TW202331321A - 光導元件及包含其的顯示裝置 - Google Patents

Abstract

本創作提供光導元件及顯示裝置。光導元件包括U型耦光單元及主體單元；主體單元具相對的第一和第二光學面及相對的第三和第四光學面；U型耦光單元包含基部和第一、第二前導部。基部與主體單元相連且第一、第二前導部分設相對兩端；第一前導部具相連的第一入光面和第一側面，第二前導部具相連的第二入光面和第二側面；其中，第一側面和與其相連的第三光學面之夾角θ ₁、第一入光面延伸與第三光學面之夾角θ ₂、第二側面和與其相連的第四光學面之夾角θ ₁’和第二入光面延伸與第四光學面之夾角θ ₂’滿足以下關係式：0°≦夾角θ ₁，夾角θ ₁’＜夾角θ ₂，夾角θ ₂’＜180°。

Description

光導元件及包含其的顯示裝置

本創作係關於一種光導元件及包含前述光導元件的顯示裝置，尤其是關於搭配發光二極體 (light-emitting diode，LED)的光導元件及包含其的顯示裝置。

以做為光源的LED搭配作為光導引媒介的光導元件進行面光源的開發已是相當常見的技術，而前述技術可應用至顯示器、照明設備和民生家電等電子產品。由於單個LED的發光亮度已提升，故在做為前述電子產品的光源時，LED的使用個數得以下降。然而，LED屬於點光源，其發光型態為扇形發射，每一LED具有一定的出光角度 (viewing angle)(光強半角約±50°)，因此當各LED的出光角度未重疊時，相鄰的LED之間就容易產生區間暗紋，且使得在靠近多個LED的區域出現亮度不均的熱點 (hot spot)。

若欲使最終的面光源能散發出亮度均勻的光，所述光導元件便須起到關鍵的作用。一般來說，業者係通過將光導元件的光學設計複雜化或需嘗試與多種光學膜搭配，因此光導元件的生產模具須不斷對應調整，導致前述電子產品的開發存在耗時與成本效益低等問題。

有鑑於上述現有技術存在技術缺陷，本創作之目的在於提供一種光導元件，可形成光線均勻分佈的面光源，得以減少熱點現象的發生。

本創作之另一目的在於提供一種光導元件，其具有光學設計簡單化、易於控制製造精密度的優點，故可節省現有技術之光導元件的製程工序，從而降低現有技術之顯示裝置的製造成本，降低資源浪費、提升成本效益，具有高市場潛力。

為達成前述目的，本創作提供一種光導元件，其包括一主體單元以及一U型耦光單元。其中，該主體單元具有相對的一第一光學面和一第二光學面，該第一光學面和該第二光學面的距離係該主體單元的厚度；同時，該主體單元具有相對的一第三光學面和一第四光學面，該第三光學面和該第四光學面垂直於該第一光學面和該第二光學面。該U型耦光單元包含一基部、一第一前導部及一第二前導部；該U型耦光單元的基部與該主體單元相連接，該基部具有與該主體單元相對的一導向面；該第一前導部和該第二前導部分別設置於該基部的相對兩端，該基部的導向面分別與該第一前導部和該第二前導部相接。其中，該第一前導部具有一第一側面和一第一入光面，該第一側面分別與該第三光學面和該第一入光面相連，該第二前導部具有一第二側面和一第二入光面，該第二側面分別與該第四光學面和第二入光面相連；該第一前導部的第一側面與該主體單元的第三光學面之夾角θ ₁和該第一前導部的第一入光面延伸與該主體單元的第三光學面之夾角θ ₂滿足以下關係式(I)：0° ≦ 夾角θ ₁＜ 夾角θ ₂＜ 180°；以及，該第二前導部的第二側面與該主體單元的第四光學面之夾角θ ₁’和該第二前導部的第二入光面延伸與該主體單元的第四光學面之夾角θ ₂’滿足以下關係式(II)：0° ≦ 夾角θ ₁’ ＜ 夾角θ ₂’ ＜ 180°。

本創作藉由具有特殊構形的U型耦光單元向外斜向凸設該第一前導部和第二前導部而可接收從側向進入之光線，且藉由該導向面讓前述光線於該U型耦光單元內即進行第一階段的擴光分配，使前述光線隨後以線型分佈的方式進入所述主體單元，並且於所述主體單元內再次進行擴光分配，因此，最後穿出所述光導元件的光線集合形成面光源，且所述面光源得以發出亮度均勻的光。

較佳的，該U型耦光單元的基部、第一前導部及第二前導部係一體成形。較佳的，該U型耦光單元呈對稱形狀，因此，該U型耦光單元的第一前導部和該第二前導部的形狀相同，且該夾角θ ₁與該夾角θ ₁’相等，以及該夾角θ ₂與該夾角θ ₂’相等。

較佳的，該夾角θ ₁的角度為0°至85°；更佳的，該夾角θ ₁的角度為30°至50°。較佳的，該夾角θ ₂的角度為大於90°至175°；更佳的，該夾角θ ₂的角度為105°至160°。

較佳的，該夾角θ ₁’的角度為0°至85°；更佳的，該夾角θ’ ₁的角度為30°至50°。較佳的，該夾角θ ₂’的角度為大於90°至175°；更佳的，該夾角θ ₂’的角度為105°至160°。

在本創作中，該導向面可為一平面或一曲面，但不限於此。

在一些實施態樣中，該導向面為一平面。

在另一些實施態樣中，該導向面為一曲面；較佳的，該曲面的曲率半徑為30毫米(mm)至1000 mm；更佳的，該曲面的曲率半徑為40 mm至500 mm。較佳的，該曲面係凸向遠離該主體單元的方向，即該曲面是往該主體單元的反延伸方向凸出。當該導向面為曲面時，可使入射至該導向面的該等光線呈現更多元化的入射角，故可對該等光線提供更好的分散作用，進而使該等光線進入該主體單元時分佈地更均勻。再者，透過調整該導向面的曲率時，即可調控進入U型耦光單元的光線之分佈角度，可更有效地配合各種電子產品的開發需求。

較佳的，該導向面的反射率大於50%以上，但不限於此；更佳的，該導向面的反射率大於80%以上，但不限於此。

依據本創作，較佳的，該主體單元具有長方體之形狀，但不限於此。因此，由該主體單元的第一光學面和第二光學面之距離表示的該主體單元的厚度一致，且所述第一光學面和第二光學面皆為矩形。此外，垂直於該第一光學面和該第二光學面的該第三光學面和該第四光學面亦皆為矩形。

在一些實施態樣中，所述光導元件還可包括多個特徵尺寸為1微米(μm)至300 μm的微結構單元以直接成型的方式形成於光導元件中的任一表面上，使照射至所述光導元件的光線產生大程度漫射反射，進而獲得更均勻擴散的出光分佈。

具體而言，該等微結構單元可各自獨立地具有任意幾何結構。較佳的，每一微結構單元的幾何結構係獨立選自以下組成的群組中的一者：圓弧體、圓錐體、角錐體、弧形長條體和稜形長條體。該等微結構單元可具有相同的幾何結構，例如，該等微結構單元具有同一種幾何結構，但該等微結構單元的尺寸可以皆相同也可以不完全相同。或者，該等微結構單元亦可具有至少二種幾何結構，但不限於此。

在一些實施態樣中，該等微結構單元可依照規律方式排列，即以矩陣方式形成於該表面上；在另一些實施態樣中，該等微結構單元以不規律的方式排列。

在一些實施態樣中，該等微結構單元可設置於該U型耦光單元的任一處表面上。舉例而言，該導向面可形成有複數微結構單元，例如，該導向面的內側形成該等微結構單元。此外，該U型耦光單元的基部的其它表面上(即與該主體單元相接的表面)，也可形成有複數微結構單元。

在另一些實施態樣中，該等微結構單元可設置於該主體單元的任一處表面上，例如，該前述的任一處表面的內側形成該等微結構單元。舉例而言，該第一光學面和該第二光學面中的至少一者可形成有複數微結構單元；或者，該第三光學面和該第四光學面中的至少一者形成有複數微結構單元；又或者，該第一光學面、該第二光學面、該第三光學面和該第四光學面皆形成有複數微結構單元。

依據本創作，該光導元件的材料並無特別限制。較佳的，該光導元件的材料包含聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，PMMA)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物(styrene methyl methacrylate copolymer，SMMA)或聚苯乙烯(polystyrene，PS)，但不限於此。

本創作另提供一種反射式顯示裝置，其包括：一反射式顯示面板(reflective display panel)以及一光導系統；該光導系統係設置於該反射式顯示面板之上。其中，該光導系統包括一如前述之光導元件以及一第一發光元件；其中，該光導元件中的該第一前導部之第一入光面用以接收來自該第一發光元件之複數光線。具體而言，該光導元件以所述第一光學面/第二光學面面向該反射式顯示面板。當該等光線從第一發光元件發出後，所述光線的路徑係依序穿過該光導元件的U型耦光單元的第一前導部，至該基部的導向面轉向後再到該主體單元，所述光線主要由該主體單元的第一光學面/該第二光學面，再射出至該反射式顯示面板，最後光線再從反射式顯示面板漫射反射並穿出該主體單元的第二光學面/第一光學面至使用者眼睛。

較佳的，該光導系統更包括一第二發光元件；其中，該光導元件中的該第二前導部之第二入光面用以接收來自該第二發光元件之複數光線。

具體而言，該第一發光元件和該第二發光元件各自包含多個LED，所述多個LED光源可以是LED光桿或LED陣列，但不限於此。此外，所述多個LED光源可由同樣色光的LED所構成，或多種色光的LED所構成。

在一些實施態樣中，該反射式顯示面板可為液晶顯示面板(liquid crystal display panel，LCD panel)或電子油墨顯示面板(e-paper)，但不限於此。

較佳的，該反射式顯示面板和該光導元件以一高分子膠膜貼合。較佳的，所述高分子膠膜的折射率為1.2至1.9，但不限於此。舉例而言，該高分子膠膜可為矽膠系(silicone based)感壓膠(pressure sensitive adhesive，PSA)、壓克力系(acrylic based)光學膠或聚氨酯系(polyurethane based，PU based)感壓膠，但不限於此。

本創作另提供一種穿透式顯示裝置，其包括：一穿透式顯示面板(transmissive display panel)以及一光導系統；該光導系統係設置於該穿透式顯示面板之下。此光導系統可參考前述反射式顯示裝置中的光導系統之相關敘述。具體而言，該光導元件以所述第一光學面面向該穿透式顯示面板。當該等光線從第一發光元件發出後，所述光線的路徑係依序穿過該光導元件的U型耦光單元的第一前導部，至該基部的導向面轉向後再到該主體單元，所述光線主要由該主體單元的第一光學面射出至該穿透式顯示面板，最後光線再從該穿透式顯示面板相對於該光導系統的另一側穿出至使用者眼睛。

在一些實施態樣中，該穿透式顯示面板可為液晶顯示面板，但不限於此。

較佳的，該穿透式顯示面板和該光導元件的第一光學面之間，可夾置一層光學膜或多層光學膜。舉例而言，所述光學膜可以是擴散膜、增亮膜、偏光膜等，但不限於此。

較佳的，該穿透式顯示裝置可更包括一反射層，該反射層置於該光導系統的下方。

以下列舉數種實施例說明本創作之實施方式，熟習此技藝者可經由本說明書之內容輕易地了解本創作所能達成之優點與功效，並且於不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更，以施行或應用本創作之內容。

實施例1

請參閱圖1及圖2所示，本創作之光導元件10包括一U型耦光單元11以及一主體單元12。

該U型耦光單元11包含一體成形的一第一前導部111、一第二前導部112及一基部113。，該基部113具有一導向面1131。該第一前導部111和該第二前導部112分別斜向設置於該基部113的相對兩端，該基部113的導向面1131分別與該第一前導部111和該第二前導部112相接。並且，該U型耦光單元11呈對稱形狀，因此，該U型耦光單元11的第一前導部111和該第二前導部112的形狀相同。於此實施例中，該導向面113為一平面。

該主體單元12與U型耦光單元11的基部113一體成形，且主體單元12與第一前導部111和第二前導部112具有相等的厚度。該主體單元12具有相對的一第一光學面121和一第二光學面122，以及具有相對的一第三光學面123和一第四光學面124，該第三光學面123和該第四光學面124分別垂直於該第一光學面121和該第二光學面122。該第一光學面121和該第二光學面122係平行圖1上的X-Y平面，該第一光學面121和該第二光學面122的距離係該主體單元12的厚度，而該第三光學面123和該第四光學面124係平行圖1上的X-Z平面。該主體單元12的形狀約為長方體，因此，該第一光學面121、該第二光學面122、該第三光學面123和該第四光學面124的形狀皆為矩形。第一光學面121的長度即該主體單元12於圖1上的X軸方向的側邊之長度，第一光學面121的寬度即該主體單元12於圖1上的Y軸方向的側邊之長度。

該第一前導部111具有一第一入光面1111和一第一側面1112，該第一側面1112分別與該主體單元12的第三光學面123及該第一入光面1111相連；該第二前導部112具有一第二入光面1121和一第二側面1122，該第二側面1122分別與該主體單元12的第四光學面124及該第二入光面1121相連；其中，該第一側面1112與該第三光學面123之夾角θ ₁為30°，以及該第一入光面1111延伸與該第三光學面123之夾角θ ₂為100°，因此滿足關係式(I)：0° ≦ 夾角θ ₁＜ 夾角θ ₂＜ 180°。該第二側面1122與該第四光學面124之夾角θ ₁’為30°，以及該第二入光面1121延伸與該第四光學面124之夾角θ ₂’為100°，因此滿足關係式(II)：0° ≦ 夾角θ ₁’ ＜ 夾角θ ₂’ ＜ 180°。

其中，該光導元件10的主要材料是聚碳酸酯，該導向面1131的反射率達40%。

於其它實施態樣中，該主體單元12與U型耦光單元11的基部113可以不是一體成形，且主體單元12的厚度可以與第一前導部111和第二前導部112的厚度不相等。

於其它實施態樣中，所述光導元件10還可包括多個特徵尺寸為1 μm至300 μm的微結構單元(圖未示)以直接成型的方式形成於光導元件10中的任一表面上，例如導向面1131、第一光學面121、第二光學面122、第三光學面123和第四光學面124的內側，但不限於此。每一微結構單元的幾何結構可獨立選自以下組成的群組中的一者：圓弧體、圓錐體、角錐體、弧形長條體和稜形長條體。此外，該等微結構單元可依照規律或隨機的方式排列，並無特別限定。

實施例2

請參圖3，實施例2的光導元件10’具有與實施例1的光導元件10相似的結構，實施例1與實施例2主要差異在於：基部113的導向面1131。於實施例2的光導元件10’中，基部113的導向面1131是一曲面，該曲面係凸向遠離該主體單元12的方向，且該曲面的曲率半徑為100 mm。

於其它實施態樣中，所述光導元件10’亦可包括多個特徵尺寸為1 μm至300 μm的微結構單元(圖未示)以直接成型的方式形成於光導元件10’中的任一表面上。所述光導元件10’包括的該等微結構單元可參酌上述光導元件10的內容。

請參圖1、2、4，本創作另提供一種顯示裝置1，其由下往上依序包含一反射式顯示面板30、高分子膠膜31和光導系統20。該光導系統20包括實施例1之光導元件10以及一第一發光元件21和一第二發光元件22；其中，該光導元件10中的該第一前導部111之第一入光面1111用以接收來自該第一發光元件21之複數光線，該第二前導部112之第二入光面1121用以接收來自該第二發光元件22之複數光線。該第一發光元件21和該第二發光元件22各自包含多個LED，該第一發光元件21和該第二發光元22皆係LED光桿。該反射式顯示面板30係液晶顯示面板。

該光導元件10以所述第二光學面122面向該反射式顯示面板30。當該等光線從第一發光元件21和第二發光元件22的LED光桿發出後，所述光線的路徑係先穿過該光導元件10的U型耦光單元11的第一前導部111和第二前導部112，待至該基部113的導向面1131轉向後再到該主體單元12；接著，由該主體單元12的第一光學面121可反射光線至第二光學面122並形成面光源發出入射光線L，該入射光線L穿過該高分子膠膜31，再射入該反射式顯示面板30，隨後，反射光線L’從該反射式顯示面板30漫射反射穿出該主體單元12的第二光學面122及第一光學面121，最終被使用者的眼睛接收。

請參圖1、2、5，本創作另提供一種顯示裝置1’，其由下往上依序包含光導系統20、多層光學膜32和一穿透式顯示面板30’。其中，該光導系統20包括實施例1之光導元件10以及一第一發光元件21和一第二發光元件22；其中，該光導元件10中的該第一前導部111之第一入光面1111用以接收來自該第一發光元件21之複數光線，該第二前導部112之第二入光面1121用以接收來自該第二發光元件22之複數光線。該第一發光元件21和該第二發光元件22各自包含多個LED，該第一發光元件21和該第二發光元22皆係LED陣列。該穿透式顯示面板係液晶顯示面板。所述多層光學膜32可包含擴散膜、增亮膜、偏光膜等，但不限於此。

該光導元件10以所述第一光學面121面向該穿透式顯示面板30’。當該等光線從第一發光元件21和第二發光元件22的LED陣列發出後，所述光線的路徑係先穿過該光導元件10的U型耦光單元11之第一前導部111和第二前導部112，待至該基部113的導向面1131轉向後再到該主體單元12；接著，由該主體單元12的第一光學面121形成的面光源發出入射光線L，該入射光線L主要由該主體單元12的第一光學面121向上射出至該穿透式顯示面板30’，然後，透射光線L’’再從該穿透式顯示面板30’相對於該光導系統20的另一側穿出，最終被使用者的眼睛接收。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，惟該實施方式並非用以限定本創作之申請專利範圍；舉凡其它未悖離本創作揭示內容下所完成的變化、修飾等變更，均應包含於本創作涵蓋的專利範圍中。

1:顯示裝置 1’:顯示裝置 10:光導元件 10’:光導元件 11:U型耦光單元 111:第一前導部 1111:第一入光面 1112:第一側面 112:第二前導部 1121:第二入光面 1122:第二側面 113:基部 1131:導向面 12:主體單元 121:第一光學面 122:第二光學面 123:第三光學面 124:第四光學面 θ ₁:夾角θ ₁θ ₂:夾角θ ₂θ ₁’:夾角θ ₁’ θ ₂’:夾角θ ₂’ 20:光導系統 21:第一發光元件 22:第二發光元件 30:反射式顯示面板 31:高分子膠膜 30’:穿透式顯示面板 32:多層光學膜 L:入射光線 L’:反射光線 L’’:透射光線

圖1為實施例1之光導元件的俯視示意圖； 圖2為實施例1之光導元件的側視示意圖； 圖3為實施例2之光導元件的俯視示意圖； 圖4為實施例1之光導元件應用至反射式顯示裝置的側視示意圖； 圖5為實施例1之光導元件應用至穿透式顯示裝置的側視示意圖。

無

10:光導元件

11:U型耦光單元

111:第一前導部

1111:第一入光面

1112:第一側面

112:第二前導部

1121:第二入光面

1122:第二側面

113:基部

1131:導向面

12:主體單元

121:第一光學面

123:第三光學面

124:第四光學面

θ₁:夾角θ₁

θ₂:夾角θ₂

θ₁’:夾角θ₁’

θ₂’:夾角θ₂’

21:第一發光元件

22:第二發光元件

Claims (15)

1. 一種光導元件，其包括： 一主體單元，其具有相對的一第一光學面和一第二光學面，該第一光學面和該第二光學面的距離係該主體單元的厚度，該主體單元具有相對的一第三光學面和一第四光學面，該第三光學面和該第四光學面垂直於該第一光學面和該第二光學面；以及 一U型耦光單元，其包含： 一基部，該基部與該主體單元相連接，該基部具有與該主體單元相對的一導向面； 一第一前導部及一第二前導部，該第一前導部和該第二前導部分別設置於該基部的相對兩端並與該基部的導向面相接；該第一前導部具有一第一側面和一第一入光面，該第一側面分別與該第三光學面和該第一入光面相連，該第二前導部具有一第二側面和一第二入光面，該第二側面分別與該第四光學面和該第二入光面相連； 其中，該第一前導部的第一側面與該主體單元的第三光學面之夾角θ ₁和該第一前導部的第一入光面延伸與該主體單元的第三光學面之夾角θ ₂滿足以下關係式(I)：0° ≦ 夾角θ ₁＜ 夾角θ ₂＜ 180°； 該第二前導部的第二側面與該主體單元的第四光學面之夾角θ ₁’和該第二前導部的第二入光面延伸與該主體單元的第四光學面之夾角θ ₂’滿足以下關係式(II)：0° ≦ 夾角θ ₁’ ＜ 夾角θ ₂’ ＜ 180°。
2. 如請求項1所述之光導元件，其中，該導向面為一平面或一曲面。
3. 如請求項2所述之光導元件，其中，當該導向面為一曲面時，該曲面的曲率半徑為30毫米至1000毫米。
4. 如請求項1所述之光導元件，其中，該U型耦光單元的該基部、該第一前導部及該第二前導部係一體成形。
5. 如請求項1至4中任一項所述之光導元件，其中，該夾角θ ₁與該夾角θ ₁’相等，該夾角θ ₂與該夾角θ ₂’相等。
6. 如請求項1至4中任一項所述之光導元件，其中，該導向面形成有複數微結構單元；每一微結構單元的幾何結構係獨立選自以下組成的群組中的一者：圓弧體、圓錐體、角錐體、弧形長條體和稜形長條體。
7. 如請求項1至4中任一項所述之光導元件，其中，該第一光學面和該第二光學面中的至少一者形成有複數微結構單元；每一微結構單元的幾何結構係獨立選自以下組成的群組中的一者：圓弧體、圓錐體、角錐體、弧形長條體和稜形長條體。
8. 如請求項1至4中任一項所述之光導元件，其中，該第三光學面和該第四光學面中的至少一者形成有複數微結構單元；每一微結構單元的幾何結構係獨立選自以下組成的群組中的一者：圓弧體、圓錐體、角錐體、弧形長條體和稜形長條體。
9. 如請求項1至4中任一項所述之光導元件，其中，該光導元件的材料包含聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物或聚苯乙烯。
10. 一種反射式顯示裝置，其包括： 一反射式顯示面板；以及 一設置於該反射式顯示面板之上的光導系統； 其中，該光導系統包括一如請求項1至9中任一項所述之光導元件以及一第一發光元件；其中，該光導元件中的該第一前導部之第一入光面用以接收來自該第一發光元件之複數光線。
11. 如請求項10所述之反射式顯示裝置，其中，該光導系統更包括一第二發光元件；其中，該光導元件中的該第二前導部之第二入光面用以接收來自該第二發光元件之複數光線；該第一發光元件和該第二發光元件各自包含多個發光二極體，該第一發光元件和該第二發光元係發光二極體光桿或發光二極體陣列。
12. 如請求項10或11所述之反射式顯示裝置，其中，該反射式顯示面板係液晶顯示面板或電子油墨顯示面板。
13. 一種穿透式顯示裝置，其包括： 一穿透式顯示面板；以及 一設置於該穿透式顯示面板之下的光導系統； 其中，該光導系統包括一如請求項1至9中任一項所述之光導元件以及一第一發光元件；其中，該光導元件中的該第一前導部之第一入光面用以接收來自該第一發光元件之複數光線。
14. 如請求項13所述之穿透式顯示裝置，其中，該光導系統更包括一第二發光元件；其中，該光導元件中的該第二前導部之第二入光面用以接收來自該第二發光元件之複數光線；該第一發光元件和該第二發光元件各自包含多個發光二極體，該第一發光元件和該第二發光元係發光二極體光桿或發光二極體陣列。
15. 如請求項13或14所述之穿透式顯示裝置，其中，該穿透式顯示面板係液晶顯示面板。

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