专利名称：边缘发光型背光系统导光板及用其的边缘发光型背光系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种背光系统，尤其涉及一种采用导光板和点光源的边缘发光型背光系统。
背景技术：
背光系统用于平板型显示器(FPDs)，如液晶显示器(LCDs)，以确保适当的照度或亮度。背光系统根据其光源的配置不同而分为直接发光型背光单元，和边缘发光型背光单元，直接发光型背光单元是设置在FPD下方的多个照明灯直接发光照射到液晶面板上，而边缘发光型背光单元是沿导光板的边缘安置照明灯从而向液晶面板发光。
边缘发光型背光系统可以采用棒状光源和点光源两者。代表性的棒状光源有冷阴极荧光灯(CCFL)，它由两端带有电极的管构成。代表性的点光源有发光二极管(LED)。CCFLs有许多优点，如可以发出强白光，可获得高照度和均匀度，并可用于大型FPDs中。但是，CCFLs也有缺点，如需要高频交流信号驱动工作，且工作温度范围窄。LEDs在照度和均匀度方面比CCFLs差一些，但是它具有由直流信号驱动工作、使用寿命长、工作温度范围宽、且能够做得很薄等优点。
图1是采用点光源的传统边缘发光型背光系统的示意性透视图，图2是图1传统边缘发光型背光系统的侧视图。
参考图1，沿导光板10的一侧边缘表面11安置三个作为点光源的LEDs20。在导光板10的底表面13上形成全息图30，该全息图起着把LEDs 20发出的光引导到发光表面12的光路改变单元的作用。
LEDs 20向导光板10的边缘表面11发射光。由于LEDs 20是点光源，其发出的光所有角度都在光轴21的±90度的范围。图3是LED发光强度与其相对于LEDs光轴的角度之间关系的曲线图。如图3所示，光强为最大值一半时的角度大约为45度。
LEDs 20发出的光透过边缘表面11进入导光板10。光通过边缘表面11时发生折射，其光束变窄。当导光板由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成且折射率约为1.49时，通过导光板10的光束宽度为±42度或更小。在此情况下，用附图标记40代表的LEDs 20之间的区域没有直接照射的光；光在导光板10内几次反射之后才能到达该区域40。由于到达区域40的反射光量小于直接照射到其它区域的光量，因此区域40成为暗区。
在存在暗区的情况下，由背光系统提供照明的FPD屏幕出现区域间亮度不均匀。
日本专利公开号2001-043717公开了另一种采用点光源的边缘发光型背光系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种导光板和采用该板的边缘发光型背光系统，其中将光引入导光板的角度变宽以消除点光源之间的暗区，然后再变窄以提高导光板的照度。
根据本发明的一个方面，提供了一种边缘发光型背光系统的导光板，它包括一使点光源发出的光进入的光入射部分；一向外发出光的发光表面，其中光入射部分包括上面形成有棱镜图案的光入射表面，该光入射表面面对点光源；第一和第二表面，它们从光入射表面沿着光传播方向延伸出去并适于反射那些透过光入射表面的光，以减小方向角，所述第一和第二表面相对于光轴彼此相对。
根据本发明的另一方面，提供了一种边缘发光型背光系统，包括一点光源；包括使点光源所发出光进入的光入射部分、和一向外发出光的发光表面的导光板；和一改变光在导光板内部传送的传播路径的光路改变单元，其中光入射部分包括一上面形成有棱镜图案的光入射表面，该光入射表面面对着点光源；第一和第二表面，它们从光入射表面沿着光在导光板内部的传播方向延伸出去并适于反射那些透过光入射表面的光以减小方向角，所述第一和第二表面相对于光轴彼此相对。
根据
具体实施例方式
，所述第一和第二表面可以相对于光轴对称。
棱镜图案可以有三角形的水平截面，该截面优选为等腰三角形。棱镜图案的间距可以在10至100μm的范围。
棱镜图案的顶角与一个角之间的关系可以满足下列公式C3≥(90-α)×2，其中C3表示棱镜图案的顶角，α表示点光源发出的光的强度为最大值一半时的角度。当用发光二极管作为点光源时，棱镜图案的顶角可以大于90度。
光路改变单元可以包括形成在导光板发光表面和与发光表面相对的表面至少之一上的一全息图案或散射图案。
本发明的上述和其它特征与优点将通过参考附图对具体实施方式
的描述而更加清楚明了。其中图1是采用点光源的传统边缘发光型背光系统的示意性透视图；图2是图1所示的传统边缘发光型背光系统的侧视图；图3是发光二极管(LED)发光强度与其相对于LED光轴的角度之间关系的曲线图；图4是根据本发明一优选实施方式的边缘发光型背光系统透视图；图5是图4所示边缘发光型背光系统的放大透视图；图6是说明棱镜图案工作情况的简图；图7是说明第一和第二表面工作情况的简图；图8是根据模拟结果，说明图1所示的传统背光系统中发光分布情况的图表；图9至11是表示本发明的背光系统在棱镜图案的三个不同垂直角度方向的发光模拟分布的图表。
具体实施方式
现在参考附图更为全面地说明本发明，图中示出了本发明的优选实施方式。
图4是根据本发明一优选实施方式的边缘发光型背光系统透视图，图5是图4所示的边缘发光型背光系统的光入射部分120的放大透视图。
参考图4和5，导光板100为平板形状。三个发光二极管(LED)110沿着导光板100的有效边缘表面101安置。光路改变单元130设置在导光板100的下方。
用作点光源的每个LEDs 110在相对于光轴112为±90度的范围内发射光。如图3所示，这里，LED发出的光为最大值一半时的角度大约为45度。
导光板100由透明材料制成。通常，导光板100由折射率为1.49且比重为1.19的透明丙烯酸树脂制成。为了减轻重量，比重为1.0的透明烯烃类树脂也可以用作导光板。根据本发明的一优选实施方式，导光板100由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成。导光板100的厚度范围为1至3mm。为了减轻重量，导光板可以为楔形，其随从有效边缘表面101到引入光之处的距离而变薄。导光板100的尺寸取决于平板显示器(未示出)、如液晶显示器(LCD)的尺寸。
三个光入射部分120设置在导光板100的边缘表面101，与各个LEDs110相对应。每个光入射部分120包括一使LED110所发出的光透入的光入射表面121，该光入射表面121面对着LED110；第一和第二表面122和123，它们从光入射表面121沿着光传播方向延伸出去。所述第一和第二表面122和123相对于光轴112彼此相对。如图3所示，由于从LED110发射的光的强度相对于光轴112对称，因此，优选第一和第二表面122和123相对于光轴112对称。换句话说，优选第一表面122与光轴112之间的角度C1等于第二表面123与光轴112之间的角度C2。但是，本发明不局限于这种配置。第一表面122与光轴112之间的角度C1和第二表面123与光轴112之间的角度C2可以视情况正确地确定，以在发光表面获得所期望的发光分布。
棱镜图案124形成在光入射表面121上。参见图5，在平行于导光板100的顶表面102的棱镜图案124的横截面内，沿光入射表面121的棱镜图案124有一列三角形齿。棱镜图案124的顶角C3优选大于90度，且从平行于顶表面102的棱镜图案124的横截面看去，所述三角形齿优选为等腰三角形。棱镜图案124的间距P在10至100μm范围，优选为50μm。
发出光的发光表面是导光板100的顶表面102和底表面103中的至少一个。在本实施方式中，顶表面102将作为发光表面，并在下文中称为发光表面102。
为了从发光表面102发出光，称为“入射角”的、入射到发光表面102上的光与正交于发光表面102的法线之间的夹角应小于临界角。于是，在导光板100传播的光之中，入射角小于临界角的光将透过发光表面102而散播出去，其余光全反射回导光板100中。一旦光发生全反射、将不能从导光板100中发射出去，除非其入射角发生变化。
光路改变单元130通过散射、衍射等等改变光的传播方向，进而改变入射角。然后，在光路发生改变的光之中，相对于发光表面102入射角小于临界角的光将透过发光表面102散播出去，而其余光再次反射回来。
反射光传播的光路再次被光路改变单元130改变，使得反射光再次入射到发光表面102。
作为光路改变单元130，可以采用诸如散射光的散射图案或衍射光的全息图案。光路改变单元130可以设置在发光表面102和与该发光表面102相对的底表面103的任一表面或者两者上。在本优选实施方式中，如图4所示，平行于光入射表面121形成有衍射光栅的全息图案用作光路改变单元130。优选该衍射光栅全息图案的周期小于2μm。例如，衍射光栅全息图案有0.4μm的周期和0.2μm的深度。
现在说明图4和5所示优选实施方式的边缘发光型背光系统的工作情况。
从LED 110发出的光在光入射面121处被引入棱镜图案124。
图6是说明棱镜图案124工作情况的简图。参考图6，与平行于光轴112的线L4分别成E1、E2和E3角的三束光线L1、L2和L3入射到棱镜图案124的倾斜平面125上。
光线L1垂直入射到倾斜平面125上，使得其不发生折射地透过该倾斜平面125。这时，入射光线L1和透射光线L1’的方向角E1是90-C3/2。尔后，其方向角E2＜E1的入射光线L2和方向角E3＞E1的入射光线L3向着垂直于倾斜平面125的透射光线L1’方向折射并透过该倾斜平面125。这是因为由PMMA制成的导光板100的折射率(n2＝1.49)比外界媒质、如空气的折射率(n1＝1)大。所以，以具有方向角E1为90-C3/2的入射光线L1为基础，对应于具有方向角E2＜E1的入射光线L2的透射光线L2’的方向角增大，而对应于具有方向角E3＞E1的入射光线L3的透射光线L3’的方向角减小。
如前所述，通常用作点光源的LED 110的方向角范围近似为±90度，且发光强度为最大值一半处的方向角范围近似为±45度。因此，优选棱镜图案124的顶角C3为90度。因此，让小于或等于45度入射角的光可以在通过棱镜图案124之后保留下来的最大方向角是45度。透射光线L3’的最大方向角近似为±73度。
而且，当棱镜图案124的顶角C3大于90度时，如C3＝120，则在入射光线方向角小于30度的情况下，透射后的方向角将增大。同时，所有其它透射光线的方向角都减小。这就是说，当方向角为30至45度范围的入射光线通过棱镜图案124时，可以获得减小方向角的准直效果。这里，透射光L3’的最大方向角近似为±65.5度。
所以，当LED 110用作点光源时，棱镜图案124的顶角C3优选大于90度。
棱镜图案124的垂直角C3与点光源发出的光的强度为最大值一半处的角度α之间的关系优选确定为满足C3≥(90-α)×2。至于入射角小于α的光，可以获得部分提高方向角的效果及部分减小方向角的准直效果。
在图1的传统背光系统中，透过边缘表面11进入导光板10的光，其最大方向角近似为±42度。但是根据本发明的优选实施方式，棱镜图案124形成在光入射表面121上，使得透过光入射表面121的光的最大方向角可以大于±42度，从而防止出现暗区。
图7是说明第一表面122和第二表面123工作情况的简图。参考图7，进入光入射表面121的光传播到导光板100的内部。第一表面122和第二表面123是导光板100与外界媒、即空气之间的界面。在入射到第一表面122和第二表面123上的光束中，入射角大于临界角的光将被反射。由于第一表面122和第二表面123相对于光轴112是倾斜的，因此从第一表面122和第二表面123反射的光的方向角减小。换句话说，第一表面122和第二表面123可以起到准直装置的作用，以减小导光板100内部光线的方向角。
如上所述，当棱镜图案124的顶角C3是90度时，透过棱镜图案124而进入导光板100的光的最大方向角为73度。由于方向角为73度且入射到第一表面122和第二表面123的光全部被反射，所以第一表面122和第二表面123上的入射角应当大于42度。为了满足该条件，第一表面122与光轴112之间的夹角C1和第二表面123与光轴112之间的夹角C2应当小于约25度。当棱镜图案124的顶角C3大于90度时，角C1和角C2小于25度。
图8是根据模拟结果说明图1传统背光系统中发光分布情况的图表，图中示出了激光绘图通量(FLUX THRU LGP)的结果。图9至11是根据模拟结果表示本发明的背光系统在棱镜图案124的顶角C3分别为145度、125度和100度情况下的发光分布图表。所述模拟结果是在没有采用光路改变单元130时得到的。
在图8至11的图表中，“垂直角”和“水平角”分别代表仰角和方向角。
在图8的情况下，全通量为79.74，通量/立体角为29.1，且强度(通量)等于最大值一半处的水平角是55度。在图9的情况下，全通量为79.1，通量/立体角为51，且强度(通量)等于最大值一半处的水平角是28度。在图10的情况下，全通量为78.1，通量/立体角为53.6，且强度(通量)等于最大值一半处的水平角是22度。参考图11，全通量为77.0，通量/立体角为51，且强度(通量)等于最大值一半处的水平角是22度。
从模拟结果可见，根据本优选实施方式的背光系统提供了近似与传统背光系统相同的全通量。但是，通量/立体角明显提高，且强度(通量)等于最大值一半处的水平角大大减小。这个结果意味着，通过导光板100传播的光的方向角分布显著减小。所以，光路改变单元130的效率提高了，且在发光表面102的更大区域上得到了均匀的照度。当用散射图案作为光路改变单元130时，效果与此类似。
如上所述，借助于光入射表面121上的棱镜图案124，通过导光板100传播的光的方向角可以变宽，且可以直接到达与图1所示导光板100的LED110相邻的暗区40，从而防止出现暗区。
而且，用作光路改变单元130的全息图案具有特定的取向。当光以90度角入射到形成有前述衍射光栅结构的全息图案上时，该全息图案以最高效率衍射并发射光。而且，当引入到全息图案的光的方向角分布较小时，在发光表面102可以获得更为均匀的照度分布。根据本发明的优选实施方式，第一表面122和第二表面123使透射到导光板100内的光准直，以减小方向角的范围，从而提高全息图案的效率，并在发光表面102上得到更为均匀的照度。
本发明的边缘发光型背光系统的导光板以及采用该导光板的边缘发光型背光系统能获得以下效果。
首先，采用棱镜图案，使透射到导光板内的光的方向角范围变宽，从而防止了暗区。
其次，借助于棱镜图案和第一及第二表面的准直作用，光在导光板内传播的方向角范围变窄，从而在发光表面上得到更为均匀的照度分布。
尽管已经结合示范性实施方式具体示出和描述了本发明，但是应当理解，对于本领域的技术人员而言，在不超出权利要求书所限定的本发明的构思与范围的前提下，可以对其形式和细节作出各种改变。
权利要求
1.一种边缘发光型背光系统的导光板，包括使点光源发出的光进入的一光入射部分；和一发出光的发光表面，其中，所述光入射部分包括上面形成有棱镜图案的一光入射表面，该光入射表面面向所述点光源；和第一及第二表面，它们从所述光入射表面沿光传播方向延伸出去、并适于反射那些透过所述光入射表面的光以减小方向角，所述第一及第二表面相对于光轴彼此相对。
2.如权利要求1所述的导光板，其中，所述第一表面与所述光轴之间的角度等于所述第二表面与所述光轴之间的角度。
3.如权利要求2所述的导光板，其中，所述第一及第二表面相对于所述光轴对称。
4.如权利要求1所述的导光板，其中，所述棱镜图案具有三角形的水平截面。
5.如权利要求4所述的导光板，其中，所述棱镜图案的顶角与一个角之间的关系满足下列公式C3≥(90-α)×2其中C3表示所述棱镜的顶角，α表示所述点光源发出的光的强度为最大值一半时的角度。
6.如权利要求4所述的导光板，其中，所述点光源包括一发光二极管，且所述棱镜图案的顶角大于90度。
7.如权利要求4所述的导光板，其中，所述棱镜图案具有等腰三角形的水平截面。
8.如权利要求4所述的导光板，其中，所述棱镜图案的间距在10至100μm的范围。
9.一种边缘发光型背光系统，包括一点光源；一导光板，其包括一使所述点光源发出的光进入的光入射部分和一发出光的发光表面；和一用于改变所述导光板内传播光路的光路改变单元，其中，所述光入射部分包括上面形成有棱镜图案的一光入射表面，该光入射表面面向所述点光源；和第一及第二表面，它们从所述光入射表面沿光传播方向延伸出去、并适于反射那些透过所述光入射表面的光以减小方向角，所述第一及第二表面相对于光轴彼此相对。
10.如权利要求9所述的边缘发光型背光系统，其中，所述第一表面与所述光轴之间的角度等于所述第二表面与所述光轴之间的角度。
11.如权利要求10所述的边缘发光型背光系统，其中，所述第一及第二表面相对于所述光轴对称。
12.如权利要求9所述的边缘发光型背光系统，其中，所述棱镜图案具有三角形的水平截面。
13.如权利要求12所述的边缘发光型背光系统，其中，所述棱镜图案的顶角与一个角之间的关系满足下列公式C3≥(90-α)×2其中C3表示所述棱镜的顶角，α表示所述点光源发出的光的强度为最大值一半时的角度。
14.如权利要求12所述的边缘发光型背光系统，其中，所述点光源包括一发光二极管，且所述棱镜图案的顶角大于90度。
15.如权利要求12所述的边缘发光型背光系统，其中，所述棱镜图案具有等腰三角形的水平截面。
16.如权利要求12所述的边缘发光型背光系统，其中，所述棱镜图案的间距在10至100μm的范围。
17.如权利要求9所述的边缘发光型背光系统，其中，所述光路改变单元包括形成在所述导光板发光表面和与该发光表面相对的一表面的至少之一上的全息图案。
18.如权利要求9所述的边缘发光型背光系统，其中，所述光路改变单元包括形成在所述导光板发光表面和与该发光表面相对的一表面的至少之一上的散射图案。
全文摘要
本发明公开了一种边缘发光型背光系统的导光板以及采用该板的边缘发光型背光系统，该系统包括点光源；包含使点光源发出的光进入的光入射部分和发出光的发光表面的导光板；以及用于改变导光板内传播光路的光路改变单元。光入射部分包括上面形成有棱镜图案的光入射表面，且该光入射表面面向点光源；和第一及第二表面，它们从该光入射表面沿光传播方向延伸出去、并适于反射那些透过所述光入射表面的光以减小方向角，所述第一和第二表面相对于光轴彼此相对。
文档编号G02B6/00GK1542522SQ20041003433
公开日2004年11月3日 申请日期2004年4月12日 优先权日2003年4月16日
发明者闵池泓, 崔桓荣, 李文圭, 金镇焕, 崔振承 申请人:三星电子株式会社