CN101469838A - 面光源以及包含面光源的液晶显示器 - Google Patents

Abstract

一种面光源(300)，包括光源(100)和导光板(30)。光源(100)用于发光。导光板(30)具有入射端面(35)和光出射面(31)，光入射于所述入射端面，入射于所述入射端面的光从所述光出射面出射。此外，导光板(30)具有折射率n。入射端面(35)具有多个凹陷部分。由多个凹陷部分形成的面和入射端面(35)的切面(37)间的角度不大于(90－2·arcsin(l/n))度。

Description

面光源以及包含面光源的液晶显示器

技术领域

本发明涉及包含具有导光板的面光源的显示器，以及背面被面光源照射的显示面板。

背景技术

作为诸如从后面照射液晶显示面板的背光等面光源，众所周知面光源包括诸如LED等光源和导光板，在导光板的入射端面接收到来自光源的光，然后将其扩散发射。优选情况下，这样的面光源在整个光出射面上呈现出均匀的发光强度。然而，此处的问题是，在入射端面的附近发光强度是不均匀的。

日本专利未审公开2005-071971公开了一种被配置为解决上述问题的面光源，其中在入射端面形成多个棱镜，并适当地调整相邻棱镜间的距离以及棱镜的倾角。根据公开，可以相应地减小在入射端面附近形成的阴暗部分。

然而，就在上面引用的出版物中公开的面光源而言，对发光强度均匀性的改进是不够的。此外，并未考虑从导光板的侧端面泄露出来的光。因此，如果光从这部分泄露出来，则会引起光的使用效率降低的问题。

发明内容

一种根据本发明的面光源，包括光源和导光板。光源用于发光。导光板具有入射端面和光出射面，光入射于所述入射端面，入射于所述入射端面的光从所述光出射面出射。所述导光板具有折射率n。所述入射端面具有多个凹陷部分。由所述多个凹陷部分形成的面和所述入射端面的切面间的角度不大于(90-2·arcsin(1/n))度。

优选地，所述光源被配备在相对于所述入射端面的切面与所述导光板相分离的位置处。

优选地，所述多个凹陷部分都是圆弧形的。

优选地，所述多个凹陷部分都是三角形的。

一种根据本发明的液晶显示器，包括上述面光源和液晶显示面板。液晶显示面板的背面被所述面光源照射。

使用根据本发明的面光源，可以使面光源的入射端面的附近的发光强度更加均匀，并抑制光使用效率的下降。

根据以下结合附图的本发明的详细说明，本发明的前述和其他目的、特征、方面以及优势将变得更加显而易见。

附图说明

图1A示出了本发明第一实施例中发光器件的形状。

图1B是沿图1A中IB-IB线的剖视图。

图2A和2B均示出了本发明第一实施例中阵列光源的形状。

图3A至3C均示出了本发明第一实施例中面光源的结构。

图4A和4B是部分图，分别示出了本发明的第一实施例的第一和第二变型中面光源的相应结构。

图5A示出了在本发明第一实施例中入射端面为凹陷圆弧形的情况下的光线轨迹。

图5B示出了在对比示例中入射端面为平面的情况下的光线轨迹。

图6A和6B分别是一幅示意图和一幅曲线图，示出了在大气和折射率n＝1.59的导光板的交界面上入射角和反射角间的关系。

图7示出了入射端面为凹陷圆弧形的情况下的光线轨迹。

图8示出了在入射端面和反射侧表面间传播的光线轨迹。

图9A至9C分别是本发明的第二实施例中液晶显示器的剖视图。

图10A和10B分别示出了本发明的第三实施例中面光源的入射端面的附近区域。

图11示出了本发明的示例2中的光线轨迹。

图12A和12B示出了线光源和包含本发明的示例3中的线光源的面光源的入射端面的附近区域。

具体实施方式

<第一实施例>

<发光器件>

参考图1A和1B，发光器件100是光源，具有所谓树脂成模型封装的封装形式，并且包括：基板11、芯片键合(die-bond)在基板上的芯片12、和覆盖上述组件的树脂13，并且事先将荧光体14散布在树脂13中。

芯片12是发出初级光的氮化物半导体发光器件，所述初级光是发光峰值波长约为450nm的蓝光。

基板11是由高导热材料形成的，其目的是为了立即散发驱动芯片12时所产生的热量。优选地，用诸如陶瓷等散热较快的材料制造基板。此外，基板包括事先形成的用于为芯片12供电的导线或类似物。

对于树脂13，优选使用对初级光和二级光具有高耐受性的硅树脂或类似物。在树脂13中，事先散布荧光体14，荧光体14吸收初级光，并发出波长与初级光波长不同的二级光。

对于荧光体14，可以使用黄色荧光体，其吸收初级光并发出峰值波长约为560nm的黄光二级光。

此外，除了上述黄色荧光体，还可以使用吸收初级光并分别发出红色二级光和绿色二级光的红色荧光体和绿色荧光体。

发光器件100被配置为发出白色出射光，白色出射光是从芯片发出的初级光和二级光的混合光，其中，初级光透过树脂13，散布在树脂中的荧光体14吸收一部分初级光，以发出二级光。

此外，除了发蓝光的芯片12，还可以将发出初级光的芯片同吸收所述初级光以发出红色二级光、绿色二级光、和蓝色二级光的荧光体结合使用，其中，所述初级光是紫外光。

因此，至少将两种或更多种不同类型的荧光体散布在树脂13中，使得出射光的光谱分布可以包含足够的红色分量，并使显色性(colorrendering property)同只使用黄色荧光体的情况相比得到改进。

发光器件100的发光强度的角度依赖性(称为朗伯分布)可以用cosθ来表示，其中角度θ是与光出射面法线方向(即发光器件的光轴)的夹角。根据该分布，沿光轴方向的分量具有最高的发光强度，而侧向分量具有随角度增加逐渐降低的发光强度。

对于发光器件100而言，当在基板11的表面和封装的外表面发生全内反射时，发光器件中不包含包围芯片12的诸如反射器等反射构件。因此，当出射光的方向性较宽时，由于因多次反射而返回封装内并相应地受到衰减的光分量较小，因而光的提取效率较高。

参考图2A和2B，阵列光源200包括：安装基板21、以线性方式部署在基板上的多个发光器件100，阵列光源200被设计为使出射光沿将于稍后予以描述的导光板的一侧输入，并且具有带状形状。安装基板21由高导热材料形成，以便立即散发由发光器件100所产生的热量，优选地用诸如铝等散热较快的材料制造基板。此外，事先形成用于为发光器件100供电的导线或类似物。

此处，可以通过集成封装三种或更多种不同类型的分别发射蓝光、绿光、和红光的芯片，从而将这些光混合成所要发射的白光的方式配置发光器件100。可选地，发光器件100可以是发射蓝光、绿光、和红光中的任意一种光的发光器件，并且可以将发射各种光的发光器件进行组合，以配置阵列光源200。采用以上配置中的任意一种配置，当光线在导光板中传播时，从发光器件100发出的光的各种颜色就会发生混合，因而可以进一步减轻颜色的不均匀性。

<导光板>

参考图3A至3C，面光源300包括导光板30，接收从阵列光源200发出的光，并对其进行扩散发射；优选地，用高度透明的材料(如聚碳酸酯或丙烯酸树脂)制造导光板。在导光板30中，为了提取出射光并实现发光强度的面内均匀性，将对光进行散射的二氧化硅、聚合物或类似物质的散射粒子(未示出)散布在导光板内。

在平面图内，导光板30是矩形的，并包括：光出射面31、背面32、入射端面35、以及反射侧表面39，其中，光出射面31是光线射出的一侧，入射端面35是一对沿导光板30的纵向延伸、并彼此上下相对的端面，反射侧表面39是一对沿入射端面垂直延伸、并在导光板30的侧向上彼此相对的端面。

光出射面31是平的。相反，背面32在中心线CL附近具有最大厚度，并且是倾斜的，从而距导光板30的顶端和底端越近，厚度越小。因此，除了例如将于稍后予以描述的入射端面35的部分以外，在纵向剖面内，导光板30是扁平的五边形，基本是楔形的。

在分别沿导光板30的顶端和底端上一侧延伸的入射切面37上，用多个连续的凹陷圆弧形成入射端面35，所述凹陷圆弧的间距与安装在阵列光源200上的发光器件100的间距相等，所述阵列光源200与入射端面35相对。

就用于制造导光板30的方法而言，存在一种方法，根据该方法事先通过挤压(extrusion)的方法形成剖面为扁平五边形的板，接着在入射切面37上形成入射端面35。就用于形成入射端面35的方法而言，可以通过激光加工的方式形成凹陷圆弧的形状。还可以通过使用具有凹陷圆弧形刃的切割设备切割入射切面37的方式形成入射端面。

可选地，还可以通过使用凹模进行压缩成形的方式制造导光板，所述凹模具有导光板30形状的浅碟形凹陷。

应当注意的是，本发明的主要特征是入射端面35具有预定形状，因此，导光板30的形状不局限于上述形状。例如，导光板30的背面32可以具有中心线附近厚度最小，距导光板30的顶端和底端越近厚度越大的倾斜表面。此外，导光板30可以具有厚度朝导光板30的顶端和底端之一单调下降的倾斜表面，并且可以将稍后将予以描述的阵列光源200配备在顶端和底端中的一端上。此外，光出射面31和背面32可以平行延伸。

此外，为了提取出射光并实现发光强度的面内均匀性，除了按上述方式提供散射粒子外，还可以在导光板30的背面32上形成点图案或纹理图案。此外，为了提取出射光，可以在背面32上配备反射板。

<面光源>

参考图3A至3C，面光源300包括例如：框架41、配备在其上的阵列光源200、以及接收来自光源的光，并将其扩散和发射的导光板30。

在框架41的顶端和底端，阵列光源200分别被配置于基本沿相应侧直线延伸的相应平面上，并且彼此相对。导光板30被配备在分别被配置于框架41的顶端和底端的成对的阵列光源200之间。发光器件100的光出射面与导光板30的入射端面35相对，因此入射光几乎垂直于入射端面。在入射端面35和发光器件100之间，形成缝隙，从而可以吸收由环境温度改变导致的导光板30的尺寸变化。

就框架41而言，为了支撑例如阵列光源200和导光板30，并抑制面光源300的温度升高，优选用高机械强度和散热较快的金属或类似物来形成框架。

此外，在框架41的表面上配备棱43，所述棱形成脊和沟，从而增大了用于散热的表面区域和机械强度，并且可以将框架41制造得更薄。此处，棱43沿从顶部到底部的方向配置，使热量得以通过对流的方式从框架41的底部向顶部消散，因而更加有效。

在导光板30的顶端和底端分别配备反射构件36，每个反射构件覆盖阵列光源200和入射端面35间的部分。因此阵列光源200发出的光被反射构件36反射，并有效地导入导光板30。

利用配备于基本上沿着位于框架41的顶端和底端的相应侧成直线延伸的相应部分的夹具42夹持住导光板30的两端，使导光板30形成松弛的连接，从而可以吸收由环境温度改变导致的导光板30的尺寸变化和环境温度改变对导光板30的影响。

以下，将描述面光源300的功能和效果。

参考图5A，阵列光源200被部署为，将多个发光器件100安装在阵列光源上，并且与在入射切面37(图3A)上形成的具有多个连续的凹陷圆弧的入射端面35彼此相对。

从发光器件100发出的光直接入射于入射端面35，或被覆盖在缝隙上的反射构件36(图3B，3C)反射，然后入射于导光板30，在导光板30中传播，同时被包含在导光板中的散射粒子散射，直接从导光板30的光出射面31(图3C)射出，或在经倾斜表面反射后从导光板30的光出射面31(图3C)射出。

以下，将描述面光源300的效果。

面光源300的一个效果是抑制亮线，这是通过形成凹陷形(如凹陷圆弧形)入射端面35来实现的。

此处，将在以下对亮线进行描述。

参考图6A和6B，此处假设在入射端面35(图5A)上，导光板30上的入射角为θi，出射角为θr。根据斯涅耳定律，当θi从0度增加至90度时，θr也随θi的增加而增加。当θi为90时，θr达到临界角θc，后者是θr的上限。例如，假设导光板的折射率为n＝1.59，则临界角为θc＝arcsin(1/n)＝39度。当θi从0度增加至60度时，θr相应地从0度增加至33度。因此，θi每增加1度，θr就增加0.55度。类似地，当θi从60度增至90度时，θr相应地从33度增至39度。因此，θi每增加1度，θr就增加0.2度。

由上述可见，虽然θr开始时线性增加，但θr的增量随θi的增加而逐渐减小。换言之，当θr向θc逼近时，光密度增加，因此如果入射端面35是平面，以约θc的出射角传播的光将引起亮线。

例如，如图5B所示，如果入射端面35是平面，将由于上述原因而产生亮线。此外，将在位于锥形区域外的区域内产生阴暗部分，所述锥形区域是由与交界面的法线所成的夹角小于临界角θc的区域形成的。

以下，将用附图和公式描述入射端面35的剖面形状为凹陷圆弧形时的效果。

参考图7，导光板30具有其上形成入射端面35的入射切面37。为了说明的目的，图7将光源示为点光源，并仅仅示出了入射端面的一个凹陷圆弧。

入射端面35是由圆弧形成的面，圆弧的圆心为O，曲率半径为r0，深度为h。此外，假设通过圆心O的入射切面37的法线为z轴。还假设点光源的发光点L位于入射切面37与z轴的交点。还假设从发光点L以出射角γ′发出的光与入射端面35的交点为入射点P。

由于γ和γ′是补角，因此适用以下的加法定理。

sinγ＝sinγ′

对于三角形OLP，适用以下的正弦定理。

r0/sinγ＝b/sinβ

对上式进行整理，得到以下公式。

sinβ＝(b/r0)·sinγ′...(1)

应用以下斯涅耳定律。

sinβ＝n·sinβ′

因此，可以推导出以下公式。

sinβ′＝(1/n)·sinβ

＝(1/n)·(b/r0)·sinγ′...(2)

由于β+θ＝γ′，因此可以推导出以下公式。

θ＝γ′-β...(3)

由于γ′可由公式(1)至(3)确定，因此可以相应地确定θ和β′。换言之，由在导光板30中传播的光与z轴形成的角度(角度：θ+β′)相对于发光点L发出的光的出射角γ′是唯一确定的。

图5A示出了用上述方法确定的光的轨迹。从图中可见，入射端面35是凹陷圆弧形的，使得光密度比较均匀，因而可以抑制亮线的产生。此外，由于入射点P散布在整个凹陷圆弧上，因此可以减小明亮部分和阴暗部分间发光强度的差异。

根据上述说明，当来自树脂成模型发光器件的光以较宽的方向性直接入射于平坦的入射面35时，将产生亮线和明亮/阴暗部分。相反，如果入射端面35是凹陷圆弧形，则可以抑制亮线和明亮/阴暗部分的产生，从而使发光强度比较均匀。

虽然在图3A所示的配置中，阵列光源200和入射切面37彼此毗邻，且发光器件100配备于入射端面35的凹陷圆弧内部，然而本发明的配置并不局限于此。例如，如图4A所示，可以将发光器件100部署为使得器件的一部分位于凹陷圆弧内部，或者可以将发光器件100配置为与入射端面35相分离。

此外，虽然图3A所示的配置中发光器件100的配置间距与形成入射端面35的凹陷圆弧的间距相同，且器件和凹陷圆弧分别彼此相对，但本发明的配置并不局限于此。例如，如图4B所示，发光器件100的光轴和入射端面35的凹陷圆弧的中心线可以彼此错开。在这种情况下，虽然光线轨迹不是对称的，仍可以实现对亮线和明亮/阴暗部分进行抑制的效果。

此外，入射端面35可以具有粗糙的表面，从而同样实现抑制亮线和明亮/阴暗部分的效果。

该面光源的另一效果是较高的光使用效率。

参考图8，如果深度h相对于圆弧的曲率半径r0增加，则光线将以更接近于与反射侧表面39垂直的角度入射，并且无法满足全内反射条件。因此，光线将通过该部分泄露到大气中去。因此，可以相对曲率半径r0适当地对深度h进行设置，使反射侧表面39上发生光的全内反射，并使光在导光板内传播，以提高光的使用效率。

就满足使导光板中的光在反射侧表面39上发生全内反射的条件而言，优选将由入射切面37和位于圆弧与入射切面37相交位置的圆弧的切线所形成的角度设置为例如(90-2·θc)度。下面将说明这样做的原因。

在图8中，假设具有凹陷圆弧形的入射端面35与入射切面37的交点为入射点P，由凹陷圆弧的切面和入射切面37形成的角度为α。如果需要确定在反射侧表面39上发生全内反射的条件，考虑以最接近于直角的角度入射于反射侧表面39的光线轨迹就足够了。因此，以下将考虑入射于入射点P的光线轨迹。

以最大入射角入射于入射点P的光在导光板30内以相对于入射切面37的法线成(α+θc)度的角度传播，并以90-(α+θc)度的入射角到达反射侧表面39。

在导光板30内传播的光在反射侧表面39上发生全内反射的条件是，该入射角大于临界角θc：

90-(α+θc)>θc(度)，重新整理上式可得(90-2·θc)>α(度)。

此处，以最大入射角入射于入射点P的光是沿凹陷圆弧表面入射的光。然而，在实际面光源中，发光点L的位置与凹陷圆弧相隔更远。因此，α的值可能比上述值稍大。

因此，凹陷圆弧将入射于入射端面35的光扩展，使其到达反射侧表面39，在反射侧表面39发生光的全内反射，从而使光依然在导光板内传播。因此，光的使用效率较高。

<第二实施例>

参考图9A至9C，液晶显示器400被配置为包括：面光源300和液晶显示面板51，液晶显示面板51被配置于面光源正上方，面光源从后面照射面板。因此，液晶显示器400包括面光源300，从而可以提供发光强度非均匀性较弱的优质显示器。特别地，在入射切面37附近，发光强度的非均匀性较小。此外，可以实现较低的功耗。

<第三实施例>

参考图10A和10B，本实施例的特征在于，导光板30是由彼此通过间隙分隔的导光板30a和多个导光板30b形成的，导光板30a包含中心线，导光板30b包含入射端面35a。此外，在导光板30b的入射切面37上，形成三角形的入射端面35a，而不是剖面为凹陷圆弧形的入射端面35。优选地，包含反射构件36，以覆盖导光板30a和30b间的间隙。

从发光器件100发出的光的传播方向因导光板30b发生转向，并直接通过缝隙或在经反射构件36反射后入射于导光板30a的端面。

如果面光源300的环境温度发生改变，导光板30和其上安装了多个发光器件100的安装基板21(图2B)将因各自线性膨胀系数间存在差异的缘故而改变尺寸，因而发光器件100和入射端面35可能发生错位。然而，导光板30缝隙的存在可以吸收尺寸改变。此外，由于全内反射发生于多个导光板30b的各反射侧表面处，因此从缝隙部分泄露的光具有很小的影响。

此外，优选地，将三角形的入射端面35a相对于入射切面37的倾角设置为(90-2·θc)度，其原因同将入射端面35形成为凹陷圆弧形时相同。

可以同时将导光板30分离为导光板30a和30b，并在入射切面37上形成入射端面35a，也可以只实现其中之一。

此外，可以通过采用导光板30a包含散射粒子而导光板30b不包含散射粒子的结构提高光的使用效率。形成三角形的入射端面35a，以满足使入射光在反射侧表面39上发生全内反射的条件。虽然散射粒子的作用是通过散射导光板中的光来提取出射光，但一部分光并不满足在反射侧表面39发生全内反射的条件，因此光可能会泄露到大气中去。因此，在某些情况下，优选地导光板30b不包含散射粒子。

就导光板30的制造而言，由于具有复杂形状(如入射端面35a)的导光板30b和形状相对简单的导光板30a是分开配置的，因此更加易于制造。例如，具有较小尺寸和复杂剖面形状的导光板30b可以同导光板30a分开制造，这样制造的优势在于提高了加工精度和产量。

<示例1>

参考图5A，本示例是在导光板30的入射端面35上具有多个连续凹陷圆弧的面光源。

在入射切面37(图3A)上，形成具有多个连续凹陷圆弧的入射端面35，并且相邻凹陷圆弧间彼此的间距为9mm。圆弧的曲率半径为r0＝20.59mm，深度为h＝0.5mm。导光板30的材料是折射率为n＝1.59、临界角为θc＝39度的聚碳酸酯。因此，导光板被形成为，由入射切面37和圆弧的切线所形成的角度小于等于(90-2·θc)＝12度。

在上述导光板中，在导光板30中传播的光在反射侧表面39上发生全内反射，因而光依旧在导光板30中传播。因此，光的使用效率较高。此外，入射切面37附近的发光强度的非均匀性较小。

<示例2>

参考图11，本示例是在导光板30的入射端面35a上具有多个连续三角形部分的面光源。

在入射切面37(图3A)上，形成具有多个连续三角形部分的入射端面35a，并且相邻三角形部分间彼此的间距为9mm，深度为h＝0.96mm。导光板30的材料是折射率为n＝1.59、临界角为θc＝39度的聚碳酸酯。因此，导光板被形成为，由入射切面37和入射端面35a所形成的角度小于等于(90-2·θc)＝12度。采用这种结构，同样可以获得与示例1相同的功能以及效果。

<示例3>

参考图12A和12B，本示例的特征为，包含线光源200a而不是在第一实施例中所描述的阵列光源200。以下，将不再重复描述在第一实施例中描述过的组件，并将对不同的组件加以描述。

线光源200a包括：芯片键合在安装基板21上的多个芯片12、单独覆盖在芯片上的树脂13a、以及覆盖所有上述组件的树脂13b。在树脂13a中散布荧光体14(未示出)。线光源被形成为，从芯片12发射初级光，由荧光体14部分吸收初级光，然后发出二级光，初级光和二级光混合，从而发出白光。

此外，树脂13b的表面具有剖面呈V形的凹陷部分，凹陷部分位于芯片12的正上方，以及彼此相邻的芯片之间。因此，改进了纵向发光强度的均匀性。此处，配备树脂13b是为了实现导光的功能，因此可以不在树脂13b中散布荧光体14。

在面光源300中，入射端面35和线光源200的光出射面被部署为彼此相对。采用这种结构，同样可以获得与示例1等效的功能和效果。

虽然对本发明进行了详细的说明和阐释，但应当理解的是，这仅仅是以示例和说明的方式作出的，而不是以限制的方式作出的，本发明的范围应理解为由所附权利要求所限定。

本非临时申请基于2007年12月28日向日本专利局提交的日本专利申请2007-338458，并将其全部内容合并于此以作参考。

Claims (5)

1.一种面光源，包括：

用于发光的光源；以及

导光板，具有入射端面和光出射面，并具有折射率n，光入射于所述入射端面，入射于所述入射端面的光从所述光出射面出射，其中

所述入射端面具有多个凹陷部分，由所述多个凹陷部分形成的面和所述入射端面的切面间形成的角度不大于(90-2·arcsin(1/n))度。

2.根据权利要求1所述的面光源，其中，所述光源被配备在相对于所述入射端面的切面与所述导光板相分离的位置处。

3.根据权利要求1所述的面光源，其中，所述多个凹陷部分都是圆弧形的。

4.根据权利要求1所述的面光源，其中，所述多个凹陷部分都是三角形的。

5.一种液晶显示器，包括：

如权利要求1所述的面光源；以及

背面被所述面光源照射的液晶显示面板。

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