TWI487983B - 光學膜及使用光學膜之背光模組 - Google Patents

光學膜及使用光學膜之背光模組 Download PDF

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TWI487983B
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Yawen Hu
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Description

光學膜及使用光學膜之背光模組
本發明是有關於一種光學膜，且特別是有關於一種用於背光模組中的光學膜，以及使用此光學膜之背光模組。
一般而言，如液晶顯示器之顯示裝置屬於非自發光型的顯示器，故需要背光模組來提供光源。依據光源與出光面間的相對位置，背光模組的設計可分為兩種：側光式背光模組以及直下式背光模組。
側光式背光模組通常包含有光源、導光板以及一些光學元件。光學元件如反射片、擴散片以及二次元件。擴散片及二次元件依序設置於導光板的上方，分別用以遮蓋導光板的瑕疵，以及準直從擴散片射出的光線。高準直性的背光系統可有效提升觀察有效區內的能量並提高效率。反射片設置於導光板的下方，用以將導光板下方射出的光線反射回導光板。然而，這種背光模組會產生較多的菲涅爾損失，且準直性仍有待改善。
直下式背光模組是直接將光源放置在面板的下方。直下式背光模組的優點是出光均勻、可使用較多的光源以及亮度較高。但缺點是模組整體的厚度較厚，所使用的光源面積較大，使得成本較高且耗電量大。因此，目前市場上個人式中小型產品以側光式背光模組為主流。
鑑於上述，需開發一種可幫助減少側光式背光模組內零組件數目且兼具高準直性的光學膜，以期能解決上述問題。
本發明之一態樣是在提供一種光學膜。光學膜包含基層、複數個週期排列的反射凸部以及複數個週期排列的準直部。反射凸部設置於基層的第一表面上。每個反射凸部包含至少一反射側面以及一入光底面。反射側面與第一表面間具有一夾角介於20度至80度間。入光底面大致平行第一表面，其用以接觸導光板。準直部設置於基層的第二表面上，且反射凸部分別對應準直部。在成對的反射凸部及準直部中，反射凸部的中心軸線大致重合準直部的中心軸線。
根據本發明一實施方式，提供一種背光模組，其包含導光板、第一光源與光學膜。第一光源設置於導光板之第一側面的旁邊。光學膜設置於導光板上，光學膜包含基層、複數個週期排列的反射凸部以及複數個週期排列的準直部。反射凸部設置於基層的第一表面上。每個反射凸部包含至少一反射側面以及一入光底面。反射側面與第一表面間具有一夾角介於20度至80度間。入光底面大致平行第一表面，其用以接觸導光板。準直部設置於基層的第二表面上，且反射凸部分別對應準直部。在成對的反射凸部及準直部中，反射凸部的中心軸線大致重合準直部的中心軸線。
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本發明的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。以下所揭露的各實施例，在有益的情形下可相互組合或取代，也可在一實施例中附加其他的實施例，而無須進一步的記載或說明。
在以下描述中，將詳細敘述許多特定細節以使讀者能夠充分理解以下的實施例。然而，可在無此等特定細節之情況下實踐本發明之實施例。在其他情況下，為簡化圖式，熟知的結構與裝置僅示意性地繪示於圖中。
本發明之一態樣是在提供一種光學膜100。光學膜100包含基層110、週期排列的反射凸部120以及週期排列的準直部130，如第1A圖所示。反射凸部120與準直部130分別設置於基層110的第一表面110a及第二表面110b上，如第1B圖所示。第1B圖為第1A圖中1A至1A’線段的剖面圖。
光學膜100用以準直光線，其可設置於導光板200上。光線自導光板200的側邊進入後，會在導光板內以全反射方式前進。因此，導光板200的下方不需設置反射片。當光線接觸到反射凸部120的底部時，進入到反射凸部120中反射而穿透基層110，再藉由準直部130收斂後準直射出。
在一實施方式中，基層110、反射凸部120、準直部130及導光板200為相同的材料。其材料可例如為聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate),PMMA)。由於光學膜100及導光板200為由相同的材料製成，因此可避免菲涅爾損失(Fresnel loss)。
反射凸部120設置於基層110的第一表面110a上，如第1B圖所示。每個反射凸部120包含至少一反射側面120a以及一入光底面120b。反射側面120a用以讓光線全反射後依序進入基層110與準直部130，而不讓光線直接穿透反射側面120a到達外界。因此，反射側面120a與第一表面110a間具有一夾角α，其介於20度至80度間。在一實施方式中，反射側面120a與第一表面110a間的夾角α係介於40度至60度間。夾角α是指反射凸部120與第一表面110a接觸的面積A1與反射側面120a間的夾角。在一實施方式中，反射凸部120與第一表面110a接觸的面積A1大於入光底面120b的面積A2，如第2A圖所示。
在一實施方式中，反射凸部120的形狀為截錐體(truncated taper)，如第2A-2B圖所示。在一實施例中，截錐體為截頂圓錐(truncated cone)1201(參照第2A圖)。在另一實施例中，截錐體為截頂多角錐(truncated pyramid)，例如截頂四角錐1202(參照第2B圖)，其具有四個反射側面120a。
入光底面120b大致平行第一表面110a，如第1B圖所示。入光底面120b用以接觸導光板200的上表面。因此，當在導光板120內全反射前進的光線接觸到入光底面120b時，光線會進入到反射凸部120中。換言之，反射凸部120用以破壞光線在導光板200內的全反射。
準直部130設置於基層110的第二表面110b上，且反射凸部120對應準直部130，如第1B圖所示。準直部130用以收斂準直光線。
在成對的反射凸部120及準直部130中，反射凸部120的中心軸線C1大致重合準直部130的中心軸線C2。這是因為在反射凸部120內全反射的光線要傳輸至基層110以及準直部130，所以反射凸部120與準直部130間需大致對準。也就是說，反射凸部120對基層110的垂直投影必須與準直部130對基層110的垂直投影重疊。較佳的是，上述反射凸部120的垂直投影中心點CP1與準直部130的垂直投影中心點CP2位於同一軸線上。所以，每一反射凸部120所反射之光線皆藉由其對應的準直部130來收斂準直，使得此光學膜100具有良好的準直性。
在一實施方式中，反射凸部120與第一表面110a接觸的面積A1小於準直部130與第二表面110b接觸的面積A3，如第1B圖所示。這是因為，在反射凸部120內全反射的光線要傳輸至準直部130中。若面積A3小於面積A1，則在反射凸部120內全反射的光線會穿過基層110直接到達外界，而未經過準直部130。
此外，因光線是由成對的反射凸部120及準直部130控制，所以改變反射凸部120及準直部130的分佈密度就可調整照度分佈(illumination distribution)。依照準直部130的排列關係來分類，可分為間隔排列及並排(side-by-side)。在一實施方式中，準直部130與另一鄰近的準直部130間的最小距離d1 介於0毫米至0.1毫米間。在一實施方式中，準直部130的中心點與另一鄰近的準直部130的中心點間的最小距離d2 介於0.2毫米至0.3毫米間。
在一實施方式中，準直部130為間隔排列，如第1A圖所示。
在一實施方式中，準直部130係呈現並排的形式，如第3圖所示。也就是說，準直部130與另一鄰近的準直部130間的最小距離d1為零。
在一實施方式中，準直部130為準直透鏡，而準直透鏡不限為任何形狀。在一實施例中，準直透鏡為球面透鏡(spherical lens)。
下述將說明如何藉由光線路徑的原理來設計光學膜100的結構。
如第4A圖所示，當光線射至導光板200與入光底面120b之間時，光線進入到反射凸部120中，然後被反射側面120a反射。其關係如算式(1)至(3)所示：
γ=α-θ in 　0θ in sin-1 (1/n )　(1)
α+β+γ=90°　(2)
如第4B圖所示，當θin 分別為0°和臨界角之兩道光線入射時，皆會被反射側面120a反射。將兩反射光線延長而產生一個交點，其即為虛擬發射點(Pv)。所有被準直的光線可被視為由此虛擬發射點Pv發射出。根據鏡像理論，虛擬發射點Pv與實際發射點(real emission point,Pr)看似為相同點。因此，第4B圖中的h1 可由以下算式(4)至(5)計算而得：
d =BD 　(4)
h 1 =d cos(β0 ), β0 =90°-2α　(5)
另外，定義虛擬發射點Pv與基層之第二表面110b間的距離為h。入光底面120b與虛擬發射點Pv間的距離為h1 。反射凸部120與基層110的高度分別為h2 和h3 。h為h1 、h2 和h3 的總和。
h =h 1 +h 2 +h 3 　(6)
第4C圖係顯示準直透鏡的焦點f及後焦距(back focus length,BFL)。根據焦點透鏡理論，由焦點f傳輸的光線會被透鏡準直為平行光。因此，當準直透鏡的焦點f大致重合虛擬發射點Pv時，可得到最佳準直化效果。根據司乃耳定律(Snell’s law)，後焦距BFL可由以下算式(7)至(9)計算而得：
sin(θ1 )=n 2 sin(θ2 )　(7)
cos(θ1 )=(R -t )/R 　(8)
BFL =y ×tan(90-θ1 +θ2 )　(9)
為達到最佳的準直特性，設定BFL與h相等，以使準直透鏡的焦點f重合虛擬發射點Pv。因此，可計算出反射凸部120與基層110的高度h2 、h3 。
BFL =h 　(10)
因此，在一實施例中，準直透鏡之後焦距BFL之長度大致為基層高度h3 、反射凸部高度h2 、入光底面120b與虛擬發射點Pv間的距離h1 的總和。在一實施例中，準直透鏡之焦點f大致重合虛擬發射點Pv。此外，準直透鏡的焦點f位於導光板200內。
在一實施方式中，提供一種背光模組10，其包含上述之光學膜100。而光學膜100設置於如導光板200之透光元件上，但不限於此。例如可將光學膜100貼合於導光板200上。具體而言，可將光學膜100的入光底面120b貼合且固定於導光板200的上表面。例如可先加熱光學膜100成熱塑態，然後在真空環境下將其放置於導光板200上，而使光學膜100貼合導光板200。或者，形成一黏著層(未繪示)於導光板200上，然後於真空環境下將光學膜100黏貼於黏著層上。光學膜100與導光板200的具體實施方式可與第1A-1B、2、3圖的敘述相同。
在一實施方式中，背光模組10更包含第一光源300設置於導光板200的第一側面202的旁邊，如第5圖所示。第一側面202即為入光面(incident surface)。第一光源300可為冷陰極螢光燈管(Cold Cathode Fluorescent Lamp,CCFL)或發光二極體(Light Emitting Diode,LED)光源。當背光模組10為單光源系統時，在導光板的第二側面204上可設置鏡子(未繪示)。第二側面204位於第一側面202的對面。
當由第一光源300射出之光線進入到導光板200時，光線可在導光板200中全反射前進，直到光線接觸到入光底面120b。由於導光板200與光學膜100的材質相同，因此光線會直接進入到反射凸部120內。當光線碰觸到反射側面120a時，光線會全反射而傳輸至準直部130。最後，光線被準直部130收斂準直射出。
在一實施方式中，背光模組10更包含一擴散片500設置於準直部130上。擴散片500用以遮蓋導光板200的瑕疵。
在一實施方式中，背光模組10更包含一第二光源400設置於導光板200之第二側面204的旁邊。換言之，背光模組10可為雙光源系統，以提昇亮度。
由上述可知，具有光學膜100的背光模組10無須使用反射片及二次稜鏡，並且可選用單光源或雙光源。
實施例
以下的實施例係用以詳述本發明之特定態樣，並使本發明所屬技術領域中具有通常知識者得以實施本發明。以下的實施例不應用以限制本發明。
實驗例1：具有光學膜的背光模組(單光源)
第6圖係顯示根據本發明一實施方式之背光模組。光源為由18個發光二極體(Nichia NESW155T)302所組成。發光二極體302屬於典型的朗伯光源(Lambertian light source)。導光板200接近發光二極體302的一面為入光面。在入光面的對面設置鏡子，以增強光效率。
導光板200和光學膜100皆由同一材料製成，以避免菲涅爾損失。材料為聚甲基丙烯酸甲酯。光學膜100的長度和寬度分別為236 mm與136.1 mm。光學膜100的相對兩表面上分別具有週期性排列的反射凸部120與準直部130。反射凸部120的形狀為截角圓錐，而準直部130為圓球形。
首先，設定夾角α為51.34°，然後根據上述算式計算出光學膜100中各部分的尺寸。在反射凸部120中，入光底面直徑BD為0.042 mm，上表面直徑TD為0.122 mm，高度h2 為0.05 mm。
導光板200的高度h4 與基層110高度h3 分別為1.4 mm與0.16 mm。
根據算式(6)與(10)，h為h1 、h2 和h3 的總和，且h與後焦距BFL相等。因此，準直部130的半徑R為0.15 mm，厚度t為0.09 mm。準直部130的中心點與另一鄰近的準直部130的中心點間的最小距離d2 為0.22 mm。
此外，為了減少微結構對視覺上的衝擊，所以在光學膜上加裝擴散片來遮蓋瑕疵。
利用光學模擬軟體LightTools模擬包含擴散片之背光模組的照度分佈，如第7圖所示。藉由九點量測法(nine points measuring method)可得到此背光模組的均勻度為89%。
第8A圖為包含擴散片之背光模組的光強度圖。由第8A圖可知，此背光模組具有良好準直水平方向光線和垂直方向光線的效果。
比較例1：傳統背光模組
傳統背光模組為奇美電子股份有限公司(Chimei Innolux Corporation)的產品，其型號為N101L6-L0B。此傳統背光模組已被廣泛應用於筆記型電腦中。
第8B圖為此傳統背光模組的光強度圖。其水平方向和垂直方向的準直性仍有待改善。
比較例2：具有V-cut設計的背光模組
具有V-cut設計之背光模組是於2011年由J. W. Pan等人[J. W. Pan and C. W. Fan“High luminance hybrid light guide plate for backlight system application”Opt. Express 19 20079-20087(2011)]所提出。
第8C圖為具有V-cut設計之背光模組的光強度圖。由第8C圖可知，V-cut設計可準直水平方向的光線。但此背光模組對垂直方向光線的準直效果較差。因此，若這種背光模組要準直垂直方向的光線，必須設置額外的稜鏡於導光板上。
由第8A-8C圖中可知，具有光學膜之背光模組(實驗例1)相較於傳統背光模組(比較例1)與具有V-cut設計的背光模組(比較例2)而言，在垂直或水平方向皆具有極佳的準直性。
第9圖為上述三種背光模組的輝度比值(Normalized luminance)和偏軸角(Off-axis angle)之間的關係圖。此處是藉由傳統背光模組的中心輝度(On-axis luminance)來歸一化(normalized)其他的輝度值。由實驗結果可知，具有光學膜之背光模組及具有V-cut設計的背光模組的中心輝度分別為傳統背光模組的6.1倍與3.4倍。具有光學膜之背光模組在垂直和水平方向的半輝角(half-luminance angle)分別為10°與6°。具有V-cut設計的背光模組在垂直和水平方向的半輝角分別為17°與5°。傳統背光模組在垂直和水平方向的半輝角分別為21°與21°。將上述背光模組的零組件數目及其光學特性列於表一中。
表一：具有光學膜之背光模組、傳統背光模組與具有V-cut設計的背光模組之比較
由表一可知，具有光學膜之背光模組的零組件數量最少，且具有優異的水平和垂直方向的準直性。
實驗例2：具有光學膜的背光模組(雙光源)
將實驗例1的背光模組另加上一個光源，並在兩個光源的後方都加上鏡子，而成為具有雙光源的背光模組。利用光學模擬軟體LightTools模擬此雙光源的背光模組的照度分佈，如第10圖所示。藉由九點量測法測得此背光模組的均勻度為96.5%。
第11圖為雙光源背光模組的光強度圖。同樣地，此背光模組也具有良好準直水平方向光線和垂直方向光線的效果。
第12圖為單光源背光模組和雙光源背光模組之輝度比值和偏軸角間的關係圖。雙光源背光模組的中心輝度相對於單光源背光模組，提昇了1.7倍。因此，在此雙光源的背光模組中，若無須如此高的亮度，可只開啟單邊光源(其即為省電模式)。當背光模組開啟兩邊光源(其即為高亮度模式)時，其具有更高的準直性及更良好的照度均勻度。因此，雙光源背光模組可依據不同的需求來選擇適當的模式，而可避免能源浪費。
反射凸部與準直部之容許偏移量
在製造光學膜的過程中，可能會有對位上的誤差，而導致反射凸部和準直部間沒有完全對準。而這樣的光學膜會影響光線傳輸的方向，而使得光學膜的準直性不如預期。因此，發明人分析了反射凸部與準直部對位誤差對光強度所造成的影響。
在第13圖中，反射凸部中心點和準直部中心點間在垂直方向和水平方向的偏移量(displacement)分別定義為參數x和y。θmax 為當光強度達到最大值時的角度。θh 為當最大光強度減低至50%時，兩個角度間差值的絕對值。將參數x和y分別設定為-20μm至+20μm，觀察其θmax 與θh 的改變。
若主要光線為直線方向，則θmax 為0°。如第14A圖所示，當x為-10μm至+4μm時，或y為-12μm至+12μm時，θmax 為0°。換言之，在上述偏移量之下，此背光模組的主要光線仍屬直向。相較於垂直方向的偏移量，水平方向可容許較大的的偏移量。這是因為側光式的光源在垂直方向和水平方向的光強度並非一致，所以兩方向的容許的偏移量也就不同。
若準直性高，則θh 較小。如第14B圖所示，垂直和水平方向的θh 分別為11°至13°和19°至20°。由此可知，在x和y分別偏移-20μm至+20μm間，對於其準直性略有影響。
由上述可知，此光學膜具有極佳的的準直性。而具有此光學膜的背光模組無須反射片及二次稜鏡等零組件，並且可選用單光源或雙光源。此外，相較於非週期性微結構，週期排列微結構較為容易製作，且製程成本低。這是因為在製作非週期性微結構的製程中，需運用到精準的對位技術。
綜上所述，本發明之實施方式已開發出可幫助減少背光模組內組件數目且兼具高準直性的光學膜，而可有效地應用於如手機、筆電等電子產品的背光模組中。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．背光模組
100．．．光學膜
110．．．基層
110a．．．第一表面
110b．．．第二表面
120．．．反射凸部
120a．．．反射側面
120b．．．入光底面
1201．．．截頂圓錐
1202．．．截頂四角錐
130．．．準直部
200．．．導光板
202．．．第一側面
204．．．第二側面
300．．．第一光源
302．．．發光二極體
400．．．第二光源
500．．．擴散片
A1．．．反射凸部與第一表面接觸之面積
A2．．．入光底面之面積
A3．．．準直部與第二表面接觸之面積
C1．．．反射凸部之中心軸線
C2．．．準直部之中心軸線
CP1．．．反射凸部之垂直投影中心點
CP2．．．準直部的垂直投影中心點
d1 ．．．準直部與另一鄰近之準直部之間距
d2 ．．．準直部之中心點與另一鄰近之準直部之中心點之間距
α．．．反射側面與第一表面之夾角
θin ．．．入射角
Pv．．．虛擬發射點
Pr．．．實際發射點
h1 ．．．入光底面與虛擬發射點間的距離
h2 ．．．反射凸部高度
h3 ．．．基層高度
h4 ．．．導光板高度
f．．．焦點
BFL．．．後焦距
R．．．準直部半徑
t．．．準直部厚度
h4 ．．．導光板的高度
BD．．．入光底面直徑
TD．．．上表面直徑
x．．．反射凸部中心點和準直部中心點間在垂直方向的偏移量
y．．．反射凸部中心點和準直部中心點間在水平方向的偏移量
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1A-1B圖係顯示依照本發明一實施方式之一種光學膜與導光板的示意圖。
第2A-2B圖係顯示依照本發明數個實施方式之反射凸部的示意圖。
第3圖係顯示依照本發明另一實施方式之一種光學膜的示意圖。
第4A-4C圖係顯示依照本發明一實施方式之一種在光學膜與導光板中光線路徑的示意圖。
第5圖係顯示依照本發明一實施方式之一種背光模組的剖面示意圖。
第6圖係顯示依照本發明一實施方式之一種背光模組的示意圖。
第7圖係顯示依照本發明一實施方式之一種單光源背光模組的照度分佈圖。
第8A、8B和8C圖係分別顯示依照本發明一實施方式之一種背光模組、傳統背光模組和具有V-cut設計之背光模組的光強度圖。
第9圖係顯示三種背光模組之輝度比值與偏軸角的關係圖。
第10圖係顯示依照本發明一實施方式之一種雙光源背光模組的照度分佈圖。
第11圖係顯示依照本發明一實施方式之一種雙光源背光模組的光強度圖。
第12圖係顯示依照本發明數個實施方式之一種單光源背光模組和雙光源背光模組之輝度比值與偏軸角的關係圖。
第13圖係顯示依照本發明一實施方式之反射凸部與準直部間垂直方向和水平方向的偏移量、θmax 和θh 的示意圖。
第14A-14B圖係顯示依照本發明一實施方式之反射凸部與準直部間垂直方向和水平方向的偏移量與θmax 和θh 的關係圖。
100．．．光學膜
110．．．基層
120．．．反射凸部
130．．．準直部
200．．．導光板
d1 ．．．準直部與另一鄰近之準直部之間距
d2 ．．．準直部之中心點與另一鄰近之準直部之中心點之間距

Claims (20)

  1. 一種光學膜，用以設置於一透光元件上，該光學膜包含：一基層，具有一第一表面及一第二表面；複數個週期排列的反射凸部，設置於該基層之第一表面上，各該些反射凸部包含：至少一反射側面，該反射側面與該第一表面間具有一夾角介於20度至80度間；以及一入光底面，大致平行該第一表面，用以接觸該透光元件；以及複數個週期排列的準直部，設置於該基層之第二表面上，各該準直部之焦點位於該透光元件內，該些反射凸部分別成對對應該些準直部，其中在成對對應之該反射凸部及該準直部中，該反射凸部之中心軸線大致重合(substantially coincide)該準直部之中心軸線。
  2. 如請求項1所述之光學膜，其中該基層、該些反射凸部、該些準直部及該導光板為相同之材料。
  3. 如請求項1所述之光學膜，其中該反射凸部與該第一表面接觸之面積小於該準直部與該第二表面接觸之面積。
  4. 如請求項1所述之光學膜，其中該反射凸部與該第一表面接觸之面積大於該入光底面之面積。
  5. 如請求項1所述之光學膜，其中該反射側面與該第一表面間之該夾角係介於40度至60度間。
  6. 如請求項1所述之光學膜，其中該反射凸部之形狀為截錐體(truncated taper)。
  7. 如請求項6所述之光學膜，其中該截錐體為截頂圓錐(truncated cone)或截頂多角錐(truncated pyramid)。
  8. 如請求項1所述之光學膜，其中該準直部為準直透鏡。
  9. 如請求項8所述之光學膜，其中該準直透鏡為球面透鏡(spherical lens)。
  10. 如請求項8所述之光學膜，其中該準直透鏡之焦點大致重合虛擬發射點。
  11. 如請求項8所述之光學膜，其中該準直透鏡之後焦距之長度大致為基層高度、反射凸部高度、該入光底面與該虛擬發射點間的距離的總和。
  12. 如請求項1所述之光學膜，其中該些準直部為間隔排列。
  13. 如請求項1所述之光學膜，其中該準直部與另一鄰近之該準直部間之間距介於0毫米至0.1毫米間。
  14. 如請求項1所述之光學膜，其中該準直部之中心點與另一鄰近之該準直部之中心點間之間距介於0.2毫米至0.3毫米間。
  15. 如請求項1所述之光學膜，其中該些準直部係並排(side-by-side)。
  16. 如請求項1所述之光學膜，更包含一擴散片設置於該些準直部上。
  17. 一種包含請求項1所述之光學膜之背光模組，其中該透光元件為導光板。
  18. 如請求項17所述之背光模組，更包含一第一光源，設置於該導光板之第一側面的旁邊。
  19. 如請求項18所述之背光模組，更包含一第二光源，設置於該導光板之第二側面的旁邊。
  20. 如請求項17所述之背光模組，更包含一擴散片設置於該光學膜之該些準直部上。
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