CN1517759A - 背光单元 - Google Patents

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Abstract

一种背光单元，包括一个形成有全息图案的光导板。点光源向光导板的边缘发射光。一个折射元件设置在散射元件与光导板之间并用于减小光入射到光导板上的方位角。折射元件从点光源的光轴起包括：一个透射光线的光透射区；一个形成有刻痕图案的刻痕区，刻痕图案为锯齿形，接近光轴的一个面平行于光轴；一个形成有三角形棱镜图案的棱镜区。背光单元还包括一个散射元件，用于散射从点光源发出的入射到折射元件上的光。

Description

背光单元
技术领域
本发明涉及一种背光单元，并尤其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
典型的平板显示器分成光发射型和光接收型。光接收型平板显示器的一个例子是液晶显示器。因为液晶显示器不通过本身发光形成图象，而是通过从外界接收光来形成图象，所以不能在昏暗的地点观看显示在液晶显示器上的图象。因此，把用于发光的背光单元安装在液晶显示器的后表面上。
根据光源的配置，背光单元可以分为正面发光型和边缘发光型，正面发光型中多个直接安装在液晶显示器下面的灯直接向液晶板发光，边缘发光型中安装在光导板边缘的灯发光，并且被传递到液晶板。
边缘发光型可以使用线光源或点光源。典型的线光源是一个冷阴极荧光灯(CCFL)，其中两个端部的电极安装在一个管子中。作为点光源，有一种发光二极管(LED)。CCFL可以发射强白光，显示很高的亮度和很高的均匀性，并且能够进行大面积设计。但是，不利之处在于CCFL通过高频AC信号操纵，并且工作温度的范围较窄。LED在亮度和均匀性性能方面不如CCFL那样优越。但是，LED的优点在于通过DC信号工作，有较长的寿命和很宽的工作温度范围，并且能够做得很薄。
用于边缘光背光单元的光导板把从线光源或点光源经边缘入射的光转变成面光源并在垂直方向上发射面光束。以印刷法或机械处理法在光导板上形成一个散射的图案或全息图案，从而把入射光转变成表面光。
图1是利用点光源的常规边缘光背光单元的透视图。图2是图1所示边缘光背光单元的截面图。参见图1，在光导板10的边缘11安装三个LED 20作为点光源。在光导板10的底面上形成一个全息图案30，把从LED 20发出的光发射到光出射面12。
每个LED 20都向光导板10的边缘11发射光。因为LED 20是点光源，所以光在关于光轴±90°的方位角范围内发射，如图3所示。此处，把光具有最大强度(Imax)一半(Imax/2)的方位角称作半最大角(FWHM)。对于LED，典型的FWHM约为±45°。
从LED 20发出的光经边缘11进入光导板10并入射到全息图案30上。具有衍射光栅的全息图案30把入射光转变成向光出射面12发射的表面光，其中光出射面12是光导板10的上表面。全息图案30有一定的方向性，使得当光以关于全息图案30大约90°的角度入射时可以以最高的效率发射。另外，当入射到全息图案30上的光的入射方位角分布减小时，可以在光出射面12处获得均匀的亮度。如果光出射面12的亮度不均匀，则屏幕显得轮廓不清。在大约1cm的较窄范围内，探测到大约0.9的亮度变化认为是拖尾。但是，当亮度从中心部分向边缘部分逐渐变化时，甚至在大约0.8°下也探测不到亮度拖尾。因此，在亮度均匀度不小于0.8的情况下，为了获得优质图象，需要亮度均匀度不小于0.9。
图4是图1所示常规背光单元的发射光分布示图。光导板10被分成三个区：从安装LED20的边缘11起依次为近部40、中部50和远部60。在图4中，中部50和远部60与近部40相比，有较大的光出射分布。
图5是图1所示边缘光背光单元的光出射面12处的亮度曲线。在曲线中，垂直轴表示亮度，水平轴表示在光出射面12处作为FWHM的光出射角。三条曲线C1、C2和C3分别表示近部40、中部50和远部60的亮度。参见图5可以看到，近部40的亮度大于中部50和远部60的亮度。当在近部40处的FWHM为20°/20°时，在中部40和较宽的远部60为20°/35°。在20°/35°处，角度“20°”和角度“35°”分别表示在X和Y方向的FWHM。
在中部50和远部60入射到全息图案30上的光的入射方位角分布大于近部40的方位角，导致了不规则的亮度。即，由如图2所示的几次反射造成的有多种入射方位角的光，在中部50和远离LED 20的远部60入射到全息图案30上。当从LED 20发出并入射到光导板上的光的入射方位角分布增大时，不规则的亮度变得严重。
发明内容
为了解决上述及其他问题，本发明提供了一种边缘光背光单元，可以通过减小从点光源发出向光导板入射的光的方位角来提高光出射面上的亮度均匀性。
根据本发明的一个方面，背光单元包括一个形成有全息图案的光导板；一个向光导板的边缘发射光的点光源；和一个设置在点光源与光导板之间并减小入射到光导板上的光的方位角的折射元件，从点光源的光轴起，折射元件包括一个透射光线的光透射区；一个形成有刻痕图案(blaze pattern)的刻痕区(blaze zone)，刻痕图案为锯齿形，接近光轴的一个面平行于光轴；一个形成有三角形棱镜图案的棱镜区。
根据本发明的另一方面，背光单元包括一个形成有全息图案的光导板；一个向光导板的边缘发射光的点光源；一个散射从点光源发出的光的散射元件；和一个设置在散射元件与光导板之间以减小入射到光导板上的光的方位角的折射元件。
形成光透射区，把基本上具有0°～±9°方位角的光传递到折射元件中0°±16°的范围内。
三角形棱镜图案的倾斜面与垂直于光轴的直线之间的夹角大于穿过棱镜区的光束的最大方位角。
刻痕图案的倾斜面与垂直于光轴的直线之间的夹角大于穿过刻痕区的光束的最大方位角。
散射元件通过在折射元件的入射面上形成一个凹曲面而与折射元件形成一体。
附图说明
通过下面参考附图对优选实施例的详细描述，本发明的上述特点将变得更加清晰，其中：
图1是利用点光源的常规边缘光背光单元的透视图；
图2是图1中所示边缘光背光单元的截面图；
图3是LED的方位角曲线；
图4是图1所示常规背光单元的出射光分布示图；
图5是图1中所示常规背光单元中光出射面的亮度曲线；
图6是本发明优选实施例的背光单元透视图；
图7是图6中所示折射元件的平面图；
图8是三角形棱镜图案的顶角和光出射面处的光出射分布之间的关系曲线；
图9是光透射区的宽度与刻痕图案的顶角之间的关系曲线以及在光出射面的光出射分布；
图10是根据本发明另一优选实施例的背光单元透视图；
图11是根据本发明另一优选实施例的背光单元透视图；
图12和13是图1所示常规背光单元的近部和远部测得的亮度曲线；
图14和15是根据图6所示的本发明优选实施例的背光单元近部和远部测得的亮度曲线；和
图16是图10所示背光单元中光导板处的光通量曲线。
具体实施方式
参见图6，三个LED 120作为点光源，安装在光导板110的边缘111处。折射元件200安装在光导板110和LED 120之间。例如，在LED 120和折射元件200之间以及折射元件200和光导板110之间设置一种折射率低于折射元件200或是光导板110的材料。
光导板110由一种透光的材料制成。主要采用折射率为1.49、比重为1.19的丙烯酸透明树脂(PMMA)作为透光材料。基于亮度的原因，采用比重为1.0的烯烃基透明树脂。光导板110通常2-3mm厚，可以采用从入射部分到远部厚度逐渐减小的楔形。光导板110的大小取决于安装在光出射面112之上的图象显示器(未示出)的大小。显示器例如是LCD(液晶显示器)。在光导板110处形成一个全息图案130。虽然图中未示出，但可以在光出射面112之上安装一个用于散射光线的散射板。
全息图案130衍射经光导板110的边缘111入射的光，将衍射光向光散射面112发射。图6中，在光导板110的下表面上设置全息图案130。全息图案130中重复分布周期不大于2μm的衍射光栅。例如全息图案130可以通过重复分布周期为0.4μm、深度为0.2μm的衍射光栅形成。用于将通过全息图案130的光向上反射的反射元件(未示出)可以安装在全息图案130之下。当光以大约90°角入射到全息图案130上时，可以得到最大的光发射效率。当入射到全息图案130上的光的方位角分布均匀时，光出射面112的亮度变得均匀。
作为点光源的一个例子，LED 120在关于光轴±90°方位角的范围内发光，如图3所示。此处，光强为最大值(Imax)一半(Imax/2)的光的方位角称作半最大角(FWHM)。对于LED，典型的FWHM约为±45°。虽然优选实施例中在光导板110的边缘111处安装三个LED 120，但因为LED 120的数量由光导板110的大小以及所需的亮度决定，所以可以安装更多的LED120。另外，LED 120不仅可以安装在边缘111处，而且也可以安装在光导板110的其它边缘。
通过向光轴121折射从LED 120发出的光线，折射元件200能减小入射到光导板110上的光的方位角。折射元件200包括一个光透射区210，接近光轴121的光原样透过该区；一个刻痕区220，在该区形成锯齿状的刻痕图案；和一个棱镜区230，在该区形成三角形棱镜图案。折射元件200可以由与光导板110相同的材料制成，或是在某些情况下由折射率大于或小于光导板110的材料制成。折射元件200可以通过机器加工或铸模丙烯酸透明树脂(PMMA)或烯烃基树脂来制造。
图7是图6所示折射元件的平面图。参见图7，根据本优选实施例的折射元件200使用PMMA，其折射率约为1.49，厚度，即折射元件200的入射面201和光出射面202之间的距离L1约为5mm。LED 120与入射面201分开一点儿安装。
距光轴121的距离D1定义为光透射区210，可以由不在光出射面202上形成棱镜图案和刻痕图案的区域形成，如图7所示。虽然在图中未示出，但可以通过在折射元件200上从光轴121开始截去长度为D1的一部分来形成光透射区210。
从单个LED出射的光入射其中、而从相邻LED出射的光不入射其中的刻痕区220是一个对应于D2-D1的区域。因此，在刻痕区220中，锯齿状刻痕图案具有平行于光轴121的第一表面221和相对于光轴121倾斜预定角度的第二表面，并重复排列。另外，第一表面221必须接近光轴121设置。虽然在本优选实施例中刻痕图案的间距P2设置为50μm，但间距不限于此，也可以考虑到生产率以及在光导板110的光出射面112的光出射分布而适当地设置。
在本优选实施例中，D2约设置为3.6mm。LED 120可以与折射元件220的入射面202分开安装，例如分开0.05mm。因为PMMA的折射率约为1.49，所以入射到折射元件200上的光具有大约42°的最大方位角。因为入射面201和出射面202之间的距离L1为5mm，所以当D2设置为3.6mm时，最大方位角约为36°的光入射到刻痕区220。
为了使穿过刻痕区220的光向光轴121折射，从而使得光的方位角减小，刻痕区的第二表面222和垂直于光轴121的直线之间的角度A最好大于光穿过刻痕区220的最大方位角，即在本优选实施例中约大于36°。但是，本发明不限于此。最好考虑了总光通量以及每球面度的光通量和在光导板110光出射面112处的FWHM后决定。
棱镜区230限定为从D2到带有另一相邻LED的刻痕区的边界。棱镜区230受与其相邻的其它LED影响。在棱镜区230中，重复分布着三角形棱镜，使顶点两侧的倾斜面231和232成为折射面。虽然在本优选实施例中三角形棱镜图案的间距P1设置为501μm，但本发明不限于此。考虑到生产率和光导板110的光出射面112处光出射分布后，可适当地设置三角形棱镜图案的间距P1。为了使穿过棱镜区230的光向光轴121折射，而使得光的方位角减小，三角形棱镜图案的倾斜面231和232与垂直于光轴121的直线之间的角度B最好大于光入射到棱镜区230的最大方位角。但是，本发明不限于此。最好考虑了总光通量以及每球面度的光通量和在光导板110光出射面112处的FWHM后决定。
另外，因为刻痕区220是一个受其它相邻LED影响的区域，所以，D2应在考虑到总光通量以及每球面度的光通量和在光导板110上光出射面112处的FWHM来确定，同时还应考虑到LED 120与折射元件200的折射面之间的距离。优选地，更大的总光通量和更大的每球面度光通量是优选的，而更小的FWHM是优选的。
图8是三角形棱镜图案的顶角和光出射面的光出射分布之间的关系曲线。图8的曲线表示三角形棱镜图案的间距P1为50μm时通过改变基底和顶点之间的距离d1而测量到的光出射面112处的总光通量、每球面度光通量和FWHM的结果。为了提高亮度，最好在选用更小的FWHM的同时，选用更大的光通量和较大的每球面度光通量。
在图8中，d1为20μm～90μm的区域内的光通量几乎不改变。FWHM随着d1的增大而减小，并且从大约50μm变为最小。每球面度的光通量在大约60μm以上最大。根据本试验，当基底和顶点之间的距离d1约为60μm～100μm时，可以在光出射面112处获得最佳光出射分布。因此，当间距P1为50μm时，顶角约为28～45°，倾斜面231和232与垂直于光轴的直线之间的夹角B约为67.5～76°。上述范围的顶角的意义在于通过试验选取最佳值的实例，本发明的范围不限于此。
图9是刻痕图案的顶角、光透射区的宽度以及光出射面112的光出射分布之间的关系曲线。图9的曲线表示刻痕区图案的间距P2约为50μm时，通过改变基底和顶角之间的距离d2以及光透射区210的宽度D1而获得的每球面度光通量的测量结果。P∶P1＝50/d1＝25表示的情况是，间距P1为50μm、基底和顶点之间的距离d1为25μm的三角形棱镜图案代替刻痕图案。B∶P2＝50/d2＝50表示的情形时，间距P2为50μm、基底和顶点之间的距离d2为50μm的刻痕图案。
参见图9，在B∶P2＝50/d2＝50和B∶P2＝50/d2＝60的情形中，每球面度的光通量大于P∶P1＝50/d1＝25，无论光透射区210的宽度D1如何。在B∶P2＝50/d2＝25和B∶P2＝50/d2＝12.5的情形中，每球面度的光通量小于P∶P1＝50/d1＝25。优选在每球面度的光通量大于用形成棱镜图案代替刻痕区的情形范围内决定d2。
另外，因为最好决定光透射区220的宽度D1，使得每球面度的光通量变为最大，参见图9，所以可以选择距离光轴121大约0.8-1.4mm的宽度。将宽度D1重新计算成为相对于光轴121的一个角度后，对应于约9-16°的角度。
图10表示本发明另一优选实施例的背光单元。参见附图，在折射元件300的入射面201上形成一个凹透镜240。凹透镜240是散射光束的散射元件的一个例子，使得从LED 120发出的光入射到凹透镜240上的方位角增大。虽然在本优选实施例中散射元件与折射元件300形成一体，但凹透镜也可以安装在LED 120和折射元件200之间，如图6所示。但是，因为如果光穿过多个传播媒介可能会降低光透射率，所以优选凹透镜与折射元件形成一体，如同本优选实施例。LED 120优选设置在凹透镜240的曲面与曲面形成的圆环的中心之间。凹透镜240的曲率半径可以在适当地考虑到总光通量和光出射面112处的每球面度光通量以及光导图案110后决定。
在不采用凹透镜240的情况下，当折射元件200的折射率为1.49时，折射元件200内部光束的最大方位角约为42°。该角度是由从LED 120发出并具有大约90°方位角的光入射到折射元件的情形所致。但是，因为折射元件200和LED 120稍稍分离，所以折射元件200内部的光束的最大方位角实际上小于42°。在采用凹透镜240的情况下，因为光入射到折射元件300时发散，所以根据凹透镜240的曲率以及LED120的安装位置，折射元件300内部的光方位角可以大于42°。当光通过形成在折射元件300的光出射面202上的光透射区210、刻痕区220以及棱镜区230时，光的方位角减小，并且光入射到光导板110上。
在上述优选实施例中，单独制造折射元件200或300并安装在LED 120和光导板110之间。但是，折射元件200或300可以与光导板110一体地制造。图11表示根本发明另一优选实施例的背光单元。在图11中示出了与折射元件置为一体的光导板400。
下面描述根据本发明上述优选实施例的背光单元的操作及效果。
从LED 120发出的光经入射面201入射到折射元件200或300上。当折射元件200的折射率为1.49时，折射元件200内部的光方位角最大值约为±42°。如图10所示，当采用凹透镜240时，因为光束入射到折射元件300上时被散射，所以折射元件300内部的光方位角可以大于42°。
关于上述光线，方位角处于0°～±9°到0°～±16°范围的光通过光透射区210并入射到光导板110上。当光通过光出射面202时，由于折射元件200或300与空气的折射率不同而使光的方位角增大。但是，当光入射到光导板110上时，方位角减小相同的量。因此，通过光导板110中光透射区210的光的方位角与通过折射元件200或300中光的方位角相同。
在刻痕区220中，从相邻LED发出的光不入射，并且刻痕区220的第一表面221平行于光轴121，而其第二表面222倾斜预定的角度。因此，第二表面220只用作折射面。在棱镜区230中，入射有从其它LED发出的光并且倾斜面231和232都用作折射面。
通过刻痕区220和棱镜区230的光的方位角减小。当光从显示较大折射率的媒介传播到显示较小折射率的媒介时，出射角大于入射角。因此，通过刻痕图案第二表面222以及棱镜图案的倾斜面231和232的光向光轴121折射，使得光的方位角减小。光入射到光导板110上。此时，光从显示较小折射率的媒介向显示较大折射率的媒介传播。因为光导板110的边缘111垂直于光轴121，所以光的方位角再次减小。
当入射到光导板110的光的方位角减小时，因为光以接近90°的角入射到全息图案130上，所以全息图案130可以高效率地发射光束。另外，因为入射到全息图案130上的光的入射方位角分布也均匀，所以从光出射面112发出的光的出射方位角分布均匀。因此，光出射面112的亮度均匀性提高。
图12和13是测得的图1所示常规背光单元的近部和远部亮度曲线。图14和15是测得的根据图6所示本发明优选实施例的背光单元的近部和远部亮度曲线。图12～15中曲线所示的结果通过在光导板上安装散射板(未示出)并测量通过散射板的光的亮度而获得。
参见图12和13，远部的亮度分布显得宽于近部的亮度分布。但是，参见图14和15可以看出，近部和远部之间亮度分布之差显著减小。这是因为入射到光导板110的光的方位角通过利用折射元件200而减小，使得入射到全息图案130上的光的入射方位角分布几乎与近部和远部处相同。
在LED120之间的中间区域可能会产生一个暗区。图16是如图10所示的优选实施例采用散射元件时光导板中的光通量曲线。参见图16，因为光被凹透镜240散射，并且折射元件300中光的方位角增大，所以在LED 120之间显出一个由字母标号C表示的亮区。因此，通过利用凹透镜240等散射元件散射入射到折射元件300上的光可以防止产生暗区或将暗区减为最小。
如上所述，根据本发明的背光单元可以获得下列效果。
首先，通过减小入射到光导板上入射方位角的分布，可以提高全息图案将光发射到光出射面的效率。
其次，因为发射到光出射面的光的强度分布均匀，所以光出射面的亮度均匀性得以提高。
第三，通过采用散射元件，能去除点光源之间的暗区或将暗区减为最小。
虽然已参考优选实施例对本发明进行了具体的展示和说明，但本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明实质和范围的前提下可以对本发明的形式和细节做各种改型。

Claims (20)

1.一种背光单元，包括：
一个形成有全息图案的光导板；
一个向光导板的边缘发射光的点光源；和
一个折射元件，设置在点光源与光导板之间，以减小入射到光导板上的光的方位角，折射元件从点光源的光轴起包括：一个原样透射光线的光透射区；一个形成有刻痕图案的刻痕区，刻痕图案为锯齿形，接近光轴的一个面平行于光轴；和一个形成有三角形棱镜图案的棱镜区。
2.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，所形成的光透射区透射的光，其在折射元件内方位角大致为0°～±9°的范围到0°～±16°的范围。
3.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，三角形棱镜图案的倾斜面与垂直于光轴的直线之间的夹角大于穿过棱镜区的光束的最大方位角。
4.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，三角形棱镜图案的顶角大致为28°～45°的角度。
5.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，棱镜区的三角形棱镜图案的间距大致为50μm。
6.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，刻痕图案的倾斜面与垂直于光轴的直线之间的夹角大于穿过刻痕区的光束的最大方位角。
7.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，刻痕图案的间距大致为50μm。
8.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，折射元件与光导板一体地形成。
9.如权利要求1所述的背光单元，还包括一个散射元件，用于散射从点光源发出的入射到折射元件上的光。
10.如权利要求9所述的背光单元，其特征在于，散射元件通过在折射元件的入射面上形成一个凹曲面而与折射元件一体地形成。
11.一种背光单元，包括：
一个形成有全息图案的光导板；
一个向光导板的边缘发射光的点光源；
一个散射从点光源发出的光的散射元件；和
一个折射元件，设置在散射元件与光导板之间并减小入射到光导板上的光的方位角。
12.如权利要求11所述的背光单元，其特征在于，折射元件从点光源的光轴起包括：一个原样透射光线的光透射区；一个形成有刻痕图案的刻痕区，刻痕图案为锯齿形，接近光轴的一个面平行于光轴；一个形成有三角形棱镜图案的棱镜区。
13.如权利要求12所述的背光单元，其特征在于，所形成的光透射区透射的光，其在折射元件内方位角大致为0°～±9°的范围到0°～±16°的范围。
14.如权利要求12所述的背光单元，其特征在于，三角形棱镜图案的倾斜面与垂直于光轴的直线之间的夹角大于穿过棱镜区的光束的最大方位角。
15.如权利要求12所述的背光单元，其特征在于，三角形棱镜图案的顶角大致为28°～45°的角度。
16.如权利要求12所述的背光单元，其特征在于，棱镜区的三角形棱镜图案的间距大致为50μm。
17.如权利要求12所述的背光单元，其特征在于，刻痕图案的倾斜面与垂直于光轴的直线之间的夹角大于穿过刻痕区的光束的最大方位角。
18.如权利要求12所述的背光单元，其特征在于，刻痕图案的间距大致为50μm。
19.如权利要求12所述的背光单元，其特征在于，折射元件与光导板一体地形成。
20.如权利要求11所述的背光单元，其特征在于，散射元件通过在折射元件的入射面上形成一个凹曲面而与折射元件一体地形成。
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