TW568992B - Lighting device with an optical waveguide plate and liquid crystal display - Google Patents

Description

568992 A7 _ _ _ B7 五、發明説明（1 ) 本發明係有關一種發光裝置，該發光裝置具有一光學波 導板，光學波導板包含一光線放射表面與複數個通道，該 些通道用以容納各至少一個大致為線性之光源，該裝置尤 其係設計為用於一液晶顯示幕（諸如L C D圖像勞幕）中作為 一背後照明，或作為一平面的光線放射器。 吾人所知LCD圖像螢幕需要其全表面區域的背後照明 ’該表面區域係儘可能均質，以表現一可見圖像。然而， 尤其在大尺寸發光裝置的案例中通常會產生困難，高照明 強度無法在整個光線放射表面上產生足夠之均質，圖像榮 幕係放置於該光線放射表面之前，如此可能導致令人不悦 之圖像效果。此外’在許多案例中，這些發光裝置應具有 儘可能小的厚度。 原則上’這些發光裝置係分成兩種。在所謂的直接照明 裝置（諸如由曰本專利第5 -2723 8號所知）的案例中，通常係 為圓柱形之冷或熱陰極燈泡的該些光源係直接配置於光 學波導板中圖像螢幕的後方，接著該發光裝置在背向圖像 勞幕之侧上設有一反射層。欲達成一儘可能均質之圖像勞 幕的照明’一方面光源間之距離以及另一方面光源與圖像 勞幕間的距離必須不能太小’否則無法補償由燈泡直接照 射到該圖像螢幕上之光線。然而，藉著在圖像螢幕前設置 散光層亦可達成該圖像勞幕上的較為均質之光線分配。如 此一般需要一構造深度，該深度係大於燈泡直徑的二倍。 另一個跟隨之缺點係為該散光層會導致光線損失，以致於 此等背後照明系統（亦即藉由光源產生之弁墙 土心尤線，其實際上 -4 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210X297公釐) 568992 A7 B7 五、發明説明

有效地照売一 LCD圖像螢幕的比例）之效率至多約為。 ,在例如由歐洲專利第0 7 17 2 3 6號所知之間接或側照明背 ，照明系統的案例中，該些光源係'存在於—光學波導板之 橫向（狹‘）侧。光線通過這些橫向表面進入該光學波導板 ，且透過對孩板之橫向表面的全反射而加以傳播，該光線 係藉由將it合的Μ幻牛佈置在該板之前或後侧的方法 依序朝圖像勞幕向外Μ合。此你置之優點係為構造深度較 小，且照明通常較一直接照明系統之案例更為均勻。然而 ，其缺點係為光線之總數量係比較受限制，因為僅有四個 橫向表面作為引進光線之丨。同樣的，在此案例中，通過 放射（向外耦合）構造之適當尺寸達成一均質照明係相當困 難’尤其在較大板的案例中。 因此本發明之一目標係為提供—種在開始段落所提及 之發光系統，其係特別適合用於較大LCD圖像螢幕作為— 背後照明’且該系統能夠獲得一均質以及增強的圖像螢幕 照明與一小構造深度之結合。 、根據中請專利範圍第W，此目標係藉由―具有―光學 波導板疋發光裝置加以達成，其中’該光學波導板包含一 光線放射表面與複數個各能容納至少一個大致為線:光 源的通道，且其中該些通道係以第一反射層覆蓋於其面向 光線放射表面之上侧，以及透過該些通道之侧壁發生將光 線搞合進入光學波導板中。 ' 此解決方法結合直接與間接背後照明系統之優點，並因 此可得到一較高之照明強度，且結合一均質分佈以及光源 -5-

本紙張尺度適_ B家標A视格(⑽X297公爱) 568992 A?

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橫向表面15、16。在板1之下側中設置複數個通道20’該 些通道大致平行於短的橫向表面延伸，且伸過該光學波導 板1之整個寬度。 通道之數目與彼此距離原則上可具有任何數值，並可依 發光裝置的尺寸、在光線放射表面所需之照明強度、以及 光源的性質而加以選擇。為達成一均質之光線分配，該些 通道儘可能地平均分配於光學波導板1之上。 光學波導板1 (且特別是其光線放射表面u)並非必定為 長方形，另外的形狀（諸如正方形、圓形、或橢圓形等等） 亦為可行。此外，板中之該些通道原則上可沿著任何路線 行進。或者，除了平行於一光學波導板之長侧或短侧的較 佳配置之外，—沿著該板之主要對角線的路線係為可行， 此路線特別有益於一監視器之應用。另外，該些通道在板 中亦可為環形、橢圓、曲線等等。最後，各通道之起點與 尾端可替代地位於該板中。 圖2係為長的橫向表面13、μ在其中一個通道20之一區 域中部分的一侧視圖。在通道内側有一個光源2〗，其可為 例如一低壓氣體放電燈，且其大致延伸過通道20之整個長 度’並與該氣體放電燈間以間隔分開。如此圖顯而易見， 1茨通道具有侧壁20 1、202，其係大致垂直於光線放射表面 1 1延伸、以及一上侧203，其係大致平行於該光線放射表 面。通道之該些側壁係藉由光學波導板I之材料所形成， 而通道之上侧設有一雙邊高反射性之第一層204。 此有二種可能性’一種可能性係為：在通道2〇之上侧203 IX 297公釐） 袈 η

線 568992 A7 __ B7 五、發明説明（5 ) 上直接設置此層204，以致於使光學波導板1與第一層204 之間沒有間隙或中間空間存在。因此在此層與光學波導板 1之間有一光學接觸，而該層應儘可能地鏡面反射。或者 ，第二種可能性係為：該層204位於距通道之上侧203 —段 距離之處，如朝通道内部之方向所示，以致於產生一間隙 ，且例如該層204在光源方向可具有一輕微凹陷的傾斜。 在此案例中’層204與光學波導板1之間並無光學接觸，且 藉由全反射將始於該板之光反射回到該板中，該全反射已 經位在通道之上侧2 0 3，或在光學波導板之材料與間隙之 間的過度表面。因為此反射只造成非常小的損失，在第— 層204與上侧203之間提供一些距離一般係為較佳。 最後’通道之下侧係藉由一高度反射的第二層121加以 覆蓋。此層可設置在例如一底壁上，且較佳係在一封閉該 光學波導板之外罩（未顯示）的内壁上’以致使第二反射層 12 1覆蓋整個下侧12與橫向表面1 3至1 6，且結果從外侧並 沒有與遠覆蓋表面的光學接觸。 實驗顯示：以一另外的高度反射層12 1 a(以一虚線顯示） 隔離通道20之下侧可能具有益處，該層121 a位在光學波導 板1上，以便以此方式避免來自通道20之光線進入光學波 導板1與層1 2 1間之間隙，且藉由後者直接反射通過光學波 導板1’從而可能在光線放射表面U上造成一不需要的亮 線。 取後使複數個抽出元件3位於該光線放射表面1 1上，藉 此以一已知的方式使光線從光與波導板1向外耦合。 -8 _ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱) "" " --- 568992 A7 B7 五'發明說明（6 )

在組裝發光裝置 70予现泽板1較佳係容納在 -I八•工,不合W杜_ 4 有間隔物丨7之外罩中’該些間隔物係插入光學波導板之相 向表面13至16與外罩的内壁之間’以及光學波導板之下相 12與外罩的底壁之間。由於如此， 外罩内壁）從光學波導板1隔開，亦 向表面13至16之間維持一空氣間隙 將第二反射層121 (位於 即一方面使層12 1與橫 ’且另一方面使其與下 側12之間維持一空氣間隙。 來自至少一光源2 1之光線僅能透過通道2 〇之侧面2 〇 1、 202進入光學波導板1的材料。光線在光學波導板！中透過 對著橫向表面13-16與光學波導板！之下侧ι2(亦即設置於 該處之第二層121)、大體上無損失之全反射加以傳播，直 到其通過光線放射表面11向外耦合。此將詳細說明於下。 若在光學波導板中發散的一光線擊中一通道20之橫向 壁201、2 02，其將進入後者’且於再度透過侧壁201、202 離開通道20之前’在通道内對著光源21且/或高度反射之 第一或第二層204、121(12 la)散射。 若在光學波導板中發散的一光線擊中一通道之外部上 侧203，其將對著第一層204反射（若後者與光學波導板1作 光學接觸），或其將經歷一對著上側203之全反射（若與第二 層無光學接觸），依上述另擇的選擇而定，以致於在任一 情形中引導光線通過通道20。 此種光線耦合與光線發散導致遍及光學波導板1之非常 均質的光線分配，且尤其導致個別光源對光線在光源放射 表面1 1向外耦合做出一非常均質分配的貢獻°因為各光源 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210X297公釐）

裝 玎

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心光線係分配在整個光學波導板上，且不能直接從光 動至光線放射表面±，此外’任何個別光源之影響(例如 ’由於一變動的強度或缺點）將相當細微且難以察覺的。 當光源數目增加時’這些特性將進一步的改盖。 光線能夠以已知之方式，藉由抽出元件3從板丨之光線放 射表面1 1向外耦合，例如用以照亮配置在該板上之一液晶 顯示幕或一 LCD圖像螢幕。照明之均質性能憑藉一適合2 =寸且/或抽出元件之配置（其亦可為不規則）而進一步改 _暮· 0 光學波導板1較佳係存在於一具有壁之外罩（未顯示）中 ’该些壁係以第二層121加以塗佈，且其覆蓋下侧12以及 橫向表面13至如圖2中所示，以致於使外侧無法與覆 蓋表面產生光學接觸。在此案例中，該第二層ΐ2ι可鏡像 反射或擴散反射。 亦可將第二層121直接佈置在有關之橫向表面13至16與 下侧12上，在此案例中將缺少間隔物17。然而，如此具有 之缺點為部分的入射光能藉由橫向表面直接反射至光線 放射表面11，尤其第二層若為擴散反射，其將導致反效果 。若第二層係為正規反射，則確實可高度避免後者之反效 果，但此等層顯著係更為昂貴，因為其只能以一比較高之 反射性材料加以製造，且以一非常費力的方式設置在光學 波導板之表面上。 文中令人驚訝地發現：若第二層121並非直接設置在有 關的橫向表面1 3至1 6與下侧12上’而是設置於例如距光學 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

裝 訂

4. 568992 A7 B7 五、發明説明 波導板〇. 1毫米之處，以致於使兩者間沒有光學接觸便能 解決此問題，故為此目的而提供該間隔物丨7 ^ 現在當一光線從光學波導板丨通過橫向表面13至16(或 下侧12)其中之一者，該光線首先在該橫向表面折射，接 著橫跨該空氣間隙，且藉由第二層12 1反射回來，其較佳 係為擴散反射。於再一次通過該空氣間隙之後，光線再次 進入光波導板1 ’且隨後再一次遵從全反射之情況，所提 供的板之折射率係不低於1.4 1。 由於此點，光線這些透過該些橫向表面或下侧離開光學 波導板之成分亦再度反射回來進入該板。欲製造第二層 121 ’可使用白色洛片或白色塗料，其係為商業上可購得 ’具有太於9 5至9 8 %的反射值，顯然亦可在離光學波導板 —距離處使用一正規反射之第二層1 2 1。然而，一擴散反 射層具有使反射後之光線甚至能夠較佳分配在光學波導 板上的優點，且能以較正規反射層低的成本將此層製造為 具有較高之反射值。 因此’此構造可以使光線非常有效的耦合，並使來自多 數光源之光線能夠產生一均質 '極低損失的分配。 進一步發現，在該些通道20之上侧203處延伸高度反射 之第一層204,使其具有一第一部份204a(於圖2中以虛線 顯示），其以水平方向伸入該光學波導板1幾毫米（為此目的 ’該光學波導板必須由兩層加以構成）。或者（尤其是如果 該層係藉由蒸氣沉積加以實行），可延伸該第一層，使其 具有一第二部分204b(圖2中以虛線顯示），其以與第一層垂 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格（210X 297公釐）

裝 玎

568992 A7 B7 五、發明説明（9 直的方向圍繞通道上方之内部邊緣，並以該通道之向下方 向伸過該些侧壁幾毫米。藉由這些部分之任何一者，可以 避免在孩些通道之邊緣處產生不需要的漫射光線。 此外’為此目的，可在橫向壁2〇1與光學波導板1之下側 12毗鄰通道20相反下緣的範圍設有—高度反射的第三層 205，其沿著該範圍延伸幾毫米。 可使用之光源係為圓筒狀氣體放電燈泡，或是平常的光 學波導件’光線係由從光學波導板之外部供入其中。由於 高度有效將光線耦合進入板中’以及光線在板中良好的分 配’其能夠提供後者以相對少數但因而高度照明的光源。 如此降低了發光裝置之製造支出，並亦因為需要少數的燈 泡與壓載電路’而節約相當多的成本。 圖3以侧視圖顯示本發明之一第二實施例。此實施例同 樣包含一光學波導板i ’例如圖1中所示之長方形，其具有 二個彼此相對之長的橫向表面13、14，以及二個彼此相對 之短的橫向表面15、16,或其可具有一些如上述之其他形 狀° 與第一實施例相較，該光學波導板丨包含複數個光學波 導元件2，將該些通道20嵌入相對於光學放射表面丨丨之下 侧中。該些元件2大體上延伸過光學波導板丨之整個寬度（ 與通道相同），且其可平行於短的橫向表面運行，較佳1糸 各由一長方形棒所形成，該長方形棒係藉由例如—黏著劑 連接的方法光學固定地連接到下侧丨2。 ” 該元件2原則上在板中可沿著任何路線運行。除平行於 -12-

本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 568992 A7 ----------B7 五、發明説明（1〇 ) 光子波導板長或短的橫向侧之較佳配置外，一沿著根之 王要對角線的另擇路線係為可行，此路線同樣有利於應用 在螢幕上。另外，該些元件可擇一地佈置成一圓形、艚圓 形、曲線、或其他形狀。 孩些光學波導元件2較佳係由與光學波導板i之其他組 件相同的波導材料加以製造。光學波導元件2之數目係依 板1 <光線放射表面丨i所需之照明強度而定，且從而決定 通道20與光源21之數目。 ' 上述參照第一實施例之相同說明對第一反射層1 2 1、到 光子波導板1之距離、另外之層丨21a、第二反射層2〇4、第 邵分204a與第二部分2〇4b、第三反射層2〇5、通道之形 狀與光源之性質係同樣地有效。 此第二實施例之功能根本上與第一實施例相同。藉光源 21發射之光線僅能透過其側壁2〇1、2〇2離開通道2〇，且首 先耦合進入光學波導元件2。由於靠著高度反射之第二層 121大致上無損失之全反射，其本身從光學波導元件2之分 配亦進入光學波導板之剩餘部份’且因此均質地分配覆蓋 整個板。光線係同樣以已知的方式，藉由抽出元件3從板^ 之光線放射表面1丨向外耦合。 實驗顯示：以此實施例，從光源產生的流明輸出大約 7〇到80%之間係耦合進入板中，且可用於光線放射表面u。 此實施例之另一優點係在於，與第一實施例比較’其 能達到對重量與空間需求的節省。例如，該光學波導_、 2具有幾公分之寬度，以及大約光源直徑二至三仵件 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 568992 A7 ______ B7 五、發明説明（ή ) ，然而光學波導板之剩餘部份可具有—大約5毫米之厚度 0 本發明之原理不是只適合於線性光源，且亦適合點光源 諸如.例如發光二極管（LEDs)。為此目的，在光學波導 板或光學波導元件2中提供大致上為圓筒狀或正方形之凹 處（如圖1至3中所tf )來代替通道20 ,接著使該些光源容納 在蔹些凹處中。或者，亦可使複數個發光二極管佈置成一 列的形式實現該線性光源。在此案例中，發光二極管係容 納於通道2 0中之下侧。 根據本發明之發光裝置，若來自不同顏色光源之光線在 光學波導板中加以混合，並在光線放射表面散發一混合顏 色其上述之特性同樣能夠以一特別有利的方式加以利用 。欲使混合光線產生一均質且均勻的顏色，該些光源較佳 係佈'置成彼此鄰接之光源產生不同顏色的光線。 最後應注意的是’在反射第二層1 2 i與光學波導板之橫 向表面或下側之間的間隔係與光源之性質、數目與位置無 關。例如，若光源不是配置在光學波導板中，而是在橫向 表面其中之一或數個上’該間隔亦可加以提供。同樣，在 此案例t ’透過在剩餘之橫向表面的此一反射與間隔層， 將獲得關於如上述依照全反射的需求，透過該些相關橫向 表面所發出之光線一大體上無損失反射的優點。 AJtM猇齋Μ焱 1:光學波導板 2:光學波導元件 -14- I紙張尺度適财g g家料(CN·^:格(⑽χ撕公爱y 568992 A7 B7 五、發明説明（12 ) 3 :抽出元件 1 1:光線放射表面 12 :下侧 13 :橫向表面 14:橫向表面 1 5 :橫向表面 1 6 :橫向表面 17:間隔物 20:通道 2 1:光源 1 2 1:第二反射層 12 1 a:反射層 201:侧壁 202:侧壁 203:上侧 204:第一層 204a:第一部份 204b:第二部份 205:第三層 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

Claims (1)

1. A B c D 568992 六、 申請專利範圍 ' —- L 一種具有一光學波導板（1)之發光裝置，該光學波導板 包含一光線放射表面（u)與複數個通道（2〇)，各通道容 納一概為線性之光源（21)，其特徵在於：該些通道（2〇) 在其面向光線放射表面（〗i)之上侧（2〇3)係以一第一反 射層（2〇4)加以覆蓋、且透過該些通道之侧壁（201、202) ’使光線耦合進入光學波導板（1)之中。 2.如申请專利範圍第1項之發光裝置，其中該些通道（2〇) 之侧壁（20 1、202)大致垂直於光線放射表面（丨丨）延伸， 且通道（20)之上侧（203)大致平行於光線放射表面（1 υ 延伸。 3 ·如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該些通道（2〇) 係以一第二反射層（121、12 la)覆蓋在其相對於上侧 (203)之下侧。 4. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該些通道（20) 具有一概呈長方形之橫剖面。 5. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該些通道（20) 係嵌入於與光線放射表面（11)相對之光學波導板（1)的 一下侧（12)中。 6. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該光學波導 板（1)包含複數個光學波導元件（2)，其中提供通道（20) ，且其係光學固定地連接到相對於光線放射表面（11) 之光學波導板（1)的下侧（12)。 7. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該光源（21) 係為一低壓氣體放電燈泡。 本紙張又度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 568992 8 8 8 8 A B c D 々、申請專利範圍 8.如申請專利範圍第3項之發光裝置，其中該第二反射 層（121)延伸過光學波導板（1)之橫向表面（13到16)與 下侧（12)。 9 如申請專利範圍第8項之發光裝置，其中該第二反射 層（121)具有一間隔，其形成距光學波導板（丨）之—空氣 間隙。 10.如申請專利範圍第丨項之發光裝置，其中該第—反射 層（204)具有一以第一部份（204a)為形式之延長部份， 該第一部份以水平方向延伸進入該光學波導板（丨）。 1 1.如申請專利範圍第i項之發光裝置，其中該第—反射 層（204)具有一以第二部份（204b)為形式之延長部份， 该弟二部份沿著通道（2 〇 )之侧壁（2 0 1)延伸。 12. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中位於上側 (203)對面之通道（20)的邊緣係以一第三反射層（2〇5)加 以圍繞。 13. —種液晶顯示幕，其具有一如前述申請專利範圍中之任 一項所界定的發光裝置。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇x 297公釐)