专利名称：用于平面显示器的照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于平面显示器的照明装置领域，具体涉及一种用于平面显示器的照明装置，该照明装置通过减小入射光的发射角(emission angle)使入射光平行于光轴传播。
背景技术：
通常，诸如液晶显示器那样的平面显示器需要照明装置均匀地照射液晶。
图1是用于平面显示器的传统照明装置的透视图，该照明装置包括利用了全息片(hologram)的导光板(light guide plate)。图1的照明装置使用诸如激光发射二极管(LED)41那样的点光源。
参照图1，在导光板43的一侧排列了多个LED41，从LED41发出的光在导光板43内以预定角度散射并传播。由于LED41的光辐射角通常约为45度，因此在LED41周围会产生没有光入射的死区，在远离该LED41的位置会产生重叠区域，从相邻LED41发出的光束在该区域中彼此重叠，使光强度增加。
如果在导光板43上形成方向性均一的全息片45，光就必需均匀地入射到全息片45上，于是从导光板43发出高发光效率的光。然而，在利用诸如LED41那样的点光源的传统导光板中，从每个点光源发出的光会被散射，因此取决于导光板43发射光束的角度的亮度分布和强度分布不均匀。
图2是表示对应于LED辐射角的发光强度的曲线图。如图2所示，如果LED中心的发光强度的最大值为1，则发光强度将随辐射角增大而减小。当辐射角约为45度时，光强度减半。从图2可以看出，为了降低发光强度的下降，需要辐射角窄于45度或更窄。
图3是表示取决于导光板发光角度的亮度分布的曲线图。图4是表示取决于传统全息片导光板发光角度的强度分布图。
参照图3，在垂直于导光板平面的方向上没有光发射，而大量光是以0度和±30度发射出来，此时亮度达到最高。相对导光板平面以直角以外任意角度发出的光导致光向液晶板入射的下降，于是亮度降低，同时还影响到显示屏视角。
参照图4，光强度在零度和±30度要高一些，如图3所示，在此亮度达到最高。
在用于平面显示器的照明装置中，利用上面形成有传统全息片的导光板，从点光源发射出光，光以不一致的角度入射到全息片上。于是，导光板发射光的发射角与每个点光源发射光的发射角相同。因此，光的亮度分布和强度分布是不均匀的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种用于平面显示器的照明装置，其中在使诸如发光二极管(LED)那样的点光源发射光的同时降低光的发射角，于是光以经过减小的角度入射到全息片上，从而使从导光板发出的光的亮度和强度得到均匀分布。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于平面显示器的照明装置，该照明装置包括用于辐射光的点光源和具有光学元件的导光板。光学元件由第一折射面和第二折射面组成，所述第一折射面与点光源相邻，其能增大光的发射角，而所述第二折射面与第一折射面相隔预定距离，同时还面向第一折射面，其能降低光的发射角。在该结构中，光平行于光轴传播。
可在导光板底面和顶面中的至少一个面上设置全息片。
利用发光二极管(LED)和激光二极管(LD)作为点光源。
光学元件的折射率低于导光板折射率。
例如，光学元件是充满空气的空气透镜(air lens)。
第一和第二折射面的形状与柱面透镜的镜面形状相同，这两个折射面彼此对称。可以选择的是，第一和第二折射面的形状与菲涅耳透镜的镜面形状相同，并且它们彼此对称。
优选的是，第二折射面的曲率半径比第一折射面的曲率半径大。
本发明中，为了在光学元件的第一和第二折射面上折射从点光源进来的光，在导光板中靠近点光源的位置形成预定空间或设置填充了某种物质的光学元件。由此可以降低光的发射角，并使光平行于光轴传播。光均匀地入射到导光板的底面上，从而使导光板发射光的亮度和强度分布变得均匀。
上述照明装置包括能降低光发射角从而减少发光强度下降的空气透镜。如图2所示，发光强度随光的发射角增大而降低。因此，在依照本发明的照明装置中，将光的发射角设定在0到±30度的范围内，在导光板内设置光学元件，使该发光强度不低于在光发射角为0度时的发光强度的70％。
通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，将使本发明的上述目的和优点变得更明显，其中图1是利用了传统全息片导光板的平面显示器照明装置的透视图；图2是表示对应于点光源发射光的辐射角的发光强度曲线图；以及图3是表示平面显示器照明装置的亮度分布曲线图，该亮度分布取决于传统全息片导光板发射光的辐射角；图4是表示平面显示器照明装置的强度分布图，该强度分布取决于传统全息片导光板的发光角度；图5是依照本发明第一实施例的平面显示器照明装置的透视图；图6是图5照明装置中的光路的平面图；图7A是在将图5照明装置中的光学元件的辐射角调为15度时的光路示意图；图7B是在将图5照明装置中的光学元件的辐射角调为0度时的光路示意图；图8是依照本发明第一实施例的平面显示器照明装置的图；图9是依照本发明第二实施例的平面显示器照明装置的透视图；图10是依照本发明第三实施例的平面显示器照明装置的透视图；图11是表示依照本发明实施例的平面显示器照明装置中的发光强度图，该发光强度取决于全息片导光板的发光角度；以及图12是表示依照本发明实施例的平面显示器照明装置中的亮度曲线图，该亮度取决于全息片导光板的发光角度。
具体实施例方式
参照图5，在依照本发明第一实施例的平面显示器照明装置中，将点光源11排列在导光板13的一侧，该导光板13的底面上形成全息片15。在导光板13内靠近点光源11设置第一空气透镜10。全息片15能使导光板13发光的亮度分布和发光强度分布均匀，其被设置在导光板13的上表面上。在导光板13的顶面或底面上还可以取代全息片15设置能实现衍射的诸如有机械不平度(mechanical unevenness)的光学装置。或者该光学装置还可以不设置到导光板13上。
利用LED和LD作为点光源11。为了照射诸如LCD那样的平面显示器，可靠近导光板13以预定间隔排列多个点光源11。
在导光板13的底面上以一图形(pattern)形成全息片15。正如上面所示，全息片15可设置在导光板13的顶面上。可将平面或立体全息片作为全息片15。为了使全息片15接收到强度分布均匀的光，当图形靠近点光源11时，该图形变疏，而当其离点光源很远时，它又变密。可以选择的是，当图形靠近点光源11时，形成衍射效率较低的图形。另一方面，当图形远离点光源11时，形成衍射效率较高的图形。在此，可通过适当控制全息片15的尺寸、图形间隔、以及深度使导光板13发出强度分布均匀的光。
在图5中，将漏斗形状的第一空气透镜10设置为导光板13内的光学元件，其中所述漏斗形状沿光传播方向变宽。
在依照本发明第一实施例的照明装置中，第一空气透镜10以使光平行于光轴17传播的方式折射光。每个第一空气透镜10包括与光源相邻的第一折射面10a和与第一折射面10a相隔预定距离的第二折射面10b，这两个折射面彼此面对面。依照本发明的平面显示器中的光学元件由折射率与导光板13的折射率不同的材料制成。例如，光学元件可充满折射率n＝1的空气。
图6示意性地表示光在导光板13内穿过第一空气透镜10的光路。在此，空气透镜表示通过为导光板13内的一定空间填充折射率低于导光板13的材料折射率的材料而形成的光学元件，其中所述填充材料例如是空气。
参照图6，入射到导光板13上的光被第一空气透镜10的第一折射面10a折射，由此使辐射角增大。然后，光被第二折射面10b再次折射，从而使辐射角减小。于是，所得到的光平行于光轴17传播。在此，可为第一空气透镜10填充不同于空气且折射率低于导光板13的材料折射率的材料。
参照图5和6，优选地，从点光源11发出的光在完全被反射到导光板3中的同时平行于光轴17传播。光以大约0到±45度的辐射角入射到第一空气透镜10的第一折射面10a上。辐射角在第一折射面10a上略微增大，然后在第二辐射角10b上减小。于是，光在0度到±30度之间传播，优选地，如图6所示，其平行于光轴17传播。
当从上面向下观察导光板13时，第一空气透镜10透射出的光平行于光轴17传播。然而，当从导光板13的侧面观察时，第一空气透镜10透射出的光在被导光板13完全反射的同时进行传播。一些光被在导光板13的底面上设置的全息片15衍射，被位于导光板13底面下方的反射板(未示出)反射，再次入射到导光板13上，然后从导光板13发射出去。剩余的光在入射到导光板13上后立即从导光板13发射出去。可以选择的是，如图6所示，当光平行于导光板13的底面传播时，它在导光板13内被反射，然后从该导光板13发射出去。
图7A是将光的辐射角设定成大约15度时的光路示意图，所述设定是通过将从空气透镜10的顶点延伸的透镜倾斜面的斜边角度相对光轴调整成大约30度实现的。
图7B是将光的辐射角设定成近似0度时的光路示意图，所述设定是通过将从空气透镜10的顶点延伸的透镜倾斜面的斜边相对光轴调整成大于0度实现的。
图8是表示依照本发明第一实施例的平面显示器照明装置的图。参照图8，在导光板13内靠近点光源11的位置安装了充满空气的第一空气透镜10。可以看到第一空气透镜10透射出的光平行传播。
图9是依照本发明第二实施例的平面显示器照明装置的透视图。参照图9，在导光板13内靠近点光源11的位置安装了第二空气透镜20。每个第二空气透镜20包括第一和第二折射面20a和20b。第一折射面20a能增大点光源11发射光的辐射角，其形状与柱面透镜的外镜面形状相同。第二折射面20b与柱面透镜的透镜镜面形状相同，其通过折射辐射角已被折射面20a增大了的入射光来减小辐射角，从而使光平行于光轴17传播。第一和第二折射面20a和20b彼此对称。第二折射面20b的曲率半径大于第一折射面20a的曲率半径。
在导光板13的顶面和底面上形成诸如全息片那样的衍射光学元件，以提高光的衍射效率，从而能提供均匀的发光强度分布和均匀的亮度分布。
从点光源11发出的光在透射过第二空气透镜20的同时获得了减小的辐射角，优选地，其在导光板13内被全反射的同时平行于光轴传播。由此能使发光强度的下降最小。
图10是依照本发明第三实施例的平面显示器照明装置的透视图。参照图10，在导光板13内靠近点光源1的位置安装了第三空气透镜30。每个第三空气透镜30都包括第一和第二折射面30a和30b，这两个折射面彼此对称，且与菲涅耳透镜的透镜镜面形状相同。第二折射面30b的曲率半径比第一折射面30ba的曲率半径大。从点光源11发出的光在透射过第二和第三空气透镜20或30的同时又被折射，于是光平行于光轴17传播。
和本发明的第一和第二实施例一样，依照第三实施例的照明装置也具有诸如全息片那样的衍射元件，这些衍射元件设置在导光板13的顶面或底面上，由此能使光的强度分布和亮度分布变得均匀。
从点光源11发出的光在透射过第三空气透镜30的同时获得了减小的辐射角，优选地，其在导光板13内被全反射的同时又平行于光轴17传播。由此使发光强度的下降最小。
依照本发明第一、第二和第三实施例的所有照明装置可以使用能够减小光的辐射角或能使光平行于光轴传播的光学元件。然而，光学元件的折射率必需与导光板13的折射率不同。
图11是表示当依照本发明在照明装置的导光板内设置用于将光的辐射角约调成15度的空气透镜时的发光强度分布图，所述发光强度取决于导光板上部示出的光发射角。
参照图11，发光强度在导光板的中心处最强，在相隔20度的左侧区域和右侧区域出现弱光。这些区域的亮度明显低于图4的传统全息片导光板中位于±30度的区域的亮度。
图12是表示当依照本发明在照明装置的导光板内设置用于将光的辐射角约调成15度的空气透镜时的亮度曲线图，所述亮度取决于光发射角。
参照图12，在导光板的中心出现最高亮度，在相隔20度的左侧区域和右侧区域出现高亮度。这些区域的亮度明显低于图3的传统全息片导光板中位于±30度的区域的亮度。
在依照本发明的照明装置中，为了改变光路、优选为了使光平行于导光板的底面传播，在导光板内靠近点光源的位置安装光折射装置。由此能消除在相邻导光板之间出现没有光到达的死区，并能使光均匀地入射到全息片上。
虽然已经参照本发明的优选实施例具体表示和描述了本发明，但本领域的普通技术人员可以理解的是，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以作出形式和细节上的各种变化。
正如上面所述，为了减小光发射角度并改变光路、优选使光平行于导光板的底面传播，依照本发明的照明装置具有光学折射装置，其被设置在导光板内靠近点光源设置的位置上。因此，从导光板发出的光在经过全息片的衍射后，其亮度和强度对应于光发射角度而得到均匀分布。
权利要求
1.一种用于平面显示器的照明装置，该照明装置包括用于辐射出光的点光源；以及具有光学元件的导光板，光学元件由第一折射面和第二折射面组成，所述第一折射面靠近点光源，其能增大光的发射角度，所述第二折射面与第一折射面相隔预定距离并面向第一折射面，其能减小光的发射角度，由此光可平行于光轴传播。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中在导光板的底面和顶面的至少一个表面上形成全息片。
3.根据权利要求1或2所述的照明装置，其中点光源是发光二极管和激光二极管中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的照明装置，其中光学元件的折射率低于导光板的折射率。
5.根据权利要求4所述的照明装置，其中光学元件是充满空气的空气透镜。
6.根据权利要求1、2或5所述的照明装置，其中第一和第二折射面的形状与柱面透镜的镜面形状相同，这两个折射面彼此对称。
7.根据权利要求1、2或5所述的照明装置，其中第一和第二折射面的形状与菲涅耳透镜的镜面形状相同，这两个折射面彼此对称。
8.根据权利要求1、2或5所述的照明装置，其中第二折射面的曲率半径大于第一折射面的曲率半径。
9根据权利要求6所述的照明装置，其中第二折射面的曲率半径大于第一折射面的曲率半径。
10.根据权利要求7所述的照明装置，其中第二折射面的曲率半径大于第一折射面的曲率半径。
全文摘要
本发明提供了一种包括使光平行于光轴传播的光学元件的平面显示器照明装置。所述照明装置包括用于辐射出光的点光源和具有光学元件的导光板。光学元件由第一折射面和第二折射面组成，所述第一折射面靠近点光源，其能增大光的发射角度，所述第二折射面与第一折射面相隔预定距离并面向第一折射面，其能减小光的发射角度。在该结构中，光平行于光轴传播。在照明装置中，入射光的发射角度被减小，优选的是光平行于光轴传播。由此，能够消除相邻点光源之间没有光到达的区域，光均匀地入射到全息片上，从而使导光板发出的光的亮度和强度分布得到均匀分布。
文档编号F21Y101/02GK1466005SQ0214719
公开日2004年1月7日 申请日期2002年10月25日 优先权日2002年6月20日
发明者崔振承, 崔桓荣, 闵池泓, 李水美, 金镇焕, 李文圭 申请人:三星电子株式会社