專利名稱：光學無源元件以及光源模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學元件，且特別涉及一種高效率光學元件，可應用于 光源模塊。
背景技術：
液晶顯示器(LCD apparatus)已經是普遍的商業(yè)產品有廣泛的應用。 一般 的液晶顯示器，如圖l所示，包含背光模塊100，以產生平面光，以及液晶 顯示面板(LC Display Panel)通過平面光以顯使影像。液晶顯示面板一般包括 下基板104與上基板112,其中間有液晶層108?；?04配置包括有透明 電極與驅動元件的結構層106以及偏光片102。另外基板112配置包括有透 明電極與濾光片的結構層110以及偏光片114。通過基板上的電極來控制液 晶分子的排列方向可以控制像素的灰階值，再加上通過三個顏色的濾光片的 使用可以組成所要的顏色。其進一步細節(jié)不予詳述。
對于液晶顯示器而言，其畫面顯示的亮度是由背光模塊所提供。然而， 由于液晶顯示器的元件數量多，再加上例如彩色濾光片的吸光作用、偏光片 的吸光作用、薄膜晶體管(TFT)的低開口率等因素， 一般液晶顯示器可能僅 使用到背光模塊所發(fā)出的光的5% 10%，造成光利用率過低，也因此浪費大 量能源。雖然在傳統(tǒng)技術中已有提出增加光使用率的設計，例如美國第 5,828,488號專利提出利用多層但是不同雙折射率的高分子材料構成相互疊 層的結構，以循環(huán)式增加光使用率。另外，美國第6,025,897號專利提出將 偏光片材料與菱鏡光材料整合于單一元件上，以提升光使用率。
然而，由于背光用的光學膜片的需求量大，開發(fā)新功能整合化的光學膜 有很大的利用價值，業(yè)者仍積極尋求開發(fā)其他設計，以期能進一步提升光使 用率。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種光學無源元件，透過元件的整合與功能提升，以有效降低成本同時達到節(jié)省能源的效果。
本發(fā)明提出一種光學無源元件，包括第一基板、第二基板、穩(wěn)定型液晶 材料層以及表面微結構層。穩(wěn)定型液晶材料層，位于第一基板與第二基板之 間，通過多個液晶分子的排列方向使具有偏光分光功能。表面微結構層設置 于該第 一基板與該第二基板至少其一的外表面，用以產生集光效用。
依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的所述光學無源元件，其中穩(wěn)定型液晶材料層例 如是高分子穩(wěn)定型液晶材料層。
依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的所述光學無源元件，其中穩(wěn)定型液晶材料層含 有均勻分布的多個液晶滴，且該些液晶滴的多個液晶分子，在無電場下基本 上是不在相同的方向。又例如，這些液晶分子排列的方向可以將具有第一偏 光態(tài)光反射，而讓第二光偏光態(tài)光穿透。
依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的所述光學無源元件，其中又例如第 一基板與第 二基板分別的一個內表面，有延伸于一方向且平行的多條溝槽。其中，又例 如第 一基板與二基板的溝槽的方向互為垂直或平行。
依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的所述光學無源元件，其中又例如其表面微結構 層包括規(guī)則線狀延伸結構、不規(guī)則線狀延伸結構、圓形微透鏡陣列、或是錐 形微透鏡陣列。
本發(fā)明更提出一種光源模塊，包括光源單元以提供平面光。擴散片配置 于光源單元后，以接收該平面光使均勻擴散。如前述的光學無源元件，配置 于擴散片后。
為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特#^尤 選實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。


圖1繪示傳統(tǒng)液晶顯示裝置的剖面結構示意圖。
圖2繪示依據本發(fā)明實施例，光學無源元件的剖面示意圖。
圖3繪示依據本發(fā)明實施例，兩個基板的結構示意圖。
圖4繪示依據本發(fā)明實施例，光源模塊的剖面示意圖。
圖5-8繪示依據本發(fā)明實施例，表面微結構層的結構示意圖。
附圖標記說明
100:背光模塊 102: 偏光片104、 112: 基板
108 114
液晶層 偏光片
106: 結構層 110: 結構層 200、 202: 基板
204穩(wěn)定型液晶材料層206液晶滴
208表面微結構層210電場方向
212電壓300導光元件
302反射片304發(fā)光源
306初始光源307擴散片
308偏光態(tài)的光
具體實施例方式
本發(fā)明提出利用穩(wěn)定型液晶材料層，例如高分子穩(wěn)定型液晶材料
(Polymer Stabilized Liquid Crystal),搭配微結構以形成有高效率的整合型光 學膜片，其又同時具有偏光轉換與提升中心亮度的功效。本發(fā)明應用于液晶 顯示器時，可以大幅提升面板的光透射效率與中心輝度，并減少膜片使用量， 促使整體架構的簡單化以及成本的降低。
高分子穩(wěn)定型液晶材料的特性是將液晶分子與高分子液態(tài)膠料混合。液 晶分子透過高分子材料的鍵結作用，可以均勻分布于高分子材料中，且被涂 布于基板上。當利用紫外線將高分子材料硬化時，由于相分離的作用，液態(tài) 的液晶分子就會結成液晶滴，穩(wěn)定地且均勻地分布于硬化后的高分子材料 內。于此，高分子材料例如包括PET(poly(ethyleneterephthalate))、聚苯乙烯 (PS， Polystyrene)、環(huán)烯烴(COC， Cyclic Olefin Copolymer),壓克力(PMMA, Polymethyl methacrylate)或是聚碳酉臾西旨(Polycarbonate, PC)等。
在上述的制作過程中，可以形成均勻分布的液晶滴，且液晶滴里面的液 晶分子大致上會排列在相同方向。然而每一個液晶滴的液晶分子排列方向， 在沒有電場的環(huán)境下是任意分布，因此基本上不具有偏光的功能。
本發(fā)明為了使制作成的穩(wěn)定型液晶材料同時具有偏光的功能，在進行高 分子硬化過程中，例如會預先施加外部電場(或外部配向力)，使液晶滴內的 液晶分子在硬化過程中已大致上排列在所要的方向上。如此，高分子經實際 硬化后，在沒有電場的環(huán)境下，每個液晶滴的多個液晶分子，會基本上排列 在一個預定方向，因此可以同時具有偏光的功能。圖2繪示依據本發(fā)明實施例，光學無源元件的剖面示意圖。參閱2，本 發(fā)明的光學無源元件包括第一基板200、第二基板202、穩(wěn)定型液晶材料層 204以及表面微結構層208。兩個基板200、 202例如可以是玻璃基板亦可為 高分子透明材料。
穩(wěn)定型液晶材料層204,位于第一基板與第二基板之間，通過多個液晶 滴206內的多個液晶分子的排列方向使具有偏光分光功能。如前述，在穩(wěn)定 型液晶材料層204的硬化過程中，例如可同時施加外部電場，使液晶分子沿 著電場的方向排列。 一般例如，外部電場是水平的預定方向，以達到所要的 排列方向。由于液晶分子的特性，會將具有偏光態(tài)的光，例如使S偏光態(tài)的 光反射，而讓另一偏光態(tài)的光，例如使P偏光態(tài)的光反射穿透。換句話說， 含有S偏光態(tài)與P偏光態(tài)的入射光，例如其P偏光態(tài)的光成分會穿透出，而 S偏光態(tài)的光成分會被反射，達到偏極分光的效果。S偏光態(tài)與P偏光態(tài)式 互為垂直的狀態(tài)，因此穩(wěn)定型液晶材料層204本身就具有偏極分光的作用。
另外，基板200、 202上也例如也可以具有電極結構，由電壓控制單元 212控制，以產生電場而更進一步控制旋轉液晶分子206的排列方向。
又、表面微結構層208例如設置于基板200與基板202的至少其一的外 表面，用以產生集光效果。表面微結構例如包括規(guī)則線狀延伸結構、不規(guī)則 線狀延伸結構、圓形微透鏡陣列、或是錐形微透鏡陣列。圖2的表面微結構 層208是以規(guī)則線狀延伸結構為實施例。另外例如包括圖5-8繪示的一些表 面微結構層的結構示意圖。圖5例如是不規(guī)則線狀延伸結構。圖6例如是金 字塔陣列結構。圖7例如是規(guī)則線狀結構。圖8例如是彎曲結構，其可以是 規(guī)則或不規(guī)則。
接著另一種方式，也可以進一步使液晶分子秩序排列于預定方向，以進 一步提升偏光選擇能力。圖3繪示依據本發(fā)明實施例，兩個基板的結構示意 圖。參閱圖3，為了使液晶分子在高分子被固化時能有較規(guī)則依照所要的排 列方向排列，可以在兩個基板200、 202的內表面分別增加兩個配向層 (aligning layer)200a、 202a。由于配向層的作用，貼近配向層的液晶分子，依 照配向層的方向，會有較秩序排列于此方向上，以提升偏光的選擇效果。于 此設計，外部電場(外部配向力)可以施加或是無需施加，依實際需要而定。 又、由于兩個配向層200a、 202a的配向方向例如互為垂直，更可以提升對 特定偏光方向的光，有通光選擇性，以提升透光元件的偏極化純度。然而，
7兩個配向層200a、 202a的配向方向也可例如互平行，其依實際需要而定。
接著，上述本發(fā)明的光學元件例如可以應用于背光沖莫塊。圖4繪示依據 本發(fā)明實施例，光源模塊的剖面示意圖。光源模塊例如是以背光模塊為例做 說明。參閱圖4，光源單元，用來提供平面光。光源單元的設計可以例如是 由發(fā)光源304與導光元件300所構成。發(fā)光源304例如點光源，更例如是發(fā) 光二極管，以發(fā)出初始光源。由于初始光源不是平面光，因此通過導光元件 300可以接收初始光源306而導引轉換成平面光。導光元件300例如是導光 板，將點光源轉換成光面的形式。由于導光元件300的折射系數大于空氣， 因此在界面上會有內全反射的現(xiàn)象，又或是仍有一部分光，由于光學效應會 在界面被反射回到導光元件300內部。為了能更加有效利用光源，例如可以 在導光元件300的表面再配置反射片302，就可以回收一些光源，再繼續(xù)使 用。然而光源單元主要示提供一些程度的平面光，其設計不限于所舉實施例。
又由于從光源單元出射的光，其光強度可能不均勻，因此可以使用擴散 片(diffusion plate)307使光的強度的平面分布趨于均勻。接著，經過擴散片 307的光會進入如圖2所述的光學元件。依相同機制，具有偏光態(tài)的光308 會穿透，而具有另一偏光的光會被反射回擴散片307。由于光學特性的作用， 反射的偏光態(tài)會被改變又產生一部分可穿透的偏光態(tài)，因此可以繼續(xù)循環(huán)回 收使用，其也可以確保輸出光308的偏光態(tài)純度。
本發(fā)明使用穩(wěn)定型液晶材料層204以及配合表面微結構層208的使用， 可以有效提升由光源304產生的光的使用效率，又同時能將光偏極化，提高 光通過下偏極片的通光率，更優(yōu)選地，可以節(jié)省偏光片的使用，
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本領 域技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，因 此本發(fā)明的保護范圍當視后附的權利要求所界定的為準。
權利要求
1.一種光學無源元件，包括第一基板；第二基板；穩(wěn)定型液晶材料層，位于該第一基板與該第二基板之間，通過多個液晶分子的排列方向使具有偏光分光功能；以及表面微結構層，設置于該第一基板與該第二基板至少其一的外表面，用以產生光線偏折效用。
2. 如權利要求1所述的光學無源元件，其中該穩(wěn)定型液晶材料層是高分 子穩(wěn)定型液晶材料層。
3. 如權利要求1所述的光學無源元件，其中該穩(wěn)定型液晶材料層含有均 勻分布的多個液晶滴。
4. 如權利要求3所述的光學無源元件，其中該些液晶分子排列的該方向 會將具有第一偏光態(tài)光反射，而讓第二光偏光態(tài)光穿透。
5. 如權利要求1所述的光學無源元件，其中該第一基板與該第二基板的 每一個都包含電極結構，允許施加電場以改變該些液晶分子的該排列方向。
6. 如權利要求1所述的光學無源元件，其中該第一基板與該第二基板分 別的一個內表面，有延伸于一方向且平行的多條溝槽。
7. 如權利要求6所述的光學無源元件，其中該第一基板與該二基板的該 多條溝槽的該方向互為平行。
8. 如權利要求1所述的光學無源元件，其中該表面微結構層包括規(guī)則線 狀延伸結構、不規(guī)則線狀延伸結構、圓形微透鏡陣列、或是錐形微透鏡陣列。
9. 一種光源模塊，包括 光源單元，提供一平面光；擴散片，配置于該光源單元后，以接收該平面光使均勻擴散；以及 光學無源元件，配置于該擴散片后，包括 第一基板，位于入射端； 第二基板，位于出射端；穩(wěn)定型液晶材料層，位于該第一基板與該第二基4反之間，通過多個液晶 分子的排列方向使具有偏光分光功能；以及表面微結構，設置于該第二基板與該第二基板至少其一的外表面。
10. 如權利要求9所述的光源模塊，其中該光源單元包括 發(fā)光源，發(fā)出初始光源；以及導光元件，接收該初始光源，導引轉換成該平面光。
11. 如權利要求9所述的光源模塊，其中 該穩(wěn)定型液晶材料層是高分子穩(wěn)定型液晶材料層。
12. 如權利要求9所述的光源模塊，其中該穩(wěn)定型液晶材料層含有均勻 分布的多個液晶滴。
13. 如權利要求12所述的光源模塊，其中該些液晶分子排列的該方向會 將具有第一偏光態(tài)光反射，而讓第二光偏光態(tài)光穿透。
14. 如權利要求9所述的光源模塊，其中該第一基板與該第二基板分別 的一個內表面，有延伸于一方向且平行的多條溝槽。
15. 如權利要求14所述的光源模塊，其中該第一基板的該多條溝槽與該 二基板的該多條溝槽互為垂直或平行。
16. 如權利要求9所述的光源模塊，其中該表面微結構包括規(guī)則線狀延 伸結構、不規(guī)則線狀延伸結構、圓形微透鏡陣列、或是錐形微透鏡陣列。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學元件及光源模塊。一種光學無源元件，包括第一基板、第二基板、穩(wěn)定型液晶材料層以及表面微結構層。穩(wěn)定型液晶材料層，位于第一基板與第二基板之間，通過多個液晶分子的排列方向使具有偏光分光功能。表面微結構層設置于該第一基板與該第二基板至少其一的外表面，用以產生集光效用。
文檔編號G02F1/1334GK101315480SQ20071010650
公開日2008年12月3日 申請日期2007年6月1日 優(yōu)先權日2007年6月1日
發(fā)明者姚柏宏, 張延瑜, 楊文勛, 林怡欣 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院