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CN1839280A - 面光源装置 - Google Patents

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CN1839280A
CN1839280A CNA200480024113XA CN200480024113A CN1839280A CN 1839280 A CN1839280 A CN 1839280A CN A200480024113X A CNA200480024113X A CN A200480024113XA CN 200480024113 A CN200480024113 A CN 200480024113A CN 1839280 A CN1839280 A CN 1839280A
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diffusing
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原田隆正
北文雄
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AZ Electronic Materials Japan Co Ltd
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Abstract

面光源装置包括：单个点光源构成的发光单元(11)和光导板(12)，其中反射面(13)是在光导板的背面，并且还有棱镜图形(15)。定向光漫射膜(14)至少是由两个不同折射率的光散射/透射物相构成，其中有较高折射率的一个物相包含大量柱状结构区，柱状结构是沿薄膜的厚度方向延伸，并以5－60°的角度相对于薄膜法线方向倾斜，定向光漫射膜(14)安排在光导板(12)的光输出面上，因此，定向光漫射膜的散射方向变成不均匀亮度的方向。特别是从倾斜方向观看时，亮度的不均匀性变得不明显，而在屏幕的正前方向上可以确保光的高效率明亮照射。

Description

面光源装置
技术领域
[0001]本发明涉及面光源装置，具体涉及用作图像显示装置，例如液晶显示装置等中的后照光的面光源装置。
背景技术
[0002]面光源装置通常用在液晶显示装置中以照明显示屏，例如，液晶显示装置。这些面光源装置一般包括：发光单元，光波导，反射器，棱镜片等。现在参照附图描述常规的面光源装置。图1和图2是常规面光源装置例子的示意剖面图，它包括：发光单元1，光波导2，反射器3，光漫射膜4，和棱镜片5。在图1的面光源装置中，发光单元包括：发光二极管(LED)，它是点光源，或冷阴极荧光管，它是线光源(例如，参阅Japanese Patent No.2001-143512)。近年来，由于需要较小的装置和较低的功率消耗，诸如发光二极管的点光源已作为移动电话内的小型和中型尺寸液晶显示元件的光源，采用多个发光二极管的装置可以确保来自点光源的光变得较为均匀，这在本技术领域中是众所周知的(例如，Japanese Patent No.2001-281456)。在这些类型装置中，发光单元1放置成面向光波导2的端面(光入射的表面)。光波导2是由高折射率的透明树脂制成，例如，聚碳酸酯树脂和偏丙烯酸树脂(metacrylic resin)。在需要时，光波导的后表面(下表面)2b有漫射图形，例如，漫反射油墨的打印点，或被处理成不均匀表面。反射器3有反射面，它包括高折射率的铝，银等，利用附图中没有画出的双面胶带，反射器的两个端面粘接到光波导的后表面。通过直接真空沉积到光波导的反向表面2b，可以制成铝，银等的反射面，因而可以省略反射器。棱镜片5也是这样安排的，具有三角形断面的棱镜图形设置在光波导2的光输出面2a上互相平行，棱镜图形放置成远离图1所示面光源装置中的光波导，和面向图2所示面光源装置中的光波导。
[0003]在这些常规面光源装置中，在从光波导的上表面2a或后表面2b反射之后，或完全没有反射，从发光单元1输出的光被设置在光波导以下的反射器或漫射图形向上漫射。按照光学方法设计棱镜的角度，漫射图形的不均匀角度，漫反射油墨的打印点，可以确保亮度是沿表面方向增大，和整个表面被会聚到其他表面上极其狭窄角的光均匀地照明，这是利用光到达棱镜片上的棱镜会聚效应。
[0004]然而，虽然在常规发光单元中采用诸如芯片型LED的发光二极管作为点光源，但是如图3所示，这种类型发光二极管有方向性，它从发光二极管11的点光源中以0°角直接向下的光给出最强的光并到达最远。在0°角两侧以30°角和60°角射出的光是弱的，并且不能到达很远，因此，均匀光的范围是伸长的椭圆图形11a。由于这个原因，在利用具有方向性的发光二极管作为光源时，例如，芯片型LED，采用图4(a)所示有微棱镜12m的光波导，可以均匀从面光源装置中输出的光量，这些微棱镜形成同心圆的图形P中心是在图4(b)所示的点光源11上。这意味着，从点光源输出的光轴和微棱镜的图形P在每个方向上互相成90°角，并且在光波导中心和边缘上的光被相同密度的微棱镜反射，与常规的装置比较，可以提高输出光的亮度和照明的均匀性。不是提供有微棱镜的后表面或由漫反射油墨打印点形成的漫射图形，或把它处理成不均匀的表面，通过形成有微棱镜的光学薄膜或反射器与光波导之间的这些漫射图形，可以得到相同的效应。使反射器的反射面制成漫射图形或类似于微棱镜的不均匀表面，也可以得到类似的效应，例如，这是在Japanese Patent No.2003-100129中所建议的。然而，即使在这种情况下，仍然存在这样的困难，从诸如发光二极管11的点光源输出的光具有图3所示方向性，虽然面光源装置中心部分的光是明亮的，四个角是黑暗的，尤其是在左上角和右下角。为了克服这个困难，有人曾建议把点光源11放置在光波导的角12c上，如图5所示，或放置在同心圆图形P的中心或在光波导角的邻近，例如，这是在Japanese Patent No.2001-143512中所建议的。
[0005]现在，在利用面光源装置时，它采用这种类型点光源作为液晶屏的后照光，液晶显示屏上的有效可视角通常是在30°(±15°)左右。然而，在图1所示的面光源装置或图2所示的面光源装置中，因为点光源有图3中实线11a所示方向性，从棱镜图形中输出光的方向性容易造成径向图形的光不均匀性，从倾斜方向上看到的亮度不均匀性尤其明显。在采用单个点光源而不是多个点光源的情况下，这是特别明显的。因此，通过增大点光源的数目，在某种程度上可以解决亮度不均匀性的问题。然而，增大点光源的数目产生增加成本和功率消耗的问题。因此，理想的是使用这样的面光源装置，其中在从倾斜方向观看时，单个点光源不会造成这种不均匀性。这同样适用于在光波导和反射器上有同心圆棱镜图形的面光源装置，如图4和图5所示。
[0006]因此，本发明的目的是提供一种采用单个点光源作为光源的面光源装置，该装置能够有效地输出光，其亮度有很小的不均匀性，特别是从倾斜方向观看显示屏时，它有很小的亮度不均匀性，此外，在从屏幕正前方观看时，它很明亮。
发明内容
[0007]我们已经详细地研究了困难，本发明者发现可以按照这样方法解决这个困难，具有方向性的光漫射膜放置在所述光波导的光输出面附近。此处所述的方向性是指漫射角度与该方向不同，且通过使光漫射片的漫射方向合适地对应于发生亮度不均匀性的方向，可以防止亮度的不均匀性。
[0008]换句话说，本发明涉及以下(1)-(7)中列举的面光源装置。
(1)在有点光源构成发光单元和光波导的面光源装置中，反射面是在光波导的相反侧面并且还有棱镜图形，面光源装置的特征是，漫射和允许光透射的定向光漫射膜包括有不同折射率的两个物相(phase)，除了较高折射率的物相包含沿薄膜厚度方向延伸的多个柱状结构区以外，还有相对于薄膜法线方向以大于5°和小于60°角倾斜的所述柱状结构，它设置在光波导的光输出面附近，使定向光漫射膜的漫射方向是在与亮度不均匀方向相同的方向。
[0009](2)按照权利要求(1)的面光源装置，其特征是，利用含直径为0.1-50μm微粒的光漫射粘合剂，所述定向光漫射膜粘接到所述光波导或有棱镜图形的棱镜片。
[0010](3)按照权利要求(2)的面光源装置，其特征是，所述光漫射粘合剂包含直径在1-100nm范围内的微粒，其折射率等于或大于1.8。
[0011](4)按照权利要求(2)和(3)的面光源装置，其特征是，所述光漫射粘合剂的折射率等于或大于1.55。
[0012](5)按照权利要求(1)-(4)中任何一个的面光源装置，其特征是，所述柱状结构有这样的结构，其折射率是沿所述柱状结构的轴线逐渐变化。
[0013](6)按照权利要求(1)-(5)中任何一个的面光源装置，其特征是，所述发光单元放置成面向光波导端面的中心，所述定向光漫射膜的漫射方向平行于另一个端面。
[0014](7)按照权利要求(1)-(6)中任何一个的面光源装置，其特征是，所述发光单元放置成面向光波导的倾斜端面，所述定向光漫射膜的漫射方向以倾斜角指向发光单元。
附图说明
[0015]
图1是常规面光源装置例子的示意剖面图。
图2是另一个常规面光源装置例子的示意剖面图。
图3是点光源辐照强度的分布曲线图。
图4是一个常规面光源装置例子的示意剖面图和平面图，其中点光源放置在光入射到光波导端面的中心。
图5是常规面光源装置的结构图，其中点光源放置在光入射到光波导的倾斜端面。
图6是本发明面光源装置例子的示意剖面图。
图7是另一个本发明面光源装置例子的示意剖面图。
图8是另一个本发明面光源装置例子的部分示意剖面图。
图9是另一个本发明面光源装置例子的部分示意剖面图。
图10是本发明中所用定向光漫射膜的部分示意剖面图。
图11是沿光轴的光透射特性曲线图，其中散射发生在定向光漫射膜中。
图12是沿光轴的光透射特性曲线图，其中散射发生在定向光漫射膜中，该光漫射膜组合定向光漫射膜和光漫射粘合剂层。
图13是第一个实施例面光源装置的示意平面图，其中点光源放置在光波导的中心。
图14是第二个实施例面光源装置的示意剖面图。
图15是第六个实施例面光源装置的部分示意剖面图。
图16是第七个实施例面光源装置的部分示意平面图。
图17是通过图16中直线B-B的剖面图。
具体实施方式
[0016]现在参照附图更详细地描述本发明。图6是本发明面光源装置(后照光)实施例的示意剖面图，图6中的面光源装置包括：点光源构成的发光单元11，光波导12，反射器13，其反射面是在光波导的后表面上，和有定向光漫射膜14和棱镜图形的棱镜片15，它们是这样设置的，所述定向光漫射膜的散射方向是在与亮度不均匀性方向相同的方向。图7是本发明另一个实施例面光源装置的示意剖面图。在图7中，借助于光漫射粘合剂层16，图6中面光源装置的定向光漫射膜14粘接到光波导12。图8和图9是本发明另一个实施例面光源装置的部分示意剖面图。在图8和图9中，棱镜图形P是在光波导12的下表面12b上。当棱镜图形P是在光波导的下表面12b上时，可以省略棱镜片15。此外，如图9所示，真空沉积金属的反射层18是在光波导的后表面(下表面)上，并可用作反射面。应当注意，在图7-9中省略与图6中相同部分的描述。现在更具体地描述本发明面光源装置中的发光单元，光波导，反射器，定向光漫射膜，棱镜片等。
[0017]首先，诸如液晶显示装置的图像显示装置中发光单元可以是任何类型的发光单元，只要它是可用作常规后照光光源的点光源11。所用的发光二极管(LED)可以包括各种材料，例如，GaP，GaAlAs，和InGaAlP及其变体。在本发明中，发光单元是由单个LED灯构成的点光源。如图4和图5所示，点光源11通常放置在光入射到光波导端面12e的中心或斜角12c上，并且它面向光入射到光波导12的表面。
[0018]光波导12是板状构件，它包含高折射率的透明材料。用作常规光波导材料的任何材料适用于光波导结构的材料，但是从其透明度和折射率观点考虑，聚碳酸酯树脂和偏丙烯酸树脂是特别优选的。光波导的配置也可以类似于常规光波导的配置，在需要时也可以形成光波导的后表面(下表面)12b，其中有非均匀结构或打印漫射图形12d。此外，如图8所示，棱镜图形P是在光波导12的下表面，这意味着光波导内传输的光被反射，并可以安排成光从面光源装置的输出面输出。棱镜图形也可以形成在光波导的上表面。
[0019]可以利用任何类型的反射器，只要它是光反射型反射器。优选类型的反射器包括：诸如铝箔的金属片，金属板或合成树脂片，或具有真空沉积金属的薄片，在薄板或薄片上可以形成银，铝的光反射面，但是不限于这些材料，可以利用任何类型反射器作为常规面光源装置中的反射器。在需要时，白漫射板也可用作反射器。此外，如图9所示，利用白漫射板形成反射膜就不需要反射器，反射层18是由真空沉积到光波导后表面上的金属层构成。
[0020]图10表示定向光漫射膜14的部分示意剖面图，在本发明面光源装置中使用时，它代表本发明的主要特征。定向光漫射膜14是漫射和允许光透射的光漫射膜，包括：两个不同折射率的物相21，22，较高折射率的物相包含多个柱状结构区22，柱状结构是沿与薄膜厚度倾斜的方向延伸。定向光漫射膜14放置在所述光波导12的顶部。在棱镜片15用于本发明面光源装置的情况下，定向光漫射膜14可以设置在棱镜片15与光波导12之间，并且还可以设置在棱镜片15上。
[0021]现在参照图10和图11解释发生在这个定向光漫射膜中的光漫射现象。图10是通过定向光漫射膜光漫射轴的剖面图。图11是光的直线光透射率曲线图，其中与图10所示定向光漫射膜的光漫射轴角度发生变化。在图10中，较高折射率区的柱状结构22形成圆柱形。在这个定向光漫射膜14中，有较高折射率和直径接近于光波长的柱状区22形成在聚合物薄膜21中，它与薄膜表面成一角度。这些高折射率柱状区22的功能是形成柱状透镜，因此，在高折射率柱状区22与低折射率区21之间界面处的折射率是逐渐变化的。在图10所示的定向光漫射膜14中，当光以相对于柱状结构轴不断增大的倾斜角入射时，它相对于薄膜14的入射角向着曲线图的左侧增大(沿图11中的正方向增大)，光的漫射减小和透射率增大。另一方面，当光的入射角接近于柱状结构的轴时(沿图11中的负方向增大)，光的漫射增大和透射率减小。当的入射角进一步接近于柱状结构轴线时，透射率恢复；当入射角通过柱状结构的轴时，透射率恢复，而在减小之后重新恢复漫射。在图11中，定向光漫射膜中的漫射在-40°与-20°之间沿一个方向的漫射有最大值，利用诸如定向光漫射膜折射率，柱状结构直径，薄膜厚度，和柱状结构倾斜角的因素，可以合适地控制这个定向光漫射膜的最大漫射角。在本发明的面光源装置中，柱状结构轴相对于薄膜厚度方向的倾斜角通常是在5°-60°之间，最好是在10°-50°之间，更好的是在20°-40°之间。
[0022]如以上所描述的，在图11和图12所示的定向光漫射膜中，虽然光相对于薄膜表面的入射角在0°-60°之间的透射基本上没有漫射，而在-40°与-20°角之间发生光的漫射。这是一个非常特别的光学特性，利用这个特性可以消除使用点光源的面光源装置中亮度不均匀性。换句话说，通过漫射沿倾斜方向输出的光，其中在沿倾斜方向观看图像显示装置时，可以看到来自点光源光的不均匀性，和通过确保定向光漫射膜的漫射角宽广地匹配可能发生光不均匀性的倾斜观察角，可以消除在倾斜角观看时光的不均匀性。
[0023]应当注意，可以规定AOV(视角)作为光漫射的参数。AOV越小，漫射特性就越小，可以看到光是透射光。实验上，当激光被引导到薄膜上时，通过旋转发光单元180°角可以测量光强。AOV的定义是光强分布的半宽度角。图10和图11所示光漫射膜沿垂直方向的AOV小于5°，它表示直线光透射率大于10％，具有很小的漫射。沿0°方向的AOV和直线光透射率很容易随定向光漫射膜中高折射率区与聚合物薄膜中低折射率区之间的折射率差，柱状结构的密度和直径而变化。此外，还可以根据需要随定向光漫射膜中高折射率区与聚合物薄膜中低折射率区之间折射率差，柱状结构直径，薄膜厚度，和相对于柱状结构轴的倾斜角，还可以控制最大漫射角。
[0024]光漫射膜中柱状结构的尺寸没有限制，最好是，它的直径范围是在10nm至100μm之间。光漫射膜的厚度也没有限制，通常是，它的厚度范围是约在2μm至100μm之间。此外，柱状结构的形状不限于圆状性，也可以是椭圆或其他形状，且这些形状的尺寸也没有限制。此外，每个柱状结构可以是有规则或无规则地排列。
[0025]在制造光漫射膜中柱状结构的方法中没有特别的限制，它可以选自现有的任何常规方法，但是，优选的方法是一种有选择地辐照辐射敏感聚合物薄膜以形成有高折射率的柱状结构。在辐照聚合物薄膜之前，它可以是预聚物或单体，如果需要，在利用诸如加热方法的辐照之后，可以使它聚合成聚合物。此时，该优选方法是这样一种方法，其中利用有预设角度的辐射通过制成图形的掩模照射辐射敏感聚合物薄膜，利用这种方法，可以在柱状结构与基片薄膜之间的界面上形成有逐渐变化折射率的柱状结构。制成掩模的方法可以是常规使用的任何方法。作为形成柱状结构的另一种方法，辐射光束以设定角度辐照到辐射敏感聚合物薄膜上，其中仅仅所需的部分被曝光，因此，可以使辐射敏感聚合物薄膜直接地进行聚合而不使用掩模。还有另外一种方法，其中利用激光束或其他方法使孔径形成聚合物薄膜上，此后，高折射率材料填充到该孔径中。辐射敏感聚合物薄膜的材料没有具体的限制，但是，它可以采用商品化材料，例如，DuPont的OMNIDEX(注册商标)，商品名是HRF 150和HRF 600。
[0026]包含聚合物薄膜基片材料的低折射率区21折射率和高折射率区22折射率不受本发明的限制，它可以选取为适合于所需的光漫射特性。但最好是在1.2-1.8的范围内，更好的是在1.35-1.8的范围内。由于色彩效应，双折射率是不理想的，但具有双折射率的材料可用在双折射率是在可接受范围内的情况。优选的是，基片聚合物薄膜和高折射率区的实际材料有高的光透射率。聚合物薄膜基片材料的折射率与高折射率区的折射率之差通常设置在0.005-0.2的范围内。在折射率小于0.05的情况下，不容易获得合适的漫射特性。较优选的是，折射率差是在0.005-0.1的范围内。聚合物薄膜基片和高折射率区的折射率可以是所谓的阶跃折射率型，它在两个物相之间界面处发生快速的变化，但是形成折射率逐渐变化柱状结构的所谓阶跃折射率型是优选的，因为它具有所需的漫射特性。
[0027]所述光漫射膜的三个主要特征可以总结为如下：
(1)定向光漫射膜至少包括两个不同折射率的物相，它漫射和透射光，以及有透镜型的柱状结构，最好是其折射率是逐渐变化的。
(2)所述定向光漫射膜中较高折射率的物相是相对于薄膜厚度方向倾斜5-60°的柱状结构，它是以上(1)中引用的光学薄膜，其中沿所述薄膜法线方向的透射率大于10％。
(3)与所述薄膜厚度方向成5-60°倾斜的柱状结构中各个轴各个互相平行。
笫(2)项是特别必要的特征，以保证光沿垂直方向输出而不妨碍由光波导和棱镜片收集的光的会聚。
[0028]现在描述本发明中使用的光漫射粘合剂，它包含直径为0.1-50μm的微粒。在本发明中，光漫射粘合剂可以使光漫射膜与光波导粘接在一起，并利用它形成光漫射粘合层16，其中光在光漫射膜与光波导之间均匀地漫射。这种类型光漫射粘合剂可以利用本领域熟知的常规方法制成，且通常是在制成的粘合剂基片树脂内包含填充剂。
[0029]光漫射粘合剂的基片树脂例子包括：聚酯树脂，环氧树脂，聚氨酯树脂，硅树脂，丙烯酸树脂，等等。这些树脂可以是单独使用或构成两种或多种树脂的复合物。丙烯酸树脂具有可靠的防水，防热和防光性能，它有良好的粘接本领和透明度，且特别容易调整它的折射率以适应液晶显示器。丙烯酸粘合剂的例子包括：丙烯酸及其酯，偏丙烯酸及其酯，丙烯酰胺，丙烯单体的均聚物，例如，丙烯腈或其共聚物，以及所述丙烯单体和芳族乙烯单体中至少一种的共聚物，例如，醋酸乙烯酯，无水马来酸和苯乙烯。具体地说，在主要单体中，例如，乙烯丙烯酸酯，丙烯酸丁酯，丙烯酸-2-乙基己酯具有粘合性质，诸如醋酸乙烯酯，丙烯腈，丙烯酰胺，苯乙烯，偏丙烯酸酯，和甲基丙烯酸的单体作为粘合成分，包括功能单体的共聚物，例如，偏丙烯酸，丙烯酸，衣康酸，羟基乙基丙烯酸，羟基丙基偏丙烯酸，二甲基氨基乙基偏丙烯酸，丙烯酰胺，羟甲基丙烯酰胺，缩水甘油偏丙烯酸(glycidyl metacrylate)，脱水马来酸可以进一步提高粘接性并提供桥键的起始点，Tg(玻璃转变点)是在-60°与-15°之间，加权平均分子量在200,000与1,000,000之间的化合物是优选的。
[0030]与此同时，作为光漫射粘合剂的硬化剂，诸如金属螯合物，异腈酸盐和环氧树脂的桥键化合物根据需要可以单独使用或在两种或多种的化合物中使用。在包含以下描述的填充剂时，最好是混合这种丙烯酸粘合剂，使它的粘合力是在100-2000g/25mm的范围内。利用粘合力小于100g/25mm抗环境影响是不利的，特别是在高温和高湿度下可以发生分离的危险，而在粘合力大于2000g/25mm的情况下，缺点是不能去除和重新固定薄膜，或者是粘合剂仍保留在背后。丙烯酸粘合剂的折射率最好应当是在1.45-1.70的范围内，更好的是在1.5-1.65的范围内。
[0031]包含在光漫射粘合剂结构中用于漫射光的填充剂例子包括：白色无机颜料，例如，二氧化硅，碳酸钙，碳酸氢铝，碳酸氢镁，粘土，滑石，和二氧化钛，以及透明或白色有机颜料，例如，丙烯酸树脂，聚苯乙烯树脂，环氧树脂，和硅树脂。在选取丙烯酸粘合剂时，硅珠，环氧树脂珠是优选的，因为它们相对于丙烯酸粘合剂具有优良的散布能力，可以实现均匀和高质量的光漫射。填充剂的形状最好是圆形，它可以均匀地漫射光。
[0032]这种填充剂微粒的直径应当是在0.1-50μm的范围内，最好是在0.1-20μm的范围内，更好的是在0.5-10μm的范围内。0.1-10μm的范围是特别优选的。若微粒的直径小于0.1μm，则填充剂没有理想的效应，它不利于光的漫射，且图像的背景容易变成轻微的铝色。与此同时，需要尽可能精细地散射光以确保白纸质量；若微粒的直径大于50μm，则颗粒太粗糙，使图像的背景呈现毛面光洁度，从而降低白纸效应并使图像的对比度退化。
[0033]本发明中填充剂折射率与粘合剂折射率之差需要在0.05-0.5之间的范围内，最好是在0.05-0.3的范围内。若折射率之差小于0.05，则不发生光的漫射，不能得到满意的白纸效应。此外，若折射率之差大于0.5，则内部漫射太大，使总体光透射率退化，不能得到白纸效应。此外，填充剂的折射率最好小于粘合剂的折射率，因为它容易调整和提高生产率。
[0034]包含在粘合剂基片树脂中的填充剂数量最好是在重量百分比为1-40％的范围内，更好的是在重量百分比为2-20％的范围内。若填充剂的重量百分比小于1％，则很难使填充剂实现漫射光的效应，且光的漫射退化，使它很难在宽广的视角下实现改进的屏幕亮度和可见度。与此同时，若所含填充剂数量的重量百分比大于40％，则光漫射层的粘接能力下降，且很容易剥离，其危险性是耐久性下降，它不能完成作为光漫射层的功能。
[0035]包含在光漫射膜中的最佳填充剂是具有良好透明度的塑料珠，它与基质树脂折射率之差在上述范围内是优选的。这种优选型塑料包括：蜜胺珠(折射率为1.57)，丙烯酸珠(折射率为1.49)，丙烯苯珠(折射率为1.54)，聚碳酸酯珠，聚乙烯珠，和氯乙烯珠。还可以使用无机填充剂，例如，二氧化铈(CeO2，折射率为1.63)。在二氧化铈的情况下，可以得到直径为5nm左右的微粒，但如以上所解释的，直径在0.1μm-50μm范围内的微粒是最佳的选择。
[0036]在比较填充剂的折射率时，其中所用树脂的折射率是低的，具有较高折射率的微粒，例如，无机微粒TiO2(折射率为2.3-2.7)，Y2O3折射率为1.87)，La2O3(折射率为1.95)，ZrO2(折射率为2.05)，其颗粒直径是在1-100nm的范围内，最好是在几nm至几十nm的范围内，添加到光漫射粘合剂中以保持薄膜漫射性质所要求的数量，并可用于向上调整折射率。微粒的折射率越大越好，通常是等于或大于1.8，最好是等于或大于1.9，更好的是等于或大于2.0。微粒的直径大于100nm不合适的，因为这可以影响透明度。虽然没有规定具体的限制，直径等于或大于1nm是优选的，例如，从实际和容易散布的观点考虑，直径等于或大于5nm的微粒是优选的。通过添加上述高折射率的无机微粒到低折射率的光漫射粘合剂中，并提高粘合剂基片材料的折射率，可以制成折射率高于光波导折射率的光漫射粘合剂，它是在1.45-1.7之间，并利用这种有高折射率的光漫射粘合剂粘接定向光漫射膜和光波导，可以消除光波导与光漫射粘合剂之间界面的临界角，并防止发生全反射。因此，可以有效地从光波导中提取光，由于在正常情况下全反射可以使光从横向逸出，从而可以有效地利用光。
[0037]应当注意，图12表示光漫射膜沿光轴的直线光透射率，其中漫射发生在定向光漫射膜与光漫射粘合剂组合的光漫射膜中。在图12的这个例子中，沿垂直方向的透射率是高的，其漫射峰远离垂直方向几十度，它沿垂直方向的光漫射很小，从而允许设计光波导中的光入射到具有倾斜漫射的液晶显示屏侧面。本发明在面光源装置中解决的具体困难是倾斜方向上的不均匀亮度，从而可以有效地消除所述光漫射膜倾斜漫射的不均匀亮度。除了这个特性以外，可以容易地防止光透射率的退化，这是由于光波导与光漫射膜之间或光漫射膜与棱镜片之间的间隙中存在光，其中利用光漫射粘合剂可以粘接光漫射膜与光波导或棱镜片，最好是，从改进液晶显示装置中对比度和可见度的观点考虑，利用光漫射粘合剂使定向光漫射膜与光波导或棱镜片粘接在一起。
[0038]此外，本发明的面光源装置放置在液晶显示屏之后作为后照光，面光源装置可以放置在液晶显示屏的较低偏振板以下，其结果是，诸如定向光漫射膜的光学薄膜和棱镜片放置成远离液晶显示屏。因此，即使在诸如定向光漫射膜的光学薄膜和棱镜片中存在缺陷，不但很难观察到这种缺陷，而且由于容易得到这样的定向光漫射膜装置，它没有规则地重复的光学结构，当使用这种装置时，不太可能在液晶显示屏与光学薄片之间产生莫尔条纹。
实现本发明的最佳配置。
[0039]现在参照具体实施例描述本发明，虽然本发明并不局限于以下的实施例。
[0040]第一个实施例
现在参照图6和图13描述本发明第一个实施例的面光源装置。图13是第一个实施例面光源装置的示意平面图，并展示定向光漫射膜的部分剖面图，其中假设在中心圆处没有棱镜片。图6对应于通过图13中直线A-A的横截面。图6所示第一个实施例的面光源装置包括：由发光单元构成的点光源11，光波导12，反射器13，定向光漫射膜14，和棱镜片15。点光源11包括：单个芯片型LED，且这种芯片型LED放置成面向光波导12端面(光入射的端面)12e的中心部分，如图13所示。光波导12是由聚碳酸酯树脂和聚偏丙烯酸树脂制成，而在光波导的下表面形成以发光单元为中心的多个同心圆形漫射图形。漫射图形是制成有三角形或近似半圆形(半椭圆形)截面的凹坑，每个漫射图形沿这样的方向延伸，该方向相交连接发光单元与所述漫射图形所在位置的方向。应当注意，即使有棱镜图形的棱镜片放置在光波导上侧面设置的反射器上部，仍然可以得到相同的特性。在光波导的下表面有包括铝片的反射器。此外，定向光漫射膜是这样放置的，定向光漫射膜中柱状结构22的角度是沿图13所示直线A-A(平行于另一个端面)的方向，换句话说，定向光漫射膜的漫射方向安排成与不均匀亮度漫射方向相同的方向。
[0041]第一个实施例中使用的定向光漫射膜是按照以下方法制成的。换句话说，利用DuPont OMNIDEX的HRF 600或HRF 150，在聚对苯二甲酸乙二酯薄膜上涂敷50μm光敏聚合物，利用硬接触方法，使得有多个圆孔图形的掩模紧密粘接到这个光敏聚合物的表面上。然而，掩模中的圆孔是在500nm至30μm的范围内，其平均直径是2μm。利用透镜系统使来自汞灯的紫外光会聚成平行光束，并以与法线方向成30°角辐照到掩模上。辐照的时间是从几秒钟到几分钟。此后，它在120℃下经受1小时的热处理。因此，得到高折射率区的光漫射膜，其中柱状结构与薄膜的法线方向成30°角，横截面结构与掩模的圆孔图形匹配。光漫射膜聚合物基质的折射率是1.47，而高折射率区的折射率是1.52。因此，得到定向光漫射膜的漫射特性如图11中所示。沿垂直方向的AOV小于5°，直线光透射率大于10％，且有非常小的漫射。
[0042]当单个LED光放置在光波导的中心作为第一个实施例中的光源时，在沿直线A-A的方向有大量的光，如图3所示，因此，我们知道在图1的常规面光源装置中，在面光源装置的中心产生亮度的不均匀性，其形状是伸长的椭图形。然而，在第一个实施例的面光源装置中，因为光漫射膜的漫射方向设置在与亮度不均匀性漫射方向相同的方向，可以确保消除通常可看到的亮度不均匀性。因此，在利用这种面光源装置作为后照光用于照明液晶屏时，即使从倾斜角度观看，也不存在亮度的不均匀性，而从正前方观看时有高亮度，形成明亮的图像显示装置。
[0043]顺便说一下，在第一个实施例的面光源装置中，利用在10-30°之间有最大漫射的光漫射膜，可以有效地消除亮度的不均匀性，若利用柱状结构在5-60°范围内倾斜的定向光漫射膜，则可以在每种情况下消除亮度的不均匀性。
[0044]第二个实施例
图14表示本发明的第二个实施例。在第一个实施例的面光源装置中，反射器是与光波导分开设置的，而在第二个实施例的面光源装置中，包括真空沉积铝膜19的反射面制成在光波导12下表面漫射图形12d上形成的表面上，除了不使用反射器以外，它的其余结构部分与第一个实施例是相同的。通过反射面直接形成在光波导的下表面上，与利用全反射反射光的第一个实施例装置比较，可以确保光的反射更加可靠，因而可以提高光的使用效率。
[0045]第三个实施例
第三个实施例的面光源装置与第一个实施例有相同的结构，不同的是，第一个实施例面光源装置的定向光漫射膜14是在棱镜片15上，而不是在光波导12上。在这种面光源装置用作后照光照明液晶屏时，即使从倾斜角度观看，也不存在亮度的不均匀性，而从正前方观看的亮度很高，从而得到明亮的图像显示装置。
[0046]第四个实施例
图7表示第四个实施例的面光源装置，它是按照与第一个实施例相同的方法制成的，不同的是，利用光漫射粘合剂16使光漫射膜15粘接到光波导12。此处所述的光漫射粘合剂是按照以下方法制备的。换句话说，在100份折射率为1.50的丙烯酸粘合剂中，添加填充剂到涂敷1.5份异氰酸盐硬化剂(Soken Kagaku制造的D-90)的基片上，并在搅拌器中混合1小时。这种光漫射粘合剂涂敷到8μm厚的分离片(Rintech制造的PET3801)上，在干燥之后达到的厚度为25μm，并在干燥之后形成漫射粘合层，分离片(Teijin制造的K-14)粘接到漫射粘合层以制成漫射粘合片。所用填充剂是含体积为3％的硅环氧树脂珠(折射率为1.43，平均颗粒直径是1.0μm)。如此制成的光漫射粘合剂HAZE值是25。这种光漫射粘合剂用于粘接到所述光漫射膜14，并利用辊子压接到光波导12以制成面光源装置。当这种面光源装置用作后照光照明液晶屏时，即使从倾斜角度观看，也不存在亮度的不均匀性，而从正前方观看时有很高的亮度，可以得到明亮的图像显示装置。
[0047]在以上的实施例中，利用含体积为2％的硅环氧树脂珠，制成HAZE值是15的光漫射粘合剂，并按照与以上相同的方法制成面光源装置，当这种面光源装置用作后照光照明液晶屏时，即使从倾斜角度观看，也不存在亮度的不均匀性，而从正前方观看时有很高的亮度，可以得到明亮图像显示装置，利用相同的方法制成第四个实施例的面光源装置。
[0048]第五个实施例
利用与第四个实施例的相同方法制造第五个实施例的面光源装置，不同的是使用以下的光漫射粘合剂。换句话说，在100份折射率为1.50的丙烯酸粘合剂中，添加填充剂到涂敷1.5份异氰酸盐硬化剂(Soken Kagaku制造的D-90)的基片上，还添加颗粒直径为几nm的TiO2或ZrO2丁醇或MEK(丁酮)的分散液体，然后在搅拌器中混合1个小时，制成光漫射粘合剂。这种光漫射粘合剂涂敷到8μm的分离片2(Rintech制造的PET3801)上，在干燥之后达到的厚度为25μm，并在干燥之后形成漫射粘合层，分离片(Teijin制造的K-14)粘接到漫射粘合层上以制成漫射粘合片。所用填充剂是含体积为3％的硅环氧树脂珠(折射率为1.43，平均颗粒直径是1.0μm)。如此制成的光漫射粘合剂HAZE值是25。应当注意，通过添加合适数量微粒的TiO2或ZrO2丁醇或MEK的分散剂，可以使这种光漫射粘合剂的折射率调整到理想的折射率。例如，在希望得到光漫射粘合剂折射率为1.6的情况下，只要在容量测定中调整比例，使TiO2或ZrO2重量为35个单位和基片树脂(包括填充剂)重量为65份。把这种光漫射粘合剂粘接到所述光漫射膜上，并利用辊子压接到光波导12以制成面光源装置。当这种面光源装置用作后照光照明液晶屏时，即使从倾斜角度观看，也不存在亮度的不均匀性，而从正前方观看时有很高的亮度，可以得到明亮的图像显示装置。
[0049]在以上的实施例中，利用含体积为2％的硅环氧树脂珠，制成HAZE值是15的光漫射粘合剂，并按照与以上相同的方法制成面光源装置，当这种面光源装置用于照明液晶屏时，可以得到没有亮度不均匀性的明亮图像显示装置，利用相同方法制成第五个实施例的面光源装置。
[0050]第六个实施例
在这个实施例中，面光源装置有图15所示的结构。换句话说，面光源装置包括：附图中没有画出的发光单元，光波导12，反射器13，定向光漫射膜14，和光漫射粘合层16，发光单元是发光二极管(LED)构成的所谓点光源，它设置成面向光入射到光波导面的中心。此外，光波导12的下表面12b上形成多个以LED为中心的同心圆棱镜图形P。利用与第五个实施例中相同的光漫射粘合剂和与第五个实施例相同的光漫射膜14粘接到光波导12上，制成第六个实施例的面光源装置。当这种面光源装置作为后照光照明液晶屏时，即使从倾斜角度观看，也不存在亮度的不均匀性，而从正前方观看时有很高的亮度，可以得到明亮的图像显示装置。应当注意，定向光漫射膜14的上部还设置棱镜片15。
[0051]第七个实施例
现在参照图15和图16描述第七个实施例的面光源装置。图16是第七个实施例面光源装置的示意平面图，并画出定向光漫射膜的部分分解平面图，其中假设在中心圆处没有棱镜片。图17对应于通过图16中直线B-B的剖面图。第七个实施例的面光源装置包括：LED发光单元构成的点光源11，光波导12，反射器13，定向光漫射膜14，和棱镜片15。在这个实施例中，点光源是图16所示的单个灯，它的位置适合于光入射到光波导的倾斜部分12c端面。光波导12是由聚碳酸酯树脂和聚偏丙烯酸树脂制成，而多个漫射图形12d形成在光波导12的后表面(下表面)上。漫射图形12d设置成以发光单元为中心的同心圆形式，如图5所示。形成的漫射图形是横截面为三角形或近似半圆形的凹坑。应当注意，即使有棱镜图形的棱镜片放置在反射器的上部，反射器是在光波导的上部，可以得到相同的特性。利用光波导后表面12d上的薄金属膜代替反射器，可以制成光反射面，其中形成所述非均匀图形。此时，在薄金属膜构成的光反射面上反射的光可以反射返回到光波导，利用全反射可以使光可靠地被反射。因此，可以提高所用光的效率，因为光没有从光波导片的后表面中泄漏。
[0052]与此同时，在这个实施例中，定向光漫射膜14设置在图16所示所述光波导上，其中定向光漫射膜的散射方向面向与发光单元相反的角度，因此，定向光漫射膜中柱状结构22轴的角度是沿直线B-B的方向，换句话说，定向光漫射膜的漫射方向是在与亮度不均匀性的相同方向。请注意，定向光漫射膜可以设置在棱镜片的顶部。当第七个实施例的面光源装置作为后照光照明液晶屏时，即使从倾斜角度观看，也不存在亮度的不均匀性，而从正前方观看时有很高的亮度，可以得到明亮的图像显示装置。
[0053]本发明的效应
如以上所描述的，按照本发明的面光源装置，由于定向光漫射膜或包含所述定向光漫射膜和光漫射粘合层的光学薄膜放置成面向光波导的后表面，它们有选择地漫射对角方向输出光的不均匀亮度到光波导的后表面，可以提供这样的面光源装置，它消除从光波导面中对角方向泄漏的光不均匀亮度，所以，在从正前方和内置图像显示装置观看时有均匀的亮度和很高的亮度。
[0054]此外，在本发明的面光源装置中，其中面光源装置放置在图像显示屏之后，由于定向光漫射膜的光学薄片，光棱镜片等放置成远离图像显示屏，即使在光学薄片中存在缺陷，不但很难看出这种缺陷，而且在图像显示屏与光学薄片之间不可能产生莫尔条纹，这是由于定向光漫射膜的柱状结构是随机设置的，或由于柱状结构直径的变化。

Claims (7)

1.一种面光源装置，包括：由点光源构成的发光单元，光波导，提供在光波导的相反侧面的反射面，和棱镜图形，面光源装置其特征在于，漫射和允许光透射的定向光漫射膜，包括有不同折射率的两个物相，并且除了较高折射率的物相包含沿薄膜厚度方向延伸的多个柱状结构区以外，还有相对于薄膜法线方向以大于5°和小于60°角倾斜的所述柱状结构，以这样的方式设置在光波导的光输出面附近，使定向光漫射膜的漫射方向是在与亮度不均匀方向相同的方向。
2.按照权利要求1的面光源装置，其特征在于，所述定向光漫射膜是利用含直径为0.1-50μm微粒的光漫射粘合剂，被粘接到所述光波导或有棱镜图形的棱镜片上。
3.按照权利要求2的面光源装置，其特征在于，所述光漫射粘合剂包含直径在1-100nm范围内的微粒，其折射率等于或大于1.8。
4.按照权利要求2和3的面光源装置，其特征在于，所述光漫射粘合剂的折射率等于或大于1.55。
5.按照权利要求1-4中任何一个的面光源装置，其特征在于，所述柱状结构有这样的结构，其折射率是沿所述柱状结构的轴线逐渐变化。
6.按照权利要求1-5中任何一个的面光源装置，其特征在于，所述发光单元放置成面向光波导端面的中心，所述定向光漫射膜的漫射方向平行于另一个端面。
7.按照权利要求1-6中任何一个的面光源装置，其特征在于，所述发光单元放置成面向光波导的倾斜端面，所述定向光漫射膜的漫射方向以倾斜角指向发光单元。
CNA200480024113XA 2003-07-28 2004-07-15 面光源装置 Pending CN1839280A (zh)

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