CN101994998A - 用于光导膜的光连接装置 - Google Patents

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J·C·部鲁尔
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Abstract

一种具有衬底的均匀的光源，所述衬底用于对装置提供结构上和功能上的支撑。底部反射器设置在所述衬底上。多个固态光源设置在所述底部反射器的开口中，用来提供点光源。多个光薄膜，具有设置于所述多个固态光源之间的光导向区域，用于将所述点光源引导和扩散为均匀的平面光；连接夹，包括顶盖部分和底部支撑部分，所述底部支撑部分与所述顶盖部分相垂直的排布且具有足以容纳所述多个光薄膜的高度。顶部漫射器，用于将所述均匀的平面光扩散。所述多个光薄膜具有0.1mm～1.0mm的厚度。

Description

用于光导膜的光连接装置
技术领域
本发明涉及显示照明，尤其是涉及用于增加点光源入射到聚合物光导薄膜的耦合效率的光耦合夹(optical coupling clip)。
背景技术
透射式液晶显示器(LCD)面板相对其他类型的显示器提供了一种紧凑、轻便的选择，但是需要一些类型的背光照明来提供用于调制的光。用于LCD以及类似显示器的背光照明一般通过一个相对于观看者来说置于LCD面板后面的光提供表面来提供，该光提供表面改变来自一个或更多光源的光的方向使其穿过LCD面板。一种典型的光提供表面是导光板(LGP)。LGP起波导的作用，利用全内反射(TLR)原理，使来自沿其侧边放置的一个或更多光源发射的入射光改变方向。为了获得内部反射光并且将这些光引导至显示器面板，在LGP上设置了一些类型的表面功能元件(feature)。Goto等人的名为“导光板和使用该导光板的表面光源(LIGHT GUIDE PLATE AND SURFACE LIGHT SOURCEUSING THE LIGHT GUIDE PLATE)”的美国专利No.5999685提供了使用LGP的照明设备的例子。
上述例如由Goto等人揭示的解决方案的缺点在于传统导光板的相对厚度以及总体大小。传统的LGP通常超过了LCD面板本身的厚度。随着更大的显示器例如LCD电视的出现，以及更紧凑的固态光源，例如发光二极管(LED)的发展，对于LGP解决方案存在提供更薄的外形，更轻的重量，以及相比于现有的设计更加柔性的需求。由于显示器在尺寸上持续增大，以及更多地使用更加柔性的衬底，对于厚度接近1mm的更加柔性的LGP有越来越多的需求。
对于更好的匹配于更小且更柔性的显示器的LGP装置，已经提出了许多解决方案。但是，目前为止所提出的解决方案都具有使用受到限制或难以制造这样的固有缺点。例如，提出了各种类型的形成于LGP表面的光提取功能元件(light extract feature)。但是，许多所建议的光提取功能元件的几何外形都要求例如注塑成型或热压成型这样的制造方法。这些制造方法可能对于比较厚的材料来说还不错，但是随着LGP厚度的减小，其被证明越来越困难和不实用。例如，所提出的许多解决方案都需要具有90度垂直壁的表面光提取功能元件。使用所需尺寸的已知塑料材料，不管是采用任何方法，这种尺寸的锐角都会是很难制造的。另外还需要表面功能元件具有相对高的高宽比，基于相似的原因，这样的功能元件也是难以制造的。虽然这样的结构在理论上可能效果不错且也可能被制造出来，但是它们所存在的制造问题导致许多所提出的设计对于大批量生产来说是不实际的。似乎很少有人关注过怎样才能经济的大批量的生产包含具有锐角侧壁的光提取功能元件的LGP。
此外，使用LED作为光源的LCD电视通常采用厚LGP，环绕LGP的周围设置顶端发光的LED。环绕LGP的周围设置的顶端发光LED通常位于斜面(bezel)的下方。所述斜面用来遮蔽和吸收没有耦合进入LGP/LED界面的LED发出的不必要的光。因此LED所发出的未耦合的光没有用来照明LCD，造成了浪费。
虽然使用LED作为LC面板的光源允许LED在与图像内容的配准中总体变暗从而为LCD电视减少总体功耗，但由于LED沿周界的放置，这些边缘照明的LED电视一般并不能够局部动态的变暗。与总体降低亮度相比，LED局部降低亮度已显示能进一步降低被LED照明的LCD电视的总体功耗，因为在与图像内容的配准中LED的小组群可以降低亮度。与总体降低亮度相比，进一步的局部降低亮度同样显示能够有效的改善显示图像的对比度。
因此，人们认识到需要这样一种导光表面的解决方案，它能够允许使用柔性的材料，能够以一种相对薄尺寸的外形制造，被设计用于大批量生产，并且能够局部降低亮度。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种用于LCD显示器的集成背光照明装置包括：衬底，用于对所述装置提供结构上和功能上的支撑；设置在所述衬底上的底部反射器；设置在所述底部反射器的开口中的多个固态光源，用来提供点光源；多个光薄膜，具有设置于所述多个固态光源之间的光导向区域，用于将所述点光源引导和扩散为均匀的平面光；连接夹，包括顶盖(top capping)部分和底部支撑部分，所述底部支撑部分与所述顶盖部分垂直对准，且具有足以容纳所述多个光薄膜的高度；顶部漫射器，用于将所述均匀的平面光扩散；并且其中所述多个光薄膜具有0.1mm～1.0mm的厚度。
在本发明的另一实施例中，一种用于LCD显示器的集成背光照明装置包括：衬底，用于对所述装置提供结构上和功能上的支撑；设置在所述衬底上的底部反射器；设置在所述底部反射器的开口中的多个固态光源，用来提供点光源；多个光薄膜，具有设置于所述多个固态光源之间的光导向区域，用于将所述点光源引导和扩散为均匀的平面光；连接夹，包括顶盖部分和底部支撑部分，所述底部支撑部分与所述顶盖部分垂直对准且具有一个足以容纳所述多个固态光源的空腔，并且其中所述连接夹还具有一个所述顶盖部分和所述底部支撑部分之间的高度，该高度足以容纳所述多个光薄膜；顶部漫射器，用于将所述均匀的平面光扩散；并且其中所述多个光薄膜具有0.1mm～1.0mm的厚度。
附图说明
图1示出了使用本发明的导光膜的显示器设备。
图2示出了在一个实施例中的导光膜的透视图。
图3A，3B，3C和3D示出了入射光在导光膜表面的功能元件上的光传播状态。
图4是透视图，示出了一个实施例中的导光膜的一部分和点光源。
图5是透视图，示出了导光膜的一部分，以及点光源和连接夹的位置。
图6是具有顶盖部分和底部支撑部分的连接夹的截面图。
图7是与光源有关的连接夹的截面图。
图8是本发明的一个实施例的截面图，示出了涉及点光源的具有光漫射装置以及定位部件的连接夹。
图9是本发明的一个实施例的截面图，示出了涉及点光源的具有光支座定位部件的连接夹。
具体实施方式
参见图1，其示出了本发明一实施例显示器设备10的截面图，该显示器设备10具有使用本发明导光元件，导光膜(LGF)20的背光照明装置18。光源12引导照明光穿过LGF 20的入射边缘22。LGF 20将照明光向外引导，穿过一个或多个顶部漫射薄膜14至空间光调制器(modulator)，所述空间光调制器对照明光进行调制，在此处是LCD显示器16。
光源12可以使用多种类型的发光元件的任何一种。传统的用于便携式计算机和大型显示器的LGP曾使用CCFL(冷阴极荧光灯管)。本发明的LGF 20可以使用这种较厚的光源，但是更有利的是与薄外形的光源一起使用，例如LED线性阵列，OLED线性阵列或其它线性固态光源。
图2的透视图示出了LGF 20的外观以及其在照明设备18中的光输出面24。由图2所示，光源12引导照明光进入入射边缘22，所述入射边缘22与输出面24基本上垂直。离散的光提取功能元件26形成于输出面24上，或者可替换的，形成于底面28上，从而输出面24和底面28的任一个或者两者是图案化表面。如随后附图中的更多细节所示的，光提取功能元件26可以在空间上沿LGF 20的长度方向L延伸，且在与长度方向L垂直的宽度方向W上更加狭窄。光源12通常沿长度方向L设置。光提取功能元件26可以在表面24或28上以相等的间隔进行空间分布；然而，如图2中所示的及接下来将要描述的，这样的实施例将更有优势：在这样的实施例中光提取功能元件26的空间分布或尺寸或间距随着在宽度方向W上与入射边缘22的距离而改变。
图3A，3B，3C和3D以截面图示出了光提取功能元件26在图案化表面上的不同配置，所述图案化表面是输出面24或底面28。这些图中的虚线显示了描述光提取功能元件26的性能的不同典型光路。光线通过全内反射(TLR)被控制在LGF 20中，这是导光领域的技术人员所熟悉的原理。不管光提取功能元件26是突出于表面24或28还是形成于其内部，其基本作用都是破坏TIR，使得光从LFG20逸出。图3A和3B示出了形成于输出面24上的两种类型的光提取功能元件26的光性能，所述两种类型的光提取特征26分别突出于表面或凹入表面。在任一情形中，当内部反射光照射到光提取功能元件26的表面时，其被向外引导出输出面24。
图3C和3D示出了另一种实施方式，其中光提取功能元件26形成于底面28上。提供反射表面66作为这些实施例中照明设备18(图1和2)的一部分，用来改变已经被光提取功能元件26提取出的光。反射表面66重新引导这些光返回穿过LGF20并从输出面24射出。
图4示出了导光膜20和点光源12的透视图。光源12沿着导光膜20的入射边缘排列。导光膜的下方是反射器28，用来将入射到反射器28的光朝向薄膜14反射。导光膜20顺序地或按图案排列，从而形成均匀明亮的背光照明装置。点光源12在背光照明装置的照明区域。对于LCD电视的应用，导光膜20的长度L优选大于宽度W。更优选的，导光膜的长度L大于宽度W的10倍。
图4中的光源12优选的被布置为使得背光照明装置在与显示器的图像内容的配准中能够局部降低亮度。点光源局部降低亮度已显示既降低LCD的功耗又有效的改善LCD的对比度。通过降低光源12的子群的亮度，导光膜20的小的确定区域可以通过改变提供给光源12的电流来动态的降低亮度。亮度降低区域的大小是亮度降低的点光源的数目以及导光膜20的宽度W的函数。光源12可以布置为将光输入到一个单一的导光膜20，或者可以布置为将光输入到两个相邻的导光膜。光源优选的以并排的结构排列，从而使得光均匀输入到导光膜20中。
参见图4，光源12分布排列于导光膜20之间。光源12在导光膜20之间的分布使得背光装置与具有集中发热点的边缘照明背光单元相比，具有更低的横跨背光照明装置的温度梯度。例如那些被发现存在于现有技术中的边缘照明背光装置中的高温度梯度，会导致光学元件的不希望的卷曲或折皱，这是由温度梯度所导致的热膨胀差异而引起的。此外，存在于边缘照明的背光装置中的较高的温度梯度常常需要使用昂贵的、重的金属框架来抵抗热卷曲和弯曲。
参见图4，导光膜20和连接夹30之间的十分小的间隙已显示能减少不希望的热弯曲和卷曲，所述的连接夹30位于与入射边缘22相对的那一侧。导光膜的弯曲和卷曲降低了从导光膜输出的光的均匀性。已发现光导膜20和连接夹30之间的十分小的间隙为热膨胀的导光膜创造了物理空间。这一导光膜间隙在概念上与通常在公路和桥梁中采用的热膨胀间隙相似。热膨胀间隙的大小与背光装置的工作条件和导光膜的热膨胀系数有关。
参见图4，光源12沿L方向的间距是所期望的导光膜20的光输出特性的函数。光提取功能元件26的密度、间距和尺寸同样也是所期望的导光膜20的光输出特性的函数。光提取功能元件的尺寸、位置和间距也与光源12的光输出特性有关。光源12的重要的光学特性包括色度、光分布和照明强度(intensity)。一般地，光提取功能元件26在光入射表面22的密度低于与光入射表面相对的那一侧，从而使得光能量能够被均匀提取。
参见图4，衬底28优选的对可见光能量具有反射性。由于进入导光膜20的光能量的一部分被引导朝向衬底20，因此反射表面使得被引向衬底20的光能够被引向顶部漫射器14，从而增加了背光装置单元的效率。此外，衬底28优选包含用于连接夹30的啮合部件，从而连接夹30能够咬合入衬底28以助于背光装置单元的装配。
参见图4，在本发明的一个实施例中，导光膜20在L和W平面中具有一个相对小的区域，该区域不包含任何光提取功能元件。该L和W平面中的大约导光膜20总面积1～10％的相对小的区域，对光源12起到混合区域的作用。该混合区域对于多模光源例如RGB或RGBW或RGGB尤其重要。与现有技术中包含蓝光芯片和黄色荧光粉的白光LED相比，混合区域已显示对于采用更大颜色范围的用于制造白光的多模光源混合是一个有效的方法。
图5示出了导光膜20的一部分，以及光源12和连接夹30的位置的透视图。连接夹30实现了对背光照明装置的品质来说关键的几项重要功能。首先，连接夹30“接合”了导光膜20的切面(section)从而将单个的导光膜接合起来以产生所期望的均匀输出光。第二，连接夹将来自光源12的未耦合光以及由光源12的顶部和侧面泄漏的光扩散。由光源12泄漏的光的一个例子是光同时从侧面发光LED的顶部和侧面泄漏。为了给LCD产生均匀的光源，连接夹30优选的既散射由光源泄漏的光又散射未耦合的光能量，从而连接夹30的光输出大概等于导光膜20的光输出。同样可以使用随后的光学元件，例如光散射器、棱柱薄膜或反射偏振器来进一步散射连接夹30和导光膜20之间的任何光输出差异。第三，连接夹30使光源12的发射区域的中心线和导光膜20的中心线大致对准。这两条中心线大致对准是优选的，因为这样光源和导光膜之间的光耦合效率就会最大化。第四，连接夹支撑导光膜20的单个面使其倚靠在底部支撑物上，确保光导膜20在背光装置的操作中以及在运输和搬运过程中遇到振动时也能保持原位。第五，连接夹“融合(blend)”了导光膜20的相邻部分之间的接缝。明显的接缝会降低背光装置的所期望的均匀度并且会在视觉上令人反感。最后，连接夹使导光膜20和可被施加于连接夹30的顶盖部分32的薄膜或片之间具有光学和物理距离。
参见图5，优选地，连接夹30和输出面24之间的亮度差是+/10％，更优选地是+/-5％。减少连接夹和相邻导光膜之间的亮度差会使背光装置单元产生所期望的均匀光输出。超过15％的亮度差会在视觉上被观察到并且导致差的图像质量。通过平衡输出面24和连接夹30的光输出来减少亮度差。输出面12的亮度是通过入射边缘22上的或其附近的光提取功能元件26的尺寸、形状和间距来控制的。连接夹30的亮度是通过连接夹材料的漫射特性，连接夹的外形，连接夹的厚度以及由光源12到入射边缘22的未耦合光的数量来控制的。
图6是具有顶部32和底部34支撑部分的连接夹44的截面图。图6所示的连接夹44在夹的每一侧包含相对的狭槽用来插入导光膜。图6所示的连接夹44同样具有光源区域42用来插入光源材料，例如印刷电路板、导线、电连接设备和各种光源。连接夹44既包含顶盖部分也包含底部支撑部分，因此不需要像连接夹30那样的单独的底部表面。
图7是涉及光源12的连接夹30的截面图。连接夹30具有顶盖部分32。连接夹30优选的包括热塑性聚合物材料。连接夹30优选的包含有助于未耦合的光和从点光源12泄漏的光的扩散的材料。优选的材料选自包含下述材料的列表：前向散射芯壳粒子、玻璃微珠、不可混溶的聚合物、无机散射材料例如TiO2和BaSO4、硅树脂(silicone)材料和橡胶化合物。更优选的，连接夹30包括包含前向散射芯-壳粒子的PMMA或PC聚合物。芯壳粒子已显示当将光能量的大多数朝向顶盖部分32引导时具有极好的光扩散特性。另外，连接夹30优选的包含有机或无机染料、颜料或着色剂来调制由连接夹出射的扩散光，从而由连接夹30出射的光与由光导膜20的表面出射的光能量具有大概相同的颜色。连接夹30和光导膜20的光输出之间的大的色差会导致被人眼察觉的不期望的视觉图案。色差可以在CIE彩色坐标中测量。色差同样也可以在随后的光学部件例如漫射器或棱柱薄膜中调制。
在本发明的另一实施例中，连接夹优选的包括透射性聚合物材料，所述透射性聚合物材料在测量穿过1.0mm的厚度时具有大于88％的光透射。透射性连接夹已显示具有低程度的吸收且因此具有高效率。透射性连接夹可以使用漫射装置例如透镜或弯曲表面来扩散来自入射边缘22的未耦合的光能量。
图8是本发明另一实施例的截面图，示出了连接夹30、光源12和定位部件38。定位部件38是将本发明的导光膜相对于连接夹30和相邻的光导膜定位的装置。定位部件38包含能与光导膜中的狭槽接合的柄脚。定位部件38同样也使得导光膜的光有效地耦合至连接夹30中。
图9是本发明另一实施例的截面图，示出了具有光支座40的连接夹30和光源12。光支座40使得其它光学元件例如漫射器、增亮膜、反射偏振器和大量漫射器能够精确地定位在导光膜上。光支座可以具有一基本上平坦的部分来避免划伤可能与光支座接触的光学元件。
使用的材料
LGF 20可以由多种类型的透明材料的任何一种形成，包括但不限于聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
形成在导光膜的图案面上的特征有助于提供用于LCD和其它类型的背光显示器，尤其是更小的显示器和便携式设备的照明。本发明的实施例提供了能够以1mm或更小的厚度制造的导光膜。这使得本发明的LGF在与LED、OLED或激光阵列和其它线性固态光阵列的使用中尤其有利。

Claims (10)

1.一种用于LCD显示器的集成背光照明装置，所述装置包括：
衬底，用于对所述装置提供结构上和功能上的支撑；
设置在所述衬底上的底部反射器；
设置在所述底部反射器的开口中的多个固态光源，用来提供点光源；
多个光薄膜，具有设置于所述多个固态光源之间的光导向区域，用于将所述点光源引导和扩散为均匀的平面光；
连接夹，包括顶盖部分和底部支撑部分，所述底部支撑部分与所述顶盖部分垂直对准且具有足以容纳所述多个光薄膜的高度；
顶部漫射器，用于将所述均匀的平面光扩散；并且
其中所述多个光薄膜具有0.1mm～1.0mm的厚度。
2.如权利要求1所述的背光照明装置，其中所述连接夹包括选自聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、氨基甲酸乙酯、聚丙烯、聚砜和尼龙的材料。
3.如权利要求1所述的背光照明装置，其中所述顶盖部分具有0.5～4mm的厚度。
4.如权利要求1所述的背光照明装置，其中所述底部支撑部分具有1～8mm的高度。
5.如权利要求1所述的背光照明装置，其中所述多个光薄膜的厚度在0.2～1.0mm之间。
6.如权利要求1所述的背光照明装置，其中所述多个固态光源以并排的结构排列。
7.如权利要求1所述的背光照明装置，其中所述连接夹还包括定位部件。
8.如权利要求1所述的背光照明装置，其中所述连接夹还包括光支座。
9.一种用于LCD显示器的集成背光照明装置，包括：
衬底，用于对所述装置提供结构上和功能上的支撑；
设置在所述衬底上的底部反射器；
设置在所述底部反射器的开口中的多个固态光源，用来提供点光源；
多个光薄膜，具有设置于所述多个固态光源之间的光导向区域，用于将所述点光源引导和扩散为均匀的平面光；
连接夹，包括顶盖部分和底部支撑部分，所述底部支撑部分与所述顶盖部分垂直对准且具有一个足以容纳所述多个固态光源的空腔，并且其中所述连接夹还具有一个所述顶盖部分和所述底部支撑部分之间的高度，该高度足以容纳所述多个光薄膜；
顶部漫射器，用于将所述均匀的平面光扩散；并且
其中所述多个光薄膜具有0.1mm～1.0mm的厚度。
10.如权利要求9所述的背光照明装置，其中所述连接夹包括选自聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、氨基甲酸乙酯、聚丙烯、聚砜和尼龙的材料。
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