TWI588573B - 超方向性導光膜及利用該導光膜之平板顯示器用薄膜型背光單元 - Google Patents

超方向性導光膜及利用該導光膜之平板顯示器用薄膜型背光單元 Download PDF

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TWI588573B
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柳昇萬
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Description

超方向性導光膜及利用該導光膜之平板顯示器用薄膜型背光單元
本發明係關於一種顯示裝置及其製造方法，尤其是關於一種用於平板顯示裝置的薄膜型背光單元。
目前，液晶顯示(Liquid Crystal Display,LCD)裝置被廣泛地使用於顯示應用，諸如可攜式電腦、筆記型個人電腦、辦公室自動化裝置、影音裝置、室內或室外廣告顯示器等，典型透射式液晶顯示裝置係藉由控制施加於液晶層的電場來調變來自背光單元的入射光的亮度以顯示影像。
基本上，有兩種背光單元：直下型(direct type)及側光型(edge-type)。直下型背光單元具有複數個光學片及一擴散片堆疊在該液晶面板下方且複數個光源設置在該擴散片下方的結構。
第1圖係說明依據習知技術之具有一直下型背光單元的液晶顯示裝置的結構的剖面圖，該直下型背光單元包括作為光源的發光二極體(LED)陣列。
該直下型背光單元DBLU包括一光源，設置在一液晶面板LCDP下方，且直接向該液晶面板LCDP照射一背光，該光源可為一薄型螢光燈。或者，如第1圖所示，該光源可為具有低耗電及增加亮度的發光二極體陣列LEDAR。
該發光二極體陣列LEDAR係設置在一殼體CASE的底面上的基質中，該殼體CASE可安裝在底蓋CB上，在一些實施例中，該殼體CASE可省略，且該發光二極體陣列LEDAR可直接設置在該底蓋CB上，在該發光二極體陣列LEDAR上，設置一擴散片DIFF，該擴散片DIFF擴 散來自該發光二極體陣列LEDAR的背光，以提供均勻散射的背光在該液晶面板LCDP的光入射表面上。複數個光學片OPT可設置在該擴散片DIFF與該液晶面板LCDP之間，該複數個光學片OPT包括一或多個稜鏡片、一或多個擴散片、及/或一雙層增亮膜(或DBEF)。稜鏡片將被該擴散片DIFF散射及/或擴散的背光轉換至該液晶面板LCDP上，以增加該背光的亮度。該等擴散片再將經由稜鏡片所轉換的背光擴散至該液晶面板LCDP上而具有均勻分布的亮度。
一導光板GP包覆或圍繞該液晶面板LCDP或該直下型背光單元DBLU的側表面，且藉由將其設置在該液晶面板LCDP與該複數個光學片OPT之間以支撐該液晶面板LCDP。該底蓋CB包覆或圍繞該直下型背光單元DBLU的該殼體CASE與該底表面。一反射片REF設置在具有該發光二極體陣列LEDAR的該殼體CASE的該底表面上，以反射從該擴散片DIFF及/或該複數個光學片OPT洩漏的背光。上蓋TC包覆或圍繞該液晶面板LCDP的上緣及該導光板GP的側表面。
同時，側光型背光單元可具有比直下型背光單元DBLU較薄的厚度。目前，液晶顯示裝置基本上是具有發光二極體光源，而不是螢光燈管，由於光源容易安裝，側光型背光單元更廣泛地應用於各種液晶顯示裝置，其中複數個發光二極體光源係設置在液晶面板的側表面。
以下，請參考第2圖，將描述側光型背光單元。第2圖係說明依據習知技術之具有一側光型背光單元的液晶顯示裝置的結構的剖面圖，該側光型背光單元包括作為光源的發光二極體陣列。
請參考第2圖，該側光型背光單元包括一底蓋CB；一導光板LG，設置在該底蓋CB的一底表面上；以及一光源，設置在該導光板LG的側表面與該底蓋CB之間，且提供一背光至該導光板LG的側表面。
該光源可為一薄型螢光燈，或者，如第2圖所示，該光源可為具有低耗電及增加亮度的一發光二極體陣列LEDAR。該光源可使用一安裝裝置諸如一外殼而設置在該導光板LG的側表面，該導光板LG接收來自該發光二極體陣列LEDAR的背光，且將背光的方向折射為垂直於該液晶面板LCDP的光入射表面。複數個光學片OPT設置在該導光板LG與該液晶 面板LCDP之間，該複數個光學片OPT包括一或多個稜鏡片、以及用於將來自該導光板LG的背光散射或擴散的一或多個擴散片。為了增加亮度及/或輝度，該複數個光學片OPT可進一步包括一雙層增亮膜(或DBEF)。
該導光板GP包覆或圍繞該液晶面板LCDP或該側光型背光單元EBLU的側表面，且藉由將其設置在該液晶面板LCDP與該複數個光學片OPT之間以支撐該液晶面板LCDP。一反射片REF設置在該底蓋CB與該導光板GP之間，以反射從該擴散片DIFF及/或該複數個光學片OPT洩漏的背光至該液晶面板LCDP。上蓋TC圍繞該液晶面板LCDP的上緣及該導光板GP的側表面。
如上所述，液晶顯示裝置是一種非自發光性的顯示器，基本上具有一背光單元，該背光單元是欲將背光均勻地分散至液晶面板的整個表面上。因此，各種光學裝置及/或手段基本上是被使用於將點光源或線光源的光轉換為面光源的光，由於這些光學裝置及/或手段的光學特性及結構，該背光單元基本上仍具有某一厚度。雖然平板顯示裝置例如液晶顯示裝置比傳統顯示裝置例如映像管顯示裝置具有明顯較薄的厚度，但仍需要發展適用於更薄且更省電之顯示裝置的新穎背光單元的更先進技術。
因此，本發明是涉及一種顯示裝置以及製造該顯示裝置的方法，大致上可解決由於習知技術的限制及缺點的一或多個問題。
本發明之優點在於提供一種具有薄背光單元的顯示裝置。
本發明之附加特徵及優點將於以下敘述，其中一部分可由發明說明理解或可由實施本發明而得知。本發明之這些及其他優點可由以下書面敘述、申請專利範圍、以及所附圖式特別指出的結構來理解及得知。
為了達成本發明之這些與其他優點及本發明所體現與概略描述的目的，例如本發明揭示一種具有顯示面板及薄背光單元的顯示裝置，該背光單元包括一導光膜，該導光膜包括：一光進入部，位在一第一側；一光反射部，位在一第二側；以及一光導引部，位在該光進入部與該光反射部之間；一光輻射部，位在該導光膜的一上表面上；以及一光源， 鄰接於該導光膜的該光進入部，該光源提供朝向該光進入部的一擴展光，其中，該光進入部選擇性地發射朝向該光導引部之該擴展光的一入射光，該入射光滿足一全反射條件，其中，該光反射部將從該光導引部所提供的該入射光轉換成一準直光，且將其發射至該光導引部，以及其中，當該準直光傳播經過該光導引部時，該光輻射部提供一背光至該顯示面板。
在本發明之另一態樣中，本發明揭示一種具有導光膜的背光單元，其中，該導光膜例如可包括：一光進入部，位在一第一側；一光反射部，位在一第二側；以及一光導引部，位在該光進入部與該光反射部之間，其中，該光進入部選擇性地發射從一光源所提供之一擴展光的一入射光朝向該光導引部，該入射光滿足一全反射條件，以及其中，該光反射部將從該光導引部所提供的該入射光轉換成一準直光，且將其發射至該光導引部。
要瞭解的是，前述之一般描述及以下詳細描述都是示例性和解釋性的，旨在提供對本發明之申請專利範圍的進一步解釋。
<習知技術>
CASE‧‧‧殼體
CB‧‧‧底蓋
DBLU‧‧‧直下型背光單元
DIFF‧‧‧擴散片
EBLU‧‧‧側光型背光單元
GP‧‧‧導光板
LCDP‧‧‧液晶面板
LEDAR‧‧‧發光二極體陣列
LG‧‧‧導光板
OPT‧‧‧光學片
REF‧‧‧反射片
TC‧‧‧上蓋
<本發明>
10‧‧‧擴展光
100‧‧‧入射光/擴展光
101‧‧‧反射光
110‧‧‧側反射光
200‧‧‧準直光
201‧‧‧準直反射光/準直光
210‧‧‧散射光
300‧‧‧背光
GP‧‧‧高折射塊
LGP‧‧‧導光膜
LS‧‧‧光源
LA‧‧‧光吸收圖案
RH‧‧‧光反射圖案
RH1‧‧‧第一光反射圖案
RH2‧‧‧第二光反射圖案
VH‧‧‧光輻射圖案
‧‧‧光進入部
‧‧‧光導引部
‧‧‧光反射部
L1、L2‧‧‧長側邊
S1、S2‧‧‧短側邊
LG‧‧‧高折射膜
LI‧‧‧低折射膜
IS‧‧‧入射表面
MH‧‧‧高折射粒子
ML‧‧‧低折射膜介質
RS‧‧‧反射表面
RSH‧‧‧水平準直反射表面
RSV‧‧‧垂直準直反射表面
LSN‧‧‧2D光源
LSC‧‧‧3D光源
LSC1‧‧‧第一光源
LSC2‧‧‧第二光源
△D‧‧‧預定距離
α‧‧‧傾斜角/楔形角
θ‧‧‧入射角
θ’‧‧‧入射角
δ‧‧‧入射角
δ’‧‧‧入射角
所附圖式提供對本發明進一步理解並且併入構成本說明書的一部分，說明本發明實施例以及與說明書一起用來解釋本發明的原理，在圖式中：第1圖係說明依據習知技術之具有一直下型背光單元的液晶顯示裝置的結構的剖面圖，該直下型背光單元包括作為光源的發光二極體陣列；第2圖係說明依據習知技術之具有一側光型背光單元的液晶顯示裝置的結構的剖面圖，該側光型背光單元包括作為光源的發光二極體陣列；第3圖係說明依據本發明第一實施例之薄膜型背光單元的結構的圖式；第4圖係說明依據本發明第一實施例之薄膜型背光單元的光進入部的結構的放大側視圖；第5A圖及第5B圖係說明依據本發明第一實施例之薄膜型背光單元的光反射部的結構及光路徑的放大側視圖； 第6圖係說明依據本發明第一實施例之薄膜型背光單元的光反射部的結構及光路徑的平面視圖；第7A圖及第7B圖係說明依據本發明第一實施例之超薄導光膜的光輻射部的結構及光路徑的放大側視圖；第8A圖係說明依據本發明第二實施例之擴展光的光路徑的平面視圖，其中光源設置在入射表面的中心；第8B圖係說明依據本發明第二實施例之用於3D影像之具有光源的薄膜型背光單元的結構及光路徑的平面視圖；第8C圖係說明依據本發明第二實施例之用於3D影像之光源布置的放大平面視圖；第9圖係說明依據本發明第三實施例之薄膜型背光單元的結構及光路徑的放大側視圖；第10圖係說明依據本發明第三實施例之薄膜型背光單元的結構的側視圖；第11圖係說明依據本發明第四實施例之薄膜型背光單元的結構的放大側視圖；第12A圖係說明依據本發明第五實施例之薄膜型背光單元的結構的放大側視圖；第12B圖係說明依據本發明第五實施例之薄膜型背光單元的結構及光路徑的平面視圖；第13A圖係說明依據本發明第六實施例之薄膜型背光單元的光反射部的放大側視圖；以及第13B圖係從光反射側觀視，說明依據本發明第六實施例之超薄導光膜的結構的側視圖。
請詳細參考本發明實施例，將配合所附圖式進行說明，儘可 能地，相同的元件編號在整份圖式中用以表示相同或相似的元件。
<第一實施例>
以下，將參考第3圖至第8圖，描述依據本發明第一實施例的薄膜型背光單元。首先，參考第3圖，描述依據本發明第一實施例之薄膜型背光單元的結構。
第3圖係說明依據本發明第一實施例之薄膜型背光單元的結構的圖式，第3圖的上部分是從該薄膜型背光單元的上側觀視的平面圖，而第3圖的下部分是從橫向側觀視的側視圖。為方便了解，座標軸提供在第3圖的角落上。
本發明第一實施例的薄膜型背光單元包括：一導光膜LGP、一光源LS、一光吸收圖案LA、一光反射圖案RH、以及一光輻射圖案VH。導光膜LGP包括：一光進入部，光吸收圖案LA設置在光進入部；一光反射部，光反射圖案RH設置在光反射部；以及一光導引部，連接光進入部與光反射部。光源LS設置在靠近光進入部，再者，光輻射圖案VH設置在導光膜LGP的一上表面上，用以將穿過光導引部的部分光輻射至導光膜LGP的一上空間。
導光膜LGP可由具有矩形的薄膜材料製成，例如，導光膜LGP具有：兩個長側邊L1、L2，彼此平行且分隔開一預定距離；以及兩個短側邊S1、S2，橫跨兩個長側邊L1、L2。如第3圖的下部分所示，下長側邊L1與上長側邊L2是兩個長側邊，且右短側邊S1與左短側邊S2是兩個短側邊
導光膜LGP包括：一高折射膜LG、一低折射膜LI、一入射表面IS、以及一反射表面RS。高折射膜LG包括：具有相同厚度的一平面部及具有可變厚度的一楔形部，低折射膜LI設置在高折射膜LG的上表面上，低折射膜LI與高折射膜LG具有相同的形狀及面積，例如，高折射膜LG可為折射率為1.60或1.60以上的透光介質膜，低折射膜LI可為折射率大於空氣的折射率且低於1.50的透光介質膜，低折射膜LI可為結合在高折射膜LG上的薄膜形式，或者，低折射膜LI可為層狀形式，其中一低折射材料塗佈在高折射膜LG的上表面上。此處，以薄膜形式的低折射膜LI 為例進行描述。
高折射膜LG的右短側邊S1可為用作背光之光源進入的入射表面IS，再者，反射表面RS設置在該光反射的左短側邊S2。此處，反射表面RS可為具有一傾斜角(或“楔形角”)為α°的平面楔形表面(或“傾斜表面”)，或者，反射表面RS可為一圓形楔形表面或一傾斜弧形表面。此處，該傾斜角(或“楔形角”)是該高折射膜的傾斜表面(或“圓形楔形表面”)與水平表面之間的角度。
光源LS可設置在導光膜LGP的入射表面IS，光源LS可包括2D光源LSN及3D光源LSC，2D光源LSN較佳設置在入射表面IS的中心，再者，3D光源LSC較佳設置在入射表面IS的任一邊緣。光吸收圖案LA可結合至靠近光源LS之導光膜LGP的上表面。在第一實施例中，光源LS的位置並不限於此，可位在入射表面IS的任何位置。
光反射圖案RH設置在光反射部處，例如，光反射圖案RH可設置以面對反射表面RS或結合在反射表面RS上。在第3圖中，光反射圖案RH係結合在導光膜LGP的上表面上，面對反射表面RS。
光輻射圖案VH係設置在導光膜LGP的上表面上，但光反射圖案RH所設置的區域除外。光輻射圖案VH的區域可定義為該背光單元之實際背光的區域。光輻射圖案VH可具有與高折射膜LG相同的寬度，在平面視圖中，光輻射圖案VH具有比高折射膜LG較小的寬度。
以下，描述依據本發明第一實施例之薄膜型背光單元的操作，首先，將參考第4圖對光進入部及光導引部作描述。
第4圖係說明依據本發明第一實施例之薄膜型背光單元的光進入部的結構的放大側視圖。
光源LS被設置在靠近導光膜LGP的入射表面IS，導光膜LGP具有高折射膜LG及低折射膜LI，光吸收圖案LA結合至低折射膜LI上，覆蓋從入射表面IS起算的一預定距離，而光輻射圖案VH結合至低折射膜LI上，但光吸收圖案LA的區域除外。
光源LS可為2D光源LSN或3D光源LSC，此處，使用3D 光源LSC的情況為例進行描述。光源LS可為超小型發光二極體，該發光二極體可產生輻射角度為60°-120°範圍內的擴展光。
在光進入部，來自光源LS的擴展光經過入射表面IS進入高折射膜LG，在擴展光進入高折射膜LG期間，滿足全反射條件的光傳播經過導光膜LGP，而不滿足全反射條件的光可離開導光膜LGP，其可視為不使用於背光的雜訊，該不滿足全反射條件的光藉由光吸收圖案LA較佳地去除。
當入射角(與高折射膜LG之上表面的法線的夾角)大於全反射的臨界角θ時，具有入射角小於θ的所有擴展光可藉由光吸收圖案LA去除。因此，具有入射角等於或大於θ的擴展光被選擇作為入射光100，然後進入高折射膜LG。入射光100藉由在高折射膜LG的上表面和下表面的全反射傳播通過高折射膜LG至入射表面IS的相對側。
當從平面圖觀視時，入射光100是具有輻射角60°至120°的擴展光，亦即，入射光100不可以使用作為背光，因為這些光並未均勻地分布在導光膜LGP的整個表面上。入射光100在高折射膜LG內較佳地傳播，且不會離開導光膜LGP。
其次，請參考第5A圖、第5B圖及第6圖，將對光反射部及光導引部作描述。
第5A圖及第5B圖係說明依據本發明第一實施例之薄膜型背光單元的光反射部的結構及光路徑的放大側視圖，第6圖係說明依據本發明第一實施例之薄膜型背光單元的光反射部的結構及光路徑的平面視圖。
在光反射部，具有楔形的反射表面RS被形成作為高折射膜LG的端表面，滿足全反射條件的入射光100傳播進入高折射膜LG且到達反射表面RS，反射表面RS的楔形角α可滿足入射光100的全反射條件，例如，入射光100的入射角相對於反射表面RS是(θ-α)，這個角度滿足全反射條件，因此，如同θ，角度(θ-α)大於在高折射膜LG的表面上全反射的臨界角。
在反射表面RS全反射的反射光101進入光反射圖案RH， 亦即，反射光101的入射角θ’相對於高折射膜LG的上表面是在高折射膜LG與低折射膜LI之間的界面破壞全反射條件的角度。再者，入射角θ’較佳滿足在低折射膜LI的上表面破壞全反射條件的角度。考慮這些條件，反射表面RS的傾斜角(或楔形角)α較佳選擇1°-5°之間。
如上說明，進入反射表面RS的入射光100具有大於θ的入射角，入射光100藉由在反射表面RS被反射而轉換成具有入射角θ’小於θ的反射光101。當第一級反射之反射光101的入射角θ’不是在高折射膜LG與低折射膜LI之間的界面破壞全反射條件的角度時，反射光101不會到達光反射圖案RH，但會在該界面被反射，而進入高折射膜LG，且再一次被反射表面RS反射，當入射光100被反射表面RS反射兩次時，入射角θ’會變成遠小於在高折射膜LG與低折射膜LI之間的界面破壞全反射條件的角度θ。
經由這些過程，由反射表面RS反射而進入光反射圖案RH的所有反射光101可具有收斂至θ’的入射角，由X-Z平面可知，反射光101可為在Z軸上的準直光，其具有類似在垂直(Z軸)方向上的入射角。
在通過高折射膜LG與低折射膜LI之後，由反射表面RS反射的垂直準直反射光101進入光反射圖案RH，事實上，反射光101可在高折射膜LG的上表面與低折射膜LI的下表面被折射。此處，為了簡潔及易於瞭解起見，這些折射不予考慮及/或解釋。
光反射圖案RH將垂直準直反射光101轉換成且經水平方向準直的準直反射光201，且再發射至高折射膜LG，準直反射光201被反射，具有一入射角δ’，準直反射光201的入射角δ’較佳小於垂直準直反射光101的入射角θ’，當準直反射光201的入射角δ’等於垂直準直反射光101的入射角θ’，準直反射光201會沿著上述描述之光路徑的逆路徑前進，因此，沒有光從高折射膜LG輻射出來。因此，從光反射部再進入至光導引部的光可具有在高折射膜LG的上表面破壞全反射條件的入射角。
為了滿足這些不同條件，光反射圖案RH較佳具有全像圖案的光學膜，該全像圖案較佳是位在垂直準直反射光101與準直反射光201之間的干涉圖案。
在X-Y平面中，光反射圖案RH可為一光學元件，在X軸上傳播且在Y軸上擴展的擴展光可藉由該光學元件轉換成準直光，其在Y軸上的擴張角經平行於X軸的方向準直。再者，請參考第5B圖，藉由光反射圖案RH經垂直及水平方向準直的準直反射光201具有小於θ’的入射角，而進入反射表面RS，準直反射光201經反射表面RS準直而具有一入射角δ，傳播進入導光膜LGP而成為一準直光200。傳播進入導光膜LGP的一些準直光200從導光膜LGP經由光輻射圖案VH輻射出去，而形成背光300。
準直光200的入射角δ滿足在高折射膜LG與低折射膜LI之間的界面破壞全反射條件的條件，因此，準直光200的入射角δ小於入射光100的入射角θ，尤其是，準直光200的入射角δ小於在高折射膜LG與低折射膜LI的上表面之間的界面的全反射的臨界角。
同時，一些準直光200被結合在低折射膜LI之上表面的光輻射圖案VH幅射而作為背光300，同樣地，一些準直光200再進入高折射膜LG，而傳播進入入射表面IS。
為了建立這些光路徑，光輻射圖案VH較佳具有比低折射膜LI的折射率高且比高折射膜LG的折射率低的折射率，在這些條件下，從低折射膜LI進入光輻射圖案VH的一些準直光200在光輻射圖案VH與低折射膜LI之間的界面被折射，同樣地，一些準直光200被反射，以便再進入導光膜LGP，該再進入的光是在高折射膜LG的下表面被反射而傳播進入導光膜LGP的準直光200。換言之，在光輻射圖案VH，一些準直光200被幅射，且一些準直光200再進入導光膜LGP。重複這些過程，當準直光200從光反射部傳播至光進入部，一些準直光200被幅射作為背光300。
以下描述用於解釋這些過程的座標系統，其中，擴展的入射光100是要被導光膜LGP與光反射圖案RH轉換成準直光200，導光膜LGP與光反射圖案RH係依據本發明之背光單元的主要元件。
第3圖以後的圖式是使用以X-Y-Z軸表示的直角座標系統，來自光源LS的源光沿著X軸傳播，詳言之，在X-Y平面上，沿著X軸傳播的光在Y軸上擴展，在X-Z平面上，沿著X軸傳播的光在Z軸上擴展。例如，在第4圖中，平行於X軸的虛線是擴展光100的傳播方向，且 其他箭頭線是表示擴展光100的擴展方向。
在被反射表面RS反射後，在X-Z平面上的擴展光100被轉換成準直光，其在Z軸上的擴展角收斂為一預定的狹角範圍，這被稱為在Z軸上的準直光或垂直準直光101，尤其是，垂直準直光101的擴展寬度非常狹窄，如同一光束尺寸一般。
另外，垂直準直光101是在X-Z平面的Z軸上準直但在X-Y平面的Y軸上擴展，垂直準直光101被光反射圖案RH反射，而被轉換成在X-Y平面的Y軸上之擴展角收斂的準直光，這被稱為在Y軸上的準直光或水平準直光201，尤其是，水平準直光201具有對應於導光膜LGP的Y軸寬度的準直寬度。此處，在被反射表面RS反射且垂直準直後，水平準直光201被準直。亦即，垂直地及水平地準直，而稱為準直光200。
以下，參考第7A圖及第7B圖說明光輻射圖案VH與光導引部之間的關係及光路徑。
第7A圖及第7B圖係說明依據本發明第一實施例之超薄導光膜的光輻射部的結構及光路徑的放大側視圖。
首先，配合第7A圖說明光輻射圖案VH包括一表面光柵圖案(surface grating pattern)的情況。
該表面光柵圖案可具有複數個高折射塊GP，布置在一膜介質上，例如，複數個高折射塊GP可均勻地設置在具有低折射率的膜片上。或者，如第7A圖所示，複數個高折射塊GP布設在低折射膜LI上。此處，複數個高折射塊GP具有與低折射膜LI的折射率相同或較大的折射率且比高折射膜LG的折射率較小的折射率。
在穿過高折射膜LG與低折射膜LI之間的界面之後，準直光200進入低折射膜LI的上表面，進入高折射塊GP的一些準直光200可向上折射，而從導光膜LGP被幅射作為背光300。此外，進入沒有設置高折射塊GP的一些準直光200可在低折射膜LI與空氣之間的界面全反射，而再進入導光膜LGP。
再進入導光膜LGP的準直光200被高折射膜LG的下表面 全反射再進入上表面。如上所述，被反射向該上表面的一些準直光200被幅射作為背光300，且一些準直光200傳播經過導光膜LGP作為準直光200。
其次，配合第7B圖說明光輻射圖案VH包括一體積光柵圖案(volume grating pattern)的情況。
該體積光柵圖案可包括複數個高折射粒子(或分子)MH，設置在一低折射膜介質ML中，尤其是，由剖視圖觀視，高折射粒子MH係以傾斜方式設置。此處，低折射膜介質ML較佳具有比低折射膜LI的折射率較小的折射率。再者，高折射粒子MH較佳具有比低折射膜介質ML的折射率較大的折射率。特別是，高折射粒子MH較佳具有比低折射膜LI的折射率較大的折射率。
在穿過高折射膜LG與低折射膜LI之間的界面之後，準直光200進入低折射膜LI的上表面，進入高折射粒子MH的一些準直光200可向上折射，而從導光膜LGP被幅射作為背光300。此外，進入沒有設置高折射粒子MH的低折射膜介質ML的一些準直光200可在低折射膜LI的上表面全反射，而再進入導光膜LGP。
再進入導光膜LGP的準直光200被高折射膜LG的下表面全反射再進入上表面。如上所述，被反射向該上表面的一些準直光200被幅射作為背光300，且一些準直光200傳播經過導光膜LGP作為準直光200。
依據本發明的第一實施例，在光進入部，從光源LS幅射的擴展光被轉換成滿足高折射膜的全反射條件的入射光，該入射光傳播進入光導引部且到達光反射部。在光反射部，該入射光被轉換成垂直方向和水平方向的準直光，當該準直光以相反方向再穿過光導引部，其被該光幅射部幅射作為背光。背光300是類似於例如探照燈光的準直光。因此，該背光單元可被使用於3D顯示系統，其中，可選擇地將右眼影像的光發射至右眼，且將左眼影像的光發射至左眼。
到現在為止，是描述依據本發明第一實施例之背光單元中用於產生背光的背光單元的結構及光路徑。以下，將描述本發明其他實施例，其中，基本的光路徑可與第一實施例相同，細節說明不予重複。
<第二實施例>
在第一實施例中，如第6圖所示，光源LS位於入射表面IS的中心。在第3圖中，光源LS可位於沿著入射表面IS的任何位置。以下，將配合第8A圖至第8C圖描述本發明的第二實施例。
第8A圖係說明依據本發明第二實施例之擴展光的光路徑的平面視圖，其中一光源設置在一入射表面的一中心；第8B圖係說明依據本發明第二實施例之用於3D影像之具有光源的薄膜型背光單元的結構及光路徑的平面視圖；以及第8C圖係說明依據本發明第二實施例之用於3D影像之光源布置的放大平面視圖。
首先，將配合第8A圖描述當一光源設置在一入射表面的一中心時一擴展光的一光路徑。
如第6圖所示，在光源LS提供具有擴展角小於60°的擴展光的情況，從入射表面IS開始的大部分入射光可傳播進入光反射圖案RH。然而，當光源LS是一般用途的發光二極體，光源LS提供具有擴展角為60°或60°以上的擴展光。此外，當該背光單元應用於寬型顯示系統時，與一般顯示系統相較，其長邊更加拉長。
在這些情況中，如第8A圖所示，從入射表面IS開始的大部分的光並沒有直接地傳播進入光反射圖案RH，亦即，一些光傳播進入導光膜LGP的兩個縱向側邊，入射光100被該些縱向側邊反射且引導進入導光膜LGP，然後，前進至光反射圖案RH。然而，側反射光110與入射光100在光反射圖案RH的作用不同，亦即，側反射光110可為散射光(或擴散光)210，其在任意方向上並不準直或散射反射。
散射光210可被光輻射圖案VH輻射出去，然而，散射光210可被轉換成散射的背光，而不是準直的背光。當散射的背光不具有準直的性質，不能使用作為顯示3D影像的背光，但可以使用作為顯示2D影像的背光。
在由光源LS提供的入射光具有寬擴展角而使所有光不直接從光進入部傳播進入光反射部的情形，尤其是當光源被使用於3D顯示系統，一光吸收元件較佳結合在導光膜LGP的一側邊。在這種情形下，由於光被該光吸收元件所吸收，光量可能降低，因此，降低光效率。
在第二實施例中，將配合第8B圖描述3D顯示背光單元，其中，光源位置被最佳化，以改善或最大化光效率。
在第二實施例中，3D光源LSC較佳設置在該入射表面的任一角落(或邊緣)，例如，該3D光源LSC可設置在入射表面IS與下長側邊L1交叉的角落、及/或設置在入射表面IS與上長側邊L2交叉的角落。
該3D光源LSC可提供具有擴展角120°的擴展光，從該擴展光選擇滿足全反射條件的入射光100之後，在X-Y平面上，入射光100仍具有擴展角120°。當3D光源LSC設置在入射表面IS與下長側邊L1交叉的角落時，具有擴展角0°至60°的入射光100可直接傳播進入光反射圖案RH。另一方面，具有擴展角0°至-60°的入射光100會被下長側邊L1全反射，進入導光膜LGP作為一側反射光110。
側反射光110可滿足與入射光100類似或相同的條件，亦即，一半的入射光100可直接進入導光膜LGP，而另一半的入射光100可被下長側邊L1折返，像鏡子一般，然後進入導光膜LGP。因此，入射光100可被反射表面RS及光反射圖案RH轉換成垂直方向和水平方向的準直光200，然後，從導光膜LGP幅射出去作為背光300。再者，由於側反射光110具有與入射光100相同的性質，因此，可被反射表面RS及光反射圖案RH轉換成垂直方向和水平方向的準直光200，然後，從導光膜LGP幅射出去作為背光300。
如第8B圖所示，依據本發明第二實施例之設置在任一角落的3D光源LSC可藉由導光膜LGP將其轉換成高準直背光300，尤其是，其具有比3D光源LSC設置在入射表面IS的中央部較高的效率。另外，相較於3D光源LSC，具有與3D光源LSC相同性質的2D光源LSN可設置在入射表面IS的中央部，如第8A圖所示。在這種情形下，設置在角落的3D光源LSC僅可使用於顯示3D影像，而設置在入射表面IS的中央部且具有散射反射性質的2D光源LSN僅可使用於顯示2D影像。藉由將3D光源LSC與2D光源LSN結合在一起及選擇性切換(開或關)，可選擇性地呈現2D影像及3D影像。亦即，雖然3D光源LSC與2D光源LSN是相同的發光二極體，但其可依設置位置，而作為3D光源LSC或2D光源LSN。 如第8C圖所示，用於提供準直背光300的3D光源LSC可設置在導光膜LGP的角落，3D光源LSC的中心線較佳設置在與下長側邊L1隔開一預定距離△D，3D光源LSC的中心線與下長側邊L1之間的預定距離△D可為1~3mm。為了改善光效率，3D光源LSC的外端側可位在導光膜LGP的下長側邊L1的延伸線上。
<第三實施例>
以下，將配合第9圖及第10圖描述本發明第三實施例的薄膜型背光單元。
第9圖係說明依據本發明第三實施例之薄膜型背光單元的結構及光路徑的放大側視圖；以及第10圖係說明依據本發明第三實施例之薄膜型背光單元的結構的側視圖。
在光輻射圖案VH是如同第一實施例中的體積光柵圖案(volume grating pattern)的情況下，可以不包括低折射膜LI，尤其是，當高折射粒子MH的折射率比高折射膜LG的折射率高時，亦即，當折射率比高折射膜LG的折射率低的光輻射圖案VH設置在高折射膜LG上時，低折射膜LI可以省略。
另外，在光輻射圖案VH是體積光柵圖案(volume grating pattern)的情況下，光吸收圖案LA可以省略。如第9圖所示，具有入射角大於在高折射膜LG與光輻射圖案VH之間的界面處的全反射臨界角的擴展光可被全反射，且進入高折射膜LG作為入射光100。具有入射角小於在高折射膜LG與光輻射圖案VH之間的界面處的全反射臨界角的一些擴展光可從高折射膜LG進入光輻射圖案VH，但可被高折射粒子MH再折射，而不被幅射出去。因此，即使不包含光吸收圖案LA，也不會有由具有入射角小於該全反射臨界角的該一些擴展光的散射反射所產生的任何雜訊光。
該體積光柵圖案可設計為將光往一特定方向輻射，例如，進入平行於該體積光柵圖案的一傾斜側壁的體積光柵圖案的一些光類似於準直光200，可被折射從而被輻射出去作為背光，且一些光被反射而進入高折射膜LG。在來自光源LS的光中，進入垂直於該體積光柵圖案的該傾斜側的體積光柵圖案的光類似於具有入射角小於在高折射膜LG與光輻射圖案 VH之間的界面處的全反射臨界角的一些擴展光10，可被全反射或消光。
考慮這些情況，依據本發明第三實施例之超薄膜型背光單元可具有最簡單的結構，如第10圖所示。
請參考第10圖，依據本發明第三實施例的超薄膜型背光單元包括：一導光膜LGP、一光輻射圖案VH、以及一光源LS。導光膜LGP包括：一入射表面IS，該光源LS設置於其上；一反射表面RS，具有一楔形角，設置在入射表面IS的相對表面；以及一高折射膜LG，其在入射表面IS與反射表面RS之間具有相同厚度。光輻射圖案VH結合在高折射膜LG的上表面上，光源LS設置在靠近入射表面IS。
導光膜LGP包括：一光進入部、一光導引部、以及一光反射部。該光進入部具有入射表面IS，面對該光源LS，以接收來自該光源的擴展光，並將其轉換成一入射光100。該光反射部面對該光進入部，將入射光100轉換成垂直及水平方向的準直光200。該光導引部具有高折射膜LG，其連接該光進入部與該光反射部，該光導引部接收來自該光進入部的入射光100，並將其發射(或傳輸)至該光反射部。另外，該光導引部接收來自該光反射部的準直光200，並將其發射至該光進入部。
光輻射圖案VH設置在該光導引部的高折射膜LG的一上表面上，且提供來自一些準直光200的背光300。光輻射圖案VH發射一些準直光200進入高折射膜LG作為準直光200，返回進入高折射膜LG的準直光200被高折射膜LG的底表面與空氣之間的界面全反射，而傳播進入該光進入部。當沿著這些光路徑傳播進入該光進入部時，準直光200被光輻射圖案VH轉換成背光300，均勻地分散在導光膜LGP的整個表面上。
<第四實施例>
以下，將配合第11圖描述本發明的第四實施例。
第11圖係說明依據本發明第四實施例之薄膜型背光單元的結構的放大側視圖。為了簡潔起見，將配合第11圖描述本發明第四實施例之光反射部的示例。
依據本發明第四實施例的光反射部包括：一反射表面RS， 為一楔形側壁(或傾斜側壁)，從高折射膜LG擴展且具有逐漸變薄之厚度；以及一光反射圖案RH，結合在反射表面RS上。在第三實施例中，光反射圖案RH是結合在面對反射表面RS的高折射膜LG的上表面上。
在第四實施例中，光反射圖案RH是設置在不同於第三實施例的位置。應理解的是，第四實施例的特徵也可應用於第一實施例及第二實施例。
<第五實施例>
以下，將配合第12A圖及第12B圖描述本發明的第五實施例。
第12A圖係說明依據本發明第五實施例之薄膜型背光單元的結構的放大側視圖，第12B圖係說明依據本發明第五實施例之薄膜型背光單元的結構及光路徑的平面視圖。
請參考第12A圖，依據本發明第五實施例的光反射部包括：一反射表面RS，為一楔形側壁(或傾斜側壁)，從高折射膜LG擴展且具有逐漸變薄之厚度。一第一光反射圖案RH1結合在高折射膜LG的上表面上，面對反射表面RS。另外，一第二光反射圖案RH2直接結合在反射表面RS上。因為有兩個光反射圖案RH1、RH2，所以需要兩個光源LS。
請參考第12B圖，在導光膜LGP的入射表面IS有兩個光源LSC，例如，一第一光源LSC1設置在入射表面IS與下長側邊L1交叉的角落，且一第二光源LSC2設置在入射表面IS與上長側邊L2交叉的角落。
第一光反射圖案RH1與反射表面RS一起操作可將入射光100及由第一光源LSC1提供的側反射光110轉換成準直光200。另外，第二光反射圖案RH2與反射表面RS一起操作可將入射光100及由第二光源LSC2提供的側反射光110轉換成準直光200。
由光學科技來看，第一光反射圖案RH1可對應於焦點是位於第一光源LSC1的位置的半拋物面鏡，另外，第二光反射圖案RH2可對應於焦點是位於第二光源LSC2的位置的半拋物面鏡。因此，當形成作為全像光學元件時，第一光反射圖案RH1與第二光反射圖案RH2具有不同的全 像圖案。
<第六實施例>
以下，將配合第13A圖及第13B圖描述本發明的第六實施例。
第13A圖係說明依據本發明第六實施例之薄膜型背光單元的光反射部的放大側視圖，第13B圖係從光反射側觀視，說明依據本發明第六實施例之超薄導光膜的結構的側視圖。
第六實施例是描述使用物理光學元件以取代全像光學元件的情況，亦即，第六實施例被描述用以解釋光反射圖案RH是全像光學元件的物理及光學背景。
請參考第13A圖，導光膜LGP的光反射部包括：一垂直準直反射表面RSV及一水平準直反射表面RSH。垂直準直反射表面RSV可對應於第一實施例至第五實施例中的反射表面RS，在第六實施例中，水平準直反射表面RSH被形成以取代光反射圖案RH。
第13A圖是說明水平準直反射表面RSH的側結構。入射光100被垂直準直反射表面RSV反射，而被轉換成垂直準直或準直於Z軸的反射光101，被水平準直反射表面RSH反射的反射光101被轉換成水平準直或準直於X軸的準直反射光201。然後，準直反射光201返回至垂直準直反射表面RSV。此時，當準直反射光201的入射角小於反射光101的入射角，水平準直反射表面RSH與反射光101之間的角度大於90°。若水平準直反射表面RSH垂直於反射光101，準直反射光201與反射光101大致相同，因此，準直光200與入射光100大致相同，而導致沒有背光300。
同時，水平準直反射表面RSH使入射光100沿著X軸準直，亦即，水平準直反射表面RSH較佳為對應於焦點是位於光源的拋物面的一些部分的鏡子。
請參考第13B圖，水平準直反射表面RSH表示為拋物面的一些部分。在這種情況下，當拋物面的焦點設置在X軸的中央，光源LS較佳位於入射表面IS的中央。在一超薄膜型背光單元中形成一拋物面鏡有 困難，因此，依據本發明實施例之超薄膜型背光單元較佳使用全像元件。
很明顯地，對本發明所屬技術領域中具有通常知識者而言，本發明可作修飾及變化而不背離本發明之概念及範圍。因此，本發明意圖保護的範圍涵蓋所附之申請專利範圍及其均等範圍內所作的修飾及變化。
本申請案主張2014年12月31日提交之韓國專利申請第10-2014-0195764號的優先權，其全部內容併入本文中作為參考。
LGP‧‧‧導光膜
LS‧‧‧光源
LA‧‧‧光吸收圖案
RH‧‧‧光反射圖案
VH‧‧‧光輻射圖案
‧‧‧光進入部
‧‧‧光導引部
‧‧‧光反射部
L1、L2‧‧‧長側邊
S1、S2‧‧‧短側邊
LG‧‧‧高折射膜
LI‧‧‧低折射膜
IS‧‧‧入射表面
RS‧‧‧反射表面
LSN‧‧‧2D光源
LSC‧‧‧3D光源

Claims (16)

  1. 一種背光單元，包括：一導光膜，包括：一光進入部，位在一第一側；一光反射部，位在一第二側；以及一光導引部，位在該光進入部與該光反射部之間；一光輻射部，位在該導光膜的一上表面上；以及一光源，鄰接於該導光膜的該光進入部，該光源提供朝向該光進入部的一擴展光，其中，該光進入部選擇性地發射朝向該光導引部之該擴展光的一入射光，該入射光滿足一全反射條件，其中，該光反射部包括一光反射圖案和一反射表面，該光反射圖案將從該光導引部所提供的該入射光在一第一方向準直，該反射表面將該入射光在不同於該第一方向的一第二方向準直，並且該光反射部將該準直光發射至該光導引部，其中，當該準直光傳播經過該光導引部時，該光輻射部提供一背光至一顯示面板，其中，該導光膜進一步包括一高折射膜，設置在該光進入部、該光導引部及該光反射部上，其中，該反射表面具有相對於該高折射膜之一表面的楔形角，以及其中，該光反射圖案包括至少以下其中之一者：一第一光反射圖案，位在該反射表面上；以及一第二光反射圖案，位在該高折射膜的一上表面上，面對該反射表面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之背光單元，其中，該光輻射部包括一光輻射圖案，將該準直光的一第一部分輻射作為該背光，且將該準直光的一第二部分反射進入該光導引部，以及其中，該高折射膜具有一折射率，大於該光輻射圖案的折射率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之背光單元，其中，該反射表面具有一傾斜表面及一傾斜弧形表面的任一者。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之背光單元，其中，該光反射圖案將入射角小於在該高折射膜與該光輻射圖案之間的一界面處的一全反射臨界角的該準直光的該第一部分折射進入該光輻射圖案，且將該準直光的該第二部分反射進入該高折射膜，以及其中，折射進入該光輻射圖案的該準直光的該第一部分被輻射出去。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之背光單元，其中，該導光膜進一步包括一低折射膜，結合在該高折射膜的一上表面上，其中，該低折射膜具有一折射率，小於該高折射膜及該光輻射圖案的折射率。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之背光單元，其中，該光進入部進一步包括一光吸收圖案，位在該導光膜的一上表面上，該光吸收圖案將入射角小於滿足一全反射條件的一臨界角的該擴展光的一部分去除。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之背光單元，其中，該導光膜包括：一第一長側邊及一第二長側邊，彼此相互平行；以及一第一短側邊，位在該光進入部；以及一第二短側邊，位在該光反射部，其中該第一短側邊及該第二短側邊彼此相互平行，且與該第一長側邊及該第二長側邊交叉，以及其中，該光源沿著該第一短側邊設置。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之背光單元，其中，該光源進一步包括一3D光源，鄰接於該第一長側邊及該第二長側邊的任一者。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之背光單元，其中，該光輻射圖案包括一表面光柵圖案及一體積光柵圖案的任一者。
  10. 一種導光膜，包括：一光進入部，位在一第一側；一光反射部，位在一第二側；一光導引部，位在該光進入部與該光反射部之間；一高折射膜，設置在該光進入部、該光導引部及該光反射部上； 以及一光輻射圖案，設置在該高折射膜的一上表面上，其中，該光進入部選擇性地發射從一光源所提供之一擴展光的一入射光朝向該光導引部，該入射光滿足一全反射條件，其中，該光反射部將從該光導引部所提供的該入射光轉換成一準直光，且將其發射至該光導引部，其中，該光反射部包括一反射表面和一光反射圖案，該反射表面被配置為將該入射光在一第一方向準直，該光反射圖案被配置為將該入射光在不同於該第一方向的一第二方向準直，其中，該光輻射圖案被配置以將該準直光的一第一部分輻射作為一背光，且將該準直光的一第二部分反射進入該光導引部，其中，該高折射膜具有一折射率，大於該光輻射圖案的折射率，其中，該反射表面具有相對於該高折射膜之一表面的楔形角，以及其中，該光反射圖案包括至少以下其中之一者：一第一光反射圖案，位在該反射表面上；以及一第二光反射圖案，位在該高折射膜的一上表面上，面對該反射表面。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之導光膜，其中，該反射表面具有一傾斜表面及一傾斜弧形表面的任一者。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之導光膜，其中，該光反射圖案被配置以將入射角小於在該高折射膜與該光輻射圖案之間的一界面處的一全反射臨界角的該準直光的該第一部分折射進入該光輻射圖案，且將該準直光的該第二部分反射進入該高折射膜，以及其中，折射進入該光輻射圖案的該準直光的該第一部分被輻射出去。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之導光膜，進一步包括一低折射膜，結合在該高折射膜的一上表面上，其中，該低折射膜具有一折射率，小於該高折射膜及該光輻射圖 案的折射率。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之導光膜，其中，該光輻射圖案包括一表面光柵圖案及一體積光柵圖案的任一者。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之導光膜，其中，該光進入部進一步包括一光吸收圖案，設置在該導光膜的一上表面上，且該光吸收圖案被配置以將入射角小於滿足一全反射條件的一臨界角的該擴展光的一部分去除。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之導光膜，進一步包括：一第一長側邊及一第二長側邊，彼此相互平行；以及一第一短側邊，位在該光進入部；以及一第二短側邊，位在該光反射部，其中，該第一短側邊及該第二短側邊彼此相互平行，且與該第一長側邊及該第二長側邊交叉。
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