CN101135738A - 光学扩散模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学扩散模块，包括一第一扩散结构以及一第二扩散结构，来自一光源的光线通过该第一扩散结构以及该第二扩散结构而被扩散。第一扩散结构具有多个第一微透镜以及多个第二微透镜，第一微透镜以及第二微透镜相互连续交错排列地连接，第二扩散结构具有多个第三微透镜以及多个第四微透镜，第三微透镜以及第四微透镜相互连续交错排列地连接。每一第一微透镜以及每一第二微透镜都沿一第一方向延伸，每一第三微透镜以及每一第四微透镜皆沿一第三方向延伸，第一方向与第三方向之间形成一夹角。

Description

光学扩散模块

技术领域

本发明涉及一种光学扩散模块，特别是涉及一种通过相互连接成波纹形的微透镜使光线扩散的光学扩散模块。

背景技术

背光模块随着大尺寸化、简单化与低价化的平面显示器市场趋势，光源由含汞的CCFL转为固态LED光源或是平面光源。如何提供有效且均匀化确背光源，微光学结构膜片扮演极为重要的角色，对于成本与效能而言，微结构光学膜片可以提供较少的材料成本与较佳的光学效能，因此以微结构进行背光源扩散的光学设计颇多，针对点光源或是线光源可以看到以单轴向或是双轴向的方式来达到扩散的效果。

一般传统的直下式光源扩散，目前最常见的处理方式是采用扩散板(膜)，以雾化扩散的方式将光源均匀分散，这会有几种问题产生，由于采用混成雾化厚板会导致辉度降低与光源被材料吸收损耗，混成粒子扩散采用散射的方式，扩散的角度不大也无法控制，另外一种采取柱型镜阵列结构的方式，利用微结构几何光学的原理，以膜片就可达到较高的辉度与可控制的扩散角度，搭配一片扩散膜或是雾化处理面，就可以达到均匀化的效果，一般制作柱型镜的方式不外乎是采用机械加工、热融法或是其它复合的方式来成型，柱型镜阵列间的间隙处理、机械强度与复制性也是重要的课题，如何运用特殊的光学设计与精简的制作工艺方式制作出无间隙、高机械强度与高结构复制性的高分子微结构光学膜片，本发明的发明人曾提出本国专利申请案94133325以及94133326两案，揭露如何以特殊的光掩模制造出连续波纹状微结构阵列的方法与所制造出的微结构阵列。

上述两专利申请案是利用激光拖拉法及搭配光掩模图形设计来制造出供制造微透镜用的模具，如图1a所示，激光束B经由一光掩模5照射至一基材10上，同时光掩模5朝一L7的方向拖拉，如此激光束B会在基材10上刻写出沟槽12，由此形成微透镜阵列的模具。上述两个技术主要是控制激光能量束在基材上不同位置蚀刻量的差异，造成灰阶渐层效果而产生三维结构。其中激光拖拉可控制的参数包含拖拉速度、激光能量、及重复频率等，此部分最主要影响的整体结构的深度，例如拖拉速度愈快、激光能量愈小或激光重复频率愈小使得单位时间内的蚀刻量愈小，造成结构的整体深度较浅；反之，则较深。另一方面，光掩模图形则是影响三维结构轮廓最主要的控制因素，如图1b所示，在光掩模M30上形成凹凸状的图形M3，然后通过激光束的照射在一基材上形成凹凸状交错排列的第一微透镜202以及第二微透镜204，通过光掩模图形M3中央与两侧开口面积的不同，造成两个不同位置蚀刻量的差异，进而产生不同的深度。在上述两申请案中，主要是利用不同长短轴椭圆形或圆形的光掩模图形矩阵组合来实现，其中椭圆形光掩模长短轴比例愈大，造成蚀刻量差异愈大，而形成曲率较小的椭圆曲线，若是选用圆形光掩模则是形成近似圆形的曲面。

图2a则表示将图1b所示的模具所制造出的光扩散用的微透镜结构200与一扩散膜50配合使用，图2b则表示通过此微透镜结构200所扩散的光的照度分布图，图中的长条状区域表示光线汇聚处，标号30表示LED阵列模块。图2c表示在微透镜结构200的背面形成雾化层210，可以辅助光线的扩散。

发明内容

本发明的目的在于改进上述的微结构，以达到更好的光扩散的效果。

本发明的目的是这样实现的，即提供一种光扩散模块，包括：一扩散结构以及一扩散片，该扩散结构形成于该扩散片上。扩散结构具有多个第一微透镜以及多个第二微透镜，而且该各第一微透镜以及该各第二微透镜的连接点的曲率都不为0。每一第一微透镜以及每一第二微透镜都沿一第一方向延伸，该各第一微透镜以及该各第二微透镜沿一第二方向相互连续交错排列地连接，每一第一微透镜呈弧形，并具有一第一曲面，该第一曲面沿该第二方向具有一第一宽度，该各第一微透镜的该第一宽度的大小沿该第二方向变化。

第二微透镜弧形弯曲的方向与第一微透镜弧形弯曲的方向相反。

第一宽度大小可从扩散结构的中央向两侧渐小或渐大，第二宽度大小也可从扩散结构的中央向两侧渐小，视光扩散的需求而定。

上述实施例是对光线做一维的扩散，本发明的另一较佳实施例则是利用两个扩散结构的组合而达到二维扩散的目的。

本发明的另一较佳实施例的光学扩散模块，包括一第一扩散结构以及一第二扩散结构，第一扩散结构具有多个第一微透镜以及多个第二微透镜，该各第一微透镜以及该各第二微透镜系相互连续交错排列地连接且该各第一微透镜以及该各第二微透镜的连接点的曲率都不为0。第二扩散结构具有多个第三微透镜以及多个第四微透镜，该各第三微透镜以及该各第四微透镜相互连续交错排列地连接且该各第三微透镜以及该各第四微透镜的连接点的曲率皆不为0。来自一光源的光线通过该第一扩散结构以及该第二扩散结构而被扩散。

上述的较佳实施例还包括一第一扩散片以及一第二扩散片，其中第一扩散结构形成于第一扩散片上，第二扩散结构形成于第二扩散片上。

上述的较佳实施例的另一实施样态仅包括一扩散片，该扩散片具有一第一面以及一第二面，该第一面与该第二面分别位于扩散片的相反侧，其中第一扩散结构形成于第一面上，第二扩散结构形成于第二面上。

在上述的较佳实施例中，每一第一微透镜以及每一第二微透镜都沿一第一方向延伸，该各第一微透镜以及该各第二微透镜沿一第二方向相互连续交错排列地连接。每一第三微透镜以及每一第四微透镜都沿一第三方向延伸，该各第三微透镜以及该各第四微透镜是沿一第四方向相互连续交错排列地连接；该第一方向与该第三方向之间形成一夹角。该夹角可为任意角度，视实际需要而定。

为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下：

附图说明

图1a为利用激光拖拉法制造微透镜结构的示意图；

图1b为激光拖拉法的光掩模及所制造出的微透镜结构的立体图；

图2a为图1b所制造出的微透镜结构的实际应用的示意图；

图2b为通过图2a的微透镜结构所扩散的光的照度分布图；

图2c为在图2a的微透镜结构的背面(表面)形成雾化层的示意图；

图3a为本发明的光扩散结构的实施例的示意图；

图3b为图3a中A区域的放大图；

图4a为本发明的光扩散结构的另一实施例的示意图；

图4b为图4a中B区域的放大图；

图5a为图3a的光扩散结构的实际应用的示意图；

图5b为通过图5a的光扩散结构所扩散的光的照度分布图；

图5c为在图5a的光扩散结构的背面(表面)形成雾化层的示意图；

图6a为图4a的光扩散结构的实际应用的示意图；

图6b为通过图6a的光扩散结构所扩散的光的照度分布图；

图6c为在图6a的光扩散结构的背面(表面)形成雾化层的示意图；

图7a为两种光扩散结构重叠使用的状态图；

图7b为通过图7a的光扩散结构所扩散的光的照度分布图；

图7c为在图7a的光扩散结构的背面(表面)形成雾化层的示意图；

图8a为另外两种光扩散结构重叠使用的状态图；

图8b为通过图8a的光扩散结构所扩散的光的照度分布图；

图8c为在第8a图的光扩散结构的背面(表面)形成雾化层的示意图。

图9a为另外两种光扩散结构重叠使用的状态图；

图9b为通过图9a的光扩散结构所扩散的光的照度分布图；

图9c为在图9a的光扩散结构的背面(表面)形成雾化层的示意图；

图10为两种光扩散结构重叠使用的状态图；

图11为另一种两种光扩散结构重叠使用的状态图；

图12为两光扩散结构形成于一扩散片的示意图；

图13为另一种两光扩散结构形成于一扩散片的示意图；

图14为再一种两光扩散结构形成于一扩散片的示意图。

主要元件符号说明：

5～光掩模；

7～扩散板；

10～基材；

12～沟槽；

30～LED阵列模块；

50～扩散膜；

100、100’～光扩散结构；

110、110’～雾化层；

120、120’～第一微透镜；

122、122’～第一曲面；

140、140’～第二微透镜；

142、142’～第二曲面；

200、200’～微透镜结构；

202～第一微透镜；

204～第二微透镜；

210～雾化层；

300、300’、300”～第一扩散结构；

310、310’、310”～雾化层；

400、400’、400”～第二扩散结构；

410、410’、410”～雾化层；

B～激光束；

M3～图形；

M30～光掩模；

D1～第一宽度；

D2～第二宽度；

L1～第一方向；

L2～第二方向；

L3～延伸方向；

L4～延伸方向。

具体实施方式

图3a表示本发明的一较佳实施例的光扩散模块的示意图。光扩散模块包括一光扩散结构100以及一光扩散板7，光扩散结构100的三维波浪纹的构造通过现有技术中所提到的激光拖拉法搭配特殊设计的光掩模图案而达成，光掩模图案的设计方法已于本发明的发明人所提出的本国申请案第94133325号中揭露，在此不再赘述。

本发明的光扩散结构100为波浪状，包括多个第一微透镜120以及多个第二微透镜140，第一微透镜120呈弧形突起，并具有一第一曲面122，第二微透镜140成弧形凹陷，并具有一第二曲面142，第一微透镜120及第二微透镜140均呈长条形并朝一第一方向L1延伸，第一微透镜120与第二微透镜140沿一第二方向L2相互交错地排列而连接，在本实施例中第一方向L1与第二方向L2为互相垂直。

图3b为图3a中A部分的放大图，第一曲面122与第二曲面142是相互连接，而且连接点的曲率不等于0，同时在第一微透镜120的底部限定一第一宽度D1，即第一曲面122沿第二方向L2的一宽度。在第二微透镜140的顶部限定一第二宽度D2，即第二曲面142沿第二方向L2的一宽度，第一宽度D1以及第二宽度D2可用来代表第一微透镜120以及第二微透镜140的波形的宽度，在图3a的实施例中，第一宽度D1在光扩散结构100的中央最大，而愈往两侧愈小，同样地，第二宽度D2在光扩散结构100的中央最大，而愈往两侧愈小。

图4a表示本发明的上述实施例的另一种实施状态。光扩散结构100’为波浪状，包括多个第一微透镜120’以及多个第二微透镜140’，第一微透镜120’呈弧形突起，并具有一第一曲面122’，第二微透镜140’成弧形凹陷，并具有一第二曲面124’，第一微透镜120’及第二微透镜140’均呈长条形并朝一第一方向L1延伸，第一微透镜120’与第二微透镜140’沿一第二方向L2相互交错地排列而连接，在本实施例中第一方向L1与第二方向L2为互相垂直。

图4b为图4a中B部分的放大图，第一曲面122’与第二曲面142’是相互连接，而且连接点的曲率不等于0，同时在第一微透镜120’的底部限定一第一宽度D1，即第一曲面122’沿第二方向L2的一宽度。在第二微透镜140’的顶部限定一第二宽度D2，即第二曲面142’沿第二方向L2的一宽度，第一宽度D1以及第二宽度D2可用来代表第一微透镜120’以及第二微透镜140’的波形的宽度，在图4a的实施例中，与图3a光扩散结构100不同之处在于第一宽度D1在光扩散结构100’的中央最小，而愈往两侧愈大，同样地，第二宽度D2在光扩散结构100’的中央最小，而愈往两侧愈大。

本发明的上述光扩散结构100或100’可以单独使用，也可以配合现有的扩散膜使用。图5a表示光扩散结构100与扩散膜50配合使用的状态图，图5b表示由光扩散结构100所扩散的照度的分布图。由于光扩散结构100中央部分的第一、第二微透镜120及140的宽度都较大，因此在中央的部分光线汇聚的区域较大。除了扩散膜50之外，也可在光扩散结构100的背面形成雾化层110，以辅助光线的扩散，如图5c所示。

图6a表示光扩散结构100’与扩散膜50配合使用的状态图，图6b表示由光扩散结构100’所扩散的照度的分布图。由于光扩散结构100'接近两侧边的第一、第二微透镜120’及140’的宽度都较大，因此接近两侧边的光线汇聚的区域较大。除了扩散膜50之外，也可在光扩散结构100’的背面形成雾化层110’，以辅助光线的扩散，如图6c所示。

上述的实施例适用于实施一维的光扩散，本发明另外提出一种使用本发明的光扩散的微结构来实施二维的光扩散的光扩散模块。

图7a表示本发明的二维光扩散模块的示意图。在扩散膜50的上方配设有第一扩散结构300以及第二扩散结构400，LED的光线会依序通过扩散膜50、第二扩散结构400以及第一扩散结构300而达到光扩散的效果。在本实施例中，第一扩散结构300是使用图2a中的微透镜结构200，第二扩散结构也是使用图2a中的微透镜结构200，但是第一扩散结构300中微透镜结构的延伸方向L3(第一方向)与第二扩散结构400中的微透镜结构的延伸方向L4(第三方向)之间的夹角为90度。图7b表示扩散膜50的光线经由图7a的光扩散模块扩散后的照度分布图，从图中长条状区域彼此相垂直重叠的情况，可以看出光线在两个维度上均匀地被扩散。因此，图7a的构造除了可以让光线做二维的扩散之外，也可以具有让不同颜色的色光进行混合的效果。除了扩散膜50之外，也可在第一扩散结构300及第二扩散结构400的背面形成雾化层310及410，以辅助光线的扩散，如图7c所示。

图8a表示本发明的二维光扩散模块的另一实施例的示意图。在扩散膜50的上方配设有第一扩散结构300’以及第二扩散结构400’，其中第一扩散结构300’使用图3a所示的微透镜结构100，第二扩散结构400’使用如图2a所示的微透镜结构200。第一扩散结构300’中微透镜结构的延伸方向L4(第一方向)与第二扩散结构400’中的微透镜结构的延伸方向L3(第三方向)之间的夹角为90度。由于第一扩散结构300’的中央部分的光线汇聚的区域较大，而第二扩散结构400’则是将光线平均地扩散，因此图8a的二维光扩散模块会得到与图7a的二维光扩散模块不同的效果，图8b表示扩散膜50的光线经由图8a的光扩散模块扩散后的照度分布图。除了扩散膜50之外，也可在第一扩散结构300’及第二扩散结构400’的背面形成雾化层310’及410’，以辅助光线的扩散，如图8c所示。

图9a表示本发明的二维光扩散模块的另一实施例的示意图。在扩散膜50的上方配设有第一扩散结构300”以及第二扩散结构400”，其中第一扩散结构300”使用图3a所示的微透镜结构100，第二扩散结构400”使用如图4a所示的微透镜结构100’。第一扩散结构300”中微透镜结构的延伸方向L4(第一方向)与第二扩散结构400”中的微透镜结构的延伸方向L3(第三方向)之间的夹角为90度。图9b表示扩散膜50的光线经由图9a的光扩散模块扩散后的照度分布图。除了扩散膜50之外，也可在第一扩散结构300”及第二扩散结构400”的背面形成雾化层310”及410”，以辅助光线的扩散，如图9c所示。

虽然以上的实施例均表示第一扩散结构与第二扩散结构中微透镜结构的延伸方向是以互相垂直排列，但本发明的微透镜结构之间的夹角并不限于90度，相互平行排列(夹角为0度)亦可，如图10所示，或者是夹角为45度也可，如图11所示。

此外，上述实施例都是将微透镜结构形成于不同的扩散板上，然后将两扩散板叠合而达到光扩散的效果，也可以在一扩散板的上下两面形成微透镜结构，如图12、图13、图14所示，其中图12表示扩散板上下两面的微透镜结构的延伸方向是平行的，图13表示扩散板上下两面的微透镜结构的延伸方向具有45度的夹角，图14表示表示扩散板上下两面的微透镜结构的延伸方向具有90度的夹角。

上述利用激光加工搭配光掩模设计所制作的连续波纹状微结构阵列及其不同叠合方式，可以充分的混合及扩散RGB三色或是单色白光的LED点光源，达到光源度均匀化的效果，此外还可另外与单片扩散膜与背面雾化处理来搭配使用，得到高辉度及高均匀性的背光源。

虽然结合以上较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作一些的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的为准。

Claims (30)

1.一种光学扩散模块，包括：

第一扩散结构，具有多个第一微透镜以及多个第二微透镜，该各第一微透镜以及该各第二微透镜相互连续交错排列地连接，且该各第一微透镜、该各第二微透镜以及该各第一微透镜与该各第二微透镜的连接点的曲率都不为0；以及

第二扩散结构，具有多个第三微透镜以及多个第四微透镜，该各第三微透镜以及该各第四微透镜相互连续交错排列地连接，且该各第三微透镜、该各第四微透镜以及该各第三微透镜与该各第四微透镜的连接点的曲率都不为0，其中，来自一光源的光线通过该第一扩散结构以及该第二扩散结构而被扩散。

2.如权利要求1所述的光学扩散模块，其更包括第一扩散片以及第二扩散片，其中该第一扩散结构形成于该第一扩散片上，该第二扩散结构形成于该第二扩散片上。

3.如权利要求2所述的光学扩散模块，其中该第一扩散片包括第一雾化层形成于与该第一扩散结构相对的面上。

4.如权利要求3所述的光学扩散模块，其中，该第二扩散片包括第二雾化层形成于与该第二扩散结构相对的面上。

5.如权利要求1所述的光学扩散模块，其还包括扩散片，该扩散片具有第一面以及第二面，该第一面与该第二面分别位于该扩散片的相反侧，其中该第一扩散结构形成于该第一面上，该第二扩散结构形成于该第二面上。

6.如权利要求1所述的光学扩散模块，其中每一第一微透镜以及每一第二微透镜都沿第一方向延伸，该各第一微透镜以及该各第二微透镜沿一第二方向相互连续交错排列地连接；每一第三微透镜以及每一第四微透镜都沿一第三方向延伸，该各第三微透镜以及该各第四微透镜沿一第四方向相互连续交错排列地连接；该第一方向与该第三方向之间形成一夹角。

7.如权利要求6所述的光学扩散模块，其中该夹角大于或等于0度且小于或等于90度。

8.如权利要求6所述的光学扩散模块，其中每一第一微透镜呈弧形，并具有第一曲面，该第一曲面沿该第二方向具有第一宽度，该各第一微透镜的该第一宽度的大小沿该第二方向变化。

9.如权利要求8所述的光学扩散模块，其中每一第二微透镜呈弧形，并具有第二曲面，该第二曲面沿该第二方向具有第二宽度，该各第二微透镜的该第二宽度的大小沿该第二方向变化。

10.如权利要求9所述的光学扩散模块，其中该第二微透镜突起的方向与该第一微透镜突起的方向相反。

11.如权利要求8所述的光学扩散模块，其中该第一宽度大小从该第一扩散结构的中央向两侧渐小。

12.如权利要求11所述的光学扩散模块，其中该第二宽度大小从该第一扩散结构的中央向两侧渐小。

13.如权利要求8所述的光学扩散模块，其中该第一宽度大小从该第一扩散结构的中央向两侧渐大。

14.如权利要求13所述的光学扩散模块，其中该第二宽度大小从该第一扩散结构的中央向两侧渐大。

15.如权利要求8所述的光学扩散模块，其中每一第三微透镜呈弧形，并具有第三曲面，该第三曲面沿该第四方向具有第三宽度，该各第三微透镜的该第三宽度的大小沿该第四方向变化。

16.如权利要求9所述的光学扩散模块，其中每一第三微透镜呈弧形，并具有第三曲面，该第三曲面沿该第四方向具有第三宽度，该各第三微透镜的该第三宽度的大小沿该第四方向变化。

17.如权利要求16所述的光学扩散模块，其中每一第四微透镜呈弧形，并具有第四曲面，该第四曲面沿该第四方向具有第四宽度，该各第四微透镜的该第四宽度的大小是沿该第四方向变化。

18.如权利要求17所述的光学扩散模块，其中该第四微透镜突起的方向与该第三微透镜突起的方向相反。

19.如权利要求17所述的光学扩散模块，其中该第三宽度大小从该第二扩散结构的中央向两侧渐小。

20.如权利要求19所述的光学扩散模块，其中该第四宽度大小从该第二扩散结构的中央向两侧渐小。

21.如权利要求17所述的光学扩散模块，其中该第三宽度大小从该第二扩散结构的中央向两侧渐大。

22.如权利要求21所述的光学扩散模块，其中该第四宽度大小从该第二扩散结构的中央向两侧渐大。

23.如权利要求1所述的光学扩散模块，其还包括扩散膜，来自该光源的光线通过该扩散膜后，才通过该第一扩散结构以及该第二扩散结构而被扩散。

24.一种光学扩散模块，包括：

扩散结构，具有多个第一微透镜以及多个第二微透镜，而且该各第一微透镜、该各第二微透镜以及该各第一微透镜与该各第二微透镜的连接点的曲率皆不为0；以及

扩散片，该扩散结构形成于该扩散片上，其中每一第一微透镜以及每一第二微透镜都沿第一方向延伸，该各第一微透镜以及该各第二微透镜沿第二方向相互连续交错排列地连接，每一第一微透镜呈弧形，并具有第一曲面，该第一曲面沿该第二方向具有第一宽度，该各第一微透镜的该第一宽度的大小是沿该第二方向变化。

25.如权利要求24所述的光学扩散模块，其中该第二微透镜突起的方向与该第一微透镜突起的方向相反。

26.如权利要求24所述的光学扩散模块，其中该第一宽度大小从该扩散结构的中央向两侧渐小。

27.如权利要求26所述的光学扩散模块，其中该第二宽度大小从该扩散结构的中央向两侧渐小。

28.如权利要求24所述的光学扩散模块，其中该第一宽度大小从该扩散结构的中央向两侧渐大。

29.如权利要求28所述的光学扩散模块，其中该第二宽度大小从该扩散结构的中央向两侧渐大。

30.如权利要求24所述的光学扩散模块，其还包括扩散膜，来自光源的光线通过该扩散膜后，才通过该扩散结构而被扩散。

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