CN1266492C - 光导板以及具有光导板的液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光导板以及具有该光导板的液晶显示装置，以用于改善正视角特性。在光导板的发光表面上形成具有至少三个侧壁和一个预定深度的棱锥形凹陷或具有至少三个侧壁和一个预定高度的棱锥形突起。因此，可以不使用棱镜片和扩散板、或者使用少量的棱镜片来提高正视角的亮度。并且，使用该光导板的液晶显示装置与常规液晶显示装置相比，降低了重量和体积。

Description

光导板以及具有光导板的液晶显示装置
技术领域
本发明涉及一种液晶显示(LCD)装置，且更特别地，涉及一种用于改善正视角(front visual angle)特性的光导板及具有这种光导板的LCD装置。
背景技术
通常，LCD装置具有在重量和尺寸方面优于CRT型显示装置的优点。LCD的这个优点可以通过使用液晶来实现。该液晶由一电场来控制。所述液晶排列在一与所述电场方向平行的预定方向上，并且透光系数根据液晶的排列而变化。
该LCD装置需要光以通过液晶显示图像。也就是说，由于显示性能随着提供给液晶的光的均匀性而改变，所以液晶需要具有均匀亮度的光。
然而，为液晶提供具有均匀亮度的面光源是非常困难的。因此如图1所示，具有线性光源的灯10或具有点光源的发光二极管(LED)用作提供光的装置。
图1是一常规LCD装置的LCD显示板的示意图。图2是根据示出在图1中的LCD装置的视角的亮度分布曲线图。
参考图1，具有线性光源或点光源的光入射到光导板20上，于是光导板20将线或点光源的光转换成具有面光源的光。
通过光导板20将线性光源转换成面光源之后，光就通过光导板20的发光表面发射出来。然而，由于光导板20的折射率大于空气的折射率，则具有面光源的光在一个方向发射出来，该方向相对于光导板20的发光表面的垂直方向倾斜大约75到83度。这意味着具有光导板20的LCD的正视角的亮度降低了，因此，显示图像的质量是不理想的。
为了防止亮度降低，扩散板30、第一棱镜片43、第二棱镜片46顺序地设置在光导板20上。扩散板30、第一棱镜片43和第二棱镜片46将相对于发光表面的法线倾斜的光的方向转变成与光导板20的发光表面相垂直的方向。
LCD装置进一步包括一在光导板20下面的反光板15，一在第二棱镜片46上的护板50和控制液晶的LCD显示板60。
参考图2，字母“a”指示的曲线示出了通过光导板20发射的光的亮度分布情况，字母“b”指示的曲线示出了顺序通过光导板20和扩散板30发射的光的亮度分布情况，以及字母“c”指示的曲线示出了顺序通过光导板20、扩散板30和第一、第二棱镜片43和46发射的光的亮度分布情况。
参考曲线“a”，如果光通过光导板20，正视角的亮度就会很低，并且大约70到80度视角的亮度最大。通常自扩散板30发射的光的正视角的亮度大于自光导板20发射的光的正视角的亮度，如字母“b”所指示的。自第一和第二棱镜片43、46发射的光具有如字母“c”所指示的正视角的最大亮度。将由扩散板30、第一棱镜片43和第二棱镜片46校正了方向的光提供给LCD显示板，通常就由此显示了具有均匀亮度的图像。
然而，由于LCD装置采用了如扩散板30、第一和第二板43、46等的一些板，则该LCD装置的厚度和重量就增加了。同样，LCD装置的制造成本也由于采用扩散板30、第一和第二板43、46等而增加。
发明内容
本发明提供一种用于改善正视角特性的光导板。
本发明提供一种具有数量更少的光学片的LCD装置。
本发明提供一种没有光学片的LCD装置。
在本发明的一个方面中，提供了一种光导板包括：一用于接收光的侧面部分；一用于反射通过所述侧面部分输入的光的光反射部分；和一面向光反射部分的光发射部分，用于发射由光反射部分反射的光，其中所述光发射部分具有一视角校正装置，该装置用于增加通过光发射部分发射的光在正视角上的亮度。
在本发明的另一个方面中，提供一种LCD装置，包括：一用于控制液晶以显示图像的LCD显示板总成(panel assembly)；和一个具有用于提供光的灯总成的背光总成，以及一用于将光从灯总成导向到LCD显示板总成的光导板，其中所述光导板包括一用于接收光的侧面部分，一用于反射通过所述侧面部分输入的光的光反射部分，和一个面向所述光反射部分的光发射部分，用于发射通过光反射部分反射的光，所述光发射部分包括一视角校正装置，用于增加通过光发射部分发射的光在正视角处的亮度。
在本发明的另一方面中，提供了一种LCD装置，包括：一用于控制液晶以显示图像的LCD显示板总成；和一具有用于提供光的灯总成的背光总成，一用于将光从灯总成导向到LCD显示板总成的光导板，以及一设置在LCD显示板和光导板之间的棱镜片，其中所述光导板包括一用于接收光的侧面部分，一用于反射通过侧面部分输入的光的光反射部分，和一面向所述光反射部分的光发射部分，用于发射通过光反射部分反射的光，并且所述光发射部分包括一视角校正装置，用于增加通过光发射部分发射的光在正视角处的亮度。
附图说明
通过参考下面的附图对示范性的实施方式的具体描述，本发明的前述和其他的优点将会变得更加明显，其中：
图1是一常规LCD装置的LCD显示板的示意图；
图2是根据图1所示LCD装置视角的亮度分布曲线图；
图3是根据本发明一个实施例的无板LCD装置的示意图；
图4是图3所示无板LCD装置的背光总成的示意图；
图5是根据本发明一个实施例的光导板的平面图；
图6是根据本发明一个实施例的光导板的部分剖开的透视图；
图7是在图6所示光导板的发光表面上形成的视角校正凹陷的透视图；
图8A和8B是图7所示的视角校正凹陷结构的横断面视图；
图8C和8D是图7所示的视角校正凹陷的具体结构的横断面视图；
图9是在图6所示光导板的发光表面上形成的视角校正突起的透视图；
图10是图9所示的视角校正突起结构的横断面视图；
图11到18是根据一个视角的亮度分布情况的曲线图；
图19是根据本发明一个实施例的视角校正凹陷的光路的示意图；
图20是根据本发明一个实施例的优选视角校正凹陷的光路的示意图；以及
图21是根据本发明一个实施例的薄型LCD装置的示意图。
具体实施方式
图3是根据本发明一个实施例的无板LCD装置的示意图，且图4是图3所示无板LCD装置的背光总成的示意图。
参考图3，LCD装置400包括一LCD显示板总成300，用于准确地控制液晶以显示图像；以及一背光总成200，用于为LCD总成300提供光。
参考图4，所述背光总成200包括一灯210和一光导板220。灯210产生具有线光源光通量的光，该灯使用冷阴极荧光灯(CCFL)。所述灯210可以进一步包括一灯光反射器(没有示出)，它将自灯210发射的光反射到光导板220。
在所述LCD装置400中，在光导板220和LCD显示板总成300之间没有光学片和棱镜片。定义LCD装置400为无板(sheetless)LCD装置。
图5是根据本发明的一个实施例的光导板的平面图，图6是所述光导板的部分切割透视图，以及图7是在图6所示的光导板发光表面上形成的视角校正凹陷的透视图。
如图5所示，无板LCD装置400使用光导板220，在该光导板上形成有视角校正部分221。
参考图6，光导板220包括一楔形的光导主体(light guide body)222和视角校正部分221。光导主体222包括四个侧面222a、222b、222c和222d，一个反光表面222e以及一个面向反光表面222e的发光表面222f。反光表面222e和发光表面222f通过四个侧面222a、222b、222c和222d相连接。
灯210邻近四个侧面222a、222b、222c和222d中的一个表面设置，该表面接收来自灯210的光。所述CCFL用作灯210，该灯提供具有线光源光通量的光。
将通过光导主体222的四个侧面222a、222b、222c和222d的输入光转变成具有面光源的光通量。该具有面光源光通量的光通过发光表面222f自光导主体222发射出。在面向发光表面222f的反光表面222e上，形成反光点223，并且该反光点223散射将自光导主体222射出的光。所述反光点包括光散射材料并排列成矩阵形式。反射元件(反光点223)的表面积与光导板的光入射侧面和反射元件之间的距离成比例。
同样，在发光表面222f上形成至少一个视角校正部分221。该视角校正部分221改变通过发光表面222f发射的光的光路，使得通过发光表面222f发射的光在基本垂直于LCD显示板总成300的方向上前进。
参照图6和7，视角校正部分221包括多个视角校正凹陷221a，它们形成在发光表面222f上。视角校正凹陷221a从发光表面222f凹进以具有一预定深度“h”。从而，视角校正凹陷221a具有深度“h”。该深度可以从大约0.2毫米到大约0.5毫米变化。在一个实施例中，该深度是大约0.3毫米到大约0.5毫米。视角校正凹陷221a的体积与视角校正凹陷221a的深度成反比。也就是说，视角校正凹陷221a可以是任何满足下面条件的形状，该条件就是：视角校正凹陷221a的体积随着预定深度“h”的增加而减少。例如，视角校正凹陷221a是具有至少三个侧壁的棱锥形。所述侧壁是等边三角形或等腰三角形。
在一个实施例中，如图7、8A和8B所示，视角校正凹陷221a是具有四个侧壁221b、221c、221d和221e的四棱锥。
该视角校正凹陷221a排列成矩阵形式。所述视角校正凹陷221a具有与光入射侧面222b和视角校正凹陷221a之间的距离成比例的体积。
图9是在图6所示的光导板发光表面上形成的视角校正突起的的透视图，图10是图9所示视角校正突起的结构的横断面视图。
参照图9和10，视角校正部分221包括多个视角校正突起221g，它们形成在发光表面222f上。视角校正突起221g从发光表面222f突出，以具有一预定高度h1。该视角校正突起221g的预定高度h1小于0.5毫米。视角校正突起221g的体积与视角校正突起221g的高度成反比。也就是说，视角校正突起221g可以是任何满足下面条件的形状，该条件就是：视角校正突起221g的体积随着预定高度“h1”的增加而减少。例如，视角校正突起221g是具有至少三个侧壁的棱锥形。在一个实施例中，如图9、10所示，视角校正突起221g是具有四个侧壁的四角形。
该视角校正突起221g排列成矩阵形式。所述视角校正突起221g具有与光入射侧面222b和视角校正突起221g之间的距离成比例的体积。
在下文中，将基于模拟实验及其结果，对通过视角校正部分221改变的亮度分布进行描述。
实验的模拟条件如下面所述。参照图4到6，灯210具有约2毫米的直径和大约30000cd/m2的亮度。光导板220包括第一侧面222b，它接收来自灯210的光；以及与第一侧面相对的第二侧面222d。第一侧面222b具有20×3(毫米)的尺寸，第二侧面222d具有20×2(毫米)的尺寸。光导板220由折射率大约是1.49的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)构成。所述光导板220包括形成在反光表面222e上的反光点，并且这些反光点具有大约0.5毫米的直径。如图6所示，在与垂直于光导板220的方向相应的零度视角(正视角)处、与平行于光导板220的方向相应的90度视角处、以及其间测量亮度。
表1
  视角校正部分的位置   视角校正部分的形状   单元尺寸(毫米)   视角校正部分的角度(度)   视角校正部分的高度或深度(毫米)
比较例A - - - - -   无反光点
 比较例B   -   -   -   -   - 采用具有0.5毫米尺寸的反光点
示例1   在LGP的上表面上 突起 1×1 45 0.3×0.5
示例2   在LGP的上表面上 凹陷 1×1 45 0.3×0.5
示例3   在LGP的上表面上 凹陷 1×1 60 0.3×0.5
示例4   在LGP的上表面上 凹陷 1×1 60 0.2×0.4
示例5   在LGP的上表面上 凹陷 0.5×1.73 60 0.3×0.5
如表1所示，模拟实验模拟了七种情况。在比较例中，使用了其上没有形成视角校正部分的LGP。在示例中，使用了具有多种形式的视角校正部分的LGP。单元尺寸表示视角校正部分221的一个单元所占据的光导板220的上表面的尺寸。该单元在示例1到4中为正方形，在示例5中为矩形。
参照图8C和8D，视角校正部分221的角度表示在光导板220的上表面和视角校正部分221的侧壁之间的角度。因此，如果所述角度为45度，则在视角校正部分221底部的两侧壁间的夹角就为90度。如所述角度为60度，则如图8所示，在视角校正部分221底部的两侧壁间的夹角就为60度。
图11是根据比较例A的视角的亮度分布曲线图。图12是根据比较例B的视角的亮度分布曲线图。
参照图11，在0到45度的视角亮度很低，超过45度的视角时亮度突然增加。在比较例A中，亮度分布曲线图在75度的视角处显示出峰值。
参照图12，在0到45度的视角处亮度很低，在超过45度的视角处亮度突然增加。在比较例A中，亮度分布曲线在75度的视角处显示有一峰值。在0到45度的视角范围内，比较例B的亮度分布保持在一个高于比较例A的值上。这是因为光导板在反光表面上具有反光点。
图13是根据示例1的视角的亮度分布曲线图。图14是根据示例2的视角的亮度分布曲线图。
参照图13，在0到15度的视角处亮度低，且亮度增加直到视角为60度时。在示例1中，在视角为60度处亮度分布有一峰值。示例1中示出亮度峰值的视角小于比较例A和B中的。这意味着视角特性，尤其是正视角特性在示例1中改善了。
参照图14，示例2中正视角周围的亮度分布增加了，且亮度分布曲线在60度视角处有一峰值。
在示例1中，光导板具有视角校正部分，该视角校正部分具有诸如图9所示的视角校正突起221g的突起形式。在示例2中，光导板具有视角校正部分，该视角校正部分具有如图7所示的视角校正凹陷221a的凹陷形式。示例1和2两者都显示出了比比较例A和B更好的正视角特性。尤其是，在提高正视角特性方面，具有示例2中使用的凹陷形式的视角校正部分优于具有示例1中使用的突起形式的视角校正部分。当在光导板上形成突起形式的视角校正部分时，由于在视角校正突起221g和空气之间的界面发生的折射，光的一部分就朝向反光表面222e折射了。
图15是根据示例3的视角的亮度分布曲线图。图16是根据示例4的视角的亮度分布曲线图。图17是根据示例5的视角的亮度分布曲线图。
参照图15，与比较例A和B相比，大大地改善了正视角特性。在示例3中，亮度分布曲线在45度视角处有一峰值。因此，正视角特性甚至比示例2还有提高。
示例4的视角校正凹陷221a具有比示例3浅的深度。除了图16所示的曲线总体向下平移外，图16所示的亮度分布曲线图与图15所示的相似。其原因是示例4的视角校正凹陷221a的体积小于示例3的视角校正凹陷221a的体积。
除了单元的形状不同外，示例5在与示例4同样的条件下被模拟。视角校正部分221的相邻侧壁间的界线和光导板的上表面在示例5中构成等边三角形，在示例4中构成等腰三角形。参照图16和17，等边三角形改善了在正视角特性方面的亮度分布。
图18示出了比较例A和B、以及示例1-5的亮度分布。从图18中可以看出，为了改善在正视角特性方面的亮度分布，要考虑下面的因素。具有凹陷形式的视角校正部分比具有突起形式的视角校正部分更有效。视角校正凹陷221a的侧壁和发光表面222f之间的角度保持大于一预定值。视角校正部分的体积保持大于一预定值。也就是说，希望视角校正部分的体积大。同样，要考虑视角校正部分侧壁的形状。当侧壁具有相同形状如等边三角形时，亮度分布曲线得到了改善。
以下，将参照图19和方程1到3对最大化正视角亮度的方法进行描述。
方程1到3中，符号θp、v、β和vn分别表示视角校正凹陷221a的内角、入射到视角校正凹陷221a侧壁上的入射光路与侧壁垂直线间的入射角、相对于视角校正凹陷221a侧壁的光发射角，以及相对于光导板220表面的正入射角(normal incident angle)。
光导板220通常由折射率大约为1.49的PMMA构成。理想地，光在垂直于光导板220表面的方向上发射。也就是说，理想地，90-θp/2-β＝0。角θp由下面的方程1到3导出。
[方程1]
v＝180-θp/2-90-vn
方程1中，假设光导板220的折射率是1.49且空气的折射率是1，为了确保光不从视角校正凹陷221的侧壁反射，根据折射定律，入射角v至多为42.15度(v≤42.15°)。假设vn是42度，角θp不小于5.85度(θp≥5.85°)。
[方程2]
sinβ＝(np/na)·sin(90-θp/2-vn)
根据方程2和方程90-θp/2＝β，可以如下所述地得到方程3。
[方程3]
sin(90-θp/2)＝npsin(90-θp/2-vn)
cos(θp/2)＝npcos(θp/2+vn)
cos(θp/2)＝np[cos(θp/2)cosvn-sin(θp/2)sinvn]
1＝np[cosvn-tan(θp/2)sinvn]
tan(θp/2)＝(npcosvn-1)/(npsinvn)
θp＝6.125度
当vn为42度时，角θp大约为6度。也就是说，当角θp大约为6度时，正视角处的亮度最大。图20示出，视角校正凹陷221a的角θp大约为6度。
图20是根据本发明一个实施例的优选视角校正凹陷的光路示意图。
参照图20，当vn为42度时，通过视角校正凹陷221a侧壁的光的发射角基本上垂直于LCD显示板总成，如光线V5所示。然而，由于发射角和作为能够反射的最小角的临界反射角之间的差很小，所以以相对于视角校正凹陷221a侧壁法线B大于42度角入射的光被全部反射，如光线V6所示。反之，以相对于法线B小于42度角入射的光相对于光导板220表面的法线B’倾斜，如光线V4所示。也就是说，当入射角变小时，通过视角校正凹陷221a发射的光的视角相对于法线B’变大了。
由于大部分通过无视角校正部分221的光导板发射的光具有相对于光导板表面大约75到83度范围的角度，所以将42度的正入射角vn确定为法线角(normal angle)。同样，当为了发射具有相对于光导板表面大约75到83度范围内的角度的光而根据前述方程计算正入射角vn时，该正入射角vn成为42度。因此，为了获得正视角，将相对于法线B具有42度的正入射角vn用作法线角。
如图4所示，采用具有视角校正凹陷221a的光导板220的LCD装置可以用作无板LCD装置，该视角校正凹陷221a具有6度的内角。
当内角大于6度时，LCD装置中包括扩散板和/或棱镜片。图21示出了根据本发明一个实施例的LCD装置。为防止正视角亮度由于视角校正凹陷221a内角的增加而降低，LCD装置500包括扩散板227和棱镜片228。包括在LCD中的棱镜片数量与常规LCD相比可得以减少。可是，本发明LCD的显示质量却与常规包括更多棱镜片的LCD的显示质量基本相同。附图标记“226”指一个位于光导板220下方的反光板，且该反光板226将自光导板220泄漏的光向光导板200反射。
无板LCD装置400和薄型LCD装置500能够在不使用棱镜片和扩散板、或者在使用少量的棱镜片的情况下提高正视角的亮度。
因此，无板LCD装置400和薄型LCD装置500具有在重量、体积和制造成本方面优于常规LCD装置的优点。
已经参照示例性的实施例对本发明进行了描述。但是，在前述说明的教导下，对本领域技术人员来说，很多可替换的改进和变化是显而易见的。因此，本发明涵盖所有落入所附权利要求的精神和范围内的可替换改进和变化。

Claims (27)

1.一种光导板，包括：
一用于接收光的侧面部分；
一用于反射通过侧面部分输入的光的反光部分；
一面向所述反光部分的发光部分，用于发射通过所述反光部分反射的光，
其中，所述发光部分具有一视角校正装置，以提高通过发光部分发射的光在正视角处的亮度。
2.根据权利要求1所述的光导板，其中，所述视角校正装置包括视角校正凹陷。
3.根据权利要求1所述的光导板，其中，所述视角校正装置包括视角校正凹陷，该视角校正凹陷的体积与该视角校正凹陷的深度成反比。
4.根据权利要求2所述的光导板，其中，所述视角校正凹陷具有棱锥形式。
5.根据权利要求4所述的光导板，其中，所述棱锥形式具有一正方形的底部。
6.根据权利要求4所述的光导板，其中，所述视角校正凹陷具有等边三角形的侧壁。
7.根据权利要求4所述的光导板，其中，所述视角校正凹陷具有等腰三角形的侧壁。
8.根据权利要求2所述的光导板，其中，所述视角校正凹陷具有小于0.5毫米的深度。
9.根据权利要求2所述的光导板，其中，所述视角校正凹陷排列成矩阵形式。
10.根据权利要求9所述的光导板，其中，所述视角校正凹陷具有与所述侧面部分和所述视角校正凹陷之间的距离成比例的体积。
11.根据权利要求2所述的光导板，其中，所述光导板具有大约1.49的折射率，且所述视角校正凹陷的顶角具有约6到60度的内角。
12.根据权利要求1所述的光导板，其中，所述视角校正装置包括视角校正突起，该视角校正突起的体积与该视角校正突起的高度成反比。
13.根据权利要求12所述的光导板，其中，所述视角校正突起具有棱锥形式。
14.根据权利要求13所述的光导板，其中，所述棱锥形式具有一正方形的底部。
15.根据权利要求12所述的光导板，其中，所述视角校正突起具有小于0.5毫米的高度。
16.根据权利要求12所述的光导板，其中，所述视角校正突起排列成矩阵形式。
17.根据权利要求16所述的光导板，其中，所述视角校正突起具有与所述侧面部分和所述视角校正突起之间的距离成比例的体积。
18.根据权利要求12所述的光导板，其中，所述光导板具有大约1.49的折射率，并且所述视角校正突起的顶角具有约6到60度的内角。
19.根据权利要求1所述的光导板，其中，所述反光部分包括反射元件。
20.根据权利要求19所述的光导板，其中，所述反射元件包括光散射材料，且所述反射元件以矩阵形式设置于反光部分上，且反射元件的表面积与所述侧面部分和所述反射元件之间的距离成比例。
21.一种液晶显示装置，包括：
一用于控制液晶以显示图像的液晶显示装置显示板总成；以及
一具有提供光的灯总成的背光总成、以及一将所述光从所述灯总成导向到所述液晶显示装置显示板总成的光导板，
其中，所述光导板包括一接收所述光的侧面部分，一反射通过所述侧面部分输入的光的反光部分，以及一面向所述反光部分的发光部分，该发光部分用于发射通过所述反光部分反射的光，所述发光部分包括一视角校正装置，该装置用于提高通过所述发光部分发射的光在正视角处的亮度。
22.根据权利要求21所述的液晶显示装置，其中，所述视角校正装置包括棱锥形视角校正凹陷，所述光导板具有约1.49的折射率，且所述视角校正凹陷具有一顶角，该顶角具有约6到30度的内角。
23.根据权利要求21所述的液晶显示装置，其中，所述视角校正装置包括棱锥形视角校正突起，所述光导板具有约1.49的折射率，且所述视角校正突起具有一顶角，该顶角具有约6到30度的内角。
24.一种液晶显示装置，包括：
一用于控制液晶以显示图像的液晶显示装置显示板总成；以及
一具有提供光的灯总成的背光总成，一将所述光从所述灯总成导向所述液晶显示装置显示板总成的光导板，以及一位于所述液晶显示装置显示板和所述光导板之间的棱镜片，
其中，所述光导板包括一接收光的侧面部分，一反射通过所述侧面部分输入的光的反光部分，以及一面向所述反光部分的发光部分，该发光部分发射通过所述反光部分反射的光，所述发光部分包括一视角校正装置，该装置用于提高通过所述发光部分发射的光在正视角处的亮度。
25.根据权利要求24所述的液晶显示装置，还包括：一位于所述光导板和所述棱镜片之间的扩散板，该扩散板用于改变从所述发光部分发射的光的视角；以及一位于所述反光部分下方的反光板，该反光板用于将从所述光导板泄漏的光向所述光导板反射。
26.根据权利要求24所述的液晶显示装置，其中，所述视角校正装置包括棱锥形视角校正凹陷，所述光导板具有约1.49的折射率，且所述视角校正凹陷具有一顶角，该顶角具有约31到60度的内角。
27.根据权利要求26所述的液晶显示装置，其中，所述视角校正装置包括棱锥形视角校正突起，所述光导板具有约1.49的折射率，且所述视角校正突起具有一顶角，该顶角具有约31到60度的内角。
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