专利名称：偏振分离膜和使用该偏振分离膜的显示装置的照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及偏振分离膜和使用该偏振分离膜的显示装置的照明装置， 更具体地说，涉及只能在从导光板发射的光的特定的偏振方向透射光，和 同时垂直方向引导从导光板发射的光的偏振分离膜，和使用该偏振分离膜 的显示装置的照明装置。
背景技术：
显示装置分成由发射光形成图像的发射式和由从外部接收光形成图像 的非发射式。例如，液晶显示装置为非发射式的显示装置，因此需要诸如 起分离光源作用的背光一类的照明装置。然而，通常的液晶显示装置使用
从光源发射的大约5%的总光量形成图像。这种低的光利用效率是由吸收式 偏振板产生的光吸收和在液晶显示装置中使用的滤色器造成的。特别是， 由于吸收式偏振板配置在液晶显示装置的两个表面上，该吸收式偏振板吸 收大约50%的非偏振的入射光，因此，这种配置是液晶显示装置的光利用 效率低的主要原因。
为了改善液晶显示装置的光利用效率，提出了一种照明装置，该装置 只提供偏振方向与配置在液晶显示装置的后表面上的后偏振板的偏振方向 相同的光。
图1表示显示装置的通常的照明装置的结构。参见图l可看出，该通 常的照明装置10包括一个楔形式的楔式导光板11。该导光板具有倾斜的下 表面，配置在该楔式导光板11的侧面上的光源12,面向该导光板11的上 表面的偏振分离膜13,配置在该导光板11的倾斜的下表面上的偏振改变部 件15,和面向该偏振分离膜13的上表面的垂直的光发射部件14。
在如上述构造的通常的照明装置10中，从光源12发射的光入射在导 光板11的入射表面lla上，并前进进入导光板11中。光被该导光板11的 上表面和下表面全反射，并向着该导光板11的末端部分llb前进。这样，
由于折射率与导光板11的折射率不同的许多微小颗粒(没有示出)分布在该 导光板ll上，因此一部分光被折射，通过该导光板11的上表面出射。通过 该导光板11的上表面出射的光入射在偏振分离膜13上。从该偏振分离膜
13出来的反射光再次入射在该导光板11上，并被在该导光板11的下表面 上的偏振改变部件15反射，使得偏振方向改变为垂直方向。结果，被该偏 振改变部件15反射的光行进至该偏振分离膜13。
这样，根据图1所示的通常的照明装置10,从光源12发射的光几乎不 损失，并改变为在特定方向偏振的光，以提供给显示装置。
然而，如图2的图形所示，对于图1所示的显示装置的通常的照明装 置10,大部分出射的光在倾斜方向前进。详细地说，图2所示的出射光的 角度分布表示，出射光的最大亮度位于大约-75。附近，并且大部分出射光 的仰角为-50°或更大。在该图形中，0°表示与该导光板11的上表面垂直 的方向，"+"号表示出射光的行进方向接近该导光板11中的光源12,"-" 号表示出射光的行进方向离该导光板11中的光源12远。这样，在通常的 照明装置10中，大部分出射的光在图中的右方向前进。为了克服这个缺点， 如图1所示，该偏振分离膜13的上表面上另外再配置具有颠倒的棱镜形状 的垂直的光发射部件14。
另外，在显示装置的通常的照明装置10中， 一般使用反射式的偏振板 或诸如双重亮度增强薄膜一类的多层薄膜作为通常的偏振分离膜。然而， 由于该通常的偏振分离膜是利用沉积堆积和拉长数百个聚合物层或通过真 空沉积形成涂布成多层薄膜的薄膜制造的，这种制造过程复杂和成本高。 因此，图1所示的通常的照明装置IO制造成本高，并且光利用效率有限制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了可以利用简单的结构和低的成本同 时进行偏振分离功能和垂直的光发射功能的偏振分离膜。
本发明提供了使用该偏振分离膜的、光利用效率改善的显示装置的照 明装置。
根据本发明的 一个方面，偏振分离膜包括折射率关于具有互相垂直的 第一和第二偏振分量的光相同的各向同性层；在该各向同性层的上表面上
形成，并且折射率关于该互相垂直的第一和第二偏振分量不同的各向异性
层；在该各向同性层的下表面上形成，以改变入射光的光学路径的第一微 型图形；和在该各向同性层和该各向异性层之间的界面上形成的，用以全 反射具有第一偏振分量的光和透射具有第二偏振分量的光的第二微型图 形。
关于具有第一偏振分量的光，该各向异性层的折射率比该各向同性层 的折射率大；而关于具有第二偏振分量的光，该各向异性层的折射率与该 各向同性层的折射率相同。
该第 一和第二微型图形为多个微型棱镜阵列。 第一微型图形的棱镜的顶角比第二微型图形的棱镜的顶角大。 根据本发明的另 一个方面，显示装置的照明装置包括发射光的光源； 具有从该光源发射的光入射在其上的入射表面，面向该入射表面的相反表 面，和光从它输出的上表面的导光板；和上述的面向该导光板的上表面配 置的偏振分离膜。
该导光板为具有倾斜的下表面的楔式，使得该导光板的厚度从该入射 表面向着该相反表面减小。
在该导光板的上表面上形成散射图形。
该导光板为折射率关于具有互相垂直的第一和第二偏振分量的光相同 的各向同性的导光板。
一个偏振改变件配置在该导光板的下表面上。 该偏振改变件为1/4波片。
该偏振改变件由各向异性的聚合物薄膜或光固化的液晶聚合物层构成。
本发明的上述和其他特点与优点通过参照附图进行的示例性实施例的
详细说明将更清楚。其中
图1表示使用偏振分离膜的显示装置的通常的照明装置的结构；
图2为表示从图1所示的通常的照明装置的楔式导光板输出的光的角
度分布的图形；
图3表示根据本发明的一个实施例的偏振分离膜的结构，和根据本发 明的一个实施例的，使用该偏振分离膜的显示装置的照明装置；
图4详细表示根据本发明的一个实施例的，入射在图3所示的偏振分 离膜上的P-偏振光的前进路径；
图5详细表示根据本发明的一个实施例，入射在图3所示的偏振分离 膜上的S-偏振光的前进路径；和
图6表示根据本发明的另一个实施例的偏振分离膜和使用该偏振分离 膜的显示装置的照明装置的结构。
具体实施例方式
图3表示根据本发明的一个实施例的偏振分离膜30的结构和根据本发 明的 一个实施例的使用该偏振分离膜30的显示装置的照明装置20。参见图 3可看出，显示装置的照明装置20包括发射光的光源22;具有从该光源22 发射的光入射在其上的入射表面21a和面向该入射表面21a的相反的表面 21b和光从它出射的上表面21c的导光板21;和面向该导光板21的上表面 21c配置的偏振分离膜30。
根据本发明，该导光板21为楔式的导光板，并且下表面21d倾斜，使 该导光板21的厚度从该入射表面21a向着该相反表面21b减小。在本实施 例中，从光源22发射，并通过入射表面21a输入至该导光板21中的光在该 上和下表面21c和21d上被全反射，并向着该导光板21的相反表面21b前 进。由于该导光板21的下表面21d为倾斜表面，由该下表面21d全反射的 光的一部分不满足全反射条件，并可以通过该导光板21的上表面21c输出。 为了帮助光输出，如在通常的技术中那样，在该导光板21的内部分布许多 折射率与该导光板21的折射率不同的微小颗粒(没有示出)。另外，如图3 中的粗线所示，在该导光板21的上表面21c上形成微细的散射图形23。该 散射图形23帮助入射在该导光板21的上表面21c上的一部分光出射至外 部。另外，如后所述，该散射图形23使通过该导光板21的上表面21c从外 部输入该导光板21中的光散射，将偏振光改变成非偏振光。该导光板21 可由折射率关于二个互相垂直的偏振分量的光相同的各向同性的材料制 成。例如，可以使用诸如聚曱基丙烯酸曱酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)—类的 光透射率特性高的材料制造该导光板21。
可以使用例如发光二极管(LED)或激光二极管(LD)—类的点光源或者 例如冷阴极萤光灯(CCFL)—类的线性光源作为光源22 。
如图3所示，根据本实施例的偏振分离膜30包括折射率关于二个互相 垂直的偏振分量的光相同的各向同性层31;和在该各向同性层31的上表面 上形成的，折射率关于互相垂直的二个偏振分量的光不同的各向异性层33。 例如，当非偏振光具有图中用—"表示的P-偏振分量和图中用"〇" 表示的S-偏振分量时，各向异性层33关于S-偏振光的折射率比各向同性层 31的折射率大，并且各向异性层33关于P-偏振光的折射率与各向同性层 31的折射率基本上相同。相反，可以使用关于P-偏振光的折射率比各向同 性层31的折射率大，和关于S-偏振光的折射率与各向同性层31的折射率 基本上相同的材料制造各向异性层33。相同的折射率并不意味着折射率的 值精确地相同。即使折射率稍微有差别，但只要该折射率对光的前进路径 没有实际的影响，则该折射率是可以接受的。
在图中，为了说明方便，该偏振分离膜30的厚度被夸大了。实际上， 该各向同性层31和各向异性层33可用薄至50 100jum的薄膜形成。例如， 对于各向异性层33可以使用通过拉长聚合物材料制成的诸如聚萘二曱酸乙 二醇酯(PEN)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)—类的聚合物材料或利用光固 化向列液晶形成的液晶聚合物。另外，对于各向异性层33还可以使用通过 拉长聚合物材料制成的例如间同聚苯乙烯(PS)—类的另 一种聚合物材料或 由光固化discolic液晶制成的液晶聚合物。对于各向同性层31,可以使用与 导光板21使用材料相同的，光透射率高的，例如聚曱基丙烯酸曱酯(PMMA) 或聚碳酸酯(PC)—类的聚合物材料，或可由紫外(UV)线固化的光固化树脂。
在各向同性层31的下表面上，面向导光板21的上表面21c形成用于 改变入射光的光学路径的第一微型图形32。在该各向同性层31和各向异性 层33之间的界面上形成用于分离具有二个垂直的偏振分量，例如P-偏振光 和S-偏振光的光的第二微型图形34。例如，该第一和第二微型图形32和 34可用颠倒三角形形状的微型棱镜组形成。该微型图形32和34可通过压 花方法即利用在其上预先形成微型图形的印模压紧该偏振分离膜30和紫外 线硬化该压紧的偏振分离膜30的方法，容易和简单地制造。
在根据本实施例的上述偏振分离膜30和照明装置20的工作中，首先， 从光源22发射的光入射在导光板21的入射表面21a上，并前进进入该导光 板21中。光在该导光板21的上表面21c和下表面21d上4皮全反射，并向着 该导光板21的相反表面21b前进。如上所述，由于该导光板21的下表面 21d倾斜，使该导光板21的厚度向着该相反表面21b逐渐地减小，由该下 表面21d全反射的光的一部分不满足全反射的条件，并可通过该导光板21 的上表面21c出射。另夕卜，利用分布在该导光板21上的微细颗粒(没有示出) 和在该导光板21的上表面上形成的散射图形23的帮助，光可以容易地通 过该导光板21的上表面出射。如上对通常的技术所述，通过该导光板21 的上表面发射的光的大部分具有大约50°或更大的仰角。特别是，从该导 光板21的上表面出射的光的大部分在大约75°的仰角处具有峰值。
从导光板21发射的光，通过该各向同性层31的第一微型图形32进入 该各向同性层31中。在这个过程中，由于该各向同性层31的第一微型图 形32的影响，光的光学路径改变成更加垂直。然后，光通过第二微型图形 34进入各向异性层33中，并入射在该各向同性层31和各向异性层33之间 的倒三角形形状的界面上。在这个点上的光为具有S偏振分量和P偏振分 量的非偏振光。该各向异性层33的折射率关于S-偏振分量和P-偏振分量不 同。例如，该各向异性层33关于S-偏振光的折射率比该各向同性层31的 折射率大，而该各向异性层33关于P-偏振光的折射率与该各向同性层31 的折射率基本上相同。在这种情况下，如图3所示，S-偏振光被第二微型图 形34的倾斜表面全反射，并在几乎垂直的方向从偏振分离膜30出射。相 反，P偏振光不改变地前进，并在该各向异性层33的上表面和外界空气之 间的界面上被全反射，输入该导光板21中。在这个过程中，P-偏振光被在 该导光板21的上表面21c上的散射图形23改变为非偏振光。然后，在非偏 振光中的光重复上述过程，并最后变成S-偏振光，使得光可在垂直方向通 过该偏振分离膜30的上表面输出。
图4详细地表示根据本发明的一个实施例的入射在图3所示的偏振分 离膜30上的P-偏振光的前进路径。假设该各向异性层33关于P-偏振光的 折射率与该各向同性层31的折射率相同。在这种情况下，根据P-偏振光， 该各向同性层31和各向异性层33为相同的介质。这样，在图4中，该各 向同性层31和各向异性层33之间的界面用虚线表示。
首先，如图4所示，通过导光板21的上表面输出的P-偏振光，通过在 第一微型图形32侧上的倾斜表面32a进入该各向同性层31中。在这个过程 中，P-偏振光在垂直方向稍孩i被折射。然后，该P-偏振光不折射地通过该 各向同性层31和各向异性层33之间的界面，并倾斜地入射在该各向异性
层33的上表面和外界空气之间的界面33a上。假设，该各向同性层31和各 向异性层33关于该P-偏振光的折射率都为大约1.6,并且在该各向同性层 31的下表面上形成的第一微型图形32为具有顶角a!大约为145°的倒三 角形形状的微型棱镜组。在本实施例中，当从导光板21输出的P-偏振光的 仰角6 ,大约为55~90°时，入射在该各向异性层33的上表面和外界空气之 间的界面33a上的P偏振光的入射角6 2大约为39.9-54.1° 。然后，由于满 足全反射条件，该P-偏振光在该各向异性层33的上表面和外界空气之间的 界面上^皮全反射。这样，该P-偏振光不通过该偏l展分离膜30,并向后前进 至导光板21。
图5详细表示根据本发明的一个实施例，入射在图3所示的偏振分离 膜30上的S-偏振光的前进路径。假设，该各向异性层33关于该S-偏振光 的折射率比该各向同性层31的折射率大。在这种情况下，按照该S-偏振光， 该各向同性层31和各向异性层33为不同的介质。
首先，如图5所示，以与P-偏振光的仰角相同的大约55 90°的仰角 6"通过导光板21的上表面输出的S-偏振光，在第一微型图形32 —侧上， 通过倾斜表面32a进入该各向同性层31中。在这个过程中，S-偏振光在垂 直方向被稍微折射。然后，该S-偏振光在该各向同性层31和各向异性层33 之间的界面上形成的第二微型图形34—侧上，通过表面34a进入该各向异 性层33中。在这个阶段中，该S-偏振光在垂直方向再次被稍微折射，然后 倾斜地入射在第二微型图形34的倾斜表面34b上。假设，该各向异性层33 关于S-偏振光的折射率大约为1.84,而该各向同性层31的折射率为大约 1.6。另外，假设该各向同性层31的第一微型图形32为顶角ai大约为145 °的倒三角形形状的微型棱镜组。还假设，该第二微型图形34为顶角cc2 大约为52°的倒三角形形状的微型棱镜组。在本实施例中，大多数S-偏振 光以大约60 70°的入射角63入射在第二微型图形34的倾斜表面34b上。 这样，该S-偏振光在该第二微型图形34的倾斜表面34b上被全反射，并以 接近直角的角度从该偏振分离膜30输出。
这样，对于根据本实施例的偏振分离膜30,不需要将光学路径改变为 垂直方向的附加部件。 一部分S-偏振光不入射在第二微型图形34的倾斜表 面34b上，并可以入射在该各向异性层33的上表面和外界空气之间的界面 33a上。在本实施例中，如同P-偏振光一样，S-偏4展光^皮该各向异性层33
的上表面和外界空气之间的界面33a全反射，并再次进入导入板21中。这 样，光几乎不会以一个角度从偏振分离膜30输出。
在参照图4和图5所示的例子中，第一微型图形32的棱镜的顶角a, 和第二微型图形34的棱镜的顶角a 2可根据各向同性层31和各向异性层33 的折射率变化。然而，为了使S-偏振光被第二微型图形34的倾斜表面34b 全反射，第一微型图形32的棱镜顶角a,必需比第二微型图形34的棱镜的 顶角0C2大。另外，在图4和图5中，为了输入进导光板21中，P偏振光完 全被反射，并且S偏振光从偏振分离膜30输出至外部。然而，当各向异性 层33关于P偏振光的折射率比各向同性层31的折射率大，和关于P-偏振 光的折射率与各向同性层31的折射率相同时，S-偏振光完全被反射进入导 光板21中，并且P-偏振光可从偏振分离膜30输出至外部。
图6表示根据本发明的另 一实施例的显示装置的照明装置20，的结构。 与图3的照明装置20比较，差别为在图7所示的照明装置20，中，在导光 板21的下表面21d上还另外配置一个偏振改变件24。对于图3的照明装置 20,被偏振分离膜30全反射的P-偏振光或S-偏振光，通过在导光板21的 上表面21c上形成的散射图形23改变为非偏振光。然而，由于被该散射图 形23改变为非偏振状态的光量较小，相当大量的光仍保留在偏振状态。这 样，通过在导光板21的下表面21d上固定该偏振改变件24,可以有效地改 变被该导光板21的下表面21d反射的光的偏振方向。作为该偏振改变件24 可以使用1/4波片。然而，除了 1/4波片以外，可以使用拉长的各向异性聚 合物薄膜或光固化的液晶聚合物作为该偏振改变件24。例如，当使用折射 率轴线转动45。的各向异性聚合物薄膜作为偏振改变件24,并配置在导光 板21的下表面21d上时，被导光板21的下表面21d反射的P-偏振光或S-偏振光可以改变为椭圆偏振光或圓形偏振光。
根据本发明可以利用简单的结构同时实行偏振分离功能和垂直光发射 功能。这样，当使用根据本发明的照明装置时，可大大提高显示装置的光 利用效率。
另外，由于根据本发明的偏振分离膜可以使用压印方法或紫外线固化 方法的较筒单方法制造，因此与通常的技术比较，可以很低的成本制造该 偏振分离膜。
权利要求
1.一种偏振分离膜，包括具有关于互相垂直的第一和第二偏振分量的光相同的折射率的各向同性层；在该各向同性层的上表面上形成，并且具有关于互相垂直的第一和第二偏振分量的光不同的折射率的各向异性层；在该各向同性层的下表面上形成的，以改变入射光的光学路径的第一微型图形；和在该各向同性层和各向异性层之间的界面上形成的，全反射具有第一偏振分量的光，并透射具有第二偏振分量的光的第二微型图形。
2. 如权利要求1所述的偏振分离膜，其特征为，关于具有第一偏振分 量的光，该各向异性层的折射率比该各向同性层的折射率大，并且关于具 有第二偏振分量的光，该各向异性层的折射率与该各向同性层的折射率相同。
3. 如权利要求1所述的偏振分离膜，其特征为，该第一和第二微型图 形为多个微型棱镜的阵列。
4. 如权利要求3所述的偏振分离膜，其特征为，该第一微型图形的每 一个微形棱镜的顶角比第二微型图形的每一个微型棱镜的顶角大。
5. —种显示装置的照明装置，该照明装置包括 发射光的光源；具有从该光源发射的光入射在其上的入射表面，面向该导光板的入射 表面配置的相反表面和光从其输出的上表面的导光板；和 面向该导光板的上表面配置的偏振分离膜； 其中，该偏振分离膜包括具有关于互相垂直的第一和第二偏振分量的光相同的折射率的各向同 性层；在该各向同性层的上表面上形成的，并且具有关于互相垂直的第一和 第二偏振分量的光不同的折射率的各向异性层；在该各向同性层的下表面上形成，用以改变入射光的光学路径的第一 微型图形；和 在该各向同性层和各向异性层之间的界面上形成，用以全反射具有第 一偏振分量的光和透射具有第二偏振分量的光的第二微型图形。
6. 如权利要求5所述的照明装置，其特征为，该各向异性层关于具有 第一偏振分量的光的折射率，比该各向同性层的折射率大；和该各向异性 层关于具有第二偏振分量的光的折射率与该各向同性层的折射率相同。
7. 如权利要求5所述的照明装置，其特征为，该第一和第二微型图形 为多个微型棱镜的阵列。
8. 如权利要求7所述的照明装置，其特征为，该第一微型图形的每一 个微形棱镜的顶角比第二微型图形的每一个微型棱镜的顶角大。
9. 如权利要求5所述的照明装置，其特征为，该导光板是楔式，具有 倾斜的下表面，使得该导光板的厚度从该导光板的入射表面向着该导光板 的相反的表面减小。
10. 如权利要求5所述的照明装置，其特征为，在该导光板的上表面上 形成散射图形。
11. 如权利要求5所述的照明装置，其特征为，该导光板为关于互相垂 直的第 一和第二偏振分量的光具有相同折射率的各向同性的导光板。
12. 如权利要求5所述的照明装置，其特征为，在该导光板的下表面上 配置偏振改变件。
13. 如权利要求12所述的照明装置，其特征为，该偏振改变件为1/4 波片。
14. 如权利要求12所述的照明装置，其特征为，该偏振改变件由各向 异性的聚合物薄膜或光固化的液晶聚合物层形成。
全文摘要
偏振分离膜包括具有关于互相垂直的第一和第二偏振分量的光相同的折射率的各向同性层；在该各向同性层的上表面上形成，并且具有关于互相垂直的第一和第二偏振分量的光不同的折射率的各向异性层；在该各向同性层的下表面上形成，用以改变入射光的光学路径的第一微型图形；和在该各向同性层和各向异性层之间的界面上形成，用以全反射具有第一偏振分量的光和透射具有第二偏振分量的光的第二微型图形。
文档编号G02B5/30GK101173995SQ20071010811
公开日2008年5月7日 申请日期2007年5月30日 优先权日2006年11月1日
发明者南升浩, 魏东镐, 黄圣模 申请人:三星电子株式会社