CN102540495A - 准直光学元件、组件、阵列及准直光学模块 - Google Patents

Abstract

一种准直光学元件用以接收光源所发射的光线。准直光学元件包括入射面与出射曲面，其中，入射面接收光线。入射面包括第一中心轴，出射曲面与中心轴所在的第一平面相交为第一曲线。第一曲线具有多个第一曲线段，每一第一曲线段上包括至少三个第一切点。沿着光源与每一第一切点的连线的光线经过每一第一切点后沿第一准直轴射出，第一准直轴与光轴的夹角大于-15度且小于15度。并藉由控制准直光学元件的折射率、外在环境的折射率及第一准直轴与每一第一切点的法线的夹角，可使得光线经准直光学元件后形成一维度的准直光线。

Description

准直光学元件、组件、阵列及准直光学模块

技术领域

本发明关于一种光学元件与光学组件，特别关于一种准直光学元件与准直光学组件。

背景技术

由于液晶显示器具轻、薄、耗电小等优点，广泛应用于笔记型电脑、行动电话、个人数字助理(Personal Digital Asistance，PDA)等可携式电子装置。然而，液晶本身不具发光特性，使得液晶显示器需具有发光装置以实现显示功能。

目前传统的液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)的彩色滤光片，其利用吸收并产生红、绿、蓝三色的方式会造成能量利用率大幅下降。为了解决上述的问题，一种新兴的液晶显示器架构设计技术正在蔓延。

一般而言，当背光模块的光源(以下简称背光源)入射光线的发散角度过大时，各种颜色的光线将无法准确的入射至各液晶的次画素(subpixel)，因而产生串扰(cross-talk)的混色现象(即显示器中某区域的画面影响到邻近区域亮度)，使得光线经由面板后的色彩饱和度大幅降低。在背光源方面，除了产生均匀准直光外，也必须达到70％～80％的出光均匀性，因此对于光源的需求必须达到一维度准直，而相异90°的另一维度则需保留特定的发散角。

由于液晶显示器中背光源对准直性的要求极高，使得一般发光二极体(Light-Emitting Diode，LED)的封装技术难以达到背光源对准直性的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种准直光学元件与准直光学组件，用以达到液晶显示器中背光源对准直性的要求。

依据本发明所揭露的准直光学元件，用以接收光源所发射的光线，其中光源包括光轴。在一实施例中，准直光学元件包括入射面与出射曲面，入射面包括中心轴且接收光线。出射曲面与中心轴所垂直的第一平面相交为第一曲线，第一曲线具有多个第一曲线段，每一第一曲线段上包括至少三个第一切点，沿着光源与每一第一切点的连线的光线经过每一第一切点后沿第一准直轴射出。第一准直轴与光轴的夹角大于-15度且小于15度，每一第一切点满足

$M_x=\tan \mathrm{\θ}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_x\right)\right).$

其中，M_x为经过每一第一切点的切线斜率，θ为第一准直轴与每一第一切点的法线的夹角，A_x为每一第一切点与光源的连线与光轴的夹角，n₁为准直光学元件的折射率，n₂为准直光学元件所配置的外在环境的折射率。

依据本发明所揭露的准直光学组件的一实施例中，准直光学组件包括至少一光源与准直光学元件。其中，光源包括光轴且提供光线。准直光学元件包括入射面与出射曲面，入射面包括中心轴且接收光线。出射曲面与中心轴所垂直的第一平面相交为第一曲线，第一曲线具有多个第一曲线段，每一第一曲线段上包括至少三个第一切点，沿着光源与每一第一切点的连线的光线经过每一第一切点后沿第一准直轴射出。第一准直轴与光轴的夹角大于-15度且小于15度，每一第一切点满足 $M_x=\tan \mathrm{\θ}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_x\right)\right).$

其中，M_x为经过每一第一切点的切线斜率，θ为第一准直轴与每一第一切点的法线的夹角，A_x为每一第一切点与光源的连线与光轴的夹角，n₁为准直光学元件的折射率，n₂为准直光学元件所配置的外在环境的折射率。依据本发明所揭露的准直光学元件，可藉由第一曲线的设计与出射曲面的形成方式，使光源所发出的光线经过准直光学元件后产生一维准直的光线。藉由出射曲面设计成类似菲涅尔透镜的方式，减少准直光学元件的体积，使得准直光学组件可应用于小型化的装置中。依据本发明所揭露的准直光学组件，可提供新兴液晶显示器架构使用，也适用于3D显示器、Dual-view显示器等光源准直性需求较高的显示装置。

依据本发明所揭露的准直光学阵列的一实施例，准直光学阵列用以接收多个光源所发射的多个第一光线与多个第二光线，且每一光源包括一光轴。准直光学阵列包括多个入射面、多个出射曲面与多个反射结构。每一入射面包括一中心轴，每一入射面个别接收至少一光源所发射的第一光线与第二光线。每一出射曲面个别对应每一入射面，每一反射结构形成于相邻二个入射面之间，用以接收并反射来自相邻光源所发出的第二光线至对应的出射曲面。每一出射曲面接收并反射来自对应的反射结构所反射的第二光线往每一入射面射出。

每一出射曲面与一第一平面相交为一第一曲线，第一平面与这些中心轴相互垂直。每一第一曲线具有多个第一曲线段，每一第一曲线段上包括至少三个第一切点。每一第一光线经过相应的第一切点后沿一第一准直轴射出，第一准直轴与相应的光轴之间的夹角大于-15度且小于15度。每一第一切点满足下述公式：

$M_x=\tan \mathrm{\θ}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_x\right)\right)$

其中，M_x为每一第一光线经过每一第一切点的一切线斜率，θ为第一准直轴与每一第一切点的法线的夹角，A_x为每一第一切点与光源的连线与光轴之间的夹角，n₁为准直光学阵列的折射率，n₂为准直光学阵列所配置的一外在环境的折射率。

依据本发明所揭露的准直光学模块的一实施例，准直光学模块包括多个光源与一准直光学阵列。每一光源用以发射一第一光线与一第二光线，且每一光源包括一光轴。准直光学阵列包括多个入射面、多个出射曲面与多个反射结构。每一入射面包括一中心轴，每一入射面个别接收至少一光源所发射的第一光线与第二光线。每一出射曲面个别对应每一入射面，每一反射结构形成于相邻二个入射面之间，用以接收并反射来自相邻光源所发出的第二光线至对应的出射曲面。每一出射曲面接收并反射来自对应的反射结构所反射的第二光线往每一入射面射出。

每一出射曲面与一第一平面相交为一第一曲线，第一平面与这些中心轴相互垂直。每一第一曲线具有多个第一曲线段，每一第一曲线段上包括至少三个第一切点。每一第一光线经过相应的第一切点后沿一第一准直轴射出，第一准直轴与相应的光轴之间的夹角大于-15度且小于15度。每一第一切点满足下述公式：

$M_x=\tan \mathrm{\θ}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_x\right)\right)$

其中，M_x为每一第一光线经过每一第一切点的一切线斜率，θ为第一准直轴与每一第一切点的法线的夹角，A_x为每一第一切点与光源的连线与光轴之间的夹角，n₁为准直光学阵列的折射率，n₂为准直光学阵列所配置的一外在环境的折射率。

依据本发明所揭露的准直光学阵列与准直光学模块，可藉由出射曲面的设计，使多个光源所发出的第一光线经过出射曲面后产生均匀的一维准直光线。可藉由出射曲面与反射结构的设计，使多个光源所发出的第二光线经过反射结构与出射曲面后往入射面射出，以避免出射曲面输出不准直的第二光线。藉由出射曲面设计成类似菲涅尔透镜的方式，减少准直光学阵列的体积，使得准直光学模块可应用于小型化的装置中。依据本发明所揭露的准直光学模块，可提供新兴液晶显示器架构使用，也适用于3D显示器、Dual-view显示器等光源准直性需求较高的显示装置。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1A为依据本发明的准直光学组件的一实施例立体示意图；

图1B为依据图1A的仰视结构示意图；

图1C为依据图1A的侧视结构示意图；

图1D为依据图1A的另一侧视结构示意图；

图2为依据图1A的准直光学组件应用于侧向式背光模块的一实施例立体结构示意图；

图3为依据图1A的模拟的视场角度(View Angle)与光强度的关系示意图；

图4为依据图1A的实验的视场角度(View Angle)与光强度的关系示意图；

图5A为依据本发明的准直光学组件的另一实施例侧视结构示意图；

图5B为依据本发明的准直光学组件的另一实施例立体结构示意图；

图6为依据图5A的准直光学组件进行实验的视场角度(View Angle)与光强度的关系示意图；

图7A为依据本发明的准直光学组件的另一实施例立体结构示意图；

图7B为依据图7A的仰视结构示意图；

图7C为依据图7A的侧视结构示意图；

图8A为依据本发明的准直光学阵列的一实施例立体结构示意图；

图8B为依据图8A的一实施例的仰视结构示意图；

图9A为依据图8A的单一光源与对应的入射面、出射曲面与反射结构的一实施例侧视结构示意图；

图9B为依据图8A的单一光源与对应的入射面、出射曲面与反射结构的另一实施例侧视结构示意图；

图9C为依据图9A的一实施例的剖面结构示意图；

图10A为依据本发明的准直光学阵列的另一实施例立体结构示意图；

图10B为依据图10A的单一光源与对应的入射面、出射曲面与反射结构的一实施例侧视结构示意图；

图11A为依据本发明的准直光学模块的另一实施例立体结构示意图；

图11B为依据图11A的单一光源与对应的入射面、出射曲面与反射结构的一实施例侧视结构示意图。

其中，附图标记

10、50、60、70、80光源

11、104入射面

12、106出射曲面

13反射结构

14、108中心轴

15、110第一平面

16、112第一曲线

17、18、85、86第一曲线段

19、114、302、502第一准直轴

20、21、22、23、24、25连接段

31、32、33、34第二曲线段

41、42、43、61、62、63第二切点

45、46、53、55、57、59法线

47、51、64、71光轴

52、72光线

75第一光线

76第二光线

81、116第二平面

82、118第二曲线

83、120第二准直轴

90、91、92、93、94、95、96第一曲线段

65、66、67、77、78、79、87、88、89第一切点

100、300准直光学组件

102准直光学元件

119侧向式背光模块

121光导直导光板

202、203、204、205、206第一曲线段

212、213、214、215、216连接段

400准直光学模块

404准直光学阵列

802第一连接线

804第二连接线

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。

请参照图1A，为依据本发明的准直光学组件的一实施例立体示意图。准直光学组件100包括光源50与准直光学元件102，其中，光源50的数量可为但不限于一个，实际光源数量可依据实际需求进行调整。光源50包括光轴51(请参照图1C)，用以提供光线52，准直光学元件102用以接收光源50所发射的光线52，其中准直光学元件102包括入射面104与出射曲面106。

请参照图1B与图1C，为依据图1A的仰视与侧视结构示意图。其中，入射面104包括中心轴108，光源50可配置于中心轴108上。光源50射出光线52，入射面104接收光线52。在本实施例中，光源50可与入射面104接触，但本实施例并非用以限制本发明，也就是说，光源50亦可与入射面104间隔一距离。

出射曲面106与中心轴108所垂直的第一平面110相交为第一曲线112，第一曲线112具有多个第一曲线段85、86，每一第一曲线段(即第一曲线段85、86)上包括至少三个第一切点，举例而言，第一曲线段85包括第一切点87、88、89，其中为避免图1C图示太过复杂，于图1C中仅以二第一曲线段85、86及第一切点87、88、89表示。在本实施例中，第一曲线112利用每隔一预定度数取一个第一切点，并将这些第一切点通过曲线拟合(CurveFitting)的方式获得第一曲线112，其中预定度数可为但不限于1度，但本实施例并非用以限定本发明。沿着光源50与每一第一切点的连线的光线52经过每一第一切点后沿第一准直轴114射出，第一准直轴114与光轴51的夹角P大于-15度且小于15度，每一第一切点满足下述公式(1)：

$M_x=\tan \mathrm{\θ}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_x\right)\right)---\left(1\right)$

其中，M_x为经过每一第一切点的切线斜率(即tanθ)，θ为第一准直轴114与每一第一切点的法线53的夹角，A_x为每一第一切点与光源50的连线与光轴51的夹角，n₁为准直光学元件102的折射率，n₂为准直光学元件102所配置的外在环境的折射率。其中，第一曲线112的端点M、N与光源50的连线的夹角R可大于0度且小于100度。

在本实施例中，出射曲面106可由第一曲线112沿中心轴108的方向延伸而成。请参照图1D，为依据图1A的另一侧视结构示意图。出射曲面106与中心轴108所在的第二平面116相交为第二曲线118，第二曲线118的二端点E、F与光源50的夹角R’大于0度且小于40度。在本实施例中，由于出射曲面106可由第一曲线112沿中心轴108的方向延伸而成，使得第二曲线118为直线，进而使光线52经第二曲线118后与光轴51的夹角P’可大于或等于30度。因此，光线52经过准直光学组件100后可产生一维的准直光线。

请参照图1C、图1D与图2，图2为依据图1A的准直光学组件应用于侧向式背光模块的一实施例立体结构示意图。当准直光学组件100应用为侧向式背光模块119的光源时，由于光线52经第一曲线112后与光轴51的夹角P大于-15度且小于15度，光线52经第二曲线118后与光轴51的夹角P’可大于或等于30度，使得光线52进入侧向式背光模块119的光导直导光板121时可产生均匀的照明。其中，夹角P大于-15度且小于15度可使光线52准直地入射光导直导光板121，夹角P’大于或等于30度可使侧向式背光模块119输出均匀照明。

依据图2进行以下实验。请参照图3与图4，分别为依据图2的模拟与实验的视场角度(View Angle)与光强度的关系示意图。视场角度与光强度的关系示意图是针对光线52经准直光学元件102与光导直导光板121后进行不同视场角度(View Angle)的光强度量测。从图3中可知，图3的半峰全幅值(FullWidth at Half Maximum，FWHM)为1.8度(即模拟的准直光学组件的半峰全幅值为1.8度)。而从图4中可知，图4的半峰全幅值为9.09度(即实作的准直光学组件的半峰全幅值为9.09度)。从上可知，相同的参数下，实际进行实验与进行模拟的半峰全幅值间的差异很大，此误差可为光源50与准直光学元件102间的对位关系所造成，例如但不限于准直光学元件102与光源50间的距离或光源50的光轴51与准直光学元件102的光轴(未标示)是否位于同一垂直中心轴108的平面上。

为了减少实际进行实验与进行模拟的半峰全幅值间的差值，因此，可降低光源50与准直光学元件102间相对关系的影响，即对出射曲面106的第二曲线118进行加工。请参照图5A与图5B，分别为依据本发明的准直光学组件的另一实施例侧视结构与立体结构示意图。第二曲线118具有多个第二曲线段31、32，每一第二曲线段(即第二曲线段31、32)上包括至少三个第二切点，举例而言，第二曲线段31包括第二切点41、42、43，其中为避免图5A与图5B的图示太过复杂，于图5A与图5B中仅以二第一曲线段31、32及第二切点41、42、43表示。在本实施例中，第二曲线118利用每隔一预定度数取一个第二切点，并将这些第二切点通过曲线拟合(Curve Fitting)的方式获得第二曲线118，其中预定度数可为但不限于1度，但本实施例并非用以限定本发明。沿着光源50与每一第二切点的连线的光线52经过每一第二切点后沿第二准直轴120射出，第二准直轴120与光轴51的夹角可大于或等于30度，但并不以此为限。每一第二曲线上的切点皆符合下述公式(2)：

$M_y=\tan \mathrm{\α}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_y\right)\right)---\left(2\right)$

其中，M_y为经过第二曲线118上的每一第二切点的切线斜率(即tanα)，α为第二准直轴120与每一第二切点的法线55的夹角，A_y为第二曲线118上的每一第二切点与光源50的连线与光轴51的夹角，n₁为准直光学元件102的折射率，n₂为准直光学元件102所配置的外在环境的折射率。

接着，请参照图6，为依据图5A的准直光学组件进行实验的视场角度(ViewAngle)与光强度的关系示意图。从图6中可知，「图6的半峰全幅值(FullWidth at Half Maximum，FWHM)为3.89度。因此可知，当第二曲线118由图1D中的直线变成图5A中的曲线时，可有效减少实际进行实验与进行模拟的半峰全幅值间的差值，并提高光源50与准直光学元件102的对位准确度。

此外，为了减少准直光学元件102的尺寸，可将准直光学元件102设计成类似菲涅尔透镜的外型，详细的描述请参照图7A、图7B与图7C，分别为依据本发明的准直光学组件的另一实施例立体结构示意图、依据图7A的仰视与侧视结构示意图。在本实施例中，光源60、70、80可配置于中心轴108上，其中，光源60可发出红光，光源70可发出绿光，光源80可发出蓝光，以使得准直光学组件300可射出白光，但本实施例并非用以限定本发明。需注意的是，每一光源(即光源60、70、80)需配置于中心轴108上，以避免影响准直光学组件300的准直性。以下关于光线的描述将以光源70所发出的光线72为例，关于光源60、80所发出的光线则以此类推。

请继续参照图7A与图7C，准直光学组件300包括准直光学组件100的结构，其中第一曲线112包括七第一曲线段90、91、92、93、94、95、96，每一第一曲线段(即第一曲线段90、91、92、93、94、95、96)上包括至少三个第一切点，举例而言，第一曲线段96包括第一切点65、66、67(为了避免图式太过杂乱，第一曲线段90、91、92、93、94、95上的第一切点于图7C图中不进行标示)。沿着光源70与每一第一切点的连线的光线72经过每一第一切点后沿第一准直轴302射出，第一准直轴302与光轴71的夹角V大于-15度且小于15度，每一第一切点满足下述公式(3)：

${M^{\′}}_x=\tan \mathrm{\β}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin {A^{\′}}_x\right)\right)---\left(3\right)$

其中，M′_x为经过每一第一切点的切线斜率(即tanβ)，β为第一准直轴302与每一第一切点的法线45的夹角，A′_x为每一第一切点与光源70的连线与光轴71的夹角，n₁为准直光学元件102的折射率，n₂为准直光学元件102所配置的外在环境的折射率。其中，第一曲线112的端点K₁、K₇与光源70的夹角U可大于0度且小于或等于100度。

其中，每一第一曲线段的二端点与光源70的连线的夹角大于0度且小于15度。也就是说，第一曲线段90的端点K₁、L₁分别与光源70的连线的夹角可为6度，第一曲线段91的端点K₂、L₂分别与光源70的连线的夹角可为6度，第一曲线段92的端点K₃、L₃分别与光源70的连线的夹角可为6度，第一曲线段93的端点K₄、L₄分别与光源70的连线的夹角可为6度，第一曲线段94的端点K₅、L₅分别与光源70的连线的夹角可为6度，第一曲线段95的端点K₆、L₆分别与光源70的连线的夹角可为6度，第一曲线段96的端点K₇、L₇分别与光源70的连线的夹角可为6度，但本实施例并非用以限定本发明，实际每一第一曲线段的二端点与光源70的连线的夹角可依据实际需求进行调整，需注意的是，第一曲线112的端点K₁、K₇与光源70的夹角U可大于0度且小于或等于100度。

在本实施例中，第一曲线112更可包括六连接段20、21、22、23、24、25，每一连接段(即连接段20、21、22、23、24、25)连接相邻的二第一曲线段。也就是说，连接段20连接第一曲线段90与第一曲线段91(即端点L₁与K₂)，连接段21连接第一曲线段91与第一曲线段92(即端点L₂与K₃)，连接段22连接第一曲线段92与第一曲线段93(即端点L₃与K₄)，连接段23连接第一曲线段93与第一曲线段94(即端点L₄与L₅)，连接段24连接第一曲线段94与第一曲线段95(即端点K₅与L₆)，连接段25连接第一曲线段95与第一曲线段96(即端点K₆与L₇)。其中，每一连接段(即连接段20、21、22、23、24、25)实质上平行于每一连接段(即连接段20、21、22、23、24、25)的一端点与光源70的连线。换句话说，连接段20实质上平行于端点K₂与光源70的连线，连接段21实质上平行于端点K₃与光源70的连线，连接段22实质上平行于端点K₄与光源70的连线，连接段23实质上平行于端点L₄与光源70的连线，连接段24实质上平行于端点K₅与光源70的连线，连接段25实质上平行于端点K₆与光源70的连线。

上述准直光学元件102的材料可为苯二甲酸乙二酯(Polyethyleneterephthalate，PET)、聚甲基丙烯酸甲脂(Poly-methyl methacrylate，PMMA)、聚苯乙烯(Poly-Styrenics，PS)、聚碳酸酯(Poly Carbonate，PC)或玻璃，可依据实际需求进行调整。

依据本发明所揭露的准直光学元件，可藉由第一曲线的设计与出射曲面的形成方式，使光源所发出的光线经过准直光学元件后产生一维准直的光线。藉由第二曲线的设计，可减少光源与准直光学元件的对位误差，进而减少准直光学组件的半峰全幅值。可藉由出射曲面设计成类似菲涅尔透镜的方式，减少准直光学元件的体积，使得准直光学组件可应用于小型化的装置中。

请参照图8A，为依据本发明的准直光学阵列的一实施例立体结构示意图。准直光学阵列404用以接收多个光源10所发射的多个第一光线75与多个第二光线76。在本实施例中，准直光学模块400可包括三光源10与准直光学阵列404，其中每一光源10包括光轴47(请参照图9A)，准直光学阵列404可包括三入射面11、三出射曲面12与二反射结构13。每一入射面11个别对应单一光源10，三出射曲面12个别对应三入射面11，每一反射结构13形成于相邻二个入射面11之间，但本实施例并非用以限定本发明。

举例而言，光源10的数量可为六个，入射面11的数量可为四个，出射曲面12的数量可为四个，反射结构13的数量可为三个，二个入射面11个别对应二光源10，另外二个入射面个别对应单一光源10，四出射曲面12个别对应四入射面11，每一反射结构13形成于相邻二个入射面11之间。每一入射面11包含一中心轴14，其中，当入射面11对应二光源10时，二光源10可配置于中心轴14上(请参照图8B)，二光源10其中之一可发出黄光，另一光源10可发出蓝光，以使得出射曲面12可射出白光，但本实施例并非用以限定本发明。需注意的是，所有光源10需配置于对应入射面11的中心轴14上，以避免影响准直光学阵列404的准直性。此外，入射面11的数量等于出射曲面12的数量，光源10的数量大于或等于的入射面11的数量，反射结构13的数量比入射面11的数量少一个。

请参照图8A与图8B，图8B为依据图8A的一实施例的仰视结构示意图。其中，每一入射面11包括中心轴14，每一光源10可配置于对应入射面11的中心轴14上。每一光源10用以发射第一光线75(请参照图9A)与第二光线76(请参照图9A)，每一入射面11个别接收单一光源10所发射的第一光线75与第二光线76。在本实施例中，三光源10可分别与三入射面11接触，但本实施例并非用以限制本发明，也就是说，三光源10亦可分别与三入射面11间隔一距离或三光源10其中之一可与一入射面11间隔一距离且另二个光源10可分别与另二入射面11接触。

在本实施例中，由于光源10、入射面11、出射曲面12与反射结构13的相对关系设计皆相同，因此，以下将以单一光源10与对应的入射面11、出射曲面12与反射结构13进行描述。

请参照图9A，为依据图8A的单一光源与对应的入射面、出射曲面与反射结构的一实施例侧视结构示意图。出射曲面12与第一平面15相交为第一曲线16，第一平面15与中心轴14相互垂直。第一曲线16具有多个第一曲线段17、18，每一第一曲线段(即第一曲线段17、18)上包括至少三个第一切点，举例而言，第一曲线段17包括第一切点77、78、79，其中为避免图9A图示太过复杂，于图9A中仅以二第一曲线段17、18及第一切点77、78、79表示。在本实施例中，第一曲线16利用每隔一预定度数取一个第一切点，并将这些第一切点通过曲线拟合(Curve Fitting)的方式获得第一曲线16，其中预定度数可为但不限于1度，但本实施例并非用以限定本发明。第一光线75经过相应的第一切点后沿第一准直轴19射出，第一准直轴19与光轴47的夹角T大于-15度且小于15度。每一第一切点满足下述公式(4)：

$M_x=\tan \mathrm{\θ}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_x\right)\right)---\left(4\right)$

其中，M_x为第一光线75经过每一第一切点的切线斜率(即tanθ)，θ为第一准直轴19与每一第一切点的法线57的夹角，A_x为每一第一切点与光源10的连线与光轴47的夹角，n₁为准直光学阵列404的折射率，n₂为准直光学阵列404所配置的外在环境的折射率。其中，第一曲线16的端点Z、D与光源10的连线的夹角ρ可大于0度且小于或等于60度。

此外，请参照图9A，当入射面11的两侧皆连接反射结构13时(即入射面11不为准直光学阵列404两端的入射面11)，入射面11两侧所连接的反射结构13其中之一用以接收并反射来自光源10的第二光线76至出射曲面12，出射曲面12接收并反射来自其中一反射结构13的第二光线76至另一侧的反射结构13，另一侧的反射结构13接收并反射来自出射曲面12的第二光线76，以使来自出射曲面12的第二光线76往入射面11射出。其中，第二光线76入射反射结构13的入射角ε可大于四十二度。

在本实施例中，每一反射结构13具有顶点J，每一顶点J与相邻光源10之间具有第一连接线802，每一光源与相应第一曲线16的一端点(即端点Z或端点D)之间具有第二连接线804，每一第一连接线802与相邻的第二连接线804之间的夹角x可大于8度。

请参照图9B，为依据图8A的单一光源与对应的入射面、出射曲面与反射结构的另一实施例侧视结构示意图。当入射面11的一侧连接反射结构13且入射面11的另一侧没有连接反射结构13时(即入射面11为准直光学阵列404两端之一的入射面11)，入射面11一侧所连接的反射结构13用以接收并反射来自光源10的第二光线76至出射曲面12，出射曲面12接收并全反射来自反射结构13的第二光线76，被出射曲面12全反射的第二光线76实质上往入射面11方向行进。其中，第二光线76入射反射结构13的入射角ε可大于四十二度。

在本实施例中，每一反射结构13具有顶点J，每一顶点J与相邻光源10之间具有第一连接线802，每一光源与相应第一曲线16的一端点(即端点Z或端点D)之间具有第二连接线804，每一第一连接线802与相邻的第二连接线804之间的夹角x可大于8度。

在本实施例中，出射曲面12可由第一曲线16沿中心轴14的方向延伸而成。请参照图9C，为依据图9A的一实施例的剖面结构示意图。出射曲面12与中心轴14所在的第二平面81相交为第二曲线82，第二曲线82的二端点B、C与光源10连线的夹角γ大于0度且小于40度。在本实施例中，由于出射曲面12可由第一曲线16(请参照图9A)沿中心轴14的方向延伸而成，使得第二曲线82为直线，进而使第一光线75经第二曲线82后与光轴47的夹角ω可大于或等于30度。因此，第一光线75经过出射曲面12后可产生一维的准直光线。其中，第二光线76因与光轴47的夹角较大，故无法直接入射于出光曲面12，因此于图9C中并未绘制出第二光线76。

此外，出射曲面12的第二曲线82亦可进行加工。请参照图10A与图10B，分别为依据本发明的准直光学阵列的另一实施例立体结构示意图与依据图10A的单一光源与对应的入射面、出射曲面与反射结构的一实施例侧视结构示意图。第二曲线82具有多个第二曲线段33、34，每一第二曲线段(即第二曲线段33、34)上包括至少三个第二切点，举例而言，第二曲线段33包括第二切点61、62、63，其中为避免图10A与图10B的图示太过复杂，于图10A与图10B中仅以二第一曲线段33、34及第二切点61、62、63表示。在本实施例中，第二曲线82利用每隔一预定度数取一个第二切点，并将这些第二切点通过曲线拟合(Curve Fitting)的方式获得第二曲线82，其中预定度数可为但不限于1度，但本实施例并非用以限定本发明。第一光线75经过相应的第二切点后沿第二准直轴83射出，第二准直轴83与光轴47的夹角Φ可大于或等于30度，但并不以此为限。每一第二曲线上的切点皆符合下述公式(5)：

$M_y=\tan \mathrm{\α}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_y\right)\right)---\left(5\right)$

其中，M_y为第一光线75经过第二曲线82上的每一第二切点的切线斜率(即tanα)，α为第二准直轴83与每一第二切点的法线59的夹角，A_y为第二曲线82上的每一第二切点与光源10的连线与光轴47的夹角，n₁为准直光学阵列404的折射率，n₂为准直光学阵列404所配置的外在环境的折射率。

此外，为了减少准直光学阵列404的尺寸，可将每一出光曲面12设计成类似菲涅尔透镜的外型，详细的描述请参照图11A与图11B，分别为依据本发明的准直光学模块的另一实施例立体结构示意图以及依据图11A的单一光源与对应的入射面、出射曲面与反射结构的一实施例侧视结构示意图。在本实施例中，第一曲线16包括五第一曲线段202、203、204、205、206，每一第一曲线段(即第一曲线段202、203、204、205、206)上包括至少三个第一切点，举例而言，第一曲线段202包括第一切点I₁、I₂、I₃(为了避免图式太过杂乱，第一曲线段203、204、205、206上的第一切点于图11B中不进行标示)。沿着光源10与每一第一切点的连线的第一光线75经过每一第一切点后沿第一准直轴502射出，第一准直轴502与光轴64的夹角γ’大于-15度且小于15度，每一第一切点满足下述公式(6)：

${M^{\′}}_x=\tan \mathrm{\β}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin {A^{\′}}_x\right)\right)---\left(6\right)$

其中，M′_x为第一光线75经过每一第一切点的切线斜率(即tanβ)，β为第一准直轴502与每一第一切点的法线46的夹角，A′_x为每一第一切点与光源10的连线与光轴64的夹角，n₁为准直光学阵列404的折射率，n₂为准直光学阵列404所配置的外在环境的折射率。其中，第一曲线16的端点Q₁、Q₆与光源10的连线的夹角μ可大于0度且小于或等于60度。

其中，每一第一曲线段的二端点与光源10的连线的夹角大于0度且小于15度。也就是说，第一曲线段202的端点Q₁、T₁分别与光源10的连线的夹角可为6度，第一曲线段203的端点Q₂、T₂分别与光源10的连线的夹角可为6度，第一曲线段204的端点Q₃、Q₄分别与光源10的连线的夹角可为6度，第一曲线段205的端点T₃、Q₅分别与光源10的连线的夹角可为6度，第一曲线段206的端点T₄、Q₆分别与光源10的连线的夹角可为6度，但本实施例并非用以限定本发明，实际每一第一曲线段的二端点与光源10的连线之夹角可依据实际需求进行调整，需注意的是，第一曲线16的端点Q₁、Q₆与光源10的夹角μ可大于0度且小于或等于60度。

在本实施例中，第一曲线16更可包括四连接段212、213、214、215，每一连接段(即连接段212、213、214、215)连接相邻的二第一曲线段。也就是说，连接段212连接第一曲线段202与第一曲线段203(即端点T₁与Q₂)，连接段213连接第一曲线段203与第一曲线段204(即端点T₂与Q₃)，连接段214连接第一曲线段204与第一曲线段205(即端点T₃与Q₄)，连接段215连接第一曲线段205与第一曲线段206(即端点T₄与Q₅)。其中，每一连接段(即连接段212、213、214、215)实质上平行于每一连接段(即连接段212、213、214、215)的一端点与光源10的连线。换句话说，连接段212实质上平行于端点Q₂与光源10的连线，连接段213实质上平行于端点Q₃与光源10的连线，连接段214实质上平行于端点Q₄与光源10的连线，连接段215实质上平行于端点Q₅与光源10的连线。

此外，请参照图11B，当入射面11的两侧皆连接反射结构13时(即入射面11不为准直光学阵列404两侧的入射面11)，入射面11两侧所连接的反射结构13其中之一用以接收并反射来自光源10的第二光线76至出射曲面12，出射曲面12接收并反射来自其中一反射结构13的第二光线76至另一侧的反射结构13，另一侧的反射结构13接收并反射来自出射曲面12的第二光线76，以使来自出射曲面12的第二光线76往入射面11射出。其中，第二光线76入射反射结构13的入射角ε’可大于四十二度。

在本实施例中，每一反射结构13具有顶点J，每一顶点J与相邻光源10之间具有第一连接线802，每一光源与相应第一曲线16的一端点(即端点Q₆或端点Q₁)之间具有第二连接线804，每一第一连接线802与相邻的第二连接线804之间的夹角x’可大于8度。

上述准直光学阵列404的材料可为苯二甲酸乙二酯(Polyethyleneterephthalate，PET)、聚甲基丙烯酸甲脂(Poly-methyl methacrylate，PMMA)、聚苯乙烯(Poly-Styrenics，PS)、聚碳酸酯(Poly Carbonate，PC)或玻璃，可依据实际需求进行调整。

依据本发明所揭露的准直光学阵列与准直光学模块，可藉由出射曲面的设计，使多个光源所发出的第一光线经过出射曲面后产生均匀的一维准直光线。可藉由出射曲面与反射结构的设计，使多个光源所发出的第二光线经过反射结构与出射曲面后往入射面射出，以避免出射曲面输出不准直的第二光线。藉由出射曲面设计成类似菲涅尔透镜的方式，减少准直光学阵列的体积，使得准直光学模块可应用于小型化的装置中。依据本发明所揭露的准直光学模块，可提供新兴液晶显示器架构使用，也适用于3D显示器、Dual-view显示器等光源准直性需求较高的显示装置。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (30)

1.一种准直光学元件，用以接收一光源所发射的一光线，该光源包括一光轴，其特征在于，该准直光学元件包括：

一入射面，包括一中心轴，该入射面接收该光线；以及

一出射曲面，与该中心轴所垂直的一第一平面相交为一第一曲线，该第一曲线具有多个第一曲线段，每一该第一曲线段上包括至少三个第一切点，沿着该光源与每一该第一切点的连线的该光线经过每一该第一切点后沿一第一准直轴射出，该第一准直轴与该光轴的夹角大于-15度且小于15度，每一该第一切点满足下述公式：

$M_x=\tan \mathrm{\θ}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_x\right)\right)$

其中，M_x为经过每一该第一切点的一切线斜率，θ为该第一准直轴与每一该第一切点的法线的夹角，A_x为每一该第一切点与该光源的连线与该光轴的夹角，n₁为该准直光学元件的折射率，n₂为该准直光学元件所配置的一外在环境的折射率。

2.如权利要求1所述的准直光学元件，其特征在于，每一该第一曲线段的二端点与该光源的连线的夹角大于0度且小于15度。

3.如权利要求1所述的准直光学元件，其特征在于，该出射曲面由该第一曲线沿该中心轴的方向延伸而成。

4.如权利要求1所述的准直光学元件，其特征在于，该第一曲线的二端点与该光源的连线的夹角大于0度且小于或等于100度。

5.如权利要求1所述的准直光学元件，其特征在于，该出射曲面与该中心轴所在的一第二平面相交为一第二曲线，该第二曲线的二端点与该光源的夹角大于0度且小于40度，且该出射曲面由该第一曲线沿该中心轴的方向延伸而成，使得该第二曲线为一直线。

6.如权利要求5所述的准直光学元件，其特征在于，该光线经该第二曲线后与该光轴的夹角大于或等于30度。

7.如权利要求1所述的准直光学元件，其特征在于，该出射曲面与该中心轴所在的一第二平面相交为一第二曲线，该第二曲线的二端点与该光源的连线的夹角大于0度且小于40度，该第二曲线具有多个第二曲线段，每一该第二曲线段上包括至少三个第二切点，沿着该光源与每一该第二切点的连线的该光线经过每一该第二切点后沿一第二准直轴射出，每一该第二切点满足下述公式：

$M_y=\tan \mathrm{\α}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_y\right)\right)$

其中，M_y为经过每一该第二切点的一切线斜率，α为该第二准直轴与每一该第二切点的法线的夹角，A_y为每一该第二切点与该光源的连线与该光轴的夹角，n₁为该准直光学元件的折射率，n₂为该准直光学元件所配置的一外在环境的折射率。

8.如权利要求7所述的准直光学元件，其特征在于，该第二准直轴与该光轴的夹角大于或等于30度。

9.如权利要求1所述的准直光学元件，其特征在于，该第一曲线包括多个连接段，每一该连接段连接相邻的二该第一曲线段，每一该连接段实质上平行于每一该连接段的一端点与该光源的连线。

10.一种准直光学组件，其特征在于，包括：

至少一光源，用以提供一光线，该光源包括一光轴；以及

一准直光学元件，包括：

一入射面，包括一中心轴，该入射面接收该光线；以及

一出射曲面，与该中心轴垂直的一第一平面相交为一第一曲线，该第一曲线具有多个第一曲线段，每一该第一曲线段上包括至少三个第一切点，沿着该光源与每一该第一切点的连线的该光线经过每一该第一切点后沿一第一准直轴射出，该第一准直轴与该光轴的夹角大于-15度且小于15度，每一该第一切点满足下述公式：

$M_x=\tan \mathrm{\θ}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_x\right)\right)$

其中，M_x为经过每一该第一切点的一切线斜率，θ为该第一准直轴与每一该第一切点的一法线的夹角，Ax为每一该第一切点与该光源的连线与该光轴的夹角，n₁为该准直光学元件的折射率，n₂为该准直光学元件所配置的一外在环境的折射率。

11.如权利要求10所述的准直光学组件，其特征在于，每一该第一曲线段的二端点与该光源的连线的夹角大于0度且小于15度。

12.如权利要求10所述的准直光学组件，其特征在于，该出射曲面由该第一曲线沿该中心轴的方向延伸而成。

13.如权利要求10所述的准直光学组件，其特征在于，该第一曲线的二端点与该光源的连线的夹角大于0度且小于或等于100度。

14.如权利要求10所述的准直光学组件，其特征在于，该出射曲面与该中心轴所在的一第二平面相交为一第二曲线，该第二曲线的二端点与该光源的夹角大于0度且小于40度，且该出射曲面由该第一曲线沿该中心轴的方向延伸而成，使得该第二曲线为一直线。

15.如权利要求14所述的准直光学组件，其特征在于，该光线经该第二曲线后与该光轴的夹角大于或等于30度。

16.如权利要求10所述的准直光学组件，其特征在于，该出射曲面与该中心轴所在的一第二平面相交为一第二曲线，该第二曲线的二端点与该光源的连线的夹角大于0度且小于40度，该第二曲线具有多个第二曲线段，每一该第二曲线段上包括至少三个第二切点，沿着该光源与该些第二切点的连线的该光线经过该些第二切点后沿一第二准直轴射出，该些第二切点满足下述公式：

$M_y=\tan \mathrm{\α}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_y\right)\right)$

其中，M_y为经过该第二曲线上的每一该第二切点的一切线斜率，α为该第二准直轴与该法线的夹角，A_y为该第二曲线上的每一该第二切点与该光源的连线与该光轴的夹角，n₁为该准直光学元件的折射率，n₂为该准直光学元件所配置的该外在环境的折射率。

17.如权利要求16所述的准直光学组件，其特征在于，该第二准直轴与该光轴的夹角大于或等于30度。

18.如权利要求10所述的准直光学组件，其特征在于，该第一曲线包括多个连接段，每一该连接段连接相邻的二该第一曲线段，每一该连接段实质上平行于每一该连接段的一端点与该光源的连线。

19.一种准直光学阵列，用以接收多个光源所发射的多个第一光线与多个第二光线，每一该光源包括一光轴，其特征在于，该准直光学阵列包括：

多个入射面，每一该入射面包括一中心轴，每一该入射面个别接收至少一该光源所发射的该第一光线与该第二光线；

多个出射曲面，该些出射曲面个别对应该些入射面，且每一该出射曲面与一第一平面相交为一第一曲线，该第一平面与该些中心轴相互垂直，每一该第一曲线具有多个第一曲线段，每一该第一曲线段上包括至少三个第一切点，每一该第一光线经过相应的该第一切点后沿一第一准直轴射出，该第一准直轴与该光轴的夹角大于-15度且小于15度，每一该第一切点满足下述公式：

$M_x=\tan \mathrm{\θ}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_x\right)\right)$

其中，M_x为每一该第一光线经过每一该第一切点的一切线斜率，θ为该第一准直轴与每一该第一切点的法线的夹角，A_x为每一该第一切点与该光源的连线与该光轴的夹角，n₁为该准直光学阵列的折射率，n₂为该准直光学阵列所配置的一外在环境的折射率；以及

多个反射结构，形成于相邻二个该入射面之间，用以接收并反射来自该些光源的该些第二光线至该些出射曲面，该些出射曲面接收并反射来自该些反射结构的该些第二光线往该些入射面射出。

20.如权利要求19所述的准直光学阵列，其特征在于，每一该第一曲线段的二端点与相应该光源的连线的夹角大于0度且小于15度。

21.如权利要求19所述的准直光学阵列，其特征在于，该些出射曲面由该些第一曲线沿该些中心轴的方向延伸而成。

22.如权利要求19所述的准直光学阵列，其特征在于，每一该第一曲线的二端点与相应该光源的连线的夹角大于0度且小于或等于60度。

23.如权利要求19所述的准直光学阵列，其特征在于，该些出射曲面与该些中心轴所在的一第二平面相交为多个第二曲线，每一该第二曲线的二端点与相应该光源的连线的夹角大于0度且小于40度，且该些出射曲面由该些第一曲线沿该些中心轴的方向延伸而成，使得每一该第二曲线为一直线。

24.如权利要求23所述的准直光学阵列，其特征在于，每一该第一光线经相应的该第二曲线后与相应的该光轴之间的夹角大于或等于30度。

25.如权利要求19所述的准直光学阵列，其特征在于，该些出射曲面与该些中心轴所在的一第二平面相交为多个第二曲线，每一该第二曲线的二端点与相应该光源的连线的夹角大于0度且小于40度，该第二曲线具有多个第二曲线段，每一该第二曲线段上包括至少三个第二切点，每一该第一光线经过相应的该第二切点后沿一第二准直轴射出，每一该第二切点满足下述公式：

$M_y=\tan \mathrm{\α}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_y\right)\right)$

其中，M_y为每一该第一光线经过相应的该第二切点的一切线斜率，α为该第二准直轴与每一该第二切点的法线的夹角，A_y为每一该第二切点与该光源的连线与该光轴的夹角，n₁为该准直光学阵列的折射率，n₂为该准直光学阵列所配置的一外在环境的折射率。

26.如权利要求25所述的准直光学阵列，其特征在于，每一该第二准直轴与相应的该光轴之间的夹角大于或等于30度。

27.如权利要求19所述的准直光学阵列，其特征在于，每一该第一曲线更包括多个连接段，每一该连接段连接相邻的二该第一曲线段，每一该连接段实质上平行于每一该连接段的一端点与相应该光源的连线。

28.如权利要求19所述的准直光学阵列，其特征在于，该些第二光线入射该些反射结构的一入射角大于42度。

29.如权利要求19所述的准直光学阵列，其特征在于，每一该反射结构具有一顶点，每一该顶点与相邻的该光源之间具有一第一连接线，每一该光源与相应该第一曲线的一端点之间具有一第二连接线，每一该第一连接线与相邻的该第二连接线之间的夹角大于8度。

30.一种准直光学模块，其特征在于，包括：

多个光源，每一该光源用以发射一第一光线与一第二光线，且每一该光源包括一光轴；以及

一准直光学阵列，包括：

多个入射面，每一该入射面包括一中心轴，每一该入射面个别接收至少一该光源所发射的该第一光线与该第二光线；

多个出射曲面，该些出射曲面个别对应该些入射面，且每一该出射曲面与一第一平面相交为一第一曲线，该第一平面与该些中心轴相互垂直，每一该第一曲线具有多个第一曲线段，每一该第一曲线段上包括至少三个第一切点，每一该第一光线经过相应的该第一切点后沿一第一准直轴射出，该第一准直轴与该光轴的夹角大于-15度且小于15度，每一该第一切点满足下述公式：

$M_x=\tan \mathrm{\θ}=\tan \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_1}{n_2}\sin A_x\right)\right)$

其中，M_x为每一该第一光线经过每一该第一切点的一切线斜率，θ为该第一准直轴与每一该第一切点的法线的夹角，A_x为每一该第一切点与该光源的连线与该光轴的夹角，n₁为该准直光学阵列的折射率，n₂为该准直光学阵列所配置的一外在环境的折射率；以及

多个反射结构，形成于相邻二个该入射面之间，用以接收并反射来自该些光源的该些第二光线至该些出射曲面，该些出射曲面接收并反射来自该些反射结构的该些第二光线往该些入射面射出。

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