TWI729839B - 導光板、背光模組及顯示裝置 - Google Patents

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陳雪茹
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Abstract

一種導光板，包含一出光面，出光面包含一凸透鏡、複數個第一微結構以及複數個第二微結構。凸透鏡位於出光面的中央處，所述第一微結構為一環形結構，複數個第一微結構彼此同心且環繞在凸透鏡的外圍，所述第二微結構為一弧形結構且環繞在複數個第一微結構的外圍。所述第一微結構與所述第二微結構皆具有一折射面用於偏折透出一光線，至少在位於最外側的第二微結構的折射面設有複數個條狀突起結構。

Description

導光板、背光模組及顯示裝置
本發明是有關於一種導光板、背光模組及顯示裝置，且特別是有關於一種光學品味佳的導光板，以及應用此導光板之背光模組及顯示裝置。
發光二極體(Light Emitting Diode,LED)由於具有體積小、環保、壽命長等優點，而成為液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)之背光光源的主流。由於LED具有點光源的發光特性，而有著發光強度不均的問題。
請參照第1圖，其是習知LCD的導光板10的外觀示意圖。導光板10包含出光表面11，出光表面11可依照功能特性區分成有效區(Active area,AA)11a、混光區(Mixing area)11b，邊框13包含下邊框13a，LED(圖未示)設置於導光板10的其中一側，由LED發出的光線進入導光板10的混光區11b，使光線均勻化後，再從有效區11a出光，有效區11a即對應習知LCD的可視範圍。為了使有效區11a能達到亮度均勻的要求，通常需要配置足夠的混光距離C1，混光距離C1越長，有效區11a於出光表面11所佔的比例越低，亦即LCD的佔屏比越低。一般將混光距離C1及下邊框13a之長度C2的總和稱為Bo(Border)值(即Bo=C1+C2，定義為側牆到可視範圍的距離)，並可以Bo值作為佔屏比的指標，Bo值越低，則LCD的佔 屏比越高。
為了滿足現今市場需求，如何開發出具有高佔屏比且出光均勻的LCD，為相關業者努力的目標。
本發明之目的在於提供一種導光板、背光模組及顯示裝置，以解決上述問題。
依據本發明之一實施方式是提供一種導光板，包含一出光面。出光面包含一凸透鏡、複數個第一微結構以及複數個第二微結構。凸透鏡位於出光面的中央處。所述第一微結構為一環形結構，複數個第一微結構彼此同心且環繞在凸透鏡的外圍。所述第二微結構為一弧形結構且環繞在複數個第一微結構的外圍。所述第一微結構與所述第二微結構皆具有一折射面用於偏折透出一光線，至少在位於最外側的第二微結構的折射面設有複數個條狀突起結構。
依據本發明之另一實施方式是提供一種背光模組，包含前述的導光板。
依據本發明之再一實施方式是提供一種顯示裝置，包含前述的背光模組以及顯示面板，顯示面板設置在背光模組的上方。
相較於先前技術，本發明的導光板於出光面設置凸透鏡、複數個第一微結構以及複數個第二微結構，可增加出射光的方向性及均勻性，再配合條 狀突起結構，有利於防止周邊區出現暗角，而可提升出光均勻性，並完成混光區小、高佔屏比的背光模組或顯示裝置。
10,100:導光板
20:背光模組
30:顯示裝置
11:出光表面
11a:有效區
11b:混光區
13:邊框
13a:下邊框
110:出光面
111:中央區
112:周邊區
121:凸透鏡
122,122a,122b,122c:第一微結構
123:第二微結構
124:條狀突起結構
130:入光面
140:結構部
141:第一入光微結構
142,142a,142b,142c:第二入光微結構
143:外側
144:內側
150:底面
200:光源模組
210:光源
300:顯示面板
A,B:部分
Bo:混光距離及下邊框之長度的總和
C1:混光距離
C2:長度
D1:第一邊長
D2:第二邊長
D3:第三邊長
E:弧邊
E1,E2:延伸方向
L:光線
P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9,P10,P11,P12,P13:點
S,S1,S2,S3:折射面
T,T1,T2,T3:折射面
第1圖是習知液晶顯示器的導光板的外觀示意圖。
第2圖是依據本發明一實施方式的導光板的俯視圖。
第3圖是第2圖中A部分的局部放大圖。
第4圖是第2圖中A部分的立體示意圖。
第5圖是第2圖中B部分沿著割面線4-4的剖視圖。
第6圖是第4圖中結構部的剖視示意圖。
第7圖是依據本發明另一實施方式的背光模組的立體示意圖。
第8圖是依據本發明再一實施方式的顯示裝置的立體示意圖。
第9圖是比較實施方式的習知背光模組的光場模擬分布圖。
第10圖是依據本發明又一實施方式的背光模組的光場模擬分布圖。
有關本發明之前述及其它技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。以下實施例所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前、後、底、頂等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明，而非對本發明加以限制。此外，在下列各實施方式中，相同或相似的元件將採用相同或相似的標號。
本發明中，導光板可用於背光模組，背光模組可用於提供液晶顯示 (Liquid Crystal Display,LCD)面板的光源，背光模組中的各元件包含一底面與一頂面，底面及頂面的定義是以LCD面板為參考基準，各元件以遠離LCD面板的一面為底面，以面向LCD面板的一面為頂面。本發明所指中央處是指以整體構件視之的相對中央處，非指絕對位置而限制。
請參照第2圖及第5圖，第2圖是依據本發明一實施方式的導光板100的俯視圖，第5圖是第2圖中B部分沿著割面線4-4的剖視圖，第5圖中，為了避免剖面線與光線L干涉，而將剖面線予以省略。導光板100包含一出光面110。出光面110包含一凸透鏡121、複數個第一微結構122以及複數個第二微結構123。凸透鏡121位於出光面110的中央處，舉例而言，亦可以視相對於所應用顯示裝置的有效區(Active Area,AA)、可視區(Visual Area,VA)位於中央處。第一微結構122為一環形結構，複數個第一微結構122彼此同心且環繞在凸透鏡121的外圍。第二微結構123為一弧形結構，亦環繞在凸透鏡121及/或第一微結構122的外圍，本實施方式導光板100的出光面110上，由中央至周緣依序設有凸透鏡121、環繞於凸透鏡121外圍的第一微結構122，以及環繞在複數個第一微結構122外圍的第二微結構123，由這些結構形成一個同心圓微結構的樣態。各個第一微結構122與各個第二微結構123皆具有一折射面S，用於偏折透出一光線L(參見第5圖)。請同時參照第3圖及第4圖，第3圖是第2圖中A部分的局部放大圖，第4圖是第2圖中A部分的立體示意圖，如第3圖及第4圖所示，至少在位於最外側的第二微結構123的折射面S設有複數個條狀突起結構124。另外，為了簡明起見，於第2圖中省略條狀突起結構124，而僅繪示於第3圖及第4圖。
請參照第5圖，其繪示出凸透鏡121及緊鄰凸透鏡121的三個第一微結構122，由內而外依序為第一微結構122a、122b、122c，第一微結構122a、122b、 122c的折射面S依序為折射面S1、S2、S3，複數個折射面S1、S2、S3的傾斜程度彼此相異，且複數個折射面S1、S2、S3的傾斜程度由出光面110的內部往出光面110的外部漸增。第5圖係以導光板100的B部分作為例示說明，就導光板100的整體而言，出光面110的第一微結構122及第二微結構123中，複數個折射面S其中之一的傾斜程度可相異於複數個折射面S其中之另一的傾斜程度，較佳地，複數個折射面S的傾斜程度由出光面110的內部往出光面110的外部漸進變化，且複數個折射面S的傾斜程度可由出光面110的內部往出光面110的外部漸增。在本實施方式中，折射面S(S1、S2、S3)為平面，然而，本發明不以此為限，在其他實施方式中，折射面S(S1、S2、S3)亦可為弧面，例如，可與凸透鏡121相似，為往外凸的弧面。
更具體來說，凸透鏡121、複數個第一微結構122以及複數個第二微結構123互相搭配而具有凸透鏡的特性，即凸透鏡121、複數個第一微結構122以及複數個第二微結構123三者可一體視為一個凸透鏡，以下將之稱為整體凸透鏡，以與凸透鏡121區隔。依據造鏡者公式，如式(I)所示：
Figure 109118881-A0305-02-0007-1
式(I)中，f為透鏡的焦距、n為透鏡材料的折射率、n m 為包圍在透鏡周圍物質的折射率，R 1為透鏡靠近光源這一側表面的曲率半徑、R 2為透鏡遠離光源這一側表面的曲率半徑。將式(I)應用於整體凸透鏡，整體凸透鏡朝向導光板100之底面150(參見第4圖)的一側的曲率半徑為R 1，整體凸透鏡朝外的一側的曲率半徑為R 2，可藉由調配R 1及R 2的數值，使由出光面110透出的光線L為平行光，例如，當R 1=R 2≒0.3mm，f為無限大，而使整體凸透鏡為一平行光透鏡，藉 此，有利於出射光的方向性及均勻性。
詳細來說，如第2圖至第4圖所示，各個第一微結構122與各個第二微結構123皆具有一弧邊E，各個條狀突起結構124為弧形，各個條狀突起結構124的一延伸方向E2與弧邊E的一延伸方向E1實質上相同。
如第2圖至第4圖所示，出光面110可具有一中央區111及位於中央區111外圍的一周邊區112，周邊區112的第二微結構123的折射面S設有條狀突起結構124；舉例而言，周邊區112可以是鄰近導光板100未設置光源的側邊。本實施方式中，中央區111所涵蓋的範圍較廣，周邊區112僅包含第二微結構123，然而，本發明不以此為限，在其他實施方式中，中央區111所涵蓋的範圍可縮小，而使周邊區112同時包含第一微結構122及第二微結構123，此時，周邊區112的第一微結構122及第二微結構123的折射面S設有條狀突起結構124。此外，當同一個第一微結構122或同一個第二微結構123有一部分落在中央區111、其餘部分落在周邊區112時，可僅落在周邊區112的該其餘部分的折射面S設置突起結構124，如第3圖所示。條狀突起結構124可發散光線L，藉由在周邊區112設置條狀突起結構124，有利於防止周邊區112出現暗角，可進一步提升導光板100的出光均勻性。
請參考第2圖，周邊區112具有第一邊長D1及第二邊長D2，中央區111具有第三邊長D3，以導光板100的其中一側之邊長而言，該側的邊長即前述第一邊長D1、第二邊長D2及第三邊長D3的總和，其中第一邊長D1及第二邊長D2的總和佔該側邊長(D1+D2+D3)的比例可為大於0%，且小於或等於10%，藉此，一方面可防止周邊區112出現暗角，另一方面，可維持由出光面110透出的光線L的 準直性而提高正面亮度。
如第4圖所示，導光板100可更包含一入光面130，入光面130連接於出光面110。入光面130包含複數個結構部140，各個結構部140形成有複數個入光微結構，即第一入光微結構141及第二入光微結構142，第一入光微結構141、第二入光微結構142用於發散進入入光面130的光線。請同時參照第6圖，其是第4圖中結構部140的剖視示意圖，為了簡明起見，將剖面線省略。詳細來說，結構部140包含位於中心的第一入光微結構141以及環繞在第一入光微結構141外圍的複數個第二入光微結構142，第一入光微結構141可為一凹透鏡，第二入光微結構142可為一環形結構或一弧形結構，在此以弧形結構為例示，複數個第二入光微結構142彼此同心。
各個第二入光微結構142包含一折射面T，為了清楚說明，將第6圖中緊鄰第一入光微結構141的三個第二入光微結構142另行標號，由內而外依次為第二入光微結構142a、142b、142c，第二入光微結構142a、142b、142c的折射面T依序為折射面T1、T2、T3，複數個折射面T1、T2、T3的傾斜程度彼此相異，且複數個折射面T1、T2、T3的傾斜程度由內往外漸增。就結構部140整體而言，複數個第二入光微結構142中，複數個折射面T其中之一的傾斜程度可相異於複數個折射面T其中之另一的傾斜程度，較佳地，複數個折射面T的傾斜程度由內往外漸進變化，且複數個折射面T的傾斜程度可由內往外漸增。在本實施方式中，折射面T(T1、T2、T3)為弧面，且與第一入光微結構141相似，為向內凹的弧面。然而，本發明不以此為限，在其他實施方式中，折射面T(T1、T2、T3)亦可為平面。
更具體來說，第一入光微結構141及複數個第二入光微結構142可互相搭配而具有凹透鏡的特性，即第一入光微結構141及複數個第二入光微結構142結合所形成的結構部140可一體視為一個凹透鏡。將上文中的式(I)應用於結構部140，結構部140外側143的曲率半徑為R 1，結構部140內側144的曲率半徑為R 2，可藉由調配R 1及R 2的數值，使由外側143進入結構部140並由內側144透出的光線為發散光，例如，當R 1=無限大、R 2=0.5mm，f為負值，而使結構部140為一發散光透鏡，藉此，有利於光線進入導光板100內部的各角落而可提升能源分布面積，以進一步提升出光均勻性。
請參照第7圖，其是依據本發明另一實施方式的背光模組20的立體示意圖，在此僅繪示局部。背光模組20包含導光板100以及光源模組200，光源模組200包含複數個光源210，一結構部140對應一光源210，其中光源模組200可為LED燈條，光源210可為LED，每一個光源210的光線可對應入光面130上的其中一個結構部140進入導光板100後，由出光面110透出導光板100。背光模組20可選擇性增設的其他光學膜片，如反射片、擴散片、稜鏡片(聚光片)等，以提升光學性質。藉由背光模組20包含前述導光板100，可提供一個具有較短混光區及較高佔屏比的背光模組20。關於導光板100的細節請參照上文，在此不另贅述。
請參照第8圖，其是依據本發明再一實施方式的顯示裝置30的立體示意圖，在此僅繪示局部。顯示裝置30包含背光模組20以及顯示面板300，顯示面板300設置於背光模組20的上方。背光模組20用於提供顯示面板300光線，顯示面板300可為LCD面板，關於背光模組20的細節請參照上文，在此不另贅述。
請參照第9圖，其是習知背光模組的光場模擬分布圖。習知背光模組 的導光板的入光面未設置結構部，且出光面未設置凸透鏡、第一微結構及第二微結構，將導光板劃分為11行、11列，亦即將導光板劃分為121個區域，測量各區域的亮度(每區域面積內所射出的光通量)如表一所示，並設定模擬條件Bo值(側牆到可視範圍的距離)為8.0mm。其中，取表一對應第9圖中所標示P1~P5等5點以及P1~P13等13點所在區域的亮度，並計算P1~P5等5點及P1~P13等13點的均齊度(Uniformity)及均輝度(Luminance Uniformity)，如式(II)、(III)所示，其中亮度最小值(Lmin)為所取區域中亮度最小者，亮度最大值(Lmax)為所取區域中亮度最大者，亮度平均值為所取區域亮度的平均值：均齊度=(亮度最小值/亮度最大值)×100% (II)；均輝度=亮度平均值 (III)。
請參照第10圖，其是依據本發明背光模組20的光場模擬分布圖。同樣地，將導光板100劃分為121個區域，測量各區域的亮度如表二所示，並設定模擬條件Bo值為3.5mm，計算P1~P5等5點及P1~P13等13點的均齊度及均輝度，光學模擬分析結果如表二所示。
Figure 109118881-A0305-02-0011-15
Figure 109118881-A0305-02-0012-3
Figure 109118881-A0305-02-0012-4
由表一及表二可知，為得出模擬結果需預先設定Bo值才能取得光學 模擬數值，遂將習知背光模組的Bo值設定為常見寬度8.0mm，而本發明的背光模組20的Bo值設為3.5mm；然而，針對導光板的劃分數量同樣都是121個前提下，本發明背光模組20的5點均齊度可提升約8.14%，13點均齊度可提升約15.49%，另，5點均輝度或13點均輝度亦分別提升約16%及20%，則顯示依據本發明的背光模組20其出光面110的能源分布面積更大、更均勻，而可呼應本發明背光模組20的Bo值假設是正確且有效的，本發明背光模組20的佔屏比確實可較習知背光模組更為提升。
相較於先前技術，本發明的導光板於出光面設置凸透鏡、複數個第一微結構以及複數個第二微結構，可增加出射光的方向性及均勻性，再配合條狀突起結構，有利於防止周邊區出現暗角，而可提升出光均勻性，進而可縮小混光區、有利於提升佔屏比。優選地，本發明的導光板於入光面設置結構部，光源的光線受結構部偏折而發散，有利於光線進入導光板內部的各角落而可提升能源分布面積，以進一步提升出光均勻性。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:導光板
110:出光面
111:中央區
112:周邊區
121:凸透鏡
122:第一微結構
123:第二微結構
130:入光面
A:部分
B:部分
D1:第一邊長
D2:第二邊長
D3:第三邊長
S:折射面

Claims (14)

  1. 一種導光板，包含：一出光面，包含：一凸透鏡，位於該出光面的中央處；複數個第一微結構，所述第一微結構為一環形結構，該複數個第一微結構彼此同心，且環繞在該凸透鏡的外圍；以及複數個第二微結構，所述第二微結構為一弧形結構，且環繞在該複數個第一微結構的外圍；其中，所述第一微結構與所述第二微結構皆具有一折射面用於偏折透出一光線，至少在位於最外側的該第二微結構的該折射面設有複數個條狀突起結構；以及一入光面，連接於該出光面，該入光面包含複數個結構部，所述結構部形成有複數個入光微結構，所述入光微結構用於發散進入該入光面的一光線。
  2. 如請求項1所述的導光板，其中，該複數個折射面其中之一的傾斜程度相異於該複數個折射面其中之另一的傾斜程度。
  3. 如請求項2所述的導光板，其中，該複數個折射面的傾斜程度由該出光面的內部往該出光面的外部漸增。
  4. 如請求項1所述的導光板，其中，所述第一微結構與所述第二微結構皆具有一弧邊，所述條狀突起結構為弧形，所述條狀突起結構的一延伸方向與該弧邊的一延伸方向實質上相同。
  5. 如請求項1所述的導光板，其中，該出光面具有一中央區及位於該中央區外圍的一周邊區，位於該周邊區的該第一微結構以及該第二微結構的該折射面設有該條狀突起結構。
  6. 如請求項1所述的導光板，其中，所述入光微結構包含一折射面，於所述結構部中，該複數個折射面其中之一的傾斜程度相異於該複數個折射面其中之另一的傾斜程度。
  7. 如請求項1所述的導光板，其中，所述入光微結構包含一折射面，於所述結構部中，該複數個折射面的傾斜程度由內往外漸增。
  8. 如請求項1所述的導光板，其中，所述入光微結構為一環形結構或一弧形結構，且該複數個入光微結構彼此同心。
  9. 如請求項1所述的導光板，其中，該複數個入光微結構中位於中心者為一凹透鏡。
  10. 如請求項1所述的導光板，其中，該入光面對應一光源模組，該光源模組包含複數個光源，一該結構部對應一該光源。
  11. 一種背光模組，包含如請求項1至10任一項所述的導光板。
  12. 一種顯示裝置，包含： 一如請求項11所述的背光模組；以及一顯示面板，設置在該背光模組的上方。
  13. 一種背光模組，包含一導光板，該導光板包含：一出光面，包含：一凸透鏡，位於該出光面的中央處；複數個第一微結構，所述第一微結構為一環形結構，該複數個第一微結構彼此同心，且環繞在該凸透鏡的外圍；以及複數個第二微結構，所述第二微結構為一弧形結構，且環繞在該複數個第一微結構的外圍；其中，所述第一微結構與所述第二微結構皆具有一折射面用於偏折透出一光線，至少在位於最外側的該第二微結構的該折射面設有複數個條狀突起結構。
  14. 一種顯示裝置，包含：一如請求項13所述的背光模組；以及一顯示面板，設置在該背光模組的上方。
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