CN103430056B - 微透镜阵列片以及包括所述微透镜阵列片的背光单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有提高的光学性能的微透镜阵列片和具有该微透镜阵列片的背光单元，更具体地，本发明涉及一种微透镜阵列片和具有该微透镜阵列片的背光单元，所述微透镜阵列片包括：基底部；以及在所述基底部的一面上形成的多个微透镜，其中，所述多个微透镜具有不规则的阵列，并且两个彼此相邻微透镜的中点之间的距离的标准偏差，是在选择一个微透镜之后，与所选择微透镜中点相邻微透镜之间的平均间距（p）的2%至20%。

Description

微透镜阵列片以及包括所述微透镜阵列片的背光单元

技术领域

本发明涉及一种微透镜阵列片以及包括所述微透镜阵列片的背光单元，更特别地，本发明涉及一种在微透镜阵列片上设置有微透镜以减少莫尔图形（moire pattern）并改善光学特性的微透镜阵列片及包括所述微透镜阵列片的背光单元。

背景技术

液晶显示装置是一种通过采用因施加电压而引起的液晶透射率的变化，从而将不同设备所产生的电信号转换为视觉信息的电子装置。由于具有小尺寸、重量轻、以及低耗能的优点，液晶显示装置已被认为可取代阴极射线管（CRT），且现在亦用于大多数需要显示装置的信息处理设备。

在这类的液晶显示装置中，向液晶施加电压以改变其中的分子排列，因而改变液晶的光学特性，例如双折射、旋光强度、二色性以及光散射。也就是说，液晶显示装置使用液晶来调整光。由于液晶显示装置本身并不产生光，因此需要额外的光源以照亮液晶装置的屏幕。此类照明光源一般称为背光单元。

背光单元根据其发出光的灯的位置可分为侧光型（edge-type）背光单元及直下型（direct-type）背光单元。侧光型背光单元包括在导光板侧边的灯，所述导光板引导由所述灯发出的光线。所述侧光型背光单元用于小型的液晶显示装置，如桌上型计算机屏幕以及笔记型计算机，其优点在于均匀照明、耐久性、以及尺寸缩小。另一方面，直下型背光单元的开发是为了应用于具有20英寸或更大屏幕的显示装置。这种直下型背光单元包括排列于液晶面板下的灯，用以直接照明整个液晶面板。

先前，线性光源如冷阴极荧光灯（CCFLs）广泛用作背光单元的灯。然而，发光二极管（LEDs）由于具有如良好色彩重现性、环保、纤薄轻盈和明亮以及低能耗等优点，而在现今被广泛用作背光单元的灯。

这种背光单元可包括多个光学膜，用于发散或收集由光源发出的光、增强亮度、或降低称为“灯暗区（lamp mura）”的不均匀照明。图1是说明相关领域的示例性直下型背光单元的视图。如图1所示，多个光源2排列于反光板1上，并且散光板3设置于光源2的上方，以使整个屏幕的亮度均匀并支撑光学膜。可以使用至少一个散光膜4以及至少一个聚光膜5以根据有效的可视范围会聚被散光板3发散的光线并提高屏幕亮度的均匀性。

聚光膜的实例包括棱镜膜、透镜膜和微透镜阵列（MLA）片。MLA片同时具有聚光与散光的功能。然而，如图2所示，若微透镜被周期性地排列在MLA片上，当将所述MLA片置于另一具有周期性排列或图形的光学片或具有周期性像素的LCD面板上时，由于几何干扰可能会出现莫尔图形。

术语“莫尔图形”指的是当两个或更多个图形彼此叠合时产生的干涉图形。举例来说，如果两个具有相似明暗图形的光学膜叠合，则会形成新的明暗图形，被称为“莫尔图形”。

由于此类不必要的图形可能会因为莫尔图形而出现于在LCD上所显示的图像中，因此需要通过一种方法预防或移除这种莫尔图形，例如从叠合的图形中消除周期性。但是，在这种情况下，亮度可能会大幅降低。

图像显示装置的亮度和视角是重要的特性，并且已知是由背光单元光学片的特性所决定。近年来，已广泛使用半球型微透镜阵列片，然而，这种半球型微透镜阵列片在改进亮度上具有局限，并导致在视角增加时使亮度降低。

因此，需要开发一种微透镜阵列片，该微透镜阵列片包括改善莫尔图形的微透镜排列，同时使亮度降低最小化。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种微透镜阵列片，其能够在维持亮度的同时减少莫尔图形。

本发明的另一方面是提供一种微透镜阵列片，其包括锥形透镜以改进亮度与视角特性。

本发明的又一方面是提供一种背光单元，其包括能够减少莫尔图形以及改进亮度和视角特性的微透镜阵列片。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种微透镜阵列片，包括：基底；以及设置在所述基底的一侧上的多个微透镜，其中，所述微透镜是不规则排列的，并且所述微透镜的任意两个相邻微透镜的中心之间的距离的标准偏差，是从任一给定微透镜的中心至与其相邻微透镜的中心所测量的平均间距（p）的2%至20%。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括所述微透镜阵列片的背光单元。

所述背光单元可包括两个这种微透镜阵列片。

有益效果

如上所述，根据本发明，所述微透镜阵列片的微透镜并不周期性地排列，从而在使亮度降低最小化的同时减少莫尔图形。另外，如果在微透镜阵列片上设置锥形透镜作为微透镜，则可以同时改进亮度和视角特性。因此，如果将所述微透镜阵列片用于液晶面板，则可以降低因莫尔图形引起的光图样和阴影图，从而能够显示高质量的图像。

附图说明

图1是说明示例性背光单元的示意图。

图2是说明相关领域中具有排列成蜂巢图形的微透镜的微透镜阵列片的仰视图。

图3是说明根据本发明的一个实施方式的具有在预定区域内随机排列的微透镜的示例性微透镜阵列片的示意性仰视图。

图4是说明具有如图3所示排列的微透镜阵列片的立体图。

图5是说明根据本发明的一个实施方式的背光单元的示意图。

图6是根据实施例1，利用光学研究协会的光工具（LightTools）从相互迭合的、之间具有约5°扭角的两个聚光膜获得的莫尔图形。

图7是根据实施例2，利用光学研究协会的光工具从相互迭合的、之间具有约5°扭角的两个聚光膜获得的莫尔图形。

图8是根据比较例1，利用光学研究协会的光工具从相互迭合的、之间具有约5°扭角的两个聚光膜获得的莫尔图形。

图9是根据比较例2，利用光学研究协会的光工具从相互迭合的、之间具有约5°扭角的两个聚光膜获得的莫尔图形

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。

本发明涉及一种微透镜阵列片，包括：基底；以及设置在所述基底的一侧上的多个微透镜，其中，所述微透镜是不规则排列的，并且所述微透镜的任意两个相邻微透镜的中心之间的距离的标准偏差，是从任一给定微透镜的中心至与其相邻微透镜的中心所测量的平均间距（p）的2%至20%。

在本发明的微透镜阵列中，优选地，所述微透镜的任意两个相邻微透镜的中心之间的距离的标准偏差，是从任一给定微透镜的中心至与其相邻微透镜的中心所测量的平均间距（p）的2%至20%。更优选地，所述标准偏差是平均间距（p）的2%至14%。最优选地，所述标准偏差是平均间距（p）的2%至9%。如果所述标准偏差小于平均间距（P）的2%，则因为所述微透镜的周期性没有充分降低，使得降低莫尔图形的效果不明显。如果标准偏差大于平均间距（p）的20%，则亮度降低。

更优选地，根据本发明，所述微透镜满足上述范围要求且是不规则排列的。如果所述微透镜规则排列，即使在所述微透镜满足上述标准偏差的范围要求的情况下，也会因为微透镜的周期性而产生莫尔图形。

另外，在本发明的微透镜阵列片中，优选平均间距（P）在10μm至500μm的范围内。如果平均间距（P）小于10μm，则难以制造生产透镜的模具，而当平均间距（P）大于500μm时，微透镜的高度和体积增加，从而提高制造成本，而且能够轻易的以肉眼辨识微透镜且由于光线均匀度降低，使得外观质量下降。

优选地，如图2所示，本发明的微透镜可以每三个彼此相邻微透镜的中心形成三角形作为基础阵列单元（从Al至A6）的方式排列。在图2中，Ll、L2以及L3表示三角形各边的长度，θ1、θ2和θ3表示三角形的内角。

在本发明中，由微透镜中心所形成的三角形可具有不同的面积。

所述三角形（背光单元）的面积优选变化2%到20%。更优选地，所述三角形（背光单元）的面积变化2%至9%。如果所述三角形面积变化少于2%，则会因为并未充分降低微透镜的周期性而使得降低莫尔图形的效果不明显，而如果所述三角形面积变动大于20%，则亮度将会降低。

另外，在本发明的微透镜阵列片中，50%以下的基础阵列单元为正三角形基础阵列单元。图2说明了相关领域中的微透镜阵列片的微透镜。如图2所示，在相关领域的微透镜阵列片中，微透镜以蜂巢图形规则排列，从而由微透镜的中心形成正三角形。然而，如果所述微透镜阵列片迭合于具有周期性设置的像素的液晶显示（LCD）面板上，则可能出现莫尔图形，并且所述图像显示装置的图像质量可能会降低。因此，在本发明的微透镜阵列片中，微透镜基本上以三角形的形式排列，但是变化基础阵列单元以降低莫尔图形以及防止亮度降低。为了有效地降低莫尔图形，优选50%以下的基础阵列单元为正三角形基础阵列单元。

更优选地，所述基础阵列单元不包括正三角形基础阵列单元。此外，所述基础阵列单元可满足下列公式（1）或（2）。例如，所述基础阵列单元可同时满足下列公式（1）和（2）。

0.8×P≤L1，L2，L3≤1.2×P    公式（1）

48°≤θ1，θ2，θ3≤72°        公式（2）

在公式（1）中，Ll、L2与L3表示各基础阵列单元的边的长度，P表示微透镜之间的平均间距。在公式（2）中，θ1、θ2和θ3表示各基础阵列单元的内角。

如果各基础阵列单元的边的长度超出平均间距（P）的80%至120%的范围，则亮度会明显降低，而如果所述基础阵列单元的内角超出48°至72°的范围时，则亮度也会明显降低。

换句话说，如果所述微透镜阵列片的微透镜以随机方式不规则排列以减少莫尔图形，则亮度可能会明显降低。因此，在本发明中，微透镜是以在上述范围中的有限的随机形式进行不规则排列，以便在亮度降低最少的情况下减少莫尔图形。

此外，本发明中的微透镜可具有选自半球型、圆锥状（cone shape）、锥状（conic shape）以及椭圆状的形状。然而，所述微透镜的形状并不限于此。举例来说，微透镜可具有其它形状，例如多棱锥形、截多棱锥形以及非球面形状。

此外，所述微透镜的平均直径（D）可为所述平均间距的90%至126%。如果所述微透镜的平均直径少于所述平均间距的90%，则亮度和一般微透镜阵列片一样低。如果所述微透镜的平均直径大于所述平均间距的126%，则所述微透镜的平均直径大于微透镜空隙率为0时的直径。也就是说，在此情况下，微透镜凸起不足够。

设置在微透镜阵列片基底上的微透镜可具有不同的底部直径（D）。然而，优选微透镜具有相同的底部直径。如果所述微透镜具有同样的底部直径，则可容易地调整所述微透镜的随机排列，以在亮度降低最少的情况下减少莫尔图形。

此外，在本发明中，优选所述微透镜的高度在平均间距（P）的20%至100%的范围内。如果所述微透镜的高度少于平均间距（P）的20%，则亮度和一般微透镜阵列片的情况一样低；如果所述微透镜的高度大于平均间距（P）的100%，则所述微透镜难以制造，并且亮度也会和一般微透镜阵列片的情况一样低。所述微透镜可具有不同的高度。然而，如果所述微透镜具有相同的高度，则可容易地调整所述微透镜的随机排列，以在亮度降低最少的情况下减少莫尔图形。

本发明的微透镜可为锥状透镜。在此，术语“锥状透镜”指的是具有圆形的底部以及双曲线或拋物线中央垂直剖面的任一透镜。然而，具有三角形的中央垂直剖面的圆锥状透镜、具有半圆的中央垂直剖面的半球形透镜以及具有椭圆形的中央垂直剖面的椭圆状透镜均不是锥状透镜。

各锥状透镜的形状可以下列公式（3）表示的，其中，H表示从锥状透镜的底部到虚拟顶点的高度，r表示锥状透镜顶部的曲率半径，且k表示锥状常数。一般而言，弯曲透镜的形状以具有透镜顶部曲率半径（r）作为变量以及锥状常数（k）作为变量的函数表示。所述锥状常数（k）是决定所述透镜形状的因子，当k=0，透镜为圆形；当k=-l，透镜为拋物线状；若-l<k<0，透镜为椭圆状；若k<-1，透镜为双曲线状。

$y=H-\frac{x^2/r}{1+\sqrt{1-(1+k){(1/r)}^2{x}^2}}$ 公式（3）

在本发明中，优选锥状透镜的锥状常数（k）在-3至-1的范围内。更优选地，所述锥状透镜的锥状常数（k）在-2.8至-1.5的范围内。

此外，优选所述锥状透镜的曲率半径（r）在平均间距（P）的0.2%至26%的范围内。更优选所述锥状透镜的曲率半径（r）在平均间距（P）的2%至20%的范围内。若所述锥状透镜的曲率半径（r）小于平均间距（P）的0.2%，则所述锥状透镜的顶部可能在制造过程中受损；若所述锥状透镜的曲率半径（r）大于平均间距（P）的26%，则聚光效率低。

本发明的示例性微透镜阵列在图3以及图4中示出。图3说明了具有圆形底部的微透镜的示例性排列方式，而图4说明了示例性的微透镜阵列片，其中微透镜根据本发明的实施方式排列于所述微透镜阵列片上。

接下来，将根据本发明的实施方式，说明关于制造微透镜阵列片的方法。

由于使用模具制备微透镜阵列片的方法在相关领域中是公知的，因此，本领域的普通技术人员根据本公开和相关技术可以容易地制备本发明的微透镜阵列片。

例如，本发明的微透镜阵列片可通过如下步骤制备：使用如热塑性树脂等的材料通过挤压法形成膜状基底以形成基底；通过沿着基底滚动刻有透镜图形的辊或者在所述基底与板形模具之间注入可固化的树脂，来在所述基底的出光侧上形成图形；并且用紫外光或热来固化所述基底。

此外，通过在基底上设置刻有锥状透镜图形的模具，在所述基底与模具之间提供可固化树脂溶液，并固化树脂溶液，可在基底上形成锥状透镜。此外，通过例如以下的方法可在基底上形成锥状透镜：利用不对称珠子（bead）的方法、使用激光的掩膜蚀刻法、直接加工法以及光刻法等。

能够用于本发明的可固化树脂的实例包括：聚氨酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯以及自由基生成单体。这些树脂可单独或者组合使用。然而，本发明并不限于此。具有不同的形状、高度和间距的透镜可利用刻有不同图形的模具来形成。

模具可通过公知的方法刻上透镜图形，例如机械切割法、光刻胶回流法、光刻胶激光照射法、液滴涂布法或激光蚀刻法。这类的模具可具有板形，履带形（caterpillar shape）或鼓形（drum shape），并且可由金属（例如镍和铬）、硬质材料（例如陶瓷材料）、或涂布有聚合物或二氧化硅的聚合物膜而形成。

此外，本发明涉及一种使用所述微透镜阵列片的背光单元。所述背光单元包括光源单元以及设置在所述光源上方的至少一个微透镜阵列片。

上述的微透镜阵列片包括在所述背光单元中。所述微透镜阵列片设置在所述光源单元以及用于在液晶显示装置上显示图像的液晶面板之间。

倘若所述背光单元为侧光型背光单元，所述微透镜阵列片可设置在导光板以及液晶面板之间。若所述背光单元为直下型背光单元，所述微透镜阵列片可设置在所述光源单元以及所述液晶面板之间，例如，在散光板上方。具有高反射率的反光板可设置在光源单元下方，以重复利用来自微透镜阵列片底部的入射光。若所述背光单元为侧光型背光单元，则所述反光板可设置在导光板下方。

本发明的背光单元可包括额外的光学膜以及微透镜阵列片。所述额外的光学膜可为公知的光学膜，例如散光膜和聚光膜。也就是说，若有需要，可使用一种或多种这样的光学膜。

此外，所述背光单元可包括两个微透镜阵列片。

下文中，将列举出具体的实施例以便更进一步了解本发明。

实施例1

形成各自具有二维排列的微型锥状透镜的聚光膜。所述锥状透镜满足下列条件：公式3的中直径D=55μm，r=3μm，且k=-2.18，间距（P）=50μm的蜂巢形状排列，任一两个相邻锥状透镜的中心之间距离的标准偏差=2.3μm，且三角形基础阵列单元的面积变化=4.5%。

实施例2

除了任意两个相邻锥状透镜的中心之间距离的标准偏差=9.2μm，以及三角形基础阵列单元的面积变化=18.5%之外，在与实施例1相同的条件下形成具有二维排列的微型锥状透镜的聚光膜。

比较例1

除了锥状透镜被规则排列之外，在与实施例1相同的条件下形成具有二维排列的微型锥状透镜的聚光膜。

比较例2

除了任意两个相邻锥状透镜的中心之间距离的标准偏差=0.6μm，以及三角形基础阵列单元的面积变化=1%之外，在与实施例1相同的条件下形成具有二维排列的微型锥状透镜的聚光膜。

将于实施例1和2以及比较例1和2每个中制备的两个聚光膜以两聚光膜之间成大约5°的扭角置于背光单元上，且用光线追踪程序（光学研究协会的光工具）模拟中央亮度及莫尔图形特性。模拟的亮度值在下表1中示出。模拟的实施例1和2的莫尔图形特性分别在图6和7中示出，而模拟的比较例1和2的莫尔图形特性分别在图8和9中示出。

根据模拟结果，与规则透镜排列相比，本发明的透镜排列（实施例1和2）使得亮度降低较少并且莫尔图形的形成稍微减少。

附图标记

D：直径

L1、L2和L3：各基础阵列单元的边的长度

θ1、θ2和θ3：各基础阵列单元的内角

A1至A6：基础阵列单元

10、10’：微透镜阵列片

11：导光板

12：光源

13：反光板

Claims (12)

1.一种微透镜阵列片，包括：

基底；以及

设置在所述基底的一侧上的多个微透镜，

其中，所述微透镜是不规则排列的，并且所述微透镜的任意两个相邻微透镜的中心之间的距离的标准偏差，是从任一给定微透镜的中心至与其相邻微透镜的中心所测量的平均间距(p)的2％至20％，

其中，所述微透镜为锥状透镜，该锥状透镜具有下列公式(3)的特征，

$y=H-\frac{x^2/r}{1+\sqrt{1-(1+k){(1/r)}^2{x}^2}}$    公式(3)

其中，H表示从各锥状透镜的底部到虚拟顶点的高度，k表示锥状常数，r表示各锥状透镜顶部的曲率半径，并且锥状常数(k)在-3至-1的范围内。

2.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，所述平均间距(P)在10μm至500μm的范围内。

3.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，所述微透镜的每三个彼此相邻微透镜的中心形成三角形作为基础阵列单元，并且所述基础阵列单元的面积在2％到20％的范围内变化。

4.权利要求3所述的微透镜阵列片，其中，50％以下的基础阵列单元为正三角形基础阵列单元。

5.权利要求4所述的微透镜阵列片，其中，所述基础阵列单元满足下列公式(1)：

0.8×P≤L1，L2，L3≤1.2×P      公式(1)

其中，Ll、L2与L3表示各基础阵列单元的边的长度，P表示微透镜之间的平均间距。

6.权利要求4所述的微透镜阵列片，其中，所述基础阵列单元满足下列公式(2)：

48°≤θ1，θ2，θ3≤72°      公式(2)

其中，θ1、θ2和θ3表示各基础阵列单元的内角。

7.权利要求4所述的微透镜阵列片，其中，所述基础阵列单元可满足下列公式(1)和(2)：

0.8×P≤L1，L2，L3≤1.2×P     公式(1)

48°≤θ1，θ2，θ3≤72°     公式(2)

其中，Ll、L2与L3表示各基础阵列单元的边的长度，P表示微透镜之间的平均间距，θ1、θ2和θ3表示各基础阵列单元的内角。

8.权利要求4所述的微透镜阵列片，其中，所述微透镜的平均直径(D)在所述微透镜之间的平均间距(P)的90％至126％的范围内。

9.权利要求4所述的微透镜阵列片，其中，所述微透镜具有圆形的底部，所述底部具有相同的直径。

10.权利要求4所述的微透镜阵列片，其中，所述微透镜的高度在所述微透镜的平均间距(P)的20％至100％的范围内。

11.权利要求1所述的微透镜阵列片，其中，所述曲率半径(r)在1μm-10μm的范围内。

12.一种背光单元，其包括权利要求1至11中任一项所述的微透镜阵列片。