TWI536082B - 表面光源裝置及包含此裝置之背光單元 - Google Patents

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Description

表面光源裝置及包含此裝置之背光單元
本發明係有關一種表面光源裝置及包含此裝置之背光單元，尤指一種透過控制一稜鏡角度並從而最佳化前亮度實現高亮度與均勻亮度表面光源裝置及包含此裝置之背光單元。
導光板通常係應用於液晶顯示(LCD)裝置以提供被動元件式的液晶顯示模組光源。亦即，導光板係引導來自設置於其側邊或下方的光源(如LED燈)所發射的光線並擴散此發射光線以提供光線予疊置於發光表面上的液晶顯示模組。此外，一背光單元係由一光擴散片、一稜鏡片等層疊於導光板之發光表面所構成，以控制光線的亮度視角。
此外，為了滿足目前對輕薄、環保及低功耗裝置的需求而發展出的以發光二極體(LED)燈取代傳統冷陰極管燈(CCFL)作為光源之側光式發光二極體液晶顯示器，已引起極大的關注。
然而相較於冷陰極管燈，LED燈卻有發熱及零組件昂貴的問題。
為解決上述問題，針對降低LED燈使用數量的研發已在進行中。早期以LED燈為主的四側光式模型已被二側光式模型取代，且單側光式模型的發展也在增長中。
LED燈使用數量的減少增加了對能產生高亮度之光學組件的需求。例如韓國公開專利No.10-2008-0046312所揭示之側光式背光單元導光板(LGP)結構即將微透鏡(micro lens)之密度以從一 入射端至一非入射端漸增的方式鐫刻或浮雕於導光板的下表面，並將稜鏡圖案以垂直於一入射面的方向形成於一上表面，以使自入射面進入的光線集中且均勻地射向導光板的上層部位。另如韓國專利No.10-0702634所揭示之導光板及背光單元，其導光板即使用在兩個軸向上以規律間隔形成的反射結構以形成稜鏡間的規律間隔，也可使光源產生的光線以平行於光線進入表面的方向射入，鐫刻及浮雕稜鏡圖案可有相同的相對較寬的間距，亦可使來自光源的光線不變，如此藉由導光板上表面之光擴散片及稜鏡片即可讓光線以期望的角度入射，因此能產生高亮度。
然而傳統的背光單元之光線入射效率低，因此無法達到高亮度的要求。
為克服傳統背光單元的缺陷，本發明揭示一表面光源裝置，其中稜鏡圖案係於導光板背面以與光源(如LED等)之預設方向同向所形成，以增進光線射入效率，且微稜鏡片係以能使自導光板之入射光線亮度最佳化之一稜鏡角度層疊於導光板上。
相關技術文件 專利文件
1.韓國公開專利No.10-2008-0046312
2.韓國專利No.10-0702634
以下敘述係關於一種表面光源裝置及包含此裝置之背光單元，其中稜鏡之一角度係調整為能使正面亮度增進效率達到最佳化，以得到高亮度與均勻亮度的特性，並能降低光學組件的使用 數目，進而促進薄型面板模組的生產並降低製造成本。
為達上述目的，本發明提供一種表面光源裝置，包括：一導光板，其係包括一入射面，供接收從一設置於特定軸線上之光源射出的光線，一發射面，供發射通過的入射光，以及一後表面，係位於發射面之對立面，其中於發射面上形成柱狀透鏡，複數個其上鐫刻有微棱鏡之單體係分布於前述之後表面之上，前述微棱鏡之單元稜鏡具有一介於80°與83°之間的頂角，且前述之單元稜鏡之一特定方向係與光源之一特定方向對齊；以及一微棱鏡片，係層疊於導光板之上表面上，且設有一棱鏡頂角θ，係介於90°與110°之間。
於實施時，前述單體具有一直徑、一寬度或一長度，其係介於30 μm到1000 μm之間。
於實施時，前述單體之形狀為圓形、橢圓形或多邊形。
於實施時，前述微稜鏡之單位節距係介於5 μm到100 μm之間。
於實施時，形成於前述發射面上之柱狀透鏡之節距係介於50 μm到500 μm之間。
於實施時，前述微稜鏡片包括一基板以及形成於該基板上之一稜鏡部位，且該稜鏡部位係由折射率介於1.5到1.6之間的丙烯酸樹脂(acrylic resin)所構成。
於實施時，前述微稜鏡片係以垂直於該微稜鏡之一特定方向層疊於導光板之後表面上。
此外，本發明亦提供一種包含上述任一種表面光源裝置之背 光單元。
為進一步了解本創作之特點及功效等項，茲配合圖示與專利範圍詳述於後。
以下描述係用以幫助讀者了解本創作所述之方法及裝置和/或系統，據此，本創作所述之將提供方法及裝置和/或系統的各種變化、修正及其等同物將被提供給該領域熟知此技藝之人士。此外，為使描述更為清晰與簡明，為人所熟知的功能和結構的描述可能被省略。
第1圖為本發明之一種實施例中的一種表面光源裝置之剖面圖。參照第1圖，該表面光源裝置包括一導光板100以及一微稜鏡片210，導光板100係包括一入射面110，供接收從一設置於特定軸線上之光源200射出的光線，一發射面120，供發射通過的入射光，以及一後表面130，係位於發射面120之對立面；發射面120上形成柱狀透鏡，複數個其上鐫刻有微棱鏡140之單體131係分布於後表面130之上，每一單體131上的微棱鏡140之單元稜鏡具有一介於80°與83°之間的頂角，且微棱鏡140之一特定方向係與光源200之一特定方向對齊；微稜鏡片210係層疊於導光板100之上表面上並包含複數個稜鏡，其中每一個稜鏡具有一介於90°與110°之間的棱鏡頂角θ，應注意的是，在第1圖中只顯示被放大的單體131以及光源200以幫助了解。
導光板100透過反射、折射、繞射等方式改變從光源200經入射面110進入導光板100內的光線路徑而將光導向發射面120。導光板100可由堅硬不易碎且具有高透光率的聚合物材料所 構成，構成導光板100的聚合物材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯、丙烯酸樹脂、聚碳酸酯、環狀烯烴共聚物(COC)及其他類似材料，其中，雖非必要，但以丙烯酸類樹脂為較佳，並且以聚對苯二甲酸乙二醇酯為最佳。
具體來說，如第2圖所示係為第1圖中的導光板100之透視圖，如圖所示，沿特定軸線設置的光源200發射光線至導光板100中，而複數個具有微棱鏡140之單體131係分布於導光板100之後表面130上，其中每一個其上形成有微棱鏡140之單體131係以鐫刻方式設置於後表面130之上，但其亦可以浮雕方式雕刻於後表面130上；此外，單體131之微棱鏡140的底面與後表面130可為同一面，在此情況下，單體131的形狀係由微棱鏡140的形狀所構成。第2圖所示之掃描式電子顯微鏡照片顯示一形成於下方一點內之微棱鏡。
第3A圖為本發明之另一種實施例中的一種導光板之透視圖，而第3B-3E圖為形成於下表面的單體形狀之範例。如第3A圖所示，單體131係以點狀方式設置於後表面130之上。單體131的形狀可為圓形、橢圓形、三角形、矩形或其他類似形狀。
單體131形狀為圓形時，每一單體131的大小可為直徑介於30 μm至1000 μm之間，如單體131的直徑小於30 μm，位於單體131內部之棱鏡的長度將變得過短而無法形成棱鏡本身；而若單體131的直徑大於1000 μm，透過調整棱鏡密度以控制均勻性將變得困難，且當背光開啟時，將發生單體131可為人眼所見的缺陷。另外，單體131的形狀可從橢圓形變化為多邊型，只要橢圓形長軸及/或短軸的長度或多邊型之一邊的長度位於上述範圍 內。
第4圖為導光板後表面上每一單體上所形成的微稜鏡140之單元稜鏡的放大圖。參照第4圖，一個或多個微棱鏡140之單元稜鏡其特徵在於，其垂直於稜線一方向上之橫截面係為三角形；在此情況下，每個棱鏡的頂角θ 1可介於80°至83°之間；超過上述範圍的頂角θ 1為較次的選擇，因為光線可能會因此射往向前之外的方向而導致正面亮度的降低；換言之，當棱鏡頂角θ 1為介於80°至83°之間時，藉由將平行於光源之入射光傳播方向的光分量發射於向前的方向，可將發光效率提升至最大限度，而若棱鏡的頂角θ 1小於80°或大於83°時將降低正面發光效率，進而降低亮度改善效率。
此外，微棱鏡的單元稜鏡可具有介於5 μm與100μm之間的節距；若單元棱鏡間的節距小於5 μm，亮度改善效率將被大幅降低，而若該節距為大於100 μm，則包含棱鏡之單體131的尺寸將大幅增加，從而使亮度均勻性以及單體外觀的控制受到很大限制。
後表面130上單體131的分布可透過控制具相同直徑之單體131的密度來調整，亦即，單體131的分布方式可選擇為數量密度在入射面處為最小值，並隨著與入射面的距離增長而以梯度增加的方式分布；此外，單體131的分布可透過調整單體131的尺寸而加以控制，亦即，單體131的分布方式可選擇為單體尺寸在入射面處為最小值，並隨著與入射面的距離增長而以梯度增加的方式分布。
第5A-5C圖為形成於導光板100發射面120上之圖案範例。該圖案係被設置來控制導光板100最外層表面所發射的光線路 徑，該圖案能藉由其表層之透鏡形狀使光線集中成一光束；從後表面130反射的光線的發射角度係由該圖案所控制，使具有優良可視性及垂直亮度的較佳光線分布模式可以實現。該圖案可為半圓形柱狀透鏡(第5A圖)，其橫截面為一半圈形；該圖案可為拋物線透鏡(第5B圖)，其斜邊對於一通過頂點的垂直線具有相對曲率；該圖案亦可為一形成於導光板100發射面120上之獨立的半球形透鏡陣列(第5C圖)。
此外，在形成於發射面上之圖案為柱狀透鏡或拋物線透鏡的情況下，由該圖案之稜線所構成的方向應與從光源200射入的光線平行(或與從光源200之設定方向垂直)；在光源為一發光二極體(LED)的情況下，具有良好直線性之LED光線會被視為導光板100內部的一條直線，因此為了解決這樣的問題，上述圖案可形成於導光板100的發射面上。
此外，在形成於發射面上之圖案為柱狀透鏡或拋物線透鏡的情況下，該圖案可具有一節距，其範圍以介於50 μm與500 μm之間為較佳；若該節距小於50 μm，亮度改善效率將因該圖案特定區域內之透鏡功能下降而降低；若該節距大於500 μm，則有圖像品質因液晶裝置和圖案之間的干擾所造成的疊紋現象(moiré phenomenon)而下降的缺點。
第6圖為本發明之一種實施例中層疊於導光板100上表面上的一種微稜鏡片210之剖面圖。微棱鏡片210包括複數個棱鏡，其中每一個棱鏡具有一頂角θ 2，在考慮從導光板100發射的光的角度下，頂角θ 2以介於90°與110°之間為較佳，以提供最佳的光線集中率。若棱鏡頂角θ 2超過90°與110°之間的範圍，則正 面亮度的光線集中率將被降低，並導致整體亮度的下降。
微棱鏡片210可包括一基板220，其通常為一聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄片：基板220可為一聚碳酸酯或聚酰亞胺膜薄片。
微棱鏡片210可包括一稜鏡部位230，其係由折射率介於1.5到1.6之間的丙烯酸樹脂(acrylic resin)所構成，以紫外光壓印(UV imprint)的方式形成於微棱鏡片上；若折射率為小於1.5或大於1.6時，將因為光的色散和/或擴散增加而使光線的集中率降低。
此外，微棱鏡片210可以垂直於該微稜鏡之一特定方向層疊於導光板100之後表面130上。
根據本發明之一實施例中的背光單元可包括一具有微棱鏡片210的表面光源裝置；此外，該背光單元更可包括設置於導光板100之一側的光源200，以及層疊於導光板100的發射面上並具有集中與擴散光線功能的光學薄膜。
本發明之每一實施例中的導光板100可使用射出成型的方法製造；在射出成型方法中，導光板100係由注入高分子材料到模具中來製造；此模具上刻有後表面及發射面上圖案的陰像刻圖。在另一種製造方法中，導光板100係以於一底板上構成圖案的方式製造；於底板上形成圖案的方法可包括一種利用加壓及加熱的沖壓(stamping)方法，或一種利用紫外線固化樹脂(UV resin)的壓印方法。
此外，微棱鏡片210可以通過擠壓製程(extrusion process)或紫外光壓印方式製造。
在下文中，本發明的結構與效用將配合實施例進行更詳細地 描述。本說明書所舉出的實施例是用來更詳細地描述本發明，本發明的實施範圍並不限於本說明書所舉出的實施例。
實施例1 1.導光板底板的製造
一底板，具有3.5 mm的厚度，20 cm的寬度，以及10 cm的長度，使用聚甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為製造原料；此PMMA底板係使用擠壓製程製備，而擠壓製程係利用一般常見的單螺桿擠出機。
柱狀透鏡120係形成於底板的上表面上，該柱狀透鏡120具有300μm的節距以及55μm的高度。
2.構圖模具的製造
一具有30μm厚銅板的模板係以電鍍銅於冷作合金工具鋼SKD-11上的方式製作；一具有一直徑為100μm的圓形單體之圖案，具有一單元棱鏡頂角為70°之微棱鏡，以及具有一單位棱鏡節距為20μm之單體係通過以鑽石刀削處理過的原始模板所製作；單體的分布係透過控制具有相同直徑的單體之密度來進行調整，換句話說，單體的分布係調整為一梯度分布，使單體分布密度接近光的入射面時為降低，而遠離光的入射面時為增加；在此實驗中，光源側每單位面積上的圖案所佔面積百分比為10%，中心部位每單位面積上的圖案所佔面積百分比為50%，單體密度係以從從光源側到中心部位以0.2cm的間隔變化。
3.單元圖案成型及導光板製作
為在所製備的底板之底部形成單體圖案，一個已製備的圖案模板被安裝在沖壓成形的設備中，而圖案則以成型溫度200℃， 壓製時間1分鐘，以及加壓壓力為10kg/m2的壓模方式沖壓於導光板上。
實施例2
一種導光板，其係以與實施例1中相同的方法製作，除了圖案模具及樣品係製備為使微棱鏡之單位棱鏡的頂角為80°。
實施例3
一種導光板，其係以與實施例1中相同的方法製作，除了圖案模具及樣品係製備為使微棱鏡之單位棱鏡的頂角為83°。
實施例4
一種導光板，其係以與實施例1中相同的方法製作，除了圖案模具及樣品係製備為使微棱鏡之單位棱鏡的頂角為85°。
實施例5
一種導光板，其係以與實施例1中相同的方法製作，除了圖案模具及樣品係製備為使微棱鏡之單位棱鏡的頂角為90°。
比較實施例
一種印刷導光板，其中圖案係以印刷方式形成於一安裝在5.7英寸的背光單元之普通導光板之後表面上。
實施例6
製做一直徑為600mm、寬度為1200mm的模具滾筒，使棱鏡以200mm的間隔寬度形成，其中每一個棱鏡具有76°、83°、90°、95°、100°以及105°的頂角。
透過使用所製備的模具滾筒，如第7圖所示，以紫外光壓印方式製作相對於每一個頂角的棱鏡片；使用188μm的PET薄膜(XU7HU7，Toray Advanced Materials Korea Inc.)作為底板， 並以折射率為1.56的UV固化樹脂(MINS-MOP，Minuta Technology Co.,Ltd.)製成樣品。
物理特性的評估係通過使用前述實施例1至6以及比較實施例中之表面光源裝置的實驗範例來進行，實驗結果總結在下面的表1中。
實驗範例 1.正面亮度評估
測量設備：由TOPCON TECHNOHOUSE股份有限公司生產的BM-7A。
測量方法：亮度係測定於背光單元的9個點上，而針對此9個點的測定值計算平均值。
背光單元測量：背光單元採用一長邊為5.7英寸的LED來測量每個樣品(參照第8圖)。
2.光線發射角度
測量設備：由TOPCON TECHNOHOUSE股份有限公司生產的BM-7A。
測量方法：將BM-7測量儀器固定於一背光單元的中心點，光線發射角度係通過改變該設備的角度進行測量(參照第9圖)。
背光單元測量：背光單元採用一長邊為5.7英寸的LED來測量每個樣品。
測量方法：導光板係安裝於一具有32英寸LED燈的背光單元上，32英寸的區域被分為30等份，測量該30等份的每一等份之中央部位的亮度。亮度均勻性係通過計算每個測得亮度的最小值與最大值的比例而獲得。
從表1及第10圖的座標圖可看出，相較於比較實施例中的導光板後表面上的棱鏡圖案之單元棱鏡角度，實施例1至5具有優異的光發射角度及亮度值，更具體地說，當導光板後表面上的棱鏡圖案之單元棱鏡角度小於83°時，光線發射角度係面向光源；反之，當棱鏡圖案之單元棱鏡角度大於83°時，光線發射角度係轉與光源方向相反的方向上。此外，正面亮度的測量結果顯示，以棱鏡頂角83°進行取樣，光發射角度為0°所發射的光線具有最高亮度特性。
表2顯示導光板的亮度測量結果，其係包括一個具有單位棱鏡角度為83°之棱鏡圖案，且其上層疊有棱鏡片的後表面，其中相對於實施例6中所用的每一個角度製作一棱鏡片。計算每個亮度的測量值對應於不具有棱鏡片的導光板的亮度值的相對值，棱鏡片係層疊於導光板的上表面使棱鏡的排列方向垂直於導光板後表面上之微棱鏡的特定方向上。
從表2及第11圖的座標圖可看出，在棱鏡片以垂直於微棱鏡之棱鏡的特定方向設置於導光板上表面上的情況下，其中微棱鏡之棱鏡具有棱鏡頂角83°並形成於導光板之後表面上，則亮度增加。此外，當棱鏡頂角增加時，所測得的亮度顯示為增加的趨勢，而當棱鏡變得大於100°時，亮度則轉為下降的趨勢。
從上面的結果來看，值得注意的是，相較於一般以印刷方式形成的導光圖案，當導光板在其底面上形成點狀圖案時，其中每一點狀圖案內形成用以控制光發射角度之微棱鏡，具有大幅增加的亮度。此外亦值得注意的是，當棱鏡片以垂直於導光板下表面上之微稜鏡之特定方向設置於導光板之上表面上時，正面亮度是從根本上增加。
如上所述，通過增加邊緣型光源的前方發光效率，配合使用最少數量的光學組件，使製造具有極佳正面亮度以及增進整體亮度與亮度均勻性之導光板變為可能。
因此，若在一背光單元或照明裝置使用本發明之導光板，將使應用於背光單元或照明裝置的薄形模組的生產變得可能，且製造過程將得以簡化，從而降低製造成本。
根據本發明實施例中之表面光源裝置及使用該裝置之背光單元可應用於液晶顯示器中，並能廣泛應用於任何使用LED燈之裝置，如照明設備，用以控制光線的發射，和增強的設備的外觀。
上面已舉出若干實施例。然而可以理解的是，對上述實施例仍可以進行各種修改。例如，前述技術以不同的順序進行，和/或前述可系統、結構、裝置或電路之組件以實現合適的結果，如 果在描述的系統中的組件以不同的方式組合，和/或以其他組件或它們的等價物更換。如此，則其它實方式亦包含於下面的專利範圍之內
100‧‧‧導光板
110‧‧‧入射面
120‧‧‧發射面
130‧‧‧後表面
131‧‧‧單體
140‧‧‧微棱鏡
200‧‧‧光源
210‧‧‧微稜鏡片
220‧‧‧基板
230‧‧‧稜鏡部位
第1圖 為本發明之一種實施例中的一種表面光源裝置之剖面圖。
第2圖 為第1圖所示導光板之透視圖。
第3A圖 為本發明之另一種實施例中的一種導光板之透視圖。
第3B-3E圖 為形成於下表面的單體形狀之範例。
第4圖 為形成於每一單體上之微稜鏡之單元稜鏡的放大圖。
第5A-5C圖 為形成於發射面上之圖案之範例圖。
第6圖 為本發明之一種實施例中的一種微稜鏡片之剖面圖。
第7圖 為本發明之一種實施例中稜鏡片的製作過程之示意圖。
第8圖 為供作測量正面亮度以及光出射角度之背光單元之示意圖。
第9圖 為一種測量光出射角度方法之示意圖。
第10圖 為本發明之一種實施例中形成於一導光板後表面上之微稜鏡之單元稜鏡的光出射亮度與角度座標圖。
第11圖 為一稜鏡片的光出射亮度對角度座標圖。
除非另作說明，本說明書所附圖示與說明書中同一圖示編號將被認定為同一元素、特徵或結構，圖示之相對尺寸及描繪可能被誇大以增加清晰性、描繪性及便利性。
100‧‧‧導光板
110‧‧‧入射面
120‧‧‧發射面
130‧‧‧後表面
131‧‧‧單體
140‧‧‧微棱鏡
200‧‧‧光源
210‧‧‧微稜鏡片

Claims (8)

  1. 一種表面光源裝置，包括：一導光板，包括一入射面，供接收從一設置於特定軸線上之光源射出的光線，一發射面，供發射通過的入射光，以及一後表面，係位於發射面之對立面，其中於發射面上形成柱狀透鏡，複數個其上鐫刻有微棱鏡之單體係分布於該後表面之上，該微棱鏡之單元稜鏡具有一介於80°與83°之間的頂角，且該單元稜鏡之一特定方向係與該光源之一特定方向對齊；以及一微棱鏡片，係層疊於導光板之上表面上，且設有一棱鏡頂角θ，其係介於90°與110°之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之表面光源裝置，其中該單體具有一直徑、一寬度或一長度，其係介於30 μm到1000 μm之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之表面光源裝置，其中該單體之形狀為圓形、橢圓形或多邊形。
  4. 如申請專利範圍第1項之表面光源裝置，其中該微稜鏡之單位節距係介於5 μm到100 μm之間。
  5. 如申請專利範圍第1項之表面光源裝置，其中形成於該發射面上之柱狀透鏡之節距係介於50 μm到500 μm之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之表面光源裝置，其中該微稜鏡片包括一基板以及形成於該基板上之一稜鏡部位，且該稜鏡部位係由折射率介於1.5到1.6之間的丙烯酸樹脂(acrylic resin)所構成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之表面光源裝置，其中該微稜鏡片係以垂直於該微稜鏡之一特定方向層疊於導光板之後表面上。
  8. 一背光單元，包含如申請專利範圍第1至7項所述之表面光源裝置之任一項。
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