Lcd背光源光學組件的製作方法

2023-05-13 17:07:11 1

專利名稱：Lcd背光源光學組件的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)背光源，尤其是涉及一種能夠使LED光源出射光線所涵蓋的角度範圍更為廣闊的LCD背光源光學組件。
背景技術：
液晶顯示器由於具有重量輕，體積小的特性，因此由過去筆記型計算機等小型設備的顯示裝置，逐步應用並已有取代傳統CRT屏幕或電視的趨勢，其也隨著零組件的性能提高，使得LCD面板尺寸、亮度、對比等規格，亦一直在進步提升當中。其中，在大型LCD的發展需求下，足夠的顯像亮度、寬廣的觀看視角、鮮明的影像對比以及較長的使用壽命，已成為研發最主要的重點，因而在此種標準要求下，直下式的背光模塊形態便成為大型LCD發展的技術主流。
現有直下式的背光模塊請參閱圖1，一般LCD由上半部的液晶面板10與下半部提供光源的背光模塊20所構成。背光模塊20主要包括一稜鏡片21、一擴散膜22、一導光板23、一反射罩24與一光源25。目前所利用於直下式背光模塊的光源24包括電激發光(EL)、冷陰極螢光燈(CCFL)、陰極發射燈(CCL)或金屬滷化燈等，其中以冷陰極螢光燈應用最廣。光源24所發射的光線直接穿透導光板23以及具有配光效果的稜鏡片21與擴散膜22，而能均勻的由背光模塊10表面射出，並透射進入液晶面板10中。
以一般使用冷陰極螢光燈的直下式背光模塊與側光式背光模塊相比較，因前者設有較多的燈管數，且光線可直接穿透導光板(有些甚至並未設有導光板)，可避免一些側光的漏失，而使整體的輝度與發光效能大幅提升。然而，燈管數目增多時，其所產生的熱能亦較多，所造成的溫度升高亦會對液晶分子或是彩色光阻產生影響，而有色彩異變的現象，通常必須將背光模塊的厚度增加，以減低此種幹擾，因而不得不加大LCD之厚度體積。除此之外，燈管間的分布排列，相當容易產生明暗條紋的情況，並對齊度產生一定的影響。
因此曾有利用LED光源取代冷陰極螢光燈的背光模塊產生，由於LED光源具有體積小、產熱性低、耗電量低、使用壽命長的特性，加上近來製造技術的進步，其發光亮度不斷提升，且其製造成本亦逐漸降低，目前已逐步應用於各種照明設備中，未來，LED光源更可能取代目前燈泡或日光燈源，而成為照明設備中最重要的發光組件，但是以LED光源作為LCD背光源仍有其存在的問題。請參閱圖2，茲以2θ1/2為120度的表面粘著型(SMD)LED光源30為例(θ1/2係指LED發光強度值為軸向強度值一半時該方向與軸向的夾角，2倍θ1/2即為視角)，其與照射表面在距離為X之情況下，若以其照射所能涵蓋直徑為X長度的圓周範圍內的照度計算，只能達成65％的均勻度。因此，在一定均勻度的需求下，其所能涵蓋的面積較窄，若欲使其光照區域滿布並能均勻，其在大尺寸面板上就必須設置相當多的LED光源，此將耗費相當的成本；若設置數目不足，則將無法克服前述明暗相間隔且光照不均的缺失，而影響到顯像的品質。
實用新型內容為改善已知LCD背光源利用冷陰極螢光燈的高產熱以及齊度較差的缺點，本實用新型將提供一種配合LED光源的透鏡體，作為LCD背光源的背光源光學組件，使LED光源在一定均勻度條件下的照射範圍增加，甚至在該範圍內提升其照射均勻度，並同時能夠減少背光模塊中LED設置的數目，以降低背光模塊的製作成本。
本實用新型的LCD背光源光學組件，包括一透鏡體，該透鏡體呈半球體圓弧狀，並設有一入光面與一出光面，該入光面呈圓弧凸面狀，其曲率由中心軸向外側逐漸變小，而該出光面則呈弧凹面狀，其曲率則由中心軸向外側逐漸變大。其中，該透鏡體的出光面可設有多個呈同心圓排列的配光鏡條，各該配光鏡條的曲率可為零、正或為負。其亦可在出光面表面上以鑽石面的排列方式，布滿多個小配光鏡面，這些小配光鏡面的曲率也可為零、正或為負，而每一小配光鏡面其水平與垂直軸像的曲率亦可為相同或相異。
根據本實用新型LCD背光源光學組件，可使LED光源所發散的光線，經過該透鏡體的折射，改變原光線出射的角度，從而使整體出射光線的角度變大，而能夠涵蓋更大的面積。另一方面，則同時改變出射光線強度的分布，使原本軸向中央光線強度較強的區域，往與軸向較大角度的二端偏移，使出射角度較大光線的強度加強，並降低中央軸向的光線強度，以使LED光源所發出的光線能夠在穿透該透鏡體內部一段距離後，照射到較外圍且較遠距離的表面時，不但不會使均勻度降低，反而可增加其均勻度。因此，利用本實用新型的方法，可使LED光源在作為LCD的背光源時，能夠維持在較高均勻度的水準下，照射涵蓋較已知LED光源所能照射涵蓋面積4倍至49倍的區域，一方面使被照射表面的均勻度提高，另一方面則因照射面積的大幅擴增，能夠配置較少的LED光源，因而亦有大幅降低設備成本的優點。
以下將配合附圖進一步說明本實用新型的實施方式，下述所列舉的實施例用以闡明本實用新型，並非用以限定本實用新型的範圍，任何本領域技術人員，在不脫離本實用新型的精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本實用新型的保護範圍當視後附的權力要求書所界定者為準。


圖1為已知LCD背光模塊的示意圖。
圖2為已知LED光照的示意圖。
圖3為本實用新型實施例LCD的示意圖。
圖4為本實用新型實施例LCD的剖視圖。
圖5為本實用新型實施例LCD背光源的光徑示意圖。
圖6為本實用新型第二實施例的示意圖圖7為本實用新型第二實施例的剖視圖。
圖8為本實用新型第三實施例的示意圖。
圖9為本實用新型第三實施例的剖視圖。
圖10為本實用新型第四實施例的示意圖。
圖11為本實用新型第四實施例的剖視圖。
圖12為本實用新型第五實施例的示意圖。
圖13為本實用新型第六實施例的剖視圖。
圖14為本實用新型第七實施例的示意圖。
圖15為本實用新型第八實施例的示意圖。
圖16為本實用新型第八實施例的剖視圖。
圖17為本實用新型實施例與LED光源組設的示意圖。
圖18為本實用新型實施例光照示意圖。
圖中10液晶面板20背光模塊21稜鏡片 22擴散片23導光板 24反射罩25光源30LED光源40透鏡體41入光面 42出光面43出光面 430配光鏡條431斜面體 432弧凹體433弧凸體 44出光面440小配光鏡面 441小斜面塊442小弧凹塊 443小弧凸塊50基座60中心軸70透鏡體 71入光面72出光面 721垂直切面X 距離Y 直徑Z 光學膜片具體實施方式
請同時參閱圖3與圖4，圖3是本實用新型實施例LCD背光源光學組件的示意圖，而圖4則為LCD背光源光學組件的剖視圖。本實用新型實施例LCD背光源光學組件為一透鏡體40，該透鏡體40為一半球體圓弧狀鏡體，其具有一入光面41以及一出光面42。入光面41為一圓弧凹面，而出光面42則為一圓弧凸面。
請繼續參閱圖4，入光面41的弧凹面以中心軸60為中心點，其曲率由中心軸60向外側，由大逐漸變小。亦即，如附圖中所示，鏡面切線與中心軸60的夾角，由a角度向b角度，再向c角度逐漸變小。而出光面42的弧凸面曲率則由中心軸60向外側由小變大，亦如附圖，鏡面切線與中心軸60的夾角，由A角度向B角度，再向C角度逐漸變大。
因此，請參閱圖5，由LED光源30所發射出的光線，由入光面41進入透鏡體40時經過第一次折射，這些光線再由出光面42經過第二次折射後，射出該透鏡體40。由於入光面41愈接近中心軸60的曲率愈大，因此由該處入射之光線折射角也愈大，使其愈容易往兩側分散射出，而遠離中心軸60的外側區域，則因為曲率小，產生的折射角小，因此在兩側方向的光線並未有較大的偏折。該等光線接觸到出光面42時，則由於愈靠近中心軸60的曲率愈小，其折射角度亦愈小，原本出射的光線角度偏折不大，但遠離中心軸60之外側區域，則因曲率變大，折射角度也增大，進一步使這些出射光往中心軸60兩側偏移，使得LED光源30的出射光線，大幅增加其照射的區域，其同時也由於將光線往兩側偏移折射，也使得兩側的光線強度較中心軸方線的光線強，如此可補強由中心軸外兩側所發射出更遠且分布更廣的光線強度，使其照射在LCD背光源的光學膜片時，能夠維持相當的照度，而使整體照射區域的均勻度提高，以進一步提升LCD顯像的品質。
本實用新型的第二實施例請參閱圖6，本實用新型實施例的透鏡體結構，亦可於前述透鏡體的出光面43表面設置數個呈同心圓分布的配光鏡條430，該配光鏡條430可為曲率為零的斜面體431。每一斜面體431沿出光面43表面的切線，兩兩成一夾角變化，由中心軸60圓心處以同心圓方式，向外側連接延伸。請同時參閱圖7，該圖為本實用新型第二實施例透鏡體的剖視圖。該透鏡體入光面41的曲率變化同前所述，鏡面切線與中心軸60的夾角，由a角度向b角度，再向c角度逐漸變小。而各斜面體431間的曲率變化亦與前述出光面42的變化相同，由中心軸60向外側由小變大，由A角度向B角度，再向C角度逐漸變大。本實施例其出射的光線分布亦與前述透鏡體的光線分布相當類似(請參閱圖5)，同樣具有將LED光源30所發散的光線加以配光，而呈現較大面積的照射範圍。同時根據出射光線向兩側偏移的結果，使中心軸方向的出射光線強度較兩側為低，也根據中心軸外兩側光線強度的補強，提高中心軸外兩側出射光線照射區域的照度，進而提高整體面板上的均勻度，並能提升LCD顯像品質。
本實用新型的第三實施例請同時參閱圖8與圖9，本實用新型實施例的透鏡體，亦可於前述透鏡體的出光面43表面，設置數個呈同心圓分布的配光鏡條430，而該配光鏡條430可為曲率為負的弧凹體432。其亦如前述，每一弧凹體432沿出光面43表面的切線，兩兩成一夾角變化，由中心軸60圓心處以同心圓方式，向外側連接延伸。由於各弧凹體432其曲率為負，因此光線經過弧凹體432表面時，有散射的現象，透鏡體從出光面43的中心軸延伸至外側，皆有弧凹體432的色散效果，可使由弧凹體432出射的光線進行光線的交集混合，而能夠使出射光線產生混光的效果，如此將可提升出射光線的均勻度，而進一步使整體的發光更為均勻，亦有改善LCD顯示品質的效果。
本實用新型的第四實施例請同時參閱圖10與圖11，本實用新型實施例的透鏡體，亦可於前述透鏡體結構的出光面43表面，設置數個呈同心圓分布的配光鏡條430，該配光鏡條430亦可為曲率為正的弧凸體433。其中，每一弧凸體433沿出光面43表面的切線，兩兩成一夾角變化，由中心軸60圓心處以同心圓方式，向外側連接延伸。由於各弧凸體433其曲率為正，因此光線經過弧凸體433表面後，會產生交集的混光效果，如此將可提升出射光線的均勻度，而進一步使整體的發光更為均勻，同時能夠改善LCD的顯示品質。
本實用新型的第五實施例請參閱圖12，本實用新型實施例的透鏡體，亦可於前述透鏡體結構的出光面44表面，設置數個呈鑽石面分布排列的小配光鏡面440，且該小配光鏡面440的曲率可為零。其與前述斜面體431的結構相當類似，而僅將呈同心圓排列的每一斜面體431再分隔出更小鏡面面積的小斜面塊441。因此，本實施例透鏡體的整體結構仍與前述透鏡體40的結構相同，而僅在出光面44表面有所差異。所以原本使LED光源向兩側折射並增加兩側光度強度的效果並未改變，只是，透過這些小斜面塊441的折射作用，使出射光線間會增加彼此交集混光的機會，而具有使該射出光線更為均勻的效果。
另一方面，前述小配光鏡面440的曲率亦可為負或正，而分別形成數個以鑽石面方式排列的弧凹狀或弧凸狀小鏡面集合。請參閱圖13與圖14，其所形成的弧凹狀或弧凸狀小鏡面分別為小弧凹塊442與小弧凸塊443，而分別為本實用新型的第六與第七實施例。各該小配光鏡面440，無論其為小弧凹塊442或是小弧凸塊443，其排列方式與小斜面塊441相同，其差異僅在於小配光鏡面440的曲率，但無論其曲率為何，二者皆有前述將出射光線加以交集混光的效果，亦能夠大幅提升LED光源整體照射的均勻度。前述小弧凹塊442或是小弧凸塊443，其水平與垂直方向的曲率可為相同或相異。
本實用新型的第八實施例請同時參閱圖15與圖16，本實用新型的透鏡體結構，亦可為四邊形半球體弧面鏡體，該鏡體四邊設有四個垂直切面721。該透鏡體70，亦具有一入光面71與一出光面72。入光面71的弧凹面曲率以中心軸60為中心點，由中心向外側逐漸變小，而出光面72的弧凸面曲率則由中心軸60向外側變大。因此，本實施例亦具有前述使LED光源向兩側折射並增加兩側光度強度的效果。而其出光面72，可如前述，設有多個呈同心圓排列的配光鏡條，這些配光鏡條的曲率可為零、正或為負。其亦可在出光面72表面上以鑽石面排列方式，布滿多個小配光鏡面，這些小配光鏡面之曲率亦可為零、正或為負，而每一小配光鏡面其水平與垂直軸像的曲率亦可為相同或相異。
請參閱圖17，透鏡體40可套蓋於一LED光源30上，而該LED光源30則可耦接於一基座50上，用以電性連結，並提供電源。請再參閱圖18，當本實用新型的LCD背光源光學組件應用於背光模塊中時，透鏡體40的入光面41與前述的LED光源30相接設，而出光面42則面向背光模塊中最接近LED背光源的光學膜片Z，而可置於光學膜片Z下方X距離處，則LED光源30射出的光線經由透鏡體40的折射後，可照射到光學膜片Z上直徑為Y長度的圓周區域內，而直徑Y約為距離X之2倍至7倍長。前述所利用的LED光源可為SMD型的LED，或其它形式的LED，而其發光顏色則可為白光或其它依需要的其它色光。
根據本實用新型，由透鏡體40射出的光線，其接近軸向而角度較小的出射光線其強度較低，但其照射距離短，所擴散的面積小，所以照度將略微降低；而出射角度較大的光線，其與被照射表面的距離較遠，且擴散的區域較大，因此會使分布在每一單位面積上的光束照度降低，原本會造成發光角度較大的出射光照度驟降，但在本實用新型中，由於發光角度較大的出射光其強度大幅增加，因此其邊緣處的照度均勻度仍能維持在75％以上。亦即，LED光源軸向0度射出至光學膜片Z的光線照度以100計算時，該等在直徑為2X長度至7X長度的圓周邊緣的光線照度則有75以上。
因此，通過本實用新型的LCD背光源光學組件，可使LED背光源其照射的區域範圍在均勻度75％以上的條件下，較現有LED光源所照射涵蓋面積增加約4倍至49倍之多，一方面使被照射表面的均勻度提高，另一方面則因照射面積的大幅擴增，LCD的背光模塊中能夠配置較少的LED光源，因而亦能夠大幅降低設備所需的成本。
權利要求1.一種LCD背光源光學組件，其特徵在於，包括一透鏡體，該透鏡體呈半球體圓弧狀，並設有一入光面與一出光面，該入光面呈圓弧凸面狀，其曲率由中心軸向外側逐漸變小，而該出光面呈弧凹面狀，其曲率由中心軸向外側逐漸變大。
2.如權利要求1所述的LCD背光源光學組件，其特徵在於該透鏡體的出光面設有多個呈同心圓排列的配光鏡條。
3.如權利要求2所述的LCD背光源光學組件，其特徵在於這些配光鏡條為曲率為零的斜面體。
4.如權利要求2所述的LCD背光源光學組件，其特徵在於這些配光鏡條為曲率為負的弧凹體。
5.如權利要求2所述的LCD背光源光學組件，其特徵在於這些配光鏡條為曲率為正的弧凸體。
6.如權利要求1所述的LCD背光源光學組件，其特徵在於該透鏡體的出光面設有多個以鑽石面分布排列的小配光鏡面。
7.如權利要求6所述的LCD背光源光學組件，其特徵在於這些小配光鏡面為曲率為正的小弧凸塊。
8.如權利要求7所述的LCD背光源光學組件，其特徵在於各該小弧凸塊的垂直與水平曲率相同。
9.如權利要求7所述的LCD背光源光學組件，其特徵在於各該小弧凸塊的垂直與水平曲率相異。
10.一種LCD背光源光學組件，其特徵在於，包括一透鏡體，該透鏡體呈四邊形半球體圓弧狀，並設有一入光面與一出光面，該入光面呈圓弧凸面狀，其曲率由中心軸向外側逐漸變小，而該出光面呈弧凹面狀，其曲率由中心軸向外側逐漸變大，且該出光面的四邊為一平行於中心軸的垂直切面。
專利摘要本實用新型涉及一種能夠使LED光源出射光線所涵蓋的角度範圍更為廣闊的LCD背光源光學組件。本實用新型包括一透鏡體，該透鏡體呈半球體圓弧狀，並設有一入光面與一出光面，該入光面呈圓弧凸面狀，其曲率由中心軸向外側逐漸變小，而該出光面則呈弧凹面狀，其曲率則由中心軸向外側逐漸變大。
文檔編號G02F1/1335GK2788226SQ20052010852
公開日2006年6月14日 申請日期2005年6月1日 優先權日2005年6月1日
發明者謝啟堂, 林長青, 黃博亮 申請人:巨虹電子股份有限公司