CN108563074B - 一种具方向性的薄型液晶显示器背光照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及显示照明技术领域，具体公开了一种具方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，包括一基座，内设有容置空间；一电路板，设于基座内的容置空间底部，其上设有复数个发光体及相对的聚光透镜；一阵列透镜，设于电路板与聚光透镜前方，是由多个菲涅耳透镜单元所组成，且每一透镜单元的外形均为正六角形或矩形；并且，当电路板上之发光体投射出之光线，穿过了聚光透镜组及阵列透镜，经各单元聚光透镜及菲涅耳透镜作用后，形成一具方向性且光度均匀的面光源，作为液晶显示器的背光照明系统，从而得到厚度薄、亮度高、光损失少、成本低廉的背光光源。

Description

一种具方向性的薄型液晶显示器背光照明系统

技术领域

本发明涉及显示照明技术领域，具体公开了一种具方向性的薄型液晶显示器背光照明系统。

背景技术

常见的液晶显示器如手机、平板、电视等装置的背光照明系统，多是发光源经过导光板及扩散片(diffuser)等结构，形成照明光方向扩散且表面均匀的光源，再透过前方的液晶显示器传递影像，这种背光照明的优点是：可让使用者在各种不同角度都能清楚看到液晶显示器的影像内容，但其缺点则是照明光方向过于分散，在较明亮的室外环境下，易导致亮度(单位：cd/m2)不足，无法看清影像；此时则必须提高亮度，若提高亮度又将会出现功耗增加，散热困难等问题。

然而在某些特定的虚像系统应用如：抬头显示器(Head Up Display，以下简称为HUD)、虚拟实境(Virtual Reality,简称VR)、扩充实境(Augmented Reality,简称AR)等虚像系统，或投影机等实像装置中，采用液晶显示器配合背光照明，光源必须均匀且方向集中于特定的角度范围，才能减少光源的浪费、提供足够的亮度、降低耗电量，缩减散热需求，提升系统的可靠度。本发明将以抬头显示器(HUD)之背光照明系统为例，详细说明现有技术与本发明之间的结构差异及优劣点。

现有的使用在抬头显示器的背光照明系统，如图11、12所示，包括有：多数个发光源80，每一个发光源80均由一发光二极体802罩上一个聚光杯801所构成，而在发光二极体802发出光源后，经由聚光杯801将光线向外射出；由于发光二极体802为一小面积的朗伯特(Lambertian)光源，其发光强度与发光角度呈余弦函数(cosine)关系，而聚光杯801的功能是将发光二极体802扩散光源聚光，形成具方向性的小角度，较接近平行光的大面积(聚光杯的出口大小)直射光源。

一导光柱81，用于容纳上述发光源80，该导光柱为一四面为高反射率镜面的空心柱体，以本方案的图示为参考方向，下方为入光面，而上方为出光面，可将发光源80的光线经由各聚光杯801之出射光混合后，达到均匀混合的效果，并使光线依导光柱81的出光面方向射出。

一扩散片82，设于导光柱81另端(即出光面)，并加设扩散片82的效能是将由导光柱81出光面射出的光，扩散至一适当角度而形成一均匀的面光源，用来充作后方LCD面板83的背光源，从而构成了现有的照明系统。

光度均匀是液晶显示器背光照明的必要条件；然而，在现有技术中发光源80用一发光二极体802罩上一个聚光杯801，光线经反射向前，但在接近聚光杯出光面的光度并不均匀，且各聚光杯之间存在缝隙，会因此出现暗影，需再加上导光柱81将液晶显示器(被照明物)的位置远离方可使照明光线变得均匀，同时该柱的四面高反射率镜面可避免光源发散流失；此外导光柱81高度愈高，则照明光分布愈均匀，但是导光柱81过高则会增加背光照明系统的厚度，使照明系统体积过大，失去其实用性；一般会加入低扩散度的扩散片(Diffuser)82，以辅助增加照明光均匀性，并藉此减低导光柱高度；但该扩散片仍会导致角度扩散，难以使照明光集中在特定角度即HUD的可视范围(Eye-box)内，造成了光度的浪费，是现有技术常见的缺点，而如何在导光柱的高度与扩散片的均匀能力及扩散角之间取得平衡，也是现有技术所面临的困难抉择。

另一种形式的现有照明系统，如图13所示，主要是在LED发光源73前方设有聚光透镜组70与透镜阵列71，聚光透镜组70，内含复数个聚光透镜，分别置于所述复数个发光体前方；该透镜阵列71是由多个透镜所组成。若光源尺寸与各透镜的曲面及间距设计得当，这种照明设计可在出光面(即透镜阵列表面)形成均匀且扩散角适度的理想照明光源。这种照明系统虽不需导光柱，可减少系统厚度，但仍存在严重缺点；如图13中局部放大图所示，在实际生产过程中，由于模具及制程的限制，在透镜阵列71上的每一个透镜之间连接处都会因透镜的高低落差而产生弧形的接合区间710，光线投射在此区域时会因发散而产生阴影722，造成光度局部不均匀现象，而当该透镜阵列71组成愈多时，单元光域721中所形成的单元阴影722也就能相互连接，使得该阴影722显现在光线投影光区域72的长度L1,L2就愈长，这也造成了明显的亮度不均匀缺点，是这种结构难以突破之处。

由于现用的背光结构设计未能达到完善，具有体积亦较大、亮度损耗大、无法调整角度、成本高等缺点，对于使用在空间有限的场合，例如：汽车的抬头显示器上，实有多项不便之处。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种具方向性的薄型液晶显示器背光照明系统。

为实现上述目的，本发明采用如下方案。

一种具方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，其结构至少包含：

一基座，内设有容置空间；

一电路板，设于基座内的容置空间底部；所述电路板设有复数个发光体，所述发光体为白光的发光二极体，所述发光二极体能将发出的光线射向前方；

一聚光透镜组，内含复数个聚光透镜，其中每一聚光透镜均置于所述复数个发光体前方；

一阵列透镜，设于基座容置空间内的电路板与聚光透镜组的前方，并由多个菲涅耳透镜单元采用正六角形或矩形的方式拼接而成，且与电路板上的每一发光体与聚光透镜位置相对，所述菲涅耳透镜单元内系设有圆对称锯齿结构，其为锯齿高度小于50微米的微结构；

一液晶显示器，设于阵列透镜的前方，用于接收由阵列透镜传来的光线；

当电路板上发光体射出光线，经聚光透镜组及阵列透镜作用后，形成一具方向性且光度均匀的面光源，以作为液晶显示器的背光照明系统。

进一步地，所述聚光透镜组连结成一阵列透镜结构。

进一步地，所述所述复数个发光体均被聚光透镜包裹。

进一步地，所述聚光透镜的材质为硅胶。

进一步地，所述矩形的菲涅耳透镜单元以错位排列方式组成。

进一步地，所述液晶显示器与阵列透镜之间设有一透镜。

进一步地，所述透镜为菲涅耳透镜。

本发明的有益效果：本发明的主要目的主要在舍弃现有技术的导光柱与扩散片的设置以缩减厚度，并克服现有技术的浪费能源，减少亮度的缺点，采用一种全新设计的照明系统，通过将电路板上的发光体发出的光线经由一聚光透镜组及一由多个菲涅耳透镜单元组成的阵列透镜，再导入液晶显示器，能得到厚度薄、亮度高、光损失少、成本低廉的背光光源。

附图说明

图1为本发明实施例的结构外观示意图。

图2为本发明主要结构的分解图。

图3为本发明聚光透镜组以一体成型方式制成的阵列透镜结构示意图。

图4为本发明阵列透镜组的透镜单元结构示意图。

图5为本发明实施例阵列透镜组的透镜单元剖面结构示意图。

图6为本发明的应用实施例的示意图。

图7为本发明应用于抬头显示器的实施例示意图。

图8为本发明阵列透镜组结构第二种实施例示意图。

图9为本发明阵列透镜组结构第三种实施例示意图

图10为本发明的剖面结构示意图。

图11为现有技术用背光照明系统的分解图。

图12为现有技术用背光照明系统组合剖视图。

图13为现有技术用较佳背光照明系统产生光影问题的说明示意图。

70 发光源

71 透镜阵列

710 接合区间

72 投影光区域

721 单元光域

722 阴影

73 LED 发光源

80 发光源

801 聚光杯

802 发光二极体

81 导光柱

82 扩散片

83 面板

L1 长度

L2 长度

10 基座

20 电路板

21 发光体

22 聚光透镜组

221 聚光透镜

30 阵列透镜

30’ 阵列透镜

31 菲涅耳透镜单元

31’ 菲涅耳透镜单元

311 锯齿

311’ 锯齿

40 负透镜

401 菲涅耳透镜

41 液晶显示器

50 投影光区域

51 单元光域

60 光合成器

61 可视范围

62 人眼。

具体实施方式

为达到上述目的，可以用下列的方式来达成：

设一基座，内设有容置空间；再设一电路板于基座内的容置空间底部，且所述电路板上设有复数个发光体；一聚光透镜组，内含复数个聚光透镜，分别置于所述复数个发光体前方；一阵列透镜，设于基座容置空间内的电路板与聚光透镜组两者的前方，是由多个菲涅耳透镜(Fresnel Lens)单元所组成，每一透镜单元均与电路板上的每一发光体及聚光透镜位置相对，该每一透镜单元的外形均为正六角形或矩形；并且，当电路板上发光体投射出的光线穿过了聚光透镜组及阵列透镜，经各单元聚光透镜及菲涅耳透镜作用后，形成一具方向性且光度均匀的面光源，可用于液晶显示器的背光照明。

为避免如图13所示发生透镜阵列中各透镜间不完美的接合而产生的阴影问题，本发明采用菲涅耳透镜(Fresnel lens)组成透镜阵列；因为菲涅耳透镜为平面锯齿状结构，所以不会因透镜间过大的高低落差而在成型时发生溢料，而导致弧形接合问题；且现今的模具工艺可将各透镜拼接间隙控制在极小范围，例如小于50微米(micron)，此间隙只要小于液晶显示器的一个像素(Pixel)，即不易被察觉；因此本发明不需导光柱与扩散片的协助，即可形成均匀且具备方向性的优质背光。此外，本发明阵列透镜中的各透镜单元，采用正六角形与矩形两种拼接方式，其中正六角形较接近各LED光源所发出的圆形光束范围，可因此减少光源的散失，提高效率；另一种矩形排列方式，其集光效率虽不如正六角形，但考虑模具制作方便，价格低廉等因素，也将其作为本发明的保护项。

此外，本发明另一目的，在将上述阵列透镜组的前方，可再设一透镜，用于协助将照明光源约束，以利于射入前方成像光学系统的光圈(Aperture Stop)内。以抬头显示器(HUD)为例，可在上述照明系统前方，增设一负透镜(俗称凹透镜)，使照明光源聚集在人双眼的可视范围(Eye-box)内；以投影机为例，可在上述照明系统前方，增设一正透镜(俗称凸透镜)，将照明光导入投影镜头的光圈内。且为节省空间，该透镜又可设为菲涅耳透镜，能使体积减至最小。

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

如图1和图2所示，一种具方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，至少包含有：

一基座10，内设有容置空间。

如图1、图2和图6所示，一电路板20，设于基座10容置空间内的最底层，具有多个发光体21，发光体21为强力的白光发光二极体(LED)，能将发出的光线射向前方；该电路板20并得以固定于基座10内的容置空间底部。

一聚光透镜组22，内含复数个聚光透镜221，分别置于所述复数个发光体21前方；该聚光透镜221可为塑胶透镜(Plastic lens)，并由各个聚光透镜221各别架设在发光体21上，该聚光透镜组22也可连结成为一阵列透镜结构，如图3所示，利于以射出成型的方式进行量产；此外，该聚光透镜221的材质也可为硅胶，可将上述该复数个发光体21完全包覆，因为这种硅胶包覆制程使得发光体与聚光透镜完全密合，所以会有更好的可靠性(Reliability)及发光效率。

一阵列透镜30，设于基座10容置空间内的电路板20与聚光透镜组22两者的前方，阵列透镜30是由多个菲涅耳透镜单元31所组成，且该每一菲涅耳透镜单元31皆与该电路板20上的每一发光体21与聚光透镜221相对，如图1、图2、图4和图5所示，该每一菲涅耳透镜单元31的外形均为正六角形或矩形(如图8、9中的透镜单元31’)，并且该菲涅耳透镜单元31圆对称的锯齿311、311’结构设计使光源光度得以均匀分布于该透镜单元表面。

如图6所示，当电路板20上发光体21投射出的光线，经过聚光透镜组22聚光后穿过了阵列透镜30，被每一个菲涅耳透镜单元31所聚光并将光源均匀化，仅有极少的光源散失，能投射出一强力的且由菲涅耳透镜单元31的单元光域51所组成的投影光区域50；如图4、5所示，由于阵列透镜30上的每一菲涅耳透镜单元31均为平面，且该透镜单元31剖面结构为锯齿311，如图5所示，以现今模具加工技术，可将锯齿311控制在极小高度范围，例如：最小可达10微米，但至少应小于50微米为佳；这种微结构的生产，基本上是属于光敏材料涂布、曝光、转印成型的制程，与传统射出成型完全不同，因此不会发生透镜间过大的高低落差而在射出成型时发生溢料，而导致弧形接合问题；且现今模具工艺可将各菲涅耳透镜单元31的拼接间隙控制在小于液晶显示器的一个像素以内，使接合处的阴影难以察觉。因此本发明采用的照明系统结构，不需借助导光柱与扩散片即可于阵列透镜表面形成一具方向性且光度均匀的面光源，是本发明的主要优点。

而且，由于菲涅耳透镜单元31内系设有圆对称锯齿311结构，因此使得阵列透镜组30的厚度更形缩小，这是本发明另一优点。

此外，本发明阵列透镜30的菲涅耳透镜单元31采用锯齿311高度极小(例如小于30微米)的微结构，其生产采曝光、转印的制程，可依附于大面积的PET(polyethyleneterephthalate)或PC(poly carbonate)薄片上；使用者可针对所需的照明面积，大量裁切使用；对不同尺寸的液晶显示器也不必另行制作模具；因此适于量产，价格低廉，是本发明又一优点。

如图1和图10所示，一液晶显示器41设于阵列透镜组30的前方，当电路板20上的发光体21投射出的光线，经过聚光透镜30的透镜单元31中菲涅耳透镜结构311聚光及均匀化作用后，形成一具方向性且光度均匀的面光源，以构成该液晶显示器41的背光。

如图7所示，本发明使用在抬头显示器(Head Up Display，以下简称为HUD)的照明系统中，由于人眼62的可视范围61(Eye-box)是在眼前大约为一长方形的区域，为使得背光系统将液晶显示器41上的影像传至此可视范围61内，如图7、10所示，在该液晶显示器41及阵列透镜30之间，再增设一负透镜40，这个目的在于协助将照明光源由液晶显示器41射出后，能完全导入人眼62的可视范围61内，使光线更为充足，且该负透镜40是设有圆对称锯齿结构的菲涅耳透镜401，则能使体积减至最小。

本发明在使用上，如图7、10所示，由电路板20上的每一发光体21投射之光线，由相对应的聚光透镜221及阵列透镜30进行聚光及均光之后，再由负透镜40将光线导入液晶显示器41范围，再将光线均匀投射而出，即可经光合成器(combiner)60导入人眼62的可视范围61而接收视讯影像。

为考虑光源收集效率、模具生产便利性与价格等因素，本发明的阵列透镜30采用如图1所示的正六角形菲涅耳透镜单元31，以及如图8、9所示的矩形菲涅耳透镜单元31’作为阵列透镜组成的基本单元。由于发光二极体为一小面积的朗伯特(Lambertian)光源，其发光方位角(Azimuth angle)呈圆对称关系，如图4所示，其中圆形虚线为下方光源(白光LED)的有效光束范围，该正六角形的菲涅耳透镜单元31能涵盖住大部份的光源，这种正六角形结构是无缝密集排列方式中，集光效率最佳。第8、9图为矩形排列方式，其集光效率虽不如正六角形排列，但其外型容易与同为矩形液晶显示器边缘相合，且模具制作便利，而且价格低廉；为避免矩形接合边界过长，拼接处的阴影易被察觉，图8采取错位排列，用以解决这种矩形排列法易产生的问题。

本发明在使用时将具有如下之优点：

1.由于本发明是利用阵列透镜巧妙地搭配合了菲涅耳透镜单元的特殊结构，在接收LED发光体及聚光透镜组的光源后，可达成高亮度及光度均匀的背光效果，故能省略现有技术的导光柱及扩散片，不但亮度更高、节省成本，尤其厚度超薄，更具有不占空间、减低散热空间等优点。

2.本发明的阵列透镜是以多个具有微结构菲涅耳透镜单元所组成，其生产采曝光、转印的制程可依附于大面积的PET或PC薄片上；使用者可针对所需的照明面积，大量裁切使用；对不同尺寸的液晶显示器也不必另行制作模具；因此适于量产，且价格低廉。

3.本发明所设的阵列透镜，其中的菲涅耳透镜单元可为正六角形或矩形透镜单元的密集组合；由正六角形菲涅耳透镜单元组成的阵列透镜具最佳集光效率的优势；采用矩形透镜单元组成方式，则有模具制作便利，价格低廉的优点。

4.本发明可在阵列透镜的前方再设有一透镜，能将光源导入后方成像光学系统的光圈范围内，使光源不致散失而造成浪费，尤适合使用在抬头显示器与投影机等液晶显示器的背光照明系统上。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种具方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，其特征在于，其结构至少包含：

一基座，内设有容置空间；

一电路板，设于基座内的容置空间底部；所述电路板设有复数个发光体，所述发光体为白光的发光二极体，所述发光二极体能将发出的光线射向前方；

一聚光透镜组，内含复数个聚光透镜，其中每一聚光透镜均置于所述发光体前方；

一阵列透镜，设于基座容置空间内的电路板与聚光透镜组的前方，并由多个菲涅耳透镜单元采用正六角形的方式拼接而成，且与电路板上的每一发光体与聚光透镜位置相对，所述菲涅耳透镜单元内系设有圆对称锯齿结构，且剖面锯齿高度小于50微米的微结构；

一液晶显示器，设于阵列透镜的前方，用于接收由阵列透镜传来的光线；

当电路板上发光体射出光线，经聚光透镜组及阵列透镜作用后，形成一具方向性且光度均匀的面光源，以作为液晶显示器的背光照明系统。

2.根据权利要求1所述的一种具方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，所述复数个发光体均被聚光透镜包覆。

3.根据权利要求2所述的一种具方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，所述聚光透镜的材质为硅胶。

4.根据权利要求1所述的一种具方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，所述液晶显示器与阵列透镜之间设有一透镜。

5.根据权利要求4所述的一种具方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，所述透镜为菲涅耳透镜。

Images