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CN1219681A - 导光板及其制造方法、用该导光板的面光源和液晶显示装置 - Google Patents

导光板及其制造方法、用该导光板的面光源和液晶显示装置 Download PDF

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CN1219681A CN98121434A CN98121434A CN1219681A CN 1219681 A CN1219681 A CN 1219681A CN 98121434 A CN98121434 A CN 98121434A CN 98121434 A CN98121434 A CN 98121434A CN 1219681 A CN1219681 A CN 1219681A
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Abstract

提供导光板等,通过消减双面凸透镜片的枚数或不要该透镜片,降低制造成本,还可降低主光源的消耗功率或不要主光源。制成使用金属模由树脂成形的导光板1,在导光板1上部的一端形成外光取入部分1a,形成由多个双面凸单位透镜1f构成的第一透镜部分1e。双面凸单位透镜是凹或凸形状的三角柱棱镜。在125度至165度范围内形成三角柱棱镜的顶角。外光取入部分1a取入外光,把入射光的大部分最终从第一透镜部分1e作为有均匀方向性的合成光射出。

Description

导光板及其制造方法、用该导光板的面光源和液晶显示装置
本发明涉及导光板、使用该导光板的面光源、液晶显示装置和导光板的制造方法，更详细地说，涉及有取入来自太阳光和荧光灯等外光的外光取入部分的导光板，使用该导光板的液晶显示装置的背光用的面光源，用数字静象照相机和电视摄象机映出被摄体的液晶监视器等背光方式的液晶显示装置及其导光板的制造方法。
作为液晶显示装置的背光用的面光源，已知把透光性平板作为导光板的侧面光方式的面光源。在这种面光源中，从由透明的平行平板和断面楔形平板构成的导光板的侧端面的一方，入射来自荧光灯等光源的光，利用透光性平板内部的全反射，使光传播遍及至导光板的全域，把其传播光的一部分用导光板里面的光散射反射板构成不到临界角的扩散反射光，从导光板表面射出扩散光(实开昭55-16201)。
此外，已知把在一面有三角棱镜型双面凸透镜的突起，另一面为平滑面的透镜片，使突起面朝上重叠在上述面光源的导光板表面上，利用透镜的聚光作用，能够把该扩散放射光在期望的角度范围内各向同性地均匀扩散(实开平4-107201)。
在把这种透镜片与磨砂透明扩散板(磨砂透明片)组合使用的情况下，与单独使用磨砂透明扩散板的情况(美国专利第4729067号)相比，把光源的光能量重点分配在期望的限定角度范围内，并且在该角度范围内能够获得各向同性的均匀的强扩散光。
而且目前作为用于液晶显示装置的背光的高亮度对策，如图1所示，倾向于采用把双面凸透镜两片直角地重叠的结构(月刊：显示器，1996年5月号P35～P39)。
此外，为了把太阳光和室内光等外光作为辅助光源，已知在导光板的侧端面上设置外光取入部分的背光用的面光源，该外光取入部分的形状为断面圆弧状，构成一个柱面透镜(特开平5-11249)。
但是，在以往的液晶显示装置的面光源中，不仅存在视觉特性比较窄的问题，而且由于使用两枚双面凸透镜片，所以不仅该部分产生部件成本，同时由于必须把两枚双面凸透镜进行直角位置重合安装，所以存在产生很大的制造成本，使使用背光的制品变得昂贵的问题。此外，由于用数字静象照相机和电视摄象机映出被摄体的液晶显示装置自身的消耗功率非常大，所以即使控制其它电路系统的消耗功率，但作为照相机装置整体，难以实现有效地降低消耗功率，其结果，存在不能够实现使照相机装置使用时间长时间化的问题。
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供液晶显示装置和背光使用的面光源，配有该面光源的导光板，以及该导光板的制造方法，其中该液晶显示装置通过使双面凸透镜片的使用数达到一枚或不需要双面凸透镜片，可降低部件成本和制造成本，同时降低主光源消耗功率或可以不需要主光源。
为了实现上述目的，本发明第一方案的导光板用树脂一体地成形，配有取入外光的外光取入部分，和将从所述外光取入部分取入的外光射出的光射出面，其特征在于，在所述光射出面上，形成由多个凹或凸形状的双面凸单位透镜构成的第一透镜部分，所述第一透镜部分的多个双面凸单位透镜相互平行地排列在其棱线方向上，同时大致垂直于所述外光取入部分的纵轴方向。
本发明的第二方案的导光板的特征在于，在第一方案所述的导光板中，所述第一透镜部分的多个双面凸单位透镜的顶部角度为125度至165度。
本发明的第三方案的导光板的特征在于，在第一方案所述的导光板中，所述第一透镜部分的多个双面凸单位透镜的顶部角度在150度左右。
本发明的第四方案的导光板的特征在于，在第一方案至第三方案中的任一个方案所述的导光板中，在面对所述光射出面的光反射面上，配有由用与所述导光板相同的树脂成形的多个凹或凸形状的双面凸单位透镜构成的第二透镜部分，所述第二透镜部分的多个双面凸单位透镜相互略平行地排列在其棱线方向上，同时大致垂直于所述第一透镜部分的多个双面凸单位透镜的棱线方向。
本发明的第五方案的导光板的特征在于，在第四方案所述的导光板中，所述第二透镜部分的多个双面凸单位透镜的顶部角度为125度至165度。
本发明的第六方案的导光板的特征在于，在第四方案所述的导光板中，所述第二透镜部分的多个双面凸单位透镜的顶部角度在150度左右。
本发明的第七方案的面光源的特征在于，配有第一方案至第六方案中的任一个方案所述的导光板，和在所述导光板的外光取入部分、在所述光射出面和所述光反射面以外的至少一个面上安装的光源。
本发明第八方案的液晶显示装置的特征在于，配有第一方案至第六方案中的任一个方案所述的导光板或第七方案所述的面光源中的任一个，和在所述导光板的光射出面附近安装的液晶屏。
本发明第九方案的导光板的制造方法，是制造如第一方案至第六方案中的任何一个方案所述的导光板的方法，其特征在于，包括用金属模成形所述导光板的工序。
图1是以往的液晶显示装置的模式图。
图2是表示本发明的导光板的透视图。
图3是表示亮度分布特性的曲线图。
图4是表示视野角特性的曲线图。
图5是表示本发明的导光板的透视图。
图6是表示本发明的面光源的模式图。
图7是表示导光板的透视图。
图8是表示三角柱棱镜部分的断面形状的模式图。
图9是表示相对于棱镜节距的亮度分布特性变化的曲线图。
图10是表示配有本发明的面光源的液晶显示装置的模式图。
【实施例】
下面，参照附图详细说明本发明的实施例。
图7(A)和(B)是表示导光板的透视图，利用该图定义以下用语。
在图7(A)中，把以顶点ABC形成的三角形为底面的三角柱棱镜称为双面凸单位透镜，而在图7(B)中，把以顶点ABDEC形成的五角形为底面的五角柱棱镜称为双面凸单位透镜。但是，这里所示的双面凸单位透镜1f只是简单的例示，并不限于此，除此之外，圆柱、椭圆柱和多角形柱也可以。此外，在该图中，双面凸单位透镜1f仅示出了凸形状，但图中未示出的凹形状也可以。
把图7(A)和图7(B)中以顶点ABC形成的三角形为底面的三角柱的棱镜称为双面凸单位透镜的三角柱棱镜部分。
把图7(A)和图7(B)中的顶点A称为三角柱棱镜部分的顶部。
把图7(A)和图7(B)中点BAC构成的角度称为三角柱棱镜部分的顶部角度。
图8是表示三角柱棱镜部分的断面形状的模式图。
三角柱棱镜部分如图8(A)所示，期望是两等边三角形，但由于例如无论变为图8(B)所示的缺少顶部A的梯形状，或变为图8(C)所示的顶部A圆滑弯曲的形状，对导光板的性能基本上不产生影响，所以这些形状的棱镜都被包括在本申请的三角柱棱镜部分中。
图2是表示本发明的导光板的透视图。
1是导光板，制成使用金属模由树脂成形的导光板1，同时在导光板1的上部一端形成外光取入部分1a，此外形成由多个双面凸单位透镜1f构成的第一透镜部分1e。
第一透镜部分1e的双面凸单位透镜1f为三角柱棱镜，其棱线方向大致相互平行，排列成大致与外光取入部分1a的纵轴方向垂直。特别是三角柱棱镜的顶角，根据后述的计算结果，按125度至165度的范围制造。此外，如果三角柱棱镜的顶角在125度至165度的范围内，即使产生三角柱棱镜的大小、节距、高度和顶角的偏差和离散，也不会影响导光板的性能。如图9所示，可知即使棱镜的节距在10μm至1000μm的范围内变化，亮度分布特性也没有大变化。
外先取入部分1a取入作为主要光的太阳光和室内光等外光。该外光取入部分1a朝向图的上方向比第一透镜部分1e更突出，其结果，与以往的导光板比较，使外光取入面的表面面积变大。外光取入部分1a的形状为断面略扇形的形状，其前端为圆弧状的柱面透镜，利用该透镜效果，不仅高效率地取入来自正上方的外光，而且还高效率地取入来自侧面或斜上下方的外光。但是，外光取入部分1a并不限于为扇形状的柱面透镜，例如不形成透镜的平坦形状也可以。
1c是光入射面，如以下说明，入射从略平行地靠近光入射面1c设置的光源(图中未示出)照射的光。但是，在两个侧面1b的一面或两面配置光源以其作为光入射面也可以。
1d是光反射面，为了防止光泄漏提高反射效率，在树脂成形的同时，还形成略呈圆锥凹状的多个圆锥体，在树脂成形后进行的点状印刷之后，安装铝等反射板(图中未示出)。
利用上述导光板，把从第一透镜部分1e、外光取入部分1a和光入射面1c入射的光用光反射面1d和导光板1的两个侧面1b反射，入射光的大部分最终从第一透镜部分1e作为有均匀方向性的合成光射出。再有，在该侧面1b上，为了防止光的泄漏，装有白色胶带等防止泄漏部件。
作为导光板1的材料，可从透光性材料中选择，通常使用丙烯基或聚碳酸酯树脂。导光板的形状为平行平板和断面楔形平板，其厚度通常为1～10mm左右。
此外，作为其它透光性材料，可使用聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸甲基等的丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯等的单独或共重合体、聚对苯二甲酸乙二酯、聚丁烯对苯二酸酯等的聚酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丁烯等可热塑性树脂、或紫外线或电子射线交联的多官能的聚氨丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯等的丙烯酸酯、不饱和聚酯等透明树脂、透明玻璃、透明陶瓷等。
下面，参照图2说明本发明的导光板的动作。
利用导光板1的外光取入部分1a，使来自室外的太阳光或来自室内的荧光灯等外光高效率地入射。此外，在点亮光源的情况下，用光反射面1d和导光板1的两个侧面1b反射由光入射面1c入射的来自光源的光和从外光取入部分1a取入的外光，朝向有聚光作用的第一透镜部分1e方向导入的扩散放射光在期望的角度范围内作为有均匀方向性的合成光从第一透镜部分1e射出。因此，在把配有本发明的导光板的液晶显示装置使用于用数字静象照相机和电视摄象机映出被摄体的液晶监视器的情况下，在不必点亮光源的程度下，能够进行充分的照明，其结果，使实现各种照相机装置自身的消耗功率降低变为可能。
图3是表示本发明的导光板的亮度分布特性的曲线图。
横轴用100％表示导光板的长度，用百分率表示导光板距灯的位置，值0的位置为距灯最近的导光板的端面位置，另一方面，值100的位置为距灯最远的导光板的端面位置。
纵轴不表示单位，而表示亮度，值越大就意味着越亮。
图3所示的亮度分布特性曲线是采用美国ORA公司开发的光学设计评价软件CODEV分析导光板的亮度分布特性的曲线，作为评价参数，从灯照射的光的波长为600nm，作为导光板的材料使用有代表性的折射率1.49的PMMA，在把三角柱棱镜的顶角按90°、120°、135°、150°、165°和平面(即没有三角柱棱镜)变化的情况下，表示亮度分布特性的模拟结果。
从图中可明显判定，与以往的导光板一起使用的透镜片的顶角为从90°至120°的亮度分布特性，即使与平面的情况比较也处于较劣状态，而与以往的从90°至120°的亮度分布特性比较，从135°至165°的亮度分布特性被大幅度地改善。能够容易地理解，从135°至165°的特性改善特别显著，特别是在150°附近，表现出亮度分布特性的峰值效果。但是，即使光的波长和导光板材料的折射率有些改变，对这里判明的亮度分布特性影响不大。
图4表示视野特性的曲线。
横轴表示相对于导光板的视野角度，值0(图中未示出)意味着相对于导光板的垂直方向，此外，值90意味着相对于导光板的水平方向。
纵轴不表示单位，而表示亮度，值越大就意味着越亮。
图4所示的视野特性曲线是与上述同样采用CODEV分析的导光板视野特性曲线，作为评价参数，从灯照射的光的波长为600nm，作为导光板的材料使用有代表性的折射率为1.49的PMMA，在把三角柱棱镜的顶角按90°、120°、125°、135°、150°、165°和平面(即没有三角柱棱镜)变化的情况下，表示亮度分布特性的模拟结果。
从图中可明显判定，比较与以往的导光板一起使用的透镜片的顶角为90°的视野角特性和为120°的视野角特性时，从90°至120°的情况构成非常差的结果，而另一方面，与以往的90°的视野角特性比较，从125°至165°的视野角特性被极大地改善，容易理解出现的峰值效果。
本申请人摆脱了以往的透镜片的顶角范围为90°至120°的固定观念，独自进行导光板的基础光学设计模拟的结果，发现视野角特性在125°至165°的范围内被大幅度地改善，根据该结果，提出了全新的导光板的建议。
图5是表示本发明的导光板的透视图。但是，对于已经说明的结构要素附以相同的序号，并省略说明。
在制备使用金属模由树脂成形的导光板1的同时，在导光板1上形成由用与导光板1相同的树脂成形的多个双面凸单位透镜1f构成的第一透镜部分1e和第二透镜部分1g。
第二透镜部分1g的双面凸单位透镜1f与第一透镜部分1e一样为三角柱棱镜，其棱线方向大致相互平行，排列成与外光取入部分1a的纵轴方向大致平行(即大致与第一透镜部分1e的双面凸单位透镜1f的棱线方向垂直)，三角柱棱镜的顶角制成在125度至165度的范围内。此外，如果三角柱棱镜的顶角在125度至165度的范围内，即使三角柱棱镜的大小、节距、高度和顶角产生偏差和离散，也不会影响导光板的性能。
此外，在第二透镜部分1g的下面，利用铝蒸发等进行反射面处理(图中未示出)，以便光不能透过。
下面，用图5说明本发明的导光板的作用。
利用导光板1的外光取入部分1a，高效率地入射来自室外的太阳光或来自室内的荧光灯等的外光。此外，在点亮光源的情况下，用第二透镜部分1g的下面和导光板1的两个侧面1b反射由光入射面1c入射的来自光源的光和从外光取入部分1a取入的外光。此时，第二透镜部分1g有使导光板1内的光均匀化的作用，把扩散的光导向第一透镜部分1e的方向。
而且，利用第二透镜部分1g向有聚光作用的第一透镜部分1e的方向导入的扩散放射光，在期望的角度范围内作为有均匀方向性的合成光从第一透镜部分1e射出。因此，在把配有本发明的导光板的液晶显示装置作为用数字静象照相机和电视摄象机映出被摄体的液晶监视器等使用的情况下，在不必点亮光源的程度下，能够进行充分的照明，其结果，使实现各种照相机装置自身的消耗功率的降低变为可能。
图6是表示本发明的面光源的模式图。
2是面光源，由本发明的导光板1、荧光管等光源3和各种控制电路(图中未示出)等构成。在该控制电路中，还包括例如检测从导光板1的光射出面射出的光的总量，调整供给光源3的功率使射出光量变得最佳的电路。
从光源3射出的光由反射体4反射从导光板1的光入射面1c进入导光板1的内部，此外，自然光等外光从导光板1的外光取入部分1a进入导光板1的内部，用在光反射面1d下部安装的反射板5或第二透镜部分1g和侧端面1b反复进行反射聚光，从导光板1的第一透镜部分1e向扩散板6射出。而且，向扩散板6入射的光，利用扩散板6和透镜片7在期望的角度范围内各向同性地均匀扩散，从透镜片7射出。但是，根据用途，从本面光源2中除去荧光管和控制电路(图中未示出)等，构成仅取入外光类型的面光源也可以，除去扩散板6和透镜片7也可以。
图10是表示配有本发明的面光源的液晶显示装置的模式图。
在图10(A)的液晶显示装置中，表示外光取入部分向光射出方向比液晶屏9的显示面更突出，另一方面，在图10(B)的液晶显示装置中，表示外光取入部分向光射出方向不比液晶屏9的显示面更突出。这两类液晶显示装置在外光取入效果上都是优良的，但图10(B)的液晶显示装置由于外光取入部分不比液晶屏9的显示面更突出，所以不仅防止了该外光取入部分本身的损伤和使用者的受伤，还不损害设计上的自由度。
8是液晶显示装置，由液晶屏9和本发明的面光源2构成。从上述面光源2各向同性地均匀扩散并射出的光被导入液晶屏9。但是，从面光源2除去光源3，仅利用来自导光板1的外光的液晶显示装置也可以。
此外，在本发明的导光板的制造方法中，包括加工第一透镜部分1e的微细图形的金属模，和使用加工第一透镜部分1e和第二透镜部分1g的微细图形的金属模，成形上述导光板的工序，在成形的同时形成用与导光板相同的树脂成形的多个双面凸单位透镜。
如以上说明，按照本发明的导光板的制造方法，由于在进行用金属模成形导光板的工序的同时，还在导光板上形成外光取入部分和不需要以往的双面凸透镜片的由多个双面凸单位透镜构成的第一透镜部分，所以使大幅度地消减制造成本成为可能。
按照本发明的导光板，由于形成已经由多个双面凸单位透镜构成的第一透镜部分和外光取入部分，所以可消减以往必要的双面凸透镜片的使用枚数或不要该透镜片，其结果使大幅度地降低制造成本成为可能，而且，使高效率地从外光取入部分取入作为主要光的太阳光和室内光等外光成为可能。
按照本发明的面光源和液晶显示装置，由于使用上述导光板，所以可大幅度地消减部件成本，此外，由于高效率地从外光取入部分取入外光，所以在达到一定射出光量的情况下，不仅可降低供给光源的功率，而且根据用途，还可不需要光源。
此外，按照本发明的液晶显示装置，由于导光板的外光取入部分不比液晶屏的显示面更突出，所以使造成装置使用者受伤的主要因素变少，能够确保安全性，而且能够防止该外光取入部分本身的损伤，保持设计上的自由度。

Claims (9)

1．一种导光板，用树脂一体地成形，该导光板配有：取入外光的外光取入部分，和将从所述外光取入部分取入的外光射出的光射出面，其特征在于，在所述光射出面上，形成有由多个凹或凸形状的双面凸单位透镜构成的第一透镜部分，
所述第一透镜部分的多个双面凸单位透镜相互大致平行地排列在其棱线方向上，同时与所述外光取入部分的纵轴方向大致垂直。
2．如权利要求1所述的导光板，其特征在于，所述第一透镜部分的多个双面凸单位透镜的顶部角度为125度至165度。
3．如权利要求1所述的导光板，其特征在于，所述第一透镜部分的多个双面凸单位透镜的顶部角度在150度左右。
4．如权利要求1至权利要求3中任一项所述的导光板，其特征在于，在面对所述光射出面的光反射面上，配有由用与所述导光板相同的树脂成形的多个凹或凸形状的双面凸单位透镜构成的第二透镜部分，所述第二透镜部分的多个双面凸单位透镜相互略平行地排列在其棱线方向上，同时与所述第一透镜部分的多个双面凸单位透镜的棱线方向大致垂直。
5．如权利要求4所述的导光板，其特征在于，所述第二透镜部分的多个双面凸单位透镜的顶部角度为125度至165度。
6．如权利要求4所述的导光板，其特征在于，所述第二透镜部分的多个双面凸单位透镜的顶部角度在150度左右。
7．一种面光源，其特征在于配有如权利要求1至权利要求6中任一项所述的导光板，和在所述导光板的外光取入部分、所述光射出面和所述光反射面以外的至少一个面上安装的光源。
8．一种液晶显示装置，其特征在于，配有：权利要求1至权利要求6中任一项所述的导光板或权利要求7所述的面光源中的任一个，知
在所述导光板的光射出面附近安装的液晶屏。
9．一种导光板的制造方法，制造如权利要求1至权利要求6中任一项所述的导光板，其特征在于，包括用金属模成形所述导光板的工序。
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