CN108563072A - 背光模组及显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的背光模组包含多个发光元件及多个透镜结构。每一发光元件具有发光面。透镜结构覆盖在每一发光元件上。每一透镜结构具有形成为弧曲面的出光面。出光面具有顶点及位于顶点与各发光元件之间的焦点。透镜结构的焦点之间具有第一间距，每一发光元件具有发光宽度。第一间距与发光宽度的比值≧10。

Description

背光模组及显示装置
技术领域
本发明是关于一种背光模组及显示装置；具体而言，本发明是关于一种直下式发光的背光模组及显示装置。
背景技术
显示装置已被广泛地应用于各式的电子装置之中，例如行动电话、数码相机、笔记型电脑、电视、交通工具用主机等。为了提高使用者的视觉感受，业者仍在不断地就显示装置的光学表现进行改良。
以量子点(Quantum Dot,QD)显示器为例，利用量子点增色膜或量子点彩色滤光片可提高色饱和度。部分量子点显示器需要准直光源来加以激发量子点，然而，现有的背光模组所提供光源的半高全宽视角仍不尽理想，无法提供较准直的光线。另一方面采用准直光线可能形成如阵列般分布的亮点，造成亮暗不均，需加以避免。因此，如何提供准直光源并避免显示时产生亮暗不均的情形，为一重要课题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种背光模组，可提供较为准直的光线。
本发明的一目的在于提供一种显示装置，可改善显示装置出光的均匀度。
背光模组包含多个发光元件及多个透镜结构。每一发光元件具有发光面。透镜结构覆盖在每一发光元件上。每一透镜结构具有形成为弧曲面的出光面。出光面具有顶点及位于顶点与各发光元件之间的焦点。透镜结构的焦点之间具有第一间距，每一发光元件具有发光宽度。第一间距与发光宽度的比值≧10。
显示装置包含背光模组以及设置在背光模组一侧的显示面板。背光模组每一透镜的顶点与显示面板间具有光学距离(OD)。光学距离与第一间距(L1)的比值≧10。藉此使显示装置出光分布的均匀度提高。
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1A为本发明背光模组的一实施例示意图。
图1B为图1A背光模组的立体图。
图2为光线经过透镜结构形成不同光路径示意图。
图3为透镜结构形状比例与发光效率、出光视角的关系图。
图4及图5为透镜结构有不同基材层高度的实施例示意图。
图6为基材层-透镜结构高度比与发光效率的关系图。
图7及图8为透镜结构形成薄透镜的不同实施例示意图。
图9为本发明显示装置的一实施例示意图。
图10为透镜结构形状比例与距离参数的关系图。
图11为透镜结构出光视角的一实施例示意图。
图12A及图12B为显示装置出光分布调整前后的示意图。
其中，附图标记
1 显示装置
10 背光模组
20 显示面板
110 发光元件
110A 法线方向
112 发光面
120 透镜结构
122,122X 出光面
123 顶点
124 底面
125 焦点
126 凸透镜
126’ 薄透镜
126A 方向
128 基材层
128A 上表面
128B 下表面
201 亮区
202 暗区
A 平均顶点高度
B (焦点高度)高度
C (基材层)高度
F1 第一光场
F2 第二光场
H (凸透镜)高度
L1 第一间距
L2 第二间距
OD 光学距离
S 中心轴
W 宽度
2ψ 直径
ψ 半径
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
本发明提供一种背光模组及使用其的显示装置，藉由调整透镜结构尺寸及背光模组与显示面板的相对位置提供准直光线，并可于显示时均匀出光。显示装置例如为采用量子点技术的液晶显示装置，但不限于此。
图1A为本发明背光模组10的一实施例示意图。如图1A所示，背光模组10包含多个发光元件110及多个透镜结构120。每一发光元件110具有发光面112；而透镜结构120覆盖在每一发光元件110上。较佳而言，发光面112是指发光元件110实际可发出光线的区域范围。每一透镜结构120具有形成为弧曲面的出光面122，出光面122具有顶点123及相应的焦点125。例如，在通过顶点123且垂直于发光面112的剖面上具有位于顶点123与发光元件110之间的焦点125。请参考图1B的立体图，出光面122形成略呈半球状的弧曲面。所述弧曲面可为抛物面、椭球面或是双曲面。
如图1A所示，发光元件110具有通过发光面112的中心轴S，焦点125位于中心轴S上。焦点125之间具有第一间距L1，亦即，相邻两透镜结构120的焦点125与焦点125间的距离为第一间距L1。此外，每一发光元件110具有发光宽度W，例如当发光面112为圆形时，发光面112的直径即为发光宽度W；而当发光面112为矩形时，则发光面112的一侧边长即可为发光宽度W。第一间距L1与发光宽度W的比值大于或等于10。于一实施例，第一间距L1与发光宽度W的比例可为10：1。于其他实施例，第一间距L1与发光宽度W的比例可为20：1。
另外，在图1A的实施例中，透镜结构120与发光元件110采一对一设置。请参考图1B，每一透镜结构120并列设置在基材层128上形成阵列分布。具体而言，发光元件110之间具有第二间距L2，例如，发光元件110中心至相邻的发光元件110中心的距离为第二间距L2。较佳而言，第二间距L2等于第一间距L1。换言之，第二间距L1与发光宽度W之间亦具有如前述比值大于或等于10的关系。如图1A所示，每一透镜结构120接近发光元件110的一侧具有底面124。底面124具有直径2ψ。第二间距L2等于底面124的直径。进一步而言，当第一间距L1、第二间距L2、底面124直径2ψ相等时，底面124朝发光面112的垂直投影面积与发光面112面积的比值大于或等于100。
如图1A绘示的实施例，透镜结构120间在接近发光面112的一侧彼此紧邻，但不限于此。另外，在图1A及图1B的实施例中，透镜结构120形成略呈半球状的设计。在其他实施例中，透镜结构120采用长条形的透镜结构，例如沿基材层128一侧并列，且略呈半圆柱的长条结构。
就透镜结构120而言，每一透镜结构120具有凸透镜126与基材层128。凸透镜126设置于基材层128上，且凸透镜126具有凸向(沿平行图中方向126A)朝远离发光面112的一侧。透镜结构120的底面124具有直径2ψ。于一实施例，凸透镜126高度H与底面124的半径ψ的比值范围介于1.7至2.1。于其他实施例，凸透镜126高度H与底面124的半径ψ的比值范围介于1.9至2.1。藉由此一设置，可提供出较为准直的光线。
此外，透镜结构具有凸透镜焦点高度。如图1A所示，焦点125至发光面112具有焦点高度B，而顶点123至发光面112具有平均顶点高度A。需补充的是，平均顶点高度A较佳与每一透镜结构120的顶点123至发光面112的距离相等。制程因素可能造成顶点123高程有些微差异，因此平均顶点高度A较佳是指每一透镜结构120的顶点123至发光面112的距离总和的平均值。另外，焦点125较佳为来自发光元件110全部光线汇聚的位置。制程因素可能造成光线交汇的位置有些微差异，因此焦点高度B较佳是指光线汇聚产生能量密度最高的位置至发光面112的距离。
于一实施例，焦点高度B与平均顶点高度A的比值小于或等于1/5。在其他实施例，焦点高度B与平均顶点高度A的比值范围较佳介于6％至19％。例如，凸透镜高度-底面半径比值为1.9时，焦点-顶点高度比值为6％。凸透镜高度-底面半径比值为2.1时，焦点-顶点高度比值为19％。藉此，可调整透镜结构至适当的形状比例，以提供较为准直的光线。
图2为光线经过透镜结构120形成不同光路径示意图。如图2所示，发光元件110具有垂直于发光面的法线方向110A。发光元件110发射光线以形成第一光场F1。发光元件110例如可采用朗伯(Lambertian)光型的发射体。透镜结构120改变第一光场，使第一光场朝法线110A方向收束以形成第二光场F2，形成较准直的光线。具体而言，第二光场的光强度峰值的半高宽小于或等于10度。另外，在第二光场中，出光视角小于或等于10度的光强度总和与全视角的光强度总和的比率较佳为大于或等于60％。
图3为透镜结构形状比例与发光效率、出光视角的实施例关系图。如图3所示，横轴为透镜结构形状比例，纵轴分别为出光视角与发光效率。透镜结构形状比例是指凸透镜高度与底面半径的关系。出光视角是指光线自透镜结构出光后光强度峰值半高宽的视角大小。发光效率是指出光视角小于或等于10度的光强度总和与全视角的光强度总和的关系。在图3中，曲线C1表示采用第一间距(L1)与发光宽度(W)比例为10：1(亦即，发光元件的第二间距(L2)与发光宽度(W)比例为10：1)。曲线C2表示采用第一间距(L1)与发光宽度(W)比例为20：1。如图3所示，当透镜结构形状比例为1.7至2.1时，可提供出光视角小于或等于10度。对于曲线C1，于前述透镜结构形状比例下，出光视角为10度，而对于曲线C2，出光视角为8度。另外，在透镜结构形状比例为1.7至2.1时，可提供发光效率大于55％。进一步而言，当透镜结构形状比例为1.9至2.1时，除了可提供小于或等于10度的出光视角外，发光效率可大于或等于60％。
图4及图5为透镜结构120有不同基材层高度的实施例示意图。如图4所示，透镜结构120具有凸透镜126与基材层128。基材层128具有相对的上表面128A与下表面128B。上表面128A贴附凸透镜126且下表面128B面对发光元件110。顶点123至发光面112具有平均顶点高度A。上表面128A至发光面112的距离C(即基材层高度)小于平均顶点高度A。
每一透镜结构120具有有效出光区，有效出光区是指自出光面出射的光线中形成准直光线所通过的区域，该区域占出光面的一部分。参考图4，光线几乎不会通过透镜结构接近发光元件一侧的出光面(例如出光面122X)出光形成准直光线，故此处即非有效出光区。在较佳实施例中，透镜结构可根据有效出光区进行调整。如图5所示，上表面128A至发光面112的距离C与平均顶点高度A的比值小于或等于3/5。相较于前述实施例，图5中的基材层128高度C增加，凸透镜126高度(A-C)减少。藉此，除了可提供准直光线，还可降低凸透镜制作的难度，提高生产良率。
图6为基材层-透镜结构高度比与发光效率的实施例关系图。如图6所示，横轴为高度比，纵轴为发光效率。高度比是指上表面128A至发光面112的距离(即基材层128高度C)与平均顶点高度A的关系(C/A)。发光效率是指出光视角小于或等于10度的光强度总和与全视角的光强度总和的关系。在图6中，当高度比(C/A)为10％以下至60％时，可提供发光效率大于或等于60％。当增加基材层128高度C时，较佳采用高度比45％至55％可提供略大于60％的发光效率。
图7及图8为透镜结构120形成薄透镜的不同实施例示意图。透镜结构可根据有效出光区进一步形成薄透镜，例如菲涅尔透镜(Fresnel Lens)。如图7所示，每一透镜结构120具有根据有效出光区形成的薄透镜126’。图8为绘示另一形式的薄透镜126’，具有更小的高度(A-C)，并相应增加基材层128高度C。在图5、图7、图8所绘示的实施例，透镜结构120间在接近发光面112的一侧彼此分离设置。需注意的是，透镜结构120将基材层128高度C增加，或是将凸透镜改为薄透镜时，顶点高程不变。换言之，平均顶点高度A仍保持相同，以提供一致的出光效果。
图9为本发明显示装置1的一实施例示意图。如图9所示，显示装置1包含背光模组10以及设置在背光模组10一侧的显示面板20。背光模组10每一透镜结构120的顶点123与显示面板20间具有光学距离OD。光学距离OD与第一间距L1的比值大于或等于10。在图9的实施例中，采用如图2设置方式的背光模组20，因此，光学距离OD与发光元件110第二间距L2的比值大于或等于10。藉此提供显示装置均匀的出光分布。
在较佳实施例中，光学距离定义为：OD＝N x L2。前述关系式中，OD为光学距离，代表每一透镜结构的顶点至显示面板的距离，N为距离参数，L2为发光元件110之间的第二间距，距离参数N为光学距离与发光元件第二间距的比例系数。距离参数N较佳小于或等于15，且距离参数N大于或等于10。
请参考图10。图10为透镜结构形状比例与距离参数关系图，呈现不同凸透镜高度-底面半径比值对应的距离参数。如图10所示，横轴为透镜结构形状比例，纵轴为距离参数。在图10中，曲线C1表示采用第一间距(L1)与发光宽度(W)比例为10：1(对应于发光元件的第二间距(L2)与发光宽度(W)比例为10：1)。曲线C2表示采用第一间距(L1)与发光宽度(W)比例为20：1(对应于发光元件的第二间距(L2)与发光宽度(W)比例为20：1)。如图10所示，当透镜结构形状比例为1.7至2.1时，对于曲线C1，距离参数N较佳介于10至15。对于曲线C2，当透镜结构形状比例为1.9至2.1时，亦具有距离参数N较佳介于10至15。参考图3及图10，当透镜结构形状比例为1.9至2.1时，无论是采用曲线C1或C2的设置方式，皆可提供较小出光视角、大于60％发光效率，以及较小的距离参数(对应显示装置厚度较小)。透镜结构形状比例较佳为1.9至2.1。
图11为透镜结构出光视角的一实施例示意图。本实施例采用发光元件的第二间距为3mm、发光元件的发光宽度为0.3mm，并测量光线自透镜结构出光后光强度峰值半高宽的视角大小。如图11所示，光强度峰值半高宽的视角约为9.7度，大部分的光强度集中分布在10度内的视角范围，可具有较准直的光线。藉此提供准直光线。
图12A及图12B为显示装置出光分布调整前后的示意图。在图12A中，采用发光元件的第二间距为3mm、发光元件的发光宽度为0.3mm、光强度峰值半高宽的视角为10度、光学距离5mm(对应于距离参数1.67)，测量显示装置的出光分布。如图12A所示，显示装置的出光分布呈现亮暗不均，有较为明显的局部亮区201及暗区202。在图12B中，采用发光元件的第二间距为3mm、发光元件的发光宽度为0.3mm、光强度峰值半高宽的视角为10度、光学距离30mm(对应于距离参数10)，测量显示装置的出光分布，如图12B所示，随光学距离增加，显示装置的出光分布均匀度明显获得改善。
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 (13)

1.一种背光模组，其特征在于，包含：
多个发光元件，每一发光元件具有一发光面；以及
多个透镜结构，覆盖在每一发光元件上，每一透镜结构具有形成为弧曲面的一出光面，该出光面具有一顶点及位于该顶点与各该发光元件之间的一焦点；
其中该些透镜结构的焦点之间具有一第一间距L1，每一发光元件具有一发光宽度w，该第一间距L1与该发光宽度w的比值≧10。
2.如权利要求1所述的背光模组，其特征在于，每一透镜结构具有一凸透镜，并具有一凸向朝远离该发光面的一侧，每一透镜结构接近该些发光元件的一侧具有一底面，该凸透镜高度与该底面的半径的比值范围介于1.9至2.1。
3.如权利要求1所述的背光模组，其特征在于，该顶点至该发光面具有一平均顶点高度，该焦点至该发光面具有一焦点高度，该焦点高度与该平均顶点高度的比值≦1/5。
4.如权利要求3所述的背光模组，其特征在于，该焦点高度与该平均顶点高度的比值范围介于6％至19％。
5.如权利要求1所述的背光模组，其特征在于，该些发光元件之间具有一第二间距L2，每一透镜结构接近该些发光元件的一侧具有一底面，该第二间距等于该底面的直径。
6.如权利要求5所述的背光模组，其特征在于，该第二间距L2等于该第一间距L1。
7.如权利要求1所述的背光模组，其特征在于，各该顶点至各该发光面具有一平均顶点高度A，每一透镜结构具有一凸透镜与一基材层，各该基材层具有相对的一上表面与一下表面，各该上表面分别贴附各该凸透镜且各该下表面面对各该发光元件，其中各该上表面至各该发光面的距离C小于该平均顶点高度A。
8.如权利要求7所述的背光模组，其特征在于，各该上表面至各该发光面的距离C与该平均顶点高度A的比值≦3/5。
9.如权利要求7所述的背光模组，其特征在于，每一透镜结构具有一有效出光区，该透镜结构为根据该有效出光区形成的一薄透镜。
10.如权利要求1所述的背光模组，其特征在于，该些发光元件具有一法线方向，该些发光元件发射光线以形成一第一光场，该透镜结构改变该第一光场并朝该法线方向收束以形成一第二光场，且该第二光场的光强度峰值的半高宽≦10度。
11.如权利要求10所述的背光模组，其特征在于，在该第二光场中，出光视角小于或等于10度的光强度总和与全视角的光强度总和的比率≧60％。
12.一种显示装置，其特征在于，包含：
如权利要求1至11中任一项所述的背光模组；以及
一显示面板，设置在该背光模组的一侧；
其中，每一透镜结构的该顶点与该显示面板间具有光学距离OD，光学距离与该第一间距L1的比值≧10。
13.如权利要求12所述的显示装置，其特征在于，光学距离OD定义有：
OD＝N x L2，其中，OD为每一透镜结构的该顶点至该显示面板的距离，N为一距离参数，L2为发光元件之间的一第二间距，该距离参数≦15，且该距离参数≧10。
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