CN1538224A - 具有光偏转器的光导板以及边缘照明型背光*** - Google Patents

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Abstract

在此提供了一种包含光导板的边缘照明型背光***，其中的光导板包括光入射面、光发射面和光偏转器。光偏转器设置在光导板的光发射面以及与光发射面相对的一个表面的至少其中之一上。光偏转器包括处于正交于光入射面的法线相反侧的第一表面和第二表面，随着距光入射面的距离增大而两表面分开越远，第一表面和第二表面垂直于光发射面。

Description

具有光偏转器的光导板以及边缘照明型背光***
技术领域
本发明涉及一种背光***，并尤其涉及一种利用光导板和棒状光源的边缘照明型背光***。
背景技术
背光***主要用在非发光平板显示器(FPD)中，如液晶显示器(LCD)中，以确保适当的光度或亮度。背光***根据光源的分布分类为直接照明型背光单元和边缘照明型背光单元，其中直接照明型背光单元中光源安置在FPD的下面以直接向FPD发射光束，而边缘照明型背光单元中光源沿光导板的边缘表面安装以经光导板向FPD发射光束。
边缘照明型背光***可以使用棒状光源和点光源两种光源。作为具有代表性的棒状光源，有冷阴极荧光灯(CCFL)，它是由一根两端带有电极的管组成。作为具有代表性的点光源，有一种发光二极管(LED)。CCFL有很多优点，如能够发射强白光，获得高亮度和均匀性，从而应用到大FPD。
图1是利用棒状光源的传统边缘照明型背光***的透视图，图2是图1所示的传统边缘照明型背光***的平面图。
参见图1，CCFL20安装在光导板10的一个边缘表面13处。光路改变单元30设置在光导板10的底面11上，为了将从CCFL20引入的光经光发射面12发出的目的而改变光路。
可以将棒状光源认作是点光源的延续。因此，如图2所示，光从CCFL 20在一个±90°角A1的范围内发出并经边缘表面13进入光导板10。在光于光导板10内传播的情形中，当在入射到光导板10内的一个表面上的光与该表面的法线之间形成的角度(该角度公知为入射角)小于临界角时，光穿过该表面。否则，光被全反射。通过重复反射，光可以通过光导板10传播。
为了经光发射面12发出光线，光入射到该光发射面12的角度应该小于临界角。在引入光导板10的光线中，已经被全反射一次的光线不能通过光导板10而排出，除非它们的路径发生了改变。光路改变单元30散射、衍射等改变光经过的路径，使得光可以穿过光发射面12。
在全息图案用作光路改变单元30以衍射光束并改变光路的情形中，当光相对于全息图案形成大约90°角的同时进入全息图案时衍射最为有效。入射到全息图案上的光的角度分布越小，光发射面12的亮度越均匀。当亮度不均匀时，被背光***照明的FPD(未示出)的屏幕遭受不均匀的亮度。
日本专利公开JP11-144514公开了一种利用棒状光源的照明装置，其中光导板包括多个光导部分以提高光导板的光发射面上的亮度。
发明内容
本发明提供了一种利用光偏转器的光导板和一种采用该光导板的边缘照明型背光***，其中光偏转器偏转光导板内部传播的光线以减小方向角的范围。
根据本发明的一个方面，提供了一种边缘照明型背光***，包括：一光导板，光导板包含光入射其中的光入射面和光从其出射的光发射面；一棒状光源，它将光线向光入射面投射；和一多面体光偏转器，它由透明材料制成并包括第一表面和第二表面，第一表面和第二表面处于正交于光入射面的法线的相反侧，并随着距光入射面的距离增大而彼此更加远离，其中光偏转器设置在光发射面和与光发射面相对的一个表面中的至少一个上。
可以沿光入射面布置多个光偏转器。另外，光偏转器可以具有与光导板相同的折射率。在此情况下，光学偏振器可以与光导板一体地形成。
第一和第二表面可以相对于正交于光入射面的法线对称。
第一和第二表面可以延伸到光入射面和与光入射面相对的表面之间的预定位置，并且可以向上延伸到与光入射面相对的表面上。
光偏转器的平行于光入射面的截面可以为正方形形状。
光偏转器的平行于光发射面的截面可以为三角形形状，其斜边为第一和第二表面，底边与光入射面相对。光偏转器的平行于光发射面的截面可以是梯形形状，其斜边是第一和第二表面，底边与光入射面相对。
根据本发明的另一方面，提供了一种利用棒状光源的边缘照明型背光***的光导板，该光导板包括：一光入射其中的光入射面；一光从其出射的光发射面；和一光偏转器，光偏转器从光发射面和与光发射面相对的表面之一突出，光偏转器的平行于光发射面的截面为三角形形状，其底边是与光入射面相对的表面，三角形截面在垂直于光发射面的方向上延伸。
可以沿光入射面布置多个光偏转器。另外，光偏转器的平行于光发射面的截面可以是等腰三角形形状。
根据本发明的另一方面，提供了一种利用棒状光源的边缘照明型背光***的光导板，光导板包括：光入射其中的光入射面；光从中出射的光发射面；和光偏转器，光偏转器从光发射面和与光发射面相对的一个表面中的至少一个突出，光偏转器的平行于光发射面的截面为一种梯形形状，其底边是与光入射面相对的表面，梯形截面在垂直于光发射面的方向上延伸。
可以沿光入射面布置多个光偏转器。光偏转器的平行于光发射面的截面为等腰三角形形状。
附图说明
通过下面参考附图对实施例的详细描述，本发明的上述及其它特点和优点将变得更加清晰，其中：
图1是利用棒状光源的传统边缘照明型背光单元的透视图；
图2是图1所示传统边缘照明型背光单元的平面图；
图3是根据本发明优选实施例的边缘照明型背光***的透视图；
图4是沿图3中I-I′线的截面图；
图5是沿图3中II-II′线的截面图；
图6是用于解释图3所示边缘照明型背光单元的操作的平面图；
图7是用于解释图3所示边缘照明型背光单元的操作的侧视图；
图8是表示不使用光偏转器时在相对表面发射的光的分布模拟曲线；
图9和10是表示当光偏转器的第一和第二表面与正交于光入射面的法线之间的角度改变时在相对表面发射的光的分布模拟曲线；
图11和12是表示当光偏转器的厚度改变时在相对表面发射的光的分布模拟曲线；
图13是当不使用光偏转器时从光导板发出的光的分布的模拟曲线；
图14是当使用光偏转器时从光导板发出的光的分布的模拟曲线；
图15～18是图3所示边缘照明型背光单元的改进实例的平面图；和
图19是根据本发明另一实施例的边缘照明型背光单元的透视图。
具体实施方式
下面通过参考附图对本发明做更全面的描述，其中展示了本发明的优选实施例。
图3是根据本发明优选实施例的边缘照明型背光***的透视图，图4是沿图3中I-I’线的截面图，图5是沿图3中II-II’线的截面图。
参见图3～5，光导板110具有平板形状。冷阴极荧光灯(CCFL)120安装在光导板110的边缘表面112处。在光导板110的顶面114处布置多个光偏转器150。在光导板110的底面115处设置一个光路改变单元130。
光导板110由透明材料制成。一般地，光导板110由折射率为1.49、比重为1.19的透明丙烯酸树脂制成。为了减轻重量，也可以用比重为1.0的透明烯属树脂作为光导板。根据本发明优选实施例的光导板110由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成。光导板110具有1～3mm范围的厚度。要减轻重量，可以使光导板110为楔形形状，其随着远离光所引入的边缘表面112而变薄。光导板110的大小取决于平板显示器(未示出)、如液晶显示器(LCD)的大小。
以下将边缘表面112称为光入射面112，从CCFL120发出的光入射其上。从其发出光线的光发射面变成顶面114或底面115或二者。在本实施例中，将底面115取为光发射面，并在后面称为光发射面115。
图4，即：光偏转器150的平行于光发射面115的截面，示出了一系列三角形。另外，图5，即：光偏转器150的平行于光入射面112的截面，示出了正方形。因此，光偏转器150每个包括位于正交于光入射面112的法线116相对两侧的第一表面151和第二表面152。第一表面151和第二表面152之间的距离随着从光入射面112朝向相对表面113的距离的增大而增大。第一表面151和法线116之间的角度表示为B1，第二表面152和法线116之间的角度表示为B2。如图2所示，因为从CCFL120的发射点发出的光线大致关于光轴对称，所以优选角度B1和B2相等。也就是说，优选第一表面151和第二表面152关于法线116对称。在此情况下，光偏转器150平行于光发射面115的截面为一系列等腰三角形形状。
由透明材料制成的光偏转器150可以与光导板110耦合。在此情况下，优选光偏转器150由具有与光导板110相同折射率的材料制成，使得光偏转器150的临界角与光导板110的一致。更优选光偏转器150与光导板110一体形成。
虽然在本实施例中沿光入射面112布置四个光偏转器150，但光偏转器150的数量不限于四个，在其它的实施例中可以不止四个或少于四个。
为了经光发射面115发射光束，入射到光发射面115上的光相对于正交于光发射面115的法线的夹角、以下称作“入射角”、应该小于临界角。因此，在穿过光导板110的光线中，已经被全反射一次的光线不能从光导板110发出，除非其光路有所改变。光路改变单元130通过散射、偏转等改变光的传播方向。然后，在光路有所变化的光线中，具有小于临界角的入射角的光线透射过光发射面115而被排出，其余的光线再次反射。反射光线沿其运行的路径由光路改变单元130改变，使得反射光再次入射到光发射面115。作为光路改变单元130，例如可以使用一种散射光线的散射图案或是衍射光线的全息图案。光路改变单元130可以设置在光发射面115以及与光发射面115相对的顶面114其中之一或二者上。在图3所示的优选实施例中，作为光路改变单元130，采用了一种全息图案，其上形成有平行于光入射面112的衍射光栅。
图6和图7分别是用于解释图3所示边缘照明型背光单元的操作的平面图和侧视图。如上所述，CCFL120可以认作是点光源的延续。为了简单起见，图6只示出了CCFL120上四个光发射点的光路。
参见图6和7，从CCFL120辐射的光经光入射面112进入光导板110。从CCFL120辐射的光具有A3方位角和大约±90°的仰角C1。从CCFL120辐射的光在光入射面112处被折射，使得其具有A4的方向角和大约±42°的仰角C2。在光导板110的内部，以大于临界角的角度入射到任何表面的光经历反复的全反射并穿过光导板110。
穿过光导板110的光具有如图7所示的仰角为C2的分量。因此，光入射到如图6和7所示的光偏转器150上。入射到光偏转器150上的光被第一表面151或第二表面152反射，这两表面是光偏转器150和外部介质、例如空气之间的界面。当光偏转器150由具有与光导板110相同折射率的材料制成时，光偏转器的临界角与光导板110的临界角相同。因为随着距光入射面112的距离增大而第一表面151和第二表面152变得彼此更加远离，所以在第一表面151和第二表面152上反射的光的方向角减小。也就是说，第一表面151和第二表面152起着准直光导板110内部的光线的作用。
现在，在参考根据是否采用光偏转器150而在相对表面113发射的光分布的模拟结果的同时，解释本发明背光***的效果。用于模拟的光导板110具有42.6mm×32mm的尺寸以及1mm的厚度。光偏转器150具有42.6mm的长度。
图8是不采用光偏转器150时在相对表面113处反射的光的分布的模拟曲线。
图9和10是表示当光偏转器的第一表面151与法线116之间的角度B1以及光偏转器150的第二表面152与法线116之间的角度B2改变时在相对表面113处发射的光的分布模拟结果曲线。图9表示B1＝B2＝1°、并且沿光入射面112布置20个光偏转器150的情形，而图10表示B1＝B2＝0.3°、并且沿光入射面112布置64个光偏转器150的情形。光偏转器150的厚度为0.2mm。
图11和12分别是光偏转器150的厚度T为0.1mm和0.5mm时在相对表面113处发射的光的模拟分布曲线。第一表面151和法线116之间的角度B1以及第二表面152和法线116之间的角度B2具有B1＝B2＝1°的关系。沿光入射面112安装20个光偏转器150。
在图8～12的曲线中，“垂直角”和“水平角”分别代表仰角C2和方向角A2。
在图8的情形中，发射到相对表面113的总光通量为79.74，光通量/球面度为29.1，强度为最大半宽度处的角度(FWHM)为55°。在图9的情形中，发射到相对表面113的总光通量为80.33，光通量/球面度为34.2，FWHM为48°。在图10的情形中，发射到相对表面113的总光通量为79.74，光通量/球面度为33.8，FWHM为48°。参见图11，发射到相对表面113的总光通量为79.87，光通量/球面度为31.6，FWHM为51°。参见图12，发射到相对表面113的总光通量为80.87，光通量/球面度为40.5，FWHM为38°。
在图9、图10与图8比较时，因为仰角C2没有变化，所以当仰角C2改变时所发出的光分布变化很小。但随着方向角A4改变与图8相比发出的光的分布变得相当窄。也就是说，因为方向角A4由于光偏转器150的准直而减小，所以总光通量变化很少但光通量/球面度和FWHM减小。
参见图9、11和12，光偏转器160越厚，总光通量和光通量/球面度越大并且FWHM越小。因此，当第一表面151和法线116之间的角度B1以及第二表面152和法线116之间的角度B2相等时，光偏转器150越厚，准直效果越显著。
通过这种方式，方向角A4被光偏转器150减小的光在其光路上由于光路改变单元130而经受改变，使得以小于临界角的角度入射到光发射面115的光在Z方向上透过光发射面115以及光路改变单元130而排出。
图13是当不使用光偏转器150时从光导板110发出的光的分布的模拟曲线。图14是当使用光偏转器150时从光导板110发出的光的分布的模拟曲线。
用于模拟的光导板110具有42.6mm×32mm×1mm的尺寸。光偏转器150的第一表面150与法线116之间的角度B1以及光偏转器150的第二表面152与法线116之间的角度B2具有B1＝B2＝1°的关系。光偏转器150的厚度T为0.2mm。
在图13～14所示的曲线中，“垂直角”和“水平角”分别代表仰角C2和方向角A4。
从图13下部曲线上的虚线可以看到，从光导板110发出的光通量平缓地分布在一个很宽的角度范围(大约±65°)，并且光通量/球面度为113。相反，从图14下部曲线上的虚线可以看到，从光导板110发出的光通量集中在0°周围，并且光通量/球面度为123。这意味着当设置光偏转器150时，从光导板110发出的光分布变窄，并且因而正交于光导板110的光发射面115的光通量增加。
在使用棒状光源的边缘照明型背光***中，可以通过起准直光束作用的光偏转器150减小光导板110内部的光的方向角A4。因此，光路改变单元130可以高效地改变光束的路径，可以增大光导板发出的光线的光通量/球面度，并且可以减小FWHM。因此，从光导板110发出的光线的角分布变窄，由此在FPD的屏幕上实现均匀的亮度。
根据本发明的边缘照明型背光***不受上述优选实施例的限制，可以做出图15～18所示的各种改型。
参见图15，相邻光偏转器150a的底面彼此分开。
图16～18示出长度有所变化的改进的光偏转器150。图16所示改型的光偏转器150b的顶点154与光入射面112接触，底面153与相对表面113分开。图17所示改型的光偏转器150e的顶点154与光入射面112分开，底面153与相对表面113接触。图18所示改型的光偏转器150d的顶点154和底面153分别与光入射面112和相对表面113分开。
另外，当布置多个光偏转器时，不需要每个光偏转器的第一表面与正交于光入射面的法线之间的角度等于每个光偏转器的第二表面与正交于光入射面的法线之间的角度相等。可以布置不同角度的光偏转器以获得理想的出射光分布。
图19是根据本发明另一优选实施例的边缘照明型背光单元的透视图。
图19所示的优选实施例几乎与图3所示的优选实施例相同，但光偏转器160的水平截面、即平行于光发射面115的截面为梯形形状，其底面163指向相对表面113。另外，光偏转器160的垂直截面、即平行于光入射面112的截面为正方形。第一表面161和第二表面162之间的距离随距光入射面112的距离的增大而增大。第一和第二表面161和162与法线116之间的角度分别是B3和B4。可以优选第一表面161与第二表面162关于法线116对称。换言之，第一表面161和法线116之间的角度B3以及第二表面162和法线116之间的角度B4彼此相等。在此情况下，光偏转器160的平行于光发射面115的截面为等腰三角形形状。图19的边缘照明型背光***的操作和效果不做描述，因为它几乎与图3～14所示相同。同时，根据本发明的图19所示边缘照明型背光***也可以按照与图15～18所示相同的方式改型。另外，当布置多个光偏转器时，光偏转器的第一和第二表面与正交于光入射面的法线之间的角度不必彼此相等。可以布置具有不同角度的光偏转器以获得理想的出射光分布。
虽然已参考实施例对本发明做了具体的图示和描述，但本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明由所附的权利要求限定的实质和范围的前提下可以对本发明在各种形式及细节上作出改变。

Claims (19)

1.一种边缘照明型背光***，包括：
一光导板，光导板包含光入射其中的光入射面和光从其出射的光发射面；
一棒状光源，它将光投射向光入射面；和
一多面体光偏转器，它由透明材料制成并包含第一表面和第二表面，第一表面和第二表面位于正交于光入射面的法线的相对两侧上，并随着距光入射面的距离增大而彼此更加远离，
其中，光偏转器设置在光发射面和与光发射面相对的一个表面中的至少一个上。
2.如权利要求1所述的边缘照明型背光***，其中，沿光入射面布置多个光偏转器。
3.如权利要求1所述的边缘照明型背光***，其中，光偏转器具有与光导板相同的折射率。
4.如权利要求1所述的边缘照明型背光***，其中，光学偏振器与光导板一体形成。
5.如权利要求1所述的边缘照明型背光***，其中，第一和第二表面关于正交于光入射面的法线对称。
6.如权利要求1所述的边缘照明型背光***，其中，第一和第二表面延伸到与光入射面相对的表面上。
7.如权利要求1所述的边缘照明型背光***，其中，光偏转器的平行于光入射面的截面为正方形形状。
8.如权利要求1所述的边缘照明型背光***，其中；光偏转器的平行于光发射面的截面为三角形形状，其斜边为第一和第二表面，底边与光入射面相对。
9.如权利要求1所述的边缘照明型背光***，其中，光偏转器的平行于光发射面的截面是梯形形状，其斜边是第一和第二表面，底边与光入射面相对。
10.一种利用棒状光源的边缘照明型背光***的光导板，该光导板包括：
光入射其中的光入射面；
光从其出射的光发射面；和
光偏转器，它从光发射面和与光发射面相对的表面中的至少一个突出，光偏转器的平行于光发射面的截面为三角形形状，其底边是与光入射面相对的表面，三角形截面在垂直于光发射面的方向上延伸。
11.如权利要求10所述的光导板，其中，沿光入射面布置多个光偏转器。
12.如权利要求10所述的光导板，其中，光偏转器的平行于光发射面的截面是等腰三角形形状。
13.如权利要求10所述的光导板，其中，光偏转器的平行于光入射面的截面是正方形形状。
14.如权利要求10所述的光导板，其中，第一和第二表面延伸到与光入射面相对的表面上。
15.一种利用棒状光源的边缘照明型背光***的光导板，光导板包括：
光入射其中的光入射面；
光从其出射的光发射面；和
光偏转器，光偏转件从光发射面和与光发射面相对的一个表面中的至少一个突出，光偏转器的平行于光发射面的截面为梯形形状，其底边是与光入射面相对的表面，梯形截面在垂直于光发射面的方向上延伸。
16.如权利要求15所述的光导板，其中，沿光入射面布置多个光偏转器。
17.如权利要求15所述的光导板，其中，光偏转器的平行于光发射面的截面是等腰三角形形状。
18.如权利要求15所述的光导板，其中，光偏转器的平行于光入射面的截面是正方形形状。
19.如权利要求15所述的光导板，其中，第一和第二表面延伸到与光入射面相对的表面上。
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