TWI578068B - 直下式導光結構、導光板及背光模組 - Google Patents

直下式導光結構、導光板及背光模組 Download PDF

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Description

直下式導光結構、導光板及背光模組
本發明係有關於一種直下式導光結構、導光板及背光模組，尤指一種藉由直下式導光結構來達成高均勻性、光學效率佳、降低光源使用數量等功效，進而達到低成本、窄邊框和薄型化的直下式導光板與背光模組。
市面上應用於光學顯示器的背光模組，主要可區分為使用側光源式導光板以及使用直下式導光板兩種。使用側光源式導光板的背光模組其主要缺點在於出光效率較差，由位於導光板一旁側邊上之複數光源(尤其是發光二極體之類的點狀光源)所發出的光，往往只有不到一半的光可以從導光板的出光面射出。而習知的使用直下式導光板的背光模組雖具有相對較高的出光效率，但因為光源(尤其是發光二極體之類的點狀光源)是直接放置在導光板與出光面相對的另一面處且是直接朝向出光面發光，所以會有相對較嚴重的亮點與暗點現象。
請參閱圖一A與圖一B所示，為習知技術台灣新型專利號M462874所揭露之一種薄型直下式背光模組。其複數個LED光源0100乃是均勻分佈在其導光板0212與出光面(也就是頂面)相對的另一面(也就是底面)上。在導光板0212頂面(出光面)設置複數個凹槽結構0202，每一個凹槽結構0202的位置分別對應於一個位於底面的LED光源0100，可藉由該些凹槽結構0202來反射LED光源0100所發出的光線，達到勻光的功效。然而，M462874案所揭露的技術仍有其不足處。如果凹槽結構0202所造成的全反射效果太好，可視區容易造成中央暗點的問題，必須加波浪狀凸紋或表 面刮痕才能解決；相對地，如果全反射效果不佳，可視區則容易會有亮點的問題。並且，考慮到現實加工考量，其凹槽結構0202必須設計成兩個以上不同斜率之線段的組合，曲線不連續，全反射效果差，容易漏光，此外，使用刀具加工製程速度較慢，所以仍有進一步改善的空間。
日本專利公開號JPA 2008078089案揭露一種LED照明裝置，其在一導光板的整個週緣下方環繞設置若干LED光源，且在導光板上整個週緣相對應於各個LED光源位置處分別各設置一凹槽結構。然而，此習知技術的凹槽結構和前述之M462874案一樣，都同樣有輪廓曲線不連續、必須設計成兩個以上不同曲率之曲線段的組合、全反射效果差、容易漏光等缺點。
台灣專利公開號TW 200925518案揭露一種照明裝置，其在一導光板的邊緣下方設置若干LED光源，且在導光板上相對應於各個LED光源位置處分別各設置一凹槽結構。然而，此習知技術的凹槽結構在剖面方向上是呈現兩側邊為固定斜率的傾斜線性輪廓、且在凹槽底部則是水平面也就是斜率為零的平面，並非連續性地弧狀輪廓，所以和前述之M462874案一樣，都同樣有輪廓曲線不連續、必須設計成兩個以上不同斜率之線段的組合、全反射效果差、容易漏光等缺點。
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種直下式導光結構、導光板及背光模組，藉由直下式導光結構來達成高均勻性、光學效率佳、降低光源使用數量等功效，進而達到低成本、窄邊框和薄型化的優點。
為達上述之目的，本發明提供一種直下式導光結構，設置於一直下式之背光模組的一導光板上，該導光板具有一出光面以及與該出光面相對之一入光面。於該導光板上定義有相互垂直之X、Y及Z軸方向，其中，該導光板的一厚度是沿該Z軸方向延伸，該X軸方向及該Y軸方向是分別在該入光面上延伸。該背光模組具有至少一點光源其位於該入光面之側。該直下式導光結構包括：至少一凹槽結構，其設於該導光板之該出光面，且 各個該點光源的位置是分別對應於一個該凹槽結構，使該點光源是朝著該凹槽結構發出光線；其中，各個該凹槽結構都具有一中心凹點，使其所對應之該點光源位於該中心凹點之正下方；該中心凹點與該出光面相對位置間為連續輪廓，於沿著該Y軸方向剖切穿過該導光板之該中心凹點的一剖面方向上之該凹槽結構的輪廓可以下列方程式來表現：方程式一：Z1(y)=z01-a1*exp(-|y|/t1),for -r01<y<0；方程式二：Z2(y)=z02-a2*exp(-|y|/t2),for 0<y<r02；其中，z01,z02分別為該導光板之一側邊區和一主體區的最大厚度，該主體區是位於+y方向、且該側邊區是位於-y方向；a1,a2分別為該中心凹點相對於該側邊區與該主體區的最大深度；t1,t2分別為該凹槽結構的該輪廓的變化參數；r01,r02分別為該凹槽結構在該側邊區和該主體區的開口半徑；Z1(y)定義了該凹槽結構在該側邊區的厚度變化也就是輪廓曲線，Z2(y)是該凹槽結構在該主體區的厚度變化也就是輪廓曲線，y是介於-r01至r02之間的實數。其中，0.7≦t1≦1.4；0.7≦t2≦1.5；3mm≦z02<7mm；3mm<z01≦7mm；67%≦(a2/z02)<100%。
於本發明之一最佳實施例中，該凹槽結構是一不對稱形凹槽結構，其中，z01>z02；3.5mm≦z01≦7mm。
於一實施例中，，該至少一點光源的數量為至少兩個以上，該些點光源的設置位置是集中設置在該導光板之該入光面的下方、且鄰近於該導光板其中一旁側邊之處；並且，該些點光源是沿著該旁側邊平均分佈於點導光板之該入光面鄰近該旁側邊處的下方；其中，該剖面方向和該旁側邊以及該出光面都相互垂直。
於一實施例中，在設置有該些點光源之該旁側邊的側面處更設置有一反射片，藉由該反射片可將該些點光源所發射向該反射片的光線全反射回該導光板中。
為達上述之目的，本發明提供一種導光板以及背光模組，其包括有如上述之直下式導光結構。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附詳細說明與附圖僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
0100‧‧‧光源
0212‧‧‧導光板
0202‧‧‧凹槽結構
10‧‧‧背光模組
20‧‧‧導光板
21‧‧‧上表面(出光面)
22‧‧‧下表面
23、24、25、26‧‧‧側面
211‧‧‧不對稱形導光結構
212‧‧‧中心凹點
215、221‧‧‧微結構
231‧‧‧旁側邊
30‧‧‧點光源
40‧‧‧反射片
圖一A與圖一B為習知技術台灣新型專利號M462874所揭露之一種薄型直下式背光模組。
圖二為具本發明直下式導光結構的背光模組之一實施例的俯視示意圖；圖三為具本發明直下式導光結構的背光模組之一實施例的A-A剖面示意圖；圖四為針對本發明直下式導光結構之不對稱形凹槽結構部分的立體放大圖、A-A剖面圖與B-B剖面圖；圖五為本發明直下式導光結構之不對稱形凹槽結構的曲線函數式中的各參數所代表意義的示意圖；圖六A為本發明之凹槽結構在當兩側曲線相同(也就是z01=z02)時的光線路徑示意圖；圖六B為本發明之凹槽結構在側邊區厚度z01大於主體區厚度z02時(不對稱形凹槽結構)的光線路徑示意圖；圖七為本發明之直下式導光結構實施於一32吋背光顯示面板之實施例示意圖；圖八A、圖八B及圖八C分別為本發明之直下式導光結構依據表一所示之參數值代入方程式一及方程式二後所模擬出之不對稱凹槽結構之輪廓曲線、非光軸光線入射角度、以及側反射光線入射角度的示意圖；圖九A、圖九B及圖九C分別為本發明之直下式導光結構依據表二所示之參數值代入方程式一及方程式二後所模擬出之不對稱凹槽結構之輪廓曲線、非光軸光線入射角度、以及側反射光線入 射角度的示意圖；圖十A、圖十B及圖十C分別為本發明之直下式導光結構依據表三所示之參數值代入方程式一及方程式二後所模擬出之不對稱凹槽結構之輪廓曲線、非光軸光線入射角度、以及側反射光線入射角度的示意圖；圖十一為針對本發明直下式導光板之另一實施例的導光結構部分的立體放大圖、A-A剖面圖與B-B剖面圖；圖十二A及圖十二B分別為本發明之直下式導光結構在非光軸光學狀態下之兩個不同光線路徑示意圖；圖十二C為本發明之直下式導光結構在光軸光學狀態下之光線路徑示意圖；圖十三為本發明之直下式導光結構中的凹槽結構是對稱形凹槽結構時的曲線輪廓示意圖；圖十四A、圖十四B及圖十四C分別為本發明之直下式導光結構依據表四所示之參數值代入方程式三後所模擬出之對稱形凹槽結構之輪廓曲線、光軸光線入射角度、以及非光軸光線入射角度的示意圖；圖十五A、圖十五B及圖十五C分別為本發明之直下式導光結構依據表五所示之參數值代入方程式三後所模擬出之對稱形凹槽結構之輪廓曲線、光軸光線入射角度、以及非光軸光線入射角度的示意圖；圖十六A、圖十六B及圖十六C別為本發明之直下式導光結構依據表六所示之參數值代入方程式三後所模擬出之對稱形凹槽結構之輪廓曲線、光軸光線入射角度、以及非光軸光線入射角度的示意圖。
請參閱圖二至圖四所示；其中，圖二與圖三分別為具本發明直下式導光結構的背光模組之一實施例的俯視示意圖及A-A剖面示意圖，而 圖四則為針對本發明直下式導光結構之不對稱形導光結構部分的立體放大圖、A-A剖面圖與B-B剖面圖。
如圖二及圖三所示，本發明的直下式導光結構是適用於使用直下式光源導光板的背光模組上。該背光模組10至少包括有：一導光板20以及複數個點光源30。
該導光板20是一扁薄片狀結構，其具有大面積之上、下兩表面21、22，以及位於導光板20旁側邊的四個小面積細長側面23、24、25、26。於本實施例中，導光板20的上表面21是出光面，而複數個點光源30則是設置於導光板20之下表面22(也就是入光面)的下方且是垂直朝上(朝向出光面21)發光。於本發明中，複數個點光源30是發光二極體(LED)等之點狀光源為較佳。而本發明的技術特徵在於，該些點光源30的設置位置並非是平均分佈在整個導光板20下表面的整個面區域，而是集中設置在導光板20下表面22下方、且鄰近於導光板20其中一旁側邊231之處(例如圖四所示的左側面23附近)。該些點光源30是沿著該旁側邊231延伸之方向平均分佈於導光板20下表面22鄰近該旁側邊(左側面23)處；換言之，該些點光源30是等距分佈於鄰近該旁側邊231的該下表面22下方。而在設置有該些點光源30之該旁側邊231的側面23處則設置有一反射片40，藉由該反射片40可將該些點光源30所發射向反射片40的光線全部全反射回導光板20內部，避免光線從設置有該反射片40的該側面23處漏光。至於導光板20下表面22沒有設置點光源30的其他區域則設置了複數個微結構221分佈在整個導光板20下表面22。於導光板20上表面21(出光面)且相對應於各個點光源30的位置處，也就是在導光板20上表面21(出光面)上且是鄰近於該旁側邊231之處(也就是鄰近設有該反射片40之該側面23處)，分別設有一不對稱形導光結構211。該些不對稱形導光結構211的結構曲線經由本發明獨創之輪廓曲線方程式的創新設計，點光源30由下朝上(亦即，朝向不對稱形導光結構211)垂直發出的光線在與其相對應之不對稱形導光結構211上的入射角皆大於全反射角，造成全反射；因此，光線不會從不對稱形導光結構211的上方漏出。換言之，不對稱形導光結構211會使點光源30大部份的光線往可視區210均勻擴散傳播，效率更佳。不對稱形導光結構211因為兩個方向(-Y方向及+Y方向)的開口半徑和厚度不同，可達到更良好之光 學效果與背光效能的功效。使用本發明前述直下式導光結構之導光板20所構成的背光模組10，可利用邊框遮住設置有不對稱形導光結構211與點光源30的區域，避免加工或生產誤差所造成的漏光或全反射太好所造成的暗區，使可視區光學品味均勻，該些點光源30之間的光混合均勻不會有明顯暗區或亮點(hot spot)。
於本發明中，點光源30為直下式入光，不對稱形導光結構211位於導光板20本體的上表面21(出光面)鄰近於反光片40之側的位置、且是呈現左右不對稱凹陷形狀，如圖中的左(-Y)、右(+Y)兩個方向上的結構曲線曲率、開口半徑、厚度皆不同。其中，圖中的左側面23就是設置了反射片40的側面，而右側方向(+Y方向)則是在導光板20上遠離反射片40的方向。本發明所述之不對稱形導光結構211是由至少一個以上的函數曲線構成。導光板20材料折射率造成光學由材料到空氣間的臨界角(θc)，藉由不對稱形導光結構211的結構曲線設計，使光線在不對稱形導光結構211上的入射角大於臨界角θc，於是構成全反射。如圖四所示，由於θc=sin-1(1/n)，所以，當導光板20本身材料為MS時的折射率約1.56~1.57為例，臨界角(θc)約39.8°~39.6°；而若導光板20本身材料為PMMA時的折射率約1.49時，則臨界角(θc)約42.2°；而若導光板20本身材料為PC時的折射率約1.55時，則臨界角(θc)約40.2°；而若導光板20本身材料為PS時的折射率約1.58時，則臨界角(θc)約39.3°。藉由上述之不對稱形導光結構211(左右不對稱之凹槽結構)，其不對稱形導光結構211(左右不對稱之凹槽結構)正上方不會有明顯的漏光和亮點，耦光效率佳，大部份的光能在導光板20本體內傳播，可視區210均勻光學品味，可降低多餘全反射的能量損失。可避免全反射的光從不對稱形導光結構211的位置出光，導光能力較佳。向下偏折光線經由微結構221破壞全反射，由導光板20的出光面(上表面21)出射，藉由位於導光板20的底面(下表面22)所設置的複數微結構221的深度、密度、直徑大小的變化，可達到讓整個可視區210均勻出光的功效。於本發明中，該導光板20之出光面(上表面21)除了設置有不對稱形導光結構211處之附近區域外的其他所有區域都是所述的可視區210。
於本發明中，於該導光板20上定義有相互垂直之X、Y及Z軸方向，其中，該導光板20的一厚度(亦即，下表面22與上 表面21之間的距離)是沿該Z軸方向延伸，該X軸方向及該Y軸方向是分別在該下表面22上延伸。並且，該X軸方向與該旁側邊231的延伸方向平行；換言之，該些點光源30是沿著該旁側邊231延伸之方向也就是該X軸方向平均分佈於導光板20下表面22鄰近該旁側邊(左側面23)處。
如圖四及圖五所示，於本發明中，各個該不對稱形凹槽結構211都具有一中心凹點212，使其所對應之該點光源30位於該中心凹點212之正下方。該中心凹點212與該出光面(上表面21)相對位置間為連續輪廓，於沿著該Y軸方向剖切穿過該導光板20之該中心凹點212的一剖面方向(A-A剖面)上之該不對稱形凹槽結構211的輪廓可以下列方程式來表現。
方程式一：Z1(y)=z01-a1*exp(-|y|/t1),for -r01<y<0；方程式二：Z2(y)=z02-a2*exp(-|y|/t2),for 0<y<r02；其中，z01,z02分別為該導光板之一側邊區和一主體區的最大厚度，該主體區是位於+y方向、且該側邊區是位於-y方向；a1,a2分別為該中心凹點相對於該側邊區與該主體區的最大深度；t1,t2分別為該不對稱形凹槽結構的該輪廓的變化參數；r01,r02分別為該不對稱形凹槽結構在該側邊區和該主體區的開口半徑；Z1(y)定義了該不對稱形凹槽結構在該側邊區的厚度變化也就是輪廓曲線，Z2(y)是該不對稱形凹槽結構在該主體區的厚度變化也就是輪廓曲線，y是介於-r01至r02之間的實數。
於本發明之較佳實施例中，0.7≦t1≦1.5；0.7≦t2≦1.5；3mm≦z02<7mm；3.5mm≦z01≦7mm；67%≦(a2/z02)<100%；z01>z02。經本發明以多個不同參數值的實施例樣本進行光學模擬所得到的數據，可證明依據上述本發明之方程式一與方程式二搭配上述之各參數之數值範圍所設計出來的該不對稱形凹槽結構的該輪廓曲線，將可以提供最佳化的光學效果。以下將詳述之。
於本發明中，各個該不對稱形凹槽結構211之結構曲線(輪廓曲線)只要能依據在上述之此些參數範圍內代入方程式一與方程式二來設計時，則漏光比例相對於點光源≦10%(註： 漏光比例越低越好)。
以下將舉幾個實施例來具體說明在不同參數下以上述方程式一與方程式二來設計出本發明之不對稱形凹槽結構211之結構曲線(輪廓曲線)的漏光率值。
請參閱圖六A，為本發明之不對稱形凹槽結構211在當兩側曲線相同(也就是z01=z02)時的光線路徑示意圖。如圖六A所示，當本發明之不對稱形凹槽結構211的z01=z02時，其左側(-Y側邊區)的輪廓曲線和右側(+Y主體區)的輪廓曲線會相同。此時，由點光源30直接朝向反射片40發射的光線，在經過反射片40的反射後，其側邊反射光線會容易直接穿過不對稱形凹槽結構211的左側輪廓曲線而發生漏光現象，導致其漏光率相對提高、且光學效果相對較差。因此，本發明特別設計光學”曲線設計不對稱”的不對稱形凹槽結構211，能得到更佳光路徑入射角度，讓漏光率%比兩條相同曲線的「對稱形」凹槽結構更低。
請參閱圖六B，為本發明之不對稱形凹槽結構211在側邊區厚度z01大於主體區厚度z02時的光線路徑示意圖。如圖六B所示，當本發明之不對稱形凹槽結構211的z01>z02時(側邊區厚度z01大於主體區厚度z02時)，其左側(-Y側邊區)的輪廓曲線和右側(+Y主體區)的輪廓曲線不相同而呈現「不對稱形」凹槽結構。此時，由點光源30直接朝向反射片40發射的光線，在經過反射片40的反射後，其光線R1’在(y3,Z(y3))位置的入射角會符合以下數學式：90°-Φ2-Φ1=90°-tan-1(Z(y3)/y3)-tan-1(1/Z’(y3)>sin-1(1/n)
本發明之不對稱形凹槽結構211在側邊區之輪廓曲線的設計需滿足點狀光源出射光線在導光板20側面23之反射片40發生反射後，在導光板20側邊區之不對稱形凹槽結構211之輪廓曲線表面發生全反射條件，換言之，需滿足上式一階幾何光學關係，也就是光線在導光板20側邊 區之不對稱形凹槽結構211之輪廓曲線表面入射角大於臨界角。
請參閱圖七所示，為本發明之直下式導光結構實施於一32吋背光顯示面板之實施例示意圖。以32吋LCD面板之背光模組為例，依據本發明所揭露之直下式導光結構技術，僅需使用只需10pcs.(10個)高功率LED，A/P ratio=8/63.6=0.126所以邊框的寬度很小，便能提供良好的光學效果。相較之下，使用側光源式導光板的32吋背光模組若欲提供相同的光學效果將會需要更多數量的高功率LED。一般來說，在相同發光效果的前提下，依據本發明所揭露之直下式導光結構技術所製造的32吋背光模組高功率所使用到的LED數量，大概只需同尺寸之側光式背光模組所需LED數量的1/6~2/3，同時可以降低亮點(hot spot)的現象、減少邊框寬度、且擁有極小A/P ratio和薄型化的厚度，可達成直下式可視區均勻光學品味。
請參閱圖八A、圖八B及圖八C所示，分別為本發明之直下式導光結構依據表一所示之參數值代入方程式一及方程式二後所模擬出之不對稱凹槽結構之輪廓曲線、非光軸光線入射角度、以及側反射光線入射角度的示意圖。
於上表一中，Ex19、Ex25、Ex26、Ex27、Ex28分別代表編號第19、25、26、27及28號實施例。其中，Ex19的z01=z02，表示其凹槽結構211之左側(-Y側邊區)的導光板厚度及輪廓曲線會分別和右側 (+Y主體區)的厚度及輪廓曲線相同，也就是所謂「對稱形」凹槽結構，可作為比較漏光率時的對照組。於表一中，將各組實施例的z01、t1、a1、z02、t2、a2參數值代入本發明前述之方程式一及方程式二，即可繪製出沿著該Y軸方向剖切穿過該導光板20之該中心凹點212的一剖面方向(A-A剖面)上之該凹槽結構211在-Y側邊區及+Y本體區的上表面曲線輪廓，其輪廓的繪製結果即如圖八A所示。一旦獲得某一實施例如圖八A所示的該凹槽結構211在A-A剖面上的曲線輪廓後，即可以線性比例增減的方式來決定該實施例之該凹槽結構211在非A-A剖面之其他部分的曲線輪廓，以獲得該凹槽結構211整個立體結構的上表面曲線輪廓，例如圖四所示，該凹槽結構211在B-B剖面處的+X軸方向與-X軸方向上的最大厚度將會等於(z01+z02)/2，其餘類推。
於表一中，其中的「入射角判定」欄位指的是自點光源朝向導光板20之+Y本體區方向發射的光線，在打到該凹槽結構211位於+Y本體區之上表面曲線輪廓時的入射角是否會大於全反射之臨界角θc(以導光板20本身材料為PC時其折射率約1.55且臨界角(θc)約40.2°為例)，若該欄位值為O表示有大於臨界角所以會全反射，若該欄位值為X時表示小於臨界角所以會有漏光現象。相對地「側反入射角判定」欄位則是指的是自點光源朝向導光板20之-Y側邊區方向發射的光線，在先經由反射片40(側面23)反射後再打到該凹槽結構211位於-Y側邊區之上表面曲線輪廓時的入射角是否會大於全反射之臨界角θc，若該欄位值為O表示有大於臨界角所以會全反射，若該欄位值為X時表示小於臨界角所以會有漏光現象。表一中的「漏光率%」欄位則是以電腦光學模擬，自點光源朝上向凹槽結構211發射之光線有多少百分比會從凹槽結構211的正上方射出(漏光)的比例。
由表一可知，當凹槽結構211在-Y側邊區之最大厚度z01大於+Y本體區最大厚度z02，也就是z01>z02時，無論曲線參數t1的值如何變化，Ex25、Ex26、Ex27、Ex28實施例的漏光率%值都顯著地比z01=z02之對照組Ex19的漏光率更低，顯見當凹槽結構211是 z01>z02的「不對稱形」結構時，例如當z02是3mm且z01是大於或等於3.5mm時，將可以獲得比「對稱形」凹槽結構更低更良好的漏光率%值。然而，即使是z01>z02的「不對稱形」凹槽結構211，其t1值若大於或等於1.5以上時將會有「入射角判定」與/或「側反入射角判定」欄位值是X也就是不合格的現象，所以，t1值應該要介於0.7至1.4之間(亦即，0.7≦t1≦1.4)為較佳。
請參閱圖九A、圖九B及圖九C所示，分別為本發明之直下式導光結構依據表二所示之參數值代入方程式一及方程式二後所模擬出之不對稱凹槽結構之輪廓曲線、非光軸光線入射角度、以及側反射光線入射角度的示意圖。
於上表二中的各欄位所代表之意義分別於表一相對應之欄位相同，所以不再贅述。由表二可知，當不對稱形凹槽結構211的z01<z02時，其Ex29、Ex30、Ex31、Ex32實施例的漏光率%值都顯著地比對照組Ex19高出許多，且其「入射角判定」與「側反入射角判定」欄位全都是不合格的X，由此可知，當不對稱形凹槽結構211在-Y側邊區之最大厚度z01小於+Y本體區的最大厚度z02時將無法提供良好的光學效果。
請參閱圖十A、圖十B及圖十C所示，分別為本發明之直下式導光結構依據表三所示之參數值代入方程式一及方程式二後 所模擬出之不對稱凹槽結構之輪廓曲線、非光軸光線入射角度、以及側反射光線入射角度的示意圖。
於上表三中的各欄位所代表之意義分別於表一相對應之欄位相同，所以不再贅述。由表三可知，以Ex27為對照組，當不對稱形凹槽結構211在-Y側邊區之最大厚度z01值逐漸地提高(增厚)達到7.7mm(超過7mm)時，其漏光率%值都顯著地提高到23.7%，且「入射角判定」欄位是不合格的X，由此可知，當不對稱形凹槽結構211在-Y側邊區之最大厚度z01大於7mm以上時將無法提供良好的光學效果。所以，於本發明中，3.5mm≦z01≦7mm為較佳實施例。
於本發明之直下式導光板實施例中，該直下式導光結構之不對稱形凹槽結構是位於導光板本體的上表面，且是呈現不對稱凹陷形狀。不對稱形凹槽結構在-Y側邊區及+Y本體區兩個方向上的結構曲線曲率、開口半徑、及厚度皆不同，所以可以提供較習知技術更良好的光學效果。直下式導光結構之不對稱形凹槽結構是由至少一個以上的函數曲線構成(例如方程式一與方程式二即為函數式之例)。不對稱形凹槽結構為斜率連續變化的曲線結構，經由設計，點光源的光線碰到不對稱形凹槽結構時，入射角大於臨界角，光線藉由不對稱形凹槽結構至少有一次以上的全反射，不會從不對稱形凹槽結構漏出，所以可以有效率地被傳 導至遠光端。不對稱形凹槽結構正上方不會有明顯的漏光和亮點，耦光效率佳。導光板本體之上表面與下表面大體上為互相平行。導光板本體頂面(上表面)或底面(下表面)有凸起或凹陷之複數個微結構，利用該些微結構之密度變化和結構深度變化調整出光量，微結構呈現放射性分佈，越靠近不對稱形凹槽結構之處，密度較疏、範圍越小；相對地，越接近遠光處，微結構的密度越密、範圍越大，造成均勻出光。該些微結構可為線狀、點狀或任何規則或不規則形狀之凸起或凹陷結構，也可為油墨材料印刷在本體之上表面與下表面。
請參閱圖十一，為針對本發明直下式導光板之另一實施例的導光結構部分的立體放大圖、A-A剖面圖與B-B剖面圖。於本實施例中，本發明直下式導光板除了前述設置於導光板下表面之複數個凸起或凹陷之圓點狀微結構221之外，在導光板的上表面(也就是出光面)也增設了複數個凸起的細長條狀微結構215。於本實施例中，該些細長條狀微結構215的延伸方向是和反射片40的延伸方向相互垂直。並且，該些圓點狀微結構221以及該些細長條狀微結構215都是設置在導光板上沒有設置不對稱形凹槽結構211或點光源30的區域，換言之，只有在可視區才會設置這些微結構221、215。
請參閱圖十二A及圖十二B所示，分別為本發明之直下式導光結構在非光軸光學狀態下之兩個不同光線路徑示意圖。雖然，本發明之點光源30是假設在理想狀態下的一個無尺寸大小的點狀光源，然而，在現實中，點光源30實際上是一個直徑(或邊長)為1~2mm之具有尺寸的小尺寸LED光源。所以，由點光源30所發出的光並非只有從點光源30中心點向上呈扇形發射的光線，而是在有尺寸之點光源30的邊緣也會有向上呈扇形發射的光線，而這些非屬點光源30中心點所發出的光線所造成的光學現象，我們統稱為「非光軸光學」。如圖十二A所示，自點光源30的右側邊緣向+Y方向發射的光線，在接觸到凹槽結構在+Y本體區的上表面曲線輪廓時，若要符合全反射要件，則需符合以下數學式： 光線R1’在(y1,Z(y1))位置的入射角90°-Φ'1+Φ2=90°-(Φ1+σ)+Φ2=180°-tan-1(Z(y1)/y1)-tan-1(1/Z’(y1))-σ>sin-1(1/n)
其中，Φ’1=tan-1(Z(y1)/(y1-d/2))，且σ=Φ’1-Φ1
如圖十二B所示，自點光源30的右側邊緣向-Y方向發射的光線，在接觸到凹槽結構在+Y本體區的上表面曲線輪廓時，若要符合全反射要件，則需符合以下數學式：Φ2-(90°-Φ’1)=-90°+Φ’1+Φ2>sin-1(1/n)
請參閱圖十二C所示，為本發明之直下式導光結構在光軸光學狀態下之光線路徑示意圖。相較於前述之非光軸光學中的點光源是有尺寸大小，於圖十二C中所示的點光源則是假設為無尺寸大小、且只會從點光源30中心點向上呈扇形發射光線的理想狀態點光源，此時施例我們稱之為「光軸光學」。如圖十二C所示，自點光源30的正中心點發射的光線，在接觸到凹槽結構在+Y本體區的上表面曲線輪廓時，若要符合全反射要件，則需符合以下數學式：光線R1在(y1,Z(y1))位置的入射角90°-Φ1+Φ2=180°-tan-1(Z(y1)/y1)-tan-1(1/Z’(y1))>sin-1(1/n)其中，Φ1=tan-1(Z(y1)/y1)且Φ2=90°-tan-1(1/Z’(y1))
曲線設計需滿足點狀光源出射光線在導光板本體表面發生全反射條件，公式推導需滿足上式一階幾何光學關係：光線R1在導光本體表面入射角大於臨界角。
如前述之圖八B、圖九B、及圖十B，以及稍後將述及的圖十四C、圖十五C及圖十六C中的曲線圖，就是考量如上述之「非光軸光學」所模擬、計算出來的本發明直下式導光結構依據各個凹槽結構實施例之參數值代入方程式一及方程式二後所模擬出之非光軸光 學入射角度vs臨界角的示意圖。
請參閱圖十三，為本發明之直下式導光結構中的凹槽結構是對稱形凹槽結構時的曲線輪廓示意圖。如圖十三所示，於本實施例中，導光板20本體的上表面22所設置的凹槽結構在沿著Y軸方向剖切穿過凹槽結構之中心凹點的一剖面方向上是具有左右對稱形的環形曲面凹槽形狀，其在YZ平面上可視為包含兩條起始於y=0的曲線，與導光板20下表面21之直線之間構成導光板20本體的厚度變化Z1(y)、Z2(y)，其中，Z1為側邊區(-Y方向)、Z2為主體區(+Y方向)。
該YZ平面曲線輪廓可表示成以下函數變化：方程式三： Z1(y)=Z2(y)=z 0- a 1 *exp(-|y|/t 1 ) for -r 0 <y<r 0
其中z0為導光板20本體最大厚度，a1為凹槽結構之最大深度，t1為凹槽形狀變化參數，r0為凹槽開口半徑。
請參閱圖十四A、圖十四B及圖十四C所示，分別為本發明之直下式導光結構依據表四所示之參數值代入方程式三後所模擬出之對稱形凹槽結構之輪廓曲線、光軸光線入射角度、以及非光軸光線入射角度的示意圖。
於上表四中的各欄位所代表之意義分別於表一相對應之欄位相同，所以不再贅述。由表四可知，當對稱形凹槽結構的t1值介於1 至1.5之間時(1≦t1≦1.5)，可達到「入射角判定」欄位為合格的O、且漏光率%相對較低的良好光學效果。
請參閱圖十五A、圖十五B及圖十五C所示，分別為本發明之直下式導光結構依據表五所示之參數值代入方程式三後所模擬出之對稱形凹槽結構之輪廓曲線、光軸光線入射角度、以及非光軸光線入射角度的示意圖。
於上表五中的各欄位所代表之意義分別於表一相對應之欄位相同，所以不再贅述。由表五可知，當對稱形凹槽結構的最大深度比a1/Z0(%)值介於50至100之間時(50%≦(a1/Z0)<100%)，可達到「入射角判定」欄位為合格的O、且漏光率%相對較低的良好光學效果。
請參閱圖十六A、圖十六B及圖十六C所示，分別為本發明之直下式導光結構依據表六所示之參數值代入方程式三後所模擬出之對稱形凹槽結構之輪廓曲線、光軸光線入射角度、以及非光軸光線入射角度的示意圖。
於上表六中的各欄位所代表之意義分別於表一相對應之欄位相同，所以不再贅述。由表六可知，當對稱形凹槽結構的最大厚度Z0值介於4至7之間時(4≦Z0≦7)，可達到「入射角判定」欄位為合格的O、且漏光率%相對較低的良好光學效果。
以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效技術變化，均包含於本發明之範圍內。
20‧‧‧導光板
21‧‧‧上表面(出光面)
22‧‧‧下表面(入光面)
23‧‧‧側面
211‧‧‧不對稱形導光結構
212‧‧‧中心凹點
221‧‧‧微結構
231‧‧‧旁側邊
30‧‧‧點光源
40‧‧‧反射片

Claims (5)

  1. 一種直下式導光結構，設置於一直下式之背光模組的一導光板上，該導光板具有一出光面以及與該出光面相對之一入光面，於該導光板上定義有相互垂直之X、Y及Z軸方向，其中，該導光板的一厚度是沿該Z軸方向延伸，該X軸方向及該Y軸方向是分別在該入光面上延伸；該背光模組具有至少一點光源其位於該入光面之側；該直下式導光結構包括：至少一凹槽結構，其設於該導光板之該出光面，且各個該點光源的位置是分別對應於一個該凹槽結構，使該點光源是朝著該凹槽結構發出光線；其中，各個該凹槽結構都具有一中心凹點，使其所對應之該點光源位於該中心凹點之正下方；該中心凹點與該出光面相對位置間為連續輪廓；其中，於沿著該Y軸方向剖切穿過該導光板之該中心凹點的一剖面方向上之該凹槽結構的輪廓可以下列方程式來表現：方程式一：Z1(y)=z01-a1*exp(-|y|/t1),for -r01<y<0；方程式二：Z2(y)=z02-a2*exp(-|y|/t2),for 0<y<r02；其中，z01,z02分別為該導光板之一側邊區和一主體區的最大厚度，該主體區是位於+y方向、且該側邊區是位於-y方向；a1,a2分別為該中心凹點相對於該側邊區與該主體區的最大深度；t1,t2分別為該凹槽結構的該輪廓的變化參數；r01,r02分別為該凹槽結構在該側邊區和該主體區的開口半徑；Z1(y)定義了該凹槽結構在該側邊區的厚度變化也就是輪廓曲線，Z2(y)是該凹槽結構在該主體區的厚度變化也就是輪廓曲線，y是介於-r01至r02之間的實數；其中，0.7≦t1≦1.4；0.7≦t2≦1.5；3mm≦z02<7mm；3mm<z01≦7mm；67%≦(a2/z02)<100%；其中，該凹槽結構是一不對稱形凹槽結構，其中，z01>z02；3.5mm≦z01≦7mm。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之直下式導光結構，其中，該至少 一點光源的數量為至少兩個以上，該些點光源的設置位置是集中設置在該導光板之該入光面的下方、且鄰近於該導光板其中一旁側邊之處；並且，該些點光源是沿著該旁側邊平均分佈於點導光板之該入光面鄰近該旁側邊處的下方；其中，該剖面方向和該旁側邊以及該出光面都相互垂直。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之直下式導光結構，其中，在設置有該些點光源之該旁側邊的側面處更設置有一反射片，藉由該反射片可將該些點光源所發射向該反射片的光線全反射回該導光板中。
  4. 一種直下式導光板，設置於一直下式光源之背光模組中，該導光板具有一出光面以及與該出光面相對之一入光面，於該導光板上定義有相互垂直之X、Y及Z軸方向，其中，該導光板的一厚度是沿該Z軸方向延伸，該X軸方向及該Y軸方向是分別在該入光面上延伸；該背光模組具有至少一點光源其位於該入光面之側；於該導光板上設置有至少一凹槽結構，其設於該導光板之該出光面，且各個該點光源的位置是分別對應於一個該凹槽結構，使該點光源是朝著該凹槽結構發出光線；其中，各個該凹槽結構都具有一中心凹點，使其所對應之該點光源位於該中心凹點之正下方；該中心凹點與該出光面相對位置間為連續輪廓；其中，該些點光源的設置位置是集中設置在該導光板之該入光面的下方、且鄰近於該導光板其中一旁側邊之處；並且，該些點光源是沿著該旁側邊平均分佈於點導光板之該入光面鄰近該旁側邊處的下方；其中，在設置有該點光源之該旁側邊的側面處更設置有一反射片，藉由該反射片可將該些點光源所發射向該反射片的光線全反射回該導光板中；其中，該剖面方向和該旁側邊以及該出光面都相互垂直；其中，於沿著該Y軸方向剖切穿過該導光板之該中心凹點的一剖面方向上之該凹槽結構的輪廓可以下列方程式來表現：方程式一：Z1(y)=z01-a1*exp(-|y|/t1),for -r01<y<0；方程式二：Z2(y)=z02-a2*exp(-|y|/t2),for 0<y<r02；其中，z01,z02分別為該導光板之一側邊區和一主體區的最大厚 度，該主體區是位於+y方向、且該側邊區是位於-y方向；a1,a2分別為該中心凹點相對於該側邊區與該主體區的最大深度；t1,t2分別為該凹槽結構的該輪廓的變化參數；r01,r02分別為該凹槽結構在該側邊區和該主體區的開口半徑；Z1(y)定義了該凹槽結構在該側邊區的厚度變化也就是輪廓曲線，Z2(y)是該凹槽結構在該主體區的厚度變化也就是輪廓曲線，y是介於-r01至r02之間的實數；其中，0.7≦t1≦1.4；0.7≦t2≦1.5；3mm≦z02<7mm；3mm<z01≦7mm；67%≦(a2/z02)<100%；其中，該凹槽結構是一不對稱形凹槽結構，其中，z01>z02；3.5mm≦z01≦7mm。
  5. 一種直下式背光模組，包括有：至少一點光源以及一導光板；該導光板具有一出光面以及與該出光面相對之一入光面，於該導光板上定義有相互垂直之X、Y及Z軸方向，其中，該導光板的一厚度是沿該Z軸方向延伸，該X軸方向及該Y軸方向是分別在該入光面上延伸；該至少一點光源是位於該入光面之側；於該導光板上設置有至少一凹槽結構，其設於該導光板之該出光面，且各個該點光源的位置是分別對應於一個該凹槽結構，使該點光源是朝著該凹槽結構發出光線；其中，各個該凹槽結構都具有一中心凹點，使其所對應之該點光源位於該中心凹點之正下方；該中心凹點與該出光面相對位置間為連續輪廓；其中，該些點光源的設置位置是集中設置在該導光板之該入光面的下方、且鄰近於該導光板其中一旁側邊之處；並且，該些點光源是沿著該旁側邊平均分佈於點導光板之該入光面鄰近該旁側邊處的下方；其中，在設置有該些點光源之該旁側邊的側面處更設置有一反射片，藉由該反射片可將該些點光源所發射向該反射片的光線全反射回該導光板中；其中，該剖面方向和該旁側邊以及該出光面都相互垂直；其中，於沿著該Y軸方向剖切穿過該導光板之該中心凹點的一剖面方向上之該凹槽結構的輪廓可以下列方程式來表現： 方程式一：Z1(y)=z01-a1*exp(-|y|/t1),for -r01<y<0；方程式二：Z2(y)=z02-a2*exp(-|y|/t2),for 0<y<r02；其中，z01,z02分別為該導光板之一側邊區和一主體區的最大厚度，該主體區是位於+y方向、且該側邊區是位於-y方向；a1,a2分別為該中心凹點相對於該側邊區與該主體區的最大深度；t1,t2分別為該凹槽結構的該輪廓的變化參數；r01,r02分別為該凹槽結構在該側邊區和該主體區的開口半徑；Z1(y)定義了該凹槽結構在該側邊區的厚度變化也就是輪廓曲線，Z2(y)是該凹槽結構在該主體區的厚度變化也就是輪廓曲線，y是介於-r01至r02之間的實數；其中，0.7≦t1≦1.4；0.7≦t2≦1.5；3mm≦z02<7mm；3mm<z01≦7mm；67%≦(a2/z02)<100%；其中，該凹槽結構是一不對稱形凹槽結構，其中，z01>z02；3.5mm≦z01≦7mm。
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