CN100440001C - 增亮模块与光源装置 - Google Patents

Abstract

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由可透光材料所制成且具有一第一光学面与可接收一入射光的一第二光学面，该偏光组件设于与第二光学面两两相对位置；其中微结构光学调制组件还包含至少一微结构单元，该微结构单元位于第一光学面上且具有可扩散入射光的一第一侧面以及可集中入射光的一第二侧面。

Description

增亮模块与光源装置

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以及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，所以在某些辉度要求较高或电池供电的显示装置上，为了提高辉度、增加光线利用效率以及节省电力，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、组装良率受限等缺点。

请参见图1A，美国专利案第US6,091,547号“辉度控制薄膜(LuminanceControl Film)”利用贴合两片菱形结构10与12来达成控制光、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“散光片(Light-DiffusingSheet)”公开了在一透明基板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，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，这些专利案的偏极原理如图2A所示，其中该增亮薄膜220由一极化片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，此结构理论上可达成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，这些专利案的偏极原理如图2B所示，其中该增亮薄膜230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，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“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)”，其剖面图如图3所示。在图3中，揭示一搭配有增光片(BEF，Brightness Enhancement Films)与反射偏光片(DBEF，Double Brightness Enhancement Films)的显示器，其中该显示器由一平面光源30、一增亮模块32以及一显示模块34所构成；该增亮模块32由一增光片320与一反射式增光片322所组成。

首先，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)，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)，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

本发明的主要目的提供一种增亮模块与光源装置，其利用于单一微结构单元上制作两种不同形状的侧面，以达到集光与扩散的复合式光学效果，以达到有效提升光效率的目的。

本发明的次要目的提供一种增亮模块与光源装置，其通过二次刀工微结构滚筒的制作并利用滚压生产与成形来达到降低生产成本的目的。

本发明的另一目的提供一种增亮模块与光源装置，其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升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，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由可透光材料所制成且具有一第一光学面与可接收一入射光的一第二光学面，该偏光组件设于与该第二光学面两两相对位置；其中该微结构光学调制组件更包含多个微结构单元，该微结构单元位于该第一光学面上且具有可扩散该入射光的相对的两个第一侧面以及可集中该入射光的相对的两个第二侧面。

为达上述目的，本发明更提供一种光源装置，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；该至少一微结构光学调制组件由可透光材料所制成且具有一第一光学面与可接收一入射光之一第二光学面，该偏光组件设于与第二光学面两两相对位置；其中所述至少一微结构光学调制组件还包含多个微结构单元，该微结构单元位第一光学面上且具有可扩散该入射光的相对的两个第一侧面以及可集中入射光的相对的两个第二侧面。

较佳地，该第一侧面与该第二侧面彼此相邻。

较佳地，该第一侧面呈弧线形。

较佳地，该第一侧面的曲率半径在5微米～500微米的范围内。

较佳地，该第一侧面具有非单一曲率。

较佳地，该第二侧面呈菱形，且此菱形选择为垂直弧线形第一侧面或不垂直弧线形第一侧面。

较佳地，该第二侧面具有一垂直高度。

较佳地，该垂直高度在大于0微米且不大于500微米的范围内。

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线成形材料，然后由微结构模仁滚压成形，再以紫外光照射固化。

较佳地，该微结构光学调制组件包含彼此相邻的两个微结构单元，且这两微结构单元的第一侧面间呈一夹角。

较佳地，该夹角在30度～140度的范围内。

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，该偏光组件还包含位于该反射式偏光片上的一1/4波长片。

较佳地，该反射式偏光片所透射及反射的光线皆为圆偏极光。

较佳地，该偏光组件为多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，该线宽除以该线宽加该间距之和的值为5％～95％。

较佳地，该光栅单元由金属所制成。

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，这些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，该第二光学面是在所述微结构光学调制组件上涂布不同粒径大小的粒子形成的粗糙面。

较佳地，该第二光学面所述微结构光学调制组件与不同粒径大小的粒子一体成型的。

附图说明

图1A为一现有技术的示意图；

图1B为另一现有技术的示意图；

图2A为一现有光偏极转换模块的示意图；

图2B为另一现有光偏极转换模块的示意图；

图3为结合现有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为曲面形透镜的光学特性示意图；

图4C为本发明中的微结构光学调制组件的立体图；

图4D为图4A中沿A-A所视的横剖面图；

图4E为图4A中沿B-B所视的横剖面图；

图5为本发明中的微结构光学调制组件的加工示意图；

图6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。

其中，附图标记：

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

50-塑料基板

52-紫外线成形材料

54-微结构模仁

56-滚筒

60-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

400-微结构单元

402-侧面

404-侧面

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-夹角

b-曲率半径

c-线宽

d-线高

e-间距

h-垂直高度

θ-角度

α-夹角

具体实施方式

以下将参照附图来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而参照附图所列举的实施例仅为辅助说明，而本案的技术手段并不仅限于此。

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。

又，曲面形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；利用此特性可达成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结构所组成。因此，通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数组光学膜片的立体图，该微结构光学调制组件40具有一第一光学面42(请参见图4D与图4E)与一第二光学面44(请参见图4D与图4E)，该第二光学面44用于接收入射光(图中未示出)，该第一光学面42上形成有多个微结构单元400，该微结构单元400具有可集中入射光的一侧面402以及可扩散入射光的另一侧面404，该侧面402与该侧面404彼此相邻，于本实施例中，该该微结构单元400具有相对的二侧面402与相对的二侧面404。

图4D为图4C中沿A-A所视的横剖面图，其中该侧面402(图中未示出)呈菱形且具有一垂直高度h，且两相邻的微结构单元400间具有一夹角a(意指两相邻侧面404间的夹角)，该夹角a较佳在30度～140度的范围内。

图4E为图4C中沿B-B所视的横剖面图，其中该侧面404(图中未示出)呈弧线形。且具有一曲率半径b，该曲率半径b较佳在5微米～500微米的范围内。

由上可知，通过适当选择该夹角a、曲率半径b、垂直高度h及微结构光学调制组件40的组成材料(即，选择折射率)，并利用微结构单元400的数量及排列变化，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上涂布一层紫外线成形材料52，然后以装设有微结构模仁54的滚筒56滚压过该紫外线成形材料52，即可在该紫外线成形材料52上形成所需图样，然后以紫外光(图中未示出)照射该紫外线成形材料52使其固化，即可得到该微结构光学调制组件。

当然，本发明中的微结构数组光学膜片亦可有多种外型结构的变化。如图6所示，本发明微结构数组光学膜片的微结构单元60亦可具有较小的夹角与较大的曲率半径；这些变化完全依照使用者依实际需要状况来进行设定，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。在图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，增亮模块76位于导光板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(例如为了提升显示器的水平可视度或垂直可视度)，使得该光源装置7可提升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。在图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，入射光700可被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(例如为了同时提升显示器的水平可视度及垂直可视度)，使得光源装置7可提升光效率且具有优异的显示特性。

当然，除了可使用现有的反射式偏光片来作为偏光组件外，本发明亦可使用多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由多个以等间距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)的值(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，偏振方向与光栅单元900垂直的偏极光92a能通过，而偏振方向与光栅单元900平行的偏极光92b则被反射。因此，此种次波长结构亦能达成线性偏光的效果，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。

在本发明中，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)，当欲将第二光学面44制作为粗糙表面时，可在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；当叠置两片微结构数组光学膜片时，这些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，本专利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，以达成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，可提升光效率、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，不能以此限定本发明所实施的范围。依本发明权利要求所作的均等变化与修改，皆应属于本发明专利涵盖的范围内。

Claims (25)

1、一种增亮模块，包含：

一微结构光学调制组件，其由可透光材料所制成且具有一第一光学面与可接收一入射光的一第二光学面，该微结构光学调制组件还包含多个微结构单元，该微结构单元位于第一光学面上且具有可扩散入射光的相对的两个第一侧面以及可集中入射光的相对的两个第二侧面；以及

一偏光组件，其设于与所述第二光学面两两相对位置。

2、如权利要求1所述的增亮模块，其特征在于，所述第一侧面与第二侧面彼此相邻。

3、如权利要求1所述的增亮模块，其特征在于，所述第一侧面呈弧线形。

4、如权利要求1所述的增亮模块，其特征在于，所述第一侧面具有非单一曲率。

5、如权利要求1所述的增亮模块，其特征在于，所述第二侧面呈菱形，且此菱形选择为垂直所述弧线形第一侧面或不垂直所述弧线形第一侧面。

6、如权利要求1所述的增亮模块，其特征在于，所述第二侧面具有一垂直高度，该垂直高度在大于0微米且不大于500微米的范围内。

7、如权利要求1所述的增亮模块，其特征在于，所述微结构光学调制组件为在塑料基板上涂布一层紫外线成形材料，然后由微结构模仁滚压成形，再以紫外光照射固化。

8、如权利要求1所述的增亮模块，其特征在于，包含彼此相邻的两个微结构单元，且所述微结构单元的第一侧面间呈一夹角，该夹角在30度～140度的范围内。

9、如权利要求1所述的增亮模块，其特征在于，所述偏光组件为一反射式偏光片。

10、如权利要求9所述的增亮模块，其特征在于，所述偏光组件还包含位于所述反射式偏光片上的一1/4波长片。

11、如权利要求1所述的增亮模块，其特征在于，所述偏光组件为多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，所述线宽大于0纳米且小于200纳米，线高大于50纳米且小于500纳米，线宽除以该线宽加该间距之和的值为5％～95％。

12、一种光源装置，包含：

一反射片；

一导光板，其位于所述反射片之上；

至少一光源，其位于所述导光板四周且可发射一入射光；以及

一增亮模块，其位于所述导光板之上且包含：

至少一微结构光学调制组件，其由可透光材料所制成且具有一第一光学面与可接收一入射光的一第二光学面，该微结构光学调制组件还包含多个微结构单元，该微结构单元位于第一光学面上且具有可扩散入射光的相对的两个第一侧面以及可集中入射光的相对的两个第二侧面；以及

一偏光组件，其设于与该第二光学面两两相对位置。

13、如权利要求12所述的光源装置，其特征在于，所述第一侧面与该第二侧面彼此相邻。

14、如权利要求12所述的光源装置，其特征在于，所述第一侧面呈弧线形，该第一侧面的曲率半径在5微米～500微米的范围内。

15、如权利要求12所述的光源装置，其特征在于，所述第一侧面具有非单一曲率。

16、如权利要求12所述的光源装置，其特征在于，所述第二侧面呈菱形，且此菱形选择为垂直所述弧线形第一侧面或不垂直所述弧线形第一侧面。

17、如权利要求12所述的光源装置，其特征在于，所述第二侧面具有一垂直高度，该垂直高度在大于0微米且不大于500微米的范围内。

18、如权利要求12所述的光源装置，其特征在于，所述微结构光学调制组件为于塑料基板上涂布一层紫外线成形材料，然后由微结构模仁滚压成形，再以紫外光照射固化。

19、如权利要求12所述的光源装置，其特征在于，包含彼此相邻的两个微结构单元，且所述微结构单元的第一侧面间呈一夹角，该夹角在30度～140度的范围内。

20、如权利要求12所述的光源装置，其特征在于，所述偏光组件为一反射式偏光片。

21、如权利要求20所述的光源装置，其特征在于，所述偏光组件还包含位于该反射式偏光片上的一1/4波长片。

22、如权利要求12所述的光源装置，其特征在于，所述偏光组件为多个等间距排列的光栅单元，所述光栅单元具有一线宽以及一线高，其特征在于，所述线宽大于0纳米且小于200纳米，线高大于50纳米且小于500纳米，该线宽除以线宽加间距之和的值为5％～95％。

23、如权利要求12所述的光源装置，其特征在于，包含两微结构光学调制组件，该两微结构光学调制组件彼此重叠且呈小于90度的交角。

24、如权利要求12所述的光源装置，其特征在于，所述第二光学面是在所述微结构光学调制组件上涂布不同粒径大小的粒子形成的粗糙面。

25、如权利要求12所述的光源装置，其特征在于，所述第二光学面是所述微结构光学调制组件与不同粒径大小的粒子一体成型的。

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