显示装置的制作方法

专利名称：显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及显示装置，特别是涉及具有绕射光学元件的显示装置。
背景技术：
目前影像显示器主要有液晶显示器、等离子体显示器、有机发光二极管显示器及电子纸显示器等等。其中，液晶显示装置是一非自发光的显示器，因此，一般需利用背光源来产生光线，并使其穿透扩散膜、增亮膜等光学膜层，来形成一均匀的平面光射入液晶显示面板，用于呈现影像。扭转向列型(TwistedNematic ；TN)或超扭转向列型(Super Twisted Nematic ； STN)为常用的液晶显示器之一。这类液晶显示器虽然具有价格上的优势，但其可视角却比一般广视角液晶显示器(例如多区域垂直配向(Multi-domain Vertical Alignment ；MVA)液晶显示器、平面内切换液晶显示器(In-Plane Switching ;IPS)、边缘电场切换(Fringe field Switching ；FFS)液晶显示器等等)来得小。所谓的可视角是指显示器在某视角范围以内，其影像品质仍能保持一定的水准。例如，就一般桌上型液晶显示器而言，主要的观赏视角为正视角，故对设计者而言，因为液晶分子的不同排列会造成不同的光学效果，所以会以正视角为主要考量来设计显示器。于是当观察者从液晶显示器的侧视角来观赏影像时，便会察觉到影像的色彩及亮度与正视观赏时不同，而且会随着视角变大而差异更大。常用的液晶显示器中，其中以TN型的上述情况为最甚。就未加任何视角补偿机制的TN液晶显示器而言，通常，从液晶显示器的侧视角所观察的影像会有对比度严重降低(下降到10以下)、灰阶反转程度等问题。因此，需要一种显示装置，其可同时改善对比度、灰阶反转等等影像品质的问题。

发明内容
本发明的目的在于提供一种显示装置，可同时改善对比度与灰阶反转等影像品质的问题。为达上述目的，提供一种显示装置。该显示装置包括一显示器与一绕射光学元件。显示器用以显示一影像。绕射光学元件配置于显示器的一出光侧上。绕射光学元件包括多个第一光栅区域。各个第一光栅区域具有周期固定且方位角相同的多个第一绕射光栅。第一光栅区域占绕射光学元件面积的17. 5% 94%。下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下


图I为本发明一实施例的显示装置的立体图；图2至图11、图20至图32为本发明实施例中的绕射光学元件；图12至图19为本发明实施例中绕射光学元件的光栅区域；图33为本发明一实施例的显示装置的剖视图34为本发明显示器中的配向膜与液晶层的立体图；图35为本发明液晶层中液晶分子的液晶倾倒方位角；图36至图41为绕射光学兀件与偏光板的偏光方向的关系；图42为具有两种方位角的绕射光栅的绕射光学元件对显示器的对比的影响的示意图；图43为显示装置在未使用绕射光学元件(比较例)时正视角(天顶角0度)与侧视角(天顶角45度与60度)的伽玛曲线图；图44为使用绕射光学元件的显示装置于正视角(天顶角0度)与侧视角(天顶角45度与60度)的伽玛曲线图；图45为具有三种方位角的绕射光栅的绕射光学元件对显示器的对比与亮态的亮
图46为具有三种方位角的绕射光栅的绕射光学元件对显示器的对比与暗态的亮度的影响示意图；图47为显示装置在未使用绕射光学元件(比较例)时正视角(天顶角0度)与侧视角(天顶角45度与60度)的伽玛曲线图；图48绘示使用绕射光学元件的显示装置于正视角(天顶角0度)与侧视角(天顶角45度与60度)的伽玛曲线图；图49至图51为绕射光学元件与显示器的像素的关系图；图52至图59为光栅区域与像素单元区域的配置图；图60为显示装置的对比、亮态的亮度与绕射光学元件的光栅区域之间的距离的关系曲线图。主要元件符号说明2、32、62、82、122、152、182、192、212、232、262、292、322、402、462、522、562、622、142、183、202、263、271、277、290、334、339、345 :绕射光学元件43、53、73、93、103、113、133、143、163、173、193、203、223、273、283、303、313、333、343、353、363、373、473、483、493、503、513、523、533、543、553、573、583、603、613、653、663、673、683、145、146、185、186、205、206、207、264、265、272、274、278、279、280、286、287、288、289、291、293、294、335A、335B、336、340A、340B、341、346、347、348 :光栅区域44、54、74、94、104、114、174、184、194、204、214、224、234、244、254、474、484、534、544、554、574、584、604、614、208、209、210、267、268、269、275、276、281、282、284、337A、337B、338、342A、342B、344 :绕射光栅445、455、505、515、545、555、605、615 :偏光板的偏光方向vl、￥2> ￥3、V4、￥5、￥6、V7、￥8 :偏光板的偏光方向的方位角D1、D2、D3、D4、N:绕射光栅的周期Tl、T 2、T 3、T 4、T 5、t 6、t 7、t 8 :绕射光栅的方位角K1、K2、K3、K4、K5 :光栅区域的直径T、Px, Py、Gx、Gy、V、Y :光栅区域的周期W :光栅区域的宽度M :绕射光栅之间的距离
SI、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、SlU S12、S13、S14、S15 :光栅区域之间的
最近的距离411 :背光模块427 :液晶面板415、425 :偏光板416 :薄膜晶体管基板418 :液晶层421 :彩色滤光片基板
417,419 :配向膜428>428a>428b :液晶分子496,497 :光栅区域构成的横列的长轴方向498 :由光栅区域交错配置所构成的直行的长轴方向Ql、Q2 :液晶分子的液晶倾倒方位角10、410 :显示器630:像素637、638、639 :像素单元区域647、667 :长像素侧边648、668 :短像素侧边J :短像素侧边的长度L :长像素侧边的长度g、90_g、gl、g2、gg3、g4、g5、g6、g8、g9 :夹角C1、C2、C4、C5、C7、C10、C11、C14、C15、C17、C18、C20、C21、C22、C25、C26、C27、C28
周期C3、C6、C8、C9、C12、C13、C16、C19、C23、C24、F :循环间距W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8、W9、W10、W11、W12、W13、W14 :宽度
具体实施例方式图I绘示本发明一实施例的显示装置的立体图。图2至图11、图20至图32绘示实施例中的绕射光学元件。图12至图19绘示实施例中绕射光学元件的光栅区域。图33绘示一实施例的显示装置的剖视图。图34绘示显示器中的配向膜与液晶层的立体图。图35绘示液晶层中液晶分子的液晶倾倒方位角。图36至图41绘示绕射光学元件与偏光板的偏光方向的关系。图42显示具有两种方位角的绕射光栅的绕射光学元件对显示器的对比的影响。图43绘示显示装置在未使用绕射光学元件(比较例)时正视角(天顶角0度)与侧视角(天顶角45度与60度)的伽玛曲线。图44绘示使用绕射光学元件的显示装置于正视角(天顶角0度)与侧视角(天顶角45度与60度)的伽玛曲线。图45显示具有三种方位角的绕射光栅的绕射光学元件对显示器的对比与亮态的亮度的影响。图46显示具有三种方位角的绕射光栅的绕射光学元件对显示器的对比与暗态的亮度的影响。图47绘示显示装置在未使用绕射光学元件(比较例)时正视角(天顶角0度)与侧视角(天顶角45度与60度)的伽玛曲线。图48绘示使用绕射光学元件的显示装置于正视角(天顶角0度)与侧视角(天顶角45度与60度)的伽玛曲线。图49至图51绘示绕射光学元件与显示器的像素的关系。图52至图59绘示光栅区域与像素单元区域的配置。图60绘示显示装置的对比、亮态的亮度与绕射光学元件的光栅区域之间的距离的关系曲线。请参照图1，绕射光学元件2配置在用以显示影像的显示器10的出光侧上。显示器10可为液晶显示器、等离子体显示器、有机发光二极管显示器及电子纸显示器或其他用来显示影像的显示器。同时前述显示器10也可以与其他元件(例如装置触控元件而形成一触控面板)做结合，绕射光学元件2也可配置在其他元件(例如抗反射膜、触控面板)并配置在显示影像的显示器10的出光侧上。其中液晶显示器可为垂直或多域垂直配向型(Vertical Aligned/Multi-domain Vertical Aligned)液晶显不器、扭转向列型(Twisted Nematic ；TN)液晶显不器、超扭转向列型(Super Twisted Nematic ；STN)液晶显示器、光学补偿弯曲型(Optically compensated bend ;0CB)液晶显示器或色序法(colorsequential)液晶显示器(即无CF液晶显示器)。绕射光学元件2可为设置有光栅(例如相位光栅)的膜片，用以绕射显示器10所发出的光线。在此将观看液晶显示器的观测角以球座标系统中的天顶角9与方位角V来表示。其中，V为方位角，此方位角V为图中在X轴及Y轴平面上与X轴所夹的角度。而天顶角0为与X轴及Y轴平面垂直的Z轴的夹 角。而任意两方向所夹角度的表示方式以逆时针方向夹角为正、顺时针方向夹角为负。请参照图2，在实施例中，绕射光学元件32包括互相分开的光栅区域43与光栅区域53。绕射光学元件32的光栅区域43与光栅区域53以外的「一般区域(或非光栅区域)」是产生较低程度的绕射作用的区域，详细地来说，光栅区域43与光栅区域53能对特定方向穿透的光线造成零阶绕射(出射方向不变直接出射)光和非零阶绕射(出射方向改变)光总和的强度比低于100 I的高绕射效果，「一般区域(或非光栅区域)」则对穿透的光线造成零阶绕射(直接出射)光和非零阶绕射(出射方向改变)总合光的强度比高于100 I的低绕射效果，以增强光的透过量。或者，「一般区域(或非光栅区域)」几乎不让光线穿过，亦即为非透光的区域，也可以有相同的效果。光栅区域43与光栅区域53分别排列成多个横列。交错排列的光栅区域43与光栅区域53构成多个直行。光栅区域43与光栅区域53分别具有周期固定(亦即绕射光栅44结构的波峰(波谷)连线间具有一致的间距，或绕射光栅54结构的波峰(波谷)连线间具有一致的间距)且方向(方位角)相同的绕射光栅44与绕射光栅54。在实施例中，绕射光栅的方向以绕射光栅结构上波峰(波谷)连线的方向。光栅区域中以实线表实施例中绕射光栅的方向，绕射光栅的方向与X轴所夹的角度为绕射光栅的方位角T。在一实施例中，绕射光栅的周期表示绕射光栅结构中波峰与波峰之间(或波谷与波谷之间)的间距。例如，绕射光栅44的周期Dl是I i! m，表示光栅区域43中的绕射光栅结构中波峰与波峰的间距为I U m。绕射光栅54的周期D2也可为I ii m。绕射光栅44的方向不同于绕射光栅54的方向。绕射光栅44的方向可垂直于绕射光栅54的方向。在此例中，举例来说，绕射光栅44的方位角T I是90度，绕射光栅54的方位角是0度。光栅区域43与光栅区域53可为圆形，分别具有直径Kl以及K2例如28iim-29iim。绕射光栅材料的折射率约为I. 49，波峰与波谷之间高低的差约为0. m。绕射光栅结构的设计例如材料的折射率、波峰与波峰的间距、波峰与波谷之间的高低差的设计，以能对特定方向穿透的光线造成零阶绕射(直接出射)光和某特定范围的非零阶绕射(例如出射方向相较于原入射方向产生偏折大于15度以上的绕射范围)光总合的强度比低于100 I的高绕射效果为宜。非光栅区域则设计对穿透的光线造成零阶绕射(直接出射)光和某特定范围的非零阶绕射(例如出射方向相较于原入射方向产生偏折大于15度以上的绕射范围)总合光的强度比高于100 I的低绕射效果为宜，设计方法则不再赘述。在其他实施例中，单一个光栅区域也可具有方位角相同而周期有变化的绕射光栅。举例来说，在单一个光栅区域中，由两组波峰(波谷)连线间距的绕射光栅所组成，大致为111111与0.511111。光栅区域可占绕射光学元件面积的17. 5% 94%。请参照图2，在由光栅区域43与光栅区域53交错配置所构成的行列中，光栅区域43与光栅区域53之间的最近距离可视实际需求调整成固定或具有变化性的。举例来说，光栅区域43与光栅区域53之间的最近的距离SI、S2可介于I ii m-15 u m,例如皆为I y m、
在其他实施例中，距离SI是9 y m，距离S2是15 y m。在另一实施例中，光栅区域43与光栅区域53之间的最近的距离可以为0甚至是负数(即光栅区域43与光栅区域53有互相重叠的区域)。
请参照图2，举例来说，在分别由光栅区域43与光栅区域53所构成的行列中，光栅区域43之间的最近距离与光栅区域53之间的最近距离可分别视实际需求调整成固定或具有变化性的。于一实施例中，光栅区域43之间的最近的距离S4与光栅区域53之间的最近的距离S5分别介于I U m-15 u m,例如I y m与13 y m。在另一实施例中，光栅区域43之间的最近的距离S4与光栅区域53之间的最近的距离S5可以为0甚至是负数(即光栅区域43之间或光栅区域53之间有互相重叠的区域)。在一实施例中，绕射光学兀件中第一种绕射光栅的方位角为0±60度(亦即表不角度的范围落在大于或等于-60度，小于或等于+60度，或等于0度，之后相似的概念不再重述)，较佳是0 ± 20度，且第二种绕射光栅的方位角为90 ± 60度，较佳是90 ± 20度。于另一实施例中，第一种绕射光栅的方位角为+45度±20度，较佳是+45± 10度，且第二种绕射光栅的方位角为135度±20度，较佳是135 ± 10度。在又另一实施例中，第一种绕射光栅的方位角为-45度±20度，较佳是-45度±10度，且第二种绕射光栅的方位角为45度±20度，较佳是45度±10度。第一种光栅区域可占绕射光学元件面积的17. 5% 38. 5%，且第二种光栅区域可占绕射光学元件面积的17. 5% 38. 5%。图3的绕射光学元件62与图2的绕射光学元件32的不同处在于，绕射光学元件62具有绕射光栅74方位角一致的光栅区域73。图4的绕射光学元件82与图2的绕射光学元件32的不同处在于，绕射光学元件82包括绕射光栅94、104与114方位角不同的光栅区域93、103与113。举例来说，绕射光栅94的方位角T 2是135度，绕射光栅104的方位角是0度，绕射光栅114的方位角t 3是45度。在一实施例中，绕射光学兀件中第一种、第二种与第三种绕射光栅的方位角分别为90± 15度、135± 15度与45± 15度。在另一实施例中，第一种、第二种与第三种绕射光栅的方位角分别为15 ± 10度、60 ± 10度与-30 ± 10度。又在另一实施例中，第一种绕射光栅的方位角为0 ± 40度，较佳为0 ± 20度，第二种绕射光栅的方位角为45 ± 40度，较佳为45 土 20度，第三种绕射光栅的方位角为135±40度，较佳为135±20度。第一种光栅区域可占绕射光学元件面积的17. 5% 38. 5%，第二种光栅区域可占绕射光学元件面积的17. 5% 38. 5%,且第三种光栅区域可占绕射光学兀件面积的17. 5% 38. 5%。图5的绕射光学兀件122与图2的绕射光学兀件32的不同处在于，光栅区域133与光栅区域143分别排列成多个横列，且光栅区域133与光栅区域143在垂直方向是互相交错地排列。图6的绕射光学兀件142与图5的绕射光学兀件132的不同处在于，光栅区域145横向(X方向)的周期Cl与光栅区域146的横向周期C2为不同。在一实施例中，周期Cl是30iim，周期C2是48iim。此外，光栅区域145与光栅区域146之间的纵向(Y方向)循环间距(cycle space) C3是41 ii m。在此以循环间距(cycle space)来表示光栅区域(包含一光栅区域与另一不同光栅方向的光栅区域)的出现周期。图7的绕射光学元件152与图2的绕射光学元件32的不同处在于，所有的光栅区域163与光栅区域173是交错地排列。图8的绕射光学元件182与图2的绕射光学元件32的不同处在于，光栅区域193的绕射光栅194与光栅区域203的绕射光栅204的方位角具有0度与90度以外的角度。举例来说，绕射光栅194的方位角T 4是45度，绕射光栅204的方位角t 5是135度。图9的绕射光学元件183与图8的绕射光学元件182的不同处在于，光栅区域185横向(X方向)的周期C4与光栅区域186的横向周期C5为不同。在一实施例中，周期C4是30iim，周期C5是48iim。此外，光栅区域185与光栅区域186之间的纵向(Y方向)循环间距(cycle space) C6 是 41 u m。在一些实施例中，绕射光学兀件中的绕射光栅方向也可以有三种以上方位角不同的绕射光栅所组成。请参照图10，举例来说，绕射光学元件202具有光栅区域205、光栅区域206与光栅区域207。光栅区域205的绕射光栅208的方位角为135度。光栅区域206的绕射光栅209的方位角为0度。光栅区域207的绕射光栅210的方位角为90度。在实施例中，数量(或密度)较高的光栅区域205排列成一横行，数量(或密度)较低的光栅区域206与光栅区域207交错排列成另一横行，能够较佳地利用绕射光学元件202的配置空间。在绕射光学元件202使用于TN面板的例子中，光栅区域205主要用于补偿上下灰阶反转的方向，光栅区域206与光栅区域207主要用于补偿45度与-45度的方向，即绕射光学元件202逆时针转45度(+45度)来使用。在一实施例中，光栅区域205横向(X方向)的周期C7不同于光栅区域206与光栅区域207之间的横向(X方向)循环间距CS。举例来说，周期C7是36 y m，循环间距CS是32 y m。在另一实施例中，光栅区域205与光栅区域207 (或光栅区域206)之间的纵向(Y方向)循环间距(cycle space) C9是36 ii m。请参照图11，举例来说，绕射光学元件192的绕射光栅174的方位角为0度，绕射光栅184的方位角T 6为45度，绕射光栅214的方位角t 7为90度，绕射光栅234的方位角t8为135度。在另一实施例中，具有三组以上方位角不同的绕射光栅地绕射光学元件，方位角不同的光栅区域之间也可以彼此交错排列。在一实施例中，单一光栅区域中的绕射光栅方向并不限定只有一个方向。一个光栅区域也可以由多个方向方位角的绕射光栅所组成，此外光栅区域也不限定于如图2至图11所示的圆形轮廓。单一光栅区域具有四个绕射光栅方向的实施例，例如可包括正方形(图12)、长方形(图13)或其他四边形。单一光栅区域具有三个绕射光栅方向的实施例，、例如可包括正三角形(图14)、等腰三角形(图15)、不等腰三角形(图16)。单一光栅区域具有多个绕射光栅方向的实施例，例如可包括正五边形(图17)或其他任意五边形；正八边形(图18)或其他任意八边形；椭圆形(图19)或其他任意曲面的形状；或其他合适的任意形状。此外，前述多边形间的光栅也可多个不同方向光栅的组合，而非必须形成一多边形即有效果。在一些实施例中，绕射光学元件212包括如图20所示的光栅区域223。请参照图20，在一实施例中，光栅区域223的周期T是124iim。光栅区域223的宽度W是116 至118 iim。绕射光栅224的周期N是Iii m。绕射光栅224之间的距离M是6 y m至8 y m。于另一实施例中，光栅区域223之间的最近的距离可以为0甚至是负数(即光栅区域223与邻近光栅区域223间有互相重叠的区域)。请参照图21，绕射光学元件232也可包括绕射光栅244、254。绕射光学元件232也、可视为由具有绕射光栅244的光栅区域与具有绕射光栅254的光栅区域互相重叠所构成。在一实施例中，绕射光学元件262包括如图22所示的光栅区域273与光栅区域283。请参照图23，绕射光学元件263包括光栅区域264与光栅区域265。光栅区域264的绕射光栅267的方位角为45度。光栅区域265的绕射光栅268与绕射光栅269的方位角分别为90度与0度。在一实施例中，光栅区域264(沿方位角135度量测)的宽度Wl与光栅区域265 (沿方位角135度量测)的宽度W2分别为20 u m。光栅区域264与光栅区域265之间(沿方位角135度量测)的间隔ClO或Cll是60 ii m。请参照图24，绕射光学元件271包括光栅区域272与光栅区域274。光栅区域272的绕射光栅275的方位角为45度。光栅区域274的绕射光栅276的方位角为135度。在一实施例中，光栅区域272的横向(X方向)宽度W3与光栅区域274的横向(X方向)宽度W4分别为20i!m。光栅区域272与光栅区域274的横向(X方向)之间的最近的距离(间距)S15 为 36iim。请参照图25，绕射光学元件277包括光栅区域278、光栅区域279与光栅区域280。光栅区域278的绕射光栅281的方位角为90度。光栅区域279的绕射光栅282的方位角为45度。光栅区域280的绕射光栅284的方位角为135度。在一实施例中，光栅区域278的横向(X方向)宽度W5、光栅区域279的横向(X方向)宽度W6与光栅区域280的横向(X方向)宽度W7均为28iim。邻近的光栅区域278与光栅区域279之间的横向(X方向)循环间距(cycle space)C12为60iim。邻近的光栅区域278与光栅区域280之间的横向(X方向)循环间距(cycle space) C13 为 60 ii m。请参照图26，在一实施例中，举例来说，光栅区域286的横向(X方向)宽度W8是22 Um0光栅区域287的横向(X方向)宽度W9与光栅区域289的横向(X方向)宽度Wll分别为18iim。光栅区域288的横向(X方向)宽度WlO是14 iim。光栅区域286与光栅区域287之间的最近的距离S12是25 y m。光栅区域286与光栅区域289之间的最近的距离S13是15iim。在其他实施例中，也可以由两个如图25所示的绕射光学元件277叠合所构成。请参照图27，绕射光学元件290包括光栅区域291、光栅区域293与光栅区域294。在一实施例中，光栅区域291的横向(X方向)宽度W12、光栅区域293的横向(X方向)宽度W13与光栅区域294的横向(X方向)宽度W14分别为28iim。邻近的光栅区域291之间的最近的距离S14是5iim。绕射光学元件292也可包括如图28所示的光栅区域303与光栅区域313。绕射光学元件的光栅区域并不限定于规则组合的排列，而可视实际情况调整成不规则组合的排列。请参照图29，举例来说，绕射光学元件322也可包括不规则组合排列的光栅区域 333、343、353、363 与 373。在实施例中，也可视实际情况将多数个绕射光学元件叠合使用。不同层次的光栅区域可配置成具有相同图案(亦即具有相同的形状或绕射光栅)的互相重叠，或配置成具有不同图案(亦即具有不同的形状或具有不同条件的绕射光栅)的是互相重叠。请参照图2，举例来说，是将一绕射光学元件32与另一绕射光学元件32重叠使用，其中一个绕射光学元件32中的光栅区域53是与另一个绕射光学元件32中的光栅区域43重叠，一个绕射光学元件32中的光栅区域43是与另一个绕射光学元件32中的光栅区域53重叠。举例来 说，当使用激光光源对如图2的单一层绕射光学元件32正射照射时，会产生两种方向(如0/180度、90/270度)的绕射光线。但当使用激光光源对由多层绕射光学元件构成的堆叠结构来照射时，不但会产生单一层绕射光学元件的绕射方向的穿透光，也会产生其他绕射方向(例如斜方向)的穿透光。这主要原因是绕射元件上的结构周期，多了斜方向的周期结构，另外推测例如原本垂直射入靠近入光侧的光栅区域的光在绕射后，又射入远离入光侧且方向不同的光栅区域而再一次地被绕射，因此除了单一层绕射光学元件产生的两种方向(如0/180度、90/270度)的绕射光线之外，还会产生其他斜方向(如45度、135度、225度、315度)或两绕射光栅的方位角间所夹的角平分线方向的绕射光线。在使用多层绕射光学元件所构成的堆叠结构的实施例中，可视实际情况将具有相同图案的光栅区域配置成互相重叠。请参照图2，于一实施例中，举例来说，是由一绕射光学元件32与另一绕射光学元件32重叠所组成，其中一个绕射光学元件32中的光栅区域43与另一个绕射光学元件32中的光栅区域43重叠，一个绕射光学元件32中的光栅区域53与另一个绕射光学元件32中的光栅区域53重叠。如此还可以增加绕射的效果。请参照图30，绕射光学元件334可由两个绕射光学元件重叠而构成。举例来说，其中一个绕射光学元件具有光栅区域335A与光栅区域335B，另一个绕射光学元件具有光栅区域336。光栅区域335A的绕射光栅337A与光栅区域335B的绕射光栅337B的方位角皆为135度。光栅区域336的绕射光栅338的方位角为45度。位在第一横列与第三横列中的光栅区域335A横向(X方向)的周期C14是36iim。位在第二横列与第四横列中的光栅区域336横向(X方向)的周期C15是41iim，且光栅区域335B横向(X方向)的周期C25是41 ii m。光栅区域335A的纵向(Y方向)周期C26是72 y m。光栅区域335A与光栅区域336之间的纵向(Y方向)循环间距(cycle space) C16是36 ii m。请参照图31，绕射光学元件339可由两个绕射光学元件重叠而构成。举例来说，其中一个绕射光学元件具有光栅区域340A与光栅区域340B，另一个绕射光学元件具有光栅区域341。光栅区域340A的绕射光栅342A与光栅区域340B的绕射光栅342B的方位角皆为0度。光栅区域341的绕射光栅344的方位角为90度。位在第一横列与第三横列中的光栅区域340A横向(X方向)的周期C17是36iim。位在第二横列与第四横列中的光栅区域341横向(X方向)的周期C18是41iim，且光栅区域340B横向(X方向)的周期C27是41 ii m。光栅区域340A的纵向(Y方向)周期C28是72 y m。光栅区域340A与光栅区域341之间的纵向(Y方向)循环间距(cycle space) C19是36 ii m。请参照图32，绕射光学元件345包括光栅区域346、光栅区域347与光栅区域348。在一实施例中，光栅区域346之间横向(X方向)的周期C20为26 ii m。光栅区域347之间横向(X方向)的周期C21为48iim。光栅区域348之间横向(X方向)的周期C22为26 y m。光栅区域346与光栅区域347之间的纵向(Y方向)循环间距(cycle space) C23是41 y m。光栅区域347与光栅区域348之间的纵向(Y方向)循环间距(cycle space) C24是41 y m。在实施例中，绕射光学元件是根据显示器的条件与欲调整的效果而定。请参照图33，在实施例中，显示器410是液晶显示器且包括背光模块411、液晶面板427、偏光板415与425。液晶面板427是配置于背光模块411上且包括例如薄膜晶体管
基板416、液晶层418、彩色滤光片基板421、配向膜417与419。配向膜419可配置于彩色滤光片基板421上。配向膜417可配置于薄膜晶体管基板416上。液晶层418可配置于配向膜417与419之间。偏光板415可配置于薄膜晶体管基板416与背光模块411之间(液晶面板427的入光侧)。偏光板425可配置于彩色滤光基板421上(液晶面板427的出光侧)。绕射光学元件402可配置于偏光板425的出光侧上。而绕射光学元件402的配置上并不限于将波峰结构面对偏光板425,也可背对偏光板425。而此绕射光学兀件425也可以再堆叠其他有不同的功能的配件(例如抗反射层、防刮层等)。在一些实施例中，显示器410是扭转向列型(Twisted Nematic ;TN)液晶显示器。在此例中，请参考图34，配向膜417与配向膜419配置成配向方向426与436的方位角不相互平行。液晶层418中的液晶分子428受到配向膜417与配向膜419的配向，因此邻近配向膜419 (也称顶层配向膜，邻近如图33所示的彩色滤光片基板421)的液晶分子428a(亦即顶层液晶分子)与邻近配向膜417(也称底层配向膜，邻近如图33所示的薄膜晶体管基板416)的液晶分子428b (亦即底层液晶分子)配置成扭转型结构，并具有一预倾角。其中具有预倾角的液晶分子远离配向板的一端可称为头端，另一端可称为尾端。例如，配向膜419将顶层液晶分子428a配向并使其具有预倾角。又例如，配向膜417将底层液晶分子428b配向并使其具有预倾角。而配向膜417和419的配向方向不相互平行，如此位于其间的液晶分子-428会被连续地扭转，构成扭转型液晶结构，其中液晶分子428的扭转角度可定义为从底层液晶分子428b头端经由中间层液晶分子连续地扭转至顶层液晶分子428a尾端的角度。另外，值得一提的是，对一般的扭转型(Twisted Nematic ;TN)液晶显示器而言，从底层液晶分子428b的头端，经由中间层液晶分子连续地扭转至顶层液晶分子428a的尾端，此视角范围的光学特性不佳故在使用上常定义为观察者的下视角方向。当然，也可依应用需求，将上述视角不好的范围，定义成观察者的某视角方向。此液晶分子的倾倒时对应基板的方位角定义为倾倒方位角，例如经配向或驱动后的液晶分子与基板夹一定角度时，该倾倒的液晶即具有在水平面上的方位角。换句话说，液晶分子的头端在基板水平面上的投影方向与基板X轴的夹角，为液晶倾倒方位角。其中当液晶显示器为多域垂直配向型(Multi-domain Vertical Aligned)液晶显示器时,可以理解会同时产生多种液晶倾倒方位角。在一些实施例中，绕射光学元件根据显示器410(图34)的液晶分子428的条件而定，举例来说，请参考图35，液晶分子428a具有液晶倾倒方位角Q1，例如45度。液晶分子428b具有液晶倾倒方位角Q2，例如315度。在此例中，可使用具有方位角为O度与90度的绕射光栅的绕射光学元件。此外，光栅方向的方位角度为0度的绕射光栅的密度(亦即，绕射光栅占绕射光学元件的面积百分比)大于或等于方位角为90度的绕射光栅的密度。举例来说，可使用如图2所示的绕射光学元件32。在其他实施例中，也可使用具有方位角为0度、45度与135度的绕射光栅的绕射光学元件。此外，方位角为0度的绕射光栅的密度分别大于或等于方位角为45度与135度的绕射光栅的密度。举例来说，可使用如图4所示的绕射光学兀件82。在一实施例中,绕射光学兀件中第一种绕射光栅的光栅方向与顶层液晶分子的倾倒方向间的夹角是90± 10度或0± 10度，第二种绕射光栅的光栅方向与顶层液晶分子的倾倒方向间的夹角是180 土 10度或90 ± 10度。在一实施例中，当顶层、底层的液晶分子的倾倒方向是夹90度时，绕射光学元件中第一种绕射光栅的光栅方向与顶层液晶分子的倾倒方向间的夹角是0 ± 2 0度，较佳是0±10度，第二种绕射光栅的光栅方向与顶层液晶分子的倾倒方向间的夹角是_90±20度，较佳是-90 ± 10度。在另一实施例中，当顶层、底层的液晶分子的倾倒方向是夹90度时，绕射光学元件中第一种绕射光栅的光栅方向与顶层液晶分子的倾倒方向间的夹角是90±20度，较佳是90±10度，第二种绕射光栅的光栅方向与顶层液晶分子的倾倒方向间的夹角是 0 ± 20度，较佳是0 ± 10度。在又另一实施例中，当顶层、底层的液晶分子的倾倒方向系夹90度时，绕射光学元件中第一种绕射光栅的光栅方向与顶层液晶分子的倾倒方向间的夹角是45±60度,较佳是45±20度,最佳是45±10度,第二种绕射光栅的光栅方向与顶层液晶分子的倾倒方向间的夹角是-45 ± 60度，是较佳-45 ± 20度，最佳-45 ± 10度。在一实施例中,绕射光学兀件中第一种绕射光栅的光栅方向与顶层液晶分子的倾倒方向间的夹角是45 土 20度，较佳是45 ± 10度，第二种绕射光栅的光栅方向与顶层液晶分子的倾倒方向间的夹角是0±20度，较佳是0±10度，第三种绕射光栅的光栅方向与顶层液晶分子的倾倒方向间的夹角是90 ± 20度，较佳是90 ± 10度。在另一实施例中，当顶层、底层的液晶分子的倾倒方向系夹90度时,绕射光学兀件中第一种、第二种与第三种绕射光栅的光栅方向与顶层液晶分子的倾倒方向间的夹角分别是-45 ± 15度、90 ± 15度与0 ± 15度。在又一实施例中，当顶层、底层的液晶分子的倾倒方向夹90度时，绕射光学元件中第一种、第二种与第三种绕射光栅的光栅方向与顶层液晶分子的倾倒方向间的夹角分别是30±10度、_15±10度与75±10度。在一实施例中，当顶层、底层的液晶分子的倾倒方向夹90度时，绕射光学兀件中第一种、第二种与第三种绕射光栅的光栅方向与顶层液晶分子的倾倒方向间的夹角分别是45±20度、0±20度与90±20度。在一些实施例中，绕射光学兀件也可根据显不器410的配向膜417、419(图33)的条件而定。举例来说，在一实施例中，配向膜419的配向方向的方位角是45度，配向膜417的配向方向方位角是-45度。于此例中，可使用具有光栅方向的方位角度为0度与90度的绕射光栅的绕射光学元件。此外，在一些实施例中，光栅方向的方位角为0度的绕射光栅的密度大于或等于光栅方向的方位角为90度的绕射光栅的密度。举例来说，可使用如图2所示的绕射光学元件32。在其他实施例中，也可使用具有光栅方向的方位角度为0度、45度与135度的绕射光栅的绕射光学元件。此外，方位角为0度的绕射光栅的密度分别大于或等于方位角为45度与135度的绕射光栅的密度。举例来说，可使用如图4所示的绕射光学元件82。
在一实施例中，当上、下方的配向膜的配向方向夹90度时，绕射光学元件中第一种绕射光栅的光栅方向与顶层配向膜的配向方向间的夹角是45±60度，较佳是45±20度，最佳是45±10度,第二种绕射光栅的光栅方向与顶层配向膜的配向方向间的夹角_45±60度，较佳是-45 土 20度，最佳是-45 ± 10度。在另一实施例中，绕射光学元件中第一种绕射光栅的光栅方向与顶层配向膜的配向方向间的夹角是0 ± 20度，较佳是0 ± 10度，第二种绕射光栅的光栅方向与顶层配向膜的配向方向间的夹角是_90±20度，较佳是_90± 10度。在一实施例中，绕射光学元件中第一种绕射光栅的光栅方向与顶层配向膜的配向方向间的夹角是+90±20度，较佳是+90± 10度，第二种绕射光栅的光栅方向与顶层配向膜的配向方向间的夹角是0±20度，较佳是0±10度。
在一实施例中，当上、下方的配向膜的配向方向夹90度时，绕射光学元件中第一种、第二种与第三种绕射光栅的光栅方向与顶层配向膜的配向方向间的夹角分别是_45±15度、90±15度与0±15度。在另一实施例中，当上、下方的配向膜的配向方向夹90度时,绕射光学兀件中第一种、第二种与第三种绕射光栅的光栅方向与顶层配向膜的配向方向间的夹角分别是30±10度、-15±10度与75±10度。在又一实施例中，第一种、第二种与第三种绕射光栅的光栅方向与顶层配向膜的配向方向间的夹角分别是45±20度、0±20 度与 90±20 度。在一些实施例中，使用的绕射光学元件是根据偏光板的配置方式而定。请参照图36,举例来说,位于出光侧的偏光板(例如图33中的偏光板425)的偏光方向445的方位角V1是135度(即偏光板的穿透轴的方位角是135度、吸收轴的方位角是45度)。邻近背光模块的偏光板(例如图33中的偏光板415)的偏光方向455的方位角￥2是45度(即偏光板的穿透轴方位角是45度、吸收轴方位角是135度)。绕射光学元件462 (与图2的绕射光学元件32相似)具有光栅区域473与483，分别具有光栅方向的方位角为0度的绕射光栅474与光栅方向的方位角为90度的绕射光栅484。绕射光栅473的密度大于或等于绕射光栅483的密度。在此例中，由光栅区域473构成的横列的长轴方向的方位角与由光栅区域483构成的横列的长轴方向的方位角是0度。由光栅区域473与光栅区域483交错配置所构成的直行的长轴方向的方位角是90度。图37所示的实施例与图36所示的实施例的差异在于，光栅区域493 (相似于图36的光栅区域473)与光栅区域503 (相似于图36的光栅区域483)是互相交错地排列。在此例中，由光栅区域493构成的横列的长轴方向496的方位角与由光栅区域503构成的横列的长轴方向497的方位角是0度。由光栅区域493与光栅区域503交错配置所构成的直行的长轴方向498的方位角是60度。图38所示的实施例与图36所示的实施例的差异在于，光栅区域513 (相似于图36的光栅区域473)与光栅区域523 (相似于图36的光栅区域483)是互相交错地排列。在此例中，由光栅区域513与光栅区域523交错配置所构成的横列的长轴方向的方位角是0度。由光栅区域513与光栅区域523交错配置所构成的直行的长轴方向的方位角是90度。请参照图39,位于出光侧的偏光板(例如图33中的偏光板425)的偏光方向505的方位角V3是135度(即偏光板425的穿透轴的方位角是135度、吸收轴的方位角是45度)。邻近背光模块的偏光板(例如图33中的偏光板415)的偏光方向515的方位角V4是45度(即偏光板455的穿透轴方位角是45度、吸收轴方位角是135度)。绕射光学元件522(与图4的绕射光学元件82相似)是具有光栅区域533、543与553，举例来说，分别具有光栅方向的方位角为135度的绕射光栅534、光栅方向的方位角为O度的绕射光栅544与光栅方向的方位角为45度的绕射光栅554。在一实施例中，特别是应用在扭转向列型液晶显示器时，绕射光栅544的密度是大于或等于绕射光栅534的密度与绕射光栅554的密度。请参照图40,位于出光侧的偏光板(例如图33中的偏光板425)的偏光方向545的方位角V5是135度(即偏光板425的穿透轴的方位角是135度、吸收轴的方位角是45度)。邻近背光模块的偏光板(例如图33中的偏光板415)的偏光方向555的方位角V6是45度(即偏光板455的穿透轴方位角是45度、吸收轴方位角是135度)。绕射光学元件562 (与图8的绕射光学元件182相似)是具有光栅区域573与583，分别具有光栅方向的方位角为135度的绕射光栅574与光栅方向的方位角为45度的绕射光栅584。
请参照图41,位于出光侧的偏光板(例如图33中的偏光板425)的偏光方向605的方位角V7是135度。邻近背光模块的偏光板(例如图33中的偏光板415)的偏光方向615的方位角V8是45度。搭配使用的绕射光学元件622与图28的绕射光学元件292相似，具有光栅区域603与613,分别具有多个绕射光栅方向的绕射光栅604与光栅方向的方位角为90度的绕射光栅614。方位角在一实施例中，绕射光学兀件中第一种与第二种绕射光栅的光栅方向与出光侧的偏光板的偏光方向间的夹角分别为135±20度与45±20度。在另一实施例中，当出光侧的偏光板的偏光方向与入光侧的偏光板的偏光方向的角度夹90度且出光侧偏光方向为的方位角为135度时，绕射光学元件中第一种绕射光栅的光栅方向与出光侧的偏光板的偏光方向间的夹角为90±20度，较佳为90± 10度，第二种绕射光栅的光栅方向与出光侧的偏光板的偏光方向间的夹角为0 ± 20度，较佳为0 ± 10度。在又另一实施例中，当出光侧的偏光板的偏光方向与入光侧的偏光板的偏光方向的角度夹90度且出光侧偏光方向为的方位角为135度时,绕射光学兀件中第一种绕射光栅的光栅方向与出光侧的偏光板的偏光方向间的夹角为180±20度，较佳为180±10度，第二种绕射光栅的光栅方向与出光侧的偏光板的偏光方向间的夹角为90土20度，较佳为90± 10度。在一实施例中，绕射光学元件中第一种、第二种与第三种绕射光栅的光栅方向与出光侧的偏光板的偏光方向间的夹角分别为45± 15度、0± 15度与90± 15度。在另一实施例中，绕射光学兀件中第一种、第二种与第三种绕射光栅的光栅方向与出光侧的偏光板的偏光方向间的夹角分别为20± 10度、75± 10度与165±10度。在一实施例中，绕射光学兀件中第一种、第二种与第三种绕射光栅的光栅方向与出光侧的偏光板的偏光方向间的夹角分别为135±20度、90±20度与180±20度。在一实施例中，实验方法是以Konica Minolta CS-2000量测配置有如图20显示的绕射光学元件 212 (T = 124um, W = 117um, N = lum, M = 7um)的 N101L6-L07 型液晶显示器，以逆时针方向每5度测量显示器的亮态与暗态，并计算对比值(亮态(255灰阶)亮度/暗态(0灰阶)亮度)以及各灰阶常态化亮度(各灰阶亮度/亮态(255灰阶)亮度)，数据显示于表I。以未放置绕射光学元件的显示器为比较例，调整绕射光栅角度对显示器的特定灰阶的常态化亮度的影响显示于表2。表2显示的性质的量测方式，调整绕射光栅角度，量测对显示器的特定灰阶(224灰阶、232灰阶)在天顶角为0°时的常态化亮度与在天顶角为45°或60°时的常态化亮度差。灰阶反转以8个灰阶为一单位，以下一单位灰阶与前一单位灰阶的差异若为负值则视为有灰阶反转。正规化差异为以绕射光栅方位角为
O度为基准，相较于其他旋转角度的差异。表I
权利要求
1.一种显示装置，包括 显示器，用以显示一影像；以及 绕射光学元件，配置于该显示器的一出光侧上，且包括多个第一光栅区域，各个该些第一光栅区域具有周期固定且方位角相同的多个第一绕射光栅，其中该些第一光栅区域占该绕射光学元件面积的17. 5% 94%。
2.如权利要求I所述的显示装置，其中该绕射光学元件还包括多个第二光栅区域，各个该些第二光栅区域具有周期固定且方位角相同的多个第二绕射光栅，该些第二绕射光栅的方位角不同于该些第一绕射光栅的方位角。
3.如权利要求2所述的显示装置，其中该些第一光栅区域占该绕射光学元件面积的.17. 5% 38. 5%，且该些第二光栅区域占该绕射光学元件面积的17. 5% 38. 5%。
4.如权利要求2所述的显示装置，其中该些第一光栅区域与该些第二光栅区域分别占该绕射光学元件的不同面积。
5.如权利要求2所述的显示装置，其中该些第一光栅区域与该些第二光栅区域为互相重叠。
6.如权利要求I所述的显示装置，其中该绕射光学元件还包括多个第二光栅区域与第三光栅区域，各个该些第二光栅区域具有周期固定且方位角相同的多个第二绕射光栅，各个该些第三光栅区域具有周期固定且方位角相同的多个第三绕射光栅，该些第二绕射光栅与该些第三绕射光栅的方位角分别不同于该些第一绕射光栅的方位角。
7.如权利要求6所述的显示装置，其中该些第一光栅区域占该绕射光学元件面积的.17.5% 38. 5%，该些第二光栅区域占该绕射光学元件面积的17. 5% 38. 5%，该些第三光栅区域占该绕射光学兀件面积的17. 5% 38. 5%。
8.如权利要求6所述的显示装置，其中该些第一绕射光栅的密度分别大于该些第二绕射光栅的密度与该些第三绕射光栅的密度。
9.如权利要求2所述的显示装置，其中该显示器是液晶显示器且包括 背光模块；以及 液晶面板，包括彩色滤光片基板、薄膜晶体管基板与液晶层，其中该液晶层配置于该彩色滤光片基板与该薄膜晶体管基板之间； 第一偏光板，配置于该彩色滤光基板上，其中该绕射光学元件配置于该第一偏光板的出光侧上；以及 第二偏光板，配置于该薄膜晶体管基板与该背光模块之间，其中该第一偏光板的偏光方向的方位角度是135度,该第二偏光板的偏光方向的方位角度是45度。
10.如权利要求9所述的显示装置，该些第一绕射光栅的方位角度是0度，该些第二绕射光栅的方位角度是90度。
11.如权利要求10所述的显示装置，其中该些第一光栅区域占该绕射光学元件的面积大于该些第二光栅区域。
12.如权利要求9所述的显示装置，其中该绕射光学元件还包括多个第三光栅区域，各个该些第三光栅区域具有周期固定且方位角相同的多个第三绕射光栅，该些第二绕射光栅与该些第三绕射光栅的方位角分别不同于该些第一绕射光栅的方位角。
13.如权利要求12所述的显示装置，其中该些第一光栅区域占该绕射光学元件面积的·17.5% 38. 5%，该些第二光栅区域占该绕射光学元件面积的17. 5% 38. 5%，该些第三光栅区域占该绕射光学兀件面积的17. 5% 38. 5%。
14.如权利要求12所述的显示装置，其中该些第一绕射光栅的方位角度是O度，该些第二绕射光栅的方位角度是45度，该些第三绕射光栅的方位角度是135度。
15.如权利要求14所述的显示装置，其中该些第一绕射光栅的密度分别大于该些第二绕射光栅的密度与该些第三绕射光栅的密度。
16.如权利要求2所述的显示装置，其中该显示器是液晶显示器且包括 背光模块；以及 液晶面板，配置于该背光模块上且包括 彩色滤光片基板； 第一配向膜，配置于该彩色滤光片基板上； 薄膜晶体管基板； 第二配向膜，配置于该薄膜晶体管基板上；以及 液晶层，配置于该第一配向膜与该第二配向膜之间。
17.如权利要求16所述的显示装置，其中该液晶面板的该第一配向膜的配向方向与该些第一绕射光栅的光栅方向所夹的角度是45± 10度,与该些第二绕射光栅的光栅方向所夹的角度是_45± 10度。
18.如权利要求17所述的显示装置，其中该些第一光栅区域占该绕射光学元件面积大于该些第二光栅区域。
19.如权利要求16所述的显示装置，其中该绕射光学元件还包括多个第三光栅区域，各个该些第三光栅区域具有周期固定且方位角相同的多个第三绕射光栅，该些第二绕射光栅与该些第三绕射光栅的方位角分别不同于该些第一绕射光栅的方位角。
20.如权利要求19所述的显示装置，其中该液晶面板的该第一配向膜的配向方向与该些第一绕射光栅的光栅方向所夹的角度是45 ±20度,与该些第二绕射光栅的光栅方向所夹的角度是-90±20度，与该些第三绕射光栅的光栅方向所夹的角度是0±20度。
21.如权利要求20所述的显示装置，其中该些第一光栅区域占该绕射光学元件面积大于该些第二光栅区域与该些第三光栅区域。
22.如权利要求I所述的显示装置，其中该绕射光学元件还包括该些第一光栅区域以外的一般区域。
全文摘要
本发明公开一种显示装置。该显示装置包括一显示器与一绕射光学元件。显示器用以显示一影像。绕射光学元件配置于显示器的一出光侧上。绕射光学元件包括多个第一光栅区域。各个第一光栅区域具有周期固定且方位角相同的多个第一绕射光栅。第一光栅区域占绕射光学元件面积的17.5％～94％。
文档编号G02F1/1337GK102736307SQ20121008993
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月30日 优先权日2011年3月31日
发明者伍庭毅, 李威汉, 李汪洋, 蔡怀方 申请人:Finity 实验室, 光群雷射科技股份有限公司, 奇美实业股份有限公司, 奇美视像科技股份有限公司