CN102305372A - 具有扩散结构的光转向块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于LCD显示器的集成背光照明组件，其包括：多个固态光源，其用来提供点光源；多个光导膜，其具有设置在所述多个固体光源之间的光转向区域以将所述点光源的光转向和扩展为均匀的光平面；设置在相对的光导膜之间的光转向块，该光转向块包括顶盖部和底部，所述底部与顶盖部垂直对准，其中，所述底部具有至少一个光转向功能元件。

Description

具有扩散结构的光转向块
技术领域
本发明涉及一种显示器照明，更具体地涉及一种用于将点光源的光耦合到聚合物光导薄膜的光学光转向块。
背景技术
与其它类型的显示器相比，透射液晶显示器(LCD)面板提供了一种紧凑、重量轻的替代选择，但是需要某种背光照明以提供用于进行调制的光。LCD和相似的显示器的背光照明通常由相对于观察者来说设置在LCD面板后的发光面提供，从一个或更多光源发出的光通过所述LCD面板进行转向。光提供面的一个例子是光导板(LGP)。该LGP作为波导，采用全内反射以使来自沿着其边缘设置的一个或多个光源的入射光转向。在LGP上设置某种表面功能元件以导出内反射光以及使该光线转向显示面板。授权给Goto等人的美国专利第5,999,685号“光导板和使用该光导板的表面光源(LIGHT GUIDE PLATE ANDSURFACE LIGHT SOURCE USING THE LIGHT GUIDE PLATE)”，给出了一种采用LGP的照明装置的实例。
在Goto等人公开的内容所给出的诸多解决方案的缺陷是传统光导板的相对厚度和整体体积。传统的LGP通常超过了LCD面板自身的厚度。大屏幕显示器的出现，如LCD电视，以及更紧凑的固体光源的发展，如发光二极管(LED)，需要提供比现有设计具有更薄的截面，更轻的重量以及更具有挠性的LGP的解决方案。随着显示器在尺寸上持续变大以及更有挠性的基板的使用的增加，形成了对厚度接近1mm的更有挠性的LGP的增长的需求。
人们已经为LGP装置提出了许多的解决方案，这些方案更适合于小型化和挠性更大的显示器。但是，目前所提出的解决方案具有内在的缺陷，进而限制了它们的使用或者很难进行制造。例如，提出了形成在LGP表面中的各种光导出功能元件。然而，许多已经提出的光导出元件的几何外形需要采用如注塑成型或热压成型等制造方法。这些制造方法比较适用于较厚的材料，但随着LGP的厚度的减小，制造困难增加且无法实用。例如，提出的许多解决方案均需要具有90度垂直壁的表面光导出结构。不管什么方法，采用已知的塑料材料很难制造所需尺寸的这种程度的锐角。还有其它的需要相对高的高度与宽度比的功能元件，由于相似的原因，这些功能元件很难制造。虽然这种结构在理论上能够很好地发挥作用以及能够制造，但是，它们所带来的制造问题使得提出的许多设计对于大规模生产来说变得不切实际。人们很少将注意力转向如何经济地大规模制造具有尖锐角侧壁的光导出功能元件的LGP。
更进一步地，采用LED作为光源的LCD电视通常使用厚LGP，在LGP的外围设置顶部发光LED。该设置在LGP外围的顶部发光LED通常位于边框下方。该边框用于覆盖和吸收LED产生的没有耦合进LGP/LED界面的多余的光。因此，LED产生的没有耦合的光没有用于LCD照明而浪费掉了。
现有技术的LED背光组件通常采用打开的侧部发射LED或顶部发射LED作为光导板的光源。为了提高现有技术的背光单元组件的光耦合效率，LED的输出需要在光导板的输入表面的150微米范围内。LED的输出表面和光导板的输入表面之间相对小的距离产生两大问题。首先，LED的热量可能随着时间的推移使输入表面扭曲从而降低光耦合效率。其次，LED输出和光导板输入之间的距离的变化产生了不利的输入到光导板的光量的变化，从而增加了光导板输出的变化。
虽然使用LED作为LC面板的光源能够允许LED根据图像内容整体调光以减少LCD电视的整体的功率消耗，但是这些侧面发光LED电视通常由于LED设置在周边位置而不能进行局部动态的调光。由于小组的LED可以根据图像内容进行调光，与整体性调光相比，LED的局部调光已经证实可以进一步减少LED照明LCD电视的总体功率消耗。进一步的局部调光与整体调光相比还可以显著地提高显示的图像的对比度。
因此，人们认识到，他们需要提供允许使用挠性材料的光导面的解决方法，其可以生产相对薄的外形尺寸，其设计为可以大量制造以及可以进行局部调光。更进一步的，认识到需要提高光导板的光学均匀性以及替代的LED耦合机构。
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：多个固态体光源，用来提供点光源；多个光导膜，其具有设置在所述多个固态光源之间的光转向区域，以将点光源的光转向和扩展为均匀的光平面，设置在相对的光导膜之间的光转向块，该光转向块包括顶盖部和底部，该底部相对于顶盖部垂直对准，其中，所述底部具有至少一个光转向功能元件。
附图说明
图1是采用本发明的光导膜的显示器装置。
图2显示了一个实施方式的光导膜的透视图。
图3A、3B、3C和3D是入射光在光导膜表面的功能元件处的光性能图。
图4是发明的另一实施方式的光导膜的一部分、光源和具有光转向功能元件的光转向块的透视图。
图5是发明的另一实施方式的光导膜的一部分、光源和具有光转向功能元件的光转向块的3-D透视图。
图6A是发明的另一实施方式的光转向块和光源的截面图。
图6B是发明的另一实施方式的与点光源相关的具有光扩散透镜的V型槽光转向块的截面图。
图7A是发明的另一实施例的与点光源相关的具有多个表面光转向区域的光转向块的截面图。
图7B是发明的另一实施例的与点光源相关的具有曲面的光转向区域的形成有顶点的光转向块的截面图。
图7C是发明的另一实施例的与点光源相关的具有曲面光转向区域的光转向块的截面图。
图8A是发明的另一实施方式的光扩散透镜的透视图。
图8B是发明的另一实施方式的光扩散透镜的透视图。
图8C是发明的另一实施方式的光扩散透镜的透视图。
图9是发明的另一实施方式的与光导膜和点光源相关的具有V型槽光转向区域的光转向块的截面图。
图10A是发明的另一实施方式的与点光源相关的在顶表面和底表面上具有V型槽的光转向块的截面图。
图10B是发明的另一实施方式的与点光源相关、在顶表面和底表面上的V型槽上设置光扩散透镜的光转向块的截面图。
图11A是发明的另一实施方式的与点光源相关的具有底部V型槽光转向部分和顶部曲面光转向部分的光转向块的截面图。
图11B是发明的另一实施方式的与点光源相关的具有底部V型槽光转向部分和顶部V型槽光转向部分的光转向块的截面图。
图11C是发明的另一实施方式的与点光源相关具有底部V型槽光转向部分和顶部多表面光转向部分的光转向块的截面图。
图11D是发明的另一实施方式的与点光源相关的具有底部V型槽光转向部分和形成有顶点的顶部曲面光转向部分的光转向块的截面图。
具体实施方式
参阅图1所示的横截面，根据本发明的一个实施方式的显示器装置10的背光照明组件18具有至少两个光导制品，光导膜(LGF)20。光源12通过LGF20的入射边缘22透射照明光线。LGF20将该照明光线向外变向，通过一个或多个顶部的漫射膜14，进入空间光调制器，这里指的是LCD显示器16，其对所述照明光线进行调制。光转向块30位于点光源12的上方，导引从光源12发出的光能量进入到光导膜20以及对没有耦合到光导膜20的能量进行漫射扩散。优选地，光转向块30和输出面24之间的亮度差是+/-10％，或更优选地+/-5％。减小光转向块和邻近的光导膜之间的亮度差可使得背光组件单元输出所需的均匀光。如果亮度差超过15％，则能够通过肉眼直接观察到，导致产生差的图像质量。通过平衡输出表面24的光输出以及光转向块30的光输出以减小亮度差别。输出表面12的亮度可以通过位于或靠近入射边缘22的光导出功能元件26的尺寸、形状和间距进行控制。光转向块30的亮度通过光转向块材料的漫射特性、连接夹的外形、光转向块的厚度以及从光源12发出的没有耦合到入射边缘22的光的量进行控制。
光源12可采用多种类型的任意光发射元件。用于膝上型计算机和大面积显示器的传统LGP采用CCFL(冷阴极荧光灯)。本发明的LGF20可采用这种较厚类型的光源，但是优选采用薄外形光源，如LED线阵列，OLED线阵列或其它线性固态光源。
图2的透视图显示了LGF 20的外形和其在照明装置18中的出射光输出表面24。如图2所示，光源12导引光线进入与输出表面24基本上垂直的入射边缘22。离散的光导出功能元件26形成在输出表面24，或底面28上，从而输出表面24和底面28中的任一个或两个为图案化的表面。在后面的图中可看到更详细的结构，光导出功能元件26在尺寸上可沿LGF20的长度方向L延伸，在与长度方向L垂直的宽度方向W上较窄。光源12大体上沿着长度方向L分布。光导出功能元件26在表面24或28上可以以相等的空间间隔分布；但是光导出功能元件26的空间分布、尺寸或间距随着宽度方向W上的与入射边缘22之间的距离变化而变化的实施例是优选的，如图2所示及随后相应的描述。
参阅图2，在本发明的一个实施方式中，光导膜20在L和W平面设置数量相对小的区域，其不包括任何光导出结构。该相对小的区域作为光源12的混合区域，其接近光导膜20在L和W平面的总面积的1-10％。该混合区域对于多模式光源如RGB或RGBW或RGGB特别重要。该混合区域已经证明是进行多模式光源的混合以产生比现有技术的包含蓝色染料和黄色磷光体的白LED具有更高色域的白光的有效方法。
图3A、3B、3C和3D给出了截面视图方向，在光输出表面24或底面28的图案化表面上，光导出功能元件26的不同设置方式。在这些图中的虚线显示了不同的示范光路，其用于说明光导出功能元件26的性能。光在LGF20中以全内反射(TIR)传播，对光导技术领域人员来说，这是比较熟悉的原理。不管从表面24或28突出或凹陷，光导出功能元件26的基本功能是阻断TIR，使光从LGF20中射出。图3A和3B给出了形成在输出表面24的两种光导出结构26的光学性能，所述光导出结构分别从该表面突出或凹入到该表面。无论哪种情况，当内部反射光照射到光导出结构26的表面时，内部反射光将从输出表面24导出。
图3C和3D给出了光导出功能元件26形成在底面28上的另一实施方式。在这些实施方式中，反射表面66作为照明装置18(图1和图2)的一部分以使得被光导出结构26导出的光转向。反射表面66使该光转向返回LGF20并从输出表面24出射。
图4是光导膜20和光源12的透视图。光源12设置在光导膜20的入射边缘的下面。在光导膜的下面是反射器66，其将入射到该反射器66上的光反射向膜20。光导膜20顺序地或以一定图案的形式设置，以产生均匀、明亮的背光照明组件。点光源12设置在背光照明组件的照明区域。应用于LCD TV时，光导膜20的长度L优选地大于宽度W。更优选地，长度L大于光导膜的宽度W的10倍。
图4中的光源与光转向块30相邻接并位于光导膜20的平面下方。光转向块30优选地引导光源12的光能量转向进入位于光转向块30左边和右边的光导膜20。优选地，光转向块30引导从光源12发射的超过总光能量的80％的光进入到光导膜20。没有光学耦合到光导膜20的光能被光转向块30漫射，从而从顶盖部34输出的光与从光导膜20的顶表面输出的光基本上一样。
图4中的光源12优选设置为根据显示设备的图象内容可以对背光照明组件进行局部调光。点光源的局部调光已被证实可同时减少LCD的功耗和大幅度地提高LCD的对比度。通过对光源12的子群进行调光，利用改变提供给光源12的电流，可以对光导膜20的小的限定区域进行动态的调光。调光区域的尺寸随着调光的点光源的数量和光导膜20宽度W的变化而变化。光源12可以设置为将光输入到单个光导膜20或设置为将光输入到两个邻近的光导膜。光源优选以并排的方式配置以允许均匀光输入到光导膜20。
光源12分布和设置在光导膜20的部分之间。位于光导膜20之间的光源12的分布使得背光组件与具有集中生热点的边缘背光单元相比，在整个背光照明组件上具有较低的温度梯度。在现有技术中的边缘照明背光组件中出现的高温度梯度会导致光学元件产生不利的波纹或褶皱，这是由于温度梯度导致热膨胀系数的差异引起的。进一步地，在边缘照明背光组件中存在的高温度梯度经常会需要昂贵、沉重的金属框架以防止出现热波纹和褶皱。
位于光导膜20和光转向块30之间的足够小的缝隙用于减小不利的热变形和波纹。光导膜的变形和波纹减小了从光导膜20输出的光的均匀性。已发现位于光导膜20和光转向块30之间的足够小的缝隙创造了用于聚合物光导膜热膨胀的物理空间。这个光导膜缝隙与应用在公路和桥梁中的热膨胀缝隙的概念相似。热膨胀缝隙的尺寸与背光组件的操作条件和光导膜的热膨胀系数相关。
沿着L方向的光源12的间距是光导膜20的需要的光输出特性的函数。光导出功能元件26的密度、间距和尺寸也是光导膜20的需要的光输出特性的函数。光导出功能元件的尺寸、位置和间距也与光源12的光输出特性相关。光源12的重要光学特性包括色度、光分布和照明强度。通常，在光入射面22处的光导出功能元件26的密度低于与光入射面相反侧的密度，以获得光能量的均匀导出。
图5是光导膜20的一部分、光源12和光转向块30的位置的3维视图。光转向块30包括底部34和顶盖部32。在发明的一个实施方式中，顶盖部32与光导膜20接触。该接触能够使点光源一致地发生漫射和转向。
图6A是与点光源12相关的光转向块30的截面视图。光转向块30包括顶盖部32和底部34。底部34包括光转向功能元件36。在图6A中，光转向功能元件是在V型槽终止的相对斜坡面。入射到光转向功能元件36的光源12的光能被转向到光漫射块光输出表面40。光转向块30能够使用广泛应用在LCD TV的背光组件中的顶部发光LED。现有技术的背光组件通常采用顶部发光LED，旋转90度，从而顶部发光LED的输出透镜被导引向现有技术的光导板。由于传统的高效热吸收技术不容易被采用，在现有技术系统中顶部发光LED的旋转会造成传热问题。进一步地，电子控制板也必须旋转，容易造成光学干扰。光漫射块30允许顶部发光LED具有对准光转向功能元件30的输出透镜。LED的这种优选的取向将使LED与背板接触以有效地对LED进行散热。进一步地，控制板不会对系统造成光学影响。光转向块30使LED可以有效地设置在背光照明组件的照明区域内。
图6B是光转向块30的截面图，其在光扩散功能元件36和扩散块光输出表面40两者上具有光扩散透镜38。优选地，光扩散透镜为具有80度至100度的角的棱锥。位于表面36上的棱锥形透镜显著地增加了从光源12到光转向块30的光学耦合效率。在漫射块光输出表面40上的棱锥形透镜校准和漫射光能，因而，增加了光转向块和光导膜之间的光学耦合效率。
图7A、7B和7C是相对于点光源12的光转向块30的截面图。如图7A所示，光转向功能元件36优选为单曲面。在发明的另一实施方式中，光转向功能元件是多面体平面或表面的组合，如图7B所示。在发明进一步的实施方式中，光转向功能元件优选为如图7C所示的多面体表面的组合。在图7A、7B和7C中的光转向结构36也可以包括用于改善光源12和光转向功能元件36之间的光学耦合的小透镜。
图8A、8B和8C是优选的可以位于光转向结构和/或输出表面上的光扩散透镜。图8A、8B和8C所示的透镜可以增加光源和光转向块之间的光学耦合效率以及发明的光转向块和光导膜之间的光学耦合效率。在光转向块的输出表面，透镜也可将光输出分布变窄以减小光导膜厚度和改进耦合效率。
图9是与点光源12和光导膜20相关的光转向块30的截面图。光转向块30优选地具有其与光输出面40邻近的光准直坡面42，与没有光准直坡面42的光转向块相比，可以减小光转向块30和光导膜20的高度。减小光转向块30和光导膜20两者的厚度，降低了背光组件的成本，降低了背光单元组件的重量和获得了需要的较薄的背光单元组件。
图10A和10B是与点光源12相关的光转向块30的截面图。光转向表面36使来自光源12的光能量转向输出表面40。顶盖部32减少由于在光导输入表面的输入边缘的菲涅尔反射产生的高亮度点。透镜优选地位于光转向结构36和输出表面40上，如图10B所示。在光转向块的输入和输出表面上的透镜结构可以是如图8A所示的线性棱镜，或如图8B所示的圆柱形透镜，或如图8C所示的单独的元件。
图11A、11B、11C和11D是与点光源12相关的光转向块30的截面图。图11A、11B、11C和11D中，光转向块30优选同时具有底部光转向功能元件36和顶部光转向元件44。图11A给出了具有规划(planner)的底部功能元件36和单曲面顶部功能元件44的光转向块。图11B示出了规划的底部功能元件36和规划的顶部功能元件44。图11C给出了具有规划的底光转向表面和多面体光转向顶表面的光转向块。图11D显示了具有规划的光转向底面和抛物线顶光转向表面的光转向块。图11A、11B、11C和11D所示的光转向块可具有平滑表面或在光转向块的输入和/或输出表面上设置有透镜结构。透镜可以是如图8A所述的线性棱镜，或如图8B所述的圆柱形透镜，或如图8C所述的单独的元件。
优选地，光转向块包括两个含有不同材料的分开的部分。通过使用两个或多个分开的部分，可以替换材料组成和附加组分以提高光转向块的效率。例如，光转向块的顶盖部可含有辅助漫射的材料组合物，光转向块的底部可基本上透明以改善底部的光转向效率。
使用的材料
LGF20可由各种透明材料制成，包括，但不局限于聚碳酸酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
光转向块可以由各种聚合物材料形成，优选热塑性聚合物。优选材料的示例包括，但不限于聚碳酸酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
优选地，发明的光转向块包含前向散射附加组分。前向散射是一部分入射电磁波利用尺寸大于所述波长但是小于光束直径的颗粒物质发生衍射、非均匀折射、或非镜面反射，通过这种方式使得能量在与入射波的传播方向呈90°以内的方向偏转传播。散射过程可以是对偏振敏感的，入射波在各个方面相同，但是它们的偏振可能以不同的方式散射。在优选的实施例中，前向散射附加组分可以是具有至少0.02的折射率梯度的核壳粒子。前向散射是散射的优选形式，因为与反射散射相比其可以减少吸收损失且获得更均匀的背光组件。
形成在光导膜图案化的表面上的功能元件用于为LCD和其它种类的背光显示器提供照明，尤其为小型显示器或便携式设备提供照明。本发明的实施方式提供了一种光导膜，其被制造为具有1mm或更小的厚度。这使得本发明的LGF采用LED、OLED或激光阵列和其它线性固态光阵列时具有独特的优势。
发明的扩散块优选采用已知的型材挤出方法来制造，该方法用于制造具有连续横截面的塑料制品如：饮料吸管、聚合物垫圈、装饰模具，窗户装饰和其它各种在高压下引入空心模具中的聚合物熔体形成的产品。
需要的聚合物以小球状形式进入到机器料斗(该机器为一种已知的挤出机)，材料被加热筒内的旋转螺杆推动着连续向前传送，通过摩擦和加热而软化。然后软化的聚合物被压出通过模头，直接进入冷水中，产品在冷水中凝固。从这里被向上传送到牵引辊，其实际上是将软化塑料拉离模头。
该模头是安置在挤出机末端的金属板，具有从其内部切出的部分，该切出部分，和牵引辊的速度，决定了所制造的产品的截面。由于管的末端开口，出来的产品为实心棒，如果开口具有不同的截面，那么相应的产品将具有不同的截面。基本上挤出工艺可以被定义为迫使一种材料通过一模孔，该模孔决定了所生产产品的最终形状。
优选地，光转向块具有两个或更多个具有不同材料组成的部分。优选地，使用共挤出来制造多材料的光转向块。共挤出是将多层材料同时挤出。这种挤出使用两个或更多个挤出机，用来熔化和传送具有不同粘性的塑料的稳定体积的吞吐量到同一个挤出头(模头)，其可以以需要的形式挤出材料。通过单独的输送材料的挤出机的相对速度和尺寸来控制层的厚度。

Claims (14)

1.一种用于LCD显示器的集成背光照明组件，其包括：
多个固态光源，其用来提供点光源；
多个光导膜，其具有设置在所述多个固态光源之间的光转向区域，以将所述点光源的光转向和扩展为均匀的光平面，
设置在相对的光导膜之间的光转向块，该光转向块包括顶盖部和底部，该底部与顶盖部垂直对准，其中，所述底部具有至少一个光转向功能元件。
2.如权利要求1的背光照明组件，其中，所述光转向块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.如权利要求1的背光照明组件，其中，所述光转向块包含前向散射附加组分。
4.如权利要求1的背光照明组件，其中，所述光转向块包含发光磷光体。
5.如权利要求1的背光照明组件，其中，所述光转向块包含占该光转向块0.1-90重量％的聚合物核壳粒子。
6.如权利要求1的背光照明组件，其中，所述光转向功能元件具有0.1到2000微米的平均粗糙度。
7.如权利要求1的背光照明组件，其中，所述光转向功能元件包括形成V型槽的规划的表面。
8.如权利要求1的背光照明组件，其中，所述光转向功能元件包括至少一个曲面。
9.如权利要求1的背光照明组件，其中，所述光转向功能元件包括多个表面。
10.如权利要求1的背光照明组件，其中，所述光转向功能元件还包括形成在光转向功能元件的表面上的光扩散透镜。
11.如权利要求1的背光照明组件，其中，所述光转向功能元件与点光源垂直地对齐。
12.如权利要求1的背光照明组件，其中，所述顶盖部和底部均包括光转向功能元件。
13.如权利要求1的背光照明组件，其中，所述光转向块包括两个具有不同材料组成的分开的部分。
14.如权利要求1的背光照明组件，其中，所述光转向块包括漫射顶盖部和基本上透明的底部。
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