CN103090315A - 具有多面光输入边缘的导光膜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种导光膜，用于均匀地分布来自点光源的光，其包括用于接收来自点光源的光的多面边缘，该多面边缘包括其间具有平坦表面的至少第一组和第二组斜面。每一组斜面分别进一步包括第一和第二斜率，其中第一斜率不超过85度而第二斜率至少为5度，第一斜率比第二斜率至少大5度。

Description

具有多面光输入边缘的导光膜
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)背光单元的导光膜，更特别地，涉及LED背光单元的导光膜，其具有在导光膜的入射面上切入的多个多面特征件，通过增大光传输通过导光膜的入射角度，从而均匀地分布来自点光源的光。
背景技术
典型的TFT-LCD中的平面背光源，如附图1所示，主要包括导光板11，反射板12，多个扩散膜13和棱镜片14，和光源15。作为该平面光源1的最重要部件之一，导光板11接收、传播和重定向光源15所发出的光。
如附图2所示，导光板11通常为矩形，具有光发射表面111、与光发射表面111相反的反射表面112和位于侧面的至少一个光入射表面113。从点光源15发出来的光通过光入射表面113进入导光板11，其中一部分通过光发射表面111离开导光板11，其他部分则照射到反射表面112上。反射表面112，因此，在其表面配置有多个光反射结构1121，并且由于距离光源15很远，反射结构1121具有相当高的分布密度或更大的表面积，从而尽可能的将光反射到光发射表面111。
通常，冷阴极荧光灯(CCFL)或发光二极管(LED)用作平面背光1的光源11。CCFL的使用更简单，因为它是线光源。另一方面，LED的使用更复杂，因为它是点光源。
如附图3A所示，当光通过不具有边缘锯齿特征件的光输入表面22进入导光膜23中时，光传播角度限制在一个锥形区域，其半锥形角度等于sin-1(1/n)，其中n为折射率。如果点光源21集拢得并不足够近的话，会在导光膜的输入边缘附近、LED 21的前面产生亮区以及在LED之间产生暗区。这种现象也被称为热点。尽管增加更多的LED 21可以消除暗区215，但这并不是令人满意的方法，因为额外的LED 21增加了材料成本、能耗、组装复杂性和未来发生故障的可能。
附图3B示出了一射线轨迹模型，其中从点光源21发出的光线入射到不具有边缘锯齿特征件的导光膜23的光入射表面22上。这里点光源21到导光膜23的输入边缘22的距离为20um。光线的扩散角度为160度。导光膜23的折射率为1.59。射线轨迹清楚地表明来自点光源21的光线进入导光膜23后限制于一个锥形角度内。
附图3C示出了从在光输入边缘不具有边缘锯齿特征件的导光膜得到的模型的照度输出曲线。这里点光源为具有朗伯输出并间隔节距为6.3mm的LED。如输出曲线所示，每个曲线是从距离输入边缘0.5mm处开始每间隔1mm(Y方位)所得，亮区和暗区在距离光输入边缘5.5mm处仍然可见。
附图4A示出了具有由一单斜率棱镜构成的锯齿特征件29的导光膜23的输入边缘。当光线14a照射到光输入边缘的平坦表面16或者锯齿特征件29的圆化凹处17上时，折射光线在与光输入边缘的平坦表面16垂直的锥形角度15a内传播。一部分光线具有大入射角度14b，照射到锯齿特征件29的斜面18上，之后折射光线在与斜面18垂直的大锥形角度15b内向前传播。一部分具有更大入射角度14c的光线也照射到斜面18上，折射光线在一个更大的锥形角度15c内传播。当这些更大角度的光线照射到临近的斜面18上时，会被再次折射。由于全内反射，这些大角度光线被斜面18偏转到锥形15d内。这种二次偏转改变了光线的传播方向并严重降低了边缘锯齿特征件的效率。为了克服热点问题，折射光线应当在一个大的角度均匀扩散以便当从两个相邻的LED发出的光交叉时，没有显著的亮区或暗区。
在边缘锯齿特征件为单斜率棱镜的情况下，为了将光扩散到一个更大的角度，斜面18应具有大的倾斜角度。但是，当倾斜角度太大时，光线会再次发生偏转，如附图4A中所示的偏转线15d。对于利用单斜率棱镜的锯齿特征件，为了避免二次光线偏转，平坦表面16需要足够宽。但是，更宽的平坦表面会降低边缘锯齿特征件的效率，因为平坦表面不会将入射光线扩散到足够大的角度，如附图3A所示。
附图4B示出了一射线轨迹模型，其中从点光源21发出的光线入射到导光膜23的光输入边缘22上的单斜率锯齿特征件的凹处上。附图4C示出了一射线轨迹模型，其中从点光源21发出的光线入射到导光膜23的光输入边缘22上的单斜率锯齿特征件的平坦表面顶部上。在这两个模型中，点光源21到导光膜23的光输入边缘22的距离为20mm。点光源21发出的光的扩散角度为160度。导光膜23的材料折射率为1.59。射线轨迹清楚地表明光线轨迹由于全内反射被斜面所偏转。
附图4D示出了从在光输入边缘具有单斜率边缘锯齿特征件的导光膜得到的模型的照度输出曲线。这里点光源为具有朗伯输出并间隔节距为6.3mm的LED。如输出曲线所示，每个曲线是从距离输入边缘0.5mm处开始每间隔1mm(Y方位)所得，亮区和暗区在距离光输入边缘5.5mm处仍然可见。该输出曲线也表明，从输入边缘到1.5mm范围内热点问题首先变得越来越小。在Y＝2.5mm附近，产生了反转的热点问题，这里亮区变暗而暗区变亮。在Y＝4.5mm附近，热点再次出现。这是由全内反射导致的二次光线偏转所引起的。
因此需要一种改进的输入边缘涉及来提供导光膜的更均匀照明并且不牺牲背光系统的效率。本发明的目的在于克服上述现有技术中相关的暗区和亮区(热点)问题，并从而生产一种在不牺牲背光系统效率的条件下具有更均匀照明的导光膜。
发明内容
本发明提供一种用于均匀分布点光源发出的光的导光膜，包括：多面边缘，其用于接受点光源发出的光，该多面边缘包括其间具有平坦表面的至少第一组斜面、第二组斜面，每一组斜面分别进一步包括第一和第二斜率，其中第一斜率不超过85度而第二斜率至少为5度，第一斜率至少比第二斜率大5度。
本发明进一步提供一种用于均匀分布点光源发出的光的导光膜，包括：多面边缘，其用于接受点光源发出的光，该多面边缘包括其间具有平坦表面的至少第一组斜面、第二组斜面，每一组斜面进一步包括位于多面边缘一侧上的第一面区和与第一面区相反的一侧上的第二面区，其中第一和第二组斜面的第一面区的斜面比例A1/A2和第一和第二组斜面的第二面区的斜面比例A3/A4介于0.1到9之间，而平坦表面的区域A5和整个特征件表面区域的比例小于0.3。
本发明进一步提供一种用于均匀分布点光源发出的光的导光膜，包括：多面边缘，其用于接受点光源发出的光，该多面边缘包括其间具有平坦表面的至少第一组斜面、第二组斜面，每一组斜面分别进一步包括第一和第二斜率，每一组斜面进一步包括位于多面边缘一侧上的第一面区和与第一面区相反的一侧上的第二面区，其中第一和第二组斜面的第一面区的斜面比例A1/A2和第一和第二组斜面的第二面区的斜面比例A3/A4介于0.1到9之间。
附图说明
附图1为一传统的平面光源的透视图；
附图2为一示出了光线轨迹的传统的导光板的示意性侧面图；
附图3A为在光输入边缘不具有边缘锯齿特征件的导光膜的俯视图；
附图3B为对于在光输入边缘不具有边缘锯齿特征件的导光膜的点光源的射线轨迹模型；
附图3C为对于在光输入边缘不具有边缘锯齿特征件的导光膜的在不同Y方位的照度曲线的射线轨迹模型；
附图4A为在光输入边缘具有单斜率边缘锯齿特征件的导光膜的俯视图；
附图4B为当点光源距离凹处较近时，在光输入边缘具有单斜率边缘锯齿特征件的导光膜的射线轨迹模型；
附图4C为当点光源距离平坦表面顶部较近时，在光输入边缘具有单斜率边缘锯齿特征件的导光膜的射线轨迹模型；
附图4D为在光输入边缘具有单斜率边缘锯齿特征件的导光膜的在不同Y方位的照度曲线的射线轨迹模型；
附图5A为在光输入边缘具有多个多斜率特征件的导光膜的俯视图；
附图5B为在光输入边缘具有多个多斜率特征件的导光膜的放大的俯视图；
附图6A为在光输入边缘具有多个两斜率特征件的导光膜的放大的俯视图；
附图6B为在光输入边缘具有多个两斜率特征件的导光膜的放大的俯视图，并给出了尺寸和角度；
附图6C为在光输入边缘具有多个两斜率特征件的导光膜的放大的斜视图；
附图6D为在光输入边缘具有多个两斜率特征件的导光膜的侧面图，其中每个面为矩形；
附图6E为在光输入边缘具有多个两斜率特征件的导光膜的侧面图，其中每个面的形状不同；
附图6F为在光输入边缘具有多个两斜率特征件的导光膜的放大的俯视图，并给出了在不同的面上光线传播方向的改变；
附图6G为当点光源距离平坦表面顶部较近时，在光输入边缘具有多个两斜率特征件的导光膜的射线轨迹模型；
附图6H为当点光源靠近特征件凹处时，在光输入边缘具有多个两斜率特征件的导光膜的射线轨迹模型；
附图6J为在光输入边缘具有多个两斜率特征件的导光膜的照度输出的射线轨迹模型；
附图6K为用于制作多面边缘锯齿特征件的铣机床中的工具组的斜视图；
附图6L为用于制作两斜率边缘锯齿特征件的两个切割器的斜视图；
附图6M为用于制作两斜率边缘锯齿特征件的两个切割器的侧面图；
附图7为在光输入边缘具有多个两斜率特征件的导光膜的俯视图，其中特征件凹处是圆化的；
附图8A为在面上具有微散射元件的光输入边缘具有多个两斜率特征件的导光膜的放大的俯视图；
附图8B为在面上具有微散射元件的光输入边缘具有多个两斜率特征件的导光膜的放大的斜视图；
附图8C为在面上具有微散射粒子的光输入边缘具有多个两斜率特征件的导光膜的放大的斜视图；
附图9A为在光输入边缘具有多个三斜率特征件的导光膜的放大的俯视图，并给出了尺寸、斜率角度和不同面上光传播方向的改变；
附图9B为用于制作三斜面边缘锯齿特征件的三个切割器的斜视图；
附图9C为用于制作三斜面边缘锯齿特征件的三个切割器的侧面图；以及
附图10为在光输入边缘具有多个四斜率特征件的导光膜的放大的俯视图，并给出了尺寸、斜率角度和不同面上光传播方向的改变。
具体实施方式
现在参照附图，附图5A示出了本发明的具有光输入边缘的导光膜33，光输入边缘具有多个多面特征件32。附图5B示出了本发明的一放大的俯视图。点光源31发出的光入射到多面特征件32上。每个光源31覆盖至少一个多面特征件。
每个多面特征件包括一特征件顶部和一特征件凹部。该特征件顶部包括一平坦表面。此外每个多面特征件进一步包括位于特征件顶部和相邻的特征件凹部之间的至少两组斜面。每一组斜面包括位于特征件顶部相反的两侧的两个斜面。每个平面或斜面都具有一平面表面区域。每个斜面的倾斜角从特征件凹部到特征件顶部逐渐变小。靠近特征件凹部的斜面组比靠近特征件顶部的斜面组具有更大的倾斜角度。在每组斜面中，相应的斜面的倾斜角度可以相同也可以不同。优选每一组斜面中相对应的斜面的倾斜角度相同，以便光线的传播方向不朝一个特殊角度偏离。在每一组斜面内，相对应的斜面的表面区域可以相同或不同。优选每一组斜面内相对应的斜面的表面区域相同，以便光线的传播方向不朝一个特殊角度偏离。但是，在制作过程中，由于制作的容差每一组斜面内的相对应的斜面的表面区域可能会不同。多面特征件的总表面数目为2*m+1，其中m为等于2，3，4，5......的整数。由于多个面具有不同的方向角，它们可以将光重定向到不同的角度。当适当地设计每个面的倾斜角度和面表面区域时，光线可以被均匀地重定向到一个宽的角度范围内以致于在导光膜中没有可见的亮区和暗区。
附图6A示出了本发明的第一个实施例，其中导光膜包括在光输入边缘的多个多面特征件。多面特征件由两组不同的斜面(两斜率)构成。来自LED光源31的光线入射到导光膜43的两斜率特征件42上。两斜率特征件包括斜面421a和421b组成的第一组，斜面422a和422b组成的第二组和平坦表面423。每一两斜率特征件的总表面数目为5(2*2+1＝5)。
现在参照附图6B和附图6C，附图6B给出了包括尺寸和倾斜角度的两斜率边缘特征件的俯视图。在附图6C中，分别给出了两斜率边缘特征件和每个斜面的面区域的剖面图。参照附图6B和附图6C，斜面421a具有面宽度W1和面区域A1。斜面422a具有面宽度W2和面区域A2。斜面421b具有面宽度W3和面区域A3。斜面422b具有面宽度W4和面区域A4。平坦表面具有面宽度F和面区域A5。该两斜率特征件具有间距P和高度H。斜面421a和421b的第一组具有一第一倾斜角度α。斜面422a和422b的第二组具有第二倾斜角度ω。α角度不超过85度(α≤85度)。ω角度至少为5度(ω≥5度)。α角度比ω角度至少大5度(α-ω≥5度)。在两斜率边缘特征件的每一个侧面，斜面区域比例A1/A2和A3/A4介于0.1至9之间(0.1≤A1/A2≤9，0.1≤A3/A4≤9)，平坦表面区域A5和总特征件表面区域的比例小于0.3(A5/(A1+A2+A3+A4+A5)≤0.3)。
附图6D中所示的每个面可以为矩形。在制作过程中，由于导光膜的柔性，该形状可能变成梯形或三角形。如附图6E所示，面形状可以为梯形、三角形或矩形。多面特征件的设计的关键是控制每个面的倾斜角度和每个面的表面区域以便导光膜中的入射光分布在一个大的角度范围内。
如附图6F所示，α角大于ω角。因此斜面421a和421b的第一组，其靠近特征件凹部，会将光重定向到一个更大的角度，如附图4F中的锥形431a和431b所示。斜面422a和422b的第二组，其靠近特征件顶部，会将光重定向到一个更小的角度，如附图6F中的锥形432a和432b所示。平坦表面一般将光线向前传播，如附图6F中的锥形433所示。当适当地设计所有五个面的倾斜角度和表面区域时，两斜率特征件的所有五个面的组合能够均匀地将光重定向到一个宽的角度范围以致在导光膜中看不到热点。
附图6G示出了一射线轨迹模型，其中来自点光源21的光线入射到导光膜43的光输入边缘的两斜率边缘特征件的平坦表面顶部42上。附图6H示出了一射线轨迹模型，其中来自点光源21的光线入射到导光膜43的光输入边缘的两斜率边缘特征件的凹部44上。在这两个模型中，点光源21距离导光膜43的光输入边缘的距离为20mm。从点光源21发出的光线的扩散角度为160度。导光膜43的材料折射率为1.59。模型表明光线扩散到一个很大的角度且没有被相邻的斜面偏转。
附图6J示出了在光输入边缘具有两斜率特征件的导光膜的射线轨迹模型的照度输出曲线。这里点光源为具有朗伯输出并间隔节距为6.3mm的LED。如输出曲线所示，每个曲线是从距离输入边缘0.5mm处开始每间隔1mm(Y方位)所得，在Y＝2.5mm附近，亮区和暗区或者热点消失了。
为了制作两斜率边缘锯齿特征件，一种方法是利用两个不同的切割器来制作两组斜面，而利用飞切割器来制作平坦表面。附图6K示出了包括产生平坦表面的飞切割器452和切割两组斜面的两切割器工具固定器453的工具组451。为了切割多斜率边缘锯齿特征件，工具组451以一定的速度旋转。同时，导光膜堆叠460以一定的速度在工具组451下方行进。附图6L示出了包括第一切割器455和第二切割器456的工具固定器453。第一切割器455具有与第二切割器456不同的坡口角度。附图6M示出了两个切割器的侧面图。
本发明的另一个实施例包括多个多面边缘特征件，其具有两种斜率并且特征件的凹部具有弧度。附图7显示凹部具有弧度的特征件。优选的弧度较小，因为弧形凹部降低了光折射能量并且光不能在一个大的角度传播。
附图8A、8B和8C示出了进一步包括光散射元件526的两斜率边缘锯齿特征件。这些光散射元件可以是微型沟槽、刮槽、粒子、微型凸起或粗糙表面。
附图9A示出了本发明的另一个实施例，其中导光膜在光输入边缘包括多个三斜率多面特征件72。每个三斜率边缘锯齿特征件72包括具有第一倾斜角度α的斜面721a和721b的第一组、具有第二倾斜角度β的斜面722a和722b的第二组、具有第三倾斜角度ω的斜面723a和723b的第三组和一平坦表面724。总表面数目为7(2*3+1＝7)。靠近特征件凹部的斜面比靠近特征件顶部的斜面具有更大的倾斜角度，即α＞β＞ω。α角不超过85度(α≤85度)。ω角度至少为5度(ω≥5度)。
如附图9A所示，斜面的第一组将入射光线重定向到锥形731a和731b中，斜面的第二组将入射光线重定向到锥形732a和732b中，斜面的第三组将入射光线重定向到锥形733a和733b中，而平坦表面将入射光线重定向到锥形734中。当适当地设计所有面的倾斜角度和表面区域时，能够均匀地将入射光重定向到一个宽的角度范围以致消除了热点问题。
附图9B示出了可以用于制作三组斜面的切割器。第一切割器751、第二切割器752和第三切割器753被安装在工具固定器754上。这里的第一切割器751、第二切割器752和第三切割器753具有不同的坡口角度。附图9C示出了这些切割器的侧面图。
附图10示出了本发明的另一个实施例，其中导光膜在光输入边缘包括多个四斜率多面特征件。每个四斜率特征件82包括具有第一倾斜角度α的斜面821a和821b的第一组、具有第二倾斜角度β的斜面822a和822b的第二组、具有第三倾斜角度γ的斜面823a和823b的第三组、具有第四倾斜角度ω的斜面824a和824b的第四组和一平坦表面825。总表面数目为9(2*4+1＝9)。靠近特征件凹部的斜面比靠近特征件顶部的斜面具有更大的倾斜角度，即α＞β＞γ＞ω。α角不超过85度(α≤85度)。ω角度至少为5度(ω≥5度)。
如附图10所示，斜面的第一组将入射光线重定向到锥形831a和831b中，斜面的第二组将入射光线重定向到锥形832a和832b中，斜面的第三组将入射光线重定向到锥形833a和833b中，斜面的第四组将入射光线重定向到锥形834a和834b中，而平坦表面将入射光线重定向到锥形835中。当适当地设计所有面的倾斜角度和表面区域时，能够均匀地将入射光重定向到一个宽的角度范围以致消除了热点问题。

Claims (11)

1.一种导光膜，用于均匀地分布来自点光源的光，所述导光膜包括：用于接收来自点光源的光的多面边缘，该多面边缘包括其间具有平坦表面的至少第一组和第二组斜面，每一组斜面分别进一步包括第一和第二斜率，其中第一斜率不超过85度而第二斜率至少为5度，第一斜率比第二斜率至少大5度。
2.如权利要求1所述的导光膜，其特征在于：该多面边缘的凹部包括弧度。
3.如权利要求1所述的导光膜，其特征在于：多面边缘的表面包括光散射元件。
4.如权利要求1所述的导光膜，进一步包括其间具有平坦表面的第三组斜面。
5.如权利要求4所述的导光膜，进一步包括其间具有平坦表面的第四组斜面。
6.一种导光膜，用于均匀地分布来自点光源的光，该导光膜包括：用于接收来自点光源的光的多面边缘，该多面边缘包括其间具有平坦表面的至少第一组和第二组斜面，每一组斜面进一步包括位于多面边缘一侧上的第一面区和与第一面区相反的一侧上的第二面区，其中第一组和第二组斜面的第一面区的斜面比例A1/A2以及第一和第二组斜面的第二面区的斜面比例A3/A4介于0.1到9之间，而平坦表面的区域A5和整个特征体表面区域的比例小于0.3。
7.如权利要求6所述的导光膜，其特征在于：该多面边缘的凹部包括弧度。
8.如权利要求6所述的导光膜，其特征在于：多面边缘的表面包括光散射元件。
9.如权利要求6所述的导光膜，进一步包括其间具有平坦表面的第三组斜面。
10.如权利要求9所述的导光膜，进一步包括其间具有平坦表面的第四组斜面。
11.一种导光膜，用于均匀地分布来自点光源的光，其包括：用于接收来自点光源的光的多面边缘，该多面边缘包括其间具有平坦表面的至少第一组和第二组斜面，每一组斜面分别包括第一和第二斜率，并且，每一组斜面进一步包括位于多面边缘一侧上的第一面区和与第一面区相反的一侧上的第二面区，其中第一组和第二组斜面的第一面区的斜面比例A1/A2以及第一和第二组斜面的第二面区的斜面比例A3/A4介于0.1到9之间。
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