CN101349827A - 偏振光发射元件 - Google Patents

Abstract

一种可提供偏振光的偏振光发射元件，包含光源以及多层交互堆叠的第一光学薄膜及第二光学薄膜。各个第一光学薄膜与各个第二光学薄膜分别具有多个第一几何单元与多个第二几何单元，在该光源的出光面排列成二元的周期性结构，且该偏振光发射元件可直接提供高辉度、具特定偏振特性的偏振光。

Description

偏振光发射元件

技术领域

本发明涉及一种偏振光发射元件，尤其涉及一种可应用于液晶显示器背光模块的偏振光发射元件。

背景技术

背光模块(back light unit)为液晶显示器(liquid crystal display，LCD)的关键组件之一，由于液晶面板(LCD panel)本身不具发光的能力，需要背光模块来提供足够的亮度与分布均匀的光源。目前液晶显示器已广泛应用于监视器、笔记电脑、数码相机及投影机等具成长潜力的电子产品，因而带动背光模块及其相关元件的需求持续成长。

请参考图1，图1为已知液晶显示器构件的示意图。已知液晶显示器构件包含液晶面板2、下偏光片4、上偏光片6以及背光模块8，其中液晶面板2包含TFT基板、配向膜、液晶层、彩色滤光片等元件，这些为液晶显示器的主要构成元件；液晶显示器的操作原理是利用液晶材料的光电特性，通过外加电场改变液晶排列方向以显示出明暗不同，并搭配上、下偏光片及彩色滤光片以显示画面。目前液晶显示器的背光模块多以冷阴极管(CCFL)或发光二极管(light-emitting diode，以下简称LED)为主要的背光光源，其中LED具备低驱动电压、寿命长、发光效率高、无水银及高色彩再现性等特点，因而具有取代冷阴极管的潜力。然而LED所产生的光线，在入射至液晶面板前会因为传播介质折射率的不同，而会受到临界角的限制，也就是说，当光线的入射角度大于临界角时，该光线将会在光学膜片表面全反射而无法折射穿透光学膜片而提供液晶面板足够的光源；此外，光线经过层层的光学膜片及液晶面板，光线会被吸收因而减少光线利用率；同时，来自背光模块的光源必须经由下、上偏光片来达成偏振的效果，在此过程中有半数以上的光线被偏光片所吸收。由于大部份的光线已于上述过程中损耗，所以提升光源利用率以提供足够的亮度已成为背光模块设计上的一个重要课题。

发明内容

因此，本发明的一目的在于提供一种偏振光发射元件，可直接提供高辉度的偏振光，简化已知液晶显示器的结构。

为达上述目的，本发明提供一种偏振光发射元件，其包含光源、设于该光源的出射面的第一光学薄膜以及第二光学薄膜。该第一光学薄膜的厚度为d1，且该第一光学薄膜包含多个宽度为a1的第一几何单元，其中这些第一几何单元沿第一方向重复排列，且0.2≤d₁/a₁≤2；另外，该第二光学薄膜的厚度为d2，且该第二光学薄膜包含多个宽度为a2的第二几何单元，其中这些第二几何单元也沿该第一方向重复排列，且0.2≤d2/a2≤2。

本发明的偏振光发射元件不仅能直接提供具有特定偏振特性的偏振光，当将本发明的偏振光发射元件使用于背光模块时，其光线的出射率及光源利用率均比已知背光模块更好，为良好的背光模块元件。

附图说明

图1为已知液晶显示器构件的示意图；

图2是依据本发明的第一优选实施例所示的偏振光发射元件的示意图；

图3是本发明的第一几何单元与第二几何单元其它形式的实施方案；

图4为第一实施例中光线波向量与入射光归一化频率的关系图；

图5为应用这些光学薄膜筛选特定偏振特性的偏振光的示意图；

图6和图7为以量化的方式呈现这些光学薄膜筛选TE偏振光与TM偏振光的结果；

图8是根据本发明的第二实施例所示的偏振光发射元件的示意图；

图9示出了本发明的这些光学薄膜厚度、这些几何单元尺寸与光子能隙间的关系图；

图10示出图9的实施例，当h＝0.25a时，d1/a与d2/a的关系图；

图11示出以本发明的偏振光发射元件组合为背光模块的液晶显示器的结构示意图。

【主要元件符号说明】

2    液晶面板              4    下偏光片

6    上偏光片              8    背光模块

10   偏振光发射元件        12   光源

121  n型半导体层           122  主动层

123  p型半导体层           124  出光层

16   第二光学薄膜          17   第二几何单元

18   第一光学薄膜          19   第一几何单元

26   偏振光发射元件        28   反射层

29   封装结构              30   液晶显示器

32   背光模块              34   液晶面板

36   上偏光片              38   色偏振光发射元件

40   绿色偏振光发射元件    42   蓝色偏振光发射元件

具体实施方式

为使本领域技术人员更进一步了解本发明，下文特列举若干优选实施例，并配合所附图示、元件符号等，详细说明本发明的构成内容及所欲达成的功效。

图2是本发明第一实施例的偏振光发射元件10的示意图。偏振光发射元件10包含光源12、多层第一光学薄膜18以及多层第二光学薄膜16，依序交错堆叠于光源12的出射面。第一光学薄膜18的厚度为d₁，其具有多个第一几何单元19，该第一几何单元19依序排列形成具锯齿状截面的结构，其个别的宽度及高度分别为a₁及h₁；另外，第二光学薄膜16的厚度为d₂，其具有多个第二几何单元17，第二几何单元17亦依序排列形成具锯齿状截面的结构，其个别的宽度及高度分别为a₂及h₂。

整体而言，第一几何单元19与第二几何单元17单元分别沿着X方向(第一方向)、Y方向或Z方向(第二方向)重复或交迭排列，形成如图2中具有锯齿状截面的二元周期性结构。此外，光源12与这些光学薄膜的交界面不限于图中所示的水平截面，也可形成锯齿状、波浪状等其它形式的截面，该些周期性结构在纳米(nanometer)量级时，具有偏振的效果。

此外，本发明的第一几何单元19与第二几何单元17不限于图2所示相同大小、紧密接邻排列的锯齿状截面的结构，其实施方式可如图3a所示，锯齿状截面结构呈现有疏密排列的区间，或如图3b所示，形成不同大小的锯齿状截面结构。

于本实施例中，光源12可以是LED元件，其包含有n型半导体层121、主动层(active layer)122、p型半导体层123以及出光层(windowlayer)124依序堆叠而成，以提供不同波长的光线，而具有二元周期性结构的第一光学薄膜18及第二光学薄膜16的折射率分别为n₁及n₂，其中，第一光学薄膜18可以采用硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)及其组合或其它折射率大于2的介电材料，而第二光学薄膜层16则是包含二氧化硅(SiO₂)、氧化镁(MgO)、三氧化二铝(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)及其组合或其它折射率不等于第一光学薄膜18的介电材料，同时第一光学薄膜18与第二光学薄膜16的折射率差值越大越好。此外，在选择第一光学薄膜18与第二光学薄膜16材料时，考虑应用频率波段材料本身的光吸收系数时，优选为选择应用频率波段光吸收系数越小越好。

再者，第一实施例中由第一光学薄膜18与第二光学薄膜16所共同构成的周期性结构除了图示中的锯齿状截面外，其它例如具有球面、矩形、六角形、波浪状等其它不同形式的立体结构也适用于本发明。具体来说，以图2所示的第一光学薄膜18与第二光学薄膜16的锯齿状截面为例，由于第一几何单元19与第二几何单元17为相同尺寸，因此第一几何单元的宽度a₁恰等于第二几何单元的宽度a₂，第一几何单元的宽度h₁恰等于第二几何单元的宽度h₂，且在偏振光发射元件10的制作过程中，a₁、a₂的大小将设定为光源12所产生的光线的波长λ乘上这些光学薄膜堆叠后所求得的归一化频率(normalized frequency)f的积，即第一实施例的a₁＝a₂＝λf，至于f值的计算将另外在后面的图示中说明。另外，在制作偏振光发射元件10时，第一光学薄膜18的厚度d₁、第二光学薄膜16的厚度d₂、第一几何元件19的高度h₁以及第二几何元件17的高度h₂，将设定为第一几何单元19宽度a₁或第二几何单元17宽度a₂的倍数，例如d₁＝ia₁，d₂＝ja₂，h₁＝ka₂，h₂＝la₂，其中i、j、k、l为常数，其数值将视实施时的制程或是产品需求而变化。

图4为第一实施例中当光源12产生的光线入射到交互堆叠的第一光学薄膜18与第二光学薄膜16时，光线波向量与入射光归一化频率的关系图，其中，光源12的光线包含电场方向与光线应用方向(Z方向)垂直的TE偏振光(transverse electric mode)以及磁场方向与光线应用方向垂直的TM偏振光(transverse magnetic mode)。图4利用平面波展开法(Plane-wave expansion method)，将第一光学薄膜与第二光学薄膜的介电常数、电场与磁场的傅立叶展开级数代入Maxwell’sequation，并计算其沿First Brillouin zone边缘的波向量k值所对应的归一化频率f的关系图，图4以TE偏振光为例。由图中频率的曲线分布可以看出入射光入射交互堆叠的第一光学薄膜18与第二光学薄膜16的偏振光具有光子能隙(photonic band gap)，该光子能隙为一频率区间，当此频率区间的入射光由外部入射至这些光学薄膜时，由于在这些光学薄膜中偏振光TE没有与其对应的传播模式(propagatingmode)，因此该偏振光TE会被完全地反射回去；而偏振光TM于此频率区间有相对应的传播模式，因此该偏振光TM会完全透射，此光子能隙所对应的频率区间即为这些光学薄膜应用于偏振元件的频率区间。在此要另外说明的是，这些光学薄膜的波向量与入射光归一化频率的关系图会因组成这些光学薄膜的第一光学薄膜18与第二光学薄膜16的厚度、折射率及几何单元的宽度、高度而变化，且光子能隙的频段数量不限于图4所示的一个频段，当选用不同折射率的材料制作该些光学薄膜时，光子能隙的数量及频率区间大小将依材料种类而变动，且光子能隙的频率区间大小将会影响这些光学薄膜在偏振光发射元件应用上的范围，譬如当光子能隙具有较大的频率区间时该光学薄膜厚度、折射率及几何单元高度的选择上具有较大的范围。

图5为应用该些光学薄膜筛选特定偏振特性的偏振光的示意图。其中，第一光学薄膜18与第二光学薄膜16位于光源12的出射面，来自光源12(未示出)的光线包含电场方向与光线应用方向(z方向)垂直的TE偏振光(transverse electric mode)以及磁场方向与光线应用方向垂直的TM偏振光(transverse magnetic mode)。本发明所述的这些光学薄膜与主动产生光线的光源12组合后，即可直接提供具有特定偏振特性的偏振光，供其它光学元件使用。图6和图7则是以量化的方式表示图5第一光学薄膜18及第二光学薄膜16筛选TE偏振光与TM偏振光的结果，其中，x轴为第一光学薄膜18及第二光学薄膜16堆叠的层数，每层结构包含一组本发明的第一光学薄膜18与第二光学薄膜16，y轴则分别是TE偏振光及TM偏振光透射的比率。

再参考图4，在第一实施例中，当选用折射率n₁＝3.5的第一光学薄膜18以及折射率n₂＝1.5的第二光学薄膜16交互堆叠于光源12的出射面，可得到一光子能隙，其频率区间约介于0.415到0.435之间。再由图6、7可知，当层数大于4之后TE偏振光的透射率随着这些光学薄膜层数的增加而逐渐下降，最后，TE偏振光的正向透射率趋近于0.006左右；而层数大于8之后TM偏振光透过这些光学薄膜后，其正向透射率趋近于0.82左右，经计算后得知，在光学薄膜层数大于8层以上时TM偏振光的透射率约为TE偏振光的60～170倍，在本实施例中的最佳值为15层。因此，由TM偏振光与TE偏振光经过多层交互堆叠的第一光学薄膜18及第二光学薄膜16悬殊的透射率差异，再次说明了本发明的偏振光元件具有筛选特定偏振光的特性。

除了第一实施例所揭露的在光源12的表面直接堆叠多层第一光学薄膜18及第二光学薄膜16的实施方式外，考虑光源12可能对水气或氧气具有高敏感度，可在光源与第一光学薄膜及第二光学薄膜间再加设防护材料，以阻绝水气或氧气进入光源，延长本发明的偏振光发射元件的寿命。请参考图8，其为依据本发明的第二实施例所示的一个偏振光发射元件26的示意图，与前述第一实施例相同的元件将沿用相同的元件符号，本实施例与第一实施例的差异在于：光源12与第一光学薄膜18间还设置封装结构29以及设于偏振光发射元件26相对于光源12出射面的另一反射层28。设于光源12与这些光学薄膜间的封装结构29可选用树脂、氧化硅或其它可隔绝水气及氧气的材料，包围在光源12的外侧，以保护光源12，且封装结构29的材料的折射率与该第一光学薄膜18的折射率间的差值小于1；此外封装结构29与第一光学薄膜18的交界面不限于图中所示的水平截面，也可配合这些光学薄膜作出锯齿状或是其它形式的截面。另外，在选择封装结构29的材料时，必须同时考虑材料本身的折射率，优选的选择为封装结构29材料的折射率与该光源材料的折射率间的差值小于1。至于设于偏振光发射元件26底部的反射层26，则可选用银(Ag)、铝(Al)、金(Au)等金属或其它反射效果良好的材料制作，其目的在于使从第一光学薄膜18或第二光学薄膜16反射的TE偏振光在反射后能重新打乱为TM偏振光与TE偏振光的混合光源，再次经过第一光学薄膜18与第二光学薄膜的筛选，以增加光源12的光源利用率。

图9是TE偏振光经过折射率n₁＝4.01的第一光学薄膜18和折射率n₂＝1.5的第二光学薄膜16时，这些光学薄膜的厚度、这些几何单元的尺寸与光子能隙的关系图，其中X轴为d₁/a，Y轴为d₂/a，Z轴为h/a，且图中每一圆点代表TE偏振光具有对应的光子能隙，其中d₁、d₂分别为第一光学薄膜18与第二光学薄膜16的厚度，h为第一几何单元19的高度h₁与第二几何单元17的高度h₂之和(h＝h₁+h₂)，而第一光学薄膜18所包含的第一几何单元16与第二光学薄膜16所包含的第二几何单元17具有相同的宽度a，即a₁＝a₂＝a。由图9可知，在特定的结构条件下，TE偏振光会有对应的光子能隙，因此无法穿透这些光学薄膜，而在此结构条件下，TM偏振光不具对应的光子能隙，因此可轻易穿透这些光学薄膜，进而达成分离TM与TE偏振光的目的。另外，图10为图9的实施例，其示出当h＝0.25a时，d₁/a与d₂/a的关系图。其中，h为第一几何单元19的高度h₁与第二几何单元17的高度h₂之和(即h＝h₁+h₂)。

根据图9、图10的结果，在制作偏振光发射元件10时，如要达成上述分离偏振光的目的，第一光学薄膜18的厚度d₁与第一几何单元17的宽度a₁间优选的比例约在0.2-2之间，即0.2≤d₁/a₁≤2；第二光学薄膜16的厚度d₂与第二几何单元17的宽度a₂间优选的比例也是在0.2-2之间，即0.2≤d₂/a₂≤2；h与a间优选的比例也在0.2～2间，即0.2≤h/a≤2。

由于本发明所述的偏振光元件具有可直接提供TM偏振光的功能，经适度的封装并连结其它光学元件或电路***后，在应用上可作为液晶显示器或其它显示元件的背光模块。以红蓝绿三色的背光模块为例，根据计算后的结果，以可发出的波长λ＝470nm的蓝光LED来说，第一光学薄膜、第二光学薄膜、第一几何单元、第二几何单元的结构参数设定在a₁＝a₂＝200nm，d₁＝90nm、d₂＝76nm、与h₁＝h₂＝140nm，可制作出蓝色光源的偏振光发射元件；若将第一光学薄膜、第二光学薄膜、第一几何单元、第二几何单元的大小设定为a₁＝a₂＝225nm、d₁＝101nm、d₂＝86nm、与h₁＝h₂＝158nm，则可用波长λ＝530nm的绿光LED，制作出绿色光源的偏振光发射元件；若第一光学薄膜、第二光学薄膜、第一几何单元、第二几何单元的大小设定在a₁＝a₂＝268nm，d₁＝121nm，d₂＝102nm，与h₁＝h₂＝188nm，则可用波长λ＝630nm的红光LED，制作出红色光源的偏振光发射元件。这些红色光源、绿色光源以及蓝色光源的偏振光发射元件的组合可应用于背光模块，请参考图11，其示出以本发明的偏振光发射元件组合为背光模块的液晶显示器的结构示意图。液晶显示器30包含背光模块32、液晶面板34以及上偏光片36，其中液晶面板34位于该背光模块32的出光面，上偏光片36则设在液晶面板34相对于背光模块32的另一侧。液晶面板34及上偏光片36的细部结构已公知，在此不再赘述。液晶显示器32的背光模块32包含多个红色(R)偏振光发射元件38、多个绿色(G)偏振光发射元件40及多个蓝色(B)偏振光发射元件42等不同颜色的偏振光发射元件，且每四个偏振光发射元件(G、R、G、B)构成一个单位，彼此相邻排列成马赛克(mosaic)式的背光光源阵列，用以提供特定波长的偏振光。由于这些偏振光发射元件各自具备这些光学薄膜，除了可直接提供TM偏振光的优点外，该些光学薄膜因具有锯齿状的截面，可使入射至这些光学薄膜的光线不受临界角的限制，提高光线从该些光学薄膜出射的比例，从而提升光源利用率。与已知液晶显示器相比，本发明的液晶显示器30使用本发明的这些偏振元件作为背光模块32的偏振光来源时，因为这些偏振元件可直接提供液晶面板34所需的偏振光，故本发明的液晶显示器30可省略已知液晶显示器所必备的下偏光片及增亮膜，即能提供高辉度、高色彩再现性的图像显示效果。此外，本发明所揭露的实施例以红蓝绿三色的背光光源阵列为例，其它组合的背光光源阵列也适用于本发明，例如：红色、蓝色、绿色及白色(white，W)四色组合的背光光源阵列(RGB W pattern)；且背光光源阵列的排列方式也不局限于前述实施列所示的以每四个偏振光发射元件(G、R、G、B)或(R、G、B、W)构成一个单位，使用者可视产品需要而更改其排列组合，例如，在另一实施例中也可由三个或其它数量的偏振光发射元件构成一个单位，且也不限于以马赛克式的方式排列。

综上所述，本发明所提供的偏振光发射元件，可配合不同波长的光线，设计出不同的光学薄膜，以直接提供特定偏振特性及高辉度的偏振光，供其它的需要偏振光的产品，如投影机、液晶显示器等电子产品使用，偏振光的种类不限于这些实施例所示的TM偏振光，改变第一光学薄膜、第二光学薄膜、第一几何单元、第二几何单元材料或结构参数将可决定通过的偏振光种类，例如，电场方向与光线应用方向垂直的TE偏振光，以符合各种光电产品所需。另外，产生光线的光源并不限于上述实施例中的LED元件，其它可主动发光的装置或机构，如有机发光二极管(OLED)、激光二极管(LD)也适用于本发明。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡根据本发明权利要求所做的等同的变化与修改，都属于本发明的范围。

Claims (10)

1、一种提供偏振光的偏振光发射元件，其包含：

光源；

设于该光源出射面的第一光学薄膜，该第一光学薄膜的厚度为d1，且该第一光学薄膜包含多个宽度为a1的第一几何单元，其中所述多个第一几何单元沿第一方向重复排列，且0.2≤d1/a1≤2；以及

覆盖该第一光学薄膜的第二光学薄膜，该第二光学薄膜的厚度为d2，且该第二光学薄膜包含多个宽度为a2的第二几何单元，其中所述多个第二几何单元沿该第一方向重复排列，且0.2≤d2/a2≤2。

2、如权利要求1所述的偏振光发射元件，其中，该第一几何单元的宽度a1等于该第二几何单元的宽度a2。

3、如权利要求1所述的偏振光发射元件，还包含n层该第一光学薄膜与m层该第二光学薄膜，依序堆叠于该光源上，其中n、m为大于或等于4的整数。

4、如权利要求3所述的偏振光发射元件，其中，n或m的最佳值为15。

5、如权利要求1所述的偏振光发射元件，其中，该第一光学薄膜或该第二光学薄膜的折射率大于2。

6、如权利要求1所述的偏振光发射元件，还包含位于该光源与该第一光学薄膜间的封装结构。

7、如权利要求6所述的偏振光发射元件，其中，该封装结构的折射率与该第一光学薄膜的折射率间的差值小于1。

8、如权利要求6所述的偏振光发射元件，其中，该封装结构的折射率与该光源的折射率间的差值小于1。

9、一种液晶显示器，包含：

液晶面板；

设于该液晶面板一侧的上偏光片；以及

设于该液晶面板另一侧的背光模块，该背光模块包含：

多个偏振发光，且各个该偏振光发射元件包含：

光源；

设于该光源层出射面的第一光学薄膜，该第一光学薄膜的厚度为d1，且该第一光学薄膜包含多个宽度为a1的第一几何单元，其中所述多个第一几何单元沿第一方向重复排列，且0.2≤d1/a1≤2；以及

覆盖该第一光学薄膜的第二光学薄膜，该第二光学薄膜的厚度为d2，且该第二光学薄膜包含多个宽度为a2的第二几何单元，其中所述多个第二几何单元沿该第一方向重复排列，且0.2≤d2/a2≤2。

10、如权利要求9所述的液晶显示器，其中，该光源可为红色、绿色、蓝色或白色光源。

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