具有光偏轉器的光導板以及邊緣照明型背光系統的製作方法
2023-08-11 03:05:41
專利名稱：具有光偏轉器的光導板以及邊緣照明型背光系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種背光系統，並尤其涉及一種利用光導板和棒狀光源的邊緣照明型背光系統。
背景技術：
背光系統主要用在非發光平板顯示器(FPD)中，如液晶顯示器(LCD)中，以確保適當的光度或亮度。背光系統根據光源的分布分類為直接照明型背光單元和邊緣照明型背光單元，其中直接照明型背光單元中光源安置在FPD的下面以直接向FPD發射光束，而邊緣照明型背光單元中光源沿光導板的邊緣表面安裝以經光導板向FPD發射光束。
邊緣照明型背光系統可以使用棒狀光源和點光源兩種光源。作為具有代表性的棒狀光源，有冷陰極螢光燈(CCFL)，它是由一根兩端帶有電極的管組成。作為具有代表性的點光源，有一種發光二極體(LED)。CCFL有很多優點，如能夠發射強白光，獲得高亮度和均勻性，從而應用到大FPD。
圖1是利用棒狀光源的傳統邊緣照明型背光系統的透視圖，圖2是圖1所示的傳統邊緣照明型背光系統的平面圖。
參見圖1，CCFL20安裝在光導板10的一個邊緣表面13處。光路改變單元30設置在光導板10的底面11上，為了將從CCFL20引入的光經光發射面12發出的目的而改變光路。
可以將棒狀光源認作是點光源的延續。因此，如圖2所示，光從CCFL 20在一個±90°角A1的範圍內發出並經邊緣表面13進入光導板10。在光於光導板10內傳播的情形中，當在入射到光導板10內的一個表面上的光與該表面的法線之間形成的角度(該角度公知為入射角)小於臨界角時，光穿過該表面。否則，光被全反射。通過重複反射，光可以通過光導板10傳播。
為了經光發射面12發出光線，光入射到該光發射面12的角度應該小於臨界角。在引入光導板10的光線中，已經被全反射一次的光線不能通過光導板10而排出，除非它們的路徑發生了改變。光路改變單元30散射、衍射等改變光經過的路徑，使得光可以穿過光發射面12。
在全息圖案用作光路改變單元30以衍射光束並改變光路的情形中，當光相對於全息圖案形成大約90°角的同時進入全息圖案時衍射最為有效。入射到全息圖案上的光的角度分布越小，光發射面12的亮度越均勻。當亮度不均勻時，被背光系統照明的FPD(未示出)的屏幕遭受不均勻的亮度。
日本專利公開JP11-144514公開了一種利用棒狀光源的照明裝置，其中光導板包括多個光導部分以提高光導板的光發射面上的亮度。
發明內容
本發明提供了一種利用光偏轉器的光導板和一種採用該光導板的邊緣照明型背光系統，其中光偏轉器偏轉光導板內部傳播的光線以減小方向角的範圍。
根據本發明的一個方面，提供了一種邊緣照明型背光系統，包括一光導板，光導板包含光入射其中的光入射面和光從其出射的光發射面；一棒狀光源，它將光線向光入射面投射；和一多面體光偏轉器，它由透明材料製成並包括第一表面和第二表面，第一表面和第二表面處於正交於光入射面的法線的相反側，並隨著距光入射面的距離增大而彼此更加遠離，其中光偏轉器設置在光發射面和與光發射面相對的一個表面中的至少一個上。
可以沿光入射面布置多個光偏轉器。另外，光偏轉器可以具有與光導板相同的折射率。在此情況下，光學偏振器可以與光導板一體地形成。
第一和第二表面可以相對於正交於光入射面的法線對稱。
第一和第二表面可以延伸到光入射面和與光入射面相對的表面之間的預定位置，並且可以向上延伸到與光入射面相對的表面上。
光偏轉器的平行於光入射面的截面可以為正方形形狀。
光偏轉器的平行於光發射面的截面可以為三角形形狀，其斜邊為第一和第二表面，底邊與光入射面相對。光偏轉器的平行於光發射面的截面可以是梯形形狀，其斜邊是第一和第二表面，底邊與光入射面相對。
根據本發明的另一方面，提供了一種利用棒狀光源的邊緣照明型背光系統的光導板，該光導板包括一光入射其中的光入射面；一光從其出射的光發射面；和一光偏轉器，光偏轉器從光發射面和與光發射面相對的表面之一突出，光偏轉器的平行於光發射面的截面為三角形形狀，其底邊是與光入射面相對的表面，三角形截面在垂直於光發射面的方向上延伸。
可以沿光入射面布置多個光偏轉器。另外，光偏轉器的平行於光發射面的截面可以是等腰三角形形狀。
根據本發明的另一方面，提供了一種利用棒狀光源的邊緣照明型背光系統的光導板，光導板包括光入射其中的光入射面；光從中出射的光發射面；和光偏轉器，光偏轉器從光發射面和與光發射面相對的一個表面中的至少一個突出，光偏轉器的平行於光發射面的截面為一種梯形形狀，其底邊是與光入射面相對的表面，梯形截面在垂直於光發射面的方向上延伸。
可以沿光入射面布置多個光偏轉器。光偏轉器的平行於光發射面的截面為等腰三角形形狀。
通過下面參考附圖對實施例的詳細描述，本發明的上述及其它特點和優點將變得更加清晰，其中圖1是利用棒狀光源的傳統邊緣照明型背光單元的透視圖；圖2是圖1所示傳統邊緣照明型背光單元的平面圖；圖3是根據本發明優選實施例的邊緣照明型背光系統的透視圖；圖4是沿圖3中I-I′線的截面圖；圖5是沿圖3中II-II′線的截面圖；圖6是用於解釋圖3所示邊緣照明型背光單元的操作的平面圖；圖7是用於解釋圖3所示邊緣照明型背光單元的操作的側視圖；圖8是表示不使用光偏轉器時在相對表面發射的光的分布模擬曲線；圖9和10是表示當光偏轉器的第一和第二表面與正交於光入射面的法線之間的角度改變時在相對表面發射的光的分布模擬曲線；圖11和12是表示當光偏轉器的厚度改變時在相對表面發射的光的分布模擬曲線；
圖13是當不使用光偏轉器時從光導板發出的光的分布的模擬曲線；圖14是當使用光偏轉器時從光導板發出的光的分布的模擬曲線；圖15～18是圖3所示邊緣照明型背光單元的改進實例的平面圖；和圖19是根據本發明另一實施例的邊緣照明型背光單元的透視圖。
具體實施例方式
下面通過參考附圖對本發明做更全面的描述，其中展示了本發明的優選實施例。
圖3是根據本發明優選實施例的邊緣照明型背光系統的透視圖，圖4是沿圖3中I-I』線的截面圖，圖5是沿圖3中II-II』線的截面圖。
參見圖3～5，光導板110具有平板形狀。冷陰極螢光燈(CCFL)120安裝在光導板110的邊緣表面112處。在光導板110的頂面114處布置多個光偏轉器150。在光導板110的底面115處設置一個光路改變單元130。
光導板110由透明材料製成。一般地，光導板110由折射率為1.49、比重為1.19的透明丙烯酸樹脂製成。為了減輕重量，也可以用比重為1.0的透明烯屬樹脂作為光導板。根據本發明優選實施例的光導板110由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)製成。光導板110具有1～3mm範圍的厚度。要減輕重量，可以使光導板110為楔形形狀，其隨著遠離光所引入的邊緣表面112而變薄。光導板110的大小取決於平板顯示器(未示出)、如液晶顯示器(LCD)的大小。
以下將邊緣表面112稱為光入射面112，從CCFL120發出的光入射其上。從其發出光線的光發射面變成頂面114或底面115或二者。在本實施例中，將底面115取為光發射面，並在後面稱為光發射面115。
圖4，即光偏轉器150的平行於光發射面115的截面，示出了一系列三角形。另外，圖5，即光偏轉器150的平行於光入射面112的截面，示出了正方形。因此，光偏轉器150每個包括位於正交於光入射面112的法線116相對兩側的第一表面151和第二表面152。第一表面151和第二表面152之間的距離隨著從光入射面112朝向相對表面113的距離的增大而增大。第一表面151和法線116之間的角度表示為B1，第二表面152和法線116之間的角度表示為B2。如圖2所示，因為從CCFL120的發射點發出的光線大致關於光軸對稱，所以優選角度B1和B2相等。也就是說，優選第一表面151和第二表面152關於法線116對稱。在此情況下，光偏轉器150平行於光發射面115的截面為一系列等腰三角形形狀。
由透明材料製成的光偏轉器150可以與光導板110耦合。在此情況下，優選光偏轉器150由具有與光導板110相同折射率的材料製成，使得光偏轉器150的臨界角與光導板110的一致。更優選光偏轉器150與光導板110一體形成。
雖然在本實施例中沿光入射面112布置四個光偏轉器150，但光偏轉器150的數量不限於四個，在其它的實施例中可以不止四個或少於四個。
為了經光發射面115發射光束，入射到光發射面115上的光相對於正交於光發射面115的法線的夾角、以下稱作「入射角」、應該小於臨界角。因此，在穿過光導板110的光線中，已經被全反射一次的光線不能從光導板110發出，除非其光路有所改變。光路改變單元130通過散射、偏轉等改變光的傳播方向。然後，在光路有所變化的光線中，具有小於臨界角的入射角的光線透射過光發射面115而被排出，其餘的光線再次反射。反射光線沿其運行的路徑由光路改變單元130改變，使得反射光再次入射到光發射面115。作為光路改變單元130，例如可以使用一種散射光線的散射圖案或是衍射光線的全息圖案。光路改變單元130可以設置在光發射面115以及與光發射面115相對的頂面114其中之一或二者上。在圖3所示的優選實施例中，作為光路改變單元130，採用了一種全息圖案，其上形成有平行於光入射面112的衍射光柵。
圖6和圖7分別是用於解釋圖3所示邊緣照明型背光單元的操作的平面圖和側視圖。如上所述，CCFL120可以認作是點光源的延續。為了簡單起見，圖6隻示出了CCFL120上四個光發射點的光路。
參見圖6和7，從CCFL120輻射的光經光入射面112進入光導板110。從CCFL120輻射的光具有A3方位角和大約±90°的仰角C1。從CCFL120輻射的光在光入射面112處被折射，使得其具有A4的方向角和大約±42°的仰角C2。在光導板110的內部，以大於臨界角的角度入射到任何表面的光經歷反覆的全反射並穿過光導板110。
穿過光導板110的光具有如圖7所示的仰角為C2的分量。因此，光入射到如圖6和7所示的光偏轉器150上。入射到光偏轉器150上的光被第一表面151或第二表面152反射，這兩表面是光偏轉器150和外部介質、例如空氣之間的界面。當光偏轉器150由具有與光導板110相同折射率的材料製成時，光偏轉器的臨界角與光導板110的臨界角相同。因為隨著距光入射面112的距離增大而第一表面151和第二表面152變得彼此更加遠離，所以在第一表面151和第二表面152上反射的光的方向角減小。也就是說，第一表面151和第二表面152起著準直光導板110內部的光線的作用。
現在，在參考根據是否採用光偏轉器150而在相對表面113發射的光分布的模擬結果的同時，解釋本發明背光系統的效果。用於模擬的光導板110具有42.6mm×32mm的尺寸以及1mm的厚度。光偏轉器150具有42.6mm的長度。
圖8是不採用光偏轉器150時在相對表面113處反射的光的分布的模擬曲線。
圖9和10是表示當光偏轉器的第一表面151與法線116之間的角度B1以及光偏轉器150的第二表面152與法線116之間的角度B2改變時在相對表面113處發射的光的分布模擬結果曲線。圖9表示B1＝B2＝1°、並且沿光入射面112布置20個光偏轉器150的情形，而圖10表示B1＝B2＝0.3°、並且沿光入射面112布置64個光偏轉器150的情形。光偏轉器150的厚度為0.2mm。
圖11和12分別是光偏轉器150的厚度T為0.1mm和0.5mm時在相對表面113處發射的光的模擬分布曲線。第一表面151和法線116之間的角度B1以及第二表面152和法線116之間的角度B2具有B1＝B2＝1°的關係。沿光入射面112安裝20個光偏轉器150。
在圖8～12的曲線中，「垂直角」和「水平角」分別代表仰角C2和方向角A2。
在圖8的情形中，發射到相對表面113的總光通量為79.74，光通量/球面度為29.1，強度為最大半寬度處的角度(FWHM)為55°。在圖9的情形中，發射到相對表面113的總光通量為80.33，光通量/球面度為34.2，FWHM為48°。在圖10的情形中，發射到相對表面113的總光通量為79.74，光通量/球面度為33.8，FWHM為48°。參見圖11，發射到相對表面113的總光通量為79.87，光通量/球面度為31.6，FWHM為51°。參見圖12，發射到相對表面113的總光通量為80.87，光通量/球面度為40.5，FWHM為38°。
在圖9、圖10與圖8比較時，因為仰角C2沒有變化，所以當仰角C2改變時所發出的光分布變化很小。但隨著方向角A4改變與圖8相比發出的光的分布變得相當窄。也就是說，因為方向角A4由於光偏轉器150的準直而減小，所以總光通量變化很少但光通量/球面度和FWHM減小。
參見圖9、11和12，光偏轉器160越厚，總光通量和光通量/球面度越大並且FWHM越小。因此，當第一表面151和法線116之間的角度B1以及第二表面152和法線116之間的角度B2相等時，光偏轉器150越厚，準直效果越顯著。
通過這種方式，方向角A4被光偏轉器150減小的光在其光路上由於光路改變單元130而經受改變，使得以小於臨界角的角度入射到光發射面115的光在Z方向上透過光發射面115以及光路改變單元130而排出。
圖13是當不使用光偏轉器150時從光導板110發出的光的分布的模擬曲線。圖14是當使用光偏轉器150時從光導板110發出的光的分布的模擬曲線。
用於模擬的光導板110具有42.6mm×32mm×1mm的尺寸。光偏轉器150的第一表面150與法線116之間的角度B1以及光偏轉器150的第二表面152與法線116之間的角度B2具有B1＝B2＝1°的關係。光偏轉器150的厚度T為0.2mm。
在圖13～14所示的曲線中，「垂直角」和「水平角」分別代表仰角C2和方向角A4。
從圖13下部曲線上的虛線可以看到，從光導板110發出的光通量平緩地分布在一個很寬的角度範圍(大約±65°)，並且光通量/球面度為113。相反，從圖14下部曲線上的虛線可以看到，從光導板110發出的光通量集中在0°周圍，並且光通量/球面度為123。這意味著當設置光偏轉器150時，從光導板110發出的光分布變窄，並且因而正交於光導板110的光發射面115的光通量增加。
在使用棒狀光源的邊緣照明型背光系統中，可以通過起準直光束作用的光偏轉器150減小光導板110內部的光的方向角A4。因此，光路改變單元130可以高效地改變光束的路徑，可以增大光導板發出的光線的光通量/球面度，並且可以減小FWHM。因此，從光導板110發出的光線的角分布變窄，由此在FPD的屏幕上實現均勻的亮度。
根據本發明的邊緣照明型背光系統不受上述優選實施例的限制，可以做出圖15～18所示的各種改型。
參見圖15，相鄰光偏轉器150a的底面彼此分開。
圖16～18示出長度有所變化的改進的光偏轉器150。圖16所示改型的光偏轉器150b的頂點154與光入射面112接觸，底面153與相對表面113分開。圖17所示改型的光偏轉器150e的頂點154與光入射面112分開，底面153與相對表面113接觸。圖18所示改型的光偏轉器150d的頂點154和底面153分別與光入射面112和相對表面113分開。
另外，當布置多個光偏轉器時，不需要每個光偏轉器的第一表面與正交於光入射面的法線之間的角度等於每個光偏轉器的第二表面與正交於光入射面的法線之間的角度相等。可以布置不同角度的光偏轉器以獲得理想的出射光分布。
圖19是根據本發明另一優選實施例的邊緣照明型背光單元的透視圖。
圖19所示的優選實施例幾乎與圖3所示的優選實施例相同，但光偏轉器160的水平截面、即平行於光發射面115的截面為梯形形狀，其底面163指向相對表面113。另外，光偏轉器160的垂直截面、即平行於光入射面112的截面為正方形。第一表面161和第二表面162之間的距離隨距光入射面112的距離的增大而增大。第一和第二表面161和162與法線116之間的角度分別是B3和B4。可以優選第一表面161與第二表面162關於法線116對稱。換言之，第一表面161和法線116之間的角度B3以及第二表面162和法線116之間的角度B4彼此相等。在此情況下，光偏轉器160的平行於光發射面115的截面為等腰三角形形狀。圖19的邊緣照明型背光系統的操作和效果不做描述，因為它幾乎與圖3～14所示相同。同時，根據本發明的圖19所示邊緣照明型背光系統也可以按照與圖15～18所示相同的方式改型。另外，當布置多個光偏轉器時，光偏轉器的第一和第二表面與正交於光入射面的法線之間的角度不必彼此相等。可以布置具有不同角度的光偏轉器以獲得理想的出射光分布。
雖然已參考實施例對本發明做了具體的圖示和描述，但本領域技術人員應該理解，在不脫離本發明由所附的權利要求限定的實質和範圍的前提下可以對本發明在各種形式及細節上作出改變。
權利要求
1.一種邊緣照明型背光系統，包括一光導板，光導板包含光入射其中的光入射面和光從其出射的光發射面；一棒狀光源，它將光投射向光入射面；和一多面體光偏轉器，它由透明材料製成並包含第一表面和第二表面，第一表面和第二表面位於正交於光入射面的法線的相對兩側上，並隨著距光入射面的距離增大而彼此更加遠離，其中，光偏轉器設置在光發射面和與光發射面相對的一個表面中的至少一個上。
2.如權利要求1所述的邊緣照明型背光系統，其中，沿光入射面布置多個光偏轉器。
3.如權利要求1所述的邊緣照明型背光系統，其中，光偏轉器具有與光導板相同的折射率。
4.如權利要求1所述的邊緣照明型背光系統，其中，光學偏振器與光導板一體形成。
5.如權利要求1所述的邊緣照明型背光系統，其中，第一和第二表面關於正交於光入射面的法線對稱。
6.如權利要求1所述的邊緣照明型背光系統，其中，第一和第二表面延伸到與光入射面相對的表面上。
7.如權利要求1所述的邊緣照明型背光系統，其中，光偏轉器的平行於光入射面的截面為正方形形狀。
8.如權利要求1所述的邊緣照明型背光系統，其中；光偏轉器的平行於光發射面的截面為三角形形狀，其斜邊為第一和第二表面，底邊與光入射面相對。
9.如權利要求1所述的邊緣照明型背光系統，其中，光偏轉器的平行於光發射面的截面是梯形形狀，其斜邊是第一和第二表面，底邊與光入射面相對。
10.一種利用棒狀光源的邊緣照明型背光系統的光導板，該光導板包括光入射其中的光入射面；光從其出射的光發射面；和光偏轉器，它從光發射面和與光發射面相對的表面中的至少一個突出，光偏轉器的平行於光發射面的截面為三角形形狀，其底邊是與光入射面相對的表面，三角形截面在垂直於光發射面的方向上延伸。
11.如權利要求10所述的光導板，其中，沿光入射面布置多個光偏轉器。
12.如權利要求10所述的光導板，其中，光偏轉器的平行於光發射面的截面是等腰三角形形狀。
13.如權利要求10所述的光導板，其中，光偏轉器的平行於光入射面的截面是正方形形狀。
14.如權利要求10所述的光導板，其中，第一和第二表面延伸到與光入射面相對的表面上。
15.一種利用棒狀光源的邊緣照明型背光系統的光導板，光導板包括光入射其中的光入射面；光從其出射的光發射面；和光偏轉器，光偏轉件從光發射面和與光發射面相對的一個表面中的至少一個突出，光偏轉器的平行於光發射面的截面為梯形形狀，其底邊是與光入射面相對的表面，梯形截面在垂直於光發射面的方向上延伸。
16.如權利要求15所述的光導板，其中，沿光入射面布置多個光偏轉器。
17.如權利要求15所述的光導板，其中，光偏轉器的平行於光發射面的截面是等腰三角形形狀。
18.如權利要求15所述的光導板，其中，光偏轉器的平行於光入射面的截面是正方形形狀。
19.如權利要求15所述的光導板，其中，第一和第二表面延伸到與光入射面相對的表面上。
全文摘要
在此提供了一種包含光導板的邊緣照明型背光系統，其中的光導板包括光入射面、光發射面和光偏轉器。光偏轉器設置在光導板的光發射面以及與光發射面相對的一個表面的至少其中之一上。光偏轉器包括處於正交於光入射面的法線相反側的第一表面和第二表面，隨著距光入射面的距離增大而兩表面分開越遠，第一表面和第二表面垂直於光發射面。
文檔編號G02F1/1335GK1538224SQ20041003025
公開日2004年10月20日 申請日期2004年3月23日 優先權日2003年4月15日
發明者閔池泓, 崔桓榮, 李文圭, 金鎮煥, 崔振承 申請人:三星電子株式會社