TWI683163B

TWI683163B - 具方向性的薄型液晶顯示器背光照明系統

Info

Publication number: TWI683163B
Application number: TW107113599A
Authority: TW
Inventors: 呂和
Original assignee: 至辰光電科技股份有限公司
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2020-01-21
Also published as: TW201944142A

Abstract

一種具方向性的薄型液晶顯示器背光照明系統，包含有：一基座，內設有容置空間；一電路板，係組設於基座內的容置空間底部，其上設有複數個發光體及相對的聚光透鏡；一陣列透鏡，係設於電路板與聚光透鏡前方，係由多個菲涅耳透鏡單元所組成，且該每一透鏡單元的外形皆為正六角形或矩形；據此，當電路板上之發光體投射出之光線，穿過了聚光透鏡組及陣列透鏡，經各單元聚光透鏡及菲涅耳透鏡作用後，形成一具方向性且光度均勻的面光源，作為液晶顯示器的背光照明系統。

Description

具方向性的薄型液晶顯示器背光照明系統

本發明關於一種光度均勻且具方向性的液晶顯示器背光照明系統，尤指一種薄型的背光照明系統，不但可使用於虛像顯示裝置(如：抬頭顯示器)，亦適用於實像投影裝置的照明系統。

常見的液晶顯示器如手機、平板、電視等裝置，其背光照明系統，多為發光源經過導光板及擴散片(diffuser)等結構，形成照明光方向擴散且表面均勻的光源，再透過前方的液晶顯示器傳遞影像，這種背光照明的優點是：可讓使用者在各種不同角度都能清楚看到液晶顯示器的影像內容，但其缺點則是照明光方向過於分散，在較明亮的室外環境下，易導致亮度(單位：cd/m²)不足，無法看清影像；此時則必須提高亮度，如此又將引發功耗增加，散熱困難等問題。

然而在某些特定的虛像系統應用如：抬頭顯示器(Head Up Display，以下簡稱為HUD)、虛擬實境(Virtual Reality，簡稱VR)、擴充實境(Augmented Reality，簡稱AR)等虛像系統，或投影機等實像裝置中，採用液晶顯示器之配合背光照明，其光源必須均勻且方向集中於特定的角度範圍，如此方能減少光源的浪費、提供足夠的亮度、降低耗電量，縮減散熱需求，提升系統的可靠度。本發明將以抬頭顯示器(HUD)之背光照明系統為例，詳細說明習用技術與本發明之間的結構差異及優劣點。

習用(使用在抬頭顯示器)之背光照明系統，請參看第8、9圖所示，包括有：多數個發光源80，每一個發光源80皆係由一發光二極體802罩上一個聚光杯801所構成，而在發光二極體802發出光源後，經由聚光杯801將光線向外射出；由於發光二極體802為一小面積的朗伯特(Lambertian)光源，其發光強度與發光角度呈餘弦函數(cosine)關係，而聚光杯801之功能係將發光二極體802之擴散光源聚光，形成具方向性的小角度，較接近平行光的大面積(聚光杯的出口大小)直射光源。

一導光柱81，係用以容納上述諸發光源80，該導光柱為一四面為高反射率鏡面的空心柱體，以本案圖示而言，下方為入光面，而上方為出光面，可將諸發光源80的光線經由各聚光杯801之出射光混合後，達到均勻混合的效果，並使光線依導光柱81的出光面方向射出。

一擴散片82，係設於導光柱81另端(即出光面)，加設擴散片82的效能是將由導光柱81出光面射出的光，擴散至一適當角度而形成一均勻的面光源，用來充作後方LCD面板83的背光源而構成了習用的照明系統。

光度均勻為液晶顯示器背光照明之必要條件；惟，此種習用技術中，發光源80以一發光二極體802罩上一個聚光杯801，光線經反射向前，但在接近聚光杯出光面的光度並不均勻，且各聚光杯之間存在縫隙，會因此出現暗影，需再加上導光柱81將液晶顯示器(被照明物)的位置遠離方可使照明光線變得均勻，同時該柱的四面高反射率鏡面可避免光源發散流失；此外導光柱81高度愈高，則照明光分布愈均勻，但是導光柱81過高則會增加背光照明系統的厚度，使照明系統體積過大，失去其實用性；一般會加入低擴散度的擴散片(Diffuser)82，以輔助增加照明光均勻性，並藉此減低導光柱高度；但該擴散片仍會導致角度擴散，難以使照明光集中在特定角度即HUD的可視範圍(Eye-box)內，造成了光度的浪費，是習用技術常見的缺點，而如何在導光柱的高度與擴散片的均勻能力及擴散角之間取得平衡，也是習用技術所面臨的困難抉擇。

另種型式的習用照明系統，如第10圖所示，主要是在LED發光源73前方設有聚光透鏡組70與透鏡陣列71，聚光透鏡組70，內含複數個聚光透鏡，分別置於所述複數個發光體前方；該透鏡陣列71是由多個透鏡所組成。如光源尺寸與各透鏡的曲面及間距設計得當，這種照明設計可在出光面(即透鏡陣列表面)形成均勻且擴散角適度的理想照明光源。這種照明系統雖不需導光柱，可減少系統厚度，但仍存在嚴重缺點；如第10圖中局部放大圖所示，在實際生產過程中，由於模具及製程的限制，在透鏡陣列71上的每一個透鏡之間連接處都會因透鏡的高低落差而產生弧形的接合區間710，光線投射在此區域時會因發散而產生陰影722，造成光度局部不均勻現象，而當該透鏡陣列71組成愈多時，單元光域721中所形成的單元陰影722也就能相互連接，使得該陰影722顯現在光線投影光區域72的長度L1,L2就愈長，這也造成了明顯的亮度不均勻缺點，是此結構難以突破之處。

由於上揭習用的背光結構設計未能達到完善，具有體積亦較大、亮度損耗大、無法調整角度、成本高等缺點，對於使用在空間有限的場合，例如：汽車的抬頭顯示器上，實有多項不便之處。

本發明之主要目的，主要在捨棄習用的導光柱與擴散片的設置，可縮減厚度，並免除浪費能源，減少亮度的缺點，採用一種全新設計的照明系統，其結構主要係在由電路板上的發光體，經由一聚光透鏡組及一由多個菲涅耳透鏡單元組成的陣列透鏡，再導入液晶顯示器，能得到厚度薄、亮度高、光損失少、成本低廉的背光光源。

為達到上述之目的，本發明的最佳實施例，係可以用下列的方式來達成：設一基座，內設有容置空間；再設一電路板，係組設於基座內的容置空間底部，且該電路板上設有複數個發光體；一聚光透鏡組，內含複數個聚光透鏡，分別置於所述複數個發光體前方；一陣列透鏡，係設於基座容置空間內的電路板與聚光透鏡組前方，係由多個菲涅耳透鏡(Fresnel Lens)單元所組成，該每一透鏡單元皆與該電路板上的每一發光體及聚光透鏡相對，該每一透鏡單元的外形皆為正六角形或矩形；據此，當電路板上之發光體投射出之光線，穿過了聚光透鏡組及陣列透鏡，經各單元聚光透鏡及菲涅耳透鏡作用後，形成一具方向性且光度均勻的面光源，可用於液晶顯示器之背光照明。

為避免如第10圖所示發生透鏡陣列中各透鏡間不完美的接合而產生的陰影問題，本發明採用菲涅耳透鏡(Fresnel lens)組成透鏡陣列；因為菲涅耳透鏡為平面鋸齒狀結構，所以不會因透鏡間過大的高低落差而在成型時發生溢料，而導致弧形接合問題；且現今的模具工藝可將各透鏡拼接間隙控制在極小範圍，例如小於50微米(micron)，此間隙只要小於液晶顯示器的一個像素(Pixel)，即不易被察覺；因此本發明不需導光柱與擴散片的協助，即可形成均勻且具備方向性的優質背光。此外，本發明陣列透鏡中的各透鏡單元，採用正六角形與矩形兩種拼接方式，其中正六角形較接近各LED光源所發出的圓形光束範圍，可因此減少光源的散失，提高效率；另一種矩形排列方式，其集光效率雖不如正六角形，但考慮模具製作方便，價格低廉等因素，亦將其列為本發明的選項。

本發明另一目的，在將上述之陣列透鏡組的前方，可再設一透鏡，這個目的在於協助將照明光源約束，以利射入前方成像光學系統之光圈(Aperture Stop)內。以抬頭顯示器(HUD)為例，可在將上述照明系統前方，增設一負透鏡(俗稱凹透鏡)，使照明光源聚集在人雙眼的可視範圍(Eye-box)內；以投影機為例，可在將上述照明系統前方，增設一正透鏡(俗稱凸透鏡)，將照明光導入投影鏡頭的光圈內。且為節省空間，該透鏡又可設為菲涅耳透鏡，能使體積減至最小。

〔習用〕

70‧‧‧發光源

71‧‧‧透鏡陣列

710‧‧‧接合區間

72‧‧‧投影光區域

721‧‧‧單元光域

722‧‧‧陰影

73‧‧‧LED發光源

80‧‧‧發光源

801‧‧‧聚光杯

802‧‧‧發光二極體

81‧‧‧導光柱

82‧‧‧擴散片

83‧‧‧面板

L1‧‧‧長度

L2‧‧‧長度

〔本發明〕

10‧‧‧基座

20‧‧‧電路板

21‧‧‧發光體

22‧‧‧聚光透鏡組

221‧‧‧聚光透鏡

30‧‧‧陣列透鏡

30’‧‧‧陣列透鏡

31‧‧‧菲涅耳透鏡單元

31’‧‧‧菲涅耳透鏡單元

311‧‧‧鋸齒

311’‧‧‧鋸齒

40‧‧‧負透鏡

401‧‧‧菲涅耳透鏡

41‧‧‧液晶顯示器

50‧‧‧投影光區域

51‧‧‧單元光域

60‧‧‧光合成器

61‧‧‧可視範圍

62‧‧‧人眼

第1圖係本發明之外觀實施例結構圖。

第2圖係本發明主要結構之分解圖。

第2-1圖係聚光透鏡組以一體成型方式製成的陣列透鏡結構示意圖。

第3-1圖係本發明陣列透鏡組之透鏡單元結構說明圖。

第3-2圖係本發明陣列透鏡組之透鏡單元剖面結構圖。

第4圖係本發明之應用實施例示意圖。

第5圖係本發明應用在抬頭顯示器之實施例示意圖。

第6-1圖係本發明之陣列透鏡組結構第二種實施例說明示意圖。

第6-2圖係本發明之陣列透鏡組結構第三種實施例說明示意圖。

第7圖係本發明之剖面結構分解示意圖。

第8圖係習用背光照明系統分解圖。

第9圖係習用背光照明系統組合剖視圖。

第10圖係習用較佳背光照明系統系統中，使用所產生光影問題說明示意圖。

請參看第1、2圖所示，其中第1圖係為本發明的產品外觀實施例結構圖，第2圖為本發明主要結構分解圖，得知本發明至少包含有：一基座10，內設有容置空間。

請配合參看第1、2、4圖所示，一電路板20，設於基座10容置空間內的最底層，具有多數個發光體21，為強力的白光發光二極體(LED)，能將發出的光線射向前方；該電路板20並得以固定於基座10內的容置空間底部。

一聚光透鏡組22，內含複數個聚光透鏡221，分別置於所述複數個發光體21前方；該聚光透鏡221可為塑膠透鏡(Plastic lens)，由各個聚光透鏡221各別架設在發光體21之上，該聚光透鏡組22亦可連結成為一陣列透鏡結構，如圖2-1所示，利於以射出成型方式量產；此外，該聚光透鏡221的材質亦可為矽膠，可將上述該複數個發光體21完全包覆，因為這種矽膠包覆製程使得發光體與聚光透鏡完全密合，所以會有更好的可靠性(Reliability)及發光效率。

一陣列透鏡30，設於基座10容置空間內的電路板20與聚光透鏡組22前方，係由多個菲涅耳透鏡單元31所組成，且該每一菲涅耳透鏡單元31皆與該電路板20上的每一發光體21與聚光透鏡221相對，請再配合參看第1、2、3-1、3-2所示，該每一菲涅耳透鏡單元31的外形皆為正六角形或矩形(如圖6-1、6-2中透鏡單元31’)，並且該菲涅耳透鏡單元31圓對稱的鋸齒311、311’結構設計使光源光度得以均勻分佈於該透鏡單元表面。

請參看第4圖所示，當電路板20上之發光體21投射出之光線，經過聚光透鏡組22聚光後穿過了陣列透鏡30，被每一個菲涅耳透鏡單元31所聚光及將光源均勻化，僅有極少的光源散失，故能投射出一強力且由菲涅耳透鏡單元31的單元光域51所組成的投影光區域50；請參看第3-1、3-2圖，由於陣列透鏡30上的每一菲涅耳透鏡單元31均為平面，且該透鏡單元31剖面結構為鋸齒311，如圖3-2所示，以現今模具加工技術，可將鋸齒311控制在極小高度範圍，例如：最小可達10微米，但至少應小於50微米為佳；這種微結構的生產，基本上是屬於光敏材料塗佈、曝光、轉印成型的製程，與傳統射出成型完全不同，因此不會發生透鏡間過大的高低落差而在射出成型時發生溢料，而導致弧形接合問題；且現今模具工藝可將各菲涅耳透鏡單元31的拼接間隙控制在小於液晶顯示器的一個像素以內，使接合處的陰影難以察覺。因此本發明採用之照明系統結構，不需藉導光柱與擴散片之助，即可於陣列透鏡表面形成一具方向性且光度均勻的面光源，是本發明之主要優點。

再則，由於菲涅耳透鏡單元31內係設有圓對稱鋸齒311結構，因此使得陣列透鏡組30的厚度更形縮小，此亦為本發明另一優點。

此外，本發明陣列透鏡30之菲涅耳透鏡單元31採鋸齒311高度極小(例如小於30微米)的微結構，其生產採曝光、轉印的製程，可依附於大面積的PET(polyethylene terephthalate)或PC(poly carbonate)薄片上；使用者可針對所需的照明面積，大量裁切使用；對不同尺寸的液晶顯示器也不必另行製作模具；因此適於量產，價格低廉，是本發明又一優點。

請參看第1、7圖所示，一液晶顯示器41係設於陣列透鏡組30的前方，當電路板20上之發光體21投射出之光線，經過聚光透鏡30的透鏡單元31中菲涅耳透鏡結構311聚光及均勻化作用後，形成一具方向性且光度均勻的面光源，以構成該液晶顯示器41的背光。

請參看第5圖所示，本發明使用在抬頭顯示器(Head Up Display，以下簡稱為HUD)的照明系統中，由於人眼62的可視範圍61(Eye-box)是在眼前大約為一長方形的區域，為使由背光系統將液晶顯示器41上的影像傳至此可視範圍61內，如第5、7圖所示，在該液晶顯示器41及陣列透鏡30之間，再增設一負透鏡40，這個目的在於協助將照明光源由液晶顯示器41射出後，能完全導入人眼62的可視範圍61內，使光線更為充足，且該負透鏡40係設有圓對稱鋸齒結構之菲涅耳透鏡401，則能使體積減至最小。

本發明在使用上，如第5、7圖所示，由電路板20上之每一發光體21投射之光線，由相對應的聚光透鏡221及陣列透鏡30進行聚光及均光之後，再由負透鏡40將光線導入液晶顯示器41範圍，再將光線均勻投射而出，即可經光合成器(combiner)60導入人眼62的可視範圍61而接收視訊影像。

為考慮光源收集效率、模具生產便利性與價格等因素，本發明之陣列透鏡30採用如第1圖所示之正六角形菲涅耳透鏡單元31，以及如第6-1、6-2圖所示的矩形菲涅耳透鏡單元31’作為陣列透鏡組成之基本單元。由於發光二極體為一小面積的朗伯特(Lambertian)光源，其發光方位角(Azimuth angle)呈圓對稱關係，請參看第3-1圖所示，其中圓形虛線為下方光源(白光LED)的有效光束範圍，該正六角形的菲涅耳透鏡單元31能涵蓋住大部份的光源，這種正六角形結構是無縫密集排列方式中，集光效率最佳者。第6-1、6-2圖為矩形排列方式，其集光效率雖不如正六角形排列，但其外型容易與同為矩形液晶顯示器邊緣相合，且模具製作便利，價格低廉是其優勢；為避免矩形接合邊界過長，拼接處的陰影易被察覺，第6-1圖採取錯位排列，用以解決這種矩形排列法易產生的問題。

由於本發明設計精巧，故在使用時將具有如下之優點：

1.由於本發明使用陣列透鏡巧妙的搭配合了菲涅耳透鏡單元的特殊結構，在接受LED發光體及聚光透鏡組的光源後，可達成高亮度及光度均勻的背光效果，故能省略習用的導光柱及擴散片，不但亮度更高、節省成本，尤其厚度超薄，更具有不佔空間、減低散熱空間等優點。

2.本發明之陣列透鏡是以多個具有微結構菲涅耳透鏡單元所組成，其生產採曝光、轉印的製程，可依附於大面積的PET或PC薄片上；使用者可針對所需的照明面積，大量裁切使用；對不同尺寸的液晶顯示器也不必另行製作模具；因此適於量產，價格低廉。

3.本發明所設的陣列透鏡，該菲涅耳透鏡單元可為正六角形或矩形透鏡單元之密集組合，其中由正六角形菲涅耳透鏡單元組成之陣列透鏡，具最佳集光效率優勢；採用矩形透鏡單元組成方式，則有模具製作便利，價格低廉優點。

4.本發明可在陣列透鏡的前方再設有一透鏡，能再將光源導入後方成像光學系統的光圈範圍內，使光源不致散失而造成浪費，尤適合使用在抬頭顯示器與投影機等液晶顯示器之背光照明系統上。

唯，以上所述之結構，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍；故當熟習此技藝所作出等效或輕易的變化者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，例如附加其他的配件，或者略為更改陣列透鏡組的材質或數量，但整體架構不變者，皆應涵蓋於本發明之特徵內。

10‧‧‧基座

20‧‧‧電路板

30‧‧‧陣列透鏡組

31‧‧‧透鏡單元

41‧‧‧液晶顯示器

Claims

一種具方向性的薄型液晶顯示器背光照明系統，其結構至少包含有：一基座，內設有容置空間；一電路板，係組設於基座內的容置空間底部；該電路板上設有複數個發光體，該發光體為白光之發光二極體，能將發出的光線射向前方；一聚光透鏡組，內含複數個聚光透鏡，其中每一聚光透鏡皆置於所述複數個發光體前方；一陣列透鏡，係設於基座容置空間內的電路板與聚光透鏡組前方，係由多個菲涅耳透鏡單元所組成，且與該電路板上的每一發光體與聚光透鏡相對；一液晶顯示器，係設於陣列透鏡的前方，接受由陣列透鏡傳來的光線；據此，當電路板上之發光體射出之光線，經聚光透鏡組及陣列透鏡作用後，形成一具方向性且光度均勻的面光源，以作為液晶顯示器的背光照明系統。
如申請專利範圍第1項所述之具方向性的薄型液晶顯示器背光照明系統，該菲涅耳透鏡單元的剖面鋸齒高度小於50微米。
如申請專利範圍第1項所述之具方向性的薄型液晶顯示器背光照明系統，該聚光透鏡組連結成為一陣列透鏡結構。
如申請專利範圍第1項所述之具方向性的薄型液晶顯示器背光照明系統，該複數個發光體均被聚光透鏡所包覆。
如申請專利範圍第4項所述之具方向性的薄型液晶顯示器背光照明系統，該聚光透鏡的材質為矽膠。
如申請專利範圍第1項所述之具方向性的薄型液晶顯示器背光照明系統，該菲涅耳透鏡單元為正六角形。
如申請專利範圍第1項所述之具方向性的薄型液晶顯示器背光照明系統，該菲涅耳透鏡單元為矩形。
如申請專利範圍第7項所述之具方向性的薄型液晶顯示器背光照明系統，該矩形菲涅耳透鏡單元以錯位排列方式組成。
如申請專利範圍第1項所述之具方向性的薄型液晶顯示器背光照明系統，該液晶顯示器與陣列透鏡之間，再設有一透鏡。
如申請專利範圍第9項所述之具方向性的薄型液晶顯示器背光照明系統，該透鏡為菲涅耳透鏡。