TWI681239B

TWI681239B - 光學元件及應用其之顯示裝置

Info

Publication number: TWI681239B
Application number: TW107147067A
Authority: TW
Inventors: 蔡爵仰
Original assignee: 奇美實業股份有限公司
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-01-01
Also published as: TW202024745A; CN111367001A; CN111367001B

Abstract

一種光學元件，包括一板體以及複數個溝槽。板體具有一第一表面、一第一側邊以及一第二側邊。此些溝槽位於板體的第一表面，此些溝槽沿著一組第一軌跡排列並由板體的第一側邊延伸至第二側邊。其中，自第一側邊往一時鐘旋轉方向到此些溝槽在第一側邊的切線方向之間具有一第一夾角。自第二側邊往此時鐘旋轉方向到此些溝槽在第二側邊的切線方向之間具有一第二夾角，其中第二夾角大於第一夾角。此組第一軌跡包含一直線段，且該組第一軌跡具有一單一轉折點。

Description

光學元件及應用其之顯示裝置

本發明是有關於一種光學元件，且特別是有關於一種具有曲線溝槽的光學元件及應用其之顯示裝置。

平面顯示器使許多電子裝置得以薄型化。目前的平面顯示器大多利用背光模組發光來顯示影像，因此背光模組為平面顯示器的重要元件之一。為了使出光較為均勻同時增加亮度，背光模組中通常包含具有擴光功能的擴光片(diffuser)以及具有集光功能的增亮膜(brightness enhancement film；BEF)。上述背光模組雖然具備較佳的光學特性，然而，背光模組的成本卻無法有效的降低。此外，由於增亮膜、光學元件之表面結構以及顯示器的顯示元件均同樣屬於直線形的重複結構，因此顯示器容易產生干涉而造成疊紋(moire)現象。

本發明係有關於一種光學元件及應用其之顯示裝置，光學元件具有曲線溝槽，可增加出光亮度及均勻度，並可避免光線產生干涉而造成疊紋。

根據本發明之一方面，提出一種光學元件，包括一板體以及複數個溝槽。板體具有一第一表面、一第一側邊以及一第二側邊。此些溝槽位於板體的第一表面，此些溝槽沿著一組第一軌跡排列並由板體的第一側邊延伸至第二側邊。其中，自第一側邊往一時鐘旋轉方向到此些溝槽在第一側邊的切線方向之間具有一第一夾角。自第二側邊往此時鐘旋轉方向到此些溝槽在第二側邊的切線方向之間具有一第二夾角，其中第二夾角大於第一夾角。此組第一軌跡包含一直線段，且此組第一軌跡具有一單一轉折點。

根據本發明之一方面，提出一種光學元件，包括一板體以及複數個溝槽。板體具有一第一表面、一第一側邊以及一第二側邊。此些溝槽位於板體的第一表面，此些溝槽沿著一組第一軌跡排列並由板體的第一側邊延伸至第二側邊。其中，自第一側邊往一時鐘旋轉方向到此些溝槽在第一側邊的切線方向之間具有一第一夾角。自第二側邊往此時鐘旋轉方向到此些溝槽在第二側邊的切線方向之間具有一第二夾角。此組第一軌跡具有一單一轉折點，且此些溝槽與前述第一側邊之間的此些第一夾角均相等。

根據本發明之一方面，提出一種導光板，其特徵在於前述之光學元件，另包含一導光微結構，設置於前述之光學元件中與此第一表面相對的第二表面。

根據本發明之一方面，提出一種顯示裝置，其特徵在於，包含所述之光學元件，且所述顯示裝置是電視機、數位相機、數位攝像機、數位相框、行動電話機、筆記本電腦、用於電腦的監視器、音訊再生裝置、遊戲機或車用顯示器。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

100‧‧‧側光型背光模組

101‧‧‧光學元件

102‧‧‧發光元件

110‧‧‧板體

111‧‧‧側面

112‧‧‧第一表面

120‧‧‧溝槽

120’‧‧‧第一軌跡

121‧‧‧第一端

122‧‧‧第二端

123‧‧‧曲線軌跡

124‧‧‧轉折點

201‧‧‧光學元件

220‧‧‧溝槽

B‧‧‧光線

S1‧‧‧第一側邊

S2‧‧‧第二側邊

S3、S4‧‧‧側邊

L‧‧‧直線段

C‧‧‧曲線段

P‧‧‧間距

θ1‧‧‧第一角度

θ2‧‧‧第二角度

θ3、θ3’‧‧‧第三角度

θ4、θ4’‧‧‧第四角度

CW‧‧‧時鐘旋轉方向

T1、T2‧‧‧切線方向

T3‧‧‧切線

L1‧‧‧單一轉折點至第一側邊的距離

L2‧‧‧單一轉折點至第二側邊的距離

L1+L2‧‧‧第一側邊至第二側邊的最短距離

第1圖繪示依照本發明一實施例的光學元件應用於側光式背光模組的外觀示意圖。

第2圖繪示依照本發明一實施例的光學元件的平面示意圖，其中光學元件具有單一轉折點，且第一夾角小於90度，第二夾角大於90度。

第3圖繪示一光學元件的平面示意圖。

第4圖繪示另一光學元件的平面示意圖。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。

在一實施例中，本發明之光學元件可用於一側光型背光模組中。此光學元件具有一板體，包括一入光面、一具複數個溝槽之出光面以及一具導光微結構之反射面。其中該導光微結構具有將入射光引導到與其入射方向不同方向的功能。導光微結構之一實施例是利用複數個網點的圖案設計來破壞入射光之全反射，使由入光面進入的入射光可從出光面射出，從而產生面光源以供液晶螢幕使用。網點的一實施例是透過油墨印刷製程、熱壓製程、乾式蝕刻製程、溼式蝕刻製程或雷射雕刻製程來完成。入光面可為一側面，而溝槽等微結構可設置在出光面上，以增加光均勻性。請參照第1圖之側光型背光模組100，發光元件102鄰近於光學元件101的一側面111設置，用以發射一光線B至光學元件101的板體內，使光線B經由光學元件101的反射面(例如底面)反射後再由光學元件101的出光面(例如頂面)均勻出光。

在另一實施例中，光學元件亦可用於直下型背光模組(圖未繪示)中，其中光學元件的入光面與出光面相互平行，溝槽等微結構可設置在入光面或出光面上，以增加光均勻性。發光元件鄰近於光學元件的一入光面設置，用以發射一光線至光學元件的板體內，使光線經由光學元件的入光面入射後再由出光面均勻出光。

發光元件可為一發光二極體(Light-Emitting Diode；LED)或冷陰極螢光燈(Cold Cathode Fluorescent Lamps；CCFL)。再者，雖然第1圖中未繪出，但本領域技術人員應能瞭解光學元件的上方可再增設擴散片、稜鏡增亮片等光學膜片，以進一步提高出光亮度及光均勻性。

請參照第1及2圖，依照本發明之一實施例，光學元件101包括一板體110以及複數個溝槽120。板體110為透光的材質，例如是聚甲基戊烯樹脂(polymethylpentene)；甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯(Methyl acrylate)、丙烯酸乙酯(Ethyl acrylate)等單體構成的(甲基)丙烯酸酯聚合物或共聚物、聚碳酸酯樹脂、聚苯乙烯樹脂、苯乙烯-(甲基)丙烯酸酯共聚物等透明樹脂或玻璃所形成的基板。在一實施例中，基板厚度為0.3~5毫米(mm)，較佳為0.5~3微米(mm)。板體110具有一第一表面112、一第一側邊S1以及一第二側邊S2。溝槽例如可以由直接壓印、藉由具溝槽微結構之滾輪經由熱押轉印、直接射出成型或藉由模具(或具溝槽微結構之模具)使光固化材料成型等加工製程形成。溝槽120位於板體110的第一表面112。在光學元件101中之溝槽120可具有三角形、U形、弧形、橢圓形、梯形或矩形的截面。在一實施例中，溝槽高可為10~100微米(μm)，較佳為30~80微米(μm)。在一實施例中，弧形的截面外形會形成圓柱狀。其中第一表面112例如可為是入光面、出光面或反射面。

此外，溝槽120的第一端121位於第一側邊S1，而溝槽120的第二端122位於第二側邊S2。此些溝槽120沿著一組第一軌跡120’(包含曲線軌跡123)排列並由板體110的第一側邊S1延伸至第二側邊S2，但第一軌跡120’不限定只能包含曲線軌跡123。

請參照第2圖，在一實施例中，此些溝槽120等間距P排列。在一實施例中，此些溝槽之間距P為50~350微米(μm)，較佳為100~320微米(μm)。在另一實施例中，此些溝槽120的間距P亦可由兩側往中央漸增或由兩側往中央漸減，本發明對此不加以限制。

請參照第2圖，在一實施例中，第一側邊S1與第二側邊S2位於板體110的相對兩側。

請參照第2圖，此些溝槽120於第一側邊S1具有一第一角度θ1。第一角度θ1為此些溝槽120自第一側邊S1往一時鐘旋轉方向CW到此些溝槽120在第一側邊S1的切線方向T1之間的角度。

另外，請參照第2圖，此些溝槽120於第二側邊S2具有一第二角度θ2。第二角度θ2為此些溝槽120自第二側邊S2往一時鐘旋轉方向CW到此些溝槽120在第二側邊S2的切線方向T2之間的角度。溝槽120的第一角度θ1與第二角度θ2兩者不同可使光學元件101的疊紋現象減輕。在一實施例中，第二角度θ2大於第一角度θ1。在一實施例中，第二角度θ2與第一角度θ1之差為0.1~10度，較佳為0.2~7度，最佳為0.3~2度。

在一實施例中，第一角度θ1小於90度，第二角度θ2大於等於90度。

在一實施例中，第一角度θ1介於90度至85度之間，即第一角度θ1小於90度、大於85度，第二角度θ2介於90度至95度之間，即第二角度θ2大於90度、小於95度。溝槽120的第一角度θ1與第二角度θ2互相為銳角與鈍角的關係，即θ1為銳角、θ2為鈍角可使光學元件101的聚光方向之變化有互補的效應，使得使用前述光學元件101的顯示器在光學元件101的第一側邊S1與第二側邊S2附近的聚光方向較均勻。

此外，請參照第2圖，此些溝槽120由第一側邊S1延伸至第二側邊S2僅具有單一轉折點124。也就是說，溝槽120的曲線軌跡123為僅具有單一轉折點124的曲線。當曲線軌跡123有多條時，各個曲線軌跡123分別僅具有單一轉折點124。此曲線軌跡123是由溝槽120的波峰或波谷在該第一表面上的連線所形成。轉折點124是曲線軌跡自轉折點起改變主要方向的點，例如可以構成一個〈字型。在一實施例中轉折點可定義為曲線軌跡123上切線的斜率由正轉負的一點，即當以第一側邊S1為y軸、垂直第一側邊S1為x軸時，轉折點124上的切線T3的斜率為零(在該轉折點124之切線T3與側邊S1垂直)，或當以第二側邊S2為y軸、垂直第二側邊S2為x軸時，轉折點124上的切線T3的斜率為零(該切線T3與側邊S2垂直)。

請參照第2圖，在一實施例中，單一轉折點124至第一側邊S1的距離L1大於單一轉折點124至第二側邊S2的距離L2。亦即，轉折點124可相對靠近第二側邊S2。具體而言，單一轉折點124至第一側邊S1的最短距離L1介於第一側邊S1至第二側邊S2的最短距離(L1+L2)的0.15至0.5倍之間。在一實施例中，單一轉折點124至第一側邊S1的最短距離L1為第一側邊S1至第二側邊S2的最短距離(L1+L2)的0.16~0.45倍。在另一實施例中，單一轉折點124至第一側邊S1的最短距離L1為第一側邊S1至第二側邊S2的最短距離(L1+L2)的0.17~0.4倍。

在另一實施例中，單一轉折點124至第二側邊S2的距離L2可大於單一轉折點124至第一側邊S1的距離L1(圖未繪示)。亦即，轉折點124可相對靠近第一側邊S1。具體而言，單一轉折點124至第二側邊S2的最短距離L2介於第一側邊S1至第二側邊S2的最短距離(L1+L2)的0.15至0.5倍之間。在一實施例中，單一轉折點124至第二側邊S2的最短距離L2介於第一側邊S1至第二側邊S2的最短距離(L1+L2)的0.16~0.45倍。在一實施例中，單一轉折點124至第二側邊S2的最短距離L2介於第一側邊S1至第二側邊S2的最短距離(L1+L2)的的0.17~0.4倍。

在另一實施例中，單一轉折點124至第一側邊S1的距離L1等於單一轉折點124至第二側邊S2的距離L2(圖未繪示)。亦即，轉折點124可位於板體110的中心線上。

請參照第2圖，在一實施例中，此些溝槽120可由曲線段C及直線段L所構成，不限定只有曲線段C，亦可同時包含曲線段C及直線段L。因此，上述的第一軌跡120’可定義為包含曲線軌跡123以及與曲線軌跡123相連的直線段L，或者上述的第一軌跡120’可定義為包含曲線軌跡123，但不包含溝槽120的直線段L，本發明對此不加以限制。如第2圖所示，此些溝槽120於單一轉折點124與第一側邊S1之間具有一直線段L，直線段L的長度大於或等於第一側邊S1至第二側邊S2的最短距離(L1+L2)的1/3 或更高，例如，直線段L的長度大於或等於第一側邊S1至第二側邊S2的最短距離(L1+L2)的0.45倍，但本發明不以此為限。在另一實施例中，此些溝槽120於單一轉折點124與第二側邊S2之間具有一直線段(圖未繪示)，直線段的長度大於或等於第一側邊S1至第二側邊S2的最短距離(L1+L2)的1/3或更高，例如，直線段的長度大於或等於第一側邊S1至第二側邊S2的最短距離(L1+L2)的0.45倍。在一實施例中，含轉折點124的曲線段C的二次迴歸之R平方值大約相當於直線段L線性迴歸的R平方值；在另一實施例中，第一軌跡120’之直線段L是線性回歸之R平方值大於等於含轉折點124的曲線段C的二次迴歸之R平方值的部分軌跡。

實施例1,3~7是由熔融狀態的(甲基)丙烯酸酯共聚物(型號CM-205G，奇美實業製)、實施例2是由苯乙烯-(甲基)丙烯酸酯共聚物(型號PM-500G，奇美實業製)以不同溝槽微結構之滾輪，在經由熱押轉印。其中實施例1、3、4、6是形成厚3mm，溝槽間距P=320微米、溝槽底部至頂端垂直高度為70微米的光學元件。實施例2是形成厚2.5mm，溝槽間距P=160微米、溝槽底部至頂端垂直高度為30微米的光學元件。實施例5是形成厚2.5mm，溝槽間距P=300微米、溝槽底部至頂端垂直高度為70微米的光學元件。實施例7是形成厚3mm，溝槽間距P=300微米、溝槽底部至頂端垂直高度為70微米的光學元件。

將所製得的光學元件，用簽字筆沿溝槽底部順著溝槽做記號，劃出第一軌跡，之後再沿著垂直板體的第一側邊S1作裁切，即以垂直第一側邊S1為x軸、以第一側邊S1為原點，以第一側邊S1為y軸，每10格10mm量測記號與所裁切的x軸之間隔距離作為與y軸的垂直距離(單位mm)，記錄如表一。

實施例1的轉折點約在y座標=640mm的位置，轉折點至第一側邊及第二側邊其中之一的最短距離(400mm=1040mm-640mm)介於第一側邊至第二側邊的最短距離(板寬1040mm)的0.385倍(400mm/1040mm)。實施例1若以線性迴歸之R平方值(決定係數，Coefficientof determination)大於0.97為第一軌跡之直線段，實施例1第一軌跡之直線段至少有左半160mm~570mm處(R²=0.973)，此直線段長度約占第一側邊S1至第二側邊S2的最短距離的0.39倍；以第一軌跡含轉折點的剩餘部分(580mm~1000mm)為曲線段，此曲線段作二次迴歸之R平方值(R²=0.968)約等於直線段線性迴歸之R平方值。若以線性迴歸之R平方值大於0.98為第一軌跡之直線段，實施例1之直線段至少有左半160mm~520mm(R²=0.980)，此直線段長度約占第一側邊S1至第二側邊S2的最短距離的0.34倍；以直線段之外含轉折點的剩餘部分(530mm~1000mm)為曲線段，對此曲線段作二次迴歸之R平方值(R²=0.969)約略小於此第一軌跡之直線段。

實施例2的轉折點約在790mm的位置，轉折點至第一側邊及第二側邊其中之一的最短距離(170mm=960mm-790mm)介於第一側邊至第二側邊的最短距離(板寬960mm)的0.177倍(170mm/960mm)；以含轉折點附近為曲線段(630mm~950mm)，此曲線段做二次迴歸之R平方值(決定係數，Coefficientof determination)為0.991。在實施例2中，第一軌跡之直線段可以是線性回歸之R平方值是大約相當於含轉折點的曲線段的二次迴歸之R平方值的部分。實施例2若以線性迴歸之R平方值大約相當於0.992為直線段，實施例2至少有左半80mm~620mm處屬於直線段，此直線段長度約占第一側邊至第二側邊的最短距離的0.56倍。在實施例2中，第一軌跡之直線段也可以是線性回歸之R平方值大於含轉折點的曲線段的二次迴歸之R 平方值的部分軌跡；若以線性迴歸之R平方值大於0.995為直線段，實施例2至少有左半160mm~620mm為直線段，此直線段長度約占第一側邊至第二側邊的最短距離的0.49倍。

實施例3~7是以板的兩邊分別裁切60mm乘60mm大小的板來作角度的量測，因此一邊為0mm，另一邊為板寬減60mm位置的角度；但仍約略可了解第一軌跡的變化，以及在板的兩邊緣夾角差的概略關係。

品味的檢查：使用燈條(EVERLIGHT製，型號LBM600M0414-f-1UKHF，約60cm長，共有56顆LED，顆與顆間距約10mm，使用電壓42V，電流1400mA)直接靠在從板材側面111上，檢視是否有暗帶、暗區、亮帶、亮線等不均勻狀況。實施例1~7均未發現有不均勻的狀況。

直線段L的長度與方向與光學元件101的聚光方向有關，可使光學元件101的聚光方向一致。此外，直線段L以外的曲線段(非直線段)隨著曲率變化而由第一側邊S1延伸至第二側邊S2可避免經由溝槽120折射後的光線造成疊紋。

另一方面，當溝槽的曲線軌跡具有多個反曲點，將使光學元件在沿著由第一側邊S1到第二側邊S2的方向上形成多個不一致的聚光方向，進而導致光線分布不均勻而影響視覺品味。或是當溝槽與板體邊緣夾角變化(非固定值)時，將使光學元件在沿著板體邊緣方向的聚光方向產生變化，導致光線分布不均勻進而影響視覺品味。因此，請參照第2圖，在本實施例中，此些溝槽120與第一側邊S1之間的第一夾角均相等(第一夾角為固定值，或差異小於0.1度，皆小於90度)，此些溝槽120與第二側邊S2之間的第二夾角均相等(第一夾角為固定值，或差異小於0.1度，皆大於90度)，且溝槽120的曲線軌跡123僅具有單一轉折點124，以提高視覺品味。

請參照第3及4圖，經比對本實施例的光學元件101與對照用的光學元件201可知，由於對照用的光學元件201的溝槽220由一側邊S3延伸至另一側邊S4，且溝槽220具有高度規則性圖案(例如同心圓之圖弧圖案)。在第3圖中，同心圓的圓心位於板體寬的中心線，溝槽220的其中之一與一側邊S3的夾角θ3等於同一溝槽與另一側邊S4的夾角θ3’，溝槽220的其中之一與一側邊S3的夾角θ4等於同一溝槽與另一側邊S4的夾角θ4’，因此而容易造成疊紋(moire)。此外，第3及4圖的溝槽220與一側邊S3的夾角由第三角度θ3變成第四角度θ4(非固定值)時，第三角度θ3大於第四角度θ4，將使對照用的光學元件201的聚光方向不一致或產生變化時，進而影響視覺品味。

相較於第3及4圖之溝槽220，本實施例之溝槽120為在板體的第一表面上形成曲率漸進變化的曲線軌跡123，非為同心圓的溝槽，因此可有效避免與顯示器的其他直線形重複結構造成疊紋。此外，本實施例之溝槽120與板體110的邊緣夾角(第一角度θ1與第二角度θ2)為固定值，因此可避免光學元件101的聚光方向不一致或產生變化而影響視覺品味。

根據上述的實施例，提出一種顯示裝置，其包含上述之光學元件101。顯示裝置例如是電視機、數位相機、數位攝像機、數位相框、行動電話機、筆記本電腦、用於電腦的監視器、音訊再生裝置、遊戲機或車用顯示器，光學元件101上形成溝槽120可使出光較為均勻同時增加亮度，且曲線溝槽120可有效避免折射後的光線造成疊紋，進而提高顯示裝置的視覺效果。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。