CN103235446A - 一种用于液晶显示器的背光模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于液晶显示器的背光模组，包括光源、反射膜、楔形膜，棱镜膜和扩束膜，楔形膜包括第一入光面、第一出光面和第二出光面，第一出光面和第二出光面之间的夹角小于等于5°，光源设置在第一入光面一侧，反射膜设置在第二出光面的一侧，棱镜膜位于第一出光面一侧，棱镜膜包括相互平行的第二入光面和第三出光面，特点是在第三出光面后设置有扩束膜，扩束膜扩大第三出光面出射的光线的光束截面积并将该出射光线转变为垂直于液晶屏的平行面光束入射到液晶显示屏上，从而改善传统液晶显示器漏光、色偏以及对比度低下的问题。

Description

一种用于液晶显示器的背光模组

技术领域

本发明涉及一种液晶显示器，尤其涉及一种用于液晶显示器的背光模组。

背景技术

从上世纪七十年代开始，液晶显示器因具有成本低、分辨率高、色彩鲜艳等优点被使用到现在，其应用在电子设备中几乎无处不在，从小尺寸的腕表到大尺寸的TV。发展到现今的液晶显示器已具有较高的分辨率、结构紧凑、高亮度且低成本。然而，尽管经过了四十多年的发展和进步，液晶显示器由于其使用的背光源的原因，仍存在光源使用率低、分辨率低下及产生色偏等问题。

液晶显示器面板中的液晶本身不具有发光特性，其利用背光模组提供光源，达到显示效果。通常液晶显示器采用LED（发光二级管）或CCFL（冷阴极荧光灯管）作为光源，光源发出的光经过导光板耦合进显示器。但光源的发散角度较大，实际进入LGP（导光板）被利用的的能量不足10%，导致整个显示器的效率较低。20世纪后发展了很多用于个人使用的诸如手机、计算器、手表等小尺寸液晶显示器，这些小尺寸的显示器强调轻薄、结构紧凑、低功耗。这些需求对背光源的结构、光源的发光角度、光源的使用效率提出了更高的要求。

大尺寸TV的发展尤其是HDTV(高清电视)的发展对显示器的对比度，画面品质要求更高。以垂直于液晶显示屏的法线为轴，LC（液晶）对来自背光源的近轴的光线利用率高，因此若背光源的发散角度大，则光源利用率降低，且大角度离轴的光线会造成对比度下降、漏光、color washout（色偏）等问题。

综上所述，无论是小尺寸的液晶显示屏，或是大尺寸的TV，对从背光模组出射的光通常具有一定的准直性要求。

2008年8月21日公开的WO2008/100443A2号PCT专利提出了一种能产生平行光束的紧凑型准直反射膜（CCR），如图1所示。该准直反射膜位于背光模组的最下方，整体类似于船型结构，光源位于该准直反射膜的两端。准直反射膜包含一个入光面，该入光面也即是反光面，其结构为锯齿形结构。每一个锯齿设计不同的角度和斜率，光源发出的不同角度的光经过不同角度和斜率的锯齿反射，将其改变方向为垂直于液晶屏的方向出射。

图1所述的结构虽然可以产生准直光束，但由于光源发出的光是连续的大角度发散光，而准直反射膜为不连续的锯齿形结构，因此所产生的准直光准直效果不理想。同时由于不连续的锯齿结构精细，每一个锯齿都有特定的角度和斜率，加工难度非常大，制作成本很高。

2012年7月18日公开的201210026819.6号中国发明专利申请公开说明书中公开了一种能产生平行光束的准直背光模组，该准直模组用于侧入式背光显示器中，其主体包括反射膜、楔形膜、棱镜膜和准直膜。楔形膜包含一个入光面和两个出光面，其中一个出光面贴合反射膜。楔形膜可以减小光线发散角，棱镜膜将楔形膜出射的光线准直为垂直于液晶屏的方向出射。

该结构可以产生准直光束，但是产生的准直光束为一定截面大小的光束，通常不能充满每个出光小单元，如图2所示，因此会在整个光束面上存在许多黑条纹。

发明内容

针对现有技术背光模组存在出射光准直性低、光利用率的问题，本发明提供一种出射光准直性高、光能利用率高，光束截面大，能消除黑条纹的用于液晶显示器的背光模组。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于液晶显示器的背光模组，包括光源、反射膜、楔形膜和棱镜膜，所述的楔形膜包括第一入光面、第一出光面和第二出光面，所述的第一出光面和所述的第二出光面之间的夹角小于等于5°，所述的光源设置在所述的第一入光面一侧，所述的反射膜设置在所述的第二出光面的一侧，所述的反射膜的反射面与所述的第二出光面平行，由所述的第二出光面出射的光线照射到所述的反射膜上，经过所述的反射膜的反射面反射回所述的楔形膜中被重新利用，所述的棱镜膜位于所述的第一出光面一侧，所述的棱镜膜由若干个平行四边形棱镜组在一维方向上的阵列组成，所述的棱镜膜包括相互平行的第二入光面和第三出光面，所述的棱镜膜将所述的第一出光面射出的与所述的棱镜膜入光面呈较大入射角的平行光束折射成与所述的第一出光面成一定角度的平行光束，在所述的第三出光面后设置有扩束膜，所述的扩束膜扩大所述的第三出光面出射的光线的光束截面积并将该出射光线转变为垂直于液晶屏的平行面光束。

所述的扩束膜包括与所述的第三出光面相邻的第三入光面和第四出光面，所述的第三入光面所述的第三入光面由多个锯齿形单元组成，每个锯齿形单元的锯齿面相互平行，所述的第四出光面为平面，所述的第四出光面平行于所述的第三出光面，所述的第四出光面与所述的液晶屏的入光面平行。

所述的光源旁设置有反射罩，用于将所述的光源发出的光反射进所述的第一入光面。

与现有技术相比，本发明的优点在于背光模块中各组件的结构简单，制作难度和成本较小，且所产生扩大截面的平行光束准直性好，光源利用率高。

附图说明

图1为现有技术一种背光模组的横截面结构示意图；

图2为另一种现有技术背光模组出射光线效果示意图；

图3a为使用本发明的背光模组的液晶显示器横截面的一种结构示意图；

图3b为使用本发明的背光模组的液晶显示器横截面的另一种结构示意图；

图4本发明的背光模组的楔形膜工作原理示意图；

图5a为本发明光源的发光分布图；

图5b为经过本发明的背光模组的楔形膜后的光线角度分布图；

图6为一条光线经过本发明的背光模组的楔形膜、棱镜膜和扩束膜的光路轨迹；

图7为根据斯涅尔定律绘制的从光密到光疏的反射曲线图；

图8a为本发明的背光模组的扩束膜一种工作示意图；

图8b为本发明的背光模组的扩束膜另一种工作示意图；

图9a为光线从空气入射到介质的缩小倍数与角度的关系；

图9b为光线从介质入射到空气的扩大倍数与角度的关系；

图10为本发明的背光模组的出射光线效果示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提供了一种能产生可扩束准直光的用于液晶显示器的背光模组，其结构如图3a及图3b所示，包括光源20、光源反射罩21、楔形膜22、反射膜23、棱镜膜24、扩束膜25和液晶屏26。光源20为CCFL或LED。楔形膜22为包括第一入光面220和第一出光面221与第二出光面222的三角形楔形体，其中光源20紧贴第一入光面220放置，第一出光面221与第二出光面222之间的夹角α小于等于5°。反射膜23位于楔形膜第二出光面222的一侧，其反射面232与第二出光面222平行，用于将由第二出光面222出射的光反射回楔形膜22中重复利用。棱镜膜24位于第一出光面221的一侧，其结构为平行四边形棱镜组在一维方向上的阵列，棱镜膜24包括相互平行的第二入光面241和第三出光面242，第二入光面241与第一出光面221平行相邻。扩束膜25位于棱镜膜24的第三出光面242一侧，包括第三入光面251和第四出光面252，第三入光面251由多个锯齿形单元组成，每个锯齿形单元的锯齿面相互平行，与棱镜膜的第三出光面242相邻，第四出光面252为一平面。扩束膜25将棱镜膜24出射的具备一定截面大小的近似垂直于棱镜膜平面的平行光束折射成截面大小扩大的垂直于棱镜膜平面的平行光束照射到液晶屏26上。

图4是本发明中楔形膜22的工作原理示意图。光源发出的不同角度的光线进入楔形膜22后经过多次的全反射在楔形膜22中传播，最后当介质中入射角小于等于全反射临界角时光线从楔形膜22出光面射出。楔形膜22的作用即为将光源20发出的具有大发散角的发散光通过多次全反射会聚成邻近全反射临界角的平行光束射出楔形膜22。

光线经过楔形膜22前后的角度分布示意图如图5a和图5b所示。图5a中是光源CCFL或LED的发光角度分布，以LED为例，发散角约为±60°左右，经过楔形膜后被会聚成约±5°左右的平行光束，如图5b所示。

图6详细阐述了一条光线经过本发明中的楔形膜22，棱镜膜24，扩束膜25的光路轨迹。楔形膜22的工作原理基于斯涅耳折射定律：

n₁sinθ₁=n₂sinθ₂

式中n₁为介质1的折射率，θ₁为入射角，n₂为介质2的折射率，θ₂为折射角。

从光源20发出的光线00通过楔形膜22的第一入光面220进入楔形膜22变成折射光线01，光线01照射到第一出光面221上发生全反射变成光线02，光线02照射到楔形膜22的第二出光面222上再次发生全反射变成光线03。由图7根据斯涅耳定律绘制的从光密到光疏的反射率曲线图上可以看出，如果假设介质的折射率为1.5，则全反射临界角在41.8°左右。因此当光线03照射到第一出光面221上时，若光线03与法线的夹角θ小于或等于全反射临界角，则通过第一出光面221出射，变成光线04。

从楔形膜的第一出光面221以接近全反射临界角出射的光线04与液晶屏26呈较大的入射角，不满足液晶屏26使用的需求，需要添加棱镜膜24将光线反射成与液晶屏26垂直的正入射平行光束。上述图6中棱镜膜24的反射面243将从楔形膜22中出射的光线04反射成与棱镜膜24的第二入光面241有一定夹角的光线05在第三出光面242出射。

从棱镜膜24的第三出光面242出射的光线05相对棱镜膜24的第三出光面的法线有一定的偏转，因此需要将其折射至法线方向，即垂直于液晶屏的方向射出。如图6所示，光线05经扩束膜25的第三入光面251折射至垂直于液晶屏26方向的光线06从扩束膜25的第四出光面252射出。

图6讲述的是单条光线在楔形膜22、棱镜膜24和扩束膜25中的光路轨迹。实际从楔形膜22中出射的近平行光束具有很小的发散角，且从棱镜膜24的第三出光面242出射的光束的截面比棱镜膜24的第三出光面242的单元出光面积小，也就是整个出光光束未能覆盖整个第三出光面242。如图8a及8b所示，一束光线从楔形膜22的第一出光面221出来照射到棱镜膜24的第二入光面241上，光线07和08为这束光线的两条边界光线，光线071为与08的平行光线，从图中可以看出，光线07和08不是完全平行的两条光线，而是存在很小的夹角。为提高光线的利用率，避免能量损失，要求从楔形膜22出射到棱镜膜24上的所有光线满足两个条件：（1）所有光线进入棱镜膜24后必须经过棱镜膜24的反射面243反射；(2)所有被棱镜膜24的反射面243反射的光线不能照到棱镜膜另一侧的反射面244上。

从图8a与图8b可以看出满足上述两个边界条件的出射光线11和12相对棱镜膜24的第三出光面242的法线有一定的偏转，且出射光的光截面大小比棱镜膜24的单元出光面小。因此需要添加扩束膜25将其折射至法线方向，即垂直于液晶屏26的方向出射的光线15和16且扩大光束出光截面大小使其覆盖棱镜膜24的单元出光面。

图9a及图9b为光线从空气入射至介质的扩束比例及光线从介质入射到空气的压束比例图。扩束膜25的第三入光面251的锯齿形单元的锯齿面与第四出光面252的夹角关系可以由图9a及图9b为光线从空气入射至介质的扩束比例及光线从介质入射到空气的压束比例与对应的光线的角度之间的关系确定。从棱镜膜24中出射的光线11及12间的截面大小与对应的棱镜膜24介质内部出射光线09及10间截面大小压束比例关系为图9a所示。从空气中入射进扩束膜25的第三入光面251的入射光线11及12间的截面大小与对应的扩束膜25的介质内部光线13及14间截面大小扩束比例关系为图9b所示。按照需求的比例关系，从而确定扩束膜25的第三入光面251的锯齿形单元的锯齿面与第四出光面252的角度关系。

图10为图3a所示结构的出射光线效果图。

Claims (3)

1.一种用于液晶显示器的背光模组，包括光源、反射膜、楔形膜，棱镜膜和扩束膜，所述的楔形膜包括第一入光面、第一出光面和第二出光面，所述的第一出光面和所述的第二出光面之间的夹角小于等于5°，所述的光源设置在所述的第一入光面一侧，所述的反射膜设置在所述的第二出光面的一侧，所述的反射膜的反射面与所述的第二出光面平行，由所述的第二出光面出射的光线照射到所述的反射膜上，经过所述的反射膜的反射面反射回所述的楔形膜中被重新利用，所述的棱镜膜位于所述的第一出光面一侧，所述的棱镜膜由若干个平行四边形棱镜组在一维方向上的阵列组成，所述的棱镜膜包括相互平行的第二入光面和第三出光面，所述的棱镜膜将所述的第一出光面射出的与所述的棱镜膜入光面呈较大入射角的平行光束折射成与所述的第一出光面成一定角度的平行光束，其特征在于在所述的第三出光面后设置有扩束膜，所述的扩束膜扩大所述的第三出光面出射的光线的光束截面积并将该出射光线转变为垂直于液晶屏的平行面光束。

2.如权利要求1所述的一种用于液晶显示器的背光模组，其特征在于所述的扩束膜包括与所述的第三出光面相邻的第三入光面和第四出光面，所述的第三入光面由多个锯齿形单元组成，每个锯齿形单元的锯齿面相互平行，所述的第四出光面为平面，所述的第四出光面平行于所述的第三出光面，所述的第四出光面与所述的液晶屏的入光面平行。

3.如权利要求1所述的一种用于液晶显示器的背光模组，其特征在于所述的光源旁设置有反射罩，用于将所述的光源发出的光反射进所述的第一入光面。

Images