TWI655465B - 背光模組及顯示裝置 - Google Patents

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TWI655465B
TWI655465B TW107107133A TW107107133A TWI655465B TW I655465 B TWI655465 B TW I655465B TW 107107133 A TW107107133 A TW 107107133A TW 107107133 A TW107107133 A TW 107107133A TW I655465 B TWI655465 B TW I655465B
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Abstract

本發明背光模組包含複數個發光元件及複數個透鏡結構。每一發光元件具有發光面。透鏡結構覆蓋在每一發光元件上。每一透鏡結構具有形成為弧曲面之出光面。出光面具有頂點及位於頂點與各發光元件之間的焦點。透鏡結構之焦點之間具有第一間距，每一發光元件具有發光寬度。第一間距與發光寬度的比值≧10。

Description

背光模組及顯示裝置
本發明係關於一種背光模組及顯示裝置；具體而言，本發明係關於一種直下式發光的背光模組及顯示裝置。
顯示裝置已被廣泛地應用於各式的電子裝置之中，例如行動電話、數位相機、筆記型電腦、電視、交通工具用主機等。為了提高使用者的視覺感受，業者仍在不斷地就顯示裝置的光學表現進行改良。
以量子點(Quantum Dot,QD)顯示器為例，利用量子點增色膜或量子點彩色濾光片可提高色飽和度。部分量子點顯示器需要準直光源來加以激發量子點，然而，現有的背光模組所提供光源的半高全寬視角仍不盡理想，無法提供較準直的光線。另一方面採用準直光線可能形成如陣列般分布的亮點，造成亮暗不均，需加以避免。因此，如何提供準直光源並避免顯示時產生亮暗不均的情形，為一重要課題。
本發明之一目的在於提供一種背光模組，可提供較為準直的光線。
本發明之一目的在於提供一種顯示裝置，可改善顯示裝置出光的均勻度。
背光模組包含複數個發光元件及複數個透鏡結構。每一發光元件具有發光面。透鏡結構覆蓋在每一發光元件上。每一透鏡結構具有形成為弧曲面之出光面。出光面具有頂點及位於頂點與各發光元件之間的焦點。透鏡結構之焦點之間具有第一間距，每一發光元件具有發光寬度。第一間距與發光寬度的比值≧10。
顯示裝置包含背光模組以及設置在背光模組一側的顯示面板。背光模組每一透鏡之頂點與顯示面板間具有光學距離(OD)。光學距離與第一間距(L1)的比值≧10。藉此使顯示裝置出光分布的均勻度提高。
1‧‧‧顯示裝置
10‧‧‧背光模組
20‧‧‧顯示面板
110‧‧‧發光元件
110A‧‧‧法線方向
112‧‧‧發光面
120‧‧‧透鏡結構
122,122X‧‧‧出光面
123‧‧‧頂點
124‧‧‧底面
125‧‧‧焦點
126‧‧‧凸透鏡
126’‧‧‧薄透鏡
126A‧‧‧方向
128‧‧‧基材層
128A‧‧‧上表面
128B‧‧‧下表面
201‧‧‧亮區
202‧‧‧暗區
A‧‧‧平均頂點高度
B‧‧‧(焦點高度)高度
C‧‧‧(基材層)高度
F1‧‧‧第一光場
F2‧‧‧第二光場
H‧‧‧(凸透鏡)高度
L1‧‧‧第一間距
L2‧‧‧第二間距
OD‧‧‧光學距離
S‧‧‧中心軸
W‧‧‧寬度
2 φ‧‧‧直徑
ψ‧‧‧半徑
圖1A為本發明背光模組之一實施例示意圖。
圖1B為圖1A背光模組之立體圖。
圖2為光線經過透鏡結構形成不同光路徑示意圖。
圖3為透鏡結構形狀比例與發光效率、出光視角的關係圖。
圖4及圖5為透鏡結構有不同基材層高度之實施例示意圖。
圖6為基材層-透鏡結構高度比與發光效率的關係圖。
圖7及圖8為透鏡結構形成薄透鏡的不同實施例示意圖。
圖9為本發明顯示裝置之一實施例示意圖。
圖10為透鏡結構形狀比例與距離參數的關係圖。
圖11為透鏡結構出光視角之一實施例示意圖。
圖12A及圖12B為顯示裝置出光分布調整前後的示意圖。
本發明係提供一種背光模組及使用其之顯示裝置，藉由調整透鏡結構尺寸及背光模組與顯示面板的相對位置提供準直光線，並可於顯示時均勻出光。顯示裝置例如為採用量子點技術之液晶顯示裝置，但不限於此。
圖1A為本發明背光模組10之一實施例示意圖。如圖1A所示，背光模組10包含複數個發光元件110及複數個透鏡結構120。每一發光元件110具有發光面112；而透鏡結構120覆蓋在每一發光元件110上。較佳而言，發光面112係指發光元件110實際可發出光線的區域範圍。每一透鏡結構120具有形成為弧曲面之出光面122，出光面122具有頂點123及相應之焦點125。例如，在通過頂點123且垂直於發光面112的剖面上具有位於頂點123與發光元件110之間的焦點125。請參考圖1B的立體圖，出光面122形成略呈半球狀的弧曲面。所述弧曲面可為拋物面、橢球面或是雙曲面。
如圖1A所示，發光元件110具有通過發光面112的中心軸S，焦點125位於中心軸S上。焦點125之間具有第一間距L1，亦即，相鄰兩透鏡結構120之焦點125與焦點125間的距離為第一間距L1。此外，每一發光元件110具有發光寬度W，例如當發光面112為圓形時，發光面112的直徑即為發光寬度W；而當發光面112為矩形時，則發光面112的一側邊長即可為發光寬度W。第一間距L1與發光寬度W的比值大於或等於10。於一實施例，第一間距L1與發光寬度W的比例可為10：1。於其他實施例，第一間距L1與發光寬度W的比例可為20：1。
另外，在圖1A的實施例中，透鏡結構120與發光元件110採一對一設置。請參考圖1B，每一透鏡結構120並列設置在基材層128上 形成陣列分布。具體而言，發光元件110之間具有第二間距L2，例如，發光元件110中心至相鄰之發光元件110中心的距離為第二間距L2。較佳而言，第二間距L2等於第一間距L1。換言之，第二間距L1與發光寬度W之間亦具有如前述比值大於或等於10的關係。如圖1A所示，每一透鏡結構120接近發光元件110的一側具有底面124。底面124具有直徑2 φ。第二間距L2等於底面124之直徑。進一步而言，當第一間距L1、第二間距L2、底面124直徑2 φ相等時，底面124朝發光面112的垂直投影面積與發光面112面積的比值大於或等於100。
如圖1A繪示的實施例，透鏡結構120間在接近發光面112的一側係彼此緊鄰，但不限於此。另外，在圖1A及圖1B的實施例中，透鏡結構120形成略呈半球狀的設計。在其他實施例中，透鏡結構120採用長條形的透鏡結構，例如沿基材層128一側並列，且略呈半圓柱的長條結構。
就透鏡結構120而言，每一透鏡結構120具有凸透鏡126與基材層128。凸透鏡126設置於基材層128上，且凸透鏡126具有凸向(沿平行圖中方向126A)朝遠離發光面112之一側。透鏡結構120的底面124具有直徑2 φ。於一實施例，凸透鏡126高度H與底面124之半徑φ的比值範圍介於1.7至2.1。於其他實施例，凸透鏡126高度H與底面124之半徑φ的比值範圍介於1.9至2.1。藉由此一設置，可提供出較為準直的光線。
此外，透鏡結構具有凸透鏡焦點高度。如圖1A所示，焦點125至發光面112具有焦點高度B，而頂點123至發光面112具有平均頂點高度A。需補充的是，平均頂點高度A較佳與每一透鏡結構120的頂點123至發光面112的距離相等。製程因素可能造成頂點123高程有些微差異，因此平均頂點高度A較佳是指每一透鏡結構120的頂點123至發光面112 的距離總和的平均值。另外，焦點125較佳為來自發光元件110全部光線匯聚的位置。製程因素可能造成光線交匯的位置有些微差異，因此焦點高度B較佳是指光線匯聚產生能量密度最高的位置至發光面112的距離。
於一實施例，焦點高度B與平均頂點高度A的比值小於或等於1/5。在其他實施例，焦點高度B與平均頂點高度A的比值範圍較佳介於6%至19%。例如，凸透鏡高度-底面半徑比值為1.9時，焦點-頂點高度比值為6%。凸透鏡高度-底面半徑比值為2.1時，焦點-頂點高度比值為19%。藉此，可調整透鏡結構至適當的形狀比例，以提供較為準直的光線。
圖2為光線經過透鏡結構120形成不同光路徑示意圖。如圖2所示，發光元件110具有垂直於發光面的法線方向110A。發光元件110發射光線以形成第一光場F1。發光元件110例如可採用朗伯(Lambertian)光型的發射體。透鏡結構120改變第一光場，使第一光場朝法線110A方向收束以形成第二光場F2，形成較準直的光線。具體而言，第二光場的光強度峰值的半高寬小於或等於10度。另外，在第二光場中，出光視角小於或等於10度之光強度總和與全視角之光強度總和的比率較佳為大於或等於60%。
圖3為透鏡結構形狀比例與發光效率、出光視角的實施例關係圖。如圖3所示，橫軸為透鏡結構形狀比例，縱軸分別為出光視角與發光效率。透鏡結構形狀比例係指凸透鏡高度與底面半徑的關係。出光視角係指光線自透鏡結構出光後光強度峰值半高寬的視角大小。發光效率係指出光視角小於或等於10度之光強度總和與全視角之光強度總和的關係。在圖3中，曲線C1表示採用第一間距(L1)與發光寬度(W)比例為10：1(亦即，發光元件的第二間距(L2)與發光寬度(W)比例為10：1)。曲線C2表示採用第一間距(L1)與發光寬度(W)比例為20：1。如圖3所示，當透鏡結構形狀 比例為1.7至2.1時，可提供出光視角小於或等於10度。對於曲線C1，於前述透鏡結構形狀比例下，出光視角為10度，而對於曲線C2，出光視角為8度。另外，在透鏡結構形狀比例為1.7至2.1時，可提供發光效率大於55%。進一步而言，當透鏡結構形狀比例為1.9至2.1時，除了可提供小於或等於10度的出光視角外，發光效率可大於或等於60%。
圖4及圖5為透鏡結構120有不同基材層高度之實施例示意圖。如圖4所示，透鏡結構120具有凸透鏡126與基材層128。基材層128具有相對之上表面128A與下表面128B。上表面128A貼附凸透鏡126且下表面128B面對發光元件110。頂點123至發光面112具有平均頂點高度A。上表面128A至發光面112之距離C(即基材層高度)係小於平均頂點高度A。
每一透鏡結構120具有有效出光區，有效出光區係指自出光面出射的光線中形成準直光線所通過的區域，該區域占出光面的一部分。參考圖4，光線幾乎不會通過透鏡結構接近發光元件一側的出光面(例如出光面122X)出光形成準直光線，故此處即非有效出光區。在較佳實施例中，透鏡結構可根據有效出光區進行調整。如圖5所示，上表面128A至發光面112之距離C與平均頂點高度A的比值小於或等於3/5。相較於前述實施例，圖5中的基材層128高度C增加，凸透鏡126高度(A-C)減少。藉此，除了可提供準直光線，還可降低凸透鏡製作的難度，提高生產良率。
圖6為基材層-透鏡結構高度比與發光效率的實施例關係圖。如圖6所示，橫軸為高度比，縱軸為發光效率。高度比係指上表面128A至發光面112之距離(即基材層128高度C)與平均頂點高度A的關係(C/A)。發光效率係指出光視角小於或等於10度之光強度總和與全視角之光強度總和的關係。在圖6中，當高度比(C/A)為10%以下至60%時，可提供發光效率大於或等於60%。當增加基材層128高度C時，較佳採用高度比 45%至55%可提供略大於60%的發光效率。
圖7及圖8為透鏡結構120形成薄透鏡的不同實施例示意圖。透鏡結構可根據有效出光區進一步形成薄透鏡，例如菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)。如圖7所示，每一透鏡結構120具有根據有效出光區形成之薄透鏡126’。圖8為繪示另一形式之薄透鏡126’，具有更小的高度(A-C)，並相應增加基材層128高度C。在圖5、圖7、圖8所繪示的實施例，透鏡結構120間在接近發光面112的一側係彼此分離設置。需注意的是，透鏡結構120將基材層128高度C增加，或是將凸透鏡改為薄透鏡時，頂點高程不變。換言之，平均頂點高度A仍保持相同，以提供一致的出光效果。
圖9為本發明顯示裝置1之一實施例示意圖。如圖9所示，顯示裝置1包含背光模組10以及設置在背光模組10一側的顯示面板20。背光模組10每一透鏡結構120之頂點123與顯示面板20間具有光學距離OD。光學距離OD與第一間距L1的比值大於或等於10。在圖9的實施例中，採用如圖2設置方式之背光模組20，因此，光學距離OD與發光元件110第二間距L2的比值大於或等於10。藉此提供顯示裝置均勻的出光分布。
在較佳實施例中，光學距離定義為：OD=N x L2。前述關係式中，OD為光學距離，代表每一透鏡結構之頂點至顯示面板之距離，N為距離參數，L2為發光元件110之間之第二間距，距離參數N為光學距離與發光元件第二間距的比例係數。距離參數N較佳小於或等於15，且距離參數N大於或等於10。
請參考圖10。圖10為透鏡結構形狀比例與距離參數關係圖，呈現不同凸透鏡高度-底面半徑比值對應的距離參數。如圖10所示，橫軸為透鏡結構形狀比例，縱軸為距離參數。在圖10中，曲線C1表示採用第一間距(L1)與發光寬度(W)比例為10：1(對應於發光元件的第二間距(L2) 與發光寬度(W)比例為10：1)。曲線C2表示採用第一間距(L1)與發光寬度(W)比例為20：1(對應於發光元件的第二間距(L2)與發光寬度(W)比例為20：1)。如圖10所示，當透鏡結構形狀比例為1.7至2.1時，對於曲線C1，距離參數N較佳介於10至15。對於曲線C2，當透鏡結構形狀比例為1.9至2.1時，亦具有距離參數N較佳介於10至15。參考圖3及圖10，當透鏡結構形狀比例為1.9至2.1時，無論是採用曲線C1或C2的設置方式，皆可提供較小出光視角、大於60%發光效率，以及較小的距離參數(對應顯示裝置厚度較小)。透鏡結構形狀比例較佳為1.9至2.1。
圖11為透鏡結構出光視角之一實施例示意圖。本實施例採用發光元件的第二間距為3mm、發光元件的發光寬度為0.3mm，並測量光線自透鏡結構出光後光強度峰值半高寬的視角大小。如圖11所示，光強度峰值半高寬的視角約為9.7度，大部分的光強度集中分布在10度內的視角範圍，可具有較準直的光線。藉此提供準直光線。
圖12A及圖12B為顯示裝置出光分布調整前後的示意圖。在圖12A中，採用發光元件的第二間距為3mm、發光元件的發光寬度為0.3mm、光強度峰值半高寬的視角為10度、光學距離5mm(對應於距離參數1.67)，測量顯示裝置的出光分布。如圖12A所示，顯示裝置的出光分布呈現亮暗不均，有較為明顯的局部亮區201及暗區202。在圖12B中，採用發光元件的第二間距為3mm、發光元件的發光寬度為0.3mm、光強度峰值半高寬的視角為10度、光學距離30mm(對應於距離參數10)，測量顯示裝置的出光分布，如圖12B所示，隨光學距離增加，顯示裝置的出光分布均勻度明顯獲得改善。
本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明之範例。必需指出的是，已揭露之實施例並未限制本發明之範 圍。相反地，包含於申請專利範圍之精神及範圍之修改及均等設置均包含於本發明之範圍內。

Claims (12)

  1. 一種背光模組，包含：複數個發光元件，每一發光元件具有一發光面；以及複數個透鏡結構，覆蓋在每一發光元件上，每一透鏡結構具有形成為弧曲面之一出光面，該出光面具有一頂點及位於該頂點與各該發光元件之間的一焦點，其中每一透鏡結構具有一凸透鏡，並具有一凸向朝遠離該發光面之一側，每一透鏡結構接近該些發光元件的一側具有一底面，該凸透鏡高度與該底面之半徑的比值範圍介於1.9至2.1；其中該些透鏡結構之焦點之間具有一第一間距，每一發光元件具有一發光寬度，該第一間距與該發光寬度的比值≧10。
  2. 如請求項1所述之背光模組，其中該些發光元件具有一法線方向，該些發光元件發射光線以形成一第一光場，該透鏡結構改變該第一光場並朝該法線方向收束以形成一第二光場，該第二光場的光強度峰值的半高寬≦10度，且在該第二光場中，出光視角小於或等於10度之光強度總和與全視角之光強度總和的比率≧60%。
  3. 如請求項1所述之背光模組，其中該頂點至該發光面具有一平均頂點高度，該焦點至該發光面具有一焦點高度，該焦點高度與該平均頂點高度的比值≦1/5。
  4. 如請求項3所述之背光模組，其中該焦點高度與該平均頂點高度的比值範圍介於6%至19%。
  5. 如請求項1所述之背光模組，其中該些發光元件之間具有一第二間距，每一透鏡結構接近該些發光元件的一側具有一底面，該第二間距等於該底面之直徑。
  6. 如請求項5所述之背光模組，其中該第二間距等於該第一間距。
  7. 一種背光模組，包含：複數個發光元件，每一發光元件具有一發光面；以及複數個透鏡結構，覆蓋在每一發光元件上，每一透鏡結構具有形成為弧曲面之一出光面，且每一透鏡結構具有一凸透鏡與一基材層，該出光面具有一頂點及位於該頂點與各該發光元件之間的一焦點，各該頂點至各該發光面具有一平均頂點高度，各該基材層具有一上表面，其中各該上表面至各該發光面之距離與該平均頂點高度的比值≦3/5；其中該些透鏡結構之焦點之間具有一第一間距，每一發光元件具有一發光寬度，該第一間距與該發光寬度的比值≧10。
  8. 如請求項7所述之背光模組，其中各該基材層具有相對之該上表面之一下表面，各該上表面分別貼附各該凸透鏡且各該下表面係面對各該發光元件，其中各該上表面至各該發光面之距離小於該平均頂點高度。
  9. 如請求項7所述之背光模組，其中每一透鏡結構具有一有效出光區，該透鏡結構為根據該有效出光區形成之一菲涅爾透鏡。
  10. 一種背光模組，包含：複數個發光元件，每一發光元件具有一發光面；以及複數個透鏡結構，覆蓋在每一發光元件上，每一透鏡結構具有形成為弧曲面之一出光面，且每一透鏡結構具有一凸透鏡，並具有一凸向朝遠離該發光面之一側，該出光面具有一頂點及位於該頂點與各該發光元件之間的一焦點，每一透鏡結構接近該些發光元件的一側具有一底面，該凸透鏡高度與該底面之半徑的比值範圍介於1.7至2.1；其中該些發光元件具有一法線方向，該些發光元件發射光線以形成一第一光場，該透鏡結構改變該第一光場並朝該法線方向收束以形成一第二光場，且該第二光場的光強度峰值的半高寬≦10度；其中該些透鏡結構之焦點之間具有一第一間距，每一發光元件具有一發光寬度，該第一間距與該發光寬度的比值≧10。
  11. 一種顯示裝置，包含：如請求項1至10中任一項所述之背光模組；以及一顯示面板，設置在該背光模組的一側；其中，每一透鏡結構之該頂點與該顯示面板間具有光學距離，光學距離與該第一間距的比值≧10。
  12. 如請求項11所述之顯示裝置，其中光學距離(OD)定義有：OD=N x L2，其中，OD為每一透鏡結構之該頂點至該顯示面板之距離，N為一距離參數，L2為發光元件之間之一第二間距，該距離參數≦15，且該距離參數≧10。
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