TWI670544B - 光源裝置及使用其之顯示裝置 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種使用於顯示模組之光源裝置。光源裝置產生發射光場，發射光場在以垂直方向投射至實質上平行於光源裝置之安置面的平面時形成光場形狀。光場形狀包含光場中心、三個以上的強光區、以及三個以上的弱光區。強光區與弱光區係交替地設置，並以光場中心為中點而呈輻射狀分佈。弱光區中距離光場中心一預設距離處之光亮度小於強光區中距離光場中心該預設距離處之光亮度的90%。

Description

光源裝置及使用其之顯示裝置

本發明係關於一種光源裝置及使用其之顯示裝置。具體而言，本發明係關於一種具特定光場形狀之光源裝置及使用其之顯示裝置。

在各種技術領域中，特別是顯示技術及照明設備領域中，光源之相關設計係為重要的關鍵因素。傳統上通常採用燈泡或燈管作為光源。然而，隨著發光二極體(LED)的技術日漸成熟，具有節省能量以及小型化優點之LED已逐漸成為市場上的主流光源。

在採用LED之光學模組中，為了使發出的光具有特定特性，會對LED進行二次光學設計。二次光學設計包含配置LED之形式(pattern)以及二次透鏡等設計。一般而言，參見圖1，光學模組中LED為矩陣式分佈，矩陣式分佈的LED所發出的光場80，在其各別光源之交叉節距(cross-pitch)間，亦或是對角處會有暗影55產生。這樣的暗影易於為觀察者所感知，進而劣化了整個LED矩陣所表現之顯示品質。

為解決上述問題，本發明之一實施例提供一種具特定光場形狀之光源裝置及使用其之顯示裝置。

根據本發明之一實施例，光源裝置係使用於顯示模組，其中光源裝置產生發射光場，此發射光場在垂直投影面上形成光場形狀。光場形狀包含：光場中心；以光場中心為中點而呈輻射狀分佈之三個以上的強光區；以光場中心為中點而呈輻射狀分佈，並分別位於相鄰的強光區之間之三個以上的弱光區。根據本發明之一實施例，弱光區中距離光場中心一預設距離處之光亮度小於強光區中距離光場中心該預設距離處之光亮度的90%。

根據本發明之另一實施例，光源裝置係使用於顯示模組，其中光源裝置產生發射光場，此發射光場在垂直投影面上形成方形之光場形狀。將方形輝度外型歸一化後，取其2倍半高寬範圍內等分12等分，每一等分取一圓形光場包含光場中心、三個以上的強光區、三個以上的一般光區、以及三個以上的弱光區。強光區與一般光區與弱光區係交替地設置。其中，於每一獨立同心圓弱光區與一般光區與強光區的光亮度均勻度需低於90%。

根據本發明之一實施例，顯示裝置包含背光模組，其中背光模組具有背板、呈矩陣形成設置於背板上之複數個上述光源裝置。在最緊密排列方向上相鄰的二光源裝置，彼此係以弱光區相鄰。

根據本發明之另一實施例，顯示裝置包含背光模組，其中背光模組具有背板、呈矩陣形成設置於背板上之複數個上述光源裝置。光源 裝置之內壁面則與在最緊密排列方向上相鄰之另一光源裝置之內壁面正面相對。

根據各種實施例，本發明為一種具特定光場形狀之光源裝置及使用其之顯示裝置。藉由上述光源裝置及使用其之顯示裝置，矩陣式分佈的光源裝置所發出的光，在其各別光源之交叉節距(cross-pitch)間，亦或是對角處可減少暗影的產生。藉由減少暗影，整體光學均勻度與顯示之品質可隨之提升，光源裝置及使用其之顯示裝置之使用者的觀看或使用體驗可得到改善。

1‧‧‧光源裝置

3‧‧‧顯示裝置

15‧‧‧光軸

25‧‧‧中心

10‧‧‧上部腔體

20‧‧‧下部腔體

30‧‧‧背板

40‧‧‧矩陣

55‧‧‧暗影

100‧‧‧透鏡

110‧‧‧出光頂面

130‧‧‧底面

150‧‧‧外壁面

170‧‧‧孔洞

171‧‧‧內壁面

174‧‧‧內凹稜邊

175‧‧‧開口

190‧‧‧支腳

200‧‧‧背光模組

310‧‧‧發光區域

300‧‧‧光源

400‧‧‧顯示模組

600‧‧‧安置面

700‧‧‧圓角

80、800、810、820‧‧‧光場

900‧‧‧同心圓

902‧‧‧光場中心

904‧‧‧強光區

906‧‧‧弱光區

908‧‧‧一般光區

910‧‧‧測點

920‧‧‧圓形光

930‧‧‧方形光

940‧‧‧轉折點

950‧‧‧轉折區間

d‧‧‧間距

D1‧‧‧排列方向

L1、L2‧‧‧長度

圖1係為習知技術中暗影產生於光場之交叉節距間之示意圖。

圖2係為根據本發明之一實施例之光源裝置之爆炸圖。

圖3係為根據本發明之一實施例之光源裝置之剖視圖。

圖4A至圖4C係分別為根據本發明之不同實施例之光源裝置之孔洞及開口之示意圖。

圖5A及圖5B係為根據本發明之一實施例之由圖2至圖4C之光源裝置所發出之光路及光場之示意圖。

圖6係為根據本發明之一實施例繪示圖5B之光場之輝度分布的光型圖。

圖7係為根據本發明之一實施例之光源裝置之配置矩陣之示 意圖。

圖8係為根據本發明之一實施例之由圖7所示之光源裝置之配置矩陣所發出之光場的示意圖。

圖9係為根據本發明之一實施例之說明光源裝置構造與光學性質之相應關係之示意圖。

圖10A及圖10B係分別為方形光與圓形光的比較圖。

圖11係為根據本發明之一實施例之包含圖7所示之光源裝置之矩陣的顯示裝置之示意圖。

下文中將描述各種實施例，且所屬技術領域中具有通常知識者在參照說明搭配圖式下，應可輕易理解本發明之精神與原則。然而，雖然在文中會具體說明一些特定實施例，這些實施例僅作為例示性，且於各方面而言皆非視為限制性或窮盡性意義。因此，對於所屬技術領域中具有通常知識者而言，在不脫離本發明之精神與原則下，對於本發明之各種變化及修改應為顯而易見且可輕易達成的。

本發明係提供一種光源裝置；在較佳實施例中，光源裝置係為以發光二極體為光源之裝置；然而，在不同實施例中，光源裝置亦可採用其他具有發光區域之光源，例如，有機發光顯示元件。此外，本發明亦提供一種顯示裝置，其包含複數個上述之光源裝置。然而，此僅為示例，且在未超出本發明之範疇下，本發明之光源裝置可適用於各種顯示模組。

現參照圖2至圖4A說明本發明之一較佳實施例。首先參照圖 2及圖3，在本發明之較佳實施例中，光源裝置1主要包含透鏡100及光源300。透鏡100具有相對之出光頂面110、底面130以及自底面130延伸至與出光頂面110相連接之外壁面150。

在此實施例中，出光頂面110及底面130均為圓形平面；然而在不同實施例中，出光頂面110及底面130亦可均為六角形或其他多邊形；亦可出光頂面110為圓形而底面130為六角形或相反設置。出光頂面110較佳係小於底面130，且外壁面150較佳則形成為外凸之曲面，使透鏡100之整體形成為外凸的形狀。在圖2所示之實施例中，出光頂面110與外壁面150係為明顯區隔之不同面。例如，出光頂面110為平行於底面130之平面，而外壁面150為與底面130保持一定角度的曲面。然而，本發明不限於此，且出光頂面110可實質上與外壁面150為不以稜線為分隔之連續表面。

透鏡100較佳係由透明的材質形成，例如透明塑料或玻璃；然而在不同實施例中，透鏡100亦可由透光之材質形成，其中亦可依不同設計需求而包含不同種類的粒子等內含物。舉例而言，透鏡可為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等高折射率及透光率高的材質，使得從光源300所發出之光可藉由透鏡100折射得到特定的出光角度和均勻度。

根據本發明之較佳實施例，光源裝置1之底面130上形成朝出光頂面110內凹之孔洞170。

在如圖2及圖3所示之較佳實施例中，外壁面150及內壁面171均為越靠近出光頂面110時越朝中央之中心25靠近，且出光頂面110上方具有一平面特徵。此外，外壁面150係為外凸之環形弧狀曲面，而內壁面171則為朝外壁面150方向凹入之環形弧狀曲面。藉由此一設計，當光線經由內 壁面171進入透鏡100並產生折射後，可降低其出射外壁面150時之可能性，進而引導出射光往出光頂面110。然而，本發明不限於此，且亦可設計引導部分出射光往外壁面150。

在根據圖2及圖3所示之實施例中，另外設置有一光源300於底面130之開口175(將於下文中詳述)的下方。亦即，當孔洞170被定義為形成於開口175之上方時，光源300即設置於開口175之下方，並對應於孔洞170。在光源300發光或進行照明時，光源300之發光區域310於底面130上之投影範圍係至少部分為開口175所包含。另外，圖2及圖3顯示三個支腳190以將光源裝置1定位於安置面600上。然而，本發明不限於此，且根據本發明之光源裝置1可具有不同數量的支腳，或者是不包含支腳而採用其他方式定位光源裝置1。舉例而言，光源裝置1可藉由固定件垂掛於另一元件，或是直接以底面130覆蓋於安置面600上。在此，安置面600定義為整體光源裝置1所定位之虛擬平面，而一定為實質上存在之基板或元件之表面。

接著，併同圖2及圖3參見圖4A及圖4B，孔洞170係為由上部腔體10及下部腔體20組成之砲彈形結構，其中圖4A及圖4B之實施例之差別在於上部腔體之形狀。於由圖4A所表示之實施例中，上部腔體10與下部腔體20實質上沒有區別，皆為由至少三個內壁面171所圍成，且內凹稜邊174自下部腔體20連續地延伸至上部腔體10。相對的，於由圖4B所表示之實施例中，上部腔體10由無內凹稜邊174之砲彈形內壁172所圍成，而下部腔體20則由至少三個內壁面171所圍成，且內凹稜邊174僅連續地延伸於下部腔體20。在此，圖4A及圖4B所示之實施例皆為由四個內壁面171所組成，然而本發明不限於此。具體而言，孔洞170可由三個以上之內壁面組成，例如， 三個、四個、五個、或五個以上。

圖4A及圖4B中，上部腔體10皆與下部腔體20連通。在圖4A中，上部腔體10及下部腔體20實質上為同一腔體。在由圖4B所示之較佳實施例中，則是藉著內壁面171分別與砲彈形內壁172連接而使下部腔體20連通該上部腔體10。另外，於圖4A及圖4B中，下部腔體20與底面130相接的地方，由內壁面171之底端圍出形成於底面130上之開口175。底面130所形成之開口175接近下部腔體20，而與上部腔體10保持一段間隔長度L2。此間隔長度L2亦為下部腔體20的高度。另外，上部腔體10的高度則為由圖4A及圖4B所示之長度L1。其中，在圖4A及圖4B所示之實施例中，內壁面171彼此相接於內凹稜邊174，且內凹稜邊174係自開口175朝出光頂面110延伸，直到孔洞170頂部或內壁面171與砲彈形內壁172的交界處為止。詳細而言，內壁面171係形成為弧面；在平行底面130之剖面上，內壁面171所形成的弧在靠近內凹稜邊174處具有較小的曲率。上述特徵使通過開口175所發出之光較為具有方形光之光型，其中方形光之特性將於下文中進一步詳述。

圖4C顯示為與圖4A及圖4B不同之另一實施例，其中僅顯示開口175之俯視圖。如圖4C所示，開口175實質上呈現為具有圓角700之方形，而非圖4A及圖4B所示之非圓角。在此，由圖4C所示之實施例不具明確的稜邊，但整體仍為接近方形之形狀，使得通過開口175所發出之光仍為具有較接近方形光之光型。在此實施例中，若圓角700之R值越大，則會越接近圓形，故要使圓角700之R值較小來呈現方形光。但R值較佳大於0.8，以呈現較佳的方形光場。上述圓角之臨界值之效果係依據光源之型號、模組設計、輝度等特性，以及透鏡100之構造及材質等特性相應變化，因此在這 並不限定於特定數值。亦即，可依據光源和透鏡設計來調整具體相應會達成方形光之圓角700。然而，圖4A至圖4C所示的開口175皆僅為示例，且本發明不限於此。舉例而言，開口175可為方形以外的多邊形。

接下來，將參照圖4A至圖4C與圖5A及圖5B描述根據本發明之上述實施例之光源裝置較佳具有之發射光場。

圖5A顯示由圖1至圖4C所示之實施例的光源裝置之光路圖，其中箭頭表示光由光源300出射後的路徑。圖5B顯示由上述光源裝置1所產生之發射光場800。根據本發明之較佳實施例，由於光源300設置於孔洞170下方，由光源300之發光區域310所發出的光通過孔洞170發射產生一發射光場800。發射光場800在以垂直方向投射至實質上平行於光源裝置1之安置面600的平面時形成特定之光場形狀。其中，光場形狀可呈現顯示為接近於方形之方形光。

此處，根據本發明之一較佳實施例，如圖5B所示，方形光可定義為將光型輝度歸一化後，取其2倍半高寬範圍內等分12等分，每一等分取一同心圓900，直到有12個同心圓900為止。接著，將每個同心圓900每隔22.5度直線交叉輝度數值，取得16個測點910。若12個同心圓900有連續相鄰兩個同心圓900之16個測點910的光亮度均勻度小於90%，則此光場形狀為方形光。在上述方形光情況下，方形光最外圍之同心圓900之16個測點之均勻度會低於90%。於此，參照式1，均勻度可藉由將同一同心圓16個點中最小亮度值除最大亮度值來計算。

式1：均勻度(%)=最小亮度值/最大亮度值

此處，參照圖4A至圖5B，當具有接近方形特色之腔體之長 度越長(於圖4A之實施例中為長度L1與長度L2之總和，於圖4B之實施例中為長度L2)，則光場之方形光中均勻度小於90%的同心圓就越多。亦即，圖4B之實施例中上部腔體10之長度L1越長，則均勻度大於90%的同心圓就越多。藉由調整上部腔體10及下部腔體20之設計，可使產生之發射光場之中央具有預期之光均勻度，且整體發射光場之形狀呈現預期之特定方形光。

亦即，方形光包含了光場中心902、多個強光區904及多個弱光區906。其中強光區904與弱光區906係以光場中心902為中點而呈輻射狀分佈，且弱光區906係分別位於相鄰的強光區904之間。因此，強光區904與弱光區906以光場中心902為基準呈輻射狀交替地配置。依據上述說明，弱光區906中距離光場中心902一預設距離處之光亮度小於強光區904中距離光場中心902該預設距離處之光亮度的90%。

在此，此預設距離較佳為由外圍數來第四個同心圓的半徑。然而，本發明不限於此。

此外，進一步詳細而言，方形光是將方形輝度外型歸一化後，取其2倍半高寬範圍內等分12等分，每一等分取一圓形光場。其中圓形光場包含光場中心902、三個以上的強光區904、三個以上的一般光區908、以及三個以上的弱光區906，且強光區904係分別位於相鄰一組的弱光區906與兩組一般光區908之間。依據上述說明，根據一較佳實施例，方形光中至少於一獨立同心圓中弱光區906與強光區904與一般光區908的光亮度均勻度需低於90%。

由此，參照圖5B，可見強光區904係對應於方形光之角隅區，而一般光區908與弱光區906則對應於方形光位於角隅區之間之側邊區。

接著，圓形光及方形光之輝度光型剖面圖將參照圖6之示意圖來說明。

根據本發明之一實施例，方形光可具有較圓形光急遽的輝度變化。舉例而言，參照圖6，圓形光920與方形光930可在自中心向外發散之一轉折點940後具有不同的輝度變化斜率。具體而言，相較於圓形光920，方形光930在轉折點940與無輝度的歸零點之間的轉折區間950內可具有較大的輝度變化斜率。然而，本發明不限於此。

透過上述實施例所示之光源裝置1所發出的光為方形光930，藉由這樣的光型變化，使得最高輝度及最低輝度之間的對比度可提高，進而可於局部調光(local dimming)時運用。舉例而言，相較於圓形光920之光型分布，方形光930之中心輝度較為集中，提高中心輝度之餘也隨之減少了外圍餘光。上述特性使光源裝置1點滅時，可減少光源裝置1所產生之殘影。此類特性在局部調光時，可提高局部顯示之對比度及清晰度，並減少對其他區域亮度的影響，進而改善顯示或發光之品質。在進一步的實施例中，較佳地，上述方形光930可為準直光。

接著，將參考圖7進一步敘述根據本發明之較佳實施例之光源裝置之配置矩陣40之俯視圖。

圖7顯示多個光源裝置1並排成矩陣40之俯視圖，其中光源裝置1形成孔洞170之內壁面171係與在最緊密排列方向D1上相鄰之另一光源裝置1之內壁面171正面相對。

接著，將參考圖8進一步敘述由圖7所示之光源裝置之矩陣40所發出的光場800之俯視示意圖。

如圖8所示，光源裝置1發出方形光之光場800。在最緊密排列方向D1上相鄰的二個光源裝置1，彼此所發出之光場800係以弱光區906相鄰。由圖8可見，於矩陣配置下，可降低各別光源裝置1之交叉節距(cross-pitch)間，亦或是對角處之暗影55的產生。

方形光之特性將參照圖9來說明。圖9顯示光源裝置1之開口175與光源300之局部放大圖。在固定光源300之亮度和其他光學特性，且透鏡100除了孔洞170以外之部分為相同構件及條件下，介於孔洞170之開口175與光源300之間的間距d越大，則光能量會越集中在光源300之光軸15，使得發出的光通過孔洞170之方形特質之腔體，進而使方形光之特性越加明顯。相對的，當介於開口175與光源300之間的間距d越小，甚至光源300位於孔洞170內時(在孔洞170中時，間距d定義為負值，在孔洞170外時為正值)，光源300距離上部腔體10越近，方形光效果越弱。此時，光能量不會集中在光軸15，所發出之光場相較於較大間距d時之方形光會呈現更接近為圓形光。

舉例而言，以圖4B之實施例為例，孔洞170之下部腔體20之長度L2越長時，發出的光離孔洞170之頂部越遠，通過孔洞170之下部腔體20的距離越長，進而使方形光之特性越加明顯。相對的，當長度L2越短時，方形光之效果則越弱。

上述方形光之效果係示意地顯示於圖10A及圖10B。請參照圖10A及圖10B，以圖4B之實施例為例，光場810為由同樣之光源裝置1調整間距d及長度L2下接近方形光之發射光場；而光場820為由同樣之光源裝置1調整間距d及長度L2下較佳接近圓形光之發射光場。根據上述，可依據所欲 達成之光場效果調整間距d及長度L2。然而，可達成方形光之間距d及長度L2係依據光源300之型號、模組設計、輝度等特性，以及透鏡100之設計、材質等特性相應變化，因此在這並不限定於特定數值。亦即，可依據光源和透鏡設計，基於孔洞170之多邊形下部腔體20來調整具體相應會達成方形光之間距d及長度L2。

進一步，下文中將參照圖11說明包含光源裝置之矩陣40的顯示裝置。

參照圖11，顯示裝置3包含背光模組200與顯示模組400。背光模組200提供光源，所提供的光源於顯示模組400處理後顯示預期影像或內容。詳細而言，背光模組200包含背板30、設置於背板30上之光源裝置之矩陣40。其中，矩陣40可由前述實施例中任一之光源裝置排列所組成。

在此，由矩陣40所發出之光場可經由顯示模組400進一步處理後發射。然而，本發明之顯示裝置不限於此，且由矩陣所發出之光場可不經過顯示模組處理而發射，而顯示模組可執行其他顯示裝置之功能。

根據上述實施例所述之光源裝置、光源裝置之矩陣、以及顯示裝置，可具有發射光時較少暗影、對比率較佳之顯示效果。藉由這樣的顯示效果，整體顯示之均勻度及品質均得以改善，進而提升了使用者或觀看者的使用體驗或效果。

所屬技術領域中具有通常知識者應了解的是，本文雖基本上以LED之光源作為示例，然而本發明不限於此。因此，本發明亦可適用於有機發光顯示裝置、液晶顯示裝置、或其他類似裝置之光源或其他包含光源之光學模組或設備。

文中所述僅為本發明之一些較佳實施例。應注意的是，在不脫離本發明之精神與原則下，本發明可進行各種變化及修改。所屬技術領域中具有通常知識者應明瞭的是，本發明由所附申請專利範圍所界定，且在符合本發明之意旨下，各種可能置換、組合、修飾及轉用等變化皆不超出本發明由所附申請專利範圍所界定之範疇。

Claims (9)

1. 一種光源裝置，供使用於一顯示模組，其中該光源裝置產生一發射光場，該光場在一垂直投影面上形成一光場形狀，該光場形狀包含：一光場中心；三個以上的強光區，係以該光場中心為中點而呈輻射狀分佈；以及三個以上的弱光區，係以該光場中心為中點而呈輻射狀分佈，並分別位於相鄰的該強光區之間；其中，該弱光區中距離該光場中心一距離處之光亮度小於該強光區中距離該光場中心該距離處之光亮度的90%。
2. 如請求項1所述之光源裝置，其中該光場形狀係形成為接近於一多邊形，該光場形狀具有：複數個角隅區，分別與該些強光區對應；以及複數個側邊區，分別位於該些角隅區之間，並分別與該些弱光區對應。
3. 如請求項1所述之光源裝置，其中該光場形狀形成為一方形光場形狀，將該方形光場形狀之輝度歸一化後，取其兩倍半高寬範圍內等分為12等分，對每一等分取一圓形光場，則該圓形光場包含：該光場中心；該些強光區，係以該光場中心為中點而呈輻射狀分佈；該些弱光區，係以該光場中心為中點而呈輻射狀分佈，並分別位於相鄰的該強光區之間；以及三個以上的一般光區，係以該光場中心為中點而呈輻射狀分佈，並分別位於相鄰的該強光區與該弱光區之間。
4. 如請求項3所述之光源裝置，其中，以該光場中心為基準每隔22.5度取一直線，使其各直線交叉於12個同心圓之該圓形光場，並自每個獨立之同心圓取得16個測點，則該12個同心圓中具有連續相鄰兩個獨立同心圓之16個測點910的光亮度均勻度小於90%。
5. 如請求項1所述之光源裝置，包含：一透鏡，具有相對之一出光頂面及一底面，該底面上內凹形成一孔洞；其中該孔洞之至少部分由至少三個內壁面所圍成，並於該底面上形成一開口；相鄰之二該內壁面彼此相接於一內凹稜邊，且該內凹稜邊係自該開口朝該出光頂面延伸；以及一光源，設置於該開口下方，並對應於該孔洞；其中該光源之一發光區域於該底面上之投影範圍係至少部分為該開口所包含。
6. 如請求項5所述之光源裝置，其中該內壁面係形成為弧面；在平行該底面之剖面上，該內壁面所形成的弧在靠近該內凹稜邊處具有較小的曲率。
7. 如請求項5所述之光源裝置，其中該孔洞包含：一上部腔體，由一砲彈形內壁所圍成；以及一下部腔體，連通該上部腔體，且較該上部腔體接近該開口；其中，該些內壁面係圍成該下部腔體，並分別與該砲彈形內壁連接；該內凹稜邊係止於該些內壁面與該砲彈形內壁的交界處。
8. 一種顯示裝置，包含：一背光模組，具有：一背板；以及複數個如請求項1至7中任一所述之光源裝置呈矩陣形成設置於該背板上；其中，在一最緊密排列方向上相鄰的二該光源裝置，彼此係以該弱光區相鄰。
9. 一種顯示裝置，包含：一背光模組，具有：一背板；以及複數個如請求項5至7中任一所述之光源裝置呈矩陣形成設置於該背板上；其中，該光源裝置之該內壁面係與在一最緊密排列方向上相鄰另一該光源裝置之該內壁面正面相對。