TW201232059A - Rotated micro-optical structures for banding suppression from point light sources - Google Patents

Description

201232059 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般關於微光學結構，特別係關於用於來自點 光源的條帶抑制之旋轉式微光學結構。 【先前技術】 一般來說，在邊緣發光顯示器背光中，來自光源（冷陰 極）的光會先被耦合至波導（亦稱為光導）之中並且接著經由 受抑式内部全反射（Total Internal Reflection，TIR)從該波導 中被抽出。光抽出特徵圖樣可能包含隆起或凹陷的結構， 例如，點狀物、V形溝槽、或是其它微光學結構。當被設計 成一反射表面用以將從該波導處抽出的光引導至觀看者 時’於許多情況中，該等微光學結構的側面會創造一「鏡 面」或反射效應，藉以將個別的光源（也就是，個別的LED) 成像至該觀看者。於被使用在彩色序列式顯示器中的三色 (紅 '藍、綠）LED中，這可能會造成彩色條帶的非所希光學 饭影；或者，在白色LED的情況中，則可能會造成明亮的 白色條帶。 於某些邊緣發光平面式發光應用中（舉例來說，LCD背 光、TM0Stm顯示器、通用發光面板），不幸的係，彩色條 帶假影可能會相當明顯，端視用於抽出光的微光學結構的 形狀而定》 【發明内容】 本發明的一特色是一種使用在邊緣射出内部全反射 (TIR)波導上的設備，該設備包括一基板以及被提供在該基 201232059 板上的複數個微結構。每一個微結構皆包括至少兩個近似 平面的表面’該等表面會被定位成用以從該TIR波導處抽 出光。該等複數個微結構會以偽隨機的方式被配向在該基 板上。 本發明的另一特色是一種系統，該系統包括：一波導， 其會被配置成用以接收邊緣射出光；以及複數個微結構， 它們會以偽隨機配向的方式被設置在該波導上。每一個微 結構皆包括至少兩個近似平面的表面，該等表面會被定位 成用以從該波導處抽出光。 【實施方式】 下面的討論係關於本發明的各種實施例。雖然該些實 施例中的一或多個實施例可能為較佳；不過，本文所揭示 的實施例不應該被解釋為或是被當作限制本揭示内容（包含 爭請專利範圍在内）的範疇。此外，熟習本技術的人士便會 ^解，下面的說明有廣泛的應用，而且任何實施例之討論 的意義僅在示範該實施例而並沒有表示該揭示内容（包含 申請專利範圍在内）的範疇受限於該實施例的暗示之意。 圖1顯示一波導12，在其旁邊可能會放置一光面板 26。波導12通常為透明並且由玻璃、塑膠、或是其它合宜 的材料製成。光面板26包括一或多個光源28，例如，發光 二極體（LED)、冷陰極螢光燈（CCFL)、或是其它類型的光 源。將光面板26放置在波導12旁邊，每一個光源28便會 從側邊將光射入波導1 2之中。 波導12通常會造成内部全反射（TIR)現象，其中，來自 5 201232059 該等光源28的光線會反射偏離該波導的内部表面。多個微 構2G會被併人作為配合該波導12來使用的設備的一部 刀。玄叹備包含一基板，於該基板之中會形成該等微結構 或者該等微結構20會被黏附至該基板。該設備的該基板可 此包括錢導12本身的—外表面，或者，該基板可能會以 一溥膜的形式被提供。倘若該設備的該基板係該波導本身 的外表面的活，該等微結構會直接在該波導上被圖樣 化。然而，如果係一薄膜的話，該等微結構2〇則會先被形 成該薄膜的一部分並且該薄膜接著會被黏附至該波導12。 合宜的薄膜可能包括具有一黏著層的黏著膜。或者，該薄 膜可此會經由凡得瓦（van der waa丨s)作用力（也就是非常平 滑與平坦的表面）、光學接合層間壓力（舉例來說，物理作用 力、大氣差異或真空、靜電作用力、磁作用力…等）、熔化（加 熱聲波、或化學）、以及類似的方式被配接至該基板。 每一個微結構20都會讓來自該波導裡面並且源自該等 光源28的光在接近於和該波導之最大表面的平面成直角 (垂直）的方向中反射偏離該波導12。因此，每一個微結構 2〇都會從該波導12處抽出光。接著，舉例來說，被抽出的 光會被用來照射一顯示器，例如，一液晶顯示器（lcd)面 板。—般來說，該波導12能夠作為任何類型發光系統的— 部分。圖3A與3B將會被用來更詳細解釋波導I〗與微結構 2〇的光學特性。波導12具有一後表面16 ,其和光射出表 面14反向。於某些實施例中’後表面μ包括—鏡面式表 面或者έ被配接至一鏡面式表面。該後表面16亦可能不會 6 201232059 被塗佈。 « 2所示的係該等微結構2〇中其中數者的玫大細部 圖。在圖2的實施例中’每—個微結構2〇都包括_梯形戴 面體（或是截頭稜體）’因此，剖面形狀為梯形。在圖i與2 的實施例中，該等微結構2〇通常會以均句配向的方式被排 列。 圖3A與3B所示的係波導12的概略側視圖。波導以 可能係由塑膠、玻璃、或是其它合宜的材料製成。該等微 結構20會被提供成為—薄臈5〇a(圖3A)或薄膜5〇b(圖3b) 的一部分，該薄膜會被黏著至該波導的頂表面。介於微結 構20之間的二角形區域21包括空氣。薄膜5〇a、匕包括一 基板，有多個微結構20會被耦合至該基板，或者，此等微 結構會-被形成在該基板之中。於某些實施例中，該薄膜的 微锯梅會凹陷到該薄膜中並且被定位在該波導12的旁邊 (如圖3A中的範例）；而在其它實施例中，該等微結構會從 該薄膜處隆起並且被定位在和該波導反向的薄膜的側邊（如 圖3B中的範例）。如圖3 A中所示，薄膜5〇a的結構會使得 當被放置在該波導上時，該等微結構2〇會被定位成讓它們 較寬的表面朝向該波導；而在圖3B中，薄膜5〇b的結構會 使得當被放置在該波導上時，該等微結構2〇會被定位成讓 匕們車父窄的表面朝向該波導。 薄膜50a、b可能會被定位在該波導的頂端、底部、或 是兩側。單一光源28被顯示在圊中的右邊並且將光射入該 波導之令。在圖3A與3B中以元件符號30與36來顯示兩 7 201232059 條光波的行進方向。光波30會先在該波導的底部表面處反 射偏離並且接著會繼續接觸該等微結構2〇中其中一者，★亥 微結構會讓光從該波導處被抽出。在剖視圖中，每—個微 結構20都包括如圖3 a中所示的兩個有角度的側表面 與42a以及如圖3B中所示的側表面4〇b與42b。光波3〇會 接觸一微結構20的遠端側表面40a/42b(相對於該光源28 的遠端）。側表面40a/42b的角度會被設成使得反射偏離該 表面的光31會在大體上垂直於該波導12之平面的方向中 離開該膜50a、b。 如圖3A與3B中所示，光波36會先在該波導12的底 部表面處反射偏離並且接著會接觸該頂表面，但並不是在 被一微結構20佔據的位置處。波導〖2的TIR性質會導致 光反射偏離底表面與頂表面’直到其接觸後表面16為止， 該後表面1 6係一鏡面式表面，因而同樣會導致該光反射偏 離該表面。接著，光3 6會開始反向穿越該波導，直到其接 觸一微結構20為止，如圖中所示。光波36會接觸該微結 構20的近端側表面42a/40b，其會在大體上垂直於該波導 12之平面的方向處反射該光（光37)。依此方式，該等微結 構2 0會讓該光從該波導處被抽出。並非所有的光都必須從 相同的波導表面處被柚出。舉例來說，端視該等微結構的 形狀以及一特殊光線的角度而定，此光可能會從光源28處 發出在一表面40b處反射偏離，並且接著反向穿越該波導 而在該等微結構所在處的反向側離開。 在本文所討論的各實施例中，每一個該等微結構都包 8 201232059 括至少兩個近似平面的表面，它們會將光反射與折射至該 波導12外面。於某些實施例中，近似平面的意義為該微結 構的側壁為平坦或平面，如同該波導的表面。在現有製作 該些微結構的製造技術的前提下，仍可能無法將此等表面 製作得非常平面。微結構的角落可能為圓形，該等表面的 平均粗糙度可能為非零，或者，該表面可能會以外凸或内 凹的方式略微拱起。然而，該微結構的表面越平坦且越平 /月，匕們將光反射至該波導外面的效率便越高。 被射入β玄波導12之中的光的角度的範圍結合該等眾多 緊密分隔的微結構2〇的側壁的角度會讓光在和接近垂直於 波導表面的方向成各種角度的範圍（舉例來說，包含9〇度） 中從s亥波導12處射出。舉例來說，此光可用於背光照射一 顯示器(，例如，一液晶顯示器（LCD)e因為該發光系統係在 該《顧私器的側邊而非後面，所以，最終顯示系統的總厚度 會薄過CCFL背光顯示器。 然而，利用點光源發光（例如，LED)來照射的至少某些 邊緣顯示系統的問題係會有「條帶（banding)」&是光強度 的隻化。圖4所示的便係該條帶問題的概念。圖中顯示出 有三個光源28位於該波導12的旁邊。該等微結構2〇之該 等有角度的側表面40與42為平坦而且表現如同一用以將 光反射至波導12外面的鏡面（也就是，有很高的鏡反射程 度）。圖4中雖然並未顯示該等微結構2〇，但是，該等微結 構其實係側向（從左至右）延伸在圖4中所示之波導的正= 表面（圖4中並未顯示）上，其係被配向成垂直於該波導中放 201232059 置著該等光源28的面。該等微結構的尺寸通常报小而無法 以裸眼看見。當來自每一個光源28的光接觸到一微結構2〇 的側壁時，該光會被向上反射並且（朝觀看者）被反射到該波 導的外面，如上面針對圖3的解釋。該等微結構2〇的分隔 距離非常緊密，因此，對觀看者來說，被該等微結構20覆 蓋的波導12的整個表面似乎都在發光。然而，因為該等微 結構20的側壁非常平坦並且如同一鏡面般會鏡反射，所 以，總效應係在每一個該等光源28及觀看者的眼睛之間的 路位上似乎會有更兩密度的「光條帶」6 〇，就如同觀看鏡 面中的燈泡反射。當該光反射偏離後面的鏡面式表面 時，另一光條帶同樣會被產生。初始光條帶60會比被反射 的光條帶62亮，如圖中所示，條帶6〇的線條粗過條帶62。 圖5與6所示的係可以根據較佳實施例來使用的微結 構的兩個範例。在至少某些實施例中，該等微結構全部具 有接近均質的尺寸與形狀。在圖5中，微結構7〇係一如前 面所述的梯形截面體。L1表示長度，而H1表示寬度。W1 表示該梯形剖面之長邊的寬度，而W2則表示該梯形之短邊 的寬度。LI、HI、W1、以及W2的大小會經過客製設計， 以便適合於各種需求及應用。然而，於某些實施例中，Ll 係落在4至1000微米的範圍中，H1係落在i 5至ι〇5微米 的範圍中，W1係落在4至400微米的範圍中，而W2則係 洛在2至1 50微米的範圍中。如圖所示，軸線75係沿著該 微結構70的長度u延伸。短邊（W2)係接觸該波導12的邊。 圖6所示之微結構80的形式係一截頭六角截面體（或是 10 201232059 截頭六角稜體）。微結構80的頂表面84與底表面86為六角 形’六角形頂表面84大於六角形底表面8“較小的六角形 底表面86會接觸該波導12。以表示該頂表面料的直徑， L3表示該底表面86的直徑，而微結構8〇的總高度為 U、L3、以及把的大小可視需要而改變。根據至少某些實 施例，L2係落在3至3〇〇微米的範圍中，L3係落在2至 微来的範圍中，而H2則係落在1<5至1〇5微米的範園中。 圖中所示的轴線85將頂表面84的兩個相向邊緣82平分並 且延伸穿過該頂表面84的中心。底表面％係由長度尺寸 相同的邊緣88來界定。 該等微結構可能包括任何合宜的形狀。合宜形狀的範 例包含：三角形.戴面體、梯形截面體（圖5)、正方形截面體、 五角形滅面體、六角形截面體（圖6)、八角形截面體、 其它多.¾邊形戴面體。 … 面所提，每一個該等微結構皆包括至少兩個近似 平面的反射表面’用以從該波導i 2處抽出光。微結構7〇(圖 5)包括兩個此等表面4〇與42,而微結構叫圖咐括六個 當该等微結構全部為相同配向時，由該等微光學反射 表面所產生的組合反射會創造先前提及之非所希的光條帶 放應因此，根據各個較佳實施例，被提供在該波導上的 該等微結構會如圖7與8中所示般㈣向成隨機或偽隨機 勺方式圖7所不的係被設置在該波導12上的該等微結構 7〇中數個微結構7〇的轴線75。圖中並未顯示該等微結構 / 11 201232059 7〇本身，以便更清楚圖解該等微結構的配向。在圖8中， 如圖中所示，該等六角形微結構8〇的配向會藉由該等軸線 8 5的偽隨機配向來配置。 一六角形的鄰邊之間的角度為6〇。。當製作旋轉式六角 形微結構時，該隨機旋轉僅需要改變6〇。的範圍；而後僅需 要重複進行相同動作即可。每一個六角微結構（微結構群） 和相鄰的六角微結構的配向不同，於某些實施例中，其會 改變範圍落在i至59»之[矩形的鄰邊之間的角度為'二 。。所以，當製作旋轉式矩形微結構時，於某些實施例中， 相鄰矩形微結構或相鄰矩形微結構群之間的隨機旋轉變化 範圍係落在i至89之中。當每一個配向處的微結構數量接 近相同⑷列來說，相| 10%以内）而且在每一個配向處有接 近均勾分佈的微結構時，便會達到非常隨機或偽隨機的效 果。不同角度配向的數量可能會相依於所使用之微結構的 側壁的數量以及光源的數量與位置而改變。 4上面所提’相鄰微結構可能會被配向成彼此形成某 個角度，相鄰微結構之間的角度會隨機改變。進一步言之， 在多群微結構中，可能會讓每—群具有共同配向的微結 構但疋相鄰的微結構群卻會彼此形成隨機的角度。. 3亥等光抽出微結構之8己向的隨機特性會讓各個微結構 中不同的側面接收與反射光。據此，光會被反射至不同的 角度方向巾’從而抑制或消5耳上面所提的條帶問題。 根據某些貫施例，該等微結構2〇、7〇、以及⑽會利用 鑽石車削法或是其它合宜的製程被製作在一浮雕母體上。 12 201232059 傳統的熱浮雕法或疋可uv固化的浮雕、、表 J子雕决可以使用浮雕母 體將該微結構圖樣轉印至一薄聚合物膜，, 奶犋例如，聚胺基甲 酸醋(熱浮雕)或㈣T(可UV 0化)。每—個微結構較佳的 係具有至少兩邊。圖5肖6令所示的雖然係梯形稜體與截 頭六角稜體；不過’亦可以使用其它形狀。 如上面所提，藉由偽隨機的方式改變波導上該等微妹 構的配向，條帶會減少。於其它實施例中，可能會使用具 有彎曲表面的微結構（舉例來說’截頭圓錐體或圓錐形截面 體）’而且如果有條帶的話，此等結構通常會產生極少的條 帶。然而’該等具有筆直（非-曲）側邊與邊緣的偽隨機配向 光抽出微結構則通常會導致來自該波導的光的光度高於(也 就是，比較亮）從使用彎曲微結構的波導中所產生的光，因 為使用曲線邊微結構時，為從該波導處抽出大部分的光， .在該微結構本身裡面通f會有多次反彈。由於在該結構的 該等彎曲表面處多次反彈造成損失的關係（每一次反彈都會 造成吸收、散射、反射、以及折射），會有較低的光抽出效 率。 【圖式簡單說明】 為洋細5兑明本發明的示範性實施例，前面已經參考過 隨附的圖式，其中： 圖1所不的係根據各種實施例可以使用在一顯示系統 中具有側光的波導的立體圖； 圖2所示的係极據各種實施例，圖1之波導的表面上 的微結構的立體圖； 13 201232059 操作； 圖3A與3B所示的係根據各種實施例 圖1之波導的 圖4所示的係至少草此齠+ έ & 系二顯不系統的條帶問題特徵； 圖5所示的係可以使用在波導 結構； 令干的其中—種較佳的微 圖ό所示的係可以使用在波 等Τ的另—種較佳的微結 構； 圖7與8所示的係以偽陆她& 士 1 僞1^機的方式被配向在波導上以 便減少或消除圖4之條帶問題的 柯β /反導破結構的一較佳實施 【主要元件符號說明 12 波導 14 光射出表面 16 後表面 20 微結構 21 二角形區域 26 光面板 28 光源 30 光/光波 31 光/光波 36 光/光波 37 光/光波 40 有角度的（側）表面 40a 有角度的（側）表面 14 201232059 40b 有角度的（側）表面 42 有角度的（側）表面 42a 有角度的（側）表面 42b 有角度的（側）表面 50a 薄膜 50b 薄膜 60 光條帶 62 光條帶 70 微結構 75 軸線 80 微結構 82 邊緣 84 頂表面 85 軸線 86 底表面 88 邊緣 89 表面 HI 高度 H2 高度 LI 長度 L2 直徑 L3 直徑 W1 寬度 W2 寬度 15

Claims (1)

1. 201232059 七 、申請專利範圍： !•-種使用在邊緣射“部全反射（TIR)波導上的設 備，其包括： 一基板；以及 被提供在s亥基板上的複數個料莊德 长 数個U結構，每—個微結構皆 包括至少兩個近似平面的表面，料表面會被定位成用以 從該TIR波導處抽出光； 其中，該等複數個微結構會以偽隨機的方式被配向在 該基板上。 2·如申請專利範圍第1項的設備，其中該等微結構包括 選擇自下面的形狀：三角形截面體、梯形截面體、正方形 截面體…形截面體、六角形截面體、八角形截面體、 或是其它多邊形截面體。 3.如申請專利範圍第μ的設備，其中該等微結 基板處隆起》 4·如申請專利範圍第1項的設備，其中該等微結構會凹 陷到該基板中。 5.如申請專利範圍第1項的設備，其中該基板係—薄膜 的一部分。 守賜 導：：:請專利範圍第1項的設備，其中該基板包括該波 導的一外表面。 包括7選:申自？利範圍第1項的設備，其中每-個微結構都 :括==下面所組成之群中的形狀：截頭六角形截面 體截頭八角形稜體、矩形、五角形、八角形、以及三角 16 201232059 形。 8. 如申請專利範圍第1項的設備，其中相鄰微結構會被 配向成彼此形成某個角度，該角度變化介於i與59度之間。 9. 如申請專利範圍第1項的設備，其中微結構群會被配 向成彼此形成某個角度，該角度變化介於1與5 9度之間。 1 〇.如申請專利範圍第1項的設備，其中相鄰微結構會 被配向成彼此形成某個角度，該角度變化介於1與8 9度之 間。 1 1.如申請專利範圍第1項的設備，其中微結構群會被 配向成彼此形成某個角度，該角度變化介於1與89度之間。 12.如申請專利範圍第丨項的設備，其中每一個微結構 皆為六角形而且相鄰微結構會被配向成彼此形成某個角 度’该角度變化介於1與59度之間。 :13 ·如申明專利範圍第1項的設備，其中每一個微結構 白八有矩$的表面而且相鄰微結構會被配向成彼此形成 某個角度，s亥角度變化介於i與8 9度之間。 14.如申請專利範圍第丨項的設備，其中該等複數個微 結構會以偽隨機的方式被配向在該基板上，俾使得每一個 配向處的微結構的數量幾乎相同。 1 5 . —種系統，其包括： :波導，其會被酉己置成用以接收邊緣射出光；以及 禝數個微結構，它們會以偽隨機配向的方式被設置在 該波導上，每—個微結構皆包括至少兩個近似平面的表 面，該等表面會被;t位成用以從該波導處抽出光。 17 201232059 16.如申請專利範圍第1 項的系統，其中.該等微結構包 括選擇自下面的形狀：三角形 月^哉面體、梯形截面體、正方 形截面體、五角形截面體、 小戳面I、角形截面體、八角形截面體、 或是其它多邊形截面體。 17 ·如申請專利範圍第15 s 乐項的系統，其中該等微結構合 從基板處隆起。 I如申請專利範圍第15項的系統，其中該等微結構會 凹陷到該基板中。 19.如申請專利範圍第15項的系統，其中該等微結構會 被设置在该波導上成為一薄膜的一部分。 2〇.如申請專利範圍第15項的系統，其中該基板包括該 波導的一外表面》 2 1. 士申叫專利範圍第丨5項的系統，其中每一個微結構 都包括選擇自由下面所組成之群中的形狀：截頭六角形截 面體、截頭六角形稜體、矩形、五角形、八角形、以及三 角形。 22.如申請專利範圍第15項的系統，其中相鄰微結構會 被配向成彼此形成某個角度，該角度變化介於丨與5 9度之 間。 23. 如申請專利範圍第15項的系統，其中微結構群會被 配向成彼此形成某個角度，該角度變化介於1與5 9度之間。 24. 如申s青專利範圍第1 5項的系統，其中相鄰微結構會 被配向成彼此形成某個角度，該角度變化介於1與89度之 間。 18 201232059 25. 如申請專利範圍第15項的系統，其辛微結構群會被 配向成彼此形成某個角度，該角度變化介於1與8 9度之間。 26. 如申凊專利範圍第15項的系統，其中每一個微結構 皆為六角形而且相鄰微結構會被配向成彼此形成某個角 度’該角度變化介於1與5 9度之間。 27. 如申請專利刪151 員的系統，其中每一個微結構 皆具有一矩形㈣面而且相鄰微結構會被配向&彼此形成 某個角度，該角度變化介於1與8 9度之間。 八、圖式： (如次頁） 19