CN100437285C - 增亮模块与包括该增亮模块的光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增亮模块，其包含一微结构光学调制组件与一偏光组件；该微结构光学调制组件具有第一光学面与可接收入射光的第二光学面，该偏光组件面对该第二光学面；其中，该微结构光学调制组件还包含一扩散部与一集光部；该扩散部由可透光材料所制成且可扩散入射光，该集光部由可透光材料所制成且可集中入射光，该扩散部与该集光部彼此并列抵靠且位于该第一光学面上。

Description

增亮模块与包括该增亮模块的光源装置

技术领域

本发明涉及一种增亮模块与光源装置，尤其涉及可将扩散组件与集光组件设置于同一膜层，并可进行强化偏光的一种增亮模块与使用该增亮模块的光源装置。

背景技术

目前显示装置的背光模块中，主要是利用增光片(菱镜片)(BEF)以及反射偏光片(DBEF或CBEF)搭配使用来达到光线集中的目的，菱镜结构在光学效果上具有良好的集光特性(缩小发散光源的发散角度)，但是容易让角度较小的光线产生全反射，降低光线的使用效率，所以在某些对辉度要求较高的显示装置上，为了提高辉度以及增加光线利用效率，会使用反射偏光片(DBEF或CBEF)来再次利用光线达到目的，但目前此两种相关组件的来源几乎都由3M公司所掌握，因此虽然台湾显示器产业蓬勃发展，但显示器产业的关键零组件长期受至于外商，导致利润低落；此外，背光模块架构使用的膜片数多，相对造成模块光学效率降低、模块成本高、组装优良率受限等缺点。

请参见图1A，美国专利案第US6,091,547号的辉度控制薄膜(LuminanceControl Film)是利用贴合两片菱形结构10与12来达到控制光、导引光的效果，使得光线集中，增加正向光线的辉度；虽然此结构可有效地集中光线，然而却无法达到扩散的目的。

再请参照图1B，日本专利案第JP2001324608号的散光片(Light-DiffusingSheet)公开了一透明基板14上分布不同粒径大小的树脂颗粒16并以黏着树脂18固定之，使得光线通过该透明基板14后会产生杂乱的散射来达到光扩散的目的；但由于加入这些微小颗粒会使得扩散片的光使用效率降低，而且单纯为扩散所用，无法达到集中的目的。

3M公司的美国专利案第6104536、第6208466、第6219121、第6268961以及第6576887号，该等专利案的偏极(polarizing)运作原理如图2A所示，其中该增亮薄膜220是由一极化片(polarizer)221(例如：p方向)与一复合材料222(约800层)所组成，当一线性非偏极光223入射并接触到该极化片221后，与该极化片221极化方向相同的一极化分量223a(即p方向)会直接通过该极化片221，而当该复合材料222的厚度调整为该非偏极光223的约1/4波长时，与该极化分量223a正交的另一极化分量223b(即s方向)则被反射，该反射的极化分量223b又会被一散射层222a反射而呈重新分布状态(即，成为含有p方向极化分量224a与s方向极化分量224b的一非偏极化光224)，而该p方向极化分量224a便可通过该极化片221，而s方向极化分量224b再度被反射且遇到该散射层222a后又被重新分配...如此不断反复；因此，此结构理论上可达到100％的入射光极化。

另一相关专利为日东电工公司的美国专利案第6016177、第6088079、第6339501、第6342934以及第6433853号，该等专利案的偏极动作原理如图2B所示，其中该增亮薄膜230是由一极化片231(例如：p方向)、一1/4波长片232与一胆固醇液晶233所组成，当一圆形非偏极光234入射后，该胆固醇液晶233仅会允许一个方向(例如左旋)的偏极分量通过，并由该1/4波长片232将其转换成线型偏极光234a再由该极化片231通过，而另一个正交方向(右旋)的偏极分量234b则会反射，该反射的偏极分量234b又会被一散射层233a反射而呈重新分布状态(即成为含有左旋偏极分量235a与右旋偏极分量235b的一圆形极化光235)，而该左旋偏极分量235a经过该1/4波长片232转换后便可通过该极化片231，而右旋偏极分量235b再度被反射且遇到该散射层233a后又被重新分配...如此不断反复；类似于图2A，此结构理论上亦可达成100％的入射光极化。

结合上述现有技术的增光片与偏光片的技术如同3M公司的美国专利案第6025897号的具有反射式偏光片与随机排列腔体的显示器(Display withreflective polarizer and randomizing cavity)，其剖面图绘示如图3。于图3中，揭示一搭配有增光片(BEF，Brightness Enhancement Films)与反射式偏光增亮膜(DBEF，Dual Brightness Enhancement Film)的显示器，其中该显示器是由一平面光源30、一增亮模块32以及一显示模块34所构成；该增亮模块32是由一增光片320与一反射式增光片322所组成。

首先，该平面光源30发出光线300(a、b、c、d)，经由反射式增光片322的作用后，会让特定方向的偏极光302a通过，其余反射为偏极光304(b、c、d)，该偏极光304(b、c、d)经一反射面310反射后，会重新分布成光线306(a、b、c、d)，该反射式增光片322再让特定方向的偏极光308a通过，如此反复作用以达到增加辉度的目的。在此种架构中所用到的增光片320一般来说为菱形结构，然而，使用菱镜结构虽然可以将光线集中，缩小角度，但是却容易使得原本角度就较小的光线产生全反射，降低光线的使用效率。

因此，所需要的是一种增亮模块，其可克服现有技术的缺点，本发明可满足此需求。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种增亮模块与包括该增亮模块的光源装置，是利用微结构的方式达到集光与扩散的复合式光学效果，以达到有效提高光效率的目的。

本发明的次要目的是提供一种增亮模块与包括该增亮模块的光源装置，是透过微结构滚筒的制作并利用滚压生产一次成形来达到降低生产成本的目的。

本发明的另一目的是提供一种增亮模块与包括该增亮模块的光源装置，是结合利用微结构所完成的复合功能光学调制组件与反射式极化片，以达到简化背光模块中膜片的使用量以及提高光线使用效率的目的。

为达上述目的，本发明提供一种增亮模块与包括该增亮模块的光源装置，其包含一微结构光学调制组件与一偏光组件；该微结构光学调制组件具有第一光学面与可接收入射光的第二光学面，该偏光组件面对该第二光学面；其中该微结构光学调制组件还包含：

一扩散部，由可透光材料所制成且可扩散入射光；以及

一集光部，由可透光材料所制成且可集中入射光，该扩散部与该集光部彼此并列抵靠且位于该第一光学面上。

为达上述目的，本发明还提供一种包括该增亮模块的光源装置，其包含：

一反射片；

一导光板，其位于该反射片之上；

至少一光源，其位于该导光板四周且可发射一入射光；

一增亮模块，其位于该导光板之上且包含至少一微结构光学调制组件以及一偏光组件，该至少一微结构(micro structure)光学调制组件具有第一光学面与可接收入射光的第二光学面，该偏光组件面对该第二光学面；其中该至少一微结构光学调制组件还包含：

一扩散部，由可透光材料所制成且可扩散入射光；以及

一集光部，由可透光材料所制成且可集中入射光，该扩散部与该集光部是彼此并列抵靠且位于该第一光学面上。

较佳地，该扩散部包含具有一结构深度的至少一曲面形曲面形单元单元。

较佳地，该曲面形线状单元深度是在10微米～500微米的范围内。

较佳地，该集光部包含具有一顶角的至少一菱形单元。

较佳地，该顶角是在30度～140度的范围内。

较佳地，该第二光学面为平滑光学表面。

较佳地，该第二光学面为粗糙光学表面。

较佳地，该微结构光学调制组件为于塑料基板上涂布一层紫外光固化材料，然后由微结构模具滚压成形，接着以紫外光照射固化。

较佳地，该偏光组件为一反射式偏光片。

较佳地，该反射式偏光片所透射及反射的光线的极化方向不同。

较佳地，该反射式偏光片所透射及反射的光线皆为线性偏极光。

较佳地，该偏光组件为数个等间距排列的光栅单元，该光栅单元具有一线宽以及一线高。

较佳地，该线宽大于0纳米且小于200纳米。

较佳地，该线高大于50纳米且小于500纳米。

较佳地，该“线宽”除以“线宽加间距”的值为5％～95％。

较佳地，该光栅单元是由金属所制成。

较佳地，该金属为铝或银。

较佳地，该光源装置包含两微结构光学调制组件，该等微结构光学调制组件彼此重叠且呈小于90度的交角。

较佳地，该第二光学面为与基板一体成形的粗糙面。

较佳地，该第二光学面为于基板上涂布一层粗糙面而成。

为对于本发明的结构、功效及其方法有更进一步的了解与认同，兹配合附图详细说明如后。

附图说明

图1A为一先前技术的示意图；

图1B为另一先前技术的示意图；

图2A为一现有技术光偏极转换模块的示意图；

图2B为另一现有技术光偏极转换模块的示意图；

图3为结合现有技术增光片与偏光片的显示模块的示意图；

图4A为菱形透镜的光学特性示意图；

图4B为曲面形线状的光学特性示意图；

图4C为本发明中的微结构光学调制组件的横剖面图；

图5为本发明中的微结构光学调制组件的加工示意图；

图6A为本发明中的微结构光学调制组件的一变化实施例的示意图；

图6B为本发明中的微结构光学调制组件的另一变化实施例的示意图；

图7A为本发明增亮模块应用于光源装置时的横剖面示意图；

图7B为本发明增亮模块应用于光源装置时的横剖面示意图，其显示另一实施例；

图8为使用两片微结构光学调制组件的堆栈示意图；

图9为具有次波长结构的偏光组件的示意图；

图10为本发明中的微结构光学调制组件的横剖面图，其显示另一实施例；以及

图11为本发明中的微结构光学调制组件的横剖面图，其显示又一实施例。

附图标号说明：7-光源装置；10-菱形结构；12-菱形结构；14-透明基板；16-树脂颗粒；18-黏着树脂；30-平面光源；32-增亮模块；34-显示模块；40-微结构光学调制组件；42-第一光学面；44-第二光学面；46-菱形单元；48-曲面形线状单元；50-塑料基板；52-紫外光固化材料；54-微结构模具；56-滚筒；60-最小单元；62-最小单元；70-光源；72-反射片；74-导光板；76-增亮模块；90-偏光组件；92-光线；92a-偏极光；92b-偏极光；220-增亮薄膜；221-极化片；222-复合材料；222a-散射层；223-线性非偏极光；223a-极化分量光；223b-极化分量光；224-非偏极化光；224a-极化分量；224b-极化分量；230-增亮薄膜；231-极化片；232-1/4波长片；233-胆固醇液晶；233a-散射层；234-圆形非偏极光；234a-线性偏极光；234b-偏极分量；235-圆形极化光；235a-左旋偏极分量；235b-右旋偏极分量；300a-光线；300b-光线；300c-光线；300d-光线；302a-偏极光；304b-偏极光；304c-偏极光；304d-偏极光；306a-光线；306b-光线；306c-光线；306d-光线；308a-偏极光；310-反射面；320-增光片；322-反射式增光片；430-菱镜；432-入射光；434-透镜；436a-入射光；436b-入射光；436c-入射光；436d-入射光；438-汇聚区；440-粒子；700-入射光；760-偏光组件；762-微结构光学调制组件；764-微结构光学调制组件；800-入射光；900-光栅单元；a-顶角；b-曲面形线状单元结构深度；c-线宽；d-线高；e-间距；θ-角度；α-夹角。

具体实施方式

以下将参照随附的附图来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而以下附图所列举的实施例仅为辅助说明，以利了解，但本发明的技术手段并不限于所列举附图。

请参见图4A，菱形结构在光学效果上具有良好的集光特性(缩小发散光源的发散角度)；根据司乃尔定律(Snell’s Law)，当入射光432射入菱镜430后，如果角度θ大于全反射临界角，则入射光432会在该菱镜430内被全反射(图4A中虚线箭头)，如果角度θ小于全反射临界角，则入射光432在射出该菱镜430后(图4A中实线箭头)会再次偏离法线(图4A中虚线)，因而达到集光效果。

而曲面形线状结构在光学效果上则因曲面特性而可表现出有效范围的扩散性质，如图4B所示，当入射光436a、当离轴的入射光436b、入射光436c以及入射光436d射入透镜434后，会先汇聚于汇聚区438然后再发散；利用此特性可达到大入射角度光线的出光角收敛与均匀化(模糊化)的目的。

本发明所提出的增亮模块对光源具有扩散与集光的复合效果，此增亮模块表面主要由具有上述两种几何特征的微结构所组成，意即由菱形结构与曲面形线状结构所组成。因此，透过这两种结构的堆栈组合，将可对光源产生集光与扩散的双重效果。

请参见图4C，其为本发明增亮模块中的微结构光学调制组件的横剖面图。微结构光学调制组件40具有第一光学面42与第二光学面44，该第二光学面44用于接收入射光(未图示)，该第一光学面42上交错排列一菱形单元46与一曲面形线状单元48，该菱形单元46用于集中光线，意即为集光部，该曲面形线状单元48则用于扩散光线，意即为扩散部，该菱形单元46具有一顶角a，该曲面形线状单元48具有一结构深度b，借由适当选择该顶角a、该曲面形线状单元结构深度b及该光学组件40的组成材料，例如透光的丙烯酸(arcylic)系材料或紫外线硬化树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(PC)、环烯烃聚合物(COC；cyclic olefincopolymers)或高分子透明树脂(Arton)所制成，(如，选择折射率)，吾人可依产品的不同需要来调整该微结构光学调制组件40所表现出的集光度与扩散度的强弱比例。

图5为上述微结构光学调制组件的加工示意图。当欲制作该微结构光学调制组件时，先于塑料基板50上涂布一层紫外光固化材料52，然后以装设有微结构模具54的滚筒56滚压过该紫外光固化材料52，即可在该紫外光固化材料52上形成所需图样，然后以紫外光(未图示)照射该紫外光固化材料52使其固化，即可得到该微结构光学调制组件。

当然，本发明中的微结构光学调制组件非仅局限于一曲面形线状单元之上搭配一个菱形单元，而亦可有多种搭配变化。如图6A及图6B所示，该微结构光学调制组件的最小单元60可为一个菱形单元搭配四个曲面形线状单元；或是该微结构光学调制组件的最小单元62可为两个菱形单元搭配三个曲面形线状单元，该等变化是完全依照使用者依实际需要状况来进行设定，于此不再赘述。

图7A为本发明增亮模块应用于光源装置时的横剖面示意图。于图7A中，光源装置7包含一光源70、一反射片72、一导光板74，以及一增亮模块76，该增亮模块76是由一偏光组件760与一微结构光学调制组件762所组成；该光源70位于该导光板74四周且可发射一入射光700，该导光板74位于该反射片72之上，该增亮模块76位于该导光板74之上；如此，该入射光700先被该偏光组件760进行极化后，再于单一方向上(水平或垂直)被该微结构光学调制组件762进行集中与扩散的双重效果(例如为了提高显示器的水平可视度或垂直可视度)，使得该光源装置7可提高光效率且具有优异的显示特性。

图7B为本发明增亮模块应用于光源装置时的横剖面示意图，其显示另一实施例。于图7B中，各组成组件均与图7A相同，故不再赘述，其差异之处在于该增亮模块76包含两片微结构光学调制组件762与764，且该微结构光学调制组件762与该微结构光学调制组件764除彼此重叠外并可呈一特殊夹角α，如图8所示；如此，该入射光700可被该微结构光学调制组件762与764在两方向上同时进行集中与扩散的双重效果(例如为了同时提高显示器的水平可视度及垂直可视度)，使得该光源装置7可提高光效率且具有优异的显示特性。

当然，除了可使用现有技术的反射式偏光片来作为偏光组件外，本发明亦可使用数个等间距排列的光栅单元(次波长结构)来作为偏光组件，请参见图9。其中该偏光组件90是由数个以等间距e排列的光栅单元900所组成，该光栅单元900具有一线宽c以及一线高d，该线宽c较佳大于0纳米且小于200纳米，该线高d较佳大于50纳米且小于500纳米；该线宽c除以(该线宽c加该间距e)之值(光栅周期比)较佳为5％～95％。当一光线92接触到该偏光组件90时，偏振方向与该等光栅单元900垂直的偏极光92a能通过，而偏振方向与该等光栅单元900平行的偏极光92b则被反射。因此，此种次波长结构亦能达到线性偏光的效果，故可作为偏光组件来使用。此外，该光栅单元900可由反射性良好的金属材料(例如铝或银等)所制成。

于本发明中，该曲面形线状单元的曲面形线状单元结构深度是在10微米～500微米的范围内，该菱形单元的顶角是在30度～140度的范围内；该第二光学面可为平滑或粗糙的光学表面(为使扩散效果更佳)，当欲将该第二光学面44制作为粗糙表面时，可于该微结构光学调制组件40上涂布不同粒径大小的粒子440或在制造该微结构光学调制组件40时一体成形，如图10及图11所示；当叠置两片微结构光学调制组件时，该等微结构光学调制组件可彼此呈大于0度而不大于90度的特殊夹角。

由上述可知，本发明所提出的增亮模块除可对光源极化外，亦同时具有扩散与集光的复合效果，利用微结构光学调制组件搭配现有技术的偏光组件(3M公司或日东电工的反射式偏光片或是次波长(sub-wavelength)结构的光栅)，该增亮模块可表现出高度可控制性的光学扩散功能，以达到同时取代传统集光片与扩散片的目的，当此种增亮模块应用于背光模块中时，可提高光效率、简化模块架构并降低模块成本，为此技术领域中极具竞争力的产品。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，不能以之限定本发明所实施的范围。即凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明权利要求涵盖的范围内。

Claims (15)

1.一种增亮模块，其特征在于，包含：

一微结构光学调制组件，其具有第一光学面与接收入射光的第二光学面，该微结构光学调制组件还包含：

一扩散部，由可透光材料所制成且可扩散入射光；

一集光部，由可透光材料所制成且可集中入射光，该扩散部与该集光部彼此并列抵靠，且任意交替排布地位于该第一光学面上；以及

一偏光组件，其面对该第二光学面。

2.如权利要求1所述的增亮模块，其特征在于，该扩散部包含具有一结构深度的至少一曲面形线状单元，该曲面形线状单元结构深度是在10微米～500微米的范围内。

3.如权利要求1所述的增亮模块，其特征在于，该集光部包含具有一顶角的至少一菱形单元，该顶角是在30度～140度的范围内。

4.如权利要求1所述的增亮模块，其特征在于，该微结构光学调制组件为于塑料基板上涂布一层紫外光固化材料，然后由微结构模具滚压成形，接着以紫外光照射固化。

5.如权利要求1所述的增亮模块，其特征在于，该偏光组件为一反射式偏光片。

6.如权利要求1所述的增亮模块，其特征在于，该偏光组件为数个等间距排列的光栅单元，该光栅单元具有一线宽以及一线高，该线宽大于0纳米且小于200纳米，该线高大于50纳米且小于500纳米，“线宽”除以“线宽加间距”的值为5％～95％。

7.一种光源装置，其特征在于，包含：

一反射片；

一导光板，其位于该反射片之上；

至少一光源，其位于该导光板四周且可发射一入射光；以及

一增亮模块，其位于该导光板之上，该增亮模块包含：

至少一微结构光学调制组件，其具有第一光学面与接收入射光的第二光学面，该至少一微结构光学调制组件还包含：

一扩散部，由可透光材料所制成且可扩散入射光；

一集光部，由可透光材料所制成且可集中入射光，该扩散部与该集光部彼此并列抵靠，且任意交替排布地位于该第一光学面上；以及

一偏光组件，其面对该第二光学面。

8.如权利要求7所述的光源装置，其特征在于，该扩散部包含具有一结构深度的至少一曲面形线状单元，该曲面形线状单元结构深度是在10微米～500微米的范围内。

9.如权利要求7所述的光源装置，其特征在于，该集光部包含具有一顶角的至少一菱形单元，该顶角是在30度～140度的范围内。

10.如权利要求7所述的光源装置，其于塑料基板上涂布一层紫外光固化材料，然后由微结构模具滚压成形，接着以紫外光照射固化。

11.如权利要求7所述的光源装置，其特征在于，该偏光组件为一反射式偏光片。

12.如权利要求7所述的光源装置，其特征在于，该偏光组件为数个等间距排列的光栅单元，该光栅单元具有一线宽以及一线高，该线宽大于0纳米且小于200纳米，该线高大于50纳米且小于500纳米，“线宽”除以“线宽加间距”的值为5％～95％。

13.如权利要求7所述的光源装置，其特征在于，其包含两微结构光学调制组件，该等微结构光学调制组件彼此重叠且呈小于90度的交角。

14.如权利要求7所述的光源装置，其特征在于，该第二光学面为与基板一体成形的粗糙面。

15.如权利要求7所述的光源装置，其特征在于，该第二光学面为于基板上涂布一层粗糙面。

Images