CN106773320B - 背光模块、光学增强单元及光学增强单元的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种背光模块、光学增强单元及光学增强单元的制造方法，该背光模块具有导光部、光源、反射部、光栅、棱镜片、扩散膜、光增益材料与反射层，导光部的入光面位于底面与出光面之间的侧边；光源设置于入光面的一侧；反射部沿着导光部的底面设置；光栅沿导光部的出光面设置，具有多个等间距设置的亮区及暗区；棱镜片邻近光栅的表面具有多个微结构，微结构的水平剖面的第一侧面与该第二侧面夹出一角度；扩散膜具有凹陷部以使光增益材料容置于凹陷部及反射层形成于扩散膜的平坦部。

Description

背光模块、光学增强单元及光学增强单元的制造方法
技术领域
本发明涉及一种光学增强单元，特别涉及具有量子点的背光模块。
背景技术
随着显示科技不断的发展，就量产规模与产品应用普及性而言，液晶显示装置(Liquid Crystal Display,LCD)为平面显示技术的主流。于液晶显示装置中，提供液晶显示装置所需的背光源的背光模块扮演着相当重要的角色。
一般而言，液晶显示装置的背光模块内是设置有多个发光二极管所组成的发光二极管光条(LED light-bar)，用以提供液晶显示装置所需的背光源。由于液晶显示装置的面板模块本身不具有发光的能力，背光模块的功能即在于供应充足的亮度与分布均匀的光源，使液晶显示装置能正常显示影像。目前液晶显示装置已广泛应用于监视器、笔记本电脑、数字相机及投影机等具有成长潜力的电子产品，因此带动背光模块及其相关零组件的需求持续成长。
随着量子点技术逐渐成熟，其具有高色域的特性应用于液晶显示装置，增加液晶显示装置的色彩饱和度，使得影像有更丰富的显示效果。然而，一般量子点显示装置的量子点容易受热影响造成发光效率下降。
因此，如何有效率的使用量子点技术以达到高色彩显示装置，同时还能维持背光模块的发光亮度及显示画面的均匀度实属当前重要研发课题之一，亦成为当前相关领域极需改进的目标。
发明内容
本发明在于提供一种背光模块，借以进一步提升显示装置的高色彩与亮度，且又可兼顾显示画面的均匀度。
依照本发明的一实施例公开一种背光模块具有导光部、光源、反射部、光栅、棱镜片、扩散膜、光增益材料与反射层，导光部的入光面位于底面与出光面之间的侧边；光源设置于入光面的一侧；反射部沿着导光部的底面设置；光栅沿导光部的出光面设置，具有多个等间距设置的亮区及暗区；棱镜片邻近光栅的表面具有多个微结构，微结构的水平剖面的第一侧面与该第二侧面夹出一角度；扩散膜具有凹陷部以使光增益材料容置于凹陷部及反射层形成于扩散膜的平坦部。
依照本发明的一实施例公开一种背光模块，该背光模块包括一导光部、一光源、一反射部、一光栅、一棱镜片、一扩散膜、一光增益材料及一反射层；所述导光部包括一入光面、一底面及一出光面，其中该出光面与该底面为该导光部的相对表面，该入光面位于该底面与该出光面之间的侧边；所述光源设置于该入光面的一侧，用以发出一光线；所述反射部沿着该导光部的该底面设置；所述光栅沿该导光部的该出光面设置，包括多个亮区及多个暗区，且所述多个亮区为等间距设置；所述棱镜片沿着该光栅的平面设置，其中该棱镜片具有相对的两个表面，邻近该光栅的一表面包括多个第一微结构，其中每一第一微结构的一水平剖面包括一第一侧面及一第二侧面，另一表面为一平面；所述扩散膜具有一第一表面及一第二表面，其中：该第一表面包括一凹陷部；该第二表面包括对应该凹陷部所形成的一凸起部及一平坦部；所述光增益材料容置于该扩散膜的该凹陷部；所述反射层形成于该第二表面的平坦部。
依照本发明的另一实施例公开一种光学增强单元及制造方法，借以提升显示装置的光线转换效率，进一步提升影像色彩饱和度。
依照本发明的另一实施例公开一种光学增强单元，该光学增强单元包括一扩散膜、一光增益材料、一反射层及一棱镜片；所述扩散膜具有一第一表面及一第二表面，其中：该第一表面包括一凹陷部；该第二表面包括对应该凹陷部所形成的一凸起部及一平坦部；所述光增益材料容置于该扩散膜的该凹陷部；所述反射层形成于该第二表面的平坦部；所述棱镜片具有相对的两个表面，其中一表面为平面并贴附于该扩散膜的第一表面，其中多个第一微结构形成于另一表面，所述多个第一微结构的水平剖面为一三角形，每一第一微结构的水平剖面包括一第一侧面及一第二侧面。
依照本发明的又一实施例公开一种光学增强单元的制造方法，适用于如所述的该光学增强单元，该制造方法包括：于该扩散膜的该第一表面，通过模压或热塑方式以形成该凹陷部，以使得对应该凹陷部的该第二表面形成该凸起部及该平坦部；于该扩散膜的该第二表面的该平坦部涂布一反射材料以形成该反射层；于该凹陷部充填一光增益材料；将该扩散膜与该棱镜片贴合，以得到该光学增强单元。
本发明的有益效果在于，本发明所公开的背光模块，通过光学设计以达到提升光强度、光均匀性同时兼顾背光模块轻薄化的需求。
以上的关于本公开内容的说明及以下的实施例的说明是用以示范与解释本发明的精神与原理，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为根据本发明的一实施例所绘示的背光模块的立体示意图。
图2为根据本发明的一实施例所绘示的背光模块的剖面图。
图3A为根据本发明的一实施例所绘示的局部示意图。
图3B为根据本发明的一实施例所绘示的局部示意图。
图4A为根据本发明的一实施例所绘示的光栅的剖面图。
图4B为根据图4A所绘示的光迹示意图。
图5为根据本发明的一实施例所绘示的光迹示意图。
图6A为根据本发明的一实施例所绘示的棱镜片的局部光迹示意图。
图6B为根据本发明的一实施例所绘示的棱镜片的局部光迹示意图。
图7为根据本发明另一实施例所绘示的背光模块的剖面图。
图8为本发明的一实施例所述的光学增强单元的制造方法示意图。
其中，附图标记说明如下：
背光模块：100
显示面板：200
制造方法：300
光源：120
导光部：110
入光面：111
入光面：112底面：113
反射部：130
反射面：131光栅：140
亮区：143
暗区：145
棱镜片：150
微结构：141、151
扩散膜：160
凹陷部：161
平坦部：163
凸起部：165
光增益材料：170
反射层：180
光路径：L1～L5
距离：D
角度：θ、φ、θ1
波长：γ、λ
具体实施方式
下文是举实施例配合所附附图作详细说明，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，而结构操作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等技术效果的装置，皆为本发明所涵盖的范围。此外，附图仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。为使便于理解，下述说明中相同元件将以相同的符号标示来说明。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的元件或操作而已。
关于本文中所引用的附图，若说明书或附图未特别说明其比例关系，则附图并非用以限定本发明的比例关系，其仅仅是为了简单示意。
请同时参考图1及图2，图1为根据本发明的一实施例所绘示的背光模块的立体示意图；图2为根据本发明的一实施例所绘示的背光模块的剖面示意图。背光模块100包含导光部(light guide part)110、光源120、反射部(reflection part)130、光栅(grating)140、棱镜片(prism sheet)150及扩散膜(diffuser)160。导光部110具有入光面(incidentsurface)111、出光面(top surface)112及底面(bottom surface)113。底面113相对于出光面112，且入光面111介于出光面112与底面113之间。导光部110内的导光介质(medium)可以包括有空气、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、玻璃、或者是可用来导光的材质。光源120沿着入光面111设置，用以发出一光线使得光源120的光线可以通过入光面111，光线自入光面111朝导光部110入射，光源120可以是单频光(monochromatic light)，举例而言可以是蓝光或紫外光，于一较佳实施例中，光源120的波长可以为450纳米(nm，nanometer)。
反射部130邻近于导光部110的底面113，反射部130具有反射面131，用以将光线反射以增加光线的散射路径(scattering path)，达到增加光的均匀性的技术效果。其中反射部130可包括有多个微结构(micro structure)133凸起或凹陷以形成反射面131。光栅140(Grating)沿导光部110的出光面112设置，其中邻近导光部110的表面包括多个微结构141，微结构141可以与光栅140表面具有角度以形成于光栅140的表面，微结构141包括多个亮区(bright zone)143及多个暗区(dark zone)145，且每个暗区145具有大体上相等的间距(pitch)D，以使得射入光栅140的光线经由绕射路径通过光栅140，由于入射光栅140的光线来自不同角度，因此光栅140的暗区145角度可以包含多种角度，已使得出射的光源达到均匀的功效。所述的反射部130可以是多层膜反射片、白反射片或者表面涂布反射材料如金、银、铝或合金等，本发明并不以此为限。
棱镜片150(prism sheet)沿着光栅140的平面设置，其中棱镜片150具有相对的两个表面，邻近光栅140的表面包括多个微结构151，其中每个微结构151的水平剖面(cross-section)包括第一侧面(wall)及第二侧面，该第一侧面与该第二侧面夹出小于90度的角度φ、另一相对的表面为平面。微结构151可以是多个金字塔形也可以是多个三角柱形的结构，只要是两相对侧面所夹出的角度φ固定即为本发明所涵盖的范围，以使得通过棱镜片150的光线可以朝垂直平面(亦及棱镜片的法线方向)的方向出射。本发明的一较佳实施例两相对侧面所夹出的角度φ可以为68度。然而本发明并不以此为限，可依使用者需求设计适合的角度φ。
扩散膜(diffuser)160具有第一表面及第二表面，第一表面贴附着棱镜片150的平面设置，且第一表面具有多个凹陷部(cave)161，用以容纳光增益材料(wavelength-transform material)170，其中光增益材料170可以是包括量子点(quantum dot)或者磷光材料(phosphor)等可以使光线通过光增益材料170而改变光线特性，更进一步解释，此量子点或是磷光材料可以被封装在真空玻璃管(vacuum glass tube)或是塑胶管中以起到保护技术效果；第二表面相对于第一表面，且第二表面对应第一表面的凹陷部161形成多个突起部165，其余的第二表面则形成平坦部163，涂布或覆盖有反射层(reflection layer)180。扩散膜160可以由亚克力粒子、亚克力胶液与聚酯薄膜(Polyester Film,PET)等材料所组成。反射层180可以是金、银、铝或具有反射效果的金属材料，显示面板200设置于背光模块100上，光线通过背光模块100朝显示面板200入射。
请搭配图2参考图3A，，图3A为根据本发明的一实施例所绘示的反射部130的局部示意图。如图3A所示，反射部130可包括有多个相等间距、尺寸的微结构133或者不同间距、尺寸的微结构133凸起或凹陷于反射部130以形成反射面131。换句话说，微结构133的反射面133可以与反射部130的表面具有夹角以形成斜面。而微结构133的高度、宽度、角度与间距可以设计为不同或是随着距离光源远近，微结构133的角度可以与光源距离成相关渐变的调整，以增加光线散射路径以及发光面均匀度。于本发明的另一实施例，反射部130也可以是相对于导光部110而具有一斜面的反射结构，只要是可以用来反射光线以增加光线散射路径的反射结构，均为本发明所涵盖的范围。
请搭配图2参考图3B，图3B为根据本发明的一实施例所绘示的棱镜片150与扩散膜160的局部示意图。如图3B所示，棱镜片150的微结构151主要设置于扩散膜160的凹陷部161开口之下，使得通过棱镜片150的光线可以朝垂直平面(亦及棱镜片的法线方向)的方向射入扩散膜160，进一步射入光增益材料170。
请搭配图2参考图4A，，图4A为根据本发明的一实施例所绘示的光栅的剖面图。如图4A所示，光栅140的表面包括多个微结构141，微结构141可以与光栅140表面具有角度以形成于光栅140的表面，每个微结构141的角度可以是相等也可以不相等，由于光线由四面八方射向光栅140，通过设置多种角度的多个微结构141，可以达到充分利用散射后光线的目的。每个微结构141可包括多个亮区143及多个暗区145，亮区143可以是让光线通过的区域，例如是多个狭缝(slit)以形成亮区143，且任两相邻狭缝的间距D大体上相等，亦即，多个亮区143或多个暗区145为等间距设置。
接着请搭配图4A参考图4B，图4B为根据图4A所绘示的光迹示意图。光栅140供入射光(incident light)经过光线可根据布拉格定律(Bragg’s law)以使得射入光栅140的光线以绕射角θ(diffraction angle)经由绕射路径(diffraction path)通过光栅140，使得光线朝垂直光栅140的出光面的方向射出。光栅140可以是绕射光栅使入射光的振幅或相位(或两者同时)受到周期性空间调制，光栅140也可以是反射光栅(reflecting grating)或透射光栅(transparent grating)，本发明并不以此为限，只要光线可以经由相同的绕射角射出即为本发明所涵盖的范围。布拉格定律的方程式如下：
2Dsinθ＝nλ，其中n为正整数、入射光光线波长λ。由于光源120发出的光线为单频光，因此波长λ为定值，但是入射角度非特定单一角度。而希望出射光栅的出射光为特定角度，所以可以通过调整间距D或是光栅倾斜的角度调整，进而决定光线与光栅140的出光光角度。
图5为根据本发明的一实施例所绘示的光迹示意图。以下将说明背光模块100的光线路径及背光模块运作方法，在此先假设导光部110为空气。如图5所示，光源120发出光线L1与光线L2。光线L1是经过导光部110射向反射部130，再反射至导光部110，以增加光的散射路径。光线L2是经过导光部110直接射向光栅140，以使得通过光栅140的光线经由绕射路径射出具有绕射角θ1的光线L3或光线L4。以本发明的一实施例而言，光线L3与光栅140的平面所夹的角度为27度。然而本发明并不以此为限，可依使用者需求设计适合的绕射角θ。
接着，以下先说明光线L3的行经路线，请搭配图6A参考图5。图6A为根据本发明的一实施例所绘示的棱镜片的局部光迹示意图。光线L3以垂直于棱镜片150的微结构151侧面的路径垂直射入棱镜片150，已使得光线L3射入微结构151的另一侧面造成光线L3偏转以根据一偏转路径(deflection path)使得光线L3沿着垂直平面的方向射入扩散膜160的凹陷部161，进一步射向光增益材料170，使得光线L3通过光增益材料170后造成光线特性改变。通过在光增益材料170贴附棱镜片150使得光线L3根据偏转路径垂直射入光增益材料170，以提高光线转换效率，并使得单频光通过光增益材料造成光线波长和发光视角的特性改变，并降低背光模块100的厚度。
再来说明光线L4的行经路线，请搭配图6B参考图5。图6B为根据本发明的一实施例所绘示的棱镜片的局部光迹示意图。当光线L4射入扩散膜160的平坦部163时，由于平坦部163覆盖着反射层180，因此光线L4可以通过反射路径以射入微结构151的侧面造成光线L4偏转以根据偏转路径(deflection path)使得光线L4射入容置在扩散膜160的凹陷部161的光增益材料170，使得光线L3通过光增益材料170后造成光线特性改变。通过平坦部163覆盖着反射层180的方式使得光线L4能够反射再利用，增加光线的转换效率。
所述的光线特性可以是例如光线L3射入含有量子点材料的光增益材料170使得光线L3在光增益材料170中激发射出具有波长γ的光线。也可以是光线L3射入含有磷光材料的光增益材料170使得光线L3在光增益材料170转换以射出波长γ的光线。波长γ可以通过设计量子点材料能阶(energy level)的能隙(band gap)而有不同的波长设计。如本发明的一较佳实施例，光线L5可以为白光。
请参考图7，图7为根据本发明另一实施例所绘示的背光模块的剖面图。本发明所公开的背光模块100亦可应用在可挠式显示装置上，由于本发明所公开的背光模块100通过光学元件的堆叠设计出适合的光线轨迹，以使背光模块100不需过多膜层即可发出均匀的光线。且背光模块100所使用的光学元件均可以是有弹性可弯折的材质，因而适合可挠式显示装置与小尺寸的显示装置。
图8为本发明的一实施例所述的光学增强单元(optical enhanced unit)的制造方法示意图。以下将说明光学增强单元的制作方法300，一种光学增强单元包括棱镜片150、扩散膜160、光增益材料170及反射层180。步骤S310：于扩散膜160的一表面，通过模压或热塑方式以形成凹陷部161，以使得对应凹陷部161的另一表面形成凸起部165及平坦部163。其中扩散膜160的凸起部165的厚度与平坦部163的厚度可以为相等也可以为不相等。步骤S320：于扩散膜160的平坦部163涂布反射材料以形成反射层180。步骤S330：于凹陷部161充填光增益材料170。步骤S340：将扩散膜160与棱镜片150贴合，以得到光学增强单元。其中所述的反射材料可以是金、银、铝或具有反射效果的金属材料。光增益材料170内含有的量子点尺寸的长宽高三维空间任一维度空间可以是小于100纳米以下的纳米微晶粒。
本发明提供一种应用量子点的轻薄化背光模块。在较佳实施例中，本发明的显示装置为液晶显示装置、等离子体显示装置、电湿润显示装置等使用背光模块的平面显示装置。然而在其他实施例中，本发明的显示装置亦可以为其他类型的显示装置。
本发明提供一种应用量子点的轻薄化背光模块。在较佳实施例中，可以应用在具有可挠性基板的显示装置。
根据本发明所公开的背光模块，通过设置光栅及光学增强单元于背光模块，使得从导光部的射出的光线可通过光栅的以射出具有相同出射角的光线，以使得光线垂直射入棱镜片的侧面。再经过偏转路径以射入光增益材料中，进而使得光线能在光增益材料中改变光的特性以射出不同于光源特性的光线，并且通过设置反射部已使得光线均匀散射进一步地提升背光模块的光均匀性及光强度。
此外，本发明所公开的背光模块，导光部可以由空气或者轻薄的导光介质所组成，进而在大幅提升背光模块的均匀性与亮度之外，更进一步薄化背光模块，以兼顾背光模块的轻薄化需求。
综上所述，本发明所公开的背光模块，通过光学设计以达到提升光强度、光均匀性同时兼顾背光模块轻薄化的需求。
虽然本发明以前述的实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围内，所做的变动与润饰，均属本发明的专利保护范围。关于本发明所界定的保护范围请参考所附的权利要求书。

Claims (17)

1.一种背光模块，包括：
一导光部，包括一入光面、一底面及一出光面，其中该出光面与该底面为该导光部的相对表面，该入光面位于该底面与该出光面之间的侧边；
一光源，设置于该入光面的一侧，用以发出一光线；
一反射部，沿着该导光部的该底面设置；
一光栅，沿该导光部的该出光面设置，该光栅的邻近该导光部的表面包括多个亮区及多个暗区，且所述多个亮区为等间距设置；
一棱镜片，沿着该光栅的出光面设置，其中该棱镜片具有相对的两个表面，邻近该光栅的一表面包括多个第一微结构，其中每一第一微结构的一水平剖面包括一第一侧面及一第二侧面，另一表面为一平面；
一扩散膜，具有一第一表面及一第二表面，其中：
该第一表面贴附着该棱镜片的平面设置并包括一凹陷部；及
该第二表面包括对应该凹陷部所形成的一凸起部及对应该第一表面的未设置该凹陷部的其他部分的一平坦部；
一光增益材料，容置于该扩散膜的该凹陷部；及
一反射层，形成于该第二表面的平坦部。
2.如权利要求1所述的背光模块，其中该光线经由与该光栅的平面具有一第二夹角的路径通过该光栅。
3.如权利要求2所述的背光模块，其中该第二夹角为27度。
4.如权利要求1所述的背光模块，其中该光线经由一绕射路径通过该光栅，并根据一偏转路径通过该棱镜片。
5.如权利要求1所述的背光模块，其中每个所述第一微结构的水平剖面包括第一侧面及第二侧面，所述第一侧面与所述第二侧面所夹夹角为第一夹角，该第一夹角为68度。
6.如权利要求1所述的背光模块，其中该反射部包括多个第二微结构，以相等间距或不同间距形成于该反射部。
7.如权利要求6所述的背光模块，其中所述多个第二微结构是凸起或凹陷于该反射部表面。
8.如权利要求1所述的背光模块，其中该光源为一单频光。
9.如权利要求8所述的背光模块，其中该光源为一蓝光或一紫外光。
10.如权利要求1所述的背光模块，其中该导光部内包括：一导光介质。
11.如权利要求1所述的背光模块，其中该光栅包括多个狭缝以形成所述多个亮区，所述多个狭缝为等间距设置。
12.如权利要求1所述的背光模块，其中该光栅还包括多个第三微结构，以相同角度或不同角度形成于该光栅的表面。
13.如权利要求1所述的背光模块，其中该光增益材料包括：一量子点材料或一磷光材料。
14.如权利要求13所述的背光模块，其中位于不同凹陷部中的各个量子点材料之间半径大小不等。
15.如权利要求1所述的背光模块，其中该棱镜片还包括一平坦部，且所述棱镜片的多个第一微结构的至少其中一部分第一微结构位于该凹陷部的开口之下。
16.一种光学增强单元，包括：
一扩散膜，具有一第一表面及一第二表面，其中：
该第一表面包括一凹陷部；及
该第二表面包括对应该凹陷部所形成的一凸起部及一平坦部；
一光增益材料，容置于该扩散膜的该凹陷部；
一反射层，形成于该第二表面的平坦部；及
一棱镜片，具有相对的两个表面，其中一表面为平面并贴附于该扩散膜的第一表面，
其中多个第一微结构形成于另一表面，所述多个第一微结构的水平剖面为一三角形，每一第一微结构的水平剖面包括一第一侧面及一第二侧面。
17.一种光学增强单元的制造方法，适用于如权利要求16所述的光学增强单元，该制造方法包括：
于该扩散膜的该第一表面，通过模压或热塑方式以形成该凹陷部，以使得对应该凹陷部的该第二表面形成该凸起部及该平坦部；
于该扩散膜的该第二表面的该平坦部涂布一反射材料以形成该反射层；
于该凹陷部充填一光增益材料；及
将该扩散膜的第一表面与该棱镜片的一表面贴合，以得到该光学增强单元，该棱镜片的与该扩散膜相贴合的该表面为平面，该棱镜片的另一表面形成有多个第一微结构，所述多个第一微结构的水平剖面为一三角形，每一第一微结构的水平剖面包括一第一侧面及一第二侧面。
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