CN103003724A

CN103003724A - 具有改进的光学性能的光学膜及包含该光学膜的背光单元

Info

Publication number: CN103003724A
Application number: CN2011800349286A
Authority: CN
Inventors: 金炳默; 朴光承; 朴柄洙; 金伦贤; 韩尚澈; 金镇贤
Original assignee: LG Chemical Co Ltd
Current assignee: LG Corp
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-07-14
Also published as: JP5563158B2; KR20120007944A; JP2013535766A; US20130121016A1; KR20130018216A; TW201215923A; TWI434070B; KR101269672B1; CN103003724B; KR20120008007A; US9134463B2

Abstract

本发明涉及一种具有改进光学性能的光学膜和包含该光学膜的背光单元。更具体而言，本发明涉及一种微透镜阵列（MLA）片，所述微透镜阵列片包括基底单元和形成在所述基底单元一侧上的透镜单元，其中，所述透镜单元由多个圆锥形透镜组成。现有的半球形微透镜阵列片在改进亮度方面存在局限性，因此不能在高亮度产品中代替棱镜片。然而，由本发明的圆锥形透镜构成的微透镜阵列片能够同时改进亮度和视角特性。

Description

具有改进的光学性能的光学膜及包含该光学膜的背光单元

技术领域

本发明涉及一种光学片和包含该光学片的背光单元，更具体而言，本发明涉及一种具有改进的光学性能的微透镜阵列片和包含具有所述微透镜阵列片的光学膜的背光单元。

背景技术

液晶显示器件是一种利用液晶透射率随向其施加的电压的变化而将由各种装置所产生的电信息转换成视觉信息的电子器件。

液晶显示器件体积小、重量轻并且耗能低，因而其广泛地取代阴极射线管并用于各种数据处理设备。

在这种液晶显示器件中，会向液晶材料施加电压以改变其特定的分子排列。根据分子排列的变化，进而改变液晶材料的光学特性，从而显示图像。液晶材料的光学特性包括双折射、旋光能力、双色性和光散射。

因为液晶显示装置本身并不发光，因此它们需要发光光源来产生可见的图像。为此，可以使用背光单元。

依据其中发光装置的位置，背光单元可分为边缘式背光单元及直射式背光单元。边缘式背光单元包含一个位于导光面板的一侧的发光装置，该导光面板可引导由所述灯所发出的光。边缘式背光单元用于小型液晶显示装置，例如台式及笔记型计算机的显示器，其可提供均匀的光和良好的耐久性。而且，边缘式背光单元可使包含边缘式背光单元的装置的重量得到减轻。另一方面，直射式背光单元则用于20英寸或更大的显示装置上。这种直射式背光单元包含排列于液晶面板下方的灯以直接照射液晶面板。

线性光源，例如冷阴极荧光灯（CCFL)，在早期广泛用作背光单元中的发光装置，但是近来，由于发光二极管（LED)体积小、重量轻、耗能低、色彩重现性优异并且环保，因而线性光源已经日益被发光二极管代替。

背光单元可包括组合的光学膜，以扩散或集中从光源发出的光并改进其照明的亮度和不均匀性。

亮度和视角是评价图像显示装置（例如液晶显示装置）的非常重要的因素，并很大程度由组成背光单元的光学片的性能决定。近来，半球形微透镜阵列片已被广泛地使用，然而，它们在改进亮度方面存在局限性，而且为了改进其视角还必须牺牲亮度性能。

现阶段，正在积极开展创造体积小且重量轻的背光单元的研发。特别是，需要微透镜阵列片以实现如高水平亮度和宽视角的光学性能。

发明内容

[技术问题]

本发明的一个方面是提供一种包含圆锥形透镜（conic lens）的微透镜阵列（MLA）片，以改进其亮度和视角。

本发明的另一个方面是提供一种包含所述微透镜阵列（MLA）片的背光单元以改进其光学性能。

[技术方案]

依据本发明的一个方面，提供了一种包括基底和置于所述基底表面上的透镜部件的微透镜阵列（MLA）片，其中，所述透镜部件包括由下面公式1确定的圆锥形透镜，

y = \frac{x^{2} / r}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) {(1 / r)}^{2} x^{2}}}

公式1

其中，k为在-3至-1范围内的锥形常数，r为所述圆锥形透镜镜顶处的曲率半径。

所述圆锥形透镜可在其中心垂直横截面上包括双曲线或抛物线。

所述圆锥形透镜的间距（pitch）为10μm-500μm。

所述圆锥形透镜的底部表面的直径为所述圆锥形透镜间距的90%-116%。

所述圆锥形透镜镜顶处的曲率半径为所述圆锥形透镜间距的0.2%-26%。

所述圆锥形透镜可均匀地排列。

根据本发明的一个方面，提供了一种包括基底和置于所述基底表面上的透镜部件的微透镜阵列（MLA）片，其中，所述透镜部件包括圆锥形透镜，该圆锥形透镜在其中心垂直横截面上包括双曲线或抛物线。

所述圆锥形透镜可均匀地排列。

根据本发明的一个方面，提供了一种背光单元，其包含：光源；和权利要求1至8中任一项所述的微透镜阵列片。

所述微透镜阵列片可以成对设置，并且所述背光单元可包含两个微透镜阵列片。

所述背光单元可包含直射式背光单元和边缘式背光单元中的一种。

[有益效果]

因现有技术中的半球形微透镜阵列片在增加其亮度方面存在局限性，因此半球形微透镜阵列片不能取代棱镜片而用于高亮度产品。然而，根据本发明一个实施方式的包含圆锥形透镜的微透镜阵列片具有优异的亮度和视角性能。

附图说明

图1为说明根据本发明一个实施方式的组成微透镜阵列片的（a）圆锥形透镜、（b）半球形透镜和（c）尖锥形透镜（cone-shaped lens）的示意图；

图2为说明根据本发明一个实施方式的微透镜阵列片的（a）平面图和（b）截面图；

图3为说明根据本发明一个实施方式的包含具有圆锥形透镜的微透镜阵列片（4，4’）的背光单元的视图；以及

图4为说明根据本发明一个实施方式的一个、两个和三个微透镜阵列片的亮度性能。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。

根据本发明的一个实施方式，光学片包括排列在发光表面上的微透镜阵列（MLA）中的圆锥形透镜单元。也就是说，微透镜阵列（MLA）片包括基底和置于所述基底表面上的透镜部件。所述透镜部件包含多个圆锥形透镜，每个圆锥形透镜包含双曲线或抛物线作为其中心垂直横截面。

根据本发明的实施方式，所述圆锥形透镜可为任一对称的透镜，条件是，所述对称的透镜具有圆的底部表面和在其中心垂直横截面中具有双曲线或抛物线的另一平面。然而，所述圆锥形透镜不同于以下透镜：透镜中心垂直横截面为三角形的尖锥形透镜、透镜中心垂直横截面为半圆形的半球形透镜，以及透镜中心垂直横截面为椭圆形的椭圆形透镜。

所述圆锥形透镜的形状可通过以下公式确定，其中，r表示圆锥形透镜镜顶处的曲率半径，k表示锥形常数。构成透镜的弯曲表面的形状可由以锥形常数k和透镜镜顶处的曲率半径r作为变量的函数来表示。锥形常数k为确定透镜形状的因素。如果k=0，则透镜具有圆形的形状。如果k=-1，则透镜具有抛物线的形状。如果-1<k<0，则透镜具有椭圆的形状。如果k<-1，则透镜具有双曲线的形状。

y = \frac{x^{2} / r}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) {(1 / r)}^{2} x^{2}}}

公式1

根据本发明的实施方式，圆锥形透镜的锥形常数k可在-3至-1，优选-2.7至-1.7，且更优选-2.65至-1.75的范围内。图1（a）为说明根据本发明一个实施方式的圆锥形透镜的示意图。图1（b）和图1（c）为分别说明半球形透镜和尖锥形透镜的示意图，其均不同于本发明的圆锥形透镜。当锥形常数k小于-3时，透镜的亮度性能会恶化。而当锥形常数k大于-1时，光学屏蔽性能和亮度性能会一起劣化。

根据本发明实施方式的圆锥形透镜可以预定的间距P排列在微透镜阵列片的表面上。所述间距P可优选在10μm到500μm，且更优选在30μm到70μm的范围内。当透镜的间距小于10μm的时候，透镜彼此重迭从而会降低聚光效率，制造模具会变得困难，并且还会容易刮伤透镜。当透镜的间距大于500μm的时候，在透镜间会产生缝隙从而引起亮度的降低，并且模具的制造成本会增加。确定根据本发明实施方式的上述范围的间距P以应对制备透镜过程中的各种情况以及透镜制成后的外观缺陷，如莫尔条纹（moire）等。

另外，圆锥形透镜的形状可由透镜底部表面的直径D和其高度H来确定。直径D可优选为间距P的90%至116%，优选为间距P的92%至116%，且最优选为间距P的98%至116%。当直径D小于间距P的90%或是大于间距P的116%时，膜制造的可加工性或产率会降低，并且透镜的亮度会劣化。因此，当透镜设置为具有上述范围的直径D时，能够获得所需的聚光效率。

圆锥形透镜可具有在上述直径D范围内的各种直径，但是圆锥形透镜也可具有相同的直径以使得透镜易于生产并获得均匀的发光。

圆锥形透镜可具有在上述高度H范围内的各种高度，但是圆锥形透镜也可具有相同的高度以使得透镜易于生产并获得均匀的发光。

也就是说，圆锥形透镜可具有各种在上述间距P范围内的间距以及在上述范围内的直径D，但是圆锥形透镜也可以均具有相同的间距。图2（a）为说明根据本发明一个实施方式的微透镜阵列片的平面图，而图2（b）为说明图2（a）的微透镜阵列片的截面图，其中透镜均匀排列。然而，根据本发明的圆锥形透镜的排列并不限于图2（a）和图2（b）。例如，根据本发明的圆锥形透镜可以无间隙地进行排列。在这种情况，圆锥形透镜的数量的密度会增大，并能够确保使用透镜倾斜表面的聚光效率。

圆锥形透镜镜顶处的曲率半径r可优选为间距P的0.2%至26%，更优选为间距P的0.2%至24%，且最优选为间距P的0.2至22%。当曲率半径r小于间距P的0.2%时，在制备透镜过程中会在透镜镜顶处产生缺陷，透镜容易被刮伤，在透镜中可形成气泡，并且生产时间会延长。当曲率半径r大于间距P的26%时，聚光效率、光屏蔽性能以及亮度性能会下降。

制备根据本发明实施方式的微透镜阵列片的方法可为本领域中公知的任一方法。例如，根据本发明实施方式的圆锥形透镜可通过以下方法来制备：将透镜形状的凹刻模具置于基底上，将热固性树脂注入模具中并固化所述热固性树脂。另外，也可以使用不对称珠粒排列法（asymmetric bead arrangementmethod）、激光掩膜蚀刻法、直接模制法或光刻法来制备微透镜阵列片。

用于制备根据本发明实施方式的微透镜阵列片的热固性树脂可以为聚氨酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、丙烯酸酯、生成自由基的单体中的一种或其组合。具有不同凹刻花纹的模具可用于制备具有不同形状、高度和间距的透镜。除了上述方法，可以使用其他公知的方法来制备本发明的微透镜阵列片。

根据本发明的实施方式，可提供多个微透镜阵列片，并且背光单元可包括至少一个微透镜阵列片。

具有微透镜阵列片的背光单元包括直射式背光单元与边缘式背光单元。

也就是说，根据本发明的实施方式，背光单元包括光源和至少一个在光源之上的微透镜阵列片。优选地，可在光源上设置两个或更多个微透镜阵列片。更优选地，在光源上设置两个微透镜阵列片。

图3为说明根据本发明实施方式的直射式背光单元的示意图。参照图3，直射式背光单元可包括：将其他浪费的光线反射回发光表面的反射板1；以固定间隔彼此隔开设置的线光源2；将线光源转换成面光源并支撑光学膜的扩散板或扩散片3；以及包含圆锥形透镜并设置在扩散板或扩散片上的一个或多个微透镜阵列片4和4'。

所述背光单元可进一步包括在微透镜阵列片上侧或下侧的扩散膜，或者包括在微透镜阵列片上侧或下侧的聚光膜和扩散膜，如棱镜膜和双凸透镜膜。

所述背光单元可具有宽视角和高亮度性能。

在下文中，将更详细地描述本发明的示例性实施方式，但本发明不限于此。

实施方式

1.微透镜阵列片的制备

实施例1：包含圆锥形透镜的微透镜阵列片

使用激光掩膜法制备微透镜阵列片。直径D为55μm，圆锥形透镜镜顶处的曲率半径r为5.5μm。锥形常数k为-2.15，间距P为50μm。

比较例1：包含尖锥形透镜的微透镜阵列片

除了在上面排列具有90°直角的尖锥形透镜并且直径D为50μm以及间距P为50μm之外，以与实施例1相同的方式制备微透镜阵列片。

比较例2：包含半球形透镜的微透镜阵列片

除了以下不同之外，以与实施例1相同的方式制备微透镜阵列片：排列锥形常数为0的半球形透镜，而且直径D为50μm，间距P为50μm，并且半球形透镜镜顶处的曲率半径r为25μm。

实施例2至9以及比较例3至20

通过按照下表所示改变间距P、直径D、曲率半径r以及锥形常数k，以与实施例1相同的方式制备微透镜阵列片。

2.根据透镜形状比较亮度性能

成对设置如上所述制备的各微透镜阵列片以进行光学模拟试验。在此，使用22英寸边缘式背光单元发光二极管作为输入值，而在两个相同的微透镜阵列片上设置接收器来根据亮度比较视角数据。模拟试验结果在表1中示出。

在表1中，入射到光学膜上的光的亮度设为100%，由微透镜阵列片发出的光的最大亮度与入射到光学膜上的光的亮度之间的比率用%来表示。

[表1]

	曲率半径(r)	锥形常数(k)	直径(D)	间距(P)	亮度
						单位	μm	μm	μm	μm	%
实施例1	5.5	-2.15	55	50	100
						比较例1	0.01	-2	50	50	85
比较例2	25	0	50	50	84
						比较例3	12	-2.15	55	50	85
比较例4	5.5	-4	55	50	83
						比较例5	5.5	-2.15	30	50	72
比较例6	5.5	-2.15	80	50	85
						比较例7	5.5	-2.15	55	25	69
比较例8	5.5	-2.15	55	75	80
						比较例9	5.5	-0.9	55	30	72
实施例2	1.3	-2.1	10	10	93
						实施例3	5.2	-2	41	40	92
实施例4	9	-2	72	70	94
						实施例5	63	-2	515	500	94
实施例6	5.5	-1	55	50	90
						实施例7	5.5	-3	55	50	93
实施例8	5.5	-1.5	55	50	92

	曲率半径(r)	锥形常数(k)	直径(D)	间距(P)	亮度
						单位	μm	μm	μm	μm	%
实施例9	5.5	-2.5	55	50	95
						比较例10	5.5	-2.15	30	50	76
比较例11	50	-2.15	55	50	67
						比较例12	5.5	-5	55	50	66
比较例13	1.3	-2.1	30	10	66
						比较例14	10	-2.1	10	10	50
比较例15	1.3	-1.1	10	10	62
						比较例16	63	-2	220	500	66
比较例17	200	-2	515	500	59
						比较例18	63	-4	515	500	63

如表1中所示，与比较例1和2中的包含半球形透镜和尖锥形透镜的微透镜阵列片相比，根据本发明实施方式的包含圆锥形透镜的微透镜阵列片在亮度性能和视角方面得到改进。

此外，如表1所示，与间距P和锥形常数k设置在上述范围之外的透镜相比，根据本发明实施方式的将间距P和锥形常数k设置在上述范围之内的透镜在亮度性能方面得到改进。

特别是，与比较例9中包含椭圆形透镜（k=0.9）的微透镜阵列片相比，在实施例中的微透镜阵列片在亮度性能方面得到显著改进。

3.根据本发明的片配置比较亮度性能

为了根据本发明的微透镜阵列片的配置比较亮度性能，比较一个微透镜阵列片、两个微透镜阵列片以及三个微透镜阵列片的亮度性能。

为此，进行光学模拟试验。在此，使用22英寸边缘式背光单元发光二极管作为输入值，而在两个微透镜阵列片上设置接收器来根据亮度比较视角数据。模拟试验结果在图4中示出。

由图4可见，两个微透镜阵列片的亮度性能比一个或三个微透镜阵列片的亮度性能好。

因此，当微透镜阵列片的透镜形状满足根据本发明实施方式的间距P、直径D、曲率半径r以及锥形常数k的范围时，特别是当使用两个微透镜阵列片时，能够显著提高其亮度性能。

附图标记

P：圆锥形透镜的间距

D：圆锥形透镜底部表面的直径

H：圆锥形透镜的高度

1：反射板

2：光源

3：扩散板

4，4’：本发明的微透镜阵列片

Claims

1.一种微透镜阵列（MLA）片，其包括基底和置于所述基底表面上的透镜部件，

其中，所述透镜部件包括由下面公式1确定的圆锥形透镜，

y = \frac{x^{2} / r}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) {(1 / r)}^{2} x^{2}}}

公式1

其中，k为锥形常数，r为所述圆锥形透镜镜顶处的曲率半径。

2.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，k为在-3至-1范围内的锥形常数。

3.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，k为在-2.7至-1.7范围内的锥形常数。

4.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，k为在-2.65至-1.75范围内的锥形常数。

5.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，所述圆锥形透镜在其中心垂直横截面上包括双曲线或抛物线。

6.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，所述圆锥形透镜的间距在10μm-500μm范围内。

7.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，所述圆锥形透镜的底部表面的直径为所述圆锥形透镜间距的90%-116%。

8.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，所述圆锥形透镜的底部表面的直径为所述圆锥形透镜间距的92%-116%。

9.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，所述圆锥形透镜的底部表面的直径为所述圆锥形透镜间距的98%-116%。

10.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，所述圆锥形透镜镜顶处的曲率半径为所述圆锥形透镜间距的0.2%-26%。

11.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，所述圆锥形透镜镜顶处的曲率半径为所述圆锥形透镜间距的0.2%-24%。

12.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，所述圆锥形透镜镜顶处的曲率半径为所述圆锥形透镜间距的0.2%-22%。

13.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，所述圆锥形透镜均匀排列。

14.一种微透镜阵列（MLA）片，包括基底和置于所述基底表面上的透镜部件，其中，所述透镜部件包括圆锥形透镜，所述圆锥形透镜在其中心垂直横截面上包括双曲线或抛物线。

15.权利要求14所述的微透镜阵列片，其中，所述圆锥形透镜均匀排列。

16.一种背光单元，包括：

光源；以及

权利要求1-15中任一项所述的微透镜阵列片。

17.权利要求16所述的背光单元，其中，所述微透镜阵列片成对设置，并且所述背光单元包括两个微透镜阵列片。

18.权利要求16所述的背光单元，其中，所述背光单元包括直射式背光单元和边缘式背光单元中的一种。