CN101226259A - 耦光元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种耦光元件，其包括反射空腔、至少一光源以及导光板。其中，反射空腔具有一开口，反射空腔包括上表面、下表面、第一侧面、第二侧面以及对应开口的端面。另外，光源配置在端面处。导光板的侧面与开口接合，且导光板厚度小于光源厚度。

Description

耦光元件

技术领域

本发明涉及一种耦光元件，特别是涉及可解决导光板厚度小于光源厚度时，过低的耦光效率会造成导光板发光辉度不足问题，以及可提升发光均匀性的一种耦光元件。

背景技术

液晶显示器(liquid crystal display，LCD)以其特有的体积小和耗电低的优势，已经慢慢取代如阴极射线管(cathode ray tube，CRT)的显示器。但由于液晶面板是一种不会自行发光的装置，因此液晶显示器需要背光模块做其光源，方可正常显示。目前，液晶显示器常用的背光模块(back light module)通常是由发光二极管(light emitting diode，LED)阵列等发光元件搭配上适当尺寸的导光板(light guide plate)所构成。请参照图1，其绘示现有的LED光源与导光板的配置剖视图。背光模块中的导光板102可以将点光源或是线光源转换成均匀的面光源出射，以进行平面照明。由于，LED光源104的光线发散角度较小，因此通常是采用将其直接靠放在导光板102侧面的方式来进行耦光。如图1所示，此种结构会使LED光源104所发出的大部分光线106进入导光板102中，但另一部分的光线108则不会进入导光板102，而产生损耗。

一般而言，以图1的配置方式进行耦光的结构，其LED光源与导光板二者厚度的比例会影响光线导入导光板的耦光效率(coupling efficiency)。耦光效率是以进入导光板的光通量对由光源发出的光通量的比例来表示。请参照图2A，其是现有导光板/LED光源厚度比和耦光效率的关系图。当LED光源厚度小于或等于导光板时，耦光效率约为90％。但是，当导光板厚度减低为光源厚度的60％时，耦光效率会下降至50％左右。

为了将LED光源的光线有效导入导光板中，往往会采用厚度大于或等于LED光源厚度的导光板，如此一来LED光源厚度将会限制导光板薄化的发展。因此，当欲将导光板厚度作进一步薄化或是要开发可卷曲的导光板时，过低的耦光效率会造成导光板发光辉度不足问题，而影响显示元件的效能。

另外，在一些专利上也有揭露关于上述的相关技术，例如US 5,262,968；US 4,597,030；US 2005/0259939；JP 11,232,921。以上文献皆为本案的参考资料。但是，这些文献仍存在有一些问题。例如，US 2005/0259939揭露一种楔形耦光结构，由模拟分析结果显示当导光板厚度为光源厚度的60％时，耦光效率可达至70％左右。但此楔形耦光结构会有光源与导光板相对定位问题，且此种楔形结构导光板的制作技术门槛较高。在其他的文献中，薄型导光板耦光架构也存在有耦光结构占空间过大或是造成导光板出光结构设计困难等问题。

此外，利用图1所示的现有的结构来进行耦光时，在靠近LED光源104的导光板102的耦光端面也会发生如图2B所示的亮带/暗带不均匀的出光问题。此问题会导致导光板的发光均匀性不佳，影响显示元件的效能。虽然，在US 6,568,822；US 2004/0170011等专利中也有揭露关于上述的相关技术，但是仍无法有效解决上述的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种耦光元件，能够解决导光板厚度小于光源厚度时，过低的耦光效率会造成导光板发光辉度不足问题，以及降低导光板的耦光端面的亮带/暗带不均匀的问题。

本发明提出一种耦光元件，其包括反射空腔、至少一光源以及导光板。其中，反射空腔具有一开口。反射空腔包括上表面、下表面、第一侧面、第二侧面以及对应开口的端面。另外，光源配置在端面处。导光板的侧面与开口接合，且导光板厚度小于光源厚度。

承上所述，耦光元件的反射空腔的最大厚度实质上与光源厚度相等。反射空腔的上表面与下表面为镜面反射面。反射空腔的第一侧面、第二侧面与端面的反射特性可相同或不同，其可为镜面反射面或散射反射面。另外，反射空腔的上表面与下表面形状可相同或不同，其可例如是平面、弧面或是多段斜率面。

耦光元件的光源为发光二极管光源。光源的配置方式可例如是，配置在反射空腔外部，且位于端面上，而端面具有可使光源的光线入射的开口。另外，光源可配置在反射空腔内部，且位于端面一侧。光源还可配置端面上，且部分光源位在反射空腔外部。此外，耦光元件的导光板可进一步嵌入反射空腔内部。

本发明另提出一种耦光元件，其包括反射空腔、至少一光源、导光板以及扩光板。其中，反射空腔具有一开口。反射空腔包括上表面、下表面、第一侧面、第二侧面以及对应开口的端面。另外，光源配置在端面处。导光板的侧面与开口接合，且导光板厚度小于光源厚度。扩光板配置在反射空腔中，且邻接光源的扩光板的一侧具有第一粗糙面，而扩光板的另一侧具有第二粗糙面。

扩光板的第一粗糙面为凹陷部、凸出部、涂布微粒子的表面、雾化表面或其组合。其中，凹陷部例如是矩形凹槽、梯形凹槽、圆弧形凹槽、V形凹槽或其组合，凸出部例如是矩形柱、梯形柱、圆弧形柱、V形柱或其组合。另外，扩光板的第二粗糙面为凹陷部、凸出部、涂布微粒子的表面、雾化表面、次波长抗反射表面或其组合。其中，凹陷部例如是矩形凹槽、梯形凹槽、圆弧形凹槽、V形凹槽或其组合，凸出部例如是矩形柱、梯形柱、圆弧形柱、V形柱或其组合。扩光板为一透明材料板，其材质例如是聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。

本发明的耦光元件在导光板与光源之间配置有反射空腔，其可使原本无法直接导入导光板的光线，经由多次反射或是散射后，成为可以导入导光板的光线，以提高耦光效率。因此，本发明的耦光元件可避免导光板厚度小于光源厚度时，耦光效率不高而造成导光板发光辉度不足问题。而且，本发明的耦光元件的反射空腔中还可进一步配置扩光板，如此可使LED光源扩光，以改善导光板前端亮暗带辉度不均匀现象。此外，本发明的耦光元件结构，可将导光板嵌入反射空腔内部，以避免因光源与导光板产生对位误差，而导致耦光效率下降的问题。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是现有的LED光源与导光板的配置剖视图；

图2A是现有的LED光源/导光板厚度比和耦光效率的关系图；

图2B是以图1的结构进行耦光时导光板的出光情形的示意图；

图3为依照本发明的第一实施例所绘示的耦光元件的立体示意图；

图4、图5A、图5B、图5C为依照本发明的其他实施例所绘示的耦光元件的剖视示意图；

图6为依照本发明的第二实施例所绘示的耦光元件的剖视示意图；

图7为依照本发明的第三实施例所绘示的耦光元件的剖视示意图；

图8为依照本发明的第四实施例所绘示的耦光元件的剖视示意图；

图9A、图9B、图9C与图9D为依照本发明的第五实施例所绘示的耦光元件的剖视示意图；

图10A与图10B是以图3的耦光元件结构进行测试的耦光效率与反射空腔长度的关系图；

图11是以图5A与图5C的耦光元件结构进行测试的耦光效率与反射空腔形状的关系图；

图12是以图5B的耦光元件结构进行测试的耦光效率与反射空腔形状的关系图；

图13A为依照本发明的第六实施例所绘示的耦光元件的剖视示意图；

图13B至图13Q为绘示本发明实施例的扩光板的示意图；

图14A为未配置有扩光板的耦光元件的照度关系图；

图14B为配置有扩光板的耦光元件的照度关系图。

主要元件符号说明

102、304：导光板

104：LED光源

106、108：光线

300、400、500、600、810、820、830、840：耦光元件

302：反射空腔

304a：导光板侧面

306：光源

308：开口

310、304b：上表面

312、304c：下表面

314：第一侧面

316：第二侧面

318：端面

320：扩光板

322：第一粗糙面

324：第二粗糙面

具体实施方式

本发明提出一种耦光元件，用以解决导光板厚度小于光源厚度时，耦光效率(coupling efficiency)大幅下降的问题。此处，所谓的“导光板厚度”是指导光板入射光面的厚度，而”光源厚度”是指光源发光截面的厚度。因此，本发明可应用在薄型导光板或是可卷曲导光板上，以避免耦光效率不高而造成导光板发光辉度不足问题。

本发明的耦光元件主要是由反射空腔、导光板以及至少一光源所组成。本发明可利用耦光元件的反射空腔，将原本无法直接导入导光板的光线，经由多次反射或是散射后，成为可以导入导光板的光线，以提高耦光效率。

以下，特举多个实施例以详细地说明本发明的耦光元件的结构。在下述实施例中相同的构件给予相同的标号，并省略可能重复的说明。

第一实施例

请参照图3，其为依照本发明的第一实施例所绘示的耦光元件的立体示意图。本实施例的耦光元件300包括反射空腔302、导光板304以及光源306。

其中，反射空腔302具有一开口308。反射空腔302是由上表面310、下表面312、第一侧面314、第二侧面316以及对应开口308的端面318所组成。反射空腔302的上表面310与下表面312为镜面反射面(mirrorreflector)，而第一侧面314、第二侧面316以及端面318的反射特性可相同或不同，其可以是镜面反射面或散射反射面(diffusive reflector)。另外，本实施例的反射空腔302的上表面310为平面，而下表面312为平面。

承上述，反射空腔302的制作方法可包括以下几种方式，但不限于此。反射空腔302的制作方法例如是，先在整面的反射板上裁切出反射空腔302展开后的图形，然后再将其进行折叠，接着依照反射空腔302的每一面设计不同而制作成镜面反射或散射反射即可。另外，反射空腔302的制作方法例如是，先在整面的载板上裁切出反射空腔302展开后的图形，然后再将其进行折叠，之后粘贴反射材料层，接着依照反射空腔302的每一面设计不同而制作成镜面反射或散射反射即可。当然，反射空腔302的制作方法还可例如是，先将反射空腔302的每一面制作完毕后，再以组装方式，进行组合即可。反射空腔302所使用的散射反射面的材质可例如是氧化铝、氧化钛、硫酸钡等白色无机盐类与粘合树脂的混合物或是调质聚碳酸树脂(modifiedpolycarbonate)、polyphthalamide(PPA)等白色树脂材料；镜面反射面的材质可例如是铟、锡、铝、金、铂、白金、锌、银等金属或其合金。

另外，导光板304的侧面304a会与反射空腔302的开口308接合。而且，导光板304的厚度d1小于光源306的厚度d2。要注意的是，反射空腔302的最大厚度d3实质上与光源306的厚度d2相等。导光板304为一般显示元件产业所使用的导光板。导光板304可例如是由聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)或聚碳酸酯(polycarbonate，PC)等透明材料所构成，其具有大致为板状的平坦形状。并且，导光板304的上表面304b及下表面304c分别作为出射面及反射面，而其侧面304a作为入射面。

本实施例的光源306为发光二极管(light emitting diode，LED)光源，其配置在相对应开口308位置的反射空腔302的一侧。更详细而言，光源306是配置于反射空腔302外部，且位于反射空腔302的端面318上，而端面308具有可使光源306的光线入射的开口(未绘示)。在本实施例中，是以三个光源306为例说明，然而本发明并不对光源的数量做特别的限定。

本实施例的耦光元件可使由光源306所发出的无法直接导入导光板304的光线，经由与反射空腔302的作用产生多次反射或是散射后，成为可以导入导光板304的光线，以提高耦光效率。

在第一实施例中，反射空腔302的上表面310与下表面312皆为平面，其还可以为弧面或是多段斜率面。另外，反射空腔302的上表面310与下表面312的形状也可不同，其可以是平面、弧面或是多段斜率面。如图4所示，反射空腔302的上表面310为弧面，而下表面312为平面。如图5A、图5B、图5C所示，反射空腔302的上表面310为多段斜率面，而下表面312为平面。承上所述，图4以及图5A～图5C仅为举例说明，并非用以限定本发明。

第二实施例

请参照图6，其为依照本发明的第二实施例所绘示的耦光元件的剖视示意图。本实施例的耦光元件400与第一实施例的耦光元件300类似，其主要差异在于：光源306配置在反射空腔302内部，且位于端面318一侧。

第三实施例

请参照图7，其为依照本发明的第三实施例所绘示的耦光元件的剖视示意图。本实施例的耦光元件500与第一实施例的耦光元件300类似，惟主要差异在于：光源306配置端面318上，且部分光源306位于反射空腔302外部。

第四实施例

请参照图8，其为依照本发明的第四实施例所绘示的耦光元件的剖视示意图。本实施例的耦光元件600与第一实施例的耦光元件300类似，惟主要差异在于：本实施例的耦光元件600，可利用一体式封装方式在光源306之间的填充具有散射反射性的物质，以取代端面318，然后再与其他反射构件组合以形成反射空腔302。

第五实施例

请参照图9A、图9B、图9C与图9D，其为依照本发明的第五实施例所绘示的耦光元件的剖视示意图。本实施例的耦光元件810、820、830、840分别与第一、第二、第三、第四实施例的耦光元件300、400、500、600类似，惟主要差异在于：导光板304可嵌入至反射空腔302内部。在本实施例中，将导光板嵌入反射空腔内部的结构，还可以避免因光源与导光板产生对位误差，而导致耦光效率下降的问题。

除了上述实施例之外，本发明尚具有其他的实施型态。本发明的耦光元件除了反射空腔、导光板以及至少一光源之外，还可进一步在反射空腔中配置扩光板。此扩光板可帮助将点光源转换成线光源，降低导光板的耦光端面的亮带/暗带不均匀的问题，以提升发光均匀性。

第六实施例

请参照图13A，其为依照本发明的第六实施例所绘示的耦光元件的剖视示意图。本实施例的耦光元件900与第一实施例的耦光元件300类似，其主要差异在于：耦光元件900的反射空腔302中可进一步配置扩光板320。扩光板320可为透明材料板，其材质例如是聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯等透明材料。特别是，此扩光板320在邻接光源306的一侧具有第一粗糙面322，以增加光线发散角度，而在邻接导光板304的一侧则具有第二粗糙面324，以辅助出光。

其中，扩光板320的第一粗糙面322可例如是凹陷部、凸出部、涂布微粒子的表面、雾化表面或其组合。扩光板320的第二粗糙面324可例如是凹陷部、凸出部、涂布微粒子的表面、雾化表面、次波长抗反射表面或其组合。以图13B至图13Q说明扩光板320的粗糙面为凹陷部与凸出部的情形，而在图中仅绘示出光源306与扩光板320，而省略其他构件。扩光板320的第一粗糙面322为凹陷部，其可例如是矩形凹槽(如图13B、13C所示)、梯形凹槽(如图13D、13E所示)、圆弧形凹槽(如图13F、13G所示)、V形凹槽(如图13H、13I所示)或其组合。扩光板320的第二粗糙面324为凸出部，其可例如是矩形柱(如图13J、13K所示)、梯形柱(如图13L、13M所示)、圆弧形柱(如图13N、13O所示)、V形柱(如图13P、13Q所示)或其组合。

承上所述，在第二、第三、第四、第五实施例的耦光元件400、500、600、810～840中，也可在反射空腔302内进一步配置扩光板，以提升发光均匀性。然此为本领域的技术人员可依照上述实施例而推知，因此就不再赘述。

上述实施例的扩光板的外观形状为配合反射空腔的内部形状而设计。另外，也可将扩光板制作为矩形或其他较为便于制作的形状，并适度改变反射空腔的内部形状。当然，本领域的技术人员可就制作便利性、耦光元件效能等方面来设计扩光板与反射空腔的形状，在此就不再赘述。

由上述可知，本发明的耦光元件，除了可提高耦光效率外，还可将LED光源扩光，进而可改善导光板前端亮暗带辉度不均匀现象。

接下来，说明本发明的耦光元件结构的耦光效率以及发光均匀性。

请参照图10A与图10B，其是以图3的耦光元件结构进行测试的耦光效率与反射空腔长度(即光源发光面至导光板的距离)的关系图。图10A与图10B的耦光元件皆是以导光板厚度为0.36mm，光源厚度为0.6mm，而上表面与下表面为镜面反射面的条件下进行测试。其中，图10A的耦光元件的端面为镜面反射面，图10B的耦光元件的端面为散射反射面。

由图10A可知，X轴是表示光源发光面至导光板的距离，Y轴是表示耦光效率(％)。反射空腔长度介于0.5mm至3.0mm之间，其所计算出的耦光效率大约在60％至70％之间。同样地，由图10B可知，反射空腔长度介于0.5mm至3.0mm之间，其所计算出的耦光效率为70％左右。

请参照图11与图12，图11是以图5A与图5C的耦光元件结构，图12是以图5B的耦光元件结构进行测试的耦光效率与反射空腔形状的关系图。图11与图12的耦光元件皆是以导光板厚度为0.36mm，光源厚度为0.6mm，反射空腔长度为1mm，而上表面与下表面为镜面反射面，端面为散射反射面的条件下进行测试。由图11与图12可知，当上反射面或下反射面采用多段斜率反射面，同样可以得到高耦光效率。其中，图5B与图5C的结构可以得到的70～75％的耦光效率，而图5A的结构的耦光效率较差，但仍在达到65％以上。

由上述的测试结果可知，本发明的耦光元件的耦光效率可达到约70％左右，其可约等于或甚至高于现有文献中的耦光效率。

接着，请参照图14A与图14B，其分别为未配置有扩光板与配置有扩光板的耦光元件的照度关系图。如图14A所示，未配置有扩光板的耦光元件的相对照度分布不均匀；如图14B所示，配置有扩光板的耦光元件的相对照度均匀性可高达约80％左右。由图14A与图14B的比较可知，配置在反射空腔中的扩光板有助于改善导光板前端亮暗带辉度不均匀，以及提升导光板的发光均匀性。

综上所述，本发明的耦光元件可通过反射空腔，以提高耦光效率。因此，本发明的耦光元件可应用在薄型导光板或是可卷曲导光板上，以避免耦光效率不高而造成导光板发光辉度不足问题。而且，本发明的耦光元件的反射空腔中还可进一步配置扩光板，如此可将LED光源扩光，进而可改善导光板前端亮暗带辉度不均匀现象。另一方面，本发明的耦光元件结构，可将导光板嵌入反射空腔内部，如此还可以避免因光源与导光板产生对位误差，而导致耦光效率下降的问题。

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，任何熟悉此项技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作一些的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (36)

1.一种耦光元件，包括：

反射空腔，该反射空腔具有一开口，且该反射空腔包括上表面、下表面、第一侧面、第二侧面以及对应该开口的一端面；

至少一光源，配置在该端面处；以及

导光板，该导光板的侧面与该开口接合，且该导光板厚度小于该光源厚度。

2.如权利要求1所述的耦光元件，其中该上表面与该下表面为镜面反射面。

3.如权利要求2所述的耦光元件，其中该第一侧面的反射特性为镜面反射面或散射反射面。

4.如权利要求2所述的耦光元件，其中该第二侧面的反射特性为镜面反射面或散射反射面。

5.如权利要求2所述的耦光元件，其中该端面的反射特性为镜面反射面或散射反射面。

6.如权利要求1所述的耦光元件，其中该上表面包括平面、弧面或是多段斜率面。

7.如权利要求1所述的耦光元件，其中该下表面包括平面、弧面或是多段斜率面。

8.如权利要求1所述的耦光元件，其中该光源可配置于该反射空腔外部，且位于该端面上，而该端面具有可使该光源的光线入射的开口。

9.如权利要求1所述的耦光元件，其中该光源可配置于该反射空腔内部，且位于该端面一侧。

10.如权利要求1所述的耦光元件，其中该光源可配置于该端面上，且部分该光源位于该反射空腔外部。

11.如权利要求1所述的耦光元件，其中可利用一体式封装方式在该光源之间的填充具有散射反射性的物质以替代该端面。

12.如权利要求1所述的耦光元件，其中该导光板可进一步嵌入该反射空腔内部。

13.如权利要求1所述的耦光元件，其中该反射空腔的最大厚度实质上与该光源厚度相等。

14.如权利要求1所述的耦光元件，其中该光源为发光二极管光源。

15.如权利要求1所述的耦光元件，更包括：

扩光板，配置在该反射空腔中，且邻接该光源的该扩光板的一侧具有第一粗糙面，该扩光板的另一侧具有第二粗糙面。

16.如权利要求15所述的耦光元件，其中该第一粗糙面为凹陷部、凸出部、涂布微粒子的表面、雾化表面或其组合。

17.如权利要求16所述的耦光元件，其中该凹陷部包括矩形凹槽、梯形凹槽、圆弧形凹槽、V形凹槽或其组合。

18.如权利要求16所述的耦光元件，其中该凸出部包括矩形柱、梯形柱、圆弧形柱、V形柱或其组合。

19.如权利要求15所述的耦光元件，其中该第二粗糙面为一凹陷部、一凸出部、涂布微粒子的表面、雾化表面、次波长抗反射表面或其组合。

20.如权利要求19所述的耦光元件，其中该凹陷部包括矩形凹槽、梯形凹槽、圆弧形凹槽、V形凹槽或其组合。

21.如权利要求19所述的耦光元件，其中该凸出部包括矩形柱、梯形柱、圆弧形柱、V形柱或其组合。

22.如权利要求15所述的耦光元件，其中扩光板为透明材料板。

23.如权利要求22所述的耦光元件，其中该透明材料板的材质包括聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。

24.如权利要求15所述的耦光元件，其中该上表面与该下表面为镜面反射面。

25.如权利要求24所述的耦光元件，其中该第一侧面的反射特性为镜面反射面或散射反射面。

26.如权利要求24所述的耦光元件，其中该第二侧面的反射特性为镜面反射面或散射反射面。

27.如权利要求24所述的耦光元件，其中该端面的反射特性为镜面反射面或散射反射面。

28.如权利要求15所述的耦光元件，其中该上表面包括平面、弧面或是多段斜率面。

29.如权利要求15所述的耦光元件，其中该下表面包括平面、弧面或是多段斜率面。

30.如权利要求15所述的耦光元件，其中该光源可配置于该反射空腔外部，且位于该端面上，而该端面具有可使该光源的光线入射的开口。

31.如权利要求15所述的耦光元件，其中该光源可配置于该反射空腔内部，且位于该端面一侧。

32.如权利要求15所述的耦光元件，其中该光源可配置于该端面上，且部分该光源位于该反射空腔外部。

33.如权利要求15所述的耦光元件，其中可利用一体式封装方式在该光源之间的填充具有散射反射性的物质以替代该端面。

34.如权利要求15所述的耦光元件，其中该导光板可进一步嵌入该反射空腔内部。

35.如权利要求15所述的耦光元件，其中该反射空腔的最大厚度实质上与该光源厚度相等。

36.如权利要求15所述的耦光元件，其中该光源为发光二极管光源。

Images