CN101470301A

CN101470301A - 复合导光膜模块

Info

Publication number: CN101470301A
Application number: CNA2007103063623A
Authority: CN
Inventors: 赵志强; 萧柏龄; 曾宇璨; 赖美君
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: CN101470301B

Abstract

一种复合导光膜模块，包括一导光膜片、一光扩散结构以及一光学折射件。其中光扩散结构，设置于导光膜片的表面，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，这些微凹透镜的镜面以及这些微凹透镜彼此的连接处的曲率都不为0，光学折射件包括至少一光学折射结构。来自一光源的光线通过光学折射件后，并再通过光扩散结构后而进入导光膜片，在导光膜片的内部产生全反射而进行传递。

Description

复合导光膜模块

技术领域

本发明是涉及一种复合导光膜模块，特别是有关于一种结合多个光学组件而使光线直接从导光膜片表面导入膜片内部，使光线沿着内部传递的复合导光膜模块。

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，由于小尺寸追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<300um的超薄导光膜片，首先要解决的是光如何有效的导入到薄的膜片中，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光束光型较为集中在0度角，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。先前由本发明的发明人所提出的专利申请案96137232『导光膜片』是利用膜片表面的微结构，直接将光线由表面引入透明膜片中，使得薄膜可以直接导光，而不需复杂的处理手段，不过由于光源直接穿透膜片表面，有部份的光穿透或散射损失。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种复合导光膜模块，通过一折射件先使光线偏折，然后再导入膜片，如此可以使光线入射膜片的角度增大，而增加进入膜片的光量。

本发明的复合导光膜模块的一较佳实施例包括一导光膜片、一光扩散结构以及一折射件。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，这些微凹透镜的镜面以及这些微凹透镜彼此的连接处的曲率皆不为0，折射件包括至少一折射结构。所述折射件是设置于所述导光膜片的上方。来自一光源的光线通过折射件后，并再通过光扩散结构进入导光膜片，在导光膜片的内部产生全反射而进行传递。

在上述较佳实施例中，折射结构包括至少一个微凹透镜，来自光源的光线通过所述微凹透镜而折射之后，再进入导光膜片。折射结构的该微凹透镜是面向光扩散结构的该微凹透镜设置。

在上述较佳实施例中，折射结构包括至少一个微凸透镜，来自光源的光线通过该微凸透镜而折射之后，再进入导光膜片。

在上述较佳实施例中，折射结构包括至少一个棱镜，来自光源的光线通过该棱镜的折射之后，再进入导光膜片。

本发明利用高曲率的椭圆凹面透镜、凸面透镜与棱形透镜等多层多次折射原理，以多次折射的方式，将光线偏折调整成适当的角度，进入导光膜片表面的微结构当中，以直下式模片堆栈的概念，来应用在侧光式的导光膜片当中，可以有效将光源导入<300um厚度的透明膜片当中，而不需要对位与复杂的装置设计。

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，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1、2是光线通过微凹透镜结构的示意图。

图3为本发明的复合导光膜模块的示意图。

图4为本发明的光扩散结构的示意图。

图5为本发明的另一实施例的示意图。

图6为折射结构为微凸透镜面向光源设置的光路图。

图7为折射结构为微凹透镜面向光源设置的光路图。

图8为将图7的所述微凹透镜反转朝向光扩散结构设置的光路图。

图9为折射结构为棱镜面向光源设置的光路图。

图10为光源斜射出光线的复合导光膜模块的示意图。

其中，主要组件符号说明：

1、2、4～光束

5～光源

10～导光膜片

12～第一面

14～第二面

30～光扩散结构

32～微凹透镜

40、40’～折射件

41、41’～折射结构

42～微凸透镜

42’～棱镜

100～导光膜模块

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

a/2～微凹透镜孔径

b～微凹透镜深度

ω～偏折角度

A、B、C～光线

具体实施方式

本发明的复合式导光膜模块主要是在一导光膜片的上方设置一折射件，光线经过该折射件之后，产生较大的入射角度，使光线进入射导光膜片后在导光膜片中做全反射，而光线的入射角度越大，会使光线在导光膜片中全反射传递的光量增加，减少光线因穿透与散射的损失，以下是相关的分析。

图1、2是光线通过微凹透镜结构的示意图。

图1为光线通过半球面微凹透镜的情况。

1，2：光束

a/2：微凹透镜孔径

b：微凹透镜深度

n1：空气折射率

n2：微凹透镜折射率

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1，2进入微凹透镜，由于是半球形a/2＝b，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，依据Snell’s law产生关系式如下：

n1×sinθ1＝n2×sinθr1

且α1＝θ1

θv1＝α1—θr1

在一实施例中，光线由空气进入聚碳酸酯(PC，Polycarbonate)制成的半球面微凹透镜，此时，n1＝1，n2＝1.59，因此：

当θ1为36.8°时，θr1为22.1°

θv1＝36.8°—22.1°＝14.7°

而临界角θc的计算公式为：θc＝arcsin(n2/n1)

经计算后θc＝38.97°，因此θv1<θc，光线折射后并不会全反射传递。

同理，当θ2为52.9°时，θr2＝30.1°，θv2＝22.8°

θv2<θc，光线折射后仍不会全反射传递。

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，所以半球面凹透镜能导入的光线进入材料全反射的效率很差。

图2表示为光线通过非球面(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

在相同的参数下，非球面椭圆凹透镜定义深度为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

由于是非球面的椭圆凹透镜，因此β1>θ1＝α1，，入射点与中心点联机所形成的夹角为α1与α2。

在一实施例中，光线由空气进入聚碳酸酯(PC，Polycarbonate)制成的非球面椭圆微凹透镜，此时，n1＝1，n2＝1.59，同样两道平行光束入射角为β1＝56.3°与β2＝72.4°，依照Snell’s law：

1×sinβ1＝1.59×sinθr1

θv1＝β1-θr1为24.7°，θv2＝β2-θr2为35.5°，非常接近θc＝38.97°的临界角，进一步逆向推算如果θv3为38.97°时，βc约为77°，由此可知平行光线在椭圆凹透镜结构较易达到进入材料形成全反射所需的角度，a/b值越大、偏心量越大效率越高。

当入射光线非垂直于导光膜时，如光线4相对于导光膜的入射面产生一偏折角度ω＝12°，β4则为原先平行光束入射角的β2＝72.4°减为60.4°，经过折射计算，θr4＝33.1°，θv4＝β4-θr4＝39.3°就可超越全反射角。

如此，由以上的分析可知，光线入射导光膜时，若光线相对于导光膜的入射面产生较大的偏折角度，会有较多的光线满足在界面的入射角大于全反射临界角度而进入导光膜。

因此，本发明的复合式导光膜片是在原有的导光膜片上再设置一折射件，使来自光源的光线经由折射件上的结构的偏折，以一倾斜角度入射于导光膜片，如此可以增加在导光膜片中以全反射的形式传递的光量。以下说明本发明的复合导光膜模块的构造。

图3为本发明的复合导光膜模块的示意图。复合导光膜模块100包括一导光膜片10以及一折射件40。导光膜片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通过折射件40的偏折后，再通过光扩散结构30而产生光的扩散，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到达第一面12与空气的交界面时，大部分的光线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导光膜片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。

折射件40在本实施例中为一折射片，在折射片的表面具有至少一折射结构41，由多个微凸透镜42所构成，光线A通过微凸透镜42后行进方向产生偏折，因而在进入光扩散结构30之前，光线的行进方向会与第一面12成一倾斜的角度，使进入导光膜片10后能产生全反射传递的光量增加。

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4所示，此构造可以用激光拖拉法制成，使每个微凹透镜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，第一方向L1与第二方向L2是大体上垂直，每一微凹透镜的宽度与深度的比值是大于2，微凹透镜的深度是小于该导光膜片的厚度。

图5为本发明的另一实施例的示意图。在本实施例中折射件40’包括至少一折射结构41’，在折射结构41’上形成多个棱镜42’，光线A通过棱镜42’也可以产生光的偏折。

除了上述二实施例之外，折射结构上也可形成多个凹透镜，或在折射结构中分布颗粒状的物体，以便使通过折射件的光线改变行进方向。

另外，在上述实施例中的折射件仅包括一折射结构，但是也可以使用多层折射结构或是多折射件重迭，使光线入射导光膜片10的角度更大。

在本实施例中，折射件是设置于该导光膜片的上方，要说明的是，折射件具有的折射结构是可面向于光源或是面向于导光膜片上的光扩散结构设置。图6为折射结构为微凸透镜面向光源设置的光路图。图7为折射结构为微凹透镜面向光源设置的光路图。图8为将图7的微凹透镜反转朝向光扩散结构设置的光路图。图9为折射结构为棱镜面向光源设置的光路图。

图10为光源倾斜射出光线的复合导光膜模块的示意图，相对于图2的光源垂直射出光线，将光源倾斜以得到较大的入射角度，倾斜光源散发的倾斜光线经由折射件折射后，透过光扩散结构而进入导光膜片中，进行光的全反射传递。

表1为使用650nm红光激光做为光源，在具有光扩散结构的导光膜片上再加上一层光折射件，以亮度作为依据，请看倒数第二栏，导光膜功率增加倍率，以无光扩散结构的膜片为对象所量到的亮度值为1(当作基准)，在具有光扩散结构的膜片上所量到的亮度值为6.6，另外在最后一栏「模块功率增加倍率」则是指增加折射件之后所量到的亮度的对比关系，以未设置折射件的膜片所量到的亮度值为1，其余则是有加光折射件的膜片所量到的亮度值较佳可达没有加光折射件的约1.8倍，可以明显地看出，有加光折射件的膜片具有较大的亮度。

可在该导光膜片第一面或该第二面上设置一出光结构，在该导光膜片内传递的光线经由该出光结构而折射至该导光膜片的外部。出光结构可为微镜片、逆棱镜、网点与孔洞结构或使表面变得粗糙而可以使光线穿透出的结构。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，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者为准。

表1

650nm红光激光(功率2mW)	0.254mmPC结构导光膜片(A)	微凹面阵列透镜元件(B)	微凸面阵列透镜元件(C)	扩散膜(T90％，haze88％)(D)	Prismsheet(E)	激光平均功率值(W)	导光膜功率增加倍率	模组功率增加倍率
650nm红光激光(功率2mW)	0.254mmPC结构导光膜片(A)	微凹面阵列透镜元件(B)	微凸面阵列透镜元件(C)	扩散膜(T90％，haze88％)(D)	Prismsheet(E)	激光平均功率值(W)	导光膜功率增加倍率	模组功率增加倍率	无光源背景值(暗室)	-				2.4×10^-6
无结构PC膜片	No					1.2×10^-6	1		无光源背景值(暗室)	-				2.4×10^-6
无结构PC膜片	No					1.2×10^-6	1		单片有结构导光膜	Yes				7.9×10^-6	6.6	1
复层结构(无对位)									单片有结构导光膜	Yes				7.9×10^-6	6.6	1
复层结构(无对位)									(A)+(B)	Yes	微结构朝下			12.2×10^-6		1.5
(A)+(B)	Yes	微结构朝上				9.1×10^-6		1.1	(A)+(B)	Yes	微结构朝下			12.2×10^-6		1.5
(A)+(B)	Yes	微结构朝上				9.1×10^-6		1.1	(A)+(C)	Yes		微结构朝上		14.1×10^-6		1.8
(A)+(D)	Yes			Yes		11.4×10^-6		1.4	(A)+(C)	Yes		微结构朝上		14.1×10^-6		1.8
(A)+(D)	Yes			Yes		11.4×10^-6		1.4	(A)+(E)				Yes	14.3×10^-6		1.8

Claims

1.一种复合导光膜模块，包括：

一导光膜片；

一光扩散结构，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，这些微凹透镜的镜面以及这些微凹透镜彼此的连接处的曲率都不为0；以及

一折射件，包括至少一折射结构；

其中来自一光源的光线通过所述折射件后，并再通过所述光扩散结构后而进入所述导光膜片，在所述导光膜片的内部产生全反射而进行传递。

2.根据权利要求1所述的复合导光膜模块，其中所述折射件是设置于所述导光膜片的上方。

3.根据权利要求1所述的复合导光膜模块，其中所述折射结构包括至少一个微凹透镜，来自所述光源的光线通过所述微凹透镜而折射之后，再进入所述导光膜片。

4.根据权利要求2所述的复合导光膜模块，其中所述折射结构是面向所述光源或面向所述光扩散结构设置。

5.根据权利要求1所述的复合导光膜模块，其中所述折射结构包括至少一个微凸透镜，来自所述光源的光线通过所述微凸透镜而折射之后，再进入所述导光膜片。

6.根据权利要求1所述的复合导光膜模块，其中所述折射结构包括至少一个棱镜，来自所述光源的光线通过所述棱镜而折射之后，再进入所述导光膜片。

7.根据权利要求1所述的复合导光膜模块，其中所述导光膜片具有一第一面以及一第二面，所述光扩散结构是形成于所述第一面上，光线入射透过所述光扩散结构而进入所述导光膜片，并在所述导光膜片的内部产生全反射而进行传递。

8.根据权利要求7所述的复合导光膜模块，其中从所述光源发出的光线的行进方向与所述第一面互为垂直或倾斜。

9.根据权利要求1所述复合导光膜模块，其中所述第一方向与所述第二方向是大体上垂直。

10.根据权利要求1所述的复合导光膜模块，其中每一微凹透镜的宽度与深度的比值是大于2。

11.根据权利要求1所述的复合导光膜模块，其中所述微凹透镜的深度是小于所述导光膜片的厚度。

12.根据权利要求7所述的复合导光膜模块，其更包括一出光结构，设于所述第一面或所述第二面，在所述导光膜片内传递的光线经由所述出光结构而折射至所述导光膜片的外部。

13.根据权利要求1所述的复合导光膜模块，其中光线入射于所述导光膜片的方向与所述光线在所述导光膜片中传递的方向是大体上垂直。

14.根据权利要求1所述的复合导光膜模块，其中所述折射件可为多层折射结构。

15.根据权利要求1所述的复合导光膜模块，其中所述折射件可为多折射件重迭。