CN101135739B - 具多重非球面表面结构的扩散板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具多重非球面表面结构的扩散板，包含一板体及至少一非球面微结构，该板体是以高分子透光材质制成，且内部掺杂有紫外线吸收剂，并掺杂有若干扩散粒子，而该非球面微结构形成于板体至少一表面上。借由上述结构本发明可以改进扩散板的现有缺点而具有高透光率、提升扩散能力、提升辉度及光线均匀化等优点。

Description

具多重非球面表面结构的扩散板

技术领域

本发明涉及一种具多重非球面表面结构的扩散板，特别指利用板体及至少一非球面微结构，使扩散板达到高透光率、高辉度、提升扩散能力及光线均匀化的优点。

背景技术

一般应用于液晶显示器的扩散板，其使用目的是使液晶显示器的冷阴极灯管(CCFL)所发出的光线能均匀扩散，并借此得到一均匀的面光源。请参阅图1及图2所示，其所述的扩散板使用的方法大部分有两种：其一，在扩散板1’内参杂扩散粒子11’，使光线借由扩散粒子11’达到反射、折射及散射的光学效果；其二，在扩散板1’内参杂扩散粒子11’，并于其顶部表面形成半球面的折射结构2’，借由扩散粒子11’及半球面的折射结构2’使光线更为均匀扩散。而所述的两种方法为后者的均匀扩散效果较好，也因此普遍应用在光电业界。

请参阅图3，图标为一曲线图，是未使用扩散板的A曲线，与使用前述两种方法的B曲线，此曲线为评价一个背光模块的相对辉度与位置关系所常用的辉度分布曲线图，代表由背光模块沿着垂直灯管方向的纵向剖面来测量其辉度的分布，由此图可以看出背光板的均匀性与辉度表现。在图3中横坐标为背光模块的绝对坐标位置，而纵坐标为经归一化(Normalization)后的相对辉度。当所述A曲线与B曲线相对辉度相比较时可发现，未使用扩散板时(裸灯时)，A曲线在不同位置(横坐标)的相对辉度(纵坐标)高低落差相当的大，A曲线代表当我们眼睛直视背光模块不同位置时发现背光模块的辉度分布均匀性极差，可以理解到这是因为在灯管的上方光线能直接进入眼睛，而距离灯管越远处因为光线无法有效地扩散到灯管旁边暗带区且光线无法有效聚光进入眼睛视网膜，所以几乎所有直下式(Direct)背光模块在不加光学膜片时都无法达到辉度均匀的均匀背光要求，这种辉度极不均匀的背光现象在显示器通常称为MURA缺陷，所以直下式背光模块都需要加上扩散板(Diffuser Plate)与扩散膜片(Diffuser Film)来改善不均匀光源或灯管所造成的MURA缺陷。请再参考B曲线的结果，此曲线代表使用前两种常见工艺方法所制作的扩散板的辉度分布曲线，B曲线的相对辉度变的相当平稳，且得到一相当好的辉度均匀分布，这也是扩散板最重要的功用，能将背光板的辉度均匀度明显提升，但是由于能量守恒与光学设计尚未最佳化，相对的，原本最高的辉度值会下降许多，但大体上在灯管正上方位置的辉度都是比任意两灯管中间上方的辉度值来的高。尤其，目前为提高在市场上的竞争力与降低成本的考虑下，皆已减少背光模块内的灯管的使用数量，(例如32时LCD TV背光模块原采用16支冷阴极灯管，现已缩减为12支)，如此一来，使原本液晶显示器的辉度与均匀度更向下降低，进而降低消费者选购液晶显示器的意愿。现今显示器的背光模块为了降低成本而将灯管数量减少时，这造成灯管与灯管间的相对距离变的更大，于是这种辉度亮暗不均的MURA现象将会更加的严重。所以直下式背光模块除了加了扩散板外必须再加上扩散膜片后才能再将背光模块的辉度分布变的更均匀，所以一般直下式背光模块都利用一片扩散板和两片扩散膜片来降低MURA缺陷。而前述工艺所制造的半球面(或称为半柱状(LENTICULAR))折射结构的均匀扩散效果虽然有所提升，使用半球面是由于半球面结构设计与加工较简单，但是，半球柱状的微结构透镜普遍存在透镜像差(Aberration)，所以光线扩散角度很大，由于光线扩散的角度太大，而人的眼睛在接收光源的辉度(Brightness)时因人眼的视角(Field of View)有限，因此使人眼最后所感受的液晶显示器的整体辉度下降许多，这都是因为大部分背光源发出的光线无法真正进入到人眼睛视网膜所造成的。而在灯管数目减少而灯管之间的距离越增越大时，若继续使用传统只添加扩散粒子或是柱状微结构设计的扩散板已经无法达成无MURA缺陷的严格要求，而必须要靠增加背光模块的厚度来增加扩散度并降低MURA缺陷，但这是跟目前显示器越来越轻薄的要求有所违背的，所以未来若继续采传统扩散板的设计方案，将会遇到当要求灯管数目减量或背光模块轻薄化的问题。所以未来扩散板的设计必须要有新的光学设计考虑，就是必须能有效将背光板的光导入眼睛中，而且要能达到一定的辉度与均匀度表现。

因此，如何开发一种得以解决上述现有技术各种缺点的扩散板，借以发展出提高辉度的实用性发明，实为目前亟欲解决的课题。

发明内容

有鉴于以上所述现有技术缺点，本发明的主要目的是提供一种具多重非球面表面结构的扩散板。

为达上述目的，本发明提供一种具多重非球面表面结构的扩散板，包含有一板体及至少一非球面微结构：

该板体，是以高分子透光材质制成，且至少包含一表面，且该板体内部掺杂有紫外线吸收剂，并掺杂有若干扩散粒子；

该非球面微结构，形成于该表面上，该非球面微结构具有多个第一非球面凸条以及多个第二非球面凸条，所述的多个第一非球面凸条以及所述的多个第二非球面凸条分别包括第一曲型线条、圆型线条及直线，其中第一非球面凸条的第一曲型线条一端连接该第一非球面凸条的圆型线条的一端，该第一非球面凸条的该圆型线条另一端连接该该第一非球面凸条的直线一端，该第一非球面凸条的直线另一端连接另一第一非球面凸条的第一曲型线条一端，第二非球面凸条的第一曲型线条一端连接该第二非球面凸条的圆型线条的一端，该第二非球面凸条的该圆型线条另一端连接该该第二非球面凸条的直线一端，该第二非球面凸条的直线另一端连接另一第二非球面凸条的第一曲型线条一端，该多个第一非球面凸条以及该多个第二非球面凸条彼此相异

其中，所述的多个第一非球面凸条与所述的多个第二非球面凸条相邻平行并排但不相交。

借助在板体掺杂有紫外线吸收剂及扩散粒子，并于板体至少一表面上形成非球面微结构的技术手段，本发明可以改进现有技术缺点而具有高透光率、高辉度、提升扩散能力及光线均匀化的优点。

该板体，以高分子透光材质制成；

附图说明

图1是现有技术的扩散板的内部参杂扩散粒子的侧视图；

图2是现有技术的扩散板的表面结构的立体图；

图3是现有技术的相对辉度及均匀度的曲线图；

图4是本发明第一实施例结构的立体图；

图5是本发明第二实施例结构的侧视图；

图6是本发明第三实施例结构的立体图；

图7是本发明第四实施例结构立体图；

图8是说明本发明第五实施例结构的侧视图；

图9是说明本发明第六实施例结构的立体图；

图10是本发明第七实施例结构的侧视图；

图11是本发明第七实施例與图1及图2现有技术的相对辉度及均匀度的曲线图。

图12是本发明第七实施例與多種现有技术的相对辉度及均匀度的曲线图。

附图标号说明：1板体；1’扩散板；11紫外线吸收剂；11’扩散粒子；12扩散粒子；2非球面微结构；2’半球面的折射结构；21第一非球面凸条；211曲线线条；22第二非球面凸条；221第一曲型线条；222圆型线条；223直线；23第三非球面凸条；24第四非球面凸条；25第五非球面凸条；26第六非球面凸条；27第七非球面凸条；28第八非球面凸条；29第九非球面凸条；2a第十非球面凸条；2b第十一非球面凸条；2c第十二非球面凸条；AA曲线；BB曲线；CC曲线；DD曲线；EE曲线；FF曲线；GG曲线。

具体实施方式

有关本发明所采用的技术、手段及其达成功效，是以非球面方程式来设计并搭配光学设计软件来优化此发明扩散板表面上的非球面微结构，兹举数较佳实施例并配合附图详细说明如后，相信可得到深入而具体的了解。

在本发明被详细描述之前，要注意的是，在以下说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示。

请配合参阅图4所示，本发明的第一实施例的具多重非球面表面结构的扩散板，包含有一板体1及至少一非球面微结构2，而非球面微结构2的表面形状可由传统光学所述及的非球面方程式决定出。

该板体1，是以高分子透光材质制成，该高分子透光材质选自聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(Methyl methacrylate)，PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、甲基丙烯酸甲酯聚苯乙烯((Methyl methacrylate)Styrene，MS)及聚苯乙烯(PolyStyrene，PS)等树脂中的至少一种。这些树脂采用挤压(Extrusion)工艺挤压成一体成型的板体1，使该光扩散板的板体1的至少一面挤压成数个非球面微结构体2；板体1内部掺杂有紫外线吸收剂11，以阻绝紫外线直接照射，避免扩散板产生黄化、裂解等现象；且板体1内部掺杂有若干扩散粒子12，该扩散粒子12选自聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(Methyl methacrylate)，PMMA)、甲基丙烯酸甲酯聚苯乙烯((Methyl methacrylate)Styrene，MS)、聚苯乙烯(PolyStyrene，PS)、氧化硅(Silica)、硅(Silicon)、三聚氰胺(Melamin)、碳酸钙、铁氟龙、二氧化钛(TiO2)及二氧化硅(SiO2)等中的至少一种材料，借此使光线经过扩散粒子12时，造成光学扩散的效果。

该非球面微结构2，形成于前述的板体1至少一表面上，且该非球面微结构2包括至少一种连续排列的第一非球面凸条21，该第一非球面凸条21的曲线轮廓包括至少一种曲线线条211，该曲线线条211通常可由非球面曲线、NURB曲线、SPLINE曲线，或BEZIER曲线等组成；其中，至少一种第一非球面凸条21及至少一种曲线线条211是针对背光模块的各类灯源排列做最佳化的光学设计，借此可将冷阴极灯管(CCFLs)的类似线光源(Line Source)或由发光二极管(LEDs)等类似点光源(Point Source)的背光光源经前述的板体1与所述的非球面微结构2后，转换成高辉度与均匀性的面光源(Surface Source)以供面板利用。而第一非球面凸条21可由曲线线条211沿直线(Line)来延展(Extrude)，但因加工的限制或需求，亦可以使用曲线(如呈现S型)的方式将曲线线条211延展出此呈现曲线蜿蜒的第一非球面凸条21，而实际加工可以借由超精密刀具与计算机数值控制的车床加工机来搭配刻划出此微结构凸条。

请配合参阅图5所示，本发明第二实施例的具多重非球面表面结构的扩散板与第一实施例组合方式相同，而不同处在于第二实施例的非球面微结构2包括有数个连续并排的第二非球面凸条22，该第二非球面凸条22包括第一曲型线条221、圆型线条222及直线223，其中第一曲型线条221一端连接圆型线条222，该圆型线条222另一端连接一直线223，该直线223另一端连接另一第二非球面凸条22的第一曲型线条221一端，而此实施例的微结构乃由多种曲线线条构成一复合非球面的轮廓曲线，并借此连续并排的结构而构成第二实施例的非球面微结构2。

请配合参阅图6所示，本发明第三实施例的具多重非球面表面结构的扩散板与第一实施例组合方式相同，而不同处在于第三实施例的非球面微结构2包括有数个平行并排的第三非球面凸条23及数个与第三非球面凸条23相邻平行并排的第四非球面凸条24，该第三非球面凸条23及第四非球面凸条24是呈相邻平行并排，而特色是第三实施例的排列方式为分区域性的，即每个小区域内为同一种形状的非球面结构体所组成。亦即，同类型的凸条分布在同一区域中，而多种类型的结构凸条有多种区域的依序排列，并借此构成非球面微结构2。

请配合参阅图7所示，本发明第四实施例的具多重非球面表面结构的扩散板与第一实施例组合方式相同，且第四实施例不同于第三实施例的分区域排列方式，而是采用多种结构相邻间隔的排列，在第四实施例的非球面微结构2包括有数个第五非球面凸条25及数个第六非球面凸条26，该第五非球面凸条25及第六非球面凸条26是呈彼此错开间隔地排列，且借此构成非球面微结构2。

请配合参阅图8所示，本发明第五实施例的具多重非球面表面结构的扩散板与第一实施例组合方式相同，而不同处在于第五实施例的非球面微结构2包括有数个平行并排的第七非球面凸条27、数个相邻并排的第八非球面凸条28，及相邻并排的第九非球面凸条29。

请配合参阅图9所示，本发明第六实施例的具多重非球面表面结构的扩散板与第一实施例组合方式相同，而不同处在于第六实施例的非球面微结构2包括数个平行并排且呈渐进变化的第十非球面凸条2a，该非球面凸条2a中的邻近的每个单独结构体的形状都有差异，这是为了能够消除掉因在之前实施例中任两个非球面微结构体因形状差异过大在结构交界处会造成光辉度分布不均匀的问题。借由这些形状渐进变化的非球面微结构组成的非球面微结构2能更有效地提升平均辉度与均匀度。

请配合参阅图10所示，本发明第七实施例的具多重非球面表面结构的扩散板与第一实施例组合方式相同，而不同处在于第七实施例的非球面微结构2包括数个平行排列且呈渐进变化的第十一非球面凸条2b，及数个平行排列且呈渐进变化的第十二非球面凸条2c，该第十一非球面凸条2b及第十二非球面凸条2c，是平行相邻侧缘且呈连续规则设置，而参阅图10所示的非球面凸条2b与2c的轮廓形状，可以发现是由较平滑的形状渐进变化到较尖锐的形状。此第七实施例与前述的第六实施例皆采用形状渐进变化的设计方式，可以了解到第七实施例的非球面形状较第六实施例的整体平滑许多，所以使用第七实施例的多重表面微结构扩散板的背光模块其平均辉度表现会较第六实施例低，但是相对地，使用第七实施例的背光模块的视角范围与辉度的均匀性都会比第六实施例佳。请参阅图11，图中横坐标为背光模块的绝对坐标位置，而纵坐标为经归一化(Normalization)的相对辉度。此图结果显示出使用上述的现有技术的半球面的折射结构2’的扩散板的背光模块其辉度分布曲线B曲线，与使用第七实施例的扩散板的G曲线，当所述B曲线与G曲线相对辉度相比较时可发现，使用半球面的折射结构2’的扩散板时，B曲线相对辉度较低，而使用第七实施例的扩散板时，G曲线相对辉度相当高且均匀性也很好，相较于现有技术本发明的第七实施例约增加38％的相对辉度，进而达到一相当好的辉度。

上述七个实施例中，该非球面微结构2的第一非球面凸条21至第十二非球面凸条2c的轮廓曲线可由至少一种线条所组成，当然亦可是由非球面线条、直线、NURB曲线、SPLINE曲线、BEZIER曲线及球面线条等不同线条相互搭配共同组合，并将此曲线延伸成形，进而构成一种复合式非球面(Compound Asphere Surface)(如图5所示的第二实施例的复合式非球面微结构)。且上述的非球面微结构的非球面凸条可为由轮廓曲线沿直线延展成形所构成，该非球面凸条亦可以可为由轮廓曲线沿曲线蜿蜒延展成形所构成。

值得一提的是，所述的非球面微结构2的形状大小及分布的密度，可依照几何光学中的非球面方程式，并搭配斯奈尔定律(Snell’s Law)以及夫奈尔方程式(FresnelEquations)来设计，且由光学程序计算光度学中的辉度分布结果，依程序设计反复地优化而得出最终的微结构体形状与分布，而原则是需根据灯源相对位置与背光模块不同尺寸视所需而设置，非球面微结构2大小可从数十微米(Micro Meter)到数百微米皆可，本发明案中的各实施例的结构体宽度约设计在20微米到780微米左右，而实际成型的扩散板其结构形状会因加工工艺参数与环境的影响有些微的变化。此外，我们也可以将渐近过渡的微结构简化设计成由一种或多种不同结构体由部分非球面与部分直线或球面所组成的复合非球面来搭配加工时CNC车床刀具路径的简化或缩短加工的时间，或配合射出成型工艺或挤压工艺的材料或成本降低。在本发明的第六与第七实施例中的微结构皆是采用结构形状渐进式的变化设计，代表每个结构体形状或大小在设计时都是有些微差异的，是可以在本发明中达成最高辉度与最佳均匀度的设计实施例，但是相对地在光学设计的周期较长且加工时较费时，所以考虑能在不降低太多辉度值与均匀度表现的情况下将渐进式的多重非球结构的设计简化，如本发明中的第一、二、三、四及五实施例，这些实施例使用间隔排列或是分区域排列的设计，将一种或多种不同形状的非球面结构的排列方式依序错开排列或者让相同形状结构体分布在同一小块区域的分区域式排列，这都是为了加工与工艺上的简化而提出更快且可行的设计变化，只要结构大小与形状与排列方式设置得宜，都可达到与上述相同的使用目的及功效。

请参阅图12，图标为一曲线图，说明现有技术(A曲线为裸灯管不加任何扩散板的辉度剖面分布结果，而B曲线为现有技术半球面柱状结构扩散板的辉度剖面分布结果，图中所述的曲线C、D、E、F则为其余采用市面上所获得的多种扩散板样品)与本发明中第七实施例(G曲线)设计挤压的扩散板。将各种扩散板与本发明第七实施例的多重非球面表面结构扩散板组装到背光模块后以辉度测量仪器(例如：型号Topcon BM7-fast)来测量模块的最终辉度与均匀度，证实本发明中的多重非球面微结构扩散板都有较传统单一半球面结构扩散板，或是一般只添加不同扩散粒子的平板型扩散板有更好的辉度与均匀度表现。

Claims (5)

1.一种具多重非球面表面结构的扩散板，其特征在于，包含有一板体及至少一非球面微结构，其中：

该板体，以高分子透光材质制成，且至少包含一表面；

该非球面微结构，形成于该表面上，该非球面微结构具有多个第一非球面凸条以及多个第二非球面凸条，所述的多个第一非球面凸条以及所述的多个第二非球面凸条分别包括第一曲型线条、圆型线条及直线，其中第一非球面凸条的第一曲型线条一端连接该第一非球面凸条的圆型线条的一端，该第一非球面凸条的该圆型线条另一端连接该第一非球面凸条的直线一端，该第一非球面凸条的直线另一端连接另一第一非球面凸条的第一曲型线条一端，第二非球面凸条的第一曲型线条一端连接该第二非球面凸条的圆型线条的一端，该第二非球面凸条的该圆型线条另一端连接该第二非球面凸条的直线一端，该第二非球面凸条的直线另一端连接另一第二非球面凸条的第一曲型线条一端，该多个第一非球面凸条以及该多个第二非球面凸条彼此相异；

其中，所述的多个第一非球面凸条与所述的多个第二非球面凸条相邻平行并排但不相交。

2.如权利要求1所述的具多重非球面表面结构的扩散板，其特征在于，该高分子透光材质选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、甲基丙烯酸甲酯聚苯乙烯及聚苯乙烯树脂中的至少一种。

3.如权利要求1所述的具多重非球面表面结构的扩散板，其特征在于，板体内部掺杂有紫外线吸收剂。

4.如权利要求1所述的具多重非球面表面结构的扩散板，其特征在于，板体内部掺杂有若干扩散粒子。

5.如权利要求4所述的具多重非球面表面结构的扩散板，其特征在于，扩散粒子选自聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯聚苯乙烯、聚苯乙烯、氧化硅、硅、三聚氰胺、碳酸钙、铁氟龙、二氧化钛及二氧化硅中的至少一种材料。

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