专利名称：显示器用堆叠组合式背光板及具有该背光板的显示器的制作方法
显示器用堆叠组合式背光板及具有该背光板的显示器
技术领域：
本发明涉及一种堆叠组合式背光板，尤其是一种具极佳的混光及区域亮度调控的 堆叠组合式背光板。
背景技术：
液晶屏幕(IXD)的应用已相当普及，有别于传统使用真空显像管的屏幕(CRT)，不 仅具有轻薄不占空间的优势，其影像的清晰度更是可以高于真空显像管的屏幕，而且也比 真空显像管的屏幕所需的电力少，使得液晶屏幕已逐渐取代了真空显像管的屏幕。而目前液晶屏幕为显示影像的液晶面板，利用LED当背光源而且做成背光板已成 为趋势，而利用LED当背光板有以下两种方法(1)利用多个LED组成一个面型光源，直接射向LCD面板，称为『直射型 (Direct-lit)』背光板。(2)利用导光板的技术，LED光源组成一条『光条』(Light-Bar)，再由导光板侧边 入射，称为『边射型(Edge-lit)』背光板。上述两种背光板各有其优点，依照目前技术，为了提高影像于液晶面板上的动态 对比，会将液晶面板显示影像的画面区分出几个区域，并检测各区域的色度与亮度是需提 高或降低，『直射型背光板』即可利用此技术，达到『区域亮度调控(Local-Area Diming Control)』而使动态对比(DynamicContrast Ratio)极佳，并同时减小功耗，但缺点是使面 板整体厚度增加，且出光效率较差；相对地，『边射型背光板』出光效率较佳，且仅需藉由相 当薄的导光板分散出光，空间耗费极小，但是因为在分区时需顾虑出光效率而不能将出光 面积减少，使得区域不易区分出，无法配合区域亮度调控。因此如何同时具有直射型及边射型上述两者优点，使面板的体积变小、并具有区 域亮度调控的功能的背光板是本发明的重点。1999年由Eizaburo Higuchi等人提出的技术「串列型面光源装置」(中国台湾专 利412716号，美国专利USP 62413580)，如图1所示，利用模块(Modular)方式组成背光板， 该背光板的结构包括多个光源14、15、16及多个导光板模块11、12、13，各导光板模块11、 12、13均设有一堆叠部110、120、130，使例如导光板模块11的较窄部分可以叠放在相邻的 导光板模块12的堆叠部120上。各导光板模块以模块13为例，分别具有入光面131、光 截止面132、出光面133、及布有散射点1340的微结构面134，其中入光面131的厚度远大于 光截止面132，使得各模块在图右侧接近其光截止面处被抬高而形成有一下方空间，供在对 应各入光面处置放对应光源14、15、16。如此，多个导光板模块11、12、13的出光面可以共同组成大面积的背光板，而且各 个模块11、12、13的光源14、15、16也可独立控制。只要微结构面134与出光面133夹角够 小，则光线由入光面131以一角度入射后，将沿导光板模块13的左右延伸方向、在出光面 133及微结构面134间不断反射，直到部份光线射到散射点1340才会发生散射，使部分光束 由出光面133射出；未被射出的光则由光截止面132再反射返回导光板模块13中。
但一方面，当时是以冷阴极管(CCFL)作为光源，即便其作为线型光源的亮度及色 度都非常均勻，但因为响应时间较长，并不适合应用在区域亮度调控领域中。另方面，即使 改以白光LED或R、G、B三色LED混合做为光源，但类似点光源的LED必须经过适当长度的 混光后才能均勻，亦即，堆叠部110、120、130的横向延伸距离要足够长，才可达成混光的效 果。不幸地，区域亮度调控技术是建立在分区数目够多，每个区域涵盖范围较小的前提下， 因此导光板模块11、12、13不可以延伸太长距离，堆叠部110、120、130随之长度有限，造成 混光所需的距离长度不足，使该结构即使改以LED作为光源，仍明显与区域亮度调控技术 相抵触。针对以上缺点，OSRAM公司提出「照明装置之制造方法及照明装置」案(中国台湾 专利1235803号)，改良其光导装置结构。如图2所示，光源即以LED M、25J6为例，并将 各光导装置21、22、23区分为两部份一者为平行多面体结构的混光区215、225、235 ；另一 部份为出光区216、226、236以光导装置23为例，混光区235分别具有对应LED光源的入光 面231，相对于入光面231处，定义有一个如虚线所示的结束面237，此亦为出光区236的起 始面238，使得混光区235与出光区236结合为一个整体，当LED光线入射至混光区235后， 即以全内部反射TlR(TotaHnternal-Reflection)方式在混光区235内前进，同时也达到 混光作用，因此点光源可被均勻化。当光线穿过起始面238进入出光区236后，部分光线将受微结构面234上所形成 的散射点2340影响而散射，使得部分光束由出光面233出光。而起始面238的正对面则为 光截止面232。且为禁止光束轻易由微结构面234与光截止面232逸出，这两个面的外侧均 有反射片(图未示)。与前一公知技术相比，此公知技术的各光导装置21、22、23均增加了 一个具有一定长度的混光区215、225、235，故在运用LED之类的点光源时，所发光束在出光 时可以得到更均勻化的效果。另外，Luminance公司也于2007年提出一种不同导光结构模块(美国专利公开 20080205080A1号)，如图3所示，其光源例释如LED 34、35、36，该导光结构模块31、32、33 亦由两大部分组成，其中一部份为混光区315、325、335，另一部份为出光区316、326、336， 结构为一个较不规则的多面体。在此同样以模块33为例，当做为光源的LED光线由入光面 331进入后，将在混光区335内一方面以全内部反射TIR方式前进，同时也达到混光勻化的 效果；同样为便于说明，定义混光区335末端为一虚设的结束面337，而该结束面337与出 光区336的起始面338重合而连续，出光区336中的底面(未标号)与斜面(未标号)形 成有散射点3340而构成微结构面334，部份光线同样经散射点3340散射后，由出光面333 出光，其中左侧模块32的微结构面中的斜面倾斜度恰与右侧模块33混光区335的后段斜 率对应，使得所有模块31、32、33的出光面可以接续组合成一个大范围的出光面。由于此一 公知技术具有更长的混光距离，可比前一公知技术获得更佳的勻光效果。然而，归纳上述三种公知技术的光导装置，均有一个共同的结构特征，就是出光区 中主要部份包括一个楔形结构，亦即，出光区的厚度会随光的前进而递减；并且在此楔形结 构下方构成一个容纳空间。如此，不仅可让各光导模块的出光面组成连续出光面，又可以将 对应光源置于楔形结构下方的容纳空间中，藉此控制整个显示器的厚度。当光线在光导装 置中依全内部反射方式前进，理论上将绝少有能量逸散流失，直到碰到预先形成的散射点 时，才会依照预定途径散射而由出光面出光；因此，可以利用散射点的密度分布控制出光面的亮度分布。然而，楔形结构的光导装置将使光线在进行全内部反射时，会随在楔形结构内的 多次反射，使反射角逐渐改变而不能维持固定的反射角，且当进行若干次全内部反射后，该 光线的行进角度将可能超越临界角而无法维持全内部反射条件，使得光线尚未碰到散射点 就直接折射脱离光导装置而出光，从而破坏导光板的基本出光设计，形成无法控制的不均 勻出光分布。如图4所示，当某一光束于入射位置410处由外部空气沿入射角Qi入射至入光 面41后，由于空气的折射率为1，令楔形光导装置折射率为n，入射角Qi，折射角为Gtl，则 IXsinei = HXsineoo当该光线首度碰到楔型光导装置顶面43的位置431时，入射角θ 与反射角θ 2彼此相等，g卩Q1 = θ2= θ ^当首次反射光线碰到底面44的位置442时，由 于底面44与顶面43间夹有一个夹角θ，此时入射角θ3= Qtl+θ，反射角同步变大。同理， 在位置433处的入射角与反射角θ4= QtlMe，位置444的入射角与反射角θ5= θ 0+3 θ , 其余类推。故当该光线进行η次全内部反射后，其入射角已增为θ ^ θ，当其与法线间的夹 角[90-( θ0+ηθ)]小于临界角θ。时，该光线将无法维持全内部反射，因而由超过该临界角 的位置折射脱离光导装置而出光。由上式[90-(θ。+ηθ)]中可看出，当楔形导光片的夹角 θ愈大时，其可进行的全内部反射次数η愈小。所以这个楔形架构中的斜角θ必须被设计 成相当小，才能维持足够多次的全内部反射。然而，一旦使用所谓『区域亮度调控』(Local-Area Dimming Control)技术时，由 于要达到『区域亮度调控』的功能，必须将整片面板分成诸多区域，各区域面积必须要够小， 才能益发凸显其在动态显示过程的优势。一般而言，整个画面至少要被区分为至少100个 以上的独立控制区。以42时LCD电视为例，各独立控制区的面积约为50cm2，亦即各光导装 置的出光区尺寸也只有7cm左右，若光导装置起始厚度为5mm，则该楔形出光区的斜角θ必 须设计为4度以上，才能提供足够的厚度空间供光源置放。不幸地，对起始入射角= 的光线而言，在θ =4°时，仅需5次反射就会 超过全内部反射相对于法线的临界角θ。= 42°，亦即，真正全内部反射次数η只有5次， 此道光线在此5次全内部反射中所能前进的距离尚不及25mm的距离，也就是，此道光线只 能在该出光区内行进不及1/3的距离即全部折射出光。由图4中，如果光导装置折射率η =1.5，折射角9^ = 30°，相当于LED辐照至入射面41的入射角《S 45°，当其他入射光线 Qi >45°时，其9^)30°，将使这些光线在导光片内前进距离更小于25mm即全部出光。但当LED的光场分布(field-distribution)为均勻分布(Lambertion)时，其光 的能量分布中，由θ i = 45°到θ i = 90°间的能量约占50%，因此这50%的光能量将在 入光面41之后的前25mm内出光完毕，而另外50%的光能量还将在另外45mm内以前密后疏 的方式不均勻出光。因此出光区前段25mm的出光平均密度约为2.0% /mm，而出光区后段 45mm的出光平均密度约为1. 1% /mm,由此可看出其出光不均勻性非常高(约1. 8倍)。以上分析尚未考虑散射点所引起的出光亮度分布。如果加计出光面底面散射点的 不均勻分布，则将导致出光区前段25mm的平均出光密度更大于2. 0% /mm,而出光区的后段 45mm的平均出光密度更小于1. 1% /mm，而导致更严重的不均勻度(大于1. 8倍)。尤其人类眼睛对近范围内的明暗鉴别度极高，彼此相邻的明暗间隔波纹只要对亮度相差约2%左右，人眼即可清晰分辨，何况使用区域亮度调控技术的光导装置是以模 块组合，此种明暗不均勻的现象也将随各光导装置模块而周期性的出现，无疑使眼睛更容 易敏锐分辨。因此，利用复数个上述楔形光导装置所组成的背光板，将因重复出现的严重 (80%)亮度不均勻问题，根本无法通过消费者眼睛的考验。由此，前述各公知技术所揭示 的方法结构，皆不适用于具有『区域亮度调控』功能的边射型LED背光板。
发明内容本发明的一目的在于提供一种光导装置正面与背面平行，使光束可在其中以全内 部反射模式行进而不逸散，让区域亮度调控成为可行的背光板。本发明的另一目的在于提供一种光导装置正面与背面平行，使光束可经足够长度 的混光而不逸散，让出光更均勻化的背光板。本发明的又一目的在于提供一种结构简单、使得制造成本及组装成本降低、但成 品率易于提升，让组装、替换、及维修容易的背光板。本发明的再一目的在于提供一种光导装置正面与背面平行，使光束可在其中以全 内部反射模式行进而不逸散，让区域亮度调控成为可行的显示器。本发明的又另一目的在于提供一种造价低廉、组装及维修容易的显示器。依照本发明揭示的显示器用堆叠组合式背光板，包括多个光导装置，分别包括 一个入光面；两个彼此平行对应且分别邻接该入光面的正面及背面，其中该正面具有一个 远离该入光面的出光区；其中，至少两组彼此相邻的光导装置是一者的背面平行另一者正 面、且以其部分背面堆叠于该另一者部分正面、并使该另一者正面出光区以被暴露方式配 置；及多个分别对应所述光导装置入光面的光源装置。利用上述背光板制成的显示器则包括一组背光板，包括多个分别具有一个入光 面，及两个彼此平行对应且分别邻接该入光面的正面及背面，其中该正面具有一个远离该 入光面的出光区的光导装置；其中，至少两组彼此相邻的光导装置是以入光面彼此平行，且 一者的背面平行另一者正面、且以其部分背面堆叠于该另一者部分正面、并使该另一者正 面出光区以被暴露方式配置；及多个分别对应所述光导装置入光面的光源装置；及一组设 置于所述出光区前方的液晶板。由于本案所揭示的背光板的光导装置是以平行结构而非楔形结构所形成，入射光 束的角度一旦在全内部反射的临界角以下，便可顺利在光导装置中来回进行全内部反射行 进，不仅可以提供足够长度的混光，并且在未抵达出光区前，不致因光束折射脱离光导装置 而发生明显逸散，使得发光的均勻度趋于理想；尤其，即使将整幅画面区分为众多小区域， 仍可逐一发出均勻且各自独立的背光，使得边射型背光板也可以达成区域亮度调控的功 效；并且可以保持原先边射型背光板的薄型优势。加以，由于各光导装置的形状均为平行结构，制造与组装益发便捷，不仅使价格降 低，也让成品率提升，充分达成制造者与消费者双赢的市场价值。如此制成的显示器，也可 顺利达成上述各项目的。
图1为公知利用模块方式组成边射型背光板的架构图2为公知具平行混光区的光导装置的架构图；图3为公知具对应混光区的微结构斜面的导光结构模块的架构图；图4为公知边射型背光板示意图；图5为本发明第一较佳实施例显示器用堆叠组合式背光板的光导装置架构图；图6为图5三组光导装置彼此平行堆叠的示意图；图7为本发明第二较佳实施例光导装置改采凸面设计的示意图；图8为本发明第三较佳实施例改变光导装置混光距离的示意图；图9为本发明第四较佳实施例多组光导装置与光源装置堆叠组合成整片背光板 的示意图；及图10为图9观察背光板侧面各排的光导装置的堆叠示意图。图11为图9透过区域亮度调控单元控制背光板区域亮度调控的示意图；图12为本发明第五较佳实施例光导装置以交错方式分布的示意图；及图13为本发明第六较佳实施例光导装置入光位置设置为凹入面的示意图。主要元件符号说明14、15、16、711、712、713、714、721、722、... 744 光源11、12、13 导光板模块110、120、130 堆叠部131、231、331、41、531 入光面 132、232、532、512 光截止面133、233、333 出光面1；340、2340、3；340、5340 散射点134、234、334 微结构面24、25、26、34、35、36、54、55、56、561、562、563、711”LED21、22、23、51、52、53、51，、52，、53，、611，、612，、613，、621，、622，、623，、611”、611、 612、613、614、621、622、…644 光导装置215、225、235、315、325、335 混光区216、2洸、236、316、3洸、336、5330 出光区 237、337 结束面238起始面 31、32、33导光结构模块 338起始面410 入射位置 43 顶面 431、433、442、444 位置44 底面 533、523 正面 534、514 背面515、6115”反射层 5331混光区正面 57，基底 58，勻光片59，液晶片 80档块 9背光板 90区域亮度调控单元99液晶板 6110”凹入面
具体实施方式
本发明显示器用堆叠组合式背光板的光导装置如图5所示，例释为一个长度为 1广12、宽为W，高为d的平行六面体结构，为便于说明起见，图左侧供例释为发光二极管组件 (LED) 561、562、563的光源发光射入的面称为入光面531，与入光面531相对的面则称为光 截止面532，图上方则称为正面533，与正面平行相对则为背面534，在本例中，入光面531分 别与正面533、背面534垂直设置；且本案将光导装置的正面533再进一步区分为远离入光 面531、长度为I1的出光区5330及介于入光面531与出光区5330间的剩余部分则属于混 光区正面5331，其长度为12。
请一并参照图6，当例如三组光导装置51、52、53彼此平行堆叠时，光导装置51的 背面514将有部分叠放在居于右侧的光导装置52正面523上，此时，暴露于光导装置51背 面514之外的部分，即是光导装置52正面523的出光区。且为将LED54、55、56所照射的光 束导引由出光区出光，例如光导装置53的背面534对应于出光区5330处，形成有散射点 5340的微结构面。由于光导装置背面与下方基底间夹有一个倾斜角，使得各入光面与左侧 光导装置的背面，恰可与基底共同围绕出一个容纳空间，供作为光源的例如LED 54,55,56 置放。并且，为阻止光束由例如光导装置51的光截止面512或背面514逸散，在光截止面 512与背面514外侧，更可设置一层反射层515，令尚未由出光面散射出光的光线再反射回 出光区5330，继续碰到散射点5340而出光，并藉由规划散射点的密度分布，得到均勻的出 光分布。当然，如熟于此技术者所能轻易理解，上述入光面未必需为平面，亦可如图7所 示，改采凸面设计，且在本例中将光导装置的厚度例释为3mm，出光区与混光区长度均例释
为60mm，由此可以概算出光导装置51，、52，、53，与基底57，间所夹的倾斜角《 = f约为3
度左右，上述容纳空间因此约为一个高约3mm，长约为60mm的三角形。相对地，组合后的完 整背光板厚度约为3d左右，由于目前侧照型LED (Edge-Emitting Type)元件的高度已可低 至Imm以下，加计一般电路板的厚度约1. 2mm以内，且电路板宽约20mm，因此完全可以顺利 安装于上述容纳空间中。而且，虽然各图中均以夸张角度绘示，但倾斜角α如上述计算可得知实际仅有约 3度左右，因此并不影响射出光线的角度分布；本例中，被前一光导装置遮蔽的混光区，具 有与出光区大约相等的长度，可使混光效果良好，出光时已非原先的点光源形状而可非常 均勻地分布，但为使出光更加均勻，本例中更在各光导装置的出光面侧增设一片作为勻光 装置的勻光片58’。图式中，勻光片58’上方更设置有一片液晶片59’，供调制出各像素资 料而在显示器上呈现整幅画面影像资料。更进一步，若要增长混光距离，亦可改变上述I1与
I2的长度比如图8所示，当混光区长为I2，出光区长为I1,倾斜角《二 tan4卩二卩，此
权利要求
1.一种显示器用堆叠组合式背光板，其特征在于，它包括多个光导装置，分别包括一个入光面；两个彼此平行对应且分别邻接该入光面的正面及背面，其中该正面具有一个远离该入 光面的出光区；其中，至少两组彼此相邻的光导装置，以一者的背面平行另一者正面、且以其部分背面 堆叠于该另一者部分正面、并使该另一者正面出光区被暴露方式配置；及多个分别对应所述光导装置入光面的光源装置。
2.如权利要求1所述的背光板，其特征在于，更包括一片供所述光导装置设置的基底， 且该至少两组彼此相邻的光导装置分别以其背面与该基底夹一预定角度设置。
3.如权利要求1所述的背光板，其特征在于，各该入光面分别是一平面、并与各该对应 正面及背面夹一使得由各该对应入光面透入来自各该对应光源装置的光束在各该光导装 置正面与背面间全内部反射的角度。
4.如权利要求1所述的背光板，其特征在于，各该入光面分别是一使得由各该对应入 光面透入来自各该对应光源装置的光束是在各该光导装置正面与背面间全内部反射的曲
5.如权利要求1所述的背光板，其特征在于，所述背面对应所述正面出光区处形成有 具有多个散射点的微结构面。
6.如权利要求1所述的背光板，其特征在于，所述光导装置是被分为多行、每行包括多 组光导装置、且各该光导装置入光面大致垂直于所述行的延伸方向的方式配置。
7.如权利要求6所述的背光板，其特征在于，所述光导装置是被分为至少三行，每行包 括至少三组光导装置。
8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的背光板，其特征在于，所述光源装置是发光二极 体组件。
9.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的背光板，其特征在于，更包括设置于所述光导装 置正面前方的勻光装置。
10.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的背光板，其特征在于，所述光导装置相对所述 入光面的侧面是一光截止面。
11.如权利要求10所述的背光板，其特征在于，所述光截止面上分别设置有一层反射层。
12.—种具有堆叠组合式背光板的显示器，其特征在于，包括一组背光板，所述背光板包括多个分别具有一个入光面，及两个彼此平行对应且分别 邻接该入光面的正面及背面，其中该正面具有一个远离该入光面的出光区的光导装置；其 中，至少两组彼此相邻的光导装置是以入光面彼此平行，且一者的背面平行另一者正面、且 以其部分背面堆叠于该另一者部分正面、并使该另一者正面出光区被暴露方式配置；及 多个分别对应所述光导装置入光面的光源装置；及 一组设置于所述出光区前方的液晶板。
13.如权利要求12所述的显示器，其特征在于，该背光板更包括一片供所述光导装置 设置的基底，且该至少两组彼此相邻的光导装置是分别以其背面与该基底夹一预定角度设置；且所述光源装置是发光二极管组件。
14.如权利要求12所述的显示器，其特征在于，所述光导装置是被分为至少三行、每行 包括至少三组光导装置、且各该光导装置入光面大致垂直所述行的延伸方向的方式配置。
15.如权利要求12、13或14所述的显示器，其特征在于，更包括一组用以控制该液晶板 透光度及所述光源装置亮度的区域亮度调控单元。
全文摘要
本发明是关于一种显示器用堆叠组合式背光板及具有该背光板的显示器，该背光板包括多组包括入光面、及两个彼此平行对应且分别邻接该入光面的正面及背面的光导装置，每一正面均具有一个远离该入光面的出光区；其中，至少两组彼此相邻的光导装置系一者背面平行另一者正面、且以其部分背面堆叠于该另一者部分正面、并使该另一者正面出光区暴露方式配置；及多个分别对应所述光导装置入光面的光源装置。由于光导装置的正面与背面彼此平行，使射入光束可如预期被均匀分出；且各光导装置与光源装置搭配，可在低厚度结构下达成区域亮度调控的目的。
文档编号G02F1/13357GK102121619SQ20101000051
公开日2011年7月13日 申请日期2010年1月11日 优先权日2010年1月11日
发明者王遵义 申请人:光远科技股份有限公司