CN102734695A

CN102734695A - 具有整体光学间隔体的散射夹

Info

Publication number: CN102734695A
Application number: CN2011101297488A
Authority: CN
Inventors: 洪琪; R·P·布尔德莱斯
Original assignee: SKC Haas Display Films Co Ltd
Current assignee: SKC Hi Tech and Marketing Co Ltd
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-10-17

Abstract

具有整体光学间隔体的散射夹。本发明提供了一种用于LCD显示器的整体背光照明组件，包括：用于提供点光源的多个固体光源；多个具有光转向区域的光导膜，光转向区域位于多个固态光源之间用来将点光源转向并扩散为均匀的光平面；至少一个包含一整体光学间隔体、一光散射部及一整体锚定结构的聚合物散射夹。

Description

具有整体光学间隔体的散射夹

技术领域

本发明涉及显示照明，特别涉及光学散射夹(optical diffusion clip)，其用于将点光源发出的未耦合光能量散射至薄聚合物光导膜，同时提高点光源发射区域与光导膜之间的配准(registration)从而提高光导膜的光导入效率，以及降低由点光源和光导膜之间的错位引起的光导入泄露而导致的热点(hot point)。

背景技术

透射型液晶显示(LCD)面板提供了一种相比其他类型显示器的紧凑的、轻型的替代品，但是需要某些类型的背光照明以提供光调制。传统的用于LCD及类似的显示器的背光照明由相对于观察者来说位于显示器后面的光提供表面提供，该表面将一个或多个光源发出的光重新定向通过LCD面板。一种典型的光提供表面为光导板(LGP)。该LGP其实为一波导，通过全内反射(TIR)以重新定向接收自位于其侧边的一个或多个光源的入射光。某些类型的表面结构(featuring)设置在LGP上以提取(extract)内部反射光并将该光重新定向至显示面板。名称为“光导板及使用该光导板的面光源”、发明人为Goto等人的U.S专利NO5,999,685提供了一使用LGP的照明装置的实施例。

在如Goto等人披露的信息中建议的技术方案的缺点为传统的导光板的相对厚度和整体体积。传统的LGP经常超过LCD面板本身的厚度。随着大的显示器如LCD电视的出现，以及更紧凑的固态光源如发光二极管(LED)的发展，需要一种提供更薄的外形，重量更小，比现有设计更柔软的LGP技术方案。随着显示器尺寸继续变大以及更加柔软的基板的使用增加，对厚度接近1mm的更加柔软的LGP的需求增加。

对于更好的适用于较小的且更柔软的显示器的LGP装置，提出了许多解决方案。然而，目前为止所提出的技术方案存在固有缺陷而限制其使用或者制造上有困难。例如，提出了多种在LGP表面上形成的光提取结构(light-extractingfeature)。然而，许多所提出的光提取结构的几何轮廓需要如注塑成型或热压成型的制造方法。这些制造方法对于较厚的材料可以正常工作，但是证明随着LGP厚度降低而增加难度且不能实现。例如，许多已提出的技术方案要求表面光提取结构具有90度垂直的壁。对于已知的具有需要尺寸的塑料材料，很难使用任何方法制造该尺度的锐角。其他技术方案还要求该结构具有相对高的高宽比，由于相似的原因该结构难以制造。虽然该结构在理论上能较好工作且具有制造的可能，它们所显现出的制造中的问题使得所提出设计以大量生产仍不切实际。几乎没有关注，具有锐角侧边的光提取结构的LGP如何在经济上大量生产。

此外，使用LED作为光源的LCD电视通常使用具有顶部发光LED的薄LGP，该LED围绕LGP的四周设置。围绕LGP的四周设置该顶部发光(topemitting)LED通常位于刃角(bezel)下面。该刃角用于覆盖和吸收不期望的未耦合至LGP/LED界面的LED发射光。因此该未耦合的LED产生的光未用于照明LCD而浪费。

当LED作为LC面板的光源时允许LED随着相关的图像内容整体调光(dim)以降低LCD电视的整体功耗，这些边发光LED电视由于LED的周边设置，通常不能局部动态的调光。与随着相关的图像内容整体调光的LCD电视的小的LED组相比，LED的局部调光被证实能进一步降低LED照明LCD电视的整体功耗。此外，与整体调光相比，局部调光被证实能显著提高所显示图像的对比度。

因此，人们认识到需要允许使用柔性材料的光导表面的技术方案，能够制造一个相对薄的尺寸轮廓，设计成用于大容量生产且能局部调光。

发明内容

本发明提供一种用于LCD显示器的整体(intergated)背光照明组件，所述组件包括：多个用于提供点光源的固态光源；多个具有光转向(redirect)区域的光导膜，所述光转向区域位于多个固态光源之间用来将点光源转向并扩散为均匀的光平面，以及至少一个具有整体光学间隔体(optical spacer)、光扩散截面(diffusion section)以及整体锚定结构(anchoring feature)的聚合物散射夹。

附图说明

图1表示使用本发明的光导膜和散射夹的显示装置。

图2表示一个实施例中的光导膜的透视图。

图3A，3B，3C和3D表示入射光在光导膜表面结构上的光特性。

图4为示出具有整体光学间隔体、光扩散截面以及整体锚定结构的聚合物散射夹的背光组件的剖面图。

图5为一具有倾斜表面轮廓的聚合物散射夹剖面图。

图6为一具有倾斜表面轮廓的聚合物散射夹剖面图。

图7为一具有圆形轮廓的聚合物散射夹剖面图。

图8为一具有包含相对的曲线轮廓的聚合物散射夹剖面图。

图9为一具有V型槽光重定向结构的聚合物散射夹剖面图。

图10为一具有曲线轮廓与V型槽光重定向结构的聚合物散射夹剖面图。

图11为一个示出具有整体光学间隔体、整体锚定结构、点光源及光重定向结构的聚合物散射夹的背光组件的剖面图。

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使用至少两个本发明的光导制品，光导膜(LGF)20。位于LGF 20之间的至少一个光源12通过LGF 20的入射边缘22发出(direct)光线。为帮助光沿着显示装置均匀输出，至少两个光源12b和12c位于刃角上。LGF 20将这种照明光向外部转向，经一个或多个顶部扩散膜14，并转向用于调制光线的空间光调制器(在这里是LCD面板16)。

参见图1，优选为，散射夹30与出光面24之间的亮度差为+/-10％，更优选为+/-5％。降低连接片(joining clip)与邻接的光导膜之间的亮度差可以导致背光组件单元输出所期望的均匀光。亮度差大于15％能够被肉眼观测并导致较差的图像质量。通过平衡出光面24的输出光与散射夹30的输出光实现降低亮度差。通过位于入射边22之上或附近的光引导结构的尺寸、形状以及间距来控制出光面24的亮度。通过散射夹材料的散射特性、散射夹的轮廓、散射夹的厚度以及光源12进入入射边22的非耦合光的量来控制散射夹30的亮度。

光源12能够使用许多任何类型的光发射元件。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)。本发明LGF20能够使用这些厚型光源，但是更利于使用薄型光源如LED线性阵列、OLED线性阵列或其它线性固体光源。散射夹30散射来自光源12的非耦合光能量进入光导膜20从而散射夹30的光输出优选为光导膜20光输出的+/-6％之内。

图2的透视图示出了照明装置18中的LGF20及其出射光的出光面24。如图2所示，光源12发出光进入基本垂直于出光面24的入射边22。不连续的光提取结构26形成在出光面24或者形成在底面28上，以便出光面24与底面28之一或全部为图案化表面。如随后附图更详细所示，光提取结构26可沿着LGF20的长度方向L在尺寸上延伸并且在垂直于长度方向L的宽度方向W上变窄。光源12通常沿长度方向L设置。光提取结构26可以在表面24或28上等间隔空间分布。然而，如图2所示及随后所述，光提取结构26的空间分布或尺寸或间隔距离优选在宽度方向W上随与入射边22的距离而变化。

图3A，3B，3C和3D表示沿剖面观察光提取结构26在图案化的表面(出光面24或底面28)上的不同设置。这些图中的虚线表示不同的典型的表明光提取结构26的特性的光路。光在LGF 20内通过全内反射(TIR)进行引导，全内反射是光导技术领域的技术人员所熟知的原理。光提取结构26的一般功能(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引出。图3A和3B示出了对于形成在输出表面24上的光提取结构26的两种类型的光特性，两种类型分别从表面突出或从表面凹进。在任一情况，当内部反射的光撞击在光提取结构26表面上时，内部反射的光由出光面24向外部射出。

图3C和3D表示另一个实施例，其中光提取结构26形成在底面28上。反射面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提取结构26所提取的光重定向。反射面66将光重定向回LGF 20并通过出光面24出光。

图4表示和点光源12相关的光导膜20的透视图。光源12沿光导膜20的入射边设置。光导膜之下是反射器28，反射器28将入射在反射器28之上的光反射至膜14。光导膜20顺序或在以图案的形式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电视中的应用，光导膜20的长度L优选大于宽度W。更优选地，长度L大于光导膜的宽度W的10倍。

散射夹30邻接光源12设置。该散射夹30散射未光学耦合至光导膜22的光能量。散射夹30优选包括整体光学间隔体32以控制光导膜20和散射器14之间的距离。光学间隔体32允许其它光学元件如散射器、增亮膜、反射偏振片及空间散射器(volume diffuser)被精确定位在该导光膜之上。光学隔离体(stand-off)可以具有基本平坦的部分以避免刮伤接触该光学隔离体的光学元件。

如图4所示，该整体光学间隔体归于一点或小平面从而不光学干扰散射器14。该光学间隔体的底座比尖端部宽，从而光学间隔体所受到的散射器14的重量负载沿着散射夹30分散。导光膜与散射器14之间的距离是决定背光组件均匀性的重要因素。通过增加距离，散射量增加了，但是组件的厚度和总亮度均被降低。该散射夹30优选包含整体锚定结构36以锚定或贴合该散射夹30至固定表面如背板。该锚定结构36延伸至散射器66。

图4中的光源12优选设置以使背光照明组件能够在配准显示装置的图像内容时局部调光。点光源的局部调光已被证实既降低LCD的功耗又显著提高LCD的对比度。通过光源12的分组调光，光导膜20的小的清晰的区域能够通过改变施加到光源12的电流而动态地调光。调光区域的尺寸取决于调光的点光源的数量以及光导膜20的宽度W。光源12被设置为入射光至单一光导膜20或被设置为入射光至两个相邻的光导膜。光源优选为并排设置以配置为均匀的光入射至光导膜20。

还参见图4，光源12分布并设置在光导膜20之间。与具有集中的热产生点的边发光背光单元相比，光导膜20之间的光源12的分布导致背光组件具有沿着背光照明组件的较低的温度梯度。如在现有技术中边发光背光组件中发现，由于来自温度梯度的热膨胀的差异，高的温度梯度会导致不期望的光学元件的波动或起皱。此外，在边发光背光组件中存在的较高的温度梯度常常需要昂贵且重的金属框架以用于阻止热波动或弯曲。

在光导膜20与入射边相对侧的散射夹30之间的足够小的间隙已被证实可降低不期望的波动和弯曲。光导膜的波动和弯曲降低了自光导膜发出的光的均匀性。实践证明，在光导膜20与散射夹30之间足够小的间隙为光导膜的热膨胀创造了空间。该导光膜间隙与通常用于公路和桥梁的热膨胀间隙在概念上相似。热膨胀间隙的尺寸与背光组件的工作环境以及光导膜的热膨胀率相关。

光源12沿L方向的间距是所期望的光导膜20的光输出特性的函数。光提取结构26的密度、间距及尺寸也是所期望的光导膜20的光输出特性的函数。光提取结构的尺寸，位置和间距也与光源12的光学输出特性相关。光源12的重要光学特性包括色度、光分布以及光照度。通常，光提取结构26在入光面22上的密度低于入光面的相对侧以允许光能量的均匀提取。

基板28优选为可反射可见光能量。由于进入光导膜20的光能量的一部分射向基板20，反射面允许射向基板20的光射向顶部散射器14，从而增加背光组件单元的效率。

有利地，光导膜20在L及W平面具有相对小的不包含任何光提取结构的区域。这些相对小的区域约占L及W平面上的光导膜总面积的1至10％，具有用于光源12混合区域的功能。对于多模光源如RGB或RGBW或RGGB，这些混合区域非常重要。该混合区域已被证实是，对混合多模光源以得到比现有技术中包含蓝色芯片及黄磷光体的LED色域高的白光的有效方法。

散射夹优选包含有助于散射发自光源12的未耦合的光和泄露出的光的材料。优选的材料选自前散射型芯壳粒子，玻璃珠，不可混溶聚合物，无机散射材料例如TiO₂及BaSO₄，硅酮(silicone)树脂材料以及橡胶混合物(compound)。更优选的，该连接夹30包含含有前散射型芯壳粒子的PMMA或PC聚合物。芯壳粒子已被证实能提供优异的光散射特性，同时大部分光能量射向散射部34。另外，散射夹30优选包含有机或无机染料，色素或着色剂来调制由夹发出的散射光的颜色，从而散射夹30的出射光的颜色具有大致相同于由光导膜20的表面出射光的颜色及光能量。散射夹30与光导膜20的输出光之间的显著色差可能会导致被人眼观测到的不期望的可视图案。色差可以通过CIE色度坐标测量。色差也可通过后面的光学元件如散射器及棱镜膜进行调制。

图5为一优选的散射夹30的剖面图。该散射夹30具有圆锥形的整体光学间隔体32，光散射部34及整体锚定结构36。散射夹30具有整体光学间隔体32，整体散射部及整体锚定结构36，也就是说散射夹30、光学间隔体32及锚定结构为同一的单一个体，它们之间不存在接缝或断开。参照图5，散射部34优选具有在平坦部终结的倾斜的相对边。根据光源进入光导膜的光耦合效率，散射部可以不具有充分散射非耦合光能量的功能。优选的，散射夹30具有与散射片一体形成的散射部及光重定向结构。光重定向结构是散射片上的几何结构，来改变大多数的入射光能量的方向。光重定向的量级和方向主要与入射光能量的分布、夹材料的折射率以及散射夹的几何形状相关。通过光散射功能和光重定向功能的结合，发自点光源的非耦合光能量可被有效的控制以制造均匀的背光组件。例如，实践证明，图5中散射部34上的斜边可有效的散射和重定向入射的透射光能量，以及“平滑”散射夹30的光输出至光导膜的光输出。“平滑”或相对小的光输出Δ(强度及方向)在完整的背光组件单元中不易被人眼观察到。

图6为一优选的散射夹30的剖面图。该散射夹30具有圆锥形的整体光学间隔体32，光散射部34及整体锚定结构36。在本发明的另一实施例中，散射部34具有在光学间隔件终结的两个相对的斜面。散射部34的斜面重定向来自光源的光能量以允许散射部34散射和重定向入射光能量。

图7为另一优选的散射夹的剖面图。该散射夹30具有圆锥形的整体光学间隔体32，光散射部34及整体锚定结构36。散射夹30具有两个曲面及两个圆角。该曲面和圆角允许散射部散射及重定向入射光能量。此外，散射部的圆角“软化”圆角处的光传播以降低散射夹30和光导膜之间的亮度变化。

图8为另一优选的散射夹30的剖面图。该散射夹30具有圆锥形的整体光学间隔体32，光散射部34及整体锚定结构36。散射部具有在接近光学间隔件32的平坦部分终结的两个曲面。曲面重定向入射光能量以允许散射部34散射和重定向入射光能量。

图9为另一优选的散射夹30的剖面图。该散射夹30具有圆锥形的整体光学间隔体32，光散射部34及整体锚定结构36。散射部34在其一侧具有V型槽透镜以有效的重定向入射光能量。V型槽优选具有1-8mm之间的高度及80-100度之间的夹角。另一优选透镜形状包括未被限制单个元件，半球，以及复合散射透镜，如美国专利U.S.6,721,102(Bourdelais等)中所述。透镜通过改变入射光线的方向而分布或散射光。此外优选的透镜几何结构的实施例包括但不限于棱镜，菲涅尔形，平凹，平凸，凹凸，两面凹。尺寸、间距及材料组成可变以提供所期望的光散射水平。

图10为另一优选的散射夹的剖面图。该散射夹30具有圆锥形的整体光学间隔体32，光散射部34及整体锚定结构36。散射部34在其一侧具有V型槽透镜以有效的重定向入射光能量。图10中的V型槽从散射部的一侧至光学间隔体部在高度上呈阶梯式。

图11为背光组件的一部分的剖视图。散射夹30邻接光源12设置。具有整体光学间隔体32，光散射部34及锚定结构36的散射夹30优选包含附加的位于光学间隔体32之间的光重定向结构38。在本发明的优选实施例中，光重定向结构38邻接光源12设置。

所用材料

LGP 20可由任何各种透明材料形成，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)。

形成在光导膜构图表面上的结构有助于提供LCD及其他类型的背光显示器，特别是较小的显示器或便携装置的照明。本发明的实施方式提供了一种在1mm或更小厚度下生产的光导膜。即本发明的LGF，特别利于与LED、OLED或激光阵列及其它线性固体光源阵列一同使用。

散射夹可由任何各种聚合物材料形成，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。

有利地，本发明的散射夹包含前散射附加物(addenda)。前散射是通过由微粒物质引起的衍射、非均匀折射或非镜面反射引起的偏转，微粒物质的尺寸相对于讨论中的波长大而相对于束直径(入射电磁波的一部分)小，在这样的方式中如此偏转(deflect)的能量在入射波的传播角度的90°的方向内传播。该散射过程可为偏振灵敏的，也就是说各个方面除了偏振方向入射的入射波可以被不同地散射。优选的前散射附加物的实施例为具有至少0.02的折射率梯度的芯壳粒子。前散射是散射的优选方式，因为与反射散射相比，其可以降低吸收损耗且可导致更加均匀的背光组件。

有利地，该散射夹可使用注塑成型制造。注塑成型已被证实可精确制造光学间隔体及锚定结构。此外注塑成型允许光学间隔体及锚定结构与散射部成一整体。在注塑成型过程中，塑料颗粒或小球被加热至熔化(通常350至550华氏度，取决于塑料类型)。然后该熔化的塑料在高压下(通常为10000psi)施压至刚性模具(通常为金属，如铝或钢铁)中，在此塑料冷却并重新固化以制造所期望的形状和大小的部分的一部分。注塑成型的散射夹可使用插入成型以添加聚合物或强化材料至散射夹的光学间隔件/锚定结构区域。插入成型技术可用于混合强化材料至光学间隔件及锚定结构。实施例包含金属销、玻璃纤维结构及高强度聚合物棒如聚砜棒。

Claims

1.一种用于LCD显示器的整体背光照明组件，所述组件包括：

用于提供点光源的多个固体光源；

多个具有光转向区域的光导膜，所述光转向区域位于多个固态光源之间用来将点光源转向并扩散为均匀的光平面，；以及

至少一个包含整体光学间隔体、光散射部及整体锚定结构的聚合物散射夹。

2.如权利要求1所述的背光照明组件，其中：该散射夹包含选自聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚砜及尼龙的材料。

3.如权利要求1所述的背光照明组件，其中该散射夹与该固体光源垂直对准。

4.如权利要求1所述的背光照明组件，其中该散射夹具有重定向点光源发射的可见光能量的几何轮廓形状。

5.如权利要求1所述的背光照明组件，其中该散射条具有x与y之间的散射效率。

6.如权利要求1所述的背光照明组件，其中该多个固体光源并排构型设置。

7.如权利要求1所述的背光照明组件，其中该光学间隔体的高度为1至1mm。

8.如权利要求1所述的背光照明组件，其中光学间隔体之间的距离为1至100cm。

9.如权利要求1所述的背光照明组件，其中该聚合物散射夹进一步包括聚合物芯壳颗粒。

10.如权利要求1所述的背光照明组件，其中该聚合物散射夹进一步包括蓝色染料或颜料。