TWI468799B - 具有凹陷控制圖案的導光板及使用其之背光單元 - Google Patents

Description

具有凹陷控制圖案的導光板及使用其之背光單元

本發明主張於2010年09月09日所申請之韓國專利申請案號10-2010-0088305的優先權，此全文將併入本案以作為參考。

本發明係關於一種導光板及一種背光單元。特別是，本發明是一種具有凹陷控制圖案(Sag control patterns)的導光板，其能藉由控制形成在導光板上的光學圖案的凹陷來改善效率及維持從背光單元射出的光的均勻性。

背光源是一種安裝在LCD背後的發光元件。背光源通常用於提高小型顯示器的易讀性。它也同時被使用於從電腦螢幕顯示器或LCD電視如同CRT的發光源。

背光源一直以來都被視為是低技術性的元件，因為製造背光元件與用於筆記型電腦或監視器的其他LCD元件比較起來是相對容易地。背光源的重要性逐漸的增加；然而，當今其被認為是影響LCD市場成長的一關鍵元件。一個好品質的背光源可以大大改善影像品質及顏色的再現性。所以說，背光源的技術是LCD電視的成長前進一大關鍵。背光源的類型包括了冷陰極螢光管(cold cathode fluorescent lamp)、外部電極螢光燈管(external electrode fluorescent lamp)、發光二極體(light emitting diode)和平面燈管(flat fluorescent lamp)。

圖1為根據習知技術的一側光式(edge-type)背光單元的剖視圖。在習知的側光式(edge-type)背光單元裡，光線從一光源110射出，經由導光板140傳送(propagate)產生全反射。全反射的臨界角依據傳送介質(propagation medium)與空氣層之折射率(refractive index)的比率(ratio)，由Snell’s定律計算得到。光線以一小於臨界角的角度照射在一介質界限(medium boundary)可以最小的能量損失來傳送，除非光照射到比臨界角使光產生更多反射的結構。以一印刷導光板為例，光線透過白點圖案(white dot pattern)130的產生擴散和傳送。

上述的白點圖案130可透過射出成形(injection molding)、印刷、雷射光處理、以及沖壓成形(stamping)等方式製作。射出成形的製造過程與印刷法相比是為較簡單的，但不適於量產、彎曲部份的脆弱性、以及難以達到高良率。藉由印刷法可減少開發前置準備時間和生產週期，其同時也提供良好的再現性；然而，這類的製造過程是複雜的且需要許多額外好的製造設備，仍可能面臨大量的瑕疵不良品的狀況。對開發前置時間和生產週期而言，雷射處理也是不錯的方式，但是同時，會形成銲疤(craters)進而降低發光效率(將降低至等同於印刷方式的效率)。沖壓成形法提供優良的再現性且簡化了相關製造程序而適合量產；然而，當生產模式(production model)改變時，整個開發所需週期將會更長。

特别是，白點圖案會導致光損，且由於填充因子(fill factor)的限制而無法使光線有較佳的使用。填充因子表示白點圖案安排的空間密度。上述的白點圖案彼此間維持一適當的距離，因此不能任意地增加白點圖案的數量。換句話說，白點圖案需維持在一充足的數量以控制光線射出至外部的角度和控制光線射出的區域。然而，由於填充因子的限制，光射出的角度和區域並不能以一理想的方式來控制。

本發明提供一種具有凹陷控制圖案(sag control patterns)的背光單元，其藉由移除白點圖案製作時的缺點和克服填充因子的限制而可以簡易地控制發光效率並使光線均勻發射。

為了解決本發明的技術問题，本發明提供一種具有凹陷控制圖案之背光單元的結構，包括：一光源形成在一導光板的一側表面；以及複數個光學圖案形成在該導光板的一下表面，當該些光學圖案與該光源的距離增加時，該些光學圖案的凹陷(sag)隨之而增加。

此時，該光學圖案最好依發光的效率與均勻性而為一凹面圖案(concave pattern)；在這種情況下，每一光學圖案具有相同的直徑(diameter)。

同時，該些光學圖案可均勻地排列，藉此增加填充因子(fill factor)。

另外，該光學圖案的凹陷可介於0.01到0.3之間的範圍。特别是，該光學圖案的直徑可介於1μm到500μm之間的範圍。

更明確地說，背光單元包括；一導光板用於接收從一光源來的光線並引導該光線至導光板的前方(front)，該導光板包括一表面以發射光與相對於該表面的另一表面，其中該另一表面設有一或多個光學圖案，當該些光學圖案與一光源的距離增加時，凹陷隨之增加。。

此外，複數個光源構成該光源且可形成在該導光板的兩側表面或更多側表面上。

光學圖案的形狀係透過使用從一微透鏡(micro lens)、一稜鏡(prism)、一錐體(pyramid)、以及一雙凸透鏡(lenticular lens)中的一或多個所形成；且同時可以未經修正(modification)的導光板的結構。

同時，包括具有凹陷控制圖案的一背光單元可更包括一擴散層和一反射層，其分別設於該導光板的上表面和下表面。

藉由控制形成在導光板上控制圖案的凹陷，可改進從背光單元射出的光之效率，並維持光線的均勻性。並且，因為光學圖樣的凹陷是可以控制的，藉由增加光學圖案的數量(提高填充因子)，可容易地控制發光效率及均勻性。

本發明改善發光效率、容易控制光的均勻性、以及減少製造時間和成本，其乃藉由實現具有一導光板的一背光單元其具有多個圖案設置的一結構，以這樣的一種方式光學圖案的凹陷係從入射光面逐漸地增加。

以下，將根據本發明具有凹陷控制圖案的背光單元之實施例配合附圖進行詳細說明。同時，對於公眾已知的相關功能或結構的描述可能會造成對本發明誤解的部份，則對應之說明將予以省略。並且，圖中每一元件尺寸可能為了方便描述起見而被誇大，仍不影響對應元件的實際尺寸。

本發明將伴隨圖示進行說明，其中相同的符號代表相同的元件。

圖2繪示形成在具有凹陷控制圖案的一導光板中或包含一導光板的一背光單元中之光學圖案形狀的剖視圖。

請參考圖2，在本發明中，透過利用一光學圖案(如：一微透鏡(micro lens)、一稜鏡(prism)、一錐體(pyramid)、以及一雙凸透鏡(lenticular lens)其形成在一導光板或包括一導光板的一背光單元，控制傳送至導光板的光之反射角或反射範圍。這時，該光學圖案可根據導光板的設計原則使用單一圖案或圖案組合。在本文中，光學圖案採用一種微透鏡(micro lens)。

微透鏡片(micro lens sheet)是一種薄片(薄板)，其中在微透鏡片裡，非常小的微米尺寸(micrometer scale)鏡片排列成一規則圖案。藉由使用於一導光板的薄片，本發明在導光板上形成一微透鏡光學圖案(micro lens optical pattern)。特别是，如圖2所示的凹陷，其被定義為一微透鏡的形狀，可用以下公式表示：

凹陷(sag)=高度(h)/直徑(D)。

詳言之，透鏡的空間周期(spatial period)等同於橫越形成在一導光板中的微透鏡陣列。然而，透過控制每一透鏡的尺寸，即控制凹陷(sag)，也可同時控制光發射角度(light emission angle)及均勻性。詳細的描述請參閱圖3及以下說明。

圖3為根據本發明具有凹陷控制圖案之背光單元的剖視圖。由圖3可看出，微透鏡145光學圖案之凹陷形成在導光板140中，當該圖案與一光源110的距離增加時，凹陷隨之增加。

換句話說，當微透鏡的直徑D保持在相同長度時，凹陷隨著一微透鏡145的高度h與光源110距離增加時，凹陷隨之增加。此時，直徑D最好是固定於一介於5μm到3 mm範圍的值，且當從光源量測起的高度h增加時，光學圖案的凹陷增加的幅度在0.05至0.5之間；對於上述的變異範圍(variation range)並不需要限定，但可根據導光板140的厚度和尺寸而改變。特别是，如果導光板的凹陷範圍確立在0.01到0.3之間，全反射的影響可以減到最小，因此提高發光效率。

上述的安排，透過導光板140，不僅為維持光發射的均勻性所需的，也易於控制光的分佈。

此外，形成在導光板140中微透鏡145的光學圖案可以是凸面光學圖案和凹面光學圖案。然而，孔型(hole-type)微透鏡145的光學圖案在亮度和均勻性而言(即：發光效率或發光總量)有較佳的展現。

圖4為根據本發明具有凹陷控制圖案之背光單元的平面圖。請參考圖4，圖4(a)繪示一微透鏡145光學圖案的空間排列為不規則的結構。詳言之，靠近光源110的區域之密度是低的，而當越遠離光源110時，區域的密度則變高。同時，圖4(b)繪示一微透鏡145光學圖案的空間排列規則地跨越整個導光板140且當該光學圖案與光源110的距離增加時，凹陷隨著該距離之增加而增加的結構。這樣的排列方式能提供與圖4(a)相同的均勻程度，同時也可以增加發光效率。

圖5繪示根據本發明具有凹陷控制圖案之背光單元光學功能的剖視圖。圖5顯示由於形成在一導光板140中的微透鏡145，從一光源110射出光之傳送路徑的改變情況。若從導光板140傳送的光碰上微透鏡145，光沿著二個不同路徑中的一個來傳送。其中一路徑引導通過微透鏡145的光碰撞位於底部的一反射層120。當在底部反射的光再次傳送至微透鏡145的表面時，該光的入射角超出一臨界角且該光透過一擴散層150而發射至外部。另一路徑則是引導光源碰撞微透鏡145以直接地從微透鏡145的表面反射且該反射角立刻超出該臨界角。反射角超出該臨界角的光將從導光板140的上表面射出。

上述的光傳送路徑可以藉由控制微透鏡145的凹陷所完成。換句話說，根據與光源145的距離，藉由控制微透鏡145的凹陷，光射出至外部的角度和光射出至外部的區域可受控制；且因此同時控制光線均勻性與發光效率。

圖6繪示根據本發明具有凹陷控制圖案的背光單元光學特徵的圖形。請參考圖6，圖6(a)繪示根據先前技術之一背光單元的光學特徵，其中白點圖案和擴散片形成在一導光板中。圖6(b)繪示根據本發明之一背光單元的光學特徵，其中微透鏡145圖案形成在一導光板中。圖6(c)繪示根據本發明之一背光單元的光學特徵，其中微透鏡145圖案和擴散片150形成在導光板中。

由圖6(a)、6(b)和6(c)中可觀察出彼此間的光分佈有所不同。在圖中，綠色線和紅色線代表光照射的方向；綠色線代表南北方向，紅色線代表東西方向。光的分佈呈現出依圖案，在圖6(b)中是寬的，在圖6(c)時變窄，因此藉由控制微透鏡145的凹陷，可進一步的控制分佈的寬度變化(variation)。同時，若檢視光的均勻性，在圖6(a)，圖6(b)和圖6(c)顯示出一滿意的圖案。然而，在圖6(a)的情況下，光的總量是58%，顯示出發光效率偏低。另一方面，圖6(b)和圖6(c)分別提供光的總量為77%和74%，說明發光效率有因此被大幅提升。另外，根據視覺角度，圖6(b)和圖6(c)可確保比圖6(a)更寬的一視角。

藉由控制形成在導光板中的光學圖案的凹陷，可以改善背光單元的發光效率，並維持光線的均勻性。同時，由於藉由增加光學圖案的數量(提高填充因子)，光學圖案的凹陷也可以因此控制，如此能簡單地控制發光效率和光均勻性。

並且，與傳統的製造白點圖案的方法比較起來，在開發時間與成本上可更有效率地製作出白點圖案。

特定實施例已在本發明的詳細說明中揭露。然而，在本發明的技術範圍內可有不同的修改。本發明的技術原則和精神不應被限定於本發明所描述的實施例且應被瞭解本發明的技術範圍應不僅包括附加的權利宣告範圍且包含均等的技術範圍。

110．．．光源

120．．．反射層

130．．．白點圖案

140．．．導光板

145．．．微透鏡

150．．．擴散層/擴散板

D．．．直徑

H．．．高度

圖1為根據習知技術的一側光式(edge-type)背光單元的剖視圖；

圖2為根據本發明形成在具有凹陷控制圖案的一背光單元中一圖案之剖視圖；

圖3為根據本發明具有凹陷控制圖案之背光單元的剖視圖；

圖4為根據本發明具有凹陷控制圖案之背光單元的平面圖；

圖5繪示根據本發明具有凹陷控制圖案之背光單元光學功能的剖視圖；

圖6繪示根據本發明具有凹陷控制圖案的背光單元光學特徵的圖形。

110．．．光源

140．．．導光板

45．．．微透鏡

Claims (6)

1. 一種具有凹陷控制圖案的導光板，包括：一表面以發射光和相對於該發光面的另一表面，其中該另一表面設有一或多個光學圖案，當該些光學圖案與一光源的距離增加時，凹陷(sag)隨該距離之增加而增加，其中該些光學圖案的形狀係由微透鏡、稜鏡、錐體及雙凸透鏡所形成，當由該些微透鏡形成的該些光學圖案具有相同的直徑且均勻設置時，該些微透鏡的直徑為固定於5μm至3mm之間的任意值，且該凹陷增加的幅度在0.05至0.5之間，其中該凹陷為該些微透鏡之高度與直徑的比值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之導光板，其中該光學圖案為一凹面圖案形成在該導光板的一深度方向。
3. 一種背光單元，包括：一導光板以接收從一光源射出的光並引導該光至前方(front)，該導光板包括一表面以發射出光與相對於該發光面的另一表面，該另一表面設有一或多個光學圖案，當該些光學圖案與一光源的距離增加時，凹陷(sag)隨該距離增加而增加，其中該些光學圖案的形狀係由微透鏡、稜鏡、錐體及雙凸透鏡中的一或多個所形成，當由該些微透鏡形成的該些光學圖案具有相同的直徑且均勻設置時，該些微透鏡的直徑為固定於5μm至3mm之間的任意值，且該凹陷增加的幅度在0.05至0.5之間，其中該凹陷為該些微透鏡之高度與直徑 的比值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之背光單元，其中該光源形成在該導光板的兩側面或多個側面上。
5. 如申請專利範圍第3或4項所述之背光單元，其中該光學圖案為一凹面圖案形成在該導光板的一深度方向。
6. 如申請專利範圍第5項所述之背光單元，更包括一擴散層和一反射層分別形成於該導光板的一上表面和一下表面上。