TWI393921B - 光學元件與其製造方法及背光模組 - Google Patents

Description

光學元件與其製造方法及背光模組

本發明是關於一種光學元件，特別是一種關於具有微型結構與反射結構的光學元件。

圖1所繪示為US7309149中之增亮膜之部份剖視圖。參照圖1，增亮膜1’之入光面12’上包含一反射結構13’，當第一光線L1、第二光線L2及第三光線L3入射於增亮膜1’之入光面12’後，第一光線L1朝增亮膜1’之正面折射，第二光線L2自反射結構13’反射，而第三光線L3則被反射結構13’或棱鏡單元11’反射。受到反射之第二光線L2及第三光線L3會再度被增亮膜1’下方之反射板(未顯示)反射，以便重新利用第二光線L2及第三光線L3。

由於反射結構13’的設置，可使入射至入光面的光線較不易朝增亮膜之旁側折射，故當使用者由增亮膜1’之正面觀看時，其會感受到較高的亮度。

在US7309149中，其規範反射結構13’之寬度小於或等於棱鏡單元11’間之間距的三分之二。然而，其並未對反射結構13’之間隔與厚度作規範，故本領域具有通常知識者無法根據US7309149作出進一步優化的設計。而且，上述之棱鏡單元11’皆以彼此平行的方式排列在增亮膜1,1’上，由於液晶面板上的像素電極也是以彼此平行的方式進行排列，故在視覺上易於產生所謂的疊紋圖形(moire pattern)。

因此，如何解決上述之問題，是值得本領域具有通常知識者去思量地。

本發明之目的是提供一種光學元件，此光學元件可有效消除疊紋圖形之問題，同時也對反射結構之間隔與厚度作規範，以使本領域具有通常知識者可作出優化的設計。

根據上述目的與其他目的，本發明提供一種光學元件，其具有一出光面與一入光面，且放置於入光面側之至少一光源所發出的光線會於光學元件內部產生至少一光學路徑。光學元件包括多個微型結構與多個反射結構，其中微型結構是沿著一第一方向延伸且沿著一第二方向排列於出光面上。每一微型結構具有一頂邊，此頂邊位於出光面上並形成彼此相鄰的多條第一曲線與多條第二曲線。第一曲線與第二曲線往第一方向延伸，該第一曲線與該第二曲線於該第二方向上之間距離不相等且不平行，且該第二曲線與另一第一曲線之該第二方向上之間距離不相等且不平行。

另外，每一反射結構沿著第一方向延伸且依照第二方向排列於入光面上，且每一反射結構的位置與兩個微型結構的交接處相互對應。反射結構的厚度t，微型結構之底部的寬度P，與光學元件的折射率n，滿足以下的公式：

其中，光學路徑是由光學元件的入光面入射，藉 由反射結構之厚度以控制光學路徑，且出光面上之該些微型結構是用以將光學路徑進行收斂。

於上述之光學元件中，微型結構之縱向剖面的輪廓為一弧線，該弧線的曲率半徑為R，第一曲線與該第二曲線於該第二方向上之距離為D，R與D滿足以下的公式：0.5R<D<3R。

於上述之光學元件中，微型結構的焦距FD與微型結構之底部的寬度P，滿足以下的公式：

根據上述目的與其他目的，本發明提供一種光學元件的製造方法，用於製造上述之光學元件，此光學元件的製造方法包括下述之步驟。首先，提供一透明基材，並於該透明基材的其中一側塗佈上一成型膠。再來，提供一模具，該模具的表面上具有多個成型圖案，這些成型圖案的外型與光學元件上的微型結構相對應。之後，模具於成型膠上進行壓印，並對壓印後的成型膠進行硬化，以形成微型結構。再來，於透明基材的另外一側塗佈一光阻層。接著，對光阻層進行曝光顯影製程，以形成一結構區域，並將非結構區域之光阻層去除。之後，塗佈上一反射材料層。再來，將結構區域之光阻層與位於其上之反射材料層去除，並形成反射結構。

根據上述目的與其他目的，本發明提供一種背光模組，此背光模組包括一光學薄板、至少一光源以及上述之光學元件，光學元件放置於光學薄板的出光面側。

於上述之背光模組中，光學薄板為一擴散板或一導光板。

於上述之背光模組中，光源為冷陰極螢光燈管或發光二極體。

為讓本發明之上述目的、特徵和優點更能明顯易懂，下文將以實施例並配合所附圖示，作詳細說明如下。

於下述之實施例中，將以x軸方向代表第二方向，y軸方向代表第一方向，但本領域具有通常知識者應該可了解這只是為了表示的方便，而非對第一方向與第二方向所做的限定。

請參照圖2，圖2所繪示為本發明之第一實施例的光學元件的立體圖。光學元件2大體上呈一薄板狀，其例如是配置在直下式背光模組中之擴散板的上方，亦即擴散板的出光面側。其中，光學元件2的出光面21具有多個微型結構22，這些微型結構22是沿著X方向排列於出光面21上，且每一微型結構22具有一頂邊221。其中，這些微型結構22的功用是為了將光線的光學路徑進行收斂。

另外，於光學元件2的入光面24上還設置有多個反射結構23，這些反射結構23是沿著X方向排列於入光面24上，反射結構23的材質為二氧化鈦或氧化鎂。而且，每一反射結構23的位置與兩個微型結構22間所形成的波谷222相互對應。其中，反射結構23的厚度為t，微型結構22之底部的寬度為P， 且光學元件2的折射率為n，且滿足以下的公式：

由圖2可知，部分光線L4是由入光面24入射，而部分的光線L5則被反射結構23反射，藉由反射結構23之厚度t可以控制光線的光學路徑。而且，於出光面21上之微型結構22可將光線L4的光學路徑進行收斂。

請參照圖2與圖3，圖3所繪示為頂邊於xy平面上的投影所形成的多條曲線。由圖2可知，微型結構22基本上是往y方向延伸，且微型結構22的延伸路徑是呈曲線。當微型結構22的頂邊221投影在xy平面上時至少會形成多種不同的曲線，在此將從左邊數來位於奇數位置的曲線稱為第一曲線2211，而將從右邊數來位於偶數位置的曲線稱為第二曲線2212。需注意的是，將曲線分成第一曲線2211與第二曲線2212只是說明的方便，並不代表所有的第一曲線2211都具有相同的曲線形狀，也不代表所有的第二曲線2212都具有相同的曲線形狀。

請參照圖3，第一曲線2211與第二曲線2212，第一曲線2211與第二曲線2212間並不平行。其中，每一第二曲線2212位於其中二第一曲線2211之間，且位於其中一側的第一曲線2211與第二曲線2212間的距離為D1，而位於另外一側的第一曲線2211與第二曲線2212間的距離為D2。其中，距離D1與 距離D2會沿著y方向而產生變化，且距離D1與距離D2並不相同。

微型結構22的縱向剖面的輪廓為一弧線，且此弧線的曲率半徑為R。不管是距離D1及距離D2，在此統稱為距離D，與曲率半徑R的關係可表述成以下的公式：0.5R<D<3R............................公式(2)。

另外，微型結構的焦距為FD(未繪示於圖中)，且滿足以下的公式：

由於液晶面板上的像素電極也是以彼此平行的方式進行排列，而本實施例的微型結構22的延伸路徑是呈曲線，故其在視覺上較不易產生疊紋圖形。

此外，本案之申請人將上述之光學元件2進行電腦模擬，在此模擬中，微型結構22之底部的寬度P設為185μm，光學元件2的折射率n為1.63，藉由改變反射結構23的厚度為t，可得到下表：

其中，上表的“強度”代表從光學元件2的正面觀看時所呈現的光強度，而“1/2視角”則代表光強度減為正面觀看之光強度的1/2時之觀看角度。而且，模 擬狀態1~2並不滿足公式(1)，模擬狀態3~5則滿足公式(1)。

因此，綜上所述，本領域具有通常知識者可藉由反射結構23之厚度來控制光線的光學路徑，且當光學元件2的設計滿足公式(1)時，其會有較佳的光學效果。

以下，將對上述光學元件2的製造方法進行介紹，請參照圖4A~圖4E。首先，請參照圖4A，於一透明基材25的其中一側塗佈上一成型膠22’，此透明基材25的材質例如為聚碳酸酯(polycarbonate)、聚萘二甲酸乙二酯(polyethylene naphthalate,PEN)或聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET)，而成型膠22’例如為紫外線硬化膠或熱塑性樹脂。

再來，提供一滾輪4，此滾輪4的表面41上具有多個成型圖案(未繪示)，這些成型圖案的外型與光學元件2(如圖2所示)的微型結構22相對應。亦即，微型結構22呈向上凸出的形狀，而成型圖案則呈向下凹陷的形狀，彼此相互補。

之後，請參照圖4B，當滾輪4於成型膠22’上壓印並對成型膠進行硬化後，便可於透明基材25上形成微型結構22。成型膠22’的硬化方式隨著成型膠22’之種類的不同而不同，例如若成型膠22’為紫外線硬化膠，則便是使用紫外線進行照射以使其成型，若成型膠22’為熱塑性樹脂，則便是使用加熱的方式使其成型。此外，在本實施例中，是使用滾輪4對成型 膠22’進行壓印，但本領域具有通常知識者可將滾輪4替換成其他型態的模具。

再來，請參照圖4C，於完成微型結構22的製作後，於透明基材25另一側塗佈一光阻層。接著，塗佈光阻層後，進行曝光顯影製程，以形成一結構區域261，利用化學藥劑將結構區域261以外之光阻層去除，只留下結構區域261的部份。

再來，請參照圖4D，塗佈上一反射材料層23’，該反射材料層23’覆蓋結構區域261，且結構區域261之光阻層會與反射材料層23’產生鍵結。之後，請參照圖4E，將結構區域261之光阻層與位於其上的反射材料層23’去除，便可形成反射結構23。完成反射結構23的製作後，也就完成了本發明之光學元件2。

請參閱圖5，圖5所繪示為使用本發明之光學元件的直下式背光模組。此背光模組5包括一擴散板51、多個光源52、一反射罩53與圖4所示之光學元件2，其中在本實施例中光源52為冷陰極螢光燈管，但也可將其改為發光二極體。光源52是配置在反射罩53內，反射罩53可將光源52所發出的光線反射至擴散板51中。擴散板51的作用是將光源52所發出的光線進行擴散，擴散板51的主要構成材質例如為聚甲基丙烯酸甲酯(poly methyl methacrylate)、聚碳酸酯或聚對苯二甲酸乙二酯等透明物質。而且，於擴散板51內則散佈有多個光擴散粒子(未繪示)，此光擴散粒子之折射率與擴散板51的主要構成材質並 不相同，因此當光線通過光擴散粒子時，其光學路徑會產生偏折，從而達到使光線擴散的效果。

在圖5中，背光模組5為一直下式背光模組，但本發明之光學元件2也可用在其他型態的背光模組，例如：側光式背光模組。在側光式背光模組中，光學元件2是配置在導光板上。

本發明以實施例說明如上，然其並非用以限定本發明所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡本領域具有通常知識者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。

1、1’‧‧‧增亮膜

11、11’‧‧‧棱鏡單元

13’‧‧‧反射結構

L1‧‧‧第一光線

L2‧‧‧第二光線

24‧‧‧入光面

25‧‧‧透明基材

261‧‧‧結構區域

4‧‧‧滾輪

41‧‧‧表面

L3‧‧‧第三光線

2‧‧‧光學元件

21‧‧‧出光面

22‧‧‧微型結構

22’‧‧‧成型膠

221‧‧‧頂邊

222‧‧‧波谷

2211‧‧‧第一曲線

2212‧‧‧第二曲線

23‧‧‧反射結構

23’‧‧‧反射材料層

5‧‧‧背光模組

51‧‧‧擴散板

52‧‧‧光源

53‧‧‧反射罩

R‧‧‧曲率半徑

t‧‧‧厚度

P‧‧‧寬度

n‧‧‧折射率

D1、D2‧‧‧距離

L4、L5‧‧‧光線

圖1所繪示為US7309149中之增亮膜之部份剖視圖。

圖2所繪示為本發明之第一實施例的光學元件。

圖3所繪示為頂邊於xy平面上的投影。

圖4A~圖4E所繪示為光學元件的製造方法。

圖5所繪示為本發明之第一實施例的背光模組。

2‧‧‧光學元件

21‧‧‧出光面

22‧‧‧微型結構

22’‧‧‧成型膠

221‧‧‧頂邊

222‧‧‧波谷

23‧‧‧反射結構

24‧‧‧入光面

R‧‧‧曲率半徑

t‧‧‧厚度

P‧‧‧寬度

L4、L5‧‧‧光線

Claims (7)

1. 一種光學元件，其具有一出光面與一入光面，且放置於入光面側之至少一光源所發出的光線會於該光學元件內部產生至少一光學路徑，該光學元件包括：多個微型結構，沿著一第一方向延伸且沿著一第二方向排列於該出光面上，每一該微型結構具有一頂邊，而該頂邊位於該出光面上並形成彼此相鄰的多條第一曲線與多條第二曲線，該第一曲線與該第二曲線往該第一方向延伸，該第一曲線與該第二曲線於該第二方向上之間距離不相等且不平行，且該第二曲線與另一第一曲線之該第二方向上之間距離不相等且不平行；多個反射結構，每一反射結構沿著該第一方向延伸且沿著該第二方向排列於該入光面上，且每一反射結構的位置與兩個微型結構的交接處相互對應，該反射結構的厚度t，該微型結構之底部的寬度P，與該光學元件的折射率n，滿足以下的公式： 其中，該光學路徑由該入光面入射，藉由該複數個反射結構之厚度以控制該光學路徑，且於該出光面上之該些微型結構是用於將該光學路徑進行收斂。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中該微型 結構之縱向剖面的輪廓為一弧線，該弧線的曲率半徑R，及該第一曲線與該第二曲線於該第二方向上之距離D，滿足以下的公式：0.5R<D<3R。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學元件，其中該微型結構的焦距FD與該微型結構之底部的寬度P，滿足以下的公式：
4. 一種背光模組，該背光模組包括：一光學薄板；至少一光源，放置在該光學薄板的入光側；以及如申請專利範圍第1項至第3項的任一項所述之一光學元件，該光學元件放置於該光學薄板的出光面側。
5. 如申請專利範圍第9項所述之背光模組，其中該光學薄板為一擴散板。
6. 如申請專利範圍第9項所述之背光模組，其中該光學薄板為一導光板。
7. 如申請專利範圍第9項所述之背光模組，其中該光源為冷陰極螢光燈管或發光二極體。