TWI461766B - 具有包含實質上相同微透鏡之二維圖案之光導板 - Google Patents

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Description

具有包含實質上相同微透鏡之二維圖案之光導板
本發明一般關於光導板，以及更具體地關於具有由實質上相同之微透鏡(micro-lens)所組成的二維微圖案的光導板，以減少因離散光源(discrete light source)造成之非所欲熱點(hot spot)缺陷。
液晶顯示器(LCD)持續在成本和性能改進，成為對於許多電腦、儀表、和娛樂應用而言較佳顯示器類型。一般液晶顯示器手機、筆記型電腦、和螢幕包括接收來自光源之光以及重新分佈光而使光橫跨光導板或多或少均勻的光導板。光源，以往是長且線性的冷陰極螢光燈，其己發展成複數個離散光源，如發光二極體(LED)。在一個給定尺寸的液晶顯示器中，發光二極體的數量已穩步下降以降低成本。結果，發光二極體的間距(pitch)變大，這會導致更明顯的熱點問題(即，在液晶顯示器可視區(viewing area)之最初數毫米處，接近發光二極體較發光二極體間來得亮)。熱點問題之發生起因於來自離散發光二極體的光非均勻地進入光導板，即，較發光二極體之間來說更多光分布在接近發光二極體 處。已經提出了許多光導板(light guide plate；簡稱LGP)以抑制熱點問題。一些光導板接近其邊緣具有連續溝槽，如揭露於美國專利第7,097,341號(Tsai)。一些光導板在其光輸出表面上具有兩套不同間距的直線溝槽。一些光導板具有兩套或更多套不同尺寸之點狀物(dot)。其他光導板可能結合溝槽與不同尺寸之點狀物。
雖然先前技術的光導板是能夠在一定程度上抑制熱點問題，但由於那些光導板之大量生產的複雜度，它們仍然不能令人滿意。因此，仍然需要可容易製造及能夠抑制熱點問題的光導板。
本發明提供了一種光導板，包括：用於接收來自複數個離散光源之光之輸入表面、用於發射光之輸出表面、以及相對於輸出表面之底部表面，其中，輸出表面及底部表面之至少一者具有微圖案(micro-pattern)，該微圖案由複數個實質上相同之微透鏡所組成，每一個微透鏡具有寬度、長度和取向角(orientation angle)；且其中，微透鏡之面積密度D(x，y)係在平行於長度方向之第一方向y軸與在平行於寬度方向之第二方向x軸對起始線y0及終止線間之y變化，該面積密度D(x，y=y0)在起始線y0處係於極小值Dmin至極大值Dmax間變化而使得Dmin1%及100Dmax/Dmin2，並且其中，面積密度D(x，y)在x軸以間距P重複而使得D(x，y)=D(x+P，y)。
本發明進一步提供一種背光單元，包括複數個LED以及光導板，其中，光導板包括：用於接收來自複數個離散光源之光的輸入表面、用於發射光的輸出表面、以及相對於該輸出表 面的底部表面，其中，輸出表面及底部表面之至少一者具有微圖案，該微圖案由複數個實質上相同之微透鏡所組成，每一個微透鏡具有寬度、長度和取向角；以及，其中，微透鏡之面積密度D(x，)係在平行於長度方向之第一方向y軸與在平行於寬度方向之第二方向x軸對起始線y0及終止線間之y變化，該面積密度D(x，y=y0)在起始線y0處係於一極小值Dmin至極大值Dmax間變化而使得Dmin1%及100Dmax/Dmin2，並且其中，面積密度D(x，y)在x軸以間距P重複而使得D(x，y)=D(x+P，y)。
10、10a‧‧‧光導板
12、12a至12c‧‧‧光源
14‧‧‧終端表面
15a、15b‧‧‧側表面
16‧‧‧輸出表面
17‧‧‧底部表面
18‧‧‧輸入表面
20、20a‧‧‧棱鏡膜
22‧‧‧底部反射膜
24、24a‧‧‧擴散膜
25‧‧‧LCD面板
26‧‧‧頂部反射膜
26a‧‧‧內表面
26b‧‧‧外表面
28‧‧‧背光單元
30‧‧‧LCD顯示器裝置
31‧‧‧起始線
32‧‧‧終止線
35‧‧‧區域
50‧‧‧微圖案
60‧‧‧單位面積
100、100a至100i‧‧‧微透鏡
101a至101f‧‧‧微透鏡
D1(y)‧‧‧對y變化之一維面積密度
D(x，y)‧‧‧對x及y變化的二維面積密度
Dmax‧‧‧面積密度最大值
Dmin‧‧‧面積密度最小值
L2D 、△L 0 ‧‧‧長度
△W 0 ‧‧‧寬度
第1圖顯示一包含包括本發明之光導板的複數個光學元件之一般液晶顯示器(LCD)的側視圖；第2A圖顯示數個微透鏡，其中一些微透鏡是實質上相同且有用於本發明；第2B圖顯示數個微透鏡，係說明面積密度；第3圖示意地顯示根據本發明之光導板的上視圖；以及第4圖示意地顯示根據比較範例之光導板的上視圖。
第1圖示意地顯示包括LCD面板25和背光單元28之LCD顯示器裝置30的側視圖。背光單元28包括複數個光學元件，其包含一個或兩個棱鏡膜(prismatic film)20、20a、一個或兩個擴散膜24、24a、底部反射膜22、頂部反射膜26、和光導板(LGP)10。光導板10與其他光學元件之不同處在於其透過光導板之輸入表面18接收由一個或多個光源12發射的光，將光透過光導板之底 部表面17、終端表面14、輸出表面16、側表面15a、15b(未顯示)和底部反射膜22重定向(redirect)，以及最終提供較其他光學元件相對均勻的光。藉由控制在底部表面17及/或輸出表面16上之微透鏡100(有時被稱為離散元件，或光提取器)的密度、尺寸、及/或取向來實現目標的亮度均勻性。頂部反射膜26通常覆蓋光導板10大約2至5毫米以允許增進之光混合。頂部反射膜26具有高度反射之內表面26a。頂部反射膜26有時可能具有黑色的外表面26b，並因此稱為黑膠帶(black tape)。通常情況下，熱點由點A評估，點A係位於頂部反射膜26的末端。由A點向右係可視區。
根據本發明之光導板10具有二維的微圖案，該微圖案係由複數個實質上相同的微透鏡所組成，且微透鏡之密度在二個維度中變化。在下文中，係描述“實質上相同的微透鏡”和微透鏡之密度。
雖然沒有兩個微透鏡是完全相同的，然而如果它們具有相同的形狀和相同的取向，微透鏡被視為“實質上相同”。更具體地，其長度、寬度和深度的變化係較佳在+/- 3微米(μm)內(或對56微米尺寸的微透鏡為5.4%)，及更佳在+/- 1微米內(或對56微米尺寸的微透鏡為1.8%)；以及微透鏡之取向角的變化是較佳在+/-5度內，並且更佳在+/-2度內。
現在參照第2A圖，微透鏡100a、100b、100c、100d被認為是實質上相同的，因為它們都具有相同的形狀和相同的取向角。它們具有相同的形狀係因為它們具有相同的寬度w 、長度l 、和深度(未顯示)。微透鏡100e、100f、100g相對於微透鏡100a並非實質上相同的，因為它們對微透鏡100a具有不同的取向角， 儘管它們與微透鏡100a具有相同的形狀。微透鏡100h相對於微透鏡100a並非實質上相同的，因為微透鏡100a是橢圓形而微透鏡100h的形狀是圓形。微透鏡100i相對於微透鏡100a並非實質上相同的，因為微透鏡100i實質上是大於微透鏡100a，儘管他們都是橢圓形。
“實質上相同的”的微透鏡係藉由實質上相同的工具而由相同的製程所製造。如果工具是藉由具有相同目標的相同製程所製造，或它們差異僅為可接受的正常磨損，該工具被認為是實質上相同的。
使用實質上相同的微透鏡之優點是它們是容易製造，因為僅需要一個工具或多個相同的工具。作為比較，當兩組或更多組具有不同尺寸的微透鏡為目標時，需要兩組或更多組工具，或需要不同的製程。
數量密度ND被定義為每單位面積中微透鏡的數量，而面積密度D被定義為每單位面積中微透鏡的總面積，此處單位面積在實際使用係通常選擇為0.5至1.5平方毫米的等級(order)。如第2B圖所示，單位面積60藉由寬度△W 0 和長度△L 0 定義，於該單位面積60中包含6個微透鏡101a至101f，每一個微透鏡具有寬度w 0 和長度l 0 。數量密度ND=6/△W 0 △L 0 )，而面積密度D=6(W 0 L 0 )/(△W 0 △L 0 )。當一個或更多透鏡橫跨所選單位面積的邊界時，數量密度可能為分數。在下文中，二維或一維的密度指的是微透鏡的面積密度。
第3圖示意地顯示根據本發明之光導板10，以及具有間距P之複數個離散光源12a、12b、12c的上視圖。實際上， 離散光源的數量可以是40個或更多。間距P可能由4毫米變化至10毫米。具有寬度為WLGP 和長度為LLGP 之光導板10係具有微圖案50於其底部表面17及輸出表面16之一者或兩者上。在一個範例中，微圖案50係於底部表面17上，包括具有二維密度D(x，y)的微透鏡及具有一維密度D1(y)的微透鏡，其中x軸平行於寬度方向且y軸平行於長度方向。
二維密度D(x，y)在x軸和y軸都有變化，而一維密度D1(y)僅在y軸變化。二維密度D(x，y)於位在y=y0之起始線31與位在y=y0+L2D 之終止線32間延伸，其中長度L2D 表示在y軸之二維密度D(x，y)的長度。於y=y0之起始線31，密度D(x，y0)在最小值Dmin和最大值Dmax之間變化，此處Dmin發生在對應於光源(例如光源12a)之中心位置的X1處，而Dmax發生在對應於距光源中心一半P之X2或X3處。對於一般的起始線，y0從0到約2.5毫米(mm)間變化。當y0=0時，二維密度D(x，y)在光導板10的開端(beginning)開始，對準輸入表面18。
根據本發明之二維密度D(x，y)的一個獨特特徵係Dmin1%及定義為Dmax/Dmin比率(ratio)之密度對比係介於2和100之間，即100Dmax/Dmin2。
根據本發明之二維密度D(x，y)的另一個獨特特徵係L2D /P之比率較佳為小於1，並且更佳為小於或等於0.75。這兩個獨特特徵使實質上相同的微透鏡之使用可以有效地抑制熱點問題而不引起其他不利影響。
根據一個實施例，二維密度D(x，y)在x軸自行重覆，亦即對介於y0和y0+L2D 間的y而言，D(x，y)=D(x+P，y)。 第4圖示意地顯示根據比較範例之光導板10a的上視圖，相較於根據本發明之光導板10上之Dmin1%，比較範例之Dmin=0%。在這個範例中，發光二極體的前面有大的空置空間(empty space)，而外觀缺陷係於區域35附近(靠近頂部反射膜26之末端)被發現。咸信，此外觀缺陷係由0%區域週圍之密度突然改變所引起。
範例
在下面表1總結範例，各種的LGP由聚碳酸酯所製造，每個LGP具有實質上相同之微透鏡，各微透鏡之尺寸為約78μ m×78μ m。面積密度D(x，y)在x軸以間距P重複，即D(x，y)=D(x+P，y)，其中P為密度圖案的間距，並且亦為背光單元中發光二極體的間距。具體地，間距P=6.3毫米。光導板的厚度為約600μ m。起始線y0距光導板之開端約1.2毫米。
發明範例1和發明範例2皆可以顯著減少熱點問題而不具有其他不利影響。在這兩個範例中，Dmin1%，100Dmax/Dmin3，和L2D /P0.75。
在比較範例1中，密度對比比率Dmax/Dmin=1.8，係不夠高而無法抑制熱點問題。在比較範例2中，該比率L2D /P大 於所需，係表明二維密度D(x，y)不應延伸進入該光導板太遠處(該處熱點問題並不存在或已藉由高對比密度抑制)。
在比較範例3中，Dmin係故意地實作在0%，即，在發光二極體前面沒有微透鏡。在這個範例中，密度對比Dmax/Dmin係無限大且大於100。據信這種密度可能具有減少熱點之最大的潛力。然而熱點問題仍然非常明顯，主要因為密度對比過大。結果，於0%和有限之相鄰密度區域間的邊界係通過光傳播而被投射入頂部反射膜26後之可視區，從而導致不期望的視覺缺陷。
可以選擇許多種聚合物材料以實施本發明。選定之材料必須有足夠的剛性和堅韌度，以將實際使用過程中的斷裂和變形最小化。但是，最重要的是，所選擇的材料必須在整個可視範圍光譜區具有高程度之透射率及低度色彩。在本發明中有用的材料係包括但不限於：聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、衝擊改質之PMMA(impact modified PMMA)及其他丙烯酸系聚合物(acrylic polymer)、聚碳酸脂、聚環烯烴、環狀嵌段共聚物、聚醯胺、苯乙烯、聚碸、聚酯、聚酯-碳酸酯、及其各種混溶物。
10‧‧‧光導板
12‧‧‧光源
14‧‧‧終端表面
16‧‧‧輸出表面
17‧‧‧底部表面
18‧‧‧輸入表面
20、20a‧‧‧棱鏡膜
22‧‧‧底部反射膜
24、24a‧‧‧擴散膜
25‧‧‧LCD面板
26‧‧‧頂部反射膜
26a‧‧‧內表面
26b‧‧‧外表面
28‧‧‧背光單元
30‧‧‧LCD顯示器裝置
100‧‧‧微透鏡

Claims (7)

  1. 一種光導板，係包括：輸入表面，係用於接收來自複數個離散光源之光；輸出表面，係用於發射光；以及底部表面，係相對於該輸出表面，其中，該輸出表面及該底部表面之至少一者具有微圖案，該微圖案係由複數個實質上相同之微透鏡所組成，每一個該微透鏡具有寬度、長度和取向角；以及其中，該微透鏡之面積密度D(x，y)在平行於長度方向之第一方向y軸與在平行於寬度方向之第二方向x軸對起始線y0及終止線間之y變化，該面積密度D(x，y=y0)在該起始線y0處係於極小值Dmin至極大值Dmax間變化而使得Dmin1%及100Dmax/Dmin2，並且其中，該面積密度D(x，y)在x軸以間距P重複而使得D(x，y)=D(x+P，y)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光導板，其中，該複數個微透鏡之該寬度、該長度和該深度的變化係在1.8%內。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光導板，其中，該複數個微透鏡之該取向角的變化係在2度內。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光導板，其中，在該終止線處該面積密度D(x，y)收斂為僅在y軸變化之密度函數。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光導板，其中，在該終止線及該起始線間之長度係L2D ，以及比率L2D /P係小於等於0.75。
  6. 一種背光單元，係包括複數個發光二極體及光導板，其中，該光導板係包括： 輸入表面，係用於接收來自複數個離散光源之光；輸出表面，係用於發射光；以及底部表面，係相對於該輸出表面，其中，該輸出表面及該底部表面之至少一者具有微圖案，該微圖案係由複數個實質上相同之微透鏡所組成，每個該微透鏡具有寬度、長度和取向角；以及其中，該微透鏡之面積密度D(x，y)在平行於長度方向之第一方向y軸與在平行於寬度方向之第二方向x軸對起始線y0及終止線間之y變化，該面積密度D(x，y=y0)在該起始線y0處係於極小值Dmin至極大值Dmax間變化而使得Dmin1%及100Dmax/Dmin2，並且其中，該面積密度D(x，y)在x軸以間距P重複而使得D(x，y)=D(x+P，y)。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之背光單元，復包括：頂部反射膜，其覆蓋該面積密度D(x，y)之開端線。
TW101146328A 2011-12-09 2012-12-10 具有包含實質上相同微透鏡之二維圖案之光導板 TWI461766B (zh)

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