光导元件及包含其的显示装置的制作方法

1.本发明关于一种光导元件及包含前述光导元件的显示装置，尤其是关于搭配发光二极管(light-emitting diode，led)的光导元件及包含其的显示装置。


背景技术：

2.以作为光源的led搭配作为光导引媒介的光导元件进行面光源的开发已是相当常见的技术，而前述技术可应用至显示器、照明设备和民生家电等电子产品。由于单个led的发光亮度已提升，故在作为前述电子产品的光源时，led的使用个数得以下降。然而，led属于点光源，其发光型态为扇形发射，每一led具有一定的出光角度(viewing angle)(光强半角约
±
50
°
)，因此当各led的出光角度未重叠时，相邻的led之间就容易产生区间暗纹，且使得在靠近多个led的区域出现亮度不均的热点(hot spot)。
3.若欲使最终的面光源能散发出亮度均匀的光，所述光导元件便须起到关键的作用。一般来说，业者通过将光导元件的光学设计复杂化或需尝试与多种光学膜搭配，因此光导元件的生产模具须不断对应调整，导致前述电子产品的开发存在耗时与成本效益低等问题。


技术实现要素：

4.有鉴于上述现有技术存在技术缺陷，本发明的目的在于提供一种光导元件，可形成光线均匀分布的面光源，得以减少热点现象的发生。
5.本发明的另一目的在于提供一种光导元件，其具有光学设计简单化、易于控制制造精密度的优点，故可节省现有技术的光导元件的制程工序，从而降低现有技术显示装置的制造成本，降低资源浪费、提升成本效益，具有高市场潜力。
6.为达成前述目的，本发明提供一种光导元件，其包括一主体单元以及一u型耦光单元。其中，该主体单元具有相对的一第一光学面和一第二光学面，该第一光学面和该第二光学面的距离为该主体单元的厚度；同时，该主体单元具有相对的一第三光学面和一第四光学面，该第三光学面和该第四光学面垂直于该第一光学面和该第二光学面。该u型耦光单元包含一基部、一第一前导部及一第二前导部；该u型耦光单元的基部与该主体单元相连接，该基部具有与该主体单元相对的一导向面；该第一前导部和该第二前导部分别设置于该基部的相对两端，该基部的导向面分别与该第一前导部和该第二前导部相接。其中，该第一前导部具有一第一侧面和一第一入光面，该第一侧面分别与该第三光学面和该第一入光面相连，该第二前导部具有一第二侧面和一第二入光面，该第二侧面分别与该第四光学面和第二入光面相连；该第一前导部的第一侧面与该主体单元的第三光学面的夹角θ1和该第一前导部的第一入光面延伸与该主体单元的第三光学面的夹角θ2满足以下关系式(i)：0
°
≦夹角θ1《夹角θ2《180
°
；以及，该第二前导部的第二侧面与该主体单元的第四光学面的夹角θ1’
和该第二前导部的第二入光面延伸与该主体单元的第四光学面的夹角θ2’
满足以下关系式(ii)：0
°
≦夹角θ1’
《夹角θ2’
《180
°
。
7.本发明借由具有特殊构形的u型耦光单元向外斜向凸设该第一前导部和第二前导部而可接收从侧向进入的光线，且借由该导向面让前述光线于该u型耦光单元内即进行第一阶段的扩光分配，使前述光线随后以线型分布的方式进入所述主体单元，并且于所述主体单元内再次进行扩光分配，因此，最后穿出所述光导元件的光线集合形成面光源，且所述面光源得以发出亮度均匀的光。
8.较佳的，该u型耦光单元的基部、第一前导部及第二前导部为一体成形。较佳的，该u型耦光单元呈对称形状，因此，该u型耦光单元的第一前导部和该第二前导部的形状相同，且该夹角θ1与该夹角θ1’
相等，以及该夹角θ2与该夹角θ2’
相等。
9.较佳的，该夹角θ1的角度为0
°
至85
°
；更佳的，该夹角θ1的角度为30
°
至50
°
。较佳的，该夹角θ2的角度为大于90
°
至175
°
；更佳的，该夹角θ2的角度为105
°
至160
°
。
10.较佳的，该夹角θ1’
的角度为0
°
至85
°
；更佳的，该夹角θ
’1的角度为30
°
至50
°
。较佳的，该夹角θ2’
的角度为大于90
°
至175
°
；更佳的，该夹角θ2’
的角度为105
°
至160
°
。
11.在本发明中，该导向面可为一平面或一曲面，但不限于此。
12.在一些实施态样中，该导向面为一平面。
13.在另一些实施态样中，该导向面为一曲面；较佳的，该曲面的曲率半径为30毫米(mm)至1000mm；更佳的，该曲面的曲率半径为40mm至500mm。较佳的，该曲面凸向远离该主体单元的方向，即该曲面是往该主体单元的反延伸方向凸出。当该导向面为曲面时，可使入射至该导向面的光线呈现更多元化的入射角，故可对光线提供更好的分散作用，进而使光线进入该主体单元时分布地更均匀。再者，通过调整该导向面的曲率时，即可调控进入u型耦光单元的光线的分布角度，可更有效地配合各种电子产品的开发需求。
14.较佳的，该导向面的反射率大于50％以上，但不限于此；更佳的，该导向面的反射率大于80％以上，但不限于此。
15.依据本发明，较佳的，该主体单元具有长方体的形状，但不限于此。因此，由该主体单元的第一光学面和第二光学面的距离表示的该主体单元的厚度一致，且所述第一光学面和第二光学面皆为矩形。此外，垂直于该第一光学面和该第二光学面的该第三光学面和该第四光学面亦皆为矩形。
16.在一些实施态样中，所述光导元件还可包括多个特征尺寸为1微米(μm)至300μm的微结构单元以直接成型的方式形成于光导元件中的任一表面上，使照射至所述光导元件的光线产生大程度漫射反射，进而获得更均匀扩散的出光分布。
17.具体而言，所述多个微结构单元可各自独立地具有任意几何结构。较佳的，每一微结构单元的几何结构独立选自以下组成的群组中的一者：圆弧体、圆锥体、角锥体、弧形长条体和棱形长条体。所述多个微结构单元可具有相同的几何结构，例如，所述多个微结构单元具有同一种几何结构，但所述多个微结构单元的尺寸可以皆相同也可以不完全相同。或者，所述多个微结构单元亦可具有至少二种几何结构，但不限于此。
18.在一些实施态样中，所述多个微结构单元可依照规律方式排列，即以矩阵方式形成于该表面上；在另一些实施态样中，所述多个微结构单元以不规律的方式排列。
19.在一些实施态样中，所述多个微结构单元可设置于该u型耦光单元的任一处表面上。举例而言，该导向面可形成有多个微结构单元，例如，该导向面的内侧形成所述多个微结构单元。此外，该u型耦光单元的基部的其它表面上(即与该主体单元相接的表面)，也可
形成有多个微结构单元。
20.在另一些实施态样中，所述多个微结构单元可设置于该主体单元的任一处表面上，例如，该前述的任一处表面的内侧形成所述多个微结构单元。举例而言，该第一光学面和该第二光学面中的至少一者可形成有多个微结构单元；或者，该第三光学面和该第四光学面中的至少一者形成有多个微结构单元；又或者，该第一光学面、该第二光学面、该第三光学面和该第四光学面皆形成有多个微结构单元。
21.依据本发明，该光导元件的材料并无特别限制。较佳的，该光导元件的材料包含聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，pmma)、聚碳酸酯(polycarbonate，pc)、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物(styrene methyl methacrylate copolymer，smma)或聚苯乙烯(polystyrene，ps)，但不限于此。
22.本发明另提供一种反射式显示装置，其包括：一反射式显示面板(reflective display panel)以及一光导系统；该光导系统设置于该反射式显示面板之上。其中，该光导系统包括一如前述的光导元件以及一第一发光元件；其中，该光导元件中的该第一前导部的第一入光面用以接收来自该第一发光元件的多个光线。具体而言，该光导元件以所述第一光学面/第二光学面面向该反射式显示面板。当所述多个光线从第一发光元件发出后，所述光线的路径依序穿过该光导元件的u型耦光单元的第一前导部，至该基部的导向面转向后再到该主体单元，所述光线主要由该主体单元的第一光学面/该第二光学面，再射出至该反射式显示面板，最后光线再从反射式显示面板漫射反射并穿出该主体单元的第二光学面/第一光学面至使用者眼睛。
23.较佳的，该光导系统还包括一第二发光元件；其中，该光导元件中的该第二前导部的第二入光面用以接收来自该第二发光元件的多个光线。
24.具体而言，该第一发光元件和该第二发光元件各自包含多个led，所述多个led光源可以是led光杆或led阵列，但不限于此。此外，所述多个led光源可由同样色光的led所构成，或多种色光的led所构成。
25.在一些实施态样中，该反射式显示面板可为液晶显示面板(liquid crystal display panel，lcd panel)或电子油墨显示面板(e-paper)，但不限于此。
26.较佳的，该反射式显示面板和该光导元件以一高分子胶膜贴合。较佳的，所述高分子胶膜的折射率为1.2至1.9，但不限于此。举例而言，该高分子胶膜可为硅胶系(silicone based)感压胶(pressure sensitive adhesive，psa)、压克力系(acrylic based)光学胶或聚氨酯系(polyurethane based，pu based)感压胶，但不限于此。
27.本发明另提供一种穿透式显示装置，其包括：一穿透式显示面板(transmissive display panel)以及一光导系统；该光导系统设置于该穿透式显示面板之下。此光导系统可参考前述反射式显示装置中的光导系统的相关叙述。具体而言，该光导元件以所述第一光学面面向该穿透式显示面板。当所述多个光线从第一发光元件发出后，所述光线的路径依序穿过该光导元件的u型耦光单元的第一前导部，至该基部的导向面转向后再到该主体单元，所述光线主要由该主体单元的第一光学面射出至该穿透式显示面板，最后光线再从该穿透式显示面板相对于该光导系统的另一侧穿出至使用者眼睛。
28.在一些实施态样中，该穿透式显示面板可为液晶显示面板，但不限于此。
29.较佳的，该穿透式显示面板和该光导元件的第一光学面之间，可夹置一层光学膜
或多层光学膜。举例而言，所述光学膜可以是扩散膜、增亮膜、偏光膜等，但不限于此。
30.较佳的，该穿透式显示装置还包括一反射层，该反射层置于该光导系统的下方。
附图说明
31.图1为实施例1的光导元件的俯视示意图；
32.图2为实施例1的光导元件的侧视示意图；
33.图3为实施例2的光导元件的俯视示意图；
34.图4为实施例1的光导元件应用至反射式显示装置的侧视示意图；
35.图5为实施例1的光导元件应用至穿透式显示装置的侧视示意图。
具体实施方式
36.以下列举数种实施例说明本发明的实施方式，熟习此技艺者可经由本说明书的内容轻易地了解本发明所能达成的优点与功效，并且于不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更，以施行或应用本发明的内容。
37.实施例1
38.请参阅图1及图2所示，本发明的光导元件10包括一u型耦光单元11以及一主体单元12。
39.该u型耦光单元11包含一体成形的一第一前导部111、一第二前导部112及一基部113。该基部113具有一导向面1131。该第一前导部111和该第二前导部112分别斜向设置于该基部113的相对两端，该基部113的导向面1131分别与该第一前导部111和该第二前导部112相接。并且，该u型耦光单元11呈对称形状，因此，该u型耦光单元11的第一前导部111和该第二前导部112的形状相同。于此实施例中，该导向面113为一平面。
40.该主体单元12与u型耦光单元11的基部113一体成形，且主体单元12与第一前导部111和第二前导部112具有相等的厚度。该主体单元12具有相对的一第一光学面121和一第二光学面122，以及具有相对的一第三光学面123和一第四光学面124，该第三光学面123和该第四光学面124分别垂直于该第一光学面121和该第二光学面122。该第一光学面121和该第二光学面122为平行图1上的x-y平面，该第一光学面121和该第二光学面122的距离为该主体单元12的厚度，而该第三光学面123和该第四光学面124为平行图1上的x-z平面。该主体单元12的形状约为长方体，因此，该第一光学面121、该第二光学面122、该第三光学面123和该第四光学面124的形状皆为矩形。第一光学面121的长度即该主体单元12于图1上的x轴方向的侧边的长度，第一光学面121的宽度即该主体单元12于图1上的y轴方向的侧边的长度。
41.该第一前导部111具有一第一入光面1111和一第一侧面1112，该第一侧面1112分别与该主体单元12的第三光学面123及该第一入光面1111相连；该第二前导部112具有一第二入光面1121和一第二侧面1122，该第二侧面1122分别与该主体单元12的第四光学面124及该第二入光面1121相连；其中，该第一侧面1112与该第三光学面123的夹角θ1为30
°
，以及该第一入光面1111延伸与该第三光学面123的夹角θ2为100
°
，因此满足关系式(i)：0
°
≦夹角θ1《夹角θ2《180
°
。该第二侧面1122与该第四光学面124的夹角θ1’
为30
°
，以及该第二入光面1121延伸与该第四光学面124的夹角θ2’
为100
°
，因此满足关系式(ii)：0
°
≦夹角θ1’
《夹角
θ2’
《180
°
。
42.其中，该光导元件10的主要材料是聚碳酸酯，该导向面1131的反射率达40％。
43.于其它实施态样中，该主体单元12与u型耦光单元11的基部113可以不是一体成形，且主体单元12的厚度可以与第一前导部111和第二前导部112的厚度不相等。
44.于其它实施态样中，所述光导元件10还可包括多个特征尺寸为1μm至300μm的微结构单元(图未示)以直接成型的方式形成于光导元件10中的任一表面上，例如导向面1131、第一光学面121、第二光学面122、第三光学面123和第四光学面124的内侧，但不限于此。每一微结构单元的几何结构可独立选自以下组成的群组中的一者：圆弧体、圆锥体、角锥体、弧形长条体和棱形长条体。此外，多个微结构单元可依照规律或随机的方式排列，并无特别限定。
45.实施例2
46.请参图3，实施例2的光导元件10’具有与实施例1的光导元件10相似的结构，实施例1与实施例2主要差异在于：基部113的导向面1131。于实施例2的光导元件10’中，基部113的导向面1131是一曲面，该曲面凸向远离该主体单元12的方向，且该曲面的曲率半径为100mm。
47.于其它实施态样中，所述光导元件10’亦可包括多个特征尺寸为1μm至300μm的微结构单元(图未示)以直接成型的方式形成于光导元件10’中的任一表面上。所述光导元件10’包括的多个微结构单元可参酌上述光导元件10的内容。
48.请参图1、2、4，本发明另提供一种显示装置1，其由下往上依序包含一反射式显示面板30、高分子胶膜31和光导系统20。该光导系统20包括实施例1的光导元件10以及一第一发光元件21和一第二发光元件22；其中，该光导元件10中的该第一前导部111的第一入光面1111用以接收来自该第一发光元件21的多个光线，该第二前导部112的第二入光面1121用以接收来自该第二发光元件22的多个光线。该第一发光元件21和该第二发光元件22各自包含多个led，该第一发光元件21和该第二发光元22皆为led光杆。该反射式显示面板30为液晶显示面板。
49.该光导元件10以所述第二光学面122面向该反射式显示面板30。当多个光线从第一发光元件21和第二发光元件22的led光杆发出后，所述光线的路径先穿过该光导元件10的u型耦光单元11的第一前导部111和第二前导部112，待至该基部113的导向面1131转向后再到该主体单元12；接着，由该主体单元12的第一光学面121可反射光线至第二光学面122并形成面光源发出入射光线l，该入射光线l穿过该高分子胶膜31，再射入该反射式显示面板30，随后，反射光线l’从该反射式显示面板30漫射反射穿出该主体单元12的第二光学面122及第一光学面121，最终被使用者的眼睛接收。
50.请参图1、2、5，本发明另提供一种显示装置1’，其由下往上依序包含光导系统20、多层光学膜32和一穿透式显示面板30’。其中，该光导系统20包括实施例1的光导元件10以及一第一发光元件21和一第二发光元件22；其中，该光导元件10中的该第一前导部111的第一入光面1111用以接收来自该第一发光元件21的多个光线，该第二前导部112的第二入光面1121用以接收来自该第二发光元件22的多个光线。该第一发光元件21和该第二发光元件22各自包含多个led，该第一发光元件21和该第二发光元22皆为led阵列。该穿透式显示面板为液晶显示面板。所述多层光学膜32可包含扩散膜、增亮膜、偏光膜等，但不限于此。
51.该光导元件10以所述第一光学面121面向该穿透式显示面板30’。当多个光线从第一发光元件21和第二发光元件22的led阵列发出后，所述光线的路径先穿过该光导元件10的u型耦光单元11的第一前导部111和第二前导部112，待至该基部113的导向面1131转向后再到该主体单元12；接着，由该主体单元12的第一光学面121形成的面光源发出入射光线l，该入射光线l主要由该主体单元12的第一光学面121向上射出至该穿透式显示面板30’，然后，透射光线l”再从该穿透式显示面板30’相对于该光导系统20的另一侧穿出，最终被使用者的眼睛接收。
52.以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种光导元件，其特征在于，包括：一主体单元，其具有相对的一第一光学面和一第二光学面，所述第一光学面和所述第二光学面的距离为所述主体单元的厚度，所述主体单元具有相对的一第三光学面和一第四光学面，所述第三光学面和所述第四光学面垂直于所述第一光学面和所述第二光学面；以及一u型耦光单元，其包含：一基部，所述基部与所述主体单元相连接，所述基部具有与所述主体单元相对的一导向面；一第一前导部及一第二前导部，所述第一前导部和所述第二前导部分别设置于所述基部的相对两端并与所述基部的导向面相接；所述第一前导部具有一第一侧面和一第一入光面，所述第一侧面分别与所述第三光学面和所述第一入光面相连，所述第二前导部具有一第二侧面和一第二入光面，所述第二侧面分别与所述第四光学面和所述第二入光面相连；其中，所述第一前导部的第一侧面与所述主体单元的第三光学面的夹角θ1和所述第一前导部的第一入光面延伸与所述主体单元的第三光学面的夹角θ2满足以下关系式(i)：0
°
≦夹角θ1<夹角θ2<180
°
；所述第二前导部的第二侧面与所述主体单元的第四光学面的夹角θ1’
和所述第二前导部的第二入光面延伸与所述主体单元的第四光学面的夹角θ2’
满足以下关系式(ii)：0
°
≦夹角θ1’
<夹角θ2’
<180
°
。2.如权利要求1所述的光导元件，其特征在于，所述导向面为一平面或一曲面。3.如权利要求2所述的光导元件，其特征在于，当所述导向面为一曲面时，所述曲面的曲率半径为30毫米至1000毫米。4.如权利要求1所述的光导元件，其特征在于，所述u型耦光单元的所述基部、所述第一前导部及所述第二前导部为一体成形。5.如权利要求1至4中任一项所述的光导元件，其特征在于，所述夹角θ1与所述夹角θ1’
相等，所述夹角θ2与所述夹角θ2’
相等。6.如权利要求1至4中任一项所述的光导元件，其特征在于，所述导向面形成有多个微结构单元；每一微结构单元的几何结构独立选自以下组成的群组中的一者：圆弧体、圆锥体、角锥体、弧形长条体和棱形长条体。7.如权利要求1至4中任一项所述的光导元件，其特征在于，所述第一光学面和所述第二光学面中的至少一者形成有多个微结构单元；每一微结构单元的几何结构独立选自以下组成的群组中的一者：圆弧体、圆锥体、角锥体、弧形长条体和棱形长条体。8.如权利要求1至4中任一项所述的光导元件，其特征在于，所述第三光学面和所述第四光学面中的至少一者形成有多个微结构单元；每一微结构单元的几何结构独立选自以下组成的群组中的一者：圆弧体、圆锥体、角锥体、弧形长条体和棱形长条体。9.如权利要求1至4中任一项所述的光导元件，其特征在于，所述光导元件的材料包含聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物或聚苯乙烯。10.一种反射式显示装置，其特征在于，包括：一反射式显示面板；以及一设置于所述反射式显示面板之上的光导系统；
其中，所述光导系统包括一如权利要求1至9中任一项所述的光导元件以及一第一发光元件；其中，所述光导元件中的所述第一前导部的第一入光面用以接收来自所述第一发光元件的多个光线。11.如权利要求10所述的反射式显示装置，其特征在于，所述光导系统还包括一第二发光元件；其中，所述光导元件中的所述第二前导部的第二入光面用以接收来自所述第二发光元件的多个光线；所述第一发光元件和所述第二发光元件各自包含多个发光二极管，所述第一发光元件和所述第二发光元为发光二极管光杆或发光二极管阵列。12.如权利要求10或11所述的反射式显示装置，其特征在于，所述反射式显示面板为液晶显示面板或电子油墨显示面板。13.一种穿透式显示装置，其特征在于，包括：一穿透式显示面板；以及一设置于所述穿透式显示面板之下的光导系统；其中，所述光导系统包括一如权利要求1至9中任一项所述的光导元件以及一第一发光元件；其中，所述光导元件中的所述第一前导部的第一入光面用以接收来自所述第一发光元件的多个光线。14.如权利要求13所述的穿透式显示装置，其特征在于，所述光导系统还包括一第二发光元件；其中，所述光导元件中的所述第二前导部的第二入光面用以接收来自所述第二发光元件的多个光线；所述第一发光元件和所述第二发光元件各自包含多个发光二极管，所述第一发光元件和所述第二发光元为发光二极管光杆或发光二极管阵列。15.如权利要求13或14所述的穿透式显示装置，其特征在于，所述穿透式显示面板为液晶显示面板。

技术总结
本发明提供光导元件及显示装置。光导元件包括U型耦光单元及主体单元；主体单元具有相对的第一光学面和第二光学面及相对的第三光学面和第四光学面；U型耦光单元包含基部和第一前导部、第二前导部。基部与主体单元相连且第一前导部、第二前导部分设相对两端；第一前导部具有相连的第一入光面和第一侧面，第二前导部具有相连的第二入光面和第二侧面；其中，第一侧面和与其相连的第三光学面的夹角θ1、第一入光面延伸与第三光学面的夹角θ2、第二侧面和与其相连的第四光学面的夹角θ1’


技术研发人员：姚柏宏
受保护的技术使用者：奇象光学有限公司
技术研发日：2022.01.28
技术公布日：2023/8/8