CN105759336B - 直下式导光结构、直下式导光板及直下式背光模块 - Google Patents

直下式导光结构、直下式导光板及直下式背光模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直下式导光结构、直下式导光板及直下式背光模块。该导光板具有一出光面以及与该出光面相对的一入光面。该背光模块具有至少一点光源，该至少一点光源与该入光面位于同一侧。该直下式导光结构包括：至少一不对称形凹槽结构，其设于该导光板的该出光面，且各个该点光源的位置分别对应于一个该不对称形凹槽结构，使该点光源朝着该不对称形凹槽结构发出光线。各个该不对称形凹槽结构都具有一中心凹点，使其所对应的该点光源位于该中心凹点的正下方。本发明提供的直下式导光结构可达到高均匀性、光学效率佳、降低光源使用数量等目的，进而具有低成本、窄边框和薄型化等优点。

Description

直下式导光结构、直下式导光板及直下式背光模块
技术领域
本发明涉及一种直下式导光结构、直下式导光板及直下式背光模块，尤指一种通过直下式导光结构来达到高均匀性、光学效率佳、降低光源使用数量等目的，进而达到低成本、窄边框和薄型化目的的直下式导光板与背光模块。
背景技术
市面上应用于光学显示器的背光模块，主要可分为使用侧光源式导光板以及使用直下式导光板两种。使用侧光源式导光板的背光模块其主要缺点在于出光效率较差，由位于导光板一旁侧边上的多个光源(尤其是发光二极管之类的点状光源)所发出的光，往往只有不到一半的光可以从导光板的出光面射出。而现有的使用直下式导光板的背光模块虽具有相对较高的出光效率，但因为光源(尤其是发光二极管之类的点状光源)是直接放置在导光板与出光面相对的另一面处且是直接朝向出光面发光，所以会有相对较严重的亮点与暗点现象。
如图1A与图1B所示，为中国台湾实用新型专利号M462874所公开的一种薄型直下式背光模块。其多个LED光源0100均匀分布在其导光板0212与出光面(也就是顶面)相对的另一面(也就是底面)上。在导光板0212顶面(出光面)设置多个凹槽结构0202，每一个凹槽结构0202的位置分别对应于一个位于底面的LED光源0100，可通过该多个凹槽结构0202来反射LED光源0100所发出的光线，达到匀光的功效。然而，M462874案所公开的技术仍有其不足之处。如果凹槽结构0202所造成的全反射效果太好，可视区容易造成中央暗点，必须加波浪状凸纹或表面刮痕才能解决；相对地，如果全反射效果不佳，可视区则容易有亮点。并且，考虑到现实加工，其凹槽结构0202必须设计成两个以上不同斜率的线段的组合，曲线不连续，全反射效果差，容易漏光，此外，使用刀具加工制造过程速度较慢，所以仍有进一步改善的空间。
日本专利公开号JPA 2008078089案公开了一种LED照明装置，其在一导光板的整个周缘下方环绕设置多个LED光源，且在导光板上整个周缘相对应于各个LED光源位置处分别设置一凹槽结构。然而，此凹槽结构和前述M462874案一样，都存在轮廓曲线不连续、必须设计成两个以上不同曲率的曲线段的组合、全反射效果差、容易漏光等缺点。
中国台湾专利公开号TW 200925518案公开了一种照明装置，其在一导光板的边缘下方设置多个LED光源，且在导光板上相对应于各个LED光源位置处分别设置一凹槽结构。然而，此凹槽结构在剖面方向上是呈现两侧边为固定斜率的倾斜线性轮廓，且在凹槽底部则是水平面也就是斜率为零的平面，并非连续性地弧状轮廓，所以与前述M462874案一样，都存在轮廓曲线不连续、必须设计成两个以上不同斜率的线段的组合、全反射效果差、容易漏光等缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种直下式导光结构、直下式导光板及直下式背光模块，通过直下式导光结构来达到高均匀性、光学效率佳、降低光源使用数量等目的，进而具有低成本、窄边框和薄型化等优点。
为了达到上述目的，本发明提供了一种直下式导光结构，其设置于一直下式背光模块的一导光板上，该导光板具有一出光面以及与该出光面相对的一入光面。于该导光板上定义有两两相互垂直的X、Y及Z轴方向，其中，该导光板的厚度方向沿该Z轴方向延伸，该X轴方向及该Y轴方向分别在该入光面上延伸。该背光模块具有至少一点光源，该至少一点光源与该入光面位于同一侧。该直下式导光结构包括：
至少一凹槽结构，其设于该导光板的该出光面，且各个该点光源的位置分别对应于一个该凹槽结构，使该点光源朝着该凹槽结构发出光线；
其中，各个该凹槽结构均具有一中心凹点，使其所对应的该点光源位于该中心凹点的正下方；该中心凹点与该出光面相对位置间为连续轮廓，于沿着该Y轴方向剖切穿过该导光板的该中心凹点的一剖面方向上的该凹槽结构的轮廓可以通过下列方程式来表现：
方程式一：Z1(y)＝z01-a1*exp(-|y|/t1),-r01<y<0；
方程式二：Z2(y)＝z02-a2*exp(-|y|/t2),0<y<r02；
其中，z01、z02分别为该导光板的一侧边区和一主体区的最大厚度，该主体区位于+y方向，且该侧边区位于-y方向；a1、a2分别为该中心凹点相对于该侧边区与该主体区的最大深度；t1、t2分别为该凹槽结构的该轮廓的变化参数；r01、r02分别为该凹槽结构在该侧边区和该主体区的开口半径；Z1(y)定义了该凹槽结构在该侧边区的厚度变化也就是轮廓曲线，Z2(y)为该凹槽结构在该主体区的厚度变化也就是轮廓曲线，y为介于-r01至r02之间的实数。其中，0.7≦t1≦1.4；0.7≦t2≦1.5；3mm≦z02<7mm；3mm<z01≦7mm；67％≦(a2/z02)<100％。
于本发明的一最佳实施例中，该凹槽结构为一不对称形凹槽结构，其中，z01>z02；3.5mm≦z01≦7mm。
于一实施例中，该至少一点光源的数量至少为两个，该多个点光源集中设置在该导光板的该入光面的下方且邻近于该导光板其中一旁侧边处；并且，该多个点光源沿着该旁侧边平均分布于点导光板的该入光面邻近该旁侧边处的下方；其中，该剖面方向与该旁侧边以及该出光面均相互垂直。
于一实施例中，在设置有该多个点光源的该旁侧边的侧面处还设置有一反射片，通过该反射片可将该多个点光源朝该反射片发射的光线全反射回该导光板中。
为了达到上述目的，本发明提供了一种直下式导光板以及直下式背光模块，其包括如上所述的直下式导光结构。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附详细说明与附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1A与图1B为中国台湾实用新型专利号M462874所公开的一种薄型直下式背光模块。
图2为本发明提供的直下式背光模块一实施例的俯视示意图；
图3为本发明提供的直下式背光模块一实施例的A-A剖面示意图；
图4为本发明提供的直下式导光结构中的不对称形凹槽结构部分的立体放大图、A-A剖面图与B-B剖面图；
图5为本发明提供的直下式导光结构中的不对称形凹槽结构的曲线函数式中的各参数所代表意义的示意图；
图6A为本发明中的凹槽结构在当两侧曲线相同(也就是z01＝z02)时的光线路径示意图；
图6B为本发明中的凹槽结构在侧边区厚度z01大于主体区厚度z02时(不对称形凹槽结构)的光线路径示意图；
图7为本发明提供的直下式导光结构实施于一32寸背光显示面板的实施例示意图；
图8A、图8B及图8C分别为本发明提供的直下式导光结构依据表一所示的参数值代入方程式一及方程式二后所模拟出的不对称凹槽结构的轮廓曲线、非光轴光线入射角度以及侧反射光线入射角度的示意图；
图9A、图9B及图9C分别为本发明提供的直下式导光结构依据表二所示的参数值代入方程式一及方程式二后所模拟出的不对称凹槽结构的轮廓曲线、非光轴光线入射角度以及侧反射光线入射角度的示意图；
图10A、图10B及图10C分别为本发明提供的直下式导光结构依据表三所示的参数值代入方程式一及方程式二后所模拟出的不对称凹槽结构的轮廓曲线、非光轴光线入射角度以及侧反射光线入射角度的示意图；
图11为本发明提供的直下式导光板另一实施例的导光结构部分的立体放大图、A-A剖面图与B-B剖面图；
图12A及图12B分别为本发明提供的直下式导光结构在非光轴光学状态下的两个不同光线路径示意图；
图12C为本发明提供的直下式导光结构在光轴光学状态下的光线路径示意图；
图13为本发明提供的直下式导光结构中的凹槽结构为对称形凹槽结构时的曲线轮廓示意图；
图14A、图14B及图14C分别为本发明提供的直下式导光结构依据表四所示的参数值代入方程式三后所模拟出的对称形凹槽结构的轮廓曲线、光轴光线入射角度以及非光轴光线入射角度的示意图；
图15A、图15B及图15C分别为本发明提供的直下式导光结构依据表五所示的参数值代入方程式三后所模拟出的对称形凹槽结构的轮廓曲线、光轴光线入射角度以及非光轴光线入射角度的示意图；
图16A、图16B及图16C别为本发明提供的直下式导光结构依据表六所示的参数值代入方程式三后所模拟出的对称形凹槽结构的轮廓曲线、光轴光线入射角度以及非光轴光线入射角度的示意图。
附图标记说明：0100～光源；0212～导光板；0202～凹槽结构；10～背光模块；20～导光板；21～上表面(出光面)；22～下表面；23、24、25、26～侧面；211～不对称形导光结构；212～中心凹点；215、221～微结构；231～旁侧边；30～点光源；40～反射片。
具体实施方式
如图2至图4所示；其中，图2与图3分别为本发明提供的直下式背光模块一实施例的俯视示意图及A-A剖面示意图，图4为本发明提供的直下式导光结构中的不对称形导光结构部分的立体放大图、A-A剖面图与B-B剖面图。
如图2及图3所示，本发明提供的直下式导光结构适用于使用在直下式光源导光板的背光模块上。该背光模块10至少包括一导光板20以及多个点光源30。
该导光板20为一扁薄片状结构，其具有大面积的上、下两表面21、22以及位于导光板20旁侧边的四个小面积细长侧面23、24、25、26。于本实施例中，导光板20的上表面21是出光面，多个点光源30设置于导光板20的下表面22(也就是入光面)的下方且垂直朝上(朝向出光面21)发光。于本发明中，多个点光源30以发光二极管(LED)等点状光源为较佳。本发明的技术特征在于，该多个点光源30的设置位置并非平均分布在整个导光板20下表面的整个面区域，而是集中设置在导光板20下表面22下方且邻近于导光板20其中一旁侧边231处(例如图4所示的左侧面23附近)。该多个点光源30沿着该旁侧边231延伸的方向平均分布于导光板20下表面22邻近该旁侧边(左侧面23)处；换言之，该多个点光源30等距分布于邻近该旁侧边231的该下表面22下方。而在设置有该多个点光源30的该旁侧边231的侧面23处设置有一反射片40，通过该反射片40可将该多个点光源30朝反射片40发射的光线全部全反射回导光板20内部，避免光线从设置有该反射片40的该侧面23处漏光。导光板20下表面22未设置点光源30的其他区域则设置了多个微结构221，多个微结构221分布在整个导光板20下表面22。于导光板20上表面21(出光面)且相对应于各个点光源30的位置处，也就是在导光板20上表面21(出光面)上且邻近于该旁侧边231处(也就是邻近设有该反射片40的该侧面23处)分别设有一不对称形导光结构211。该多个不对称形导光结构211的结构曲线经由本发明独创的轮廓曲线方程式的创新设计，点光源30由下朝上(亦即，朝向不对称形导光结构211)垂直发出的光线在与其相对应的不对称形导光结构211上的入射角皆大于全反射角，造成全反射；因此，光线不会从不对称形导光结构211的上方漏出。换言之，不对称形导光结构211会使点光源30的大部分光线往可视区210均匀扩散传播，效率更佳。不对称形导光结构211因为两个方向(-Y方向及+Y方向)的开口半径和厚度不同，可达到更好的光学效果与背光效能。使用本发明上述的直下式导光结构的导光板20所构成的背光模块10，可利用边框遮住设置有不对称形导光结构211与点光源30的区域，避免加工或生产误差所造成的漏光或全反射太好所造成的暗区，使可视区光线均匀，该多个点光源30之间的光混合均匀就不会有明显暗区或亮点(hot spot)。
于本发明中，点光源30为直下式入光，不对称形导光结构211位于导光板20本体的上表面21(出光面)邻近于反光片40侧的位置，且呈现左右不对称凹陷形状，如图中的左(-Y)、右(+Y)两个方向上的结构曲线曲率、开口半径、厚度皆不同。其中，图中的左侧面23就是设置了反射片40的侧面，右侧方向(+Y方向)则是在导光板20上远离反射片40的方向。本发明所述的不对称形导光结构211是由至少一个以上的函数曲线构成。导光板20的材料折射率造成光学由材料到空气间的临界角(θc)，通过不对称形导光结构211的结构曲线设计，使光线在不对称形导光结构211上的入射角大于临界角θc，于是构成全反射。如图4所示，由于θc＝sin-1(1/n)，所以，当导光板20本身材料为MS时，折射率约1.56～1.57为例，临界角(θc)约39.8°～39.6°；当导光板20本身材料为PMMA时，折射率约1.49时，则临界角(θc)约42.2°；当导光板20本身材料为PC时，折射率约1.55时，则临界角(θc)约40.2°；当导光板20本身材料为PS时，折射率约1.58时，则临界角(θc)约39.3°。通过上述不对称形导光结构211(左右不对称的凹槽结构)，其不对称形导光结构211(左右不对称的凹槽结构)正上方不会有明显的漏光和亮点，耦光效率佳，大部分光能在导光板20本体内传播，可视区210的光线均匀，可降低多余全反射的能量损失。可避免全反射的光从不对称形导光结构211的位置出光，导光能力较佳。向下偏折光线经由微结构221破坏全反射，由导光板20的出光面(上表面21)出射，通过位于导光板20的底面(下表面22)所设置的多个微结构221的深度、密度、直径大小的变化，可达到让整个可视区210均匀出光的功效。于本发明中，该导光板20的出光面(上表面21)除了设置有不对称形导光结构211处的附近区域外的其他所有区域都是可视区210。
于本发明中，于该导光板20上定义有两两相互垂直的X、Y及Z轴方向，其中，该导光板20的厚度方向(亦即，下表面22与上表面21之间的距离)沿该Z轴方向延伸，该X轴方向及该Y轴方向分别在该下表面22上延伸。并且，该X轴方向与该旁侧边231的延伸方向平行；换言之，该多个点光源30沿着该旁侧边231延伸的方向也就是该X轴方向平均分布于导光板20下表面22邻近该旁侧边(左侧面23)处。
如图4及图5所示，于本发明中，各个该不对称形凹槽结构211都具有一中心凹点212，使其所对应的该点光源30位于该中心凹点212的正下方。该中心凹点212与该出光面(上表面21)相对位置间为连续轮廓，于沿着该Y轴方向剖切穿过该导光板20的该中心凹点212的一剖面方向(A-A剖面)上的该不对称形凹槽结构211的轮廓可以下列方程式来表现。
方程式一：Z1(y)＝z01-a1*exp(-|y|/t1),-r01<y<0；
方程式二：Z2(y)＝z02-a2*exp(-|y|/t2),0<y<r02；
其中，z01、z02分别为该导光板的一侧边区和一主体区的最大厚度，该主体区位于+y方向，且该侧边区位于-y方向；a1、a2分别为该中心凹点相对于该侧边区与该主体区的最大深度；t1、t2分别为该不对称形凹槽结构的该轮廓的变化参数；r01、r02分别为该不对称形凹槽结构在该侧边区和该主体区的开口半径；Z1(y)定义了该不对称形凹槽结构在该侧边区的厚度变化也就是轮廓曲线，Z2(y)为该不对称形凹槽结构在该主体区的厚度变化也就是轮廓曲线，y是介于-r01至r02之间的实数。
于本发明的较佳实施例中，0.7≦t1≦1.5；0.7≦t2≦1.5；3mm≦z02<7mm；3.5mm≦z01≦7mm；67％≦(a2/z02)<100％；z01>z02。经本发明以多个不同参数值的实施例样本进行光学仿真所得到的数据，可证明依据上述方程式一与方程式二搭配上述各参数的数值范围所设计出来的该不对称形凹槽结构的该轮廓曲线，将可以提供优化的光学效果。以下将详述。
于本发明中，各个该不对称形凹槽结构211的结构曲线(轮廓曲线)只要能依据在上述参数范围内代入方程式一与方程式二来设计时，则漏光比例相对于点光源≦10％(注：漏光比例越低越好)。
以下将举几个实施例来具体说明在不同参数下以上述方程式一与方程式二来设计出本发明中的不对称形凹槽结构211的结构曲线(轮廓曲线)的漏光率值。
如图6A所示为本发明中的不对称形凹槽结构211在两侧曲线相同(也就是z01＝z02)时的光线路径示意图。如图6A所示，当本发明中的不对称形凹槽结构211的z01＝z02时，其左侧(-Y侧边区)的轮廓曲线和右侧(+Y主体区)的轮廓曲线相同。此时，由点光源30直接朝向反射片40发射的光线，在经过反射片40的反射后，其侧边反射光线会容易直接穿过不对称形凹槽结构211的左侧轮廓曲线而发生漏光现象，导致其漏光率相对提高、且光学效果相对较差。因此，本发明特别设计光学“曲线设计不对称”的不对称形凹槽结构211，能得到更佳光路径入射角度，让漏光率比两条相同曲线的“对称形”凹槽结构更低。
如图6B所示为本发明中的不对称形凹槽结构211在侧边区厚度z01大于主体区厚度z02时的光线路径示意图。如图6B所示，当本发明中的不对称形凹槽结构211的z01>z02时(侧边区厚度z01大于主体区厚度z02时)，其左侧(-Y侧边区)的轮廓曲线和右侧(+Y主体区)的轮廓曲线不相同而呈现“不对称形”凹槽结构。此时，由点光源30直接朝向反射片40发射的光线，在经过反射片40的反射后，其光线R1’在(y3,Z(y3))位置的入射角会符合以下数学式：
90°-Φ2-Φ1＝90°-tan-1(Z(y3)/y3)-tan-1(1/Z′(y3))＞sin-1(1/n)
本发明中的不对称形凹槽结构211在侧边区的轮廓曲线的设计需满足点状光源出射光线在导光板20侧面23的反射片40发生反射后，在导光板20侧边区的不对称形凹槽结构211的轮廓曲线表面发生全反射条件，换言之，需满足上式一阶几何光学关系，也就是光线在导光板20侧边区的不对称形凹槽结构211的轮廓曲线表面入射角大于临界角。
如图7所示为本发明提供的直下式导光结构实施于一32寸背光显示面板的实施例示意图。以32寸LCD面板的背光模块为例，依据本发明所公开的直下式导光结构技术，仅需使用10pcs.(10个)高功率LED，A/P ratio＝8/63.6＝0.126，所以边框的宽度很小，便能提供良好的光学效果。相较之下，使用侧光源式导光板的32寸背光模块若欲提供相同的光学效果将会需要更多数量的高功率LED。一般来说，在相同发光效果的前提下，依据本发明所公开的直下式导光结构技术所制造的32寸背光模块高功率所使用到的LED数量，大概只需同尺寸的侧光式背光模块所需LED数量的1/6～2/3，同时可以降低亮点(hot spot)的现象、减少边框宽度、且拥有极小A/P ratio和薄型化的厚度，可使直下式可视区的光学均匀。
如图8A、图8B及图8C所示，分别为本发明提供的直下式导光结构依据表一所示的参数值代入方程式一及方程式二后所模拟出的不对称凹槽结构的轮廓曲线、非光轴光线入射角度、以及侧反射光线入射角度的示意图。
表一：第一群组实施例的参数值及所得到的漏光率与入射角判定值对照表。
于上表一中，Ex19、Ex25、Ex26、Ex27、Ex28分别代表编号第19、25、26、27及28号实施例。其中，Ex19的z01＝z02，表示其凹槽结构211的左侧(-Y侧边区)的导光板厚度及轮廓曲线会分别和右侧(+Y主体区)的厚度及轮廓曲线相同，也就是所谓“对称形”凹槽结构，可作为比较漏光率时的对照组。于表一中，将各组实施例的z01、t1、a1、z02、t2、a2参数值代入本发明上述的方程式一及方程式二，即可绘制出沿着该Y轴方向剖切穿过该导光板20的该中心凹点212的一剖面方向(A-A剖面)上的该凹槽结构211在-Y侧边区及+Y本体区的上表面曲线轮廓，其轮廓的绘制结果如图8A所示。一旦获得某一实施例如图8A所示的该凹槽结构211在A-A剖面上的曲线轮廓后，即可以线性比例增减的方式来决定该实施例的该凹槽结构211在非A-A剖面的其他部分的曲线轮廓，以获得该凹槽结构211整个立体结构的上表面曲线轮廓，例如图4所示，该凹槽结构211在B-B剖面处的+X轴方向与-X轴方向上的最大厚度将会等于(z01+z02)/2，其余类推。
于表一中，其中的“入射角判定”字段指的是自点光源朝向导光板20的+Y本体区方向发射的光线，在打到该凹槽结构211位于+Y本体区的上表面曲线轮廓时的入射角是否会大于全反射的临界角θc(以导光板20本身材料为PC时，其折射率约1.55且临界角(θc)约40.2°为例)，若该域值为O，则表示大于临界角所以会全反射，若该域值为X，则表示小于临界角所以会有漏光现象。相对地“侧反入射角判定”指的是自点光源朝向导光板20的-Y侧边区方向发射的光线，在先经由反射片40(侧面23)反射后再打到该凹槽结构211位于-Y侧边区的上表面曲线轮廓时的入射角是否会大于全反射的临界角θc，若该域值为O，则表示有大于临界角所以会全反射，若该域值为X，则表示小于临界角，所以会有漏光现象。表一中的“漏光率％”是以计算机光学仿真，自点光源朝上向凹槽结构211发射的光线有多少百分比会从凹槽结构211的正上方射出(漏光)的比例。
由表一可知，当凹槽结构211在-Y侧边区的最大厚度z01大于+Y本体区最大厚度z02，也就是z01>z02时，无论曲线参数t1的值如何变化，Ex25、Ex26、Ex27、Ex28实施例的漏光率％值都显著地比z01＝z02的对照组Ex19的漏光率更低，显而易见，当凹槽结构211为z01>z02的“不对称形”结构时，例如当z02为3mm且z01大于或等于3.5mm时，将可以获得比“对称形”凹槽结构更低更良好的漏光率％值。然而，即使是z01>z02的“不对称形”凹槽结构211，其t1值若大于或等于1.5以上时，将会有“入射角判定”与/或“侧反入射角判定”域值是X，也就是不合格的现象，所以，t1值应该要介于0.7至1.4之间(亦即，0.7≦t1≦1.4)为较佳。
如图9A、图9B及图9C所示分别为本发明提供的直下式导光结构依据表二所示的参数值代入方程式一及方程式二后所模拟出的不对称凹槽结构的轮廓曲线、非光轴光线入射角度、以及侧反射光线入射角度的示意图。
表二：第二群组实施例的参数值及所得到的漏光率与入射角判定值对照表。
于上表二中的各字段所代表的意义分别于表一相对应的字段相同，所以不再赘述。由表二可知，当不对称形凹槽结构211的z01<z02时，其Ex29、Ex30、Ex31、Ex32实施例的漏光率％值都显著地比对照组Ex19高出许多，且其“入射角判定”与“侧反入射角判定”字段全都是不合格的X，由此可知，当不对称形凹槽结构211在-Y侧边区的最大厚度z01小于+Y本体区的最大厚度z02时将无法提供良好的光学效果。
请参阅图10A、图10B及图10C所示，分别为本发明提供的直下式导光结构依据表三所示的参数值代入方程式一及方程式二后所模拟出的不对称凹槽结构的轮廓曲线、非光轴光线入射角度、以及侧反射光线入射角度的示意图。
表三：第三群组实施例的参数值及所得到的漏光率与入射角判定值对照表。
于上表三中的各字段所代表的意义分别于表一相对应的字段相同，所以不再赘述。由表三可知，以Ex27为对照组，当不对称形凹槽结构211在-Y侧边区的最大厚度z01值逐渐地提高(增厚)达到7.7mm(超过7mm)时，其漏光率％值都显著地提高到23.7％，且“入射角判定”字段是不合格的X，由此可知，当不对称形凹槽结构211在-Y侧边区的最大厚度z01大于7mm以上时将无法提供良好的光学效果。所以，于本发明中，3.5mm≦z01≦7mm为较佳实施例。
于本发明提供的直下式导光板实施例中，该直下式导光结构中的不对称形凹槽结构位于导光板本体的上表面，且呈现不对称凹陷形状。不对称形凹槽结构在-Y侧边区及+Y本体区两个方向上的结构曲线曲率、开口半径、及厚度皆不同，所以可以提供较现有技术更良好的光学效果。直下式导光结构中的不对称形凹槽结构是由至少一个以上的函数曲线构成(例如方程式一与方程式二即为函数式的例子)。不对称形凹槽结构为斜率连续变化的曲线结构，经由设计，点光源的光线碰到不对称形凹槽结构时，入射角大于临界角，光线通过不对称形凹槽结构至少有一次以上的全反射，不会从不对称形凹槽结构漏出，所以可以有效率地被传导至远光端。不对称形凹槽结构正上方不会有明显的漏光和亮点，耦光效率佳。导光板本体的上表面与下表面大体上互相平行。导光板本体顶面(上表面)或底面(下表面)有凸起或凹陷的多个微结构，利用该多个微结构的密度变化和结构深度变化调整出光量，微结构呈现放射性分布，越靠近不对称形凹槽结构处，密度较疏、范围越小；相对地，越接近远光处，微结构的密度越密、范围越大，造成均匀出光。该多个微结构可为线状、点状或任何规则或不规则形状的凸起或凹陷结构，也可为油墨材料印刷在本体的上表面与下表面。
如图10所示为本发明提供的直下式导光板另一实施例的导光结构部分的立体放大图、A-A剖面图与B-B剖面图。于本实施例中，本发明提供的直下式导光板除了前述设置于导光板下表面的多个凸起或凹陷的圆点状微结构221之外，在导光板的上表面(也就是出光面)也增设了多个凸起的细长条状微结构215。于本实施例中，该多个细长条状微结构215的延伸方向与反射片40的延伸方向相互垂直。并且，该多个圆点状微结构221以及该多个细长条状微结构215都是设置在导光板上没有设置不对称形凹槽结构211或点光源30的区域，换言之，只有在可视区才会设置这些微结构221、215。
如图12A及图12B所示，分别为本发明提供的直下式导光结构在非光轴光学状态下的两个不同光线路径示意图。虽然，本发明中的点光源30是假设在理想状态下的一个无尺寸大小的点状光源，然而，在现实中，点光源30实际上是一个直径(或边长)为1～2mm的具有尺寸的小尺寸LED光源。所以，由点光源30所发出的光并非只有从点光源30中心点向上呈扇形发射的光线，而是在有尺寸的点光源30的边缘也会有向上呈扇形发射的光线，而这些非属点光源30中心点所发出的光线所造成的光学现象，我们统称为“非光轴光学”。如图12A所示，自点光源30的右侧边缘向+Y方向发射的光线，在接触到凹槽结构在+Y本体区的上表面曲线轮廓时，若要符合全反射要件，则需符合以下数学式：
光线R1’在(y1,Z(y1))位置的入射角
90°-Φ′1+Φ2＝90°-(Φ1+σ)+Φ2＝180°-tan-1(Z(y1)/y1)-tan-1(1/Z′(y1))-σ＞sin-1(1/n)
其中，Φ′1＝tan-1(Z(y1)/y1-d/2)，且σ＝Φ′1-Φ1
如图12B所示，自点光源30的右侧边缘向-Y方向发射的光线，在接触到凹槽结构在+Y本体区的上表面曲线轮廓时，若要符合全反射要件，则需符合以下数学式：
Φ2-(90°-Φ′1)＝-90°+Φ′1+Φ2＞sin-1(1/n)
如图12C所示，为本发明提供的直下式导光结构在光轴光学状态下的光线路径示意图。相较于前述的非光轴光学中的点光源是有尺寸大小，于图12C中所示的点光源则是假设为无尺寸大小、且只会从点光源30中心点向上呈扇形发射光线的理想状态点光源，此时施例我们称之为“光轴光学”。如图12C所示，自点光源30的正中心点发射的光线，在接触到凹槽结构在+Y本体区的上表面曲线轮廓时，若要符合全反射要件，则需符合以下数学式：
光线R1在(y1,Z(y1))位置的入射角
90°-Φ1+Φ2＝180°-tan-1(Z(y1)/y1)-tan-1(1/Z′(y1))＞sin-1(1/n)
其中，Φ1＝tan-1(Z(y1)/y1)且Φ2＝90°-tan-1(1/Z′(y1))
曲线设计需满足点状光源出射光线在导光板本体表面发生全反射条件，公式推导需满足上式一阶几何光学关系:光线R1在导光本体表面入射角大于临界角。
如前述的图8B、图9B、及图10B，以及稍后将述及的图14C、图15C及图16C中的曲线图，就是考虑如上述的“非光轴光学”所仿真、计算出来的本发明提供的直下式导光结构依据各个凹槽结构实施例的参数值代入方程式一及方程式二后所模拟出的非光轴光学入射角度vs临界角的示意图。
如图13所示为本发明提供的直下式导光结构中的凹槽结构是对称形凹槽结构时的曲线轮廓示意图。如图13所示，于本实施例中，导光板20本体的上表面22所设置的凹槽结构在沿着Y轴方向剖切穿过凹槽结构的中心凹点的一剖面方向上是具有左右对称形的环形曲面凹槽形状，其在YZ平面上可视为包含两条起始于y＝0的曲线，与导光板20下表面21的直线之间构成导光板20本体的厚度变化Z1(y)、Z2(y)，其中，Z1为侧边区(-Y方向)、Z2为主体区(+Y方向)。
该YZ平面曲线轮廓可表示成以下函数变化：
方程式三：Z1(y)＝Z2(y)＝z0-a1*exp(-|y|/t1)for-r0<y<r0
其中z0为导光板20本体最大厚度，a1为凹槽结构之最大深度，t1为凹槽形状变化参数，r0为凹槽开口半径。
如图14A、图14B及图14C所示分别为本发明提供的直下式导光结构依据表四所示的参数值代入方程式三后所模拟出的对称形凹槽结构的轮廓曲线、光轴光线入射角度以及非光轴光线入射角度的示意图。
表四：第四群组实施例的参数值及所得到的漏光率与入射角判定值对照表。
于上表四中的各字段所代表的意义分别于表一相对应的字段相同，所以不再赘述。由表四可知，当对称形凹槽结构的t1值介于1至1.5之间时(1≦t1≦1.5)，可达到“入射角判定”字段为合格的O、且漏光率％相对较低的良好光学效果。
如图15A、图15B及图15C所示，分别为本发明提供的直下式导光结构依据表五所示的参数值代入方程式三后所模拟出的对称形凹槽结构的轮廓曲线、光轴光线入射角度、以及非光轴光线入射角度的示意图。
表五：第五群组实施例的参数值及所得到的漏光率与入射角判定值对照表。
于上表五中的各字段所代表的意义分别于表一相对应的字段相同，所以不再赘述。由表五可知，当对称形凹槽结构的最大深度比a1/Z0(％)值介于50至100之间时(50％≦(a1/Z0)<100％)，可达到“入射角判定”字段为合格的O、且漏光率％相对较低的良好光学效果。
如图16A、图16B及图16C所示，分别为本发明提供的直下式导光结构依据表六所示的参数值代入方程式三后所模拟出的对称形凹槽结构的轮廓曲线、光轴光线入射角度、以及非光轴光线入射角度的示意图。
表六：第六群组实施例的参数值及所得到的漏光率与入射角判定值对照表。
于上表六中的各字段所代表的意义分别于表一相对应的字段相同，所以不再赘述。由表六可知，当对称形凹槽结构的最大厚度Z0值介于4至7之间时(4≦Z0≦7)，可达到“入射角判定”段为合格的O、且漏光率％相对较低的良好光学效果。
以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此局限本发明的保护范围，故举凡运用本发明说明书及图示内容所为的等效技术变化，均包含于本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种直下式导光结构，设置于一直下式背光模块的一导光板上，该导光板具有一出光面以及与该出光面相对的一入光面，于该导光板上定义有两两相互垂直的X、Y及Z轴方向，其中，该导光板的厚度方向沿该Z轴方向延伸，该X轴方向及该Y轴方向分别在该入光面上延伸；该背光模块具有至少一点光源，该至少一点光源与该入光面位于同一侧；其特征在于，该直下式导光结构包括：
至少一凹槽结构，其设于该导光板的该出光面，且各个该点光源的位置分别对应于一个该凹槽结构，使该点光源朝着该凹槽结构发出光线；
其中，各个该凹槽结构均具有一中心凹点，使其所对应的该点光源位于该中心凹点的正下方；该中心凹点与该出光面相对位置间为连续轮廓；
其中，于沿着该Y轴方向剖切穿过该导光板的该中心凹点的一剖面方向上的该凹槽结构的轮廓通过下列方程式来表现：
方程式一：Z1(y)＝z01-a1*exp(-|y|/t1),-r01<y<0；
方程式二：Z2(y)＝z02-a2*exp(-|y|/t2),0<y<r02；
其中，z01、z02分别为该导光板的一侧边区和一主体区的最大厚度，该主体区位于+y方向，且该侧边区位于-y方向；a1、a2分别为该中心凹点相对于该侧边区与该主体区的最大深度；t1、t2分别为该凹槽结构的该轮廓的变化参数；r01、r02分别为该凹槽结构在该侧边区和该主体区的开口半径；Z1(y)定义了该凹槽结构在该侧边区的厚度变化也就是轮廓曲线，Z2(y)为该凹槽结构在该主体区的厚度变化也就是轮廓曲线，y为介于-r01至r02之间的实数；
其中，0.7≦t1≦1.4；0.7≦t2≦1.5；3mm≦z02<7mm；3mm<z01≦7mm；67％≦(a2/z02)<100％。
2.根据权利要求1所述的直下式导光结构，其特征在于，该凹槽结构为一不对称形凹槽结构，其中，z01>z02；3.5mm≦z01≦7mm。
3.根据权利要求2所述的直下式导光结构，其特征在于，该至少一点光源的数量至少为两个，该至少一点光源集中设置在该导光板的该入光面的下方且邻近于该导光板其中一旁侧边处；并且，该至少一点光源沿着该旁侧边平均分布于点导光板的该入光面邻近该旁侧边处的下方；其中，该剖面方向与该旁侧边以及该出光面均相互垂直。
4.根据权利要求3所述的直下式导光结构，其特征在于，在设置有该至少一点光源的该旁侧边的侧面处还设置有一反射片，通过该反射片将该至少一点光源朝该反射片发射的光线全反射回该导光板中。
5.一种直下式导光板，设置于一直下式光源的背光模块中，该导光板具有一出光面以及与该出光面相对的一入光面，于该导光板上定义有两两相互垂直的X、Y及Z轴方向，其中，该导光板的厚度方向沿该Z轴方向延伸，该X轴方向及该Y轴方向分别在该入光面上延伸；该背光模块具有至少一点光源，该至少一点光源与该入光面位于同一侧；于该导光板上设置有至少一凹槽结构，该至少一凹槽结构设于该导光板的该出光面，且各个该点光源的位置分别对应于一个该凹槽结构，使该点光源朝着该凹槽结构发出光线；
其中，各个该凹槽结构均具有一中心凹点，使其所对应的该点光源位于该中心凹点的正下方；该中心凹点与该出光面相对位置间为连续轮廓；
其中，该至少一点光源的数量至少为两个，该至少一点光源集中设置在该导光板的该入光面的下方且邻近于该导光板其中一旁侧边处；并且，该至少一点光源沿着该旁侧边平均分布于点导光板的该入光面邻近该旁侧边处的下方；
其中，在设置有该点光源的该旁侧边的侧面处还设置有一反射片，通过该反射片将该至少一点光源朝该反射片发射的光线全反射回该导光板中；
其中，于沿着该Y轴方向剖切穿过该导光板的该中心凹点的一剖面方向上的该凹槽结构的轮廓通过下列方程式来表现：
方程式一：Z1(y)＝z01-a1*exp(-|y|/t1),-r01<y<0；
方程式二：Z2(y)＝z02-a2*exp(-|y|/t2),0<y<r02；
其中，z01、z02分别为该导光板的一侧边区和一主体区的最大厚度，该主体区位于+y方向，且该侧边区位于-y方向；a1、a2分别为该中心凹点相对于该侧边区与该主体区的最大深度；t1、t2分别为该凹槽结构的该轮廓的变化参数；r01、r02分别为该凹槽结构在该侧边区和该主体区的开口半径；Z1(y)定义了该凹槽结构在该侧边区的厚度变化也就是轮廓曲线，Z2(y)为该凹槽结构在该主体区的厚度变化也就是轮廓曲线，y为介于-r01至r02之间的实数；
其中，0.7≦t1≦1.4；0.7≦t2≦1.5；3mm≦z02<7mm；3mm<z01≦7mm；67％≦(a2/z02)<100％；
其中，该剖面方向与该旁侧边以及该出光面均相互垂直。
6.根据权利要求5所述的直下式导光板，其特征在于，该凹槽结构为一不对称形凹槽结构，其中，z01>z02；3.5mm≦z01≦7mm。
7.一种直下式背光模块，包括：至少一点光源以及一导光板；该导光板具有一出光面以及与该出光面相对的一入光面，于该导光板上定义有两两相互垂直的X、Y及Z轴方向，其中，该导光板的厚度方向沿该Z轴方向延伸，该X轴方向及该Y轴方向分别在该入光面上延伸；该至少一点光源与该入光面位于同一侧；于该导光板上设置有至少一凹槽结构，该至少一凹槽结构设于该导光板的该出光面，且各个该点光源的位置分别对应于一个该凹槽结构，使该点光源朝着该凹槽结构发出光线；
其中，各个该凹槽结构均具有一中心凹点，使其所对应的该点光源位于该中心凹点的正下方；该中心凹点与该出光面相对位置间为连续轮廓；
其中，该至少一点光源的数量至少为两个，该至少一点光源集中设置在该导光板的该入光面的下方且邻近于该导光板其中一旁侧边处；并且，该至少一点光源沿着该旁侧边平均分布于点导光板的该入光面邻近该旁侧边处的下方；
其中，在设置有该至少一点光源的该旁侧边的侧面处还设置有一反射片，通过该反射片将该至少一点光源朝该反射片发射的光线全反射回该导光板中；
其中，于沿着该Y轴方向剖切穿过该导光板的该中心凹点的一剖面方向上的该凹槽结构的轮廓通过下列方程式来表现：
方程式一：Z1(y)＝z01-a1*exp(-|y|/t1),-r01<y<0；
方程式二：Z2(y)＝z02-a2*exp(-|y|/t2),0<y<r02；
其中，z01、z02分别为该导光板的一侧边区和一主体区的最大厚度，该主体区位于+y方向，且该侧边区位于-y方向；a1、a2分别为该中心凹点相对于该侧边区与该主体区的最大深度；t1、t2分别为该凹槽结构的该轮廓的变化参数；r01、r02分别为该凹槽结构在该侧边区和该主体区的开口半径；Z1(y)定义了该凹槽结构在该侧边区的厚度变化也就是轮廓曲线，Z2(y)为该凹槽结构在该主体区的厚度变化也就是轮廓曲线，y是介于-r01至r02之间的实数；
其中，0.7≦t1≦1.4；0.7≦t2≦1.5；3mm≦z02<7mm；3mm<z01≦7mm；67％≦(a2/z02)<100％；
其中，该剖面方向与该旁侧边以及该出光面均相互垂直。
8.根据权利要求7所述的直下式背光模块，其特征在于，该凹槽结构为一不对称形凹槽结构，其中，z01>z02；3.5mm≦z01≦7mm。
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