TWI807032B - 具有由上及下稜鏡片夾於中間之導光板的側緣型表面發光設備 - Google Patents

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TWI807032B
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Abstract

一種側緣型表面發光設備，包含：一導光板（1），具有：一第一發光表面（Se ）、於該第一發光表面（Se ）相反側的一光分布控制表面（Sd ）、以及一光入射表面（Sin ）；一光源（2），配置在該光入射表面（Sin ）上；一第一稜鏡片（3），具有對向於該第一發光表面（Se ）的多個第一稜鏡（31）以及於該多個第一稜鏡（31）相反側的一第二發光表面（Se3 ）；一吸光片（4），對向於該光分布控制表面（Sd ）；以及一第二稜鏡片（5），具有對向於該光分布控制表面（Sd ）的一平面表面（Sin5 ）以及對向於該吸光片（4）的多個第二稜鏡（51），該多個第二稜鏡（51）係垂直於該導光板（1）之該光入射表面（Sin ）。

Description

具有由上及下稜鏡片夾於中間之導光板的側緣型表面發光設備
相關申請案的交互參照：本申請案主張以下申請案的優先權：於2018年5月31日提交之日本專利申請案第JP2018-105022號，其全部內容通過引用結合於此。
本揭露之申請標的與側緣型表面發光設備相關。
一種側緣型表面發光設備係由導光板所構成，該導光板具有設置在其側面上的多個發光部件(諸如發光二極體(LED)部件)，該側緣型表面發光設備就其薄且輕的結構而言，已廣泛用作諸如液晶顯示器(LCD)單元之顯示單元的背光源。當顯示單元用於公眾場合時，需要窄的光線分布特性或窄視角特性以防止其他人從側面觀看顯示單元。這稱為隱私效應。
一種先前技術側緣型表面發光設備係由以下部件所構成：一雙面稜鏡光導板，其具有一發光表面以及與該發光表面相對之光分布控制表面，光入射表面位在該發光表面及該光分布控制表面之側面上，多個LED部件配置在 該導光板之光入射表面上；一單面稜鏡上稜鏡片包含沿著與設置在該導光板之發光表面上的光入射表面平行之一個方向的稜鏡；以及一吸光片(黑色片)設置在導光板的光分布控制表面上(參見：JP2009-277388A)。由於吸光片將從導光板的光分布控制表面洩露出的光加以吸收，洩露出的光幾乎不回到導光板，因此隱私效應可如圖1中所述地受改善。
在圖1中，在使用反光片(白色片)而非吸光片的第一比較性範例設備中，將上稜鏡片的發光表面上在方位角θ=0°的發光強度IR界定為100%。此外，隱私效應I1/I0(%)係由上稜鏡片的發光表面上在方位角θ=±35°的發光強度I1相對於上稜鏡片的發光表面上在方位角θ=0°的發光強度I0所界定的。
在上述的先前技術側緣型表面發光設備中，如圖1中所描繪地，與具有反光片之第一比較性側緣型表面發光設備相比較，可改善隱私效應，然而，由於吸光片吸收了從導光板洩露的光，因此發光強度將會降低。
本揭露之主題力求解決一或多個上述問題。
根據本揭露之主題，一種側緣型表面發光設備，包含：一導光板，具有：一第一發光表面、相對於該第一發光表面的一光分布控制表面、以及在該第一發光表面及該光分布控制表面之側面上的一光入射表面；一光源，配置在該導光板之該光入射表面上；一第一稜鏡片，具有相對於該導光板之該第一發光表面的多個第一稜鏡以及相對於該多個第一稜鏡的一第二發光表面；一吸光片，相對於該導光板之該光分布控制表面；以及一第二稜鏡片，具有相對於 該導光板之該光分布控制表面的一平面表面以及相對於該吸光片的多個第二稜鏡，該多個第二稜鏡係垂直於該導光板之該光入射表面。
根據本揭露之主題，由於該第二稜鏡片的存在，可改善隱私效應，且同時，可增加發光強度。
I:發光強度
I0:發光強度
I1:發光強度
IR:發光強度
L1:光
L2:光
L21:光
L22:光
L3:光
R:曲率半徑
Sd:光分布控制表面
Se:發光表面
Se3:平面發光表面
Sin:光入射表面
Sin5:平面光入射表面
W:寬度
A:頂角
β1:大角度
β2:小角度
γ:頂角
θ:方位角
1:導光板
2:LED部件
3:上稜鏡片
4:吸光片
5:下稜鏡片
5’:下稜鏡片
6:光調變部件
7:LCD板
11:稜鏡
11a:圓頭頂端
12:稜鏡
12-1:傾斜表面
12-2:傾斜表面
13:平面鏡光製面
31:稜鏡
31-1:筆直傾斜表面
31-2:彎曲傾斜表面
51:稜鏡
51’:稜鏡
51-1:筆直傾斜表面
51-2:筆直傾斜表面
100:側緣型表面發光設備
100’:側緣型表面發光設備
200:控制單元
300:側緣型表面發光設備
從後續描述之特定實施例結合隨附圖式、與先前技術的比較，本揭露之主題在上方及其他的優點及特徵將顯而易見，其中：圖1為顯示在先前技術側緣型表面發光設備中與在第一比較性範例設備中的發光強度及隱私效應相比較的圖表；圖2為說明根據本揭露之主題的側緣型表面發光設備的第一實施例的透視圖；圖3為圖2之導光板的透視圖；圖4為圖3的上側稜鏡之一的剖面圖；圖5A為圖3的下側稜鏡的下視圖；圖5B為圖5A的部分剖面圖；圖6為用於解釋圖2之導光板的運作的剖面圖；圖7為圖2之上稜鏡片的剖面圖；圖8為圖2之下稜鏡片的剖面圖；圖9為用於解釋圖8之下稜鏡片的操作的剖面圖；圖10為顯示圖2之側緣型表面發光設備的可見光分布的圖；圖11為顯示側緣型表面發光設備之第二比較性範例的可見光分布的圖；圖12A為顯示以絕對發光強度呈現的圖10及11之光分布的圖； 圖12B為顯示以相對發光強度呈現的圖10及11之光分布的圖；圖13為顯示關於圖8及9之下稜鏡片的稜鏡頂角的發光強度與隱私效應的圖；圖14為顯示關於圖3及4之導光板的上側稜鏡曲率半徑的發光強度與隱私效應的圖；圖15為顯示在圖2之側緣型表面發光設備中與第一比較性範例設備及先前技術設備中的發光強度與隱私效應相比較的圖；圖16為說明根據本揭露之主題的側緣型表面發光設備之第二實施例的透視圖；圖17為說明應用了圖16之側緣型表面發光設備的LCD單元的透視圖；圖18A為顯示當光調變部件開啟時，圖17之LCD單元的相對光分布的圖；以及圖18B為顯示當光調變部件關閉時，圖17之LCD單元的相對光分布的圖。
圖2為說明根據本揭露之申請標的的側緣型表面發光設備的第一實施例的透視圖。
在圖2中，側緣型表面發光設備100係由以下部件所構成：一雙面稜鏡導光板1，其具有發光表面Se、與該發光表面Se為相反側之光分部控制表面Sd、在發光表面Se及光分布控制表面Sd之側面上的光入射表面Sin；多個LED部件2，配置在光入射表面Sin上；一單面稜鏡上稜鏡片3，配置在發光表面Se上；一吸光片(黑色片)4，配置在光分布控制表面Sd的一側；以及一單面稜鏡下稜鏡片5，配置在導光板1及吸光片4之間。
吸光片4是由以黑色顏料上色之聚對苯二甲酸乙二酯(PET)所製成。根據所需，吸光片4的表面受消光處理(dull-finished)。
LED部件2由以微電腦等等所構成之控制單元200所驅動。
在圖2的側緣型表面發光設備100中，當將光從LED部件2導入導光板1時，光的第一部分從發光表面Se透過上稜鏡片3發射到外側。另一方面，光的第二部分可從光分布控制表面Sd洩露到下稜鏡片5。在這個情況下，下稜鏡片5將光的第二部分的一部分回送到導光板1，使得只有光的第二部分的剩餘者被吸光板4所吸收。因此，可增加在方位角θ=0°的發光強度I0，且同時，可降低在方位角θ=35°或-35°的發光強度I1以改善隱私效應，這將稍後作解釋。
接著將參考圖3、4、5A、5B及6解釋圖2的側緣型表面發光設備。
圖3為圖2之導光板1的透視圖，在圖3中，導光板1係由諸如丙烯酸樹脂或是聚碳酸酯樹脂的透明材料所製成。導光板1為雙稜鏡類型，其具有在發光表面Se上沿著垂直於光入射表面Sin的X方向(光傳播方向)的多個上側稜鏡11、以及在光分布控制表面Sd上沿著平行於光入射表面Sin的Y方向的多個下側稜鏡12。當來自LED部件2(參見：圖2)的光入射到光入射表面Sin時，光傳播通過導光板1內部，使得光由稜鏡12反射朝向稜鏡11以從發光表面Se發射。
圖4為圖3之稜鏡11其中之一的剖面圖，如圖4中所描繪，稜鏡11沿Z方向的正側突出，意即他們是凸的。更詳細地，稜鏡11的每一者具有等腰三角形的剖面，該等腰三角形有著80°到110°之頂角α以及0到25μm之曲率半徑R的圓頭頂端11a。此外，每個稜鏡11的寬度W為約50μm。寬度W、曲率半徑R及頂角α根據側緣型表面發光設備100所需之分布特性加以調整，這將在稍後解釋。
值得注意的是，每個稜鏡11的剖面可以為其他形狀，諸如半圓形形狀或梯形形狀。此外，稜鏡11可由半球形凸形與在XY平面二維設置的半球形凹形交替所形成。再者，稜鏡11可由在XY平面二維設置的多角錐所形成。
在圖5A中的為圖3之下側稜鏡12的下視圖，而圖5B則為圖5A的部分剖面圖(參見：JP2009-081094A以及美國專利申請案第2009/0086509A1號)，在圖5B中，將多個平面鏡光製面13沿X方向設置在光分布控制表面Sd上，以將光傳到導光板1內部。平面鏡光製面13放置得離光入射表面Sin越遠，在該處平面鏡光製面13沿Y方向的寬度就越小。將稜鏡12的序列設置在平面鏡光製面13之間，稜鏡12的序列每一者包含有大角度β1的傾斜表面12-1以及有小角度β2(<β1)的傾斜表面12-2。稜鏡12放置得離光入射表面Sin越遠，在該處稜鏡12之序列沿Y方向的寬度就越大。
圖6為用於解釋圖2之導光板1的運作的剖面圖，在圖6中，某些光在發光表面Se與光分布控制表面Sd之間全反射，接著在第一發光表面Se或其中一個稜鏡12的傾斜表面12-2折射。在這情況下，由於沿Y方向之平面鏡光製面13的寬度以及稜鏡12的寬度係沿著X方向改變，因此在導光板1之發光表面Se內的表面發光強度可以是均勻的。因此，從發光表面發出的某些光L1不受干擾也不擴散，而是相對於發光表面Se之法線以一定角度折射。另一方面，某些光L2從導光板1之光分布控制表面Sd洩露到吸光片4。
圖7為圖2之上稜鏡片3的剖面圖(參見：JP 2005-142078A的圖8)，在圖7中，上稜鏡片3係由一系列平行於光入射表面Sin(參見：圖2)以等距設置的變形三角形稜鏡31所構成，且每個稜鏡31在光入射表面Sin的一側上具有筆直傾斜表面31-1以及在光入射表面Sin的對側上具有彎曲傾斜表面31-2。稜鏡31與導 光板1的發光表面Se相對。舉例而言，稜鏡31的寬度為約50μm。當呈從導光板1的發光表面Se的傾斜方向的光L1入射到上稜鏡片3的稜鏡31時，光L1在筆直傾斜表面31-1折射，接著由彎曲傾斜表面31-2全反射，使得垂直於上稜鏡片3之平面發光表面Se3的光L3從該處發出。值得注意的是，彎曲傾斜表面31-2可為筆直傾斜的、樣條式傾斜的(splined-sloped)、或拋物線傾斜的。
圖8為圖2之下稜鏡片5的剖面圖，在圖8中，下稜鏡片5係由一系列垂直於光入射表面Sin(參見：圖2)以等距設置的三角形稜鏡51所構成，且每個稜鏡51沿Y方向有對稱的筆直傾斜表面51-1及51-2。稜鏡51與吸光片4相對。在這個情況下，舉例而言，在筆直傾斜表面51-1及51-2之間的頂角γ為90°。
圖9為用於解釋圖8之下稜鏡片5的操作的剖面圖，在圖9中，從導光板1的光分布控制表面Sd洩露的光L2入射到下稜鏡片5的平面光入射表面Sin5。
光L2的光L21由三角形稜鏡51的筆直傾斜表面51-1及51-2全反射並返回導光板1，其中，光L21具有相對於下稜鏡片5之平面光入射表面Sin5的相對小的入射角。在這個情況下，光L21到筆直傾斜表面51-1或51-2的入射角大於下稜鏡片5的臨界角，使得光21由筆直傾斜表面51-1及51-2全反射以返回導光板1。因此，90%以上的光L2可從上稜鏡片3以在-35°與35°之間的方位角θ發出，這將增強在方位角θ=0°的發光強度I0。
另一方面，光L2的光L22在三角形稜鏡51的筆直傾斜表面51-1及51-2折射並傳播到吸光片4，其中，光L22具有相對於下稜鏡片5之平面光入射表面Sin5的相對大的入射角。在這個情況下，光L22到筆直傾斜表面51-1或51-2的入射角小於下稜鏡片5的臨界角。這將降低在方位角θ=-35°與35°的發光強度I1，意即，增強了隱私效應。
在圖8及9中，將稜鏡51沿X方向放置；然而，在稜鏡51的方向和X方向之間的角度可小於45°，較佳是小於20°。
圖10顯示圖2之側緣型表面發光設備100的可見光分布，在圖10中，下稜鏡片5的稜鏡51係沿X方向設置(意即，垂直於光入射表面Sin)，發光強度I在中心部分係大的，且發光強度I的波動相對小。
另一方面，圖11顯示第二比較性範例設備300的可見光分布，在圖11中，下稜鏡片5’的稜鏡51’係沿Y方向設置(意即，平行於光入射表面Sin)，發光強度I在中心部分係小的，且發光強度I的波動相對大。
圖10之側緣型表面發光設備100的模擬光分布以及圖11之側緣型表面發光設備300的模擬光分布顯示於圖12A及12B。值得注意的是，圖12A係以絕對發光強度I(cd/m2)呈現的光分布，而圖12B係以相對發光強度I/I0(%)呈現的光分布，其中I0係在方位角θ=0°的發光強度。
如圖12A中所描繪，在圖10之側緣型表面發光設備100中在方位角θ=0°的絕對發光強度I0比在圖11之側緣型表面發光設備300中的大。圖10之設備100可提升在-35°與35°之間之方位角θ的發光強度I。此外，如圖12B中所描繪，在圖10之側緣型表面發光設備100中在方位角θ=±35°的相對發光強度I1/I0比在圖11之側緣型表面發光設備300中的小。圖10之設備100可改善隱私效應。
圖13顯示關於圖8及9之下稜鏡片5的稜鏡51的頂角γ的發光強度I0與隱私效應I1/I0，當頂角γ是90°時，在方位角θ=0°的發光強度I0界定為100%。此外，導光板1之上側稜鏡11的頂角α及曲率半徑R分別為100°及16μm。
如圖13中所描繪，當頂角γ是90°時，在方位角θ=0°的發光強度 I0係最大。此外，當頂角γ是70°~110°時，發光強度I0大於88%，而當頂角γ是85°~100°時，發光強度I0大於90%。另一方面，當頂角γ是80°到85°時，隱私效應I1/I0稍微較差。然而，甚至當頂角γ是70°到110°時，隱私效應I1/I0都是可接受的。因此，稜鏡51的頂角γ是70°到110°，較佳是85°到100°，且更佳是，稜鏡51的頂角γ是90°。
圖14中顯示關於圖3及4之導光板1的上側稜鏡11之曲率半徑R的發光強度I0與隱私效應I1/I0，當曲率半徑R是18μm時，在方位角θ=0°的發光強度I0界定為100%。此外，導光板1之上側稜鏡11的頂角α為100°。
在圖14中，有鑑於較大的發光強度I0以及具有較小I1/I0比率之隱私效應，曲率半徑R為16μm到18μm，且更佳是，曲率半徑R為16μm。
圖15中顯示圖2之側緣型表面發光設備100的發光強度I0與隱私效應I1/I0。在這個情況下，下稜鏡片5的頂角γ是90°，而導光板1之上側稜鏡11的頂角α及曲率半徑R為100°及16μm。
如圖15中所描繪，發光強度I0大於先前技術之側緣型表面發光設備的發光強度。另一方面，與先前技術之側緣型表面發光設備相比，隱私效應I1/I0稍微劣化；然而，該隱私效應I1/I0比起第二比較性範例足夠有利。因此，在圖2的側緣型表面發光設備100中，隱私效應I1/I0可與發光強度I0相容。
圖16為說明根據本揭露之申請標的的側緣型表面發光設備的第二實施例透視圖，在圖16中，側緣型表面發光設備100’係以對圖2之側緣型表面發光設備100添加光調變部件6而建構。光調變部件6亦受控制單元200所控制。
光調變部件6係由聚合體分散液晶(PDLC)所製成，其中液晶 滴分散在聚合體中。當控制單元200對光調變部件6施加垂直電壓時，由於液晶滴與聚合體之間的折射率差異，液晶滴的方向(導向體)與Z方向平行，使得光調變部件6處在透光狀態。在這情況下，側緣型表面發光設備100’作為圖2之側緣型表面發光設備100運作，表現出窄視角特性，亦即，極佳的隱私效應。另一方面，當沒有垂直電壓施加到光調變部件6時，在聚合體中液晶滴的方向(導向體)是隨機的，使得光調變部件6處在光漫射狀態。在這個情況下，側緣型表面發光設備100’作為光漫射層運作，表現出廣視角特性。
圖17說明應用了圖16之側緣型表面發光設備100’的LCD單元，在圖17中，亦受到控制單元200控制的LCD板7係設置在光調變部件6上。在這個情況下，上側稜鏡11的頂角α及曲率半徑R為100°及16μm，而下稜鏡片5之稜鏡51的頂角γ是90°。
圖18A中說明了當光調變部件6開啟時(意即，有垂直電壓施加於其上)的相對光分布，表現出窄視角特性。也就是說，在方向角θ=±35°的隱私效應I1/I0(%)在X方向上是3.1%，而在Y方向上是2.7%，兩者都足夠小。另一方面，圖18B中說明了當光調變部件6關閉時(意即，沒有垂直電壓施加於其上)的相對光分布，表現出廣視角特性。也就是說，在方向角θ=±35°的隱私效應I1/I0(%)在X方向上是8.5%，而在Y方向上是7.7%，兩者都足夠大。
在上述實施例中，LED部件2的數量可以是1、2、3、5或更多。再者，LED部件2可由諸如雷射二極體(LD)部件的其他光源取代。此外，LED部件可由諸如冷陰極螢光管以及熱陽極螢光管的線性光源取代。再者，LED部件2可為從光源接收光的光纖。
在不偏離本揭露之主題精神與範疇的情況下，可對本揭露之申請 標的執行的各種調整與改變將對精於本項技術者而言顯而易見。因此，本揭露之申請標的旨在涵蓋本揭露之申請標的的調整與變化，只要它們落入所附之請求項及其均等範圍內。在上方以及在本說明書的先前技術章節中所述之所有相關或先前技術參考文獻以引用的方式整體併入本文。
I0‧‧‧發光強度
I1‧‧‧發光強度
Sd‧‧‧光分布控制表面
Se‧‧‧發光表面
Sin‧‧‧光入射表面
θ‧‧‧方位角
1‧‧‧導光板
2‧‧‧LED部件
3‧‧‧上稜鏡片
4‧‧‧吸光片
5‧‧‧下稜鏡片
100‧‧‧側緣型表面發光設備
200‧‧‧控制單元

Claims (10)

  1. 一種側緣型表面發光設備，包含： 一導光板（1），具有：一第一發光表面（Se ）、於該第一發光表面（Se ）相反側的一光分布控制表面（Sd ）、以及在該第一發光表面（Se ）與該光分布控制表面（Sd ）之側面上的一光入射表面（Sin ）； 一光源（2），配置在該導光板（1）之該光入射表面（Sin ）上； 一第一稜鏡片（3），具有與該導光板（1）之該第一發光表面（Se ）對向的多個第一稜鏡（31）、以及於該多個第一稜鏡（31）相反側的一第二發光表面（Se3 ）； 一吸光片（4），對向於該導光板（1）之該光分布控制表面（Sd ）；以及 一第二稜鏡片（5），具有與該導光板（1）之該光分布控制表面（Sd ）對向的一平面表面（Sin5 ）、以及與該吸光片（4）對向的多個第二稜鏡（51），該多個第二稜鏡（51）係垂直於該導光板（1）之該光入射表面（Sin ）。
  2. 如申請專利範圍第1項之側緣型表面發光設備，其中該等第二稜鏡（51）的每一者具有一三角形形狀。
  3. 如申請專利範圍第1項之側緣型表面發光設備，其中該等第二稜鏡（51）的每一者具有一第一筆直傾斜表面（51-1）及對稱於該第一筆直傾斜表面（51-1）的一第二筆直傾斜表面（51-2）。
  4. 如申請專利範圍第3項之側緣型表面發光設備，其中在該第一及第二筆直傾斜表面（51-1、51-2）之間的頂角（γ）係70°到110°。
  5. 如申請專利範圍第1項之側緣型表面發光設備，更包含一光調變部件（6），設置在該第一稜鏡片（3）的該第二發光表面（Se3 ）上，且配適以受選擇於透光狀態或光漫射狀態。
  6. 如申請專利範圍第1項之側緣型表面發光設備，其中該導光板（1）包含在該第一發光表面（Se ）上垂直於該光入射表面（Sin ）的多個第三稜鏡（11）。
  7. 如申請專利範圍第6項之側緣型表面發光設備，其中該等第三稜鏡（11）的每一者具有帶有圓頭頂端（11a）之等腰三角形的剖面。
  8. 如申請專利範圍第7項之側緣型表面發光設備，其中該等腰三角形具有80°到110°之頂角（α）。
  9. 一種液晶顯示單元，包含： 如申請專利範圍第1項之該側緣型表面發光設備；以及 一液晶板（7），在該該第一稜鏡片（3）的該第二發光表面上。
  10. 如申請專利範圍第9項之液晶顯示單元，更包含一光調變部件（6），設置在該第一稜鏡片（3）及該液晶板（7）之間。
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