专利名称：照明装置和液晶显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括光源和导光板(optical waveguide)的照明装置，以及使用该照明装置的液晶显示器。
背景技术：
液晶显示器因构造薄、重量轻并且功耗小而已经广泛用于电子设备，如便携式电话、个人数字助理(PDA)等等。被称为背光的照明装置通常置于用于这种电子设备的液晶显示器中。
图1为显示传统液晶显示器的实例的示意图。如图1所示，该液晶显示器包括液晶面板10，以及设置在该液晶面板10的背面的背光20。
通过在两个透明基板11a和11b之间密封液晶12形成液晶面板10。偏光板(未示出)设置在液晶面板10在厚度的方向上的两侧上。
背光20包括成为光源的发光二极管(LED)21，导光板22，反射片23以及棱镜片24。LED 21设置在导光板22的一个端表面侧上。在2-英寸液晶面板的情况下，通常使用三个到四个LED 21。
导光板22由透明树脂制成，并且在截面成楔形，如图1所示。反射片23设置在导光板22的背面，棱镜片24则设置在正面(液晶面板10侧)。
在以这种方式构成的液晶显示器中，发射自LED 21的光进入导光板22，通过形成在导光板22的正面的散射元件(精细的凹入和凸起部分等)传输，或通过形成导光板22的背面的反射元件反射，从而射向液晶面板10。
在构成液晶面板10的两个透明基板11a和11b之一中形成用于每个像素的像素电极，而公共电极则形成在另一个基板中，以面对像素电极。通过施加在像素电极和公共电极之间的电压，来控制通过像素传输的光的量。然后，通过控制用于每个像素的光传输量，能够显示出所需要的图像。
在该液晶显示器中，优选地，发射自背光20的光均匀地照射液晶面板10的整个表面。因而，在导光板22的正面或背面形成精细的凹入和凸起部分，以更均匀地散射光，或者在导光板22与液晶面板10之间设置棱镜片24作为光分布控制板，如图1所示。
然而，只要LED 21靠近导光板22的端表面设置，就会出现不均衡的光，而导致在液晶显示器中显示的图像质量的降低问题。图2为当从液晶面板10侧看时的背光20的平面图。如图2所示，液晶显示器通常使用多个LED 21。然而，只要LED 21靠近导光板22的端表面设置，光就不能到达在相邻LED21之间的区域，导致产生黑色部分(图2中A所示的部分)，同时在靠近LED 21的前面产生高亮度部分(图2中B所示的部分)。
传统地，各种技术已经开发出来，以解决前述问题。例如，在日本专利未审公开No.2002-357823专利文献1中，如图3A所示，描述了在对应于LED 21的部分中形成具有半圆形槽口的导光板26。在该导光板26中，发射自LED 21的光被该槽口折射。因此，该光到达相邻LED 21之间的区域，以防止不均衡的亮度。
在日本专利未审公开No.2003-331628专利文献2中，如图3B所示，描述了在导光板27的设置LED侧的整个端表面中形成许多棱镜27a(三角形凹入和凸起部分)。在该导光板27中，发射自LED 21的光被棱镜27a折射。因此，该光到达相邻LED 21之间的区域，以抑制不均衡的亮度。
进一步说，如图3C所示，在导光板28的设置LED侧的端表面中形成具有精细的凹凸部分。通过使用模具块(mold block)进行鼓风处理(blastprocessing)形成这种精细的凹凸部分。在导光板28中，发射自LED 21的光在进入该导光板中时被该精细的凹凸部分散射，而后到达相邻LED 21之间的区域，以防止不均衡的亮度。
图4为制造图3C所示的导光板28的方法的示意图。如图4所示，通过经过喷嘴42向模具块41注入的喷沙(抛光粉)，在表面上形成凹凸部分。此时，通过调整沙子的材料、微粒直径、注射速度、注射量以及注射角等能够改变该凹凸图案。接下来，通过使用模具块41，模制导光板28。随后，将LED、反射片、棱镜片等安装到导光板28，以构成背光，通过使LED发光来测评光学特性(均匀性)。然后，如果未能获得需要的光学特性，通过改变条件再次执行鼓风处理。
然而，使用如图3A至3C所示的导光板的传统的照明装置具有以下弊端。即，在使用如图3A所示的导光板26的照明装置中，LED 21与半圆形槽口必须相当精确地互相对准。此装置因LED 21的数目与位置由导光板26的槽口来确定而缺乏通用性。因此，不易处理面板尺寸的改变。
在使用如图3B所示的导光板27的照明装置中，LED 21与棱镜必须相当精确地互相对准。为有效地使用棱镜27a，有必要在LED 21与导光板27之间保持一定的距离。因此，未进入导光板27的漏光增加了，以致减少了光利用率，进而导致发射到液晶面板侧的光的数量的减少。
在如图3C所示的导光板28中，由于精细的凹凸部分形成在设置LED侧的整个端表面中，因此不需要相当精确的对准。然而，必须通过重复对模具块41的鼓风处理、模制和光学测评，来形成呈现出所需特性的凹凸部分。因此，存在模具制造费时的缺点。在便携式电话的情况下，由于需要许多制造步骤，许多模具是必要的。然而，通过鼓风处理的凹凸部分的再现性较低，导致不一致的模具质量，后者反过来又增加了制造成本。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种照明装置，其没有不均衡的亮度，且具有高的光利用率、高再现性性的光学特性以及能够减少制造成本，本发明还提供一种使用这种照明装置的液晶显示器。
上述目的通过这种照明装置实现，其包括光源；导光板，用于将发射自该光源的光从端表面输入到内部，并在预定方向输出该光；以及衍射光学元件，设置在该光源侧的该导光板的该端表面处。
在本发明的照明装置中，通过使用衍射光学元件(DOE)发射自光源的光被衍射或扩散，以防止不均衡的亮度。每个衍射光学元件由形成在导光板的端表面上的二元的凹凸图案，例如即凹入深度与凸起高度相同的凹凸图案构成。使用例如光刻法相对容易地形成这种凹凸图案，且其再现性性很高。因此，可以保持照明装置的一致的质量。另外，由于能够将光源与DOE之间的空间变窄，从而可限制漏光并且光利用率高。
进一步说，例如，基于借助Gerchberg-Saxton算法或模拟退火算法的优化，确定DOE的凹凸图案，以呈现出所需要的扩散特性或衍射特性。因此，不必在模具制造期间执行光学测评。结果，模具制造变得容易，并且能够减少照明装置的制造成本。
通过使用上述的照明装置，能够改善液晶显示器的显示质量。
图1为示出传统液晶显示器的实例的示意图。
图2为当从液晶面板侧观看时传统照明装置(背光)的平面图。
图3A至图3C为示出传统背光的实例的示意图。
图4为示出制造图3C所示的背光的导光板的方法的示意图。
图5为示出使用根据本发明第一实施例的照明装置的液晶显示器的示意图。
图6A为示出根据本发明的照明装置的DOE的平面图。
图6B为示出该DOE的截面的示意图。
图7A为示出第一实施例的DOE的扩散特性的示意图。
图7B为示出高斯分布的示意图。
图8A为第一实施例想达到的高斯分布的扩散特性。
图8B示出具有优化的凹凸图案的DOE的扩散特性。
图9为示出多个高斯分布的组合的实例的示意图(两个高斯分布)。
图10为误差量相对于凸起部分与DOE的整个面积的面积比的关系的示意图。
图11A至图11E为示出制造用于DOE制造的模具的方法的示意图。
图12为示出椭圆形扩散分布的示意图，其中导光板的厚度方向为短轴，并且宽度方向为长轴。
图13为示出扩散分布是矩形时目标扩散特性的示意图。
图14A为示出DOE形成在导光板的设置LED侧的整个端表面上的实例的示意图。
图14B为示出DOE仅形成在靠近LED的部分的实例的示意图。
图15A至图15C为示出根据第二实施例设计DOE的二元的凹凸图案的方法的示意图。
图16A为示出根据本发明第三实施例用于液晶显示器的照明装置的导光板的平面图。
图16B为示出置于导光板的端表面的DOE的透视图。
图17A为示出一维衍射光栅型DOE的凹凸图案的平面图。
图17B为示出一维衍射光栅型DOE的示意图。
图18为示出光通过一维衍射光栅型DOE仅在水平方向上衍射的状态的示意图。
图19A为示出在TE波的第0阶光、第±1阶光、第±2阶光、第±3阶光以及第±4阶光的波长与衍射率之间的关系的示意图。
图19B为示出在TM波的第0阶光、第±1阶光、第±2阶光、第±3阶光以及第±4阶光的波长与衍射率之间的关系的示意图。
具体实施例方式
接下来，将参考附图描述本发明。
(第一实施例)图5为使用根据本发明第一实施例的照明装置的液晶显示器的示意图。如图5所示，液晶显示器包括液晶面板50，以及设置在液晶面板50的背面的背光60。
通过将液晶52密封在两个透明基板51a和51b之间形成液晶面板50。偏光板(未示出)设置在液晶面板50的厚度方向上的两侧上。液晶面板50的尺寸例如为2到4英寸。
背光60包括作为光源的多个发光二极管(LED)61，导光板62，反射片63以及棱镜片64。LED 61沿导光板62的一个端表面设置。
导光板62由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等的透明树脂制成，并且截面成楔形，如图5所示。导光板62的尺寸基本等于液晶面板50的尺寸，并且其在设置LED侧的端部的厚度约为1mm。反射片63设置在导光板62的背面，并且棱镜片64则作为光分布控制板设置在正面(液晶面板50侧)。由在二维方向上分布的二元的凹凸图案构成的衍射光学元件(DOE)62a，形成在导光板62设置LED侧的端表面处。借助该DOE62a，发射自LED61的光在进入导光板62时被扩散或衍射，以防止不均衡的亮度。
图6A为DOE 62a的平面图，并且图6B是示出该DOE的横截面的示意图。在图6A中，白色部分为凸起部分，黑色部分为凹入部分。凹入部分的深度为例如0.4到0.7um。
借助现有的Gerchberg-Saxton算法或模拟退火算法来优化凹凸图案以呈现出所需要的扩散特性或衍射特性，从而获得DOE 62a的凹凸图案。根据本实施例，如图7A和图7B所示，优化该凹凸图案，从而DOE 62a的扩散特性能够在平行于和垂直于设置LED侧的导光板62的表面的表面上均表现出高斯分布。图8A为本实施例想达到的高斯分布的扩散特性，而图8B则示出具有优化的凹凸图案的扩散特性。如图9所示，可组合多个高斯分布(两个高斯分布)，以获得目标扩散特性。
图10为在由横坐标表示的凸起部分与DOE 62a的总面积(凹凸部分的面积的总和)的面积比和由纵坐标表示的误差量(在DOE的目标扩散特性和扩散特性之间的差的比)之间的关系的示意图。从图10中明显可见，通过将凸起部分的面积比设定在30％至70％的范围内，能减少误差量，从而能获得基本上如所设计的扩散特性。而且，通过将凸起部分的面积比设定在40％至60％的范围内，能忽略误差量。换句话说，通过将凸起部分的面积比设定在40％至60％的范围内，当对扩散曲线图求积分的值为1时，误差量变为10-3或更低。
图11A至11E为制造用于制造DOE 62a的模具的方法的示意图。
首先，制备绘制优化的凹凸图案的标线(曝光掩模)。
接下来，如图11A所示，将光刻胶涂敷在硅衬底71上，以形成光刻胶膜72。然后，使用制备好的标线，执行步进曝光(减少曝光)。随后进行发展，以将标线的凹凸图案转移到光阻膜72，如图11B所示。
接下来，如图11C所示，将镍(Ni)溅射到硅衬底73的整个上表面上，以形成衬底膜73(substrate film)。随后，如图11D所示，将衬底膜73与Ni一起电镀，直到达到足够的厚度以形成金属块74。
接下来，如图11E所示，将金属块74从硅衬底71处移出，处理成预定的外形，然后与加强板75结合，以构成模具。然而，在金属块74具有足够的强度时，金属块74不需与加强板75结合就可形成为模具。
由此形成的具有凹凸图案的该模具与其他模具组合。然后，将PMMA等的透明树脂注入由这些模具形成的空间中，以形成具有DOE 62a的导光板。
已经描述了从硅衬底71移出金属块74用作模具的实施例。然而，该金属块74可以用作压模，并且该压模可以用Ni电镀，以形成模具。因此，能够大量制造相同质量的模具。当将金属块74用作压模来形成模具时，与金属块74形成模具的情况相比，凹凸部分颠倒。然而，根据此实施例，DOE 62a由二元的凹凸图案构成。因此，凹凸部分的颠倒不会改变DOE 62a的光学特性。
如上所述，根据本实施例，由于发射自LED 61的光被由二元的凹凸图案构成的DOE 62a扩散，能防止导光板62的不均衡的亮度，从而整个液晶面板50能被光均匀地照射。
进一步，根据本实施例，用于形成DOE的模具的凹凸图案通过光刻法和电镀法形成。因而，与使用鼓风处理来形成凹凸图案的传统方法相比，模具制造更容易，并且能够批量生产高质量的照明装置。因此，本实施例提供减少用于液晶显示器的照明装置的制造成本的效果。
已通过描述DOE 62a呈现出点对称扩散特性，即扩散强度分布在平行于导光板62的设置LED侧的端表面的表面处变为圆形的情况，描述了本实施例。然而，DOE 62a并不局限于呈现出点对称扩散特性，它还可以呈现出具有各向异性的扩散特性。例如，如图12所示，可以优化DOE 62a的凹凸图案，以形成椭圆形的扩散分布，其中，导光板62的厚度方向为短轴，宽度方向为长轴。或者是，可以优化DOE 62a的凹凸图案，以形成矩形的扩散分布，其中，导光板62的厚度方向为短边，宽度方向为长边。当以这种方式设定DOE 62a的扩散分布时，与圆形扩散分布的情况相比，具有进一步减少漏光的优点，由此能进一步增加光利用率。图13在扩散分布为矩形时的目标扩散特性。
已通过DOE 62a形成在导光板的设置LED侧的整个端表面的情况描述了本实施例，如图14A所示。然而，如图14B所示，DOE 62a可以仅形成在靠近LED 61的部分。当DOE 62a如图14A那样形成时，没有必要执行在LED 61和导光板62之间的相当精确的对准。因此，具有方便布置以及容易处理面板的尺寸等的优点。而且，当DOE 62a如图14B那样形成时，具有能够缩短在模具制造过程中用于步进曝光所必需的时间的优点。
(第二实施例)
已通过描述借助Gerchberg-Saxton算法或模拟退火算法来优化凹凸图案以设计DOE的凹凸图案的情况，描述了第一实施例。然而，可以根据模具(通过图4所示的方法制造的模具)当前的凹凸图案的数据，来设计DOE的二元的凹凸图案。下面将描述该方法。
图15A至图15C为根据模具当前的凹凸图案来设计二元的凹凸图案的方法的示意图。
首先，使用三维形状的测量装置来测量模具当前的凹凸图案。图15A示出通过鼓风处理形成凹凸图案的模具的凹凸图案。接下来，根据该三维形状的测量装置的测量结果，建立这样的数据，其中，在凹凸表面的每一点处的高度h是位置(X，Y)的函数(h＝f(X，Y))。从该数据中，可提取出凹凸图案的相位变化成分。
也就是，首先，如图15B所示，根据待使用的光的波长(设计波长)，将从凹入部分的最低部分到凸起部分的最高部分的部分分为用于每个给定的循环(2δ)的多个区域(0到2δ，2δ到4δ，...)。然后，每个区域的高度变化被提取而被转换为0到2δ的范围内的变化。
接下来，如图15C所示，设定阈值Th。然后，将低于阈值Th的区域设定为凹入部分，将高于阈值Th的区域设定为凸起部分，从而确定二元的凹凸图案。阈值Th可在0到2δ的范围选择性设定。然而，优选地将凸起部分的面积比设定为40％到60％，以减少扩散特性的误差量。
在以前述方式确定了二元的凹凸图案之后，与在第一实施例的情况一样制备绘制该凹凸图案的标线，并且使用光刻法和电镀法制造用于形成DOE的模具。随后，使用该模具制造在端表面具有DOE的导光板，将LED靠近该导光板的该端表面安装，并且在必要时设置反射片和棱镜片，由此完成照明装置。通过将该照明装置安装于液晶面板，完成液晶显示器。
与在第一实施例的情况一样，该第二实施例提供能够防止导光板的不均衡的亮度和能够在液晶显示器中显示高质量的图像的效果。而且，根据本实施例，模具制造也是容易的，从而能够批量生产一致和高质量的照明装置。
(第三实施例)图16A为根据本发明第三实施例用于液晶显示器的照明装置的导光板的平面图。图16B为置于导光板的端表面的DOE的透视图。本实施例不同于第一实施例之处在于DOE的结构。其他元件基本上与第一实施例相似，因此省略相似部分的描述。
根据本实施例，用于产生高阶衍射光(high-order)的DOE 82a形成于导光板82的端表面。产生该高阶衍射光的DOE 82a由一维的衍射光栅凹凸图案构成，以使该衍射光具有各向异性。通过使用例如严格耦合波分析法(Rigorous Coupled-Wave Analysis method)优化凹凸图案，来确定该一维的衍射光栅凹凸图案。
图17A为一维衍射光栅型DOE的凹凸图案的平面图，而图17B则为一维衍射光栅型DOE的示意图。在图17中，黑色部分为凹入部分，白色部分则为凸起部分。
通过优化凹入和凸起部分的占空比(duty ratio)，能够实现光衍射特性，其中，在所使用的光的波长(可见光的波长)处衍射光效率是足够均匀的。如图18示意性地所示，光能够仅在水平方向上衍射(导光板82的宽度方向)。
例如，如图17B所示，将d、p和f的值设定为满足f＝0.5到0.7且p/d＝1.5到2.5，其中，d为凸起部分的高度，p为其间距，以及f·p为其宽度。
图19A为在横向电波(TE波)的第0阶(0-order)光、第±1阶光、第±2阶光、第±3阶光以及第±4阶光的波长与衍射率之间的关系的示意图，其中，由横坐标表示波长，纵坐标表示衍射率。图19B为在横向磁波(TM波)的第0阶光、第±1阶光、第±2阶光、第±3阶光以及第±4阶光的波长与衍射率之间的关系的示意图，其中，由横坐标表示波长，纵坐标表示衍射率。如图19A和图19B所示，在所使用的波带中，可实现基本上相同的衍射率的值。
本实施例提供能够防止导光板的不均衡的亮度和能够在液晶显示器中显示高质量的图像的效果。根据本实施例，由于DOE 82a由二元的凹凸图案构成，模具制造也是容易的，从而能够批量生产一致和高质量的照明装置。而且，本发明由于光在导光板82的宽度方向衍射而提供高的光利用率和能防止漏光的优点。
已通过本发明的照明装置设置在液晶面板背面而用作背光的情况描述了本实施例。然而，本实施例可应用于设置在液晶面板正面的正面光。
已通过DOE与导光板一体地形成的情况描述了本实施例。然而，可以分别制造DOE与导光板，并且DOE可被设置在导光板的端表面。
进一步说，已通过DOE由二元的凹凸图案形成的情况描述了本实施例。然而，DOE可以由3值或4值的凹凸图案(相同阶梯高度的凹凸图案)构成。
权利要求
1.一种照明装置，包括光源；导光板，用于将发射自该光源的光从端表面输入到内部，并在预定方向输出该光；以及衍射光学元件，设置在该光源侧的该导光板的该端表面处。
2.如权利要求1所述的照明装置，其中，该衍射光学元件由置于该导光板的该端表面的凹凸图案构成，并且该凹凸图案的阶梯高度是相同的。
3.如权利要求2所述的照明装置，其中，该凹凸图案形成在该光源侧的整个端表面处。
4.如权利要求2所述的照明装置，其中，该凹凸图案仅形成靠近该光源的部分。
5.如权利要求2所述的照明装置，其中，该凹凸图案的凹面和凸面二维地分布在该光源侧的该导光板的该端表面处。
6.如权利要求2所述的照明装置，其中，该衍射光学元件由一维衍射光栅构成，用于产生高阶衍射光。
7.如权利要求2所述的照明装置，其中，该凹凸图案的凸起部分的面积比为30％到70％。
8.如权利要求2所述的照明装置，其中，该凹凸图案是通过对具有光散射表面的现存构件的凹面和凸面进行采样而被确定。
9.如权利要求2所述的照明装置，其中，该衍射光学元件是通过使用具有光刻法和电镀法形成的凹凸图案的模具而形成。
10.如权利要求1所述的照明装置，其中，该衍射光学元件产生点对称扩散光。
11.如权利要求1所述的照明装置，其中，该衍射光学元件产生具有扩散特性的光，其中，在该光源侧的该导光板的该端表面的长边方向的散射大于在其短边方向上的扩散。
12.如权利要求1所述的照明装置，其中，该光源是发光二极管。
13.如权利要求1所述的照明装置，其中，光分布控制板置于该导光板的光发射表面侧。
14.一种液晶显示器，包括液晶面板，通过将液晶密封在两个基板之间而构成；以及照明装置，用于利用光来照射该液晶面板；其中，该照明装置包括光源；导光板，用于将发射自该光源的光从端表面输入到内部，并将该光输出到该液晶面板；以及衍射光学元件，设置在该光源侧的该导光板的该端表面处。
全文摘要
本发明涉及照明装置和液晶显示器。背光(照明装置)设置在液晶面板的背面，并包括LED、导光板、反射片以及棱镜片。由二元凹凸图案构成的衍射光学元件(DOE)形成在设置LED侧的导光板的端表面处。
文档编号G02F1/1335GK1782815SQ20051005434
公开日2006年6月7日 申请日期2005年3月10日 优先权日2004年11月30日
发明者有竹敬和, 前田智司 申请人:富士通株式会社