TWI644134B - 視覺顯示器背光單元 - Google Patents

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TWI644134B TW104100780A TW104100780A TWI644134B TW I644134 B TWI644134 B TW I644134B TW 104100780 A TW104100780 A TW 104100780A TW 104100780 A TW104100780 A TW 104100780A TW I644134 B TWI644134 B TW I644134B
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丹諾克斯席爾瑞路克亞倫
庚贏
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Abstract

本發明有關一背光單元，該背光單元適合用於照明顯示裝置的液晶顯示面板。該背光單元包含導光板、中間波導及光源，該導光板包含具有至少一邊緣的玻璃基板，該中間波導實體地且光學地沿該至少一邊緣之長端耦合至該至少一邊緣，該光源光學耦合至該中間波導。

Description

視覺顯示器背光單元 【優先權】
本申請案聲請美國臨時申請案編號第61/925,857號之優先權，該優先權案申請於2014年1月10日，本申請案係基於該美國臨時申請案之內容並在此以引用方式整體併入該案之內容。
本發明概略關於液晶顯示裝置，更特定言之係關於經配置以照明該顯示裝置之顯示面板的背光單元。
在液晶顯示器(LCD)中，背光單元通常含有一導光板(LGP)，該導光板於其邊緣處耦合至一連串白光發光二極體(LED)。該LGP通常以塑膠材質製成，像是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，該材質為一種透明的熱可塑性塑膠，用於手持式裝置者具有大約400微米以上的厚度。在某些應用中，需要將整個LCD疊層的厚度極小化，且使用較薄的LGP帶來顯著的好處。然而，問題在於LED的典型大小為(舉例)1 x 0.3毫米(mm)，且要耦合從LED進入一個厚度大約100微米之波導的光源帶來挑戰。
另外，對於大尺寸面板(例如60英吋，152.4公分)而言，PMMA之使用是麻煩的，因為PMMA吸收濕氣，濕氣能產生明顯的延伸。因此，需要以一種薄而尺寸上穩定的材質來取代PMMA。然而，對於大型面板來說需要非常大面積的LED(2x2毫米至3x3毫米的範圍)，使得需要將LED耦合於尺寸大於該波導之厚度的LED。
在其他應用中，可能需要將遮光屏之大小極小化。目前的背光設計帶來其他限制。例如，也需要空間來將該等LED散熱，還有用來驅動LED的驅動電路。另外，接近LED的發光點，在該LGP內的光學能量密度為非均勻的，使得該LGP在最靠近該LED的前幾毫米無法使用。
至少因為上述原因，需要一種光學系統能夠讓大面積LED所發出的光轉換進入比該發光區域更薄的波導中。
本說明書描述一種設備，該設備包含耦合一光源進入第一中間波導(IWG)中，使得該光源的發光區域能被包括在該IWG的截面中。光接著在該IWG的長度上傳播。該LGP經光學地耦合至該IWG，使得光從IWG洩出進入該LGP中，跨傳播距離L。在該IWG及該LGP之間的接觸(可選擇地透過黏著劑)以及該IWG的長度經最佳化，以獲得在IWG及LGP之間的極大耦合效率。
因此，本發明揭示一種設備，該設備包含一背光單元，該背光單元包括導光板、中間波導及光源，該導光板包含具有至少一邊緣的玻璃基板，該中間波導沿該邊緣的長端 實體地並光學地耦合至該至少一邊緣，該光源光學地耦合至該中間波導。該導光板可包含小於60ppm的鐵(Fe)。該導光板的厚度等於或小於大約1.5毫米(例如等於或小於1.2毫米)。該中間波導利用像是聚矽氧黏著劑或環氧基之黏著劑而經實體地並光學地耦合至該導光板。該黏著劑可與該IWG及/或該LGP指數符合。在某些實施例中該中間波導在一表面中包含凹槽或通道，且該導光板的該邊緣經定位在該通道內。在某些實施例中該中間波導經實體地並光學地耦合至該玻璃基板的主要表面。
複數個個別光源可經光學地耦合至該中間波導。如本說明書中所用，光學耦合意指在一媒介(像是中間波導)中傳播的光被轉移進另一媒介(像是導光板)中。
該背光單元可包含實體地並光學地耦合至該導光板的複數個中間波導。
該設備可進一步包含液晶顯示器面板，該液晶顯示器面板經定位於鄰接該背光單元。
在某些實施例中該中間波導可為包含長軸的延長波導，且該中間波導沿著該長軸包含錐狀。例如，該中間波導可在垂直於該導光板之平面的維度中為錐狀的。在其他實施例中，該中間波導可在平行於該導光板之平面的維度中為錐狀的。在某些其他實施例中，該中間波導能在多個維度(方向或軸)中為錐狀。
在某些實施例中，該光源經直接光學耦合至該導光板，使得光從該光源同時耦合進入該導光板及該中間波導中。
應理解，以上的概略說明及以下的實施方式都提出本發明的實施例，且都意欲提供一個概觀或架構以供了解所請實施例的性質及特徵。隨附之圖式被包括以提供對實施例的進一步了解，且該等圖式被併入本說明書中並構成本說明書一部分。該等圖式描繪本發明之各種實施例，且該等圖式連同說明書部分負責解釋該等實施例的原理及操作。
10‧‧‧背光單元
12‧‧‧中間波導(IWG)
14‧‧‧光源
16‧‧‧光發射器
18‧‧‧導光板(LGP)
20‧‧‧邊緣
22‧‧‧縱向軸
24‧‧‧黏著劑
26‧‧‧凹槽
30‧‧‧內部空間
32‧‧‧裂縫
34‧‧‧區域
36‧‧‧反射性材質
38‧‧‧散射層
40‧‧‧中間部
42‧‧‧端部
第1A圖是按照本發明之實施例的背光單元之側面圖；第1B圖是第1A圖之背光單元的俯視圖；第2圖是按照本發明之實施例的背光單元之側面圖，該側面圖顯示該導光板(LGP)實體地耦合至該中間波導(IWG)；第3A圖是IWG的顯微照片，該IWG包含凹槽形成在該IWG之表面中；第3B圖是按照本發明之實施例的背光單元之側面圖，該側面圖描繪LGP的邊緣，該LGP經黏合進入IWG中的凹槽；第4圖是模具的截面側視圖，且LGP被***至該模具的插槽中，以用於形成黏合至該LGP的IWG；第5圖是藉由多個LED來照明的LGP之俯視圖，且該俯視圖顯示在該LGP內不均勻的照明圖案；第6圖是IWG的照片，該IWG具有之直徑沿該IWG的長度變化，使得該IGP的中間部比該IWG的端部更薄； 第7圖是背光單元的透視圖，其中該IWG的縱向軸垂直於光源經耦合所進至的該邊緣；第8A~8C圖是耦合至LGP的IWG之範例尺寸的正交視圖，其中該中間波導的長軸垂直於該LGP的該鄰近邊緣；及第9圖是背光單元的俯視圖，該背光單元包含複數個IWG耦合至LGP的複數個邊緣，使得該等IWG的長軸垂直於該鄰近邊緣。
現將詳細參照本發明之實施例，該等實施例的例子經描繪於隨附圖式中。在可能的時候，在全份圖式中將使用相同的元件符號來指稱相同或類似之部件。
背光單元(BLU)常見被採用為光學顯示裝置的光源，在其中顯示面板本身不產生光線。藉由與一有機發光二極體顯示面板比較就能說明，其中該等個別有機發光二極體各向一液晶顯示器面板產生光，其中該顯示面板的液晶材質僅緩和從外部來源起始的光。然後，背光單元經定位在相對於觀看者之位置的顯示面板後方。來自該背光單元的光穿透該液晶顯示器(LCD)面板，而位於各像素位置的液晶材質藉由電信號經修改成不是允許來自背光單元的貫入光於該像素位置穿透該顯示面板，就是被停止。像素位置可經再分成次級像素(sub-pixel)，其中可穿透次級像素位置的光能藉由將該光從該背光單元透過彩色濾光板來進一步修飾。
用於LCD裝置的背光單元過去仰賴冷陰極螢光光源 的整合。最近，已採用發光二極體(LED)作為背光單元內的光源。LED可沿一光學地「洩漏」的導光板的一或更多邊緣排列。來自LED的光在該導光板內及橫跨該導光板經導引並被致使沿該經導引之光傳播路徑散射，使得相對一致的光量從該導光板朝該LCD面板的方向投射。藉著將LED沿導光板的一或更多邊緣排列而非直接地排列在該LCD面板後方，還有藉著用冷陰極螢光照明的實施方式，LCD顯示裝置能被製成比較早世代的裝置明顯較薄，如此類薄型「LED」電視機所展現之商業上成功。更甚者，能被製造成非常小尺寸之LED的使用，允許圍繞顯示器的遮光屏寬度縮小。
儘管如此，對於製造越來越薄之LCD裝置有所需求，特別是對於小型手持式裝置，還有對於可穿戴式顯示電子裝置(像是腕戴裝置)，但也對於大型電視機。有一作法是減少包含液晶面板之基板的厚度。另一作法是去減少LCD面板及遮罩面板之間的氣隙，遮罩面板常見是定位在液晶面板前面的玻璃基板以提供對液晶面板的破壞保護。
另一種減少顯示裝置之整體厚度的方式是藉由減少背光單元的厚度，尤其是導光板，此作法的完成是藉由最近商業上導入的極薄、高光學品質玻璃片，該玻璃片所具厚度等於或小於大約100微米(或微尺，μm)。儘管如此，玻璃的極致薄度，使得光進入至導光板中的耦合，以及光沿著光導引方向的均勻分布特別地困難。此外，一般用來當作LGP的塑膠(PMMA)對於大型(對角線>50英吋，也就是127公分)顯示器來說是麻煩的。LGP所吸收的濕氣造成LGP非 常大的伸縮。此舉影響了在光源及LGP之間的氣隙。因此，該顯示裝置所產生之LGP同質性及影像亮度可能隨時間改變。因此，來自顧客有明顯的推力要以玻璃取代PMMA。因為至少上述理由人們較偏好較薄玻璃，但另一方面作為光源之LED的大小範圍從大約2毫米到大約3毫米，且可能不有效地耦合光。
美國專利文件2010/0214786(公開於2010年8月26日，發明人Nichol)描述之中包含一種彈性半透明片材，該彈性半透明片材經折疊以使分界邊緣的部分緊密地處於重疊的關係，而該等重疊部分藉由光源而經照明。光照透過該片材的內部傳輸至該片材的任何未折疊區域，該片材的任何未折疊區域可承載經處理的發光區域使得從該片材的該等區域處發光。某些實施例具有一連串支腳切進入該片材的一邊緣中，而該等支腳接著以層疊關係成捆束，以一光源提供進入該捆束的光輸入。
像由Nichol所述之結構理論上能達到優秀的耦合效率，但同時該等結構可能無法實施，因為該等結構需要一複合式3D結構，而在某些實施例中表面需要反射性的塗層。
因此，如本說明書及第1A及1B圖所述，在一實施例中呈現了背光單元10，該背光單元運用一或更多個大截面、延長的中間波導(IWG)12。光源14藉由接近耦合來光學地耦合至各IWG 12，該光源可包括一或更多個別的光發射器16，像是一或更多LED。為了使光學耦合最佳化，IWG 12的截面應該至少等於光發射器16的截面。薄玻璃導光板 (LGP)18接著使用(例如)一種符合折射指數之材質來光學地耦合至IWG 12。由於在IWG 12及LGP 18之間有光學耦合，在IWG 12中傳播的光洩漏進入LGP 18中，並在跨越LGP 18的導引方向中傳播。為了在沒有明顯著色(染色)之下提供好的光學澄清度，該玻璃應該包含小於60每百萬單位數(ppm)之濃度的鐵。
在一實施例中，如第1B圖中所示，LGP 18的邊緣20可平行於IWG 12的縱向軸22。IWG 12可經形成為(例如)桿，而LGP 18沿該桿的長度經光學地耦合。以下實施例經描述及顯示為具有圓形截面的桿，但是其他截面形狀(像是橢圓、矩形或任何其他幾何形狀)能以類似方式適用，且在此經例示。
在某些實施例中，像是第2圖中所示，IWG 12可經實體連接至LGP 18。例如，IWG 12可藉由光學黏著劑24經連接至LGP 18，其中該黏著劑形成在IWG 12及LGP 18之間的接頭。該接頭能夠利用(例如)環氧或聚矽氧黏著劑來形成。從IWG 12沿著IWG 12之長度所洩漏，而因此經光學耦合至LGP 18中的光量，能藉由調整IWG 12及LGP 18之間的局部壓力來修改。因此在某些實施例中，IWG不一定是直桿(也就是說IWG可包括非直線縱向軸22)。在IWG 12及LGP 18之間的耦合效率因至少下列者而異：IWG桿的長度、IWG桿的直徑，以及在IWG 12、LGP 18及/或黏著劑24之間的接觸區域。
由於在IWG 12及LGP 18之間只期望有一個環氧接 頭是有點脆弱，因此可採用幾個完成此種接合的方法。在其一方法中，如第3A及3B圖所示，在該IWG中形成凹槽26(通道)，該凹槽包含之寬度稍微大於該IWG所將接合之LGP之邊緣的厚度。第3A圖是此IWG的電子顯微鏡影像。黏著劑24(像是符合折射指數的環氧)接著被散布在凹槽26內及/或沿著LGP 18的邊緣20，且該邊緣經定位在該凹槽內。從該凹槽因為接合動作而推出的多餘黏著劑可經移除，像是藉由擦抹。
在另一做法中，如第4圖中所顯示，製造了IWG的模具28，該模具包括中空、縱向延伸之內部空間30及形成於該模具的一側中之裂縫32，該裂縫與該中空內部空間交叉並將該中空內部空間與該模具外部的區域34相連接。LGP 18***進該裂縫中使得邊緣20延伸一預定距離進入該中空內部空間中，且塑膠材質(像是PMMA或符合折射指數的環氧)被射入(例如從該模具的一端)該模具中。該塑膠材質(或符合折射指數的環氧)接著以適用於該材質的方式經處理，之後移除該模具。
使用多個光源(例如LED)之習用背光單元的諸多問題之一是所謂的「熱點」(“hot spots”)的形成，如第5圖中所示。此種熱點之發生是因為當非常接近個別光源時光的密集度非常高。因此，LGP靠近該等個別光源的區域，例如該LGP的前幾毫米內，是無法使用的，因為照明並不足夠均勻。此一般需要使用大遮光屏來掩藏該LGP靠近該等光源的第一部分。
因此，本發明之實施例包括單一直線光源(IWG 12)之使用來使得不形成熱點，以允許顯示器具有非常窄的遮光屏。
在某些實施例中，由於光可以高角度脫逸自IWG，能對未經耦合至IWG 12之邊緣(像是第1B圖中所示垂直於IWG 12的邊緣)的表面施加反射性材質36(像是蒸氣沉積的鋁)。
由於光從IWG洩漏，隨著在光源及在該IWG內一位置之間的距離增加，透過IWG 12傳播之光的密集度減少。換言之，光的密集度隨著離光源的距離而減少。因此，可用於耦合進入LGP 18中的光可能沿IWG 12的長度而改變。因此，在某些實施例中可能需要改變該LGP之內或之上的光萃取特徵之空間密度，像是在LGP 18之一表面上的散射層38中之散射特徵的空間密度(第3B圖)。在其他實施例中，該IWG的截面可能不同，因為在IWG 12及LGP 18之間的萃取效率與IWG截面的減少反向地增加。因此在某些實施例中(如第6圖中所示)，IWG 12可具有一中間部40，該中間部40比端部42具有較小直徑。第6圖是此種IWG的照片。越窄的中間部在該桿的中間區域周圍萃取越多光。應注意，較窄的部分可以經定位在另一位置，而不被限定在中間。
在此所述之實施例適用於小尺寸顯示器，像是在手持式裝置及可穿戴電子裝置中，且該等實施例使非常薄的玻璃可用於該LGP，例如所具有厚度等於或小於1.5mm、等於或小於1mm、等於或小於500μm、等於或小於300μm、等 於或小於100μm，以及在一些情況下等於或小於50μm。常見耦合一1毫米x 1毫米LED進入至一200微米厚LGP的幾何形狀是一桿，該桿具有大約1.5毫米之直徑且長度大約100毫米。模擬顯示出從該IWG耦合進入LGP中的程度在85%。應了解該IWG及該LGP的尺寸將由該顯示裝置的尺寸來決定。可明顯理解用於大螢幕電視機之背光單元的尺寸不同於小型手持式裝置的尺寸。
在另一實施例中，如第7圖中顯示，描繪一IWG包括縱向軸22，該縱向軸垂直於該LGP的邊緣。例如，該IWG結構能在該LGP上直接包覆成型(over-molded)。另一可用的選項包含射出成型一光以耦合IWG至該LGP。該IWG將接著在一側上經耦合至LED，在另一側上耦合至該LGP。此配置方式經圖示於第7圖中，此配置方式將光源部分鄰接LGP 18的邊緣置放，使得該光源所產生的光之部分經直接耦合進入該LGP中，無須透過該IWG。此外，該IWG接觸該LGP的表面可能比前面之邊緣安裝平行IWG大很多，表示可能採用短很多的IWG以與平行配置方式得到相同程度的耦合。
第8A、8B及8C圖顯示經過光學設計最佳化之一IWG之範例幾何形狀的正交視圖。第8A-8C圖之配置方式的數學模擬指示出一個2毫米x 2毫米的LED之大約90%能經耦合至一個1毫米厚的LGP。如果是這樣，該IWG可為錐狀以增加光洩漏進入該LGP中的空間速率。也就是說，增加能從該IWG被萃取進入該LGP中之每單位長度光量。如第8A-8C圖中所示，該IWG能為多個尺寸的錐狀。例如，第 8A-8C圖中的IWG是在高度方向(在該LGP之平面上方，第8A圖中的「y」軸)以及寬度方向(平行於該LGP之平面，第8B圖中的「x」軸)的錐狀。
第9圖圖示複數個垂直的IWG 12，該等IWG耦合至一LGP的複數個邊緣，例如相對邊緣。換言之，該等IWG各自垂直於該LGP的鄰近邊緣，但是彼此平行。因此，如第9圖中所示，複數個垂直的IWG經實體地並光學地耦合至LGP的第一邊緣，且複數個垂直的IWG經實體地並光學地耦合至該LGP的相對第二邊緣，該第二邊緣平行於該第一邊緣。
本發明所屬技術領域之通常知識者可了解對本發明之實施例可有各種不同修改及變化，並無悖離本發明之精神及範疇。因此意圖以本說明書涵蓋在隨附申請專利範圍及其均等者的範疇內所提供之此類實施例的修改及變化。

Claims (7)

  1. 一種顯示設備，包含：一背光單元，該背光單元包括：一導光板，該導光板包含具有至少一邊緣的一玻璃基板；一中間波導，該中間波導實體地且光學地沿該至少一邊緣之一長端耦合至該至少一邊緣，該中間波導沿一縱向軸延伸，其中該中間波導包括垂直於該中間波導之該縱向軸所採的一圓形截面，且一通道形成在該中間波導中，及該導光板的該至少一邊緣經定位為平行該縱向軸且沿該邊緣之該長端定位在該通道內；及一光源，該光源光學耦合至該中間波導。
  2. 如請求項1所述之顯示設備，其中該導光板的一厚度等於或小於1.2mm。
  3. 如請求項1所述之顯示設備，其中該中間波導以一黏著劑來實體地耦合至該導光板。
  4. 如請求項1所述之顯示設備，其中該光源包含複數個光發射器，該複數個光發射器經光學耦合至該中間波導。
  5. 如請求項1所述之顯示設備，其中該導光板包含小於60ppm之鐵。
  6. 如請求項1所述之顯示設備，進一步包括一液晶顯示面板，該液晶顯示面板經定位於鄰接該背光單元。
  7. 如請求項1所述之顯示設備，其中該中間波導的該圓形截面沿該中間波導的該縱向軸變化。
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