TW201310138A - 面發光裝置 - Google Patents

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Kazuhiko Toyooka
Masaki Yamamuro
Hiroki Matsuda
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3M Innovative Properties Co
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Abstract

本發明揭示一種能夠獲得均一及高亮度發射光之面光源裝置。該面光源裝置可包括一光源，其發射光；一導光板，其導引來自該光源之在其後表面側或其側表面側入射之光並自其前表面側發射該光；及一安置於該導光板之該前表面側上的擴散板，其將來自該導光板之入射光擴散至其前表面側。該擴散板可由面積重量不小於10 g/m2且不大於40 g/m2之非編織織物製成。

Description

面發光裝置
本發明係關於一種面光源裝置。
面光源裝置習知用作使用例如液晶面板或其類似物之顯示裝置中之背面光源。舉例而言，在專利文獻1中，揭示一種面光源裝置作為此類面光源裝置，在該種裝置中由超高分子量塑膠多孔膜製成之光擴散板安置於導光板之一側上。
本發明之一個態樣為一種面光源裝置，其包括一光源，其發射光；一導光板，其導引來自該光源之在其後表面側或側表面側入射之光並自其前表面側發射該光；及一安置於該導光板之該前表面側上的擴散板，其將來自該導光板之入射光擴散至其前表面側。該擴散板係由面積重量不小於10 g/m2且不大於40 g/m2之非編織織物製成。
本發明之另一態樣為一種面光源裝置，其包括一光源，其發射光；及一擴散板，其將來自該光源且入射於其後表面側上之光擴散至其前表面側。該擴散板係由面積重量不小於10 g/m2且不大於40 g/m2之非編織織物製成。
以下參考圖式詳細說明本發明之面光源裝置之各種實施例。在對圖式之說明中，省略對具有相同參考數字之相同要素的重複說明。
在習知擴散板中，構成擴散元件之分子或珠粒與黏合劑之繞射指數之間的差異小，故其邊界部分之光損失不可忽略。因此認為，為了實現面光源裝置發射均一及高亮度之光，可能有必要確保擴散板之擴散性並提高亮度。
圖1為說明本發明之一個實施例的面光源裝置之組態的示意圖。如此圖中所說明，面光源裝置10包括光源11、導光板12、反射板13、擴散板14、稜鏡片15及反射起偏振板16。面光源裝置10與例如液晶面板P組合以構成用於電視或個人電腦之監視器中的液晶顯示模組1。
舉例而言，在液晶面板P中使用普遍已知之表面固定有線性起偏振板或其類似物的液晶單元(諸如TFT或STN、IPS或VA)。液晶單元包括例如複數個基板、為各基板提供之電極及密封於基板之間的液晶層、定向膜、間隔物、顏色濾光片等等。此實例中之光源11經展示為LED(發光二極體)。一列複數個光源11係以預定間隔沿著導光板12之側表面安置。可使用冷陰極螢光燈(CCFL)或其類似物作為光源11。另外，光源11可沿著導光板12之後側表面或導光板12之兩個相對側表面或沿著導光板12之所有側表面安置。
導光板12例如為厚度為數毫米、由諸如丙烯酸樹脂或其類似材料之透明材料形成的板狀構件。導光板12之折射率經設定為例如約1.5。導光板12導引自光源11在側表面入射之光並將其自前表面發射。若必要，可向導光板12中添加各種添加劑，諸如光擴散劑、紫外光吸收劑、熱穩定劑及光聚合穩定劑。
可使用表面黏結有銀或鋁箔膜之樹脂板狀構件或由具有超多層構造之介電質製成之反射膜或其類似物作為反射板13。反射板13安置於導光板12之後表面側上，以藉由將自導光板12之後表面側洩漏之光反射至導光板12來確保自面光源裝置10發射之光的亮度。反射板13可為表面已著色為白色之樹脂板或由鋁製成之金屬板或其類似物。
擴散板14為例如由非編織織物形成之板狀構件。擴散板14安置於導光板12之前表面側，且藉由使來自導光板12之在後表面側入射之光在前表面側上擴散來確保自面光源裝置10發射之光的均一性。
舉例而言，可使用通用塑膠，諸如聚乙烯、聚丙烯及聚對苯二甲酸伸乙酯；或工程塑膠，諸如聚對苯二甲酸伸丁酯及聚苯硫醚，來作為形成非編織織物所用之樹脂。在擴散板14中，非編織織物之面積重量例如不小於10 g/m2且不大於40 g/m2。另外，作為以上樹脂所需之基本性質，需要低吸光率及高透射率。在具有50微米厚度之單個測試樣本之情況下，可使用總光透射率不小於70%或較佳為不小於80%之材料。在此情況下，總光透射率可藉由自所用樹脂製備50微米厚之單個測試樣本並使用JIS K 7361-1(1997)中指定之方法來量測。
稜鏡片15為由例如透明度與導光板12之透明度相似之材料形成的片狀構件。用於排列並修改穿過擴散板14之光的發射方向之稜鏡係以複數個陣列形式安置於稜鏡片15之前表面或後表面上。特定而言，稜鏡片15包括具有例如微結 構表面之第一聚合物層，及安置於與該微結構表面相對之側上的第二聚合物層，且該微結構表面包括稜鏡陣列以便使光具形狀。由於稜鏡片15之折射及全反射，故一部分光被導向前表面方向，且其餘光返回至非編織織物側(光源11側)。因此，返回之光射於非編織織物上，且在低損失情況下再次分散及擴散且穿過各構件或由各構件反射後，再次沿自非編織織物至稜鏡之方向照射該光。因此，結果，有可能較有效地增加螢幕前表面方向上之亮度。
反射起偏振板16為包括至少兩個聚合物層之板狀構件。反射起偏振板16安置於稜鏡片15之前表面側，且基於聚合物層之間的折射率差異，呈第一偏振狀態之光被反射，且呈與第一偏振狀態近似正交的第二偏振狀態之光被透射。
至少一層聚合物層可包括萘二甲酸酯官能基。該萘二甲酸酯官能基係藉由使一或多個具有萘二甲酸酯官能基之單體聚合而併入聚合物層中。單體之實例包括萘二甲酸酯，諸如2,6-萘二碳酸鹽或1,4-萘二碳酸鹽或1,5-萘二碳酸鹽或2,7-萘二碳酸鹽或2,3-萘二碳酸鹽及其酯。另外，至少一個聚合物層可包括例如聚乙烯萘二甲酸酯(PEN)，其為2,6-萘二碳酸酯或1,4-萘二碳酸酯或1,5-萘二碳酸酯或2,7-萘二碳酸酯或2,3-萘二碳酸酯與乙二醇之共聚物。
另外，圖2為說明本發明另一實施例之面光源裝置之組態的示意圖。此圖中所說明之構成液晶顯示模組21之面光源裝置30與圖1中說明之實施例的不同之處在於：不存在導光板12，光源11係在後表面入射，且來自光源11之光首 先入射至擴散板14上。另外，反射板13係安置於光源11之後表面側上。所有其他點皆與圖1中說明之實施例相同。
在具有如本文所述之結構的面光源裝置10、面光源裝置30中，安置於導光板12之前表面側或光源11之前表面側上的擴散板14可由不小於10 g/m2且不大於40 g/m2之非編織織物形成。在例如光擴散劑(諸如丙烯酸系珠粒或其類似物)保留於黏合劑中之擴散板中，正如在習知擴散板中一樣，珠粒(作為擴散元件)與黏合劑之間的折射率差異小，故為了獲得足夠的擴散，有必要具有許多光學界面，且因此在該等界面處可能發生光損失。
相比之下，在使用如本文所述之非編織織物的擴散板14中，構成非編織織物之樹脂與周圍空氣之間的折射率存在充分差異，故當在非編織織物之界面處擴散光時有可能減少光損失。此處，若非編織織物之面積重量減小，則擴散板14之擴散性傾向於減小且透射率增加。另外，若非編織織物之面積重量增加，則擴散板14之擴散性傾向於增加且透射率減小。然而，若非編織織物之面積重量增加超過特定量，則擴散板14之擴散性飽和。
因此，在一些實施例中，藉由使非編織織物之面積重量如以上實施例中不小於10 g/m2且不大於40 g/m2，則有可能獲得擴散板14之高水準擴散性與透射率。因此，有可能獲得自面光源裝置10、面光源裝置30發射之光的均一性及高亮度。在液晶面板P之顯示器中，藉由使自面光源裝置10、面光源裝置30發射之光均一，有可能消除由於光源11 經定位及其未經定位之部分引起的光之不均勻性(熱點)。
另外，如圖3中所說明，在使用非編織織物之擴散板14中，以近似直角入射於擴散板14上之光L1被部分擴散，但仍在損失保持較低之情況下透射至擴散板14之前表面側。因此，在一些實施例中，用於非編織織物中之樹脂需要具有低吸光率及高透射率。另一方面，以一角度入射於擴散板14上之光L2大體上由非編織織物擴散，且一部分光L2以與光L1相同之方式穿過擴散板14之前表面。因此，在擴散板14之前表面側，以近似直角發射至擴散板14之光的強度可高於以近似直角入射於擴散板14之後表面側之光的強度。
亮度之此種提高可藉由如圖1及圖2中所說明將擴散板14與反射板13相對安置而進一步增加。換言之，藉由將擴散板14與反射板13相對安置，在非編織織物之界面處反射至擴散板14之後表面側的光在反射板13處反射且再次入射至擴散板14上，故有可能增加在與光L1相同之方向上穿過擴散板14之前表面的光。
在擴散板14與反射板13相對安置之結構中，可進一步在擴散板14之前表面側上提供反射起偏振板。反射起偏振板為一般選擇性地透射沿平行於一個平面內軸(透射軸)之方向振動之光且可反射所有其他光的起偏振板。換言之，在入射於反射起偏振板上之光中，偏振效應係藉由僅透射沿平行於透射軸之方向振動之光分量而展現。未經由反射起偏振板透射之光被反射，而不實質上由該反射起偏振板吸 收。因此，反射起偏振板中反射之光返回擴散板14，在擴散板14中被反覆地擴散及分散，且一部分偏振光被消耗。 一部分已消耗之偏振光再次返回至反射起偏振板，且如上所述僅一部分被透射，而其他部分被反射。以此方式，光在反射板14與反射起偏振板之間循環，且此時光在擴散板14處之以上行為重複進行，故有可能進一步增加沿近似直角方向發射之光的強度。
實例
在下文中，解釋對用於本發明之面光源裝置10中之擴散板14的效果驗證測試。在該等效果驗證測試中，首先量測非編織織物薄片之光學性質。所有以下量測皆係在標準大氣中於23℃±2℃之溫度及50%±10%之相對濕度下進行，其對於如由JIS K 7100(1999)所指定之測試大氣及環境而言為2類容差。
在量測中，使用由Asahi Kasei Fibers Corporation製造之非編織織物PMA013，且工作實例1至工作實例6係製備為分別由1層至6層非編織織物製成之擴散板。一片非編織織物PMA013重量為13 g/m2。PMA013亦被加熱及熔融以產生50微米厚之測試樣本，且當根據JIS K 7631-1量測總透射率時，獲得結果為71.8%。
在比較實例中，使用2 mm厚之分散有光擴散劑的由苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚物樹脂製成之擴散板。該擴散板之光學性質藉由根據JIS K 7136(2000)之方法使用由Nippon Denshoku Industries Co.,Ltd.製造之濁度計NDH 2000以D65光源量測為總透射率53.8%及濁度99.5%。
評估四種光學性質：總透射率(TT)、平行透射率(PT)、12度入射角下之絕對反射率(R)及總反射率(TR)。
總透射率(TT)係如圖4A中所說明藉由將積分立方體I與樣品S之前表面側接觸置放並量測自樣品S之後表面側透射至前表面側之光強度來量測。另外，平行透射率(PT)係如圖4B中所說明藉由將積分立方體I離樣品S之前表面側預定距離置放並量測自樣品S之後表面側透射至前表面側之光強度來量測。
12度入射角下之絕對反射率(R)係如圖4C中所說明藉由將積分立方體I置放於樣品S之後表面側並量測以約12度角自樣品S之後表面反射的光強度來量測。在量測總透射率(TT)、平行透射率(PT)及12度入射角下之絕對反射率(R)時，使用Shimadzu Corporation UV-VIS-NIR掃描分光光度計UV-3100PC，且量測條件為波長：400 nm至700 nm，掃描速度：標準，掃描間隔：0.5 nm，且掃描寬度：1.0 nm。
另一方面，總反射率(TR)係如圖4D中所說明藉由將積分立方體I與樣品S之前表面側接觸置放並使用積分立方體I量測自積分立方體I朝向樣品S之前表面之光反射來量測。使用由Hitachi High-Technologies Corporation製造之分光光度計U-4000來量測總反射率(TR)，且量測條件為波長：400 nm至700 nm且掃描間隔：0.5 nm。
圖5展示量測結果。如此圖中所示，例如在工作實例4中，儘管總透射率(TT)實際上與比較實例相同，但總反射 率(TR)高約10%。此證明使用非編織織物之擴散板的高擴散性。另外，例如在工作實例3中，儘管總反射率(TR)實際上與比較實例相同，但總透射率(TT)高約10%。此證明使用非編織織物之擴散板之低損失。
圖6為水平軸上之總透射率(TT)及垂直軸上之總反射率(TR)的量測結果之圖。如此圖中所示，總透射率(TT)與總反射率(TR)之間存在由非編織織物之面積重量決定之權衡關係，但可以看出在工作實例1至工作實例6中總透射率(TT)與總反射率(TR)之間的權衡關係與比較實例相比高約10%。
圖7為水平軸上之波長及垂直軸上之總透射率(TT)的量測結果之圖。如此圖中所示，在比較實例中，在波長範圍400 nm至450 nm內透射率降低，但相比之下，在工作實例1至工作實例6中，在400 nm至700 nm之整個可見光範圍內透射光譜實際上平坦。由此可見工作實例1至工作實例6與比較實例相比為消色差的。
接著，對數種非編織織物之增益、濁度及總透射率進行量測。所有所量測樣品皆由Asahi Kasei Fiber Corporation製造。
為量測增益，使用由Photoresearch製造之分光光度計PR-650、Melles Griot偏振器P/N 03 FPG 007(單一透射率32%、平行尼科爾(paralleled nicol)透射率20%)、6.3 mm厚Teflon®擴散板直接位於下方之光箱及Fostec光源裝置DCRIIw(燈EKE：21 V，150 W)。
增益係由以下等式獲得。若光箱發射光譜為LLB(λ)且當樣品置放於光箱中時發射光譜為L樣品(λ)，則透射率T樣品(λ)由以下等式(1)獲得。
T樣品(λ)=L樣品(λ)/LLB(λ)………(1)
另外，當樣品置放於光箱中時背面光源發射光譜LBL-樣品(λ)係由以下獲得：LBL-樣品(λ)=LLB(λ)×T樣品(λ)………(2)
另外，若校正項為V(λ)，則當樣品置放於光箱中時背面光源亮度B樣品係由以下等式(3)獲得。
B樣品=ʃV(λ).LBL-樣品(λ)………(3)
另外，背面光源亮度BBL係由以下獲得：BBL=ʃV(λ).LLB(λ)………(4)
根據以上等式(3)及等式(4)，增益(有效透射率)係由以下等式(5)獲得。
增益=B樣品/BBL………(5)
濁度係藉由根據JIS K 7136(2000)之方法使用由Nippon Denshoku Industries Co.,Ltd製造之濁度計NDH 2000以D65光源量測。量測結果展示於圖8中。
總透射率為指示當光被透射時損失(吸收)如何小之指數，且代表材料本身所有方向上之光學效率，與光之方向無關；相比之下，增益為指示諸如液晶顯示器及其類似物之面光源裝置中有多少光沿垂直於光發射平面之方向被發射或有多亮之光呈現於觀測者的指數。在一些實施例中，可能需要擴散板展示高濁度，例如至少80%之濁度；及高 增益，例如至少1.025之增益。
當將非編織織物應用於擴散板時，增益及濁度可藉由修改非編織織物之片數(面積重量)來調節。圖9展示非編織織物之片數與增益及濁度之間的關係。
如圖9所示，當非編織織物之片數超過約兩片時，擴散板之增益傾向於逐漸降低。另一方面，擴散板之濁度隨非編織織物之片數增加而增加，但在大於約2.5片時數值飽和。
當非編織織物之片數在約1.2至2.4範圍內時，增益降低較小且濁度未飽和。若將非編織織物之此片數換算成面積重量，則其對應於10 g/m2至40 g/m2。因此，可見若擴散板係由面積重量為10 g/m2至40 g/m2之非編織織物構成，則有可能達成擴散板之滲透性與擴散性。
接著，評估非編織織物之光不均勻性(LED熱點)消除效能。在此評估中，使用Toshiba電視機REGZA RE1(37吋)。此電視機中所用之面光源裝置自液晶面板側起包括：反射起偏振板、稜鏡片1、稜鏡片2、導光板及反射板。其中，移除稜鏡片1及稜鏡片2，且以電視機形式評估其他構件。
使用另一電視機(40EX-700，由Sony製造)中所用的具有亮度提高功能之擴散板作為比較實例，將該擴散板以由Asahi Kasei Fiber Corporation製造之非編織織物AC5050代替來獲得工作實例1，且將該擴散板以由Asahi Kasei Fiber Corporation製造之非編織織物PMA013(兩片)代替來獲得工作實例2，並使用顏色分析儀量測液晶面板之亮度分佈。 由40EX-700抽取之具有亮度提高功能之擴散板的厚度為205微米，且當藉由根據JIS K 7136(2000)之方法使用由Nippon Denshoku Industries Co.,Ltd.製造之濁度計2000以D65光源量測時，總透射率為78.0%且濁度為94.5%。
所使用之顏色分析儀為由Konica Minolta製造之2D顏色分析儀CA-1500W。另外，量測條件對於快門速度、光強度及量測速度而言皆為自動設定，且範圍為1.0 m，量測距離為0.52 m，且入射角為10°。另外，為使得觀測光源較容易，交替打開及關閉提供於電視機中之原有56個LED以使得LED數為28，且在移除外部遮光蓋的情況下進行量測。每次量測時替換各樣品，電視打開後使其保持15分鐘，且在確定亮度穩定後獲得資料。
另外，在量測亮度分佈後，藉由計算亮度分佈之峰谷導出幅度(peak valley derivative amp)來獲得亮度均一性。較小值指示較高之亮度均一性。評估結果展示於圖10至圖12中。如該等圖中所示，可見在工作實例1及工作實例2中平均亮度降低與比較實例相比保持低至約10%，且亮度均一性增加40%。
在計算亮度分佈之峰谷導出幅度時，
1.使用應評估亮度均一性之截面的來自準確量測之表面亮度分佈資料之資料串。
2.使用Matlab版本7.6(MathWorks corporation)來計算亮度偏差。將量測資料減去該偏差，得到波動幅度。以下描述計算偏差之方法：
(1)使用傅立葉變換(Fourier transform)：由空間域至頻率域。
(2)使用低通頻率濾波器，濾去低頻分量-接著傅立葉變換回到空間域以用作偏差。
(3)由最初量測曲線減去偏差，剩下之高頻分量為振盪部分。藉由使用幅度除以曲線之平均值來計算振盪幅度百分比。幅度愈高，亮度均一性愈差。
此外，評估因非編織織物薄片與反射起偏振板組合而引起之亮度提高。在此評估中，習知擴散板用於比較實例1，習知擴散板與反射起偏振板(DBEF-D3-460，由Sumitomo 3M Limited製造)組合用於比較實例2，非編織織物薄片(2片PMA013)用於工作實例1，且此非編織織物薄片與反射起偏振板(DBEF-D3-460，由Sumitomo 3M Limited製造)組合用於工作實例2。
量測使用由Eldim製造之EZcontrast 160D來量測暗室中電視機中心部分之亮度角分佈。每次量測時替換各樣品，電視打開後使其保持15分鐘，且在確定亮度穩定後獲得資料。
評估結果顯示於圖13中。由此圖中所示之結果可見，在比較實例中，由於與反射起偏振板組合，故峰值亮度增加因子為1.66且平均亮度增加因子為1.67，且相比之下，在工作實例中，在單片非編織織物之情況下，儘管與比較實例相比峰值亮度及平均亮度稍微降低，但由於反射起偏振板與非編織織物組合，故峰值亮度增加因子為1.81且平均 亮度增加因子為1.74。因此，可證實藉由非編織織物與反射起偏振板組合可獲得亮度之較大提高。
同樣地，證實由於非編織織物薄片與稜鏡片組合而使得亮度提高。在此評估中，由40EX700抽取之具有亮度提高功能之習知擴散板用於比較實例1，習知擴散板與稜鏡片(BEF III90/50T，購自Sumitomo 3M Limited)組合用於比較實例2，非編織織物薄片(PMA013)用於工作實例1，且此非編織織物薄片與反射起偏振板(BEF III90/50T，購自Sumitomo 3M Limited)組合用於工作實例2。
量測使用由Eldim製造之EZcontrast 160D來量測暗室中電視機中心部分之亮度角分佈。每次量測時替換各樣品，電視打開後使其保持15分鐘，且在確定亮度穩定後獲得資料。
評估結果展示於圖14中。由此圖中所示之結果可見，在比較實例中，由於擴散板與稜鏡片組合，故峰值亮度增加因子為1.62且平均亮度增加因子為1.00。相比之下，在工作實例中，在單片非編織織物之情況下，儘管與比較實例相比峰值亮度及平均亮度稍微降低，但由於稜鏡片與非編織織物組合，故峰值亮度增加因子為1.80且平均亮度增加因子為1.09。因此，證實藉由非編織織物與稜鏡片組合可獲得亮度之較大提高。
1‧‧‧液晶顯示模組
10、30‧‧‧面光源裝置
11‧‧‧光源
12‧‧‧導光板
13‧‧‧反射板
14‧‧‧擴散板
15‧‧‧稜鏡片
16‧‧‧反射起偏振板
P‧‧‧液晶面板
圖1為說明本發明之一個實施例的面光源裝置之組態的示意圖； 圖2為說明本發明另一實施例之面光源裝置之組態的示意圖；圖3說明光經由非編織織物之透射及擴散情況；圖4示意性地說明效果驗證測試；圖5展示工作實例及比較實例之光學性質；圖6展示工作實例及比較實例之總透射率與總反射率之間的關係；圖7展示工作實例及比較實例之波長與總透射率之間的關係；圖8展示非編織織物之增益與濁度之間的關係；圖9展示非編織織物之片數與增益及濁度之間的關係；圖10展示工作實例及比較實例之液晶面板之亮度；圖11展示工作實例及比較實例之液晶面板的亮度均一性；圖12概括圖10及圖11中之結果；圖13展示工作實例及比較實例之亮度提高；及圖14展示工作實例及比較實例之亮度提高。
1‧‧‧液晶顯示模組
10‧‧‧面光源裝置
11‧‧‧光源
12‧‧‧導光板
13‧‧‧反射板
14‧‧‧擴散板
15‧‧‧稜鏡片
16‧‧‧反射起偏振板
P‧‧‧液晶面板

Claims (8)

  1. 一種面光源裝置，其包含：一光源，其發射光；一導光板，其導引來自該光源之在後表面側或側表面側入射之光並自前表面側發射該光；及一安置於該導光板之該前表面側上的擴散板，其將來自該導光板之入射光擴散至前表面側；其中該擴散板係由面積重量不小於10 g/m2且不大於40 g/m2之非編織織物製成。
  2. 如請求項1之面光源裝置，其中一反射板安置於該導光板之該後表面側上。
  3. 如請求項1或請求項2之面光源裝置，其中一反射起偏振板安置於該擴散板之該前表面側上。
  4. 如請求項1至3中任一項之面光源裝置，其中一稜鏡片安置於該擴散板之該前表面側上。
  5. 一種面光源裝置，其包含：一光源，其發射光；及一擴散板，其將來自該光源且入射於其後表面側上之光擴散至其前表面側，其中該擴散板係由面積重量不小於10 g/m2且不大於40 g/m2之非編織織物製成。
  6. 如請求項5之面光源裝置，其中一反射板安置於該擴散板之該後表面側上。
  7. 如請求項5或請求項6之面光源裝置，其中一反射起偏振 板安置於該擴散板之該前表面側上。
  8. 如請求項5至7中任一項之面光源裝置，其中一稜鏡片安置於該擴散板之該前表面側上。
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