CN1266529C - 背光单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种背光单元。该背光单元包括：光导板；至少一个在光导板的边缘触发射光的点光源；以及折射件，其设置在点光源和光导板之间，用以向着点光源的光轴折射点光源发射的光，从而减小入射到光导板上的光的方位角。折射件包括棱镜阵列，在该棱镜阵列中重复地布置V形棱镜构图，该棱镜构图的顶点对着光导板的边缘。折射件还包括透明部分，该透明部分防止光在沿着光源的光轴的区域内被棱镜构图完全反射。

Description

背光单元
技术领域
本发明涉及一种背光单元，更具体地，涉及一种使用光导板(LGP)和点光源的边缘光背光单元。
背景技术
通常，将平板显示器大体上分为光发射显示器和光接收显示器。光发射平板显示器包括阴极射线管、等离子显示器、电子发射装置和荧光显示器等。
由于如液晶显示器的光接收类型平板显示器不是通过自身发射光线而是通过从外部接收光线来形成图像，因此，不能在黑暗的地方看到图像。所以，在光接收类型平板显示器装置的后表面处安装发光用的背光单元。该背光单元已经被使用在例如发光布告板的面光源装置以及例如液晶显示器装置的光接收显示器中。
根据光源的布置方式可将背光单元分为直射光背光单元和边缘光背光单元。直射光背光单元如此设计：将多个灯直接安装在LCD的下方，以便直接向液晶板发光。边缘光背光单元如此设计：将灯安装在光导板的侧壁处，以便向光导板的一侧发光并将光透射给液晶板。
更具体地，边缘光类型将线光源或者点光源用作光源。典型地，将冷阴极荧光灯(CCFL)用作线光源，将发光二极管(LED)用作点光源。冷阴极荧光灯能够以很高的光亮度和均匀性发射很强的白光。而且，冷阴极荧光灯能够实现装置的大尺寸设计。但是，由于冷阴极荧光灯通过高频AC信号得以操作并具有较窄的操作温度范围而具有缺陷。和冷阴极荧光灯相比，发光二极管在光亮度和均匀性方面具有较低的性能，但是其通过DC信号操作并具有较长的使用寿命和较宽的操作温度范围。此外，发光二极管能够内置制造。
光导板被用于边缘光背光单元。当来自线光源或点光源的输出光被输入给背光单元的边缘并入射到光导板上时，该光导板将入射光转变为表面光并在垂直方向将其输出。光导板由具有高光透射率的材料制成，诸如像聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的丙烯基透明树脂或烯烃基透明树脂。此外，也可在光导板上形成散射构图或全息构图，这样，输入给背光单元的边缘并入射到光导板上的光被输出到光出射面。
图1是使用点光源的边缘光类型的传统背光单元的透视图。图2是图1中边缘光背光单元的剖视图。参照图1，在光导板10的边缘11处安装有三个用作点光源的发光二极管20。在光导板10的下表面处形成全息构图30，以便将来自发光二极管20的输出光向光出射面12。
发光二极管20向光导板10的边缘11发光。该发光二极管20是点光源。如图3所示，每个发光二极管20发射方位角相对光轴在±90度范围内的光。方位角被称为辐射角，在该方位角处的光强度为光强度的最大值Imax的一半。在使用发光二极管的情况下，以±45°的辐射角发光。
从发光二极管20输出并穿过边缘11的光入射到光导板10上，并最终入射到全息构图30上。具有衍射栅格结构的全息构图30将入射光改变表面光，并使该表面光穿过作为光出射面12的光导板10上表面，所述衍射栅格机构形成为和光轴21垂直。当光以90°入射到全息构图30上时，该全息构图30能够以最高的效率发射光。此外，随着入射到全息构图30上的光的入射方位角的分布减小，可以在光出射面12处获得均匀的光亮度。如果光出射面12的光亮度不均匀，显示屏显示有污迹。在大约1厘米的狭窄范围内，大约0.9的亮度变化就会被作为污迹检测到。但是，当亮度从显示屏的中心向边缘部分逐渐变化时，大约0.8的亮度变化也不会被作为污迹检测到。所以，需要亮度的均匀度大于0.8。具体地，为了得到高质量的图像，需要两度的均匀度大于0.9。
图4示出图1中的传统背光单元输出的光的分布。从安装发光二极管20的边缘11开始，顺序地将光导板10分为三部分，即近部分40、中部分50和远部分60，示出了输出光的分布。参照图4，和近部分40相比，中部分50和远部分60具有更宽的光输出分布。
图5示出图1所示边缘光类型背光单元的光出射面12处的亮度。图中，垂直轴代表光亮度，水平轴代表半最大值全宽(FWHM)，该图示出了光出射面12处的光出射角度。从左到右的三条曲线C1、C2和C3分别代表近部分40、中部分50和远部分60的亮度。参照图5，可以看出，近部分40的亮度大于中部分50和远部分60的亮度。近部分40的半最大值全宽为20°/20°，而中部分50和远部分60的半最大值全宽为20°/35°，比近部分40的宽。20°/35°的情况下，第一角度“20°”和第二角度“35°”分别指代X方向和Y方向的半最大值全宽。
导致出现光亮度不规律的原因在于：入射到全息构图30上的入射光的入射方位角的分布在近部分40、中部分50和远部分60中各不相同，这样，在三个部分中，全息构图30的光发射效率和出射光的出射方位角的分布不同。输入给光导板10的光的方位角越大，光出射面12的光亮度就越不均匀。
如上所述的问题不仅出现在具有散射构图的光导板中，而且也出现在具有全息构图的光导板中。
发明内容
本发明提供一种光源光背光单元，其中，来自点光源的输出光的方位角被减小并随后入射到光导板上，从而提高光出射面的光亮度的均匀性。
根据本发明的一方面，提供一种背光单元，包括：光导板；至少一个在光导板的边缘处发射光的点光源；以及，位于点光源和光导板之间的折射件，用于将点光源发射出的光向点光源的光轴折射，从而减小入射到光导板上的光的方位角。
该折射件包括棱镜阵列，其中重复排列V形的棱镜构图，棱镜构图的顶点对着光导板的边缘。优选地，棱镜顶点的角度范围落在80度到120度的范围内。
该折射件还包括安装在点光源和光导板之间的透明件，该棱镜阵列被制造成棱镜片的形式并被附连到该透明件上。
优选地，折射件还包括防止光沿着光源的光轴在某一区域被棱镜构图全部反射的透明部分。该透明部分可以通过除去相对光源的光轴预定角度内的棱镜构图而形成为棱镜阵列的形式。或者，该透明部分可以通过相对光源的光轴除去预定角度内的棱镜阵列部分而形成。优选地，在如下的范围之间决定透明部分的宽度：入射到光导板上的光的半最大值全宽(FWHM)为最小值的范围和光通量/球面度为最大值的范围。透明部分可以形成为允许点光源发射的、相对点光源的光轴在±12°范围内的光穿过。可以将折射件和光导板形成为一体。
在光导板上形成具有衍射栅格结构的全息构图。
根据本发明的另一方面，提供一种背光单元，包括光导板和至少一个在光导板的边缘处发射光的点光源；其中，折射件形成在光导板中，以便通过将点光源反射的光向点光源的光轴折射而减小入射到光导板上的光的方位角。
该折射件包括：安装在光导板内的中空部分，用以沿着垂直方向、在距离对着点光源的光导板边缘预定距离处穿过光导板；和安装在对着点光源的中空部分的边缘处棱镜阵列，其中，重复排列V形棱镜构图，且棱镜构图的顶点对着中空部分。
优选地，棱镜顶点的角度落在从80°到120°的范围内。
优选地，折射件还包括防止光沿着光源的光轴在某一区域被棱镜构图全部反射的透明部分。该透明部分可以通过除去相对光源的光轴预定角度内的棱镜构图而形成为棱镜阵列的形式。优选地，在如下的范围之间决定透明部分的宽度：入射到光导板上的光的半最大值全宽(FWHM)为最小值的范围和光通量/球面度为最大值的范围。透明部分可以形成为允许点光源发射的、相对点光源的光轴在±12°范围内的光穿过。可以将折射件和光导板形成为一体。
在光导板上形成具有衍射栅格结构的全息构图。
附图说明
通过下文结合附图对本发明优选实施例的描述，本发明的上述和其他的优点和方面将变得明了。附图中：
图1是使用点光源的传统边缘光背光单元的简要透视图；
图2是图1中的边缘光背光单元的剖视图；
图3是示出发光二极管(LED)发生的光的方位角的视图；
图4是示出图1中的传统背光单元发射的光的分布的视图；
图5是示出图1中的传统背光单元的光出射面的光亮度的视图；
图6是根据本发明第一实施例的背光单元的简要透视图；
图7是根据本发明第一实施例的、图6中的背光单元的俯视图；
图8是测量突出部分的宽度的装置的俯视图；
图9是示出透明部分的宽度和穿过棱镜阵列的光量之间的关系的视图；
图10示出穿过棱镜阵列的光的折射；
图11是示出从发光二极管射出并入射到棱镜阵列上的光的方位角和在改变棱镜顶点角度的情况下从该棱镜阵列输出的光的方位角之间的关系的视图；
图12和13分别是示出图1中的传统背光单元的近部分和远部分处的光亮度的测量结果的视图；
图14和15分别是示出图6中的根据本发明第一实施例的背光单元的近部分和远部分处的光亮度的测量结果的视图；
图16是根据本发明第二实施例的背光单元的俯视图；和
图17是根据本发明第三实施例的背光单元的俯视图。
具体实施方式
图6是根据本发明第一实施例的背光单元的简要透视图；图7是根据本发明第一实施例的、图6中的背光单元的俯视图。
参照图6和图7，作为点光源的三个发光二极管(LED)120沿着光导板110的边缘111安装，并且在光导板110和发光二极管120之间安装棱镜阵列200。而且，在每个近轴区域内都安装透明部分202，该透明部分中没有形成棱镜构图201，发光二极管120的光轴121穿过各个透明部分。在光导板110的下表面形成全息构图130。
该光导板110由透射材料制成，尤其是具有大约1.49的折射率和1.19的比重的丙烯基透明树脂。或者，该光导板可以由比重为1.0的烯烃基树脂制成，以便减轻光导板110的重量。该光导板通常具有大约2-3mm的厚度，并可以具有楔形的形状，这样，光导板110的厚度可以从光入射的边缘向相对边缘减小，从而减轻其重量。光导板110的尺寸有赖于安装在光出射面112上的图像显示器(未示出)的尺寸，所述图像显示器例如液晶显示器(LCD)。
如前所述，该发光二极管120指的是用作点光源的发光二极管。如图3所示，该发光二极管120发射的光相对光轴在±90°的范围内。当光强度为光强度的最大值Imax的一半时，该光的角度被称为辐射角。通常，发光二极管的辐射角在大约±45°的范围内。根据本发明的第一实施例，该光导板110包括沿着其边缘111设置的三个发光二极管120，但是发光二极管的数目并不受限。换言之，可以根据光导板110的尺寸和背光单元的所需亮度增加发光二极管的数目。此外，发光二极管还可以安装在光导板110的另一边缘处。
全息构图130是接收入射到光导板110的边缘111上的光并将光发射给光出射面112的装置的一个示例。参照图6，全息构图130可以制造成衍射栅格的结构，其具有0.4μm的间距和0.2μm的深度。除了全息构图13外，光导板110还可以包括将入射光在垂直方向上散射并经过出射面112将光发射到背光单元外部的散射构图。散射构图的特性为本领域技术人员所知，因此省略其说明。
棱镜阵列200是构成将各个发光二极管120发出的光向光轴121折射的折射件的元件，并通过如图6所示地沿着光导板110的边缘111重复布置V形棱镜构图201而制造成。棱镜构图201的顶点指向光导板110的边缘111。考虑到减小入射到光导板110上的光的方位角的范围，决定棱镜构图201的顶点角度。该棱镜阵列200可以通过切割或者利用丙烯基透明树脂或烯烃基透镜树脂注模而形成，所述材料也是形成光导板110的材料。
发光二极管120发射的光在近轴区域附近的一部分可能会被全部反射到棱镜阵列200上。在这种情况下，入射到光导板110上的光量减少，结果，光出射面112的亮度降低。为了防止亮度的降低，该折射件还包括透明部分202，其能够防止光在沿着光源光轴的区域被全部反射。如图6所示，透明部分202可以通过在相对光源光轴的预定角度内除去棱镜构图而形成在棱镜阵列中。或者，尽管图中未示出，透明部分202还可通过在相对光源光轴的一定角度内除去棱镜阵列的一部分而形成。
优选地，将透明部分的宽度形成为相对各个发光二极管120的光轴121具有一定的宽度。优选地，透明部分202的宽度如此决定：使得光相对发光二极管120的光轴121以大约±12°的角度穿过透明部分202。但是，通常，透明部分202的宽度可以在考虑到光通量/球面度、半最大值全宽(FWHM)和总光通量的情况下经验地决定。
图8示出用以测量透明部分的最佳宽度的装置。参照图8，两个棱镜阵列210和220以距离d1彼此隔开布置，透明部分230位于这些棱镜210和220之间，并且发光二极管240以距离d2远离这些棱镜阵列210和220的左侧。发光二极管240的光轴241穿过距离d1的一半d1/2的点。在这种情况下，当发光二极管240发射光并且该光穿过这些棱镜阵列210和220时，在改变这些棱镜阵列210和220之间距离d1的同时测量光量。
图9是示出当棱镜阵列210、220和发光二极管240之间的距离d2是5mm时棱镜阵列210和220之间的距离d1和穿过这些棱镜阵列210和220的光量之间关系。曲线C4、C5和C6分别指代总光通量、光的半最大值全宽以及穿过这些棱镜阵列210、220和透明部分230的光通量/球面度。优选地，决定透明部分230的宽度，以便得到高的总光通量、高的光通量/球面度和低的半最大值全宽。参照图9，当距离d1为5mm时，透明部分230的最佳宽度d2为2mm。在这种情况下，穿过透明部分230的光相对发光二极管240的光轴241形成±12度的角度A6。
下文中，将说明图6中根据本发明第一实施例的背光单元的操作。
参照图7，发光二极管120发射的光入射到棱镜阵列200上。如上所述，作为点光源的发光二极管120向棱镜阵列200发射方位角在±90°内的光。但是，发光二极管120发射的光的绝大部分落在光辐射角A1内，因此，在图7中仅示出了辐射角A1的范围。
当光穿过具有不同折射率的介质的边界时，光被折射并且入射角也因此不同于透射角。此外，当光顺序穿过折射率小的介质和折射率大的介质时，透射光被折射成比入射光更加靠近法线。换言之，透射角小于入射角。相反地，如果光顺序穿过折射率大的介质和折射率小的介质，透射出的光线被折射成比入射光更加远离法线，该法线垂直于介质之间的边界。因此，透射角大于入射角。棱镜阵列200使用穿过具有不同折射率的介质的光的折射。
图10示出穿过棱镜阵列200的光的折射的细节。参照图10，棱镜阵列200布置成是其顶点204指向光导板110，并且，折射率小于棱镜阵列200的介质、例如空气位于发光二极管120和棱镜阵列200之间和棱镜阵列200和光导板110之间。
发光二极管120发射辐射角为A1的光L1，该光入射到棱镜阵列200的入射平面206。光L1顺序穿过折射率小的介质和折射率大的介质。即，当光L1穿过入射平面206时，光L1被向垂直于入射平面206的法线P1折射，然后变成辐射角为A2的光L2。光L2入射到斜面203上，即其顺序穿过折射率大的介质和折射率小的介质。当L2穿过斜面203时，其被折射成为远离垂直斜面203的法线P2，并变成辐射角为A3的光L3。该光L3作为光L1和L2的折射光入射到光导板110上并变成辐射角为A4的光L4。此处，A1＞A2＞A3＞A4。因此，入射到光导板110上的光L4的辐射角A4比发光二极管120发射的光L1的辐射角A1小一个角度，该角度是角B1、B2和B3的和。如果需要，光L2可以平行于光轴121。
综上所述，当光入射到棱镜阵列200上时，近轴区域的光穿过透明部分，但是其他的光在向棱镜构图201行进的过程中被折射。如图7所示，光的折射导致辐射角A1减小到A4。
图11是示出从发光二极管120射出并入射到棱镜阵列200上的光的方位角和在改变棱镜阵列200的顶点角度205的情况下从该棱镜阵列200输出的光的方位角之间的关系的视图。具体地，图11示出了在棱镜阵列200的顶点角度分别为80°、90°、100°、110°和120°以及背光单元不采用棱镜阵列200的情况下，入射光的方位角和出射光的方位角之间的关系。图11显示：使用棱镜阵列200时的出射光方位角范围小于不使用棱镜阵列200时的情况。例如，如果顶点角度205为90°，所有以0°-50°入射到棱镜阵列200上的光将会在±15°的范围内输出给棱镜阵列200。
穿过棱镜阵列200并入射到光导板110上的光被形成在光导板110的下表面上的全息构图130衍射，并透射到光出射面112。
图12和13是分别示出图1中的传统背光单元的近部分和远部分的亮度的视图。图14和15是分别示出图6中的根据本发明第一实施例的背光单元的近部分和远部分的亮度的视图。参照图12和13，远部分的亮度分布比近部分的亮度分布更广泛，参照图14和15，近部分140的亮度分布和远部分150的亮度分布几乎一样。即，根据本发明，入射到光导板110上的光的方位角通过使用棱镜阵列200而得以减小。鉴于此，入射到全息构图130上的光的方位角的分布在近部分140和远部分150几乎一样。通过这种方式，可以将光出射面112的亮度调整均匀。此外，根据第一实施例的透明部分202允许所有靠近(reach)发光二极管120的光不经反射便穿过透明部分202。所以，使用透明部分202可以增加光透射性，并进一步提高光出射面112的亮度。
实验显示：根据第一实施例的背光单元的光出射面112的亮度比传统背光单元的光出射面的亮度高达约15％。
图16示出根据本发明第二实施例的背光单元。参照图16，该背光单元包括棱镜阵列300，在该棱镜阵列中，将棱镜片320附连到条形透明件310上。透明件310可以通过切割材料或对材料进行注模而制成，所述材料也用于制造图6的光导板110。棱镜片320通过在透明基片上形成棱镜结构而形成。例如，棱镜结构可以通过在PET膜上涂覆丙烯基树脂而形成。根据第二实施例的背光单元还可以包括透明部分330，其用以防止光在沿着光源的光轴的区域被棱镜构图全部反射。和根据第一实施例的背光单元类似，可以通过除去相对光源的光轴在预定角度内的棱镜构图而在棱镜阵列中形成透明部分330。或者，尽管图中未示出，可以通过除去相对光源的光轴在预定角度内的棱镜阵列部分形成透明部分330。
图17是根据本发明第三实施例的背光单元。图17所示背光单元包括和光导板500一体的棱镜阵列400。参照图17，在光导板500中形成中空部分410，并使该部分沿着垂直方向以离开光导板500的边缘501预定的距离穿过光导板500。棱镜阵列400安装在中空部分410的左侧，在该棱镜阵列中重复地布置顶点对着中空部分410的V形棱镜构图。中空部分410的内部填充有例如空气的介质，该介质的折射率小于光导板500或棱镜阵列400的折射率。根据第三实施例的背光单元还包括透明部分420，其用以防止光在沿着光源的光轴的区域被棱镜构图全部反射，和根据第一实施例的背光单元类似。可以通过除去相对光源光轴在预定角度内的棱镜构图而在棱镜阵列中形成透明部分420。可以通过切割过程或者注模过程制造光导板500，从而使其和棱镜阵列400一体。
根据本发明第二实施例和第三实施例的背光单元具有和根据本发明第一实施例的背光单元相同的操作效果。
如上所述，根据本发明的背光单元具有如下优点：
首先，入射到光导板上的光的方位角被减小，这使得入射到全息构图上的入射光的方位角具有均匀的分布。结果，透射到光出射面的光强度分布变得均匀，从而增加了光出射面的亮度的均匀性。
第二，靠近光源光轴的光可以穿过透明部分，从而防止背光单元的亮度被劣化。
第三，如果使用全息构图，就可以通过均匀地保持入射到全息构图上的光方位角而使输出到光出射面上的光的效率最大化。在这种情况下，光出射面的亮度也被提高。
尽管参照附图详细说明和示出了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员应该明白，在不脱离有权利要求书所限定的本发明的精神和范围的条件下，可以对本发明的形式和细节进行各种修改。

Claims (18)

1、一种背光单元，包括：
光导板；
至少一个在光导板的边缘发射光的点光源；以及
折射件，其设置在点光源和光导板之间，用以向着点光源的光轴折射点光源发射的光，从而减小入射到光导板上的光的方位角。
2、如权利要求1所述的背光单元，其中，折射件包括棱镜阵列，在该棱镜阵列中重复地布置V形棱镜构图，该棱镜构图的顶点对着光导板的边缘。
3、如权利要求1所述的背光单元，其中，折射件还包括安装在点光源和光导板之间的透明件，并且，所述棱镜阵列制成棱镜片的形式并被附连到透明件上。
4、如权利要求1所述的背光单元，其中，棱镜顶点的角度范围落在从80°到120°的范围内。
5、如权利要求2所述的背光单元，其中，折射件还包括透明部分，该透明部分防止光在沿着光源的光轴的区域内被棱镜构图完全反射。
6、如权利要求5所述的背光单元，其中，所述透明部分通过除去相对光源的光轴在预定角度范围内的棱镜构图而形成在棱镜阵列中。
7、如权利要求5所述的背光单元，其中，所述透明部分通过除去相对光源的光轴在预定角度范围内的棱镜构图的一部分而形成。
8、如权利要求5所述的背光单元，其中，在入射到光导板上的光的半最大值全宽为最小值的范围和光通量/球面度为最大值的范围之间决定透明部分的宽度。
9、如权利要求5所述的背光单元，其中，形成的所述透明部分用以允许点光源发射的、相对点光源的光轴在±12°的范围内的光穿过。
10、如权利要求5所述的背光单元，其中，折射件和光导板结合成为一体。
11、如权利要求1所述的背光单元，其中，在光导板上形成有具有衍射栅格结构的全息构图。
12、一种背光单元，包括：
光导板；和
至少一个在光导板的边缘处发射光的点光源，
其中，在光导板中形成有折射件，从而通过将点光源发射的光向点光源的光轴折射来减小入射到光导板上的光的方位角；
其中，所述折射件包括：
中空部分，其形成在光导板内，在垂直方向上、在对着点光源并距离光导板的边缘预定距离处穿过光导板；以及
棱镜阵列，其安装在中空部分对着点光源的边缘处，在该棱镜阵列中重复地布置V形棱镜构图，且棱镜构图的顶点对着中空部分。
13、如权利要求12所述的背光单元，其中，棱镜顶点的角度落在从80°到120°的范围内。
14、如权利要求12所述的背光单元，其中，折射件还包括透明部分，该部分用以防止在沿着光源的光轴的区域内的光被棱镜构图完全反射。
15、如权利要求12所述的背光单元，其中，通过除去相对光源的光轴在预定角度范围内的棱镜阵列而在棱镜阵列中形成透明部分。
16、如权利要求14所述的背光单元，其中，在入射到光导板上的光的半最大值全宽为最小值的范围和光通量/球面度为最大值的范围之间决定透明部分的宽度。
17、如权利要求14所述的背光单元，其中，形成的透明部分用以允许点光源发射的、相对点光源的光轴在±12°的范围内的光穿过。
18、如权利要求12所述的背光单元，其中，在光导板上形成具有衍射栅格结构的全息构图。
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