CN105891934A - 导光片、背光源装置及液晶显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导光片，用于侧光式背光源装置中，光源发出的光经其入光侧面入射导光片，所述导光片包括基片以及在所述基片的表面形成的多个导光微结构，其特征在于，所述微结构中的每一个包括凹陷的中央区域，以及凸起的具有倾斜表面的周边部分；在远离中央区域的方向上，周边部分的高度随着离中央区域距离的增加而增加，在达到一高度最大值后，该高度随着离中央区域距离的增加而减小，在周边部分的边缘降低至零，并且，基片表面单位面积内所述微结构的底面面积总和所占比例，沿光入射方向，从0.05％至10％向5％至60％增加。本发明的导光片，在实现导光功能的同时，有效增强了背光源装置正向光线强度的聚光功能，提高了光源的效率。

Description

导光片、背光源装置及液晶显示装置

技术领域

本发明涉及导光片，具体而言，涉及一种用于侧光式背光源装置中的导光片，包含所述导光片的背光源装置，以及包含所述背光源装置的液晶显示装置。

背景技术

导光片是侧光式液晶显示器背光源中不可缺少的光学元件。在该背光源中，通过制作在导光片表面上微结构或散射点的作用，并在邻近导光片背面反射片的辅助下，导光片使来自其侧面的光，转变为向液晶显示元件的背面照射的面光源。

目前，广泛使用的导光片通常是，在透明的基材表面上通过丝网印刷、喷墨打印来制作散射点；或者采用射出成型(injectionmolding)技术来制作一体成型的导光片。这些导光片中的散射点，能够使得依全反射原理在导光片内传播的光从导光片中出射，但是，它们无法控制从导光片中出射光线的方向。这样，在背光源装置中，通常需要附加一片或两片具有聚光功能的棱镜片，以提高从光源正向出射的光线的强度。

图1示出了现有技术的导光片，导光片上设有多个导光网点101。如图1所示，现有导光片中的导光网点通常具有比较简单的形状。图2为采用现有射出成型技术所制作的导光网点示例。该导光网点具有单向弯曲的形状，高度从中心点的最高值h₀向边缘方向逐渐减小，在边缘处减为零。现有导光网点的简单形状限制了将向大角度出射的光聚集至垂直导光片平面方向的作用，而这一聚光功能是背光源装置中所需要的。

如图2所示，导光片中射向导光网点201的光线A和B，在网点表面由折射率较高的导光网点出射至折射率较低的介质(如空气)中。网点边缘区域的表面与导光片平面形成较大的夹角，光线A从该边缘区域表面出射，折射后的光线A’改变原来的传播方向，而偏向导光片平面的法线方向。网点中间区域的表面与导光片平面形成较小或0°的夹角，光线B从该中间区域表面出射，折射后的光线B’改变原来的传播方向，而远离导光片平面的法线方向。可以看出，导光网点表面与导光片平面形成的较小或0°夹角，导致网点的该部分表面降低或失去了聚光功能。

为了获取聚光效果，现有的背光源装置中，一般来讲，不得不在导光片上方额外增设一张或两张增亮膜，所述增亮膜包含微棱镜。例如，图3示出了包含尖状顶角微棱镜301的增亮膜；图4示出了包含弧状顶角微棱镜401的增亮膜。如图3、4中所示，微棱镜为长线条状，通常从增亮膜的一端贯穿至另外一端，这种结构无法实现导光的作用。增亮膜产品的例子包括由美国3M生产的Vikuiti^TM产品。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于，提供一种导光片，在实现导光功能的同时，有效增强背光源装置正向光线强度的聚光功能，从而提高光源的效率。

本发明的上述目的通过提供导光片、背光源装置及液晶显示装置而实现。

根据第一方面，提供一种导光片，用于侧光式背光源装置中，光源发出的光经其入光侧面入射导光片，所述导光片包括基片以及在所述基片的表面形成的多个导光微结构，其特征在于，所述微结构中的每一个包括凹陷的中央区域，以及凸起的具有倾斜表面的周边部分；在远离中央区域的方向上，周边部分的高度随着离中央区域距离的增加而增加，在达到一高度最大值后，该高度随着离中央区域距离的增加而减小，在周边部分的边缘降低至零，并且，基片表面单位面积内所述微结构的底面面积总和所占比例，沿光入射方向，从0.05％至10％向5％至60％增加。

在第一方面中，优选的是，所述周边部分的高度最大值为2微米至250微米，所述中央区域的高度小于周边部分高度最大值的四分之三。

优选的是，所述中央区域的高度小于周边部分高度最大值的四分之一。

优选的是，所述周边部分的高度最大值为5微米至50微米。

优选的是，所述微结构在其中央区域平面之下的水平截面为圆形，在中央区域平面之上的水平截面为环形；所述微结构的底面半径(R)为5微米至150微米。

优选的是，所述微结构的底面半径(R)为10微米至50微米。

优选的是，所述微结构在其中央区域平面之下的水平截面为圆形，在中央区域平面之上的水平截面为环形；所述周边部分高度最大值的各个点构成一个圆，该圆的半径(r)为2.5微米至75微米。

优选的是，该圆的半径(r)为5微米至35微米。

优选的是，所述微结构在其中央区域平面之下的水平截面为矩形，在中央区域平面之上的水平截面为矩形环；周边部分各倾斜表面与水平截面所成夹角为15度至85度。

优选的是，周边部分各倾斜表面与水平截面所成夹角为35度至65度。

优选的是，所述矩形为正方形，所述矩形环为正方形环。

根据第二方面，提供一种背光源装置，包括：如上述第一方面中所述的导光片；在所述导光片的入光侧面配置的光源；反射片，位于所述导光片的导光微结构上方，使入射到其表面的光向所述背光源装置的出光方向反射；扩散片，位于所述导光片的底面下方，使经由导光微结构而从所述出光方向出射的光均匀化。

根据第三方面，提供一种背光源装置，包括：如上述第一方面中所述的导光片；在所述导光片的入光侧面配置的光源；反射片，位于所述导光片的底面下方，使入射到其表面的光向所述背光源装置的出光方向反射；扩散片，位于所述导光片的导光微结构上方，使经由导光微结构而从所述出光方向出射的光均匀化。

根据第四方面，提供一种液晶显示装置，包括如上述第二方面或第三方面中所述的背光源装置，所述背光源装置配置于液晶显示元件的背面。

按照本发明，由于具有创新构造的导光微结构能够提供较大的聚光表面，相应地，就设置多个所述导光微结构的导光片而言，其本身即已具备良好的聚光功能。因而，在背光源装置中，可省去现有技术中的附加聚光微棱镜，简化了光源模组，降低了成本，并显著提高光源的效率。

附图说明

图1示出了现有技术的导光片；

图2示出了现有的导光片中射向导光网点的光线轨迹；

图3示出了现有的包含尖状顶角微棱镜的增亮膜示例；

图4示出了现有的包含弧状顶角微棱镜的增亮膜示例；

图5a示出了本发明一实施例的导光微结构501；

图5b示出了微结构501在XZ平面上的截面；

图5c示出了导光片中射向微结构501的光线轨迹；

图6a示出了本发明另一实施例的导光微结构601；

图6b示出了微结构601在XZ平面上的截面；

图6c示出了微结构601在YZ平面上的截面；

图7示出了本发明一实施例的导光片；

图8示出了本发明一实施例的掩模板图案；

图9示出了本发明又一实施例的掩模板图案；

图10示出了本发明示例微结构的制作过程；

图11示出了本发明一实施例的背光源装置。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下文以实施例结合附图对本发明作进一步说明。附图中，相同的标记表示同一部件或结构。

本发明提供的导光片，包括基片以及在基片表面上形成的多个导光微结构，微结构的底面附着于基片表面。每一导光微结构包括凹陷的中央区域，以及凸起的具有倾斜表面的周边部分。在通过微结构中央区域并垂直导光片表面的截面上，微结构距导光片表面的高度逐渐变化，中央区域的高度小于邻近的周边部分。具体而言，在远离中央区域的方向上，周边部分的高度随着离中央区域距离的增加而增加，在达到一高度最大值后，该高度随着离中央区域距离的增加而减小，在周边部分的边缘降低至零。

导光片基片可采用光学透明材料，合适的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酞酸酯(PC)。构成导光微结构的材料例如包括，聚合后的可光聚合材料。

参照图5a，图5a示出了本发明一实施例的导光微结构。微结构501含有凹陷的中央区域和凸起的周边部分，它的底面位于XY平面(导光片基片表面)上，高度沿Z方向。微结构501在中央区域平面之下的水平截面为圆形，在中央区域平面之上的水平截面为环形。这里，中央区域平面包含中央区域仅为点的情形。

图5b示出了微结构501在XZ平面上的截面。其中，微结构501的中心位于图中X轴的“0”处，该处微结构的高度为h₁；从该处沿X和-X方向向外延伸，微结构的高度逐渐增加，当延伸至“r”和“-r”处，高度达到最大值H₁；从“r”和“-r”处进一步向外延伸，微结构的高度逐渐减小，当延伸至“R”和“-R”处，高度降低至零。该示例中，导光微结构为一种对称的微结构，即，在离微结构中心“0”处相同距离的位置，微结构具有相同的高度。

微结构501周边部分的高度最大值H₁可为2-250微米，优选地，H₁可为5-50微米。

微结构501的中心高度h₁与其周边部分的高度最大值H₁之间，存在显著的差异。优选地，中心高度h₁小于周边部分高度最大值H₁的四分之三，即h₁＜3/4H₁；进一步优选地，h₁＜1/4H₁。需要指出，微结构的中心高度h₁可为零。

优选地，微结构501的底面半径R为5-150微米；更为优选地，底面半径R为10-50微米。具体尺寸需要根据导光片基片的厚度，以及工艺所能达到的最小尺寸来决定。

微结构501中，周边部分高度最大值的各个点构成一个圆，优选地，该圆的半径r为2.5-75微米；更为优选地，该圆的半径r为5-35微米。

参照图5c，图5c示出了导光片中射向微结构501的光线轨迹。导光微结构501位于导光片基片502上。导光片中射向微结构501的光线E和F，在微结构的表面，由折射率较高的导光微结构出射至折射率较低的介质(如空气)中。光线E从微结构501的-R至-r表面区域出射，该区域微结构的表面与导光片平面形成较大的夹角，折射后的光线E’偏向导光片平面的法线方向。光线F从微结构501的0至r表面区域出射，该区域微结构的表面与导光片平面同样形成较大的夹角，折射后的光线F’也偏向导光片平面的法线方向。可以看出，根据本发明的导光微结构，明显增加了使出射光线偏向导光片法线方向的表面面积，这意味着，本发明微结构提供了较大面积的起聚光作用的倾斜表面，从而显著增强了相应导光片的聚光功能。

图6a示出了本发明另一实施例的导光微结构。如图6a所示，微结构601具有位于XY平面，长度为L、宽度为W的矩形底面。微结构的中央区域呈凹陷形状，周边部分则为具有聚光功能的楔形。微结构601在其中央区域平面之下的水平截面为矩形，在中央区域平面之上的水平截面为矩形环。这里，中央区域平面包含中央区域仅为线或点的情形。

图6b示出了微结构601在XZ平面上的截面。该示例中，中央区域的结构高度为h₂。从中心所对应的位置“0”，沿X方向至-d_L及d_L位置的区间，微结构601具有相同的高度h₂。沿X方向从-d_L至-D_L及从d_L至D_L位置的区间，微结构601周边部分的高度逐渐增加，区间中微结构表面与水平截面(图中X方向)所成夹角α_L优选为15°至85°，更优选为35°至65°。微结构601周边部分的高度，沿X方向在-D_L和D_L的位置达到最大值H₂。从-D_L和D_L的位置继续向外延伸，周边部分的高度逐渐减小；至-L/2和L/2的位置，周边部分高度降为零；在该区间中，微结构表面与水平截面(图中X方向)所成夹角β_L优选为15°至85°，更优选为35°至65°。这样，微结构601在X方向从-d_L至-D_L、d_L至D_L、-D_L至-L/2和D_L至L/2位置区间，形成四条垂直于X方向、高度上升或下降的倾斜表面。这些倾斜表面起聚光的作用。

图6c示出了微结构601在YZ平面上的截面。同样地，中央区域所对应的微结构高度为h₂。从中心所对应的位置“0”，沿Y方向至-d_W及d_W位置的区间，微结构601具有相同的高度h₂。沿Y方向从-d_W至-D_W和从d_W至D_W位置的区间，微结构周边部分的高度逐渐增加，微结构表面与水平截面(图中Y方向)所成夹角α_W优选为15°至85°，更优选为35°至65°；在-D_W和D_W的位置，周边部分的高度达到最大值H₂。从-D_W和D_W的位置继续向外延伸，周边部分的高度逐渐减小；至-W/2和W/2的位置，周边部分高度降为零；在该区间中，微结构表面与水平截面(图中Y方向)所成夹角β_W优选为15°至85°，更优选为35°至65°。如图6c所示，微结构601在Y方向从-d_W至-D_W、d_W至D_W、-D_W至-W/2和D_W至W/2位置区间，形成四条垂直于Y方向的高度上升或下降的倾斜表面。这些倾斜表面也起聚光的作用。

需要指出，该示例中，尽管微结构倾斜表面与水平截面的夹角在相对中央区域的两侧具有相同数值，但本发明并不限于此，微结构倾斜表面与水平截面的夹角在相对中央区域的两侧也可具有不同的数值。

与示例一类似，微结构601周边部分的高度最大值H₂可为2-250微米，优选可为5-50微米。

微结构601的中央区域高度h₂与其周边部分最大高度H₂之间，存在显著的差异，以实现较大的聚光面积。优选地，中央区域高度h₂小于周边部分高度最大值H₂的四分之三，即h₂＜3/4H₂；更为优选地，h₂＜1/4H₂。这里，微结构601的中央区域高度h₂可为零。

微结构601的中央区域中，沿X方向从-d_L至d_L位置、沿Y方向从-d_W至d_W位置的距离，可分别为0-100微米；优选地，所述距离可分别为0-50微米。

微结构601沿X方向高度最大值位置-D_L和D_L之间、沿Y方向高度最大值位置-D_W和D_W之间的距离，可分别为5-200微米；优选地，所述距离可分别为10-100微米。

微结构601沿X方向的宽度L、沿Y方向的宽度W，可分别为10-300微米；优选地，可分别为10-100微米。需要指出，宽度L与宽度W可采用不同的数值，这种情况下，微结构601在基片上的底面为边长不等的矩形。当然，宽度L与宽度W也可采用相同的数值，这样，微结构601在基片上的底面为正方形。相应地，微结构601在中央区域平面之上的水平截面也可为正方形环。

正如图6a、6b、6c所示，导光微结构601包含四条垂直于X方向和四条垂直于Y方向的斜面，这些斜面又具有适当的倾斜角度，因此，相应的导光片能够提供较高的聚光功能。

前文中，示例一描述了底面为圆形的微结构；示例二描述了底面为矩形的微结构。然而，本发明并不限于此，微结构的底面可包括其他规则及非规则的形状，如椭圆形、六边形、八边形等。示例一、二描述了中央凹陷、周边凸起倾斜表面相连接的导光微结构，本发明亦并不限于此。例如，导光微结构或可为中央凹陷、周边凸起的倾斜表面并不完全相连接的形状，所述倾斜表面由两段或多于两段的凸起倾斜表面部分组成。还有，示例二描述了微结构高度最大值处为尖状顶角的情形，本发明亦并不限于此，微结构高度最大值处也可为弧状或其他形状的顶角。

参照图7，图7示出了本发明一实施例的导光片。在导光片基片701的表面上，分布着多个上述导光微结构。这里，导光微结构例如为微结构501。如图7所示，沿+X方向(光入射方向)，微结构501的密度(单位面积内微结构的数量)逐渐增加。在进行产品设计时，微结构的密度可通过它们在导光片基片表面上所占的面积比来描述。具体而言，在导光片的入光端702处，从光源耦合进入导光片并到达该处的光强较大，相应地，微结构的密度较低。该处基片表面单位面积内微结构的底面面积总和所占比例，优选为0.05％-10％；而在导光片的出光端703处，从光源耦合进入导光片并到达该处的光强较小，与此相应，微结构的密度较高。该处基片表面单位面积内微结构的底面面积总和所占比例，优选为5％-60％。入光端和出光端微结构的密度选择，取决于导光片的尺寸(从入光端702至出光端703的距离)、导光片厚度等产品相关参数。

本发明导光微结构及导光片可采用如下方法制作。

首先，设计和制作掩模板。掩模板含有多个微结构掩模板图案，其中，单个掩模板微结构图案含有与微结构中央凹陷区域对应的阻光区域，以及与微结构倾斜周边相对应的透光区域。并且，掩模板中掩模板微结构图案的密度沿设定方向逐渐变化。

接着，在用作导光片基片的透明材料的表面上涂覆含有可光聚合材料的涂层；使用能量辐射，通过具有上述掩模板阻光区域和透光区域，且与导光片密度逐渐变化的微结构相对应的掩模板图案，选择性地固化涂层中的可光聚合材料，并通过溶剂或其他溶液对固化后的涂层进行洗涤，从而获得具有凹陷中央区域和倾斜周边部分的导光微结构，以及含有多个导光微结构的导光片。

图8示出了本发明一实施例的掩模板图案。图8中，801为微结构掩模板图案。单个微结构掩模板图案包含一位于图案中央位置的圆形区域802，该区域为阻光区域，可阻止大于60％的能量辐射通过该区域。单个微结构掩模板图案中，阻光圆形区域802的周边为环状透光区域803。透光区域可使大于50％的能量辐射通过。微结构掩模板图案在掩模板图案区域内随机分布，其密度沿X方向逐渐增加。掩模板图案中，微结构掩模板图案之间由阻光区域804所覆盖。图8所示的微结构掩模板图案及导光片掩模板图案，可用于制作图5所示的导光微结构及图7所示的导光片。

图9示出了本发明又一实施例的掩模板图案。微结构掩模板图案901包含位于图案中央位置的矩形阻光区域902，以及在其周边的矩形环状透光区域903。类似地，微结构掩模板图案在掩模板图案中的位置呈随机分布，其密度沿X方向逐渐增加。掩模板图案中，微结构掩模板图案之间由阻光区域904所覆盖。该图所示的微结构掩模板图案及导光片掩模板图案，可用于制作图6所示的导光微结构及相应的导光片。

图10示出了本发明示例微结构的制作过程。该图中，1001表示用于制作如图5所示微结构的掩模板，如前文所述，它包含位于微结构掩模板图案中央的阻光区域802、位于阻光区域周边的环形透光区域803，以及微结构掩模板图案之间的阻光区域804。能量辐射通过掩模板1001，辐射涂覆在导光片基片表面的可光聚合材料涂层，使与掩模板透光区域对应的涂层中的可光聚合材料完全或部分固化。涂层中可光聚合材料接受大于固化所需要的阈值能量辐射而固化，而小于阈值能量辐射的部分将处于未固化状态。对所述可光聚合材料进行选择性地固化和溶剂洗涤后，在导光片基片表面上产生了微结构501，如1002所示。通过控制所述可光聚合材料涂层的高度、照射到掩模板的能量辐射的准直程度(如平行半角)，以及可光聚合材料的性能，就能够控制微结构501中央区域及周边凸起部分的高度。

图11示出了本发明一实施例的背光源装置。该装置中，包含有本发明的导光片1101。邻近导光片1101的入光侧面(图中所示的-X侧面)，配置LED光源线性阵列1102。

在导光片1101基片的上表面(+Z方向的表面)，分布多个导光微结构，它们的密度沿光入射方向(+X方向)逐渐增加。反射片1103位于导光微结构的上方，使入射到其表面的光向背光源装置的出光方向(-Z方向)反射。

扩散片1104位于导光片1101的底面下方。从LED光源阵列1102发出的光，经导光片入光侧面进入导光片，一方面通过导光片基片与空气的界面的全反射，从靠近光源的入光侧向远离光源的方向传播；另一方面，光线通过导光微结构的作用而离开导光片，并经扩散片1104从出光方向出射。本发明导光片中的导光微结构，可较大程度地将大角度出射的光聚集到与背光源装置平面垂直的方向(-Z方向)，或者与该方向成较小角度的方向。扩散片1104使从与导光片中分立的微结构作用后出射的光均匀化，使背光源装置的出光面为均匀的面光源，而看不出分立的导光微结构。

上述背光源装置中，反射片1103与扩散片1104的位置可以互换，这样的话，光将从相反的方向离开背光源装置。这对于本领域技术人员而言，是易于理解的。

显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在所附权利要求书的涵盖范围之内。

Claims (14)

1.一种导光片，用于侧光式背光源装置中，光源发出的光经其入光侧面入射导光片，所述导光片包括基片以及在所述基片的表面形成的多个导光微结构，其特征在于，

所述微结构中的每一个包括凹陷的中央区域，以及凸起的具有倾斜表面的周边部分；在远离中央区域的方向上，周边部分的高度随着离中央区域距离的增加而增加，在达到一高度最大值后，该高度随着离中央区域距离的增加而减小，在周边部分的边缘降低至零，并且，

基片表面单位面积内所述微结构的底面面积总和所占比例，沿光入射方向，从0.05％至10％向5％至60％增加。

2.如权利要求1所述的导光片，其特征在于，所述周边部分的高度最大值为2微米至250微米，所述中央区域的高度小于周边部分高度最大值的四分之三。

3.如权利要求2所述的导光片，其特征在于，所述中央区域的高度小于周边部分高度最大值的四分之一。

4.如权利要求2所述的导光片，其特征在于，所述周边部分的高度最大值为5微米至50微米。

5.如权利要求1至4中任一项所述的导光片，其特征在于，所述微结构在其中央区域平面之下的水平截面为圆形，在中央区域平面之上的水平截面为环形；所述微结构的底面半径(R)为5微米至150微米。

6.如权利要求5所述的导光片，其特征在于，所述微结构的底面半径(R)为10微米至50微米。

7.如权利要求1至4中任一项所述的导光片，其特征在于，所述微结构在其中央区域平面之下的水平截面为圆形，在中央区域平面之上的水平截面为环形；所述周边部分高度最大值的各个点构成一个圆，该圆的半径(r)为2.5微米至75微米。

8.如权利要求7所述的导光片，其特征在于，该圆的半径(r)为5微米至35微米。

9.如权利要求1至4中任一项所述的导光片，其特征在于，所述微结构在其中央区域平面之下的水平截面为矩形，在中央区域平面之上的水平截面为矩形环；周边部分各倾斜表面与水平截面所成夹角为15度至85度。

10.如权利要求9所述的导光片，其特征在于，周边部分各倾斜表面与水平截面所成夹角为35度至65度。

11.如权利要求9所述的导光片，其特征在于，所述矩形为正方形，所述矩形环为正方形环。

12.一种背光源装置，包括：

如权利要求1至11中任一项所述的导光片；

在所述导光片的入光侧面配置的光源；

反射片，位于所述导光片的导光微结构上方，使入射到其表面的光向所述背光源装置的出光方向反射；以及

扩散片，位于所述导光片的底面下方，使经由导光微结构而从所述出光方向出射的光均匀化。

13.一种背光源装置，包括：

如权利要求1至11中任一项所述的导光片；

在所述导光片的入光侧面配置的光源；

反射片，位于所述导光片的底面下方，使入射到其表面的光向所述背光源装置的出光方向反射；以及

扩散片，位于所述导光片的导光微结构上方，使经由导光微结构而从所述出光方向出射的光均匀化。

14.一种液晶显示装置，其特征在于，包括如权利要求12或13所述的背光源装置，所述背光源装置配置于液晶显示元件的背面。