TWI519864B - 具漸變折射率透鏡的導光模組及背光模組 - Google Patents

Description

具漸變折射率透鏡的導光模組及背光模組

本發明係關於一種導光模組及背光模組，特別是一種具漸變折射率透鏡的導光模組及背光模組。

傳統側光式背光模組包含了導光板及光源。光源位於導光板之一側，且光源之光線射入導光板。藉由導光板來導引光線方向轉向予顯示面板，可提高顯示面板光輝度及控制亮度均勻。

為了讓平板電腦、筆記型電腦或顯示螢幕能夠進一步薄型化，背光模組之導光板有越做越薄的趨勢。然而，當導光板薄化而使得導光板之入光面的尺寸則小於光源之發光面的尺寸時，導光板之入光面則無法完全覆蓋光源之發光面，進而造成部分光線外漏並導致光源之光利用效率降低。

現行較為常見的解決作法為在導光板之入光側增加厚度由入光側朝內遞減的楔形結構。此設計的用意為除了透過楔形結構來增加導光板入光側的厚度外，更透過楔形結構之斜面來將入射光線重新導引至出光面射出，以改善漏光的問題。然而，若楔形結構之斜面太傾斜，則無法發揮導引入射光線的效果，若楔形結構之斜面太平緩，則導光板上又產生較長的光犧牲區而造成空間上與成本上的浪費。因此，如何避免發生光源與薄型化之導光板之間產生漏光的問題，以提升光源對於導光板之光輸入效率將是研發人員應解決的問題 之一。

本發明在於提供一種具漸變折射率透鏡的導光模組及背光模組，藉以避免發生光源與薄型化之導光板之間產生漏光的問題，進而提升光源對於導光板之光輸入效率。

本發明所揭露的具漸變折射率透鏡的導光模組，以配合可發出一入射光線之一光源，具漸變折射率透鏡的導光模組包含一導光板及一漸變折射率透鏡。導光板具有一出光面及一入光面。入光面連接於出光面之一端並且鄰近與面向於光源以接收入射光線。漸變折射率透鏡具有一第一表面、一第二表面及一第三表面。第一表面平行並相對於第二表面。第一表面與第二表面分別連接於第三表面之相對兩端。漸變折射率透鏡之第一表面貼附於導光板之出光面，且漸變折射率透鏡之第三表面與導光板之入光面朝向相同方向以面向於光源而接收入射光線。其中，漸變折射率透鏡之一內部折射率自第一表面朝第二表面遞增，且內部折射率之一最小折射率小於導光板之一折射率，以令自第三表面進入之一入射光線可在漸變折射率透鏡內經多次折射再經第二表面全反射回導光板。

本發明所揭露的具漸變折射率透鏡的背光模組，包含一如上所述之具漸變折射率透鏡的導光模組及一光源。光源具有一發光面。發光面面向入光面與第三表面。

根據上述本發明所揭露的具漸變折射率透鏡的導光模組及背光模組，將漸變折射率透鏡疊設於導光板之出光面靠近入光面處，以彌補導光板小於光源之厚度而產生之光輸入效率降低的缺陷。更透過漸變折射率透鏡之內 部折射率自第一表面朝第二表面遞增，且漸變折射率透鏡之最小折射率小於導光板之折射率的特徵，以令自第三表面進入之一入射光線經第二表面全反射回導光板，進而提升光源之光線輸入導光板之光輸入效率。

以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。

10‧‧‧背光模組

20‧‧‧光源

22‧‧‧發光面

30‧‧‧導光模組

30a‧‧‧導光模組

30b‧‧‧導光模組

30c‧‧‧導光模組

32‧‧‧導光板

32a‧‧‧入光面

32b‧‧‧出光面

34‧‧‧漸變折射率透鏡

34a‧‧‧第一表面

34b‧‧‧第二表面

34c‧‧‧第三表面

34d‧‧‧第四表面

341‧‧‧第1層透光層

342‧‧‧第2層透光層

343‧‧‧第3層透光層

34i‧‧‧第i層透光層

346‧‧‧第6層透光層

341a‧‧‧第一材料層

341b‧‧‧第二材料層

342a‧‧‧第一材料層

342b‧‧‧第二材料層

343a‧‧‧第一材料層

343b‧‧‧第二材料層

第1圖為根據本發明第一實施例所述之具漸變折射率透鏡的背光模組的側視示意圖。

第2圖為第1圖之具漸變折射率透鏡的背光模組的光跡示意圖。

第3圖為根據本發明第二實施例所述之具漸變折射率透鏡的光學模組的側視示意圖。

第4圖為根據本發明第三實施例所述之具漸變折射率透鏡的光學模組的側視示意圖。

第5圖為根據本發明第四實施例所述之具漸變折射率透鏡的光學模組的側視示意圖。

請參閱第1圖。第1圖為根據本發明第一實施例所述之具漸變折射率透鏡的背光模組的側視示意圖。

如第1圖所示，本實施例之具漸變折射率透鏡34的背光模組10包含一導光模組30及一光源20。

導光模組30包含一導光板32及一漸變折射率透鏡34。

導光板32具有一入光面32a及一出光面32b。入光面32a連接於出光面32b之一端。導光板32之折射率為ng。

漸變折射率透鏡34貼附於導光板32出光面32b上鄰接入光面32a處。漸變折射率透鏡34例如透過共壓或貼合製程製作而包含i層相疊的透光層341~34i，且i2。第1層透光層341於遠離第2層透光層342處具有一第一表面34a。第i層透光層34i於遠離第1層透光層341處具有一第二表面34b。這些透光層341~34i之相對兩側共同形成一第三表面34c及一第四表面34d。第三表面34c之相對兩端分別連接於第一表面34a與第二表面34b。第四表面34d相對於第三表面34c，且第四表面34d之相對兩端分別連接於第一表面34a與第二表面34b。換言之，就第1圖而言，漸變折射率透鏡34具有上下平行相對應的第一表面34a、第二表面34b以及左右平行相對應的第三表面34c、第四表面34d。

各透光層341~34i的材質是由聚碳酸酯(Polycarbonate，PC，折射率為1.586)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA，折射率為1.49)、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯(MMA Styrene Copolymer，MS，折射率為1.564)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS，折射率為1.492)、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate，PET，折射率為1.59~1.6)、環烯烴共聚合物(Cyclic Olefin Copolymer，COC)、環烯烴聚合物(Cyclo Olefin Polymer簡稱COP)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚乳酸(Polylactide，PLA)等透明塑膠、玻璃所構成群組的至少其中之一。也就是說，每一層透光層341~34i可以由單一材質製成，也可以由至少二不同材質疊合製成，並不以此為限。

第1層透光層341之第一表面34a貼附於導光板32之出光面 32b，使第1層透光層341至第i層透光層34i依序疊設於導光板32之出光面32b。在本實施例中，第三表面34c與入光面32a朝向同一方向，且共平面。但並不以此為限，在其他實施例中，第三表面34c與入光面32a也可以彼此並保持一錯開間距而不共平面。

值得注意的是，這些透光層341~34i具有相異折射率。詳細來說，漸變折射率透鏡34之內部折射率n1~ni大於1，且自第一表面34a朝第二表面34b的方向遞增，即這些透光層341~34i的折射率n1~ni由第1層至第i層遞增。換言之，這些透光層341~34i之折射率滿足1<n1<n2<...<ni的關係。其中，ni為第i層透光層34i之折射率。

在本實施例中，漸變折射率透鏡34之內部折射率n1~ni係以落於1.2至1.6之間為例，但並不以此為限，在其他實施例中，漸變折射率透鏡34之內部折射率n1~ni也可以落於1.2至1.6之區間外。

此外，漸變折射率透鏡34之最小折射率n1(第1層透光層341的折射率)小於導光板32之折射率ng。

光源20具有一發光面22。發光面22面向入光面32a與第三表面34c，以令自發光面22發出之光線能夠自導光板32之入光面32a與漸變折射率透鏡34之第三表面34c進入而形成多條相異入射角度的入射光線L1。

請參閱第2圖。第2圖為第1圖之具漸變折射率透鏡的背光模組的光跡示意圖。

如第2圖所示，漸變折射率透鏡34之透光層341~346的數量以6層為例。入射光線L1自第三表面34c進入漸變折射率透鏡34之第1層透光層341。入射光線L1於進入第三表面34c之入射角為θ1。透過第1層透光層341 至第6層透光層346之折射，使得入射光線L1於射出第1層透光層341至射出第5層透光層345之折射角依序為θ2至θ7。入射角θ1與入射光線L1之各折射角θ2~θ7的關係式如表一。

由於n1~n7滿足1<n1<n2<...<ni，故θ2>θ1，θ3>(90°-θ2)， θ4>θ3，...，θ7>θ6。也就是說，經各層透光層341~346折射後，入射光線L1之折射角會逐漸擴大，使得入射光線L1於射出第5層透光層345之折射角θ7能大於第6層透光層346之第二表面34b之全反射角，以令第二表面34b可反射入射光線L而形成一反射光線L2。

接著，反射光線L2之反射角為α6。透過第6層透光層34至第 1層透光層34之折射，使得反射光線L2於射出第6層透光層34至射出第1層透光層34之折射角依序為α5~α0。入射光線L1之折射角θ7、反射角α6與反射光線L2之各折射角α5~α0的關係式如表二。

由於n1~n7滿足1<n1<n2<...<ni，且n1<ng，故α6>...>α1， 且α1<α0。也就是說，經各層透光層34折射後，反射光線L2之折射角會逐漸縮小，以避免反射光線從漸變折射率透鏡34之第四表面34d射出而造成漸變折 射率透鏡34將光源20外漏之光線重新導回導光板32之效率降低。

為了進一步提升漸變折射率透鏡34將漏光之光線重新導回導光 板32之集光效率，在設計時可進一步界定漸變折射率透鏡34之尺寸。詳細來說，先定義一垂直方向a平行於導光板32之出光面32b的法線方向，以及一水平方向b水平於導光板32之入光面32a的法線方向。漸變折射率透鏡34於垂直方向a上具有一厚度H，漸變折射率透鏡34於水平方向b上具有一寬度W，且厚度H與寬度W較佳者為滿足W10H的關係，以降低進入漸變折射率透鏡34之光線自第四表面34d射出的機率，進而提升漸變折射率透鏡34將漏光之光線重新導回導光板32之集光效率。

此外，反射光線射出第1層透光層341的折射角α0大於反射光 線射出第2層透光層342的折射角α1能夠將光線導引至導光板32較遠離光源20的位置，進而提升導光板32之光均勻性。

以下分別將本實施例採用漸變折射率透鏡之背光模組10與習知 採用楔型結構之背光模組進行模擬，本實施例之背光模組10的尺寸如下。導光板32的厚度T1為0.3毫米，光源20的厚度T2為0.6毫米，漸變折射率透鏡34的高度H為0.3毫米，漸變折射率透鏡34的寬度W為3.529毫米，導光板32之折射率ng為1.49，透光層之層數為10層，第1層透光層之折射率為1.46，第10層透光層之折射率為1.595，第1層透光層至第10層透光層之折射率遞增，且任二相鄰透光層之折射率的差值相同，皆為0.015。習知之楔型結構的高度與寬度分別相同於漸變折射率透鏡34的高度與寬度。

相較於習知之背光模組10，本實施例之背光模組10之光通量自 11.2503流明(lm)提升至12.2963(lm)，且平均照度自1.25E+06勒克斯(lx)提升至 1.36E+06勒克斯(lx)。

值得注意的是，上述用於模擬之漸變折射率透鏡34之任相鄰的二透光層之折射率的差值相同。但並不以此為限，在其他實施例中，漸變折射率透鏡34之任相鄰的二透光層之折射率的差值也可以相異。

接著，請參考表三。

表三透光層之層數i、漸變折射率透鏡之寬度W與光源之光線輸入至導光板之光輸入效率間的關係

上述的光輸入效率為導光板32接收之光線量除以光源20發出 之光線量。透過表三可知，透光層之層數i越多，漸變折射率透鏡34之寬度W的需求越短。也就是說，導光板32無法出光之犧牲區越少。而當W>10H時， 光源20之光線輸入至導光板32之光輸入效率基本上都接近99百分比，甚至超過99百分比。

請參閱第3圖。第3圖為根據本發明第二實施例所述之具漸變折射率透鏡的光學模組的側視示意圖。

上述第1圖之實施例中，這些透光層341~346的厚度d相同，但並不以此為限。如第3圖所示，在本實施例之光學模組30a中，這些透光層341~346之各層厚度也可以相異。在本實施例中，這些透光層341~346的厚度自第一表面34a朝第二表面34b遞增或遞減，且這些透光層341~346從第1層至第6層的厚度分別為d1~d6。第1層至第6層的厚度d1~d6較佳者滿足d1<d2<...<d6。在本實施例中，透光層之層數以6層為例，但並不以此為限，在其他實施例中，若透光層之層數為i層，則第1層至第i層的厚度d1~di較佳者滿足d1<d2<...<di的關係。

請參閱第4圖。第4圖為根據本發明第三實施例所述之具漸變折射率透鏡的光學模組的側視示意圖。

上述第1圖之實施例中，每一層透光層341~346係由單一材料製成，但並不以此為限。如第4圖所示，在本實施例之光學模組30b中，每一層透光層341~346係由不同材料疊合製成。詳細來說，第1層透光層341至第6層透光層346各包含一第一材料層341a~346a及一第二材料層341b~346b，而每一透光層341~346之第一材料層341a~346a及一第二材料層341b~346b之疊合厚度加總必須滿足<0.25λ(λ為從第三表面34c射入之入射光線之波長)。舉例來說，第一材料層341a~346a與第二材料層341b~346b分別為聚碳酸酯(PC)與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。但並不以此為限，在其他實施例中，第一材料層 341a~346a與第二材料層341b~346b可分別為聚碳酸酯(PC)與聚乳酸(PLA)，或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)與聚苯乙烯(PS)，或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)與甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯(MS)。

請參閱第5圖。第5圖為根據本發明第四實施例所述之具漸變折射率透鏡的光學模組的側視示意圖。

上述第1圖之實施例中，漸變折射率透鏡34之透光層之層數係以多層為例，但並不以此為限。如第5圖所示，在本實施例之光學模組30c中，漸變折射率透鏡34之透光層之層數為1層，且漸變折射率透鏡34係用離子植入的方式製成，漸變折射率透鏡34之離子濃度自第一表面34a朝第二表面34b遞增或遞減。

詳細來說，因材料特性的關係，離子濃度與折射率間可成正比或反比。在本實施例中，係採用離子濃度與折射率成反比之材料，使得漸變折射率透鏡34之透光層34之層數雖然僅為1層，但亦能保持漸變折射率透鏡34之內部折射率自第一表面34a朝第二表面34b遞增，且漸變折射率透鏡34之最小折射率小於導光板32之折射率，以令自第三表面34c進入之一入射光線經第二表面34b全反射回導光板32。

根據上述本發明所揭露的具漸變折射率透鏡的導光模組及背光模組，將漸變折射率透鏡疊設於導光板之出光面靠近入光面處，以彌補導光板小於光源之厚度而產生之光輸入效率降低的缺陷。更透過漸變折射率透鏡之內部折射率自第一表面朝第二表面遞增，且漸變折射率透鏡之最小折射率小於導光板之折射率的特徵，以令自第三表面進入之一入射光線經第二表面全反射回導光板，進而提升光源之光線輸入導光板之光輸入效率。

雖然本發明的實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述的形狀、構造、特徵及數量當可做些許的變更，因此本發明的專利保護範圍須視本說明書所附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧背光模組

20‧‧‧光源

22‧‧‧發光面

30‧‧‧導光模組

32‧‧‧導光板

32a‧‧‧入光面

32b‧‧‧出光面

34‧‧‧漸變折射率透鏡

34a‧‧‧第一表面

34b‧‧‧第二表面

34c‧‧‧第三表面

34d‧‧‧第四表面

341‧‧‧第1層透光層

342‧‧‧第2層透光層

343‧‧‧第3層透光層

34i‧‧‧第i層透光層

Claims (15)

1. 一種具漸變折射率透鏡的導光模組，以配合可發出一入射光線之一光源，其包含：一導光板，具有一出光面及一入光面，該入光面連接於該出光面之一端並且鄰近與面向於該光源以接收該入射光線；以及一漸變折射率透鏡，具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，該第一表面平行並相對於該第二表面，該第一表面與該第二表面分別連接於該第三表面之相對兩端，該漸變折射率透鏡之該第一表面貼附於該導光板之該出光面，且該漸變折射率透鏡之該第三表面與該導光板之該入光面朝向相同方向以面向於該光源以接收該入射光線；其中，該漸變折射率透鏡之一內部折射率自該第一表面朝第二表面遞增，且該內部折射率之一最小折射率小於該導光板之一折射率，以令自該第三表面進入之該入射光線可在該漸變折射率透鏡內經歷多次折射再經該第二表面全反射回該導光板。
2. 如請求項1所述之具漸變折射率透鏡的導光模組，其中該漸變折射率透鏡包含i層的透光層，且i.2，該第1層透光層至該第i層透光層依序疊設於該導光板之該出光面，該些透光層具有相異折射率，且該些透光層之折射率滿足1<n1<n2<...<ni的關係，ni為該第i層透光層之折射率。
3. 如請求項2所述之具漸變折射率透鏡的導光模組，其中1.2<ni<1.6。
4. 如請求項2所述之具漸變折射率透鏡的導光模組，其中該導光板之折射率為ng，且n1<ng。
5. 如請求項2所述之具漸變折射率透鏡的導光模組，其中每一該透光層由單一 材料或是至少二不同材料疊合製成。
6. 如請求項5所述之具漸變折射率透鏡的導光模組，其中任一該透光層的厚度為d，該入射光線之波長為λ，當每一該透光層係由至少二不同材料疊合製成時，d<0.25λ。
7. 如請求項2所述之具漸變折射率透鏡的導光模組，其中該些透光層的厚度彼此相異。
8. 如請求項7所述之具漸變折射率透鏡的導光模組，其中該些透光層的厚度自該第一表面朝該第二表面遞增或遞減。
9. 如請求項2所述之具漸變折射率透鏡的導光模組，其中任相鄰的二該透光層之折射率的差值相同。
10. 如請求項1所述之具漸變折射率透鏡的導光模組，其中該漸變折射率透鏡係用共壓或貼合的方式製成。
11. 如請求項1所述之具漸變折射率透鏡的導光模組，其中該漸變折射率透鏡係用離子植入的方式製成，該漸變折射率透鏡之離子濃度自該第一表面朝該第二表面遞增或遞減。
12. 如請求項1所述之具漸變折射率透鏡的導光模組，其中定義一垂直方向平行於該導光板之該出光面的法線方向，以及一水平方向水平於該導光板之該入光面的法線方向，該漸變折射率透鏡於該垂直方向上具有一厚度H，該漸變折射率透鏡於該水平方向上具有一寬度W，且W10H。
13. 如請求項1所述之具漸變折射率透鏡的導光模組，其中該漸變折射率透鏡的材質為聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯(MMA Styrene Copolymer，MS)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate，PET)、環烯烴共聚合物(Cyclic Olefin Copolymer，COC)、環烯烴聚合物(Cyclo Olefin Polymer簡稱COP)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚乳酸(Polylactide，PLA)等透明塑膠或玻璃。
14. 如請求項1所述之具漸變折射率透鏡的導光模組，其中該第三表面與該入光面共平面。
15. 一種具漸變折射率透鏡的背光模組，包含：一如請求項1~14之任一項所述之具漸變折射率透鏡的導光模組；以及一光源，具有一發光面，該發光面面向該入光面與該第三表面。