具有倾斜的光引导部分的光导板 【技术领域】
本发明涉及用于液晶显示器(LCD)和用于广告或照明的具有一个或多个倾斜的光引导部分的光导板，具体涉及一种具有倾斜的光引导部分的光导板，其中倾斜的光引导部分被设置在光导板的一侧端，倾斜的光引导部分的邻近于光源的一端比邻近于光导板的一端厚，以便具有一个斜度，使得从光源发射的光可以在光导板中完全内反射，从而使亮度最大化，并可以减小光导板的体积和重量以方便搬运和安装，因此可以降低生产成本。
背景技术
通常，用于LCD和用于广告或照明地背光单元包括：导光板，由透明丙烯酸脂基板制成，并在其一面具有点或槽形式的突起和凹陷以引起光的折射和散射；和光源，设置在光导板的一侧端。
图1是基于常规技术的背光单元(100)的后视图，图2是沿着图1中的线A-A的局部剖视图。
参考图1和2，用于发射光的光源(120)被设置在光导板(110)的一侧端。光导板(110)由半透明材料制成，其前面贴附有显示膜(140)，而其后面设置有多个水平和垂直的V形槽(112)以把从光源发射的光均匀地散射和折射到前面，并且其后面覆盖了由聚乙二醇对苯二甲酸酯(PET)材料制成的反射层(150)。
在常规光导板(110)的后面，两行相邻的V形槽(112)之间的间隔逐渐变窄以便获得通过光导板(110)的均匀亮度。这是因为，越靠近光源(120)，在光传输过程中损失的光越少。即，由于越靠近光源(120)，来自光源(120)的光损失越少，靠近光源(120)的V形槽(112)的布置间隔可以比远离光源(120)的V形槽(112)之间的间隔宽。如果光导板(110)的尺寸增加，光源(120)的尺寸必须也增加以维持一定的亮度。
另一种常规光导板的制造方法是，在丙烯酸脂基板上涂覆光散射材料，而不形成V形槽或点形式的突起和凹陷。其目的在于低成本的大批量生产，而不是提供均匀的亮度。因此，越靠近光源越亮，而越远离光源越暗。同样，在此情况下，如果光导板的尺寸增加，光源的尺寸必须也增加以维持一定亮度。
在上述常规光导板中，光导板的厚度应与光源的直径相当以便尽可能多地吸收、折射和散射从光源发射的光。但是，尽管可以获得一定水平的亮度，常规光导板具有以下缺点：
由于光导板的宽度和厚度必须相应于光源尺寸成比例地增加，光导板的增大的体积和重量使得其搬运和安装变得困难，并且制造成本增加，而可用性变差。
作为针对这些缺点的替换方式，如图3所示，设置反射层(130)以覆盖光源(120)，并且因此使用了其厚度比光源(120)的直径小的光导板(110)。在此情况下，光导板(110)可以比以上常规光导板轻，并且可以以更低成本容易地安装。但是，与图2中光导板的厚度与光源直径相同的情况相比，亮度明显变差很多。因此，这种光导板(110)基本上仅用于小尺寸广告板。
名称为“板形照明系统”的美国专利No.6,068,382描述了一种光导板，其中光辐射部分以阶梯的形式倾斜，使得其越远离光源越薄。
该美国专利的原理是，通过在光导板的倾斜部分中形成V形槽和突起，在阶梯结构中引起光的折射和散射。光导板的两个侧端的厚度和倾斜程度的目的在于获得均匀亮度。
然而，为了获得均匀亮度，必须通过注入模制法来制造光导板，由此限制了光导板的尺寸和使用。因此，所制造的光导板只能用于笔记本计算机，而不能用于中型或大型光导板。
而且，由于以下原因，滚压法(roller pressing)使得实际上不可能制造中型和大型光导板：
第一，必须在经过两个倾斜的辊之间时对光导板进行模制成型，但是难以相应于其厚度变化成比例地供给光导板的原材料。
第二，由于光源根据亮度而在图形和斜度方面不同，因此光源受到了限制。
第三，斜度随光导板的宽度而不同，因此需要很多辊。
第四，为了在墙壁或平面上安装光导板，需要用添加物填充相邻阶梯之间的差异。
当前，用于LCD监视器和广告板的光导板由可以大批量生产的丙烯酸脂基板制成，由于丙烯酸脂基板具有能够被切割成各种尺寸等特点，因此优于上述现有技术。
【发明内容】
本发明的目的是通过提供具有一个或多个倾斜的光引导部分的光导板来克服常规光导板的上述缺点，其中倾斜的光引导部分被设置在光导板的一侧端，光引导部分的邻近于光源的一端比邻近于光导板的另一端厚以形成倾斜。
本发明的另一个目的是提供具有一个或多个倾斜的光引导部分的光导板，其中从光源发射的光可以在光导板中完全内反射，使得亮度最大化，并且可以减小光导板的体积和重量以便利于搬运和安装。
本发明的再一个目的是提供一种具有一个或多个倾斜的光引导部分的光导板，其制造成本远低于常规光导板。
为了实现上述目的，根据本发明的具有一个或多个倾斜的光引导部分的光导板包括：在其前面上的光辐射部分，用于辐射从光源发射的光；和倾斜的光引导部分，设置在光源和光导板的一侧端之间，其中倾斜的光引导部分形成一个斜度，使得倾斜的光引导部分的邻近于光源的一端的厚度足以覆盖光源的直径，并且比邻近于光导板的另一端厚。
【附图说明】
所包括的用于提供本发明进一步理解的附图被并入说明书并构成说明书的一部分，显示了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理，其中：
图1是根据现有技术的具有光导板的背光单元的后视图；
图2是沿着图1中的线A-A的局部剖视图；
图3是显示根据现有技术的具有光导板的另一个背光单元的一部分的剖视图；
图4显示光的反射和折射；
图5显示光的全反射；
图6表示全反射的角度关系；
图7是显示折射率和全反射的最大允许角度之间关系的曲线；
图8是根据本发明的光导板的局部剖视图；
图9(a)到(d)显示如何获得根据本发明的光导板的光引导部分的最大厚度；
图10(a)到(e)是根据本发明的实施例的局部剖视图；以及
图11是根据本发明的另一个实施例的局部剖视图。
【具体实施方式】
由于光沿最短路线传播的性质，如图4所示，光在两个不同介质之间的边界上发生反射和折射。
例如，当光以与空气中的平面玻璃的法线成角度(θ)的方向入射到玻璃表面上时，它以与入射角相同的角度(θ′)(θ＝θ′)反射，并且根据以下关系发生折射：
n1×sinθ＝n2×sinβ
其中n1和n2分别代表每种介质的折射率，角度β代表折射角。
表1显示各种介质的折射率(对于黄色光线)。
表1介质折射率真空空气水(20℃)丙酮玻璃金刚石聚苯乙烯丙稀11.000291.331.361.522.421.551.49
当光入射到具有不同光学密度的两种不同介质之间的边界表面时，由于在每种介质中的光传播速度不同，因此发生光折射。
当光到达一个光学密度高的介质和一个光学密度较低的介质之间的边界平面时，随着两个介质之间的光学密度差的增加和入射角的增加，反射率将变大。如图5所示，当光学密度高的介质(玻璃)中的光入射到一个平面，并且该平面的另一侧是光学密度较低的介质(空气)时，由于折射角总是大于入射角，如果入射角增加，会出现的情况是，折射线(e点)沿着表面，折射角是90°。
对于大于该临界角θc的入射角，没有折射线，我们将此称为“全内反射”。
假设具有较低光学密度的外部材料是空气(折射率＝1.00029≈1)，我们得到以下等式：
n×sinθc＝sin90°＝1(n是内部材料的折射率)
θc＝sin-1(1/n)
这就是光纤的原理。
如图6所示，如果光以大于临界角的角度进入一个介质，并且如果光根据相同的光纤原理在点B全反射，那么光可以被完全封锁在一个板中。
在图6中，根据反射定律，∠b等于∠c，并且角度∠b、∠d和∠a作为错内角或对应角是相同的。因此，角度a、b、c和d是相同的，∠a＝∠b＝∠c＝∠d，并且根据内错角原理，∠e＝∠c+∠d＝2∠a。
在点A，由于∠β大于临界角，发生全反射。对于在点B的全反射，必须满足以下条件：
θ＞θc＝sin-1(1/n)
∵θ+e＝90°
∴θ＝90°-e＝90°-2a(指图6中的角度)，并且
90°-2a＞θc＝sin-1(1/n)
因此，∠a＜45°-1/2 sin-1(1/n)
图7是显示折射率和全反射的最大允许角度∠a之间关系的曲线，表2表示通过全反射把光限制在一个板中的最大允许角度。为了限制光，∠a必须小于这些角度。
表2折射率∠a的最大允许角度1.11.21.31.41.51.61.712.30°16.77°19.86°22.20°24.09°25.66°26.98°
根据本发明的具有一个或多个倾斜的光引导部分的光导板采用如上所述的“全内反射”原理。
图8是根据本发明实施例的光导板(10)的局部剖视图。
如图8所示，根据本发明的具有一个或多个倾斜的光引导部分的光导板(10)包括：在其前面的光辐射部分(11)，用于辐射从光源(20)发射的光，并在光辐射部分(11)的后面具有点或槽形式的突起和凹陷(12)；和倾斜的光引导部分(15)，设置在光源(20)和光导板(10)的一侧端之间，其中倾斜的光引导部分(15)形成一个斜度(θ1)，使得倾斜的光引导部分的邻近于光源(20)的一端的厚度足以覆盖光源(20)的直径(20W)，并且比邻近于光辐射部分(11)的另一端厚。
优选地是，光引导部分(15)的斜度(θ1)低于根据每种介质的折射率的临界角，即全内反射的最大允许角度(∠a)。
例如，当光引导部分(15)由丙稀制成时，丙稀的折射率是1.49(表1中)。当折射率是大约1.5时，由于最大允许角度是24.09°(表2)，斜度(θ1)应为24°或更低。
如果光引导部分(15)的斜度(θ1)大于临界角，将有部分光损失。但是，与不具有光引导部分的常规光导板相比，在光导板(10)的亮度、宽度和体积方面，特别是亮度方面的效率显著提高。
因此，光引导部分(15)的斜度(θ1)可以大于临界角。
如图9(a)到9(d)所示，在光引导部分(15)的前端的厚度(15W)和光辐射部分(11)的厚度(11W)之间存在以下函数关系：
首先，如图9(a)和9(b)所示，假设光引导部分(15)仅具有一侧斜度。
为了使从光源(20)发射的光经过光引导部分(15)前进到光辐射部分(11)，第三反射点(第一号线的点“r”，第二号线的点“r′”和第三号线的点“r″”)应该位于光辐射部分(11)的表面上。但是，如第一号线所示，如果第三反射点“r”不位于光辐射部分(11)的表面上，那么光不经过板(10)传播，而是被折射或反射到不希望的方向。
因此，由于第二号线的第三反射点位于光引导部分(15)和光辐射部分(11)相交的点D，光引导部分(15)的最大厚度(T′)必须是光从光源(20)发射时第二号线的高度。
参考图9(b)，根据光引导部分(15)的倾斜角(h)和光辐射部分(11)的厚度(T)，可按如下步骤计算光引导部分(15)的最大厚度(T′)：
光引导部分(15)的宽度(W)是
w＝w1+w2 ①
在直角三角形△CDH中，
w1×tan2h＝T，
w1＝T×cot2h ②
采用直线 GH作x轴和原点C(0，0)设置一个坐标平面，w2可以根据关于直线 CE和 DE的函数获得：
CE：f1(x)＝-tan2h×x
DE：f2(x)＝-tanh×(x-w1)+T
坐标x是：
χ=-w1×tanh-Ttan2h-tanh]]>
因此，w2=|χ|=w1×tanh+Ttan2h-tanh]]> ③
如果把②和③代入①，
w=T×cot2h+cot2h×tanh+1tan2h-tanh×T]]>
因此，T′=EG‾=EF‾+FG‾=w×tanh+T]]>
=(1+cot2h×tanh+cot2htan2h+tanhtan2h-tanh)×T]]>
如果将分数通分并整理，则有：
T′=(2tanhtan2h-tanh+1)×T]]>
如果h＝24°并且T＝8mm，T′应该是18.7mm或更小。
如果h＝18°并且T＝8mm，那么T′应该是20.9mm或更小。
即，随着值∠h变得更小，光引导部分(15)的前端的宽度(T′)变得更宽。
其次，如图9(c)和(d)所示，假设光引导部分(15)两侧都具有斜度。
为了使从光源(20)发射的光经过光引导部分(15)前进到光辐射部分(11)，第二反射点(第一号线的点“t”，第二号线的点“t′”，第三号线的点“t″”，和第四号线的点“t”)应该位于光引导部分(11)的表面上。但是，如第一号线所示，如果第二反射点“t″不位于光辐射部分(11)的表面，那么光不经过板(10)前进，而是被折射或反射到不希望的方向。
因此，由于第二号和第四号线的第二反射点分别位于点I和J，光引导部分(15)和光辐射部分(11)在点I和J相交，因此光引导部分(15)的最大厚度(T″)将是第二号线和第四号线之间的宽度。
参考图9(d)，可以如下根据光引导部分(15)的倾斜角(h)和光辐射部分(11)的厚度(T)计算光引导部分(15)的最大厚度(T″)：
利用直线 HJ的x轴和起点J(0，0)设置一个坐标平面，可以从用于直线 KI和 KJ的函数获得“z”：
KI：f3(x)＝-tanh×x+T
KJ：f4(x)＝-tan2h×x
坐标x是：
χ=-Ttan2h-tanh]]>
z=|χ|=Ttan2h-tanh]]>
因此，T′′=KL‾+LM‾+MN‾=z×tanh+T+z×tanh]]>
=2×z×tanh+T]]>
=(2tanhtan2h-tanh+1)×T]]>
因此，T″的值与上述仅在光引导部分(15)的一侧形成斜度时的T′的值相同。这意味着光引导部分(15)的最大厚度可以选择上述各光引导部分(15)中的任何一个。
图10(a)到(e)是根据本发明的各种实施例的局部剖视图。
光引导部分(15)可以如图10(a)所示形成为斜线，并且可以如图10(b)所示形成为斜线加直线。而且，它可以如图10(c)所示形成为直线、斜线和曲线的组合。
如图10(d)所示，光引导部分(15)可以与光辐射部分(11)分开形成。
光引导部分(15)和光辐射部分(11)可以由不同材料制成。
此外，如图10(e)所示，光引导部分(15)的一端可以设置有一个凹陷配合部分(16)以便于与光辐射部分(11)的连接。
当仅把光源(20)设置在光导板(10)的一侧时，光引导部分(15)仅被设置在光源(20)和光辐射部分(11)的一端之间。此外，当在光导板(10)的两侧设置两个光源(20)时，最好在光辐射部分(11)的两端设置两个光引导部分(15)。
在本发明中，倾斜的光引导部分(15)形成一个斜度(θ1)，使得光引导部分的邻近于光源(20)的一端的厚度足以覆盖光源(20)的直径(20W)，以便使光的吸收最大化，并且该邻近于光源的一端的厚度比邻近于光辐射部分(11)的另一端的厚度厚。光引导部分(15)以斜度(θ1)倾斜，使得从光源(20)发射的光可以完全反射。利用该结构，构成光导板(10)的主要部分的光辐射部分(11)的厚度可以变薄(11W)，并且亮度可以最大化，而光导板(10)的重量和体积可以显著减小。
此外，利用该结构，尽管光引导部分(15)随着接近于光辐射部分(11)而逐渐变细，由于全内反射，亮度可以与在光辐射部分(11)的厚度与光引导部分(15)的前端(15W)相同的情况下的亮度相同。
因此，通过使构成光导板(10)的主要部分的光辐射部分(11)的体积和重量减小，可以降低对光导板(10)的原材料的需求，从而可以节约制造成本，并且使包括有光导板(10)的背光单元易于搬运和安装。
本发明在大尺寸背光单元的安装方面尤其有用。
本领域技术人员应该理解，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可以对本发明进行各种修改和变型。本发明覆盖所有落入所附权利要求及其等同物范围内的修改和变型。