CN1517760A - 背光单元 - Google Patents

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Abstract

一种背光单元，包括一个发光的点状光源和一个包括有全息图案的光导板，所述全息图案形成为同心圆形状，其中心位于点状光源处。因此，由于可以使得入射到全息图案上的光线的入射方位角恒定，从而可以提高穿过光射出表面射出的光的效率。还有，由于可以使得射出光线的射出方位角的分布范围均匀，所以可以从光射出表面获得均匀的亮度。

Description

背光单元
技术领域
本发明涉及一种背光单元(backlight unit)，尤其是，涉及一种利用一个光导板(LGP)的边缘照射类型(edge light type)背光单元。
背景技术
由于诸如液晶显示器这样的受光型平板显示设备(a light receiving typepanel display device)不是通过自身发光来形成图像，而是通过从外界接收光线来形成图像，因此在黑暗的地方将无法看到图像。由此，一个用于发射光线的背光单元被安装在这种受光型平板显示设备的后表面处。
根据光源的排布型式，背光单元可以被分成直接照射类型和边缘照射类型。边缘照射类型光源可以利用线状光源和点状光源作为光源。作为典型的线状光源，存在有一种冷阴极荧光灯(CCFL)，其中，电极被安装在一根灯管内部的两个端部处。发光二极管(LED)是一种典型的点状光源。CCFL可以发射出强烈的白光，并且可以获得很高的亮度和很高的均匀度。并且，CCFL可以实现装置的较大尺寸设计。但是，由于CCFL需要利用高频的交流(AC)信号进行工作并且具有很窄的工作温度范围，所以CCFL存在有不足之处。与CCFL相比，LED在亮度和均匀度方面较差，但是其利用直流(DC)信号进行工作，并且具有很长的使用寿命和很宽的工作温度范围。还有，LED可以被制成很薄。
图1是一个透视图，其示出了一种利用了点状光源的常规边缘照射类型背光单元。图2是一个剖视图，其示出了图1中所示的边缘照射类型背光单元。
参照图1，三个LED20被安装在一个光导板10的边缘11处，作为点状光源。在光导板10的下表面上形成有一个全息图案30，用于使得从LED20发射出的光线穿过一个光射出表面12(a light exhaust surface)。尽管在附图中没有示出，还存在散射板，用于散射从光射出表面12发出的光线，以及一个棱镜板，用于改善在垂直于光射出表面12方向上的散射光线的亮度。
如图3所示，LED20在±90°之间的范围内发射出光线。从每个LED20发射出的光线通过边缘11入射到光导板10上，并且随后入射到全息图案30上。具有垂直于光轴21形成的衍射光栅结构的全息图案30将入射光线转换成表面光线(a surface light)，并且使得该表面光线穿过光射出表面12，其中，光射出表面12是光导板10的上表面。当光线以90度的角度入射到全息图案30上时，全息图案30可以以最高的效率发射出光线。同样，随着入射到全息图案30上的光线的入射方位角分布范围缩小，可以在光射出表面12处获得均匀的亮度。如果光射出表面12的亮度不均匀，那么屏幕将变得图像模糊。在大约1厘米的狭窄范围内，大约为0.9的亮度变化被看作为一个污点(a smear)。但是，当亮度从屏幕的中部至其边缘部分逐步变化时，大约为0.8的亮度变化不被看作是一个污点。因此，亮度的均匀度必须达到0.8以上。尤其是，为了获得高质量图像，亮度的均匀度必须达到0.9以上。
图4示出了由图1中所示传统背光单元产生的光线输出分布范围。光导板10从安装LED20的边缘11按顺序分成三个部分，也就是说近侧部分40、中间部分和远侧部分60，这些位置处的光线输出分布范围被图示出来。参照图4，相对于近侧部分40来说，中间部分50和远侧部分60具有较宽的光线输出分布。
图5是一个曲线图，示出了图1中所示边缘照射类型背光单元在光发射表面12处的亮度。在该曲线中，竖轴指示的是亮度而横轴指示的是FWHM(半最大值全宽度)，FWHM表示了在光射出表面12处的光线射出角度。从左侧起的三条曲线C1、C2和C3分别指示了近侧部分40、中间部分50和远侧部分60的亮度。参照图5，可以看出近侧部分40的亮度大于中间部分50和远侧部分60的亮度。近侧部分40的FWHM是20°/20°，而中间部分50和远侧部分60的FWHM为20°/35°，相对于近侧部分40的FWHM来说较宽。在20°/35°中，第一角度“20°”和第二角度“35°”分别指代的是沿着X方向的FWHM和沿着Y方向的FWHM。
亮度的不规则现象是因为在近侧部分40、中间部分50和远侧部分60中的每个部分内，入射到全息图案30上的光线的入射方位角分布不同所致，由此，在这三个部分中由全息图案30所发射出光线的效率和射出光线的射出方位角分布范围也不相同。
发明内容
为了解决前述和/或其它问题，本发明提供了一种背光单元，这种背光单元可以减小入射到光导板中全息图案上的光线的入射方位角的范围。
根据本发明的一个方面，一种背光单元包括一个发光的点状光源和一个包括有一全息图案的光导板，所述全息图案具有同心圆形状，其中心位于所述点状光源处。
所述全息图案至少被成形在光导板的底表面和面对该底表面的上表面中之一上。
所述点状光源被安装在光导板的一个拐角处。
根据本发明的另一个方面，一种背光单元包括一个发光的点状光源和一个包括有一衍射光栅的光导板，所述衍射光栅具有内接于以点状光源为中心的同心圆中的多边形形状。
该衍射光栅至少被成形在光导板的底表面和面对该底表面的上表面中之一上。
所述点状光源安装在光导板的一个拐角处，并且靠近光导板的边缘。
附图说明
通过下面参照附图对优选实施例的详细描述，本发明的前述和其它特征以及优点将变得清楚明白，其中：
图1是一个透视图，示出了一个使用点状光源的传统边缘照射类型背光单元；
图2是一个剖视图，示出图1中所示出的背光单元；
图3是一个曲线，示出了从一个LED所发射出光线的方位角；
图4示出了由图1中所示背光单元输出的光线的分布范围；
图5示出了图1中所示背光单元在光射出表面处的亮度；
图6是一个透视图，示出了根据本发明优选实施例的背光单元；
图7是一个平面视图，示出了根据本发明另一优选实施例的背光单元；
图8是一个透视图，示出了一个根据本发明再一优选实施例的背光单元；
图9是一个平面视图，示出了根据本发明又一优选实施例的背光单元；
图10至12是一些曲线，示出了在图8所示的优选实施例中，在光导板上三个区域中各个区域内对光射出表面处的亮度分布的测量结果。
具体实施方式
参照图6，一个LED120安装在光导板110的一个拐角处，作为一个点状光源。光导板110由透射光线的透明材料制成。通常，对于亮度来说折射率大约为1.49且比重大约为1.19的丙烯基透明树脂(PMMA)或者比重大约为1.0的烯烃基透明树脂用于光导板110。光导板110的厚度通常为2至3毫米，并且可以呈楔形，从而光导板110的厚度从入射光线的边缘至相对的边缘减小，以减轻其重量。光导板110的尺寸取决于被安装在光射出表面12处的图像显示设备(未示出)的尺寸，比如LCD(液晶显示器)。
作为点状光源的一个示例，如图3所示，LED120在相对于光轴±90°的范围内发射光线。在光强度对应于光线强度最大值(Imax)的一半(Imax/2)处的角度被称作FWHM。对于LED来说，FWHM大约为±45°。例如，1-chip-2型LED或者2-chip-1型LED可以被用于LED120。可以根据所需的亮度来使用合适的LED。
LED120安装在光导板110的一个拐角处。如图6所示，光导板110的该拐角倒角。LED120优选地安装成能够向通过倒角形成的光线入射表面111发射光线。
在光导板110上形成全息图案130。该全息图案130是一个衍射光栅，其衍射LED120发射并入射到光导板110上的光线，以便通过光射出表面112发射。全息图案130形成在光导板110的底表面上，形成一些以LED120为中心的同心圆。尽管在图中没有示出，但是在全息图案130的下表面处设置有一个反射板，用于向上反射经过全息图案130衍射后的光线。衍射光栅优选地具有2微米或者更小的周期，并例如可以具有大约为0.4微米的周期和大约为0.2微米的厚度。所述的“周期”指的是同心圆之间的间距。周期和厚度并不局限于前述的值，并且可以适当调节，以使得光射出表面112处的光线输出分布均匀。全息图案130也可以成形在面对着所述底表面的上表面上。
图7是一个平面图，示出了根据本发明另一优选实施例的背光单元。参照图7，LED120安装在光导板110的左侧边缘113处。LED120也可以安装在光导板110的其它边缘处。全息图案130是前述的衍射光栅，并且形成在光导板110的底表面和/或上表面上，形成以LED120为圆心的同心圆。在LED120与光导板110之间，还可以设置一个散射元件150，用于散射由LED120发出的光线。比如，一个凹面透镜可以被用作散射元件150。散射元件150散射由LED120发出的光线，以使得这些光线以其最大值入射到光导板110左侧边缘113的整个区域上。
在根据本发明前述优选实施例的背光单元的工作和作用过程中，由LED120发出的光线通过光线入射表面111入射到光导板110上，并且沿着径向前进。该光线由光导板110的全息图案130衍射，并且被反射板(未示出)反射，以通过光射出表面112发射出去。在光导板110上方还设置有散射板(未示出)，用于散射从光射出表面112输出的光线，以便以均匀的强度发射。穿过散射板的光线入射到设置于散射板上方的诸如LCD设备的平板显示设备(未示出)上。
当光线相对于全息图案130以90°的角度入射时，全息图案130以最高效率发光。在前述的优选实施例中，全息图案130形成为以LED120为圆心的同心圆。入射到全息图案130上的光线的入射方位角A在光导板110上的任意位置处均近乎为90°，并且近乎均匀。因此，全息图案130可以通过以最大的效率衍射光线来将光线发射到光射出表面112上。并且，由于发射到光射出表面112上的光线相对于该光射出表面112的方位角为80°或者更大，优选地是近乎为90°并且近乎均匀，所以可以很容易地对射出光线的强度进行调节，并且使得在光射出表面112处的亮度均匀。
通常，在图1中示出的传统背光单元包括一个散射板(未示出)，用于对从光射出表面12发出的光线进行散射，和一个棱镜板(未示出)，用于提高在法线方向上，也就是说垂直于光射出表面112的方向上的散射光线的亮度。在大多数情况下，通常使用两个棱镜板，并且这些棱镜板被排布成能够使得棱镜板上的棱镜图案垂直地相互交叉。但是，在前述的优选实施例中，由于光线相对于光射出表面112近乎以90°发射到光射出表面112上，因此无需使用棱镜板。因此，在光线从LED120到达平板显示设备的过程中，光线所穿越介质的数目得以减少。结果，由各种介质所吸收的光线量减少，从而可以提高光线的使用效率。
图8是一个透视图，示出了根据本发明再一优选实施例的背光单元。参照图8，LED220被安装在光导板210的一个拐角处，作为一个点状光源。一个全息图案230形成在光导板210的底表面或者面对该底表面的上表面上。尽管在图中没有示出，但是还可以在全息图案230下方设置一个用于反射光线的反射板。
光导板210可以由一种透明材料制成，如透射光线的丙烯基透明树脂PMMA或者烯烃基透明树脂，如同图6中示出的光导板110那样。如图8所示，拐角被倒角，并且LED220优选地安装成将光线发射到通过倒角形成的光线入射表面211上。
全息图案230衍射LED220发出并入射到光导板210上的光线，并朝向光射出表面212发出经衍射的光线。衍射光栅具有内接于同心圆的多边形形状，该同心圆的中心位于LED220处。衍射光栅可以形成为具有等边多边形形状，其中所有侧边的中心角均相等。并且，衍射光栅也可以形成为每个侧边具有不同中心角的多边形形状。
根据本发明优选实施例的衍射光栅具有等边多边形形状，其中每个侧边的中心角B均为10°。在这种情况下，在光导板210的整个区域上，入射到全息图案230上的光线相对于该全息图案230的入射方位角的分布在90±5°之内。随着中心角B减小，入射到全息图案230上的光线的入射方位角的分布会减小，从而分布更接近于如图6所示的以LED120为中心的同心圆。
是否使得衍射光栅的形状为等边多边形形状以及如何适当地确定中心角可以通过考虑光射出表面212所需的亮度均匀度和光线的使用效率来合适地加以确定。
在本优选的实施例中，如图9所示，LED220可以安装在光导板210的一个边缘处，并且在LED220与光导板210之间还可以设置一个用于散射光线的散射元件250，比如一个凹面透镜。
图10至12是曲线图，示出了在图8所示出的优选实施例中，在光导板上三个区域210A、210B和210C中的各个区域内对光射出表面处的亮度分布的测量结果。在图10至12中示出的亮度分布是光线在到达散射板(未示出)之前的亮度分布。参照图10至12，可以看出亮度分布在每条曲线的中部处集中，并且根据部分不同在亮度分布方面存在较小的差异。这就意味着入射到全息图案230上的光线的入射方位角近乎集中在90°左右。从而，当散射板被安装在光射出表面212处时，可以从光射出表面212的整个区域上获得近乎均匀的亮度分布。
正如在前面所描述的那样，根据本发明优选实施例的背光单元，由于可以使得入射到全息图案上的光线的入射方位角恒定，所以可以提高通过光射出表面射出的光的效率。还有，由于射出光线的射出方位角的分布可以均匀，所以可以从光射出表面获得均匀的亮度。
尽管已经参照本发明优选实施例特别对本发明进行了图示和描述，但是本领域技术人员将会明白的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明技术构思和保护范围的条件下，可以在形式和细节上进行多种变化。

Claims (14)

1.一种背光单元，包括：
发光的点状光源；以及
包括全息图案的光导板，该全息图案形成为具有同心圆形状，该同心圆的心位于所述点状光源处。
2.如权利要求1所述的背光单元，其中，全息图案至少形成在光导板的底表面和面对该底表面的上表面中之一上。
3.如权利要求1所述的背光单元，其中，所述点状光源安装在光导板的一个拐角处。
4.如权利要求3所述的背光单元，其中，该拐角被倒角。
5.如权利要求1所述的背光单元，其中，点状光源安装在光导板的一个边缘处。
6.如权利要求5所述的背光单元，其中，在点状光源与光导板之间还设置有一个散射元件，用于散射由点状光源发出的光。
7.一种背光单元，包括：
发光的点状光源；以及
包括衍射光栅的光导板，所述衍射光栅具有内接于同心圆的多边形形状，该同心圆的中心位于点状光源处。
8.如权利要求7所述的背光单元，其中，所述衍射光栅具有每个侧边的中心角均不超过10°的多边形形状。
9.如权利要求7所述的背光单元，其中，所述衍射光栅具有等边多边形形状。
10.如权利要求7所述的背光单元，其中，所述衍射光栅至少形成在光导板的底表面和面对该底表面的上表面中之一上。
11.如权利要求7所述的背光单元，其中，所述点状光源安装在光导板的一个拐角处。
12.如权利要求11所述的背光单元，其中，所述拐角被倒角。
13.如权利要求7所述的背光单元，其中，所述点状光源安装在光导板的一个边缘处。
14.如权利要求13所述的背光单元，其中，在所述点状光源与光导板之间还设置有一个散射元件，用于散射由所述点状光源发出的光。
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