CN101320102A - 具有多重透镜入光面的导光板结构 - Google Patents
具有多重透镜入光面的导光板结构 Download PDFInfo
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Abstract
一种具有多重透镜入光面的导光板结构，将发光二极体(LED)所发出的光源经过导光版转换成面光源。该导光板靠近LED灯源的入光面上，具有数个重复配置的透镜组，该每一透镜组包括一主透镜，及数个伴随而设在其两边的数个侧翼透镜所构成，其中，该每一侧翼透镜由一平面及一圆弧面所构成，藉此，利用这种多重配置的透镜组，即可有效扩大LED的入射光线在导光板内的散射角度，同时也可以收集周围的全反射光进行再利用，故可以降低导光板内入光侧的明暗现象并提高光源的利用效率，提供背光模组更均匀光学品质与品味。
Description
技术领域
本发明有关导光板上的创新，尤指一种可扩大LED光源的入射光线在导光板内的入光散射角度，同时也可以收集周围的全反射光进行再利用，可有效降低导光板入光侧明暗现象并提高光源的利用效率，以提供背光模组更均匀光学品质与品味的一种具有多重透镜入光面的导光板结构及其制法。
背景技术
液晶显示器LCD因为是平版式，故具有体积扁平且方便携带的优点，已成为显示器市场的主流，大到电视、小到手机凡是需要用到显示幕的电子产品其上皆有采用，由于LCD不是自发光性的显示装置，必须借着外部光源达到显示效果，一般的LCD是采用背光模组，来提供液晶面板均匀、高亮度的光线来源。近年随着液晶显示器运用越来越广泛，需求量也愈来愈大，在要求高品质、高品味及低价格的趋势下，背光模组要考量轻量化、薄型化、低耗电、高亮度及降低成本的市场要求，为保持在未来市场的竞争力，其相关制造技术也不断的提升，在业界不断积极究发下，已衍生出许多获准专利案。
背光模组的基本原理系将发光二极体LED的类似点光源或冷阴极管CCFL的类似线型光源，藉由一片导光板以及加之其上的各式光学膜片，将以上两种光源转化成高亮度且均一辉度的面光源的一项产品。由于部分膜片功能是在雾化或是散光(如扩散膜片)，另外有部分膜片具有聚光功能如(BEF)，因此导光板将是最主要转化光源的机构，让转化后的光源均匀地由导光板的出光面发射出去，因此是背光模组中不可或缺的元件。
当采用CCFL作为光源时，其反射面上常以网点的型态来作为光源的转化机制，网点是一凸出点或是凹陷坑所组成的图像，网点分布的原则是在入射光线可以容易到达的区域，网点布置密度低，而在入射光线不容易到达的区域，网点布置密度就必须要提高，因此常见的现象是在接近光源处单位面积的网点制得较小，让大多数的入射光线不会很容易被网点所散射，而有机会到达导光板的最远端；而将远离光源处的单位面积内网点制得较大，使得入射光线在远端被散射，而造成进入导光板的入射光线能够均匀地自导光板的出光面离开，其单位面积离开的光线数目尽量的一致，达到均匀辉度的目的。而导光板的入光面经常采用抛光镜面，因为空气与塑胶材料的折射系数不同，入射光线由空气进入塑胶材料制成的导光板所散射的角度反而比在空气小，但因为CCFL的线性光源特性，散射角度变小这个问题并不严重，但是当使用LED为光源时，进入导光板的散射角度变小，表示入射光线分布集中，入射光线将无法均匀地离开导光板部分出光面，这一个问题就有其严重性。
发光二极体LED具有体积小、耗电量小、又符合环保的要求，很适合当作背光模组的光源，其发光原理是在二极体内所产生的电子以及电洞，会在PNJunction区域内结合，而产生光子，透过封装技术让LED的发光型态呈现一顶角约为120度的角锥状发光光源，见图1，而第突围单颗LED入射光线进入导光板内，其散射角度因为折射缘故会变小；另外一般要求高辉度的背光模组，是采用两颗以上的LED配置在导光板的入光侧，相邻两颗LED光散射的角锥重迭区就会有相对于光角锥无法照到的地区，而产生视觉上明显的亮区以及暗区，这种在视觉上有区域性的亮、暗区域变化现像，形成视觉的不协调，而降低了视觉上的品味，日本人称之为Mura，故有进一步改良的必要。
此外，TW专利公告M 246621号一种液晶显示器背光模组所用的导光板即为一代表例，其中该导光板是由光学级压克力(PMMA)或光学级聚碳酸酯(PC)制成，为改善导光板上光线的辉度的分布均匀程度，将导光板的近边缘处制成若干对应于光源的孔洞，在模具加装几何形钢柱经射出成型后形成几何孔洞，此等孔洞的尺寸、几何形状、位置及数量可取决于导光板对于入射光线所欲达成辉度的均匀程度与光源条件(点光源、线光源)、光源个数等操作参数而调整改变，在当由光源所发出的光线以特定角度照射导光板时，亦会有光线照射入导光板边缘所设置的孔洞中，而在此等孔洞中产生反射、折射与散射的现象，因而可使原入射光线产生扩散效果，使其能量均匀地分布于此导光板的整个面积范围内，可将此导光板的入射光线的均匀度大幅提升，因此，可大幅改善LCD显示面板的荧幕画面的显像品质与效果。
在国外论文“Design and optimization of optical components using geneticalgorithms”刊载于Opt.Eng.43(7)，July 2004，Pp1643-1646，提及有一等腰梯型导光板，光源位于梯型的短边，作者利用电脑模拟技术在导光板内模拟具有个数不同、各种几何形状、尺寸不同的孔洞，以寻求一组最佳的个数、形状、尺寸洞孔组合，可以将位在短边的光源均匀地分布到梯型远端的长边，因此由导光板远端长边处所量测到的辉度变化量小，结果提高显像品质。
以上两个前例的共同特色是在导光板内部具有孔洞，因此将会有以下叙述的缺点：(1)入射光线在行经具有不同折射系数的介质时，会于介质间的交界处产生反射、折射以及散射等现象，因此入射光线将可能由介质间的交界处泄露出去，反而造成一亮区域，此举不仅降低光源的使用效率，也同时破坏视觉品味。(2)由于孔洞位于导光板的内部，因此限制了加工方式，以及材料的选择性，以上两前例都是使用塑胶射出成型方式制造导光板，所使用的成型模具制造加工时也会很复杂、模具体积也会增加、加工费随之增加，同时成品脱模时必须有可动部分，也将会降低模具的使用寿命。
为改善此问题，增加散射角度，故在较先进的导光板其面对LED处制作许多的圆弧柱状透镜，见图3。而图4则是其入射光线强度与角度的关系图，实线曲线表示沿导光板厚度方向入射光线强度的变化，而虚线曲线表示沿导光板宽度方向入射光线的强度变化电脑模拟图。此透镜依据背光模组光学以及机构设计的要求可具有各式不同曲率，藉此，让进入导光板的光源先行聚焦后，在焦点交叉后散射至导光板其他地方，因为圆弧柱状透镜是在导光板的入光面，故模具设计容易。
惟，目前因为点光源LED的科技日愈进步，在同体积下其所发光的光亮度将会越来越高，若使用习知的导光板其入光侧仅为一平面或是单一形状的连续凸透镜，技术上显然已经不足以将入射光线散射至更大的角度，且其靠近LED光源处的明、暗区域将会更为明显，造成视觉品味的不良，故有进一步改良的必要。
因鉴于此，本发明人经多方研究改良后，终于研制成功本发明。
发明内容
本发明主要目的在于，提高背光模组的视觉品味。藉由本发明在导光板入光侧的多重透镜结构，扩大由LED发射的光束进入导光板的散射角度，此多重透镜结构同时也可以收集周围的全反射光进行再利用，因此可有效降低导光板入光侧的明暗现象并提高光源的利用效率，以提供更均匀发光品质的背光模组。
为达到前述的目的，本发明所设计的一种具有多重透镜入光面的导光板结构，系将LED的散射角度尽量地扩大，其靠LED光源的入光面上，具有数个重复配置的透镜组，该每一透镜组包括一主透镜，及数个伴随在其两边而设的数个侧翼透镜所构成，其中，该每一侧翼透镜由一平面及一圆弧面所构成。
藉此，利用这种多重配置透镜组，即可有效扩大LED的散射角度，同时也可以收集周围的全反射光进行再利用，以降低明暗现象并提高光的利用效率，提供背光模组更均匀的光学品质。
为使能进一步了解本发明的构成内容及其他特点，兹举本发明较具体的实施例，并配合附图的实施例详细说明如以下所述。
附图说明
图1：是LED发光示意图。
图2：是LED入射光线由空气进入导光板折射示意图。
图3：是习式导光板及其局部放大剖示图。
图4：是习式导光板入射光线强度与角度关系图。
图5：是本发明导光板及其局部放大剖示图。
图6：是本发明理想化导光板及其局部放大剖示图。
图7：是本发明导光板主透镜设成凹透镜的应用示意图。
图8：是本发明主透镜设成凸透镜的应用示意图。
图9：是本发明导光板入射光线强度与角度关系图。
图10：是本发明侧翼透镜数目可增减的示意图。
图11：是本发明侧翼透镜数目呈不对称配置的示意图。
具体实施方式
如图5～图11所示，本发明所设计的一种具有多重透镜入光面的导光板结构，该导光板1将LED光源转成平面光源的机制，其靠近LED 5灯源的入光面11上，具有数个重复配置的透镜组2，该每一透镜组2包括一主透镜21，及数个伴随在其两边而设的数个侧翼透镜22所构成，其中，该每一侧翼透镜22由一平面23及一圆弧面24所构成，藉此，利用这种多重配置的透镜组2，即可有效扩大LED 5进入导光板1的入射光线散射角度，同时也可以收集周围的全反射光进行再利用，以降低导光板靠近LED附近明暗现象并提高光源的利用效率，提供背光模组更均匀的光学品质。
实施时，如图6～图8所示，该主透镜21可为凸透镜或凹透镜均可，而其侧翼透镜22的高度至少为主透镜21高度的三分之一以上，同时侧翼透镜22靠近主透镜21的平面23，在制造工艺误差内可视为作为一直线，此线段的水平夹角为75°～115°，另外其透镜组2各部转折处也可能因为加工及制造时的工艺限制而呈现圆角状。
又该导光板1的制作材料可选自任何塑胶材料及玻璃材料均可，其特征在于所选材料最佳者为，于可见光的频谱范围内的折射系数(refraction coefficient)介于1.1到2.5，而折射衰减系数(extinguishing coefficient)小于0.1。
另外，制造时其每一主透镜21两边伴随的侧翼透镜22可呈左、右镜射对称分布，其数目多寡可随意而设，但最多可为10个。且其每一透镜组2其中间隔可以设有一平面透镜25的相连空隙。
藉此，请参见图5～图9所示，本发明导光板1因为在入光面11上设有多重透镜组2，其除了有一圆弧柱状的主透镜21外，紧邻在其旁还有不同曲率的圆弧侧翼透镜22，不仅可以利用折射原理扩展扩散角度，同时也可以收集周围被全反射的光进行回收再利用，提高光的利用效率，即使因为LED 5科技的进步，发光的光亮度越来越高，但应用本发明多重透镜组2设计的方式，将可以有效的降低导光板1靠近LED入光侧的明暗现象，提供背光模组更均匀的光学品质，而不会产生习式结构明暗区域过于明显的缺点，当比较图9以及图4的虚线部分就可以很明显发现，在图9的入射光线强度在导光板1的宽度方向分布扩增。
另外，请参见图10、图11所示，为了使本产品的应用范围更有效增广，适应导光板1上方不同增亮膜片(图未示)的旋转角度，其主透镜21两旁的侧翼透镜22的数目也可相对增减调整，或是也可设呈非对称数目分布(如图11)，如此即可用以导引LED入射光线亮度不同比例的光束配比，降低靠近LED处导光板1上的明暗效果，达到提高背光模组光学品质的目的。
上述的具体实施例是用来详细说明本发明的目的、特征及功效，仅为本发明的部分实施例，当不能以此限定本发明的实施范围，凡熟悉此类技艺的人士，根据上述说明，及依本申请专利范围所载的结构装置特征及功能上所作等效性的变换或修改，其本质未脱离出本发明的精神范畴者，皆应包含在本案的专利权范围内。
Claims (8)
1.一种具有多重透镜入光面的导光板结构，将LED光源转成平面光源，其靠LED光源的入光面上，具有数个重复配置的透镜组，该每一透镜组包括一主透镜，及数个伴随而设在其两边的数个侧翼透镜所构成，其中，该每一侧翼透镜由一平面及一圆弧面所构成，藉此，可有效扩大LED入射光线进入导光板的散射角度，并收集再利用周围的全反射光，以降低背光模组明暗现象并提高光源的利用效率。
2.如权利要求1所述的一种具有多重透镜入光面的导光板结构，其特征在于，该主透镜为凸透镜，而其侧翼透镜的高度至少为凸透镜高度的三分之一以上，同时侧翼透镜靠近凸透镜端为一直线，此线段的水平夹角为75°～115°。
3.如权利要求1所述的一种具有多重透镜入光面的导光板结构，其特征在于，该主透镜为凹透镜，而其侧翼透镜的高度至少为凹透镜高度的三分之一以上，同时侧翼透镜靠近凹透镜端为一直线，此线段的水平夹角为75°～115°。
4.如权利要求1所述的一种具有多重透镜入光面的导光板结构，其中，该导光板的制作材料可选自塑胶材料及玻璃材料中的任何一种，其特征在于，所述材料在可见光的频谱范内的折射系数(refraction coefficient)介于1.1到2.5，而折射衰减系数(extinguishing coefficient)小于0.1。
5.如权利要求1所述的一种具有多重透镜入光面的导光板结构，其特征在于，每一主透镜伴随的侧翼透镜的数目最多为10个。
6.如权利要求1所述的一种具有多重透镜入光面的导光板结构，其特征在于，该数透镜组其中间设有一平凹状透镜的相连空隙。
7.如权利要求1所述的一种具有多重透镜入光面的导光板结构，其特征在于，每一主透镜伴随的侧翼透镜的数目可呈左、右镜射对称分布。
8.如权利要求1所述的一种具有多重透镜入光面的导光板结构，其特征在于，每一主透镜伴随的侧翼透镜可呈左右镜射但非对称数目分布。
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2007
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