曲线型光学调制元件及具有该调制元件的背光模块

摘要

本发明的曲线型光学调制元件是由具有第一光学面与第二光学面的透光基材以及设在该第一光学面的曲线型微结构构成，由于该曲线型微结构兼具集光与扩散的可调制复合式光学效果，因此可取代区分为集光片及扩散片的现有技术，并借其曲线型设计还可防止产生叠纹现象；本发明提供兼具集光与扩散的可调制复合式光学效果的曲线型光学调制元件及具有该调制元件的背光模块，防止产生叠纹现象，简化了背光模块结构、提高光学使用效率以及降低了制造成本。

说明书

技术领域

本发明是关于一种光学调制技术，特别是关于一种曲线型光学调制元件及具有该光学调制元件的背光模块。

背景技术

近年来由于技术的不断进步，新一代数码产品不仅可整合来自信息、消费及通信三大领域的技术，更同时具备多媒体效能的特性。在此特性中，影像处理技术也随着各种零部件技术的成熟及日益增加的应用，逐渐成为受消费者注目的发展领域。在影像应用需求大幅提高的推波助澜下，各种整合显示功能的数字产品也越来越多，相对使得显示器的需求也随之大幅增长，当中最受瞩目的即是LCD屏幕。根据显示技术研究(Display Search)报告估计，在未来液晶电视(LCD TV)强劲的需求下，2006年至少达到1624万台，令LCD关键零部件产业的上游材料与元件涌现另一波商机，其中背光模块更是重点发展的项目。

由于LCD本身并非自发光的平面显示器，因此必须借助关键零部件提供背面光源，即上述背光模块(Back Light Unit)。以15吋TFT-LCD显示器为例，除了材料成本之外，背光模块的成本在所有关键零部件中仅次于彩色滤光片，因此显示器产业无不致力于降低背光模块的研发工作。当然，如上述数字产品的多元化发展，除了LCD屏幕以外，背光模块也广泛应用在各种信息、通信及消费性产品上，例如移动电话、数字照相机、数字助理器(PDA)、掌上型电动玩具等。

目前的背光模块中主要是以扩散片(Diffuser)、增亮膜片(BrightnessEnhancement Film，BEF)或偏极转换片(DBEF)等光学膜片的搭配使用达到光均匀与集中的目的。由于目前相关元件的来源皆掌握在美日等大厂中，因此虽然中国台湾显示器产业蓬勃发展，但背光模块产业的关键零部件长期受制于国外厂商，导致利润低落；此外，上述背光模块结构使用的膜片数量多，相对造成模块光学效率降低、模块成本高、组装良率受限等缺点。为此提出改进的相关专利技术例如有美国专利第6,091,547号、日本专利第JP2001324608号、美国专利第6,280,063号以及美国专利第6,277,471号等案。

图1是美国专利第US6,280,063号案的一种增亮对象(BrightnessEnhancement Article)，它是以具有圆弧角的菱形结构10搭配下层不规则状的扩散材料12实现光线14的集中与扩散。虽然此专利前案具有整合集光与扩散的双重功效，应用在背光模块时可提高光亮度与增加均匀度。然而，由于上、下层结构需要分两道程序制作，且下层扩散层对光源进行随机任意角度的扩散而不具有控制能力，因此在制作成本与光效率利用上仍有改善的空间。此外，当其菱形结构10与所应用显示器的液晶阵列平行度过高时，极易由于光的干涉产生叠纹(Morie)现象。

图2是美国专利第US6,277,471号案的一种增亮膜片(BrightnessEnhancement Film)，它提出两面分别为菱形表面200与弧形表面202的微结构20，并以多个该微结构20采取线性阵列并列方式实现背光源在两个相互垂直方向的集光增益效果。然而，对于实际的制作技术，该专利前案的阵列结构加工难度高，并不适合量产；此外，当其微结构20的线性阵列方向与所应用显示器的液晶阵列平行度过高时，同样极易由于光的干涉产生叠纹(Morie)现象。

因此，如何有效解决上述现有技术存在的问题，成为目前业界亟待克服的课题。

发明内容

为克服上述现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种曲线型光学调制元件及具有该调制元件的背光模块，兼具集光与扩散的可调制复合式光学效果。

本发明的另一目的在于提供一曲线型光学调制元件及具有该调制元件的背光模块，能够防止产生叠纹现象。

为达成上揭及其它目的，本发明提供一种曲线型光学调制元件及具有该调制元件的背光模块，该曲线型光学调制元件包括：透光基材，具有相对的第一光学面与第二光学面；以及曲线型微结构，设在该第一光学面，具有呈曲线延伸且相互并列的扩散部与集光部，且该扩散部与该集光部分别可进行光线的扩散与集光功能。其中曲线可以是曲线函数例如三角函数sin(x)、cos(x)等等。

该透光基材是一透明基板、透明膜片或其它等效的透明元件，该第二光学面是可以是平滑光学表面或具有粗糙起伏结构的光学表面。该扩散部与集光部的曲线延伸方向可选择平行于该第一光学面及/或垂直于该第一光学面。该扩散部与集光部是可以是相互间隔并列的，其中，该相互并列的扩散部与集光部是呈连续弯曲的曲线延伸。此外，该扩散部与集光部是相互等比例间隔并列或非等比例间隔并列。该扩散部可选择具有弧形表面，其中，该弧形表面的曲率半径是介于10μm至500μm之间。该集光部则可选择具有菱形表面，其中，该菱形表面的顶角是介于30度角至140度角之间。

本发明还提供一种使用上述曲线型光学调制元件的背光模块。该背光模块包括：一位于该光学调制元件下的导光板、至少一位于该导光板周围的发光元件、一位于导光板下的反射片。该背光模块还包括一位于该光学调制元件上的保护膜，该背光模块还包括一位于该光学调制元件上的扩散膜；该背光模块包括彼此交错重叠的二个曲线型光学调制元件。其中，该二个曲线型光学调制元件彼此交错的夹角是小于等于90度角。

本发明还提供另一种曲线型光学调制元件，该曲线型光学调制元件包括：透光基材，具有相对的第一光学面与第二光学面；以及曲线型微结构，设在该第一光学面，具有呈曲线延伸且相互并列的多扩散集光复合部，且该扩散集光复合部同时可进行光线的扩散与集光功能。

该透光基材也可以一透明基板、透明膜片或其它等效的透明元件。该第二光学面则可以是平滑光学表面或具有粗糙起伏结构的光学表面。该扩散集光复合部的曲线延伸方向是平行于该第一光学面及/或垂直于该第一光学面，其中，该相互并列的多扩散集光复合部是呈连续弯曲的曲线延伸。该扩散集光复合部是可选择具有弧形表面以及形成于该弧形表面顶部的菱形表面，其中，该弧形表面的曲率半径是介于10μm至500μm之间，该菱形表面的顶角则是介于30度角至140度角之间。

本发明还提供的另一背光模块，是使用上述曲线型光学调制元件。该背光模块包括一位于该光学调制元件下的导光板、至少一位于该导光板周围的发光元件以及一位于导光板下的反射片。该背光模块还包括一位于该光学调制元件上的保护膜，该背光模块还包括一位于该光学调制元件上的扩散膜；该背光模块包括彼此交错重叠的二个曲线型光学调制元件。其中，该二个曲线型光学调制元件彼此交错的夹角是小于等于90度角。

与现有技术相比，本发明提出利用微结构在光学上的可设计性和控制性，设计出高度可控制性的光学扩散功能(即同时具有集光与扩散功效)的微结构几何形状与分布的元件，实现了结合扩散与集光功能的多任务型光学膜片，同时通过微结构的曲线型并列安排避免叠纹(Morie)现象。如此一来，便可解决现有技术中光学元件需要分两道程序制作，且下层扩散层对光源进行随机的任意角度扩散而不具有控制能力，应用制作成本与光效率利用上也不佳的问题，同时可避免现有技术的菱形结构与所应用的显示器的液晶阵列平行度过高时由于光的干涉产生叠纹现象，且本发明的在加工上不存在技术难度，适合量产。

本发明提供兼具集光与扩散的可调制复合式光学效果的曲线型光学调制元件及具有该调制元件的背光模块，防止产生叠纹现象，简化了背光模块结构、提高光学使用效率以及降低了制造成本。

附图说明

图1是美国专利第US6,280,063号案的增亮对象的示意图；

图2是美国专利第US6,277,471号案的增亮膜片的示意图；

图3A是本发明曲线型光学调制元件实施例1的构造剖视图；

图3B是图3A的曲线型光学调制元件的俯视图；

图4A是根据司乃尔定律(Snell′s Law)该集光部在光学上的集光特性示意图；

图4B是根据透镜特性该扩散部表现出的扩散性质示意图；

图5是使用本发明实施例1的曲线型光学调制元件的背光模块侧剖示意图；

图6A及图6B是本发明实施例2的曲线型光学调制元件构造剖视图；

图7是使用本发明实施例2的曲线型光学调制元件的背光模块侧剖示意图；

图8是本发明实施例3的曲线型光学调制元件构造剖视图；

图9是使用本发明实施例3的曲线型光学调制元件的背光模块侧剖示意图；

图10A及图10B是本发明实施例4的曲线型光学调制元件的构造剖视图；

图11是使用本发明实施例4的曲线型光学调制元件的背光模块侧剖示意图；

图12是本发明实施例5的曲线型光学调制元件构造剖视图；以及

图13是使用本发明实施例5的曲线型光学调制元件的背光模块侧剖示意图。

具体实施方式

实施例1

图3A至图5是依据本发明曲线型光学调制元件及具有该调制元件的背光模块实施例1绘制的附图。

请参阅图3A，它是本实施例1的曲线型光学调制元件的构造剖视图。如图所示的曲线型光学调制元件3包括一透光基材31以及一曲线型微结构33。其中曲线可以是曲线函数例如三角函数sin(x)、cos(x)等等。

该透光基材31具有相对的第一光学面311与第二光学面313。在本实施例1中，该透光基材31是可以是一透明基板、透明膜片或其它等效的透明元件。该第二光学面313可选择为平滑光学表面或具有粗糙起伏结构的光学表面，并可用于接收入射光(未标出)。

该曲线型微结构33则是设在该第一光学面311，并具有呈曲线延伸且相互并列的扩散部331与集光部333，且该扩散部331与该集光部333分别可进行光线(出射光)的扩散与集光功能。在本实施例1中，该曲线型微结构33是由可透光材料制成的微结构。该扩散部331与集光部333是相互间隔并列的。该扩散部331是具有弧形表面，其中，该弧形表面的曲率半径是介于10μm至500μm之间为较佳。该集光部333是具有菱形表面，其中，该菱形表面的顶角是介于30度角至140度角之间为较佳。应注意的是，借由适当选择该扩散部331弧形表面的曲率半径以及该集光部333菱形表面的顶角角度、上述二者的高度以及该曲线型微结构33的材料(即选择折射率)，可依不同的产品需求调整该曲线型微结构33所表现出的集光度与扩散度的强弱比例，当然此等变化应为所属技术领域中具有通常知识者可轻易思及且可予以修改的。

同时，请配合参阅图3B，它是图3A曲线型光学调制元件的俯视图。如图所示，该扩散部331与集光部333的曲线延伸方向是平行于该第一光学面311；换言之，该相互并列的扩散部331与集光部333是呈连续弯曲的曲线延伸。

此外，该曲线型光学调制元件3可利用超精密加工技术例如以成形单晶钻石刀加工在金属模仁上，并搭配滚压成形技术进行紫外线固化(UV curing)，将模仁上的微结构转写在光学基材上，因而具有实际量产上的生产优势。当然，也可应用其它超精密加工技术或等效的成形技术。由于相关加工原理与技术均为所属技术领域中具有通常知识者所熟知的，于此不再详加赘述。

请参阅图4A，根据司乃尔定律(Snell′s Law)，在光学上该集光部333具有良好的集光特性，也就是可缩小发散光源的发散角度。当入射光5射入菱镜7后，如果角度θ大于全反射临界角，则如图中所示的虚线箭头指示的，该入射光5会在该菱镜7内全反射。反之，如果角度θ小于全反射临界角，则如图中所示的实线箭头指示的，该入射光5在射出该菱镜7后会依循折射定律而离开法线(也就是如图中所示的虚线，该入射光5是离开该菱镜7表面)，故可达到集光效果。

请参阅图4B图，在光学效果上该扩散部331因其弧形表面而具有透镜特性，因而可表现出有效范围的扩散性质。如图所示，当离轴的入射光51、入射光53、入射光55以及入射光57射入透镜9之后，会先汇聚在汇聚区59然后再发散。如此一来，利用透镜对离轴光线的会聚产生各种像差现象的特性，便可实现大入射角度光线的出光角收敛与均匀化(模糊化)的目的。

由上可知，该曲线型微结构33对光源具有扩散与集光的复合效果，借由具有透镜像差效果的扩散部331可对入射光源产生模糊化的效果(即均匀的功效)，该集光部333则可控制光线通过其结构后的出光角度(即出光角范围与菱形顶角有相关性)，便可对光源产生集光与扩散的双重效果。

请参阅图5，本发明也提供一种使用上述曲线型光学调制元件3的背光模块4，该背光模块4包括该曲线型光学调制元件3、一位于该光学调制元件3下的导光板41、至少一位于该导光板41周围的发光元件43。由于相关背光模块的结构与作用原理均为所属技术领域中具有通常知识者所熟知，在此不再多作说明。

与现有技术相比，本发明是利用两种不同几何形状微结构的安排设计并制作在高透光性的光学薄膜材料上，使其成为一具有复合功能的曲线型光学调制元件，该曲线型光学调制元件可表现出高度可控制性的光学扩散功能，实现同时取代传统集光片与扩散片的目的。同时，通过该曲线型光学调制元件的微结构的曲线型并列设计，可避免叠纹(Morie)现象，且这种曲线型光学调制元件可应用在背光模块中，提高了光效率、简化模块结构并降低模块成本。

因此，本发明提供的曲线型光学调制元件及具有该调制元件的背光模块是兼具集光与扩散的可调制复合式光学效果，可防止产生叠纹现象，解决了现有技术存在的问题。

实施例2

图6A至图7是依照本发明的曲线型光学调制元件及具有该调制元件的背光模块实施例2绘制的附图。其中，与实施例1相同或近似的元件以相同或近似的元件符号表示，并省略详细的叙述，使本案的说明更清楚易懂。

实施例2与实施例1最大不同之处在于，实施例2的曲线型光学调制元件中，该扩散部与集光部的曲线延伸方向是垂直于该第一光学面，且该背光模块还包括一位于导光板下的反射片。

请参阅图6A图，它是本实施例2的曲线型光学调制元件的构造剖视图。在本实施例2的曲线型光学调制元件3中，该扩散部331与集光部333的曲线延伸方向是垂直于该第一光学面；换言之，该扩散部331与集光部333的高度是呈曲线分布状态。此外，相邻的扩散部331或集光部之间的连接处(即底边)，其曲线延伸方向也可如图6B所示是垂直于该第一光学面。

请参阅图7，该背光模块4是包括该曲线型光学调制元件3、一位于该曲线型光学调制元件3下的导光板41、至少一位于该导光板41周围的发光元件43以及一位于该导光板41下的反射片45。如图所示，该光源43是位于该导光板41周围且可发射一入射光431。当例如为了提高显示器的水平可视度或垂直可视度，该入射光431是可在单一方向上(水平或垂直)由该光学调制元件进行集中与扩散的双重效果，使该背光模块4的光效率得以提高，且具有优异的显示特性。

实施例3

图8至图9是依照本发明的曲线型光学调制元件及具有该调制元件的背光模块实施例3绘制的附图。其中，与上述实施例相同或近似的元件是以相同或近似的元件符号表示，并省略详细的叙述。

实施例3与上述实施例最大不同这处在于该扩散部与集光部是相互等比例间隔并列，且与实施例2不同之处是该背光模块还包括一位于该曲线型光学调制元件上的保护膜。

请参阅图8，在本实施例3的曲线型光学调制元件3中，该扩散部331与集光部333是相互等比例间隔并列，例如以两个集光部333搭配两个扩散部331。当然，本发明的光学调制元件并非局限于此，也可以三个集光部333搭配三个扩散部331、四个集光部333搭配四个扩散部331或其它数量的相互等比例间隔并列，具有多种搭配变化。

请参阅图9，该背光模块4是包括该曲线型光学调制元件3、一位于该曲线型光学调制元件3下的导光板41、至少一位于该导光板41周围的发光元件43、一位于该导光板41下的反射片45以及一位于该曲线型光学调制元件3上的保护膜47。

实施例4

图10A至图11是依照本发明的曲线型光学调制元件及具有该调制元件的背光模块实施例4绘制的附图。其中，与上述实施例相同或近似的元件是以相同或近似的元件符号表示，并省略详细的叙述。

实施例4与上述实施例最大不同之处在于该扩散部与集光部是相互非等比例间隔并列，且与实施例2不同之处是该背光模块还包括一位于该曲线型光学调制元件上的扩散膜。

请参阅图10A及图10B，在本实施例4的曲线型光学调制元件3中，该扩散部331与集光部333是相互非等比例间隔并列，例如在图10A图所示的以一个集光部333搭配四个扩散部331，或在图10B所示的以二个集光部333搭配三个扩散部331。当然，本发明的曲线型光学调制元件并非局限于此，也可以其它数量的非相互等比例间隔并列。

请参阅图11，该背光模块4是包括该曲线型光学调制元件3、一位于该光学调制元件3下的导光板41、至少一位于该导光板41周围的发光元件43、一位于该导光板41下的反射片45以及一位于该曲线型光学调制元件3上的扩散膜49。

实施例5

图12至图13是依照本发明的曲线型光学调制元件及具有该调制元件的背光模块实施例5绘制的附图。其中，与上述实施例相同或近似的元件是以相同或近似的元件符号表示，并省略详细的叙述。

实施例5与上述实施例最大不同之处在于该曲线型光学调制元件的曲线型微结构具有呈曲线延伸且相互并列的多扩散集光复合部，该背光模块则还包括一彼此交错重叠的二个曲线型光学调制元件。

请参阅图12，在本实施例中，该曲线型光学调制元件3′包括透光基材31′以及曲线型微结构33′。该透光基材31′具有相对的第一光学面311′与第二光学面313′。该曲线型微结构33′则是设在该第一光学面311′并具有呈曲线延伸且相互并列的多扩散集光复合部335′，且该扩散集光复合部335′同时可进行光线的扩散与集光功能。

如图12所示，该扩散集光复合部335′是具有弧形表面3351′以及形成在该弧形表面3351′顶部的菱形表面3353′。该弧形表面3351′的曲率半径是介于10μm至500μm之间为佳，该菱形表面3353′的顶角则是介于30度角至140度角之间为佳，但并非以此为限。

当然，该相互并列的多扩散集光复合部335′也可如上述实施例为呈连续弯曲的曲线延伸，且该扩散集光复合部335′的曲线延伸方向是可选择平行于该第一光学面311′及/或垂直于该第一光学面311′。同时，该弧形表面3351′的曲率半径以及该菱形表面3353′的顶角角度、上述二者的高度以及该曲线型微结构33的选择折射率也可依不同需求进行调整，可设计该曲线型微结构33所表现出的集光度与扩散度的强弱比例。

请参阅图13，该背光模块4包括该曲线型光学调制元件3′、一位于该曲线型光学调制元件3′下的导光板41、至少一位于该导光板41周围的发光元件43、一位于该导光板41下的反射片45以及一位于该曲线型光学调制元件3′上的曲线型光学调制元件3。换言之，该背光模块4是包括彼此交错重叠的二个曲线型光学调制元件3及3′。在本实施例中，该二个曲线型光学调制元件3及3′彼此交错的夹角是小于等于90度角者为佳。

当然，在其它实施例中，也可令该背光模块4包括彼此交错重叠的二个曲线型光学调制元件3′及3′或包括彼此交错重叠的二个曲线型光学调制元件3及3，非以本实施例中所述为限。

同时，在各别实施例中的变化可互相置换应用，而非以单一的实施形态限制本发明。举例来说，可令实施例1到实施例4中的背光模块4包括彼此交错重叠的二个曲线型光学调制元件3′及3′或包括彼此交错重叠的二个曲线型光学调制元件3及3′；或令实施例1至实施例4中的背光模块4包括单一的曲线型光学调制元件3′；同时，虽然实施例1至实施例4中，该扩散部331与集光部333的曲线延伸方向是可平行于该第一光学面或垂直于该第一光学面，但所属技术领域中具有通常知识者皆知，该扩散部331与集光部333也可选择同时兼具平行于该第一光学面且垂直于该第一光学面的曲线延伸方向；此外，虽然实施例1至实施例5中的背光模块包括一个曲线型光学调制元件或彼此交错重叠的二个曲线型光学调制元件，但所属技术领域中具有通常知识者也可选择在该背光模块中设置二个以上彼此交错重叠的曲线型光学调制元件，且此为本技术领域中具有通常知识者均应能理解并推及的。

本发明的曲线型光学调制元件是由具有第一光学面与第二光学面的透光基材以及设在该第一光学面的曲线型微结构所构成，由于该曲线型微结构兼具集光与扩散的可调制复合式光学效果，因此可取代区分为集光片及扩散片的现有技术，并借其曲线型设计可避免与所应用的显示器的液晶阵列平行度过高，故还可防止产生叠纹现象。