專利名稱：照明裝置和液晶顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括光源和光波導(dǎo)的照明裝置以及使用該照明裝置的液晶顯示裝置。
背景技術(shù)：
液晶顯示裝置由于其結(jié)構(gòu)薄、重量輕以及能耗低，而被廣泛用于諸如攜帶式電話、個人數(shù)字助理(PDA)以及類似的電子設(shè)備中。稱為背光源(backlights)的照明裝置通常設(shè)置在此類電子設(shè)備所使用的液晶顯示裝置中。
圖1是顯示傳統(tǒng)的液晶顯示裝置的實例的示意圖。如圖1所示，該液晶顯示裝置包括液晶面板10；以及設(shè)置在液晶面板10背面的背光源20。
該液晶面板10通過將液晶12封裝在兩個透明基板11a和11b之間而形成。偏光板(未示出)設(shè)置在液晶面板10沿其厚度方向的兩側(cè)上。
背光源20包括作為光源的發(fā)光二極管(LED)21、光波導(dǎo)22、反射片23以及棱鏡片24。LED 21設(shè)置在光波導(dǎo)22的一個端面?zhèn)?。?英寸的液晶面板的情況下，通常使用3至4個LED 21。
光波導(dǎo)22由透明樹脂制成，如圖1所示，其截面為楔型。反射片23設(shè)置在光波導(dǎo)22的背面，且棱鏡片24設(shè)置在正面(液晶面板10的那側(cè))。
在以這種方式構(gòu)造的液晶顯示裝置中，LED 21發(fā)射出的光進(jìn)入光波導(dǎo)22，被反射片23反射，并射向液晶面板10。
各像素的像素電極形成在構(gòu)成液晶面板10的兩透明基板11a和11b的其中一個上，并且普通電極形成在另一個基板上并面向該像素電極。通過像素傳輸?shù)墓饬磕軌虮皇┘釉谙袼仉姌O和普通電極之間的電壓控制。然后，通過控制各像素的光傳輸量能夠顯示出期望的圖像。
在該液晶顯示裝置中，從背光源20發(fā)射出的光優(yōu)選均勻照亮液晶面板10的整個表面。因此，在光波導(dǎo)22的正面或背面上形成有微小的凹凸部分，以使光更均勻地散射，或者在光波導(dǎo)22和液晶面板10之間設(shè)置作為光分布控制板的棱鏡片24，如圖1所示。
然而，如圖1所示，如果僅僅將LED 21設(shè)置在光波導(dǎo)22的端面附近，將出現(xiàn)亮度不均勻，從而導(dǎo)致液晶顯示裝置中顯示的圖像質(zhì)量下降的問題。圖2是從液晶面板10側(cè)觀察背光源20的平面圖。如圖2所示，液晶顯示裝置通常使用多個LED 21。然而，如果僅僅將LED 21設(shè)置在光波導(dǎo)22的端面附近，光不會到達(dá)相鄰LED 21之間的區(qū)域，而產(chǎn)生黑暗部分(在圖2中用A表示的部分)，并且在靠近LED 21的前方產(chǎn)生高亮度部分(在圖2中用B表示的部分)。
為了解決上述問題，已經(jīng)開發(fā)出多種傳統(tǒng)的技術(shù)。例如，在專利文獻(xiàn)1中，日本特開2004-163886號公告公開了一種照明裝置，其中多個凹透鏡設(shè)置在光波導(dǎo)和各光源之間。在該照明裝置中，從光源發(fā)射出的光被凹透鏡折射。由此，可以避免出現(xiàn)亮度不均勻。此外在專利文獻(xiàn)2中，即日本特開2002-357823號公告中，如圖3A所示，描述了一種具有半圓凹口的光波導(dǎo)26，該半圓凹口形成在與LED 21對應(yīng)的部分上。在該光波導(dǎo)26中，從LED21發(fā)射出的光被凹口折射。這樣，光就可以到達(dá)相鄰的LED 21之間的區(qū)域，從而避免亮度不均勻。
此外，在專利文獻(xiàn)3中，即日本特開2003-331628號公告中，如圖3B所示，描述了在光波導(dǎo)27的設(shè)置LED側(cè)的整個端面上形成有多個棱鏡(三角形凹凸部分)27a。在該光波導(dǎo)27中，從LED 21發(fā)射出的光被棱鏡27a折射。這樣，光可以到達(dá)相鄰的LED 21之間的區(qū)域，從而抑制亮度不均勻。
而且，如圖3C所示，這里示出了具有形成在設(shè)置LED側(cè)的端面上的微小凹凸部分的光波導(dǎo)28。這種微小凹凸部分通過使用模具塊(mold block)進(jìn)行噴丸處理(blast processing)而形成。在該光波導(dǎo)28中，從LED 21發(fā)射出的光在進(jìn)入光波導(dǎo)時被微小凹凸部分散射，并且到達(dá)相鄰的LED 21之問的區(qū)域，從而避免亮度不均勻。
圖4是顯示制造圖3C所示的光波導(dǎo)28的方法的示意圖。如圖4所示，對模具塊41進(jìn)行噴丸處理。更具體的，通過從噴嘴42噴射至模具塊41的噴砂(磨粒)在表面上形成凹凸部分。同時，凹凸圖案能夠通過調(diào)整噴砂的材料、粒徑、噴射速率、噴射量、噴射角等而變化。接著，光波導(dǎo)28使用模具塊41模制。隨后，將LED、反射片、棱鏡片等安裝到光波導(dǎo)28上以構(gòu)成背光源，且通過點亮LED來評價光學(xué)特性(均勻性)。然后，如果不能達(dá)到期望的光學(xué)特性，就要通過改變條件重新進(jìn)行噴丸處理。
然而，使用如圖3A至圖3C所示的光波導(dǎo)的傳統(tǒng)的照明裝置具有以下問題。即，在使用如圖3A所示的光波導(dǎo)26的照明裝置中，LED 21和半圓形凹口必須彼此十分精確地對準(zhǔn)排列。因為LED 21的數(shù)目和位置由光波導(dǎo)26的凹口確定，所以該裝置缺乏通用性。這樣，不利于處理面板尺寸有變化的情況。
在使用如圖3B所示的光波導(dǎo)27的照明裝置中，LED 21和棱鏡27a必須彼此十分精確地對準(zhǔn)排列。LED 21和光波導(dǎo)27之間必須留有一定間距以有效使用棱鏡27a。由此，增加了未進(jìn)入光波導(dǎo)27的漏光，從而降低了光的使用率，導(dǎo)致發(fā)射至液晶面板側(cè)的光量減少的問題。
在圖3C所示的光波導(dǎo)28中，因為微小凹凸部分形成在設(shè)置LED側(cè)的整個端面上，所以不需要十分精確地對準(zhǔn)排列。然而，必須通過反復(fù)對模具塊41進(jìn)行噴丸處理、模制和光學(xué)評價來形成表現(xiàn)出期望特性的凹凸部分。這樣，就存在模具制造浪費時間的缺點。就攜帶式電話而言，由于具有多個制造步驟而需要多個模具。但是，通過噴丸處理的凹凸部分的再現(xiàn)性較低，導(dǎo)致了模具質(zhì)量不均勻的問題，這樣又會導(dǎo)致制造成本增加。
而且，甚至在日本特開2004-163886號公告中所公開的照明裝置也包含了將光源同透鏡高精度地對準(zhǔn)排列的復(fù)雜工序。此外，在光波導(dǎo)和各光源之間需要確保較大的間距，這導(dǎo)致光的利用率降低。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有均勻亮度、高光利用率和高光學(xué)特性再現(xiàn)性并且能夠降低制造成本的照明裝置，以及使用該照明裝置的液晶顯示裝置。
通過提供一種照明裝置來實現(xiàn)上述目的，該照明裝置包括光源；光波導(dǎo)，其用于使從該光源發(fā)射出的光自端面輸入到內(nèi)部，并且使光沿預(yù)定方向輸出；以及衍射光學(xué)元件，其設(shè)置于該光波導(dǎo)的該光源側(cè)的端面上。
在本發(fā)明的照明裝置中，從該光源射出的光通過使用衍射光學(xué)元件(DOE)進(jìn)行衍射或擴(kuò)散(diffuse)，以避免亮度不均勻。每個衍射光學(xué)元件由形成在該光波導(dǎo)的端面上的2值(binary)凹凸圖案構(gòu)成，即，例如凹凸圖案的凹入深度和凸出高度相同。這種凹凸圖案能夠通過使用例如光蝕刻方法而相對容易地形成，并且再現(xiàn)性高。由此，可以保證照明裝置的質(zhì)量統(tǒng)一。另外，由于該光源和該DOE之間的間距能夠變窄，所以漏光得到限制并且光的使用率高。
此外，例如，該DOE的凹凸圖案根據(jù)蓋師貝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton)算法或模擬退火算法的優(yōu)化而確定，以顯示期望的擴(kuò)散特性或衍射特性。由此，在模具的制造過程中無需進(jìn)行光學(xué)評價。結(jié)果，該模具易于制造，并且能夠降低該照明裝置的制造成本。
為了獲得期望的光學(xué)特性，在該DOE的凹凸圖案的凹凸部分之間的分界面(即，所述凹凸部分的側(cè)壁面)與該光波導(dǎo)的光源側(cè)的端面形成的夾角優(yōu)選為90°。然而，如果在所述凹凸部分之間的分界面與該光波導(dǎo)的光源側(cè)的端面形成的夾角為30°或更大，可以獲得相似的DOE特性。而且，以這樣的方式傾斜所述凹凸部分之間的分界面使得所述DOE易于制造。類似的，如果所述凹凸部分的邊緣呈圓形，則該DOE特性的降低就很小。這樣，能夠易于制造DOE。
通過使用以這種方式使DOE形成在該光波導(dǎo)的光源側(cè)的端面上的照明裝置，可以改善該液晶顯示裝置的顯示質(zhì)量。
請注意，日本特開2003-57652號公告公開了一種在光波導(dǎo)面向液晶面板的表面上設(shè)置有衍射光柵的照明裝置。然而，在該照明裝置中，在光波導(dǎo)和各光源之間未設(shè)置有用以折射或衍射光的元件。為此，在該光波導(dǎo)端面附近的多個光源之間的位置處亮度會降低。


圖1是顯示傳統(tǒng)的液晶顯示裝置的實例的示意圖；圖2是從液晶面板側(cè)觀察傳統(tǒng)的照明裝置(背光源)的平面圖；圖3A至圖3C是顯示傳統(tǒng)背光源的實例的示意圖；圖4是顯示制造圖3C所示的背光源的光波導(dǎo)的方法的示意圖；圖5是顯示使用依照本發(fā)明第一實施例的照明裝置的液晶顯示裝置的示意圖；圖6A是顯示第一實施例的照明裝置的DOE的平面圖；圖6B是顯示DOE的截面示意圖；圖7A是顯示第一實施例的DOE的擴(kuò)散特性的示意圖；圖7B是顯示高斯分布的坐標(biāo)圖；圖8A顯示了第一實施例的目標(biāo)高斯分布的擴(kuò)散特性；圖8B顯示了具有優(yōu)化的凹凸圖案的DOE的擴(kuò)散特性；圖9是顯示組合多個高斯分布(兩個高斯分布)的實例的坐標(biāo)圖；圖10是顯示誤差值與DOE的凸出部分相對DOE的整個面積的面積比率之間關(guān)系的坐標(biāo)圖；圖11A至圖11E是顯示用于制造DOE的模具的制造方法的示意圖；圖12是顯示橢圓形擴(kuò)散分布的示意圖，其中光波導(dǎo)的厚度方向為短軸，而寬度方向為長軸；圖13是顯示當(dāng)擴(kuò)散分布為矩形時的目標(biāo)擴(kuò)散特性的坐標(biāo)圖；圖14A是顯示DOE形成在光波導(dǎo)的設(shè)置LED側(cè)的整個端面上的實例的示意圖；圖14B是顯示DOE僅形成在靠近LED的部分的實例的示意圖；圖15A至圖15C是顯示依照第二實施例設(shè)計的DOE的2值凹凸圖案的方法的示意圖；圖16A是顯示依照本發(fā)明第三實施例的用于液晶顯示裝置的照明裝置的光波導(dǎo)的平面圖；圖16B是顯示設(shè)置于光波導(dǎo)的端面上的DOE的透視圖；圖17A是顯示一維衍射光柵型DOE的凹凸圖案的平面圖；圖17B是顯示一維衍射光柵型DOE的截面示意圖；圖18是顯示光通過一維衍射光柵型DOE只沿水平方向衍射的狀態(tài)的示意圖；圖19A是顯示橫電(TE)波的0級光、±1級光、±2級光、±3級光和±4級光的波長與衍射效率之間關(guān)系的坐標(biāo)圖；圖19B是顯示橫磁(TM)波的0級光、±1級光、±2級光、±3級光和±4級光的波長與衍射效率之間關(guān)系的坐標(biāo)圖；
圖20A是顯示依照本發(fā)明第四實施例的用于液晶顯示裝置的照明裝置的光波導(dǎo)的截面圖；圖20B是顯示依照本發(fā)明第四實施例的用于液晶顯示裝置的照明裝置的光波導(dǎo)的截面圖；圖21A是顯示DOE的截面示意圖，其中凹凸部分之間的分界面與光波導(dǎo)的端面垂直；圖21B顯示了同一DOE的擴(kuò)散特性的模擬結(jié)果；圖21C顯示了沿圖21B中的線A-A測量的同一DOE的擴(kuò)散特性的強(qiáng)度分布；圖22A是顯示在DOE的分界面上具有階梯的DOE的截面示意圖；圖22B顯示了同一DOE的擴(kuò)散特性的模擬結(jié)果；圖22C顯示了沿圖22B中的線A-A測量的同一DOE的擴(kuò)散特性的強(qiáng)度分布；圖23A是顯示凹凸部分之間的分界面上具有4級階梯的DOE的截面示意圖；圖23B顯示了同一DOE的擴(kuò)散特性的模擬結(jié)果；圖23C顯示了沿圖23B中的線A-A測量的同一DOE的擴(kuò)散特性的強(qiáng)度分布；圖24是顯示DOE疊加(overlaid)的截面示意圖，其中一個截面具有彎曲的分界面，一個截面在其分界面上具有階梯；圖25是顯示依照本發(fā)明第五實施例的照明裝置的透視圖；圖26是顯示依照本發(fā)明第六實施例的照明裝置的透視圖；以及圖27是顯示使用依照本發(fā)明第六實施例的照明裝置的液晶顯示裝置的透視圖。
具體實施例方式
下面，將參考附圖對本發(fā)明進(jìn)行描述。
(第一實施例)圖5是顯示使用依照本發(fā)明第一實施例的照明裝置的液晶顯示裝置的示意圖。如圖5所示，該液晶顯示裝置包括液晶面板50和設(shè)置在液晶面板50背面的背光源60。
該液晶面板50通過將液晶52封裝在兩個透明基板51a和51b之間而形成。偏光板(未示出)設(shè)置在液晶面板50沿其厚度方向的兩側(cè)上。液晶面板50的尺寸例如為2至4英寸。
背光源60包括作為光源的多個LED 61、光波導(dǎo)62、反射片63和棱鏡片64。LED 61沿該光波導(dǎo)62的一個端面設(shè)置。
光波導(dǎo)62由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等透明樹脂制成，并且如圖5所示，其截面為楔型。光波導(dǎo)62的尺寸與液晶面板50的尺寸基本相等，并且其設(shè)置LED側(cè)的端部厚度大約為1mm。反射片63設(shè)置在光波導(dǎo)62的背面，并且棱鏡片64作為光分布控制板設(shè)置在正面(液晶面板50的那側(cè))。由分布在二維方向的2值凹凸圖案構(gòu)成的衍射光學(xué)元件(DOE)62a形成在光波導(dǎo)62的設(shè)置LED側(cè)的端面上。通過該DOE 62a，當(dāng)LED 61發(fā)射出的光進(jìn)入光波導(dǎo)62時發(fā)生擴(kuò)散或衍射，以避免亮度不均勻。
圖6A是顯示DOE 62a的平面圖，以及圖6B是顯示DOE 62a的截面示意圖。在圖6A中，白色的部分為凸出部分，黑色的部分為凹入部分。凹入部分的深度例如為0.4μm至0.7μm。
DOE 62a的凹凸圖案通過現(xiàn)有的蓋師貝格-撒克斯通算法或模擬退火算法優(yōu)化凹凸圖案得到，以表現(xiàn)期望的擴(kuò)散特性或衍射特性。依照該實施例，如圖7A和圖7B所示，優(yōu)化凹凸圖案以使DOE 62a的擴(kuò)散特性在平行和垂直于光波導(dǎo)62的設(shè)置LED側(cè)的表面均顯現(xiàn)高斯分布。圖8A顯示本實施例的目標(biāo)高斯分布的擴(kuò)散特性，以及圖8B顯示具有優(yōu)化的凹凸圖案的DOE的擴(kuò)散特性。如圖9所示，可以組合多個高斯分布(在圖9中為兩個高斯分布)以得到目標(biāo)擴(kuò)散特性。
圖10顯示由橫坐標(biāo)表示的DOE 62a的凸出部分與整個面積(凹凸部分的總面積)的面積比率，和由縱坐標(biāo)表示的誤差值(目標(biāo)擴(kuò)散特性和DOE的擴(kuò)散特性之間差值的比率)之間的關(guān)系。從圖10可明顯看到，通過將凸出部分的面積比率設(shè)定在30％至70％的范圍內(nèi)可以降低誤差值，能夠使擴(kuò)散特性基本達(dá)到設(shè)計要求。并且，誤差值可以通過將凸出部分的面積比率設(shè)定在40％至60％的范圍內(nèi)而被忽略。換言之，通過將凸出部分的面積比率限定在40％至60％的范圍內(nèi)，當(dāng)擴(kuò)散曲線(diffusion profile)積分值為1時，誤差值為10-3或更低。
圖11A至圖11E是顯示用于制造DOE 62a的模具的制造方法的示意圖。
首先，制備標(biāo)繪有最優(yōu)化的凹凸圖案的光刻板(reticle)(曝光掩模)。
其次，如圖11A所示，在硅襯底71上涂敷光刻膠以形成光刻膠膜72。然后，通過使用制備好的光刻板執(zhí)行步進(jìn)曝光(縮減式曝光)。接著，執(zhí)行顯影，以將光刻板的凹凸圖案轉(zhuǎn)換到光刻膠膜72上，如圖11B所示。
接下來，如圖11C所示，在硅襯底71的整個上表面上噴鍍鎳(Ni)以形成襯底膜73。隨后，如圖11D所示，襯底膜73用Ni電解電鍍至獲得足夠厚度以形成金屬塊74。
之后，如圖11E所示，將金屬塊74從硅襯底71上移除，加工成預(yù)定的外形，并且隨后和加強(qiáng)板75接合以構(gòu)成模具。但是，當(dāng)金屬塊74具有足夠的強(qiáng)度時，金屬塊74無需和加強(qiáng)板75接合即可形成為模具。
由此使形成的具有凹凸圖案的模具與其它模具結(jié)合。然后，將PMMA等透明樹脂注入通過這些模具形成的空間內(nèi)，以形成具有DOE 62a的光波導(dǎo)62。
以上描述了使用從硅襯底71移除的金屬塊74作為模具的實例。然而，金屬塊74也可用作為壓模使用，并且壓?？梢酝ㄟ^用Ni電解電鍍而形成模具。這樣，就能大量地制造同等質(zhì)量的模具。當(dāng)通過使用作為壓模的金屬塊74來形成模具時，與金屬塊74形成為模具的情況相比較，凹凸部分是顛倒的。然而，依照本實施例，DOE 62a由2值凹凸圖案構(gòu)成。因此，凹凸部分的顛倒并不會改變DOE 62a的光學(xué)特性。
如上所述，依照本實施例，由于從LED 61發(fā)射出的光被2值凹凸圖案構(gòu)成的DOE 62a擴(kuò)散，所以避免了光波導(dǎo)62中的亮度不均勻，并且整個液晶面板50被光均勻地照射。由此，本實施例提供了在液晶顯示裝置上可以顯示優(yōu)質(zhì)圖像的效果。
而且，依照本實施例，形成DOE的模具的凹凸圖案通過光蝕刻法和電鍍法形成。因此，與通過噴丸處理形成凹凸圖案的傳統(tǒng)方法相比，模具更容易制造，并且可以批量生產(chǎn)統(tǒng)一、高品質(zhì)的照明裝置。由此，本實施例提供了能夠使液晶顯示裝置的照明裝置的制造成本降低的效果。
本實施例描述了這樣的情況DOE 62a表現(xiàn)出點對稱的擴(kuò)散特性，即，擴(kuò)散強(qiáng)度在與光波導(dǎo)62的設(shè)置LED側(cè)的端面平行的平面上的分布變成為圓形。然而，DOE 62a并不局限于表現(xiàn)出點對稱的擴(kuò)散特性，而是也可以表現(xiàn)出具有各向異性的擴(kuò)散特性。例如，如圖12所示，DOE 62a的凹凸圖案可以被優(yōu)化為形成橢圓形的擴(kuò)散分布，其中光波導(dǎo)62的厚度方向為短軸，而寬度方向為長軸?；蛘撸珼OE 62a的凹凸圖案可以被優(yōu)化為形成矩形的擴(kuò)散分布，其中沿光波導(dǎo)62的厚度方向為短邊，而寬度方向為長邊。當(dāng)DOE 62a的擴(kuò)散分布以這種方式進(jìn)行設(shè)定時，其具有與圓形的擴(kuò)散分布相比可以進(jìn)一步減小漏光風(fēng)險的優(yōu)點，從而進(jìn)一步提高光的利用率。圖13顯示了當(dāng)擴(kuò)散分布為矩形時的目標(biāo)擴(kuò)散特性。
本實施例描述了這樣的情況DOE 62a形成在光波導(dǎo)62的設(shè)置LED側(cè)的整個端面上，如圖14A所示。然而如圖14B所示，DOE 62a可僅形成于靠近LED 61的部分。當(dāng)DOE 62形成為如圖14A所示的情況時，LED 61和光波導(dǎo)62無需十分精確地對準(zhǔn)排列。由此，具有易于裝配并且容易處理面板尺寸等的變化的優(yōu)點。此外，當(dāng)DOE 62形成為如圖14B所示的情況時，具有縮短在模具制造過程中步進(jìn)曝光所需時間的優(yōu)點。
(第二實施例)第一實施例描述了這樣的實例通過蓋師貝格-撒克斯通算法或模擬退火算法優(yōu)化凹凸圖案，以設(shè)計DOE的凹凸圖案。然而，DOE的2值凹凸圖案可以由模具(由圖4所示的方法制造的模具)當(dāng)前的凹凸圖案數(shù)據(jù)來進(jìn)行設(shè)計。該方法將在下面描述。
圖15A至圖15C是顯示由模具當(dāng)前的凹凸圖案設(shè)計2值凹凸圖案的方法的示意圖。
首先，模具當(dāng)前的凹凸圖案通過三維形狀的測量裝置測量。圖15A顯示了通過噴丸處理形成凹凸圖案的模具的凹凸圖案。接著，從三維形狀的測量裝置的測量結(jié)果中產(chǎn)生數(shù)據(jù)，其中凹凸表面每一點的高度h是位置(X，Y)的函數(shù)(h＝f(X，Y))。凹凸圖案的相位變化分量(phase change component)可從該數(shù)據(jù)得出。
即，首先，如圖15B所示，對于每個依照所使用的光波長(設(shè)計波長)給出的周期(2π)，從凹入部分的最低部分到凸出部分的最高部分被分為多個區(qū)域(0至2π，2π至4π，……)。接著，得出每個區(qū)域的高度變化并轉(zhuǎn)換為在0至2π范圍內(nèi)的變化。
接下來，如圖15C所示，設(shè)定閾值Th。然后，比閾值Th低的區(qū)域設(shè)定為凹入部分，比閾值Th高的區(qū)域設(shè)定為凸出區(qū)域，并且確定2值凹凸圖案。閾值Th可在0至2π的范圍內(nèi)任意設(shè)定。然而，凸出部分的面積比率優(yōu)選設(shè)定在40％至60％的范圍內(nèi)，以降低擴(kuò)散特性的誤差值。
2值凹凸圖案通過上述方式確定后，如第一實施例那樣，制備標(biāo)繪有凹凸圖案的光刻板，并且用于形成DOE的模具通過使用光蝕刻法和電鍍法制造。隨后，通過使用該模具制造在端面上具有DOE的光波導(dǎo)，LED安裝在光波導(dǎo)的該端面附近，必要時設(shè)置反射片和棱鏡片，從而完成照明裝置。通過將該照明裝置安裝在液晶面板上完成液晶顯示裝置。
如第一實施例那樣，第二實施例提供了能夠避免光波導(dǎo)中的亮度不均勻并且在液晶顯示裝置上可以顯示出優(yōu)質(zhì)圖像的效果。而且，依照該實施例，模具同樣容易制造，并且可以批量生產(chǎn)統(tǒng)一、高品質(zhì)的照明裝置。
(第三實施例)圖16A是顯示依照本發(fā)明第三實施例的用于液晶顯示裝置的照明裝置的光波導(dǎo)的平面圖。圖16B是顯示設(shè)置于光波導(dǎo)的端面上的DOE的透視圖。該實施例在DOE的結(jié)構(gòu)上不同于第一實施例。其它的組件與第一實施例的基本類似，因此將省略對類似部分的描述。
依照該實施例，用以產(chǎn)生高級衍射光的DOE 82a形成在光波導(dǎo)82的端面上。產(chǎn)生高級衍射光的DOE 82a包括有一維衍射光柵凹凸圖案，以使衍射光呈各向異性。一維衍射光柵的凹凸圖案通過用例如嚴(yán)格耦合波分析法(Rigorous Coupled-Waved analysis method)優(yōu)化凹凸圖案來確定。
圖17A是顯示一維衍射光柵型DOE的凹凸圖案的平面圖，以及圖17B是顯示一維衍射光柵型DOE的截面示意圖。在圖17A中，黑色的部分為凹入部分，白色的部分為凸出部分。
通過優(yōu)化凸出部分和凹入部分的占空比，能夠?qū)崿F(xiàn)衍射光的效率在所使用的光波段(可見光的波段)內(nèi)基本一致的光衍射特性。如圖18所示，光只能沿水平方向(光波導(dǎo)82的寬度方向)衍射。
例如，如圖17B所示，d，p和f的數(shù)值設(shè)定為滿足f＝0.5至0.7以及p/d＝1.5至2.5，其中d為凸出部分的高度，p為其節(jié)距(pitch)，并且f·p為其寬度。
圖19A是顯示0級光、±1級光、±2級光、±3級光和±4級光的波長與橫電波(TE波)的衍射效率之間關(guān)系的坐標(biāo)圖，其中波長由橫坐標(biāo)表示，衍射效率由縱坐標(biāo)表示。圖19B是顯示0級光、±1級光、±2級光、±3級光和±4級光的波長與橫磁波(TM波)的衍射效率之間關(guān)系的坐標(biāo)圖，其中波長由橫坐標(biāo)表示，衍射效率由縱坐標(biāo)表示。如圖19A和圖19B所示，在所使用的波段內(nèi)，可以取得基本相等的衍射效率值。
該實施例提供了可以避免照明裝置的亮度不均勻并且在液晶顯示裝置上可以顯示出優(yōu)質(zhì)圖像的效果。依照該實施例，由于DOE 82a包括有2值凹凸圖案，所以模具容易制造，并且可以批量生產(chǎn)統(tǒng)一、高品質(zhì)的照明裝置。而且，因為光沿光波導(dǎo)82的寬度方向擴(kuò)散并且避免了漏光，所以本發(fā)明具有光利用率高的優(yōu)點。
(第四實施例)在第一至第三實施例中，衍射光學(xué)元件(DOE)由諸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等樹脂注模而成。在這種情況下，凹凸部分的分界面優(yōu)選垂直于光波導(dǎo)的端面形成。然而為此，這種模制需要苛刻的條件；模制溫度應(yīng)當(dāng)設(shè)定得足夠高以增加樹脂的流動性，或樹脂注入處的壓力應(yīng)當(dāng)設(shè)定得較高。這些苛刻的條件可能會導(dǎo)致產(chǎn)量降低。同時，樹脂要逐漸地注入模具中。然而，這將導(dǎo)致產(chǎn)量降低并將引起成本增加。
如圖20A和20B所示的下述構(gòu)造能夠解決這些問題凹凸部分之間的分界面(在圖中以虛線圈住)是傾斜的，或者靠近分界面的頂部或底部的部分呈弧形。這樣，當(dāng)分界面不與光波導(dǎo)的端面垂直時，被認(rèn)為不能得到期望的DOE特性。然而，本發(fā)明人進(jìn)行的研究已經(jīng)揭示除非分界面的傾斜角遠(yuǎn)離直角(90°)或除非弧形的曲率很大，否則DOE特性的改變可以忽略。以下，將詳細(xì)描述這些發(fā)現(xiàn)。
圖21A是顯示DOE的截面示意圖，其中凹凸部分之間的分界面與光波導(dǎo)的端面垂直。圖21B顯示了同一DOE的擴(kuò)散特性的模擬結(jié)果。圖21C顯示了沿圖21B中的線A-A測量的同一DOE的擴(kuò)散特性的強(qiáng)度分布。圖22A是顯示在其分界面上具有階梯的DOE的截面示意圖。圖22B顯示了同一DOE的擴(kuò)散特性的模擬結(jié)果。圖22C顯示了沿圖22B中的線A-A測量的同一DOE的擴(kuò)散特性的強(qiáng)度分布。在此，凹入部分的深度(凸出部分的高度d)設(shè)定為h，階梯高度為h/2，并且階梯寬度x為凸出部分的節(jié)距p的一半(即，p/2)。
此外，圖23A是顯示在凹凸部分之間的分界面上具有4級階梯的DOE的截面示意圖。圖23B顯示了同一DOE的擴(kuò)散特性的模擬結(jié)果。圖23C顯示了沿圖23B中的線A-A測量的同一DOE擴(kuò)散特性的強(qiáng)度分布。在此，凹入部分的深度設(shè)定為h，階梯高度為h/3，并且階梯寬度x為凸出部分的節(jié)距p的一半(即，p/2)。
從圖21A、圖21B、圖21C、圖22A、圖22B、圖22C、圖23A、圖23B和圖23C可以看出，在凹凸部分之間的分界面上具有多級階梯的DOE表現(xiàn)出略低的擴(kuò)散強(qiáng)度，并且0級透射光略微增加，引起擴(kuò)散分布的微小變化。當(dāng)設(shè)置有無限多級的階梯時，凹凸部分之間的分界面變?yōu)槿鐖D20A所示的光滑的斜坡。當(dāng)圖22A中的階梯數(shù)為無限時，從凹入部分的平坦底部逆時針測量的傾斜角等于41.35°。當(dāng)在圖23A中的階梯數(shù)為無限時，從凹入部分的平坦底部逆時針測量的傾斜角等于30.40°。這些模擬結(jié)構(gòu)表明如果傾斜角在30°至90°的范圍內(nèi)，具有垂直于光波導(dǎo)端部的分界面的DOE和如圖20A所示的具有傾斜分界面的DOE之間的DOE特性差異很小。
同時，為了實現(xiàn)優(yōu)良的擴(kuò)散特性，圖22A顯示的形狀設(shè)定了比圖24所示的具有半徑為h(凹入部分的深度)的弧形的弧形分界面更苛刻的條件。具體而言，甚至當(dāng)凹凸部分之間的分界面具有如圖24所示的半徑為h的弧形時，擴(kuò)散特性的變化也比圖22B和圖22C所示的DOE的擴(kuò)散特性的變化小。因此這實際上不存在問題。此外，圖20B所示的靠近頂部和底部的部分呈弧形的分界面的半徑小于圖24所示的分界面的半徑。因此，擴(kuò)散特性的變化更小，其同樣也不存在問題。
具有適合單個DOE分界面的斜坡或弧形形狀的模具結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為是形成具有如圖20A和20B所示的分界面的多個DOE的方式。然而，本發(fā)明揭示了即使使用對應(yīng)于DOE的分界面的表面被垂直排列的模具，圖20A和圖20B所示的分界面也可以通過例如設(shè)定注入樹脂的模具溫度低于形成圖21A所示的分界面的模具溫度來形成。
(第五實施例)圖25是顯示依照本發(fā)明第五實施例的照明裝置的透視圖。該實施例與第一實施例的區(qū)別在于通過噴丸處理使微小的凹凸部分(圖中的陰影區(qū)域)形成在光波導(dǎo)62的整個光發(fā)射面上，而其它構(gòu)造與第一實施例的基本相似。因此，在圖25中與圖5所示相同的組件用同樣的附圖標(biāo)記和符號表示，并且因此將省略其詳細(xì)描述。
在該實施例中，DOE 62a形成在光波導(dǎo)62的在其附近設(shè)置LED 61的整個端面上，并且通過噴丸處理形成的微小凹凸部分設(shè)置在整個光發(fā)射面(面向液晶面板的表面)上。這些凹凸部分可以用來調(diào)節(jié)向液晶面板傳輸?shù)墓饬?。例如，通過增加凹凸部分的密度以及增加凹入深度(凸出高度)可增加發(fā)射出的光量，從而導(dǎo)致光被廣泛傳播。相反，通過降低凹凸部分的密度以及減小凹入深度(凸出高度)可減小發(fā)射出的光量，從而導(dǎo)致光不能被廣泛傳播。因此，通過依照DOE的部位(segment)調(diào)節(jié)凹凸部分的密度或凹入深度，可以自由地調(diào)節(jié)光的分布；液晶面板可以被光均勻地照射，可以只在液晶面板的中心增加亮度。
除了具有與第一實施例類似的效果之外，該實施例還產(chǎn)生有下述效果。即，整個液晶面板可以進(jìn)一步地被光均勻地照射，并且可以調(diào)節(jié)照射液晶面板的光的分布。
(第六實施例)圖26是顯示依照本發(fā)明第六實施例的照明裝置的透視圖。圖27是顯示使用依照本發(fā)明第六實施例的照明裝置的液晶顯示裝置的透視圖。該實施例與第一實施例的區(qū)別在于多個柱面透鏡81形成在光波導(dǎo)62的背面(與面向液晶面板50的表面相對的一側(cè))，其它構(gòu)造與第一實施例的基本相同。因此，在圖26和圖27中，與圖5所示相同的組件以相同的附圖標(biāo)記和符號表示，并且因此將省略其詳細(xì)描述。
在該實施例中，DOE 62a形成在光波導(dǎo)62的在其附近設(shè)置LED 61的整個端面上，并且多個柱面透鏡81形成在光波導(dǎo)62的背面(與面向液晶面板50的表面相對的一側(cè))。這些柱面透鏡81以這樣的方式設(shè)置，即，其軸向為沿光波導(dǎo)62的縱向(垂直于光波導(dǎo)62的在其附近設(shè)置LED 61的端面的方向)。所述柱面透鏡81具有球形表面或非球形表面。
該實施例產(chǎn)生的效果為當(dāng)從LED 61發(fā)射出的光在被反射的同時穿過光波導(dǎo)62傳播時，光被柱面透鏡81擴(kuò)散并由此進(jìn)一步提高光的均勻性。如第五實施例那樣，光的均勻性可以通過在本實施例的光波導(dǎo)的整個光發(fā)射面上形成微小凹凸更進(jìn)一步地提高。
該實施例描述了這樣的情況本發(fā)明的照明裝置設(shè)置在液晶面板的背面并用作背光源。然而，本發(fā)明也適用于設(shè)置在液晶面板的正面的正面光。
該實施例描述了這樣的情況DOE與光波導(dǎo)一體成形。然而，DOE和光波導(dǎo)也可以單獨地制造，并且可將DOE設(shè)置在光波導(dǎo)的端面上。
此外，該實施例描述了這樣的情況DOE由2值凹凸圖案構(gòu)成。然而，DOE也可由3值(3-value)或4值凹凸圖案(統(tǒng)一階梯高度的凹凸圖案)構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.一種照明裝置，包括光源；光波導(dǎo)，其用于使從該光源發(fā)射出的光自端面輸入到內(nèi)部，并且使光沿預(yù)定方向輸出；以及衍射光學(xué)元件，其設(shè)置于該光波導(dǎo)的該光源側(cè)的端面上。
2.如權(quán)利要求1所述的照明裝置，其中該衍射光學(xué)元件由設(shè)置于該光波導(dǎo)的該端面上的凹凸圖案構(gòu)成，并且該凹凸圖案的多個階梯高度相同。
3.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其中該凹凸圖案形成在該光源側(cè)的整個端面上。
4.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其中該凹凸圖案只形成在靠近該光源的部分上。
5.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其中該凹凸圖案的凹凸在該光波導(dǎo)的該光源側(cè)的端面上呈二維分布。
6.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其中該衍射光學(xué)元件由產(chǎn)生高級衍射光的一維衍射光柵構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其中該凹凸圖案的凸出部分的面積比率為30％至70％。
8.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其中該凹凸圖案通過對具有光散射表面的現(xiàn)有元件的凹凸進(jìn)行取樣來確定。
9.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其中該衍射光學(xué)元件通過使用具有由光蝕刻法和電鍍法形成的凹凸圖案的模具來形成。
10.如權(quán)利要求1所述的照明裝置，其中該衍射光學(xué)元件產(chǎn)生點對稱的擴(kuò)散光。
11.如權(quán)利要求1所述的照明裝置，其中該衍射光學(xué)元件產(chǎn)生具有擴(kuò)散特性的光，在該特性中沿該光波導(dǎo)的該光源側(cè)的端面的長邊方向的擴(kuò)散比沿該端面的短邊方向的擴(kuò)散大。
12.如權(quán)利要求1所述的照明裝置，其中該光源為發(fā)光二極管。
13.如權(quán)利要求1所述的照明裝置，其中在該光波導(dǎo)的光發(fā)射面上設(shè)置光分布控制板。
14.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其中在該凹凸圖案中的凹凸部分之間的分界面與該光波導(dǎo)的端面形成的夾角在30°至90°的范圍內(nèi)。
15.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其中凹入部分的底部和側(cè)面通過弧面連接。
16.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其中凸出部分的頂部和側(cè)面通過弧面連接。
17.如權(quán)利要求2所述的照明裝置，其中凹入部分的底部和側(cè)面通過弧面連接，并且凸出部分的頂部和側(cè)面通過弧面連接。
18.如權(quán)利要求1所述的照明裝置，其中該光波導(dǎo)的光發(fā)射面經(jīng)過噴丸處理。
19.如權(quán)利要求1所述的照明裝置，其中在該光波導(dǎo)的光發(fā)射面的相對側(cè)設(shè)置有多個用以使穿過該光波導(dǎo)的光散射的透鏡。
20.如權(quán)利要求19所述的照明裝置，其中所述透鏡為柱面透鏡。
21.如權(quán)利要求20所述的照明裝置，其中所述柱面透鏡以使其軸向沿著該光波導(dǎo)的縱向的方式，即垂直于該光波導(dǎo)的在其附近設(shè)置所述光源的端面的方向的方式設(shè)置。
22.如權(quán)利要求21所述的照明裝置，其中該柱面透鏡具有非球形表面。
23.一種液晶顯示裝置，包括液晶面板，其通過將液晶封裝在兩個基板之間而構(gòu)成；以及照明裝置，其用于使光照射該液晶面板；其中該照明裝置包括光源；光波導(dǎo)，其用于使從該光源發(fā)射的光自端面輸入到內(nèi)部，并且使光向該液晶面板輸出；和衍射光學(xué)元件，其設(shè)置于該光波導(dǎo)的該光源側(cè)的端面上。
24.如權(quán)利要求23所述的液晶顯示裝置，其中該衍射光學(xué)元件由設(shè)置在該光波導(dǎo)端面上的凹凸圖案構(gòu)成，并且該凹凸圖案的多個階梯高度相同。
25.如權(quán)利要求24所述的液晶顯示裝置，其中在該凹凸圖案中的凹凸部分之間的分界面與該光波導(dǎo)的端面形成的夾角在30°至90°的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種照明裝置和液晶顯示裝置，其中在液晶面板的背面設(shè)置有背光源(照明裝置)，該背光源包括LED、光波導(dǎo)、反射片和棱鏡片。在該光波導(dǎo)的設(shè)置LED側(cè)的端面上形成有由2值凹凸圖案構(gòu)成的衍射光學(xué)元件(DOE)。
文檔編號G02F1/1335GK1782816SQ200510106328
公開日2006年6月7日 申請日期2005年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月30日
發(fā)明者前田智司, 有竹敬和 申請人:富士通株式會社