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TWI858796B - 高指向性背光模組及顯示器 - Google Patents

高指向性背光模組及顯示器 Download PDF

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TWI858796B
TWI858796B TW112124480A TW112124480A TWI858796B TW I858796 B TWI858796 B TW I858796B TW 112124480 A TW112124480 A TW 112124480A TW 112124480 A TW112124480 A TW 112124480A TW I858796 B TWI858796 B TW I858796B
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陳柏瑞
何婉華
吳忠幟
蘇國棟
鄭勝文
廖仁偉
董人郎
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友達光電股份有限公司
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Abstract

揭露一種高指向性背光模組，包含複數個光源、遮罩及複數個柱狀透鏡。複數個光源沿著第一方向排列。遮罩設置於複數個光源的出光側，且具有沿著第一方向排列的複數條狹縫分別對應複數個光源，其中遮罩面對複數個光源的一側具有反射面，複數個光源發出的光經由複數條狹縫穿過遮罩。複數個柱狀透鏡設置於遮罩相反於複數個光源的一側且沿著第一方向排列以分別覆蓋複數條狹縫，其中複數條狹縫與複數個柱狀透鏡一對一對應。

Description

高指向性背光模組及顯示器
本發明涉及背光模組及顯示器，具體而言，本發明是有關於一種高指向性背光模組及顯示器。
一般而言，習知的三維顯示器，尤其是採用百葉窗原理的防窺螢幕普遍利用高深寬比的柱狀吸光材料，以將大角度出射的光遮擋或吸收。然而，這樣的配置使得光源的能量損失一定比例，造成光源利用效率較低以及顯示器的耗電量增加。因此，在三維顯示器中如何有效率用光源並且達到高指向性的特性是待解決的技術問題。
為解決上述的技術問題，本發明的實施例提供一種背光模組，包含複數個光源、遮罩及複數個柱狀透鏡。複數個光源沿著第一方向排列。遮罩設置於複數個光源之出光側，且具有沿著第一方向排列的複數條狹縫分別對應複數個光源；其中，遮罩面對複數個光源的一側具有反射面，複數個光源發出的光經由複數個狹縫穿過遮罩。複數個柱狀透鏡設置於遮罩相反於複數個光源之一側 且沿著第一方向排列以分別覆蓋複數條狹縫，其中複數條狹縫與複數個柱狀透鏡一對一對應。
並且，本發明的實施例也提供一種顯示器，包含設置於背光模組之發光側的顯示面板以及作為顯示器之指向性光源之上述的背光模組。
根據本發明的實施例所提供的背光模組及包含此背光模組的顯示器，光源所發出的光線在入射至遮罩的狹縫，並且經由柱狀透鏡出射成高指向性的光源之前，會在遮罩面對光源的一側之反射面與光源之間來回反射。因此，光源所發出的光以大角度出射柱狀透鏡的比例降低，且不會有先前技術中將大角度出射的光線以吸光材料吸收的問題發生。
換句話說，本發明的實施例所提供的背光模組及包含此背光模組的顯示器同時達成高指向性的光源以及較高的能量利用效率。此外，光源所發出的光會在遮罩與光源之間來回反射，使得背光模組有較佳的均勻性。
1:顯示器
10:背光模組
20:顯示面板
100:光源
100W:光源寬度
200:遮罩
201:反射面
210:狹縫
210W:狹縫寬度
210P:狹縫間距
300:柱狀透鏡
301:出光面
302:下表面
400:色決定層
401:散射粒子
402:波長轉換粒子
500:基板
501:反射材料或散射材料
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵優點與實施例更加明顯易懂，所附之圖式說明如下。
圖1為根據本發明之實施例的背光模組之示意立體圖。
圖2A為根據本發明之實施例的背光模組之示意剖視圖。
圖2B為根據本發明之實施例的背光模組之光路徑示意圖。
圖3為根據本發明之實施例的柱狀透鏡之出光面的曲率及康寧常數(Conic constant)解說示意圖。
圖4A為根據本發明之實施例的柱狀透鏡、遮罩狹縫寬度、狹縫間距以及光源寬度之比例的示意側視圖。
圖4B至圖4D為根據本發明之實施例的不同狹縫間距及狹縫寬度比例之出光角度及強度的分布模擬圖。
圖5A為根據本發明之實施例的包含遮罩之背光模組的光源出光角度及強度之分布圖。
圖5B為根據本發明之實施例的不包含遮罩之背光模組的光源出光角度及強度之分布圖。
圖6為根據本發明之實施例的包含背光模組及顯示面板的顯示器之示意圖。
本說明書中將描述各種實施例，且所屬技術領域中具有通常知識者在參照說明搭配圖式下，應可輕易理解本發明之精神與原則。在此，各圖式中所繪示之各元件或部分可為了清晰起見而誇大或變化。因此，所屬技術領域中具有通常知識者應明瞭的是，在圖式中所繪示之各元件或部分之尺寸及相對比例並非實際該元件或部分之真實尺寸及相對比例。另外，雖然在文中會具體說明一些特定實施例，這些實施例僅作為例示性，且於各方面而言皆非視為限制性或窮盡性意義。因此，對於所屬技術領域中具有通常知識者而言，在不脫離本發明之精神與原則下，對於本發明之各種變化及修改應為顯而易見且可輕易達成的。
應當理解，儘管術語『第一』、『第二』、『第三』等在本文中可以用於描述各種元件、部件、區域、層及/或部分，但是這些元件、部件、區域、及/或部分不應受這些術語的限制。這些術語僅用於將一個元件、部件、區域、 層或部分與另一個元件、部件、區域、層或部分區分開。因此，下面討論的『第一元件』、『部件』、『區域』、『層』或『部分』可以被稱為第二元件、部件、區域、層或部分而不脫離本文的教導。
參閱圖1，其為根據本發明之實施例的背光模組之示意立體圖。如圖所示，本發明之實施例的背光模組10包含複數個光源100、遮罩200以及複數個柱狀透鏡300。各光源100至少沿著第一方向排列，例如沿著圖1中的X軸方向排列。遮罩200設置於各光源100的出光側，且具有複數條狹縫210，且狹縫210同樣沿著第一方向排列，以與複數個光源100對應。舉例來說，圖1中的光源100在X軸上的不同位置時，分別對應到不同的狹縫210。換句話說，各光源100發出的光，大部分會入射到位於相同Y軸位置的狹縫210。
此外，當光源100不只沿著X軸的方向排列，還沿著第二方向(例如沿著圖1中的Y軸方向)排列成二維矩陣時，位於相同X座標的複數個光源100對應同一個狹縫210。換句話說，各狹縫210沿著X軸方向排列，且狹縫210延伸的方向平行Y軸。複數個柱狀透鏡300設置在遮罩200相反於各光源100的一側，且沿著第一方向排列以分別覆蓋複數個狹縫210，且柱狀透鏡300與狹縫210為一對一對應。亦即，柱狀透鏡300沿著X軸方向排列，且柱狀透鏡300延伸的方向平行Y軸。X軸及Y軸較佳係相互垂直，但亦可以其他的角度相交。
接著，以另一個視角更詳細的描述背光模組10，參閱圖2A及圖2B，其中圖2A為根據本發明之實施例的背光模組之示意剖視圖，且圖2B為根據本發明之實施例的背光模組之光路徑示意圖。如圖2B所示，遮罩200在面對各光源100的一側具有反射面201。各光源100實質上以靠近遮罩200的一側作為發光面(圖未示)朝向遮罩200射出光，當各光源100發出的光沒有入射到狹縫210時，會被遮罩 200的反射面201反射回光源100處。換句話說，各光源100發出的光會在反射面201與各光源100之間不斷往返，直到各光源100發出的光經由各狹縫210穿過遮罩200。由圖2B中得知，各光源100發出的光經由各狹縫210穿過遮罩200時，會呈現較寬的角度分布。當光源100發出的光經由各狹縫210穿過遮罩200，且由各柱狀透鏡300的出光面301出射時，將呈現較窄的角度分布，以作為高指向性光源。
進一步的，如圖2A所示，遮罩200與各光源100之間還設置有色決定層400。各光源100發出的光在入射至各狹縫210之前，會在色決定層400之間進行光色轉換或是維持原色光。以下，將詳細描述背光模組10各個元件的各種實施方式。
上述的遮罩200，可以實施為金屬板，並且在遮罩200的反射面201之材質可以實施為包含反射率較佳的銀。上述各光源100的實施方式，可以實施為光源陣列。並且，如圖1所示將各光源100沿著第一方向及狹縫210延伸的方向排列設置。上述複數個光源100可以設置在基板500上以形成光源100陣列，並且將基板500設置為面對遮罩200的反射面201，使得光源陣列發出的光穿過色決定層400後入射至遮罩200。當光源陣列發出的光穿過色決定層400後入射至遮罩200的狹縫210時，則穿過遮罩200。若是光源陣列發出的光穿過色決定層400後入射至遮罩200的反射面201，則反射回基板500的區域。
為了讓光源100的能量有效再利用，各光源100之間的區域可以填充反射材料或散射材料501，使得反射回基板500的光能夠以各種角度再度穿過色決定層400後入射至遮罩200，直到入射至遮罩200的各狹縫210。換句話說，光源100發出的光被遮罩200或基板500等材料吸收的比例降低，能量使用效率增加。
前述的光源100，舉例來說，在三維顯示器中可以實施為藍光次毫米發光二極體(Mini LED)，而前述的色決定層400，可以實施為包含散射粒子401及波長轉換粒子402。詳細而言，將作為光源100的藍光次毫米發光二極體設置在位於對應的狹縫210垂直投影至基板500上的區域，例如，狹縫210垂直投影至基板500上的寬度在第一方向上等於光源100在第一方向的寬度，或者，光源狹縫210垂直投影至基板500上的寬度在第一方向上大於光源100在第一方向的寬度，且光源100置中設置在光源狹縫210垂直投影至基板500的區域。當光源100發出的光被配置成從對應的柱狀透鏡300的出光面301以藍光出射時，光源100及對應的狹縫210之間的色決定層400僅設置散射粒子401，使得從光源100發出的光通過色決定層400後，只以各種角度入射至遮罩200而不進行光色轉換。
相對的，當光源100發出的光被配置成從對應的柱狀透鏡300的出光面301以其他色光(例如紅光或綠光)出射時，光源100及對應的狹縫210之間的色決定層400設置散射粒子401及對應色光的波長轉換粒子402，使得從光源100發出的光通過色決定層400後，以對應的色光用各種角度入射至遮罩200。此外，由圖1、圖2A及圖2B可以得知，柱狀透鏡300被配置成為相鄰的柱狀透鏡之間不具有空隙，以減少各光源100發出的光經由柱狀透鏡300之間的空隙漏光而降低背光模組10的高指向性。以下，將詳細說明柱狀透鏡300的各種性質。
參閱圖3，其根據本發明之實施例的柱狀透鏡之出光面的曲率及康寧常數(Conic constant)解說示意圖。如圖所示，柱狀透鏡的出光面公式表示為Z=
Figure 112124480-A0305-02-0008-1
，其中Z表示表面弧度，x及y值代表出光面在XY平面上對應的座標點(在圖2中對應為XZ平面的座標點)，C表示曲率半徑的倒數，k表示康寧係數，代表圓錐曲線中的離心率(eccentricity,e)的平方的負值(-e2)，當康寧係數 k>0時，如圖3中所示為扁橢圓形(oblate elliptical)，代表其長軸在Y軸方向。當康寧係數k=0時，如圖3中所示為圓形。當0>k>-1時，如圖3中所示為長橢圓形(prolate elliptical)，代表其長軸在X軸方向。當康寧係數k=-1時，如圖3中所示為拋物線形。當康寧係數k<-1時，如圖3中所示為雙曲線形。
本發明之實施例的柱狀透鏡300之光學特性，較佳實施為折射率介於1.4至1.5，且在圖2A中的第一方向(即X軸)上的平均曲率較佳實施為介於0.3至0.7，且各柱狀透鏡300的出光面301康寧常數k較佳實施為介於-0.45至-0.55，並且將各柱狀透鏡300的焦點分別實施在各自的柱狀透鏡300的下表面302且覆蓋下方對應的狹縫210。藉由柱狀透鏡300的這些光學特性，由光源100發出的光在依序通過色決定層400及遮罩200中的狹縫210後，均入射至柱狀透鏡300下表面302的焦點。因此，光源100發出的光從柱狀透鏡300的出光面301出射後，可以得到接近平行光束的高指向性的光源。
除了利用上述的柱狀透鏡300的各種光學特性達成高指向性光源，遮罩200的狹縫210及光源100的各種尺寸配置可以對高指向性光源進行調整。以下將描述柱狀透鏡300、狹縫210的間距及寬度，以及光源100的寬度之各種配置。
參閱圖4A，其根據本發明之實施例的柱狀透鏡、遮罩狹縫寬度、狹縫間距以及光源寬度之比例的示意側視圖。如圖所示，沿著第一方向(即X軸)週期排列的遮罩200的各狹縫210具有相同的狹縫寬度210W，且沿著第一方向(即X軸)週期排列的遮罩200的各狹縫210具有相同的狹縫間距210P，且實施為發光二極體的光源100同樣沿著第一方向週期排列，並且光源100在第一方向的光源寬度100W。在第一方向的狹縫間距210P與狹縫寬度210W的比例較佳配置在 100：1至5：1，且在第一方向的狹縫寬度210W與光源寬度100W的比例較佳配置為不大於5：1。
參閱圖4B至圖4D，其為根據本發明之實施例的不同狹縫間距及狹縫寬度比例之出光角度及強度的分布模擬圖。若將圖4A的狹縫間距210P配置為3.824微米(micrometer,μm)，且狹縫寬度210W配置為150微米，並且光源寬度100W配置為150微米，代表狹縫間距210P與狹縫寬度210W的比例為25.5：1，且狹縫寬度210W與光源寬度100W的比例為1：1，其光強度與角度的分布如圖4B所示。在圖4B中，光源100發出的光從柱狀透鏡300的出光面301射出後，光強度半高寬大多集中在正負1度的範圍內。圖4B中X軸的單位為度，其中0度可以表示為平行圖4A中的Z軸方向，即垂直遮罩200的方向。圖4B中Y軸表示為光強度(Radiant intensity)，為每單位立體角的輻射通量(瓦特每立弳，W/sr)。
若將圖4A的狹縫間距210P配置為3.824微米，且狹縫寬度210W配置為300微米，並且光源寬度100W配置為150微米，代表狹縫間距210P與狹縫寬度210W的比例為12.7：1，且狹縫寬度210W與光源寬度100W的比例為2：1，其光強度與角度的分布如圖4C所示。在圖4C中，光源100發出的光從柱狀透鏡300的出光面301射出後，光強度半高寬大多集中在正負1.8度的範圍內。
若將圖4A的狹縫間距210P配置為3.824微米，且狹縫寬度210W配置為450微米，並且光源寬度100W配置為150微米，代表狹縫間距210P與狹縫寬度210W的比例為8.5：1，且狹縫寬度210W與光源寬度100W的比例為3：1，其光強度與角度的分布如圖4D所示。在圖4D中，光源100發出的光從柱狀透鏡300的出光面301射出後，光強度半高寬大多集中在正負2.6度的範圍內。
經由上述的各種實施方式可以得知，本發明的實施例相較先前技術除了利用柱狀透鏡300的各種光學特性達成高指向性光源，也利用了配置不同狹縫寬度210W的遮罩200，得到不同程度的高指向性光源。參閱圖5A及圖5B，其中圖5A為根據本發明之實施例的包含遮罩之背光模組的光源出光角度及強度之分布圖，且圖5B為根據本發明之實施例的不包含遮罩之背光模組的光源出光角度及強度之分布圖。
在圖5A中，配置有本發明的實施例之遮罩的背光模組，不論是模擬結果或是實際量測值，光強度較高的值均集中在很小的角度範圍內，表示其為高指向性光源。相對的，在圖5B中，沒有配置本發明的實施例之遮罩的背光模組，光強度在正負60度的範圍內呈現較平緩的變化，表示其為低指向性光源。與圖4B至圖4D不同的是，圖5A與圖5B的Y軸表示為歸一化強度，單位是任意單位(arbitrary unit,a.u.)。
應注意的是，本發明之實施例的背光模組，在光源100發出的光穿過對應的狹縫210及柱狀透鏡300後，在橫切遮罩200之虛擬截面上的光強度半高寬的分布範圍不限於上述實施例的幾個角度範圍。舉例來說，在狹縫間距210P及光源寬度100W不變動的條件下，可以調整狹縫寬度210W，使光強度半高寬的分布範圍不大於正負10度的角度範圍。
參閱圖6，其為根據本發明之實施例的包含背光模組及顯示面板的顯示器之示意圖。如圖所示，本發明之實施例的背光模組10搭配顯示面板20可以應用至顯示器1之中，例如三維顯示器。以本發明之實施例的背光模組10作為顯示器1的指向性光源，並且將顯示面板20設置於背光模組10的發光側，可以應用至具有防窺螢幕功能的顯示器之中。
上文中所述僅為本發明之一些較佳實施例。應注意的是，在不脫離本發明之精神與原則下，本發明可進行各種變化及修改。所屬技術領域中具有通常知識者應明瞭的是，本發明由所附申請專利範圍所界定，且在符合本發明之意旨下，各種可能置換、組合、修飾及轉用等變化皆不超出本發明由所附申請專利範圍所界定之範疇。
10:背光模組
100:光源
200:遮罩
201:反射面
210:狹縫
300:柱狀透鏡
301:出光面
302:下表面
400:色決定層
401:散射粒子
402:波長轉換粒子
500:基板
501:反射材料或散射材料

Claims (14)

  1. 一種背光模組，包含：一基板；複數個光源，形成一光源陣列於該基板上，且該光源陣列之至少部分沿著一第一方向排列；一遮罩，設置於該複數個光源之出光側，且具有沿著該第一方向排列的複數條狹縫分別對應該複數個光源；其中，該遮罩面對該複數個光源的一側具有一反射面，且該反射面面對該基板，該複數個光源發出的光經由該複數條狹縫穿過該遮罩；以及複數個柱狀透鏡，設置於該遮罩相反於該些光源之一側且沿著該第一方向排列以分別覆蓋該複數條狹縫，其中該複數條狹縫與該複數個柱狀透鏡一對一對應。
  2. 如請求項1所述的背光模組，進一步包含一色決定層，設置於該複數個光源及該遮罩之間，使該複數個光源發出的光在該色決定層中進行光色轉換或維持色光。
  3. 如請求項1所述的背光模組，其中各該光源發出的光穿過對應的該狹縫及該柱狀透鏡後，在橫切該遮罩之虛擬截面上的光強度半高寬不大於正負10度的角度範圍。
  4. 如請求項1所述的背光模組，其中該遮罩為一金屬板，且該反射面之材質為銀。
  5. 如請求項1所述的背光模組，其中各該柱狀透鏡的焦點分別位於各該柱狀透鏡的一下表面，且該下表面覆蓋對應的該狹縫。
  6. 如請求項1所述的背光模組，其中相鄰的該柱狀透鏡之間不具有空隙。
  7. 如請求項1所述的背光模組，其中該複數條狹縫沿著該第一方向週期性的排列，各該狹縫具有相同的一寬度且各該狹縫間分別具有相同的一間距，其中該間距與該寬度的比例介於100：1至5：1。
  8. 如請求項1所述的背光模組，其中各該柱狀透鏡之折射率介於1.4至1.5，且各該柱狀透鏡之一出光面在該第一方向的平均曲率介於0.3至0.7。
  9. 如請求項1所述的背光模組，其中各該柱狀透鏡之一出光面之康寧常數(Conic constant,K)介於-0.45至-0.55，其中康寧常數定義為K=-e2，其中e代表偏心率。
  10. 如請求項1所述的背光模組，其中該光源陣列之至少部分沿著該一第二方向排列，其中各該光源之間填充一反射材料或一散射材料。
  11. 如請求項2所述的背光模組，其中該光源為藍光次毫米發光二極體(Mini LED)。
  12. 如請求項10所述的背光模組，其中該光源陣列中沿著該第二方向設置且對應至相同之該狹縫的部分各該光源，位於所對應之該狹縫垂直投影至該基板上的區域。
  13. 如請求項10所述的背光模組，其中該狹縫之寬度與各該光源沿著該第一方向之寬度的比例不大於5：1。
  14. 一種顯示器，包含：如請求項1至13之中任一項所述的背光模組，以作為該顯示器之指向性光源；以及一顯示面板，設置於該背光模組之一發光側。
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