CN102109101B - 面型光源模块以及光学膜片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了面型光源模块以及光学膜片。该面型光源模块包括导光板、光源、光学膜片以及反射片。导光板具有一侧向入光面、一底面与一出光面。光源配置于侧向入光面旁，光源适于提供一光线，光线从侧向入光面进入导光板，并以一出射角θ1从出光面离开导光板，且出射角θ1≥70度。光学膜片配置于导光板的出光面上方以将来自于导光板的光线导直。光学膜片包括一棱镜层组以及一接合层组，棱镜层组包括有多个棱镜层，各个棱镜层分别具有多个往远离导光板的方向突出的微棱镜，而接合层组包括至少一接合层，棱镜层与接合层交替地堆栈，而各个接合层分别与二相邻棱镜层接合，且棱镜层的折射率大于接合层的折射率。反射片配置于导光板的底面下方。
Description
技术领域
本发明是有关于一种面型光源模块以及光学膜片，且特别是有关于一种高准直面型光源模块(highly collimated planar light source module)以及光学膜片。
背景技术
液晶显示器为国内目前最热门产业之一，该产品的应用广泛，包含手机、个人数字助理、车用显示器、笔记型计算机的屏幕、桌上型计算机的屏幕以及液晶电视(LCD-TV)等。由于薄膜晶体管液晶显示器为非自发光型(non-emission)显示器，除了控制画面显示的液晶面板外，仍需要外加背光模块以提供平面光源。一般常见的背光模块可以概略地分为直下式背光模块以及侧面入光式背光模块，其中又以侧面入光式背光模块最为普及。
图1为现有侧面入光式背光模块的示意图。请参照图1，现有的侧面入光式背光模块100包括一导光板110、一光源120、一下扩散板(Diffuser)130、一棱镜片(Prism sheet)140、一棱镜片150、一上扩散片160以及一反射片170，其中棱镜片140上的微棱镜的延伸方向与棱镜片150上的微棱镜的延伸方向相互垂直。从图1可知，除了导光板110、光源120以及反射片170之外，总共使用了四块光学膜片(即下扩散板130、棱镜片140、棱镜片150以及上扩散片160)，其中棱镜片140、150的主要功用是将光线导直，具有集光增亮效果，而扩散片130、160则具有使光线扩散、均匀化等功能，可减少亮度(辉度)不均匀性并遮蔽光学缺陷，如迭纹(Moire pattern)。在现有的侧面入光式背光模块100中，由于所需使用到的光学膜片的数量众多，因此制造成本难以有效降低，且容易导致侧面入光式背光模块100的厚度不易减低。
然而，液晶显示器对于背光模块的光线利用率仅6％~10％，若能改善光线利用率，则能大幅降低耗电量并且延长电子产品的使用时间。为了提升液晶显示器对于背光模块的光线利用率，已有诸多专利文献提出解决之道，如日本专利公开文献JP 2006-337543以及美国专利US 7,164,454。
日本专利公开文献JP 2006-337543提出一种利用微透镜聚光方式以提高透反液晶显示面板(transflective LCD)对背光源的光线利用技术，而美国专利US 7,164,454提出一种利用光栅绕射彩色分光技术以取代传统染料吸收式的彩色滤光片，以提升光线利用率。但这些技术都必须与高准直面型背光源搭配，方可有效地运作。因此，许多研究单位相继地提出一些高准直背光源技术，如美国专利US 6,799,859、US 6,473,220、US 6,633,351与US 6,667,782。在美国专利US 6,799,859中，其主要是使用一光线偏向导直膜片将一高角度偏向导光板的射出光线角度分布导正，其准直化作用有限。此外，在美国专利US 6,799,859中，其经过准直化后的光源的半峰全幅值(Full Width at HalfMaximum，FWHM)约介于10度至20度之间。美国专利US 6,473,220提出一种在导光板底部制作一具有开口的屏蔽(mask)，使光线仅在高折射率材质中的光导路径(light guided path)上传递，并利用全反射调整光线方向，以达到光线准直化的目的。美国专利US 6,633,351利用一具有开口的屏蔽限制光线只能从透镜的焦点处入光，再利用透镜将光线转换成近似平行光。美国专利US6,667,782利用多层材料所造成的折射率差异来控制入射至微结构的角度，以达到光线准直化的目的。
前述这些技术虽可提供高准直背光源，但由于制程困难或是过于复杂，通常不利于量产。
发明内容
本发明提供一种面型光源模块，其所提供的面光源具有高准直特性。
本发明另提供一种光学膜片，其可有效地将大角度入射的光线导直，以提供具有高准直特性的光线。
本发明提供一种面型光源模块，其包括一导光板、一光源、一光学膜片以及一反射片。导光板具有一侧向入光面、一底面以及相对于底面的一出光面。光源配置于侧向入光面旁，适于提供一光线，光线从侧向入光面进入导光板，并以一出射角θ1从出光面离开导光板，且出射角θ1≥70度。光学膜片配置于导光板的出光面上方以将来自于导光板的光线导直。光学膜片包括一棱镜层组以及接合层组，棱镜层组包括有多个棱镜层，各个棱镜层分别具有多个往远离导光板的方向突出的微棱镜，而微棱镜的延伸方向垂直于光线在导光板中的主要传递方向。接合层组包括至少一接合层，棱镜层与接合层交替地堆栈，而接合层与二相邻的棱镜层接合，且棱镜层的折射率大于接合层的折射率。此外，反射片配置于导光板的底面下方。
本发明另提供一种光学膜片，适于将一入射角大于70度的光线导直，此光学膜片包括一棱镜层组与一接合层组。棱镜层组包括有多个棱镜层，各个棱镜层分别具有多个微棱镜，接合层组包括至少一接合层，其中棱镜层与接合层交替地堆栈，而接合层与二相邻的棱镜层接合，且棱镜层的折射率大于接合层的折射率。
在本发明的一实施例中，前述的光学膜片具有一入光面，且入光面与导光板的出光面平行。
在本发明的一实施例中，前述的导光板的出光面与底面二者或其一为具有偏折光线的微结构表面，可破坏光线全反射而将光线导出。
在本发明的一实施例中，前述的棱镜层与接合层的折射率差异大于或等于0.05。
在本发明的一实施例中，前述的棱镜层中的微棱镜的延伸方向平行。
在本发明的一实施例中，前述的棱镜层中的微棱镜的延伸方向差异小于或等于4度。
在本发明的一实施例中，前述的各个微棱镜具有一有效光线偏折面(effective light refraction surface)，而各个有效光线偏折面的法线与出光面的法线的夹角为θ2，且55度≤θ2≤85度。
在本发明的一实施例中，前述的各个微棱镜包括具有棱线的微棱镜、具有平顶的微棱镜、具有弧顶的微棱镜或不规则状微棱镜。
在本发明的一实施例中，前述的各个微棱镜的顶角介于30度至70度之间，且各个微棱镜为非对称结构。
在本发明的一实施例中，前述的各个微棱镜的高度介于10微米至100微米之间。
在本发明的一实施例中，前述的各个棱镜层可进一步更包括一棱镜保护突起，此棱镜保护突起位于微棱镜的外围，且棱镜保护突起的高度大于微棱镜的高度。
在本发明的一实施例中，前述的面型光源模块可进一步包括一偏光片，其中偏光片配置于光学膜片与导光板之间。偏光片包括一双重增光膜(DualBrightness Enhancement Film，DBEF)或一光栅偏光片(grating polarizer)。
在本发明的一实施例中，前述的光学膜片可进一步包括一偏光片，其中棱镜层与接合层是交替地堆栈于偏光片上。
在一实施例中，偏光片例如是一双重增光膜或一光栅偏光片。
基于上述，由于本发明的光学薄膜能够有效地将大角度入射的光线导直，因此能够提供高准直特性的光线，可以被应用于防窥视显示器、照明装置中。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为现有侧面入光式背光模块的示意图；
图2为本发明第一实施例的面型光源模块的示意图；
图3为光线在光学膜片中的传递路径示意图；
图4为图2中的面型光源模块的光学仿真结果；
图5A至图5D为本发明中不同型态的微棱镜的剖面示意图；
图6为光线从折射率为1.57的棱镜层出射至空气中，光线偏向角与反射漏光的关系图；
图7A与图7B为本发明第二实施例的面型光源模块的示意图；
图8A至图8E为本发明一实施例的光学薄膜的制造流程示意图。
其中，附图标记
现有技术：
100：侧面入光式背光模块
110：导光板
120：光源
130：下扩散板
140、150：棱镜片
160：上扩散板
170：反射片
本发明：
200：面型光源模块
210：导光板
212：侧向入光面
214：底面
216：出光面
220：光源
230：光学膜片
232：棱镜层组
232a、232b、232c：棱镜层
234：接合层组
234a、234b：接合层
240：反射片
P：微棱镜
PR：棱镜保护突起
D：主要传递方向
I：入光面
S：有效光线偏折面
SUB：基板
R1、R2：滚筒
具体实施方式
图2为本发明第一实施例的面型光源模块的示意图。请参照图2，本实施例的面型光源模块200包括一导光板210、一光源220、一光学膜片230以及一反射片240。导光板210具有一侧向入光面212、一底面214以及相对于底面214的一出光面216。本实施例的导光板210例如是镜面网点导光板、楔型导光板、喷砂雾化导光板、采用高散射光学穿透高分子材料(HighlyScattering Optical Transmission Polymer，HSOT)制作的导光板等。
前述的光源220配置于导光板210的侧向入光面212旁，光源220适于提供一光线L，且光线L从侧向入光面212进入导光板210，并以一出射角θ1从出光面216离开导光板210，且前述的出射角θ1≥70度。要说的是，出射角θ1是指光线L的最大光强的出射角做为依据。在本实施例中，光源220例如是冷阴极灯管(CCFL)、发光二极管灯条(LED light bar)或是其它线性光源。从图2可知，当光源220所提供的光线L从侧向入光面212进入导光板210之后，由于底面214为一具有微结构的表面，故光线L会被底面214的微结构偏折后，破坏光线L在导光板210的全反射条件而将光线L导出。透过适当的底面214设计，例如采用非对称微棱镜结构或非对称微凹槽结构，如此，偏折之后的导出光线L会具备一定程度指向性，并从出光面216离开导光板210。在另一实施例中，导光板210的出光面216为一具有微结构的表面(图未示出)，会破坏光线L在导光板210的全反射条件而将光线L导出。也就是说，导光板210的出光面216与底面214二者或其一可为具有微结构的表面，皆是用来破坏光线L在导光板210的全反射条件而将光线L导出。
光学膜片230配置于导光板210的出光面216上方，以将来自于导光板210的光线L导直。光学膜片230包括一棱镜层组232以及一接合层组234，棱镜层组232包括有多个棱镜层，其中各棱镜层具有多个往远离导光板210的方向突出的微棱镜P，而微棱镜P的延伸方向实质上垂直于光线L在导光板210中的主要传递方向D。棱镜层与接合层交替地堆栈。接合层组234包括至少一接合层，其中接合层与二相邻棱镜层接合，也就是说，接合层的数量取决于棱镜层的数量。棱镜层的折射率大于接合层的折射率。举例而言，棱镜层与接合层的折射率差异大于或等于0.05。
举例而言，棱镜层组232由导光板210的出光面216近端至远离方向依序包括三棱镜层232a、232b、232c，而接合层组234同样地依序包括二接合层234a、234b，其中接合层234a是接合于棱镜层232a与棱镜层232b之间，而接合层234b是接合于棱镜层232b与棱镜层232c之间。整体而言，接合为一体的棱镜层232a、232b、232c，以及接合层234a、234b可以被视为一多层复合材料光学薄膜的光学膜片230。
从图2可清楚得知，每一个棱镜层232a、232b、232c的下表面(较接近导光板210的表面)为一平面，而每一个棱镜层232a、232b、232c的上表面(较远离导光板210的表面)上则制作有多个彼此实质上平行的微棱镜P。此外，接合层234a、234b的上表面(较远离导光板210的表面)为一平面，分别贴合于棱镜层232b、232c的下表面，而接合层234a、234b的下表面(较接近导光板210的表面)则具有与棱镜层232a、232b上的微棱镜P相配合的外型。值得注意的是，在本发明的一实施例中，不同棱镜层232a、232b、232c中的微棱镜P的延伸方向例如是实质上相互平行的。此处，所谓的平行并非限制微棱镜P的延伸方向不可以有任何的角度差异，此领域具有通常知识者可以根据设计需求适度的调整不同棱镜层232a、232b、232c中微棱镜P的延伸方向。在一实施例中，不同棱镜层232a、232b、232c中微棱镜P的延伸方向差异例如是以小于4度或等于4度为例。
前述的光学膜片230具有一入光面I，且入光面I与其下的导光板210的出光面216实质上平行。
反射片240配置于导光板210的底面214下方。在本实施例中，反射片240为一高反射率镜面反射片，例如银反射片，其反射率可达98％以上。在本发明的另一实施例中，可采用Reiko公司所制造的37W01膜片、3M公司所制造的ESR膜片来作为反射片240。
图3为光线L在光学膜片230中的传递路径示意图，而图4为图2中的面型光源模块的光学仿真结果。请先参照图3，在本发明的一实施例中，棱镜层232a、232b、232c采用折射率为1.57的UV胶材，而接合层234a、234b的采用折射率为1.49的UV胶材，且由导光板210的出光面216射出的出射角θ1为75度。在上述条件下，光线L经过棱镜层232a与接合层234a之后，折射率的差异会产生约4度至5度的偏向角，同样地，光线L持续地经过棱镜层232b与接合层234b之后，也会产生约4度至5度的偏向角。值得注意的是，经过两侧偏向后的光线L从棱镜层232c出射至空气时，亦会产生一定程度的偏向而使光线L被导直。从图3可知，各个微棱镜P具有一有效光线偏折面S，且有效光线偏折面S的法线与出光面216的法线的夹角为θ2，且55度≤θ2≤85度。
接着请参照图4，经过光学仿真软件以统计方式分析一朗伯(Lambertian)强度分布的光源220，所有光线L在经过图3中的光学膜片230之后，可以得到辉度峰(luminance peak)的FWHM约为8.8度的准直性。
图5A至图5D为本发明中不同型态的微棱镜P的剖面示意图。请参照图5A至图5D，在实施例的光学膜片230中，微棱镜P例如是具有棱线的微棱镜(如图5A所示)、具有平顶的微棱镜(如图5B所示)、具有弧顶的微棱镜(如图5C所示)或不规则状微棱镜(如图5D所示)。此处，不规则状微棱镜泛指有效光线偏折面S以外的表面为不规则的表面。值得注意的是，微棱镜P的顶角例如是介于30度至70度之间，且各个微棱镜P例如为非对称结构。在本发明一实施例中，各个微棱镜P的特征尺寸(高度)例如是介于10微米至100微米之间。若微棱镜P的特征尺寸(高度)过大，将导致视觉缺陷，如色不均(Mura)的产生；反之，若微棱镜P的特征尺寸(高度)过小，将导致绕射效应而使整体辉度降低，因此，微棱镜P的特征尺寸(高度)例如是介于10微米至100微米之间。
图6为光线从折射率为1.57的棱镜层232c出射至空气中，光线偏向角与反射漏光的关系图。请参照图3与图6，由于光学膜片230中的棱镜层232c与空气的折射率差异很大，因此当光线从折射率为1.57的棱镜层232c出射至空气时，可能会有10％至20％的光线会被反射而形成杂散光线，进而影响光线L的准直性。如图6所示，TE模式的偏振光与TM模式的偏振光从棱镜层232c出射至空气时，有着不同的反射率。详言之，当TE模式的偏振光从棱镜层232c出射至空气时，会产生较多的杂散光线，而当TM模式的偏振光从棱镜层232c出射至空气时，则会产生较少的杂散光线。因此，本实施例可透过偏光片的设置，以将尚未进入光学膜片230的光线L先转换成TM模式的偏振光，如此可以大幅降低杂散光线的产生。
图7A与图7B为本发明第二实施例的面型光源模块的示意图。请参照图7A，为了将尚未进入光学膜片230的光线L先转换成TM模式的偏振光，本实施例可将偏光片PL1配置于光学膜片230与导光板210之间。举例而言，偏光片PL1例如是一双重增光膜或一光栅偏光片。除此之外，请参照图7B，本实施例亦可将光学膜片230直接制作于一偏光片PL2上，使棱镜层232a、232b、232c与接合层234a、234b交替地堆栈于偏光片PL2上，也就是说将棱镜层232a的下表面(较接近导光板210的表面)与偏光片PL2贴合，以将光学膜片230与偏光片PL2整合为同一光学元件。类似地，偏光片PL2例如是一双重增光膜或一光栅偏光片。
承上述，前述面型光源模块200中的光学膜片230可应用于其它光电装置(如照明装置)中，本发明并不限制光学膜片230仅能应用于在面型光源模块中。
图8A至图8E为本发明一实施例的光学膜片230的制造流程示意图。请参照图8A，首先提供一基板SUB，接着于基板SUB上形成一光学材料层，并利用一表面具有微结构的滚筒R1对光学材料层进行压印制程已将滚筒R1表面上的微结构转印至光学材料层上，之后再使此光学材料层固化，以形成具有微棱镜P的棱镜层232a。在本发明的一实施例中，用以制作棱镜层232a的光学材料层可为热固化材料或是紫外光固化材料，而令光学材料层固化的方式包括加热或是照射紫外光。值得注意的是，为了避免棱镜层232a的微棱镜P在后续制程中被压伤而变形，本实施例可于微棱镜P的外围设计一棱镜保护突起PR，并使棱镜保护突起PR的高度大于微棱镜P的高度。棱镜保护突起PR与微棱镜P可以透过滚筒R1一并制作于光学材料层。
接着请参照图8B，透过滚筒R2于棱镜层232a上形成一光学材料层，之后再使此光学材料层固化，以形成具上表面平坦的接合层234a。同样地，用以制作接合层234a的光学材料层可为热固化材料或是紫外光固化材料，而令光学材料层固化的方式包括加热或是照射紫外光。
请参照图8C至图8E，重复图8A与图8B的制程步骤，以于接合层234a上依序形成棱镜层232b、接合层234b以及棱镜层232c。
基于上述，由于本发明的光学薄膜能有效地将大角度入射的光线导直，因此能够提供高准直特性的光线，可以被应用于防窥视显示器、照明装置中。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (25)
1.一种面型光源模块，其特征在于，包括：
一导光板，具有一侧向入光面、一底面以及相对于该底面的一出光面；
一光源，配置于该侧向入光面旁，其中该光源适于提供一光线，该光线从该侧向入光面进入该导光板，并以一出射角从该出光面离开该导光板，且出射角为θ1，θ1≥70度；
一光学膜片，配置于该导光板的该出光面上方以将来自于该导光板的该光线导直，该光学膜片包括：
一棱镜层组，包括有多个棱镜层，各该棱镜层分别具有多个往远离该导光板的方向突出的微棱镜，其中该微棱镜的延伸方向垂直于该光线在该导光板中的主要传递方向；
一接合层组，包括至少一接合层，其中该棱镜层与该至少一接合层交替地堆栈，而该至少一接合层与二相邻的该棱镜层接合，且该棱镜层的折射率大于该至少一接合层的折射率；以及
一反射片，配置于该导光板的底面下方。
2.根据权利要求1所述的面型光源模块，其特征在于，该光学膜片具有一入光面，且该入光面与该导光板的该出光面平行。
3.根据权利要求1所述的面型光源模块，其特征在于，该导光板的该出光面与该底面二者或其一为具有微结构的表面。
4.根据权利要求1所述的面型光源模块，其特征在于，该棱镜层与该至少一接合层的折射率差异大于或等于0.05。
5.根据权利要求1所述的面型光源模块，其特征在于，该棱镜层中的该微棱镜的延伸方向平行。
6.根据权利要求1所述的面型光源模块，其特征在于，该棱镜层中的该微棱镜的延伸方向差异小于或等于4度。
7.根据权利要求1所述的面型光源模块，其特征在于，各该微棱镜具有一有效光线偏折面，而各该有效光线偏折面的法线与该出光面的法线的夹角为θ2，且55度≤θ2≤85度。
8.根据权利要求1所述的面型光源模块，其特征在于，各该微棱镜包括具有棱线的微棱镜、具有平顶的微棱镜或具有弧顶的微棱镜。
9.根据权利要求1所述的面型光源模块，其特征在于，各该微棱镜的顶角介于30度至70度之间，且各该微棱镜为非对称结构。
10.根据权利要求1所述的面型光源模块，其特征在于，各该微棱镜的高度介于10微米至100微米之间。
11.根据权利要求1所述的面型光源模块，其特征在于，各该棱镜层更包括一棱镜保护突起，该棱镜保护突起位于该微棱镜的外围，且该棱镜保护突起的高度大于该微棱镜的高度。
12.根据权利要求1所述的面型光源模块，其特征在于，更包括一偏光片，其中该偏光片配置于该光学膜片与该导光板之间。
13.根据权利要求12所述的面型光源模块，其特征在于，该偏光片包括一双重增光膜或一光栅偏光片。
14.根据权利要求1所述的面型光源模块，其特征在于，该光学膜片更包括一偏光片，其中该棱镜层与该至少一接合层交替地堆栈于该偏光片上。
15.根据权利要求14所述的面型光源模块，其特征在于，偏光片包括一双重增光膜或一光栅偏光片。
16.一种光学膜片，适于将一入射角大于70度的光线导直，其特征在于，该光学膜片包括：
一棱镜层组，包括有多个棱镜层，各该棱镜层分别具有多个微棱镜；以及
一接合层组，包括至少一接合层，其中该棱镜层与该至少一接合层交替地堆栈，而该至少一接合层与二相邻的该棱镜层接合，且该棱镜层的折射率大于该至少一接合层的折射率。
17.根据权利要求16所述的光学膜片，其特征在于，该棱镜层与该至少一接合层的折射率差异大于或等于0.05。
18.根据权利要求16所述的光学膜片，其特征在于，该棱镜层中的该微棱镜的延伸方向平行。
19.根据权利要求16所述的光学膜片，其特征在于，该棱镜层中的该微棱镜的延伸方向差异小于或等于4度。
20.根据权利要求16所述的光学膜片，其特征在于，各该微棱镜包括具有棱线的微棱镜、具有平顶的微棱镜或具有弧顶的微棱镜。
21.根据权利要求16所述的光学膜片，其特征在于，各该微棱镜的顶角介于30度至70度之间，且各该微棱镜为非对称结构。
22.根据权利要求16所述的光学膜片，其特征在于，各该微棱镜的高度介于10微米至100微米之间。
23.根据权利要求16所述的光学膜片，其特征在于，各该棱镜层更包括一棱镜保护突起，该棱镜保护突起位于该微棱镜的外围，且该棱镜保护突起的高度大于该微棱镜的高度。
24.根据权利要求16所述的光学膜片，其特征在于，更包括一偏光片，其中该棱镜层与该至少一接合层交替地堆栈于该偏光片上。
25.根据权利要求24所述的光学膜片，其特征在于，偏光片包括一双重增光膜或一光栅偏光片。
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