CN102537762A - 一体化微光学背光模组 - Google Patents

Abstract

本发明为一种一体化微光学背光模组，包含一个一体化微光学导光板及至少一光源。该导光板包含一入光面、一出光面、一与该出光面相对的底面以及连接该出光面和底面的三个侧面；其中，出光面上设置有利用微光学、二元光学迭代算法设计的微光学聚光结构，底面设置有与出光面微光学聚光结构相匹配的微光学反射结构。底面微光学反射结构可对光束进行反射和衍射，出光面微光学聚光结构配合与之相匹配的底面微光学反射结构，可使光束集中在理想视场内出射，增加出射光亮度和均匀性。本一体化微光学背光模组可避免使用典型背光模组中的平面反射片、扩散片和双层正交棱镜片，效果上超过典型多层结构，实现背光模组高度一体化，提高光能利用率，降低成本。

Description

一体化微光学背光模组

【技术领域】

本发明涉及一种用于被动式发光的中小尺寸平板显示的一体化微光学背光模组。

【背景技术】

近年来，随着显示技术的发展，特别是液晶显示装置具有重量轻、厚度薄、光能利用率高、无辐射等优点，传统的阴极射线显示装置逐渐被液晶显示装置所取代。目前，液晶显示装置已经应用于许多电子产品，例如手机、数码相机、摄影机、MP3等。液晶显示装置包含一背光模组与一液晶显示面板，由于液晶显示面板本身不发光，需要通过背光模组来提供具有充足亮度与均匀性的光源，使液晶显示面板得以显示影像。液晶显示装置中的背光模组是一个能够将点光源或线光源转化成均匀平面光源的光学机构，随着液晶显示领域的拓展，对以导光板为主的背光技术提出了更高要求，主要表现在：高亮度、低成本、低能耗、轻薄化、集成化等。

图1是美国3M公司公告的美国专利NO.6443583中所涉及的一种现有典型背光模组的结构示意图。该背光模组包括光源11、导光板12、平面反射片13、扩散片14和双层正交棱镜片15、16，其中棱镜片15、16设置有相互垂直的微棱镜结构。光源11发出的光线经导光板12的入光面进入导光板12内部，由设置在导光板12底面下方的反射片13反射并经导光板12的出光面出射。导光板12的底面设置有网点图案，对导光板12内部的光线进行散射，进而实现面光源的输出并达到均光效果。经导光板12出射的光线由扩散片14进一步匀光后，再由双层正交棱镜片15、16的微棱镜结构在相互垂直的两个方向进行会聚，以提高显示亮度。该种背光模组使用多层光学膜片，增大了光能在其间的损耗，亮度偏低，光能利用率不高，而且结构复杂，组装不便，成本较高。

图2是另一种现有背光模组的结构示意图。该背光模组同样包括光源21、导光板22、反射片23、扩散片24和棱镜片25。其与图1所示的背光模组的不同之处在于：导光板22的出光面上设置有V形棱镜结构(V-cut)，而棱镜片25为一片锯齿状朝下的棱镜片。通过采用这种结构虽然减少了一片棱镜片，降低了制造成本，有效减少了装置厚度，增加了光能利用率；但是，仍无法满足背光模组的集成化需求，另外，独立的棱镜片的存在容易引起刮伤。导光板的上述V-cut结构还容易造成导光板产生明暗带条纹，导致亮度值偏低。

图3是本专利申请人的另一项发明专利ZL200410052001.7中所涉及的一种背光模组的结构示意图。该背光模组包括光源31、导光板32、灯罩33和反射片34。该背光模组导光板32的出光面设置有微光学阵列结构，下表面设置有散射网点。此种结构用一层导光板集成了图1所示的背光照明系统结构中导光板、扩散片和双层正交棱镜片的功能，降低能耗，提高光能利用率；但是此背光模组中仍然使用的是分立的平面反射片，未彻底解决亮度偏移的问题，而且该结构没有实现真正意义上的一体化。

图4是申请号200710075263.9中所涉及的一种背光模组的结构示意图。该背光模组包括光源41、导光板42和反射片43。其与图3所示的背光模组不同之处在于：反射片43上设置有微光学反射结构。通过采用此种结构，利用反射片43上微光学反射结构的反射面对光束进行反射，并通过改变微光学反射结构的倾角来会聚和调制出射光场，并配合导光板42出光面的微光学结构，将出射光调节到理想视场，可避免使用典型结构中的双层正交棱镜片，减少了装置的元件数量，提高光能利用率，降低成本，能够较好的解决亮度偏移的问题。但此背光模组同图3所示的背光模组一样使用了分离反射片，并没有实现真正意义上的一体化。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种无需附加双层正交棱镜片、扩散片和平面反射片，且能将出射光的出射方向控制在理想视场内并具有高均匀亮度的一体化微光学背光模组，仅用一个一体化微光学导光板实现目前典型背光模组中双层正交棱镜片、扩散片、导光板及平面反射片五层复杂结构的功能。

本发明采用的技术方案是：提出一种一体化微光学背光模组，包括一个一体化微光学导光板及至少一个光源。其中：一体化微光学导光板包括：一个入光面，一个与该入光面相连接的出光面，一个与该出光面相对的底面以及连接该出光面和底面的三个侧面，该出光面上设置有微光学、二元光学迭代算法或其他优化算法设计的非球面半柱状微光学聚光结构，底面设置有与出光面微光学聚光结构相匹配的微光学反射结构，光源设置于该一体化微光学导光板入光面的附近。利用一体化微光学导光板底面的微光学反射结构对进入导光板内部的光束进行反射和衍射来调制出射光场，使导光板垂直于光源排布方向的出射光调节到正视区方向，实现出射光的第一次会聚，出光面的非球面半柱状微光学聚光结构配合与之相匹配的底面微光学反射结构，对平行于光源排布方向的出射光进行调制和会聚，使出射光方向集中在理想视场内，实现出射光的第二次会聚，从而提高出射光的亮度和均匀性。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：其一，该一体化微光学背光模组的一体化微光学导光板可取代目前典型背光模组中双层正交棱镜片、扩散片、导光板及平面反射片的五层复杂结构，在亮度、能耗和均匀性等各项技术指标上均优于目前典型结构，实现了真正意义上的结构一体化和功能集成化，降低了产品生产成本，提高了光能利用率；其二，利用微光学、二元光学迭代算法或其他优化算法设计的出光面非球面半柱状微光学聚光结构，相较于现有的V-cut结构，其出射光的耦合效率更高，能有效提高背光模组的光能利用率；其三，与出光面非球面半柱状微光学聚光结构相匹配的底面微光学反射结构可对光束进行反射和衍射，通过改变微光学反射结构的单元结构大小及分布密度来调制出射光场，使导光板垂直于光源排布方向的出射光调节到理想视场(垂直于导光板出光面方向±25°范围内)，实现出射光的第一次会聚，同时出光面的非球面半柱状微光学聚光结构配合与之相匹配的底面微光学反射结构，对平行于光源排布方向的出射光进行第二次会聚，最终实现出射光两个方向上的会聚，将出射光调节到理想视场，从而提高出射光的亮度和均匀性；其四，该一体化微光学导光板的出光面的微光学聚光结构和与之相匹配的底面微光学反射结构的单元结构的形状、大小、间距和分布密度均可按实际需要调节，在消除暗影现象和提高出射光亮度和均匀性方面，提高了设计的灵活性；其五，该一体化微光学导光板底面的微光学反射结构采用微光学、二元光学加工方法制作，制作出来的微光学反射结构会体现出微光学中特有的衍射现象，在一定程度上可以降低或消除明暗条纹，提高出射光均匀性。与传统的精密机械加工方式相比，上述加工方式具有加工精度高，在保证相同加工精度的情况下制造成本相对底的优势。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1是美国专利NO.6443583所涉及的背光模组的结构示意图；

图2是另一种现有背光模组的结构示意图；

图3是本申请人的另一项发明专利ZL200410052001.7中所涉及的背光模组的结构示意图；

图4是申请号200710075263.9中所涉及的背光模组的结构示意图；

图5是本发明一体化微光学背光模组的第一实施例的结构示意图；

图5A是图5所示的一体化微光学背光模组的导光板出光面的微光学聚光结构为非球面半柱状单元结构的剖面示意图；

图5B是图5所示的一体化微光学背光模组的导光板底面区域划分示意图；

图5C是图5所示一体化微光学背光模组的导光板底面的微光学棱镜反射结构的分布方式的局部放大示意图；

图6是本发明一体化微光学背光模组的第二实施例的结构示意图；

图6A是图6所示一体化微光学背光模组的导光板底面的微光学棱镜反射结构的分布方式的局部放大示意图；

图7A是图7所示一体化微光学背光模组的导光板出光面的微光学聚光结构为顶端凹陷的微圆锥的单元结构示意图；

图7B是顶端凹陷的微圆锥的单元结构剖面示意图；

图7C是图7所示一体化微光学背光模组的导光板底面的微光学棱镜反射结构的分布方式的局部放大示意图；

图8是本发明一体化微光学背光模组的第四实施例的结构示意图；

图8A是图8所示一体化微光学背光模组的导光板底面的微光学棱镜反射结构的分布方式的局部放大示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图和多个实施例对本发明的一体化微光学背光模组的结构作进一步的详细说明。

图5是本发明一体化微光学背光模组的第一实施例的结构示意图。请一并参阅图5、图5A、图5B及图5C，该一体化微光学背光模组包括：一个一体化微光学导光板51及至少一个光源52，该一体化微光学导光板51具有一个入光面511，一个与该入光面511相连接的出光面512，一个与该出光面512相对的底面513以及连接该出光面512和底面513的三个侧面；在该出光面512表面上设置有利用微光学、二元光学迭代算法或其他优化算法设计出的非球面半柱状微光学聚光结构5121，该底面513表面上设置有与出光面非球面半柱状微光学聚光结构5121相匹配的微光学棱镜反射结构5131。该光源52设置于该一体化微光学导光板51的入光面511附近。

图5A是设置于一体化微光学导光板51出光面512表面上的非球面半柱状微光学聚光结构5121单元结构的剖面结构示意图。在本较佳实施例中，非球面半柱状微光学聚光结构5121沿垂直光源52排布方向均匀分布于一体化微光学导光板51的出光面512表面，其单元结构底宽W取值范围为0.1μm～200μm，优选范围为20μm～190μm，较佳值为180μm；高度H取值范围为0.1μm～50μm，优选范围为21μm～32μm，较佳值为30.5μm、22.8μm、23μm。

图5B所示的是本发明一体化微光学背光模组的一体化微光学导光板51底面513的划分区域示意图。在该一体化微光学导光板51底面513的每个小区域内凸出于底面513表面，设置有与出光面非球面半柱状微光学聚光结构5121相匹配的正交的微光学棱镜反射结构5131。在本较佳实施例中，该一体化微光学导光板51底面513的各个不同区域内的微光学棱镜反射结构5131的单元结构高度一致，但分布密度即各个不同区域内相邻微光学棱镜间间距d随距离光源位置不同有所不同；每一个小区域内的微光学棱镜反射结构5131的单元结构和分布密度即相邻两个微光学棱镜间的间距d均相同，且相互平行分布(如图5C所示)。每个微光学棱镜反射结构5131的单元结构底宽取值范围为2μm～190μm，较佳值为50μm。微光学棱镜反射结构5131单元结构的第一底角α取值范围为30°～45°，优选范围为35°～43°，较佳值为40°、39°、41°；第二底角β取值范围为60°～90°，优选范围为75°～87°，较佳值为85°、84°、86°。

光源52发出的光线在一体化微光学导光板51中传播，利用导光板51底面513的微光学棱镜反射结构5131对光束进行反射和衍射来调制出射光场，将导光板垂直于光源排布方向的出射光调节到正视区方向，实现了出射光的第一次会聚，利用导光板51出光面512的非球面半柱状微光学聚光结构5121配合与之相匹配的底面513的微光学棱镜反射结构5131，进一步对导光板平行于光源排布方向的出射光进行调制和会聚，使出射光集中在理想视场范围内，实现了出射光的第二次会聚，提高了出射光的亮度和均匀性。另外，当光线传播到微光学棱镜反射结构5131的反射面时，除了反射现象外，还体现出微光学中特有的衍射现象，从而在一定程度上可以降低或消除明暗条纹。通过对本较佳实施例仿真模拟可知，该一体化微光学背光模组的出射光照度均匀性达到85％以上，同时亮度均匀性达到80％以上，平均亮度是典型背光模组的2.45倍。

另外，该一体化微光学背光模组出光面512表面上设置的非球面半柱状微光学聚光结构5121亦可有其他分布，例如导光板51出光面512的中央区域内的非球面半柱状微光学聚光结构的高度要比外围区域的非球面半柱状微光学聚光结构高，底宽相同。底面513每个小区域内的微光学棱镜反射结构5131的单元结构高度可不同，分布密度亦可不同，即相邻两个微光学棱镜间的间距d不同。当然，该一体化微光学背光模组的导光板51底面513亦可不划分区域，底面513微光学棱镜反射结构5121的单元结构可变、亦可不变，分布密度可变、亦可不变。

图6是本发明一体化微光学背光模组第二实施例的结构示意图。请一并参阅图6和图6A，该一体化微光学背光模组与图5所示的结构不同之处在于：该一体化微光学背光模组的导光板61的底面613的微光学棱镜反射结构6131是凹入导光板61底面613表面设置的。在本实施例中，每一个小区域内的微光学棱镜反射结构6131的单元结构和分布密度即相邻两个微光学棱镜间的间距d均相同，且相互平行分布(如图6A所示)；其单元结构的底宽取值范围为2μm～190μm，较佳值为50μm。微光学棱镜反射结构6131单元结构的第一底角α取值范围为5°～60°，优选范围为35°～42°，较佳值为40°、39°、41°；第二底角β取值范围为60°～90°，优选范围为75°～85°，较佳值为80°、79°、81°。通过对本实施例仿真模拟可知，该一体化微光学背光模组的出射光照度均匀性达到85％以上，平均亮度是典型背光系统的2.10倍。

此外，该底面613每个小区域内的微光学棱镜反射结构6131的单元结构高度可不同，分布密度亦可不同，即相邻两个微光学棱镜间间距d不同。当然，该一体化微光学背光模组的导光板61底面613亦可不划分区域，底面613微光学棱镜反射结构6131的单元结构可变、亦可不变，分布密度可变、亦可不变。

图7是本发明一体化微光学背光模组的第三实施例结构示意图。请一并参阅图7、图7A、图7B和图7C，该一体化微光学背光模组包括：一个一体化微光学导光板71及至少一个光源72，该一体化微光学导光板71具有一个入光面711，一个与该入光面711相邻的出光面712，一个与该出光面712相对的底面713以及连接该底面713和出光面712的三个侧面；在该出光面712设置有利用微光学、二元光学迭代算法或其他优化算法设计出的顶端凹陷的微圆锥微光学微光学、二元光学迭代算法或其他优化算法设计出的顶端凹陷的微圆锥微光学聚光结构7121，该底面713设置有与出光面顶端凹陷的微圆锥微光学聚光结构7121相匹配的微光学棱镜反射结构7131。该光源72设置于该一体化微光学导光板71的入光面711附近。

如图7A所示，是该顶端凹陷的微圆锥微光学聚光结构7121的单元结构立体示意图，图7B是该顶端凹陷的微圆锥微光学聚光结构7121单元结构的剖面示意图。该顶端凹陷的微圆锥微光学聚光结构7121的单元结构的顶角θ取值范围为120°～150°，优选范围为128°～134°，较佳值为132°、130°，底面直径D取值范围为0.6μm～190μm，优选范围为24μm～110μm，较佳值为50μm，该顶端凹陷的微圆锥微光学聚光结构7121均匀分布于导光板71出光面712表面。如图7C所示，该一体化微光学导光板71的底面713凸出设置有与出光面顶端凹陷的微圆锥微光学聚光结构7121相匹配的微光学棱镜反射结构7131。在本实施例中，该微光学棱镜反射结构7131单元结构的尺寸相同，且相互平行无间距排列，每个微光学棱镜反射结构7131的单元结构的底宽取值范围为2μm～190μm，较佳值为50μm。微光学棱镜反射结构7131单元结构的第一底角α取值范围为30°～45°，优选范围为35°～43°，较佳值为40°、39°、41°；第二底角β取值范围为60°～90°，优选范围为75°～87°，较佳值为85°、84°、86°。此外，该底面713的微光学棱镜反射结构7131单元结构的尺寸和相邻两个微光学棱镜间的间距亦可随距离光源72的位置不同有所不同。

请一并参阅图8和图8A，图8是本发明一体化微光学背光模组的第四实施例的结构示意图。该一体化微光学背光模组与图7所示的结构不同之处在于：该一体化微光学背光模组的微光学棱镜反射结构8131是凹入导光板81底面813设置的。在本实施例中，该微光学棱镜反射结构8131单元结构的尺寸相同，且相互平行无间距排列，微光学棱镜反射结构8131的单元结构的底宽取值范围为2μm～190μm，较佳值为50μm。微光学棱镜反射结构8131单元结构的第一底角α取值范围为5°～60°，优选范围为35°～42°，较佳取值为40°、39°、41°；第二底角β取值范围为60°～90°，优选范围为75°～85°，较佳值为80°、79°、81°。此外，该底面813的微光学棱镜反射结构8131单元结构的尺寸和相邻两个微光学棱镜间的间距亦可随距离光源82的位置不同有所不同。

以上各实施例中的一体化微光学导光板的底面以及连接底面和出光面的三个侧面都镀有高反膜，可为金属膜或非金属膜，优选为银膜，其反射率的范围为80％～99％，典型值为94％。一体化微光学导光板的形状并不局限于平板形，也可以是楔形或者根据实际需求设计的其他形状，材料从透光性材料中选取，通常采用丙烯基树脂或聚碳酸酯树脂，优选是折射率为1.49的聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)。

本发明一体化微光学背光模组的导光板底面的微光学反射结构，并不仅局限于微光学棱镜，还可以是根据实际情况设计出来的其它结构，比如非球面半柱状、微棱锥、微棱台、微圆锥等。本发明一体化微光学背光模组的导光板出光面上的非球面半柱状微光学聚光结构和底面与之相匹配的微光学棱镜反射结构，均采用微光学、二元光学加工方法制成。

综上所述，本发明提出的一体化微光学背光模组，可以避免使用典型背光模组中的平面反射片、扩散片和双层正交棱镜片，实现了背光模组的功能集成化、结构一体化，减少了装置的元件数量，简化背光模组装置，减少组装工序，提高光能利用率，降低成本；利用一体化微光学导光板底面设置的与出光面非球面半柱状微光学聚光结构相匹配的微光学棱镜反射结构对光进行反射和衍射，通过改变微光学结构的大小、形状和分布密度来调制出射光场，使导光板垂直于光源排布方向的出射光调制到理想视场(垂直于导光板出光面方向±25°范围内)；利用微光学、二元光学迭代算法或其他优化算法设计出的出光面非球面半柱状微光学聚光结构，可提高导光板出光面出射光的耦合效率，有效提高背光模组的光能利用率，同时可进一步对平行于光源排布方向的出射光进行会聚，使出射光集中在理想视场内，实现出射光的两次会聚，增加出射光亮度和均匀性；另外，当光线传播到微光学棱镜反射结构的反射面时，除了反射现象外，还会体现出微光学中特有的衍射现象，在一定程度上可以降低或消除明暗条纹。

以上的实施说明及图式所示，是本发明较佳实施例，并非以此局限本发明，是以，举凡与本发明的构造、装置、特征等近似、雷同的，均应属于本发明的创设目的及申请专利范围之内。

Claims (14)

1.一种一体化微光学背光模组，包括：一个一体化微光学导光板及至少一个光源；该一体化微光学导光板包括：一个入光面，一个与该入光面相连接的出光面，一个与该出光面相对的底面以及连接该出光面和底面的三个侧面，光源设置于该一体化微光学导光板入光面的附近；该一体化微光学导光板特征在于：所述一体化微光学导光板出光面上设置有微光学聚光结构，底面设置有与出光面微光学聚光结构相匹配的微光学反射结构。

2.根据权利要求1所述的一体化微光学背光模组，其特征在于：所述一体化微光学导光板出光面所设置的微光学聚光结构的单元结构是利用微光学、二元光学迭代算法或其他优化算法设计得到。

3.根据权利要求2所述的一体化微光学背光模组，其特征在于：所述一体化微光学导光板出光面设置的微光学聚光结构的单元结构可为非球面半柱状结构、可为顶端凹陷的微圆锥结构、亦可为其它由此衍生出的微光学聚光结构。

4.根据权利要求3所述的一体化微光学背光模组，其特征在于：所述一体化微光学导光板出光面设置的微光学聚光结构沿垂直光源排布方向的分布密度可调，可均匀分布、可非均匀分布，可根据光源位置进行调整；其单元结构参数亦可根据具体需要进行调整。

5.根据权利要求3与4所述的一体化微光学背光模组，其特征在于：所述非球面半柱状微光学聚光结构的单元结构的底宽W和高度H均可调。

6.根据权利要求5所述的一体化微光学背光模组，其特征在于：所述非球面半柱状微光学聚光结构的单元结构底宽W取值范围为0.1μm～200μm，优选范围为20μm～190μm，较佳值为180μm；高度H取值范围为0.1μm～50μm，优选范围为21μm～32μm，较佳值为30.5μm、22.8μm、23μm。

7.根据权利要求3与4所述的一体化微光学背光模组，其特征在于：所述顶端凹陷的微圆锥微光学聚光结构的单元结构的顶角角度θ和底面直径D均可调。

8.根据权利要求7所述的一体化微光学背光模组，其特征在于：所述顶端凹陷的微圆锥微光学聚光结构的单元结构的顶角角度θ取值范围为120°～150°，优选范围为128°～134°，较佳值为132°、130°；底面直径D取值范围为0.6μm～190μm，优选范围为24μm～110μm，较佳值为50μm。

9.根据权利要求1所述的一体化微光学背光模组，其特征在于：所述一体化微光学导光板底面结构的设计必须与出光面微光学聚光结构相匹配；导光板底面所设计的结构是微光学反射结构；该微光学反射结构的单元结构，可以是微棱镜状、非球面半柱状、还可以是其他形状，比如微棱锥、微棱台、微圆台等；所设计的微光学反射结构采用微光学、二元光学加工方法制作。

10.根据权利要求9所述的一体化微光学背光模组，其特征在于：所述一体化微光学导光板底面可划分为若干不同区域，导光板底面也可不划分区域。

11.根据权利要求9所述的一体化微光学背光模组，其特征在于：所述微光学棱镜反射结构的相邻两个微光学棱镜间的间距d随远离入光面距离不同而有所不同，亦可相等；其单元结构的底宽及两个底角均可调。

12.根据权利要求11所述的一体化微光学背光模组，其特征在于：所述微光学棱镜反射结构的单元结构的底宽取值范围为2μm～190μm，较佳值为50μm。

13.根据权利要求12所述的一体化微光学背光模组，其特征在于：所述微光学棱镜反射结构是凸出一体化微光学导光板的底面设置的，微光学棱镜反射结构单元结构的第一底角α取值范围为30°～45°，优选范围为35°～43°，较佳值为40°、39°、41°；第二底角β取值范围为60°～90°，优选范围为75°～87°，较佳值为85°、84°、86°。

14.根据权利要求12所述的一体化微光学背光模组，其特征在于：所述微光学棱镜反射结构是凹入一体化微光学导光板的底面设置的，微光学棱镜反射结构单元结构的第一底角α取值范围为5°～60°，优选范围为35°～42°，较佳值为40°、39°、41°；第二底角β取值范围为60°～90°，优选范围为75°～85°，较佳值为80°、79°、81°。

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