CN104456425B - 面光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面光源，其包括一导光板、至少一第一光源与至少一第二光源。导光板具有彼此相对的一第一表面及一第二表面、一连接第一表面与第二表面的一底面、一相对于底面的一出光面以及至少一第一凹槽与至少一第二凹槽。第一、第二凹槽分别位于第一、第二表面上。第一、第二凹槽分别位于导光板的一中心线的两侧且中心线平分第一表面与第二表面。第一凹槽具有一第一入光面与一第一侧面，第二凹槽具有一第二入光面与一第二侧面，其中各入光面与中心线具有一最短距离且光源分别配置于凹槽中。各光源分别提供一光束，且各光束分别从对应的入光面进入导光板。

Description

面光源

技术领域

本发明是有关于一种面光源(planar light source)，且特别是有关于一种双面入光型态的面光源。

背景技术

近年来，随着发光二极管(Light Emitting Diode,LED)的发光效率与寿命提升，加上具备低耗能、低污染、高效率、高反应速度、体积小、重量轻与可在各种表面设置等元件特色与优势，故发光二极管目前也积极应用于各光学领域中。一般而言，发光二极管可应用于照明装置以及平面显示器（例如液晶显示器）中。

以发光二极管在液晶显示器中的应用为例，发光二极管可应用于液晶显示器的背光模组中，以提供一均匀的面光源。传统的发光二极管背光模组(LED backlight)包括多个发光二极管、导光板（light guide plate）以及反射片（reflector）等构件，其中导光板可有效地将发光二极管光源所发出的光转化成亮度高且均匀度良好的面光源。

目前高亮度发光二极管的发展已渐趋成熟，当高亮度的发光二极管应用于背光模组中时，发光二极管的使用数量便可有效地减少。在现有技术中，已有将发光二极管设置于导光板角落的设计被提出，以期大幅减少发光二极管的使用数量，进而降低制造成本。

虽然高亮度发光二极管在背光模组中所需使用的数量较少，但相邻的发光二极管之间的排列间距(pitch)若过大，导光板边缘处仍会出现暗区(hot spot)。详言之，在已知的平面光源中，任二相邻发光二极管的排列间距(pitch)为P，而各个发光二极管的发光面到导光板的有效照明区域的最短距离为A。一般而言，制造者会根据发光二极管的发散角来最佳化A与P的比率，即A/P比率(A/P ratio)。当A/P比率较低时，即间距P过大及/或距离A过小时，有效照明区的边缘处（对应于发光二极管之间的位置上）便会出现亮度较低的暗区，进而影响面光源的均匀性。当A/P比率较高时，即间距P过小及/或距离A过大时，有效照明区的边缘处便不容易出现亮度较低的暗区。

因此，为了兼顾人们对于面光源均匀性的要求及减少生产成本的考虑，如何消除此有效照明区内的暗区，已成为此领域技术人士研发的重要课题之一。

中国专利第102506361A号揭露一种LED背光源模组，发光源设置在背板与导光板入光面之间，发光源出光面朝向导光板的入光面，且成一定角度设置，角度在0度到90度之间，导光板上对应发光源的出光面位置设置有槽。

美国专利第8267563号揭露一种导光板，其入射面包括一第一入射面、一第二入射面与一第三入射面，第一至第三入射面对称于中心线延伸至导光板侧边的交点，故光源的设置方式也对称于中心线。

日本特许第4737409号揭露导光板的短边侧边设置有点光源，两个点光源设置于可令所射出的光线由导光板的出光面中心线向外发散的位置。

中国台湾专利第I314663号揭露导光板的侧边可配合所欲使用的发光二极管数量而设计成向内凹的凹槽形狀，并具有不在同一平面的入光面，发光二极管各自设置于这些凹槽内的入光面。

中国台湾专利第M316410号揭露各光源对应该导光板的角落位置设置，该角落位置并形成有两个凹入导光板的凹入面，该凹入面为平面，而对应各凹入面系设置有两个光源。

发明内容

本发明提供一种面光源，其具有良好的光线利用效率。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种面光源，包括一导光板以及至少一第一光源与至少一第二光源。导光板具有彼此相对的第一表面与第二表面以及至少一第一凹槽(chamfer)与至少一第二凹槽。第一凹槽与第二凹槽分别位于第一表面与第二表面上。此外，第一凹槽与第二凹槽分别位于导光板的一中心线的两侧，且中心线实质上平分第一表面与第二表面。其中，第一凹槽具有一第一侧面与一第一入光面，第二凹槽具有一第二侧面与一第二入光面。第一光源与第二光源分别配置于第一凹槽与第二凹槽中。第一光源适于提供一第一光束从第一入光面进入导光板，第二光源适于提供一第二光束从第二入光面进入导光板。

在本发明的一实施例的面光源中，导光板为一矩形导光板。

在本发明的一实施例的面光源中，其中第一表面与第二表面的长度均为L，第一入光面与第一表面的夹角以及第二入光面与第二表面的夹角均为α，第一入光面与中心线的最短距离以及第二入光面与中心线的最短距离均为D，第一光源发出的第一光束的发散角度的一半以及第二光源发出的第二光束的发散角度的一半均为θ，而导光板的一有效照明区域与第一表面以及第二表面的最短距离均为A，其中L、α、D、θ以及A满足下列关系式：

0≤(D+L/2)×tan(90°-θ-α)≤A+5。

在本发明的一实施例的面光源中，第一凹槽与第二凹槽为一多边形柱状凹槽。

在本发明的一实施例的面光源中，多边形柱状凹槽包括三角形柱状凹槽或梯形柱状凹槽。

在本发明的一实施例的面光源中，第一入光面与第二入光面的至少其中之一为一平面或曲面。

在本发明的一实施例的面光源中，第一入光面与第二入光面的至少其中之一为粗糙表面。

在本发明的一实施例的面光源中，第一侧面与第二侧面至少其中之一为一弯折面

在本发明的一实施例的面光源中，第一光源所提供的第一光束与第二光源所提供的第二光束的传递方向彼此平行且相反。

在本发明的一实施例的面光源中，面光源还包括多个光学微结构，这些光学微结构设置于第一入光面与第二入光面的至少其中之一上。

在本发明的一实施例的面光源中，光学微结构为微透镜状微结构或棱镜状微结构。

在本发明的一实施例的面光源中，导光板还包括多个散射微结构，这些散射微结构分布于导光板的底面上。

在本发明的一实施例的面光源中，散射微结构为一棱镜状微结构或微透镜状微结构。

在本发明的一实施例的面光源中，这些散射微结构的分布密度由第一入光面及第二入光面处朝向导光板中央的方向增加。

在本发明的一实施例的面光源中，还包括一反射片设置于底面上。

基于上述，透过第一凹槽、第二凹槽、第一光源与第二光源的适当设置，本发明的面光源具有良好的光线利用效率以及良好的均匀性。

附图说明

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

图1A是本发明的一实施例的一种面光源的俯视示意图。

图1B是图1A的导光板的剖面示意图。

图1C是图1A的导光板的散射微结构的分布示意图。

图1D、图1E、图1F与图1G是本发明的另一实施例的不同入光面的示意图。

图2是本发明的另一实施例的面光源的俯视示意图。

【主要元件符号说明】

60：第一光束

61、62：子光束

70：第二光束

100、200：面光源

110、210：导光板

111、211：第一表面

112、212：第一凹槽

112a、212a：第一入光面

112b、212b：第一侧面

113、213：第二表面

114、214：第二凹槽

114a、214a：第二入光面

114b、214b：第二侧面

115：散射微结构

116：出光面

117：底面

118：反射片

122：第一光源

124：第二光源

112aD：微透镜状微结构

112aE：棱镜状微结构

S1、S2：角落区域

S3：有效照明区域

O：中心线

θ：光束发散角度的一半

α：各入光面与对应的表面的夹角

D：各入光面与中心线的最短距离

L：表面长度

A：有效照明区域与表面的最短距离

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1A是本发明的一实施例的一种面光源的俯视示意图，图1B是图1A的面光源沿一中心线O的剖面示意图。请参照图1A与图1B，本实施例的面光源100包括一导光板110、一反射片118、至少一第一光源122以及至少一第二光源124。导光板110具有一第一表面111、一第二表面113、一连接第一表面111与第二表面113的底面117以及一相对于底面117的出光面116，且第一表面111与第二表面113彼此相对。并且，导光板110还具有至少一第一凹槽112与至少一第二凹槽114，且第一凹槽112与第二凹槽114分别位于第一表面111与第二表面113上。此外，第一凹槽112与第二凹槽114分别位于导光板110的一中心线O的两侧。中心线O位于出光面116上，且中心线O实质上垂直第一表面111与第二表面113且平分出光面116。在本实施例中，第一表面111与第二表面113的延伸方向例如为平行于X方向。此外，导光板110的材质可为高透光率的化合物。举例而言，导光板110的材质例如为压克力(Polymethyl Methacrylate,PMMA)、聚碳酸酯树脂(Polycarbonate,PC)、环烯烃共聚物(Cycloolefin Copolymer,COC)或其他适合的导光材质。

第一光源122与第二光源124分别配置于第一凹槽112与第二凹槽114中，且第一凹槽112具有一第一入光面112a与一第一侧面112b，第二凹槽114具有一第二入光面114a与一第二侧面114b。第一光源122适于提供一第一光束60，第二光源124适于提供一第二光束70，其中第一光束60适于从第一凹槽112的第一入光面112a进入导光板110内，第二光束70适于从第二凹槽114的第二入光面114a进入导光板110内。在本实施例中，第一光束60与第二光束70的传递方向例如是彼此平行且相反。此外，在本实施例中，光源122、124例如是发光二极管，但本发明不限于此，在其他可行的实施例中，第一光源122与第二光源124可以是其他型态的点光源，第一光源122与第二光源124的数量也不限制为各1个，可以视需要与导光板尺寸调整点光源的数量。

另一方面，本实施例所使用的第一光源122所发出的第一光束60与第二光源124所发出的第二光束70的发散角度均为2θ，换言之，第一光束60与第二光束70的发散角度的一半为θ，如图1A所示。另一方面，第一入光面112a与第一表面111的夹角以及第二入光面114a与第二表面113的夹角均为α。举例而言，α例如介于30度至60度之间。夹角α的设计用以使第一光束60与第二光束70在进入导光板110之后，能够在导光板110上产生最大光照射范围为原则。

请继续参照图1B，在本实施例中，反射片118设置于底面117上。此处以第一光源122发出的第一光束60为例，当第一光束60的子光束61、62在进入导光板110后，可在导光板110内部藉由全反射作用行进。接着，子光束61或62在底面117的散射微结构115的作用下，进而被反射片118反射回导光板110内或直接由出光面116离开导光板110。

值得注意的是，在本实施例的面光源100中，形成散射微结构115的方法例如是使用模具射出成形的方式使将散射微结构115与导光板110一体成形。当散射微结构115与导光板110采用模具射出成形的方式制作时，散射微结构115与导光板110为相同材质。在其他可行的实施例中，形成散射微结构115的方法也可为其他适用的加工方法。举例而言，散射微结构115也可于导光板110以射出成形的方法形成之后，再利用网印的方式于导光板110底部形成网点（即散射微结构115）。当散射微结构115采用网印方式形成时，导光板110与散射微结构115的材质可相同或不同。底面117的散射微结构115可利用其他不同的方式制作，本发明对此不加以限定。

为了最佳化(optimize)面光源100的出光均匀度，避免面光源100在角落区域S1及S2（如图1A所示）出现亮度不足的问题，本实施例可藉由调整导光板110的底面117的散射微结构115的疏密分布，以使面光源100的出光均匀度获得改善与提升。以下将搭配图1C针对导光板110上散射微结构115的分布密度分布情形作详细的说明。

图1C是图1A的导光板的散射微结构的分布示意图。请参照图1A至图1C，由于位在导光板110的底面117的散射微结构115主要是用以散射光线，以使光线能够从导光板110的出光面116导出，因此在散射微结构115密度分布较高的区域，将会有较高比例的光线被导出导光板110。由此可知，为使面光源100整体辉度均匀分布，散射微结构115在对应于光线强度较强的区域具有较低的分布密度。反之，散射微结构115在对应于光线强度较弱的区域可具有较高的分布密度。举例而言，在接近第一入光面112a或第二入光面114a处，散射微结构115的分布密度较小，而随着远离第一入光面112a或第二入光面114a，散射微结构115的分布密度逐渐增加，如图1C所示。另一方面，散射微结构115在对应于角落区域S1与S2处的分布密度需作特别的增益，以使角落区域S1与S2的出光量不会低于其他区域的出光量附近的光线可大幅被散射至导光板110外，并因此提升暗区S1与S2的辉度。承上所述，本实施例采用适当设计过的散射微结构115分布，有助于提升面光源100的出光均匀性。

在本实施例中，第一入光面112a与中心线O的最短距离以及第二入光面114a与中心线O的最短距离均为D，本领域具有通常知识者可以根据实际设计需求而更动最短距离D。

以下将针对面光源100的细部设计（例如发散半角θ、角度α、距离D之间的关系）进行详细的描述。

在本实施例中，导光板110例如是一矩形导光板，但本发明不限于此。

导光板110的第一表面111、第二表面113的长度皆为L，导光板110的(ActiveArea)S3与第一表面111的最短距离以及有效照明区域S3与第二表面113的最短距离皆为A。其中上述参数L、A与发散半角θ、角度α、距离D满足下列关系式：

0≤(D+L/2)×tan(90°-θ-α)≤A+5。

在本实施例中，当第一光束60、第二光束70的发散角（2θ）为120度（意即第一光束60、第二光束70的发散角的一半θ为60度），且长度L约介于310-320毫米之间时，夹角α定为43度，距离D介于9-10毫米时，面光源100具有良好的出光均匀性。在一较佳实施例中，当长度L定为313毫米，且距离D定为9毫米时，散射微结构115的分布情形如图1C所示，透过光学模拟可得知角落区域S1、S2不会有暗区产生，且面光源100的出光均匀度达到74%，满足目前面光源对于均匀度的要求。应注意的是，此处的数值范围皆仅是做为例示说明之用，其并非用以限定本发明。

图1D、图1E、图1F与图1G是本发明的另一实施例的不同形态入光面的示意图。请先参照图1D至图1E，本实施例中，面光源100的第一入光面112a上还包括多个光学微结构例如多个微透镜状微结构112aD（如图1D所示）或是多个棱镜状微结构112aE（如图1E所示），这样的设计使第一光源122发出的第一光束60进入导光板110后扩大其发散角度，因此可提高辉度涵盖率，以增加面光源100的出光均匀度。值得注意的是，第二入光面114a上也可有类似设计并具有相同的功效。

此外，请参照图1F，面光源100的第一入光面112a可为一粗糙表面(roughenedsurface)。同样地，第二入光面114a上也可有类似设计。再者，如图1G所示，导光板110的第一入光面112a可为一曲面。同样地，第二入光面114a上也可有类似设计并具有与上述光学微结构类似的功效。

值得注意的是，虽前述的第一凹槽112、第二凹槽114在本实施例以三角形柱状凹槽为例示，但本发明并不限于此。在其他可行的实施例中，第一凹槽112与第二凹槽114也可为其他多边形柱状凹槽。以下将搭配图2针对凹槽的可能变化作出进一步的说明。

图2是本发明的另一实施例的面光源的俯视示意图。请参照图2，在本实施例中，导光板210与图1A所述的导光板110相似，差异在于导光板210上的第一凹槽212、第二凹槽214呈现一梯形柱状凹槽，第一凹槽212包括一第一入光面212a与一第一侧面212b，第二凹槽214包括一第二入光面214a与一第二侧面214b，其中第一侧面212b与第二侧面214b皆为一弯折面。值得注意的是，导光板210的第一表面211与第二表面213的长度均为L，第一入光面212a与第一表面211的夹角以及第二入光面214a与第二表面213的夹角皆为α，第一入光面212a与中心线O的最短距离以及第二入光面214a与中心线O的最短距离均为D，第一光源122所发出第一光束60的发散角度的一半以及第二光源124所发出第二光束70的发散角度的一半均为θ，以及导光板210的有效照明区域S3与第一表面211的最短距离、以及有效照明区域S3与第二表面213的的最短距离均为A，其中L、α、D、θ与A同样需满足下列关系式：

0≤(D+L/2)×tan(90°-θ-α)≤A+5。

类似地，第一入光面212a、第二入光面214a可以选择性地采用图1D至图1G中所绘示的各种入光面的形态。

综上所述，本发明的实施例的面光源透过凹槽与光源的适当设置，而可具有良好的光线利用效率以及良好的均匀性。此外，本发明的实施例的面光源也可透过搭配上述各种细部结构的设计，而具有较佳的整体效能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。

Claims (16)

1.一种面光源，包括一导光板以及至少一第一光源与至少一第二光源，

该导光板具有一第一表面、一第二表面、一连接该第一表面与该第二表面的一底面、一相对于该底面的一出光面、一中心线以及至少一第一凹槽与至少一第二凹槽，该第一凹槽与该第二凹槽分别位于该第一表面与该第二表面上，其中该第一凹槽与该第二凹槽分别位于该导光板的该中心线的不同侧，该第一表面的该第一凹槽仅位在该中心线的一第一侧且该第二表面的该第二凹槽仅位在该中心线的一第二侧，且该第一侧与该第二侧分别位在该中心线的不同侧，且该中心线位于该出光面上，垂直该第一表面与该第二表面且平分该出光面，其中该第一凹槽具有一第一入光面与一第一侧面，该第二凹槽具有一第二入光面与一第二侧面，且该第一入光面面对该第二入光面，

该至少一第一光源与至少一第二光源分别配置于该第一凹槽与该第二凹槽中，其中该第一光源适于提供一第一光束从该第一入光面进入该导光板内，该第二光源适于提供一第二光束从该第二入光面进入该导光板内。

2.如权利要求1所述的面光源，其特征在于，该导光板为一矩形导光板。

3.如权利要求1所述的面光源，其特征在于，该第一入光面与该第二入光面的至少其中之一为一曲面。

4.如权利要求1所述的面光源，其特征在于，该第一入光面与该第二入光面的至少其中之一为一粗糙表面。

5.如权利要求2所述的面光源，其特征在于，该第一表面与该第二表面的长度均为L，该第一入光面与该第一表面的夹角以及该第二入光面与该第二表面的夹角均为α，该第一入光面与该中心线的最短距离及该第二入光面与该中心线的最短距离均为D，该第一光源所发出的该第一光束的发散角度的一半及该第二光源所发出的该第二光束的发散角度的一半均为θ，而该导光板的一有效照明区域与该第一表面的最短距离及该有效照明区域与该第二表面的最短距离均为A，其中L、α、D、θ以及A满足下列关系式：

0≤(D+L/2)×tan(90°-θ-α)≤A+5。

6.如权利要求1所述的面光源，其特征在于，该第一凹槽与该第二凹槽至少其中之一为一多边形柱状凹槽。

7.如权利要求6所述的面光源，其特征在于，该第一凹槽与该第二凹槽包括三角形柱状凹槽或梯形柱状凹槽。

8.如权利要求6所述的面光源，其特征在于，该第一侧面与该第二侧面至少其中之一为一弯折面。

9.如权利要求1所述的面光源，其特征在于，该第一入光面与该第二入光面的至少其中之一为一平面。

10.如权利要求1所述的面光源，其特征在于，该第一光束的传递方向与该第二光束的传递方向彼此平行且相反。

11.如权利要求1所述的面光源，其特征在于，还包括多个光学微结构，这些光学微结构设置于该第一入光面与该第二入光面的至少其中之一上。

12.如权利要求11所述的面光源，其特征在于，这些光学微结构为微透镜状微结构或棱镜状微结构。

13.如权利要求1所述的面光源，其特征在于，该导光板还包括多个散射微结构，这些散射微结构分布于该导光板的该底面上。

14.如权利要求13所述的面光源，其特征在于，这些散射微结构为一棱镜状微结构或微透镜状微结构。

15.如权利要求13所述的面光源，其特征在于，这些散射微结构的分布密度由该第一入光面及该第二入光面处朝向该导光板中央的方向增加。

16.如权利要求1所述的面光源，其特征在于，该面光源还包括设置于该底面上的一反射片。