TWI434103B

TWI434103B - 用於改善之背光照度均勻性的系統

Info

Publication number: TWI434103B
Application number: TW096142697A
Authority: TW
Inventors: Ravi Shankar Durvasula; Mark Marshall Meyers; Peter William Lorraine
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2014-04-11
Also published as: TW200832012A; KR101508010B1; US7690811B2; CN101201505A; CN101201505B; JP5276306B2; KR20080045061A; US20080117630A1; JP2008147174A

Description

用於改善之背光照度均勻性的系統

本發明的實施例一般係關於用於顯示裝置中改善之背光照度均勻性的系統。

大規格顯示裝置，例如平板液晶顯示器(LCD)，通常使用冷陰極螢光燈(CCFL)作為光源。儘管CCFL具有小形狀因子(具有通常為2.6至3.0 mm範圍的直徑)，CCFL具有相對低照明效能並且在較長的長度上是易碎的。隨著顯示面板螢幕對角線持續地增加，亦增加用於照明此類顯示器之機械上堅固、高照明效能的光源之需求。

更為近期地，已使用熱陰極螢光燈(HCFL)作為此類平板顯示器的光源。HCFL的使用允許光輸出的電流脈衝，其允許由LCD像素的有限延遲時間所致使的動態模糊的縮減，以改變影像框之間的狀態。HCFL更提供較CCFL更高的照明效能，以及針對較長管長度(具有約16 mm的典型直徑)之更為機械上的穩固。然而，由於在平板顯示器中的趨勢在於減低面板深度，且HCFL具有較CCFL更大的直徑，HCFL傾向在顯示面板的背光凹槽內部佔據更多空間。此導致以狹帶的形式在LCD螢幕下方照度上的不均勻性，其一般是終端使用者所不悅的。再者，由於在平板顯示器中的趨勢在於減低面板深度，一般意欲增加照度的均勻性而不顯著地增加背光凹槽的深度。

在一實施例中，照明系統包括：背光殼體；複數個光閥，其耦接至該背光殼體；複數個光源，其配置在該背光殼體中並光學地耦接至該些光閥。該照明系統可更包括：光散射基板，其光學地耦接於該複數個光源和該些光閥之間，以及複數個光調制點，其圖案化在該基板上，以調制來自該複數個光源的光之透射強度，用以藉由減低由該些分隔之光源所導致的狹帶來達成增加之照度均勻性。

在另一實施例中，光學擴散器包括：光散射基板；以及複數個光調制點，其圖案化在該基板上，以調制來自光源的光之透射強度，用以藉由減低由寬分隔之光源所導致的狹帶來達成增加之照度均勻性。

在一實施例中，該些光調制點包含反射點、或透射點、或吸收點、或是其組合。

根據本發明的一或多個實施例，此處係敘述用於改善照度均勻性的系統和方法。在下述詳細敘述中，提出數個特定細節以使提供本發明的各種實施例的完整理解。然而，熟習此技藝之人士將可理解實施該等實施例並不需這些特定細節，本發明並不僅僅侷限於所述之實施例，本發明可以各種替代的實施例來實施。在其他例子中，並未詳細地敘述已知的方法、程序、和構件。再者，用詞「在一實施例中」的重複使用並非必要地參考相同的實施例，儘管其亦可。最後，使用於本案中的用詞「包含」、「包括」、「具有」、和其他意欲為同義的，除非另外指定。

第1圖係為根據一實施例的範例照明系統之橫剖面圖。在第1圖，照明系統10包括背光殼體19；複數個光閥11，其耦接至該背光殼體19；以及複數個光源15，其配置在該背光殼體19中並光學地耦接至該些光閥11。該照明系統10更包括：至少一光散射基板12，其光學地耦接於該複數個光源15和該些光閥11之間，以及複數個支撐體16，其提供支撐給光散射基板12。

光閥可為透射性或反射性光閥陣列，例如：包括像素孔徑的液晶顯示器(LCD)，該些像素孔徑係個別地受控，以調制由複數個光源15所產生的光之透射度。再者，光散射基板12可包括在光閥11和複數個光源15之間，以增加由複數個光源15所產生的光之照度均勻性。根據將於下述進一步詳細敘述的實施例，照明系統10係設置有複數個光調制點，其圖案化在一或多個光散射基板12上，以調制來自該複數個光源15的光之透射強度，用以達成增加之照度均勻性。

背光殼體19可依據例如：照明系統的所欲應用，而在尺寸和形狀因子上有所不同。舉例而言，在照明系統10意欲用於作為LCD電視使用的情況中，背光殼體的長度和寬度可改變尺寸，以適應從約50至200 cm且甚至更大的LCD面板。然而，即使當背光殼體19的直徑已增加以適應此類較大LCD面板時，背光殼體19的深度(例如：定位複數個光源15之內的空間)已持續保持在約25 mm的等級上。

背光殼體19可設置有一或多個反射器14，其形成在複數個光源15下方或複數個光源15之間，以使將從複數個光源15所發出的光反射回到光閥11。反射器可採例如：具有塗層的單反射金屬板或塑性反射體之形式，且可甚至分佈在背光殼體19和光源15之間。可選擇地，反射器14可設置在背光殼體19和光源15之間，作為光源位置的函數。舉例而言，在一實施例中，一或多個反射器14可定位在各個光源15之間，用以藉由將額外光反射或散射至光散射基板12上的較低強度區域，進一步增加照明系統10間的照度均勻性。

第2圖係為根據一實施例的範例照明系統(例如：第1圖的照明系統10)之透視圖。在第2圖中，所述照明系統包括：光源15，以固定間隔配置在背光殼體中；以及反射器14，其至少部分地設置在背光殼體19和光源15之間。再者，係敘述三個光散射基板(擴散器)12a、12b和12c，且係光學地耦接於光閥11(圖未示)和複數個光源15之間。光散射基板12a、12b和12c可包括一或多個擴散膜、片材、平板，且可單獨地或集合地稱為擴散器。在一實施例中，一或多個的光散射基板12a、12b和12c可包括聚碳酸酯樹脂。在一實施例中，光散射基板12c可為具有約2 mm厚度的相對厚板，而光散射基板12a和12b中的各個可為具有約0.2 mm厚度的薄膜。在一實施例中，光散射基板12c可為厚塊體式散射擴散器，例如：從Pittsfield MA、GE塑膠所得的GE元件標號SW2005，而光散射基板12a和12b可為從GE塑膠所得的ILLUMINEX商標顯示膜等級的DL4251或DL4250。

根據一實施例，複數個光源15可包括一或多個螢光燈。在更為特定實施例中，光源15可包括一或多個熱陰極螢光燈(HCFL)，例如：在燈的二端上具有電極之T5燈。因此，當提供電壓至複數個光源15之二端上的電極時，複數個光源15發出光。

第3圖係為說明適於作為根據本發明實施例的光源15使用的範例T5熱陰極螢光燈(HCFL)25的概要圖。為了提供更為詳細的視圖，僅敘述最左部分的HCFL 25。在其各個端上，HCFL 25包括外本體18和二電極17，以提供電壓源給燈。HCFL 25可為具有長度L和寬度或直徑D。在一實施例中，HCFL 25的直徑係約為16 mm，而長度可依據所欲之應用而變化。當使用於連接LCD背光(舉例而言)，長度可依據背光殼體19或光閥(例如：LCD面板)11的直徑而變化。

第4圖係為說明根據本發明一實施例的照明系統10之前視圖。照明系統10包括前述的背光殼體19和複數個熱陰極螢光燈(HCFL)25。熱陰極螢光燈25可實質地配置在平行於光閥11的平面上，且可在光閥後面的長度方向L上從背光殼體19的一側延伸至另一側，如圖所示。熱陰極螢光燈25可藉由固定距離或在照明系統10的寬度間變化的距離而彼此間隔。在第4圖的所述實施例中，熱陰極螢光燈25可藉由固定距離27而間隔。

第4圖的照明系統10更包括光散射基板12(如前所述)，以增加由複數個光源所產生的光之照度均勻性。然而，因為熱陰極螢光燈25的直徑是相當大於較常用於平板背光的冷陰極螢光燈(例如：T5燈是16 mm，而CCFL燈是2.6~3.0 mm)之直徑，由於燈的上部較為接近光散射基板的底部，即使經由光散射基板12，光狹帶是可能的。尤其，針對CCFL燈，88%的背光殼體之凹槽深度是在CCFL燈的上部並在擴散器的下方，而針對T5燈，僅48%的背光凹槽深度是在燈的上方並在光散射基板12的下方。

根據一實施例，照明系統10設置有複數個光調制點，其圖案化在光散射基板基板12上，以調制來自熱陰極螢光燈25的光之透射強度，用以藉由減低由該些間隔之熱陰極螢光燈25所導致的狹帶來達成增加之照度均勻性。除非另外提到，用詞「點」意欲廣闊地稱為小記號或內容物。光調制點可為實質地圓形，然而，此些點亦可包括但不侷限於其他形狀，正方形、橢圓形、梯形、或任何其他幾何/多邊形狀。再者，此些點可為圓形且具有直徑，而其他可為略微橢圓形且具有長軸和短軸。在一實施例中，光調制點小於相關LCD面板的像素孔徑區域，其可典型地具有約200 μm至約500 μm的孔徑區域。在一實施例中，光調制點可具有點寬度或直徑，其小於約300 μm。在更為特定例子中，光調制點可具有點區域，其等於或小於LCD像素區域的尺寸之1/3。在一實施例中，光調制點可具有約150 μm點寬度或直徑。在一實施例中，光調制點可由含有高反射和散射物質的塗料或墨水所組成，例如氧化鈦(TiO₂ )或氧化鋁(AlO₂ )。附加地，光調制點可以各種已知或研發中的方法來形成在光散射基板上，例如光散射器。舉例而言，光調制點可經由絲網印法、噴墨印刷、或塗料點隨客印刷法而印刷在擴散器上。絲網印法允許以單一操作快速印刷在整體表面，而噴墨和點隨客印刷需要印表機，以個別地存取各個點位置。

在一實施例中，此處所述的光調制點可包括反射點、散射性透射點、吸收點、和其組合。反射點可為反射或擴散的，且一般可將從光源(例如：熱陰極螢光燈25)發出的光反射回到該燈和背光殼體19。從燈上方的區域所反射的光將被散射和擴散至燈之間的區域上方，因此增加燈之間的強度。透射點將從光源所發出的光散射在實質遠離燈和背光殼體的前進方向上。相對照之下，吸收點至少部分地吸收從光源(例如：熱陰極螢光燈25)所發出的光。吸收點可被調制和間隔，以使得在燈正上方的光被吸收，使得改善整體照度均勻性。在某些實施例中，光調制點可為部分透射、部分反射或部分吸收。舉例而言，光調制點可包括局部透射點，其顯現例如：50~95%反射性。當經由擴散器的主體觀看時，此部分透射點可為較低可視的。

在一實施例中，透射點可包括微米或奈米球體(或內容物)，相比於周圍散射基板12的折射率，其具有不匹配的折射率。使用具有較高或較低折射率並埋設置基板/擴散器中或附接至擴散器的表面之球體，允許球體將光聚焦在受控錐形角度內。影響所得散射器的本質之參數係為球體(或內容物)的尺寸、其折射率、和其密度。球體可以從100 nm至500 μm的尺寸來製成，並且可由包括二氧化矽和聚苯乙烯的各種材料來組成。球體亦可製成為中空，以將和周圍基板的折射率變化最大化。微球體或內容物的密度可被調制和間隔，以使在燈的正上方具有增加的散射，和在燈之間的間隔上方縮減的散射，以增強整體照度均勻性。

光調制點可形成在單一光散射基板(例如：12a、12b、12c)的一或多個表面中或其上，或者光調制點可層壓在超過一個的光散射基板上。再者，光調制點可形成在二或多個層的光散射基板12之間。如前所述，光散射基板12可代表擴散器，其至少從聚碳酸酯樹脂局部地形成。

此外，光調制點可配置在光調制點圖案中。在一實施例中，光調制點圖案可特徵化為具有一圖案長度和一圖案寬度，藉此該圖案長度係界定為平行於熱陰極螢光燈25的長度方向L，且該圖案寬度係界定為垂直於熱陰極螢光燈25的長度方向L。在一實施例中，光調制點可形成在一圖案中，使得所得的光調制點圖案寬度大於相對應光源的寬度或直徑。舉例而言，當使用於和熱陰極螢光燈25相關聯時，光調制點圖案寬度可大於16 mm，其係為T5燈的直徑。在一實施例中，光調制點圖案寬度可小於相對應光源的直徑之兩倍。在一實施例中，光調制點圖案寬度可約為25 mm。

在一實施例中，重複光調制點圖案，作為燈位置的函數。舉例而言，在第4圖中，各個重複的光調制點圖案可集中在相對應熱陰極螢光燈25的上方。再者，各個重複的光調制點圖案可在分隔各個熱陰極螢光燈25的距離27之大約一半開始和結束。在其他實施例中，光調制點圖案可延伸達至燈之間的間隔之100%。

在一實施例中，可藉由利用反射點間隔或點區域、或其組合的擴散器來調制從該複數個光源(例如：熱陰極螢光燈25)所發出的光之強度透射。在一實施例中，可改變光調制點之間的間隔，作為例如如第4圖所示之從沿著燈寬度或直徑的燈中心之距離的函數，並且在垂直於長度方向的方向上。

第5圖說明根據一實施例包括形成在間隔調制圖案中的光調制點之照明系統的切割部分，而該些光調制點作為光源位置的函數。第5圖的照明系統之所述部分包括背光殼體19、單一熱陰極螢光燈25、和光散射基板12，該光散射基板12包括形成在間隔調制圖案中的光調制點32。在所述實施例中，改變光調制點32之間的間隔，作為熱陰極螢光燈25的寬度/直徑之函數，並且在垂直於該燈的長度方向之方向上。因此，當相比於分隔此光源的間隔上方之光散射，在光源(例如：熱陰極螢光燈25)上方的光散射係增加。在一實施例中，光調制點係根據以下函數來間隔：Px(i)＝A＋B*(x/Ni)＋C*(x/Ni)² ＋D*(x/Ni)³ Py(j)＝G*(y/Nj),其代表從該燈的中心至i^th 點橫向上位置和j^th 點縱向位置上的距離。光調制點的位置之方程式可為達至10^th 階項的多項式之形式，但一般為二次方程式，其足以修正橫向變化且縱向上的間隔僅為線性的。

第6圖係為說明根據一實施例當以從光調制點圖案邊緣計算的點發生來表示時，作為燈位置的函數之光調制點間隔之曲線圖。藉由參考曲線圖可知的是，點之間的間隔係從對應至光源(例如：熱陰極螢光燈25)的中心之點B到分別對應至一給定光源的光調制點圖案開始或末端之點A和點C增加。

第7圖係為說明根據本發明一實施例不具有光調制點的照明系統以及設置有包括光調制點之擴散器的照明系統之照度的曲線圖。尤其，第7圖說明每一球面度從與擴散器垂直的角度所量測之單位為1 umens/cm² 的照度(nits)，作為沿著背光殼體19的線性位移(單位為mm)之函數。在第7圖中，第一曲線圖53表示包括T5熱陰極螢光燈和擴散器面板的標準照明系統之空間照度。在此例中，由第一曲線圖53所說明的非均勻性係約為11%。相對照之下，第二曲線圖54表示根據一實施例包括T5熱陰極螢光燈和設置有100 μm間隔調制光反射點之擴散器面板的增強照明系統之空間照度。由第二曲線圖54所說明的非均勻性僅為約1%。

至此，用於說明之用途的討論已聚焦在HCFL光源上。然而，本發明的實施例可包括或是使用於包括CCFL、發光二極體(LED)、有機發光二極體、雷射等等的數個其他光源。可基於一給定類型的光源和應用來修改光反射點圖案，用以最佳化所得的光之均勻性。

儘管此處僅已說明和敘述本發明的某些特徵，對於任何熟習此技藝者，當可作些許之修改與變更。因此，應可理解的是，在不脫離本發明之精神和範圍內，發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．照明系統

11．．．光閥

12．．．光散射基板

12a．．．光散射基板

12b．．．光散射基板

12c．．．光散射基板

14．．．反射器

15．．．光源

16．．．支撐體

17．．．電極

18．．．外本體

19．．．背光殼體

25．．．熱陰極螢光燈

27．．．固定距離

32．．．光調制點

當參考本發明各種實施例的伴隨圖式而閱讀以下詳細說明時，本發明可更為完整地理解，其不應作為限制用，僅為說明和理解之用，並且其中在所有圖式中相似的字元代表相似的部分。

第1圖係為根據一實施例的範例照明系統10之橫剖面圖。

第2圖係為根據一實施例的範例照明系統10之透視圖。

第3圖係為根據本發明實施例適於作為光源15使用的熱陰極照明燈(HCFL)之範例T5的概要圖。

第4圖係為說明根據本發明一實施例的照明系統10之前視圖的概要圖。

第5圖係說明根據一實施例包括形成在間隔調制圖案中的光調制點之照明系統的切割部分，而該些光調制點作為光源位置的函數。

第6圖係為說明根據一實施例當以從光調制點圖案邊緣計算的點發生來表示時，作為燈位置的函數之光調制點間隔之曲線圖。

第7圖係為說明根據本發明一實施例不具有光調制點的照明系統以及設置有包括光調制點之擴散器的照明系統之照度的曲線圖。