CN105705987A - 包含降频转换膜元件的背光系统 - Google Patents

包含降频转换膜元件的背光系统 Download PDF

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范舒晴
榛泽文久
中村达也
白鸟英明
约翰·F·范德洛弗斯科三世
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Abstract

本发明提供了一种具有可视区的侧光式LCD背光单元，该侧光式LCD背光单元包括(a)降频转换膜元件、(b)包括提取元件的光导、(c)反射器和(d)蓝光LED。提取元件延伸超过可视区。

Description

包含降频转换膜元件的背光系统
技术领域
本发明涉及改善包含降频转换膜元件的背光系统的色彩均匀度的方法以及改进的背光系统。
背景技术
液晶显示器(LCD)是非发射显示器，其将单独的背光单元以及红色、绿色和蓝色滤色器用于像素以在屏幕上显示彩色图像。红色、绿色和蓝色滤色器分别将背光单元发射的白光分为红光、绿光和蓝光。LCD装置可显示的色彩范围被称作色域。
LCD背光系统通常包括包含反射板或反射膜的膜叠堆、包含提取特征结构的光导(例如，导光板或导光膜)、漫射片、光重定向膜(例如，棱镜膜、透镜膜和/或其他增亮膜)和/或反射偏光片。传统上，LCD利用由蓝色LED芯片与黄光YAG荧光粉相结合构成的白光发光二极管(LED)。移动式/手持式装置通常为侧光式，并且包含光导，以使光均匀地分布在显示区域上。然后使用漫射片将“白”光扩散出光导。然而，最近已经开发出具有改善的色域的LCD。在这些LCD中，白光LED被蓝光LED取代，并且漫射片被主动转换色彩的降频转换膜元件取代。降频转换片可包括例如红色和绿色量子点、荧光粉、荧光染料等。仅将典型LCD背光源中的底部漫射片替换为量子点膜元件，可显著增大所获得的色域(例如，增大50％)。
与包含量子点膜元件或其他降频转换膜元件的背光系统相关联的一个问题在于靠近背光源边界(即，显示器的可视区的边缘处)的色彩不均匀。通常，这种不均匀性表现为显示器可视区的边缘处的蓝辉光。这种辉光通常被认为是由从背光系统的边缘泄漏的蓝光造成的。
发明内容
根据上述观点，我们认识到需要改善包含降频转换膜元件的背光系统的色彩均匀度。
出人意料地，我们发现包含降频转换膜元件的显示器的可视区边缘处的色彩不均匀性并非仅由此前认为的蓝光泄漏所引起的。相反，我们发现该色彩不均匀性主要是由显示器边缘处的红光和绿光不足引起的，因为红光和绿光与蓝光相比，存在角分布的差异。
简而言之，在一个方面，本发明提供了具有可视区的侧光式LCD背光单元，该侧光式LCD背光单元包括(a)降频转换膜元件、(b)包括提取元件的光导、(c)反射器和(d)蓝光LED；其中提取元件延伸超过可视区。
在另一方面，本发明提供了LCD背光单元，该LCD背光单元包括(a)支撑结构、(b)降频转换膜元件、(c)反射器、(d)蓝光LED和(e)高反射材料和降频转换材料中的至少一种；其中高反射材料或降频转换材料与降频转换膜元件的边缘重叠或施加于支撑结构。
在另一方面，本发明提供了具有可视区的侧光式LCD背光单元，该侧光式LCD背光单元包括(a)支撑结构、(b)降频转换膜元件、(c)包括提取元件的光导、(d)反射器、(e)蓝光LED和(f)高反射材料和降频转换材料中的至少一种；其中高反射材料或降频转换材料与降频转换膜元件的边缘重叠或施加于支撑结构，并且其中提取元件延伸超过可视区。
在又一方面，本发明提供了改善跨具有可视区的LCD背光单元的色彩均匀度的方法。该方法包括在可视区的至少一个边缘中增加红光和绿光；其中LCD背光单元包括降频转换膜元件、反射器和蓝光LED。
附图说明
结合以下对附图和具体实施方式的详细说明可以更加全面地理解本发明。
图1是光导和提取图案化区域的顶视图。
图2是实施例中所用的测量设置的图示。
图3a是图2所示的设置的相机图像。
图3b是图2所示的设置的测量数据。
图4是图2所示的设置的测量数据。
图5a是光导和提取图案的顶视图。
图5b是图5a所示的区域的相机图像。
图6a是光导和提取图案的顶视图。
图6b是图6a所示的区域的相机图像。
图7是对应于图5b和图6b的测量数据。
图8是对应于图5b和图6b的测量数据。
图9是对应于图6b的测量数据。
图10是实施例中所用的测量设置的图示。
图11a是基于图10的设置的一对相机图像。
图11b是对应于图11a的测量数据。
图12是实施例中所用的测量设置的图示。
图13a是基于图12的设置的一对相机图像。
图13b是对应于图13a的测量数据。
图14a是基于图12的设置的另一组相机图像。
图14b是对应于图14a的测量数据。
图15是实施例中所用的测量设置的图示。
图16a是基于图15的设置的一对相机图像。
图16b是对应于图16a的测量数据。
图17是实施例中所用的测量设置的图示。
图18a是基于图17的设置的一对相机图像。
图18b是对应于图18a的测量数据。
图19是实施例中所用的测量设置的图示。
图20a是基于图19的设置的一对相机图像。
图20b是对应于图20a的测量数据。
具体实施方式
为了跨显示器获得均匀的白色，需要在空间上保持红光、绿光和蓝光的均匀混合。我们认识到，在包含降频转换片材诸如量子点膜的背光源中，红光、绿光和蓝光的混合在空间上并不均匀，主要是因为来自不同光源的光具有不同的颜色。例如，红光和绿光来自量子点。量子点在所有方向上等几率地发射光子。因此，红光和绿光具有较宽的角分布。另一方面，蓝光来自蓝光LED。蓝光并非在所有方向上等几率地分布。蓝光的角分布主要由背光系统中的光学膜叠堆(例如，光导、漫射体和/或光重定向膜等)决定。因此，相比于红光和绿光，蓝光的分布通常较差。
红光和绿光的较宽角分布结果是位于任意一点处的色彩不仅由来自该点正下方的区域的光决定，而且由来自相邻区域的光决定。由于红光和绿光具有更宽的角分布，因此与蓝光相比受相邻区域发射的光的影响更大。
在侧光式LCD背光系统中，通常使用具有提取特征结构的光导来为显示器提供更均匀的光。该提取特征结构在可视的显示区域上通常具有不同的密度，以实现均匀的外观。例如，在LED附近通常具有很少的提取特征结构，而提取特征结构的密度随着远离LED而增大。常见的做法是在靠近LED面板的可视区的边缘处结束提取特征结构。我们发现，包含降频转换膜元件(例如，量子点膜)的侧光式背光系统在可视区的边缘处结束提取特征结构导致在该可视区的边缘处具有更深的蓝色，因为在边缘处没有足够的红光和绿光与蓝光混合并产生白光。即，在包含提取特征结构的区域之外生成的红光和绿光非常少。
此外，我们认识到，由显示器的边缘处的量子点膜发射的红光和绿光不足以产生均匀的色彩，因为在显示器边缘处损失的红光和绿光多于蓝光，由于角分布不同。
为改善显示区域的边缘附近的色彩均匀度，我们发现需要补偿显示器边缘处“缺失的”红光和绿光。可使用多种方法来实现这一目标。一种方法是抛弃显示器的可视边缘的所有边界条件。仅仅将降频转换膜元件和光导延伸到可视区域之外是不够的。对于该方法，任何再利用膜均应延伸到可视区域之外，以便在可视边缘处保持均匀的光再利用。此外，光导上的任何提取特征结构也必须延伸穿过可视区域以增加蓝光提取。均匀的光再利用本身并不足够。在一些实施方案中，提取特征结构可以被分级，以跨光导提供均匀的提取效率。
上述方法的一种折衷是LCD边框(即，包封显示屏并覆盖显示屏的非可视区域的框架)可能需要大于一些应用中通常期望的尺寸。另一种折衷是显示效率可能下降，因为可视区域之外存在浪费的光。
另一种改善显示区域的边缘附近的色彩均匀度的方法对于侧光式和直下式LCD背光系统均适用，该方法是将显示器边缘损失的红光和绿光反射回去。实现这一目标的一种方法是添加高反射材料诸如高反射涂层、油漆、油墨、膜或条带(例如，垫带)和/或降频转换材料至光重定向膜下方的降频转换膜元件的边缘或添加至光导的边缘。该高反射材料和/或降频转换材料可施加于降频转换膜元件或光导的顶部、侧面、顶部和侧面的组合、或所有边缘周围。例如，白色油墨可印在降频转换膜元件的边缘周围或者白色条带可附着于降频转换膜元件的边缘周围。另选地或除此之外，高反射材料和/或降频转换材料可施加于背光源机械支撑结构(例如，框架)。
合适的反射材料包括镜面反射和漫反射片，并且可以为至少约70％反射、80％反射、90％反射或几乎100％反射。白色条带或油漆可以是合适的高反射材料。一种具体可用的高反射材料是ESR(增强型镜面反射片(EnhancedSpecularReflector)，购自3M公司)，其反射率接近100％。可利用低反射材料，但它们可能需要以更高的程度与降频转换膜元件重叠。高反射材料需要重叠在降频转换膜元件上的量将随着材料反射率的变化而变化。一般来讲，材料的反射率越高，则需要重叠的越低。在一些实施方案中，材料可与量子点膜重叠例如约0.5mm至约2mm。本领域的技术人员将会知道如何利用反射率和重叠来微调来自边缘附近的显示器的输出色彩。
合适的降频转换材料可包括红色量子点和绿色量子点、荧光粉、荧光染料等。降频转换材料与降频转换膜元件可为相同的材料。
在一些侧光式显示器中，可能优选的是结合上述两种方法，特别是在关注最大限度减小边框宽度以及最大限度提高显示效率的情况下。红光、绿光和蓝光的适当平衡可通过调节蓝光提取的量、反射率以及降频转换膜元件上的重叠距离来实现。
实施例
下面的实施例对本发明的目的和有益效果作出更进一步的解释，但这些实施例中列举的具体材料和用量以及其它条件和细节不应解释为是对本发明不当的限制。
方法1
已经发现，提取的光在小空间维度上的较大变异能够引起背光源发出的光产生色移。使用Prometric相机(RadiantImagingPM系列成像色度计PM-9913E-1)来测量装置的空间色彩和亮度，采集到的数据证明了这一效果，并且还表现出改进。
为证明这一效果，如图1所示，光导102被蓝光LED104照亮并被置于一大片ESR上(112，在图1中不可见)。光导102具有包括提取图案106a,106b的两个独立矩形区域以及光导内不包括提取特征结构的区域。光导102用于如图2所示的设置中。在光导102和ESR112的顶部上放置3MTMQDEF-210(购自3M公司(3MCompany)的量子点增强膜)108和正交棱镜膜(购自3M公司的BEF4-GT和BEF-GMv5)110。机械支撑结构115形成膜叠堆的边界，该膜叠堆包括102,108和110。Prometric相机114被定位于叠堆膜上方并聚焦于区域107上。如图3a和图3b所示，该设置的输出显示提取特征结构的边缘附近的输出颜色明显向蓝色偏移。图3a为来自相机的图像。图3b包含沿图3a的中心线的横截面颜色数据；图3b中的垂直虚线示出了提取图案106a和106b边缘的近似位置。虚线之间的区域中不存在提取特征结构。
图3b示出，CIEx和y颜色坐标在膜光导102中的提取图案106a和106b的边缘附近减小。在视觉上，看到更蓝的区域。提取区域之间的区域示出x和y值增加，但是由于该区域中的亮度较低，因此该效果是不可见的。
查看上述数据的另一种方法是使用三色激励值代替CIEx和CIEy。该方法使蓝光与红光和绿光分离。图4示出与图3b相同的横截面，但是它示出了X、Y和Z，而不是x和y。这有助于解释提取区域106a和106b的边缘为什么比提取区域106a和106b的中心更蓝。
KindleFireHDX可购自亚马逊(Amazon)。使用来自KindleFireHDX的导光板显示将提取图案106移至导光板的边缘可改善显示器的边缘上的蓝色。移除背光源的导光板。然后使用旋转裁纸刀将导光板的短边缘切下约1cm。这样有效地将提取点移至导光板的边缘，并且允许对附近不具有框架的导光板的边缘进行成像。然后重新组装背光源并使用Prometric相机在切割的光导边缘的位置处对其进行成像。接着将光导在背光源中横向偏移，使得能够远离框架和光学膜边缘对相对的未切割的边缘进行成像。
图5a示出了在切割的光导实例中采集图7和图8所示的Prometric数据的位置，并且图5b示出了用于采集横截面数据的Prometric图像。(数据在此处采集，并沿每个图像的中心线在后续图像中采集。)
图6a示出了在未切割的光导实例中采集图7和图8所示的Prometric数据的位置，并且还示出了用于采集横截面数据的Prometric图像。
图7中的数据显示，如果导光板边缘处于垂直位置，则可视区的边缘处的颜色得到改善(x和y增加)。图7、图8和图9中的线条120标识可视区的左边缘；120右侧的所有数据均来自可视区。
从横截面的角度以三色激励值查看数据以分离三种主色是有用的。图9示出了沿未切割的导光板的图6b所示横截面的三色激励值。该图显示出红色和绿色在横向上的散布优于蓝色。
如果我们使用被制造为具有穿过可视区的提取点的导光板来重复该研究，预期结果将得到进一步改善。就该实验而言，板的切割边缘不如制造板那样平直或光滑，因此从板的边缘处提取到通常并不存在的额外的蓝光。
上述实验表明，可通过修改导光板的提取图案使其进一步延伸至背光源的非可视区域中来改善来自导光板的非LED边缘的输出光。
方法2
已经发现，包含QDEF的LCD显示器的可视区的边缘上的色彩均匀度可通过将垫带直接添加到QDEF部分(棱镜膜下方)而得到改善。用垫带控制边缘颜色要求控制垫带反射率以及垫带与QDEF部分的重叠距离。
该实施例表明，白色条带(72％R，4562H-50，购自3M公司)优于黑色条带，并且将条带置于QDEF上比将条带置于棱镜的顶部上对相邻颜色具有更大的影响。执行下列这些实验，在不涉及任何由于提取变化而引起的非均匀性的情况下，考虑条带反射率对QDEF背光系统的影响。为实现这一目标，在导光板的中心进行测试，而不是在通常将放置垫带的边缘处进行测试。
如图10所示，来自KindleFireHDX的导光板202被蓝光LED204照亮并被置于ESR212片材上。3MTMQDEF-210208和正交棱镜膜210被置于导光板202和ESR212的顶部上。条带218被施加于正交棱镜膜210，如图所示。机械支撑结构215形成膜叠堆的边界，该膜叠堆包括202,208和210。Prometric相机214被定位于堆叠膜上方，并且用于测量如图10所示区域上的颜色和亮度。
图11a和图11b所示的照片和图片显示，棱镜上的白色条带对条带旁边的颜色影响不大，但是采用黑色条带时，该条带旁边存在CIEx和CIEy值较低的区域。
然后，重复上述实验。此时将条带218置于棱镜与QDEF之间，如图12所示。结果表明，如果条带被直接施加于QDEF而非棱镜，则对条带旁边的颜色具有更大的影响。
图13a和图13b所示的照片和图片显示，在QDEF上具有白色条带引起该条带旁边的CIEx和CIEy值显著降低(在颜色上更蓝)。对于黑色条带，影响甚至更大。
然后，将白色条带(72％R)和ESR膜(约100％R)进行比较。重复先前的实验以完成这一新的比较。如图14a和图14b所示的结果表明，可通过增加条带的反射率来将条带旁边的输出光的颜色从蓝色改变为黄色。在下一实例中，测量图示与图12相同，但使用ESR膜取代黑色条带。
图14a的照片和图14b的图片显示，在QDEF上具有白色条带引起该条带旁边的CIEx和CIEy值显著降低(在颜色上更蓝)。然而，ESR引起CIEx和CIEy值显著增加(在颜色上更黄)。
下列实验说明了这些条带在用于QDEF部分的边缘附近但仍处于导光板中心时对输出光的影响。Prometric相机被定位于如图15所示的叠堆膜上方，并且用于测量条带重叠2mm时的颜色和亮度。在条带重叠1mm的情况下重复测量，如图17所示。图16a、图16b、图18a和图18b所示的结果表明，重叠面积对条带旁边的颜色具有重要影响。图16a的照片和图16b的图片显示，ESR与QDEF边缘重叠2mm导致条带旁边的CIEx和CIEy值相比于白色条带的情况有所提高。图18a和图18b的照片和图片显示，ESR与QDEF边缘重叠1mm导致条带旁边的CIEx和CIEy值相比于白色条带的情况有所提高，但是在这种情况下，两种条带之间的差值小于重叠2mm的情况。
最后，通过实验证明以正常方式使用时垫带反射率的差异对边缘附近颜色的影响。KindleFireHDX可购自亚马逊(Amazon)。“可直接使用的”的KindlefireHDX的背光源(其包含3MTMQDEF-210)具有白/黑条带与LED侧上的QDEF重叠，但是存在蓝色边缘缺陷。为了解ESR在这种情况下能否改善LED侧的色谱不均匀性，“可直接使用的”条带被部分地移除并替换为ESR，如图19所示。
图20a和图20b所示的照片和图表表明，当ESR在背光单元的LED边缘上与QDEF边缘重叠1.5mm时，与白色条带的情况相比，在条带旁边获得了明显更高的CIEx和CIEy值。在视觉上，该实施例显示出相对于蓝色边缘的明显改善(即，蓝色边缘减小)。
因此，通过在QDEF部分边缘周围添加高反射材料能够显著改善基于QDEF的显示器中常见的蓝色边缘缺陷。可利用反射率和重叠(以及提取图案)微调显示器边缘附近的输出颜色。
本文所引述的出版物的完整的公开内容全文以引用方式并入，如同每种出版物单独地并入。在不脱离本发明的范围和实质的前提下，对本发明的各种修改和改变对本领域的技术人员将显而易见。应当理解，本发明并非意图不当地限制于本文所示出的示例性实施例和实施方案，并且上述实施例和实施方案仅以举例的方式提出，而且本发明的范围仅受下面本文所示出的权利要求书的限制。

Claims (11)

1.一种具有可视区的侧光式LCD背光单元，其包括：
(a)降频转换膜元件；
(b)包括提取元件的光导；
(c)反射器；和
(d)蓝光LED；
其中所述提取元件延伸超过所述可视区。
2.一种LCD背光单元，其包括：
(a)支撑结构；
(b)降频转换膜元件；
(c)反射器；
(d)蓝光LED；和
(e)高反射材料和降频转换材料中的至少一种；
其中所述高反射材料或所述降频转换材料与所述降频转换膜元件的边缘重叠或施加于所述支撑结构。
3.一种具有可视区的侧光式LCD背光单元，其包括：
(a)支撑结构；
(b)降频转换膜元件；
(c)包括提取元件的光导；
(d)反射器；
(e)蓝光LED；和
(f)高反射材料和降频转换材料中的至少一种；
其中所述高反射材料或所述降频转换材料与所述降频转换膜元件的边缘重叠或施加于所述支撑结构，并且
其中所述提取元件延伸超过所述可视区。
4.根据前述权利要求中任一项所述的LCD背光源，其中所述降频转换膜元件为量子点膜。
5.一种改善跨具有可视区的LCD背光单元的色彩均匀度的方法，其包括在所述可视区的至少一个边缘中增加红光和绿光；
其中所述LCD背光单元包括降频转换膜元件、反射器和蓝光LED。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述LCD背光源为侧光式，并且其中在所述可视区的至少一个边缘中增加红光和绿光包括使蓝光提取增加超过所述可视区的至少一个边缘。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述LCD背光源还包括光导，并且其中使蓝光提取增加超过所述可视区的至少一个边缘包括在所述光导上增加超过所述可视区的至少一个边缘的提取特征结构。
8.根据权利要求5所述的方法，其中在所述可视区的至少一个边缘中增加红光和绿光包括将红光和绿光反射回所述可视区中。
9.根据权利要求8所述的方法，其中增加返回所述可视区的红光和绿光包括将高反射材料或降频转换材料添加到所述降频转换膜元件的至少一个边缘或添加到所述支撑结构。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述LCD背光单元还包括支撑结构，并且增加返回所述可视区中的红光和绿光包括将高反射材料或降频转换材料施加于所述降频转换膜元件的至少一个边缘。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述降频转换膜元件为量子点膜。
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