TWI897011B - 背光模組及抬頭顯示器 - Google Patents

Abstract

一種背光模組，包含具有多個發光元件的光源組件、陣列透鏡以及透鏡。陣列透鏡重疊於光源組件上方，並且具有彼此相對的入光面與出光面，此出光面包含多個出光曲面。透鏡重疊於陣列透鏡上方，並且具有彼此相對的入光面與出光面。陣列透鏡位於光源組件與透鏡之間，而陣列透鏡的出光面面向透鏡的入光面。發光元件的每一者用於朝向陣列透鏡的入光面發出一光線，而出光曲面分別覆蓋這些發光元件。

Description

背光模組及抬頭顯示器

本發明是關於背光模組及抬頭顯示器，且特別是有關於一種具有陣列透鏡的背光模組以及包含此背光模組的抬頭顯示器。

現今抬頭顯示器（Head-up Display；HUD）的種類繁多，其中一種為利用PGU（Pixel Generation Unit）提供抬頭顯示器產生光源及畫面。然而，大部分以薄膜電晶體液晶顯示器作為PGU的HUD未採用具備分區發亮（Local dimming）功能的光源模組。因此，在顯示畫面時，即便不是所有區域都需要光源，仍須驅動所有的發光元件，使抬頭顯示器的耗能增加而導致功率的浪費。除此之外，習知的光源模組分區發亮的功能尚且有亮暗界線混雜的問題，亦導致顯示畫面中對比度的提升受限。

本發明一實施例提供一種背光模組，此背光模組可以使加深光源分區效果，並提升畫面對比程度。

本發明一實施例所提供的背光模組，包含光源組件，包含多個發光元件；陣列透鏡，重疊於光源組件上方，並且具有彼此相對的第一入光面與第一出光面，其中第一出光面包含多個出光曲面；以及透鏡，重疊於陣列透鏡上方，並且具有彼此相對的第二入光面與第二出光面，其中陣列透鏡位於光源組件與透鏡之間，而第一出光面面向第二入光面；其中發光元件的每一者用於朝向陣列透鏡的第一入光面發出光線，而出光曲面分別覆蓋發光元件。

在本發明一實施例中，其中陣列透鏡的第一入光面包含多個入光曲面，且入光曲面的每一者與出光曲面的每一者同軸。

在本發明一實施例中，其中出光曲面為凸面。

在本發明一實施例中，其中入光曲面為凸面。

在本發明一實施例中，其中入光曲面為凹面。

在本發明一實施例中，其中透鏡的第二入光面與第二出光面其中至少一者為柱狀曲面。

在本發明一實施例中，其中透鏡的柱狀曲面為凸透鏡面，凸透鏡面沿著垂直於光源組件的出光方向凸出，其中發光元件所發出的光線經過凸透鏡面，並且朝向出光方向而偏折。

在本發明一實施例中，其中透鏡的柱狀曲面為凹透鏡面，凹透鏡面沿著垂直於光源組件的出光方向凹入，其中發光元件所發出的光線經過凹透鏡面，並且遠離出光方向而偏折。

在本發明一實施例中，其中透鏡的第二入光面與第二出光面的其中至少一者為一菲涅爾透鏡面，並且包含多個並列的直條紋稜柱。

在本發明一實施例中，背光模組還包含光學膜片，位於陣列透鏡以及透鏡之間。

在本發明一實施例中，背光模組還包含隔柵，位於光源組件以及陣列透鏡之間，並且包含多個開口，其中開口分別與發光元件重疊。

在本發明一實施例中，其中出光曲面分別與開口重疊。

本發明另一實施例提供一種抬頭顯示器，包含上述背光模組以及顯示面板，相對於該背光模組而設置。

在本發明的另一實施例中，其中背光模組的光源組件、陣列透鏡以及透鏡沿著一方向而重疊，且此方向與顯示面板的平面之間具有一夾角，而此夾角不為90∘。

基於上述，本發明利用背光模組的陣列透鏡，並且透過陣列透鏡的出光曲面分別覆蓋發光元件，以將每一個發光元件所射出的光線收斂成一道光束。由於一道光束對應一個分區，故可以分別控制每一個發光元件的開關來達到畫面上的分區發亮（Local dimming）效果，以提升個別發光元件所發出的光線聚集程度，使亮暗區域界線分明，進而提升畫面對比度。此外，藉由背光模組中設置透鏡，使光場得以聚集或者發散，遂達成調整光場的功效。

在以下的內文中，為了清楚呈現本案的技術特徵，圖式中的元件（例如層、膜、基板以及區域等）的尺寸（例如長度、寬度、厚度與深度）會以不等比例的方式放大，且有的元件數量會減少。因此，下文實施例的說明與解釋不受限於圖式中的元件數量以及元件所呈現的尺寸與形狀，而應涵蓋如實際製程及/或公差所導致的尺寸、形狀以及兩者的偏差。所以，本案圖式所呈示的元件主要是用於示意，並非旨在精準地描繪出元件的實際形狀，也非用於限制本案的申請專利範圍。

其次，本案內容中所出現的「約」、「近似」或「實質上」等這類用字不僅涵蓋明確記載的數值與數值範圍，而且也涵蓋發明所屬技術領域中具有通常知識者所能理解的可允許偏差範圍，其中此偏差範圍可由測量時所產生的誤差來決定，而此誤差例如是起因於測量系統或製程條件兩者的限制。此外，「約」可表示在上述數值的一個或多個標準偏差內，例如±5％、±3％或±1％內。本案文中所出現的「約」、「近似」或「實質上」等這類用字可依光學性質、蝕刻性質、機械性質或其他性質來選擇可以接受的偏差範圍或標準偏差，並非單以一個標準偏差來套用以上光學性質、蝕刻性質、機械性質以及其他性質等所有性質。

請參閱圖1所示，背光模組100包含光源組件110、陣列透鏡120以及透鏡140。光源組件110包含多個發光元件112，而這些發光元件112可以是例如發光二極體（Light-emitting diode，LED）。陣列透鏡120重疊於光源組件110上方，且陣列透鏡120具有彼此相對的入光面120i與出光面120e。

陣列透鏡120的出光面120e包含多個出光曲面122e，且如圖1所示，出光曲面122e分別覆蓋發光元件112。具體而言，每一個出光曲面122e會重疊於一個發光元件112的上方，並完全覆蓋此發光元件112。陣列透鏡120的材料包含例如聚碳酸酯（Polycarbonate ;PC）等具可見光穿透性的高分子材料或其相似物。

在本實施例中，每一個發光元件112用於朝向陣列透鏡120的入光面120i發出光線L1。光線L1經由入光面120i進入陣列透鏡120，並且從出光面120e離開陣列透鏡120。本實施例主要是通過陣列透鏡120的出光曲面122e分別覆蓋發光元件112，以將同一個發光元件112所發出的多條光線L1收斂為一道聚集的光束B1，並且減少相鄰兩道光束B1之間的重疊範圍，甚至可以使相鄰兩光束B1之間不重疊。

透鏡140重疊於陣列透鏡120上方，並且具有彼此相對的入光面140i與出光面140e。請參考圖1，陣列透鏡120位於光源組件110與透鏡140之間，而陣列透鏡120的出光面120e面向透鏡140的入光面140i。如此一來，從陣列透鏡120的出光面120e離開的光線L1會朝向透鏡140行進，並且經由入光面140i進入透鏡140。透鏡140可以改變光線L1的行進方向，藉以調整光線L1離開透鏡140的出光面140e時的角度。如此，可以改變光線L1的行經路徑，使光線L1相對於（朝向或遠離）出光曲面122e的中心軸A1而偏折，可以達到縮減或者放大光線偏折角度的效果，進而調整背光模組100的光場。

相較於習知背光模組而言，在背光模組100中設置陣列透鏡120可以使各個發光元件112所發出的光線L1透過各個出光曲面122e而分別聚集成多個光束B1。在各光束B1不會互相交會的情況下，藉著個別控制單一個發光元件112的開關動作或亮暗變化來達成分區發亮的效果也因此而被強化。具體而言，當其中一部分發光元件112發光時，其發出的光線L1不會因為發散而影響到未發光的區域，避免導致亮區與暗區的界線不明確，進而提升畫面對比度。另一方面，配合背光模組100中的透鏡140，使分區發亮的光源也得以具備調整光場的功能。

請繼續參考圖1，陣列透鏡120的入光面120i包含多個入光曲面122i。與出光曲面122e相同，入光曲面122i亦分別覆蓋發光元件112，且每一個入光曲面122i會重疊於一個發光元件112的上方，並完全覆蓋此發光元件112。因此，可以利用光學軟體模擬入光曲面122i與出光曲面122e的曲度，來得到背光模組100中不同發光區域的最佳亮度及均勻度。接著再依照模擬出的曲度，在實際產品中設置具備此光學參數的陣列透鏡120。

此外，需特別一提的是，每一個入光曲面122i會與每一個出光曲面122e同軸。換句話而言，每一個入光曲面122i的中心軸A1會分別與一個出光曲面122e的中心軸（未繪示）重疊，使得該些發光元件112所射出的光線L1可以有效地在同一軸向產生收斂，有助於每個分區的光線集中效果。

雖然在圖1所示的實施例中，背光模組100的出光曲面122e為凸面，且入光曲面122i亦為凸面，藉以達到類似凸透鏡的功能而產生分區聚光效果，以提高輝度與對比度，但本發明不限於此。請參考圖2中本發明的另一實施例，背光模組200的結構相似於背光模組100，舉例來說，背光模組200亦包含光源組件110、陣列透鏡120以及透鏡140，且上述元件之間的相對位置與背光模組100相同。兩者之間的差異在於：背光模組200的入光曲面122i可以為凹面。也就是說，陣列透鏡120的單個入光曲面122i與單個出光曲面122e所組成的單一透鏡單元，其外型可以是雙凸，或是下凹上凸的型式。

請一併參考圖1以及圖2在本發明中，藉由入光曲面122i與出光曲面122e的搭配，可以進一步調整光束的收斂程度。舉例而言，在出光曲面122e相同的情況下，採用凹面的入光曲面122i，則會使發光元件112發出的光線L1經由入光曲面122i而向外發散偏折。因此，通過凹面入光曲面122i所產生的光束B2其收斂程度會小於採用凸面的入光曲面122i所產生的光束B1，遂不會在發光元件112的正上方產生過亮的狀況。因此，入光曲面122i為凹面或者凸面須取決於出光曲面122e（例如出光曲面122e的曲率半徑）以及欲呈現的光束收斂程度，並且搭配實際使用需求予以設計。

透鏡140的入光面140i以及出光面140e其中至少一者為柱狀曲面。舉例來說，在本實施例中，因為駕駛者觀看抬頭顯示器的視角範圍落在（顯示螢幕上）水平方向的區域，至於（顯示螢幕上）垂直方向的區域則非駕駛者視角的延伸範圍。基於此緣故，請一併參考圖1及圖3A，透鏡140的入光面140i為柱狀曲面，且此柱狀曲面為凸透鏡面（未標示）。此凸透鏡面沿著垂直於光源組件110的出光方向D1凸出，而發光元件112所發出的光線L1經過凸透鏡面（即透鏡140的入光面140i），並且朝向出光方向D1而偏折，藉以進一步調整離開陣列透鏡120的光線L1的偏折效果。如此一來，可以將單軸向的半高寬（FWHM）視角由13.5∘縮小至10∘。

承上所述，在本實施例中，採用單軸向的透鏡140可以收斂抬頭顯示器在垂直方向的出光，水平方向的出光則未收斂，以達到調整單軸向光場的目的。相反地，如果實際使用需求是發散抬頭顯示器在垂直方向的出光，在本發明的其他實施例中，透鏡140的柱狀曲面則可以設計為凹透鏡面（未繪示）。此凹透鏡面會沿著垂直於光源組件110的出光方向D1凹入，而發光元件112所發出的光線L1經過凹透鏡面（即透鏡140的入光面140i），並且遠離出光方向D1而偏折。本發明中透鏡140為凹透鏡面或凸透鏡面不以本實施例的說明為限，也就是說，不論透鏡140是凸透鏡面或者凹透鏡面，都能使光線L1而改變行進方向，進而達到調整光場的效果。

值得一提的是，上述實施例中的透鏡140是舉入光面140i為單一軸向的柱狀曲面為例，且柱狀曲面是沿著X軸而延伸。然而本發明不限於此，透鏡140的入光面140i以及出光面140e可以皆為柱狀曲面，並且可分別沿著不同的軸向而延伸。例如，入光面140i的柱狀曲面沿著X軸延伸，而出光面140e的柱狀曲面則沿著Y軸延伸。

請參考圖3B，在本發明的另一實施例中，透鏡140的入光面140i與出光面140e其中至少一者為菲涅爾透鏡面（Fresnel lens type）。特別一提的是，此實施例中的菲涅爾透鏡面為圖3A中透鏡140的柱狀曲面（即入光面140i）的變形。此菲涅爾透鏡面包含多個並列的條紋稜柱142，且這些稜柱142分別沿著X軸而延伸。菲涅爾透鏡面的設計可以是移除透鏡140的柱狀曲面的一部分，以形成這些稜柱142，並且使透鏡140薄化。換句話而言，在達成相同折射效果的前提下，採用菲涅爾透鏡的設計可以縮減透鏡140的厚度，達到重量減輕的效果。

請參考圖3C，在本發明的另一實施例中，透鏡140的入光面140i與出光面140e兩者皆可以是凸透鏡。特別一提的是，圖3C的入光面140i與出光面140e皆是沿著相同的軸向（例如X軸）而延伸，形成凸出狀的曲面，以加強在同一軸向上的控光效果。請參考圖3D，在其他實施例中，入光面140i與出光面140e可以分別沿著不同的軸向（例如互相垂直的X軸與Y軸）而延伸，形成凸出狀的曲面。如此一來，由一個凸出狀的曲面控制一個軸向的出光效果，故兩個互相垂直的凸出狀的曲面就可以控制兩個軸向的出光效果。

請一併參考圖1以及圖4，在本發明的另一實施例中，背光模組100還包含隔柵160。隔柵160位於光源組件110以及陣列透鏡120之間，並且包含多個開口165。這些開口165分別與發光元件112重疊。詳細而言，一個發光元件112設置於一個開口165的內側，且發光元件112的高度小於開口165的深度。換言之，發光元件112完全位於開口165的內側。由於隔柵160是由不透光的反射材料所製成，故發光元件112所發出的光線L1在開口165內會被隔柵160所反射，以確保每一個發光元件112所射出的光線L1都會位於各別的分區之中。也就是說，本實施例可以藉由開口165的內壁來避免相鄰的發光元件112發出的光線L1之間互相影響，並且減少漏光的情形。

如前所述，發光元件112分別被陣列透鏡120的出光曲面122e所覆蓋，而開口165又分別重疊於發光元件112。由此可知，陣列透鏡120的出光曲面122e分別與開口165重疊，使得發光元件112所發出的光線L1在經由開口165射出之後，耦合進入到出光曲面122e的機會提高，藉以避免漏光造成分區亮度減弱的情形。此外，基於出光曲面122e與入光曲面122i同軸，故陣列透鏡120的入光曲面122i亦分別與開口165重疊。雖然圖4中所繪示開口165的形狀為矩形，但本發明不限於此，隔柵160的開口165也可以視其他形狀，例如圓形或者圓角矩形。特別一提的是，在此實施例中，陣列透鏡120是藉由入光面120i而直接接觸隔柵160。

請參考圖5，本發明的另一實施例的抬頭顯示器50包含背光模組100以及顯示面板550。顯示面板550相對於背光模組100而設置，並且位於背光模組100的出光面（未標示）上方，以使背光模組100能朝向顯示面板550發出光線（未繪示）。顯示面板550可以是穿透式顯示面板，例如液晶顯示面板。

抬頭顯示器50的背光模組100的光源組件110、陣列透鏡120以及透鏡140沿著方向D2而重疊。由於抬頭顯示器50是應用於車載產品，其投射的圖像會照射到車輛上呈傾斜狀態的擋風玻璃，而導致圖像變形。因此，如圖5所示，此方向D2與顯示面板550的平面550f之間可以具有夾角θ1。在此實施例中，此夾角θ1不為90∘。具體而言，顯示面板550的平面550f與背光模組100中元件（例如陣列透鏡120以及透鏡140）的重疊方向D2實質上不垂直。通過調整該夾角的大小，使得駕駛人員能夠看清抬頭顯示器50投影於擋風玻璃上的虛像。然而本發明不限於此，在其他實施例中，夾角θ1也可以是90∘（即平面550f實質上與方向D2垂直）。

在圖5所示的抬頭顯示器50中，其背光模組100還可以包含光學膜片180，且此光學膜片180位於陣列透鏡120以及透鏡140之間。藉由光學膜片180，可以提升光源的霧化程度，而使得背光模組100的光源品質及均勻度提升。特別一提的是，本實施例中，光學膜片180與陣列透鏡120之間的距離以及光學膜片180與透鏡140之間的距離是可以調整的。換言之，光學膜片180與陣列透鏡120（或光學膜片180與透鏡140）之間的距離可以改變。光學膜片180可用以優化外觀，並且可以依實際應用需求而選擇擴散片、稜鏡片、或增亮片來產生對應的光學效果。

除此之外，光學膜片180也可以位於顯示面板550以及透鏡140之間。更甚者，為了大幅提升光源霧化程度，在部分實施例中，也可以將兩個光學膜片180分別設置於上述兩處。

綜上所述，可以藉著背光模組中的陣列透鏡，將發光元件所發出的光線分別聚集為互不交會或者些微交會的光束。當發光元件分區發亮時，發出的光線不會因發散而影響未發光的區域，遂能避免亮區與暗區之間界線不明確的情形。如此一來，可以提高背光模組分區發亮的效果，進而提升顯示畫面的對比度以及品質。除此之外，分區發亮所帶來的省電效果亦有助於車載產品中抬頭顯示器的推廣應用，甚至可以取代TI（德州儀器）的DLP ^®系統，使得一般非DLP ^®系統的抬頭顯示器也具備分區發亮（即Local dimming）效果。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明精神和範圍內，當可作些許更動與潤飾，因此本發明保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100, 200: 背光模組 110: 光源組件 112: 發光元件 120: 陣列透鏡 120i, 140i: 入光面 120e, 140e: 出光面 122i: 入光曲面 122e: 出光曲面 140: 透鏡 142: 稜柱 160: 隔柵 165: 開口 180: 光學膜片 50: 抬頭顯示器 550: 顯示面板 550f: 平面 A1: 中心軸 B1, B2: 光束 D1: 出光方向 D2: 方向 L1: 光線 θ1: 夾角

從以下詳細敘述並搭配圖式檢閱，可理解本發明的態樣。應注意，多種特徵並未以產業上實務標準的比例繪製。事實上，為了討論上的清楚易懂，各種特徵的尺寸可以任意地增加或減少。 圖1繪示本發明一實施例的背光模組的示意側視圖。 圖2繪示本發明另一實施例的背光模組的示意側視圖。 圖3A繪示本發明一實施例的背光模組中透鏡的立體圖。 圖3B繪示本發明另一實施例的背光模組中透鏡的立體圖。 圖3C繪示本發明另一實施例的背光模組中透鏡的立體圖。 圖3D繪示本發明另一實施例的背光模組中透鏡的立體圖。 圖4繪示本發明一實施例的背光模組的局部立體圖。 圖5繪示本發明一實施例的抬頭顯示器的立體剖視圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100: 背光模組 110: 光源組件 112: 發光元件 120: 陣列透鏡 120i, 140i: 入光面 120e, 140e: 出光面 122i: 入光曲面 122e: 出光曲面 140: 透鏡 A1: 中心軸 B1: 光束 D1: 出光方向 L1: 光線

Claims (11)

1. 一種背光模組，包含: 一光源組件，包含多個發光元件； 一陣列透鏡，重疊於該光源組件上方，並且具有彼此相對的一第一入光面與一第一出光面，其中該第一出光面包含多個出光曲面；以及 一透鏡，重疊於該陣列透鏡上方，並且具有彼此相對的一第二入光面與一第二出光面，該第二入光面與該第二出光面分別沿著不同的軸向而延伸，形成凸出狀的曲面，其中該陣列透鏡位於該光源組件與該透鏡之間，而該第一出光面面向該第二入光面； 其中該些發光元件的每一者用於朝向該陣列透鏡的該第一入光面發出一光線，而該些出光曲面分別覆蓋該些發光元件； 一隔柵，位於該光源組件以及該陣列透鏡之間，並且包含多個開口，其中該透鏡、該些出光曲面及該些開口分別與該些發光元件重疊。
2. 如請求項1所述之背光模組，其中該陣列透鏡的該第一入光面包含多個入光曲面，且該些入光曲面的每一者與該些出光曲面的每一者同軸。
3. 如請求項2所述之背光模組，其中該些出光曲面為凸面。
4. 如請求項3所述之背光模組，其中該些入光曲面為凸面。
5. 如請求項3所述之背光模組，其中該些入光曲面為凹面。
6. 如請求項1所述之背光模組，其中該透鏡的該第二入光面與該第二出光面其中至少一者為一柱狀曲面。
7. 如請求項6所述之背光模組，其中該透鏡的該柱狀曲面為一凸透鏡面，該凸透鏡面沿著垂直於該光源組件的一出光方向凸出，其中該些發光元件所發出的該光線經過該凸透鏡面，並且朝向該出光方向而偏折。
8. 如請求項1所述之背光模組，其中該透鏡的該第二入光面與該第二出光面的其中至少一者為一菲涅爾透鏡面，並且包含多個並列的直條紋稜柱。
9. 如請求項1所述之背光模組，還包含： 一光學膜片，位於該陣列透鏡以及該透鏡之間。
10. 一種抬頭顯示器，包含： 一如請求項1至9中任一項所述的背光模組；以及 一顯示面板，相對於該背光模組而設置。
11. 如請求項10所述之抬頭顯示器，其中該背光模組的該光源組件、該陣列透鏡以及該透鏡沿著一方向而重疊，且該方向與該顯示面板的一平面之間具有一夾角，而該夾角不為90∘。