光学元件及显示装置的制作方法

本发明涉及一种光学元件及应用其的显示装置，且特别是涉及一种调节光线(light-controlled)的光学元件及应用其的显示装置。
背景技术：
：近年来，显示器被大量应用于各项现代电子化产品，如个人计算机、笔记型计算机、数字相机、智能型手机、平板计算机、液晶电视等。然而为了改善显示器设计本身可能产生的问题，光学膜片可谓显示器中不可或缺的配角。光学膜片可单独形成薄膜元件，或是以单一或多层涂层方式附着于其他元件之上，通过薄膜或涂层材料的物理特性，达到改善画质的效益。一般光学膜片常见的功能可包括降低液晶显示器暗态时的漏光量，并且在一定视角内能大幅提高影像的对比、色度与克服部分灰阶反转问题。技术实现要素：本发明的一目的是提供一种光学薄膜以及应用此光学薄膜的显示装置，所述光学薄膜可改良显示内容的可识别性。本发明另一目的是提供一种光学薄膜以及应用此光学薄膜的显示装置，所述光学薄膜可改善显示模块视角狭窄、色偏或漏光等问题。本发明又一目的是提供一种光学薄膜以及应用此光学薄膜的显示装置，所述光学薄膜可改善光学膜扩展入射光产生画面模糊的问题。根据本发明的一种实施态样，光学元件设置在可发出光线的光源上，其包括第一介质；第二介质，形成于第一介质上；以及光偏折结构，形成于第一介质及第二介质的界面；而光学元件与光线的关系满足式(1)：0<|wb-wa|/wref<10(1)其中，wa为光线以第一介质作为入光侧穿透光学元件测得的影像扩展宽度，wb为光线以第二介质作为入光侧穿透光学元件测得的影像扩展宽度，而wref为光线未经过光学元件测得的影像宽度。根据本发明的一种实施态样，光学元件设置在光源上，其包括：第一介质，具有第一折射率；第二介质，形成于第一介质上且具有第二折射率；以及光偏折结构，形成于第一介质及第二介质的界面；其中光源所发出的光线，依序穿透第一介质及第二介质，且第一折射率小于第二折射率。根据本发明的一种实施态样，显示装置包括：显示器，用以显示影像；以及光学元件，设置于显示器上。光学元件包括：第一介质，具有第一折射率；第二介质，形成于第一介质上且具有第二折射率；以及第一介质及第二介质的界面包含光偏折结构；其中形成影像的光线，依序穿透第一介质及第二介质，且第一折射率小于第二折射率。根据本发明的一种实施态样，显示装置包括：显示器，用以显示影像；以及光学元件，设置于显示器上。光学元件包括：第一介质，具有第一折射率；第二介质，形成于第一介质上且具有第二折射率，其中第一折射率小于第二折射率；第一介质及第二介质的界面包含光偏折结构；以及保护层，形成于第二介质上。附图说明图1a至图1d为本发明一些实施例的光学元件的剖视图；图2为光源的光强度-位置关系示意图；图3为本发明一实施例的光学元件及显示器示意图；图4为本发明一实施例光学元件的示意图；图5a至图5b为本发明一实施例中影像能量分布所得的光强度-位置关系图。符号说明100光学元件110第一介质120第二介质111、121膜层110a、120a不连续结构130保护层140光偏折结构150光源151光线160观察者300显示装置310、410、510光学元件320、420、520显示器321、521发光单元330相机411第一外层412、512第一层413、513第二层414第二外层415光偏折结构522光线wref影像宽度wa、wb影像扩展宽度具体实施方式为使本发明的目的、特征和优点能更清楚易懂，下文特举出优选实施例并配合所附的附图，对本发明的应用方式作详细说明。本发明的实施例提供许多合适的发明概念而可广泛地实施于各种特定背景。本说明书中所举例讨论的特定实施例仅用于说明制造与使用本发明的特定方式，而非用以局限本发明的范围。应了解的是，本说明书以下的揭露内容提供许多不同的实施例或范例，以实施本发明的不同特征。而本说明书以下的揭露内容是叙述各个构件及其排列方式的特定范例，以求简化发明的说明。然而，这些特定的范例并非用以限定本发明。举例而言，若本说明书以下的揭露内容述及将第一特征形成于第二特征之上或上方时，即表示其包含了第一特征与第二特征是直接接触的实施例；然而其还包括具有额外的特征形成于第一特征与第二特征之间，而使第一特征与第二特征并未直接接触的实施例。此外，根据常规的作法，附图中各种特征并未依比例绘示。相反地，为简化或是方便标示，各种特征的尺寸可能任意扩张或缩小。再者，本说明书可能在不同范例中使用重复的参考符号及/或用字，这些重复符号或用字是为了简化与清晰的目的，并非用以限定各个实施例及/或所述外观结构之间的关系。显示内容的可识别性一直是显示器中重要的品质标准，通过光学膜来提高显示装置的影像品质是业内常见的作法，例如：可使用具有绕射结构的光学膜改善显示模块视角狭窄、色偏或漏光等问题。然而，此类光学膜在某些情况下却可能产生画面模糊的问题。本案发明人经过精心研究后发现，光线穿透光学膜后产生的扩展程度是影响影像显示品质的因素之一，而通过控制光学膜在显示器上所展现的扩展程度可以改善上述画面模糊的问题。更具体而言，控制光学膜正反两面(正向与反向)对显示影像的扩展比例有助于解决画面模糊的问题。以下，本说明提供具有绕射结构的光学元件及应用其的显示装置，并揭露此光学元件正贴与反贴在显示器上展现的光线扩展程度的关系。一般研究多探讨光由单一方向穿透光学元件后产生的光展开程度对调节影像品质的关系，然在本例中，更进一步探讨控制光由相反的两个方向穿透光学元件产生的光展开程度及其对应关系，以维持显示器的适宜感知解析度。图1a至图1d绘示本发明一些实施例的光学元件100的剖视图。根据此些实施例，光学元件100设置于光源150上，其包括：第一介质110、第二介质120及保护层130，其中第一介质110及第二介质120的界面包含光偏折结构140。光偏折结构140可用以调节入射光的相位或振幅，光源150所发出的光线151穿透光学元件100时，会因光偏折结构140产生扩展接着被观察者160所看见。光学元件100可为光学膜材或光学片材。其中，光学元件100具有光偏折结构140可使光源150所发出的光线151分裂(split)及/或偏折形成朝向不同方向的数道光束，以达调整光线分布的效果。在一些实施例中，光学元件100可为二层以上的膜层构成的堆叠。在一些实施例中，光偏折结构140可为绕射结构，且可根据绕射原理依所需的光学补偿功能设计此绕射结构。举例而言，光偏折结构140可为具有沟槽(ridges)或刻痕(rulings)等表面微结构的绕射光栅；或者，光偏折结构140可为交错分布的亮暗带。在一些实施例中，光偏折结构140位于第一介质110及第二介质120的界面。举例而言，第一介质110及第二介质120分别具有相互对应的表面三维形状，从而在第一介质110及第二介质120的交界面形成光偏折结构140。在一些实施例中，第一介质110及第二介质120在交界面的表面形貌(morphology)为互补，从而在第一介质110及第二介质120的交界面形成光偏折结构140。在一些实施例中，光偏折结构140可为具有固定间距(spacing)的光栅结构，其间距范围以0.2微米至10微米为佳。在另一些实施例中，光偏折结构140可为不具有固定间距的光栅结构，例如：具有多重间距的光栅结构或具有渐变间距的光栅结构，其间距范围可介于0.3微米与50微米之间。其中，在不具有固定间距的光栅结构的实施例中，光栅间距变化范围可介于0.4微米与10微米之间；或者，光栅间距变化范围至少为最大光栅间距的1％或小于最大光栅间距的90％。在一些实施例中，光偏折结构140可为连续式分布。具体而言，光偏折结构140可连续式布满于光学元件100上，亦即，光偏折结构140可占光学元件100面积的100％。或者，在一些实施例中，具有光偏折结构140的光偏折区域可为不连续式分布。具体而言，具有光偏折结构140的光偏折区域可分布于一般区域(不具光偏折结构的非光偏折区域)之间，亦即，多个光偏折区域被一般区域(非光偏折区域)分开；在此些实施例中，光偏折区域可占光学元件100面积的30-95％。可通过适宜的制作工艺形成光学元件100。举例而言，可在基底层(未绘示)上形成第一介质110，接着在第一介质110上形成第二介质120，以及在第二介质120上形成保护层130，最后移除基底层而制备出光学元件100。在另一些实施例中，可使用保护层130作为基底层，在保护层130上形成第二介质120，接着在第二介质120上形成第一介质110，从而制备出光学元件100。其中，光偏折结构140可在形成第一介质110或第二介质120时同时形成；或者，可通过例如曝光显影、刻印、压印、转印或印刷所等工法形成光偏折结构140。应理解的是，第一介质110及/或第二介质120可为单一膜层，举例而言，如图1a所示，第一介质110第二介质120为遍布(spreadover)于基底层或保护层表面的材料，在此实施例中，第一介质110形成的膜层111及第二介质120形成的膜层121可具有互补的表面形貌。或者，第一介质110及/或第二介质120可为多个相互分离的分散结构，举例而言，图1c的第一介质110及第二介质120分别包括多个不连续结构110a/120a，在此实施例中，第一介质110及第二介质120的结构交错排列。第一介质110及第二介质120可为单一材料或复合材料。在一实施例中，第一介质110及第二介质120个别可为粘弹性或弹性粘着剂，例如：压敏粘着剂(psa)、橡胶基粘着剂及聚硅氧基粘着剂。举例而言，适当的粘弹性或弹性粘着剂包括：弹性聚氨基甲酸乙酯或聚硅氧粘着剂、基于苯乙烯嵌段共聚物、(甲基)丙烯酸嵌段共聚物、聚乙烯醚、聚烯烃、及聚甲基丙烯酸酯。在另一实施例中，第一介质110及第二介质120个别可为交联树脂层或可溶树脂层。举例而言，适当的交联树脂层材料例如是包括：(甲基)丙烯酸系、胺基甲酸酯系、(甲基)丙烯酸胺基甲酸酯系、环氧系、聚硅氧系等热硬化型树脂或紫外线硬化型树脂等。在特定实施例中，第一介质110及第二介质120均为交联树脂层。在一实施例中，第一介质110可为粘着剂，以将光学元件100贴附至显示器。在第一介质110不为粘着剂的实施例中，光学元件100可包括粘着层(未绘示)以将光学元件100贴附至显示器出光侧。在一些实施例中，第一介质110的第一折射率不同于第二介质120的第二折射率。在一些实施例中，第一介质110的第一折射率小于第二介质120的第二折射率。举例而言，第一折射率介于1.2与1.8之间，而第二折射率介于1.4与2之间。在一实施例中，第一介质110及第二介质120中可个别含有无机纳米粒子或光漫射粒子等填料，以调整该层的折射率值。在此情况下，折射率值为复合材料的平均折射率。合适的纳米材料可包括无机纳米粒子或有机纳米粒子，例如是：金属氧化物纳米颗粒、氧化锆、二氧化钛、氧化铝、氧化锡、二氧化硅及聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,pmma)纳米颗粒。在一实施例中，第一介质110及第二介质120个别的光穿透度为80％以上，在较佳实施例中，第一介质110及第二介质120个别的光穿透度为90％以上。在另一实施例中，第一介质110及第二介质120个别的光穿透度为70％以下，在优选实施例中，第一介质110及第二介质120个别的光穿透度为50％以下，以阻挡部分不欲的光线。在实际应用上，可采用光穿透度大于90％及光穿透度小于50％的材料搭配使用。根据光偏折结构140的设计、第一介质110及第二介质120的材料及/或光偏折结构140面积占比等因素，光学元件100可对入射光产生预定的偏折效果。在一实施例中，在光穿透(入射后出射)光学元件100的情况下，出射光中，零阶偏折光(出射光方向相同于入射光方向)光强度与非零阶偏折光(出射光方向不同于入射光方向)的总和光强度的比值小于100。在一实施例中，在入射光垂直入射光学元件100的情况下，出射光中，零阶偏折光光强度与偏折角大于15度的偏折光(出射光方向与入射光方向夹角大于±15度)总和光强度的光强度比值小于100。「一般区域(或非光偏折区域)」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。光源150可为点光源或面光源，而以具有可明确定义特征尺寸的光源为佳。其中特征尺寸可包括但不限于：一维特征尺寸或二维特征尺寸。举例而言，一维特征尺寸可为长度、宽度、直径或对角线；二维特征尺寸可为面积。举例而言，光源150可为显示器、显示器的像素(或次像素)、背光模块或灯箱。其中，显示器种类包括但不限于：液晶显示器(lcd)、等离子体显示器(pdp)、有机发光二极管显示器(oleddisplay)、小间距显示器(minileddisplay)、微发光二极管显示器(microleddisplay)、电子纸显示器或其他用来显示影像的显示器。此外，前述显示器也可以与其他元件做结合，例如：设置触控元件而形成触控面板。光学元件100可整合至显示器内或设置于显示器的出光侧上。光学元件100亦可与其他元件(例如：抗反射膜或触控面板)整合或搭配设置在显示器的出光侧上。本文中所述光的「扩展」(broaden)或「展开」(expand)是指来自光源的光经过光学元件100后，在绕射、折射或散射作用下产生光展开并遍及更大区域的现象。根据一实施例，光的「扩展程度」或「展开程度」以光源的光线原始分布范围为基准，探讨光线穿透光学元件100后分布范围的变化情形。在另一实施例中，光的「扩展程度」或「展开程度」是探讨光线沿第一方向穿透光学元件100后分布范围及光线沿第二方向穿透光学元件100后分布范围的关系，且在特定实施方式下，第一方向及第二方向为相反方向。根据一实施方式，「扩展程度」或「展开程度」是以光源原始特征尺寸与光线穿透光学元件100后的特征尺寸作为量化基础。在一实施例中，「扩展程度」或「展开程度」是探讨光源在没有光学元件100下所呈现的特征尺寸与光源经过穿透光学元件100所呈现的特征尺寸的关系。在另一实施例中，「扩展程度」或「展开程度」是探讨光线沿第一方向穿透光学元件100所得的特征尺寸与光线沿第二方向穿透光学元件100所呈现的特征尺寸的关系，且在特定实施例中，第一方向及第二方向是垂直于光学元件100膜面的二个相反的方向。举例而言，在一实施例中，是根据光源在不具光学元件100下呈现的原始宽度与光线穿透光学元件100后呈现的扩展宽度得出宽度变化比例以作为「扩展程度」或「展开程度」的评价基准。在另一实施例中，是根据光线沿垂直于膜面的方向穿透光学元件100后呈现的扩展宽度与光线沿相反方向穿透光学元件100后呈现的扩展宽度得出宽度变化比例以作为「扩展程度」或「展开程度」的评价基准。以下搭配附图举例说明「扩展程度」或「展开程度」的量化方式。请参照图2，其绘示光强度-位置的关系示意图，可采用预定强度范围区间对应的位置区间(距离)-特征宽度wc，作为「扩展程度」或「展开程度」的评价基准。在一实施例中，可使用光源在不具光学元件下所测得的光强度极值作为换算百分比的标准(视为光强度100％)，并以特定光强度百分比范围作为预定的光强度范围区间。其中，一般以人眼感知极限作为预定光强度范围区间的下限。举例而言：预定的光强度范围区间可介于光强度百分比5％～100％；或者，预定的光强度范围区间可介于光强度百分比10％～100％。图3绘示本发明一实施例的光学元件及显示器示意图。在此套用球坐标系统的概念，在平行于显示器300的显示面的平面上，选定二条互相垂直的线为坐标轴，一般以指向右方的水平线称为x轴，指向上方的垂直线称为y轴，并将垂直于显示器300的显示面的轴线定义为z轴，藉此可将观看显示器300的观测角以球坐标系统中的天顶角θ与方位角ψ来表示。其中，ψ为方位角，此方位角ψ为x轴在x轴与y轴所构成的平面上逆时针方向转动至观察方向在x轴与y轴所构成的平面上的投影的转动角度，方位角ψ可由0度至360度。而天顶角θ为观察方向与z轴所夹的角度，天顶角θ可由0度至90度。在一实施例中，可定义平行于水平线的轴线为x轴，平行于铅垂线的轴线为y轴，而垂直于x轴及y轴的所在平面的第三维坐标定义为z轴。在此实施例中，光学元件310应用于显示装置300上。如图3所示，显示装置300包括：光学元件310及显示器320，其中光学元件310设置于显示器320的出光侧上，亦即，光学元件310平行于x-y平面贴附在显示器320出光侧的表面。在此实施例中，以显示器320上的发光单元321作为光源，通过相机330分别拍摄发光单元321在(i)-(iii)的条件下在显示器320所呈现的影像，其中(i)未贴附光学元件、(ii)光学元件正向贴附及(iii)光学元件反向贴附，接着分析所提取影像的能量分布及绘示光强度-位置关系图，并根据光强度百分比10％-100％求得对应的位置区间，以此距离作为特征宽度表示人眼所感知发光单元的宽度或扩展宽度。在进行测量时，需确定各测量样品的光偏折结构与光源大致具有相同距离。在一实施例中，请参照图4，其绘示本发明一实施例光学元件410的示意图。为方便测量，将光学元件410形成膜层堆叠，其由下而上依序包括第一外层411、由第一介质所构成的第一层412、由第二介质所构成的第二层413、第二外层414，而第一层412及第二层413的界面包含光偏折结构415。在一实施例中，因第一层412及第二层413厚度较小可忽略不计，应使第一外层411及第二外层414具有相同厚度。其中，第一外层411及第二外层414以外可还包括粘着层(未绘示)以将光学元件410贴附至显示器420。如图5a所示，以显示器520上的单一次像素作为发光单元521，发光单元521发出的光线522形成影像，根据影像的能量分布可得光强度-位置的关系，其中，影像的宽度即光线521未经过光学元件(未绘示)所测得的影像宽度wref。依相同的概念，请参照图5b，光源发出的光线经过光学元件510时，会因光偏折结构展开，其可产生扩展影像，根据扩展影像的能量分布亦可得光强度-位置的关系。其中，以光学元件510的第一层512面向发光单元521贴附于显示器520上为正向贴附时，光线522是以第一层512作为入光侧穿透光学元件510，此时所测得的扩展影像的影像扩展宽度为wa；而以光学元件510的第二层513面向发光单元521贴附于显示器520上为反向贴附时，光线522是以第二层513作为入光侧穿透光学元件510，此时所测得的扩展影像的影像扩展宽度为wb，而光学元件510与光线522的关系满足：0<|wb-wa|/wref<10……(1)。发明人为验证本发明的功效，在符合上述式(1)的前提条件下进行6次的实验，其结果如下表一所示。其中，ex1、ex3、ex5及ex7是以相机在天顶角为0度时所测得的结果；而ex2、ex4、ex6及ex8是以相机在天顶角为45度且方位角为0度时所测得的结果；t为光偏折结构的间距，wref为光线未经过光学元件所测得的影像宽度；wa为光线以第一层作为入光侧穿透光学元件时所测得的扩展影像的影像扩展宽度；wb为光线以第二层作为入光侧穿透光学元件时所测得的扩展影像的影像扩展宽度。由表一可知，在符合上述式(1)的前提条件下，光线以第一层作为入光侧穿透光学元件时所测得的扩展影像的影像扩展宽度wa小于光线以第二层作为入光侧穿透光学元件时所测得的扩展影像的影像扩展宽度wb，可以有效抑制扩展影像过度扩展的问题。exex1ex2ex3ex4ex5ex6ex7ex8t(μm)2.52.544661414wref(μm)111117111117111117104124wa(μm)186263217224187209145283wb(μm)308451258477185260152610wa/wref1.682.251.911.951.681.791.172.72wb/wref2.773.852.324.081.6972.221.235.87wb/wa1.661.711.192.131.011.241.052.16│wb/wa│/wref1.101.610.372.160.020.440.063.14当前第1页12