TW201018973A - Light guide device - Google Patents

Description

201018973 /pu 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種導光元件，此導光元件適用於很 多應用場合，特別是與顯示器（例如，液晶顯示器（liquid crystal displays，LCD))的背面照明（backlighting)有關 的應用。 【先前技術】 Φ 來自背光源的光的角分佈對於確定它所照耀的顯示器 的效率與視角很重要。 邊緣照明型（edge lit)背光源將來自光導邊緣的光引 導至光導的整個輪出面積上的點。侷限於光導内且在光導 之導光角内傳播的光可被導光層之表面上的散射結構（諸 如點狀缺陷）散射。粉末狀二氧化鈦（Ti〇2)是適當的散 射材料的範例。這樣一種系統的圖式繪示於圖丨中。 在圖 1 中，發光一極體（light-emitting diodes, LEDs) ⑩ 配置在透明的聚合物核心(core)導光層(2)的邊緣。從發 光二極體發出的光透過導光層而傳播，且被散射結構（例 如:點狀缺陷）（4)散射約90。。如圖所示，此元件是從上 方來觀看；主要光輸出面顯示在(5)處。通常，核心層是裸 露的，依靠核心層與周目空氣之間的折射率對比(c〇ntrast) 來提供導光效應。從這種結構向外散射的光是從輸出角的 整個半球上方的頂面發射出去。 ，想提高效率，已知的是將散射結構配置成小圓點， 且在母個圓點正上方放置一個低折射率材料的微透鏡。圓 3 201018973 32597pif 點與微透鏡結合在一起能夠一定程度上控制背光源所提供 的輸出角的範圍。然而，這種系統對輸出角之範圍的控制 並不總是能達到針對特定系統可達到的想要的程度。而 且，由於入射光偏離垂直入射方向，所以放置在背光源前 面的液晶顯示螢幕的透射率(transmissi〇n)通常會下降故 而整個系統的透射率會下降。 本發明的目的是提供至少可另選的（且較佳的是）具 有（例如）改良光學效率的改良導光元件。因此，本發明 部分基於以下的發現.在高折射率元件之間併入低折射率 中間層，可明顯擴大從諸如上述配置中有效收集的光的角 度範圍。 【發明内容】 依照本發明之第一觀點，提供一種導光元件，此導光 元件包括： 核心導光層，失在第一披覆層（cladding layer )的内 表面與第二披覆層的内表面之間； 多個散射結構，位於第一披覆層與核心導光層之間的 介面（interface)之處及/或第二披覆層與核心導光層之間 的介面之處； 一系列微透鏡，排列在第一披覆層的外層上； 其中這些微透鏡與核心導光層的折射率大於彼覆層 的折射率。 依照本發明的另一觀點，提供一種顯示元件，此顯示 元件包括依照本發明之第一觀點的導光元件。此顯示元件 201018973 /pil 可以是液晶顯示元件，因此可包括液晶胞（liquid crystal cell) ’ 也可稱為液晶面板（liquid crystal panel)。 散射結構的作用是使核心導光層中被引導的光朝著 非引導方向（non-guided direction )偏離。核心導光層中被 引導的光仍然留在導光元件内，且可包括被散射結構散射 但因散射不充分而未能從導光元件中發射出去的光。非引 導方向包括被散射結構散射約90。且被導光元件發射出去 _ 的光。 上面排列著一系列微透鏡的第一披覆層之外層是主 要光輸出面。為了使光能夠沿著非引導方向以及主要光輸 出面的方向散射實質上達90。，可在第一披覆層的内表面 或第二披覆層的内表面之一上及/或夹在第一披覆層的内 表面與第二披覆層之内表面之間的核心導光層的表面之一 上提供多個散射結構，例如點缺陷。可另選的是，或此外， 散射結構也可位於核心導光層的主體内。 較佳的是，每個散射結構的正上方有一個微透鏡。 & 此導光元件經配置以接收來自至少一個光源的光，且 透過内部全反射（total internal reflection )至少部分將光限 制在此導光元件中。特別地，此導光元件適合作為邊賴 明型導光元件來使用，且此導光元件可更包括沿著此導光 元件的一條或多條邊緣而配置的一個或多個光源。 介於核心導光層與微透鏡之間的披覆層可稱為中間 層。微透鏡較佳的是直接接觸此中間層。 若核心導光層具有折射率nl，中間層具有折射率n2， 5 201018973 32597pif 且微透鏡具有折射率n3，則它們之間的較佳關係是n3>nl >n2。較佳的是，折射率η卜n3對n2的比值應盡可能高。 特別地，n3/n2應盡可能高，例如大於約丨2。 本發明的各個觀點有許多優點，包括：光耦合效率提 高到想要的輸出角範圍；微透鏡表面拓撲（t〇p〇l〇gy)陡 山肖度較低，可造成角分佈中不想要的峰值的雜散光最少。 光耦合效率提高可減少所需的輸入光的量，從而降低光源 成本。本發明也允許對輸出角進行控制，因而可據此來設 定視角。 為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特 舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。 【實施方式】 導光元件 導光元件可用來實現一系列功能，包括照明、背面照 明、指示及顧示用途。通常，導光元件是用注塑模壓的 (injection moulded)或鑄造(cast)的透明塑膠元件來構 成’其中光源（諸如螢光燈或多個發光二極體）是藉由機 械附件來整合在透明塑膠元件的邊緣。WO 2005/101070 中描述了這類元件的範例，該文獻的内容已整個併入本說 明書以供參考。 所有這些元件的共同點是：來自光源的光藉由内部全 反射的引導而穿過透明導件（通常是用塑膠來製成）。對 於邊緣照明型背面照明，非引導(non-guided)光是沿著與透 明導件内的光的傳播方向實質上成垂直的方向而發射。這 201018973 光與散射結構（諸如位於透明導件内或透 :土=或薄膜)相互作用來達成。螢光燈 發先一極體可整合在透明光導的邊緣1到良好的 對於元件的光學性能是很重要的。 σ

發光二極體輕合至導光層可根據很多技術來達成。藉 由對接叙合（bUtte(mpling)齡可達成發光二極體與導光 層的耗合，在㈣針’ _高折料的光子黏合劑來進 仃固化（curing)以將發光二極體附著在光導的末端， 其中高折射率的光子黏合獅仙是減少導光層末端的反 射。導光層可經熱分裂（hotdeaved)或研磨（polished) 以在導光層的末端提供適當的光學表面，這有助於來自光 源的光良好地耦合到導光層中。 光源 光源可以是本領域中具有通常技能者所知的任何光 源’包括適用於背面照明的光源。這類光源包括一個或多 個發光二極體、冷陰極螢光燈、雷射二極體、有機發光二 ❹ 極體光源以及其他電場發光元件（electroluminescent devices)。光可以是不定向的。特別地，光源較佳的是適 合用在邊緣照明型配置令。發光二極體可採用本領域中具 有通常技能者所知的任何設計，包括邊緣發射式 (edge-emitting )、側發射式（side emitting )、頂發射式 (top emitting )或裸晶粒（bare die )發光二極體。 核心導光層 核心導光層可用一系列適當的透光聚合物材料來製 7 201018973 32597pif 成。較佳的是，核心導光層應具有高透光性。適合核心導 光層的材料包括諸如聚甲基丙烯酸酯 (polymethylmethacylate，PMMA )、聚苯乙烯（polystyrene ) 以及其他光學聚合物等透明聚合物。根據性能要求，核心 導光層的厚度通常介於約〇 5mm至4mm的範圍内，例如 厚度約為1mm。核心導光層的折射率可從約1 4至約18， 例如約為1.5。 微透鏡 微透鏡疋直控通常約為〇.5mm至5mm的小透鏡。特 別地’微透鏡可包括直徑約為2.25mm的半球。微透鏡可 以是菲涅耳透鏡（Fresnel lenses)，其表面特徵是厚度通 常約為0.001mm至1mm。微透鏡的折射率可以是約14至 1.8 ’例如約為1.6。適合微透鏡的材料包括聚碳酸酯、諸 如漆或環氧樹脂（epoxy)等uv固化材料。 微透鏡陣列可經（例如）注塑模壓或採用卷對卷熱壓 (reel to reel thermal embossing)技術或uv固化卷對卷技術 而形成單個薄板（single sheet)。此薄板的總體厚度通常 疋約 0.01mm 至 1mm。 披覆層 披覆層可用一系列適當的透光聚合物材料來製成。披 覆層的折射率低於核心導光層與微透鏡。適合披覆層的材 料包括諸如含氟聚合物等的透明聚合物。 披覆層的厚度等級通常為約0.01mm至〇.3mm。披覆 層的折射率可從約丨.25至約1.4 ’例如約為丨35。適合披 201018973 /pir 1 覆層的材料是氟化乙烯丙烯（fluorinated ethylene pi*opylen & FEP)。有利的是，核心導光層之厚度對中間層之厚度的 比值大於約5。 反射層 散射結構將沿著向上（朝著主要光輸出面）與向下這 兩個方向來散射光。使用放置在第二披覆層後面且實質上 平行於第二披覆層的反射板將向下散射的光向上反射回去 φ 是有利的。此反射板可沿著它的主表面來附著在第二披覆 層上。這種反射板可用鍵金屬的聚合物薄膜或類似的材料 來製成，例如以上面具有真空沈積之鋁層的聚對苯二甲酸 乙一醋（polyethylene terephthalate，PET )來製成。 散射結構 為了使光能夠沿著非引導方向以及主要光輸出面的 方向而散射實質上達90。，可在第一披覆層的内表面或第 二披覆層的内表面之一上及/或夾在第一披覆層的内表面 與第二披覆層之内表面之間的核心導光層的表面之一上提 供多個散射結構（例如，點缺陷）。可另選的是，或此外， 散射結構也可位於核心導光層内。較佳的是，散射結構與 微透鏡成一條直線而放置。散射結構可以是進入核心導光 層之表面或進入披覆層之表面的凹痕（in(jents)。可另選 的是，諸如二氧化鈦（Ti〇2)的粉末可沈積在核心導光層 之表面或披覆層之表面上。 導光元件的用途 依照本發明之導光元件可用於一系列功能，包括照 201018973 32597pif 明、背面照明、指示以及顯示用途。 在本領域中，液晶元件是眾所周知的。工作於透射模 式（transmissive mode)的液晶顯示元件通常包括液晶胞 (也可稱為液晶面板）、合併了導光元件的背光單元以及 一個或多個極化器（p〇larisers)。液晶胞也是眾所周知的 元件。一般而言，液晶胞通常包括兩個透明基板，這兩個 透明基板之間配置著一層液晶材料。液晶顯示胞可包括兩 個透明板，其各別的内面上可塗布（c〇ated)透明導電電 極。為了使構成液晶材料的分子能夠沿著較佳方向排成直 線，可在液晶胞的内面上引進對準層（alignmentlayer)。 兩個透明板被間隙壁（spacer)隔開適當的距離，例如約2 微米。用流動填料來填充透明板之間的空隙，藉此將液晶 材料引進透明板之間。極化器可配置在液晶胞的前面與^ 面。用習知的方法將背光單元放置在液晶胞後面。操作時， 工作在透射模式的液晶胞對來自光源（諸如可包括導光元 件的背光單元）的光進行調變。 在圖1中，發光二極體(1)是配置在透明聚合物核心導 光層(2)的邊緣。來自發光二極體的光(3)透過導光層而像 播，且被散射結構（諸如點狀缺陷）（4)散射約9〇。，且由 導光層射出（3a)。如圖（1)所示，此元件是從上方觀看的； 主要光輸出面顯示在(5)處，且點狀缺陷(4)位於對面的下表 面上。將核心導光層(2)夾在另外的低折射率透明導光層 (未繪示）之間，藉此來將核心導光層(2)覆蓋起來。被點 狀缺陷散射的光的相當大的比例未傳播到觀察者眼中。 201018973 ^z^y/pii 圖2本質上提供圖i所示的有許多附加物的先前技術 元件的側視圖。第-（上）彼覆層與第二、（下）坡覆層分 別顯示在⑹、⑺處，且微透鏡顯示在⑻^傳統上使用 的微透鏡具有低折射率，且具有與披覆層_同的折射 率。核心導光層(2)夹在披覆層⑹與⑺的各別内表面⑽ 與(7a)之間。披覆層⑹與⑺的折射率低於核心導光層⑺ 者。光散射體顯示在㈣處。在⑽處所指示的弧(arc)内傳 播的光線被引導，也就是被留在光導中，至少到此光線射 中另一個散射結構為止。若光線（或光子）被實質上垂直 地或者至少在(11)處所指示的角度範圍内散射，在顯示器 應用的有效範圍内，此光線將離開光導，從微透鏡 對於實用系統’上述的兩個角度範圍⑽與(11)之間有 -個角度範圍，此角度範圍用（12)處所示的弧來表示。被 散射到（12)所表示的角度内的光線或光子可以非控制方式 離開此系統。它們當中的-部分可絲有效地照亮顯示 器，但大部分卻不能。 ❹ 圖3繪示為依照本發明的一種配置，且圖4本質上是 這種配置的侧視圖。在圖3與圖4中，導光元件已做改良， 將圖2中的披覆層(6)與(7)的厚度減小。在圖3中，上披<覆 層與下彼覆層分別顯示為層(6b)與(7b)。可選擇的是，反射 層（14)可配置在第二披覆層（7b)後面或附著在第^披覆層 (7b)上。與坡覆層(6)、（7)相比，披覆層（6b)與(7b)的厚度已 減小，使得核心導光層(2a)之厚度對披覆層(6b)、（7b)之厚 度的比值更大。此外，微透鏡(8b)形成在折射率高於披覆 11 201018973 32597pif 層(6b)、（7b)的材料中。此時微透鏡㈣)通常可用與核心導 光層(2)相同的⑥折射材料來製成，但它們具有高於坡覆層 的折射率。被收集的錢角度範g明顯擴大這主要是因 為當光從低折射率材料薄層㈣折射到高折射率微透鏡層 (8b)中時，光線角度增大。圖2中用弧(12)來表示的可能遺 失的角度fen幾乎被消除，且在圖4中顯示在(12a)處。因 此’依照本發明的新型系賴光學效率顯著提高。散射結 構還繪示在圖4中的(4)與(4b)處。 不例 下面將僅參照以下示例來舉例描述本發明。 例1 利用注入了二氧化鈦粒子的絲網印刷油墨（screen printing ink)在聚甲基丙烯酸酯薄板（核心導光層）上面 印刷規則的點圖案（散射式特徵）。利用壓感黏合劑 (pressure sensitive adhesive )將用氟化乙烯丙烯製成的披 覆層壓合（laminated)在核心導光層的每一侧。同樣是利 用壓感黏合劑，沿著披覆層之—的暴露主表面來附著有紹 塗布的氟化乙烯丙烯(FEP)層（反射層）。在另一披覆層的 暴露之主表面上’利用uv固化黏合劑將各別的注塑模壓之 半球形聚苯乙烯微透鏡陣列附著在散射式特徵的正上方， 且與散射式特徵在一條直線上。此元件是從側面照明。 —對兩個系統（a) nl=n3=1.5且n2=1.3與(b，比較） 2=n3=1.3且nl=15使用Zemax光線追蹤軟體來進行計 算。輸出分佈之差繪示在圖5中。依照本發明之配置的光 201018973 OAjy /pu 線分佈明顯更集中於接近零度（也就是，垂直於表面而發 射）的角度’而零度對於許多背光系統而言是理想情形。 論述 低折射率的中間薄層與高折射率的微透鏡結合在一 起，使受控的（即，較窄的）角度範圍内提供的輻射能增 加。依照本發明之導光元件也允許捕獲大範圍的入射角， 從而提高光學效率。 雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明’任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離 本發明之精神和範圍内’當可作些許之更動與潤飾，故本 發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 圖1繪示為已知的一種邊緣照明型導光元件。 圖2繪示為已知的導光元件的側視圖。 圖3繪示為依照本發明的一種邊緣照明型導光元件。 圖4繪示為依照本發明的一種導光元件的側視圖。 圖5是依照本發明之元件與比較用元件的輻射強度相 對於光發射角度的曲線圖。 【主要元件符號說明】 1 :發光二極體 2、 2a :核心導光層 3、 3a :光 4、 4a、4b :散射結構 5、 主要光輸出面 13 201018973 32597pif 6、7、6b、7b :披覆層 6a、7a :内表面 8、8b :微透鏡 10、11、12、12a :角度範圍 14 :反射層 nl、n2、n3 :折射率

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Claims (1)

1. 201018973 /pu 七、申請專利範圍： 1. 一種導光元件，包括： 核心導光層，夾在第一坡覆層的内表面與第二披覆層 的内表面之間； 多個散射結構，位於所述第一披覆層與所述核心導光 層之間的介面之處及/或位於所述第二彼覆層與所述核心 導光層之間的介面之處及/或位於所述核心導光層内；以及 ❹ 一系列微透鏡，排列在所述第一彼覆層的外層上， 其中所述微透鏡與所述核心導光層的折射率都大於 所述披覆層的折射率。 2·如申請專利範圍第1項所述之導光元件，其中多個 所述散射結構是位於所述第一坡覆層與所述核心導光層之 間的所述介面之處及/或位於所述第二彼覆層與所述核心 導光層之間的所述介面之處。 3·如申請專利範圍第1項或第2項所述之導光元件， Q 其中每個所述散射結構的正上方具有一個微透鏡。 4.如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之導 光元件，其中所述微透鏡與所述核心導光層的折射率實質 上相同。 一 5.如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之導 光元件，其中所述微透鏡與所述核心導光層的折射率是從 約1.4至約1.8’且所述第一披覆層與所述第二披覆層的折 射率是從約1.25至約1.4。 6.如上述申請專利範圍之任一項所述之導光元件，其 15 201018973 32597pif 中所述微透鏡之折射率相對於所述披覆層之折射率的比值 大於約1.2。 7.如上述申請專利範圍之任一項所述之導光元件，其 中所述核心導光層之厚度是從約〇 5mm至約4mm。 8·如上述申請專利範圍之任一項所述之導光元件，其 中所述被覆層之厚度是從約〇 〇lmm至約〇 3mm。 9.如上述申請專利範圍之任一項所述之導光元件，苴 中所述核心導光層是用透明聚合物來製成。 八 甘+ Ή述申請專利難之任—項所述之導光元件， 、所述核心是用聚甲基丙婦酸醋（ρΜΜΑ)來製成。 11:如上述申請專圍之任—項所述之導光元件， 制所述第坡覆層與所述第二披覆層是用透明聚合物來 其中:述之任-項所述之導光元件， 菲二:之導光元件’其中所述 1ς ^ 、、竹傲是厚度約為0.001mm至lmm。 其中所述微’㈣光元件’ 16. 如上述中請固化材料來製成。 更包括附著在所越之任-項所狀導光元件， 17. 如上、上Ϊ:坡覆層之外表面上的反射層。 ，L印專利範圍之任一項所述之導光元件， 201018973 JZ.J7 /μιι 一個或多個光源，以形成邊緣照 其中所述導光元件更包括 明型導光元件。 18. 如上述申請專利範圍所述之導光元件 ，其中一個 2個所述先源是選自於發光二極體、冷陰極螢光燈、雷 -極體、有機發光二極體光源以及其他電致發光元件。 19. 如上述申請專利範圍所述之導光元件，其中一個 f夕個所述域是歸光二鋪，且所述發光二極體是選 ^於邊緣發射式、側魏式、雜射式或減粒發光二極 體。 2〇二如申請專利範圍第17項至第19項中任一項所述 ^導光7G件’其中-個或多個所述歧對接耦合至所述導 光元件ο 21· —種顯示元件，包括上述申請專利範圍之任一項 所述之導光元件。

   、22.如申請專利範圍第21項所述之顯示元件，其中所 述顯示元件是指液晶元件。 17