CN111367001A - 光学元件及应用该光学元件的显示装置 - Google Patents

Abstract

一种光学元件，包括一板体以及多个沟槽。板体具有一第一表面、一第一侧边以及一第二侧边。此些沟槽位于板体的第一表面，此些沟槽沿着一组第一轨迹排列并由板体的第一侧边延伸至第二侧边。其中，自第一侧边往一时钟旋转方向到此些沟槽在第一侧边的切线方向之间具有一第一角度。自第二侧边往此时钟旋转方向到此些沟槽在第二侧边的切线方向之间具有一第二角度，其中第二角度大于第一角度。此组第一轨迹包含一直线段，且该组第一轨迹具有一单一转折点。

Description

光学元件及应用该光学元件的显示装置

技术领域

本发明是有关于一种光学元件，且特别是有关于一种具有曲线沟槽的光学元件及应用其的显示装置。

背景技术

平面显示器使许多电子装置得以薄型化。目前的平面显示器大多利用背光模块发光来显示影像，因此背光模块为平面显示器的重要元件之一。为了使出光较为均匀同时增加亮度，背光模块中通常包含具有扩光功能的扩光片(diffuser)以及具有集光功能的增亮膜(brightness enhancement film；BEF)。上述背光模块虽然具备较佳的光学特性，然而，背光模块的成本却无法有效的降低。此外，由于增亮膜、光学元件的表面结构以及显示器的显示元件均同样属于直线形的重复结构，因此显示器容易产生干涉而造成叠纹(moire)现象。

发明内容

本发明有关于一种光学元件及应用其的显示装置，光学元件具有曲线沟槽，可增加出光亮度及均匀度，并可避免光线产生干涉而造成叠纹。

根据本发明一方面，提出一种光学元件，包括一板体以及多个沟槽。板体具有一第一表面、一第一侧边以及一第二侧边。此些沟槽位于板体的第一表面，此些沟槽沿着一组第一轨迹排列并由板体的第一侧边延伸至第二侧边。其中，自第一侧边往一时钟旋转方向到此些沟槽在第一侧边的切线方向之间具有一第一角度。自第二侧边往此时钟旋转方向到此些沟槽在第二侧边的切线方向之间具有一第二角度，其中第二角度大于第一角度。此组第一轨迹包含一直线段与一曲线轨迹，该曲线轨迹连接该直线段，且此组第一轨迹具有一单一转折点。

根据本发明一方面，提出一种光学元件，包括一板体以及多个沟槽。板体具有一第一表面、一第一侧边以及一第二侧边。此些沟槽位于板体的第一表面，此些沟槽沿着一组第一轨迹排列并由板体的第一侧边延伸至第二侧边。其中，自第一侧边往一时钟旋转方向到此些沟槽在第一侧边的切线方向之间具有一第一角度。自第二侧边往此时钟旋转方向到此些沟槽在第二侧边的切线方向之间具有一第二角度。此组第一轨迹包含一直线段与一曲线轨迹，该曲线轨迹连接该直线段，该曲线轨迹具有一单一转折点，且此些沟槽与前述第一侧边之间的此些第一角度均相等。

根据本发明的一方面，提出一种导光板，其特征在于前述的光学元件，另包含一导光微结构，设置于前述的光学元件中与此第一表面相对的第二表面。

根据本发明的一方面，提出一种显示装置，其特征在于，包含所述光学元件，且所述显示装置是电视机、数字相机、数字摄像机、数字相框、移动电话机、笔记本电脑、用于电脑的监视器、音讯再生装置、游戏机或车用显示器。

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为依照本发明一实施例的光学元件应用于侧光式背光模块的外观示意图。

图2为依照本发明一实施例的光学元件的平面示意图，其中光学元件具有单一转折点，且第一角度小于90度，第二角度大于90度。

图3为一光学元件的平面示意图。

图4为另一光学元件的平面示意图。

其中，附图标记：

100：侧光型背光模块

101：光学元件

102：发光元件

110：板体

111：侧面

112：第一表面

120：沟槽

120’：第一轨迹

121：第一端

122：第二端

123：曲线轨迹

124：转折点

201：光学元件

220：沟槽

B：光线

S1：第一侧边

S2：第二侧边

S3、S4：侧边

L：直线段

C：曲线段

P：间距

θ1：第一角度

θ2：第二角度

θ3、θ3’：第三角度

θ4、θ4’：第四角度

CW：时钟旋转方向

T1、T2：切线方向

T3：切线

L1：单一转折点至第一侧边的距离

L2：单一转折点至第二侧边的距离

L1+L2：第一侧边至第二侧边的最短距离

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

以下系提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明所保护的范围。以下是以相同/类似的符号表示相同/类似的元件做说明。

在一实施例中，本发明的光学元件可用于一侧光型背光模块中。此光学元件具有一板体，包括一入光面、一具有多个沟槽的出光面以及一具导光微结构的反射面。其中该导光微结构具有将入射光引导到与其入射方向不同方向的功能。导光微结构的一实施例是利用多个网点的图案设计来破坏入射光的全反射，使由入光面进入的入射光可从出光面射出，从而产生面光源以供液晶屏幕使用。网点的一实施例是通过油墨印刷制程、热压制程、干式蚀刻制程、湿式蚀刻制程或激光雕刻制程来完成。在一实施例中，入光面可为一侧面，而沟槽等微结构可设置在出光面上，该导光微结构设置于与该出光面相对的反射面上，以增加光均匀性。在一实施例中，位于出光面的该些沟槽係作為集光作用。请参照图1中的侧光型背光模块100，发光元件102邻近于光学元件101的一侧面111设置，用以发射一光线B至光学元件101的板体内，使光线B经由光学元件101的反射面(例如底面)反射后再由光学元件101的出光面(例如顶面)均匀出光。

在另一实施例中，光学元件亦可用于直下型背光模块(图中未示出)中，其中光学元件的入光面与出光面相互平行，沟槽等微结构可设置在入光面或出光面上，以增加光均匀性。发光元件邻近于光学元件的一入光面设置，用以发射一光线至光学元件的板体内，使光线经由光学元件的入光面入射后再由出光面均匀出光。

发光元件可为一发光二极管(Light－Emitting Diode；LED)或冷阴极萤光灯(Cold Cathode Fluorescent Lamps；CCFL)。再者，虽然图1中未示出，但本领域技术人员应能了解光学元件的上方可再增设扩散片、棱镜增亮片等光学膜片，以进一步提高出光亮度及光均匀性。

请参照图1及图2，依照本发明的一实施例，光学元件101包括一板体110以及多个沟槽120。板体110为透光的材质，例如是聚甲基戊烯树脂(polymethylpentene)；甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯(Methyl acrylate)、丙烯酸乙酯(Ethyl acrylate)等单体构成的(甲基)丙烯酸酯聚合物或共聚物、聚碳酸酯树脂、聚苯乙烯树脂、苯乙烯-(甲基)丙烯酸酯共聚物等透明树脂或玻璃所形成的基板。在一实施例中，基板厚度为0.3～5毫米(mm)，较佳为0.5～3微米(mm)。板体110具有一第一表面112、一第一侧边S1以及一第二侧边S2。沟槽例如可以由直接压印、藉由具有沟槽微结构的滚轮经由热押转印、直接射出成型或藉由模具(或具有沟槽微结构的模具)使光固化材料成型等加工制程形成。沟槽120位于板体110的第一表面112。在光学元件101中的沟槽120可具有三角形、U形、弧形、椭圆形、梯形或矩形的截面。在一实施例中，沟槽高可为10～100微米(μm)，较佳为30～80微米(μm)，特别是当本发明的光学组件用于侧光型或直下型背光模组模块中时，适当的沟槽高度可避免沟槽造成肉眼可见的纹路而影响视觉品味，且能发挥均匀化的光学效果。在一实施例中，弧形的截面外形会形成圆柱状。其中第一表面112例如可为是入光面、出光面或反射面。

此外，沟槽120的第一端121位于第一侧边S1，而沟槽120的第二端122位于第二侧边S2。此些沟槽120沿着一组第一轨迹120’(包含曲线轨迹123)排列并由板体110的第一侧边S1延伸至第二侧边S2，但第一轨迹120’不限定只能包含曲线轨迹123。

请参照图2，在一实施例中，此些沟槽120等间距P排列。在一实施例中，此些沟槽之间距P为50～350微米(μm)，较佳为100～320微米(μm)。在另一实施例中，此些沟槽120的间距P亦可由两侧往中央渐增或由两侧往中央渐减，本发明对此不加以限制。

请参照图2，在一实施例中，第一侧边S1与第二侧边S2位于板体110的相对两侧。

请参照图2，此些沟槽120于第一侧边S1具有一第一角度θ1。第一角度θ1为此些沟槽120自第一侧边S1往一时钟旋转方向CW到此些沟槽120在第一侧边S1的切线方向T1之间的角度。

另外，请参照图2，此些沟槽120于第二侧边S2具有一第二角度θ2。第二角度θ2为此些沟槽120自第二侧边S2往一时钟旋转方向CW到此些沟槽120在第二侧边S2的切线方向T2之间的角度。沟槽120的第一角度θ1与第二角度θ2两者不同可使光学元件101的叠纹现象减轻；然而若第一角度θ1与第二角度θ2两者角度相差过大，将造成光学元件在边缘区的聚光方向不均匀而产生暗区现象。在一实施例中，第二角度θ2大于第一角度θ1。在一实施例中，第二角度θ2与第一角度θ1之差为0.1～10度，较佳为0.2～7度，最佳为0.3～2度。

在一实施例中，第一角度θ1小于90度，第二角度θ2大于等于90度。

在一实施例中，第一角度θ1介于90度至85度之间，即第一角度θ1小于90度、大于85度，第二角度θ2介于90度至95度之间，即第二角度θ2大于90度、小于95度。沟槽120的第一角度θ1与第二角度θ2互相为锐角与钝角的关系，即θ1为锐角、θ2为钝角可使光学元件101的聚光方向的变化有互补的效应，使得使用前述光学元件101的显示器在光学元件101的第一侧边S1与第二侧边S2附近的聚光方向较均匀。

此外，请参照图2，此些沟槽120由第一侧边S1延伸至第二侧边S2仅具有单一转折点124。也就是说，沟槽120的曲线轨迹123为仅具有单一转折点124的曲线。当曲线轨迹123有多条时，各个曲线轨迹123分别仅具有单一转折点124。此曲线轨迹123是由沟槽120的波峰或波谷在该第一表面上的连线所形成。转折点124是曲线轨迹自转折点起改变主要方向的点，例如可以构成一个〈字型。在一实施例中转折点可定义为曲线轨迹123上切线的斜率由正转负的一点，即当以第一侧边S1为y轴、垂直第一侧边S1为x轴时，转折点124上的切线T3的斜率为零(在该转折点124的切线T3与侧边S1垂直)，或当以第二侧边S2为y轴、垂直第二侧边S2为x轴时，转折点124上的切线T3的斜率为零(该切线T3与侧边S2垂直)。

请参照图2，在一实施例中，单一转折点124至第一侧边S1的距离L1大于单一转折点124至第二侧边S2的距离L2。亦即，转折点124可相对靠近第二侧边S2。具体而言，单一转折点124至第一侧边S1的最短距离L1介于第一侧边S1至第二侧边S2的最短距离(L1+L2)的0.15至0.5倍之间。在一实施例中，单一转折点124至第一侧边S1的最短距离L1为第一侧边S1至第二侧边S2的最短距离(L1+L2)的0.16～0.45倍。在另一实施例中，单一转折点124至第一侧边S1的最短距离L1为第一侧边S1至第二侧边S2的最短距离(L1+L2)的0.17～0.4倍。

在另一实施例中，单一转折点124至第二侧边S2的距离L2可大于单一转折点124至第一侧边S1的距离L1(图中未示出)。亦即，转折点124可相对靠近第一侧边S1。具体而言，单一转折点124至第二侧边S2的最短距离L2介于第一侧边S1至第二侧边S2的最短距离(L1+L2)的0.15至0.5倍之间。在一实施例中，单一转折点124至第二侧边S2的最短距离L2介于第一侧边S1至第二侧边S2的最短距离(L1+L2)的0.16～0.45倍。在一实施例中，单一转折点124至第二侧边S2的最短距离L2介于第一侧边S1至第二侧边S2的最短距离(L1+L2)的的0.17～0.4倍。

在另一实施例中，单一转折点124至第一侧边S1的距离L1等于单一转折点124至第二侧边S2的距离L2(图中未示出)。亦即，转折点124可位于板体110的中心线上。

请参照图2，在一实施例中，此些沟槽120可由曲线段C及直线段L所构成，不限定只有曲线段C，亦可同时包含曲线段C及直线段L。因此，上述的第一轨迹120’可定义为包含曲线轨迹123以及与曲线轨迹123相连的直线段L，或者上述的第一轨迹120’可定义为包含曲线轨迹123，但不包含沟槽120的直线段L，本发明对此不加以限制。如图2所示，此些沟槽120于单一转折点124与第一侧边S1之间具有一直线段L，直线段L的长度大于或等于第一侧边S1至第二侧边S2的最短距离(L1+L2)的1/3或更高，例如，直线段L的长度大于或等于第一侧边S1至第二侧边S2的最短距离(L1+L2)的0.45倍，但本发明不以此为限。在另一实施例中，此些沟槽120于单一转折点124与第二侧边S2之间具有一直线段(图中未示出)，直线段的长度大于或等于第一侧边S1至第二侧边S2的最短距离(L1+L2)的1/3或更高，例如，直线段的长度大于或等于第一侧边S1至第二侧边S2的最短距离(L1+L2)的0.45倍。在一实施例中，含转折点124的曲线段C的二次回归之R平方值大约相当于直线段L线性回归的R平方值；在另一实施例中，第一轨迹120’的直线段L是线性回归的R平方值大于等于含转折点124的曲线段C的二次回归的R平方值的部分轨迹。

实施例1,3～7是由熔融状态的(甲基)丙烯酸酯共聚物(型号CM-205G，奇美实业制)、实施例2是由苯乙烯-(甲基)丙烯酸酯共聚物(型号PM-500G，奇美实业制)以不同沟槽微结构的滚轮，在经由热押转印。其中实施例1、3、4、6是形成厚3mm，沟槽间距P＝320微米、沟槽底部至顶端垂直高度为70微米的光学元件。实施例2是形成厚2.5mm，沟槽间距P＝160微米、沟槽底部至顶端垂直高度为30微米的光学元件。实施例5是形成厚2.5mm，沟槽间距P＝300微米、沟槽底部至顶端垂直高度为70微米的光学元件。实施例7是形成厚3mm，沟槽间距P＝300微米、沟槽底部至顶端垂直高度为70微米的光学元件。

将所制得的光学元件，用签字笔沿沟槽底部顺着沟槽做记号，划出第一轨迹，之后再沿着垂直板体的第一侧边S1作裁切，即以垂直第一侧边S1为x轴、以第一侧边S1为原点，以第一侧边S1为y轴，每10格10mm量测记号与所裁切的x轴的间隔距离作为与y轴的垂直距离(单位mm)，记录如表一。

表一

实施例1的转折点约在y坐标＝640mm的位置，转折点至第一侧边及第二侧边其中的一侧边的最短距离(400mm＝1040mm-640mm)介于第一侧边至第二侧边的最短距离(板宽1040mm)的0.385倍(400mm/1040mm)。实施例1若以线性回归的R平方值(决定系数,Coefficientof determination)大于0.97为第一轨迹的直线段，实施例1第一轨迹的直线段至少有左半160mm～570mm处(R2＝0.973)，此直线段长度约占第一侧边S1至第二侧边S2的最短距离的0.39倍；以第一轨迹含转折点的剩余部分(580mm～1000mm)为曲线段，此曲线段作二次回归的R平方值(R2＝0.968)约等于直线段线性回归的R平方值。若以线性回归的R平方值大于0.98为第一轨迹的直线段，实施例1的直线段至少有左半160mm～520mm(R2＝0.980)，此直线段长度约占第一侧边S1至第二侧边S2的最短距离的0.34倍；以直线段的外含转折点的剩余部分(530mm～1000mm)为曲线段，对此曲线段作二次回归的R平方值(R2＝0.969)约略小于此第一轨迹的直线段。

实施例2的转折点约在790mm的位置，转折点至第一侧边及第二侧边其中的一侧边的最短距离(170mm＝960mm-790mm)介于第一侧边至第二侧边的最短距离(板宽960mm)的0.177倍(170mm/960mm)；以含转折点附近为曲线段(630mm～950mm)，此曲线段做二次回归的R平方值(决定系数,Coefficientof determination)为0.991。在实施例2中，第一轨迹的直线段可以是线性回归的R平方值是大约相当于含转折点的曲线段的二次回归的R平方值的部分。实施例2若以线性回归的R平方值大约相当于0.992为直线段，实施例2至少有左半80mm～620mm处属于直线段，此直线段长度约占第一侧边至第二侧边的最短距离的0.56倍。在实施例2中，第一轨迹的直线段也可以是线性回归的R平方值大于含转折点的曲线段的二次回归的R平方值的部分轨迹；若以线性回归的R平方值大于0.995为直线段，实施例2至少有左半160mm～620mm为直线段，此直线段长度约占第一侧边至第二侧边的最短距离的0.49倍。

表二

假设第一轨迹完全为二次曲线所构成，将所量测角度转换为斜率而推估得到的转折点位置，以介于第一侧边至第二侧边的最短距离(板宽)的倍数来表示。

实施例3～7是以板的两边分别裁切60mm乘60mm大小的板来作角度的量测，因此一边为0mm，另一边为板宽减60mm位置的角度；但仍约略可了解第一轨迹的变化，以及在板的两边缘夹角差的概略关系。

品味的检查：使用灯条(EVERLIGHT制，型号LBM600M0414-f-1UKHF，约60cm长，共有56颗LED，颗与颗间距约10mm，使用电压42V，电流1400mA)直接靠在从板材侧面111上，检视是否有暗带、暗区、亮带、亮线等不均匀状况。实施例1～7均未发现有不均匀的状况。

直线段L的长度与方向与光学元件101的聚光方向有关，可使光学元件101的聚光方向一致。此外，直线段L以外的曲线段(非直线段)随着曲率变化而由第一侧边S1延伸至第二侧边S2可避免经由沟槽120折射后的光线造成叠纹。

另一方面，当沟槽的曲线轨迹具有多个反曲点，将使光学元件在沿着由第一侧边S1到第二侧边S2的方向上形成多个不一致的聚光方向，进而导致光线分布不均匀而影响视觉品味。或是当沟槽与板体边缘夹角变化(非固定值)时，将使光学元件在沿着板体边缘方向的聚光方向产生变化，导致光线分布不均匀进而影响视觉品味。因此，请参照图2，在本实施例中，此些沟槽120与第一侧边S1之间的第一角度均相等(第一角度为固定值，或差异小于0.1度，皆小于90度)，此些沟槽120与第二侧边S2之间的第二角度均相等(第一角度为固定值，或差异小于0.1度，皆大于90度)，且沟槽120的曲线轨迹123仅具有单一转折点124，以提高视觉品味。

请参照图3及图4，经比对本实施例的光学元件101与对照用的光学元件201可知，由于对照用的光学元件201的沟槽220由一侧边S3延伸至另一侧边S4，且沟槽220具有高度规则性图案(例如同心圆的图弧图案)。在图3中，同心圆的圆心位于板体宽的中心线，沟槽220的其中的一个与一侧边S3的角度θ3等于同一沟槽与另一侧边S4的角度θ3’，沟槽220的其中的一个与一侧边S3的角度θ4等于同一沟槽与另一侧边S4的角度θ4’，因此而容易造成叠纹(moire)。此外，图3及图4的沟槽220与一侧边S3的角度由第三角度θ3变成第四角度θ4(非固定值)时，第三角度θ3大于第四角度θ4，将使对照用的光学元件201的聚光方向不一致或产生变化时，进而影响视觉品味。

相较于图3及图4的沟槽220，本实施例的沟槽120为在板体的第一表面上形成曲率渐进变化的曲线轨迹123，非为同心圆的沟槽，因此可有效避免与显示器的其他直线形重复结构造成叠纹。此外，本实施例的沟槽120与板体110的边缘角度(第一角度θ1与第二角度θ2)为固定值，因此可避免光学元件101的聚光方向不一致或产生变化而影响视觉品味。

根据上述的实施例，提出一种显示装置，其包含上述光学元件101。显示装置例如是电视机、数字相机、数字摄像机、数字相框、移动电话机、笔记本电脑、用于电脑的监视器、音讯再生装置、游戏机或车用显示器，光学元件101上形成沟槽120可使出光较为均匀同时增加亮度，且曲线沟槽120可有效避免折射后的光线造成叠纹，进而提高显示装置的视觉效果。

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 (12)

1.一种光学元件，其特征在于，包括：

一板体，具有一第一表面、一第一侧边以及一第二侧边；以及

多个沟槽，位于该板体的该第一表面，该些沟槽沿着一组第一轨迹排列并由该板体的该第一侧边延伸至该第二侧边，

其中，自该第一侧边往一时钟旋转方向到该些沟槽在该第一侧边的切线方向之间具有一第一角度；

自该第二侧边往该时钟旋转方向到该些沟槽在该第二侧边的切线方向之间具有一第二角度，其中该第二角度大于该第一角度；

其中，该组第一轨迹包含一直线段与一曲线轨迹，该曲线轨迹连接该直线段，且该组第一轨迹具有一单一转折点。

2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，该第二角度与该第一角度的差为0.3～2度。

3.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，该直线段位于该些沟槽于该单一转折点与该第一侧边及该第二侧边其中的一侧边之间，该直线段的长度大于或等于该第一侧边至该第二侧边的最短距离的1/3。

4.一种光学元件，其特征在于，包括：

一板体，具有一第一表面、一第一侧边以及一第二侧边；以及

多个沟槽，位于该板体的该第一表面，该些沟槽沿着一组第一轨迹排列并由该板体的该第一侧边延伸至该第二侧边，

其中，自该第一侧边往一时钟旋转方向到该些沟槽在该第一侧边的切线方向之间具有一第一角度；

自该第二侧边往该时钟旋转方向到该些沟槽在该第二侧边的切线方向之间具有一第二角度，其中该第二角度大于该第一角度；

其中，该组第一轨迹包含一直线段与一曲线轨迹，该曲线轨迹连接该直线段，该曲线轨迹具有一单一转折点，且该些沟槽与该第一侧边之间的该些第一角度均相等。

5.如权利要求1或4任一所述的光学元件，其特征在于，另包含一导光微结构，设置于与该第一表面相对的一第二表面。

6.如权利要求1或4所述的光学元件，其特征在于，该第一角度介于90度至85度之间，该第二角度介于90度至95度之间。

7.如权利要求申请专利范围第1项或第4项任一所述之的光学元件，其特征在于，该些沟槽的高度为10～100微米。

8.如权利要求1或4任一所述的光学元件，其特征在于，该单一转折点至该第一侧边的距离大于该单一转折点至该第二侧边的距离。

9.如权利要求1或4任一所述的光学元件，其特征在于，该单一转折点至该第一侧边及该第二侧边其中的一侧边的最短距离介于该第一侧边至该第二侧边的最短距离的0.15至0.5倍之间。

10.如权利要求1或4任一所述的光学元件，其特征在于，该些沟槽等间距排列。

11.如权利要求1或4任一所述的光学元件，其特征在于，该些沟槽与第二侧边之间的该些第二角度均相等。

12.一种显示装置，其特征在于，包含根据权利要求1或4任一所述的光学元件，且所述显示装置是电视机、数字相机、数字摄像机、数字相框、移动电话机、笔记本电脑、用于电脑的监视器、音讯再生装置、游戏机或车用显示器。

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