜角ei可以做调整，改变折射穿透的条 件。在图7(d)，将斜角ei改变成斜角62时，也可以达到针对入射角为61.94° 的应用。在图7(e)，微结构的宽度是Wl,其决定多少量的光会穿透。在图 7(f)，如果将图7(e)的微结构的宽度改变为W2,则出光的量会较多。
10换句话说，前述所举的实施例在相同的设计原则下可以做适当地调整设 计条件，以达到所要的效能。
本发明提供的导光设计，可以采用边光入射，进而将入射光引导成面状 出光，还进一步可配合后续的衍射结构将入射光分离出原色光，以利于影像 的色彩表现。
虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何 本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润 饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种光学色彩分光系统，接收由侧边入射的入射光以分离出多个色彩光，该光学色彩分光系统包括底板；第一导光板，具有第一表面与第二表面，该第二表面上有多个微结构，其中该第一表面设置在该底板上，该入射光在该第一表面与该第二表面之间来回反射，其中一部分的该入射光在所述微结构穿透，产生穿透光；第二导光板，具有入射面与光栅结构面，设置在该第一导光板上，该入射面接收该穿透光且通过该光栅结构面分离出所述色彩光；以及第三导光板，设置在该第二导光板上，其中该第三导光板的出光面有多个凸出偏折结构，以将所述色彩光偏折到预定方向。
2. 如权利要求1所述的光学色彩分光系统，其中该第一导光板、该第二 导光板以及该第三导光板是紧密叠层结构。
3. 如权利要求1所述的光学色彩分光系统，还包括微透镜片设置在该第 三导光板上，以聚集所述色彩光到预定位置。
4. 如权利要求3所述的光学色彩分光系统，其中该第一导光板、该第二 导光板、该第三导光板以及该微透镜片是紧密叠层结构。
5. 如权利要求1所述的光学色彩分光系统，其中该第一导光板的该第一 表面与该第二表面是相互平行。
6. 如权利要求1所述的光学色彩分光系统，其中该底板是反射层，或是 光学材料层与该第 一 导光板构成内全反射。
7. 如权利要求1所述的光学色彩分光系统，其中该第一导光板与该第二 导光板的界面，除了在所述微结构以外，构成内全反射面。
8. 如权利要求1所述的光学色彩分光系统，其中该第二导光板是单一结 构层或是复合结构层。
9. 如权利要求所述的光学色彩分光系统，其中该第三导光板的每一个 该凸出偏折结构具有第一斜面、第二斜面以及折射系数构成谷底结构，使所 述色彩光从该第一斜面出射再于该第二斜面上反射。
10. 如权利要求1所述的光学色彩分光系统，其中该底板、该第一导光 板、该第二导光板以及该第三导光板是条状单元。
11. 如权利要求1所述的光学色彩分光系统，其中该底板、该第一导光 板、该第二导光板以及该第三导光板构成发光面。
12. 如权利要求1所述的光学色彩分光系统，其中该底^1、该第一导光 板、该第二导光板以及该第三导光板是面状单元，其中该第一导光板的所迷 微结构是多个条状结构，相互平行且延伸在一方向。
13. 如权利要求1所述的光学色彩分光系统，其中该底板、该第一导光 板、该第二导光板以及该第三导光板是面状单元，其中该第一导光板的所述 微结构是同心的多个环绕条状结构。
14. 如权利要求1所述的光学色彩分光系统，其中该第一导光板、该第 二导光板以及该第三导光板的折射系数分别为nl、 r^以及n3，通过nl、 n2 以及n3的大小决定内全反射的临界角度。
15. 如权利要求1所述的光学色彩分光系统，其中该第一导光板的每一 个该微结构具有斜面，破坏内全反射，允许该入射光出射到该第二导光板。
16. 如权利要求1所述的光学色彩分光系统，其中该第一导光板与该第 二导光板之间还包括第四导光板。
全文摘要
光学色彩分光系统及应用其的显示装置。一种光学色彩分光系统，接收由侧边入射的入射光以分离出多个色彩光，其中包括导光板使入射光在内部产生来回内全反射。导光板的表面有多个微结构，会破坏内全反射，使光出射。
文档编号G02F1/13GK101676771SQ200810212978
公开日2010年3月24日 申请日期2008年9月17日 优先权日2008年9月17日
发明者李企桓, 林晖雄 申请人:财团法人工业技术研究院