CN100378543C - Lcd背光源产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种利用透镜体曲率的设计,并配合发光二极管光源,使LED射出光线所涵盖的角度范围更为广阔的LCD背光源产生方法。本发明LCD背光源产生方法,包括:提供一透镜体,该透镜体设有一入光面与一出光面;提供一LED光源;将该透镜体套盖于该LED光源上;以及使LED光源散射的光线从弧面曲率是由中心轴向外侧由大变小的该入光面入射,其后再从弧面曲率系由中心轴向外侧由小变大的该出光面射出该透镜体。

Description

LCD背光源产生方法技术领域本发明是关于一种液晶显示器(liquid crystal display, LCD)背光源,尤其 是一种利用透镜体曲率的设计,并配合发光二极管(LED沐源,使LED光源 出射光线所涵盖的角度范围更为广阔的LCD背光源产生方法。 背景技术液晶显示器由于具有重量轻,体积小的特性,因此由过去笔记本型计算 机等小型设备的显示装置,逐步应用并已有取代传统CRT屏幕或电视的趋势, 其也随着零器件的性能提高,使得LCD面板尺寸、亮度、对比等规格,也一 直在进步提升当中。LCD依照光源产生影像的方式,可分为反射型与穿透型 两类,早期的LCD多以反射型为主,目前则主要以穿透型LCD为市场大宗。 而穿透型LCD则依照光源设置的位置可分作侧光式(side-edge)与直下式 (direct type)背光模式,侧光式LCD的光源设置于导光板(light guide) 二 左右侧边或四侧边处,使光线经由导光板的全反射作用以及导光板下方的扩 散片所设的扩散点,将光线均匀地从导光板表面射出,进而再透过液晶面板, 呈现出影像。然而,在大型LCD的发展需求下,足够的显像亮度、宽广的观看视角、 鲜明的影像对比以及较长的使用寿命,己成为研发最主要的重点,因而在此 种标准要求下,直下式的背光模块形态便成为大型LCD发展的技术主流。己 知直下式的背光模块请参阅图1, 一般LCD是由上半部的液晶面板10与下 半部提供光源的背光模块20所构成。背光模块20主要包括一棱镜片21、 一 扩散膜22、 一导光板23、 一反射罩24与一光源25。目前所利用于直下式背 光模块的光源24包括电激发光(EL)、冷阴极荧光灯(CCFL)、阴极发射灯 (CCL)或金属卤化灯等,其中以冷阴极荧光灯应用最广。光源24所发射的 光线是直接穿透导光板23以及与具有配光效果的棱镜片21与扩散膜22,而 能均匀的由背光模块IO表面射出,并透射进入液晶面板10中。

以一般使用冷阴极荧光灯的直下式背光模块与侧光式背光模块相比较, 因前者设有较多的灯管数,且光线可直接穿透导光板(有些甚至并未设有导 光板),可避免一些侧光的漏失,而使整体的辉度与发光效能大幅提升。然而, 灯管数目增多时,其所产生的热能也较多,所造成的温度升高也会对液晶分 子或是彩色光阻产生影响,而有色彩异变的现象,通常必须将背光模块的厚度增加,以减低此种干扰,因而不得不加大LCD的厚度体积。除此之外,灯 管间的分布排列,相当容易产生明暗条纹的情况,并对齐度产生一定的影响。 因此曾有利用LED光源取代冷阴极荧光灯的背光模块产生,由于LED 光源具有体积小、产热性低、耗电量低、使用寿命长的特性,加上近来制造 技术的进步,其发光亮度不断提升,且其制造成本也逐渐降低,目前已逐步 应用于各种照明设备中,未来,LED光源更可能取代目前灯泡或日光灯源, 而成为照明设备中最重要的发光组件,但是以LED光源作为LCD背光源仍 有其存在之问题。请参阅图2,现以2 9 1/2为120度的表面粘着型(SMD) LED光源30为例(6 1/2是指LED发光强度值为轴向强度值一半时该方向与轴 向的夹角,2倍01/2即为视角),其与照射表面在距离为X的情况下,若以其 照射所能涵盖直径为X长度的圆周范围内的照度计算,只能达成65%的均匀 度。请同时参阅并比较图3,该图是LED光源发光强度与发光角度的关系图, 从图中可知,发光角度为轴向而为0度时,LED的发光强度最高,但随着偏 离轴向的角度逐渐增大,其发光强度则等比降低。因此LED中央最亮,愈旁 边则等比变暗。LED光源发散光线后,照射到被照射表面时,在等距离的情 况下,原则上应依光线强度相似的比例分布,但因LED光源系照射于一平面 上,其所发散较大角度的光线,与被照射表面的距离较远,且照射面积较大, 使其照度相对上降低许多。因此无法依原LED光源强度比例分布,并在直径 长度为X的圆周区域边缘处,形成仅有圆周中央照度65%之均匀度。因此, 在一定均匀度的需求下,其所能涵盖的面积较窄,若欲使其光照区域满布并 能均匀,其在大尺寸面板上就必须设置相当多的LED光源,此将耗费相当的 成本;若设置数目不足,则将无法克服前述明暗相间隔且光照不均之缺失, 而影响到显像的品质。

发明内容为改善己知LCD背光源利用冷阴极荧光灯的高产热以及齐度较差的缺点,本发明将提供一种利用透镜体曲率的设计,并配合LED光源,以作为 LCD背光源来源的LCD背光源产生方法,使LED光源在一定均匀度条件下 的照射范围增加,甚至在该范围内提升其照射均匀度,并同时能够减少背光 模块中LED设置的数目,以降低背光模块的制作成本。本发明的LCD背光源产生方法,包括:提供一透镜体,该透镜体设有一 入光面与一出光面;提供一LED光源;将该透镜体套盖于该LED光源上; 以及使LED光源散射的光线从弧面曲率系由中心轴向外侧由大变小的该入光 面入射,其后再从弧面曲率系由中心轴向外侧由小变大的该出光面射出该透镜体o根据本发明LCD背光源产生方法,可使LED光源所发散的光线,经过 该透镜体的折射,改变原光线出射的角度,从而使整体出射光线的角度变大, 而能够涵盖更大的面积。另一方面,则同时改变出射光线强度的分布,使原 本轴向中央光线强度较强的区域,往与轴向较大角度的两端偏移,使出射角 度较大光线的强度加强,并降低中央轴向的光线强度,以使LED光源所发出 的光线能够在穿透该透镜体内部一段距离后,照射到较外围且较远距离的表 面时,不但不会使均匀度降低,反而可增加均匀度至75%以上。因此,利用 本发明方法,可使LED光源在作为LCD的背光源时,能够维持在较高均匀 度的水准下,照射涵盖较已知LED光源所能照射涵盖面积4倍至49倍的区 域, 一方面使被照射表面的均匀度提高,另一方面则因照射面积的大幅扩增, 能够配置较少的LED光源,因而亦有大幅降低设备成本的优点。以下将配合图式进一步说明本发明的实施方式,下述所列举的实施例是 用以阐明本发明,并非用以限定本发明的范围,任何本领域内的技术人员, 在不脱离本发明的精神和范围内,应当可做少许变动与修改,因此本发明的 保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。 附图说明图1是已知LCD背光模块的示意图; 图2是已知LED光照的示意图;

图3是已知LED光源发光强度与发光角度的关系图;图4是本发明实施例LCD背光源的分解立体示意图;图5是本发明实施例透镜体的剖视图;图6是本发明实施例LCD背光源的光径示意图;图7是本发明实施例LCD背光源发光强度与发光角度的关系图;图8是本发明实施例LCD背光源光照的示意图。图中10 液晶面板 40 透镜体20 背光模块 41 入光面21 棱镜片 42 出光面22 扩散片 50 基座23 导光板 60 中心轴24 反射罩 X 距离25 光源 Y 直径30 LED光源 Z 光学膜片40 透镜体 42 出光面41 入光面 60 中心轴具体实施方式请参阅图4,图4是本发明实施例LCD背光源的分解立体示意图。本发 明的LCD背光源产生方法,首先提供一透镜体40,再提供一LED光源30, 而后将透镜体40套盖于所述LED光源30上,该LED光源30则可进一步可 藕接于一基座50上,用以电性连结,并提供电源。请参阅图5,该图是本发明实施例透镜体的剖视图。透镜体40是一半球 体圆弧状镜体,其具有一入光面41以及一出光面42。入光面41是一圆弧凹 面,其与前述的LED光源30相接设(请参阅图4),而出光面42则是一圆弧 凸面,该弧凸面则面向背光模块中最接近LED背光源光学膜片的该端。请继续参阅图5,入光面41的弧凹面以中心轴60为中心点,其曲率由中 心轴60向外侧,由大逐渐变小。亦即,如图示中所示,镜面切线与中心轴 60的夹角,由a角度向b角度,再向c角度逐渐变小。而出光面42的弧凸面

曲率则由中心轴60向外侧由小变大,亦即如图示中,镜面切线与中心轴60 的夹角,由A角度向B角度,再向C角度逐渐变大。因此,请参阅图6,由LED光源30所发射出的光线,由入光面41进入 透镜体30时经过第一次折射,该些光线再由出光面42经过第二次折射后, 射出该透镜体30。由于入光面41越接近中心轴60之曲率越大,因此由该处 入射的光线折射角也越大,使其越容易往两侧分散射出,而远离中心轴60的 外侧区域,则因为曲率小,产生的折射角小,因此在两侧方向的光线并未有 较大的偏折。这些光线接触到出光面42时,则由于越靠近中心轴60的曲率 愈小,其折射角度也越小,原本出射的光线角度偏折不大,但远离中心轴60 的外侧区域,则因曲率变大,折射角度也增大,进一步使这些出射光往中心 轴60两侧偏移,使得LED光源30的出射光线,大幅增加其照射的区域。本发明实施例的LCD背光源产生方法其同时也由于将光线往两侧偏移折 射,将使得两侧的光线强度较中心轴方线的光线强,如此可补强由中心轴外 两侧所发射出更远且分布更广的光线强度,使其照射在LCD背光源的光学膜 片时,能够维持相当的照度,而使整体照射区域的均匀度提高。请参阅图7, 该图是本发明实施例LCD背光源其发光强度与发光角度的关系图。从图中可 以发现,发光角度为轴向方向而为O度时,本发明LED光源的发光强度已由 前述(请参阅图3)的最高强度降低至几乎为最低强度,且随着偏离轴向角 度的逐渐增大,其发光强度约在70度时达到最高峰,角度再继续增加时,其 发光强度则迅速降低。需注意的是,此处是本发明实施例LCD光源30套盖透镜体40后,发光 "强度"与发光角度的分布关系。由透镜体40射出的光线仍要进一步照射到 背光模块的光学膜片Z(请先参阅图8)上,因此这些光线照射分布到光学膜片 Z上时,由于距离以及照射面积的差异,将使其照度发生变化,而不会依照 光线强度的比例分布。虽然本发明中接近轴向而角度较小得出射光线其强度 较低,但其照射距离短,所扩散的面积小,所以照度将略微降低;而出射角 度较大的光线,其与被照射表面的距离较远,且扩散的区域较大,因此会使 分布在每一单位面积上的光束照度降低,原本会造成发光角度较大得出射光

照度骤降,但在本发明中,由于发光角度较大的出射光其强度因透镜体40的 折射而大幅增加,因此其边缘处的照度均匀度仍能维持相当程度。请参阅图8,本发明实施例可进一步将套盖有透镜体40的LED光源30, 设置于LCD背光模块中最接近LED光源的光学膜片Z下方处,而光学膜片 Z至套盖有透镜体40的LED光源30的距离为X;并使LED光源30射出的 光线经由透镜体40的折射后,照射到光学膜片Z上直径为Y长度的圆周区 域内。其中,LED光源可为SMD型的LED,或其它形式的LED,而其发光 颜色则可为白光或其它依需要的其它色光。于本实施例中,直径Y的长度可 达X长度的2〜7倍,且该圆周区域内的光均匀度可达到75%以上。亦即,当 LED光源轴向0度射出至光学膜片Z的光线照度以100计算时,该等在直径 为Y长度的圆周边缘的光线照度则有75以上。因此,通过本发明的LCD背光源产生方法,利用一透镜体40的重新配 光作用,可使LED背光源其照射的区域范围在均匀度75。/。以上的条件下,较 已知LED光源所照射涵盖的面积增加4倍至49倍之多, 一方面使被照射表 面之均匀度提高,另一方面则因照射面积的大幅扩增,LCD的背光模块中能 够配置较少的LED光源,因而亦能够大幅降低设备所需的成本。本发明也可于透镜体的出光面42表面设置数个呈同心圆分布的配光镜 条,这些配光镜条的曲率可为零、正或为负。其也可在出光面42表面上以钻 石面排列方式,布满多个小配光镜面,而这些小配光镜面的曲率也可为零、 正或为负,其中,每一小配光镜面其水平与垂直轴像的曲率也可为相同或相 异。通过配光镜条与小配光镜面的设置可使本发明出射光产生交集混光的效 果,使射出的光线更加均匀,而能够提升显像的品质。

Claims (5)

1.一种LCD背光源产生方法,包括: 提供一透镜体,该透镜体设有一入光面与一出光面; 提供一LED光源; 将该透镜体套盖于该LED光源上;以及 使LED光源散射的光线从弧面曲率是由中心轴向外侧由大变小的呈圆弧凹面状的该入光面入射,其后再从弧面曲率是由中心轴向外侧由小变大的呈圆弧凸面状的该出光面射出该透镜体。
2. 如权利要求1所述的LCD背光源产生方法,可进一步将套盖有该透 镜体的该LED光源设置于LCD背光模块中最接近LED光源的光学膜片下方 X距离处,并使LED光源射出的光线经由透镜体的折射后,照射到该光学膜 片上直径为2X〜7X长度的圆周区域内。
3. 如权利要求2所述的LCD背光源产生方法,其特征在于,其中该直 径为2X〜7X长度的圆周区域内其光均匀度在75°/。以上。
4. 如权利要求l、 2或3所述的LCD背光源产生方法,其特征在于,其 中该LED光源是一白光LED。
5. 如权利要求l、 2或3所述的LCD背光源产生方法,其特征在于,其 中该LED光源是一表面粘着型LED。
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