TWI392928B - 背光模組、平面顯示器及其定位元件的設計方法 - Google Patents

Description

背光模組、平面顯示器及其定位元件的設計方法

本發明係有關一種背光模組，特別是一種可提升輝度均勻度之背光模組、平面顯示器及其定位元件的設計方法。

隨著顯示器技術快速的進步與演進，傳統的陰極射線管(cathode ray tube,CRT)因存在空間利用不佳與消耗大量能源等問題，已逐漸被淘汰，取而代之的是輕、薄、短、小的液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)。而由於液晶顯示器具備有高顯示品質、低能源消耗及無輻射線等優點，使得液晶顯示器大量地被應用於筆記型電腦、電腦螢幕、行動電話、個人數為助理(PDA)、數位攝影機、數位相機以及液晶電視等通訊、資訊或消費性電子產品之中。

液晶顯示器主要是利用液晶面板進行顯示，由於液晶面板屬於非自發光性的顯示面板，因此必須藉助背光模組供應輝度充足與分佈均勻的光源，才能使液晶面板正常顯示影像。如第1圖所示，係為一種以發光二極體作為光源之習用背光模組結構，其係於金屬材質製成之外框A1內設置導光板A2與複數發光二極體A3，其中，複數發光二極體A3緊靠於導光板A2，使發光二極體A3射出之光線L1、L2、L3直接進入導光板A2，並以塑膠材質或金屬材質製成之固定框A5以緊配合之方式夾住並固定導光板A2，以確保光源的穩定性。在理想的狀態下，光線L1在導光板A2內部因空氣與導光板A2之折射率的差異性進行全反射。然而，塑膠、金屬或其他機構材料對於導光板A2的折射率差異過小，導致光線L2、L3的全反射被破壞，而使得光線L2由接觸面穿透折射漏出，並沿著複數發光二極體A3之排列位置產生明顯的熱點(hot spot)，也會導致光線L3經由固定框A5與導光板A2的接觸面時，會產生不規則反射導致輝度不均，並顯示於可視區內形成內漏光或亮帶。

因此，如何固定框與導光板之接觸面破壞光線全反射的問題，避免在可視區內產生輝度不均的現象，藉此提升產品之品質，係為本案之發明人以及從事此相關行業之技術領域者亟欲改善的課題。

有鑑於此，本發明提出一種背光模組，包含：導光板，包含入光面及上表面相交於入光面；複數個發光元件，分別具有發光角度，複數個發光元件係在複數個發光角度的範圍內，分別朝向入光面投射光線，光線於發光角度的範圍外的導光板處形成複數個暗區；及定位元件，包含複數個凸部，其凸出方向朝向上表面，並分別抵持於複數個暗區。

本發明亦提出一種背光模組，包含：導光板，包含入光面及上表面相交於入光面；複數個發光元件，分別朝向入光面投射光線，光線具有最大輝度，且待光線進入導光板內部後，可於導光板內部形成亮區與複數個暗區，亮區之輝度高於預定輝度，複數個暗區之輝度則低於或等於預定輝度，且預定輝度小於最大輝度；及定位元件，包含複數個凸部，其凸出方向朝向上表面，並分別抵持複數個暗區。

本發明亦提出一種背光模組，包含：導光板，包含入光面及上表面相交於入光面；複數個發光元件，分別朝向導光板之入光面投射一光線；介質，位於導光板之上表面上，且亦位於入光面與光線於導光板內之全反射角處的位置之間；及定位元件，對應於上表面配置。

本發明亦提出一種平面顯示器，包含：上述之背光模組；顯示面板，對應於導光板的上表面配置，且係由定位元件所承載；以及前框，對應於背光模組與顯示面板設置，並具有顯示開口，用以曝露出顯示面板之一部分。

本發明亦提出一種背光模組之定位元件的設計方法，包含下列步驟：提供導光板，包含入光面及上表面相交於入光面；提供複數個發光元件，分別朝向入光面投射光線；提供模擬定位元件，包含複數個突部，其突出方向朝向上表面，並分別抵持於上表面之複數個抵持位置；調整模擬定位元件或複數個突部的位置，即改變模擬定位元件的複數個抵持位置，直至光線能均勻地自導光板射出，而不會產生輝度不均的現象為止；紀錄當導光板不會產生輝度不均的現象時的複數個抵持位置，並定義複數個抵持位置為複數個暗區；以及提供定位元件，包含複數個凸部，其凸出方向朝向上表面，並分別抵持於複數個暗區。

有關本發明的較佳實施例及其功效，茲配合圖式說明如後。

第2圖與第3A圖、第3B圖及第4A圖係繪示本發明之第一實施例。背光模組1包含：導光板11、複數個發光元件12、定位元件14。第3A圖為第2圖的A-A剖面圖，第3B圖為第2圖的B-B剖面圖，第4A圖則為本實施例的光學表現示意圖。其中，為了方便說明與表現本案的技術特徵，第2圖僅保留導光板11與發光元件12，而省略其它的元件。

導光板11概呈平行四邊形體，包含入光面11a及上表面11b，其中，上表面11b相交於入光面11a。

複數個發光元件12，每一個發光元件12較佳地具有相同之發光角度α，發光角度α係指發光元件12在平行於導光板11的上表面11b的發光範圍，複數個發光元件12係在複數個發光角度α的範圍內，分別朝向導光板11之入光面11a投射光線L4，光線L4於發光角度α的範圍外的導光板11處形成複數個暗區111，且複數個發光元件12係與複數個暗區111交錯排列，亦即發光元件12係位於相鄰兩暗區111之間，或暗區111係位於相鄰兩發光元件12之間。

定位元件14，設置於導光板11靠近入光面11a側的上表面11b的周邊區域11c上，在此，定位元件14具有長條形組成或框架形之本體141，並於本體141沿發光元件12的排列方向上配置有複數個凸部142，且複數個凸部142凸出方向朝向上表面11b，並分別抵持於導光板11的複數個暗區111上(如第2圖與第3B圖)，而不會抵持於導光板11的暗區111以外的區域(如第2圖與第3A圖)。在此，定位元件14可由塑膠、金屬或其他機構材料所製成，且其較佳地可為膠框，但本發明非以此為限。

在本實施例中，背光模組1更可包含：背板16、反射片17、光學膜片組18。其中，背板16具有概呈矩形之底部板體161與側邊板體162，用以容置導光板11、複數個發光元件12及定位元件14，並於背板16與導光板11之間配置反射片17，而光學膜片組18對應於導光板11的上表面11b的中間區域11d配置，且定位元件14係可環繞光學膜片組18。在其它實施例中，導光板11於靠近背板16之一面可塗佈反射層以取代反射片17。

由於發光元件12的光線L4在發光角度α的範圍外的導光板11處形成複數個暗區111，且定位元件14之複數個凸部142抵持於複數個暗區111上，因此，複數個凸部142與導光板11之接觸面S於發光元件12的發光角度α的範圍外，可防止光線L4在其接觸面S處的全反射被破壞，並可避免光線L4不規則反射所造成的輝度不均，以及熱點等問題。

本發明所使用的發光元件12可為一種發光二極體(LED)，且包含白光、紅光、綠光、藍光或其他色系之發光二極體。本實施例所使用的發光二極體，其光學特性如第4A圖所示。

在光線L4出射角0°時，具有最大的相對輝度，經常態化後定義為1.0埃(a.u.)，在出射角介於80°與90°之間時，則幾乎沒有光線L4射出，故經常態化後的相對輝度趨近於0埃。

理論上，定位元件14的凸部142應設置在對應於光線L4出射角80°與90°之間的位置，然而若再進一步考慮到定位元件14與導光板11的組裝與固定問題，則將凸部142設置在對應於光線L4出射角54°與66°之間的位置較佳。亦即每一個發光元件12之發光角度α的範圍介於54°與66°之間，其中又以發光角度α為60°為最佳，但本發明非以此為限。其中，本發明所指的發光角度α，並非發光元件12所射出的光線L4的實際角度，而是指可接受的光線L4的射出角度的臨界值，其通常會與機構的強度以及預定輝度有關。在其它實施例中，亦可以預定輝度作為實施本發明的切入點。

請參閱第2圖、第3A圖、第3B圖及第4B圖所示，同樣繪示本發明之第二實施例。第3A圖為第2圖的A-A剖面圖，第3B圖為第2圖的B-B剖面圖，第4B圖則為本實施例的光學表現示意圖。本實施例係以複數個發光元件12所投射光線L4之輝度決定複數個凸部142所抵持之位置。在本實施例中，複數個發光元件12分別朝向導光板11之入光面11a投射光線L4，每一個發光元件12所投射之光線L4較佳地具有相同之最大輝度Kmax，經常態化後定義為1.0埃(a.u.)。當複數個發光元件12所投射之光線L4，進入導光板11內部後，其輝度K低於預定輝度Kp之區域即定義形成複數個暗區111，輝度K高於預定輝度Kp之區域則定義形成亮區112，且複數個發光元件12與複數個暗區111交錯排列，亦即發光元件12係位於相鄰兩暗區111之間，或暗區111係位於相鄰兩發光元件12之間，再以定位元件14之複數個凸部142分別抵持於導光板11的複數個暗區111上，即可固定導光板11於背板16上。在此，預定輝度Kp小於發光元件12所投射之光線L4的最大輝度Kmax，且預定輝度Kp與最大輝度Kmax的比值的範圍介於0.75與0.25之間，即預定輝度Kp的範圍介於0.75埃與0.25埃之間，其中又以預定輝度Kp與最大輝度Kmax的比值為0.5為最佳，即預定輝度Kp的值為0.5埃，但本發明非以此為限。

請參閱第5A圖與第5B圖所示，係為本發明之第三實施例，第5A圖為第2圖的A-A剖面圖，第5B圖為第2圖的B-B剖面圖。本實施例係以光線L5之全反射角的位置3決定定位元件14之複數個凸部142所抵持的位置。在本實施例中，複數個發光元件12分別朝向導光板11之入光面11a投射光線L5，而導光板11於上表面11b上配置有介質13，且其位於入光面11a與經可塗佈反射層或反射片17一次反射的光線L5於導光板11內之全反射角的位置3之間，介質13可為空氣或透明填充物，例如：矽膠，其折射率較佳地可為1，導光板11之折射率範圍則可介於1.34與1.60之間，其中又以導光板之折射率為1.49為最佳，但本發明非以此為限。

定位元件14則對應於導光板11的上表面11b的周邊區域11c配置，且定位元件14的凸部142係抵持於介質13側邊之上表面11b的抵持區域11e上，即其抵持位置在全反射角的位置3外之適當位置處，抵持區域11e係為周邊區域11c的一部分，並位於中間區域11d或光學膜片組18與介質13之間。因此，定位元件14與導光板11之接觸面S不會影響光線L5反射，也不會破壞光線L5之全反射。

其次，定位元件14的凸部142亦可抵持在自發光元件12直接射出的光線L4的全反射區域11f之外。由於係以光線L4作為設計的依據，故凸部142在上表面11b的抵持區域11e，會位於介質13與發光元件12之間，且抵持區域11e亦為周邊區域11c的一部分。

此外，本實施例之定位元件14可與前二個實施例相同，以複數個凸部142分別抵持在導光板11之上表面11b的周邊區域1c上，或可直接以本體141上的長條形凸部142抵持在表面11b的周邊區域11c上，如第5A圖所示，此處的長條形凸部142的延伸方向，係指平行於發光元件12排列方向的方向。

在本發明的各實施例中，光線L4、L5係指由發光元件12的正中央處所投射之光線，且光線L4係指尚未經可塗佈反射層或反射片17反射的光線，而光線L5則指經可塗佈反射層或反射片17一次反射的光線。

本發明之背光模組1可應用於平面顯示器2，且其對應前述導光板11之上表面11b配置有顯示面板21，並由前述定位元件14所承載，且背光模組1與顯示面板對應配置具有顯示開口之前框22，使顯示面板21之一部分可曝露出前框22。在此，平面顯示器2較佳地為液晶顯示面板，依照閘極類型，則液晶顯示面板包含底閘型、頂閘型、多閘極、或其它類型之閘極。且依液晶顯示面板之不同結構包含：穿透型顯示面板、半穿透型顯示面板、反射型顯示面板、彩色濾光片於主動層上(color filter on array)之顯示面板、主動層於彩色濾光片上(array on color filter)之顯示面板、垂直配向型(VA)顯示面板、水平切換型(IPS)顯示面板、多域垂直配向型(MVA)顯示面板、扭曲向列型(TN)顯示面板、超扭曲向列型(STN)顯示面板、圖案垂直配向型(PVA)顯示面板、超級圖案垂直配向型(S-PVA)顯示面板、先進大視角型(ASV)顯示面板、邊緣電場切換型(FFS)顯示面板、連續焰火狀排列型(CPA)顯示面板、軸對稱排列微胞型(ASM)顯示面板、光學補償彎曲排列型(OCB)顯示面板、超級水平切換型(S-IPS)顯示面板、先進超級水平切換型(AS-IPS)顯示面板、極端邊緣電場切換型(UFFS)顯示面板、高分子穩定配向型顯示面板、雙視角型(dual-view)顯示面板、三視角型(triple-view)顯示面板、三維顯示面板(three-dimensional)、同時具有不同顯示介質之顯示面板(hybrid type)、或其它型面板、或上述之組合。

背光模組1之定位元件的設計方法，包含下列步驟：步驟1：提供導光板11，包含入光面11a及上表面11b。

導光板11概呈平行四邊形體，且其上表面11b相交於入光面11a。

步驟2：提供複數個發光元件12，分別朝向入光面11a投射光線。

步驟3：提供模擬定位元件，包含複數個突部，其突出方向朝向上表面11b，並分別抵持於上表面11b之複數個抵持位置。

模擬定位元件具有長條形組成或框架形之本體，並可依實際設計需求而於本體上延伸有複數個突部，其中，複數個突部凸出方向朝向上表面11b。

步驟4：調整模擬定位元件或複數個突部的位置，即改變模擬定位元件的複數個抵持位置，直至光線能均勻地自導光板11射出，而不會產生輝度不均的現象為止。

步驟5：紀錄當導光板11不會產生輝度不均的現象時的複數個抵持位置，並定義複數個抵持位置為複數個暗區。

移動模擬定位元件或複數個突部抵持上表面11b之位置，使其與導光板11之接觸面S不會影響光線反射，也不會破壞光線之全反射，使得光線能均勻地自導光板11射出。當導光板11不會產生輝度不均的現象時，紀錄模擬定位元件或複數個突部之抵持位置，並將此時的複數個抵持位置定義為複數個暗區111。

在本步驟中，模擬定位元件或複數個突部可朝發光元件12的發光角度的範圍外移動，或是朝向光線輝度較低之區域移動，抑或是朝向全反射角外之位置移動。

步驟6：提供定位元件14，包含複數個凸部142，其凸出方向朝向上表面11b，並分別抵持於複數個暗區111。

定位元件14之結構與前述模擬定位元件之結構相同，並具有長條形或框架形之本體141，並可依實際設計需求而於本體上延伸有複數個凸部142，其中，複數個凸部142凸出方向朝向上表面11b，並分別抵持於導光板11上的複數個暗區111。在此，定位元件14可由塑膠、金屬或其他機構材料所製成，且其較佳地可為膠框，但本發明非以此為限。

本發明以發光元件的發光角度或輝度決定導光板在其上表面之暗區位置，並以定位元件抵持暗區，或是以定位元抵持位置在全反射角外之適當位置處，使得定位元件與導光板之接觸面不會影響光線反射，也不會破壞光線之全反射，有效解決習用結構因定位元件之材質對於導光板的折射率差異過小，因而破壞光線全反射之問題，進而提升平面顯示器之品質。

雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

A1．．．外框

A2．．．導光板

A3．．．發光二極體

A5．．．固定框

L1/L2/L3/L4/L5．．．光線

1．．．背光模組

11．．．導光板

11a．．．入光面

11b．．．上表面

11c．．．周邊區域

11d．．．中間區域

11e．．．抵持區域

11f．．．全反射區域

111．．．暗區

112．．．亮區

12．．．發光元件

13．．．介質

14．．．定位元件

141．．．本體

142．．．凸部

16．．．背板

161．．．底部板體

162．．．側邊板體

17．．．反射片

18．．．光學膜片組

2．．．平面顯示器

21．．．顯示面板

22．．．前框

3．．．全反射角的位置

α．．．發光角度

S．．．接觸面

第1圖為習知背光模組之示意圖。

第2圖為本發明背光模組之局部上視圖。

第3A圖為本發明第一、二實施例於第2圖的A-A剖面的示意圖。

第3B圖為本發明第一、二實施例於第2圖的B-B剖面的示意圖。

第4A圖為本發明第一實施例之背光模組的光學特性示意圖。

第4B圖為本發明第二實施例之背光模組的光學特性示意圖。

第5A圖為本發明第三實施例於第2圖的AA剖面的示意圖。

第5B圖為本發明第三實施例於第2圖的B-B剖面的示意圖。

11．．．導光板

11a．．．入光面

11b．．．上表面

11c．．．周邊區域

11d．．．中間區域

111．．．暗區

112．．．亮區

12．．．發光元件

Claims (20)

1. 一種背光模組，包含：一導光板，包含一入光面及一上表面相交於該入光面；複數個發光元件，分別具有一發光角度，該些發光元件係在該些發光角度的範圍內，分別朝向該入光面投射一光線，該些光線於該些發光角度的範圍外的該導光板處形成複數個暗區；及一定位元件，包含複數個凸部，該些凸部之凸出方向朝向該上表面，並分別抵持於該些暗區。
2. 如請求項1之背光模組，其中該發光角度的範圍介於54°與66°之間。
3. 如請求項2之背光模組，其中該發光角度為60°。
4. 一種背光模組，包含：一導光板，包含一入光面及一上表面相交於該入光面；複數個發光元件，分別朝向該入光面投射一光線，該些光線具有一最大輝度，且待該些光線進入該導光板內部後，可於該導光板內部形成一亮區與複數個暗區，該亮區之輝度高於一預定輝度，該些暗區之輝度則低於或等於該預定輝度，且該預定輝度小於該最大輝度；及一定位元件，包含複數個凸部，該些凸部之凸出方向朝向該上表面，並分別抵持該些暗區。
5. 如請求項4之背光模組，其中該預定輝度與該最大輝度的比值的範圍介於0.75與0.25之間。
6. 如請求項5之背光模組，其中該預定輝度與該最大輝度的比值為0.5。
7. 如請求項1之背光模組，其中該些發光元件係與該些暗區交錯排列。
8. 一種背光模組，包含：一導光板，包含一入光面及一上表面相交於該入光面；複數個發光元件，分別朝向該導光板之該入光面投射一光線；一介質，位於該導光板之該上表面上，且亦位於該入光面與該些光線於該導光板內之全反射角處的位置之間；及一定位元件，對應於該上表面配置。
9. 如請求項8之背光模組，其中該些光線係指由該些發光元件的正中央處所投射之光線。
10. 如請求項8之背光模組，其中該介質之折射率為1。
11. 如請求項8之背光模組，其中該導光板之折射率範圍介於1.34與1.60之間。
12. 如請求項11之背光模組，其中該導光板之折射率為1.49。
13. 如請求項1至請求項12中之任一項所述之背光模組，其中該些發光元件係為複數個發光二極體。
14. 如請求項1至請求項12中之任一項所述之背光模組，其中該定位元件係為一膠框。
15. 如請求項1至請求項12中之任一項所述之背光模組，另包含：一背板，用以容置該導光板、該些發光元件與該定位元件；一反射片，配置於該背板與該導光板之間；及一光學膜片組，對應於該導光板的該上表面配置，且該定位元件係環繞該光學膜片組。
16. 一種平面顯示器，包含： 一如請求項1至請求項12中之任一項所述之背光模組；一顯示面板，對應於該導光板的該上表面配置，且係由該定位元件所承載；及一前框，對應於該背光模組與該顯示面板設置，並具有一顯示開口，用以曝露出該顯示面板之一部分。
17. 如請求項16中之平面顯示器，其中該些發光元件係為複數個發光二極體。
18. 如請求項16中之平面顯示器，其中該定位元件係為一膠框。
19. 如請求項16中之平面顯示器，其中該背光模組另包含：一背板，用以容置該導光板、該些發光元件與該定位元件；一反射片，配置於該背板與該導光板之間；及一光學膜片組，對應於該導光板的該上表面配置，且該定位元件係環繞該光學膜片組。
20. 一種背光模組之定位元件的設計方法，包含下列步驟：提供一導光板，包含一入光面及一上表面相交於該入光面；提供複數個發光元件，分別朝向該入光面投射一光線；提供一模擬定位元件，包含複數個突部，該些突部之突出方向朝向該上表面，並分別抵持於該上表面之複數個抵持位置；調整該模擬定位元件或該些突部的位置，即改變該模擬定位元件的該些抵持位置，直至該些光線能均勻地自該導光板射出，而不會產生輝度不均的現象為止；紀錄當該導光板不會產生輝度不均的現象時的該些抵持位置，並 定義該些抵持位置為複數個暗區；及提供一定位元件，包含複數個凸部，該些凸部之凸出方向朝向該上表面，並分別抵持於該些暗區。