TWI516841B

TWI516841B - 面光源裝置

Info

Publication number: TWI516841B
Application number: TW102106666A
Authority: TW
Inventors: 倉田剛大; 竹村宏一; 廣田和英; 岸本潤; 篠原正幸
Original assignee: 歐姆龍股份有限公司
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2016-01-11
Also published as: US20130242613A1; TW201341906A; CN103307510A; US8920017B2; JP2013191514A; CN103307510B; KR101413916B1; JP5556836B2; KR20130105367A

Description

面光源裝置

本發明有關於一種面光源裝置，特別有關於一種用作液晶顯示器的背光源的面光源裝置。

圖1A是說明當從下表面側觀看面光源裝置時傳統示例的面光源裝置的視圖。圖1B是說明傳統示例的面光源裝置的側視圖。在面光源裝置11中，多個光源12被佈置為面向導光板13的光入射表面14。導光板13使用高折射率的透明樹脂而被形成為平板狀，並且多個球形光出射圖案17突出在光出射表面15的相反表面(下表面16)上。例如，日本未審查專利公開第11-281976號揭露這種面光源裝置。

圖2A和2B說明在圖1A和1B的面光源裝置11中光出射圖案17的最大傾斜角(maximum inclined angle)係減小的情況。如在本文所使用的，光出射圖案的最大傾斜角是指在通過光出射圖案的中心軸的截面或與通過光出射圖案的中心軸的截面平行的截面中被繪畫至(drawn to)光出射圖案的表面的切線的傾斜角中的最大的傾斜角。例如，在圖1A和1B以及圖2A和2B的球形光出射圖案中，最大傾斜角為被繪畫至光出射圖案17的一端的切線相對於水平面的傾斜角。如圖2A和2B所示，對於光出射圖案17的小的最大傾斜角，從光源12入射到導光板13的光藉由光出射圖案17難以在每個方向上被散射，因此不能夠充分地獲得混光效果。因此，光源12前面的部分變亮，而在光源12之間的區域中產生暗部D，並且在光源12附近產生亮度變化。同時，光出射圖案17具有高強度。

圖3A和3B說明了在圖1A和1B的面光源裝置11中光出射圖案17的最大傾斜角係增加的情況。如圖3A和3B所示，對於光出射圖案17的大的最大傾斜角，從光源12入射到導光板13的光藉由光出射圖案17易於在每個方向上被散射，因此增強了混光效果。因此，在光源12附近幾乎沒有產生亮度變化。同時，當光出射圖案17的最大傾斜角增加到亮度變化不明顯的程度時，提高光出射圖案17的縱橫比來降低強度。在將面光源裝置用作液晶顯示器的情況下，當由手指按壓液晶顯示器的表面時，光出射圖案17可能會被壓壞(crush)。

因此，在光出射圖案17的最大傾斜角增加和減小的情況下都存在實際問題。

鑒於上述技術問題而提出本發明，本發明的一個目的在於提供一種面光源裝置，其能夠降低光源附近的亮度變化而無需減小面光源裝置中的光出射圖案的強度，其中通過光出射表面輸出光的光出射圖案形成在導光板中。

根據本發明的一個態樣，一種面光源裝置包括：光源；以及導光板，通過光入射表面引導從光源發出的光以通過光出射表面將所發出的光輸出到外部，其中導光板包括位於光出射的表面及其相反表面中的至少一個上的光出射圖案，該光出射圖案通過光出射表面輸出在導光板中的光，以及在通過光出射圖案的中心軸的截面內的光出射圖案的切線的傾斜角中的最大傾斜角在光入射表面附近的區域中隨著離光入射表面的距離的增加而減小，以及該最大傾斜角在遠離光入射表面附近的區域的區域中隨著離光入射表面的距離的增加而減小或保持固定。

在本發明的面光源裝置中，光出射圖案的最大傾斜角在光入射表面附近的區域中係相對地增大，這是因為光出射圖案的最大傾斜角隨著離光入射表面的距離的增加而完全減小。因此，在光入射表面附近的區域中，光的散射程度被提高，使得幾乎不產生亮度變化。在遠離光入射表面的區域中，由於光出射圖案的最大傾斜角減小，能夠提高光出射圖案的強度，因此光出射圖案幾乎不會被壓壞。

在根據本發明的面光源裝置中，在光出射圖案的最大傾斜角中，最大(largest)的最大傾斜角的範圍為25°到40°。因此，可以減小光入射表面附近的亮度變化以獲得良好的視覺品質。

在根據本發明的面光源裝置中，多個光源被期望佈置為面向光入射表面，以及在離位於最接近於光入射表面的光出射圖案的距離等於多個光源當中的兩個光源之間的間隔的區域中，光出射圖案的最大傾斜角期望大於所有光出射圖案的最大傾斜角的最小值。當光出射圖案的最大傾斜角在離位於最接近於光入射表面的光出射圖案的該距離內達到最小值時，光的散射程度係不足的，並且在光入射表面附近的區域中獲得的抑制亮度變化的效果係不足的。

在根據本發明的面光源裝置中，光出射圖案的最大傾斜角隨著離光入射表面的距離的增加而平滑地改變。因此，光出射圖案的變化變得不明顯，並且光出射圖案幾乎不會被壓壞。

在根據本發明的面光源裝置中，光出射圖案的最大傾斜角從一位置到一端部係保持不變，以及該位置和該端部位於離光入射表面更遠的導光板的一側上。因此，可以防止光出射圖案的最大傾斜角在遠離光入射表面的區域中過度地減小。

在根據本發明的面光源裝置中，在位於與在導光板中形成光出射圖案的表面相反的一側上的表面中，面向光出射圖案的區域被形成為平滑表面或具有0.1 μm或更小的算術平均粗糙度的粗糙表面。因此，可以從位於與形成有光出射圖案的表面相反的一側上的表面添加或去除散射光的功能。

用於解決本發明中的問題的手段的特點是可適當地組合上述組件，並且可以藉由這些組件的組合在本發明中作出許多改變。

11‧‧‧面光源裝置

12‧‧‧光源

13‧‧‧導光板

14‧‧‧光入射表面

15‧‧‧光出射表面

16‧‧‧下表面

17‧‧‧光出射圖案

31‧‧‧面光源裝置

32‧‧‧光源

33‧‧‧導光板

34‧‧‧光入射表面

35‧‧‧光出射表面

36‧‧‧下表面

37‧‧‧光出射圖案

37a‧‧‧光出射圖案

37b‧‧‧光出射圖案

37c‧‧‧光出射圖案

41‧‧‧面光源裝置

42‧‧‧粗糙表面

46‧‧‧面光源裝置

47‧‧‧雙面凸透鏡

51‧‧‧面光源裝置

52‧‧‧導光板本體

53‧‧‧光導引部

54‧‧‧傾斜表面

55‧‧‧防接觸圖案

圖1A是說明傳統示例的面光源裝置的示意性仰視圖；圖1B是說明傳統示例的面光源裝置的示意性側表面圖；圖2A和2B是說明光出射圖案的最大傾斜角係減小的傳統面光源裝置的示意性仰視圖和示意性側視圖；圖3A和3B是說明光出射圖案的最大傾斜角係增加的傳統面光源裝置的示意性仰視圖和示意性側視圖；圖4A是說明根據本發明的第一實施例的面光源裝置的示意性平面圖；圖4B是說明本發明的第一實施例的面光源裝置的示意性仰視圖；圖5A是圖4A和4B的面光源裝置的示意性側視圖；圖5B是說明圖5A的面光源裝置的光出射圖案的放大的側視圖；圖5C是說明光出射圖案的最大傾斜角的視圖；圖6是說明離光源的距離和光出射圖案的最大傾斜角之間的關係的視圖；圖7是說明光出射圖案的最大傾斜角和導光板的視覺品質之間的關係的視圖；圖8A至8D是說明具有各種形狀的光出射圖案的視圖；圖9A是說明具有大的最大傾斜角的光出射圖案及其輪廓的視圖；圖9B是說明具有小的最大傾斜角的光出射圖案及其輪廓的視圖；圖10A是說明根據本發明的第二實施例的面光源裝置的示意性平面圖；圖10B是說明本發明的第二實施例的面光源裝置的示意性仰視圖；圖10C是說明本發明的第二實施例的面光源裝置的示意性側視圖；圖11A是說明根據本發明的第三實施例的面光源裝置的示意性平面圖；圖11B是說明本發明的第三實施例的面光源裝置的示意性仰視圖；圖11C是說明本發明的第三實施例的面光源裝置的示意性側視圖；圖11D是說明本發明的第三實施例的面光源裝置的示意性端視圖；以及圖12是說明根據本發明的第四實施例的面光源裝置和放大的後表面的兩點的示意性側視圖。

下面，將參照附圖詳細描述本發明的較佳實施例。然而，本發明不侷限於以下實施例，並且在不背離本發明的範圍的情況下，可作出各種設計改變。

(第一實施例)

下面，將對根據本發明的第一實施例的面光源裝置31進行描述。圖4A是第一實施例的面光源裝置31的示意性平面圖，以及圖4B是面光源裝置31的示意性仰視圖。

面光源裝置31包括光源32和導光板33。光源32包括位於其中的一個或多個LED(晶片)。在光源32中，LED發射光以將白光從一前表面的光出射視窗(發射表面)輸出。

在導光板33中，上表面和下表面形成為彼此平行的平板形狀。使用高折射率的透明樹脂(諸如丙烯酸樹脂、聚碳酸酯樹脂(PC)、環烯基材料以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))來一體形成導光板33。導光板33的上表面構成光出射表面35。如圖4A所示，在第一實施例中，光出射表面35是平滑的平面。

導光板33的光入射表面34係垂直於光出射表面35，並且光源32在面向光入射表面34的位置中以恒定間隔P進行排列。

如圖4B所示，許多微小的光出射圖案37密集地形成在導光板33的下表面36中。在光出射圖案37中，分佈密度(數量密度)隨著離光入射表面34的距離的增加而逐漸增加。光出射圖案37在光入射表面34附近呈相對低的密度進行分佈，而在離光入射表面34更遠的一側上呈相對高的密度進行分佈。

圖5A是面光源裝置31的示意性側視圖，以及圖5B是說明設置在導光板33的下表面中的光出射圖案37的放大圖。如圖5B中的光出射圖案37a、37b、37c、......所示，光出射圖案37的形狀從光入射表面34的那側朝向相反側逐漸變化。也就是說，在光入射表面 34附近的區域中，光出射圖案37的最大傾斜角逐漸減小，且光出射圖案37的縱橫比也逐漸減小。在遠離光入射表面34附近的區域的區域中，光出射圖案37的最大傾斜角逐漸減小或保持不變，且光出射圖案37的縱橫比也逐漸減小或保持不變。如此處所用的，光出射圖案37的最大傾斜角表示在通過光出射圖案的中心軸的截面中被繪畫至圖5C的光出射圖案的表面的切線的傾斜角中的最大傾斜角α。例如，就圖5C的球形光出射圖案而言，形成在水準表面和被繪畫至光出射圖案37的一端的切線f之間的傾斜角成為最大傾斜角α。

由於第一實施例的面光源裝置31具有上述結構，如圖5A所示，從光源32發出的光從光入射表面34入射到導光板33。入射到導光板33的光在被引導的同時藉由導光板33的上表面和下表面被反複地反射，並且由光出射圖案37反射的部分光從光出射表面35輸出到外部。當從垂直於光出射表面35的方向觀看時，由光出射圖案37反射的光被水平地散射，如圖4B所示。特別地，在光入射表面34附近的區域內由光出射圖案37散射的光中，光引導方向極大地被彎曲，這是因為在光入射表面34附近的區域中光出射圖案37具有大的最大傾斜角。因此，增強了在光入射表面34附近的區域中的混光效果，降低了在光入射表面34附近的區域中的亮度變化，因此可以防止光源32之間的暗部。另一方面，在遠離光入射表面34附近的區域的區域中，由於在光出射圖案37的最大傾斜角係減小的同時光出射圖案37的縱橫比也減小，因此即使對面光源裝置31施加壓力，光出射圖案37也幾乎不會被壓壞。

由於光出射圖案37的最大傾斜角根據離光入射表面34的距離而平滑地改變，因此在光出射圖案37的高度上不會產生明顯的差異，且光出射圖案37的高度平滑地變化。因此，光出射圖案37在高度上的變化係不明顯，且光出射圖案37難以被壓壞。

在面光源裝置31中，在離位於最接近於光入射表面34的光出射圖案37a的距離x係小於或等於光源32的間隔P(參見圖5A)的區域中，光出射圖案37的最大傾斜角α係大於所有光出射圖案37中的最大傾斜角的最小值。也就是說，當離位於最接近於光入射表面34的光出射圖案37a的距離係小於光源32的間隔P時，光出射圖案37的最大傾斜角α設計為不會變成最小值。當光出射圖案37的最大傾斜角α在距離x處於光源32的間隔P之內達到最小值時，光散射的程度是不足夠的，並且在光入射表面34附近的區域中不能充分地抑制亮度變化的效果。

圖6說明光出射圖案37的最大傾斜角α的變化的示例。在該示例中，光源32的間隔P設定為5.5 mm。光出射圖案37的最大傾斜角α平滑地改變，並且最大傾斜角α平滑地減小直到遠離光源32大約20 mm，這遠遠超出了光源32的間隔P。光出射圖案37的最大傾斜角α在離光源32大約20 mm或更遠的距離處實質上保持不變。

在第一實施例的面光源裝置中，由於光出射圖案37的最大傾斜角在光源32附近係增加的，因此增強了光散射效果。如圖4B的箭頭所示，由於入射到導光板33的光極大地被散射以增強光入射表面34附近的混光效果，因此光源32附近的區域中的亮度變化得以降低，且面光源裝置均勻地發亮。另一方面，雖然光出射圖案37的最大傾斜角在遠離光源32的區域中係減小的，但是由於光出射圖案37的高分佈密度的原因，光可以被充分地散射且面光源裝置可以均勻地發亮。光出射圖案37的最大傾斜角隨著離光源32的距離的增加而減小，且光出射圖案37的縱橫比也減小。因此，光出射圖案37幾乎不會由按壓被壓壞。由於光出射圖案37的最大傾斜角在特定距離(大約20 μm)或更遠處保持固定，因此光出射圖案37的最大傾斜角在光入射表面34的相反側上的端部中不會過度地減小。

圖7說明在光出射圖案37的最大傾斜角中最大的最大傾斜角和視覺品質之間的關係。圖7的水平軸表示在光出射圖案37的最大傾斜角中最大的最大傾斜角，即，最接近於光入射表面34的光出射圖案37(37a)的最大傾斜角。圖7的垂直軸表示藉由多人的視覺(visual sense)所評價的在光源32附近的區域中的視覺品質(亮度變化)。作為產品的視覺品質在視覺品質高於圖7的水平線K時得以充分保證，而在其低於水平線K時被評價為有問題。因此，從圖7可以看出，可以發現在光出射圖案37的最大傾斜角中最大的最大傾斜角範圍從25°到40°。當最大的最大傾斜角小於25°時，由於低混光效果而在光源之間產生暗部，而當最大的最大傾斜角大於40°時，在光源之間產生亮部，從而降低了視覺品質。

雖然圖5說明了球形光出射圖案37，然而光出射圖案37不限於球面形狀。例如，圖8A說明在圓錐形光出射圖案37中具有大的最大傾斜角的光出射圖案37a和具有小的最大傾斜角的光出射圖案37f。圖8B說明在具有圓形前端(leading end)的實質上圓錐形光出射圖案37中具有大的最大傾斜角的光出射圖案37a和具有小的最大傾斜角的光出射圖案37f。圖8C說明在正方稜錐(square-pyramid)形的光出射圖案37中具有大的最大傾斜角的光出射圖案37a和具有小的最大傾斜角的光出射圖案37f。圖8D說明在橢圓形光出射圖案37中具有大的最大傾斜角的光出射圖案37a和具有小的最大傾斜角的光出射圖案37f。

圖9A說明在光入射表面34附近的區域中具有大的最大傾斜角的光出射圖案的顯微鏡照片以及在實際製作的光出射圖案37中光出射圖案的截面輪廓(在水平和垂直刻度上的單位是μm)。圖9B說明在充分遠離光入射表面34的區域中具有小的最大傾斜角的光出射圖案的顯微鏡照片以及在實際製作的光出射圖案37中光出射圖案的截面輪廓(在水平和垂直刻度上的單位是μm)。

(第二實施例)

圖10A是說明根據本發明的第二實施例的面光源裝置41的示意性平面圖。圖10B是說明面光源裝置41的示意性仰視圖。圖10C是說明面光源裝置41的示意性側視圖。在第二實施例的面光源裝置41中，將具有0.1 μm或更小的算術平均粗糙度(Ra)的粗糙表面42用作光出射表面35。由於其它配置與第一實施例的面光源裝置31相同，因此藉由引用與第一實施例相同的元件符號(同樣適用於其它實施例)來省略該說明。

在第二實施例中，由於將粗糙表面42用作光出射表面35，因此從光出射表面35輸出的光可以被散射為使方向性圖案變寬。對0.1 μm或更小的算術平均粗糙度(Ra)進行限制的原因是：防止由於在粗糙表面42上的散射過大而使得正面亮度(front luminance)過度降低。在第二實施例中，不必在光出射表面35上疊置擴散片。因此，可以減小面光源裝置41的厚度，並且也可以達到成本降低。

(第三實施例)

圖11A是說明根據本發明的第三實施例的面光源裝置46的示意性平面圖。圖11B是說明面光源裝置46的示意性仰視圖。圖11C是說明面光源裝置46的示意性側視圖。圖11D是說明面光源裝置46的示意性端視圖。

在第三實施例的面光源裝置46，雙面凸透鏡47形成在導光板33的光出射表面35上。在雙面凸透鏡47中，透鏡表面在垂直於光入射表面34的方向上延伸，且透鏡表面佈置在寬度方向上。從光出射表面35輸出的光的方向性圖案可以藉由設置雙面凸透鏡47而在導光板33的寬度方向上變寬。

(第四實施例)

圖12是根據本發明的第四實施例的面光源裝置51的示意性側視圖。在第四實施例的面光源裝置51的導光板33中，光導引部53設置在薄板狀導光板本體52的端表面中，使得能夠被延續性地接合(join)至導光板本體52。

光導引部53在導光板33中係厚的、實質上為楔形的部分，並且光源32被佈置為使得能夠面向作為光導引部53的端表面的光入射表面34。光導引部53的端表面的厚度等於或大於光源32的光出射視窗的高度。

傾斜表面54形成在光導引部53的上表面(位於與光出射表面35同側的表面上)中。傾斜表面54從光入射表面34附近具有最大厚度的部分朝導光板本體52的那端傾斜。帶狀的傾斜表面54從導光板33的一側邊緣延伸到另一側邊緣。

在面光源裝置51中，光導引部53的端表面的厚度等於或大於光源32的光出射視窗的高度。因此，從光源32輸出的光從光入射表面34有效率地入射到光導引部53，以提高面光源裝置51的光利用效率。入射到厚的光導引部53的光由傾斜表面54和光導引部53 的下表面所反射，被引導至薄的導光板本體52，並從導光板本體52的光出射表面35輸出。因此，在第四實施例中，在達成面光源裝置51(導光板本體52)的小型化(low profile)的同時還可以提高光利用效率。

在第四實施例中，光出射圖案37形成在導光板本體52的下表面中，以及防接觸圖案55形成在光導引部53的下表面中。光出射圖案37和防接觸圖案55可以形成為相同的形狀。然而，光出射圖案37在光導引部側上的端部中具有大約0.5%的面積比，而防接觸圖案55具有大約0.1%的面積比。防接觸圖案55設置在光導引部53中以防止僅有光導引部53和下部構件(例如，反射片)的接觸，並且防接觸圖案55的面積比小於光出射圖案37的面積比，以減少由防接觸圖案55反射且從光導引部53中洩漏的光。