TWI484260B - 微透鏡陣列板及包含其之背光單元 - Google Patents

Description

微透鏡陣列板及包含其之背光單元

本發明涉及一種微透鏡陣列板以及包括該微透鏡陣列板之背光單元，特別是關於一種排列有微透鏡的微透鏡陣列板及包括該微透鏡陣列板之該背光單元，以減少雲紋圖案(moiré patterns)以及改善光學特性。

液晶顯示裝置係一種將不同設備所產生之電子訊號，透過電壓的施予而使液晶產生透射率變化，進而轉換為視覺信息之電子裝置。由於具有小尺寸、重量輕、以及低耗能的優點，液晶顯示裝置已被認為可取代陰極射線管(CRTs)，且現在亦用於大部分信息處理設備所需的顯示裝置。

在這類的液晶顯示裝置中，施予液晶一電壓以改變其中的分子排列，因而改變如雙折射、旋光強度、二色性、以及光散色等光學特性。即，液晶顯示裝置透過液晶調整光的特性。由於液晶顯示裝置本身並不產生光，因此亟需額外的光源用以照亮液晶顯示螢幕，此類照明光源一般稱為背光單元。

背光單元依照其發光位置可分為邊緣型(edge-type)背光單元及直接型(direct-type)背光單元。邊緣型背光單元包括於一導光板側邊之一燈具，其中該導光板引導光線由該燈具發出，該邊緣型背光單元係用於小型的液晶顯示 裝置，如桌上型電腦螢幕以及筆記型電腦，其優點在於均勻照明、耐久性、以及尺寸縮小。另一方面，直接型背光單元係發展應用於具有20吋或更大螢幕之展示裝置，此類直接型背光單元包括排列於一液晶面板下之燈具，用以直接照明整個液晶面板。

先前，直線型光源如冷陰極螢光燈(CCFLs)廣泛用於背光單元之燈具，然而，發光二極體(LEDs)由於具有如良好色彩重現、環保、纖薄輕盈、且低能量耗損等優點，成為現今廣泛用於背光單元之燈具。

此類背光單元可包括複數個光學膜以發散或蒐集由燈源發出的燈光、增強亮度、或降低稱為「明暗帶」的不均勻照明。圖1係一習知直接型背光單元之示例性示意圖。如圖1所示，複數個燈源2排列於一反射板1，且一發散板3設於該燈源2之上方，使整個螢幕亮度一致，並支撐光學膜。至少一發散膜4以及至少一聚光膜5，該聚光膜5可根據一有效的可視範圍以及提高螢幕亮度的均勻性，收縮被該發散板3發散的光線。

該聚光膜5包括一稜鏡膜、一透鏡膜、以及一微透鏡陣列(MLA)板。一MLA板同時具有聚光與散光的功能。然而，如圖2所示，若微透鏡組週期性排列於MLA板上，當該MLA板置於另一具有週期性排列之光學板或圖案或一具有週期性像素的LCD面板上面，由於幾何干擾可能會出現雲紋圖案圖案。

所謂的「雲紋圖案(moiré pattern)」指的是當兩個或多個圖案一干擾圖案與另一個圖案疊合時產生的干擾圖案。舉例來說，當兩個具有相似的光線與陰影圖案的光學膜疊合，形成一新的光線與陰影圖案，被稱為「雲紋圖案」。

由於此類不必要的圖案可能會因為雲紋圖案出現於在LCD上所顯示的影像中，因此亟需一種預防或移除此類雲紋圖案的方法，例如移除疊合的週期性圖案，但是，亮度可能因此大幅降低。

影像顯示裝置的亮度和視角為其重要特性，且該特性係由其背光單元光學板的特性所決定。近年來，半球型微透鏡陣列板已被廣泛使用，然而，該類半球型微透鏡陣列板於增進其亮度上有所限制，造成視角增加而使亮度降低。

本發明之一態樣係於提供一於維持亮度時，能降低雲紋圖案的微透鏡陣列板。

本發明之另一態樣係於提供一包括圓椎透鏡以增進其亮度與視角特性的微透鏡陣列板。

本發明又一態樣係於提供一背光單元，其包括有一能夠降低雲紋圖案以及增進亮度與視角特性的微透鏡陣列板。

根據本發明之一態樣，提出一種微透鏡陣列板，包括：一基底；以及複數個配置於該基底之一側之微透鏡，其中，該微透鏡係不規則排列，且介於任兩個鄰近的微透鏡中心 之間的距離之標準差，係為自任一上述微透鏡中心至鄰近微透鏡中心所量測之平均間距(P)的2%至20%。

根據本發明另一態樣，提出一種包括該微透鏡陣列板之背光單元。

該背光單元可包括兩個該微透鏡陣列板。

本發明之示例性實施例將透過說明及圖式詳細描述如下。

本發明係關於一種微透鏡陣列板，包括：一基底；以及複數個配置於該基底之一側之微透鏡，其中，該微透鏡係不規則排列，且介於任兩個鄰近的微透鏡中心之間的距離之標準差，係為自任一上述微透鏡中心至鄰近微透鏡中心所量測之平均間距(P)的2%至20%。

在本發明之微透鏡陣列中，介於任兩個鄰近的微透鏡中心之間的距離之該標準差，較佳為自任一上述微透鏡中心至鄰近微透鏡中心所量測之平均間距(P)的2%至20%，更佳為該標準差為該平均間距(P)之2%至14%，而最佳為該標準差為該平均間距(P)之2%至9%。倘若該標準差小於該平均間距(P)之2%，則因為該微透鏡之週期排列並未充分降低，使得降低雲紋圖案的效果不明顯。

根據本發明，更佳為，該微透鏡滿足上述之範圍要求且為不規則排列。倘若該微透鏡規則排列，即使該微透鏡滿足上述標準差要求，雲紋圖案亦會因為微透鏡週期性排列而產生。

再者，本發明中之微透鏡陣列板，更佳為該平均間距(P)為10μm至500μm。當該平均間距(P)小於10μm，則製造透鏡之模具可能很難生產，而當該平均間距(P)大於500μm時，該微透鏡的高度和體積亦隨之增加，使得製造成本提高，且該微透鏡能夠輕易的以肉眼辨識且由於光線均勻度降低，使得外觀品質跟著下降。

較佳為，如圖2所示，本發明中之微透鏡，係以鄰近的三個微透鏡中心形成一三角形之基礎陣列單元(從A1至A6)的方式排列。在圖3中，L1、L2、以及L3代表該每一個基礎陣列單元之一側長度，且θ1,θ2與θ3表示該每一個基礎陣列單元之內角。

本發明中，該三角形由該微透鏡中心所形成，可具有不同的面積。

該三角形的面積(背光單元)，較佳為在2%到20%之間變動。更佳為該三角形的面積(背光單元)在2%至9%變動。若該三角形面積改變少於2%，雲紋圖案會因為並未充分降低該微透鏡週期性排列而使得該降低雲紋圖案的效果不明顯，而如果該三角形面積變動大於20%，亮度將會減少。

再者，本發明之微透鏡陣列板之中，50%或以下的基礎陣列單元為正三角形基礎陣列單元。圖2說明習知之微透鏡陣列板中之微透鏡。如圖2所示，微透鏡以規則的蜂巢圖案排列於習知之微透鏡陣列板中，使正三角形形成於該微透鏡之中心。然而，若該類微透鏡陣列板疊合於一具有週 期性排列像素之液晶顯示(LCD)面板上，則雲紋圖案可能出現，且該影像顯示裝置的影像品質可能會降低。

因此，在本發明之微透鏡陣列板中，該微透鏡基本上以三角形的形式排列，但會為了降低雲紋圖案以及預防亮度降低而改變該基礎陣列單元。為了有效率的降低雲紋圖案，正三角形基礎陣列單元較佳為基礎陣列單元之50%或以下。

更佳為該基礎陣列單元不包括一正三角形基礎陣列單元，此外，該基礎陣列單元可滿足下列公式(1)或(2)。例如，該基礎陣列單元可同時滿足下列公式(1)和(2)。

0.8×P≦L1,L2,L3≦1.2×P………公式(1) 48°≦θ1,θ2,θ3≦72°………公式(2)

在公式(1)中，L1,L2與L3表示該每一個基礎陣列單元之一側長度，且P代表該微透鏡之間平均間距。在公式(2)中，θ1,θ2與θ3表示該每一個基礎陣列單元之內角。

倘若該基礎陣列單元之一側長度超出平均間距(P)的80%至120%範圍，亮度會明顯降低，且若該基礎陣列單元之內角超出48°至72°的範圍時，亮度亦會明顯降低。

換句話說，若該微透鏡陣列板上之微透鏡，為了降低雲紋圖案而以隨機形式不規則排列時，亮度可能因此明顯降低。因此，在本發明中，該微透鏡係以一有限制的隨機形式，不規則排列於上述範圍之中，以便在亮度降低最少的情況下減少雲紋圖案。

此外，本發明中的透鏡可具有一形狀係選自由一半球型、一錐形、一圓錐形、以及一橢圓形所組成之群組。然而，該微透鏡的形狀並無特別限制。舉例來說，該微透鏡可具有其他形狀像是多邊形金字塔形狀、截斷的多邊形金字塔形狀、以及非球面形狀。

此外，該微透鏡之平均直徑(D)可為該平均間距(P)之90%至126%。若該微透鏡之平均直徑少於該平均間距(P)之90%，則亮度和一般微透鏡陣列板一樣低。若該微透鏡之平均直徑(D)大於該平均間距(P)之126%，則該微透鏡之平均直徑(D)大於微透鏡空隙率為0時的直徑。換句話說，在此情況下，該透鏡可能不足以為凸透鏡。

該設於微透鏡陣列板基底上之微透鏡可具有不同的底部直徑(D)，然而，較佳為該微透鏡具有相同的底部直徑。若該微透鏡具有同樣的底部直徑，該隨機排列的微透鏡可容易的被調整，在亮度降低最少的情況下減少雲紋圖案。

再者，在此發明中，更佳為該微透鏡的高度介於平均間距(P)之20%至100%的範圍內。若該微透鏡高度少於平均間距(P)之20%，亮度和一般微透鏡陣列板一樣低；若該微透鏡高度大於平均間距(P)，則該微透鏡難以製造，且亮度亦會和一般微透鏡陣列板一樣低。該微透鏡可具有不同高度，然而，若該微透鏡具有相同高度，則該微透鏡的隨機排列可容易的被調整，在亮度降低最少的情況下減少雲紋圖案。

本發明之微透鏡可為圓錐透鏡，其中，「圓錐透鏡」指的是許多具有一個圓形的底部和一個雙曲線或拋物線中央垂直剖面。然而，一錐形透鏡具有一三角形的中央垂直剖面，一半球透鏡具有一個半圓的中央垂直剖面，以及一個橢圓透鏡具有一橢圓形的中央垂直剖面，皆非所謂的圓錐透鏡。

各個圓錐透鏡的形狀以下列公式(3)表示之，其中，H表示一每一圓錐形透鏡自底部到一假想峯之高度，r代表每一圓錐透鏡頂部之一曲率半徑，且k表示一圓錐常數。一般而言，該彎曲的透鏡形狀以具有位於透鏡頂部曲率半徑(r)以及圓錐常數(k)當作一變量之方程式表示，該圓錐常數(k)係為一決定該透鏡形狀的因子，當k=0，一透鏡為圓形；當k=-1，一透鏡為拋物線形；若-1<k<0，一透鏡為橢圓形；若k<-1，該透鏡為雙曲線形。

本發明中，較佳為該圓錐透鏡之圓錐常數(k)為-3至-1之間，更佳為該圓錐常數(k)為-2.8至-1.5之間。

此外，該圓錐透鏡之曲率半徑(r)較佳為平均間距(P)之0.2%至26%，更佳為2%至20%。若該圓錐透鏡之曲率半徑(r)少於該平均間距(P)之0.2%時，該圓錐透鏡之頂部可能在製造過程中受損；若該圓錐透鏡之曲率半徑(r)大於該平均間距(P)之26%時，聚光效率低。

本發明之一微透鏡陣列實施例如圖3以及圖4所示。圖3係說明一具有圓形底部微透鏡排列之實施例，而圖4說明一 示範性的微透鏡陣列板，其中微透鏡根據本發明實施例排列於該微透鏡陣列板之上。

接下來，將根據本發明之實施例，說明一關於製造微透鏡陣列板之方法。

既然使用模具之微透鏡陣列板的製造方法乃在所屬技術領域中廣為所知，具有習之技藝者可依照本發明所揭露之相關技術輕易完成微透鏡陣列。

例如，本發明之微透鏡陣列板製造方式可為：利用一材料，如熱塑樹脂，透過擠壓的步驟以形成一基底來形成一膜狀基底；於該基底光出去的一側，藉由滾動一沿著基底刻有一透鏡圖案的滾輪，或者於該基底和一板形模具之間注入一固化樹脂，來形成一圖案；並且藉由紫外光或熱固化該基底。

此外，透過設置刻有圓錐透鏡圖案之模具於該基底之上，施予一固化樹脂溶液於該基底及該模板之間，並固化該固化樹脂溶液，圓椎透鏡可形成於該基底上。此外，藉由例如一利用不對稱珠子方法、一雷射遮罩蝕刻方法、一直接加工方法、以及一光刻方法等方法，圓錐透鏡可形成於該基底上。

用於本發明之一固化樹脂之範例包括：聚氨酯丙烯酸酯、環氧丙烯酸酯、丙烯酸酯、以及自由基生成單體。這些樹脂可獨立或者結合使用。然而，本發明並不限於此。透鏡具有不同的形狀、高度、以及利用刻有不同圖案的模具所形成的間距。

一模具可藉由習知方法雕刻有透鏡圖案，例如一機械切割法、一光阻回流法、一光致抗蝕性的雷射照射方法、一珠子的塗佈方法、或一雷射蝕刻方法。這類的模具可具有一板形，一毛蟲形狀(caterpillar shape)、或一鼓形(drum shape)，並且可由一金屬(例如鎳和鉻)、一硬金屬(例如陶瓷材料)、或塗佈有聚合物或矽膠之聚合物薄膜而形成。

此外，本發明係關於一用於微透鏡陣列板之背光單元。該背光單元包括一光源單元以及至少一微透鏡陣列板設置於該光源之上。

上述之微透鏡陣列板包括該背光單元。該微透鏡陣列板係設置於該光源單元以及一液晶面板之間，用以於一液晶顯示裝置上顯示影像。

倘若該背光單元為一邊緣型背光單元，該微透鏡陣列板可設於一導光板以及該液晶面板之間；若該背光單元為一直接型背光單元，該微透鏡陣列板可設於該光源單元以及該液晶面板之間，例如，一發散板之上。一具有高反射率之反射板可設於該光源單元下方，以重複利用來自微透鏡陣列板底部之入射光。若該背光單元為一邊緣型背光單元，則該反射板可設於該導光板下方。

本發明之背光單元可包括一額外的光學膜以及該微透鏡陣列板。該額外的光學膜可為一習知的光學膜，例如一發散膜或一聚光膜。意即，若有需要，本發明可使用一個或多個光學膜。

此外，該背光單元可包括兩微透鏡陣列板。

下文中，列舉出具體的範例以更進一步了解本發明。

【示範例1】

形成設有二維排列之微圓錐透鏡的聚光膜，該圓錐透鏡滿足下列條件：公式3之中，直徑(D)=55μm，r=3μm，且k=-2.18，以間距(P)=50μm的蜂巢圖案排列，任何兩相鄰圓錐透鏡中心距離之標準差=2.3μm，且三角形之面積變異=4.5%。

【示範例2】

具有二維排列之微圓錐透鏡的聚光膜，與示範例1形成於相同條件之下。除了：任何兩相鄰圓錐透鏡中心距離之標準差=9.2μm，以及三角形之面積變異=18.5%。

【比較例1】

具有二維排列之微圓錐透鏡的聚光膜，除了該微圓錐透鏡規則排列外，其他皆與示範例1形成於相同條件之下。

【比較例2】

具有二維排列之微圓錐透鏡的聚光膜，與示範例1形成於相同條件之下。除了：任何兩相鄰圓錐透鏡中心距離之標準差=0.6μm，以及三角形之面積變異=1%。

兩組於示範例1、2以及比較例1、2配備之聚光膜，以兩聚光膜之間約5°扭角設於一背光單元之上，且該中央亮度及雲紋圖案特性以光線追蹤程式進行模擬(光學研究協會之光工具)。亮度數值模擬如表1所示；而示範例1、2的雲紋圖案特性模擬分別如圖6、7所示，並且比較例1、2的雲紋圖案特性模擬分別如圖8、9所示。

根據該模擬結果，該本發明之透鏡排列(示範例1、2)使亮度稍微減少，且與一般透鏡排列相比，雲紋圖案形成稍微減少。

如上所述，根據本發明，該微透鏡陣列板並非以週期性排列，在亮度降低最少的情況下減少雲紋圖案。此外，若以圓錐透鏡當作透鏡排列於微透鏡陣列板上，亮度與視角特性皆會提升。因此，若該微透鏡陣列板用於一液晶面板，一因雲紋圖案產生之光線與陰影圖案可被降低，高品質影像因此得以顯現。

在此經由示例性具體實施例闡述本發明，本領域熟知技藝者可於不悖離隨附申請專利範圍之精神及範疇下輕易進行修飾及變化。

1‧‧‧反射板

D‧‧‧平均直徑

2‧‧‧燈源

A1,A2,A3,A4,A5,A6‧‧‧基礎陣列單元

3‧‧‧發散板

L1,L2,L3‧‧‧基礎陣列單元之一側長度

4‧‧‧發散膜

θ1,θ2,θ3‧‧‧基礎陣列單元之一內角

5‧‧‧聚光膜

10’,10‧‧‧微透鏡陣列板

11‧‧‧導光板

12‧‧‧光源

13‧‧‧反射鏡

本發明上述及其他態樣、特徵及其他優點，將可更清楚的透過以上的詳細描述伴隨圖式而進一步了解：

圖1係說明背光單元之示例性示意圖。

圖2係說明習知具有排列成蜂巢圖案微透鏡之微透鏡陣列板之底視圖。

圖3係本發明實施例具有在預定範圍內隨機排列之微透鏡之示例性微透鏡陣列板底視圖。

圖4係如圖3所示排列之微透鏡陣列板透視圖。

圖5係根據本發明一實施例背光單元之示意圖。

圖6係根據示範例1，利用光學研究協會之光工具(LightTools)擷取來自兩個相互疊合，之間具有約5°扭角之兩聚光膜之雲紋圖案。

圖7係根據示範例2，利用光學研究協會之光工具(LightTools)擷取來自兩個相互疊合，之間具有約5°扭角之兩聚光膜之雲紋圖案雲紋圖案。

圖8係根據比較例1，利用光學研究協會之光工具(LightTools)擷取來自兩個相互疊合，之間具有約5°扭角之兩聚光膜之雲紋圖案。

圖9係根據比較例2，利用光學研究協會之光工具(LightTools)擷取來自兩個相互疊合，之間具有約5°扭角之兩聚光膜之雲紋圖案。

D‧‧‧平均直徑

L1,L2,L3‧‧‧基礎陣列單元之一側長度

θ₁ ,θ₂ ,θ₃ ‧‧‧基礎陣列單元之一內角

Claims (12)

1. 一種微透鏡陣列板，包括：一基底；以及複數個微透鏡，係配置於該基底之一側上，其中，該微透鏡係不規則排列，且介於任兩個鄰近的微透鏡中心之間的距離之標準差，係為自任一該微透鏡中心至鄰近該微透鏡中心所量測之平均間距的2%至20%，其中該微透鏡為圓錐透鏡，其特徵為下列公式(3)： 其中，H表示每一圓錐形透鏡自底部到一假想峯之一高度，k表示一圓錐常數，r代表每一圓錐透鏡頂部之一曲率半徑，且該圓錐常數(k)為-3至-1。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列板，其中，該平均間距為10μm至50μm。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列板，其中，鄰近的三個該微透鏡中心係形成一三角形之基礎陣列單元，且該基礎陣列單元之面積係於2%到20%之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之微透鏡陣列板，其中，50%或以下之複數之該基礎陣列單元係為複數之正三角形基礎陣列單元。
5. 如申請專利範圍第4項所述之微透鏡陣列板，其中，該基礎陣列單元係滿足下列公式(1)：0.8×P≦L1,L2,L3≦1.2×P......公式(1) 其中，L1,L2與L3表示該每一個基礎陣列單元之一側長度，且P代表該微透鏡之間平均間距。
6. 如申請專利範圍第4項所述之微透鏡陣列板，其中，該基礎陣列單元係滿足下列公式(2)：48°≦θ₁ ,θ₂ ,θ₃ ≦72°......公式(2)其中，θ₁ ,θ₂ 與θ₃ 表示該每一個基礎陣列單元之內角。
7. 如申請專利範圍第4項所述之微透鏡陣列板，其中，該基礎陣列單元係滿足下列公式(1)以及(2)：0.8×P≦L1,L2,L3≦1.2×P......公式(1) 48°≦θ₁ ,θ₂ ,θ₃ ≦72°......公式(2)其中，L1,L2與L3表示該每一個基礎陣列單元之一側長度，P代表該微透鏡之間平均間距，且θ₁ ,θ₂ 與θ₃ 表示該每一個基礎陣列單元之內角。
8. 如申請專利範圍第4項所述之微透鏡陣列板，其中，該微透鏡具有一平均直徑，該平均直徑係為該微透鏡平均間距(P)之90%至126%。
9. 如申請專利範圍第4項所述之微透鏡陣列板，其中，該微透鏡具有相同直徑之圓形底側。
10. 如申請專利範圍第4項所述之微透鏡陣列板，其中，該微透鏡具有一高度為該微透鏡間平均間距(P)之20%至100%。
11. 如申請專利範圍1所述之微透鏡陣列板，其中該曲率半徑(r)為1μm至10μm。
12. 一種背光單元，係包括如申請專利範圍第1項所述之該微透鏡陣列板。