JP2006058839A

JP2006058839A - 導光板

Info

Publication number: JP2006058839A
Application number: JP2005024315A
Authority: JP
Inventors: Di Feng; 迪馮; Ying-Bai Yan; 瑛白厳; Xing-Peng Yang; 興朋楊; Hai-Tao Liu; 海涛劉; Guo-Fan Jin; 国藩金; 守善 ▲ハン▼; Feng-Yan Fan
Original assignee: Qinghua University; Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Current assignee: Qinghua University; Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2025-01-31
Also published as: CN100462797C; CN1737660A; US20060039670A1; US7206491B2; JP4373348B2

Abstract

【課題】本発明は、他の光学素子を片付けなく、出射光を垂直に出射させて且つ輝度が均一な導光板を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の導光板は、入射面、出射面及び反射面を含み、該出射面に規則的に配列する第一Ｖ型マイクロ構造が設けられ、該反射面に該第一Ｖ型マイクロ構造に対して垂直する複数の第二Ｖ型マイクロ構造が設けられ、該複数の第二Ｖ型マイクロ構造は、形状が同じで、入射面との距離が大きいほど配列密度、及び寸法が大きい。本発明の導光板と側光源を組み合わせると、従来技術の背光モジュールを代替でき、出射角度を上手に制御し、且つ輝度の均一性が高く、エネルギー損失が低いという長所を有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、液晶ディスプレイの背光モジュールに用いられる導光板に関し、特に、側光源の導光板に関するものである。

側光源の背光モジュールを有する液晶ディスプレイは小体積、軽量及び均一な輝度などの長所を有しているので、ノートパーンナルコンピュータ、移動電話、自動車ディスプレイ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）及びテレビなどの応用領域に広く用いられている。液晶ディスプレイの背光モジュールとして点光源或は線光源を面光源に換える光学機構である。液晶ディスプレイの応用領域の拡がるに従って、導光板を主とする背光技術に対して、更に、例えば、高輝度、低コスト、低エネルギー損失及び軽薄化などが要求される。

図１を参照されたい。従来技術の背光モジュール１は光源１０、導光板１２、反射片１１、拡散片１３、及び光沢片１４などの光学素子を含む。反射板１１は散射されない光線を導光板１２に導入するように、拡散板１３は光線を散乱して拡散し、マイクロ構造からの導光板のブライトバンドを除去するように、光沢片１４は光線を集中して輝度を増大する作用を有する。

導光板は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）或はポリカーボネート（ＰＣ）などの透明的な導光材料からなり、背光モジュールの重要な組成部分である。光源の光線は導光板の入射面（一つの側面）から導入してその中を伝搬し、完全反射原理により板面に拡散させて、導光板の反射面（底面）のマイクロ構造（Pattern）に達する際、完全反射条件がくずれ、従って、該光線が導光板の出射面（正面）から出射して発光し、詰り、面光源に成す。

導光板のマイクロ構造の製造方法は印刷類及び非印刷類を分ける。印刷類法はケージ印刷（cage printing）でインクを導光板に印刷してマイクロ構造を形成するものである。非印刷類法は、金型をマイクロ構造に設計して射出成型法でマイクロ構造を形成するものであり、製法がより簡単で、精密さが更に高く、現在、導光板の製造技術の主流である。また、非印刷類法は化学腐食法、レーザー直写法、精密機械加工法などに分けられる。

図２及び図３に示す光線の出射角度を参照すると、従来技術の導光板においては光線の出射角度を制御しておらず、導光板１２の出射光が一定の角度で光源１０から離れて出射し、その出社方向はその出射面に対して垂直ではない。図４を参照されたい。導光板１２の出射光は拡散片１３及び光沢片１４などの光学素子の作用をしなければならないため、出射面に対して垂直する方向に沿って液晶ディスプレイに達して実際の使用要求に合せるものである。

導光板の出射光の均一性及び出射角度を同じにし、出射光を出射面に対して垂直するように出射される導光板を設計すると、該導光板は従来の背光モジュールの効果に達する同時に、光沢片、拡散片を使用しなくて高輝度、低コスト、低エネルギー損失及び軽薄化などの性能を有することがわかる。

特許文献１に開示している導光板の出射面に複数のＶ型凸塊或は凹槽を設置する。しかし、該Ｖ型凸塊（凹槽）構造は中央から両側へ高さ（深さ）を漸進的に増加して成り、精密的な機械加工に適せず、且つ出射角度を制御しないので、垂直に出射するための多層の光学素子を設置する必要がある。

特許文献２に反射面にマイクロ構造を有した導光板を開示されていて、且つ該マイクロ構造の表面を鏡面に設計し、従って、反射板を除去して系統を縮小する。しかし、出射角度を制御しないので、垂直に出射するための多層の光学素子を設置する必要もある。

図５を参照されたい。特許文献３に出射角度が制御される背光モジュールを開示している。該背光モジュールは側光源４０、導光板４７、導光板４７の出射面に形成する粘着層４６及び複数のマイクロエッジガラス構造４５を含む。該マイクロエッジガラス構造４５は入射面４１、出射面４３及び導光板と取付角を形成する側壁４２を含む。しかし、該マイクロ構造の複雑な角度構造で該背光モジュールが備え難しく、射出成型法により該マイクロ構造を有する導光板を大量的に生産することはできない。

図６を参照されたい。特許文献４に開示されている導光板５０であり、導光板５０の反射面に複数のＶ型凹槽５４が設けられ、出射面に複数のＶ型凸塊５２が設けられ、Ｖ型凹槽５４及びＶ型凸塊５２の配列法は同じだ。導光板５０の反射面及び出射面にＶ型マイクロ構造を形成して、出射角度を部分に縮小して輝度を増大しても、導光板の出射光線を入射面に対して垂直する方向に沿って出射するために、他の光学素子を付ける必要があり、且つ該導光板５０の輝度の均一性がより低い。

従って、他の光学素子を片付けなく、出射光を垂直に出射させて且つ輝度が均一な導光板を提供する必要がある。
米国特許公告第５，７７９，３３７号米国特許公告第６，１３０，７３０号米国特許公告第６，１２９，４３９号米国特許出願公開第２００２０１４５８６０号

本発明は、他の光学素子を片付けなく、出射光を垂直に出射させて且つ輝度が均一な導光板を提供することを目的とする。

本発明の目的を解決するように、本発明は導光板を提供し、それは入射面、出射面及び反射面を含み、該出射面に規則的に配列する第一Ｖ型マイクロ構造が設けられ、該反射面に該第一Ｖ型マイクロ構造に対して垂直する複数の第二Ｖ型マイクロ構造が設けられ、該複数の第二Ｖ型マイクロ構造は、形状が同じで、入射面との距離が大きいほど配列密度、及び寸法が大きいものである。

本発明の導光板は更に出射面に第三Ｖ型マイクロ構造を形成し、該第三Ｖ型マイクロ構造は縦方向或は水平方向に沿って配列し、その長さ方向に沿って前記第二Ｖ型マイクロ構造に対して垂直或は水平することがある。

本発明の導光板は更に入射面及び出射面を除いた他の三つの側面及び発射面に高反射膜をめっきする。

従来技術に比べて、本発明の導光板はその入射面及び出射面にＶ型マイクロ構造が設けられるので、次の長所を有し、第一、前記反射面の第二Ｖ型マイクロ構造の角度制御により出射光線を該出射面に対して垂直或は他の任意方向に沿った出射を制御し、第二、該反射面の第二Ｖ型マイクロ構造の配列密度及び寸法を制御することにより出射光を均一な輝度を有させ、第三、更に該出射面の第三Ｖ型マイクロ構造により光源からの陰影現像が除去され、第四、更に入射面及び出射面を除いた他の三つの側面及び発射面の高反射膜により光エネルギーの利用率を向上し、且つ出射角度を制御し易い。本発明の導光板と側光源を組み合わせると、まる背光モジュールに代替でき、出射角度を良好に制御し、且つ輝度の均一性が高く、エネルギー損失が低いという長所を有する。

図示を参照して本発明の導光板に対して詳しく説明する。

図７を参照されたい。第一実施例の導光板６０は入射面６１（一つの側面）、出射面６４（上表面）及び反射面６２（底面）を含み、出射面６４に複数の第一Ｖ型マイクロ構造６４４が設けられ、反射面６２に第一Ｖ型マイクロ構造６４４に対して垂直する複数の第二Ｖ型マイクロ構造６２２が設けられる。

導光板６０は、平板型構造であり、ポリ炭酸エステル（ＰＣ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などの普通の合成樹脂からなる。

図８を参照されたい。導光板の出射面６４に形成された複数の第一Ｖ型マイクロ構造６４４は周期性に配列したＶ型の細長凸型構造である。該複数の第一Ｖ型マイクロ構造６４４は同じな高さ及び寸法を有し且つ互いに並行して配列する。該複数の第一Ｖ型マイクロ構造６４４は、頂角θ４が７０〜１２０度で、高さｈ１が２００μmより大きくない。

図７及び図９を同じに参照されたい。導光板反射面６２に形成された複数の第二Ｖ型マイクロ構造６２２は大小が異なるＶ型の細長凸型構造である。各第二Ｖ型マイクロ構造６２２はその長さ方向に沿って高さ及び形状が同じで、つまり、第二Ｖ型マイクロ構造６２２の三つの角度（底角θ１、底角θ２及び頂角θ３）は第一Ｖ型マイクロ構造６４４の三つの角度とそれぞれ同じである。底角θ１が７０〜９０度、底角θ２が１５〜５０度、頂角が４０〜９５度です。底角θ１、底角θ２及び頂角θ３を制御するにより光線の出射角度を制御し、それを出射面６４に対して垂直する方向に沿って出射させる。

導光板６０の反射面６２において、入射面６１（光源）からの距離が大きいほど、複数の第二Ｖ型マイクロ構造６２２の配列密度が高く、つまり、近接する二つの第二Ｖ型マイクロ構造６２２の距離が小さく且つ複数の第二Ｖ型マイクロ構造６２２の寸法が大きい。第二Ｖ型マイクロ構造６２２の幅ｄが１０〜１５０μm（図９に示す）であるので、肉眼が液晶ディスプレイの導光板のＶ型マイクロ構造を見ることができない。加工レベルによってその幅ｄが１０μmより小さくてもよいことが分かる。

実際の使用過程において、導光板６０は、局部での輝度が高過ぎる場合は、第二Ｖ型マイクロ構造６２２の大小及び分布密度を減らし、逆に、局部での輝度が低過ぎる場合は、Ｖ型マイクロ構造６２２の大小及び分布密度を増加する。

反射面だけにＶ型マイクロ構造を形成する導光板について実験して、導光板の反射面及び第二Ｖ型マイクロ構造に高反射膜（高反射性の金属膜及び非金属膜を含み、例えば、アルミニウム膜、銀膜です）をめっきし、反射面の反射率を向上させる。次に、反射片（反射部材）を有し且つ高反射膜をめっきしない導光板と、反射片を有せず且つ反射面に高反射膜をめっきした導光板との対比実験を示す。

図１０及び図１２を参照されたい。反射面だけにＶ型マイクロ構造を有する導光板及び反射片を有する構造について、大部分の光線をより大きい出射角度で出射し、従って、光学素子の数が多いと共に、出射角度がより分散する。

図１１及び図１３を参照されたい。反射面だけにＶ型マイクロ構造及び高反射膜を形成した導光板について、大部分の光線をより小さい出射角度で出射し、エネルギーの利用率が高い。

図１２と図１３を比べて、高反射膜をめっきした導光板について、出射角度は小さいものが多く、且つ出射光線が更に集中し、光エネルギーの利用率が高い。更に光エネルギーの利用率を上方するため、入射面及び出射面を除いた三つの側面に高反射膜をめっきしてもいい。

背光モジュールの光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を選んだ場合、導光板の光源に近い所で光エネルギーが不均一な現像が生じ、これを陰影現像と言う。該陰影現像を除去するため、図１４に示すように、本発明の第二実施例の導光板は第一実施例にさらに、入射面７１に縦方向にＺ軸に沿って規則的に配列する第三Ｖ型マイクロ構造７１１を形成する。図１５を参照されたい。第三Ｖ型マイクロ構造７１１は細長状で、且つ高さ及び形状が等しい。第三Ｖ型マイクロ構造７１１は頂角θ５が７０〜１２０度で、高さｈ２が２００μmより小さい。第三Ｖ型マイクロ構造７１１の頂角及び高さを変えることにより、該陰影現像を明らかに除去できる。

図１６及び図１７を参照されたい。本発明の第三実施例の導光板は第一実施例にさらに、入射面８１に縦方向にＸ軸に沿って規則に配列する第三Ｖ型マイクロ構造８１１を形成する。第三Ｖ型マイクロ構造８１１は細長状で、且つ高さ及び形状が等しい。第三Ｖ型マイクロ構造８１１は頂角θ６が７０〜１２０度で、高さｈ３が２００μmより小さい。第三Ｖ型マイクロ構造８１１の頂角及び高さを変えることにより、前記陰影現像を明らかに除去できる。

本発明の第四実施例は移動電話に用いられる１.８インチの導光板に関し、その構造は第二実施例中の導光板と同じで、ポリメタクリル酸メチルから成る。該導光板において、反射面の第二Ｖ型マイクロ構造の幅が１０μm〜１５０μmである。出射面の第一Ｖ型マイクロ構造は高さが５０μmで、頂角が１００度である。入射面の第三Ｖ型マイクロ構造は頂角が１２０度で、幅が０.２mmである。次に、実験結果と共に第四実施例の導光板を詳しく説明する。

図１８は反射面だけにＶ型マイクロ構造を形成する導光板の出射角度の分布図である。図１９は反射面及び出射面にＶ型マイクロ構造を形成する導光板の出射角度の分布図である。図１８と図１９を比べて、出射面のＶ型マイクロ構造は出射角度が明らかに縮小していることが分かる。

図２０は、出射角Φの０度及び９０度の方向に沿って規則化輝度が角度に従って変化する曲線であり、出射光線の角度分布状況を示す。図２０により前記二つの方向の角度半値幅が３０度より小さく、大部分の光線は導光板に対して垂直する方向に沿って出射し、従って、本発明の導光板だけで従来の背光モジュールの出射光線の角度要求を満足させることができる。

図２１及び図２２は導光板の反射面のＶ型マイクロ構造の配列密度及び大小を変化してなる出射光線の輝度の分布図であり、中から出射光線の輝度が光線の伝導方向（Ｙ方向）及びそれに対して垂直する方向（Ｘ方向）での均一性は８２％より以上であることが分られる。

図２３は異なった反射面構造からの輝度形状（グラフ）が角度に従って変化する曲線である。導光板の反射面のＶ型マイクロ構造の形状を変えることにより、輝度の最大値である出射角度θは４０度から−２０度までに変化し、本発明の導光板は出射角度を容易に制御できることが分かる。図２３に示す実線は出射光線が光源から離れて傾斜し出射するものを示し、虚線は出射光線がほぼ垂直に出射するものを示し、一点鎖線は出射光線がほぼ垂直に出射し且つ光源に寄るものを示し、点線は出射光線が光源側に傾斜して出射するものを示す。各前記曲線の最大値である出射角度θはそれぞれ４０度、２４度、−２度及び−２０度である。

本発明の導光板として楔形構造が選ばれる。

本発明はＶ型マイクロ構造の分布及び大小を制御することにより、出射光の輝度の均一性を向上させ、光源の光線の伝搬する方向に対して垂直及び平行方向での均一性は８２％以上で、且つ、反射面及び出射面のＶ型マイクロ構造を同時に制御することにより、光線が前記二つの方向での出射角の半幅は３０度より小さく、大部分の光線は前記導光板に対して垂直する方向に沿って出射することが見られる。

また、本発明の導光板は従来技術の背光モジュールの効果を実現すると共に、従来の反射板、拡散板及び光沢片などの光学素子を除去し、システム全体を縮小し、コストを低下させることができる。

従って、本発明の導光板はその入射面及び出射面にＶ型マイクロ構造が設けられ、前記反射面の第二Ｖ型マイクロ構造の角度制御により出射光線を該出射面に対して垂直或は他の任意方向に沿って出射し、該反射面の第二Ｖ型マイクロ構造の配列密度及び寸法を制御するにより出射光の輝度の均一性を制御し、更に出射面に反射面のＶ型マイクロ構造に対して垂直するＶ型マイクロ構造を設けることにより出射角度を縮小して輝度を増大し、更に該出射面の第三Ｖ型マイクロ構造により光源からの陰影現像を除去する。また、入射面及び出射面を除いた他の三つの側面及び発射面の高反射膜により光エネルギーの利用率を向上させる。本発明の導光板と側光源と合わせると、従来のまる背光モジュールを代替でき、出射角度を良好に制御され、且つ輝度の均一性を向上し、光エネルギー損失を低下させる。

従来技術の背光モジュール構造の模式図である。従来技術の導光板の出射光線の出射角度の模式図である。図２に示す出射光線の出射角度の立体模式図である。従来技術の背光モジュールの出射光線の出射角度の模式図である。アメリカ特許公告第６，１２９，４３９号の導光板の断面模式図である。アメリカ特許出願公開第２００２０１４５８６０号の導光板の断面模式図である。本発明の第一実施例の導光板の構造模式図である。図７に示す局部VIIの拡大模式図である。図７に示す局部YIIIの拡大模式図である。反射片及び高反射膜をめっきしない導光板から成る構造についてその中の光路の模式図である。反射片を有せず且つ反射面に高反射膜をめっきした導光板についてその中の光路の模式図である。図１０に示す出射光線の出射角度の分布図である。図１１に示す出射光線の出射角度の分布図である。本発明の第二実施例の導光板の構造模式図である。図１４に示す局部XIVの拡大模式図である。本発明の第三実施例の導光板の構造模式図である。図１６に示す局部XVIの拡大模式図である。本発明の第四実施例の反射面だけにＶ型マイクロ構造を備える導光板について光線の出射角度の分布図である。本発明の第四実施例の反射面及び出射面にＶ型マイクロ構造を備える導光板について光線の出射角度の分布図である。本発明の第四実施例の出射角度と光線輝度との関係を示す曲線図である本発明の第四実施例の光線の伝導する方向に沿った出射光線の正規化輝度の曲線図である。本発明の第四実施例の光線の伝導する方向に対して垂直する方向に沿った出射光線の正規化輝度の曲線図である。本発明の第四実施例の反射面に異なるＶ型マイクロ構造を有する導光板について光線輝度と出射角度との関係を示す曲線図である。

符号の説明

６０導光板
６１、７１、８１入射面
６２反射面
６２２第一Ｖ型マイクロ構造
６４出射面
６４４第二Ｖ型マイクロ構造
７１１、８１１第三Ｖ型マイクロ構造

Claims

入射面、出射面及び反射面を含み、該反射面に規則的に配列する複数の第一Ｖ型マイクロ構造を備え、該反射面に該複数の第一Ｖ型マイクロ構造の方向に対して垂直する第二Ｖ型マイクロ構造を備え、且つ該複数の第二Ｖ型マイクロ構造は、形状が同じで、入射面との距離が大きいほど配列密度及び寸法が大きいことを特徴とする導光板。
前記導光板は、平板型構造であり、ポリ炭酸エステル、ポリメタクリル酸メチルなどの普通の合成樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
前記導光板は平板型或は楔型を含むことを特徴とする請求項１に記載の導光板。
前記第二Ｖ型マイクロ構造は高さが等しい細長凸型構造であることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
前記第二Ｖ型マイクロ構造は二つの底角、及び一つの頂角θ３を有し、該底角のうちの一方が７０〜９０度、他方の底角が１５〜５０度、頂角が４０〜９５度であることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
前記第一Ｖ型マイクロ構造の頂角は７０〜１２０度であることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
前記第一Ｖ型マイクロ構造の高さは０〜２００μmであることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
前記入射面に規則的に配列する第三Ｖ型マイクロ構造を形成することを特徴とする請求項１に記載の導光板。
前記第三Ｖ型マイクロ構造は縦方向及び水平方向に沿って配列する第三Ｖ型マイクロ構造を含むことを特徴とする請求項８に記載の導光板。
前記第三Ｖ型マイクロ構造の頂角は７０〜１２０度であることを特徴とする請求項８に記載の導光板。
前記第三Ｖ型マイクロ構造の高さは０〜２００μmであることを特徴とする請求項８に記載の導光板。
前記反射面に反射膜を備えることを特徴とする請求項に記載１の導光板。
更に三つの側面を含み、該三つの側面に反射膜をめっきする請求項に記載１の導光板。
前記反射膜は金属膜或は非金属膜を含むことを特徴とする請求項１２或は１３のいずれかに記載の導光板。
前記金属膜はアルミニウム膜及び銀膜を含むことを特徴とする請求項１４に記載の導光板。