专利名称：带状光源产生装置及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光源装置及其应用，特别是涉及一种产生指向性光线的带状光源装置及其应用。
背景技术：
液晶显示器(LCD)具有低电量消耗、低辐射、厚度薄、重量轻等优点，已逐渐取代传统的显像管显示器，而成为目前广泛使用的平面显示器。液晶显示器本身为非自发光性的显示装置，必须借助外部的光源才能够达到显示效果，目前的液晶显示器系以背光模块(Backlight)作为外部光源，背光模块光源性能的好坏将直接影响到液晶显示器的显示质量。
现有背光模块是由光源(Light source)、导光板(Light guideplate)、扩散膜(Diffuser)、棱镜片(Prism sheet)、反射板(Reflector)等构件所组成，根据光源在背光模块内摆设的位置可分为侧光式(Side-edge type)与直下式(Direct type)，侧光式光源系设置在背光模块的侧边，光线从侧边进入到导光板后，经由导光板中专属设计的反射条纹将光线转向均匀打入LCD液晶显示器上，采用侧光式光源的液晶显示器大多应用于如笔记本型计算机、个人数字助理等小型的便携式电子装置上；直下式光源系设置在液晶面板的下方，光线直接或间接反射到上方光学膜，以提升亮度，采用直下式光源的液晶显示器大多应用于如液晶电视等大尺寸显示器上。
所述背光模块一般采用冷阴极荧光灯管(Cold cathodefluorescent lamp，CCFL)作为光源，冷阴极荧光灯管是一种细长的密封玻璃管内填充有惰性气体，并以汞作为放电介质，于灯光管施加高电压时，惰性气体产生紫外线而打到灯管内壁面的荧光材料上激发而发出可见光；冷阴极荧光灯管具有低成本、高效率(光输出与输入电功率比)的优点，但冷阴极荧光灯管需要有较高的驱动电压，且冷阴极荧光灯管具有温度依存性而不利于低温下启动，再者冷阴极荧光灯管所含的汞将会对环境及人体造成危害，因此，如何取得替代冷阴极荧光管的光源，成为背光模块厂商努力研究开发的课题。
近年来，发光二极管(LED)的技术越来越成熟，发光二极管具有低驱动电压、高寿命及高省电的特性，且可以配合应用上的需求而制作成小型化或数组式组成，诸如交通信号标志灯、广告牌、手电筒及各种电子产品指示照明等皆可见到发光二极管的应用，使得发光二极管成为广泛应用的光源，因此以发光二极管取代冷阴极荧光灯管，即成为背光模块厂商主要的研究方向。美国专利US 5727862号、US 5769521号、US 5786665号、US 5883684号、US 6036328号、US 6065845号、US 6139163号、US 6375335号、US 6386720号、US 6419372号、US 6474826号、US 6508564号、US 6520655号、US 6521879号、US 6582095号、US 6969189号及US 6608614号分别公开了以发光二极管作为背光模块的光源的多个技术方案，这些技术方案同样可区分为侧光式与直下式两种设置型式，但不论是侧光式，还是直下式设置型式，均仅是将发光二极管取代冷阴极荧光灯管，而所发出之光线亦须如同冷阴极荧光灯管背光模块一般，发光二极管所发出之光线系打入一导光板内，导光板约为匹配液晶面板面积之四方形板体(楔形或平板)，光线经由反光板反射至导光板上方出光，导光板上具有光学膜(扩散膜、棱镜片、增亮膜等)，透过光学膜来获得均匀之面光源。
在前述美国专利中，无论是侧光式或直下式，均必须采用多个发光二极管，再将点光源耦合成一面光源，因而，面光源无法均匀分布；再者，考虑多个发光二极管间发光强度及分布之变异，一般背光模块设计只能做光均匀性考虑，无法兼顾出光分布、光指向性、出光效率、偏极化等需求，故需要额外增加许多如扩散膜(Diffuser)、棱镜片(Prism sheet)、增亮膜(Enhance sheet)，反射板(Reflector)等光学膜以调整其光学特性符合液晶面板应用的所需。以应用于大尺寸的液晶面板背光，采用直下式的背光模块，往往需要数百甚至上千个发光二极管高密度矩阵排列，才能在短距离内达到均匀度。采用发光二极管的数量越多，虽然可以提升出光的均匀度，但制造成本也会随之增加，而且点光源经过导光板及多层光学膜的多次耦合，将造成严重的光损失，相对增加背光模块的耗电量，因此，将发光二极管应用于背光模块，仍有许多问题有待解决。
美国专利US 5969343号公开了一种应用于影像扫描仪的线性照明装置，其为了解决传统以多个发光二极管数组式的线性光源所造成光线不均匀的缺陷，提出了由一圆柱形导件与一发光器组成的线性光源装置，圆柱形导件系由透光材料制成，并于圆柱形导件侧面的一部分上设有光散射部，而发光器系设置于圆柱形导件的一端面，发光器所发射的光线通过端面而进入圆柱形导件内部，光线在圆柱形导件内部行进而不断为其侧面所全反射，当光线一部分入射至光散射部时，部分光线便进行散射，散射的光线相对于圆柱形导件侧面的入射角小于临界角的光线将进入空气而成为照明光线。343案所揭露的线性照明装置其圆柱形导件的光散射部使全反射光线散射，使入射其内的光线散射至空气中，而获得主扫描方向上的放射光线，其应用于扫描仪上，可以改善传统扫描仪数组式的线性光源所产生的问题，但其所公开的线性照明装置，入射的光线散射于空气中，因而使得射出的光线不具有指向性，无法作为液晶面板的背光光源。
美国专利US 20050270796号公开了一种平面光源装置及其显示装置，其发明目的在于改善传统LED灯管辉度不均以及导光板体积的问题，其公开的平面光源装置由框体、光源单元、导光棒、反射板构成，多个由树脂或玻璃等透明材料所制成之导光棒相互平行地配置于框体内，在各个导光棒的一端面设置有一点状光源，而框体的内底面设有反射板，将光源单元(点状光源与导光棒)射出的光反射而朝向框体的发光面；而光源单元将点状光源射出的光线自端面入射至导光棒，入射在导光棒的光线在端面折射，因和导光棒的射出面夹角系成为临界角以上，在射出面全反射，朝向导光棒相对端面传播，由于入射在导光棒的光和导光棒的射出面的夹角系成为临界角以下，不会在导光棒的射出面全反射，而在点状光源附近的射出面的光增加。其公开的平面光源装置以多个导光棒和点状光源作为光源单元，光源单元所发出的光线经由下方的反射板反射至框体的发光面，该专利还可提供较均匀的光线，但其框体及反射板的设计反倒是增加了背光模块的体积；再者，其导光棒仅称入射光和射出面的夹角系成为临界角以下，不会在导光棒的射出面全反射，且并未提出如何获得均匀或具有指向性的光线，因此，仍无法具体实现作为液晶面板的背光光源。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种具有指向性且分布均匀的带状光源产生装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的包括有至少一发光源及一导光体，所述导光体是用透光材料制作而成的圆柱形体，所述导光体表面设有至少一漫射条，相对于该漫射条另一侧为呈圆弧的出光面；所述导光体一端面被覆一反射膜并定义为反射面，相对的一端为入射面，所述发光源设置于导光体的入射面。
所述发光源所产生的光线由入射面进入导光体的内部并进行全反射，光线持续地于导光体的内部进行全反射，当某一条不断进行全反射的光线射到漫射条时，会将一条光线散射为朝向多个角度的多条散射光线，散射光线射至圆弧的出光面，圆弧的出光面将使散射光线朝相对于漫射条的方向折射，以将散射光线汇聚射出导光体外，即成为具有指向性且分布均匀的带状光源。
以下为优选方案所述导光体的反射面也配置有发光源；所述漫射条具有呈细微条纹的轴向光栅；或所述漫射条具有呈细微条纹的矢向光栅；所述漫射条也可呈规则或不规则间断不连续状；所述导光体表面一侧设有两条相对应偏离法线且具有相同夹角的漫射条，所述发光源所产生的光线于该导光体的内部进行全反射，光线射到该对漫射条彼此交错散射，散射光线经该出光面折射而汇聚交错出光。
本发明的带状光源产生装置，将点光源射入导光体内进行全反射，光线连续地于导光体内全反射而无光通量损失，全反射光线重复地打在漫射条上并且经过导光体圆弧的出光面折射聚集出光，即可产生具指向性且分布均匀的带状光源。
本发明实际应用于液晶面板的背光光源，由多个带状光源并列组合而成一面光源，将可提供充足且均匀的具指向性光线，因而可以省略配置扩散膜或棱镜片等光学膜，并且根据不同尺寸的液晶面板，可以选择相匹配长度的导光体，由于光损失低，较长的导光体亦可获得分布均匀的线光源，而透过漫射条控制光线的偏光特性有效增加光线进入液晶面板的效率，使本发明更适合应用于大尺寸的液晶面板。
以本发明作为液晶显示器背光模块光源，可明显提高液晶显示器的显示质量，高辉度，高均匀度。
本发明带状光源产生装置可优选作为液晶显示器的背光光源，但不限于作为液晶显示器的背光光源，诸如室内外照明光源、车用光源等皆可应用。
图1为本发明第一实施例的结构组成关系示意图；图2为图1所示实施例的结构组成另一视角示意图；图3、4、5为图1所示实施例的结构组成光学关系示意图；图6A、6B为第一实施例的第一应用例示意图；图7为第一实施例的第一应用例漫射条另一态样示意图；图8A、8B为第一实施例的第二应用例示意图；图9为本发明第二实施例结构组成示意图；图10A、10B为本发明第三实施例结构光学关系示意图；图11为本发明第四实施例结构组成示意图。
图中10、导光体，10a、入射面，10b、反射面，11、反射膜，12、漫射条，13、出光面，20、发光源，30、导光板具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1参照图1、2，本实施例由一导光体10及一发光源20构成；导光体10为用透明材料制成的圆柱体，其中透明材料系为光学压克力(Polymethyl methacrylate，PMMA)或玻璃等材料，导光体10一端面定义为入射面10a，相对的另一端面定义为反射面10b，反射面10b被覆有一反射膜11，当光线射入于导光体10内，入射角大于临界角的光线将以无光通量损失进行全反射，光线也会射至反射面10b的反射膜11而镜面反射，因此，光线连续地在导光体10内全反射，而均匀地充斥在导光体10内部。
在导光体10的圆周表面上沿着平行于导光体10轴向方向设有一漫射条12，漫射条12垂直于导光体10之法线，而漫射条12系以如二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)等高发散光源物质的印刷涂料直接涂布在导光体10圆周表面上，或是在导光体10表面上贴覆一高发散光源物质，亦或在导光体10的表面上形成细微条状光栅结构(Texture)皆可。而为实现具指向性且分布均匀的带状光源，漫射条12以直接在导光体10上涂布印刷涂料为最佳，以直接涂布的方式将可以控制漫射条12的数量、宽距，以获得所需的指向性带状光源的出光分布。
又于导光体10相对于漫射条12的另一侧表面定义为出光面13，出光面13即为导光体10的圆柱形体表面所构成而为圆弧面。
发光源20为一如发光二极管等可发出光线之自发光组件，发光源20系配置于导光体10的入射面10a，其可密贴或嵌入于导光体10的入射面10a，也可与入射面10a间具有一间隙，以根据实际上的空间结构关系来设计而获得所需的光学要求。
如图3、4、5所示，发光源20自入射面10a发出光线射入到导光体10内，光线在导光体10内进行传递时，光线的入射角大于临界角时，光线完全无法射出到导光体10，使光线连续地在导光体10的内部进行全反射，使光线均匀地充斥在导光体10内部(如图3所示)。当某一条不断进行全反射的光线射到漫射条12时，会将一条光线散射为朝向多个角度的多条散射光线，这些被散射的光线，当其入射角都小于全反射临界角度时，部份光线即自出光面13穿出于导光体10(如图4所示)；而散射光线的入射角仍大于全反射临界角的光线而继续反射，直到射至漫射条12而重复其散射过程。光源产生装置的光线，除如图4所示，自导光体10的出光面13射出外，由于散射光线射至圆弧的出光面13，出光面13将散射光线折射而汇聚射出到导光体10的出光面13(如图5所示)，而成为具有指向性且分布均匀的带状光源。
参照图6A、6B，图中所示系为本发明上述实施例的第一应用例。如作为液晶显示器(图中未示)的背光光源，将多个本实施例带状光源产生装置并列设置以作为直下式背光模块(如图6A所示)，根据不同的光学需求而采用不同直径之导光体10，并适当地设置每一光源产生装置的间距，而将多个带状光源拼成一大范围的面光源，即可获得如图6B所示的均匀光分布，借以提供充足且均匀的具指向性光线作为背光光源，因而可以省略配置扩散膜或棱镜片等光学膜(图中未示)，从而可简化液晶显示器的制造工序并降低制造成本。同时，根据不同尺寸的液晶面板可以选择相匹配长度的导光体10，由于光通量损失低，较长的导光体10可获得分布均匀的线光源，使本发明更适合应用于大尺寸的液晶显示器上。
参照图7A、7B，图中所示是本发明第一实施例的第一应用例中漫射条12另一态样，其中在导光体10预定涂布漫射条12的位置处预先辊压出轴向(axial)或矢状切面(sagittal)的细微条纹后，再以高发散光源物质的印刷涂料涂布在条纹处，而形成条状的轴向光栅121(如图7A所示)或矢状切面光栅122(如图7B所示)，轴向光栅121或矢状切面光栅122宽度及间距可控制散射光线的偏光特性，以有效增加光线进入液晶面板的效率。
参照图8A、8B，图中所示是本发明第一实施例之第二应用例。在已知技术中，侧光式背光模块或有采用冷阴极荧光灯管作为侧向光源，或有以多个发光二极管作为侧向光源，但无论是冷阴极荧光灯管或是多个发光二极管的侧向光源，由于其所发出的光线不具有指向性，其导光板必须采用楔形导光板，但楔形导光板有制造上的难度。而本发明的带状光源产生装置，也可应用于侧光式背光模块，其中带状光源产生装置设置在一侧光式背光模块的导光板30，由于带状光源产生装置射出的光线具有指向性，因此导光板30可以为般之光学压克力制成一方形板体，由导光体10出光面13射出的高指向性光线则更具效率进入到导光板30内，可代替已知的冷阴极荧光灯管或是多个发光二极管侧向光源。
实施例2参照图9，本实施例不贴覆反射膜11，而以另一发光源20配置在反射面10b处，以增加光线的亮度。
实施例3参照图10A、10B，本实施例可以根据不同的光学需求改变漫射条12的宽度或位置，以改变光线出光的范围及其指向性，也可根据光学需求而增设多条漫射条12。如图所示，在导光体10上设置两条相对应偏离法线的漫射条12，两漫射条12相对于法线具有相同的夹角，导光体10内全反射的光线，分别射至两漫射条12而散射，因漫射条12相对角度的关系散射光线彼此交错，并经出光面13将散射光线共同汇聚而交错出光，交错出光的光线将彼此汇集，如此将可提高辉度及均匀度(参见图10B)，其指向性出光更增加液晶显示时黑白对比值，适合应用于大尺寸液晶显示器。
实施例4参照图11，本实施例，如图所示，可以将散射条12涂布为间断的规则或不规则的不连续线状，如此也可控制出光的范围，用于不同的光学需求上可节约光能，简化遮光机构设计。
以上所述本发明的几个较佳实施例，既可作为液晶显示器的背光光源，又可作为诸如室内外照明光源、车用光源等。
以上所述仅为本发明的几个较佳实施例，不得将这些实施例用于解释对本发明专利保护范围的限制。凡依本发明申请专利范围所作的等同变化或修饰，都属于本发明专利保护的范围。
权利要求
1.一种带状光源产生装置，包括有一导光体及至少一发光源，所述导光体是用透光材料制作而成的圆柱形体，其特征在于，所述导光体表面设有至少一漫射条，相对于该漫射条另一侧为呈圆弧的出光面；所述导光体一端面被覆一反射膜并定义为反射面，相对的一端为入射面，所述发光源设置于导光体的入射面。
2.如权利要求1所述的带状光源产生装置，其特征在于，所述导光体的反射面也配置有发光源。
3.如权利要求1或2所述的带状光源产生装置，其特征在于，所述导光体表面一侧设有两条相对应偏离法线且具有相同夹角的漫射条。
4.如权利要求1或2所述的带状光源产生装置，其特征在于，所述漫射条具有呈细微条纹的轴向光栅。
5.如权利要求1或2所述的带状光源产生装置，其特征在于，所述漫射条具有呈细微条纹的矢向光栅。
6.如权利要求1或2所述的带状光源产生装置，其特征在于，所述漫射条呈规则或不规则间断不连续状。
7.如权利要求3所述的带状光源产生装置，其特征在于，所述漫射条具有呈细微条纹的轴向光栅。
8.如权利要求3所述的带状光源产生装置，其特征在所述漫射条具有呈细微条纹的矢向光栅。
9.如权利要求3所述的带状光源产生装置，其特征在于，所述漫射条呈规则或不规则间断不连续状。
10.如权利要求1-9之一所述的带状光源产生装置在液晶显示器中的应用，其包括有多支并列设置的导光体，各发光源所产生的光线于各该导光体的内部进行全反射，光线射到该导光体漫射条而进行散射，散射光线经该出光面折射而汇聚出光形成一带状光源，各导光体的带状光源组成一面光源。
全文摘要
本发明公开了一种带状光源产生装置及其应用，所述带状光源产生装置包括有包括有一导光体及至少一发光源，导光体是用透光材料制作而成的圆柱形体，导光体表面设有至少一漫射条，相对于该漫射条另一侧为呈圆弧的出光面；导光体一端面被覆一反射膜并定义为反射面，相对的一端为入射面，所述发光源设置于导光体的入射面。用多个本发明之带状光源并列组合而成一面光源，可提供充足且均匀之具指向性光线，因而可以省略配置扩散膜或棱镜片等光学膜，并且，由于光损失低，较长之导光体亦可获得分布均匀之光源，使本发明更适合应用于大尺寸之液晶面板。
文档编号G02B6/00GK101038399SQ20071003487
公开日2007年9月19日 申请日期2007年4月30日 优先权日2007年4月30日
发明者秦硕 申请人:秦硕