CN101424767B - 导光膜片 - Google Patents

Abstract

一种导光膜片包括一本体与一光扩散结构。光扩散结构包括多个微凹透镜沿一第一方向以及一第二方向排列成一二维数组，该等微凹透镜以及该等微凹透镜的连接处的曲率皆不为0。光扩散结构位于本体厚度方向的表面，来自一光源的光线透过光扩散结构后，折射进入该本体的内部而进行光的传递。

Description

导光膜片

技术领域

本发明是涉及一种导光膜片(Lightguidingfilm)，特别是涉及一种可将光线直接从膜片表面导入膜片内部，使光线沿着内部传递的导光膜片。

背景技术

一般中小尺寸的背光源，包括手机、PDA、数字相机等，均采用侧光导光式的背光模块为主，由于小尺寸要求轻薄短小甚至是可挠曲化，薄型化是产品设计的趋势，背光源组也是不断的缩减其厚度，超薄的导光膜为目前各国技术发展的主要着眼点，市面上充斥许多低效率或无效的导光膜产品，仅提供光扩散、反射或部分光耦合的效果，无法有效将光源导入膜片中，另外受限于产品价值，如何以简易的方法，制造出膜片厚度<500um的超薄导光膜片，首先要解决的是光如何导入到薄的膜片中，传统导光厚板由于有较大面积截面，可以利用侧光引入的方式，光源与膜片方向平行，光线经过界面自然会耦合进入膜片，在膜片中传递，另外光源上，CCFL冷阴极管发出光束的光型较为发散，LED光束光型较为集中，所以LED所使用的导光板可以较薄，不过当光束大小超过膜片厚度时，就无法直接将LED耦光入膜片，只能使用强迫耦光与聚焦等较为复杂高成本的手段处理，很难实现物美价廉的超薄型导光膜片。

一般导光板所见的导光方式如美国专利US6259854所示，由厚导光板侧边截面方向导入光源，光线引入后在导光板内进行全反射，光线的引出则是利用楔型板加表面网点印刷等方式或平板搭配表面光学微结构布局等，当导光板厚度小于光源范围时，光线就很难导入导光板中，需通过其它的设计来将光导引至膜片当中。公知技术SID‘03DIGEST,2003,p1259-1261公开了一种利用膜片转折的方式，将光源由膜片背后侧面引入，经过反射后将光组件间接导入正面的膜片，这样的设计会增加封装的复杂度与光能量的损耗，US2006/0262564则利用皇冠型的LED光学帽子，将LED发出的光折射成进入膜片的截面，通过底部传导后再反射到正向的光学出光膜片，这样的设计非但无法降低背光模块厚度，更会增加复杂性与成本。美国专利US5883684为完全包覆型的侧光式导光膜片，以反射层将光源强迫反射到膜片当中，光线在这样的反射折射中会大量损耗能量，在散热与效率上会有影响。美国专利公开案US2005/0259939为将导光膜片弯曲，光线还是由膜片的截面进入，再曲折到表面的膜片发光层，这样的设计会除了在封装上的问题外，并未解决光线如何进入较薄膜片的问题。美国专利公开案US2004/061440为薄型导光膜的专利图形，将LED装置在膜片表面，利用遮光与反射层将光线行进方向压缩与膜片平行，光线在膜片的上方前进，遇到表面的网点等结构再改变方向，发散出来，这样的设计可以将膜片薄型化，不过并不是直接将光线耦合到膜片里面，所以当膜片弯曲时，光线就无法沿着膜片表面前进，表面的光学设计就会失效，而日本专利公开案JP2000249837利用taper(逐渐变小)的方式，将侧光渐渐导入较薄的膜片中，这样的技术效率会因为背向反射而大幅损失光亮度并且需要较长的耦合距离，美国专利公开案US2004/202441将导光板中间制作出一个缺口与光源结合，基本上还是利用膜片的截面将光源导入膜片当中，当导光板厚度变薄时，同样会遇到耦光的问题，期刊AppliedOpticsApril2006Vol.45No.12与OpticsExpress2008March2007/Vol.15No.5公开了利用绕射光学的方式，利用细微的光栅，将垂直入射膜片的光线，经由绕射，光行进方向转换成与膜片平行，将光耦合至膜片当中，这样的光栅设计需要很复杂的光学设计与高精度的光栅加工技术，耦合效率很容易随精度的差异而不同，因此很难利用到商业生产中。

发明内容

因此，本发明目的在于提供一种光学微结构，在导光膜片的厚度远小于光源尺寸的情况下，直接由膜片表面(厚度方向)将光耦合至导光膜片的构造。

本发明利用微光学结构与光导原理，将LED光源直接由膜片表面耦合到导光膜片内，导光膜片厚度由100um-500um之间，过程不需要对位(alignment)或聚光(concentration)，仅需近距离将光源直接照射在光扩散的微结构，即可以透过微结构折射后角度的控制，将光线引入塑料薄片当中。

本发明的导光膜片的一较佳实施例包括一种导光膜片，包括：

一本体，具有一与空气交界的第一面、一与该第一面相对的第二面、以及一边缘；

一光扩散结构，形成于该第一面上，该光扩散结构包括多个微凹透镜沿一第一方向以及一第二方向排列成一二维数组，且所述微凹透镜的镜面以及所述微凹透镜彼此的连接处的曲率皆不为0；

其中来自一光源的光线由空气通过该光扩散结构后产生光的扩散并进入该本体，扩散后的光线到达所述第二面产生反射，由所述第二面反射后的光线到达所述第一面时产生全反射，然后不断地在该本体的内部产生全反射而进行传递，光线从该边缘射出，且光线入射于该本体的方向与该光线在该本体中传递的方向是大体上垂直。

在上述较佳实施例中，所述的导光膜片还包括一反射件，设于该本体附近，光线经由该反射件反射通过该光扩散结构至该本体内部而产生全反射而进行传递。

在上述较佳实施例中，该本体还具有一第二面，当光线从该第一面入射并通过该光扩散结构时，该反射件是朝向该第二面设置。

在上述较佳实施例中，该本体还具有一第二面，光线从该第一面入射并通过该光扩散结构，并在该本体的内部产生全反射而进行传递。

在上述较佳实施例中，光源与膜片方向互为垂直或倾斜。

在上述较佳实施例中，该第一方向与该第二方向是大体上垂直。

在上述较佳实施例中，每一微凹透镜的宽度与深度的比值是小于2。

在上述较佳实施例中，该微凹透镜的深度是小于该导光膜片的厚度。

在上述较佳实施例中，所述的导光膜片还包括一出光结构，设于该第一面或该第二面，在该本体内传递的光线经由该出光结构而传递至该导光膜片的外部。

在上述较佳实施例中，该导光膜片的材质为透明与半透明高分子聚合物，所述透明与半透明高分子聚合物包括聚碳酸酯(Polycarbonate)PC、PET、COP、COC、PE、PP、PES、PI、PMMA、或PS。

在上述较佳实施例中，该光扩散结构用一模具以热压法或射出法形成于该本体上。

在上述较佳实施例中，该导光膜片的厚度是小于1毫米且大于200微米。

本发明提供的导光膜片可以以简单、有效地方法，在导光膜片的厚度远小于光源尺寸的情况下，直接由膜片表面(厚度方向)将光耦合至导光膜片，使光线沿着内部传递。

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1为本发明的导光膜片的一实施例的示意图。

图2为本发明的导光膜片上所形成的光扩散结构的示意图。

图3为本发明的导光膜片的另一实施例的示意图。

图4为本发明的导光膜片的另一实施例的示意图。

图5为本发明的导光膜片的另一实施例的示意图。

图6、7是说明微凹透镜对光线的扩散以及产生全反射的关系，其中图6表示球面凹透镜的情况，图7表示非球面透镜的情况。

图8为本发明的高曲率微凹透镜数组SEM结构图。

图9为光线从微结构面入射ELDIM光型分布图。

图10为光线从微结构面另一面入射的ELDIM光型分布图。

图11表示将此微透镜结构直接经由热压等转印方式制作在一般PC膜片表面一部份区域。

图12表示将激光光源置于入射光区。

图13为图11的暗态图。

图14为以白光LED对图11的构造进行实验的结果。

图15为将图11的构造制作一出光结构，然后使用红光激光的出光状态的图。

图16为使用白光LED照射图15的构造的图。

图17为本发明导光膜弯曲的照片(光线可以随着膜片弯曲而弯曲发光)。

图18为本发明导光膜表面刻字后弯曲发亮的照片。

其中，附图说明

1、2～光束

5～光源

10～本体

20～反射件

30～光扩散结构

32～微凹透镜

100～导光膜片

L1～第一方向

L2～第二方向

θ1，θ2～平行1、2光入射角

θr1，θr2～光束1、2平行光折射角

α1，α2～光束1、2过圆心的视角

θv1，θv2～光束1、2折射后的视角

β1、β2～光束1、2实际入射角

α1、α2～入射点与中心点联机所形成的夹角

具体实施方式

本发明的导光膜片的一实施例如图1所示，导光膜片100包括一本体10。本体10包括一第一面12以及一第二面14。一光扩散结构30形成于第一面12上。来自光源5的光线A照射至光扩散结构30后，产生光的扩散，扩散后的光线B到达第二面14时使光线产生反射，由第二面14反射的光线C到达导光膜片100与空气的交界面时，大部分的光线的入射角大于全反射的临界角θc而产生全反射，然后经由不断地全反射而在本体10的内部传递。如此光线可以从导光膜片100的正面导入，而导入的光线同样可以导光膜片100为介质而传递，其传递方向与光线入射方向大体上为垂直。

光扩散结构30在本实施例中为多个微凹透镜32沿一第一方向L1以及一第二方向L2排列成二维的数组，如图2所示，此构造可以用激光拖拉法制成，使每个为凹透镜32的镜面上以及两微凹透镜32彼此相接处的曲率均不为零。

临界角θc则与导光膜片100的材质有关，一般而言，导光膜片100是以聚碳酸酯(Polycarbonate)形成，聚碳酸酯的折射率n1＝1.59，而空气的折射率为n2＝1，θc＝arcsin(n2/n1)，如此在导光膜片100以聚碳酸酯制成的情况下，θc＝38.97度。

图3为本发明的导光膜片的另一实施例的示意图，与图1的实施例不同之处在于本实施例在第二面14上设置一反射件20，可将所有到达第二面14的光线反射，反射后的光线在第一面12产生全反射，之后经由不断地全反射而在本体10的内部传递。

图4为本发明的导光膜片的另一种配置，反射件20是朝向第一面12上的光扩散结构30，在此实施例中，来自光源5的光线A从第二面14进入本体后穿透光扩散结构30而由反射件20反射，反射后的光线B再度通过光扩散结构30而产生光的扩散，扩散后的光线C到达导光膜片100与空气的接口时，产生全反射，之后经由不断地全反射，使光线在本体10中传递。

以下针对微凹透镜对光线的扩散以及产生全反射的关系做一说明。由空气进入聚碳酸酯(n1＝1n2＝1.59)依照全反射关系式，光线在聚碳酸酯中传递的临界角度为38.97°。

图5为本发明的导光膜片的另一种配置，光源5是配置成与第一面12呈一倾斜的角度。当然此种配置会造成在某一方向光量分布强度较大，而其它方向较弱。

图6为微凹透镜是半球面的情况，θ1，θ2：光束1，2平行光入射角

θr1，θr2：光束1，2平行光折射角

α1，α2：光束1，2过圆心的视角

θv1，θv2：光束1，2折射后的视角

平行光源进入凹面镜，由于是半圆，入射光切面法线方向为焦点，以垂直圆心方向为0度角，恰为法线的视角，分别为α1与α2，两道光束位置分别为入射角为θ1与θ2，折射角为θr1与θr2，光线经折射后相对于视角的角度为θv1与θv2，关系式如下n1sinθ1＝n2sinθr1

α1＝θ1

θv1＝α1－θr1

当θ1为36.8°时θr1为22.1°

θv1＝45°－26.4°＝14.7°<38.97°临界角，光线折射后并不会全反射传递。

θ2为52.9°时经计算θr2＝30.1°。

θv2＝22.8°<38.97°临界角，光线仍不会全反射传递。

理论上入射角度要超越77°后才会产生足以全内反射的光线角度，不过在此角度光线折射进入材料的量非常少，所以球面镜，能导入的光线进入材料全反射的效率很差。

图7表示为非球面(椭圆面、抛物面或双曲面)的微凹透镜的情况。

β1、β2：光束1,2实际入射角

相同的参数下，非球面椭圆凹面镜定义深度为b，口径为a/2，偏心量定义为e＝(1-(A/2)²/B²)^1/2

当A：B＝1：1所产生椭圆图形e＝0.86

由于是椭圆β1>θ1

同样两道平行光束入射角为β1与β2，β1：56.3°，β2：72.4°，入射点与中心点联机所形成的夹角为α1与α2，依照Snell’slaw

sinβ1＝1.59sinθr1

θv1＝β1-θr1为24.7°，θv2＝β2-θr2为35.5，非常接近38.97临界角，进一步逆向推算如果θv3为38.97时，β(critical)约为77度，光线在椭圆高角度凹面镜结构较易达到全反射角度所需的角度，a/b值越小偏心度越大效率越高。

当入射光线非平行光时，图7的光线产生偏折角度ω12°，β2由原先的72.4°减为60.4，经过折射计算，θr1＝33.1°，θv1＝β1-θr1＝39.3°就可超越全反射角。

从以上的分析可知，A/B(微凹透镜的宽度与深度的比值)至少要小于2才能得到较高的光利用的效率。

图8为本发明在透明PC(聚碳酸树脂)500um厚度的膜片上所完成的高曲率微凹透镜数组SEM结构图，图9为ELDIM光型分布图，可以见到，在视角>45度以后有很高的亮度分布，即，当光线入射此结构时，会大量折射到45度角后，膜材为PC，折射率为1.59，经过snell’slaw计算，与空气界面的全反射角为38.97度，超过此反射角，光线就会在PC膜片全反射前进。

图10为光线由结构的另一面入射，会将光线集中，并不会因为二次反射而将光型改变，图11将此微透镜结构直接经由热压等转印方式制作在一般PC膜片表面一部份区域形成入光区，例如使用一模具以热压的方式在PC膜片的表面形成入光区，入光区结构面朝上，相对于入光区的膜片背面置于一反射片，图12将激光光源置于入射光区，可以见到光线由膜片边缘发散出来，图13为暗态，可以清楚的见到由膜片边缘发亮，可见光源经由全反射传递，进入PC膜片中，图14一同样以白光LED进行实验结果，图15，在PC膜片上划出缺陷(出光结构)，光线行进时会碰到缺口处，破坏全反射，而引出光线，同样的图16利用白光LED也有一样的效果。图17为本发明导光膜弯曲的照片(光线可以随着膜片弯曲而弯曲发光)。图18为本发明导光膜表面刻字后弯曲发亮的照片。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的为准。

Claims (11)

1.一种导光膜片，包括：

一本体，具有一与空气交界的第一面、一与该第一面相对的第二面、以及一边缘；

一光扩散结构，形成于该第一面上，该光扩散结构包括多个微凹透镜沿一第一方向以及一第二方向排列成一二维数组，且所述微凹透镜的镜面以及所述微凹透镜彼此的连接处的曲率皆不为0；

其中来自一光源的光线由空气通过该光扩散结构后产生光的扩散并进入该本体，扩散后的光线到达所述第二面产生反射，由所述第二面反射后的光线到达所述第一面时产生全反射，然后不断地在该本体的内部产生全反射而进行传递，光线从该边缘射出，且光线入射于该本体的方向与该光线在该本体中传递的方向是大体上垂直。

2.根据权利要求1所述的导光膜片，其特征在于，还包括一反射件，设于该本体附近，光线经由该反射件反射通过该光扩散结构至该本体内部而产生全反射而进行传递。

3.根据权利要求2所述的导光膜片，其特征在于，该本体还具有一第二面，当光线从该第一面入射并通过该光扩散结构时，该反射件是朝向该第二面设置。

4.根据权利要求1所述的导光膜片，其特征在于，该本体还具有一第二面，光线从该第一面入射并通过该光扩散结构，并在该本体的内部产生全反射而进行传递。

5.根据权利要求1所述的导光膜片，其特征在于，光源与膜片方向互为垂直或倾斜。

6.根据权利要求1所述的导光膜片，其特征在于，该第一方向与该第二方向是大体上垂直。

7.根据权利要求1所述的导光膜片，其特征在于，每一微凹透镜的宽度与深度的比值是小于2。

8.根据权利要求1所述的导光膜片，其特征在于，该微凹透镜的深度是小于该导光膜片的厚度。

9.根据权利要求1所述的导光膜片，其特征在于，还包括一出光结构，设于该第一面或该第二面，在该本体内传递的光线经由该出光结构而传递至该导光膜片的外部。

10.根据权利要求1所述的导光膜片，其特征在于，该导光膜片的材质为透明与半透明高分子聚合物，所述透明与半透明高分子聚合物包括聚碳酸酯(Polycarbonate)PC、PET、COP、COC、PE、PP、PES、PI、PMMA、或PS。

11.根据权利要求1所述的导光膜片，其中该光扩散结构用一模具以热压法或射出法形成于该本体上。