CN102305371A - 具有间隔体颈套环的漫射板 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于LCD显示器的集成背光照明组件，包括：多个用于提供点光源的固态光源，和多个具有光转向区域的光波导膜，光转向区域位于多个固态光源之间，用来将点光源转向并漫射为均匀的面状光。本发明进一步提供至少一个聚合物漫射板，其覆盖所述固态光源；以及间隔体颈套环，其包括光学间隔体，颈套部和锚定功能元件，其中间隔体颈套环设置为环绕漫射板的周边。

Description

具有间隔体颈套环的漫射板

技术领域

本发明涉及显示器照明，并且更具体地涉及提高点光源到薄的聚合物光波导膜中的耦合效率的光学耦合夹。

背景技术

虽然透射型液晶显示器(LCD)面板提供了一种作为其他种类的显示器的替代品的紧凑，重量轻的面板，但是为了提供用于调制的光，透射型液晶显示器(LCD)面板需要具有某些类型的背光照明。用于LCD和类似显示器的背光照明一般由设于LCD面板之后的光提供表面构成，相对观众，并将来自一个或更多光源的光转向而通过LCD面板。光提供表面的一个典型例子是光波导板(LGP)。LGP充当波导，利用全内反射(TIR)来将从一个或更多沿LGP的侧边设置的光源接收的入射光转向。为引出在内部反射的光并将其朝着显示面板的方向转向，在LGP上提供某种类型的表面功能元件。

多种解决方案中存在很多缺点，如在Goto等的披露文献中提出，传统光波导板的相对厚度和整体体积。传统的LGP通常超出了LCD面板本身的厚度。随着大型显示器如LCD TV的到来，并且随着更紧凑的固态光源的发展，如发光二极管(LED)，需要LGP解决方案提供比现有设计更薄的外形，更轻的重量，和更好的柔性。随着显示器在尺寸上不断变大并且随着更多柔性基板使用的增加，对柔性更大的接近1mm厚度的LGP的需求越来越高。

人们已经提出更加适用于小型和柔性更大的显示器的LGP器件的多个方案。然而，迄今所提出的方案都有限制其效用或使其难以制造的内在缺陷。例如，已提出形成在LGP表面中的各种类型的光引出功能元件。然而，所述提出的光引出功能元件中多数的几何轮廓需要如注塑成型或热压成型之类的制造方法。这些制造方法适用于厚的材料，但是随着LGP厚度的降低会变得更困难和不实用。例如，多数提出的方案需要表面的光引出功能元件具有90度的垂直壁。使用已知塑料材料在所需的尺寸下，使用任何方法，在这个尺度下的尖角都会难以制造。而其他需要的功能元件也具有相对高的高度：宽度比，由于相似原因而难于形成功能元件。尽管理论上这样的结构可以工作的很好并且尽管其制造也是可能的，但是对于批量生产其目前存在的制造问题使多数提出的设计变得不实用。人们几乎没有关注具有锐角侧壁的光引出功能元件的LGP如何能够经济地批量生产。

此外，由LED作为光源的LCD TV通常使用厚的LGP，环绕所述LGP周边设置有顶发射LED。顶发射LED设置成环绕LGP周边的形式，通常位于包边之下。包边覆盖并吸收不想要的未耦合进入LGP/LED界面的LED产生的光。因此，LED产生的未耦合的光不被用于照明LCD并被浪费。

美国专利第6,721,102号(Bourdelais等)公开了一种由多个复合聚合物透镜形成的可见光漫射器。美国专利‘102中公开的复合透镜通过在低高宽比的聚合物基透镜的表面上增加微米尺寸的聚合物透镜而形成。小透镜与大透镜的比在2∶1到30∶1之间。美国专利第6,721,102号中公开的漫射器有助于对光源，尤其是LCD背光源进行漫射。

当LED用作LC面板的光源时，允许LED以根据图像内容整体调光以降低LCD TV的总能量消耗，由于LED处于周边位置，这些边缘发光的LED TV通常不能被设置为动态调光。LED的局部调光已被证实能够进一步降低LED照明的LCD TV的总能量消耗，因为与整体调光相比，小组的LED可在根据图像内容调光。此外也证实了局部调光相对于整体调光，前者能够显著地提高所显示图像的对比度。

因此，已经认识到，存在对光波导表面方案的需求，该方案允许柔性材料的使用，其可形成为相对薄的尺寸外形，可被设计为大量制造和能够局部调光。

发明内容

本发明提供一种用于LCD显示器的集成背光照明组件，其包括：多个用于提供点光源的固态光源；多个具有光转向区域的光波导膜，光转向区域位于多个固态光源之间，用来将点光源转向并漫射为均匀的面状光，其中在所述固态光源上覆盖至少一个聚合物漫射板；以及间隔体颈套环，其包括光学间隔体，颈套部和锚定功能元件，其中间隔体颈套环设置为环绕漫射板的周边。

附图说明

图1表示使用本发明的光波导膜的显示装置。

图2表示一个实施例中的光波导膜的透视图。

图3A，3B，3C和3D表示入射光在光波导膜表面中的功能元件处的光变化状态。

图4表示一个实施例中的光波导膜的一部分，漫射板，颈套环以及点光源的透视图。

图5表示相对于点光源和漫射器的漫射板和颈套环的一个实施方式的剖面图。

图6是表示具有光学间隔体，锚定功能元件和漫射板开口的间隔体颈套环的本发明的一个实施例的透视图，

图7是表示具有两个斜面的漫射板的横截面的本发明的一个实施例的剖面图。

图8是表示具有两个斜面的漫射板的横截面的本发明的一个实施例的剖面图。

图9是表示具有圆边的漫射板的横截面的本发明的一个实施例的剖面图。

图10是表示具有两个曲面的漫射板的横截面的本发明的一个实施例的剖面图。

具体实施方式

参见图1，在剖面上，示出了根据本发明的显示装置10的一个实施例，显示装置10具有背光照明组件18，背光照明组件18使用至少两个光波导制品，光波导膜(LGF)20。位于LGF20之间的至少一个光源12，通过LGF20的入射边缘22直接照明。为帮助光沿着显示器装置均匀输出，至少两个光源12b和12c可以位于包边上。LGF 20将这种照明光向外部定向，经一个或多个顶部漫射膜14并进入空间光调制器，这里是LCD面板16，其调制照明光。漫射板32设置在光源12之上并用来漫射没有从点光源12光耦合到光波导膜20中的光能。漫射板32具有光学间隔体环，其在顶漫射器14和光波导膜20之间提供间隔。这个间隔对提高光波导膜20和漫射板32的光输出均匀性很关键。

光源12可使用多个任意类型的光发射元件。传统的用于笔记本电脑和大型显示器的LGP使用CCFL(冷阴极荧光灯)。虽然本发明的LGF 20可以使用这种更厚类型的光源，但是优选使用薄外形的光源如LED的线型阵列，OLED的线型阵列或其他线型固态光源。

图2的透视图示出了LGF 20的外观和其在照明装置18中的光出射输出表面24。如图2所示，光源12直接照入与输出表面24基本垂直的入射边缘22中。离散的光引出功能元件26形成在输出表面24上，或者，可选地，形成在底表面28上，以使输出表面24和底表面28两者中任一者或二者为图案化的表面。从后面的图中可以更详细地看到，光引出功能元件26可在空间上沿LGF 20的长度方向L延伸，并在垂直于长度方向L的宽度方向W上更窄。光源12一般沿着长度方向L设置。光引出功能元件26可以等间隔空间分布在表面24或28上；然而，优选的实施例是光引出功能元件26的空间分布或尺寸或间距在宽度方向W上随与入射边缘22的距离而改变，正如图2中所示和如下所述。

图3A，3B，3C和3D显示，沿剖面观察，光引出功能元件26在图案化的表面——输出表面24或底表面28上的不同设置。这些图中的虚线表示不同的示例性的表明光引出功能元件26的性能的光路。光在LGF 20内通过全内反射(TIR)而导向，全内反射是光波导技术领域的技术人员所熟知的原理。光引出功能元件26的通常功能，无论其从表面24或28突出或是形成在表面24或28内，是破坏TIR，导致光从LGF 20逃逸出来。图3A和3B示出了对于形成在输出表面24上的两种类型的光引出功能元件26的光形成，这两种类型的功能元件分别是从表面突出或从表面凹进。在任一情况，当内部反射的光照射在光引出功能元件26表面上时，内部反射的光由输出表面24向外部导向照射。

图3C和3D显示另一实施例，其中光引出功能元件26形成在底表面28上。反射表面66作为照明装置18(图1和2)的一部分，其中这些实施例用于将使用光引出功能元件26所引出的光转向。反射表面66将光转向返回通过LGF20并通过输出表面24向外射出。

现在参见图4，其显示光波导膜20和点光源12的透视图。光源12沿光波导膜20的入射边缘设置。光波导膜之下是反射器28，反射器28将入射在反射器28之上的光超向膜14进行反射。多个光波导膜20按照顺序或以一定图案设置以形成均匀的明亮的背光照明组件。点光源12位于背光照明组件的照明区域中。对于在LCD TV中的应用，光波导膜20的长度L优选大于宽度W。更优选地，长度L大于光波导膜的宽度W的10倍。

图4中的光源12优选设置为使得背光照明组件可根据显示器的图像内容局部调光。点光源的局部调光既能降低LCD的能耗又能较大提高LCD的对比度。通过光源12的子组的调光，光波导膜20的小的规定的区域可通过改变供给光源12的电流而动态调光。调光区域的尺寸会随着调光的点光源的数目和光波导膜20的宽度W的变化而变化。光源12可配置为将光输入到单一光波导膜20中或配置为将光输入到两个邻近的光波导膜中。光源优选设为并排的配置以允许均匀地将光输入到光波导膜20中。

光源12分布并设置在光波导膜20之间。与具有集中的热产生点的边缘发光背光单元相比，光源12在光波导膜20之间的分布导致形成具有跨越背光照明组件的更低的温度梯度的背光组件。由于温度梯度产生的热膨胀的不同，如那些现有技术中的边缘照明背光组件中高的温度梯度能够导致光学部件的不利的起伏或起皱。此外，边缘照明背光组件中存在的更高的温度梯度通常需要昂贵的，重的金属框架来用于阻止热起伏和翘曲。

光源12沿L方向的间距随着光波导膜20所需的光输出特性的变化而变。光引出功能元件26的密度，间距和尺寸也随着光波导膜20所需的光输出特性的变化而变。光引出功能元件的尺寸，位置和间距也与光源12的光输出特性相关。光源12的重要的光学特性包括色度，光分布和照明强度。通常，与光入射表面的相反侧相比，光引出功能元件26的密度在光入射表面22上较低，以允许光能的均匀引出。

仍然参见图4，本发明的一个实施例中，光波导膜20在不包含任何光引出功能元件的L和W平面上具有相对小的面积。这种相对小的面积，接近光波导膜20在L和W平面上总面积的1到10％，作为光源12的混合区域。混合区域对多模式光源如RGB或RGBW或RGGB是特别重要的。已证实混合区域是用于多模式光源混合的有效方法，多模式光源混合而能产生的白光比现有技术的包含蓝色芯片和黄色磷光体的白色LED具有更高的色域。

绕着漫射板32的周边，形成间隔体彩色环。间隔体颈套环30包括光学支座34，漫射板开口部38和锚定功能元件36。间隔体颈套环30沿着漫射板32的长度滑动。漫射板和间隔体颈套环的使用允许间隔体颈套环由精细注射成型并且漫射板进行型材挤出。型材挤出优选用于漫射板部分，因为型材挤出的成本低于注塑成型并且型材挤出非常适用于例如大面积LCD TV所需要的长的连续的部分。间隔体颈套环被精细注塑成型为具有漫射板开口，光学间隔体和锚定功能元件。通过将注塑成型的间隔体颈套环和型材挤出模塑的漫射板结合，产生的光学组件既成本低又足够精细而能够漫射位于背光组件中的点光源。

图5是本发明的背光单元组件的横截面视图。图5示出了相对于漫射板和间隔体颈套环的若干点光源12。还提供了漫射器14和反射表面66。间隔体颈套环30沿着漫射板32的长度设置。间隔体颈套环之间的间距可通过考虑顶漫射器14的抗弯刚度，顶漫射器14的重量和背光组件的长度/宽度在内的因素而确定。优选地，单独的间隔体颈套环之间的间距在30和100cm之间。当低于20cm的时候，间隔体颈套环的数量造成成本不理想，当大于120cm的时候，顶漫射器14会发生一定的弯曲，降低背光组件的亮度均匀性。

漫射板优选包括有助于未耦合的光和从点光源12泄露的光的漫射的材料。优选的材料选自前向散射核壳颗粒，玻璃珠，不相容性聚合物，无机散射材料诸如TiO₂和BaSO₄，聚硅氧烷材料和橡胶化合物。最优选地，漫射板包括含有前向散射核壳颗粒的PMMA或PC聚合物。当大多数光能朝向有源或无源显示器时，核壳颗粒表现出良好的光漫射特性。此外，漫射板32优选包括有机或无机染料，颜料或着色剂来调制由夹子出射的被漫射的光的颜色，以使得出射漫射板32的光的颜色和离开光波导膜20的表面的光能量具有近似相同的颜色。如果从漫射板32和光波导膜20输出的光的色差很大，将导致不利的可通过肉眼观察到的图案。色差可在CIE色坐标下测量。色差还可在随后的光学部件如漫射器或棱镜膜中被调制。

漫射板可具有大于1000nm的Ra值的粗糙度。术语平均粗糙度或Ra表示在聚合物涂层中峰值到谷底高度的平均，用轮廓曲线仪测量，结果用微米表示。术语Ra用来表征给定区域或在光学元件的表面区域上的平均粗糙度。粗糙的间隔体板改善了板的漫射效率。或者，间隔体板可以是光学平整的，具有小于500nm的Ra。平整的间隔体板能够使得背光组件中在随后的反射过程中入射光能与未耦合的光能混合。

图6是间隔体颈套环30的透视图。间隔体颈套环具有光学间隔体34，漫射板开口38，和一体型锚定功能元件36。漫射板开口38优选与漫射板的外形匹配以使得间隔体颈套环可以沿着漫射板的长度向下“滑动”或移动。间隔体颈套环30优选注塑成形，由此使光学间隔体34和锚定功能元件36与间隔体颈套环一体化。锚定功能元件36是任何允许间隔体颈套环连接到表面或结构上的功能元件。锚定功能元件的优选的例子包括具有匹配螺丝孔的螺丝钉型锚定功能元件，具有磁性匹配表面的磁性锚定功能元件，具有通孔的压入配合锚定功能元件以及如图6中所示的锁定型锚定功能元件，该锁定型锚定功能元件与通孔配合并与设置在锚定功能元件36尖端处的棱锥形结构锁定。锚定功能元件许漫射板定位并锚定在背表面上。锚定功能元件还有助于保持多片背光膜的整体性并减小由制造和运输过程中遇到的震动带来的对背光组件的破坏。

图7是优选的漫射板32外形的横截面视图。漫射板32具有两个相反的斜面，两个斜面终止于平剖面。斜面提供了使来自点光源的入射光能量光转向的装置。

图8是优选的漫射板32外形的横截面视图。漫射板32具有两个相反的斜面，两个斜面终止于小的平剖面。斜面提供了使来自点光源的入射光能光转向的装置。

图9是优选的漫射板32外形的横截面视图。漫射板32具有两个相反的弯曲表面，而且在漫射板32的顶部具有将入射光能转向的圆角。漫射板32上的弯曲表面和圆角允许漫射区段能够能够使得光能转向和漫射。此外漫射区段中的圆角使得在角区域中的光透射“软化”进而减小漫射板32和光波导膜的光输出之间的照度变化。

图10是优选的漫射板32外形的横截面视图。漫射板32具有两个相反的使入射光能转向的弯曲表面。图10中两个弯曲表面终止于平剖面。

使用的材料

LGF 20可由任意种类的透明材料形成，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)。

漫射板和间隔体颈套环可由任意种类的聚合物材料形成，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)，聚碳酸酯，聚砜或聚丙烯。间隔体颈套环和漫射板可由相同的材料制得或具有不同材料组成。

形成在光波导膜的图案化的表面上的功能元件有助于提供为LCD和其他类型背光显示器提供照明，尤其是用于小型显示器和便携设备。本发明的实施例能够制造厚度等于或小于1mm的光波导膜。这使得本发明的LGF特别优选适合用在LED，OLED或激光器阵列和其他线性固态光阵列中。

本发明的漫射板优选使用现有的工艺如型材挤出来制造。这种工艺用于制造具有连续剖面的塑料产品，如，饮料吸管，聚合物垫片，装饰模塑制品，窗饰和在高压下聚合物融体进入中空的模腔而制得的各种其他产品。

所需的聚合物以颗粒的形式进入机器的储料器(这个机器被称为挤出机)，材料在加热的筒内通过旋转的螺杆连续向前传送，同时由于摩擦和加热而软化。软化的聚合物随后被挤出通过模头并直接进入冷水中，在冷水中产品固化。从这里产品被向前传送到输出辊，输出辊实际上将软化的塑料从模头拉出。

模头是位于挤出机端部的金属板，挤出机具有内部的截面裁减，这种裁减和输出辊的速度决定了所制造产品的剖面。由于管端部的开口，产品以固态杆状的形式出来，如果所述开口具有不同的剖面，而所制造的产品将具有新的剖面。基本上，挤出可以定义为施加作用力使得材料通过模头的孔。这个模头孔产生最终产品的最后形状。

尽管本发明主要涉及光波导膜的使用，但是可以认识到漫射板和间隔体颈套环也可与光波导板一起使用。光波导板定义为波导聚合物板，其用于漫射点光源，一般具有大于1.0mm的厚度。

Claims (10)

1.一种用于LCD显示器的集成背光照明组件，其包括：

多个用于提供点光源的固态光源；多个具有光转向区域的光波导膜，所述光转向区域位于所述多个固态光源之间，用来将点光源转向并漫射为均匀的面状光，

至少一个覆盖所述固态光源的聚合物漫射板；以及间隔体颈套环，其包括光学间隔体，颈套部和锚定功能元件，其中间隔体颈套环环绕所述漫射板的周边设置。

2.根据权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，所述漫射板和间隔体颈套环包含选自以下的材料：聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚苯乙烯，氨基甲酸酯，聚丙烯，聚砜和尼龙。

3.根据权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，所述漫射板的热膨胀系数至少比间隔体颈套环的热膨胀系数大0.2％。

4.根据权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，所述间隔体颈套环在500微米长度下测得的至少5％的光透射率。

5.根据权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，所述间隔体颈套环是白色、反光性的。

6.根据权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，所述间隔体颈套环是白色、半透明的。

7.根据权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，所述漫射板包含聚合物核壳颗粒。

8.根据权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，所述间隔体颈套环具有基本上与漫射板的外形相同的穿通的外形。

9.根据权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，单独的所述间隔体颈套环之间的距离在1和100cm之间。

10.根据权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，所述漫射板包含蓝色染料或颜料。

Images