TWI337271B - Light guide plate and backlight module - Google Patents

Description

1337.271 099年10月13日核正 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001]本發明涉及一種應用於液晶顯示領域之導光板及背光模 組，尤其涉及一種側光式之導光板及背光模組。 【先前技術】 [0002]導光板（Light Guide Plate，LGP)主要包括光入射面 、反射面、出射面及幾個側面’係液晶顯示背光模組系 統中之重要組成部分。其作用係引導分散點光源（例如發 光二極管）或線光源（例如冷陰極管）發出之光線從一個平 面出射，同時提高面板發光灰度及發光亮度之均句性。 導光板一般採用合成樹脂材料製成，其基板形狀分為平 板型與楔型曲面型。 [0003] [0004] 進入導光板之光線將根據全發射原理在板内傳播，當光 線遇到導光板表面之微結構（pattern)時’全發射條件 被破壞，光線自導光板正面射出，疏密、大小不同之微 結構設計，可以使導光板均句發光。導光板微結構之製 造技術可以分成兩大類：印刷式與非印刷式。前者利用 網印方式將油墨印於導光板上，製作出微結構形狀及其 分佈。後者則直接以射出成型技術，將微結構設計於模 於製程上較為續化，而且精密度高，係目前導光 板製造技術之主流。非印刷式製作方法又分為：化學刻 钱法、録射直寫法與精密機械加工法等。 093131353 uispiay，LCD)於 堵如手機、車載顯示器、個 81人數字助理（Personal Distal Assistant, pda、 及電視機等應用領域之拓展 表單編號A010丨 第3百/u „ 第3頁/共26頁 0993367629- 1337271 099年 10月 13 ’對以導光板為主之背光技術提出了更高要求，主要表 現在：高亮度、低成本、低能耗，輕薄化等。

[0005] 請參閱第一圖，從光束之入射角度看，為了使更多能量 入射到LGP，一般係於LGP之入射面做成凹槽，然後將作 為光源之發光二極管（Light Emission Diode，LED )置於其中。這種内置光源之設計將使得LGP較厚，不利 於輕薄化設計，而且由於LED内置，散熱差，將影響LGP 之正常使用。 [0006] 請參閱第二圖，第6,421，104號美國專利直接用傳統之 折射型透鏡置於光源後面，其設計靈活性與結構緊湊性 都比較差。 [〇〇〇7]請參閱第三圖，丨998年7月31曰公開之公開號為特開平 1 0-1 9931 6日本專利申請，採用於LGP入射面加工V型結 構來改變LED之入射角度，但其設計靈活性差，而且耦合 效率比較低。 [0008]請參閱第四圖與第五圖，2003年11月20日公開之公開號 為20030214818之美國專利申請採用了類似於圖3之設計 ，由於其採用周期結構之V型刻槽，對光束之控制能力有 限，私合效率也不高。 [〇〇〇9]目前，基於光波繞射理論之繞射光學元件（Diffmct- ive Optical Elements， DOEs) 有著體積小、 重量輕 、極大設計自由度、寬廣之材料選擇性等優點，於實現 光波變換上具有許多卓越的、傳統光學難以實現之功能 ’被廣泛應用于諸如错射聚焦、搞合、光譜渡波、相關 093131353 表單編號A0101 第4頁/共26頁 0993367629-0 1337271 099年10月13日後正替換頁 濾波、光束整形（Beam shaping)、波長區間多工與信號 處理等多個領域： [0010] 請參閱第六圖，2003年10月21日公告之第6, 636, 283號 美國專利提出一種結構將繞射微透鏡製作在基板上，然 後置於光源與LGP之間，起到將入射光准直後入射到LGP 之作用。這種設計可實現輕薄化設計，但是由於它係分 離式設計，系統之橫向尺寸較大，系統結構複雜，不利 於提高能量利用率。 [00Π] 因此，有必要提供一種能提高能量利用率且結構緊湊之 ® 導光板及使用該種導光板之背光模組。 【發明内容】 [0012] 本發明所要解決之第一個技術問題係：提供一種導光板 ，能提高能量利用率且結構緊湊。 [0013] 本發明所要解決之第二個技術問題係：提供一種背光模 組，其具有上述導光板’能提高能量利用率且結構緊湊 [0014] 為解決上述第一個技術問題’本發明提供之技術方案係 :一種導光板，包括一入射面、一出射面及一設有若干 微結構之反射面，該入射面形成有至少一個繞射結構。 [0015] 其中，所述繞射結構最好為非球面繞射結構。 [0016] 所述#球面繞射結構之相位延遲又)最好滿足下式： [0017] 093131353 表單編號A0101 第5買/共26頁 0993367629-0 1337271 099年10月13日修正替换頁 [0018] 其中f為該非球面繞射結構焦距，n2為焦點處之折射率， λ為真空中入射波長，七為真空中波數， X為該非球面繞射結構表面之任意點到其中心軸之距離。 [0019] 所述非球面繞射結構之深度y(x)最好滿足下式： [0020] _^-

7〇)=——-—(V/2 + - / - ^ ^2 ) «1 - «2 < |^| < D I 2) [0021] 其中， λ2~ λ!n2 m=L 〇^7··· ，為非球面繞射結 構之環帶數，為該非球面繞射結構之折射率，D係非球 面繞射結構之口徑，

[0022] 表示該非球面繞射結構每一個之環帶端點到所述非球 7：^ 面繞射結構中心軸之距離，滿足式： [0023] nl/2 〇 [0024] 所述繞射結構可向外凸出於該導光板，或者向内凹進於 該導光板。 [0025] 所述出射面形成有至少一第二繞射結構，其可為非球面 繞射結構。 093131353 表單編號Α0101 第6頁/共26頁 0993367629-0 1337271 099年10月13日修正替換頁 [0026] 所述導光板可為平板或楔型板。 [0027] 為解決上述第二個技術問題，本發明提供之技術方案係 :一種背光模組，包括一導光板與一位於其側面之光源 ，其中該導光板包括一入射面、一出射面與一設有若干 微結構之反射面，該入射面形成有至少一個繞射結構。 [〇〇28] 相對于先前技術，本發明借鑒繞射光學結構之面型設計 自由度大、對光束控制能力強之特點，採用直接於LGP之 入射面製作繞射光學結構，使得整個結構之緊凑性高， 並且可以根據光源大小與位置靈活設計結構之表面輪廓 來調整傳統LED入射光束之入射角，提高光束之耦合效率 ，從而提高光能利用率，使得導光板具有高亮度與低能 量損耗。另外，還能較好消除因為採用離散點光源（LED )造成靠近光源處，能量分佈不均之陰影效果。 [0029] 同時，本發明還可於LGP之出射面設計不同結構之繞射光 學結構，從而達到對LGP出射角度與能量分佈之控制作用 ，進一步提高背光系統之能量利用率。 【實施方式】 [0030] 下面將結合附圖對本發明作進一步之詳細說明。 [0031] 請一併參閱第七圖及第八圖，本發明所提供之一種平板 型導光板50，包括一入射面51、一反射面52、一出射面 53及其其他幾個側面（未標示）。其中，入射面51形成 於導光板50臨近光源70之侧面。出射面53形成於該導光 板50之頂面。反射面52形成於導光板50之底面，其設有 若干微結構521。 093131353 表單編號A0101 第7頁/共26頁 0993367629-0 H37271 099年10月13日梭正替換頁 [0032] &本實μ例中，該入射面51形成有—非球面繞射結構 '•玄非球面繞射結構512之相位延遲炉滿足下列關係 式（1): [0033] _ ^ (^) = (/ - ^/72 + ) [0034]

其中f為該非球面繞射結構512之焦距，n2為焦點處之折 射率’ λΜ空中人射波長乂 ，為真空中 波數。焦距範圍為2〜10mm，根據情況，一般入光面之焦 距比較短，而出光面之焦距比較長，這需要設計而得。χ 為该非球面繞射結構512表面上任意點到其中心軸之距離 (如X!，x2 ’ x3)，其取值根據LGP之外形尺寸而定，一 般為—1 5mm〜+ 1 5mm。 [0035]同時’該非球面繞射結構512之深度y，即該非球面燒射 ® 結構512之環帶結構表面上之任意點到該非球面繞射結構 512所在基面之距離，一般在幾微米到幾百微米左右，其 滿足下列關係式（2): [0036] __ y(x) = ~ J2 + - f - m λ2) <|^|<min(^+1>Z)/2) y _其中，；= ；!/% ’ w = 0，1，.··，*非球面繞射結 093131353 表單編號A0101 第8頁/共26頁 0993367629-0 1337271 099年10月13日修正替換頁

構512之環帶數’ 為該非球面繞射結構51 2之折射率，D 係非球面繞射結構51 2之口徑，即D = x ， * max [0038] 表示該非球面繞射結構51 2每一個之環帶端點到為該 Λ

iW 非球面繞射結構512中心軸之距離，滿足下列關係式（3 [0039]

2 ]1/2 ° [0040] 上述非球面繞射結構512之深度y與邊緣 之尺寸一般

X3H 可應根據加工能力來選取。 [0041] 該非球面繞射結構512向外凸出於該導光板50。需指出的 係，為了實際加工方便，可以將曲面面型之非球面繞射 結構512用直線面型來代替，這樣在不影響性能之情況下 更便於加工。

[0042] 本實施例為了綜合利用各個離散光源70之功能，於整個 入射面51上做成一個非球面繞射結構512。當然，還可以 根據光源70之數目，於入射面51上形成分別與各光源70 對應之獨立之若干繞射結構，不必限於此實施例。 [0043] 請參閱第九圖，其為當於LGP入光面之中心位置放置一個 LED作為光源時，LGP出射光場強度分佈值，其中第九A圖 為入射面無繞射結構之情況，第九B圖為入射面有本發明 之繞射結構之情況。其中，實驗所用LGP之出射面沒有繞 射結構，其具體參數為：f = 3mm，X在一3mm〜+ 3mm， 093131353 表單編號A0101 第9頁/共26頁 0993367629-0 1337271 099年10月13日修正替换頁 深度y最大值為〇.41mm ’ 1^ = 1.49 ’ n2=l，波長為可見 光0. 55um。實驗結果表明入射面之繞射結構對光場之調 製效果明顯。 [0044] 此外，在本實施例中，該導光板50之出射面53上也形成 有一第二非球面繞射結構532，其繞射面型之相位延遲同 樣滿足上述關係式（1)，其具體參數應根據實際情況加 以設計，一般與入射面51之非球面繞射結構512之參數不 同。兩者具有相同深度，也可根據情況將其設計為不同 _ 深度。 [0045] 另外，該第二非球面繞射結構532呈一維柱面形狀，由臨 近入射面一端延伸至與其相對之另一端。值得注意的係 ，其也可以設計成二維彎曲形狀r該第二非球面繞射結 構532向外凸出於該導光板50。可以選擇的係，其也可以 向内凹進於該導光板50。 [0046] 本發明之導光板50係由合成樹脂材料製成之平板型結構 • ，其反射面可以為V型結構或者為傳統圓形小點等微結構 [0047] 光源70為點光源，如發光二極管。當然，也可選用線光 源，例如冷陰極管。 [0048] 請參閱第十圖，為驗證繞射結構對於消除陰影現象之作 用，計算有繞射結構與沒有繞射結構兩種導光板之光場 分佈，光源為3個相同之LED。其中有繞射結構之導光板 ，其繞射結構之具體參數為： [0049] ( 1 )入光面，f = 3mm，X在一1 5mm〜+ 1 5mm，深度y最 093131353 表單編號A0101 第10頁/共26頁 0993367629-0 1.337271 大值為〇.8841πππ，η =1.49，rig: 〇.55um ; 099年10月13日修正 波長為可見光 [0050] [0051] [0052] [0053] (2)出光面 ’ f = l〇mm，X在—15mm〜+ 15mm，深度y最大值為0·6316_，η =1.49，n =l，波長為可見光 1 ^〇.55um。 [0054] 093131353 結果表明，繞射結構對光場之調製能力明顯。 請參閱第十一圖’本發明所提供之另一平板型導光板6〇 與前一實施例中之平板型導光板50相比，其主要不同在 於’入射面61形成之非球面繞射結構612向内凹進於導光 板60。 請參閱第十二圖，採用導光板5〇之背光模組8〇，包括導 光板50、位於其側面之光源70、位於其下方之反射板82 、以及依次位於其上方之擴散片84以及增亮片86等光學 膜片。其中反射片82係將未被散射之光線再導入導光板 5〇中，擴散片84使光線形成漫射而均勻擴散，消除導光 板50上微結構521形成之亮區，增亮片86起到會聚光線， 提高亮度之作用。 請參閱第十三圖’上述繞射結構同樣可以應用於棋型導 光板中。在本實施财，本發明提供之Μ導光板90， 包括-入射面91、-反射面92、_出射面93及其其他幾 個側面（未標示）。其中，該人射面91形成有-非球面 繞射結構912，其同樣滿足上述關係式（1)〜（3)。 需注意的係、’本發明還可採用其他形狀之繞射結構，並 不僅限於非球面型繞射結構。 表單編號Α0101 第11頁/共26頁 0993367629-0 [0055] 1337271 099年10月13日修正替換頁 [0056] 本發明借鑒繞射光學結構之面型設計自由度大、對光束 控制能力強之特點，採用直接於LGP之入射面製作繞射光 學結構，使得整個結構之緊湊性高，並且可以根據光源 大小與位置靈活設計結構之表面輪廓來調整傳統LED入射 光束之入射角，提高光束之耦合效率，從而提高光能利 用率，使得導光板具有高亮度與低能量損耗。另外，還 能較好消除由於採用離散點光源（LED)造成之靠近光源 處，能量分佈不均之陰影效果。 [0057] 同時，本發明還可於LGP之出射面設計不同結構之繞射光 學結構，從而達到對LGP出射角度與能量分佈之控制作用 ，進一步提高背光系統之能量利用率。 [0058] 另外，本領域技術人員還可在本發明精神内做其他變化 ，如在導光板之反射面上設置增反膜以替代背光模組中 之反射板等設計。當然，這些依據本發明精神所做之變 化，都應包含在本發明所要求保護之範圍内。 【圖式簡單說明】 [0059] 第一圖係傳統之光源與導光板結合之結構示意圖； [0060] 第二圖係先前技術之第6, 421，104號美國專利所揭示之 背光系統之結構示意圖； [0061] 第三圖係先前技術之特開平1 0-19931 6曰本專利申請所 揭示之背光系統之結構示意圖； [0062] 第四圖係先前技術之第2003021 481 8號美國專利申請所 揭示之背光系統之結構示意圖； 0993367629-0 [0063] 第五圖係第四圖中V部分之局部放大圖； 093131353 表單編號A0101 第12頁/共26頁 1337271 r_ 099年10月13日修正替換頁 [0064] 第六圖係先前技術之第6, 636, 283號美國專利所揭示之 背光系統之結構示意圖； [0065] 第七圖係本發明提供之平板型導光板之立體示意圖； [0〇66]第八圖係本發明提供之平板型導光板之平面示意圖； [0067] 第九A圖係入射面無繞射結構之導光板之光場強度分佈圖 , ’第九B圖係入射面有繞射結構之導光板之光場強度分佈 TSI · 圍， [0068] 第十A圖係入射面無繞射結構之導光板之光場分佈圖，第 丨 十B圖係入射面有繞射結構之導光板之光場分佈圖； [0069] 第十一圖係本發明提供之另一平板型導光板之結構示意 [0070]第十二圖係採用本發明提供之平板型導光板之背光模組 之結構示意圖 [00Ή]第十三圖係本發明提供之楔型導光板之立體示意圖。 【主要元件符號說明】 [0072] 導光板 50入射面51 [0073] 非球面繞射結構512反射面52 [0074] 微結構521出射面53 [0075] 第二非球面繞射結構532導光板 60 [0076] 入射面 61非球面繞射結構612 [0077] 光源70背光模組80 0993367629-0 093131353 表單編號A0101 第13頁/共26頁 1337271 [0078] 反射板 82 擴散片84 [0079] 增亮片 86 楔型導光板90 ' [0080] 入射面 91 非球面繞射結構912 [0081] 反射面 92 出射面9 3 093131353 表單編號A0101 第14頁/共26頁 099年10月13日按正替换頁 0993367629-0

Claims (1)

1. 七、申請專利範圍： 099年 1〇月 13日 種導光板，包括-人射面 出射面及—設有若干微結 構之反射面，其改進在於，該人射面形成有至少—個非球 面繞射結構，所述非球面繞射結構之深度心），即該非 球面繞射結構之環帶結縣面上之任意關該非球面繞射 結構所在基面之距離，其滿足下式： y(^)

   士 = /Ϊ /乃2，W = 0,1，…為非球面繞射結 構之環帶數，11丨為該非球面繞射結構之折射率，D係非球 面繞射結構之口徑， X表示非球面繞射結構每一個之環帶端點到豆中心軸之 w '、

   距離，滿足式： 2mf^ + {m\) 2 1/2 如申請專利範圍第1項所述之導光板，其中，所述非球面 繞射結構之相位延遲滿足下式： 093131353 其中f為該非球面繞射結構之焦距，η2為焦點處之折射率 表軍編珑Α0101 第15頁/共26頁 0993367629-0 1337271 099年10月13日核正替换頁 ，λ為真空中入射波長 = 2πί λ ，為真空中波數 ，X為該非球面繞射結構表面上任意點到非球面繞射結構 中心軸之距離。 如申請專利範圍第1項所述之導光板，其中，所述繞射結 構向外凸出於該導光板。 如申請專利範圍第1項所述之導光板，其令，所述繞射結 構向内凹進於該導光板。

   如申請專利範圍第1項所述之導光板，其中，所述出射面 形成有至少一第二繞射結構。 如申請專利範圍第5項所述之導光板，其中，所述第二繞 射結構為非球面繞射結構。 如申請專利範圍第1所述之導光板，其中，所述導光板為 平板或楔型板。

   一種背光模組，包括一導光板及一位於其側面之光源，其 中該導光板包括一入射面、一出射面及一設有若干微結構 之反射面，其特徵在於，該入射面形成有至少一個非球面 繞射結構，所述非球面繞射結構之深度y(x)，即該非球 面繞射結構之環帶結構表面上之任意點到該非球面繞射結 構所在基面之距離，其滿足下式： yM = ———(V/2 + - f ~mA2) «ι - < |χ| < min(^+1, D / 2) 其中 ，為非球面繞射結 093131353 表單編號A0101 第16頁/共26頁 0993367629-0 1337271 099年10月13日後正餘頁 構之環帶數，\為該非球面繞射結構之折射率，_非球 面繞射結構之口徑， 、表示非球面繞射結構每-個之環帶端點到其中心袖之 距離，滿足式： 〜=[2彷/名 + 〇«々)2]1/2。 9.如申請專利範圍第8項所述之背光模組，其中，所述非球 面繞射結構之相位延遲炉滿足下式： 屮（））=允〇«2(/ -、/ 其中f為該非球面繞射結構之焦距、為焦點處之折射率 ，λ為真空中入射波長， **…丄 為真空中波數 ’ X為該非球面繞射結構表面上&意點到非球面繞射結構 中心軸之距離。

   10.如申請專利範圍第8項所述之背光模組，其中，所述繞射 結構向外凸出於該導光板。 11 .如申請專利範圍第8項所述之背光模組，其中，所述繞射 結構向内凹進於該導光板。 12 ,如申請專利範圍第8項所述之背光模組，其中’所述出射 面形成有至少一第二繞射結構。 13 .如申請專利範圍第12項所述之背光模組，其中，所述第_ 繞射結構為非球面繞射結構。 093131353 如申請專利範圍第8項所述之背光模組，其中， 表單編號Α0101 第17頁/共26頁 所述導光 0993367629-0 14 1337271 099年10月13日梭正替換頁 板為平板或楔型板。

   093131353 表單編號A0101 第18頁/共26頁 0993367629-0