CN103185916A - 具有伪二维图案的光波导板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光波导板，包括光波导板，该光波导板包括：输入表面，其用于接收来自多个分离的光源的光；输出表面，其用于发射光；以及和该输出表面相反的底表面。该输出表面和该底表面的至少一个具有微图案，该微图案包括分布于平行于长度方向的第一方向y轴上以及平行于宽度方向的第二方向x轴上的微透镜。此外，微透镜在第一区域中具有仅随y值变化的面积密度函数DI(y)，在第二区域中具有仅随y值变化的面积密度函数DII(y)，以及在第三区域中具有同时随x，y值变化的面积密度函数DⅢ(x，y)，面积密度函数DI(y)，DII(y)分别在相同的第一y值处具有最小值DI最小、DII最小，在相同的第二y值处具有最大值DI最大、DII最大；其中1.08≥DII最小/DI最小≥1.02，DII最大/DI最大≥1.20，并且对于给定的x值，DII(y)＞DIII(x，y)＞DI(y)。

Description

具有伪二维图案的光波导板
技术领域
本发明总的涉及一种光波导板，更具体地，涉及一种具有二维微图案以提高背光源整体照度均匀性的光波导板。
背景技术
液晶显示器(LCD)在成本和性能上持续改善，已成为许多计算机、仪器和娱乐设备优选的显示器类型。典型的基于LCD的移动电话、笔记本电脑、和显示器包含一个光波导板(LGP)以从光源接收光线并且将该光线均匀地重新分配在LGP的光输出表面。该光源通常为长的线性冷阴极荧光灯，现已发展为具有多个分离的独立光源例如发光二极管(LED)。为了在LED背光中实现照度均匀性的提高，必须解决光波导板的角落和边缘的附近的照度变化问题。
已经提出了一些通过提高角落附近光反射或提取特征件的密度以抑制角落附近的照度变化的光波导板，但几乎没有任何一种能够同时抑制光波导板边缘附近的照度变化。这些在角落附近抑制照度变化的光波导板通常具有两组或多组不同尺寸的点，例如美国专利号7478942(Kim等人)所披露的。
尽管现有技术的光波导板能够在一定程度上抑制角落附近的照度变化，其仍然由于这些光波导板在制造过程中的复杂性而不能满足要求。因此仍存在对一种容易制造并且能够抑制光波导板角落和边缘附近照度变化的光波导板的需要。
发明内容
本发明提供了一种光波导板，其包括：输入表面，其用于接收从多个分离的光源发射的光，输出表面，其用于发射光，以及与输出表面相反的底表面，其中输出表面和底表面中的至少一个具有微图案，该微图案包括分布于平行于长度方向的第一方向y轴上以及平行于宽度方向的第二方向x轴上的微透镜；并且其中微透镜在第一区域中具有仅随y值变化的面积密度函数DI(y)，在第二区域中具有仅随y值变化的面积密度函数DII(y)，以及在第三区域中具有同时随x，y值变化的面积密度函数DIII(x，y)；面积密度函数DI(y)，DII(y)分别在相同的第一y值处具有最小值DI最小、DII最小，在相同的第二y值处具有最大值DI最大、DII最大，其中，1.08≥DII最小/DI最小≥1.02，DII最大/DI最大≥1.20，并且对于给定x值，DII(y)＞DIII(x，y)＞DI(y)。
附图说明
图1所示为一个典型的具有包括本发明的光波导板在内的多个光学部件的液晶显示器的侧视图。
图2A所示为大量的微透镜，其中的一些是基本相同且可用于本发明的；
图2B所示为大量的微透镜，用来解释面积密度；
图3A所示为根据比较例的一维密度函数的光波导板的顶视图；
图3B所示为在图3A中所示的光波导板上所用的y轴上的密度函数；
图3C所示为在图3A中所示的光波导板上所用的x轴上的密度函数；
图3D所示为从图3A中所示的光波导板测量的轴上照度的等值线图；
图3E所示为从图3D中得出的x-轴上的照度图；
图4A所示为根据本发明的具有伪二维密度函数的光波导板的顶视图；
图4B所示为在图4A中所示的光波导板上所用的y轴上的密度函数；
图4C所示为在图4A中所示的光波导板上所用的x轴上的密度函数；
图4D所示为从图4A中所示的光波导板测量的轴上照度的等值线图；
图4E所示为从图4D中得出的x-轴上的照度图。
具体实施方式
图1所示为包含有LCD面板25和背光单元28的LCD显示设备30的示意性的侧视图。背光单元28包含多个光学部件，包括一层或两层棱镜膜20、20a，一层或两层漫射膜24、24a，一层底反射膜22，一层顶反射膜26，以及一个光波导板(LGP)10。光波导板10与其他光学部件的不同在于其通过其输入表面18接收来自于一个或多个光源212发射出的光，将发射的光重定向穿过底表面17，端表面14，输出表面16，侧表面15a，15b(未示出)和反射膜22，最终向其他光学部件提供了相对均匀的光。通过控制位于底表面17和/或输出表面16上的微透镜100(某些情况下是指分离的单元或光提取器)的密度、尺寸、和/或取向来获得所需的照度均匀性。顶反射膜26通常距离光输入表面2-5毫米覆盖在光波导板10上以允许改善光的混合。顶反射膜26具有高反射性的内表面26a。顶反射膜26具有黑色的外表面26b，因此被称为“黑带”。通常背光的照度可以从A点进行测量，其位于顶反射膜26的端部并延续穿过观察区域至光波导板一端。
根据本发明的光波导板10具有二维的微图案，其任选地包括多个基本相同的微透镜100，该微透镜的密度大体在两个维度中变化。在下文中介绍“基本相同的微透镜”和微透镜的密度。
尽管没有两个微透镜是完全相同的，但微透镜如果具有相同的形状和相同的取向则可以认为是“基本相同的”。更具体地，优选其长度、宽度和深度的变化在±3微米(μm)(或者是对于56微米尺寸的微透镜在5.4％)的范围内，更优选在±1微米(或者是对于56微米尺寸的微透镜在1.8％)的范围内；取向角度变化优选在±5度，更优选在±2度以内。
参照附图2A，微透镜100a、100b、100c、100d被认为是基本相同的，因为其具有相同的形状和相同的取向。由于其具有相同的宽度w、长度1和深度(未示出)，所以它们具有相同的形状。微透镜100e、100f、100g与微透镜100a不是基本相同的，因为尽管其具有和微透镜100a相同的形状，但它们和微透镜100a取向不相同。微透镜100h与微透镜100a不是基本相同的，因为其为圆形而微透镜100a是椭圆的。微透镜100i与微透镜100a不是基本相同的，因为其比微透镜100a大的多，尽管它们都是椭圆的形状。
基本相同的微透镜是由基本相同的工具通过相同的工艺所生产。该工具如果是在相同的目标尺寸和形状下进行相同的加工所制造的，则被认为是基本相同的，否则如果仅通过常规的工具制造，则是互不相同的。
采用基本相同的微透镜的优点在于其制造简单，因为只需一个工具或者多个相同的工具。作为比较，当在光波导板中使用两组或更多组不同尺寸的微透镜时，需要两组或多组工具，或者需要不同的制造步骤。然而根据本申请的光波导板也可以采用不同尺寸的微透镜。
数量密度(ND)的定义是指每单位面积中微透镜的数量，面积密度(D)的定义是指每单位面积中微透镜的总面积，其中单位面积通常根据实际应用在0.5-1.5mm2的范围内选择。参照图2B，单位面积60被定义为具有宽度ΔW0，长度为ΔL0。单位面积60包含了六个微透镜101a-101f，每个均具有宽度w0和长度10。其数量密度ND等于6/(ΔW0ΔL0)，而其面积密度D为(6 W0 l0)/(ΔW0ΔL0)。数量密度在一个或多个微透镜与所选单位面积的边界相交时可能是一个分数。在下文中，二维或一维密度指的是微透镜的面积密度D。并且密度和密度函数将被互换使用。
图3A所示为根据比较例的具有一维密度函数的光波导板10a的顶视图。光波导板10a接收从分离的光源212发射的光。具体的说，光源212为36个发光二级管。光波导板10a具有宽度WLGP，其中WLGP大约为160毫米(mm)，以及长度LLGP，其中LLGP大约为200毫米(mm)，并且在其底表面17上具有微图案。其宽度方向平行于光源212，而其长度方向垂直于光源212。该微图案包括具有不随x变化而随y而变化的一维密度函数D(y)的微透镜，其中，x轴与宽度方向平行而y轴与长度方向平行。y＝0时的值对应于微图案的起始处，而y＝1时的值对应的是微图案的末端。密度函数D(y)从侧表面15a到侧表面15b之间对于相同的y保持相同的值。密度函数D(y)沿着不同的方向如图3B和图3C中所绘。在图3B中，密度函数D(y)被绘制为y的函数；在图3C中，密度函数D(y)被绘制为位于y＝0.18，y＝0.5，y＝0.82处的x的函数，x对应于36个发光二级管的每个的位置。
图3D所示为根据图3A所定义的y＝0.09和y＝0.91之间所测量轴上照度的等值线图。其中显示出沿着对应于y＝0.18，y＝0.5，y＝0.82的三条水平线上的大的变化。三个水平线每个之上的照度的详图如图3E所示，其中轴上照度被绘制成关于x的函数，x表示36个发光二级管中每一个的位置。可以明显看出在两个边缘表面附近的照度低于中心区域。更具体的说，在y＝0.18的位置最小和最大照度值的比例仅为约75％。该比例限制了光波导板10a所能达到的最大的均匀性。
理想情况下，图3D所示的轴上照度的等值线图应当是相对于中心线200对称的。但由于光波导板制造过程中所固有的变异性，观察到这样不对称的照度分布图是正常的。
图4A所示为根据本发明的具有伪二维密度函数光波导板10b的顶视图。光波导板10b具有和光波导板10a相同的宽度WLGP和长度LLGP，并从相同的36个光源212接收光。然而在光波导板10b的底表面17上的微图案包括具有伪二维密度函数的微透镜。该伪二维密度函数在三个对应的区域中包括三个密度函数DI(y)、DII(y)和DIII(x，y)。密度函数DI(y)为一维的，并分布在第一区域110，该区域位于光波导板10b沿x轴的中心部位。密度函数DII(y)为一维的，并分布在包含两个子区域112a、112b的第二区域，所述两个子区域位于光波导板10b的两个侧表面15a，15b附近。密度函数DIII(x，y)为二维的并分布在包含两个子区域114a、114b的第三区域。子区域114a和114b分别位于子区域112a和区域110之间，以及子区域112b和区域110之间。
在相同的y值下，密度函数DII(y)始终大于DI(y)。此外，DII(y)和DI(y)分别在相同的第一y值处具有最小值DI最小和DII最小，在相同的第二y值处具有最大值DI最大和DII最大，并且DII最小/DI最小和DII最大/DI最大的比例必须满足如下条件：
1.08≥DII最小/DI最小≥1.02，且
DII最大/DI最大≥1.20，
并且对于任何给定的x值时，DII(y)＞DIII(x，y)＞DI(y)。
如果DII最小/DI最小小于1.02，则在角落120处的照度将仍然会过低。但如果DII最小/DI最小大于1.08，则不论DII最大的值有多高，在侧表面15a和角落120b部位附近的照度仍然会过低，因为DII最大不可能超过1.00。
图4B所示为沿y轴上的密度函数DI(y)、DII(y)和DIII(x，y)。根据一个本发明实施例，在相同的y＝0.95时，DI(y)和DII(y)分别具有最大值DI最大＝0.533、DII最大＝0.697。在相同的y＝0.01时，DI(y)和DII(y)分别具有最小值DI最小＝0.058、DII最小＝0.060。因此，DII最小/DI最小＝1.034，且DII最大/DI最大＝1.26。对于给定的x值，DIII(x，y)同样在y＝0.95具有一最大值，在y＝0.1处具有一最小值。
图4C所示为根据本发明相同的实施例中，沿着代表36个光源中每个的位置的x轴的密度函数DI(y)、DII(y)和DIII(x，y)。四个密度曲线为对应于y＝0.18，y＝0.5，0.82和0.95所绘。在这一实施例中，具有密度函数DI(y)的第一区域的面积和同一区域内微图案的面积之比大约为72％，具有密度函数DII(y)的第二区域的面积和同一区域内微图案的面积之比大约为11％(包括两个子区域)，并且具有密度函数DIII(x，y)的第三区域的面积和同一区域内微图案的面积之比大约为17％(包括两个子区域)。
图4D所示为从本发明光波导板10b测量的轴上照度的等值线图。相比于图3D所示的从比较例的光波导板10a所测量的轴上照度的等值线图，沿对应于y＝0.18，y＝0.5和y＝0.82的三条水平线的变化小得多。图4E所示为作为x的函数的轴上照度的图，x代表了36个发光二级管的每个的位置。本发明的光波导板10b的图4E和比较例光波导板10a的图3E之间的比较可以明显的看出测量点在两个侧表面之间改变时照度变化量减小了。具体而言，对于本发明的光波导板10b，对应于y＝0.18，y＝0.5和y＝0.82时最小和最大的照度值之间的比值分别为大约92％，92％和89％。相反的在比较例的光波导板10a中，对应于y＝0.18，y＝0.5和y＝0.82时最小和最大的照度值之间的比值分别为大约75％，80％和86％。
需要强调的是在本发明的光波导板10b上的微透镜优选的是基本相同的，如前文所论述的。但光波导板10b上的微透镜也可以是具有不同的尺寸和不同的取向角度。
尽管在前文的本发明实施例中，具有密度函数DI(y)、DII(y)、DIII(x，y)的第一区域、第二区域和第三区域的面积和微图案区域的面积之比分别为72％，11％和17％，但可以理解的是针对光波导板具有不同的宽度和长度时，这一比例可以有一个更大的范围。具体的说，具有密度函数DI(y)的第一区域的面积和微图案区域的面积之比可以在60％-80％之间。具有密度函数DII(y)的第二区域的面积和微图案区域的面积之比可以在5％-20％之间。具有密度函数DI(y)的第三区域的面积和微图案区域的面积之比可以在10％-30％之间。
可以选择许多聚合物材料来实施本发明。选定的材料必须具有足够的刚性和坚韧度，以尽量减少在实际使用过程中的断裂和变形。但最重要的是，所选择的材料必须在可见光谱范围和低频色彩内具有高的透射率。在本发明中可用的材料包括但不限于：聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，抗冲改性的PMMA和其它的丙烯酸类聚合物，聚碳酸酯，聚环烯烃，环状嵌段共聚物，聚酰胺，聚苯乙烯，聚砜，聚酯，聚酯-碳酸酯，以及它们的各种可混溶性共混物。

Claims (6)

1.一种光波导板，包括
输入表面，其用来接收来自于多个分离光源的光；输出表面，其用来发射光；以及和该输出表面相反的底表面；
其中该输出表面和该底表面中的至少一个具有微图案，该微图案包括沿着平行于长度方向的第一方向y轴分布以及沿着平行于宽度方向的第二方向x轴分布的微透镜，
其中所述微透镜在第一区域中具有仅随y值变化的面积密度函数DI(y)，在第二区域中具有仅随y值变化的面积密度函数DII(y)，以及在第三区域中具有同时随x和y值变化的面积密度函数DIII(x，y)，面积密度函数DI(y)，DII(y)分别在相同的第一y值处具有最小值DI最小、DII最小，在相同的第二y值处具有最大值DI最大、DII最大；其中
1.08≥DII最小/DI最小≥1.02，
DII最大/DI最大≥1.20，
并且对于给定的x值，DII(y)＞DIII(x，y)＞DI(y)。
2.根据权利要求1的光波导板，其中第一区域的面积和微图案区域的面积之比为60％-80％。
3.根据权利要求1的光波导板，其中第二区域的面积和微图案区域的面积之比为5％-20％。
4.根据权利要求1的光波导板，其中第三区域的面积和微图案区域的面积之比为10％-30％。
5.根据权利要求1的光波导板，其中多个微透镜的宽度、长度和深度在1.8％的范围内变化。
6.根据权利要求1的光波导板，其中多个微透镜的取向角度在2度的范围内变化。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20130703