TWI408428B

TWI408428B - 導光裝置與背光模組

Info

Publication number: TWI408428B
Application number: TW099130752A
Authority: TW
Inventors: Chung Hung Chien; Wen Feng Cheng
Original assignee: Entire Technology Co Ltd
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2013-09-11
Also published as: JP2012059688A; US20120063165A1; KR101196457B1; JP5157022B2; KR20120026953A; TW201211600A

Description

導光裝置與背光模組

本發明是關於一種導光裝置及使用該導光裝置的背光模組，特別是關於一種同時具有導光與光擴散效果的導光裝置及其使用的背光模組。

近年來，傳統的陰極射線管顯示器(即俗稱的CRT顯示器)已漸漸地被液晶顯示器所取代，主要原因在於液晶顯示器所釋放出的輻射量遠遠小於CRT顯示器，另外，液晶顯示器在這幾年的製造成本已有顯著地降低，這也是液晶顯示器逐漸成為電視或電腦螢幕市場之主流的原因。

一般而言，液晶顯示器均包括有一液晶面板及一背光模組；在小尺寸的液晶顯示器中，為了避免液晶顯示器的厚度過大或者成本過高，通常會使用側邊式的背光模組。通常，側邊式背光模組會包括有一導光裝置及至少一光源，該光源係設置於該導光裝置的側邊，使該光源所射出的光線，其光學路徑係由導光裝置的側邊進入後，光線在導光裝置內部傳遞，再從導光裝置的其中一面射出。其中，導光裝置最重要的作用，即是藉由微結構的設置或反射網點的局部反射而導引光線，使光線均勻地自該導光裝置的表面射出。

然而，因為結構上的限制，該導光裝置所射出的光線通常會呈明暗相間的「暗帶現象」，使得整個背光模組的均勻度不佳，影響使用者的視覺觀感。因此，如何使導光裝置射出的光線具有較佳的均勻度，這是本領域具有通常知識者努力的目標。

本發明主要目的在於使導光裝置射出的光線具有較佳的均勻度，消除背光模組的「暗帶現象」，進而提昇液晶顯示器的光學效果。

為達上述目的，本發明提供一種導光裝置，其包括有一本體及複數個微結構部，該本體具有折射率(n)，且包括有一出光面、一基礎面及至少一入光面，該入光面位於該出光面之一側，該基礎面與該出光面相對應，且該基礎面與該出光面相距有一厚度(T)；該些微結構部位於該基礎面上，每一微結構部更包括有相距一寬度(P)之一第一基部與一第二基部、一頂點部、一第一反射面、一第二反射面及一平坦單元；其中，該第一反射面連接該第一基部與該頂點部，且該第一基部與該頂點部相距有一第一距離(L₁ )，該第二反射面連接該第二基部與該頂點部，且該第二基部與該頂點部相距有一第二距離(L₂ )，該平坦單元位於該第二基部與另一第一基部之間，該第二基部與另一第一基部相距一間距(S)，且滿足關係式如下：

為達上述目的，本發明提供一種背光模組，其包括至少一光源及一導光裝置，該光源用以投射一第一光學路徑以及一第二光學路徑，該導光裝置用以接收該第一光學路徑與該第二光學路徑；其中，該導光裝置包括有一本體及複數個微結構部，該本體具有折射率(n)，且包括有一出光面、一基礎面及至少一入光面，該入光面位於該出光面之一側，該基礎面與該出光面相對應，且該基礎面與該出光面相距有一厚度(T)；該些微結構部位於該基礎面上，每一微結構部更包括有相距一寬度(P)之一第一基部與一第二基部、一頂點部、一第一反射面、一第二反射面及一平坦單元；其中，該第一反射面連接該第一基部與該頂點部，且該第一基部與該頂點部相距有一第一距離(L₁ )，該第二反射面連接該第二基部與該頂點部，且該第二基部與該頂點部相距有一第二距離(L₂ )，該平坦單元位於該第二基部與另一第一基部之間，該第二基部與另一第一基部相距一間距(S)，並且滿足下列公式：

藉此，該第一光學路徑行進至該平坦單元而以全反射於該本體中，該第二光學路徑經過該複數個微結構部而反射至該出光面。

如上所述的導光裝置，其中，該複數個微結構部係位於該基礎面上的凸狀結構或凹狀結構。

如上所述的導光裝置，其中，該導光裝置之關係式更包含：4.5<n*T/S<46。

如上所述的導光裝置，其中，該微結構部的第一距離(L₁ )與第二距離(L₂ )之長度不相等。

如上所述的導光裝置，其中，該第一反射面或該第二反射面的截面呈一直線、一雙曲線、一橢圓曲線或者一拋物線。

藉此，本發明所述的導光裝置及其使用的背光模組會具有最佳的光學均勻度，其光線的均勻化效果較佳，不會產生明暗相間的「暗帶現象」

為使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體實施例，並配合所附之圖式，對本發明詳加說明如後。

請參閱圖1A，所繪示為本發明第一實施例的背光模組與其光學路徑示意圖。如圖1A所示，一背光模組1包括有一光源12、一燈罩11及一導光裝置13。該光源12與該燈罩11均設置於該導光裝置13的左邊外側之處，該光源12用以發射出光線，該燈罩11與該光源12相鄰，用以反射該光源12所射出的光線，使光線由該導光裝置13的左側邊進入該導光裝置13的內部。該導光裝置13包括有一本體131、多個平坦單元133及多個微結構部132；該本體131具有折射率(n)，且包括有一出光面13A、一基礎面13C及一入光面13B；該些微結構部132係位於該基礎面13C上的凸狀結構，如圖1A的放大圖所示，每一微結構部132包括有一第一基部1321、一第二基部1322、一頂點部1323、一第一反射面1324及一第二反射面1325。其中，該導光裝置13的材質可為聚乙烯對苯二甲酸酯(Polyethylene Terephthalate，PET)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、三醋酸纖維素(Tri-acetyl Cellulose，TAC)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物(Methylmethacrylate styrene)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、環烯共聚物(Cyclic Olefin Copolymer，COC)，或者至少兩種以上前述材質所組成。該出光面13A位於該導光裝置13的上面，該入光面13B位於導光裝置13的左邊，該基礎面13C位於該導光裝置13的下面，因此該入光面13B在該出光面13A之左側，該基礎面13C與該出光面13A相對應。該基礎面13C與該出光面13A相距有一厚度(T)。該些微結構部132位於該基礎面13C上，該第一基部1321與該第二基部1322的距離為寬度(P)。該第一反射面1324係連接該第一基部1321與該頂點部1323，且該第一基部1321與該頂點部1323相距有一第一距離(L₁ )；該第二反射面1325係連接該第二基部1322與該頂點部1323，且該第二基部1322與該頂點部1323相距有一第二距離(L₂ )。該平坦單元133係位於該第二基部1322與另一第一基部1321之間，其截面的距離為間距(S)，也就是說，該平坦單元133為兩相鄰微結構部132之間的水平區域。在本實施例中，每一微結構部132的大小、形狀均相同，每一平坦單元133的間距(S)亦相等。

如圖1A所示，該光源12所射出的光線，其行徑包括有第一光學路徑I₁ 及第二光學路徑I₂ ，該導光裝置13接收光線的第一光學路徑I₁ 與該第二光學路徑I₂ 後，該第一光學路徑I₁ 會行進至多個平坦單元133而被全反射至該本體131中，該第二光學路徑I₂ 會行進至多個微結構部132而被反射至該出光面13A。

在較佳實施例中，該光源12可為冷陰極螢光燈管(Cold cathode fluorescent lamp，CCFL)或發光二極體燈管(Light emitting diode，LED)。在其他實施例中，該光源12及該燈罩11還可視需求而分別在該導光裝置13的左右兩外側邊各設置一個。如此，該導光裝置的左右兩側邊均為入光面，且兩光源所射出的光線即可分別自該導光裝置的左右兩側邊進入該導光裝置的內部。

針對此一結構，本案發明人針對該導光裝置13的結構實施了光學效益的實驗。請參閱圖1B，圖1B所繪示為圖1A的導光裝置的光學效益圖。其中，橫軸係相對於該導光裝置13的不同水平位置，縱軸則為該些不同位置的相對亮度，且，該相對亮度=平均亮度/最大亮度。如圖1B所示，該導光裝置13的相對亮度與該微結構部132的設置有關，在該微結構部132之處，該相對亮度值呈現出峰值(peak)。若該峰值與平均值差異過大，便會造成「暗帶現象」。

為了改善傳統液晶顯示器的「暗帶現象」，提昇其顯示影像的品質，本案發明人針對該導光裝置13在不同厚度(T)、不同折射率(n)、不同間距(S)的前提下，作了相對亮度的實驗。請參閱圖1C，圖1C所繪示為不同結構尺寸的導光裝置的光學效益圖。如圖1C所示，不論厚度(T)、折射率(n)的大小為何，隨著該微結構部132的間距(s)逐漸減小，其相對亮度也逐漸提高。也就是說，當前述微結構部132的間距(S)越小，代表該導光裝置13可設置越多的微結構部132，亦即該微結構部132的密度越高，則其液晶顯示器的「暗帶現象」也越不明顯。依據經驗法則，當該相對亮度達到0.4以上，人們即無法由肉眼分辨出明暗相間的條紋，也就不再出現「暗帶現象」。

因此，為了求得相對亮度與厚度(T)、間距(S)、折射率(n)的數學關係，本案發明人經過多次的實驗，發現厚度(T)、間距(S)、折射率(n)可以組合而成一無因次參數U，用以作為該導光裝置的特徵尺寸；其中：

U=n*T/S；

在此，該參數U的單位為無因次。因為參數U為厚度(T)、間距(S)與折射率(n)的函數，所以藉由不同大小的厚度(T)、間距(S)，即可測得不同材質的參數U的數值。再來，經過實驗，發現該無因次參數U的範圍介於4.5~46時，該導光裝置13會具有較佳的均勻化效果。亦即：

4.5<n*T/S<46　(1)

此外，除了該導光裝置13的結構之外，該微結構部132的外觀、輪廓亦是影響出光效果的重要因素。故，除了該無因次參數U之外，該微結構部132的深寬比的範圍也會影響出光效果；如圖1A的放大圖所示，該深寬比係為H/P，該深度(H)為該微結構部132在垂直方向上的距離。依據經驗法則，該微結構部132的深寬比應介於0.05~0.5之間。亦即：

0.05<H/P<0.5　(2)

再來，為了將該微結構部132的尺寸效應與間距(S)的效應結合，在此特將上述的公式(1)與公式(2)結合，其推導如下：

公式(1)*公式(2)；

→4.5*0.05<(n*T/S)*(H/P)<46*0.5；

其中，θ為該第一反射面1324與該基礎面13C的夾角。另外，因為P、L₁ 、L₂ 合圍成三角形，所以=+P² -2PL ₁ cosθ；故

將公式(4)代入公式(3)：

將公式(5)開根號：

其中，該微結構部132的第一距離(L₁ )與第二距離(L₂ )之長度可為不相等。

由上述推導可知，若滿足上述公式(6)的關係式，即可使該背光模組1的出光效果較為均勻，該導光裝置13的「暗帶現象」便不復存在。藉此，透過公式(6)的定義，即可求得該導光裝置13及其使用的背光模組1的均勻化範圍，從而使生產製造的廠商設計出最佳化的導光裝置13及背光模組1，而無需擔心明暗相間的「暗帶現象」。

上述公式(6)的折射率(n)、厚度(T)、間距(S)、寬度(P)、第一距離(L₁ )、第二距離(L₂ )，可接著定義一均勻化指標G：

因此，當均勻化指標G的範圍位於0.47~4.8時，該導光裝置13便不會產生「暗帶現象」。

再來，為了方便本領域具有通常知識者明確地知道G的各種參數之組合，在此更進一步以圖表方式列出該均勻化指標G的範圍位於0.47~4.8時，其G值與間距(S)的關係。請參閱圖1D，圖1D所繪示為G的範圍位於0.47~4.8時，針對n=1.53，H/P=0.5的參數組合示意圖。如圖1D所示，當該導光裝置13的厚度(T)越大，其均勻化指標G也越高。此外，在同一厚度(T)的狀況下，當該間距(S)越小，其均勻化指標G也會越高。均勻化指標G越高即代表該導光裝置13的均勻化的效果越好，越不會產生「暗帶現象」。由本圖可得知，當該導光裝置13的厚度(T)為1mm時，G值大約為1.1~2.9；該厚度(T)為2mm時，G值大約為1.5~3.9；該厚度(T)為3mm時，G值大約為2~4.8。

請參閱圖1E，圖1E所繪示為G的範圍位於0.47~4.8時，針對T=2mm，H/P=0.5的參數組合示意圖。如圖1E所示，當該導光裝置13使用不同的材質時，其不同的折射率(n)所造成的均勻化指標G差異並不大。再來，與圖1D的趨勢相同，當該間距(S)越小，其均勻化指標G也會越高。由本圖可得知，無論哪一種材質的導光裝置13，其G值大約為1.5~3.9。

請參閱圖1F，圖1F所繪示為G的範圍位於0.47~4.8時，針對T=2mm，n=1.53的參數組合示意圖。如圖1F所示，當該導光裝置13的深寬比越大，H/P的值就越大，其均勻化指標G也越高。還有，當該間距(S)越小，其均勻化指標G也會越高。當該導光裝置13的深寬比H/P為0.05時，其G值大約為0.5~1.2；當該導光裝置13的深寬比H/P為0.25時，其G值大約為1.1~2.8；當該導光裝置13的深寬比H/P為0.50時，其G值大約為1.6~4；當該導光裝置13的深寬比H/P為0.75時，其G值大約為2~4.8。

當然，本發明還有其他實施例。請參閱圖2，圖2所繪示為本發明第二實施例的背光模組示意圖。如圖2所示，該背光模組2包括有一光源22、一燈罩21及一導光裝置23。其中，相似的結構不再贅述。該背光模組2的多個微結構部232，其截面為相同形狀、相同尺寸的等腰鈍角三角形。兩相鄰微結構部232之間的平坦單元233，其截面的間距(S)並不相等；如圖2所示，多個平坦單元233的間距(S)越往右邊其值越小。因為，在靠近該光源22之處，該光線(未繪示)的密度較高，需要藉由較大面積的平坦單元233來反射光線，使光線能夠傳遞至該導光裝置23的右邊；如此，射出該導光裝置23的光線能量才會均勻。

請參閱圖3，圖3所繪示為本發明第三實施例的背光模組示意圖。如圖3所示，該背光模組3包括有一光源32、一燈罩31及一導光裝置33。其中，該背光模組3的多個微結構部332係位於該基礎面33C上的凹狀結構，該些微結構部332亦可用以反射光線，使該導光裝置33內部的光線(本圖未繪示)均勻地傳遞至右方。

請參閱圖4，圖4所繪示為本發明第四實施例的微結構部示意圖。如圖4所示，該導光裝置43的第一反射面4324為一平面，因此該第一反射面4324的截面呈一直線。該導光裝置43的第二反射面4325為一略向下凸出的曲面，因此該第二反射面4325的截面可呈現為雙曲線、橢圓曲線或者拋物線。藉此，該導光裝置43即可藉由該微結構部432不同輪廓的第一反射面4324與第二反射面4325，而使反射的光線達到更好的導光效果。

請參閱圖5，圖5所繪示為本發明第五實施例的微結構部示意圖。如圖5所示，該導光裝置53的第一反射面5324為一略向上凹入的曲面，第二反射面5325為一略向下凸出的曲面。藉此，本實施例亦可達到前述功效。

請參閱圖6，圖6所繪示為本發明第六實施例的導光裝置示意圖。如圖6所示，該導光裝置63上包括有多個微結構部632，該些微結構部632係呈三角菱鏡柱狀，且分別分佈於該本體631的不同高度上。在較佳實施例中，該些微結構部632係以週期高低起伏的方式而分佈設置。

請參閱圖7，圖7所繪示為本發明第七實施例的導光裝置示意圖。如圖7所示，該導光裝置73上包括有多個微結構部732，該些微結構部732係水平地分佈於該本體731的同一高度上，且每一微結構部732均呈反覆彎延的弧狀。

綜上所述，本發明所述的導光裝置及其使用的背光模組，可藉由將該導光裝置與該微結構部的尺寸特徵無因次化，而求得不同尺寸結構的光學功效。如前所述，不論是哪一種實施例，當該導光裝置與該微結構部的尺寸特徵符合公式(6)的範圍時，該導光裝置便具有最佳的光學均勻度，其光線的均勻化效果較佳，不會產生明暗相間的「暗帶現象」。

本發明以實施例說明如上，然其並非用以限定本發明所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡本領域具有通常知識者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。

1、2、3．．．背光模組

11、21、31．．．燈罩

12、22、32．．．光源

13、23、33、43、53、63、73．．．導光裝置

13A．．．出光面

13B．．．入光面

13C、33C．．．基礎面

131、631、731．．．本體

132、232、332、432、632、732．．．微結構部

1321．．．第一基部

1322．．．第二基部

1323．．．頂點部

1324、4324、5324．．．第一反射面

1325、4325、5325．．．第二反射面

133、233．．．平坦單元

θ．．．夾角

T．．．厚度

P．．．寬度

H．．．深度

S．．．間距

L₁ ．．．第一距離

L₂ ．．．第二距離

I₁ ．．．第一光學路徑

I₂ ．．．第二光學路徑

圖1A所繪示為本發明第一實施例的背光模組與其光學路徑示意圖。

圖1B所繪示為圖1A的導光裝置的光學效益圖。

圖1C所繪示為不同結構尺寸的導光裝置的光學效益圖。

圖1D所繪示為G的範圍位於0.47~4.8時，針對n=1.53，H/P=0.5的參數組合示意圖。

圖1E所繪示為G的範圍位於0.47~4.8時，針對T=2mm，H/P=0.5的參數組合示意圖。

圖1F所繪示為G的範圍位於0.47~4.8時，針對T=2mm，n=1.53的參數組合示意圖。

圖2所繪示為本發明第二實施例的背光模組示意圖。

圖3所繪示為本發明第三實施例的背光模組示意圖。

圖4所繪示為本發明第四實施例的微結構部示意圖。

圖5所繪示為本發明第五實施例的微結構部示意圖。

圖6所繪示為本發明第六實施例的導光裝置示意圖。

圖7所繪示為本發明第七實施例的導光裝置示意圖。

1．．．背光模組

11．．．燈罩

12．．．光源

13．．．導光裝置

13A．．．出光面

13B．．．入光面

13C．．．基礎面

131．．．本體

132．．．微結構部