背光模块及其应用的制作方法

本发明是有关于一种背光模块(backlight module)以及应用此一背光模块的显示装置，且特别是有关于一种具有波导(wave guide)的背光模块以及应用此一背光模块的显示装置。

背景技术：

目前的显示装置，多朝向省电、薄型化和高亮度(high luminance)的趋势发展。然而，已知的显示装置，例如请参照图1的液晶显示器，光线L1由背光模块100出射之后，必须穿过多种光学膜片，例如导光板101、偏光片(polarizer)102、液晶层103、彩色滤光片(color filter)104、析光片(analyer)105和表面反光片(surface reflection)106方能由进行显示。光线经过层层吸收之后，光汲取效率(extraction efficiency)相当低，相对的相当耗电，亮度也难以提升。

为了解决此一问题，目前业界提出一种使用数个包含单面或双面棱镜微结构的微型棱镜增亮膜(Prism Collimation Film，PCF)202、分色膜片(prism beam splitter)203和204以及分束对位膜片(beam steering prisms)206，将由背光模块200出射的光线L2直接分光，再对准液晶显示面板205的子像素(sub-pixel)进行显示(如图2所绘示)。由于省略彩色滤光片的配置，可提升光线的利用率。然而，省略彩色滤光片所能提升的光汲取效率仍有其极限，且利用棱镜微结构进行分光，必须占用相当的厚度空间，不利于显示器的薄型化。而棱镜结构对其波长选择性非常高，所以绕射出的出射光角度会和波长高度相关，此特点容易造成不同色光间高阶绕射光的串扰，降低显示面板的色彩饱和度。

因此，仍有需要提供一种先进的背光模块以及应用此一背光模块的显示装置，以改善已知技术所面临的问题。

技术实现要素：

本发明的一个面向是有关于一种背光模块包括：至少一个光源、数个波导以及数个周期性微结构。其中光源可提供数个束色光。这些波导光耦接于此些色光，使每一束色光对应地在一个波导内传输。这些周期性微结构彼此间隔排列于这些波导的一者上，用来将这些色光从这些波导中汲取出。

本发明的另一个面向是有关于一种显示装置，包括背光模块和与背光模块光耦接的显示面板。其中此背光模块包括：至少一个光源、数个波导以及数个周期性微结构。其中光源可提供数个束色光。这些波导光耦接于此些色光，使每一束色光对应地在一个波导内传输。这些周期性微结构彼此间隔排列于这些波导的一者上，用来将这些色光从这些波导中汲取出。其中，显示面板包括一第一透明基板、一第二透明基板、一薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)层以及一液晶层。第一透明基板具有一第一表面以及与第一表面相对的一第二表面，其中，被汲取出的色光由第一表面向第二表面的方向行进。第二透明基板面对第二表面。薄膜晶体管层，位于第二表面和第二透明基板之间。液晶层位于薄膜晶体管层和第二透明基板之间。

由于背光模块所提供的光线，在尚未进入显示面板之前已经被区分成不同颜色的色光，加上经过偏极化导出的光束具有特定的射向，能准确地对准显示面板的次画素。因此，不仅可省略彩色滤光片、偏光片以及其他用来分光的光学膜片的设置，大幅提高显示器的光汲取效率，达到省电的效果；且更可因为光学膜片的减少，同时达到节省原料成本并且使显示器薄型化的目的。

附图说明

为了对本发明的上述实施例及其他目的、特征和优点能更明显易懂，特举数个较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下:

图1是根据已知技术所绘示一种液晶显示器的部分结构剖面示意图；

图2是根据已知技术所绘示另一种液晶显示器的部分结构剖面示意图；

图3是根据本发明的一实施例所绘示的一种背光模块的部分结构透视图；

图4是根据本发明的另一实施例所绘示的一种背光模块的部分结构透视图；

图5是沿着图4中的切线S4所绘示的波导的部分结构剖面示意图；

图6是根据本发明的又一实施例所绘示的背光模块的部分结构透视图；

图7是沿着图6的切线S6所绘示的一个周期性微结构的部分结构剖面示意图；

图8是根据本发明的再一实施例所绘示的背光模块的部分结构透视图；

图9是依照本发明的一实施例所绘示的显示装置的结构剖面示意图；

图10是绘示由图9显示装置所提供的部分显示画面示意图；

图11是根据本发明的另一实施例所绘示的显示装置的部分结构剖面示意图；

图12是根据本发明的又一实施例所绘示的显示装置的部分结构剖面示意图；以及

图13是根据本发明的再一实施例所绘示的显示装置的部分结构剖面示意图。

符号说明：

90：显示装置 11：显示装置

12：显示装置 13：显示装置

100：背光模块 101：导光板

102：偏光片 103：液晶层

104：彩色滤光片 105：析光片

110：显示面板 111：彩色滤光片

112：偏光片 120：显示面板

121：彩色滤光片 122：偏光片

130：显示面板 131：第一透明基板

131a：第一透明基板的第一表面

131b：第一透明基板的第二表面

133：背光模块 200：背光模块

202：微型棱镜增亮膜 203：分色膜片

204：分色膜片 206：分束对位膜片

205：液晶显示面板 300：背光模块

301：光源 304：多模干涉元件

302：波导 400：背光模块

401a：蓝光发光二极管光源

401b：红光发光二极管光源

401c：绿光发光二极管光源

402a：波导 402b：波导

402c：波导 402a1：传输部

402a2：脊状部 402a3：转接部

403：周期性微结构 404a：多模干涉元件

404b：多模干涉元件 404c：多模干涉元件

405：基材 405a：下基材

405b:上基材 600：背光模块

602：波导 602a：脊状部

603：周期性微结构 603a：条状凸起部

604：保护层

605：基材 606：金属层

606a：金属层表面 800：背光模块

802：波导 802a：核心部

805：基材 900：显示面板

900a：次像素 901：第一透明基板

901a：第一透明基板的第一表面

901b：第一透明基板的第二表面

902：第二透明基板 903：薄膜晶体管层

904：液晶层 905：析光片

906：阻挡层 906a：开口

L1：光线 L2：光线

L4：光线 S4：切线

S6：切线

S6：切线

R：红光 G：绿光

B：蓝光 ：非平角

D线栅结构的周期性间隔距离

H：条状凸起部的厚度

P二相邻条状凸起部的间距

h：金属层的厚度

具体实施方式

本发明是提供一种具有波导的背光模块以及应用此一背光模块的显示装置，可以在改善显示装置光汲取效率的同时，达到减少光学膜片的使用以及节省电力的效果。进而达到节省原料成本并且使显示器薄型化的目的。为了对本发明的上述实施例及其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举数个较佳实施例，并配合所附附图作详细说明。

但必须注意的是，这些特定的实施案例与方法，并非用以限定本发明。本发明仍可采用其他特征、元件、方法及参数来加以实施。较佳实施例的提出，仅是用以例示本发明的技术特征，并非用以限定本发明的权利要求。该技术领域中具有通常知识者，将可根据以下说明书的描述，在不脱离本发明的精神范围内，作均等的修饰与变化。在不同实施例与附图之中，相同的元件，将以相同的元件符号加以表示。

请参照图3，图3是根据本发明的一实施例所绘示的一种背光模块300的部分结构透视图。其中，背光模块300包括至少一个可以提供数种不同颜色的色光(例如，红光R、绿光G、和蓝光B)的光源301、数个波导302以及数个周期性微结构303。每一个波导302都与光源301光耦接，使每一种色光对应地在其中一个波导302内传输。

在本发明的一些实施例中，光源301可以是一个白光光源、一个单色光光源、或是由数个不同色光的光源所组合而成的复合光源。例如，在本实施例之中，光源301是一个白光发光二极管光源。其中，光源301通过多模干涉(Multi-module interference)元件304与多个波导302光耦接，并对应每一个波导302分别提供一种不同颜色的色光。

详言之，白光发光二极管光源301的一端与多模干涉元件304光耦接，光源的 能量可经由多模干涉元件或其他光学元件将能量均分至多个波导，每一个波导302之中有红光R、绿光G、蓝光B的频率成分，而波导302上的周期性微结构303可根据不同频率的色光来设计，让不同的色光可经由周期性微结构303从波导302中被汲取出来，并被控制其极化偏振态，呈现高度准直性的红、绿、蓝光的极化光源。

又例如，在本实施例之中，光源301也可以使用数个可分别发出不同色光的发光二极管光源来取代。请参照图4，图4是根据本发明的另一实施例所绘示的一种背光模块400的部分结构透视图。图4所绘示的背光模块400结构大致与图3所绘示的背光模块300类似，差别在于背光模块400的光源至少包含蓝光发光二极管光源401a、红光发光二极管光源401b和绿光发光二极管光源401c，可分别提供三种不同颜色的色光。

另外在本实施例中，背光模块400还包含数个多模干涉元件404a、404b和404c。其中，每一个多模干涉元件404a、404b和404c对应光耦接一个不同色光的发光二极管光源，例如蓝光发光二极管光源401a、红光发光二极管光源401b和绿光发光二极管光源401c；再将相同的色光分配给与多模干涉元件404a、404b和404c对应光耦接的波导402a、402b和402c。同理，每一个多模干涉元件404a、404b或404c，可根据背光模块400的设计需求，决定分配给不同波导402a、402b和402c的色光种类(红光R、绿光G或蓝光B)以及该色光的强度。

在本发明的另一实施例中，也可采用单色光的光源来提供三种不同颜色的色光，例如是将蓝光发光二极管光源所产生的蓝光当作其它颜色的萤光粉(phosphor)的激发光。而红光和绿光则经由蓝光去激发萤光粉(phosphor)来产生。

请参照图5，图5是沿着图4中的切线S4所绘示的波导402a的部分结构剖面示意图。在本实施例之中，波导402a包含位于基材405(包含下基材405a和上基材405b)之中的传输部402a1、脊状部402a2以及转接部402a3。其中，传输部402a1位于下基材405a之中，一端与多模干涉元件404a以及蓝光发光二极管401a光耦接。脊状部402a2位于上基材405b之上。转接部402a3将脊状部402a2和传输部402a1的另一端光耦合。

在本发明的一些实施例之中，波导402a可以是由可透光的材料，例如玻璃、 透明塑化材质(例如聚甲基丙烯酸甲酯(Poly methyl methacrylate，PMMA))、半导体(例如硅)、陶瓷或上述材料的组合所构成。基材405(包含下基材405a和上基材405b)亦以可为(但不限于)可透光的材料，其中波导402a的折射率(refractive index)大于或等于基材405的折射率。由多模干涉元件404a所提供的光线L4，可经由传输部402a1的一端传输至传输部402a1的另一端，再经由转接部402a3以全反射的方式，将光线L4传输至脊状部402a2。之后，由位于脊状部402a2表面上的数个周期性微结构403加以偏极化，并从波导402a中汲取出。

值得注意的是，虽图4中所绘示的波导402a、402b和402c皆为相互平行的直线结构，但在本发明的一些实施例之中，波导402a、402b和402c可以包含曲线或折线结构，并且可以根据背光模块400的设计需求，而具有分支结构。

周期性微结构的说明请参照图6，图6是根据本发明的又一实施例所绘示的背光模块600的部分结构透视图。为了清楚描述起见，图6所绘示的背光模块600省略了光源、多模干涉元件、和其他周边元件，仅绘示形成于基材605上的数条波导602和数个周期性微结构603。在图6本实施例中，每一条波导602为一个凸设于基材605的脊状部，两相邻波导602之间形成有一个较脊状部的表面602a为低的槽状部，数个周期性微结构603则形成于每一个波导602的脊状部的表面602a上。

请参阅图7，图7是沿着图6的切线S6所绘示的一个周期性微结构603的部分结构剖面示意图。在本发明的一些实施例中，一个周期性微结构603，是由形成于每一条脊状部表面602a上的数个具有周期性间隔距离(period)D的线栅(grating)所构成。线栅结构包含经由，例如纳米压印技术(Nano imprinting lithography，NIL)、卷对卷工艺(Roll-to-Roll Process/R2R)、微影(photolithography)或其他合适的工艺，在波导602的脊状部的表面602a上形成数个彼此平形的条状凸起部603a，如此一来，该些条状凸起部603a的表面与该脊状部的表面602a形成一个在固定周期下交替凹陷与凸起的凹凸表面。

其中，每一个条状凸起部603a皆与波导602的延伸方向夹有一大于零的角度，较佳为90度。条状凸起部603a的形状可以包含直线、曲线、折线、虚线或上述的组合。该技术领域中具有通常知识者，皆可以依据所欲经由周期性微结构603来偏 极化并汲取出的光束的不同偏振态或光场分布，来选择条状凸起部603a的形状与尺寸。

复请参照图7，在本实施例之中，周期性微结构603是由数条垂直波导602的延伸方向的直线形条状凸起部603a所构成。其中，构成条状凸起部603a的材质可以是可透光的塑化材料，例如聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate，PET)。但值得注意的是，构成条状凸起部603a的材质并不以此为限，任何折射率大于或等于基材605的条件的可透光材料，都可用来构成条状凸起部603a。

线栅结构的周期性间隔距离D，是由条状凸起部603a的一起始端起算，至相邻条状凸起部603a的另一起始端之间的距离。在本发明的一些实施例中，线栅结构的周期性间隔距离D实质介于150纳米至800纳米之间。条状凸起部603a的厚度H，由波导602脊状部的表面602a起算，实质大于100纳米(nm)。

另外在本实施中，位于同一条波导602上的每一个周期性微结构603的线栅结构中，二相邻条状凸起部603a的间距(pitch)实质相等；并且介于150纳米至300纳米之间。但值得注意的是，在本发明的一些实施中，位于同一条波导602上每一个周期性微结构603的线栅结构中，二相邻条状凸起部603a的间距P可以不相等。

例如，为了兼顾被汲取出的光束能量的均匀性，在本发明的一实施例中，位于同一条波导602上的同一个或不同个周期性微结构603的栅结构中，二相邻条状凸起部603a的间距P，沿着远离光源的方向逐渐变小。又例如在本发明的另一实施例中，位于同一条波导602上不同个周期性微结构603的线栅结构中，二相邻条状凸起部603a的间距P也可以不同，且二者之间具有一个特定比例。另外，不同波导602上的每一个周期性微结构603的栅结构中，二相邻条状凸起部603a之间的间距P，也可以依照所欲偏极化并汲取出的光束的不同偏振态或光场分布来加以调变。

在本发明的一些实施例中，周期性微结构603还包括一金属层606，覆盖于周期性微结构603的条状凸起部603a以及波导602的脊状部的表面602a之上，使在各条波导602中传输的不同颜色的色光(红光R、绿光G或蓝光B)，穿透金属狭缝后激发表面等离子体子产生共振，并形成被局限在金属层606表面606a的疏密波或纵波(Longitudinal Wave)，然后从垂直金属层606表面606a的出射角度汲取出。 金属层606的材料较佳为铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、或其他合适的金属或合金。金属层606的厚度h较佳介于30纳米至100纳米之间。

请参照图8，图8是根据本发明的再一实施例所绘示的背光模块800的部分结构透视图。其中背光模块800的结构与图6所绘示的背光模块600结构相似，差别仅在于背光模块800的数条波导802是嵌设于玻璃材质的基材805之中，且构成这些波导802的材料与构成基材805的材质相同，但二者之间具有不相同的折射率。

在本发明的一些实施例之中，波导802是经由激光写入(laser beam writing)工艺或是其他离子交换式的波导工艺，采用波长实质为玻璃基材805的能隙(band gap)2倍或3倍的超快激光光来对基材805进行照射，藉以在基材805之中形成数条，条状的核心部802a，用以传输不同颜色的色光。在本实施例之中，核心部802a的折射率实质大于玻璃基材805的折射率。

请再参照图6(和图8)，由于经由周期性微结构603所汲取出的不同色光(红光R、绿光G或蓝光B)光束，具有垂直波导602(802)脊状部的表面602a(基材805表面)的出射角度。若将数个周期性微结构603适当排列，可使背光模块600和800提供具有分光功能的彩色光束阵列，其与显示面板的画素阵列对应，并整合形成一显示装置，将可省略已知彩色滤光片、偏光片以及其他用来分光的光学膜片的设置，大幅提高显示器的光汲取效率，达到省电的效果。

请参照图9，图9是依照本发明的一实施例所绘示的显示装置90的部分结构剖面示意图。显示装置90是由背光模块600以及位于背光模块600的一侧的显示面板900所组成，该显示面板900与该背光模块600光耦接。其中，显示面板900包括第一透明基板901、第二透明基板902、薄膜晶体管层903、液晶层904以及析光片905，并未配置彩色滤光片、偏光片以及其他用来分光的光学膜片。背光模块600包含基材605、波导602、周期性微结构603以及覆盖周期性微结构603的保护层604。背光模块600的每一个周期性微结构603，对准显示面板900的一个次像素900a，藉以提供每一个次像素900a一种不同色光(红光R、绿光G或蓝光B)，进而构成的显示画面(请参照图10)。

详言之，第一透明基板901具有第一表面901a以及与第一表面901a相对的第二表面901b，且被汲取的色光由第一表面901a向第二表面901b的方向行进。第 二透明基板902，面对第二表面901b。薄膜晶体管层903，位于第二表面901b和第二透明基板902之间。液晶层904位于薄膜晶体管层903和第二透明基板902之间，经由薄膜晶体管电路，可定义出数个次像素900a。第二透明基板902位于液晶层904与析光片905之间。

请参照图10，是绘示由图9显示装置所提供的部分显示画面示意图。在本发明的实施例中，较佳可以在第二透明基板902上设置一阻挡层906，藉以遮蔽薄膜晶体管层903上的薄膜晶体管电路，并且围绕显示面板90的各个次像素单元(sub-pixels)，并在每一个次像素单元900a上方形成一个开口906a，对应地对准并暴露一个周期性微结构603。

在本发明的一些实施例中，阻挡层906较佳可以是例如黑色矩阵(Black Matrix，BM)，经由阻挡层开口906a暴露于外的每一个周期性微结构603，具有远小于阻挡层开口906a的尺寸。例如周期性微结构603的沿着Y方向延伸的长轴尺寸，约为阻挡层开口906a长轴尺寸的1/3到1/5。周期性微结构603的沿着X方向延伸的短轴尺寸，约为阻挡层开口906a短轴尺寸的1/2到1/3。在本实施例之中，周期性微结构603的长轴尺寸实质介于5微米(μm)到20微米之间；周期性微结构603的短轴尺寸实质介于3微米(μm)到5微米之间。

为了增进显示装置的显示品质，亦可在显示面板中配置彩色滤光片、偏光片以及其他用来分光的光学膜片。例如请参照图11和图12，图11是根据本发明的另一实施例所绘示的显示装置11的部分结构剖面示意图。显示装置11的结构大致与图9所绘示的显示装置90类似，差别在于显示装置110的显示面板110还包含彩色滤光片111以及偏光片112。其中，彩色滤光片111位于第二透明基板902与液晶层904之间。偏光片112位于第一透明基板901的第一表面901a与背光模块600之间。

图12是根据本发明的又一实施例所绘示的显示装置12的部分结构剖面示意图。显示装置12的结构大致与图9所绘示的显示装置9类似，差别在于显示装置12的显示面板120还包含彩色滤光片121以及偏光片122，且显示装置12采用第8所绘示的背光模块800，而非第6所绘示的背光模块600。其中，彩色滤光片121位于第一表面901a与背光模块600之间，但并不以此为限，例如彩色滤光片121 亦可位于第二透明基板902与液晶层904之间。偏光片122位于第一透明基板901的第一表面901a与彩色滤光片121之间。

为了进一步将显示装置薄型化，波导和周期性微结构可以设置在显示面板的玻璃基板之中。例如请参照图13，图13是根据本发明的再一实施例所绘示的显示装置13的部分结构剖面示意图。与图12所绘示的显示装置12相比，显示装置13所采用的背光模块133省略了背光模块800玻璃材质的基材805，而是经由激光写入工艺照射显示面板130的第一透明基板131，藉以在第一玻璃基板131中形成数条结构与波导802类似的波导，用以传输不同颜色的色光(红光R、绿光G或蓝光B)。

在本实施例之中，薄膜晶体管层903形成于显示面板130的第一玻璃基板131的第二表面131b，液晶层904位于第二表面131b与彩色滤光片121之间。周期性微结构603设置于第一玻璃基板131的第一表面131a上，并经由调变周期性微结构603的线栅结构的间距，以改变不同颜色色光(红光R、绿光G或蓝光B)的偏振态或光场分布，使被偏极化的光束，由波导802的核心部802a汲取出，并朝向第一玻璃基板131的第二表面131b的方向出射。

根据上述，本发明的实施例是提供一种具有波导的背光模块以及应用此一背光模块的显示装置。其中此背光模块包括：可提供数个束色光的至少一个光源，分别与数个波导光耦接，使每一个色光对应地在其中一个波导内传输。并经由于每一个波导上的周期性微结构，将不同颜色的色光加以偏极化并分别从不同的波导中汲取出。

由于背光模块所提供的光线，在尚未进入显示面板之前已经被区分成不同颜色的色光，加上经过偏极化汲取出的光束具有特定的偏振态，能准确地对准显示面板的次画素，并减少因黑色矩阵(BM)所阻挡的光能量损耗。因此，不仅可省略彩色滤光片、偏光片以及其他用来分光的光学膜片的设置，大幅提高显示器的光汲取效率，达到省电的效果；且更可因为光学膜片的减少，同时达到节省原料成本并且使显示器薄型化的目的。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何该技术领域中具有通常知识者，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权利要求书所界定者为准。