CN101688997B - 具有透射光学膜的背光源组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光学显示器背光源组件，所述光学显示器背光源组件具有固定到至少部分地围绕背光源的框架上的透射光学膜。所述透射光学膜可以为所述框架提供增强的抗弯强度。所述框架的抗弯强度的增加还会使包括所述背光源组件的显示器的抗弯强度增加。所述光学膜在固定到所述框架上之后可以处于受张力状态，并且所述薄膜内的张力还会导致薄膜表面更平坦、垂度更小。所述薄膜在固定到所述框架上之前可以在受张力情况下设置，所述框架在固定所述薄膜之前可以产生弹性变形，以在所述薄膜上施加张力，或者所述薄膜可以在固定到所述框架上之后通过收缩产生张力。

Description

具有透射光学膜的背光源组件
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求提交于2007年7月3日的美国临时申请No.60/947776的优先权，该临时申请以引用的方式并入本文。
背景技术
最近便携式消费电子器件领域的趋势已经转向通过减小设备尺寸和减轻重量来提高便携性，同时又要保持携带不便的较大设备的功能。例如，为了方便消费者携带，膝上型计算机的厚度和重量在不断减小；但诸如屏幕尺寸和亮度以及电池使用时间之类的特性并没有因此而降低。
影响膝上型计算机的尺寸和重量的其中一个元件是显示屏(通常为液晶显示器或LCD)，显示屏周围是外壳，即膝上型计算机合上后的顶部。在不牺牲显示亮度和电池寿命的前提下，业界一直在努力增大显示屏面积，同时又要最大限度减小显示器的厚度和重量。
膝上型计算机通常使用的LCD屏幕至少包含LCD元件和用来照亮显示元件的光源(例如背光源)。在大多数显示屏中，LCD元件附接到背光源上，附接LCD元件的典型方法是用胶带缠绕背光源和LCD的边缘。其他标准元件包括(例如)一个或多个光学膜，这些光学膜通过有效利用背光源产生的光来改善LCD元件显示的图像的外观。LCD、背光源和附加的薄膜也可以封装在金属框架内，以保护这些元件并确保其在显示屏外壳内正确对齐。
用于减小LCD屏幕的厚度和重量的其中一种方法通过减小构成显示器的两个光学透明基底(通常为玻璃)的厚度，来减小LCD元件的厚度和重量。然而，玻璃厚度的减小使得LCD元件非常易碎，并且容易遭受损坏。
用于减小LCD屏幕厚度和重量的另一种方法是设计更薄、更节能的背光源。为此，行业标准的CCFL(冷阴极荧光)灯已经被作为光源的更高效的发光二极管(LED)所取代，以通过创新计划最大限度提高整个显示区域上的均匀度和亮度，同时尽可能减小背光源的厚度和重量。
通过这样的努力已经生产出了更薄的膝上型计算机显示器，其厚度从过去的大约11mm减小至目前某些市售显示屏的仅仅4mm。不幸的是，由于打开或合上膝上型计算机过程中不慎弯曲显示屏，所以这类更薄的显示器破碎的情况也更常发生。出于对超薄性和轻便性的不断追求，某些制造商求助于昂贵的解决方案，这些方案倾向于通过硬化显示器外壳来保护LCD面板，包括，例如使用碳纤维复合材料。因此，提供经济耐用且重量和厚度最小的显示器是很有意义的。
发明内容
本发明公开了背光源组件，其包括背光源、框架和透射光学膜。背光源可以具有20或更大的纵横比，框架可以至少部分地包封背光源。框架可以具有基部、结构支承肋、位于基部的第二透射光学膜或基部、结构支承肋和第二透射光学膜的任意组合。透射光学膜可以为设置在背光源相邻处并固定到框架上的复合材料光学膜，并且可以在受张力情况下固定到框架上。框架和背光源组件与没有附接薄膜时相比具有更大的抗弯强度，并且框架抗弯强度的增长系数可以为10或更大。背光源组件可以与液晶显示器相关，并且该显示器的抗弯强度系数可以增加至少2。
本发明还公开了包括下列部分的背光源组件：纵横比可大于20的背光源、可以围绕背光源的至少一部分的框架以及在受张力情况下固定到框架上的透射光学膜。框架可以具有基部、结构支承肋、位于基部的第二透射光学膜或基部、结构支承肋和第二透射光学膜的任意组合。透射光学膜可以为设置在背光源相邻处并固定到框架上的复合材料光学膜。透射光学膜还可以包括选自下列材料的至少一种膜：偏振器、反射型偏振器、扩散片、反射器、部分反射器、不对称反射器和表面结构化的薄膜。透射光学膜在固定到框架上之前可以保持受张力状态；并且可以在固定到框架上之后向框架施加张力。将透射光学膜固定到框架上之后，框架可以向透射光学膜施加张力。框架和背光源组件与没有固定薄膜时相比具有更大的抗弯强度，并且框架抗弯强度的增长系数可以为10或更大。背光源组件可以与液晶显示器相关，并且该显示器的抗弯强度系数可以增加至少2。
本发明还公开了包括下列部分的背光源组件：背光源、可以围绕背光源的至少一部分的框架以及固定到框架上的复合材料光学膜。该膜可以使用粘结剂固定到框架上，其中粘结剂包括(但不限于)热熔粘结剂、环氧树脂粘结剂和反应性聚氨酯粘结剂。复合材料光学膜可以为热固性聚合物膜，并且还可以包括纤维；该纤维可以为机织材料。纤维可以为有机纤维或无机纤维，且无机纤维可以为玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷。复合材料光学膜还可以为层合物，该层合物可包括多层光学膜、双折射膜、微结构、不对称反射膜或它们的组合。背光源组件可以与液晶显示器相连，并且还可以与发光面板相连。
本发明公开了制备发光面板的方法，其中该方法包括提供框架、在框架内设置平面光源的至少一部分，以及将处于受张力状态的透射光学膜固定到框架的整个顶部开口上。该方法还公开了将液晶显示器模块设置在平面光源附近，既可以在光源和透射光学膜之间，也可以在光源背面紧靠透射光学膜处。
本发明还公开了中空背光源组件，该组件包括具有围绕光源的至少一部分的反射表面的框架以及设置在框架开口上方的不对称反射膜。中空背光源组件还包括与不对称反射膜相领并固定到框架上的透射光学膜，以增大框架的抗弯强度。
本专利申请的这些方面和其他方面通过下文的具体描述将显而易见。然而，任何情况下都不应将上述发明内容理解为是对要求保护的主题的限制，该主题仅受所附权利要求的限定，并且在审查期间可以进行修改。
附图说明
在整个说明书中都对附图进行了引用，其中类似的附图标记代表类似的元件，并且其中：
图1a为膝上型计算机的透视图。
图1b为LCD的分解透视图。
图2为背光源组件的剖视图。
图3a为图2的背光源组件内的框架的透视图。
图3b-d为图3a的框架的其他实施例的俯视图。
图4a为沿图3b-3d的A-A’区段的剖视图。
图4b为图4a的剖视图的另一个实施例。
图5a为透射光学膜的一个实施例的俯视图。
图5b为将图5a的光学膜附接到图3a-3d的框架上的一种方法的剖视图。
图5c为图5b的另一个实施例的剖视图。
图6为用于框架硬度的计算机建模的框架的透视图。
图7a-c为外壳内的背光源组件的示意图。
图8a-b为与背光源组件内的框架一起使用的薄膜载体的剖视图。
图8c-d为用于将承受张力的薄膜附接到框架上的花键的俯视图和剖视图。
图9a-h为几种张力框架设计的示意图。
图10为中空背光源组件的剖视图。
上述附图未必按比例绘制。图中所用类似标记表示类似元件。然而应当理解，用来表示给定图中某个元件的编号并非意图限定另一幅图中标以相同编号的元件。
具体实施方式
本发明适用于包括指示牌、显示器、灯具和工作照明在内的光学显示器，以及在显示器正常处理和操作过程中用于提高这类显示器的耐破损性的方法。耐破损性的这种提高是通过增大显示器的相对抗弯强度来实现的。抗弯强度的增大是通过形成轻型结构来实现的，其中轻型结构提高了包封显示器各部分的框架的刚度，优选地通过使用加入到框架设计中的高模量薄膜来提高。
虽然本文所含内容是针对用于增大框架抗弯强度的薄膜，但应当理解，具有充分的光传输性质的任何厚度的材料都在本发明范围内，其中包括刚性片材或面板。另外，虽然本文所含内容是指与背光LCD相关的实例，但对显示器结构刚度的改善同样适用于易受弯曲破损的任何显示器或照明面板，例如，OLED显示器、EL显示器、等离子体显示器、FED显示器、灯具、灯箱、工作照明等。本发明所用术语“背光源组件”是指用于为显示器(例如LCD)或照明面板(例如灯具、灯箱、工作照明、指示牌等)提供光源和刚度的元件的集合和装置。
除非另外指明，凡指“背光源组件”之处也同样意指在其预期应用中适用于提供标称均一照明的其他广泛的照明装置。此类其他装置可以提供偏振或非偏振输出。这样的例子包括灯箱、指示牌、槽型字和室内(如家庭或办公室)专用的一般照明装置，有时称为“灯具”。
使用薄膜增加光学显示器内所用框架的抗弯强度可以带来一些额外的好处。例如，保持受张力状态以增大抗弯强度的薄膜还可以在无支撑区域表现出较小的垂度，并且该薄膜更加平坦。特别是对于光学膜，平坦性有利于消除薄膜各区域之间的不规则性，例如可能是由整个薄膜表面上不同反射角和折射角所引起的不规则性。
透射光学膜在整个显示器行业具有广泛的应用。示例性透射光学膜有聚合物膜，包括复合材料光学膜。透射光学膜的例子包括BEF、DBEF、DRPF(均得自3M公司，St.Paul，Minnesota)以及增益扩散片、扩散片、补偿膜、偏振器、准直膜、保密膜、彩色膜、简单透明膜等。透射光学膜的其他例子可见于(例如)美国专利No.5,882,774(Jonza等人)和5,867,316(Carlson等人)、美国专利公布No.20060257679(Benson等人)和20060257678(Benson等人)、美国专利申请No.11/278336和11/278258以及提交于2007年5月20日的美国专利申请No.60/939079和60/939084。
图1a示出了典型膝上型计算机10的透视图，该计算机具有容纳在外壳30内的显示屏20。外壳30通过铰链50附接到计算机40上。打开和合上膝上型计算机10时，通常会用手指在一个或两个“P”点处施加力。根据所施加的力、铰链摩擦力和外壳强度的大小，显示区域会弯曲或产生一定的弯曲运动，从而可能导致显示器破损。
图1b示出了图1a的外壳30中容纳的LCD100的各个元件的分解透视图。金属框架110用来支撑和对齐背光源125，背光源125包括反射器120、光导装置130和光源(未示出)。光导装置130可以包括任何设计的实心或中空光导装置，光导装置通常用于将光源发出的光均匀分配到LCD表面上。光源可以包括CCFL、LED等上述任何光源。
除非另外指明，凡指LED之处也同样意指适用于能够在较小发射区域发出亮光(彩色或白色、偏振或非偏振)的其他光源。这样的例子包括半导体激光装置和利用固态激光泵激的光源。
术语“LED”是指发射光(不论可见光、紫外光或红外光)的二极管。其包括以“LED”为名销售的非相干的封壳或封装半导体装置，不论是常规的或超辐射的形式。当LED发射不可见光(例如紫外光)，以及在某些情况下发射可见光时，会在其包装内包括荧光粉(或者可以照亮设置在远处的荧光粉)，以将短波长光转化为较长波长的可见光，在一些情况下会形成发射白光的装置。“LED晶粒”是最基本形式的LED，即具有用半导体加工方法制备的单个元件或芯片形式的LED。元件或芯片可以包括适于施加电能以使装置通电的电触点。元件或芯片的单个层和其他功能元件通常以晶片级形成，因此可以将晶片成品切成单个部分，以形成多个LED晶粒。LED也可以包括杯状反射器或其他反射基底、成型为简单穹顶状透镜或任何其他已知形状或结构的封装材料、提取器以及其他封装元件，这些元件可用于产生前发光、侧发光或其他所需输出光分布。
回到图1b，LCD模块165包括LCD面板160和驱动电子器件170，LCD模块165使用条带180附接到金属框架110上，并且通过聚碳酸酯保持器150和光学膜140与背光源125隔开。在典型的膝上型计算机中，LCD模块设置在外壳内，外壳一端具有铰链，从而得到可枢转的计算机屏幕。LCD模块通过某种方式固定在外壳内，例如通过使用可以模制到外壳内部的凸起或柱，从而防止移动。外壳内还可以包括有回弹力的衬垫，从而为易碎的LCD模块提供额外的保护和支撑。
不论采用什么方法固定LCD模块，在打开、使用和合上计算机时，铰链机构和使用者的双手都会在外壳上施加力。这些力会传递到LCD模块，并最终传递到外壳所包围的易碎的LCD玻璃上。这会导致LCD玻璃受损。减小传递到LCD模块上的力的一种方法是利用更厚、更硬或更高模量的材料充分增加外壳的刚度。如果不考虑膝上型计算机的重量、成本和尺寸，则可以制备出刚度足够大的外壳，从而基本避免将外壳上的力传递到LCD模块上。然而，由于与厚重型相比，消费者更易于接受轻薄型膝上计算机，因此计算机屏幕优选地采用其他方式增强刚度。
组装之后，LCD模块100的刚度由构成模块的各元件的属性及其组装方式的总体原因而决定。如果使用(例如)压敏粘结剂(PSA)和背胶带将模块粘在一起，由于组装系统的作用，所以模块刚度的协同性增加较为有限。相反，组装模块的刚度基本上来自于刚性最大的元件。垂直于模块一个表面所产生的力会导致模块元件彼此偏移，以适应所施加的力，直到不再有相对运动为止。此时，所产生的应力会直接施加到刚性最大的元件上，并最终导致该元件因(例如)破裂而失效。在上述LCD模块中，刚性最大的元件通常为LCD中使用的玻璃，因此，在外壳上施加过大的力会导致LCD模块破损。本发明的一个有益效果是降低LCD、模块和面板损坏的可能性。
现在回到图2，图中描绘了本发明的若干元件。背光源组件200包括框架210和透射光学膜220。透射光学膜220在附接区域230处固定到框架210上，从而形成腔体240。框架210和附接的透射光学膜220可以共同作用以增大刚度，进而增大背光源组件200的抗弯强度。背光源250具有第一表面252和第二表面254，其中至少一个表面被构造和布置用于发出光，腔体240内设置有任选的光学膜260，邻近透射光学膜220处设置有LCD模块270。LCD模块270可以可选地设置在腔体内部并介于背光源250和透射光学膜220之间。利用薄膜增加框架的抗弯强度尤其适用于高纵横比(例如大于20)框架。本发明所用术语“纵横比”是指框架腔体的最大横向尺寸除以腔体深度。例如，最大横向尺寸为40cm和深度为1cm的框架腔体具有40的纵横比。
背光源组件的刚度可以与下列因素有关：(a)框架刚度、(b)薄膜刚度和(c)框架与薄膜连接或附接到一起的方式。以下段落描述了框架及其刚度增加方式、薄膜及其刚度增加方式以及组装框架和薄膜以形成刚性组件的方式。为此，将更详细地描述图2中每种元件。
框架刚度
框架210旨在用于对齐和布置显示器的若干元件。该框架有助于增大框架/聚合物结构的刚度，因此框架的设计变化会影响背光源组件以及整个显示器的刚度。框架和背光源组件刚度的增加会导致整个显示器总刚度的增加；然而，总刚度的增加可能不会直接导致任何一个元件刚度的成比例增加。例如，由于其他元件的相互作用，框架刚度系数增加50可能仅仅会使整个显示器刚度翻倍。框架可以由若干类型的材料中的一种或多种构成，具体取决于构造的相对难易程度、材料成本和尺寸/重量因素。框架在腔体周围形成三维结构，从而提供了可以在腔体内以所需方式布置背光源和与显示器有关的其他元件的场所。
框架材料可以由金属构成，例如铝、钛、镁、钢、金属合金等。框架材料也可以由非金属透明、不透明或半透射半反射材料构成，例如，塑料、复合材料(包括碳纤维和/或玻璃纤维复合材料)、玻璃等。框架可以是与外壳分离的结构，或者也可以成形为外壳的一体部分。
在一些实施例中，合适的框架材料优选地具有高弹性模量，例如大于约105N/mm2，同时又便于成形为三维结构。这类材料的例子包括金属薄板，包括冷轧金属，例如铝、钢、不锈钢、锡和薄板形式的其他金属。金属薄板可以通过常用金属成形技术(例如冲压)方便地成形或形成。可任选地，框架可以由铸造金属形成，包括压铸铝或铝合金。市售显示器中使用的框架材料的厚度优选地小于1mm，例如0.2mm厚。
图3a-d示出了由上述技术形成的框架的不同设计实例。图3a示出了框架300，该框架具有设置在框架背部的基部310以及位于基部310周边的背部凸缘345。背部凸缘345将结构限定在框架300内部邻近基部310处。侧部320与背部凸缘345相邻，凸缘330环绕在框架侧部320限定的前周边340周围。凸缘330可以可选地位于前周边340内部(即在类似背部凸缘345的取向上)，并且可以位于前周边340处，或位于前周边340和背部凸缘345之间的位置处。基部310可以为内部无开口的实心基部，在这种情况下背部凸缘345从整个基部310上伸出。基部310也可以有开口，并且缺失几乎所有材料。在这种情况下，不存在背部凸缘345，并且基部310形成类似于前周边340所限定的开口。在一些实施例中，基部310可以平行于凸缘330，从而前周边340和基部310之间在整个框架300上的间距(如侧部320所示)是均一的。在其他实施例中，基部310相反可以相对于凸缘330分级、倾斜或弯曲，从而使前周边340和基部310之间的间距在整个框架300上变化，例如在楔形内那样。如图3b-d所示，基部310还可以具有被肋370隔开的各种形状和尺寸的开口360。
可以改善框架设计的一种变形形式是在强度保持不变或更大的同时减轻框架重量。可以描述这种关系的参数是强度重量比。利用类似于图3b-d所示的有棱纹的设计可以增大强度重量比。通过移除基部各部位的材料也可以提高强度重量比，因为这样在减轻框架重量的同时可以把对结构刚度的影响降至最低。
如图4a-b所示，这些图为沿图3b-d的A-A’线的剖视图，具有宽度“r”的肋370可以有高度为“s”加强结构380，可以增大肋370的抗弯强度。例如，某些或全部肋可以具有一个或多个中心部分，这些中心部分平行于弯出面外的肋的侧部，从而形成加强结构380。加强结构可以伸入或伸出背光源组件200的腔体240。该加强结构增大了肋的硬度，同时还增加了框架的硬度。加强结构380可以成形于任何或所有肋370中，并且也可以成形在背部凸缘345或凸缘330上。不止一个加强结构可以成形于任何肋内(即肋内的若干平行结构380)，并且虽然图4a-b所示加强结构380具有锐角，但应当理解，该结构可以为任何形状(例如圆形)，并且仍然执行加强肋的相同功能。
薄膜刚度
转到图2所示另一个元件，下面将进一步详细描述透射光学膜。如前所述，透射光学膜与框架共同作用以增加背光源组件的刚度。背光源的输出光经光透射聚合物膜离开背光源组件。
透射光学膜可以为具有第一层和任选地第二层的复合材料光学膜，其中第一层具有嵌入聚合物基质内的纤维，且第二层附接到第一层上。纤维可以为无机纤维、有机纤维或无机纤维和有机纤维的组合物。合适的第一层薄膜在提交于2007年1月23日的美国专利申请No.11/278346中有所描述，其他合适的第一层薄膜也为本领域所已知。虽然相比非复合材料光学膜，复合材料光学膜可能具有诸如热膨胀系数(CTE)好和蠕变低之类的优点，但在一些应用中，复合材料以外的薄膜也是可以接受的。第二层(如有)可以与第一层相同或不同。
第二层(如有)可以为结构化(或微结构化)表面膜(例如增亮薄膜(BEF)，以提供增强亮度)，或其他薄膜，包括反射偏振器(包括干涉型)、共混偏振器、线栅偏振器；其他结构化的表面，包括转向膜、逆向反射立体角膜；扩散片，例如表面扩散片、增益扩散片结构化表面或结构化体扩散片；抗反射层、硬涂层、防污硬涂层、百叶窗膜、吸收偏振器、部分反射器、不对称反射器、波长选择滤波器、具有局部光学或物理透光区域的薄膜(包括穿孔镜)；补偿膜、双折射或各向同性单层或共混物，以及含珠涂层。例如，美国专利No.6,459,514(Jonza)和6,827,886(Neavin等人)进一步详细讨论了一系列其他涂层或层。第二层还可以为额外的复合材料光学膜。可任选地，第一层也可以具有上述任何表面结构。
透射光学膜可以任选地层合到光导装置上或成为其一体部分。例如，光线可以沿着具有提取结构的膜边缘射入透射光学膜或透射光学膜/光导装置组合物，其中提取结构包括位于一个或两个表面上的槽、脊或打印点。提取结构允许光线从薄膜的一个或两个表面离开薄膜内部。与光导装置相对应的提取结构可见于(例如)美国专利申请No.11/278336。
在另一个实施例中，透射光学膜结合到如图10所示的中空背光源1000内。该中空背光源可以(例如)为具有大约11％的透射率的不对称反射膜，以提高光均匀度，如均提交于2007年5月20日的共同拥有的美国专利申请序列No.60/939079、60/939082、60/939083、60/939084和60/939085中所述。在图10的中空背光源中，框架210具有反射表面1030和LED 1040。LED 1040可以为本文所述的任何半导体光源，并且还可以位于框架210外部，前提条件是其被构造为让光穿过框架210内的开口(未示出)到达中空背光源的反射性内部。在一些实施例中，框架210可包括光准直结构(未示出)，该结构部分地围绕LED 1040，并且将光线有效地导入中空背光源腔体内。合适的光准直结构的例子包括平面、弯曲或片段挡板或楔；成形光学器件，例如抛物线、抛物面或复合抛物面聚光器；等等。反射表面1030可以为框架表面或附接到框架上的单独的高反射膜。不对称反射膜1020设置在透射光学膜220附近并附接到其上，以防止不对称反射膜1020过度松弛。在一个实施例中，反射表面1030可以为半镜面反射器，例如，如美国专利申请No.11/467326中所述的涂珠增强型镜面反射(ESR)膜。在另一个实施例中，不对称反射膜1020可以用半反射膜代替，该半反射膜的透射率比不对称反射膜的透射率(大约11％)大(例如，20％、30％、40％或以上)，该半反射膜在一些情况下可以用于中空背光源。
在另一个实施例中，可以将荧光粉粒子结合到透射光学膜内或结合到涂覆在光学膜表面的一个或多个附加层内。在该实施例中，加载荧光粉的透射光学膜可用来向下转换来自UV或蓝光LED的光，例如如美国专利公布No.20040145913(Ouderkirk等人)中所示。加载荧光粉的薄膜还可以与一个或多个波长选择性透射膜配合使用，以提高光线利用效率。波长选择性膜的例子在(例如)美国专利No.6010751(Shaw等人)、6172810(Fleming等人)和6531230(Weber等人)中有所描述。
透射光学膜可以为聚合物的薄膜、片材或板。特别要关注的是刚性的薄膜。在一些实施例中，透射光学膜可以为具有高弹性模量(例如，大于约101N/mm2)的刚性材料。提高光学膜硬度的一种方法是，通过在薄膜内包含增强纤维来增大模量。本发明所用“复合材料光学膜”是指聚合物基质内复合有纤维的透射光学膜，并且其中纤维或粒子可以为有机或无机纤维。除纤维外，复合材料光学膜可任选地包含有机或无机粒子。某些示例性纤维的折射指数与薄膜周围的材料相当，使得很少或没有散射光透过薄膜。虽然在许多应用中较薄(例如小于约0.2mm)的复合材料光学膜可能是理想的，但对厚度没有具体限制。在一些实施例中，可能理想的是将复合材料的优点和较大的厚度结合，例如形成LCD TV中使用的厚度可为0.2 10mm的厚板。本发明所用术语“光学膜”也可以包括较厚的光学板或光导装置。
强化透射光学膜的一个实施例包括设置在聚合物基质内的有机纤维的复合材料光学膜。强化透射光学膜的另一个实施例包括设置在聚合物基质内的无机纤维的复合材料光学膜。下文描述了设置在聚合物基质内的无机纤维的情况；但应当理解，在一些实施例中，可以用有机纤维代替无机纤维。当使用双折射有机纤维时，使用有机纤维可以产生额外的光学效应。双折射有机纤维在(例如)美国专利公布No.20060193577(Ouderkirk等人)和20060194487(Ouderkirk等人)中有所描述。
纤维在聚合物基质内的取向(“纤维轴”)可以变化，以影响强化透射光学膜的机械性能。纤维轴相对于框架的角度可以为0度和90度，或者也可以采取一些其他角度，只要认为该角度有利于框架/薄膜整体结构的机械设计和抗弯强度。此外，具有织物的纤维不必在该织物内具有0度和90度的取向。纤维沿显示器主轴或对角线取向可以提供某些优点。
无机纤维可以由玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷材料形成，并且可以在基质内布置成单个纤维、一个或多个纤维束或者一个或多个织造层。纤维可以布置成规则图案或不规则图案。美国专利公布No.20060257678(Benson等人)更详细地讨论了强化聚合物层的若干不同实施例。布置成纤维束或织造布的纤维优选地为连续纤维，而非短切纤维或短纤维。虽然可以用较短的短切纤维、短纤维或者甚至颗粒来改善包括热膨胀系数(CTE)和抗翘曲性在内的机械性能，但连续纤维构造可以更大程度地改善模量和拉伸特性。因此，连续纤维构造使得框架弯曲时纤维可以承受薄膜内的一些应力。
基质和纤维的折射指数可以选择为匹配或失配。在一些示例性实施例中，可能理想的是使二者的折射指数匹配，从而使所得薄膜对于光源发出的光几乎或完全透明。在其他示例性实施例中，可能理想的是使二者的折射指数特意失配，以使薄膜的入射光产生独特的色彩散射效应，或产生漫透射或漫反射。可以通过选择折射指数与树脂基质接近或相等的合适纤维增强材料，或者通过形成折射指数与纤维接近或相等的树脂基质，以实现折射指数的匹配。
本文用n1x、n1y和n1z来表示形成聚合物基质的材料在x、y和z方向的折射指数。当聚合物基质材料为各向同性材料时，x、y和z方向的折射指数都基本上匹配。当基质材料为双折射材料时，x、y和z方向的折射指数中的至少一个与其他的不同。纤维材料通常为各向同性材料。因此，将形成纤维的材料的折射指数指定为n2。但纤维也可以为双折射的。
在一些实施例中，可能理想的是聚合物基质为各向同性的，即n1x≈n1y≈n1z≈n1。如果两个折射指数的差值小于0.05，优选地小于0.02，更优选地小于0.01，则认为这两个折射指数基本上相同。因此，如果没有一对折射指数相差大于0.05，优选地小于0.02，则认为该材料是各向同性的。此外，在一些实施例中，希望基质和纤维的折射指数基本上匹配。因此，基质和纤维之间的折射指数差值、n1和n2之间的差值应当比较小，至少小于0.03，优选地小于0.01，更优选地小于0.002。
在其他实施例中，可能理想的是聚合物基质为双折射的，在这种情况下基质的折射指数中至少一者与纤维的折射指数不同。在纤维为各向同性的实施例中，双折射基质会导致光线在至少一个偏振态被增强层散射。散射量取决于若干因素，其中包括被散射的偏振态的折射指数差值、纤维粒度和基质内纤维密度的大小。此外，光线可以被前向散射(漫透射)、后向散射(漫反射)或以它们的组合方式散射。美国专利公布No.20060257678(Benson等人)更详细地讨论了纤维增强层对光线的散射。
在聚合物基质中使用的合适材料包括透射理想范围内波长的光线的热塑性和热固性聚合物。在一些实施例中，可能特别有用的是，聚合物在水中不可溶、聚合物可具有疏水性或具有低吸水率。此外，合适的聚合物材料可以为无定形或半结晶的，并且可包括均聚物、共聚物或它们的共混物。聚合物材料的例子包括(但不限于)聚碳酸酯(PC)；间同立构和全同立构聚苯乙烯(PS)；C1-C8烷基苯乙烯；烷基、芳香族、脂族和含环甲基丙烯酸酯，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和PMMA共聚物；乙氧基化的和丙氧基化的(甲基)丙烯酸酯；多官能(甲基)丙烯酸酯；丙烯酸改性环氧树脂；环氧树脂；以及其他烯键式不饱和材料；环烯烃和环烯烃共聚物；丙烯腈-于二烯-苯乙烯(ABS)；苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)；环氧树脂；聚乙烯基环己烷；PMMA/聚氟乙烯共混物；聚苯醚合金；苯乙烯系嵌段共聚物；聚酰亚胺；聚砜；聚氯乙烯；聚二甲基硅氧烷(PDMS)；聚氨酯；饱和聚酯；聚乙烯，包括低双折射率聚乙烯；聚丙烯(PP)；聚对苯二甲酸烷基酯，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；聚萘二甲酸烷基酯，例如聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；聚酰胺；离聚物；乙酸乙烯/聚乙烯共聚物；醋酸纤维素；乙酸丁酸纤维素；含氟聚合物；聚苯乙烯-聚乙烯共聚物；PET和PEN共聚物，包括聚烯烃PET和PEN；以及聚碳酸酯/脂族PET共混物。术语(甲基)丙烯酸酯定义为对应的甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯化合物。这些聚合物可以光学各向同性形式使用。
在一些产品应用中，重要的是薄膜产品和元件具有低含量的易散逸物质(低分子量、未反应或未转化的分子、溶解的水分子或反应副产品)。易散逸物质可从产品或薄膜的最终使用环境吸收，例如，水分子可以存在于初始产品制造得到的产品或薄膜中，或者可以作为化学反应(例如缩聚反应)结果而制备。通过缩聚反应的小分子进化的例子是，二胺和二酸反应形成聚酰胺过程中释放出水。易散逸物质也可以包括低分子量有机物质，例如单体、增塑剂等。
易散逸物质通常比构成剩余功能性产品或薄膜的大多数材料的分子量低。产品使用环境可能会(例如)在产品或薄膜的一侧产生明显较大的热应力。在这种情况下，易散逸物质可以透过薄膜迁移或者从薄膜或产品的一个表面挥发掉，从而产生浓度梯度、总体机械变形和表面改变，有时还会产生不期望的渗气。渗气会在产品、薄膜或基质内形成空隙或气泡，或者产生与其他薄膜粘结的问题。易散逸物质还有可能溶剂化、蚀刻或不期望地影响产品应用中的其他元件。
这些聚合物的一些在取向后会具有双折射性。特别是PET、PEN及它们的共聚物和液晶聚合物，它们在取向后表现出相对较大的双折射率值。聚合物可以使用不同方法取向，包括挤出和拉伸。拉伸是一种尤其适合于聚合物取向的方法，因为该方法允许较高程度的取向，并且可以通过多个易于控制的外部参数(例如温度和拉伸比)来控制。
基质可以具有各种添加剂，为具有光传输性质的聚合物膜提供所需的性质。例如，添加剂可包括下列物质中的一种或多种：耐候剂、UV吸收剂、受阻胺光稳定剂、抗氧化剂、分散剂、润滑剂、抗静电剂、颜料或染料、荧光粉、成核剂、阻燃剂和发泡剂混合物。
一些示例性实施例可以使用随时间推移不易泛黄和发浑的聚合物基质材料。例如，某些材料(例如芳香族聚氨酯)长期暴露于UV光下会变得不稳定，并且会随时间推移而变色。如果需要长期保持同种颜色，那么最好避免使用这类材料。
基质内可以含有其他添加剂，以改变聚合物的折射指数或增加材料的强度。这类添加剂可包括(例如)有机添加剂，例如聚合物珠或粒子以及聚合物型纳米粒子。在一些实施例中，基质是由特定比率的两种或更多种不同单体形成，其中每种单体都与聚合时不同的最终折射指数相关。不同单体的比率决定了最终树脂的折射指数。
在其他实施例中，可以在基质内添加无机添加剂，以调整基质的折射指数，或增加材料的强度和/或硬度。无机添加剂还可以影响基质的耐久性、耐刮擦性、CTE或其他热特性。例如，无机材料可以为玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷或金属氧化物。下文结合无机纤维讨论的任何合适类型的玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷都可以使用。合适类型的金属氧化物包括(例如)二氧化钛、氧化铝、氧化锡、氧化锑、氧化锆、二氧化硅及它们的混合物或混合氧化物。这类无机材料可以作为纳米粒子提供，例如以磨屑、粉末、小珠、薄片或颗粒形式分布在基质内。纳米粒子可以利用(例如)气相或湿化学方法合成。粒子的粒度优选地小于约200nm，并且可以小于100nm或者甚至50nm，以减少穿过基质的光线的散射。添加剂可以具有官能化表面，以优化悬浮液的分散性和/或流变性以及其他流体性质，或者与聚合物基质反应。其他类型的粒子包括中空壳，例如中空玻璃壳。
任何合适类型的无机材料都可用于纤维。纤维可以由几乎可以完全透射穿过薄膜的光的玻璃形成。合适的玻璃的例子包括常用于玻璃纤维复合材料的玻璃，例如E、C、A、S、R和D型玻璃。也可以使用更优质的玻璃纤维，其中包括(例如)熔融二氧化硅纤维和BK7玻璃。合适的更优质的玻璃可得自多个供应商，例如Schott North America Inc.，Elmsford，New York。可能理想的是使用这些优质玻璃制成的纤维，因为它们更纯，因而可以产生更均一的折射指数，并且具有更少的内含物，因此散射率更低，透射率更高。另外，纤维的机械性能也可能更均一。优质玻璃纤维不太可能吸收水分，因而使薄膜在长期使用过程中更加稳定。此外，可能理想的是使用低碱玻璃，因为玻璃中的碱元素会增加吸水性。
需要拉伸或经受某些其他成形过程的聚合物优选地使用不连续的增强材料，例如粒子或短纤维。填充短切玻璃的挤出型热塑性塑料(例如，以引用方式并入本文中的美国专利申请No.11/323,726所描述的材料)可以用作纤维填充加强层。对于其他应用，可以优选使用连续玻璃纤维增强材料(即织物或纤维束)，因为这种材料可以更大程度地减小热膨胀系数(CTE)并更大程度地增大模量。
可用于纤维的另一类无机材料是玻璃陶瓷材料。玻璃陶瓷材料通常包含95体积％-98体积％的非常小的晶体，其粒度小于1微米。某些玻璃陶瓷材料具有小至50nm的晶体粒度，使其可以有效透射可见光，由于晶体粒度远小于可见光波长，因此事实上不会发生散射。这类玻璃陶瓷在玻璃态区域和结晶区域的折射指数之间也可以具有非常小或不存在有效差值，使其在视觉上透明。除了透明性外，玻璃陶瓷材料可以具有超过玻璃的破裂强度，并且已知某些类型具有为零或者甚至为负值的热膨胀系数。本文所关注的玻璃陶瓷含有组合物，包括(但不限于)Li2O-Al2O3-SiO2、CaO-Al2O3-SiO2、Li2O-MgO-ZnO-Al2O3-SiO2、Al2O3-SiO2、ZnO-Al2O3-ZrO2-SiO2、Li2O-Al2O3-SiO2以及MgO-Al2O3-SiO2。
某些陶瓷还具有足够小的晶体粒度，使其在嵌入折射率大致匹配的基质聚合物内时看起来是透明的。这类材料的例子包括得自3M公司(St.Paul，MN)的NextelTM陶瓷纤维，并且该材料可以提供线、纱线和织造垫形式。合适的陶瓷或玻璃陶瓷材料在Chemistry of Glasses，2 nd  Edition(A.Paul，Chapman and Hall，1990)(玻璃化学(第二版)，A.Paul，1990)和Introduction to Ceramics，2 nd  Edition(W.D.Kingery，JohnWiley and Sons，1976)(陶瓷介绍(第二版)，W.D.Kingery，1976年)中有进一步描述，这两本书的相关部分以引用方式并入本文中。
在一些示例性实施例中，基质和纤维之间的折射指数不完全匹配可能是可取的，这样至少一些光会被纤维漫射。在某些此类实施例中，基质和纤维中的一者或两者可以为双折射的，或者基质和纤维都可以为各向同性的。根据纤维粒度的不同，漫射会因散射或简单的折射而引起。纤维引起的漫射是各向异性的：光线可以沿纤维轴侧向漫射，但不会在相对于纤维的轴向漫射。因此，漫射的性质取决于纤维在基质内的取向。如果纤维(例如)平行于x轴布置，则光线会在平行于y轴和z轴方向漫射。
此外，基质可以用各向同性地散射光线的漫射粒子填充。漫射粒子是与基质折射指数不同(往往较大)的粒子，并具有高达约10μm的直径。这些粒子也可以增强复合材料的结构强度。漫射粒子可以为(例如)金属氧化物，例如上述用作纳米粒子的金属氧化物，以调节基质的折射指数。其他合适类型的漫射粒子包括聚合物粒子，例如聚苯乙烯或聚硅氧烷粒子或它们的组合物。漫射粒子也可以为中空玻璃球，例如3M公司(St.Paul，Minnesota)制备的S60HS型玻璃泡(type S60HS Glass Bubbles)。漫射粒子可以单独用于漫射光线，或者可以与折射指数不匹配的纤维一起用于漫射光线，或者可以结合结构化表面一起漫射和重新导向光线。
纤维在基质内的某些示例性布置方式包括纤维纱线、纤维束或在聚合物基质内朝一个方向布置的纱线、纤维织造物、非织造材料、短切纤维、短切纤维垫(采用随机或有序形式)或这些形式的组合。短切纤维垫或非织造材料可以拉伸、压缩或取向成让纤维在非织造材料或短切纤维垫内以某种方式对齐，而不是随机布置。此外，基质可包含多层纤维：例如基质可包括多层由不同的纤维束、织造物等组成的纤维层。在一个具体实施例中，纤维布置成两层。
固定膜与框架
回到图2和图3a-d，附接区域230在一个或多个位置将透射光学膜220和框架210连接在一起，从而在薄膜和框架之间形成机械连接。这种机械连接使得背光源组件200比起缺乏这种框架硬化结构的现有背光源组件，可以具有更高的抗弯强度。透射光学膜可以固定到框架的前表面、框架的背表面、介于框架前表面与背表面之间的位置处、框架的前表面和背表面、或者前表面、背表面与中间表面的某种组合上。在一个实施例中，透射光学膜可以为围绕前表面、背表面和至少两个侧面上的框架的套管(未示出)。如别处所述，套管可以通过收缩透射光学膜、延伸框架或这两者的组合方式固定到框架上。在某些情况下，固定到框架背表面上的薄膜可以为聚合物膜或聚合物型复合膜，该薄膜不透射光，相反却可以为半透明、漫射、不透明或者甚至反射的膜。薄膜可以连续地固定到框架周围，或者在两个或更多个地方固定到框架周围。
在一个实施例中，附接区域230位于沿前周边340围绕框架210的凸缘330上。透射光学膜可以通过已知方法固定到凸缘330上，其中包括粘合剂和机械装置，例如将框架卷曲在薄膜周围、利用作为花键的柔性垫圈捕集薄膜或者通过超声焊接保持薄膜。薄膜可以沿整个周边固定到框架上，或者以所选的间隔围绕在周边上，例如在框架的四角处。优选地，将薄膜以连续方式沿整个周边固定到框架上。不论采取何种连接方法，当在制备和使用背光源组件过程中施加力时，薄膜都不应在附接区域相对框架产生明显的位移。优选采用具有高弹性模量的粘合剂，例如热熔粘合剂和热固性粘合剂(包括环氧树脂等)，以在附接区域的薄膜和框架之间形成粘结。高模量粘合剂的例子包括得自3M公司(St.Paul，Minnesota)的Scotch-WeldTM环氧树脂粘合剂(Scotch-WeldTM Epoxy adhesives)(例如DP100+和DP100NS)和Scotch-WeldMT聚氨酯反应性粘合剂(Scotch-WeldTMPolyurethane Reactive Adhesives)(例如TS115和TS230)。
在如图5a-c所示的另一个实施例中，透射光学膜220在附接区域230内具有多个穿孔280。涂覆在凸缘330上的附接区域230内的粘合剂290可以流过穿孔280，以在透射光学膜和框架210之间提供额外的机械粘结，如图5b所示。在一些实施例中，打孔的膜易产生应力开裂，因此图5c示出了可供选择的实施例，其中框架210的凸缘330具有穿孔350，以允许粘合剂290在附接区域230内流动，以在机械粘结内实现类似的增加。
在一个实施例中，透射光学膜在固定到框架上之前保持受张力状态。张力可通过本领域已知的任何方式施加到薄膜上，例如通过抓住薄膜边缘并施加张力以将边缘拉开。张力(应力)的施加会在薄膜内产生应变，这种应变通常用应变百分比表示。外部施加的张力保持在薄膜上，直到框架和透射光学膜之间形成粘结(即，薄膜开始固定到框架上时)。此时可以去除外部张力，并且框架可以通过已经形成的粘结作用使透射光学膜保持受张力状态。将该预拉紧的薄膜固定到框架上还会导致框架/薄膜组件的抗弯强度增加。
在另一个实施例中，施加到薄膜上的张力水平经过选择，以提高将薄膜附接到框架上时的平坦度。虽然任何悬挂主体在一定程度上都会因其自重而下垂，但通过施加张力可以将这种下垂最小化，从而提高薄膜平坦度。当薄膜用于诸如膝上型计算机和手持装置之类的显示应用时，薄膜平坦度变得尤其重要。由于薄膜内部的翘曲、褶皱或下垂而使平坦度产生的轻微变化会形成不可取的光学人工痕迹，特别是在薄膜通过光的折射或反射参与图像传输时。一般来讲，诸如膝上型计算机之类的光学应用可以接受的最大垂度，应使得在薄膜开始产生足以抵抗薄膜/框架组合物进一步弯曲的张力之前，框架不会明显弯曲。一旦框架轻微弯曲，薄膜内就开始产生张力，以抵抗进一步的弯曲。
在另一个实施例中，将薄膜固定到框架上时，通过控制薄膜和框架的设置方式可以控制透射光学膜的平坦度。例如，可以将薄膜和框架组装在配有使薄膜保持平坦的装置或系统的平坦表面上，例如真空台。这样，可以将薄膜张紧并设置在真空台上，同时在薄膜和框架之间形成粘结。
在另一个实施例中，在固定到框架上之前，可以将透射光学膜保持在载体上，例如图8a-b所示。在该实施例中，薄膜载体800通过上述一种方式固定到薄膜220的边缘上，或者(例如)载体可以为聚合物型载体并且在将薄膜保持平坦和受张力状态时在薄膜边缘周围形成。载体可以提供便利的方式，以在通过载体将薄膜固定到框架上之前和过程中抓握薄膜。利用将薄膜固定到框架上的上述相同方法，可以将薄膜和载体固定到框架上。在一个实施例中，载体可具有某种构造，例如通过使用定位部构造(未示出)，以通过机械“扣合”方式与框架啮合。在另一个实施例中，框架210可以比载体800尺寸更大，从而在将载体800固定到框架上时，可以进一步张紧薄膜220。图8b示出了载体的替代设计，其中当通过上述一种方法将载体附接到框架上时，布置在载体内缘的锥形可以对薄膜施加额外的张力。
在另一个实施例中，可以通过使用如图8c-d所示的花键将透射光学膜固定到框架上。在该实施例中，位于框架210周边内的凹槽810和花键820将薄膜220捕集并固定到框架上。在用花键附接过程中，可以将薄膜220保持受张力状态，或者可以通过花键的附接作用在薄膜220上产生张力。在某些情况下，如图8c所示，可以从角部移除薄膜220的部分830，以避免附接花键820时薄膜220褶皱或变形。图8d示出了将薄膜固定到框架210正面和背面的花键，然而应当理解，在某些情况下只可以使用一个薄膜和一个花键。
在另一个实施例中，在将透射光学膜固定到框架上时，通过收缩薄膜，例如通过热收缩或固化收缩，可以在薄膜上施加张力。聚合物膜的热收缩在正常情况下会涉及制备聚合物膜，将聚合物膜加热到接近聚合物的玻璃化转变温度，以及机械拉伸聚合物(往往通过拉幅)，然后在拉伸后冷却薄膜。热收缩聚合物可以为交联的，例如通过使用有助于薄膜在收缩前后保持形状的电子束、过氧化物或水分进行交联。再加热时，薄膜又恢复到初始未拉伸尺寸的趋势。这样，将固定到框架上的经过拉伸的热收缩薄膜进行温和加热时，该薄膜内会产生张力。或者，透射光学膜可以含有热固性材料，或者更具体地讲含有辐射固化型材料。如果透射光学膜为热固性材料，则该薄膜在固定到框架上时可以处于完全固化状态或部分固化状态。本发明所用术语“完全固化”是指热固性材料基本不具有可进行交联或扩链的剩余反应性基团。本发明所用术语“部分固化”是指“B阶段”材料可以通过以下方式进一步固化或交联：施加适当的热量、化学活化、光线或其他辐射条件或它们的组合。进一步固化B阶段材料的方法通常与固化过程中附加收缩的发生率相关。这样，B阶段材料被固定到薄膜框架上，然后进行额外的固化。在另一个实施例中，透射光学膜含有纤维材料，该材料在涂覆热固性聚合物基质之前在框架上被拉伸，随后再固化。固化时发生的薄膜收缩会产生薄膜张力，从而减少或消除薄膜下垂并改善背光源结构的刚度。有关B阶段材料的更多描述可见于(例如)美国专利公布No.20060024482、美国专利No.6352782和6207726，以及与本文提交于同一天的美国临时申请No.60/947771和60/947785。
在另一个实施例中，框架的设计可以在固定的薄膜上施加张力。虽然薄膜收缩是在框架内获得薄膜张力的一种方法，但在某些情况下可能不希望薄膜收缩。例如，如果将透射光学膜层合到反射型偏振器上，复合材料光学膜的收缩会导致反射型偏振器内产生皱纹。另外，反射型偏振器的收缩会由于改变了层的厚度而影响光学性质。如果组装方法不需要薄膜收缩，但又能确保薄膜张力，则可能是有益的。图9a-f示出了可以向薄膜施加张力的框架设计的代表性例子。
图9a示出了薄膜张紧框架设计的一个实施例，其中框架210设计成在固定透射光学膜220之后和组装到显示器外壳30内之前为略微非平面的。这样，当薄膜/框架组件被压平并固定到外壳内时，所产生的尺寸变化会使薄膜处于受张力状态。
图9b示出了薄膜张紧框架设计的另一个实施例，其中框架210具有起到弹簧作用的柔性部分900。柔性部分900在固定薄膜220过程中被向内压向腔体240中心。然后释放压力，柔性部分900所产生的弹簧力就会起到张紧薄膜的作用。
图9c-f示出了固定薄膜之前张紧框架的其他实施例，这些图为示例性张紧装置的示意图。图9c是框架210的示意性剖视图，其中框架210具有在插入组装块930之前向外倾斜的侧部。插入时，框架210发生弹性变形，以适形于组装块930的形状，并且接着通过上述任一方法将薄膜220固定到框架210上。从组装块930上移除薄膜/框架组件，由于框架210趋向于恢复初始形状，这样会导致框架210将张力施加到薄膜220上。
图9d为框架向薄膜施加张力的另一个实施例的俯视图，其中未张紧的框架210具有(例如)梯形的形状，并且插入到组装块940中，使框架210受到弹性压缩。薄膜220通过使用上述任一方法固定到框架210上。接着从组装块940上移除薄膜/框架组件，由于框架210趋向于恢复初始形状，这样会导致框架210将张力施加到薄膜220上。在该实施例中，未张紧的框架210至少在一个维度上尺寸较大。插入组装块940时，框架210被拉紧，以在固定薄膜220之前适形于组装块940的形状。
图9e示出了框架向薄膜施加张力的另一个实施例，该图为示意性俯视图，其中框架210由侧部960构成，侧部960中至少一些是非线性的，例如弯曲或阶梯状的，而不是直的。在将薄膜220固定到框架210上之前，用销950将框架210强行变成矩形。将薄膜/框架组件和销分离，由于框架210趋向于恢复初始形状，这样会导致框架210将张力施加到薄膜220上。应当理解，对于上述任何方法，可以使用销、组装块或组装领域已知的其他方法来保持框架。
图9f示出了附接薄膜过程中张紧框架的另一个实施例。在该实施例中，框架210的侧部相对于框架前表面和背表面倾斜。当通过(例如)压制970使框架210的侧部弹性弯曲时，薄膜220被固定到框架210上。应当理解，框架210的侧部可以与弹簧机构(未示出)互连，以在框架侧部内产生变形，或者可以使框架材料本身扭曲以产生变形。通过压制970移除薄膜/框架组件，从而使框架210向薄膜220施加张力。
图9g示出了附接薄膜过程中张紧框架的另一个实施例。在该实施例中，框架210具有固定侧部980和活动侧部990。固定侧部980具有系留弹簧985，该弹簧包含在固定侧部980内的沟槽中。活动侧部990连接到系留弹簧985，并且在侧部990如图所示向内移动时，系留弹簧985压缩并在活动侧部990上施加力。当系留弹簧985压缩时，薄膜220固定到活动侧部990上，从而在薄膜220上施加张力。
图9h示出了张紧薄膜的另一个实施例。在该实施例中，框架210具有固定侧部980和活动角995。固定侧部980和活动角995具有包含在沟槽内的系留弹簧985。当系留弹簧985受力压缩时，薄膜220在附接区域997处固定到活动角995上，这使得释放力后薄膜220上产生张力。
无论固定薄膜之前采用什么方法使框架产生应变(即轻微变形)，应当理解，所产生的应变量都应低于框架材料的屈服应变(即弹性变形范围)，以使框架转移所产生的应变，并导致固定的薄膜内产生张力。所产生的应变大于屈服应变会导致框架永久性变形，以及薄膜内产生不理想的张力水平。
有几种方式可以描述结构抵抗变形的能力。其中一种这类方式是描述结构的刚度，刚度是反映刚性和抗弯强度的物理特性。通过比较一个结构的抗扭刚度、转动刚度或抗弯刚度(在这种情况下，框架具有附接膜)与第二个结构的抗扭刚度、转动刚度或抗弯刚度(在这种情况下，框架没有附接膜)，可以确定结构的相对抗弯强度。通过这种方式，结构设计上的改变可以显示由改变导致的抗弯强度的相对增加或减小。就本专利申请而言，希望增加抗弯强度。
虽然上文说明是结合容纳背光源组件的框架的抗弯强度增加进行描述的，但这样的结果是：当用力打开、使用和合上膝上型计算机屏幕时，易碎的LCD玻璃元件不会损坏。为此，图1a的外壳30的抗弯强度也会增加。在承受张力情况下固定到外壳上的相同透射光学膜可以保护LCD不受破损。图7a-c示出了增加外壳抗弯强度的其他方式的例子。在图7a中，薄膜附接到框架上形成背光源组件，然后再将组件设置在如上所述外壳内。在图7b中，薄膜作为外壳的内部部件进行附接，并且背光源组件是外壳的一体部分。在图7c中，薄膜作为外壳的部分进行附接，并且背光源组件旨在涵盖整个外壳。
现在来看图6，图中示出了用于测量背光源组件相对抗弯强度的框架的透视图，对抗弯强度的测量通过评价结构的数学模型来进行。在该实施例中，框架600为具有高度“h”、宽度“w”和深度“d”的矩形框架。框架高度由框架侧部610和620限定；框架宽度由侧部630和640限定。有“A”、“B”、“C”和“D”四个框架角，这些角起到两个作用：一是作为基准点限定导致模型中的角点相对移动的所施加的力，如下文详述的那样；二是辨识具有不同尺寸的框架部分，如实例中进一步说明的那样。框架600还具有前平面650和后平面660。后平面660由穿过“A”、“B”、“C”和“D”角的平面限定，并且以框架侧部610、620、630和640为界。后平面660具有从框架侧部610、620、630和640延伸的背部凸缘645。前平面650与后平面660之间相隔深度“d”，并且也以框架侧部610、620、630和640为界。对于图6所示取向，侧部630对应于具有图1a的铰链50的外壳30的边缘。施加在框架角“B”和“C”上并使框架600移动的力等于使图1a中外壳30的“P”点移动的力。
使用通用有限元分析程序(ANSYS)比较了各种框架构造与各种具有光传输性质的聚合物膜结合的抗弯强度。在模型的构造中，使用图6所示矩形笛卡尔坐标系来定义框架600所涵盖的点的相对位移。为了建模，角“A”在所有x、y和z坐标方向上均固定并且不可移动。角“B”在y和z坐标方向固定并且不可移动，但可以在x坐标方向移动。迫使角“C”和“D”向正负z坐标方向移动，使得当角“C”和“D”中的一者朝(+)z方向移动时，角“C”和“D”中的另一者朝(-)z方向移动。这样，框架600内发生扭转、旋转或弯曲的复杂运动，并且两个不同的框架结构可以用硬度比率来表征，而硬度比率则可以用框架组件抗弯强度的增加来描述。
实例
下面的建模实例使用以下通用结构和材料。除非另外指明，透射光学膜为(例如)美国专利公布No.20060257678(Benson等人)所描述的复合材料光学膜，其具有1.5密耳(38微米)的厚度、1.05×104N/mm2的弹性模最和0.35的泊松比。此外，除非另外指明，框架材料为钢，其具有0.2mm(200微米)的厚度、2×105N/mm2的弹性模量和0.3的泊松比。参见图6，在构建的框架的维度中，宽度“w”、高度“h”和深度“d”分别为270mm、180mm和2.5mm。背部凸缘345在图6所示不同点之间具有不同宽度，这些不同宽度包括在表中。例如，点“A”和“B”之间的凸缘宽度用“AB”表示，诸如此类。为了建模，所有实例中都没有包括图3、图4和图6所示凸缘330，以便于比较；然而，应当理解，优选的是包括凸缘以将薄膜固定到框架上。在包括凸缘的实例中，凸缘宽度始终为2mm。模型的一个边界条件为：透射光学膜和框架之间在附接区域内没有相对运动。
实例1：框架前平面上的薄膜在薄膜预拉伸量和厚度变化时的建模结 果
将单个透射光学膜固定到框架前平面上。改变薄膜厚度，并进行“预拉伸”处理(附接过程中薄膜上的施加应变百分比)。该实例中没有凸缘，并且背部凸缘的尺寸(mm)为AB＝10.7、BC＝4、CD＝5和DA＝4。计算未固定薄膜的框架的抗弯强度并进行归一化，数据如表1所示。
表1
  建模实验   薄膜厚度   施加应变百分比   抗弯强度比率
  1a   仅框架   0   1
  1b   1.5密耳(38微米)   0   1.8*
  1c   1.5密耳(38微米)   0   1.9
  1d   1.5密耳(38微米)   0.1   1.9
1e 1.5密耳(38微米) 0.5 1.9
  1f   1.5密耳(38微米)   1.0   1.9
  1g   2.0密耳(51微米)   0   1.9
  1h   3.0密耳(76微米)   0   1.9
*薄膜只在顶部、左侧和右侧附接到框架上(即不包括铰链侧)
实例2：框架后平面上的薄膜在薄膜预拉伸量和厚度变化时的建模结 果
将单个透射光学膜固定到框架后平面上。改变薄膜厚度，并进行“预拉伸”处理(附接过程中薄膜上的施加应变百分比)。该实例中没有凸缘，并且背部凸缘的尺寸(mm)为AB＝10.7、BC＝4、CD＝5和DA＝4。计算未固定薄膜的框架的抗弯强度并进行归一化，数据如表2所示。
表2
  建模实验   薄膜厚度   施加应变百分比   抗弯强度比率
  2a   仅框架   0   1.0
  2b   1.5密耳(38微米)   0   1.0
  2c   1.5密耳(38微米)   0   1.0
  2d   1.5密耳(38微米)   0.1   1.0
  2e   1.5密耳(38微米)   0.5   1.0
  2f   1.5密耳(38微米)   1.0   1.0
  2g   2.0密耳(51微米)   0   1.0
  2h   3.0密耳(76微米)   0   1.0
实例3：框架前后平面上的薄膜在薄膜预拉伸量和厚度变化时的建模 结果
将单个透射光学膜固定到框架前平面和后平面上。改变薄膜厚度，并进行“预拉伸”处理(附接过程中薄膜上的施加应变百分比)。每个实验的两个薄膜的厚度和应变百分比都相同。该实例中没有凸缘，并且背部凸缘的尺寸(mm)为AB＝10.7、BC＝4、CD＝5和DA＝4。计算未固定薄膜的框架的抗弯强度并进行归一化，数据如表3所示。
表3
  建模实验   薄膜厚度   施加应变百分比   抗弯强度比率
  3a   仅框架   0   1
  3b   1.5密耳(38微米)   0   60
  3c   1.5密耳(38微米)   0.1   60
  3d   1.5密耳(38微米)   0.5   60
  3e   1.5密耳(38微米)   1.0   60
  3f   2.0密耳(51微米)   0   80
  3g   3.0密耳(76微米)   0   119
  3h(1)   1.5密耳(38微米)   0   117
1)3h建模所采用的实心薄钢板背面的厚度与框架钢相同
实例4：框架前平面上的薄膜的建模结果(框架后平面上有框架肋和 加强件)
将单个透射光学膜固定到框架前平面上。框架设计和肋的宽度“r”如图3b-d所示变化。薄膜厚度为1.5密耳(38微米)，肋的材料(钢)和厚度(0.2mm)与框架相同。该实例的每种框架设计中都没有凸缘，背部凸缘宽度(mm)参照图6变化，如表4所示。计算未固定薄膜的框架的抗弯强度并进行归一化，数据如表4所示。
表4
  建模实验   框架设计   肋宽度(mm)   凸缘宽度(mm)AB/BC/CD/DA   前平面上的薄膜(Y/N)   抗弯强度比率
  4a   3a   -   10.7/4/5/4   N   1
  4b   3a   -   10.7/4/5/4   Y   1.9
  4c   3b   10   15.7/9/10/9   Y   25
  4d   3b   20   20.7/14/15/14   Y   71
  4e   3b   30   25.7/24/25/24   Y   97
  4f   3b   40   30.7/24/25/24   Y   108
4g(1) 3a (1) 实心背部 Y 117
  4h   3c   10   15.7/9/10/9   Y   101
  4i   3d   10   15.7/9/10/9   Y   103
  4j   3c   20   20.7/14/15/14   N   3
  4k   3c   20   20.7/14/15/14   Y   109
  4l(2)   3c   10   15.7/9/10/9   N   11
  4m(3)   3c   10   15.7/9/10/9   Y   123
  4n(1)，(2)   3a   (1)   实心背部   Y   133
1)4g和4n被建模为所使用的实心薄钢板背部的厚度与框架钢相同
2)4l、4m和4n增加了图4b所示的加强结构(图4b中深度“s”＝1.4mm)
实例5：框架后平面上有框架加强件时框架前平面上单个薄膜的建模 结果
将单个透射光学膜固定到框架前平面上。通过增加图4a和4b所示框架加强件来改变框架设计，并且将加强件的深度“s”分别设为1.0mm和1.4mm。另外，改变图6所示框架总深度“d”。薄膜厚度为1.5密耳(38微米)，肋的材料(钢)和厚度(0.2mm)与框架相同。该实例具有宽度为2mm的凸缘，并且背部凸缘的尺寸(mm)为AB＝10.7、BC＝4、CD＝5和DA＝4。计算未固定薄膜的框架的抗弯强度并进行归一化，数据如表5所示。
表5
  建模实验   框架深度“d”(mm)   框架加强件图   使用薄膜(Y/N)   抗弯强度比率
5a 2.5 - N 1
  5b   1.1   4a   N   11
  5c   1.1   4a   Y   36
  5d   2.5   4a   N   12
  5e   2.5   4a   Y   121
  5f   2.5   4b   N   12
  5g   2.5   4b   Y   93
实例6：框架前平面上较低模量的较厚薄膜的建模结果(框架后平面 上有框架加强件)
将VikuitiTM DBEF-D400(得自3M公司(St.Paul，MN))的样品固定到框架上。薄膜厚度为0.392mm，弹性模量为2318.5N/mm2，泊松比为0.35。框架具有图3c所示的肋和图4b所示的加强件，加强件深度“s”＝1.4mm，肋宽度“r”＝10mm，框架深度“d”＝2.5mm。该实例具有宽度为2mm的凸缘，并且背部凸缘的尺寸(mm)为AB＝10.7、BC＝4、CD＝5和DA＝4。建模结果如表6所示。
表6
  建模实验   所使用的薄膜   抗弯强度比率
  6a   -   12[同5f]
  6b   1.5密耳复合材料   93[同5g]
  6c   D400   170
制备原型背光源组件，以通过实验证明复合材料光学膜与框架结合使用时抗弯强度的增加。对所构造和测量的框架使用以下命名规则。“裸框架”-卸下标准Fujitsu Lifebook Q2010的显示器。将LED光引擎(背光源)、LCD面板、光学膜叠堆和后反射器全部卸下，只剩下金属支承框架。金属框架由0.2mm厚的镀层铁金属片制成，宽度“w”、高度“h”和深度“d”分别为270mm×180mm×2.5mm。“裸框架”与图6所示设计相对应，背部凸缘345测得为4mm，不同的是裸框架中没有凸缘330。
“全背框架”-具有实心背部的框架，其由成型后经过退火的0.2mm厚低碳钢制成。该框架尺寸与裸框架相同。框架周围有2.0mm凸缘，用来提供附接复合材料光学膜的表面。全背框架与图6所示设计相对应，并且有在整个后平面660上延伸的凸缘345。
“横梁框架”-该框架由成型后经过退火的0.2mm厚低碳钢制成。该框架尺寸与裸框架相同。从实心背部上切下四个三角形区域，从而形成图3c所示的十字形图案，并且具有如图4b所示的1.2mm的向内加强结构。框架周围的2.0mm凸缘用来提供附接复合材料光学膜的表面。
复合材料光学膜的制备
所用薄膜为实验室制备的玻璃纤维和聚合物树脂的复合材料。所用玻璃纤维织物为具有CS-767涂饰剂的Hexcel style 1080(得自Hexcel公司，Anderson，SC)。用于制备复合材料光学膜的树脂由38.95重量％的SR247(得自Sartomer公司，Exton，PA)、60.8重量％的RDX51027(得自Cytec Surface Specialties，West Paterson，NJ)和0.25重量％的TPO光引发剂(得自BASF，Charlotte，NC)构成。当树脂完全固化时，树脂内组分的混合物得到类似于Hexcel 1080织物的折射指数。
将织物夹在两层固定到铝板上的未涂底漆的5密耳(0.127mm)聚酯膜之间，加热树脂至55℃，然后将加热的树脂用移液管涂布到织物上，从而制备复合材料光学膜。将样品夹层结构(由两层PET、织物、树脂和铝板组成)通过Sealeze 24手动曲柄层合机(得自Southtrend Corp，Miami，FL)，以将树脂展开并接触玻璃纤维织物。然后将样品夹层结构放入真空烘箱，在130℃下放置4min，以去除气泡。将样品夹层结构重新通过Sealeze层合机，使得夹层结构厚度为0.33mm，薄膜厚度为0.08mm。将样品夹层结构暴露于距4(行)×40(列)Nichia UV LED阵列(7.34Amps，主输出为380nm)45mm处，以固化树脂。将薄膜以26英尺/分的线速度从UV LED阵列下方连续通过四次，以产生87mJ/cm2的总UVA剂量。按照上述方式暴露于UV LED阵列后，复合材料光学膜即可称为部分固化的或“B阶段”。
测试固定装置和薄膜制备
使用定制的测试固定装置和Lloyd Instruments单柱测试设备(得自Lloyd Instruments，Hants，UK)对实例中的框架和复合材料光学膜组合物进行测试。该固定装置设计用于将框架限制在本设计所用有限元模型中定义的边界条件内。该固定装置为10mm厚铝板制成的“L”形装置。固定装置使用两根铝条沿下边缘在“x”、“y”和“z”方向限制原型框架，铝条用三颗螺钉固定到位；左上角通过使用一颗螺钉可以在“z”方向在0至+5mm范围内移动；右上角保持无支撑状态，使得可以用柱测试设备使其在-“z”方向移动。
使用Scotch-Weld DP100NS刚性环氧树脂(得自3M公司，St.Paul，MN)将复合材料光学膜固定到框架上。使用两套平行杆夹具(用C型夹具固定在花岗岩台面的相对侧)拉伸薄膜，以去除薄膜内的所有皱纹。使用异丙醇擦洗框架，并且使用Scotch-Weld EPX Plus II涂敷器(Scotch-Weld EPX Plus II Applicator)和3M Scotch-Weld EPX Plus II混合方喷嘴(金色)(3M Scotch-Weld EPX Plus II Mixing SquareNozzle(Gold))(均得自3M公司，St.Paul，MN)将环氧树脂在钢框架的凸缘上涂成一条细线。接着用戴手套的手指将粘结剂抹开，确保框架的整个唇缘都被粘结剂覆盖。然后将框架施加到薄膜上，并且沿着边缘固定到位，直到粘结剂产生粘性。进行力学测试之前，过夜固化粘结剂。
比较例1：Fujitsu Lifebook Q2010显示器
测量未改装的标准Fujitsu Lifebook Q2010的显示器的位移，以获得荷载基线。为了进行测量，使用一对C型夹具将膝上型计算机显示器的底部固定在测试固定装置上。C型夹具还用来将膝上型计算机的铰链和显示器的左上角限制在测试固定装置上，以确保除显示器右上角之外，膝上型计算机不会移动。将柱测试设备的测力传感器设置在显示器右上角附近，以便使其与显示器接触，并且不承受荷载。施加荷载，直到测得的位移为-5mm为止。施加荷载过程中，使用Nexygen FM Plus软件记录荷载和位移。位移-5mm时测得的荷载为2.52N。
比较例2：Fujitsu显示器裸框架
使用测试固定装置沿底部边缘限制上述裸框架。测量之前，使用调节螺钉将左上角沿z方向移动+5mm。在右上角施加荷载，直到其移动5mm为止。施加荷载过程中，使用Nexygen FM Plus软件记录荷载和位移。总位移为10mm时测得的荷载为0.031N。
实例7：裸横梁框架
使用测试固定装置将上述横梁框架沿底部边缘固定，然后用调节螺钉将框架左上角沿z方向移动+5mm。将柱测试设备的测力传感器设置在框架附近，以使得在不施加荷载的情况下传感器和框架之间的间隙最小。然后在右上角施加荷载，直到其移动-5mm为止。施加荷载过程中，使用Nexygen FM Plus软件记录荷载和位移。总位移为10mm时测得的荷载为0.45418N。这说明裸框架上的抗弯强度增加系数为14.65。
实例8：裸全背框架
使用测试固定装置将全背框架沿底部边缘固定，然后用调节螺钉将框架左上角沿z方向移动+5mm。将柱测试设备的测力传感器设置在框架附近，以使得在不施加荷载的情况下传感器和框架之间的间隙最小。然后在右上角施加荷载，直到其移动-5mm为止。施加荷载过程中，使用NexygenFM Plus软件记录荷载和位移。总位移为10mm时测得的荷载为1.1106N。这说明裸框架上的抗弯强度增加系数为32.83。
实例9：具有复合材料光学膜和丙烯酸类树脂垫片的横梁框架
在横梁框架上装配一片用来模拟Fujitsu显示器上的背光源的丙烯酸类树脂，以模拟背光源组件。将丙烯酸类树脂片切割成与背光源相同的尺寸，并且放入框架内。将一片“B阶段”复合材料光学膜固定到上述横梁框架上，将丙烯酸类树脂垫片密封在薄膜和框架横梁之间的腔体内。接着在Fusion UV灯的D灯泡(得自Fusion UV Systems Inc.，Gaithersburg，MD)下固化模拟的背光源组件，在100％的功率下以25ft/min(12.7cm/sec)的速度经过三次，以完成复合材料光学膜内树脂的聚合化。聚合化完成后，薄膜收缩并在框架上张紧。样品上的UV光剂量如表7所示。
表7
  UV通道   每次剂量   样品总剂量   强度
  UVA   2149mJ/cm2   6447mJ/cm2   8635mW/cm2
  UVB   633mJ/cm2   1899mJ/cm2   2753mW/cm2
  UVC   46.4mJ/cm2   139.2mJ/cm2   205mW/cm2
  UVV   363mJ/cm2   1089mJ/cm2   5565mW/cm2
使用测试固定装置将模拟背光源组件沿底部边缘固定，并且使用调节螺钉将框架左上角沿z方向移动+5mm。将柱测试设备的测力传感器设置在框架附近，以使得在不施加荷载的情况下传感器和框架之间的间隙最小。然后在右上角施加荷载，直到其移动-5mm为止。施加荷载过程中，使用Nexygen FM Plus软件记录荷载和位移。总位移为10mm时测得的荷载为1.3N。这说明裸框架上的抗弯强度增加系数为43。
实例10：具有横梁框架、部分固化薄膜和丙烯酸类树脂垫片的 Fujitsu
在横梁框架上装配一片用来模拟Fujitsu显示器上的背光源的丙烯酸类树脂，以模拟背光源组件。将丙烯酸类树脂片切割成与背光源相同的尺寸，并且放入框架内。将一片“B阶段”复合材料光学膜施加到上述横梁框架上。使用单片Corning Eagle平板显示器玻璃(得自Corning Inc.，Corning，NY)来模拟显示器，玻璃厚度大约等于构成原装Fujitsu LCD面板的两片玻璃和液晶材料的厚度。按照实例9所述方式固化模拟的背光源组件。
使用测试固定装置沿底部边缘固定组件，并按照上述比较例1所述方式将其限制在测试固定装置内。将柱测试设备的测力传感器设置在框架附近，以使得在不施加荷载的情况下传感器和框架之间的间隙最小。然后在右上角施加荷载，直到其移动-5mm为止。施加荷载过程中，使用NexygenFM Plus软件记录荷载和位移。总位移为5mm时测得的荷载为5.5504N。这说明初始膝上型计算机上的抗弯强度增加系数为2.2。
上述发明可应用于使用具有光传输性质的薄型结构的任何地方，包括诸如电视机、笔记本电脑和监视器的显示器，并可用于广告、信息显示或照明。本发明同样适用于包括膝上型计算机和手持装置在内的装配有光学显示器的电子器件，例如，个人数据助理(PDA)、个人游戏机、手机、个人媒体播放器、手持计算机等等。背光源组件内使用的光源可以为(例如)冷阴极荧光灯(CCFL)、高色域CCFL、LED以及其他可用光源。
除非另外指明，说明书和权利要求书中用来表示构造尺寸、数量和物理特性的所有数字均应理解为由术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求中列出的数值参数均为近似值，并且会根据利用本文所公开的教导内容的本领域技术人员所期望获得的所需性质而变化。
本文所引用的所有参考文献和出版物全文明确地以引用方式并入本文中，除非与本发明有直接矛盾。虽然本文已经示出和描述了具体实施例，但本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以用多种替代和/或等同实施方式来代替所示出和描述的具体实施例。本专利申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施例的任何修改形式或变型形式。因此，本发明仅受权利要求及其等同内容的限制。

Claims (8)

1.一种背光源组件，包括：
具有第一表面的背光源；
围绕所述背光源的至少一部分的框架；
其特征在于，还包括：
邻近所述背光源的所述第一表面并且固定到所述框架上的透射光学膜，其中固定到所述框架上的所述透射光学膜处于受张力状态，以便为所述框架提供增强的抗弯强度。
2.根据权利要求1所述的背光源组件，其中所述框架包括基部，所述基部设置在所述背光源的所述第一表面的背面。
3.根据权利要求2所述的背光源组件，其中所述基部还包括至少一个结构支撑肋。
4.根据权利要求1所述的背光源组件，其中所述透射光学膜包括复合材料光学膜。
5.一种背光源组件，包括：
具有第一表面的背光源；
围绕所述背光源的至少一部分的框架；
其特征在于，还包括：
邻近所述背光源的所述第一表面并固定到所述框架上的处于受张力状态的复合材料光学膜，所述复合材料光学膜包括纤维和热固性聚合物。
6.一种制备发光面板的方法，包括：
提供包括顶部开口和周边的框架；
将平面光源的至少一部分放置在所述框架内；
其特征在于，还包括：
将透射光学膜固定到所述框架的整个顶部开口上，其中所述透射光学膜沿所述周边固定到所述整个顶部开口上并处于受张力状态。
7.一种制备液晶显示器的方法，包括：
提供包括顶部开口和周边的框架；
将平面光源的至少一部分放置在所述框架内；
其特征在于，还包括：
将透射光学膜固定到所述框架的整个顶部开口上，其中所述透射光学膜沿所述周边固定到所述整个顶部开口上并处于受张力状态；以及
在邻近所述平面光源处设置液晶显示模块。
8.一种中空背光源组件，包括：
光源；
围绕所述光源的至少一部分的框架，所述框架具有第一开口和邻近所述光源的反射表面；
其特征在于，还包括：
设置在所述开口上的不对称反射膜；以及
透射光学膜，其邻近所述不对称反射膜并固定到所述框架上，以便为所述框架提供增强的抗弯强度。
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