TWI486687B - 直下式背光模組 - Google Patents

Description

直下式背光模組

本發明有關於一種背光模組，特別是有關於一種直下式背光模組。

傳統之液晶顯示器之背光模組係配置於液晶面板背面，以提供液晶面板所需之顯示光源。背光模組依光源位置可分為「側光式」及「直下式」設計，其中「直下式」設計之背光模組漸漸地採用多個發光二極體作為光源，以取代傳統的白熱燈管或螢光燈管。當發光二極體作為光源時，通常是預留一段展光距離，再設置於液晶面板的下方，以提供液晶面板均勻的出光源。所以「直下式」設計之背光模組會很厚。

「側光式」背光模組的架構是從側面入光，所以會比較薄；但是要使用的發光二極體顆數至少是同尺寸之「直下式」背光模組的2.5倍。

因此，若能直接將發光二極體貼合在勻光板的背面，就可以兼前述兩者之優勢而有之。但實作上，直接貼合時，光線的強度在正視角方向(也就是發光二極體發光面之法線方向)上會最強，若以勻光板上之展光結構將發光二極體正視角方向的光線朝側面反射，則又會在展光結構邊 緣形成一圈暗帶，俗稱光學品味不良。

有鑑於此，如何研發出一種背光模組，同時改善上述所帶來的缺失及不便，實乃相關業者目前刻不容緩之一重要課題。

本發明之一技術態樣是在提供一種直下式背光模組，用以解決以上先前技術所提到的困難。

根據本發明一實施方式，這種直下式背光模組包含一透光板體、至少一個圓錐形凹部、至少一發光二極體元件與至少一光反射部。透光板體包含相對之出光面與入光面。圓錐形凹部設於出光面上，包含一尖端底部與一凸曲面內壁。凸曲面內壁連接於尖端底部與出光面之間，且圍繞尖端底部。發光二極體元件抵接入光面，其中尖端底部於入光面之一正投影落於發光二極體元件上。光反射部抵接入光面，並傾斜地伸向發光二極體元件，用以反射光線回透光板體內。光反射部與入光面之夾角至少為：tan^-1 [T/(Φ-W)]，其中T為發光二極體元件之厚度，Φ為圓錐形凹部之最大孔徑，W為發光二極體元件之寬度。

在本發明一或多個實施方式中，光反射部形成於一電路板上。這個電路板承載發光二極體元件並電性連接發光二極體元件。發光二極體元件夾設於電路板與入光面之間。

在本發明一或多個實施方式中，發光二極體元件之出光面與可撓式片體之一面皆抵接入光面，以致一凹陷部 形成於可撓式片體與入光面之間，且發光二極體元件位於凹陷部內。

在本發明一或多個實施方式中，光反射部即為這個凹陷部之至少一內壁，或者是，光反射部，例如為可撓式片體上之金屬鍍膜，依附於這個凹陷部之至少一內壁上。

在本發明一或多個實施方式中，直下式背光模組更包含一光學透鏡。光學透鏡包含一本體、一凹槽與一貫穿孔。本體位於電路板與入光面之間，包含相對之第一面與第二面。第一面抵接入光面，第二面抵接電路板。凹槽形成於本體之第一面。貫穿孔位於凹槽內，且貫穿本體之第二面。發光二極體元件位於凹槽與貫穿孔內。

在本發明一或多個實施方式中，光反射部即為凹槽之至少一內壁，或者是，光反射部，例如為金屬鍍膜，依附於凹槽之至少一內壁上。

在本發明一或多個實施方式中，光反射部為一光反射片與一光反射物塗層其中之一。

在本發明一或多個實施方式中，光反射部具有光反射圖案與光擴散圖案至少其中一者。

綜上所述，藉由本發明之直下式背光模組之設計，光反射部可讓光線反射回透光板體內，以補償出光面於圓錐形凹部之周圍區域之亮度，而消除暗帶的現象，進而提高出光面之均勻亮度並解決面光源亮暗不勻的問題。

100、101、102、103、104‧‧‧直下式背光模組

110‧‧‧透光板體

111‧‧‧出光面

111J‧‧‧交接處

112‧‧‧環形區域

112R‧‧‧環形區域最外緣

113‧‧‧光學微結構

114‧‧‧入光面

120‧‧‧圓錐形凹部

121‧‧‧尖端底部

122‧‧‧凸曲面內壁

200‧‧‧光源

210‧‧‧基板

211‧‧‧可撓式片體

211U‧‧‧上表面

211L‧‧‧下表面

212‧‧‧凹陷部

212S‧‧‧內壁表面

220‧‧‧發光二極體元件

221‧‧‧發光面

222‧‧‧連接腳位

230、231、232‧‧‧光反射部

235‧‧‧光學圖案

240‧‧‧發光二極體元件

241‧‧‧導線架

242‧‧‧發光二極體晶粒

243‧‧‧封裝體

244‧‧‧內腔

244L‧‧‧假想延伸線

250‧‧‧光學透鏡

251‧‧‧本體

251U‧‧‧第一面

251L‧‧‧第二面

252‧‧‧凹槽

252S‧‧‧內壁表面

253‧‧‧貫穿孔

300‧‧‧顯示裝置

310‧‧‧顯示面板

D、K、M、R、S‧‧‧線段

W‧‧‧寬度

T‧‧‧厚度

α‧‧‧入射角、反射角

θ‧‧‧夾角

Φ‧‧‧最大孔徑

P‧‧‧正投影

L1‧‧‧第一光線

L2‧‧‧第二光線

L3‧‧‧補償光線

2-2‧‧‧剖面線

X、Y、Z‧‧‧軸向

第1圖繪示本發明一實施方式之直下式背光模組的分解圖。

第2圖繪示第1圖之2-2剖面圖。

第3A圖繪示一實施方式之直下式背光模組的剖視圖與光路示意圖。

第3B圖繪示第3A圖之直下式背光模組的尺寸關係圖。

第4A圖繪示一實施方式之直下式背光模組的剖視圖。

第4B圖繪示第4A圖之光學透鏡的俯視圖。

第5圖繪示一實施方式之直下式背光模組的剖視圖。

第6圖繪示一實施方式之直下式背光模組的剖視圖。

第7圖繪示本發明一實施方式之一顯示裝置的示意圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

第1圖繪示本發明一實施方式之直下式背光模組100的分解圖。如第1圖所示，本實施方式之直下式背光模組100包含一透光板體110、多個圓錐形凹部120與一光源200。透光板體110包含相對之出光面111與入光面114。這些圓錐形凹部120間隔地排列於出光面111上。光源200包含一電路板210與多個發光二極體元件220。這些發光二 極體元件220為發光二極體封裝結構，並分別間隔地排列於電路板210上，且分別一一對齊這些圓錐形凹部120，用以提供光線經由入光面114進入透光板體110，以便光線於出光面111產生面光源。

第2圖繪示第1圖之2-2剖面圖，為方便解釋，第2圖也繪示發光二極體元件220及其周邊相關結構。每個發光二極體元件220夾設於電路板210與入光面114之間，更具體地，發光二極體元件220之頂面具有一發光面221，發光面221平貼入光面114，發光二極體元件220之底面具有連接腳位222，連接腳位222電性連接於電路板210之表面。

如第2圖所示，每一個圓錐形凹部120包含一尖端底部121與一凸曲面內壁122。若俯視出光面111時，圓錐形凹部120於出光面111上呈圓形，圓錐形凹部120之中心點即為尖端底部121。

尖端底部121於入光面114之一正投影P落於發光二極體元件220之發光面221上，甚至可精準地落於發光二極體元件220之發光面221之一中心上。凸曲面內壁122分別連接尖端底部121與出光面111，介於尖端底部121與出光面111之間，且完整地圍繞尖端底部121。換言之，圓錐形凹部120之凸曲面內壁122之剖面係為二弧線，這兩個弧線分別由圓錐形凹部120二相對側之出光面111對稱且彎弧地向下延伸，最終彼此相交並共同指向發光二極體元件220之末端形成尖端底部121。各弧線係為由複數個不 同斜率之線條所組成之曲線。

從光學設計的角度觀之，發光二極體元件220的50%強度展光角度會落在圓錐形凹部120內；換句話說，發光二極體元件220產生的光線，大部分落在凸曲面內壁122；極少部分落在圓錐形凹部120外，也就是直接大角度的射向出光面111，這些都可稱之為一次光學。受出光面111及凸曲面內壁122反射的光線，則相應的稱之為二次光學。

當發光二極體元件220之多個光線分別抵達這個凸曲面內壁122不同斜率之線條時，會在凸曲面內壁122上產生全反射，形成所繪示的第一光線L1，這些第一光線L1是被反射成水平方向(如X軸)運動，而與出光面111或入光面114平行，有效成為可受控之二次光學，這些二次光學將隨光程路徑發散，最終被出光面111或入光面114上設計的光學微結構(pattern)引導出來，藉以成為均勻出光面。

然而，當發光二極體元件220之一次光學光線落點超出圓錐形凹部120時，會形成大角度全反射且不受控制的二次光學，如圖所繪示的第二光線L2。這些第二光線L2是因為一次光學並非抵達這個凸曲面內壁122而是抵達出光面111，例如，抵達凸曲面內壁122與出光面111之交接處111J(或稱轉折點)。第二光線L2在交接處111J產生全反射，所以會彈向入光面114；展光角度大於第二光線L2的其他不受控制的二次光學也都會在交接處111J之外產生 全反射。因此，從出光面111正上方觀之，就會形成一段相對陰暗的環形區域112，造成光學品味不良。

因此，本發明之發明人殫精竭慮，找出前述光學品味不良的現象與造成此一現象的物理原因，並孜孜矻矻加以研究，終而提出如下諸實施方式，以解決前述之環形區域112暗帶問題。第3A圖繪示一實施方式之直下式背光模組101的剖視圖與光路示意圖。如第3A圖，本發明之一實施方式中，光源200更包含一或多個光反射部230。光反射部230位於電路板210與入光面114之間，其一側抵接入光面114，另側傾斜地伸向發光二極體元件220，故，光反射部230與入光面114不相互平行。

如此，參考第3A圖所示，由於光反射部230與入光面114不相互平行，相較於入光面114為傾斜狀，光反射部230可將發光二極體元件220側向所漏出之微光反射至透光板體110內，以便讓多個補償光線L3從所述環形區域112出光，補償所述環形區域112不足之亮度，進而讓所述環形區域112之亮度較接近圓錐形凹部120之凸曲面內壁122之亮度，改善面光源亮暗不勻的問題。

反觀第2A圖，由於第2A圖之電路板210表面與入光面114表面彼此大致平行，故，發光二極體元件220側向所露出之微光無法被利用至透光板體110內，進而無法有效地補強所述環形區域112之亮度。

在一些實施方式中，若光反射部230的尺寸有限而無法對應到被所述環形區域112反射而來之第二光線L2， 將無法提供補償光線L3回出光面111上，為此，如第3A圖，光反射部230朝遠離發光二極體元件220之方向(如X軸)，可至少側向延伸至所述環形區域112最外緣112R所垂直對應至入光面114的區域，以便讓這個光反射部230得以反射被所述環形區域112反射而來之第二光線L2。

第3B圖繪示第3A圖之直下式背光模組101的尺寸關係圖。詳細來說，如第3B圖，圓錐形凹部120具有一最大孔徑Φ，最大孔徑Φ為圓錐形凹部120二相對側之出光面111與凸曲面內壁122之交接處111J(或稱轉折點)彼此間之最小直線距離。線段R為尖端底部121與上述轉折點處於同一高度時之水平間距，即為最大孔徑Φ之半徑(Φ/2)。發光二極體元件220具有一厚度T與一寬度W。 厚度T為發光二極體元件220之頂面至底面(如Z軸)的一最小長度。寬度W為發光二極體元件220之頂面沿剖面方向(如X軸)延伸之一最小長度。由於尖端底部121於入光面114之正投影P落於發光二極體元件220之發光面221之中心上，因此，線段D為W/2，則線段K為線段R與線段D的相差值，即(Φ/2-W/2)。由於第二光線L2抵達出光面111之入射角α等於反射角α，因此，線段M為線段K的2倍值，即為(Φ-W)。

如此，當光反射部230與入光面114之間的夾角為θ時，線段S，的直線距離，至少為tanθ=厚度T/(最大孔徑Φ-寬度W)，才能讓光反射部230得以反射發光二極體元件220之光線至所述環形區域112。換句話說，光反射部 230與入光面114之夾角θ為tan^-1 [T/(Φ-W)]，調整夾角θ也可讓光反射部230得以反射發光二極體元件220之光線至所述環形區域112。

回第3A圖，在一些實施方式中，電路板210，例如為可撓式電路板或可撓式金屬芯印刷電路板。電路板210包含相對之上表面211U與下表面211L。發光二極體元件220與光反射部230都設於上表面211U上。此實施方式中，光反射部230為電路板210之上表面211U之部份，例如樹脂亮光漆或金屬鍍面。

當發光二極體元件220之出光面111與電路板210之上表面211U都抵接入光面114時，電路板210被彎曲而形成一凹陷部212於電路板210與入光面114之間，且發光二極體元件220位於凹陷部212內。凹陷部212之一或多個內壁表面212S即為光反射部230，且光反射部230環繞這個發光二極體元件220。

部份之實施方式中，由於第3A圖的電路板210每次都要精準地被彎曲後才會形成凹陷部212，才能讓光反射部230產生傾斜，才能讓光反射部230對位到正確的位置，以達成上述補償光線L3的功效。因此，在一些實施方式中，如第4A圖與第4B圖所示，這個直下式背光模組102中，具有一透光之光學透鏡250或不透光之外蓋。以光學透鏡250為例，光學透鏡250包含一本體251、一凹槽252與一貫穿孔253。本實施方式中，本體251包含相對之第一面251U與第二面251L。第一面251U抵接入光面114，第 二面251L抵接電路板210。凹槽252形成於本體251之第一面251U，使得第一面251U圍繞凹槽252。貫穿孔253位於凹槽252內，且自凹槽252底部貫穿至本體251之第二面251L。發光二極體元件220恰位於貫穿孔253內。光反射部231為凹槽252內壁表面252S，例如為光學透鏡250之一部分，並環繞發光二極體元件220。由俯視觀之，貫穿孔253為內壁表面252S之中心點(第4B圖)，且內壁表面252S之剖面係為二直線，各直線對稱地自入光面114向下延伸至貫穿孔253(第4A圖)。

安裝時，先將光學透鏡250放置於電路板210上，使得發光二極體元件220進入貫穿孔253與凹槽252內，再將光學透鏡250與發光二極體元件220緊靠入光面114，使得光學透鏡250之第一面251U與發光二極體元件220之發光面221都抵靠入光面114，且光學透鏡250與發光二極體元件220都被夾設於入光面114與電路板210之間。本實施方式中，電路板210不限為硬式電路板或可撓式電路板。

其他實施方式中，第5圖繪示一實施方式之直下式背光模組103的剖視圖。如第5圖所示，第5圖之直下式背光模組103與第4A圖之直下式背光模組102大致雷同，只是光反射部232係另外形成於凹槽252之一或多個內壁表面252S上，讓光反射部232依附於凹槽252之內壁上，且環繞發光二極體元件220。舉例來說，光反射部232為光反射片(例如塑膠片)或光反射物塗層(例如金屬鍍膜)。

此外，由第5圖可知，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，還是可以視情況需要，選擇光反射部為平面、全平面、弧面或其組合。

此外，上述各實施方式中，為了讓光反射部230提高光學性能，光反射部230具有光學圖案235間隔地形成於光反射部上。光學圖案235例如是光反射圖案、光擴散圖案或二者皆是(圖中未示)。光學圖案235亦可為均勻或不均勻地分佈。

本發明不限光反射部之顏色與材質。光反射部之顏色例如可為白色、銀色或其他合適的顏色。光反射部可為一具有亮色塗層的塑膠或為一高反光係數之金屬(例如銀、鋁、金、鉻、銅、鈀、鈦或其他金屬及合金)，但不僅限於此。

此外，回第3A圖所示，為確保透光板體110提供更好的出光效率，透光板體110更包含多個擴散用或反射用之光學微結構113。光學微結構113間隔地形成於出光面111上，此實施方式中，光學微結構113僅形成於出光面111之環形區域112上，使得光學微結構113可更強化補償光線L3朝所述環形區域112出光的亮度。當然，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，還是可以視情況需要，選擇將光學微結構113形成於出光面111與入光面114上。

為解決面光源亮暗不勻的現象，直下式背光模組100亦可選擇將發光元件本身的出光角度予以收斂，使得發光元件之光線都集中於圓錐形凹部120之凸曲面內壁122 上。如此，第6圖繪示一實施方式之直下式背光模組104的剖視圖。如第6圖所示，直下式背光模組104之透光板體110與多個圓錐形凹部120與上述相同，以下不再加以贅述。直下式背光模組104之發光二極體元件240包含導線架241、發光二極體晶粒242(die)與封裝體243。發光二極體晶粒242電性連接導線架241。封裝體243包覆導線架241與發光二極體晶粒242，以形成一發光二極體封裝晶片。封裝體243內具有一內腔244，發光二極體晶粒242位於這個內腔244內，對齊其中一個圓錐形凹部120之尖端底部121。

由於封裝體243之剖面具有二直線分別傾斜地向上延伸，由導線架241朝出光面111之方向(如Z軸)逐漸地相互遠離，且這兩個直線之假想延伸線244L分別恰通過凸曲面內壁122與出光面111之交接處111J。如此，藉由封裝體243內壁所形成的角度限制，發光二極體晶粒242本身的出光角度被限縮，使得發光二極體晶粒242大部分之光線都集中於圓錐形凹部120之凸曲面內壁122後，可有效受成為可受控之二次光學，大大縮小環形區域112的暗帶。

第7圖繪示本發明一實施方式之一顯示裝置300的示意圖。如第7圖所示，顯示裝置300包含一顯示面板310與上述直下式背光模組(例如101)，直下式背光模組100位於顯示面板310之一側，以提供顯示面板310足夠的發光亮度。

如此，藉由本發明之直下式背光模組之設計，因為光反射部將光線反射至圓錐形凹部之周圍區域，補償了圓錐形凹部之周圍區域之亮度，或發光二極體晶粒本身的出光角度被限縮以對應圓錐形凹部，避免暗帶現象的產生，進而提高出光面之均勻亮度並解決面光源亮暗不勻的問題。

101‧‧‧直下式背光模組

110‧‧‧透光板體

111‧‧‧出光面

112‧‧‧環形區域

112R‧‧‧環形區域最外緣

113‧‧‧光學微結構

114‧‧‧入光面

120‧‧‧圓錐形凹部

121‧‧‧尖端底部

122‧‧‧凸曲面內壁

200‧‧‧光源

210‧‧‧電路板

211U‧‧‧上表面

211L‧‧‧下表面

212‧‧‧凹陷部

212S‧‧‧內壁表面

220‧‧‧發光二極體元件

221‧‧‧發光面

230‧‧‧光反射部

235‧‧‧光學圖案

L2‧‧‧第二光線

L3‧‧‧補償光線

Claims (10)

1. 一種直下式背光模組，包含：一透光板體，包含相對之出光面與入光面；至少一個圓錐形凹部，設於該出光面上，包含：一尖端底部；以及一凸曲面內壁，連接於該尖端底部與該出光面之間，且圍繞該尖端底部；至少一發光二極體元件，抵接該入光面，其中該尖端底部於該入光面之一正投影落於該發光二極體元件上；以及至少一光反射部，抵接該入光面，傾斜地伸向該發光二極體元件，用以反射光線回該透光板體內，其中該光反射部與該入光面之夾角為：tan^-1 [T/(Φ-W)]其中，T為該發光二極體元件之厚度，Φ為該圓錐形凹部之最大孔徑，W為該發光二極體元件之寬度。
2. 如請求項1所述之直下式背光模組，其中該光反射部係形成於一電路板上，該電路板承載並電性連接該發光二極體元件，且該發光二極體元件夾設於該電路板與該入光面之間。
3. 如請求項2所述之直下式背光模組，其中該發光二極體元件之一出光面與該電路板之一面皆抵接該入光面，以致一凹陷部形成於該電路板與該入光面之間，其中該發光二極體元件位於該凹陷部內。
4. 如請求項3所述之直下式背光模組，其中該光反射部為該凹陷部之至少一內壁。
5. 如請求項3所述之直下式背光模組，其中該光反射部依附於該凹陷部之至少一內壁上。
6. 如請求項2所述之直下式背光模組，更包含：一光學透鏡，包含：一本體，位於該電路板與該入光面之間，包含相對之第一面與第二面，且該第一面抵接該入光面，該第二面抵接電路板；一凹槽，形成於該本體之該第一面；以及一貫穿孔，位於該凹槽內，且貫穿該本體之該第二面，且該發光二極體元件位於該凹槽與該貫穿孔內。
7. 如請求項6所述之直下式背光模組，其中該光反射部為該凹槽之至少一內壁。
8. 如請求項6所述之直下式背光模組，其中該光反射部依附於該凹槽之至少一內壁上。
9. 如請求項1所述之直下式背光模組，其中該光反射部為一光反射片與一光反射物塗層其中之一。
10. 如請求項1所述之直下式背光模組，更包括一光反射圖案，形成於該光反射部。