CN104793282A - 侧入式导光板的光耦合模块及使用该模块的背光模组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种侧入式导光板的光耦合模块，包括一发光源、一集光器和一散射罩；所述发光源位于所述侧入式导光板的一侧，与侧入式导光板入光端面非直接耦合；所述集光器沿着光传播方向位于发光源和侧入式导光板之间，将所述发光源发出的光束收集、缩束并会聚；所述散射罩包设在所述发光源和集光器外侧，进行限位，散射罩内表面涂布一光学扩散层，用于二次收集光耦合过程损失的光能，所述散射罩设置有一出射端口与侧入式导光板入光端面对接，还涉及使用该模块的背光模组。本发明解决了导光板厚度受制于发光源截面宽度的问题，不仅能提升光能利用率，降低系统功耗，实现背光模组的薄型化，还能独立于背光模组独立装卸，方便维护，节约成本。

Description

侧入式导光板的光耦合模块及使用该模块的背光模组
技术领域
本发明涉及一种侧入式导光板的光耦合模块及使用该模块的背光模组。
背景技术
近年来，液晶显示技术由于其产品体积轻薄，占用空间小，辐射小等优点，逐渐替代了传统的阴极射线管显示技术，占据了平板显示产品的主流。液晶显示器并非主动发光型显示装置，需要背光模组为其提供照明，图像才能得以显示。背光模组的作用是将点光源或者线光源发出的光通过导光板形成液晶显示所需的面光源，它不仅决定了液晶显示器的光效率、均匀性及颜色特性，而且是背光模组薄型化的关键。
 按照发光源的排布位置可以把背光模组分为侧入式和直下式两种。随着电子元器件的微型化，侧入式背光模组在提升空间利用率为主题的应用背景下成为研究重点。如图1所示，侧入式背光模组是将发光源11设置在导光板一侧，其光学部件由发光源11、导光板13、反射板14、下扩散片15、增亮片16和上扩散片17构成。侧入式背光模组中，发光源11是线光源或者由点光源串联组成的线光源，发光源11直接置于导光板的入光端面131，将光耦合入导光板形成全反射，当光线被导光板底部的散射网点19散射后，将依次经过下扩散片15、增亮片16和上扩散片17后照明液晶面板18。通过这种方式，背光模组能够一定程度上实现液晶显示的薄型化设计。然而，如果要进一步薄型化导光板，为了尽可能多地耦合光能以提高利用率，就必须要采用截面宽度111小于导光板厚度133的发光源，否则发光源的光能将有部分不能进入到导光板中，不仅造成了能量利用率低下，而且会出现漏光现象影响对比度。发光源的截面宽度111不能随着导光板的薄型化要求无限变小，那样总光通量就无法达到要求，因此根本上来说，侧入式导光板的进一步薄型化实际是受到了发光源截面宽度111的制约，即，在保证光效率和对比度的前提下，导光板的厚度133必须要比发光源截面宽度111大。为解决这一问题，本发明提出了一种侧入式导光板的光耦合模块，它可以解决导光板厚度受制于发光源截面宽度的问题，不仅提升了光能利用率，降低了系统功耗，而且能够有效缩减导光板及背光模组的厚度，从根本上实现液晶显示背光模组的薄型化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种侧入式导光板的光耦合模块及使用该模块的背光模组，以解决侧入式导光板厚度受制于发光源截面宽度的问题，及由此出现的发光源截面宽度大于侧入式导光板入射端面时光能利用率低的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种侧入式导光板的光耦合模块，其特征在于：包括一发光源、一集光器和一散射罩；
所述发光源位于所述侧入式导光板的一侧，与侧入式导光板入射端面非直接耦合；
所述集光器沿着光传播方向位于所述发光源和所述侧入式导光板之间，将所述发光源发出的光束收集、缩束并会聚；
所述散射罩包设在所述发光源和集光器外侧，所述散射罩内表面涂布一光学扩散层，所述光学扩散层含有随机分布的散射颗粒，用于二次收集光耦合过程损失的光能，所述散射罩设置有一出射端口与所述侧入式导光板入射端面对接。
在本发明一实施例中，所述发光源为线光源或由点光源串联而成的线光源，所述发光源的横截面宽度大于所述侧入式导光板的厚度，发光源发光面的法线方向与侧入式导光板的入光端面的法线方向非平行。
在本发明一实施例中，所述集光器包含至少一个自由曲面，所述曲面为非均匀有理B样条曲面，其表达式如下：
式中：为控制顶点，为权因子，和分别为次和次规范B样条基函数，由下述节点向量定义：
。
在本发明一实施例中，所述自由曲面具有自身非旋转对称性，所述自由曲面相对发光源发光面的法线中心也不具有对称性，所述自由曲面近发光源一侧的曲面轮廓线的切线的水平角大于所述自由曲面近侧入式导光板的曲面轮廓线的切线的水平角。
在本发明一实施例中，所述自由曲面平行于侧入式导光板入射端面的最大截面面积小于所述自由曲面平行于发光源发光面的最大截面面积。
在本发明一实施例中，所述集光器还包含一微结构，所述微结构为多个连续排布的棱镜峰，所述棱镜峰对发光源发光面的夹角为20°至40°，用于对发光源发出的光束进行进一步缩束。
在本发明一实施例中，还包含一自由曲面透镜，所述自由曲面透镜位于所述发光源和所述集光器之间，用于对发光源发出的光束进行进一步缩束。
在本发明一实施例中，所述集光器的出射光于侧入式导光板入射端面会聚处的光斑尺寸小于所述侧入式导光板入射端面尺寸。
在本发明一实施例中，所述散射罩内表面设置有限位凸台，用于固定所述发光源和集光器。
一种使用如前所述的侧入式导光板的光耦合模块的背光模组，其特征在于：包括一侧入式导光板和一光耦合模块，所述光耦合模块的出射光经侧入式导光板形成平面光源出射，所述背光模组用于手提装置、液晶电脑显示装置、液晶电视及检测装置的背光照明。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明改变了传统系统中发光源直接耦合至导光板的光线路径，采用提出的光耦合模块，发光源发出的光线先通过集光器收集、缩束和会聚，再耦合入导光板的入光面，能够保证导光板的集光效率的同时降低导光板的厚度；而且，光耦合过程损失的光能量能够由散射罩二次收集，进一步提升光能利用率，降低系统功耗，所以，本发明的提出使得侧入式导光板的厚度不再受限于发光源的截面宽度，使得更薄的导光板能够得以应用，从根本上实现背光模组的薄型化的同时保证了系统的高光能利用率。
附图说明
图1为现有技术的侧入式背光模组的结构示意图。
图2为本发明实施例1中侧入式导光板的光耦合模块安装于背光模组中的示意图。
图3为本发明实施例2中侧入式导光板的光耦合模块安装于背光模组中的示意图。
图4为本发明实施例3中侧入式导光板的光耦合模块安装于背光模组中的示意图。
图5为本发明实施例4中侧入式导光板的光耦合模块安装于背光模组中的示意图。
图6为本发明实施例5中侧入式导光板的光耦合模块安装于背光模组中的示意图。
图7为本发明实施例6中侧入式导光板的光耦合模块安装于背光模组中的示意图。
图中：11-发光源；111-发光源截面宽度；112-发光源发光面；13-侧入式导光板；131-侧入式导光板入光端面；132-侧入式导光板出光端面；133-侧入式导光板厚度；14-反射板；15-下扩散片；16-增亮片；17-上扩散片；18-液晶面板；19-散射网点；21-集光器；211-集光器反射自由曲面；212-集光器入射平面；213-集光器出射平面；214-集光器出射自由曲面；215-微结构；216-集光器入射自由曲面；32-散射罩；321-散射罩出射端口；322-限位凸台；323-散射罩内表面；41-自由曲面透镜；51-光耦合模块。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：如图2所示是本发明实施例1的示意图。侧入式导光板的光耦合模块51包括一发光源11，一集光器21，及一散射罩32，所述侧入式导光板13为可透光的楔形板或平面板结构，其材质以亚克力为主，所述侧入式导光板13的侧面为侧入式导光板入光端面131，上表面为侧入式导光板出光端面132，侧入式导光板出光端面132与液晶面板18相对应。
所述发光源11位于集光器21下方，与侧入式导光板入射端面131非直接耦合，是整个背光模组的照明光源，发光源11是线光源或者是由点光源串联组成的线光源，其横截面宽度111大于侧入式导光板的厚度133，从而使得侧入式导光板厚度133取得更薄的值时，不会受到发光源横截面宽度111的限制，发光源发光面112的法线方向与侧入式导光板入光端面131的法线方向非平行，于本实施例中成一定的夹角，但此夹角非局限于此固定值。
所述集光器21沿着光传播方向位于发光源11和侧入式导光板13之间，该集光器21在光路中起到光学功能的是其唯一的集光器反射自由曲面211，根据反射定律将发光源11发出的光束收集、缩束并会聚。集光器21的表面应镀膜形成镜面反射层，具体的工艺为现有的成熟工艺。集光器反射自由曲面211自身具有非旋转对称结构，相对发光源11也不具对称性，且近发光源11一侧的曲面轮廓线的切线的水平角大于近侧入式导光板13一侧的曲面轮廓线的切线的水平角。集光器反射自由曲面211在平行于侧入式导光板入光端面132的最大截面面积小于集光器反射自由曲面211在平行于发光源发光面112的最大截面面积。集光器反射自由曲面211的计算方法分三步如下：第一步，确定发光源11放置的位置，以及获得其空间光强分布曲线，即空间每一单位立体角内的光通量都是已知；第二步，确定散射罩出射端口321附近作为光束会聚点，即确定每条光束的终点；第三步，将光能量按单位空间立体角划分，根据反射定律求解集光器反射自由曲面211在空间某点处的法向量；第四步，由集光器反射自由曲面211各点空间法向量按非均匀有理B样条(NURBS曲面)构建出所述的集光器反射自由曲面211。作为优选方案，集光器反射自由曲面211的超精密加工可采用五轴超精密加工设备（如Freeform 705G五轴自由曲面加工设备）。
所述散射罩32包设在发光源11和集光器21的外侧，散射罩出射端口321与侧入式导光板入光端面131对接，因此，发光源11发出的光经过集光器反射自由曲面211的反射会聚经由散射罩出射端口321耦合入侧入式导光板13。散射罩内表面323涂布一层光学扩散层，所述光学扩散层含有随机分布的散射颗粒，用于二次收集光耦合过程损失的光能。散射罩内表面323设有限位凸台322，用于固定发光源11和集光器21。由此，侧入式导光板厚度133不再受限于发光源的截面宽度111，使得更薄的侧入式导光板13能够得以应用，从根本上实现背光模组的薄型化的同时保证了系统的高光能利用率。
实施例2：如图3所示是本发明实施例2的示意图。与本发明实施例1相比较区别在于，集光器21在光路中起到光学功能的有三个面，分别是集光器入射平面212，集光器反射自由曲面211和集光器出射平面213。所述的集光器入射平面212和集光器出射平面213改变了光线传播方向，但对光焦度没有贡献，实质上相当于仅有集光器反射自由曲面211对光焦度有所影响，为此，设计时，应先计算发光源11及散射罩出射端口321（作为会聚点）相对于集光器入射平面212和集光器出射平面213的等效位置，依此作为计算自由曲面的基础。本实施例依然能够保持系统的高光能利用率，同时从根本上实现背光模组的薄型化。
实施例3：如图4所示是本发明实施例3的示意图。与本发明实施例1相比较区别在于，集光器21在光路中起到光学功能的有三个面，分别是集光器入射平面212，集光器反射自由曲面211和集光器出射自由曲面214。所示的光耦合模组内的集光器21包括两个自由曲面，集光器反射自由曲面211对光束进行收集、缩束，集光器出射自由曲面214对光束进一步缩束并产生会聚的光斑于散射罩出射端口321。本实施例依然能够保持系统的高光能利用率，同时从根本上实现背光模组的薄型化。
实施例4：如图5所示是本发明实施例4的示意图。与本发明实施例3相比较区别在于，集光器21的入射处改进为优选的微结构215，该微结构215体现为多个连续排布的棱镜峰，各棱镜峰对发光源发光面112的夹角为20°至40°的倾斜角度，能够对光束进行初步的缩束，减小光束口径。此后，集光器反射自由曲面211对光束进行再次收集、缩束，最后由集光器出射自由曲面214对光束产生会聚的光斑于散射罩出射端口321。本实施例依然能够保持系统的高光能利用率，同时从根本上实现背光模组的薄型化。
实施例5：如图6所示是本发明实施例5的示意图。与本发明实施例3相比较区别在于，在发光源11发出的光束到达集光器21前，加入一片自由曲面透镜41，其光焦度为正。自由曲面透镜41自身具有入射面和出射面，该面均可以是旋转对称结构或非旋转对称结构，当设计为旋转对称结构时，自由曲面透镜41能够对光束进行初步的缩束，减小光束口径；当设计为非旋转对称结构时，自由曲面透镜41能够对光束进行初步的缩束的同时，对光束进行整形，以匹配集光器入射平面212的形状，达到光能最大化利用。本实施例依然能够保持系统的高光能利用率，同时从根本上实现背光模组的薄型化。
实施例6：如图7所示是本发明实施例6的示意图。与本发明实施例3相比较区别在于，集光器21在光路中起到光学功能的有三个面，分别是集光器入射自由曲面216，集光器反射自由曲面211和集光器出射自由曲面214。所示的光耦合模组内的集光器包括三个自由曲面，即由三个面累加完成对发光源11发出光束的收集、缩束与会聚。本实施例依然能够保持系统的高光能利用率，同时从根本上实现背光模组的薄型化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种侧入式导光板的光耦合模块，其特征在于：包括一发光源、一集光器和一散射罩；
所述发光源位于所述侧入式导光板的一侧，与侧入式导光板入光端面非直接耦合；
所述集光器沿着光传播方向位于所述发光源和所述侧入式导光板之间，将所述发光源发出的光束收集、缩束并会聚；
所述散射罩包设在所述发光源和集光器外侧，所述散射罩内表面涂布一光学扩散层，所述光学扩散层含有随机分布的散射颗粒，用于二次收集光耦合过程损失的光能，所述散射罩设置有一出射端口与所述侧入式导光板入光端面对接。
2.根据权利要求1所述的侧入式导光板的光耦合模块，其特征在于：所述发光源为线光源或由点光源串联而成的线光源，所述发光源的横截面宽度大于所述侧入式导光板的厚度，发光源发光面的法线方向与侧入式导光板的入光端面的法线方向非平行。
3.根据权利要求1所述的侧入式导光板的光耦合模块，其特征在于：所述集光器包含至少一个自由曲面，所述曲面为非均匀有理B样条曲面，其表达式如下：
式中：为控制顶点，为权因子，和分别为次和次规范B样条基函数，由下述节点向量定义：
。
4.根据权利要求3所述的侧入式导光板的光耦合模块，其特征在于：所述自由曲面具有自身非旋转对称性，所述自由曲面相对发光源发光面的法线中心也不具有对称性，所述自由曲面近发光源一侧的曲面轮廓线的切线的水平角大于所述自由曲面近侧入式导光板的曲面轮廓线的切线的水平角。
5.根据权利要求3所述的侧入式导光板的光耦合模块，其特征在于：所述自由曲面平行于侧入式导光板入光端面的最大截面面积小于所述自由曲面平行于发光源发光面的最大截面面积。
6.根据权利要求3所述的侧入式导光板的光耦合模块，其特征在于：所述集光器还包含一微结构，所述微结构为多个连续排布的棱镜峰，所述棱镜峰对发光源发光面的夹角为20°至40°，用于对发光源发出的光束进行进一步缩束。
7.根据权利要求1所述的侧入式导光板的光耦合模块，其特征在于：还包含一自由曲面透镜，所述自由曲面透镜位于所述发光源和所述集光器之间，用于对发光源发出的光束进行进一步缩束。
8.根据权利要求1所述的侧入式导光板的光耦合模块，其特征在于：所述集光器的出射光于侧入式导光板入光端面会聚处的光斑尺寸小于所述侧入式导光板入光端面尺寸。
9.根据权利要求1所述的侧入式导光板的光耦合模块，其特征在于：所述散射罩内表面设置有限位凸台，用于固定所述发光源和集光器。
10.一种使用如权利要求1-9任一项所述的侧入式导光板的光耦合模块的背光模组，其特征在于：包括一侧入式导光板和一光耦合模块，所述光耦合模块的出射光经侧入式导光板形成平面光源出射，所述背光模组用于手提装置、液晶电脑显示装置、液晶电视及检测装置的背光照明。
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