CN106467360B - 一种导光板和具有背光的光学显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种导光板(1)，其用于引导用于液晶显示器的后部照明的可见光。该导光板(1)具有两个平行的侧面(10，11)和至少一个优选起光入射面作用的棱边面(13)。该导光板(1)由玻璃制造，所述玻璃包含B2O3和SiO2作为成分，其中，B2O3和SiO2的总含量为至少70重量百分比、优选为至少80重量百分比、特别优选为至少90重量百分比，其中，B2O3含量大于10％。玻璃的组分中的二价金属的金属氧化物的总含量小于3重量百分比。在该组分中包含1重量百分比至5重量百分比的Al2O3。

Description

一种导光板和具有背光的光学显示器
技术领域
本发明一般涉及用于显示器、尤其用于液晶监视器的光学部件。本发明尤其涉及用于具有背光的显示器的光学部件。
背景技术
液晶显示器不是自发光的并且必须背侧照明，以便得到相应于其他显示器类型、例如阴极射线管、等离子显示屏或OLED显示器的发光图像。因此，显示器、尤其具有高图像质量的高分辨率LCD远视设备的显示器需要所谓的背光系统，其中通常白色LED的光从侧方在一个或多个棱边处间接地或者从后方直接地耦合输入到导光板中或扩散板中。该系统被称作棱边照射(Edgelit Backlight Unit：侧光背光单元)或者被称作直接背光(DirectBacklight Unit：直接背光单元)。在此，迄今传统地使用塑料板，其例如由特别光穿透PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或者其他透明聚合物构成，它们可以特别价格便宜地并且以高纯度在可见光波长范围中没有选择性吸收地制造。然而，所述材料通常具有通过不期望的潮湿侵入(来自周围环境的空气潮湿的水分子的渗入)引起的退化显现并且在持续的光入射时可能变脆。这又损失图像质量和使用寿命。
随着显示屏对角线尺寸的增长——在趋势上大于55英寸直至迄今通常大于70英寸尺寸，或者也在将单个显示器接合成非常大的视频墙时所述材料是不利的，因为其具有非常高的热膨胀系数，该热膨胀系数是显示器玻璃的多倍(>15倍)并且对于高的本地热负荷而言也是非常易变的，该本地热负荷通过多个发光二极管(例如，在直接耦合输入时至约1500个LED)的热侵入引起。
由于大的热膨胀系数以及由塑料制成的导光板的与潮湿相关的膨胀，在液晶显示器必须设置补偿空间、尤其所谓的间隔间隙。这一方面导致设备的超比例宽的框架，另外导致设备的增大的深度(厚度)，因为必须以彼此足够的间距来安装不同膨胀系数的平的部件。此外，塑料具有低的稳定性，从而通常需要附加的有结构的部件。因此，借助现代技术，液晶显示屏达到约30毫米的最小厚度。
为了制造尽可能薄的以及尽可能轻的液晶电视设备，由塑料构成的导光板的通常的使用因此是不利的。
US 2014/0043852 A1和US 2014/0146267 A1描述了结构上的解决方案，这些解决方案应当克服所述缺点。但是在其中示出的解决方案是复杂的，仅仅部分是成功的并且主要没有克服PMMA光导体的原理上的缺点、即其必然大的厚度。
此时，终端用户期望具有仅仅数毫米(深度)厚度的电视屏幕。这然而在技术上是不能实现的，如果PMMA导光板单独已经具有实际上至少3.5mm的厚度并且附加地需要间隔间隙。
借助OLED技术工作的电视或显示器虽然达到非常薄的厚度，但是其在制造过程内具有缺点，即像素误差降低弯曲并且这些设备尤其在非常大的、超过55英寸的显示屏对角线尺寸时因此非常昂贵。此外，它们附加地需要增益元件，以便保证在全天使用中的必须的硬度。
因此，使用玻璃作为用于光导的材料，代替普遍使用的PMMA塑料，是有利的。
在WO 2015/033866中描述了一种具有棱边照明和光射出表面的装置，其中包括玻璃板。然而，所述特征不足以达到与PMMA相比同样价值地好的透射度。所述最佳值恰好是一次83％或在光路径长仅仅100mm时更大。
US 2014/0152914 A1描述了一种具有高透明度的用于触摸显示屏的玻璃，所述触摸屏幕借助抵消的全反射检测手指位置。为此，使用波长范围750-2500nm中的光、即红外光谱范围中的光。样品然而示出吸收系数的强烈波动，尤其在可见的波长范围400-800nm中。在该波长范围中，最大吸收系数是最小吸收系数的最少两倍。在图9中示出的实施例中，甚至在约470nm时是0.00021mm-1并且在约430nm时是0.00089mm-1。吸收系数的强烈波动然而不适于导光板。更确切地说，不期望低的、均匀变化的吸收系数，其引起可见波长范围中的均匀的透射度变化。
WO 2015/011040 A1、WO 2015/011041 A1、WO 2015/011042 A1、WO 2015/011043A1、WO 2015/011044 A1和WO 2015/071456 A1也涉及具有在红外范围中高透射度的玻璃板，其可以用于触摸显示屏，在此借助所谓的平面散射探测(PSD)或者抵消的全反射的技术来确定对象在表面上的位置。已知的是，在380nm(相对小的吸收度)或1050nm(相对强的吸收度)时Fe2+和Fe3+引起具有最大值的吸收带，所述吸收带可能由氧化物质影响。所述申请描述，如何在容许的、相对高的铁含量(Fe2O3)的情况下通过铬的有目的的添加可以实现红外范围中的高透射度。然而所述教导并不有助于优化用于可见波长范围的导光板。
发明内容
因此，本发明的目的在于：发现一种适用于如下导光板的玻璃组合物，所述导光板用于对可见光进行光引导、尤其用于在液晶显示器和液晶显示屏中使用。
所述目的的一方面在此是，如此选择玻璃组分，使得理论上可达到的透射度尽可能高。因此，所述目的的一个方面是，通过玻璃组分的选择来最小化导光板的吸收系数。
所述目的的另一方面是，通过玻璃组分的选择使得导光板的吸收光谱在可见光波长范围中，尤其对于长的光学路径，更均匀。
根据本发明，所述任务通过独立权利要求的主题来解决。本发明的有利扩展方案是从属权利要求的主题。
为此，根据本发明，用于引导可见光的导光板设置有两个平行的侧面和至少一个优选用作光入射面的棱边面，其中所述导光板：
-由玻璃制造，所述玻璃：
-包含B2O3和SiO2作为组分，其中B2O3和SiO2的总含量为至少70重量百分比、优选为至少80重量百分比、特别优选为至少90重量百分比，其中，
-玻璃的组分中的二价金属、尤其二价碱土金属的金属氧化物的总含量小于3重量百分比，其中，
-组分中的Al2O3的含量为1重量百分比至5重量百分比。
制造导光板的玻璃根据其组分是包含B2O3和SiO2的硼硅酸盐玻璃。所需要的用于制造硼硅酸盐玻璃的原料可以足够高的纯度得到、尤其具有非常低的含量的不期望的着色的3d金属氧化物，而在任何情况下没有由于成本原因被禁止使用。特别优选地，因此以高的纯度使用所述原料。此外优选地设置，使用由碳酸盐和硝酸盐的混合物作为用于熔融的原料。然而，硝酸盐以超过2％的份额使用，以便有利地影响熔体的氧化还原条件。
硼硅酸盐玻璃由于其结构特性最接近石英玻璃的透射度特性。在170至2000纳米的波长范围中，其不具有本征吸收(intrinsic absorption)、即由于玻璃组分导致的吸收。由于玻璃基质组分(UV边缘位于约170nm处)的小的本征吸收，3d杂质元素的位于紫外区域中的电荷转移吸收带(电荷转移带，charge transfer bands)即使在大的玻璃厚度时没有进入到可见范围中。此外，硼硅酸盐玻璃中的菲涅尔损耗由于低的折射率比在其他玻璃中的菲涅尔损耗更小并且也比PMMA中的菲涅尔损耗更小。
在硼硅酸盐玻璃的玻璃族内出人意料地发现的玻璃组分使对在波长范围400nm至800nm中的透射度的负面影响因素降低。本发明提供一种在可见光谱区域中即使在长的光路径时也具有高度的光透过性的硼硅酸盐玻璃。
所发现的玻璃组分还具有对透射度的光谱曲线的补偿效果、即平滑效果，尤其在可见的波长范围中。透射度曲线因此在可见光区域中通常保持不变并且尤其没有不期望的、由于颜色移位的吸收带引起的选择性的光吸收。
基本上适用，透射度中的最小值或最大值由于吸收定律的指数关系在玻璃中的更长的光学路径之后被增大并且因此导致透射度曲线中的非常强烈的不规则性，所述不规则性也显著影响颜色再现。然而，所发现的玻璃组分恰好反作用于这样的最小值和最大值。因此，本发明提供一种在可见光谱区域中即使对于长的光路径也呈颜色中性的(即实际上无颜色的)硼硅酸盐玻璃。透射度在可见波长范围上的均匀的曲线是特别有利的，以便在光经过导光板期间不改变耦合输入到导光板中的光的光谱分布。因此确保，对于导光板的侧面上的每一个位置(在所述位置处光再次脱耦)，该脱耦的光具有相对于耦合输入的光尽可能不变的光谱。
为了使光谱的透射度曲线均匀，还可以设置，放弃铈(Ce)作为添加物。因此，在玻璃组分中优选不包含氧化铈。
此外有利的是，如此选择玻璃组分，使得玻璃的线性的热膨胀系数最优地适应于典型的显示器玻璃、即液晶显示器的其他通常使用的玻璃面板。一般而言，根据本发明设置的组合物的玻璃也具有特定小的热膨胀系数。因此，根据一种优选实施方式，在室温下的线性热膨胀系数位于2.5·10-6K-1至4.5·10-6K-1的范围中。
因此，根据本发明的由硼硅酸盐玻璃制成的导光板的热膨胀特性尤其最优地与TFT/LCD显示器单元中的按照标准使用的玻璃协调。这具有以下优点：可以取消不同膨胀系数的显示器部件之间(例如在PMMA面板和玻璃面板之间)的目前常见的间隔间隙，而没有产生由于所使用的显示器部件的不同热膨胀引起的机械应力。因此，可以显著降低目前常见的用于补偿导光板体积和长度膨胀的附加空间。本发明因此能够在大规格上设计具有数毫米厚度的非常薄的TV设备。
在有利的方式中，根据本发明的由硼硅酸盐玻璃构成的导光板也对潮湿不敏感的。与此相对，传统的PMMA光导随着时间推移具有潮湿侵入，通过所述潮湿侵入不仅影响透射度，而且产生PMMA板的不期望的体积膨胀。因此，根据本发明能够实现，导光板的膨胀独立于周围环境的湿度与显示器中的其他玻璃板的膨胀匹配。
因此，由于精确调整的热膨胀系数以及可忽略地小的由根据本发明的导光板的湿度导致的膨胀，可以减小或者甚至避免透明的、平面的显示器部件之间的间隔间隙。通过所述部件的平面的相互重叠，还提高稳定性。也可行的是，与具有彼此精确调整的热膨胀系数的平面部件彼此粘接，以便进一步提高稳定性。因此得到以下优点：可以更薄地且同时更稳定地构造显示器。因此，本发明尤其能够实现，制造LCD-TV设备，其厚度显著小于约30毫米的现今最小厚度。本发明也能够实现降低设备的重量。因此，可以使LCD-TV设备、尤其所述具有LED棱边照明(侧光背光单元)的LCD-TV设备的深度(厚度)向更现代且更薄的OLED-TV设备方向发展。因为电视显示器的薄的结构方式(以及小的重量)是用于对市场上的UHD-TV设备进行差别化的重要特性，所以可以因此在多种方面制造有吸引力的LCD-TV设备。一方面，LCD-TV设备可以非常薄地(并且必要时轻地)构造，另一方面其相对于OLED-TV在可接受的价格的情况下可以具有非常大的对角线并且也得到高的真彩色质量。
另一优点也在于，由于导光板的更小的热膨胀，可以更窄地构造显示器的框架。因此，与此相对，在使用PMMA导光板的情况下需要更宽的框，从而围绕板存在用于膨胀的补偿空间。更窄的框架有利于优选的美学外观、例如设备的精美的感观。
根据本发明的导光板因此尤其适于在光学照明系统内的应用，所述光学照明系统用于大规格的液晶显示器或视频墙、尤其那些基于具有强烈的直接的或间接的光入射的LED照明技术的液晶显示器或视频墙。
除所述示例以外，也包含受益于高透射度(透明性)和对于长的光路径而言小的色差、即美学外观的其他应用领域。也包括除了这些有利特性之外受益于玻璃的低的热膨胀系数的应用。
除B2O3和SiO2以外，所述玻璃组合物包括份额Al2O3的份额作为进一步的交联剂，其尤其降低材料的脆性。然而，用于作为玻璃成分的氧化铝的通常的原料载体通常污染有着色的杂质，其负面地影响玻璃的透射度。在此，Al2O3的份额为1至5重量百分比。所述小的含量仍证实为对于玻璃的可加工性以及其强度是足够的。但是另一方面，自然存在的但不期望的杂质仅为不重要的。
根据本发明的一种实施方式，也可以使用合成的氧化铝原料，以便进一步减小玻璃的吸收。虽然合成原料增大制造成本，然而这鉴于1至5％的小份额在实际中仍可实现。优选地，Al2O3的含量为1至3％、特别优选为1.5至2.5％。
除Al2O3以外，用于MgO的载体材料也是关键原料，其作为自然原料通常引入不期望的相似离子大小(例如Ni、Cu、Mn等)的吸收的3d杂质元素。因此，在可选择地使用MgO时设置，使用仅少量的特别纯净的材料。
当通过光、尤其富有能量的UV光的作用，透射度减弱随着时间时，在玻璃中也可能发生过度曝光引起透光能力的改变(Solarization)。由于其玻璃组分，根据本发明的导光板的特征在于，其对于过度曝光是显著稳定的。特别是相对于更加倾向于过度曝光的其他类型的玻璃，本文的一个优点在于此。
此外，可以设置一种导光板的在UV范围中的高吸收，其至少两倍高于、优选至少5倍高于在可见范围中的最高吸收。所述UV界线(cut-off)可以是有利的，以便保护其他成分、尤其位于其中的聚合物免受耦合输入的光的可能的寄生UV份额，耦合输入到导光板中的光在其通过侧面射出之后穿过所述成分辐射。
本发明的另一方面是，如此选择玻璃组分，使得由该玻璃组分制造的面板的折断危险可以通过化学硬化降低。
为此，玻璃组分可以进一步包括碱金属氧化物、尤其Na2O、K2O和/或Li2O，从而导光板由碱金属硼硅酸盐玻璃制造。通过碱金属含量可以调整玻璃的热膨胀系数。在添加碱金属/碱金属氧化物时尤其附加地能够实现，对玻璃化学地预应力，以便进一步提高其强度。在化学硬化(化学预应力)时引起离子交换，其中例如，更小的碱离子通过更大的同系物替换，从而在玻璃表面上的交换区域中将应力特征(Spannungsprofil)引入到玻璃中。
但只要化学预应力不期望或不必须，则可以优选无碱的组分。
一般而言，例如通过添加碱金属氧化物可以使导光板适应于其他玻璃、例如显示器中的其他玻璃部件、如位于其中的衬底玻璃、必要时以及盖玻璃的热膨胀系数。然而，特别优选的是导光板的热膨胀系数适应于LCD显示屏中的TFT衬底的热膨胀系数。
因此，根据导光板的应用领域，在需要时可以提高其强度并且因此降低板的断裂危险。这尤其可以在大的显示屏对角线时、例如在TV设备中或者在触摸屏中、例如在智能电话、平板电脑、计算机、导航设备等中是有利的。
此外，尤其包括以下应用：对于所述应用考虑玻璃通过化学预应力的机械加固结合高透射度(透明性)的优点和/或结合导光板的小的颜色偏差的优点的可能性。
所需要的碱原料、尤其Na2O可以以高的纯度得到，而没有无论如何出于成本原因禁止使用。特别优选地，因此以高的纯度使用碱原料。
尤其设置玻璃组分中的Na2O的含量为0至8重量百分比、优选0至4重量百分比。此外，尤其设置K2O的含量为0至1重量百分比。最终，尤其设置Li2O的含量为0至2重量百分比、优选0至1重量百分比。
在本发明的一种优选实施方式中，导光板的特征在于SiO2含量位于65至85重量百分比的范围中和/或B2O3含量位于10至20重量百分比的范围中。在此，高的氧化硅含量对于达到高的光透射度而言是特别有利的。
此外，优选本发明的一种实施方式，其中导光板的玻璃中的以氧化形式的铁的含量小于60ppm和/或Fe2+铁离子与Fe3+铁离子的量的比例小于0.05。
由于玻璃原料的杂质，通常不能避免铁的一定份额。然而，对于显示器玻璃而言期望对于PMMA可比较的透射度、尤其也对于长的光路径而言，起始于以氧化形式的铁的含量小于10ppm，能够以有利的方式在根据本发明地使用的硼硅酸盐玻璃中容许更大的铁含量。
借助优选设置的铁含量小于60ppm、特别优选小于50ppm，可以实现与PMMA接近或相同的透射度。
为了实现以氧化形式的铁的所设置的含量或Fe2+离子与Fe3+离子的量的所设置的比例，尤其设置，进行玻璃的适当澄清。通过澄清剂的添加消除已熔化的玻璃的气泡，例如其方式是，澄清剂由于分解释放气体。
优选具有氯化钠(NaCl净化)的中性澄清剂，其保持很低的Fe2+离子的含量。因此，与其他澄清剂相比，尤其可以最小化比例Fe2+/Fe3+。
在本发明的一种扩展方案中，导光板的玻璃因此具有卤素离子、尤其氯离子，其具有份额0.05重量百分比至0.2重量百分比。
优选地，放弃具有直接氧输出、例如As2O5、Sb2O5并且尤其SnO2的氧化还原活跃的澄清剂。放弃所述澄清剂，尤其放弃通常的氧化锌澄清剂，因为由此会降低Fe3+相比于Fe2+的含量。此外，所述其他澄清剂是环境有害的或者不适于浮法(Floatverfahren)。
因此，借助氧化锌的澄清结合痕量(Spuren)的铁对于实现特别高的透射度而言是不利的。同样，也不适于借助氧化锌(SnO2)的澄清以及氧化铈(CeO2)的添加。优选放弃铈化合物，以便使光谱透射度曲线平滑，因为铈氧化物结合少的Fe2O3杂质甚至在可见光谱范围中起强烈吸收的作用。
此外，优选氧化的熔化过程、尤其借助氧燃料燃烧设备(Oxy-Fuel-Brenner-Anlage)来引起Fe2+到Fe3+的转换。在此，尤其可以选择具有火焰中超化学计量份额的氧气的燃烧器配置。此外，在熔化过程期间可以将氧气吹入到玻璃熔化物中(所谓的O2起泡)。在将氧气吹入到熔化物中时，优选每喷嘴氧气的量大于1L/min、优选大于2.5L/min。喷嘴的数量通过盆大小确定。
硼硅酸盐玻璃基本上具有小的碱性，该碱性同样对玻璃中的氧化还原关系具有积极影响。
根据本发明的一种实施方式，还设置Cr含量为0.05至0.7ppm、特别优选小于0.5ppm。
优选地，杂质Fe、Cu、Cr、Ni、Mn、Ce、Co的总含量小于0.005重量百分比。
本发明的硼硅酸盐玻璃的优选特征是，对于2毫米的透射的厚度而言对于白光的透射度为至少93％。优选地，实现对于常见的白色LED的白光的这种透射度，所述白色LED用于棱边照明(侧光背光单元)。此外优选，尤其在温度5800开尔文时实现对于白光的具有连续光谱的、尤其陆地的太阳光谱或黑体辐射体的光谱的这样的透射度。根据通常的定义，可见波长范围(光谱范围)从400nm(紫色)延伸至750nm(红色)，有时也达到780nm。
在本发明的一种优选实施方式中，导光板的玻璃的折射率nd小于1.52、优选大于1.45、特别优选小于1.48。根据本发明的硼硅酸盐玻璃通常具有低的折射率。因此，借助在1.45至1.52的范围中的优选的折射率，可以降低通过反射造成的透射度损耗。这相对于其他市售的平面玻璃提供一个优点，所述市售的平面玻璃具有更大的折射率。低的折射率、如其优选设置的那样，也有利于降低在耦合输入到液晶显示器的玻璃中时、尤其在TFT衬底玻璃中的耦合损耗。该玻璃通常同样具有相对小的折射率，从而玻璃面板之间的折射率跳变是小的。
此外，低的折射率能够实现在光的耦合输入时的更大灵活性。因此，可以更灵活地定位光源，而没有出现不期望的反射损耗。当在平面显示屏中使用导光板时，这尤其是有利的，在所述平面显示中在光源的定位方面的结构要求经常与尽可能薄的且紧凑的结构方式时存在矛盾之处。
尤其设置，在400nm至780nm波长范围上的内部透射率对于100毫米的光路径长度而言超过90％、优选超过91％并且特别优选地超过92％。
导光板优选具有在0.5毫米至3毫米范围中的厚度、特别优选具有在1毫米至2毫米范围中的厚度。该厚度适于可以、甚至在大的背光显示屏中也可以，耦合输入足够多的光并且在此同时还达到装配有根据本发明的导光板的显示器的小的总厚度。
导光板优选具有矩形形状，其对应于待照明的显示屏的常见形状。根据一种实施方式，导光板的对角线具有至少250毫米的长度、优选至少500毫米的长度。
为了保证导光板的稳定性，板的厚度可能取决于所述对角线。板的对角线越小，则可以越薄地制造板。当厚度与对角线的比例在0.001与0.012之间、优选在0.001与0.008之间、特别优选在0.001与0.006之间时，是特别有利的。
典型地设置，导光板具有平的矩形形状。然而也可以设置，形状是矩形的，但导光板是弯曲的。弯曲的导光板可以用于所谓的曲面TV设备。
在本发明的一种扩展方式中设置，导光板由浮法玻璃面板组成。在制造浮法玻璃时，将提纯的玻璃熔化物引导到锡槽上。由此，出现特别高的表面质量。因此，表面粗糙度特别小。这一方面能够实现高的光引导，而另一方面能够实现光从光导的非常有目的的精确的脱耦。这确保了均质的光输出，即避免了所谓的热点。浮法玻璃通常在表面上、即在浮动时在锡槽上漂浮的表面上也具有痕量的氧化锌。
在浮法中制造的导光板中，尤其在大面板的情况下，由于非常光滑的表面以有利的方式实现可能的弯曲的精确的规格。所述弯曲例如可以产生预应力的结果。
此外，根据本发明提供用于光学显示器、尤其液晶显示器的照明装置。所述照明装置包括根据本发明的导光板并且还包括至少一个用于光的耦合输入的光源，所述光通过全反射被引导到导光板的侧面之间。此外，在导光板的至少一个侧面上包括光散射结构，以便使输入到导光板的光散射，使得光从导光板输出。
在一种优选实施方式中，照明装置的发射光谱如此与导光板的透射度光谱精确地协调，使得从光源耦合输入和再次从导光板在显示器单元方向上沿着板输出的光的颜色位置移位具有小于0.04的△Wy值(基于CIE颜色表)。
特别优选地，照明装置的光谱如此构造并且如此与玻璃的透射度光谱精确协调，使得从光源耦合输入并且再次从导光板输出的光的颜色位置移位具有在消色点方向上的分量。为了所述分量可以存在，使照明装置的光的颜色值位于消色点旁。然而，具有任何残留颜色的照明的该明显的缺点，结合玻璃的在光谱上变化的透射度，导致了尽可能颜色中性的照明。
最后，根据本发明提出一种显示屏、尤其液晶显示器。所述显示屏包括根据本发明的照明装置以及与照明装置的导光板相对置的可控制的平面状的显示装置，使得从光源耦合输入到导光板中的并且从所述导光板侧方(从侧面)再次辐射出的光到达显示器装置并且可以横穿该显示器装置。
以下，根据附图详细阐述本发明。在附图中，相同的参考标记表示相同或相应的元件。
附图说明
图1示意性以透视图示出导光板；
图2示意性以侧视图示出照明装置；
图3示意性以侧视图示出显示屏；
图4示意性以侧视图示出液晶显示屏；
图5示意性以侧视图示出具有壳体的液晶显示屏；
图6示意性以侧视图示出具有壳体的、现有技术的液晶显示屏；
图7示出CIE标准颜色表；
图8示出现有技术的不同的市售的导光板的光谱内部透射度；
图9示出根据本发明的导光板的对于两个短的光路径长度而言的光谱透射度；
图10示出由碱金属铝硅酸盐玻璃和由根据本发明的硼硅酸盐玻璃制成的导光板的色散曲线；
图11示出由碱金属铝硅酸盐玻璃和由根据本发明的硼硅酸盐玻璃制成的导光板的光谱的最大透射度；
图12示出由碱金属铝硅酸盐玻璃和根据本发明的分别具有不同的Fe2O3含量的硼硅酸盐玻璃制成的导光板的光谱内部透射度。
具体实施方式
图1示意性示出导光板1。导光板1包括两个平面平行的侧面10、11。导光板构造为矩形的玻璃面板并且包括四个棱边面，其中一个棱边面13作为光输入面。耦合到棱边面13中的光通过全反射在侧面10、11上沿着所述侧面引导经过该侧面。光返回到导光板1中的路径相比于板的厚度非常长。导光板1的厚度位于0.5毫米至3毫米的范围中、优选位于1毫米至2毫米的范围中。
玻璃自身尽管是非常透明的材料，然而在此由于长的光学路径，甚至是小的吸收系数导致显著的吸收。根据本发明的玻璃现在一方面适于借助浮法大规模地制造，然而另一方面具有如此高的透射度，使得玻璃适于作为对角线尺寸为至少250毫米、优选至少500毫米的导光板，而没有出现严重的颜色位置移位和强度降低。这通过SiO2和B2O3的高的含量(至少70重量百分比)以及Al2O3的存在的但是小的份额1至5重量百分比实现。通过小的Al2O3含量也可以使作为杂质存在于Al2O3中的氧化物形式的铁的含量轻松地降低到小于60ppm。具有65至85重量百分比范围中的SiO2含量和具有10至20重量百分比范围中的B2O3含量的组合物也支持铁的进一步氧化，使得铁离子Fe2+/Fe3+的量的比例小于0.05。
图2示意性示出使用根据本发明的由硼硅酸盐玻璃制成的导光板的照明装置19。照明装置19具有导光板1，该导光板具有两个平面平行的侧面10、11。光源21、例如LED或者LED列，位于右棱边面上。光源21的光通过右棱边面耦合输入到导光板1中并且然后通过全反射引导到导光板1的侧面10、11之间。一般而言，在不限于所述实施例的情况下，作为光源21在此不仅可以使用白色发光二极管的布置，而且可以使用不同颜色的发光二级管。在后一情形中，白光通过不同颜色的发光二级管的颜色的混合产生。例如，白光可以通过红色、绿色和蓝色发光二级管的布置混合。彩色的发光二级管也可以与白色发光二级管组合，以便产生期望的或可调节的颜色位置的光。
在导光板1的下侧面11上附接有反射层15，其散射光，使得光从导光板1通过侧面10射出。除了所示出的，光也可以通过多个棱边耦合输入。例如，所述耦合输入可以环绕地沿着周围的棱边面13实现。这恰好在非常大平面的照明装置20的情况下提供，以便实现均匀的照明。
图3示意性示出显示屏20。显示屏20包括照明装置，该照明装置由在图2中所描述的部件组成。此外，显示屏20包括显示器装置23，该显示器装置与导光板1相对置。由导光板1通过上侧面脱耦的光到达显示器装置23并且横穿过该显示器装置。由此，通过光源21耦合输入的白光可以逐像素地转换成彩色光。
图4示意性示出显示屏20，该显示屏构造为液晶显示屏。显示屏20又包括照明装置，该照明装置由在图2中所描述的部件组成。显示屏20的显示器装置是液晶显示器装置，该液晶显示器装置包括两个衬底25和31，在它们之间存在TFT层27以及LCD层29(液晶层)。衬底25和31由玻璃制造。
图5示意性示出具有壳体35的、构造为液晶显示屏的显示屏20。由于导光板1由适应于衬底25的热膨胀系数的玻璃构成的事实，导光板1可以以平面的方式贴靠在衬底25上，而没有在之间保留间隔间隙作为补偿空间。通过这种方式可以实现平面的设计，即实现壳体的小的厚度37。由于由玻璃制造的导光板1具有非常小的热膨胀系数的事实，此外在板的棱边侧不需要显著的间隔间隙，从而可以实现非常窄的壳体框架39。
与此相对，图6示出现有技术的液晶显示屏，其导光板1由PMMA制造。由于导光板1的热膨胀，在显示装置的导光板1和衬底25之间需要间距33，所述间距导致壳体35的厚度显著更大。此外，在导光板的棱边侧、即围绕板设置间隔间隙，以便能够实现板的热膨胀41。由此，需要更宽的壳体框(壳体边缘)39。总而言之，现有技术的显示屏20因此在相同的图像面积时具有更大的尺寸。
图7示出CIE标准颜色表。可由人察觉的颜色的整体作为白色区域示出。x＝y＝0.33涉及消色点17，其也称作白点。
所示出的是两个颜色点18和16。颜色点18对应于耦合输入到导光板中的光，而颜色点16对应于从导光板输出的光。因为两个点不是完全重叠的，所以发生颜色位置移位。在所示出的示例中，由于根据本发明的玻璃的透射度特性，颜色位置朝y轴正方向移位了△Wy＝0.35。沿着x轴的颜色位置移位在该示例中没有发生。因为消色点17在y方向上相比于颜色点18更靠近颜色点16,所以在y方向上发生从光源耦合输入并且之后从导光板散射出的光朝消色点17方向的颜色位置移位。在朝消色点方向上存在至少一个移位的分量。所述特征化的移位可以借助根据本发明的玻璃和白光源以简单的方式实现。
图8示出在不同的现有技术的市售的导光板上测量的纯透射率50、52、54。导光板的厚度分别为2mm并且返回的光路径长度共计分别500mm。纯透射率理解为内部透射率。
显而易见的是，PMMA光导的内部透射率54在约420nm至约780nm的波长范围中超过90％、部分超过95％，其中然而在约715nm至约765nm的范围中记录直至70％以下的显著降低56。内部透射率的所述降低56归因于包含在PMMA光导中的水分子。由于其材料，PMMA光导具有以下缺点：随着时间推移来自周围环境的潮湿扩散进聚合物基质中。与此相对，由玻璃制成的导光板以有利的方式相对于周围环境湿度不敏感。
导光板的由铝硅酸盐制成的第一版本具有内部透射率50。所述曲线虽然未示出透射率的由水杂质导致的降低，然而内部透射率50自约波长410nm起显著小于PMMA光导的内部透射率。其基本上显著小于60％。在420nm与780nm之间，内部透射率50此外非常不均匀并且在约30％与60％之间波动。
导光板的由具有减低的铁含量的铝硅酸盐制成的第二版本具有内部透射率52(粗略对应于Corning IrisTM玻璃)。与内部透射率50相对，记录到显著增大的透射率值。然而，内部透射率52仅仅在500nm与600nm之间的波长范围中达到超过90％的值并且否则低于90％。在约440nm的蓝色光的范围中，透射率仅仅达到约82％。此外，内部透射率随着其接近红色光而连续地减低至约80％。
图9示出在根据本发明的两个导光板的紫外的和可见的波长范围中对于相对短的光路径长度而言的光谱透射度。透射度60相对于光路径长度1mm测量，透射度62相对于光路径长度8mm测量。
两个导光板借助对应于下表1的玻璃组合物7制造。杂质含量为10ppm Fe2O3、9ppmTi、0.4ppm Mn、0.3ppm Cu、0.2ppm Cr、小于0.1ppm Ni并且小于0.1ppm Co。在此，使用以下原料：
·SiO2石英砂A1-JP，Brementhaler Quarzwerk(DE)
·高纯度B2O3硼酸,CHP Chemicals B.V.(NL)
·Al2O3AL(OH)3ATH BHP,Cell Mark Chemicals(JP)
·Na2O碳酸氢钠BICARTEL，Solvay(B)
·硝酸钾K2O，Solvadis Chemag Haldor(DK)
·碳酸锂Li2O，SQM Europe(NL)
·碳酸钙CaO Ulmer Weiss，E.Merkle公司(DE)
显而易见的是，透射度60和62在约380nm至800nm的波长范围上并且因此在整个可见波长范围上分别为约92.6％至93.1％，这对应于可达到的最大的由于反射的透射度。此外，透射度在可见波长范围中分别极其均匀地延伸。因此，透射度在可见波长范围中仅仅相对弱地取决于光路径长度。在本示例中，对于两个光路径长度1mm和8mm(曲线60和62)而言在可见波长范围中没有发现透射度的差异。与此相对，在紫外波长范围中，透射度强烈取决于光路径长度。显而易见的是，对于波长200nm的光，透射度在光路径长度1mm(曲线60)的情况下降低到45％，而其在光路径长度8mm的情况下几乎消失(曲线62)。
图10示出色散曲线，即作为光波长函数的折射率，对于每一个曲线示出由根据本发明的由硼硅酸盐玻璃(折射率72)制成的导光板和由碱金属铝硅酸盐玻璃(折射率70)制成的导光板。
碱金属铝硅酸盐玻璃具有以下组分：其具有约60重量百分比的SiO2、在16与17重量百分比之间的Al2O3和约4重量百分比的MgO。
根据本发明的导光板的玻璃的折射率72在可见波长范围中位于1.49与1.46之间。因此，折射率位于特别优选的间隔1.5至1.45中。折射率72在可见波长范围之上随着波长的增加而减小至小于0.02。特别地，折射率72在整个可见波长范围之上比碱金属铝硅酸盐玻璃的折射率70小0.03以上。
由菲涅尔公式可以众所周知地推导出：当光从具有折射率1的介质垂直入射到具有折射率n的介质上时反射一部分(n-1)2/(n+1)2。如果在两个平面平行的面上还考虑多次反射，则得到由反射导致的最大透射度2n/(n2+1)。
图11示出对于由根据本发明的具有折射率72的硼硅酸盐玻璃制成的导光板而言的如此计算出的最大透射度82和对于由具有折射率70的碱金属铝硅酸盐玻璃制成的导光板而言的最大透射度80。
显而易见的是，根据本发明的由硼硅酸盐玻璃制成的导光板具有比由碱金属铝硅酸盐玻璃制成的导光板的最大透射率高约1.5百分点的最大透射度。根据由反射决定的该算法，由碱金属铝硅酸盐玻璃制成的导光板在可见波长范围中不能达到比约92.7％更大的透射度。与此相对，根据本发明的由硼硅酸盐玻璃制成的导光板在可见波长范围中可以达到93.1％的透射度。对于波长380nm的光而言最大透射度为92.6％，对于波长600nm的光而言最大透射度为93％，而对于波长780nm的光而言最大透射度为93.1％。在所述值之间，最大透射度对于增大的波长分别严格单调地增大。因此，由硼硅酸盐玻璃制成的导光板在最大可达到的透射度方面相对于由碱金属铝硅酸盐玻璃制成的导光板是更好的。
图12示出分别由Fe2O3含量为120ppm或22ppm的碱金属铝硅酸盐玻璃制成的导光板的纯透射率90和94。碱金属铝硅酸盐玻璃的组分具有约60重量百分比的SiO2、在16与17重量百分比之间的Al2O3和约4重量百分比的MgO。还示出的是，根据本发明的导光板的内部透射率92和96，该导光板由根据表1中的示例7的、Fe2O3含量为80ppm或12ppm的组分的硼硅酸盐玻璃制成。具有内部透射率96的导光板在实验室坩埚中熔化，从而在约600nm以下的短波范围中的透射率与在生产规模中熔化的板相比稍微更低。所示出的所有透射率曲线在光路径长度100mm的情况下确定。
具有22ppm铁的碱铝硅酸盐玻璃的内部透射率94在可见波长范围上在79％与89％之间波动。与此相对，具有120ppm的铁的碱金属铝硅酸盐玻璃的内部透射率90在545nm处具有最大值90.8％，在其两侧上强烈衰落。在380nm时透射度仅仅为36.2％，在780nm时透射率为57.6％。由此显而易见，碱金属铝硅酸盐玻璃的透射度显著取决于铁含量。
与此相对，透射度与铁含量的相关性在根据本发明的由硼硅酸盐玻璃制成的导光板中显著更小。具有12ppm铁的硼硅酸盐玻璃的内部透射率96在400nm及以上处连续地显著大于90％并且在780nm时增大到97.8％。具有80ppm铁的硼硅酸盐玻璃的内部透射率92在约400nm及以上处同样总是超过90％。其在565nm时到达最大值98.7％，在780nm时稍微地减小到94.4％。因此，尤其在红色光的区域中发现透射度随着增大的铁含量的少量降低，这然而显著小于在碱金属铝硅酸盐玻璃中的情况。因此，根据本发明的导光板的硼硅酸盐玻璃尤其具有以下透射率：其在不同的Fe2O3含量、尤其在12ppm与80ppm之间时仅仅导致最大5百分点、优选3.5百分点的波动。
此外，参照曲线92和96，根据本发明的由硼硅酸盐玻璃制成的导光板的透射度在大于400nm的可见波长范围中波动小于10百分点、优选小于5百分点。因此，根据本发明的导光板的硼硅酸盐玻璃起使透射度曲线更均匀的作用。
此外值得注意的是，具有80ppm铁的硼硅酸盐玻璃的内部透射率92在整个可见波长范围上大于具有仅仅22ppm铁的碱金属铝硅酸盐玻璃的内部透射率94。因此，硼硅酸盐玻璃在几乎四倍大的铁含量时具有大了平均几乎10百分点的内部透射率。根据本发明的由硼硅酸盐玻璃制成的导光板因此特别适于光引导。
在下表1中说明根据本发明的具有所述属性的导光板的9种玻璃组分：
Figure BDA0001081674310000181
表1根据本发明的导光板的玻璃组分
对于玻璃组分7而言，确定在表的底部中给出的杂质浓度。其他玻璃组分的杂质含量仅仅在所用的原料的变化的量以及在不同情况下所用的原料的纯度等级方面彼此不同。
为了制造玻璃和由该玻璃制成的导光板，尤其可以使用在图9中的描述中列举的、特别干净的原料。由此，可以实现相应的玻璃的尽可能高的纯度。或者可以同时使用在图9的描述中列举的高纯度的原料，或者但是仅仅使用单个的高纯度的原料。仅仅单独的干净的原料的使用尤其能够实现，因为根据本发明的由硼硅酸盐玻璃制成的导光板相对于关键的杂质是特别容忍的，如以上所描述的那样。
在下表2中说明商业的平面玻璃的玻璃组分，其尤其不适用于制造根据本发明的导光板：
Figure BDA0001081674310000191
表2商业的平面玻璃的玻璃组分
与玻璃组分无关地，在本发明的范畴内设置一种具有两个平行的侧面和至少一个优选其光输入面作用的棱边面的导光板，其中导光板对于光路径长度100毫米对于白色光的内部透射率为至少90％、优选为至少91％、特别优选为至少92％。所述通过其对于白色光表征的导光板的透射率尤其可以具有上述特征的其他特征并且用作照明装置和/或显示屏的一部分。

Claims (16)

1.一种用于引导可见光的导光板（1），其具有两个平行的侧面（10、11）和至少一个棱边面（13），所述棱边面（13）用作光入射面，其中，所述导光板（1）：
- 由硼硅酸盐玻璃制造，所述玻璃
- 包含B2O3和SiO2作为成分，其中，B2O3和SiO2的总含量为至少90重量百分比，其中，SiO2的含量在65至85重量%的范围，B2O3的含量在10至20重量%的范围，以及其中，
- 所述玻璃的组分中的二价金属的金属氧化物的总含量小于3重量百分比，以及其中，
- 所述玻璃的组分中的Al2O3的含量为1重量百分比至5重量百分比，其中，所述导光板（1）对于100毫米的光路径长度对于白色光的内部透射率为至少90%，以及其中
- 以氧化物形式的铁的含量为小于60ppm并且铁离子的量的比例Fe2+/Fe3+为小于0.05。
2.根据权利要求1所述的导光板（1），其特征在于以下特征中的至少一个：
- 所述玻璃的折射率小于1.52且大于1.45，
- 室温下的线性热膨胀系数在2.5·10-6K-1至4.5·10-6K-1的范围中，
- 对于2毫米的穿透厚度而言对于白光的透射度为至少93%。
3.根据权利要求1或2所述的导光板（1），其特征在于，所述玻璃包含卤素离子，其具有0.05重量百分比至0.2重量百分比的份额。
4.根据权利要求3所述的导光板（1），其中所述卤素离子是氯离子。
5.根据权利要求1或2所述的导光板（1），所述导光板具有0.5毫米至3毫米的范围中的厚度。
6.根据权利要求5所述的导光板（1），所述导光板具有1毫米至2毫米的范围中的厚度。
7.根据权利要求1或2所述的导光板（1），其特征在于，所述导光板（1）具有矩形形状并且其对角线的长度为至少250毫米。
8.根据权利要求7所述的导光板（1），其中，所述对角线的长度为至少500毫米。
9.根据权利要求1或2所述的导光板（1），其特征在于，所述导光板（1）是浮法玻璃面板。
10.根据权利要求1或2所述的导光板（1），其特征在于，所述导光板（1）对于100毫米的光路径长度对于白色光的内部透射率为至少91%。
11.根据权利要求10所述的导光板（1），其中所述导光板（1）对于100毫米的光路径长度对于白色光的内部透射率为至少92%。
12.一种用于液晶显示器的照明装置（19），其中，所述照明装置（19）包括：
- 根据权利要求1-11中任一项所述的导光板（1），
- 至少一个用于光的耦合输入的光源（21），所述光通过全反射被引导到所述导光板（1）的侧面之间，以及
- 在至少一个所述侧面（10、11）上的散射光的结构，以便使在所述导光板（1）中引导的光散射，从而使所述光从所述导光板（1）输出。
13.根据权利要求12所述的照明装置（19），其特征在于，从所述光源（21）耦合输入和再次从所述导光板（1）沿着所述板散射输出的光的颜色位置移位具有小于0.04的值△Wy。
14.根据权利要求12-13中任一项所述的照明装置（19），其特征在于，从所述光源（21）耦合输入和再次从所述导光板（1）散射输出的光的颜色位置移位具有在消色点（17）方向上的分量。
15.一种液晶显示器（20），其包括：
- 根据权利要求12-14中任一项所述的照明装置（19）；
- 与所述导光板（1）相对置的可控制的平面状的显示器装置（23），使得从所述光源（21）耦合输入到所述导光板（1）中并且从所述导光板（1）侧面地再次射出的光到达所述显示器装置（23）并且能够横穿所述显示器装置。
16.一种具有两个平行的侧面（10、11）和至少一个棱边面（13）的玻璃面板在导光板（1）中的用途，所述导光板具有由所述至少一个棱边面（13）形成的光输入面，其中，所述玻璃面板：
- 由硼硅酸盐玻璃制造，所述玻璃：
- 包含B2O3和SiO2作为成分，其中，B2O3和SiO2的总含量为至少90重量百分比，其中，SiO2的含量在65至85重量%的范围，B2O3的含量在10至20重量%的范围，以及其中，
- 所述玻璃的组分中的二价金属的金属氧化物的总含量小于3重量百分比，以及其中，
- 玻璃的组分中的Al2O3的含量在1重量百分比和5重量百分比之间，其中，所述导光板（1）对于100毫米的光路径长度对于白色光的内部透射率为至少90%，以及其中
- 以氧化物形式的铁的含量为小于60ppm并且铁离子的量的比例Fe2+/Fe3+为小于0.05。
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