CN112241084A - 一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，它包括基座、电路板、聚光透镜组和阵列透镜，基座内设有容置空间，电路板设于基座的容置空间的底部，电路板上设有复数个发光体，聚光透镜组设于容置空间内并位于电路板的上方，聚光透镜组包括复数个聚光透镜，其中每个聚光透镜对应每个发光体设置，阵列透镜设于基座的容置空间的顶部并位于聚光透镜组的上方，阵列透镜包括复数个菲涅尔透镜单元，其中每个菲涅尔透镜单元对应每个聚光透镜设置，且菲涅尔透镜单元的剖面锯齿高度小于50微米；利于本发明的背光照明系统能够实现高亮度及亮度均匀的背光效果，省略了常用的导光柱和扩散片结构，不但光损失少，亮度更高、节省成本、厚度更薄。

Description

一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统

技术领域

本发明涉及背光照明系统技术领域，特别是涉及一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统。

背景技术

常见的液晶显示器，如手机、平板、电视等装置，其背光照明系统，多为发光源经过导光板及扩散片等结构，形成照明光方向扩散且表面均匀的光源，再透过前方的液晶显示器传递影像，这种背光照明的优点是：可让使用者在各种不同角度都能看清楚液晶显示器的影像内容，但其缺点则是照明光方向过于分散，在较明亮的室外环境下，易导致亮度不足，无法看清影像；此时则必须提高亮度，如此又将引发功耗增加、散热困难等问题。

然而在某些特定的虚像系统应用中，如抬头显示器、虚拟现实、扩充实境等虚像系统，或投影机等实像装置中，采用液晶显示器背光照明系统，需将其光源均匀且方向集中在特定的角度范围，如此方能减少光源的浪费，提供足够的亮度，降低耗电量，缩减散热需求，提升系统的可靠度。

如图11和图12所示，为使用在抬头显示器上的背光照明系统，它包括多个发光源80、一导光柱81和一扩散片82，多个发光源80安装在导光柱81的下端，该扩散片82安装在导光柱81的上端，如此，使导光柱81的下端形成入光面，导光柱81的上端形成出光面，每一个发光源80皆是由一发光二极管802罩上一个聚光杯801所构成，而在发光二极管802发出光源后，经由聚光杯801将光线向外射出，该导光柱81用于容纳多个发光源80发出的光线，且该导光柱81为一四面为高反射率镜面的空心柱体，当多个发光源80的光线经由各聚光杯801聚光后从导光柱81的下端射入导光柱81内，光线在导光柱81内混合后，从导光柱81的上端射出，达到均匀混合的效果，从导光柱81内射出的光线经过扩散片82，该扩散片82将混合后的光线扩散至一适当角度而形成一均匀的面光源，用来充作后方LCD面板83的背光源；但是这种背光照明系统在接近聚光杯801的出光面的亮度并不均匀，且各聚光杯801之间存在缝隙，会因此出现暗影，需再加上导光柱81将液晶显示器的位置远离方可使照明光线变得均匀，此外，导光柱81高度越高，照明光分布越均匀，但是导光柱81过高则会增加背光照明系统的厚度，使照明系统体积过大，失去其实用性；还有扩散片82会存在角度扩散，难以使照明光集中在特定角度的可视范围内，从而造成亮度的浪费。

还有一种常用的背光照明系统，如图13所示，主要是在复数个LED发光源73前方设有聚光透镜组70与透镜数组71，聚光透镜组70内包含复数个聚光透镜，分别置于LED发光源73前方；该透镜数组71是由多个透镜所组成。这种照明设计可在出光面（即透镜数组表面）形成均匀且扩散角适度的理想照明光源，达到不需要导光柱，减少系统厚度，但在实际生产过程中，由于模具及制程的限制，在透镜数组71上的每一个透镜之间连接处都会因透镜的高低落差而产生弧形的接合区间710，光线投射在此区域时会因发散而产生阴影，造成亮度局部不均匀现象，而当该透镜数组71组成越多时，单元光域721中所形成的单元阴影722也就能相互连接，使得该阴影显现在光线投影光区域72的长度L1和L2就越长，这也造成了明显的亮度不均匀缺点，是此结构难以突破之处。

上述常用的背光照明系统设计未能达到完善，具有体积亦较大、亮度损耗大、亮度不均匀、成本高等缺点，对于使用在空间有限的场合，如汽车的抬头显示器上，则有不便之处。

发明内容

本发明的目的在于克服以上所述的缺点，提供一种厚度薄、亮度高、光损失少、成本低廉、具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，包括基座、电路板、聚光透镜组和阵列透镜，所述基座内设有容置空间，所述电路板设于基座的容置空间的底部，所述电路板上设有复数个发光体，所述聚光透镜组设于容置空间内并位于电路板的上方，所述聚光透镜组包括复数个聚光透镜，其中每个所述聚光透镜对应每个所述发光体设置，所述阵列透镜设于基座的容置空间的顶部并位于聚光透镜组的上方，所述阵列透镜包括复数个菲涅尔透镜单元，其中每个所述菲涅尔透镜单元对应每个所述聚光透镜设置，且所述菲涅尔透镜单元剖面的锯齿高度小于50微米。

其中，复数个所述发光体均分别被聚光透镜所包覆。

其中，所述聚光透镜由硅胶材料制成。

其中，所述菲涅尔透镜单元的外形呈正六角形，复数个所述菲涅尔透镜单元呈蜂窝状排列。

其中，所述菲涅尔透镜单元的外形呈矩形，复数个所述菲涅尔透镜单元呈矩阵排列或错位排列。

其中，所述菲涅尔透镜单元上设有圆对称的锯齿结构。

其中，还包括液晶显示器，所述液晶显示器位于阵列透镜的上方，所述液晶显示器用于接收阵列透镜传来的光线。

其中，在所述液晶显示器与阵列透镜之间设有协助透镜。

其中，所述协助透镜为菲涅尔透镜。

其中，所述发光体为白光发光二级管。

本发明的有益效果为：

本发明使用剖面的锯齿高度小于50微米的菲涅尔透镜单元构成阵列透镜，在接收发光体和聚光透镜的光源后，可达成高亮度及亮度均匀的背光效果，省略了常用的导光柱和扩散片结构，不但光损失少，亮度更高、节省成本，尤其厚度更薄，更具有不占空间、减低散热空间的优点；

本发明中阵列透镜的菲涅尔透镜单元的外形设置成正六角形或矩形，其中由正六角形的菲涅尔透镜单元呈蜂窝状排列组成的阵列透镜，能够具有最佳集光效率优势；而采用矩形状的菲涅尔透镜单元呈矩阵或错位排列的阵列透镜，则具有模具制作便利，价格低廉的优点；

本发明可在阵列透镜的前方再设有一协助透镜，能将光源导入后方成像光学系统的光圈范围内，使光源不致散失而造成浪费，尤其适合应用在抬头显示器或投影机等液晶显示器的背光照明系统上。

附图说明

图1是本发明实施例提供的薄型液晶显示器背光照明系统的立体图；

图2是本发明实施例提供的薄型液晶显示器背光照明系统的部分结构示意图；

图3是本发明实施例提供的聚光透镜组的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的阵列透镜的菲涅尔透镜单元的结构说明图；

图5是图4中沿A-A方向的剖视图；

图6是本发明实施例应用正六角形的菲涅尔透镜的结构示意图；

图7是本发明应用在抬头显示器的实施例示意图；

图8是本发明实施例应用矩形的菲涅尔透镜单元错位排列的实施例示意图；

图9是本发明实施例应用矩形的菲涅尔透镜单元矩阵排列的实施例示意图；

图10是本发明实施例提供的薄型液晶显示器背光照明系统的剖面结构分解示意图；

图11是现有背光照明系统的分解图；

图12是现有背光照明系统的剖视图；

图13是使用现有改进的背光照明系统所产生阴影问题的说明示意图；

附图标记说明：10-基座；20-电路板；21-发光体；22-聚光透镜组；221-聚光透镜；30-阵列透镜；31-菲涅尔透镜单元；311-锯齿；40-协助透镜；41-液晶显示器；50-投影光区域；51-单元光域；60-光合成器；61-可视范围；62-人眼；

70-聚光透镜组；71-透镜数组；710-接合区间；72-投影光区域；721-单元光域；722-单元阴影；73-LED发光源；80-发光源；801-聚光杯；802-发光二极管；81-导光柱；82-扩散片；83-LCD面板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明，并不是把本发明的实施范围局限于此。

如图1至图10所示，本实施例所述的一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，包括基座10、电路板20、聚光透镜组22和阵列透镜（Array lens）30，在所述基座10内设置容置空间，所述电路板20固定在基座10的容置空间的底部，所述电路板20上设有复数个发光体21，优选地，所述发光体21为白光发光二极管，发光亮度强，能将发出的光线向前射出，所述聚光透镜组22安装在容置空间内并位于电路板20的上方，该聚光透镜组22包括复数个聚光透镜221，其中每个所述聚光透镜221对应每个发光体21设置，即聚光透镜221与发光体21一一对应设置，所述阵列透镜30安装在基座10的容置空间的顶部并位于聚光透镜组22的上方，所述阵列透镜30包括复数个菲涅尔透镜单元31，其中每个所述菲涅尔透镜单元31对应每个所述聚光透镜221设置，且所述菲涅尔透镜单元31剖面的锯齿311高度小于50微米。

具体地，本实施例可设置发光体21、聚光透镜221、菲涅尔透镜单元31的数量分别为16个，且16个发光体21分成3排，中间一排设置6个发光体21，其余两排的发光体21的数量均为5个，而聚光透镜221、菲涅尔透镜单元31分别对应16个发光体21排列设置；而发光体21、聚光透镜221、菲涅尔透镜单元31的数量还可分别设置32个，如图6所示；本实施例中的发光体21、聚光透镜221、菲涅尔透镜单元31的数量，可根据实际需求设置不同的数量以及排列方式；本实施例中聚光透镜221可为塑料透镜，将各个聚光透镜221分别架设在发光体21之上，工作时，电路板20上的每个发光体21工作，投射出光线，形成光源，光源首先经过聚光透镜组22聚光，然后穿过阵列透镜30，被每一个菲涅尔透镜单元31聚光并将光源均匀化，仅有极少的光源散失，光源经过阵列透镜30后，形成一具方向性且亮度均匀的面光源，从而形成背光照明，如此可在所述阵列透镜30的上方，如图10所示，设置一液晶显示器41，该液晶显示器41能够接收该面光源传递过来的光线，从而形成液晶显示器41的背光照明系统。

为避免阵列透镜30中各透镜间不完美的接合而产生的阴影问题，本实施例采用菲涅尔透镜单元31组成阵列透镜30，因为菲涅尔透镜单元31为平面锯齿状结构，且菲涅尔透镜单元31剖面的锯齿311高度小于50微米，这种微结构的生产，基本上是属于光敏材料涂布、曝光、转印成型的制程，与传统射出成型完全不同，因此不会因透镜间过大的高低落差而在成型时发生溢料，而导致弧形接合问题，现有模具工艺可将各个菲涅尔透镜单元31的拼接间隙控制在小于液晶显示器41的一个像素以内，使接合处的阴影难以察觉，因此采用本发明的背光照明系统结构，无需使用导光柱和扩散片，即可在阵列透镜30表面形成一具方向性且亮度均匀的面光源，是本发明的优点之一。

基于上述实施例的基础上，优选地，如图2所示，复数个所述发光体21均分别被聚光透镜221所包覆，使发光体21发出的光线完全经过聚光透镜221，增强光的亮度，优选地，所述聚光透镜221采用硅胶材料制成，利于聚光透镜221将发光体21完全包覆，使得发光体21与聚光透镜221完全密合，可靠性和发光效率更好，该聚光透镜组22亦可链接称为阵列透镜结构，如图3所示，利于以射出成型方式量产。

基于上述实施例的基础上，进一步地，如图1、图2、图4以及图6所示，所述菲涅尔透镜单元31的外形呈正六角形，复数个所述菲涅尔透镜单元31呈蜂窝状排列；由于白光发光二极管为一小面积的朗伯特光源，其发光方位角呈圆对称关系，如图4所示，其中圆形虚线为白光发光二极管的有效光束范围，该正六角形的菲涅尔透镜单元31能涵盖住大部分的光源，这种正六角形结构是无缝密集排列方式中，集光效率最佳；设置正六角形的菲涅尔透镜单元31，更接近白光发光二极管所发出的圆形光束范围，可因此进一步减少光源的散失，提高效率；本实施例中，优选地，如图5所示，所述菲涅尔透镜单元31上设有圆对称的锯齿311结构，使光源亮度得以均匀分布于该菲涅尔透镜单元31表面，进一步缩小阵列透镜30的厚度；使用时，电路板20上的发光体21投射出的光线，经过聚光透镜组22聚光后，再穿过阵列透镜30，被每一个菲涅尔透镜单元31所聚光及将光源均匀化，仅有极少的光源散失，如图6所示，故能投射出一强力且由菲涅尔透镜单元31的单元光域51所组成的投影光区域50。

相对于正六角形的菲涅尔透镜单元31，本实施例的另一种结构方式，如图8和图9所示，将所述菲涅尔透镜单元31的外形设置成矩形，且复数个所述菲涅尔透镜单元31呈矩阵排列或错位排列；矩形的菲涅尔透镜单元31的集光效率虽不如正六角形结构排列方式，但矩阵排列方式的菲涅尔透镜单元31的整体外形容易与同为矩形的液晶显示器41边缘相合，可设置发光体21、聚光透镜221、菲涅尔透镜单元31的数量分别为15个，并等均分成三排排列，如图9所示，且矩形的菲涅尔透镜单元31的模具制作方便，价格低廉；另外，为了避免矩形接合边界过长，拼接处的阴影易被察觉，如图8所示，还可将矩形的菲涅尔透镜单元31采取错位排列的方式，此时可将发光体21、聚光透镜221、菲涅尔透镜单元31的数量分别设置为16个，且16个发光体21分成3排，中间一排设置6个发光体21，其余两排的发光体21的数量均为5个，而聚光透镜221、菲涅尔透镜单元31分别对应16个发光体21排列设置，可以解决矩阵排列方式的阴影易被察觉的问题；本实施例中，同样在矩形的菲涅尔透镜上设置圆对称的锯齿311结构，使光源亮度得以均匀分布于该菲涅尔透镜单元31表面，进一步缩小阵列透镜30的厚度。

基于上述实施例的基础上，进一步地，如图7和图10所示，在所述液晶显示器41与阵列透镜30之间设有协助透镜40，这个目的在于协助将照明光源约束，以利于射入前方成像光学系统的光圈内，优选地，该协助透镜40为菲涅尔透镜；本实施例应用在抬头显示器上时，如图7所示，由于人眼62的可视范围61是在眼前大约为一长方形的区域，为使由背光系统将液晶显示器41上的影像传至此可视范围61内，可在液晶显示器41与阵列透镜30之间增设一个为凹透镜结构的菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜能够协助将照明光源由液晶显示器41射出后，能完全导入人眼62的可视范围61内，使光线更为充足。

使用时，电路板20上的每一发光体21投射的光线，由相对应的聚光透镜221及菲涅尔透镜单元31进行聚光和均光之后，再由协助透镜40将光线导入液晶显示器41范围，再将光线均匀投射而出，即可经光合成器60导入人眼62的可视范围61而接收视讯影像。

而本实施例应用在投影机上时，该菲涅尔透镜为凸透镜结构，能够将照明光导入投影镜头的光圈内。

此外，本发明的阵列透镜30的菲涅尔透镜单元31采用锯齿311高度极小的微结构，其生产采曝光、转印的制程，可依附在大面积的PET塑料或PC薄片上；使用者可针对所需的照明面积，大量裁切使用，对不同尺寸的液晶显示器41也不必另行制作模具，因此适于量产，价格低廉。

本发明设计精巧，在使用时将具有如下的优点：

a.本发明使用剖面的锯齿311高度小于50微米的菲涅尔透镜单元31构成阵列透镜30，在接收发光体21和聚光透镜221的光源后，可达成高亮度及亮度均匀的背光效果，省略了常用的导光柱和扩散片结构，不但亮度更高、节省成本，尤其厚度更薄，更具有不占空间、减低散热空间的优点；

b.本发明中阵列透镜30的菲涅尔透镜单元31的外形设置成正六角形或矩形，其中由正六角形的菲涅尔透镜单元31呈蜂窝状排列组成的阵列透镜30，能够具有最佳集光效率优势；而采用矩形状的菲涅尔透镜单元31呈矩阵或错位排列的阵列透镜30，则具有模具制作便利，价格低廉的优点；

c.本发明可在阵列透镜30的前方再设有一协助透镜40，能将光源导入后方成像光学系统的光圈范围内，使光源不致散失而造成浪费，尤其适合应用在抬头显示器或投影机等液晶显示器41的背光照明系统上。

以上所述仅是本发明的一个较佳实施例，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，包含在本发明专利申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，其特征在于，包括基座（10）、电路板（20）、聚光透镜组（22）和阵列透镜（30），所述基座（10）内设有容置空间，所述电路板（20）设于基座（10）的容置空间的底部，所述电路板（20）上设有复数个发光体（21），所述聚光透镜组（22）设于容置空间内并位于电路板（20）的上方，所述聚光透镜组（22）包括复数个聚光透镜（221），其中每个所述聚光透镜（221）对应每个所述发光体（21）设置，所述阵列透镜（30）设于基座（10）的容置空间的顶部并位于聚光透镜组（22）的上方，所述阵列透镜（30）包括复数个菲涅尔透镜单元（31），其中每个所述菲涅尔透镜单元（31）对应每个所述聚光透镜（221）设置，且所述菲涅尔透镜单元（31）剖面的锯齿（311）高度小于50微米。

2.根据权利要求1所述的一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，其特征在于，复数个所述发光体（21）均分别被聚光透镜（221）所包覆。

3.根据权利要求2所述的一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，其特征在于，所述聚光透镜（221）由硅胶材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，其特征在于，所述菲涅尔透镜单元（31）的外形呈正六角形，复数个所述菲涅尔透镜单元（31）呈蜂窝状排列。

5.根据权利要求1所述的一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，其特征在于，所述菲涅尔透镜单元（31）的外形呈矩形，复数个所述菲涅尔透镜单元（31）呈矩阵排列或错位排列。

6.根据权利要求4或5所述的一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，其特征在于，所述菲涅尔透镜单元（31）上设有圆对称的锯齿（311）结构。

7.根据权利要求1所述的一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，其特征在于，还包括液晶显示器（41），所述液晶显示器（41）位于阵列透镜（30）的上方，所述液晶显示器（41）用于接收阵列透镜（30）传来的光线。

8.根据权利要求7所述的一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，其特征在于，在所述液晶显示器（41）与阵列透镜（30）之间设有协助透镜（40）。

9.根据权利要求8所述的一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，其特征在于，所述协助透镜（40）为菲涅尔透镜。

10.根据权利要求1所述的一种具有方向性的薄型液晶显示器背光照明系统，其特征在于，所述发光体（21）为白光发光二级管。

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