TWI750935B

TWI750935B - 擴散板及具擴散板的背光模組

Info

Publication number: TWI750935B
Application number: TW109142928A
Authority: TW
Inventors: 陳晏佐; 高弘翰; 楊宗長
Original assignee: 穎台科技股份有限公司
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2021-12-21
Also published as: US11860476B2; TW202223447A; US20230104462A1; US12066715B2; US20240103319A1; US20220179264A1; US11556032B2

Abstract

本發明揭露一種擴散板及具擴散板的背光模組。該擴散板包括一板體及複數個類金字塔結構(Pyramid-Like Structures)設置於該板體的表面。各個該類金字塔結構分別各具有包括一底面、一第一凸起段以及一第二凸起段。該第一凸起段與該第二凸起段兩者具有不同的頂角角度，因此可被稱為「複數頂角金字塔結構」。本發明使用複數個(二個以上)頂角角度的類金字塔結構來增加分光點，可增進擴散板的分光擴散效果。單顆發光元件的光源可分成8個點光源(分光點)以上，較傳統單一頂角金字塔結構增加一倍以上分光點數量，故能大幅增進分光擴散效果。

Description

擴散板及具擴散板的背光模組

本發明是關於一種擴散板，尤指一種設置了多個具複數頂角之類金字塔結構的光學擴散板，以及包含該擴散板、且使用次毫米發光二極體(Mini Light-Emitting Diode，簡稱Mini LED)做為發光元件的直下式背光模組。

次毫米發光二極體(Mini Light-Emitting Diode，俗稱迷你發光二極體，簡稱Mini LED)意指晶粒尺寸約在100-200微米(μm)的LED。因微發光二極體(Micro LED)的晶粒尺寸在50微米以下，至今仍存在著較高的製造成本與巨量轉移等技術障礙，因而發展出製造技術相對成熟之Mini LED作為Micro LED發展的前哨站。

Mini LED的尺寸與技術介於傳統LED與Micro LED之間，在製程上又相較於Micro LED良率高，具有異型切割特性，搭配軟性基板亦可達成高曲面背光模組的形式。Mini LED背光模組可採用局部調光設計，擁有更好的演色性，能帶給液晶顯示面板(Liquid Crystal Display Panel，簡稱LCDPanel)更為精細的高動態範圍(High-Dynamic Range，簡稱HDR)分區，且厚度也趨近有機發光二極體(英語：Organic Light-Emitting Diode，簡稱OLED)，可省電達80%，故以省電、薄型化、HDR、異型顯示器等背光源應用為訴求。其中，在以直下式背光模組做為光源的液晶顯示器中，由於Mini LED擁有高亮度、高對比的高顯示效果，且在Mini LED背光模組改以藍光Mini LED晶片為基礎光源後，比RGB三原色Mini LED所構成的背光模組在成本上更便宜，更適合應用於手機、平板電腦、桌上型顯示器、電視、車用面板及電競筆電等產品的背光模組上。

因此，使用Mini LED點光源作為LCD面板的直下式背光模組是未來幾年的主要趨勢。Mini LED和傳統LED比較，在晶粒的尺寸微型化80~300μm，且配合廣色域面板設計使用藍光發光，再使用色彩轉換層等將藍光轉換為白光。這種直下式的背光模組在Mini LED上方需設置擴散板/膜(Diffuse Plate/Film)；由光的折射、反射和散射現象將Mini LED點光源作分光擴散和體擴散，進而達到使背光模組出光更均勻的功能。分光擴散主要為表面結構造成，體擴散為板/膜材內的擴散粒子或是板材表面霧面或光滑面造成。

現有Mini LED背光模組的LED間距(P)和LED到擴散板下表面的距離(OD)數值都低於傳統LED背光模組，且模組設計總厚度遠低於傳統LED背光模組，其兩者比較如下表一。

此外，現有Mini LED背光模組的排佈密度高於傳統LED背光模組；Mini LED可以得到更精準的背光亮暗區域控制，也就是更佳的面板畫面對比度。Mini LED使用的擴散板和傳統LED擴散板比較，因上述差異造成擴散板設計的差異如下表二。

為了提供對光線的折射、反射或散射功能，現有習知的Mini LED擴散板常在其表面設置許多由凸部或凹部構成的微結構，例如半球狀或單一頂角金字塔形狀的微結構。然而，習知設置有半球狀或單一頂角金字塔形狀微結構的擴散板，其分光產生之分光點的燈珠仍很明顯可視，分光擴散效果不佳，而有進一步改良的空間。

緣此，本發明提供一種擴散板及具擴散板的背光模組，可解決前述具半球狀或單一頂角金字塔形狀微結構之習知擴散板的種種缺失。

本發明之主要目的是在於提供一種擴散板，該擴散板包括一板體及複數個類金字塔結構(Pyramid-Like Structures)設置於該板體的表面。各個該類金字塔結構分別各具有包括一底面、一第一凸起段以及一第二凸起段。該第一凸起段與該第二凸起段兩者具有不同的頂角角度，因此可被稱為「複數頂角金字塔結構」。本發明使用複數個(二個以上)頂角角度的類金字塔結構來增加分光點，可增進擴散板的分光擴散效果。單顆發光元件的光源可分成8個點光源(分光點)以上，較傳統單一頂角金字塔結構增加一倍以上分光點數量，故能大幅增進分光擴散效果。

本發明之另一目的是在於提供一種具有如上所述擴散板的背光模組。

為達上述之目的，本發明揭露了一種擴散板，可供組合至一背光模組上。該背光模組包括：一基板以及複數個發光元件以陣列形式設置於該基板上。該擴散板是位於該基板上方且包括：一板體，具有一上表面及一下表面；以及複數個類金字塔結構(Pyramid-like Structures)，以陣列形式設置於該板體的該上表面。其中，各個該類金字塔結構分別各具有包括：一底面、一第一凸起段以及一第二凸起段。該底面為矩形底面且具有四個頂點及四個底邊。該第一凸起段自該底面向上凸起一第一高度；該第一凸起段包括自該底面之該四個頂點分別朝上傾斜延伸的四個第一稜邊；該第一凸起段的四個該第一稜邊不僅等長而且是以相同的一第一傾斜角度向上延伸，並且，兩相對之該第一稜邊的夾角是稱為第一頂角。該第二凸起段，自該第一凸起段的一頂部向上凸起一第二高度；該第二凸起段包括自該第一凸起段的四個該第一稜邊的頂端分別朝上傾斜延伸的四個第二稜邊；該第二凸起段的四個該第二稜邊不僅等長而且是以相同的一第二傾斜角度向上延伸，並且，兩相對之該第二稜邊的夾角是稱為第二頂角。其中，該第一頂角與該第二頂角不相等，所以該類金字塔結構是具複數頂角的類金字塔結構。

於一實施例中，該第一傾斜角度是指該第一稜邊與該底面之間的夾角，該第二傾斜角度是指該第二稜邊與該底面之間的夾角；該第一傾斜角度與該第二傾斜角度都小於90°。

於一實施例中，該複數個發光元件在該基板上是沿著相互垂直的一X軸方向及一Y軸方向排列成一矩形陣列；該複數個發光元件包括相鄰配置於一矩形區塊的四個頂點位置上的一第一發光元件、一第二發光元件、一第三發光元件、以及一第四發光元件；以該第一發光元件與該第二發光元件為兩端點所構成的線段與該X軸方向平行，以該第一發光元件與該第四發光元件為兩端點所構成的線段與該Y軸方向平行，並且，以該第一發光元件與該第三發光元件為兩端點所構成的線段與該X軸方向之間的夾角大致為45°且是該矩形區塊的對角線；該第一發光元件是大致位於其中之一該類金字塔結構的該底面的一中心點位置的下方，且是大致朝向一Z軸方向發出光線；該Z軸方向與該X軸方向及該Y軸方向都相互垂直；該類金字塔結構的該第一凸起段具有由四個該第一稜邊所構成的四個第一側稜面，且四個該第一側稜面分別可對該第一發光元件所發出的該光線加以折射並因而產生與該發光元件相對應的一第一分光點；該類金字塔結構的該第二凸起段具有由四個該第二稜邊所構成的四個第二側稜面，且四個該第二側稜面分別可對該第一發光元件所發出的該光線加以折射並因而產生與該發光元件相對應的一第二分光點；其中，該第一發光元件與該第三發光元件之間的間距為P，該第一發光元件與該類金字塔結構的該底面之間的間距為OD，該第一發光元件與該第一分光點之間的間距為d’/2，該第一發光元件與該第二分光點之間的間距為d”/2，該第一頂角為θ’，該第二頂角為θ”，該擴散板的材料的折射率為n、光臨界角為α；該類金字塔結構的形狀是符合以下數學條件：α=sin^-1(1/n)；d’<P<d”；d’=2*OD*(tan(90-α-θ’/2)+tan(θ’/2-2 α)；d”=2*OD*(tan(90-α-θ”/2)+tan(θ”/2-2 α)。

於一實施例中，該擴散板的材料折射率n值為1.59，5mm≦P≦10mm，0mm<OD≦5mm；該類金字塔結構的該底面的該底邊的長度W範圍為0.05mm≦W≦1mm，該第一凸起段於該Z軸方向上的高度H’範圍為0.1mm≦H’≦2mm，該第二凸起段於該Z軸方向上的高度H”範圍為0.05mm≦H”≦1mm。

於一實施例中，該第一頂角θ’與該第二頂角θ”兩者的其中之一的角度是介於40°至60°之間、而另一的角度則是介於60°至90°之間。

於一實施例中，該第一頂角的角度小於該第二頂角的角度，亦即，θ’<θ”；並且，P=10mm，OD=3mm。

於一實施例中，該發光元件是次毫米發光二極體(Mini Light-Emitting Diode，簡稱Mini LED)；該擴散板的材料包含至少以下其中之一：聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，俗稱壓克力)、聚丙烯(PP)、或前述任一材料的共聚物。

於一實施例中，該擴散板是由包含至少兩層以上之不同材質藉由共押出(Coextrusion)方式所構成的多層結構，於多層結構之該擴散板內包含複數個擴散粒子；該擴散粒子的材質包含以下其中之一：二氧化矽(SiO₂)、二氧化鈦(TiO₂)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、或是前述材質的共聚物；該擴散粒子的粒徑範圍0.5~10μm、重量百分比濃度範圍1~10%wt。

於一實施例中，該擴散板是三層結構其包括：位於中間且包含聚碳酸酯(PC)之一工程塑料層、位於該工程塑料層上方的一上壓克力(Polymethyl Methacrylate，簡稱PMMA)層、以及位於該工程塑料層下方的一下壓克力層；該擴散板的三層結構的材料折射率差值範圍介於0.01~0.1之間；其中，該工程塑料層的厚度佔該擴散板總厚度的60%~99.99%，而分別位於工程塑料層之上、下兩側的上、下壓克力層厚度則佔該擴散板的總厚度的0.01%~40%。

於一實施例中，該擴散板的該板體的該下表面為入光面，於該下壓克力層中包含至少一高反射率材料；該高反射率材料的反射波長範圍400~510nm、平均反射率高於70%、且包含至少以下其中之一無機物：二氧化矽(SiO₂)、二氧化鈦(TiO₂)、碳酸鈣、碳酸鎂、硫酸鈣、硫酸鎂。

於一實施例中，該背光模組更包括有：一分光膜，位於該擴散板之上，可將該發光元件所發出的穿透光根據不同波長做穿透或反射，類似過濾功能，反射紅光和綠光，提供轉換效率最佳的藍光；一色彩轉換層，位於該分光膜之上；該色彩轉換層為包含量子點(Quantum Dot，簡稱QD)材料或螢光材料的光學膜，可轉換部分藍光波長光能量成為紅光和綠光波長，出光為需要的白光；至少一稜鏡片(Prism Sheet或稱Brightness Enhancement Film，簡稱BEF)，位於該色彩轉換層之上，可集中散射光以提高中心視角的出光亮度；以及一二次增亮片(Dual Brightness Enhancement Film，簡稱DBEF)，位於該至少一稜鏡片之上，可進一步提高出光亮度及可視角度範圍；其中，於該基板的一頂面設置一白色反射層。

1:背光模組

10:擴散板

100:擴散粒子

101:工程塑料層

102、103:壓克力層

11:板體

12:類金字塔結構

121:底面

1211:頂點

1212:底邊

122、123:凸起段

1221、1231:稜邊

21:基板

211:本體

212:反射層

213:發光元件

2131:分光點

22:分光膜

23:色彩轉換層

24、25:稜鏡片

26:二次增亮片

90:習知擴散板

91:單一頂角金字塔結構

911:相對的兩稜邊

912:稜面

92:發光元件

921:分光點

圖一為本發明具擴散板的背光模組的一實施例的剖面示意圖。

圖二A為本發明之背光模組中的分光膜的一實施例的穿透率頻譜圖。

圖二B為本發明之背光模組中的色彩轉換層的一實施例的穿透率頻譜圖。

圖三A為習知的擴散板的三視示意圖(頂視、前視及側視)。

圖三B是習知的擴散板上所設置的單一頂角金字塔結構的立體放大示意圖。

圖三C是習知的擴散板上的單一頂角金字塔結構對應於其下方之發光元件所發出之光線而產生之分光點的示意圖。

圖四為習知具單一頂角金字塔結構的擴散板在不同頂角θ時所能達到的不同分光效果及不同分光距離的比較圖。

圖五A及圖五B分別為當金字塔結構頂角為θ’及θ”時，對於垂直朝上之光線所造成的光路徑變化示意圖。

圖六A及圖六B分別為金字塔結構頂角為θ>θ_thres及θ<θ_thres時，對應於發光元件的光路徑及產生之分光點位置的示意圖。

圖七為本發明之擴散板的金字塔結構的頂角角度θ與分光距離d之間對應關係的曲線圖。

圖八A為本發明的擴散板的三視示意圖(頂視、前視及側視)。

圖八B是本發明的擴散板上所設置的具複數頂角金字塔結構的立體放大示意圖。

圖九為習知具單一頂角金字塔結構的擴散板與本發明具複數頂角金字塔結構的擴散板在不同頂角θ時所能達到的不同分光效果及不同分光距離的比較圖。

圖十A、圖十B及圖十C分別為本發明具複數頂角金字塔結構的擴散板，其依據不同頂角(θ’,θ”)搭配組合所產生的分光點的分光距離(d’和d”)組合，和Mini LED(發光元件)間距(P)之間的三種不同關係的示意圖。

圖十一為本發明具複數頂角金字塔結構的擴散板在模擬不同頂角(θ’,θ”)在不同的(d’,d”,P)關係時所能達到的不同分光效果的比較圖。

圖十二為進行圖十一所示之模擬所使用的本發明擴散板的金字塔結構的頂角角度θ與分光距離d之間對應關係的曲線圖。

圖十三A及圖十三B分別為本發明具複數頂角的金字塔結構的兩種不同結構，其對應于發光元件的光路徑及產生之分光點位置的示意圖。

圖十四為本發明具複數頂角金字塔結構的擴散板的另一實施例的剖面示意圖。

圖十五為本發明具複數頂角金字塔結構的擴散板，其金字塔結構的單頂角角度和OD值關係圖。

圖十六為本發明以光學模擬方式評估OD值=3mm下的最佳均勻化Mini LED燈珠效果的頂角角度θ’和θ”數值組配的比較圖。

本發明關於一種擴散板及具擴散板的背光模組。該擴散板包括一板體及複數個類金字塔結構(Pyramid-Like Structures)設置於該板體的表面。各個該類金字塔結構分別各具有包括一底面、一第一凸起段以及一第二凸起段。該第一凸起段與該第二凸起段兩者具有不同的頂角角度，因此可被稱為「複數頂角金字塔結構」。本發明使用複數個(二個以上)頂角角度的類金字塔結構來增加分光點，可增進擴散板的分光擴散效果。單顆發光元件的光源可分成8個點光源(分光點)以上，較傳統單一頂角金字塔結構增加一倍以上分光點數量，故能大幅增進分光擴散效果。

為了能更清楚地描述本發明所提出之擴散板及具擴散板的背光模組，以下將配合圖式詳細說明之。

請參閱圖一所示，為本發明具擴散板的背光模組的一實施例的剖面示意圖。於本實施例中，本發明的背光模組1由下至上依序包括：一基板21、複數個發光元件213、一擴散板10、一分光膜22、一色彩轉換層23、至少一稜鏡片(包含一第一稜鏡片24與一第二稜鏡片25)、以及一二次增亮片26。

於該基板21的本體211設置有一電路佈局，複數個發光元件213是以陣列形式設置於該基板21上且電性耦合於該電路佈局。於本發明中，該些發光元件213可以是藍光或白光的次毫米發光二極體(Mini Light-Emitting Diode，簡稱Mini LED)。於本實施例中，該些發光元件213是藍光Mini LED，但也可能是白光Mini LED、或甚至是傳統LED或Micro LED。且於該基板21的一頂面設置一反射層212。反射層212可以是白色或其他具較佳光反射效果的顏色或表面，用於將光線朝上反射向擴散板10。該擴散板10的材料包含至少以下其中之一：聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，俗稱壓克力)、聚丙烯(PP)、或前述任一材料的共聚物，其厚度介於0.2mm~0.3mm之間為較佳。該擴散板10是位於該基板上方且相鄰於該基板21，且一般來說在擴散板10與基板21上所設置的發光元件213之間不會有其他元件。於本發明中，該擴散板10且包括：一板體 11及複數個類金字塔結構12(Pyramid-Like Structures)。該板體11具有一上表面及一下表面，該複數個類金字塔結構12是以陣列形式設置於該板體11的該上表面或是該下表面其中之一且可以是凸起或內凹的結構；於本實施例中，複數個類金字塔結構12是設置於板體11上表面且是凸起結構。此所述的類金字塔結構12是本發明的主要技術特徵，可大幅增進分光擴散的效果，稍後將詳述其結構細節。

請參考圖二A，為本發明之背光模組中的分光膜的一實施例的穿透率頻譜圖。於本發明中，該分光膜22是位於該擴散板10之上。分光膜22是一種能把光束依需求分成兩部分的光學薄膜濾光片，如圖二所示，分光膜對於藍光(波長約450nm)具有較高的穿透率(高於80%)，但對於綠光(波長約540nm)以及紅光(波長約630nm)皆具有較低的穿透率(接近0%)、也就是有較高的反射率。藉此，本發明之分光膜22能將該發光元件所發出的穿透光根據不同波長做穿透或反射，類似過濾功能，反射紅光和綠光，提供轉換效率最佳的藍光。

請參考圖二B，為本發明之背光模組中的色彩轉換層的一實施例的穿透率頻譜圖。該色彩轉換層23是位於該分光膜22之上。於本實施例中，該色彩轉換層23為包含量子點(Quantum Dot，簡稱QD)材料或螢光材料的光學膜，可轉換部分藍光波長光能量成為紅光和綠光波長，出光為需要的白光。由於此所述的色彩轉換層23、量子點與螢光材料都屬習知且是目前市面上可購得的商品，所以不贅述其細節。

至少一稜鏡片24、25(Prism Sheet或稱Brightness Enhancement Film，簡稱BEF)是位於該色彩轉換層23之上，可集中散射光以提高中心視角的出光亮度。稜鏡片為精密微結構之光學薄膜，其主要材料為聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)基材。藉由光的折射與反射原理，利用稜鏡片修正光的方向，使光線正面集中，並將視角外未被利用的光線可以回收與利用，同時提昇整體輝度與均勻度，達到增亮的效果。於本發明中，該至少一稜鏡片24、25是包括位於該色彩轉換層23上方的一第一稜鏡片24、以及位於該第一稜鏡片24上方的一第二稜鏡片25。於第一及第二稜鏡片24、25上分別各設置了沿一方向延伸的複數個狹長稜鏡結構，並且，第一稜鏡片24上之稜鏡結構的延伸方向正交於第二稜鏡片25上之稜鏡結構的延伸方向。

二次增亮片26(Dual Brightness Enhancement Film，簡稱DBEF)是位於該至少一稜鏡片24、25之上，可進一步提高出光亮度及可視角度範圍。DBEF的製作原理是將800多層具特殊雙折射率(Birefringence)特性的高子分膜層交疊成一張厚度僅135um的光學薄膜，其可將非穿透方向的偏極光有效反射回背光模組，所以能將原非穿透方向偏極光部分轉化為穿透方向偏極光，進而通過二次增亮片26，因而也稱為反射式偏光片(Reflective Polarizer)。當光源經如此的反覆作用後，大多數原本應被吸收而損耗的光大都轉變成可利用的有效光；所以，背光模組1的亮度不但能大幅提升、同時也能擴大視角範圍。

請參閱圖三A、圖三B及圖三C所示；其中，圖三A為習知的擴散板的三視示意圖(頂視、前視及側視)，圖三B是習知的擴散板上所設置的單一頂角金字塔結構的立體放大示意圖，圖三C是習知的擴散板上的單一頂角金字塔結構對應於其下方之發光元件所發出之光線而產生之分光點的示意圖。目前於市面上可見的習知擴散板90，其表面所設置的微結構大多是半球狀或是單一頂角金字塔狀的結構。所謂的「單一頂角金字塔結構91」，是如圖三B所示，從擴散板90上表面向上凸出的金字塔結構91具有四個稜邊，且相對的兩稜邊911之間的夾角θ(亦即，頂角θ)只有一個角度。當位於該單一頂角金字塔結構91正下方的發光元件92朝上發出光線時，習知單一頂角金字塔結構91的四個稜面912分別會對光線造成折射或反射，因而產生對應於該發光元件91的四個虛擬的分光點921(如圖三B及圖三C所示)，實質上將單顆LED光源加以擴散成四個點光源(分光點虛像)。

請參閱圖四，為習知具單一頂角金字塔結構的擴散板在不同頂角θ時所能達到的不同分光效果及不同分光距離的比較圖。影響分光擴散因素有：金字塔結構頂角(θ)、LED到擴散板距離(OD)、金字塔結構形態、結構形狀、結構擺放方向角度、材料折射率(nd)等等。圖四為單顆LED的光學模擬條件：相同單一頂角金字塔結構、凸型型態、相同OD(如2mm)、相同擺放角度45°、材料折射率1.59。此一習知單一頂角金字塔結構的「分光距離d」指的是相對兩稜面所產生之兩分光點之間的直線距離，而所謂「結構擺放角度°」指的是習知單一頂角金字塔結構的底邊與發光元件陣列的排列方向之間的角度差值(如圖三C)。由圖四可知，習知單一頂角金字塔結構的擴散板能將單顆LED光源分成四個點光源(分光點虛像)；而不管其頂角θ值為50°、70°、90°、110°或130°等各種不同角度下，其對於單顆發光元件之光線所產生的四個分光點虛像的燈珠效應都仍清晰可視，顯見其分光擴散效果不佳。另，由圖四也可知，在相同OD值下，分光距離d和結構頂角θ成反向關係，此可做為不同LED間距P和OD值的背光模組的設計參考。

以下將推導擴散板之表面微結構提供分光擴散功能時的LED分光距離d的數學關係式。

請參閱圖五A及圖五B，分別為當金字塔結構頂角為θ’及θ”時，對於垂直朝上之光線所造成的光路徑變化示意圖。先考慮LED垂直向出射光在金字塔結構的結構面的光偏折如圖五A所示，當光入射角α’>α時(其中，α為金字塔結構的材料的光臨界角)，產生全反射，該光線無法出光，觀察者無法看到出射光。如圖五B所示，當光入射角α”<α時，產生折射，該光線偏折後出光，觀察者可視該光線。假設材料折射率n為1.59，可由計算式「α=sin^-1(1/n)」計算得到光臨界角α約為38.97128°(約39°)。於圖五A及圖五B可知，當α=90-θ/2時為光線偏折(反射與折射)的臨界值，所以，當結構頂角θ=102°時(此值可稱為「頂角臨界值θ_thres」)為圖五A及圖五B的光偏折的臨界值。故此，對於圖五A及圖五B所示兩種光偏折狀況的探討，其關係式需分為θ’<102°和θ”>102°兩種狀況分別計算與討論。

請參閱圖六A及圖六B，分別為金字塔結構頂角為θ>θ_thres及θ<θ_thres時，對應於發光元件的光路徑及產生之分光點位置的示意圖；其中：∠CAB為金字塔結構頂角θ；D為發光元件(Mini LED)發光位置，假設為點光源；E為單側斜面(稜面)造成的分光點虛像位置；α為垂直光在結構面的入射角，該值和結構斜面角度有關；n為材料折射率(一般為nd，亦即對於波長d之光線的材料折射率)；OD為光程距離，亦即Mini LED和結構面(金字塔結構的稜面)之間的距離； d2(當θ>θ_thres時)、及(d1+d2)(當θ<θ_thres時)為單側斜面造成的水平向分光距離；d=2* d2(當θ>θ_thres時)、及d=2*(d1+d2)(當θ<θ_thres時)為金字塔結構水平向分光距離。

依據圖六A的光路徑可知，當θ>θ_thres時，LED於位置D產生分光光點於位置E(這裡只畫出單側分光)；分光光點的產生為虛像成像，成像位置可經由幾何光學，藉由兩條光線的反向虛線交錯為成像位置；第一光線為垂直光DA和第二光線為斜向光DB，經過結構斜面的折射後出光(朝向觀察者)；第二光線斜向光為觀察者視角(0.2°)內可視的光線。據此，以下為偏折角r和結構造成的分光距離d的關係式如下：r=sin^-1(n*sin α)-α；α=90-θ/2；d=2*d2=2*OD*tan r；分光距離d與OD的值正向相關。

依據圖六B的光路徑可知，當θ<θ_thres時，LED於位置D產生分光光點於位置E(這裡只畫出單側分光)；分光光點的產生為虛像成像，成像位置可經由幾何光學，藉由兩條光線的反向虛線交錯為成像位置；第一光線為斜向光DF和第二光線也為斜向光DB，經過結構斜面的折射後出光(朝向觀察者)；第一光線斜向光為入射光角度α等於光臨界角的偏折光；第一光線與光軸間的角度為β；第一光線的偏折角為(β+r)和結構造成的分光距離d的關係式如下：d=2*(d1+d2)=2*OD*(tan β+tan r)；β=90-α-θ/2；r=θ/2-2 α。

依據圖六A及圖六B所推導出的前述數學運算式，本發明提供了不同頂角θ之金字塔結構與其所造成之分光距離d之間的量化關係，將不同OD值代入運算式，條件為折射率1.59，可得到如圖七所示的本發明之擴散板的金字塔結構的頂角角度θ與分光距離d之間對應關係的曲線圖。由圖七可知，當OD為定值時，頂角θ越大則分光距離d越小；相對地，當頂角θ為定值時，OD值越大則分光距離d越大。

請參閱圖八A及圖八B所示；其中，圖八A為本發明的擴散板的三視示意圖(頂視、前視及側視)，圖八B是本發明的擴散板上所設置的具複數頂角金字塔結構的立體放大示意圖。本發明的擴散板10的主要技術特徵乃是在擴散板10的一表面上以陣列形式設置了複數個類金字塔結構12；各個該類金字塔結構12分別各具有包括：一底面121、一第一凸起段122、以及一第二凸起段123；其中，該第一凸起段122與該第二凸起段123兩者具有不同的頂角角度，因此該類金字塔結構12亦可被稱為「複數頂角金字塔結構」。於本實施例中，該底面121為矩形底面且具有四個頂點1211及四個底邊1212。該第一凸起段122是自該底面121向上凸起一第一高度。該第一凸起段122包括自該底面121之該四個頂點1211分別朝上傾斜延伸的四個第一稜邊1221。該第一凸起段122的四個該第一稜邊1221不僅等長而且是以相同的一第一傾斜角度向上延伸；並且，兩相對之該第一稜邊1221(並非兩相鄰的第一稜邊)的夾角是稱為第一頂角。該第二凸起段123是自該第一凸起段122的一頂部向上凸起一第二高度。該第二凸起段123包括自該第一凸起段122的四個該第一稜邊1221的頂端分別朝上傾斜延伸的四個第二稜邊1231。該第二凸起段123的四個該第二稜邊1231不僅等長而且是以相同的一第二傾斜角度向上延伸；並且，兩相對之該第二稜邊1231(並非兩相鄰的第二稜邊)的夾角是稱為第二頂角。其中，該第一頂角與該第二頂角不相等，所以該類金字塔結構12是具複數頂角的類金字塔結構，故亦可被稱為「複數頂角金字塔結構」。其中，該第一傾斜角度是指該第一稜邊1221與該底面121之間的夾角，該第二傾斜角度是指該第二稜邊1231與該底面121之間的夾角。該第一傾斜角度與該第二傾斜角度都小於90°。

如圖九所示，為習知具單一頂角金字塔結構的擴散板與本發明具複數頂角金字塔結構的擴散板在不同頂角θ時所能達到的不同分光效果及不同分光距離的比較圖。本發明使用複數個(二個以上)頂角角度的類金字塔結構以增加分光點，進而增進擴散板/膜的分光擴散效果。單顆Mini LED光源可分成8個點光源(分光點)以上，較傳統單一頂角金字塔結構增加一倍以上分光點數量，故能大幅增進分光擴散效果。

於本發明中，複數個頂角角度的金字塔結構的分光點會有複數個分光距離d’和d”。可以根據前述推導獲得的關係式和圖十A、圖十B 及圖十C的圖式來說明。

若類金字塔結構的第一凸起段頂角θ’和第二凸起段頂角θ”及頂角臨界值θ_thres三者的大小關係為：θ’<θ”<θ_thres時，則該類金字塔結構所能產生之複數分光點的第一分光距離d’和第二分光距離d”可由下列數學運算式來計算獲得：d’=2*OD*[tan(90-α-θ’/2)+tan(θ’/2-2 α)]；d”=2*OD*[tan(90-α-θ”/2)+tan(θ”/2-2 α)]；α=sin^-1(1/n)。

類金字塔結構的第一凸起段頂角θ’和第二凸起段頂角θ”及頂角臨界值θ_thres三者的大小關係為：θ”>θ’>θ_thres時，則該類金字塔結構所能產生之複數分光點的第一分光距離d’和第二分光距離d”可由下列數學運算式來計算獲得：d’=2*OD*tan(r’)；r’=sin^-1(n*sin α’)-α’；α’=90-θ’/2；d”=2*OD*tan(r”)；r”=sin^-1(n*sin α”)-α”；α”=90-θ”/2。

藉由上述的數學運算式，本發明提出的具複數頂角金字塔結構的擴散板，在不同的分光距離d’和d”組合下，搭配Mini LED間距P，可得到較習知具單一頂角金字塔結構的擴散板相對較佳的光學擴散效果，也就是Mini LED燈珠均勻較佳的分光擴散效果。

請參閱圖十A、圖十B及圖十C所示，分別為本發明具複數頂角金字塔結構12的擴散板，其依據不同頂角(θ’,θ”)搭配組合所產生的分光點2131的分光距離(d’和d”)組合，和Mini LED(發光元件213)間距(P)之間的三種不同關係的示意圖。(d’,d”,P)之間有三種大小差異；其中，圖十A示意顯示了當d’<d”<P時的分光距離(d’和d”)與間距(P)的相對位置關係；圖十B示意顯示了當d’<P<d”時的分光距離(d’和d”)與間距(P)的相對位置關係；圖十C示意顯示了當P<d’<d”時的分光距離(d’和d”)與間距(P)的相對位置關係。

請參閱圖十一及圖十二；其中，圖十一為本發明具複數頂角金字塔結構的擴散板在模擬不同頂角(θ’,θ”)在不同的(d’,d”,P)關係時所能達到的不同分光效果的比較圖；圖十二為進行圖十一所示之模擬所使用的本發明擴散板的金字塔結構的頂角角度θ與分光距離d之間對應關係的曲線圖。於此模擬中，擴散板材料折射率n=1.59，Mini LED與具複數頂角金字塔結構之底面之間的間距為OD值為2mm，在OD=2mm下的斜面結構的分光距離小於8mm，因此相鄰Mini LED的最大間距P需小於8mm。此模擬是比較本發明具複數頂角金字塔結構的擴散板當具有不同頂角(θ’,θ”)在不同的(d’,d”,P)關係時的均勻化Mini LED燈珠的分光擴散效果。模擬條件需使用較多的光學膜，例如增加兩張稜鏡片(90-50um)、複數個Mini LED顆數(如相同4顆)、矩陣式Mini LED間距(如相鄰兩Mini LED間距為5mm)、相同OD值(如2mm)。由圖十一可知，於上述模擬條件下，當d’<P<d”且θ’=60°(θ’介於40°至60°之間)、θ”=90°(θ”介於60°至90°之間)時，本發明具複數頂角金字塔結構的擴散板可以獲得最良好的分光擴散效果(亦即，燈珠效果不可視)。

請參閱圖十三A、圖十三B，分別為本發明具複數頂角的金字塔結構的兩種不同結構，其對應于發光元件的光路徑及產生之分光點位置的示意圖。由圖十三A與圖十三B可知，本發明具複數頂角的金字塔結構，無論是如圖十三A所示之第一凸起段頂角θ’大於第二凸起段頂角θ”的設計，或是如圖十三B所示之第一凸起段頂角θ’小於第二凸起段頂角θ”的設計，這兩者設計所能達到的分光距離d’及d”與分光擴散效果大致類似。然而，若考量擴散板製造容易性與良率時，本發明是採用如圖十三B所示的θ’<θ”的設計為具複數頂角的金字塔結構的較佳實施例。

如圖八A及圖八B所示，同時並參考圖十A、圖十B及圖十C所示，於一實施例中，本發明的背光模組1中的該複數個發光元件213在該基板21上是沿著相互垂直的一X軸方向及一Y軸方向排列成一矩形陣列。該複數個發光元件213包括相鄰配置於一矩形區塊的四個頂點位置上的一第一發光元件、一第二發光元件、一第三發光元件、以及一第四發光元件。以該第一發光元件與該第二發光元件為兩端點所構成的線段與該X軸方向平行，以該第一發光元件與該第四發光元件為兩端點所構成的線段與該Y軸方向平行；並且，以該第一發光元件與該第三發光元件為兩端點所構成的線段與該X軸方向之間的夾角大致為45°且是該矩形區塊的對角線。該第一發光元件是大致位於其中之一該類金字塔結構12的該底面121的一中心點位置的下方，且是大致朝向一Z軸方向發出光線。該Z軸方向與該X軸方向及該Y軸方向都相互垂直。該類金字塔結構12的該第一凸起段121具有由四個該第一稜邊1221所構成的四個第一側稜面，且四個該第一側稜面分別可對該第一發光元件213所發出的該光線加以折射並因而產生與該發光元件213相對應的一第一分光點2131。同理，該類金字塔結構12的該第二凸起段123具有由四個該第二稜邊1231所構成的四個第二側稜面，且四個該第二側稜面分別可對該第一發光元件213所發出的該光線加以折射並因而產生與該發光元件213相對應的一第二分光點2131。

其中，該第一發光元件與該第三發光元件之間的間距為P。該第一發光元件213與該類金字塔結構12的結構面(亦即，光線射出位置的稜面)之間的間距為OD，然而，由於類金字塔結構12本身的高度相較於OD值來說相對較小，所以，為了計算上的方便性，可將類金字塔結構12本身的高度忽略，並簡單採用該第一發光元件與該類金字塔結構的該底面之間的間距來做為OD。該第一發光元件213與該第一分光點2131之間的間距為d’/2，該第一發光元件與該第二分光點之間的間距為d”/2，該第一頂角為θ’，該第二頂角為θ”，該擴散板10的材料的折射率為n、光臨界角為α。因此，依據前述推導出的數學運算式可知，當本發明之該類金字塔結構12的形狀是符合以下數學條件時，可以獲得相對最佳的分光擴散效果：α=sin^-1(1/n)；d’<P<d”；d’=2*OD*(tan(90-α-θ’/2)+tan(θ’/2-2 α)；d”=2*OD*(tan(90-α-θ”/2)+tan(θ”/2-2 α)；其中，該擴散板的材料折射率n值(或nd值)為1.59(n=1.59)，5mm≦P≦10mm，0mm<OD≦5mm；該類金字塔結構的該底面的該底邊的長度W範圍為0.05mm≦W≦1mm(其較佳範圍則為0.05mm≦W≦0.5mm)，該第一凸起段於該Z軸方向上的高度H’範圍為0.1mm≦H’ ≦2mm(H’值或也可以從擴散板底面量起)，該第二凸起段於該Z軸方向上的高度H”範圍為0.05mm≦H”≦1mm。

於本發明的一較佳實施例中，該第一頂角θ’與該第二頂角θ”兩者的其中之一的角度是介於40°至60°之間、而另一的角度則是介於60°至90°之間。

於本發明的一更佳實施例中，該第一頂角的角度小於該第二頂角的角度，亦即，θ’<θ”；第一頂角θ’角度是介於40°至60°之間，第二頂角θ”的角度則是介於60°至90°之間；並且，P=10mm，OD=3mm。

請參閱圖十四，為本發明具複數頂角金字塔結構的擴散板的另一實施例的剖面示意圖。於本實施例中，本發明的擴散板10是由包含至少兩層以上之不同材質藉由共押出(Coextrusion)方式所構成的多層結構，其平均穿透率範圍為70%~95%。於多層結構之該擴散板10內包含複數個擴散粒子100。該擴散粒子100的材質包含以下其中之一：二氧化矽(SiO₂)、二氧化鈦(TiO₂)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、或是前述材質的共聚物；該擴散粒子31的粒徑範圍0.5~10μm、重量百分比濃度範圍1~10%wt。

於一較佳實施例中，該擴散板10是三層結構其包括：位於中間且包含聚碳酸酯(PC)之一工程塑料層101、位於該工程塑料層101上方的一上壓克力(Polymethyl Methacrylate，簡稱Pmma)層102、以及位於該工程塑料層101下方的一下壓克力層103。該擴散板10的三層結構的材料折射率差值範圍介於0.01~0.1之間。該擴散板10的該板體11的該下表面為入光面，於該下壓克力層103中包含至少一高反射率材料。該高反射率材料的反射波長範圍400~510nm、平均反射率高於70%、且包含至少以下其中之一無機物：二氧化矽(SiO₂)、二氧化鈦(TiO₂)、碳酸鈣、碳酸鎂、硫酸鈣、硫酸鎂。其中，該工程塑料層101的厚度佔該擴散板10總厚度的60%~99.99%，而分別位於工程塑料層101之上、下兩側的上、下壓克力層102、103厚度則佔該擴散板10的總厚度的0.01%~40%。

本發明還提供一種設計方法，可協助設計本發明的擴散板的類金字塔結構的複數頂角角度θ’和θ”(θ’<θ”)的角度值的最佳數值組配和最小OD值。當提供一組矩陣式Mini LED間距(如P=10mm， Px=Py=10/1.414)；希望在最小OD值下(如小於5mm)達到均勻化Mini LED燈珠的效果。根據本發明類金字塔的分光距離d’和d”，其最佳範圍為d”<P<d’。已知相鄰兩Mini LED的最大間距P=10mm等於分光距離d時，根據之前關係式(材料折射率nd=1.59)，單頂角角度和OD值關係圖如圖十五。由圖十五可知，OD值愈小相對單頂角角度愈小，也就是需要更尖形角度金字塔結構來達到分光距離d=10mm。然而，金字塔結構於製作上難以實現小於40°頂角雕刻和生產性。頂角角度過小模具結構容易崩壞、生產良率降低；因此，OD值3mm已是極限最小值，此時，依據圖十五可知，頂角角度為60°。接著，以光學模擬方式評估OD值=3mm下的最佳均勻化Mini LED燈珠效果的頂角角度θ’和θ”(θ’<θ”)數值組配，其結果如圖十六所示。使用本發明三種類金字塔結構分光距離(d’,d”)的條件範圍，得到最佳均勻化Mini LED燈珠效果為d’<(P=10mm)<d”。因此，設計實施例中滿足燈板Mini LED間距P=10mm，在最短OD距離3mm下的類金字塔結構頂角角度θ’和θ”(θ’<θ”)組配為50°和70°時，可得到最佳分光擴散效果。

唯以上所述之實施例不應用於限制本發明之可應用範圍，本發明之保護範圍應以本發明之申請專利範圍內容所界定技術精神及其均等變化所含括之範圍為主者。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。