TWI479236B - 微透鏡陣列片及包含其之背光單元 - Google Patents

Description

微透鏡陣列片及包含其之背光單元

本發明係關於一種用於背光單元之光學片及包含該光學片之背光單元，特別係關於一種包含相較於相關領域中具有較佳光學特性之微透鏡陣列片結構之背光單元以及一種具有微透鏡陣列片結構之光學薄膜。

液晶顯示裝置是一種利用施加不同電壓造成液晶的穿透率改變，而將由各種裝置所產生之電子訊號轉換成視覺資訊的電子裝置。

因其具有體積小、明亮及低耗電等優勢，液晶顯示裝置崛起並取代陰極射線管(CRTs)並廣泛地應用於相關技術以克服陰極射線管的缺點。目前，液晶顯示裝置已裝載於大部分需要顯示裝置的資料處理設備。

在液晶顯示裝置中，會施加一電壓於液晶上以改變其分子排列，進而將光學特性，諸如雙折射、旋光能力、雙色性、光散射等性質的改變轉換視覺上的改變。亦即，液晶顯示裝置可利用液晶來調節亮度。

因為液晶顯示裝置本身並不能發光，因此必須外加光源來照亮液晶裝置螢幕。這種用於照亮的光源一般稱之為背光單元。

一般而言，背光單元依發光燈具的位置可分為邊緣式背光單元及直射式背光單元。邊緣式背光單元包含一個位於導光面板之一側的燈具，該導光面板可用於引導自該燈 具所發出的光線。邊緣式背光單元用於小型液晶顯示裝置，例如桌上型電腦螢幕及筆記型電腦螢幕，其在光的均勻度、耐久度及減少體積方面具有優勢。另一方面，直射式背光單元則是發展應用於具有20英吋或更大螢幕的顯示裝置上，並且利用排列於液晶通道下方的複數個燈具光源來直接照射整個液晶通道表面。

線性光源，例如冷陰極螢光燈(CCFLs)，是早期廣泛地作為背光單元之燈具。然而，發光二極體(LEDs)因其本身具有好的色彩重現性、環保、纖薄又明亮且耗電量低等優勢，現今已廣泛作為背光單元之燈具。

同時，依據相關技術需求不同，例如將光源產生之光線擴散或集中，增加亮度，或是降低燈具色彩不均等目的，可將複數個光學薄膜做各種地結合並用於背光單元。

如今，影像顯示裝置(例如LCD裝置)的明亮度和視角已經變成非常重要的性質，該性質由光學片性質所定義。目前，半球形微透鏡陣列片已被廣泛地使用，然而，半球形微透鏡陣列片在亮度的增加及缺陷方面有所限制，其本身的亮度在改善視角的情況下會相對惡化。

現階段，背光單元的研究及發展均朝體積纖薄及亮度提高的方向進行，尤其亟需一種有更好亮度及視角性質的微透鏡陣列片以及包含該微透鏡陣列片的背光單元。

本發明欲解決之問題為：亮度過低、依據相關技術不同來辨認微透鏡陣列片的缺陷。本發明之一態樣為提供一種具有與棱鏡片相同或更高等級亮度及極佳視角的微透鏡陣列片，以及包含該微透鏡陣列片的背光單元。

依據本發明之一態樣，係提供一種由複數個透鏡單元以二維排列方式組成的微透鏡陣列(MLA)片，其中每一透鏡單元具有錐形透鏡的形狀，且在透鏡中心截取之垂直截面可由式1表達：

其中k為錐形常數，r為透鏡單元峰部的曲率半徑，且k-1。

依據本發明之另一態樣，提供一種包含一光源、至少一前述之微透鏡陣列(MLA)片之一背光單元。

優點

因半球形微透鏡陣列片依相關技術在增加亮度方面存有極限，因此在高亮度產品中很難以半球形微透鏡陣列片取代棱鏡片。然而，如果使用由錐形透鏡所形成之微透鏡陣列片，則亮度及視角可同時提升，且依此配置之背光單元可獲得較佳之光學性質。

參照圖示並將本發明之實施例詳述如下。

本發明係關於一種光學片，其包括排列在發光表面上的微透鏡陣列(MLA)中之錐形透鏡單元。更詳細而言，依據本發明實施例之光學薄膜，其中微透鏡陣列片包括複數個透鏡單元以二維的方式排列於其上，該光學薄膜可包含各自具有錐形透鏡形狀的透鏡單元。

本發明一實施例中，「錐形透鏡」可能是指一透鏡，其中在透鏡中心所截取之垂直截面具有對稱的彎曲形狀，如雙曲線或拋物線。然而，根據本發明一實施例的錐形透鏡，可排除是一在透鏡中心具有三角形垂直截面的尖錐狀透鏡、一在透鏡中心具有半圓形垂直截面的半球型透鏡或是一在透鏡中心具有橢圓形垂直截面的橢圓形透鏡。

尤其是，根據本發明之一實施例，每個透鏡單元可為錐形透鏡形狀，且從透鏡中心到陣列片表面所垂直截取的截面(以下均指「垂直截面」)為彎曲狀，並可由式1表達：

其中r為透鏡單元峰部的曲率半徑，k為錐形常數。

此處，錐形常數k決定透鏡的形狀。在k=0的情況下，透鏡可能是圓形；k=-1時，透鏡可能是拋物線；-1<k<0時，透鏡可能是橢圓形；k<-1時，透鏡可能是雙曲線。

如上所述，由於本發明實施例可排除一透鏡單元的垂直截面為圓形或橢圓形的情況，因此錐形常數k可具有k<-1的範圍。

需特別強調，在本發明之透鏡單元中，其錐形常數k可為-3到-1，較佳是大約-2.7至-1.7，更佳為大約-2.65至-1.75。當錐形常數k少於-3時，光學亮度可能會惡化，而當錐形常數k超過-1時，光學屏蔽性可能伴隨著光學亮度一起劣化。

圖1A繪示了依據本發明實施例之一透鏡單元。同時，圖1B所繪示的一半球型透鏡以及圖1C所繪示一尖錐狀的透鏡，均為本發明實施例所排除之透鏡單元的範例。

依據本發明實施例之透鏡單元可保持一固定間距P排列於微透鏡陣列片上。於此，間距P可指相鄰透鏡單元的峰部之間的距離。於本發明實施例中，與相鄰透鏡單元之間距P約為10μm到500μm，較佳為30μm到70μm。當透鏡單元之間的間距P小於10μm的時候，透鏡單元將彼此重疊，如此可能造成聚光性降低，製造用來生產片材的模具的困難度會增加，還會產生容易刮傷的缺陷。同時，透鏡單元之間的間距P大於500μm的時候，透鏡單元之間會產生縫隙，如此可能造成亮度的降低和模具製造成本的增加。更甚者，需在製造過程的困難度或是如疊紋現象(moiré phenomenon)等類似的外觀品質缺陷之間去考慮以決定間距P的範圍。

同時，依據本發明實施例之透鏡單元，其形狀可由其底部直徑D來詳細描述。於本發明實施例中，透鏡單元之底部直徑D可為透鏡單元間之間距P的90%至116%，較佳為92%至116%，最佳為98%至116%。當透鏡單元之底部直徑D小於透鏡單元間之間距P的90%或是超過透鏡單元間的間距P的116%，可能會使工作困難度的層級以及製造薄膜時的缺陷率提高，且光學亮度降低。當透鏡單元之底部直徑D落在本發明實施例的範圍內時，可得到令人滿意的聚光效果。同時，由式1與透鏡單元之底部直徑D可決定透鏡單元之高度H。

同時，根據本發明實施例，排列於微透鏡陣列片上的透鏡單元可具有相同或是不同的的形狀及尺寸；然而，考慮加工難易度及發光分布，採用將相同形狀或是相同尺寸的透鏡單元加以排列是較佳的方法。

此外，根據本發明實施例，微透鏡陣列片上之透鏡單元之間的間距P可為定值或變數；然而，間距P的長度為定值是較佳的狀況。

同時，透鏡單元峰部的曲率半徑r可為間距P的0.2%至26%，較佳是0.2%至24%，最好是0.2至22%；然而，曲率半徑r不在此限。當曲率半徑r小於0.2%，在大規模生產產品時，關於峰部出現缺陷的可能性會增加，可能產生缺陷而容易造成刮傷的，以及可能造成其他如產生泡沫、生產時間延遲及類似的問題。當曲率半徑r超過間距P的26%時，聚光表現、光學亮度和光源屏蔽表現可能會受到限制。

同時，根據本發明實施例，透鏡單元可規則或不規則地排列於微透鏡陣列片上。圖2A和圖2B繪示根據本發明實施例之微透鏡陣列片的前視圖和橫截面圖。圖2A和圖2B說明透鏡單元是規則地排列。圖2A和圖2B僅用來說明透鏡單元的一種排列方法；本發明不以此為限。雖然沒有圖式說明，但舉例而言，根據本發明實施例，透鏡單元可以蜂窩狀結構來排列。當透鏡單元以蜂窩狀結構排列時，透鏡單元之間可能不會產生平坦表面(以下稱「縫隙」)。而且，可增加鏡頭之間的密度以提高聚光效果，進而造成更高的光學亮度。

同時，根據本發明微透鏡陣列片之實施例，可以用任意方法生產製造相關領域中一般所習知的微透鏡陣列片，例如，將固化樹脂溶液澆注或射出至刻有透鏡單元形狀的模具中然後固化溶液的方法、排列對稱珠粒的方法、利用光刻回流的方法、利用雷射直接加工的方法、利用光刻的方法或其他類似的方法。

同時，根據本發明實施例，微透鏡陣列片的材料可為一固化樹脂，如聚氨酯丙烯酸酯、環氧丙烯酸酯、丙烯酸酯、一自由基生成的單體或類似物質，可單獨使用或組合使用，然而，本發明不在此限。

同時，當微透鏡陣列片是使用模具製造時，透鏡之各種形狀、高度及間距均可藉由刻有各種形狀的模具來形成。除此之外，許多製造微透鏡陣列片的方法在相關領域中均已被知悉，因此根據本發明實施例之微透鏡陣列片， 除了以上述方法製造，亦可根據相關領域而由其他方法製造。

同時，根據本發明實施例，係提供了一種包含至少一微透鏡陣列片的背光單元，尤其是提供一種包含至少一根據本發明實施例之微透鏡陣列片且配置於一光源上的背光單元。在這裡，根據本發明實施例，可將兩個或兩個以上的微透鏡陣列片配置於光源之上。當設置了兩個或兩個以上根據本發明實施例之微透鏡陣列片，則可徹底實現相當於一個超高水準之棱鏡片的亮度，且可大幅達成視角之提升(參見圖4)。

同時，背光單元的種類可包含直接式背光單元與邊緣式背光單元。

圖3繪示了根據本發明實施例之背光單元，並說明了直接式背光單元。如圖3所示，根據本發明實施例之背光單元，其上可包含用以反射從後表面向發光表面反射而來的光線的反射板1、複數個以固定間隔設置的線光源2、將線光源發出的光線轉換成面光源並支撐光學薄膜的擴散板或擴散片3、以及至少一根據本發明實施例的微透鏡陣列片4或4'。

同時，根據本發明實施例的背光單元，除了根據本發明實施例的微透鏡陣列片外，更可進一步包括一額外的光學薄膜，例如，至少有一光學薄膜選自由：：一擴散膜、一稜鏡膜、一光柵透鏡膜、和一反射偏光膜所組成之群組。

例如，根據本發明實施例之背光單元可進一步包括一連同根據本發明實施例微透鏡陣列片之棱鏡片；另外除了該稜鏡片及微透鏡陣列片，可進一步包括選自：一擴散片、一反射偏光膜、和一光柵片所組成之群組之至少一者。

此外，根據本發明實施例之背光單元可進一步包括一連同根據本發明實施例微透鏡陣列片之擴散膜；以及除了該擴散膜及微透鏡陣列片，可進一步包括選自：一光柵片、一棱鏡片、一微透鏡陣列片所組成群組之至少一者。

同時，根據本發明實施例之背光單元可包括以各種不同順序或組合所排列出的光學薄膜。例如，從光源方向到液晶面板方向為例，根據本發明實施例之背光單元可包括：將擴散片和根據本發明實施例之微透鏡陣列片依序堆疊之配置方式；將稜鏡片和根據本發明實施例之微透鏡陣列片依序堆疊之配置方式；將根據本發明實施例之微透鏡陣列片和稜鏡片依序堆疊之配置方式；將根據本發明實施例之微透鏡陣列片、稜鏡片和反射偏光膜依序堆疊之配置方式；將擴散片和兩層根據本發明實施例之微透鏡陣列片依序堆疊之配置方式；將擴散片、稜鏡片和根據本發明實施例之微透鏡陣列片依序堆疊之配置方式；將光柵片、稜鏡片和根據本發明實施例之微透鏡陣列片依序堆疊之配置方式；以及將擴散片、光柵片和根據本發明實施例之微透鏡陣列片依序堆疊之配置方式。

特別的是，具有如上述所舉例之光學薄膜組合的背光單元，可實現等同於棱鏡片的水準的亮度，又同時具有優越的視角特性。

本發明模式

以下，本發明可透過實例詳細解釋。然而，下述範例僅為了提供範本之用，並不是為了限制本發明。

1.微透鏡陣列片之製造 發明例1：包含錐形透鏡之微透鏡陣列片

根據本發明實施例之微透鏡陣列片，其製造是用雷射遮罩處理方法，在這種情況下，錐形透鏡的直徑D為55μm，錐形透鏡峰部的曲率半徑r為5.5μm，錐形常數k為-2.15，以及間距P為50μm。

比較例1：包含尖錐狀透鏡之微透鏡陣列片

除了具有尖錐狀透鏡外，其餘皆與發明例1所述方法製造之微透鏡陣列片相同。該尖錐狀透鏡之透鏡間距為50μm、直徑為50μm、垂直角度為90度，並置於微透鏡陣列片上。

比較例2：包含半球形透鏡之微透鏡陣列片

除了具有半球形透鏡外，其餘皆與發明例1所述之微透鏡陣列片的製造方法相同。該半球形透鏡之透鏡間距為 50μm、直徑為50μm、透鏡峰部的曲率半徑為25μm、錐形常數k為0，並置於微透鏡陣列片中。

發明例2至9以及比較例3

各微透鏡陣列片是以如發明例1所述之相同方法，但以微透鏡陣列片中不同的透鏡間距、直徑、透鏡峰部的曲率半徑r以及錐形常數k所製造，如下表1所示。

2.根據透鏡形狀比較其亮度特徵

利用由各個發明例1至9及比較例1至3所製造之微透鏡陣列片中之兩個的微透鏡陣列片來驗證光學模擬。該模擬是藉由設置一22英吋邊緣式LED光源作為光源以及一設置於兩個相同形狀陣列片上的接收器來進行。比較每件有關發光強度的視角資料，其結果如圖1所示。

下表1顯示了一個以%表示的相對亮度值，並假設發明例1的亮度值為100%。

如表1所見，我們可以確定，相較於比較例1和2使用尖錐狀透鏡和半球形透鏡，根據本發明發明例之微透鏡陣列片有優異的亮度特性。

此外，與比較例3使用橢圓形透鏡(K=0.9)的微透鏡陣列片的亮度相比，我們可以確定，根據本發明發明例之微透鏡陣列片有顯著有效的亮度特性。

3.根據陣列片配置比較其亮度特徵 實驗例1

為了比較亮度特性，根據本發明的發明例，比較放置兩個由發明例1(配置例1)所製造的微透鏡陣列片的情況， 與一個或三個由發明例1所製造的微透鏡陣列片的情況之兩者的亮度。測量結果顯示於圖4。由圖4可見，我們可以確定，在微透鏡陣列片均是由發明例1所製造的前提下，放置兩個微透鏡陣列片，比放置一個微透鏡陣列片或三個微透鏡陣列片，其亮度有顯著的提升。

同時，亮度性質可透過亮度儀測量各個陣列片組合，BM7(Topcon公司，日本)使用22英寸邊緣式光源作為背光，以在垂直方向上中心的亮度值(nit)為1點當作基準。

實驗例2

在設置兩個由發明例1所製造之微透鏡陣列片的情況下，與在設置兩個由比較例2所製造之微透鏡陣列片或是在設置一個稜鏡片的情況下，進行測量和比較對其亮度特性。測量結果顯示於圖5。如圖5所示，我們可以確定，在設置兩個由發明例1所製造之微透鏡陣列片的情況下，其亮度性質和視角性質均顯著優於設置兩個包括半球型透鏡的微透鏡陣列片，或是設置棱鏡片的情況。

同時，亮度性質可透過亮度儀測量各個陣列片組合，BM7(Topcon公司，日本)使用22英寸邊緣式光源作為背光，以在垂直方向上中心的亮度值(nit)為1點當作基準。

實驗例3

為了比較亮度性質，根據包括依據本發明發明例之微透鏡陣列片的背光單元之光學片配置，比較如表2和表3中 設置有光學片的背光單元之亮度性質，其結果值示於表2和表3。在此情況下，係利用發明例1所製造之微透鏡陣列片。

同時，亮度性質可透過亮度儀測量各個陣列片組合，BM7(Topcon公司，日本)使用22英寸邊緣式光源作為背光，以在垂直方向上中心的亮度值(nit)為1點當作基準。

表2和表3顯示亮度值的結果並以%表示，我們可以確定，當使用比較例2的微透鏡陣列片作為標準值100.0%的情況下，亮度值結果均相對地提高，且根據本發明發明例以同樣的方式設置微透鏡陣列片。

擴散板之商品名稱為CH282(製造商：SKC公司)，棱鏡片之商品名稱為(製造商：3M)，反射偏光膜之商品名稱為DBEF(製造商：3M)，光柵片之商品名稱為LSF465(製造商：LG化學)，以及Lenti90意指透鏡排列於垂直方向。

雖然本發明已顯示與描述有關實施例，很顯然地在本領域中具有通常知識者可以在不違背本發明申請專利範圍所定義的精神及範圍內作出修改和變化。

1‧‧‧反射板

2‧‧‧線光源

3‧‧‧擴散片

4‧‧‧微透鏡陣列片

4'‧‧‧微透鏡陣列片

D‧‧‧底部直徑

P‧‧‧間距

H‧‧‧高度

圖1A至圖1C係顯示用來配置成微透鏡陣列片之透鏡之形狀，並分別繪示依據本發明其中一實施例之錐形透鏡、半球型透鏡以及尖錐狀透鏡； 圖2A至圖2B係顯示依據本發明其中一實施例之微透鏡陣列片之前視圖及剖面圖；圖3係顯示依據本發明其中一實施例之包含微透鏡陣列片之背光單元；圖4係顯示依據本發明實施例一至三個微透鏡陣列片時之亮度性質；及圖5係顯示依據本發明實施例而擺置分別為兩微透鏡陣列片、稜鏡片及半球型微透鏡陣列片時，其亮度性質之比較。

1‧‧‧反射板

2‧‧‧線光源

3‧‧‧擴散片

4‧‧‧微透鏡陣列片

4'‧‧‧微透鏡陣列片

Claims (18)

1. 一種微透鏡陣列(MLA)片，其包括：複數個透鏡單元，並以二維的方式排列於該微透鏡陣列片上，其中每一透鏡單元具有錐形透鏡的形狀，且在一透鏡中心所截取之一垂直截面可由式1表達： 其中k為一錐形常數，r為一透鏡單元峰部的曲率半徑，其中該錐形常數k係介於-3至-1之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列(MLA)片，其中該透鏡單元具有一雙曲線截面或一拋物線截面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列(MLA)片，其中於該等透鏡單元之間具有一間距，且該間距為10μm至500μm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列(MLA)片，其中該等透鏡單元之一底部直徑為該等透鏡單元間之一間距之90%至116%。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列(MLA)片，其中該等透鏡單元之一峰部之一曲率半徑為該等透鏡單元間之一間距之0.2%至26%。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列(MLA)片，其中該等複數個透鏡單元係排列成蜂巢狀。
7. 一種背光單元，其包含：一光源；以及至少一如申請專利範圍第1至第6項之其中一項之微透鏡陣列(MLA)片。
8. 如申請專利範圍第7項所述之背光單元，其中該等微透鏡陣列(MLA)片包含兩個微透鏡陣列片。
9. 如申請專利範圍第7項所述之背光單元，更包含至少一選自：一稜鏡片、一光柵片、一擴散片以及一反射偏光膜所組成之群組。
10. 如申請專利範圍第7項所述之背光單元，其中該光源具有一擴散片與該微透鏡陣列(MLA)片依序堆疊於該光源之上。
11. 如申請專利範圍第7項所述之背光單元，其中該光源上係具有依序堆疊之一擴散片與該兩片微透鏡陣列(MLA)片。
12. 如申請專利範圍第7項所述之背光單元，其中該光源上具有依序堆疊之一擴散片、一稜鏡片以及該微透鏡陣列(MLA)片。
13. 如申請專利範圍第7項所述之背光單元，其中該光源上具有依序堆疊之一擴散片、一光柵片以及該微透鏡陣列(MLA)片。
14. 如申請專利範圍第7項所述之背光單元，其中該光源上具有依序堆疊之一光柵片、一稜鏡片以及該微透鏡陣列(MLA)片。
15. 如申請專利範圍第7項所述之背光單元，其中該光源上具有依序堆疊之該微透鏡陣列(MLA)片以及一稜鏡片。
16. 如申請專利範圍第7項所述之背光單元，其中該光源上具有依序堆疊之一稜鏡片以及該微透鏡陣列(MLA)片。
17. 如申請專利範圍第7項所述之背光單元，其中該光源上具有依序堆疊之該微透鏡陣列(MLA)片、一稜鏡片以及一反射偏光膜。
18. 如申請專利範圍第7項所述之背光單元，其中該光源上具有依序堆疊之一稜鏡片、該微透鏡陣列(MLA)片以及一反射偏光膜。