CN105546483B - 具有渐变折射率透镜的导光模块及背光模块 - Google Patents

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Abstract

一种具有渐变折射率透镜的导光模块及背光模块。该具有渐变折射率透镜的导光模块，以配合可发出入射光线的光源，包括：导光板及渐变折射率透镜；导光板具有出光面及入光面，入光面连接于出光面的一端并且邻近与面向于光源；渐变折射率透镜具有第一表面、第二表面及第三表面，第一表面平行并相对于第二表面，第一表面与第二表面分别连接于第三表面的相对两端，渐变折射率透镜的第一表面贴附于导光板的出光面，且渐变折射率透镜的第三表面与导光板的入光面朝向相同方向；其中，渐变折射率透镜的内部折射率自第一表面朝第二表面递增，且内部折射率的最小折射率小于导光板的折射率。本发明可以提升光输入效率。

Description

具有渐变折射率透镜的导光模块及背光模块
技术领域
本发明涉及一种导光模块及背光模块，特别是一种具有渐变折射率透镜的导光模块及背光模块。
背景技术
传统侧光式背光模块包含了导光板及光源。光源位于导光板的一侧，且光源的光线射入导光板。藉由导光板来导引光线方向转向予显示面板，可提高显示面板光辉度及控制亮度均匀。
为了让平板计算机、笔记本型计算机或显示屏幕能够进一步薄型化，背光模块的导光板有越做越薄的趋势。然而，当导光板薄化而使得导光板的入光面的尺寸小于光源的发光面的尺寸时，导光板的入光面则无法完全覆盖光源的发光面，进而造成部分光线外漏并导致光源的光利用效率降低。
现行较为常见的解决做法为在导光板的入光侧增加厚度由入光侧朝内递减的楔形结构。此设计的用意为除了通过楔形结构来增加导光板入光侧的厚度外，还通过楔形结构的斜面来将入射光线重新导引至出光面射出，以改善漏光的问题。然而，若楔形结构的斜面太倾斜，则无法发挥导引入射光线的效果，若楔形结构的斜面太平缓，则导光板上又产生较长的光牺牲区而造成空间上与成本上的浪费。因此，如何避免发生光源与薄型化的导光板之间产生漏光的问题，以提升光源对于导光板的光输入效率将是研发人员应解决的问题之一。
因此，需要提供一种具有渐变折射率透镜的导光模块及背光模块来解决上述问题。
发明内容
本发明在于提供一种具有渐变折射率透镜的导光模块及背光模块，藉以避免发生光源与薄型化的导光板之间产生漏光的问题，进而提升光源对于导光板的光输入效率。
本发明所公开的具有渐变折射率透镜的导光模块，以配合可发出一入射光线的一光源，该具有渐变折射率透镜的导光模块包括：一导光板以及一渐变折射率透镜；该导光板具有一出光面及一入光面，该入光面连接于该出光面的一端并且邻近与面向于该光源以接收该入射光线；该渐变折射率透镜具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，该第一表面平行并相对于该第二表面，该第一表面与该第二表面分别连接于该第三表面的相对两端，该渐变折射率透镜的该第一表面贴附于该导光板的该出光面，且该渐变折射率透镜的该第三表面与该导光板的该入光面朝向相同方向以面向于该光源以接收该入射光线；其中，该渐变折射率透镜的一内部折射率自该第一表面朝第二表面递增，且该内部折射率的一最小折射率小于该导光板的一折射率，以令自该第三表面进入的该入射光线可在该渐变折射率透镜内经历多次折射再经该第二表面全反射回该导光板。
本发明所公开的具渐变折射率透镜的背光模块包括：一如上所述的具有渐变折射率透镜的导光模块以及一光源；该光源具有一发光面，该发光面面向该入光面与该第三表面。
根据上述本发明所公开的具有渐变折射率透镜的导光模块及背光模块，将渐变折射率透镜叠设于导光板的出光面靠近入光面处，以弥补导光板小于光源的厚度而产生的光输入效率降低的缺陷。还通过渐变折射率透镜的内部折射率自第一表面朝第二表面递增，且渐变折射率透镜的最小折射率小于导光板的折射率的特征，以令自第三表面进入的一入射光线经第二表面全反射回导光板，进而提升光源的光线输入导光板的光输入效率。
以上关于本发明内容的说明及以下实施方式的说明用以示范与解释本发明的原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例所述的具有渐变折射率透镜的背光模块的侧视示意图。
图2为图1的具有渐变折射率透镜的背光模块的光迹示意图。
图3为根据本发明第二实施例所述的具有渐变折射率透镜的光学模块的侧视示意图。
图4为根据本发明第三实施例所述的具有渐变折射率透镜的光学模块的侧视示意图。
图5为根据本发明第四实施例所述的具有渐变折射率透镜的光学模块的侧视示意图。
主要组件符号说明：
10 背光模块 34c 第三表面
20 光源 34d 第四表面
22 发光面 341 第1层透光层
30 导光模块 342 第2层透光层
30a 导光模块 343 第3层透光层
30b 导光模块 34i 第i层透光层
30c 导光模块 346 第6层透光层
32 导光板 341a 第一材料层
32a 入光面 341b 第二材料层
32b 出光面 342a 第一材料层
34 渐变折射率透镜 342b 第二材料层
34a 第一表面 343a 第一材料层
34b 第二表面 343b 第二材料层
具体实施方式
请参阅图1，图1为根据本发明第一实施例所述的具有渐变折射率透镜的背光模块的侧视示意图。
如图1所示，本实施例的具有渐变折射率透镜34的背光模块10包含一导光模块30及一光源20。
导光模块30包含一导光板32及一渐变折射率透镜34。
导光板32具有一入光面32a及一出光面32b。入光面32a连接于出光面32b的一端。导光板32的折射率为ng。
渐变折射率透镜34贴附于导光板32的出光面32b上邻接入光面32a处。渐变折射率透镜34例如通过共压或贴合工艺制作而包含i层相叠的透光层341～34i，且i≥2。第1层透光层341在远离第2层透光层342处具有一第一表面34a。第i层透光层34i在远离第1层透光层341处具有一第二表面34b。这些透光层341～34i的相对两侧共同形成一第三表面34c及一第四表面34d。第三表面34c的相对两端分别连接于第一表面34a与第二表面34b。第四表面34d相对于第三表面34c，且第四表面34d的相对两端分别连接于第一表面34a与第二表面34b。换言之，就图1而言，渐变折射率透镜34具有上下平行相对应的第一表面34a、第二表面34b以及左右平行相对应的第三表面34c、第四表面34d。
各透光层341～34i的材质是由聚碳酸酯(Polycarbonate，PC，折射率为1.586)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA，折射率为1.49)、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯(MMA Styrene Copolymer，MS，折射率为1.564)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS，折射率为1.492)、聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate，PET，折射率为1.59～1.6)、环烯烃共聚合物(Cyclic Olefin Copolymer，COC)、环烯烃聚合物(Cyclo OlefinPolymer，COP)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚乳酸(Polylactide，PLA)等透明塑料、玻璃所构成群组的至少其中之一。也就是说，每一层透光层341～34i可以由单一材质制成，也可以由至少两种不同材质叠合制成，并不以此为限。
第1层透光层341的第一表面34a贴附于导光板32的出光面32b，使第1层透光层341至第i层透光层34i依序叠设于导光板32的出光面32b。在本实施例中，第三表面34c与入光面32a朝向同一方向，且共平面。但并不以此为限，在其他实施例中，第三表面34c与入光面32a也可以彼此并保持一错开间距而不共平面。
值得注意的是，这些透光层341～34i具有相异折射率。详细来说，渐变折射率透镜34的内部折射率n1～ni大于1，且自第一表面34a朝第二表面34b的方向递增，即这些透光层341～34i的折射率n1～ni由第1层至第i层递增。换言之，这些透光层341～34i的折射率满足1<n1<n2<…<ni的关系。其中，ni为第i层透光层34i的折射率。
在本实施例中，渐变折射率透镜34的内部折射率n1～ni以落于1.2至1.6之间为例，但并不以此为限，在其他实施例中，渐变折射率透镜34的内部折射率n1～ni也可以落于1.2至1.6的区间外。
此外，渐变折射率透镜34的最小折射率n1(第1层透光层341的折射率)小于导光板32的折射率ng。
光源20具有一发光面22。发光面22面向入光面32a与第三表面34c，以令自发光面22发出的光线能够自导光板32的入光面32a与渐变折射率透镜34的第三表面34c进入而形成多条相异入射角度的入射光线L1。
请参阅图2，图2为图1的具有渐变折射率透镜的背光模块的光迹示意图。
如图2所示，渐变折射率透镜34的透光层341～346的数量以6层为例。入射光线L1自第三表面34c进入渐变折射率透镜34的第1层透光层341。入射光线L1在进入第三表面34c的入射角为θ1。通过第1层透光层341至第6层透光层346的折射，使得入射光线L1在射出第1层透光层341至射出第5层透光层345的折射角依序为θ2至θ7。入射角θ1与入射光线L1的各折射角θ2～θ7的关系式如表一。
表一
Sinθ1＝n1*sinθ2
n1*cosθ2＝n2*sinθ3
n2*sinθ3＝n3*sinθ4
…
n5*sinθ6＝n6*sinθ7
由于n1～n7满足1<n1<n2<…<ni，故θ2>θ1，θ3>(90°-θ2)，θ4>θ3，…，θ7>θ6。也就是说，经各层透光层341～346折射后，入射光线L1的折射角会逐渐扩大，使得入射光线L1在射出第5层透光层345的折射角θ7能大于第6层透光层346的第二表面34b的全反射角，以令第二表面34b可反射入射光线L1而形成一反射光线L2。
接着，反射光线L2的反射角为α6。通过第6层透光层34至第1层透光层34的折射，使得反射光线L2在射出第6层透光层34至射出第1层透光层34的折射角依序为α5～α0。入射光线L1的折射角θ7、反射角α6与反射光线L2的各折射角α5～α0的关系式如表二。
表二
α6＝θ7
n6*sinα6＝n5*sinα5
…
n2*sinα2＝n1*sinα1
n1*sinα1＝ng*sinα0
由于n1～n7满足1<n1<n2<…<ni，且n1<ng，故α6>…>α1，且α1<α0。也就是说，经各层透光层34折射后，反射光线L2的折射角会逐渐缩小，以避免反射光线从渐变折射率透镜34的第四表面34d射出而造成渐变折射率透镜34将光源20外漏的光线重新导回导光板32的效率降低。
为了进一步提升渐变折射率透镜34将漏光的光线重新导回导光板32的集光效率，在设计时可进一步界定渐变折射率透镜34的尺寸。详细来说，先定义一垂直方向a平行于导光板32的出光面32b的法线方向，以及一水平方向b水平于导光板32的入光面32a的法线方向。渐变折射率透镜34在垂直方向a上具有一厚度H，渐变折射率透镜34在水平方向b上具有一宽度W，且厚度H与宽度W较佳者为满足W≥10H的关系，以降低进入渐变折射率透镜34的光线自第四表面34d射出的机率，进而提升渐变折射率透镜34将漏光的光线重新导回导光板32的集光效率。
此外，反射光线射出第1层透光层341的折射角α0大于反射光线射出第2层透光层342的折射角α1能够将光线导引至导光板32较远离光源20的位置，进而提升导光板32的光均匀性。
以下分别将本实施例采用渐变折射率透镜的背光模块10与公知采用楔型结构的背光模块进行仿真，本实施例的背光模块10的尺寸如下。导光板32的厚度T1为0.3毫米，光源20的厚度T2为0.6毫米，渐变折射率透镜34的高度H为0.3毫米，渐变折射率透镜34的宽度W为3.529毫米，导光板32的折射率ng为1.49，透光层的层数为10层，第1层透光层的折射率为1.46，第10层透光层的折射率为1.595，第1层透光层至第10层透光层的折射率递增，且任两相邻透光层的折射率的差值相同，皆为0.015。公知的楔型结构的高度与宽度分别相同于渐变折射率透镜34的高度与宽度。
相比公知的背光模块10，本实施例的背光模块10的光通量自11.2503流明(lm)提升至12.2963流明(lm)，且平均照度自1.25E+06勒克斯(lx)提升至1.36E+06勒克斯(lx)。
值得注意的是，上述用于模拟的渐变折射率透镜34的任相邻的两透光层的折射率的差值相同。但并不以此为限，在其他实施例中，渐变折射率透镜34的任相邻的两透光层的折射率的差值也可以相异。
接着，请参考表三。
表三
透光层的层数i、渐变折射率透镜的宽度W与光源的光线输入至导光板的光输入效率间的关系
上述的光输入效率为导光板32接收的光线量除以光源20发出的光线量。通过表三可知，透光层的层数i越多，渐变折射率透镜34的宽度W的需求越短。也就是说，导光板32无法出光的牺牲区越少。而当W>10H时，光源20的光线输入至导光板32的光输入效率基本上都接近99个百分比，甚至超过99个百分比。
请参阅图3，图3为根据本发明第二实施例所述的具有渐变折射率透镜的光学模块的侧视示意图。
上述图1的实施例中，这些透光层341～346的厚度d相同，但并不以此为限。如图3所示，在本实施例的光学模块30a中，这些透光层341～346的各层厚度也可以相异。在本实施例中，这些透光层341～346的厚度自第一表面34a朝第二表面34b递增或递减，且这 些透光层341～346从第1层至第6层的厚度分别为d1～d6。第1层至第6层的厚度d1～d6较佳者满足d1<d2<…<d6。在本实施例中，透光层的层数以6层为例，但并不以此为限，在其他实施例中，若透光层的层数为i层，则第1层至第i层的厚度d1～di较佳者满足d1<d2<…<di的关系。
请参阅图4，图4为根据本发明第三实施例所述的具有渐变折射率透镜的光学模块的侧视示意图。
上述图1的实施例中，每一层透光层341～346由单一材料制成，但并不以此为限。如图4所示，在本实施例的光学模块30b中，每一层透光层341～346由不同材料叠合制成。详细来说，第1层透光层341至第6层透光层346各包含一第一材料层341a～346a及一第二材料层341b～346b，而每一透光层341～346的第一材料层341a～346a及一第二材料层341b～346b的叠合厚度总和必须满足小于0.25λ(λ为从第三表面34c射入的入射光线的波长)。举例来说，第一材料层341a～346a与第二材料层341b～346b分别为聚碳酸酯与聚甲基丙烯酸甲酯。但并不以此为限，在其他实施例中，第一材料层341a～346a与第二材料层341b～346b可分别为聚碳酸酯与聚乳酸，或聚甲基丙烯酸甲酯与聚苯乙烯，或聚甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯。
请参阅图5，图5为根据本发明第四实施例所述的具有渐变折射率透镜的光学模块的侧视示意图。
上述图1的实施例中，渐变折射率透镜34的透光层的层数以多层为例，但并不以此为限。如图5所示，在本实施例的光学模块30c中，渐变折射率透镜34的透光层的层数为1层，且渐变折射率透镜34用离子注入的方式制成，渐变折射率透镜34的离子浓度自第一表面34a朝第二表面34b递增或递减。
详细来说，因材料特性的关系，离子浓度与折射率间可成正比或反比。在本实施例中，采用离子浓度与折射率成反比的材料，使得渐变折射率透镜34的透光层34的层数虽然仅为1层，但亦能保持渐变折射率透镜34的内部折射率自第一表面34a朝第二表面34b递增，且渐变折射率透镜34的最小折射率小于导光板32的折射率，以令自第三表面34c进入的一入射光线经第二表面34b全反射回导光板32。
根据上述本发明所公开的具有渐变折射率透镜的导光模块及背光模块，将渐变折射率透镜叠设于导光板的出光面靠近入光面处，以弥补导光板小于光源的厚度而产生的光输入效率降低的缺陷。还通过渐变折射率透镜的内部折射率自第一表面朝第二表面递增，且渐变折射率透镜的最小折射率小于导光板的折射率的特征，以令自第三表面进入的一入射光线经第二表面全反射回导光板，进而提升光源的光线输入导光板的光输入效率。
虽然本发明的实施例公开如上所述，然而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的情况下，凡是根据本发明申请范围所述的形状、构造、特征及数量应当可作些许的变更，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求书的范围所界定者为准。

Claims (14)

1.一种具有渐变折射率透镜的导光模块，以配合可发出一入射光线的一光源，该具有渐变折射率透镜的导光模块包括：
一导光板，该导光板具有一出光面及一入光面，该入光面连接于该出光面的一端并且邻近与面向于该光源以接收该入射光线；以及
一渐变折射率透镜，该渐变折射率透镜具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，该第一表面平行并相对于该第二表面，该第一表面与该第二表面分别连接于该第三表面的相对两端，该渐变折射率透镜的该第一表面贴附于该导光板的该出光面，且该渐变折射率透镜的该第三表面与该导光板的该入光面朝向相同方向以面向于该光源以接收该入射光线；
其中，该渐变折射率透镜的一内部折射率自该第一表面朝第二表面递增，且该内部折射率的一最小折射率小于该导光板的一折射率，以令自该第三表面进入的该入射光线可在该渐变折射率透镜内经历多次折射再经该第二表面全反射回该导光板。
2.如权利要求1所述的具有渐变折射率透镜的导光模块，其中该渐变折射率透镜包括i层的透光层，且i≥2，第1层透光层至第i层透光层依序叠设于该导光板的该出光面，该些透光层具有相异折射率，且该些透光层的折射率满足1<n1<n2<…<ni的关系，ni为该第i层透光层的折射率。
3.如权利要求2所述的具有渐变折射率透镜的导光模块，其中1.2<ni<1.6。
4.如权利要求2所述的具有渐变折射率透镜的导光模块，其中每一该透光层由单一材料或是至少两种不同材料叠合制成。
5.如权利要求4所述的具有渐变折射率透镜的导光模块，其中任一该透光层的厚度为d，该入射光线的波长为λ，当每一该透光层由至少两种不同材料叠合制成时，d<0.25λ。
6.如权利要求2所述的具有渐变折射率透镜的导光模块，其中该些透光层的厚度彼此相异。
7.如权利要求6所述的具有渐变折射率透镜的导光模块，其中该些透光层的厚度自该第一表面朝该第二表面递增或递减。
8.如权利要求2所述的具有渐变折射率透镜的导光模块，其中任相邻的两该透光层的折射率的差值相同。
9.如权利要求1所述的具有渐变折射率透镜的导光模块，其中该渐变折射率透镜用共压或贴合的方式制成。
10.如权利要求1所述的具有渐变折射率透镜的导光模块，其中该渐变折射率透镜用离子注入的方式制成，该渐变折射率透镜的离子浓度自该第一表面朝该第二表面递增或递减。
11.如权利要求1所述的具有渐变折射率透镜的导光模块，其中定义一垂直方向平行于该导光板的该出光面的法线方向，以及一水平方向水平于该导光板的该入光面的法线方向，该渐变折射率透镜在该垂直方向上具有一厚度H，该渐变折射率透镜在该水平方向上具有一宽度W，且W≥10H。
12.如权利要求1所述的具有渐变折射率透镜的导光模块，其中该渐变折射率透镜的材质为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、环烯烃共聚合物、环烯烃聚合物、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乳酸等透明塑料或玻璃。
13.如权利要求1所述的具有渐变折射率透镜的导光模块，其中该第三表面与该入光面共平面。
14.一种具有渐变折射率透镜的背光模块，该具有渐变折射率透镜的背光模块包括：
一如权利要求1至13中的任一项所述的具有渐变折射率透镜的导光模块；以及
一光源，该光源具有一发光面，该发光面面向该入光面与该第三表面。
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