CN107003470B - 层压背光单元 - Google Patents

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Abstract

背光单元包括光导层(120)、被粘合固定到光导层的背面的第一包层(124)、沿第一包层放置的多个转向结构(162)以及被粘合固定到光导层的正面的第二包层(122)，所述光导层包括沿光导层的背面(156)放置的多个提取特征(158)。第一包层具有低于光导层的光导折射率的第一折射率。第二包层具有低于或等于第一折射率的第二折射率。

Description

层压背光单元
附图描述
为更完全地理解本公开，参考以下详细描述和附图，在附图中，相同的参考标号可被用来标识附图中相同的元素。
图1是根据一个示例的具有显示器的电子设备的示意性分解透视视图。
图2是根据一个示例的显示器的层压背光单元的部分示意截面视图。
图3是具有根据一个示例被引导和提取的示例性光线的图2的层压背光单元的部分示意截面视图。
图4是根据一个示例的作为在包层折射率中的差异的函数的提取特征角度的图表。
图5是根据一个示例的作为包层折射率的函数的聚光比的图表。
图6是根据一个示例的电子设备的框图，在其中可以使用层压背光单元。
尽管所公开的设备和系统易于具有各种形式的实施例，但在附图中示出了(并在下文描述了)各具体实施例，其中要理解，本公开旨在是说明性的，而不将本发明限于本文所描述和示出的各具体实施例。
详细描述
电子设备的显示器具有背光单元以照明液晶显示器(LCD)面板。背光单元可以包括多个光管理膜或其它彼此粘合固定的层。所述膜或层可以包括被粘合固定到光导层的正面和背面的包层，光在提取之前通过其反射传播。包层和光导层可以被配置以便光被受控地通过光导层的背面从光导层被提取。作为与沿光导层的背面放置的提取特征的交互的结果，光以受控的角度(而不是由于散射导致的随机化角度)从光导层出射。将光的提取控制在所选的角度范围(例如几度或其它小的或非常小的范围)可以被用于提供紧密的出射分布以及进而提供一个窄视角显示器例如，显示器可以增加朝着观看者定向的照明量，而不是朝着观看者的任一侧。所述视角可以比在其它背光单元(诸如在其中通过再循环或亮度增强膜建立对视角的宽度的限制的那些背光单元)中可实现的视角更窄。更窄的视角进而可以提供减少显示器的功率消耗的机会，因为更少的光被浪费在照明观看者之外的区域。
包层的配置可以支持受控提取。例如，包层可以彼此具有折射率偏差。被固定到光导层的正面的包层可以具有比被固定到背面的包层更低的折射率。折射率中的差异和提取特征的配置可以确保光以后向从光导层被提取。
包层的配置和背光单元的提取特征可以产生固有地窄观察锥体。背光单元可以在无需将一个或多个棱镜膜放置在背光单元上以试图增加轴上照明的情况下产生窄观察锥体。尽管这样的棱镜膜可以相对于完全散射显示器改进轴上照明达大约5倍，但包层和提取特征可以改进照明达大约十倍。窄观察锥体的固有产生可以通过在到达这样的棱镜膜之前避免随机化光的散射来实现。避免这种随机化允许背光单元维持通过光导层传播的光的定向特性。
每个提取特征可以是或包括在光导层中的棱镜形状的凹槽(indentation)。被固定到背面的包层可以被放置在每个凹槽中。凹槽允许在选择性角度范围内传播的光出射出光导层。角度的范围可以通过为浅的或低板形(profile shape)的凹槽被限制到窄的角度范围。被允许出射出光导层的窄的角度范围导致窄的从显示器的出射角度范围。这样，朝着观看者定向的光可以落入紧出射分布内。这样，可以实现窄视角的显示器。
从光导层提取的光可以由多个转向结构之一反射回以将光重新定向朝向观看者。将反射(而不是散射)用于重定向维持了光提取的受控性质。每个转向结构可以是在被粘合固定到包层的膜上承载的棱镜形状的结构，所述包层被沿光导层的背面放置。遇到转向结构的光被以一个方向反射转向观看者，该方向与光导层内的光的传播角度相对应。由于提取特征的选择性提取，这样，由背光单元所发射的光可以展现出期望的方向性。结果，显示器可以展现出更窄的视角。
背光单元的组成膜或层中的一些或全部可以被彼此粘合固定。例如，背光单元可以被配置为层压结构以形成实心膜组装件。背光单元的相邻膜或层的粘合可以防止或最小化背光单元的组成层的相对移动。否则，如果组成膜或层是自由浮动的，则这样的移动可以发生。例如，组成层的粘合可以防止或最小化由于机械过限制(mechanical over-constraint)或热膨胀中的差异导致的所述层的任何褶皱或屈曲。这样可以避免或最小化在显示输出中的Mura缺陷或其它非均匀性。
膜的粘合还可以允许膜的厚度被减小到最小光学功能厚度或朝着最小光学功能厚度减小。例如，这样，可以避免在背光单元中用于维持平坦度的膜厚度。
背光单元的固态性质可以允许背光单元被结合到LCD面板。这样，可以建立一种稳健的、实心的显示模块。例如，显示模块的实心性质可以防止或最小化在操作期间产生的问题，例如由于触屏显示器的屈曲产生的问题。
背光单元的组成层可以由材料构成和/或以其它方式被构造为和/或被配置为便利并利用层压。例如，包层可以被粘合固定到光导层的正面和背面。在一些情形中，包层可以由相应的粘合材料提供。
尽管结合具有触屏的电子设备进行了描述，然而，内部支架可结合各种电子设备使用，包括不具有触敏显示器的那些电子设备。电子设备的大小和形状因子可显著改变。设备的范围可以从可穿戴设备或手持式设备到电视机或其它挂壁式显示器或其它大型设备。尽管在此描述了背光单元的各个方面，然而显示模块和电子设备的其它组件的组成和其它特性也可改变。
图1是一种电子设备100的截面图，所述电子设备具有透明盖102、壳104和放置在透明盖102与壳104之间的显示模块106。透明盖102可以包括或由玻璃、塑料和/或其它透明材料组成。在该示例中，透明盖102和/或显示模块106由内部支架108支持。内部支架108被置于透明盖102和壳104之间。显示模块106被置于内部支架108的正面或向前的面上。在该示例中，电子设备100包括放置在内部支架108的背面或向后的面上的电池110和电子模块112。如下所述，显示模块106、电池110、电子模块112和/或电子设备100的其它内部组件可以被粘合地或以其他方式固定到或安装到内部支架108。在其他情况下，设备100不包括内部支架108。
显示模块106可以被配置作为显示模块堆叠。显示模块堆叠106可包括任意数目的光学层或膜。显示模块堆叠106的每个层可以在结构上由内部支架108支撑。在此示例中，显示模块堆叠106包括触摸传感器单元114、LCD单元(或面板)116、以及背光单元118。触摸传感器单元114可包括形成在、被施加到或以其它方式被固定到透明盖102和/或显示模块堆叠106的剩余部分上的一个或多个层。LCD单元116可包括置于触摸传感器单元114和背光单元118之间的一个或多个层。背光单元118可以包括光导层(或板)120以及前和后包层122和124。包层122、124被分别置于光导层120的正和背面(或侧)上并沿正和背面(或侧)放置。包层122、124可以被粘合固定到正和背面。背光单元118可包括任意数目的附加光管理膜或层。光管理膜和层的示例结合图2和3被示意性地示出并描述。
显示模块106的相邻的单元、层或其它元件或组件可绑定在一起或以其它方式彼此固定。例如，触摸传感器单元114可被绑定到LCD面板116。LCD面板116可进而被绑定到背光单元118。显示模块106也可被绑定或以其它方式被固定到透明盖102。显示模块106的相邻单元或面板可以是彼此毗连的，除了其间的粘合层或膜之外。在图1的示例中，粘合层126、128被用于将单元114、116、118的相邻单元彼此固定。相邻单元的绑定可以导致在其间缺少气隙。显示模块106的上(或正)表面也可被绑定到透明盖102。在图1的示例中，粘合层130被用于将触摸传感器单元114固定到透明盖102。另一个粘合层可以在显示模块106的下(或后)表面处被使用以将背光单元118固定到内部支架108。
电子设备100可包括更少的、附加的或替换的与显示器相关的组件。例如，在一些情形中，显示模块106的一个或多个组件可以被用作透明盖102。例如，显示模块的所述层或组件之一可以被用作外部显示层，而不是具有独立的、附加的盖。例如，外部显示层可以是或可以包括LCD面板116的外部偏光器。外部偏光器可包括用于在使用期间进行保护的硬涂层(例如，聚合物粘合物中的粉末状或纳米规格玻璃)。替换地或附加地，LCD面板116的颜色过滤器玻璃层可被配置且放置成担当外部显示层的玻璃基板。在这种情况下，在in-cell(胞内)触摸传感器布置中，触摸传感器层可在颜色过滤器玻璃层之上形成或可被添加到颜色过滤器玻璃层。可以使用其它触摸显示器布置。
显示模块106的每个单元还可以被配置作为固态的层或膜堆叠。背光单元118的组成层或膜可以被彼此绑定。例如，背光单元118的组成膜或层可以被配置作为层压组成膜或其它层。这样，背光单元118可能在其组成层之间缺少气隙。背光单元118的相邻层或膜可以是彼此毗连的，除了其间的粘合层或膜之外。实际上，在图1的示例中，前和后包层122、124是粘合层或膜。前和后包层122、124从而可以被用于将一个或多个膜、层或结构粘合固定到光导层120。
在图1的示例中，前包层122将漫射膜132粘合固定到背光单元118的光导层120。附加的、更少的或替换的膜或层可以通过前包层122被固定。例如，漫射器结构可以替换地被嵌入、悬置或以其它方式整合入前包层122。
在图1的示例中，后包层124将转向膜134粘合固定到光导层120。转向膜134承载了或包括了转向结构的阵列。转向结构可以沿后包层124放置，如下结合图2所述。附加的、更少的或替换的膜或层可以通过后包层124被固定。例如，转向结构可以通过再循环膜或其它膜或层来承载。
单元114、116、118的一个或多个单元的组成膜或层的层压或其它绑定可以增加显示模块106的实心性和/或刚性，并且从而增加设备组装件的实心性和/或刚性。例如，所述层压和所导致的在背光单元118内的气隙的缺失可以产生一种刚性且结实的设备。显示模块106的刚性可以支撑透明盖102。透明盖102的屈曲或变形可以被最小化或避免。屈曲的缺失可以在使用期间保护显示模块106的单元114、116、118的易碎的膜和层。
在图1的示例中，透明盖102的屈曲的缺失也可以保护电子模块112和其它内部组件免受负面冲击影响。如果透明盖102被允许在使用期间(例如，触摸事件)弯曲，则电子模块112可冲击另一内部组件，从而导致对电子模块112和/或该另一组件的损害。屈曲的缺失允许设备100被组装而无需在设备100的内部组件之间插入泡沫或其它保护层。例如在显示模块106和电子模块112之间的泡沫或其它保护层的缺失可导致更薄的设备外形。
显示模块106的组成膜的粘合附接可保护组成膜免受损害，所述损害原本可由相邻膜的相对移动和/或相邻膜间的接触引起。单独而论，一个或多个膜可能是易碎的，举例而言，诸如易碎薄膜。例如，膜可由薄丙烯酸树脂、聚碳酸酯、或聚酯层构成。膜的层压或其它粘合附接可从两侧均支撑每个相应的膜。从而，尽管个体很脆弱，但是组成膜的组合和层压可创建更刚性的、结实的结构。在一个示例中，膜(例如光管理膜)的粘合附接意味着膜不再能够横向滑动或相对于相邻膜之中的或在其之上承载的结构(诸如转向特征(例如，棱镜))的其它移动。在其它结构上滑动可能能够损害光管理膜。结构还可能被弯曲或以其它方式通过接触而被损害。在没有这种相对移动和接触的情况下，成品率和产品寿命的改善可被实现。内部组件的粘合附接和/或堆叠还可保护组成膜免受可能来自透明盖102的屈曲和/或其它事件的损害。
显示模块106可包括用于进一步支撑显示模块106的组成膜或层的一个或多个框架。例如，框架可沿膜或层的外周放置。在一些情况下，多个光源(诸如边缘安装的发光二极管(LED)设备)被该(一个或多个)框架承载或以其它方式支撑。所述框架出于简化设备100的显示模块106和其它内部组件的图示的目的而没有在附图中示出。
显示模块106可用结构粘合剂被绑定到内部支架108。透明盖102的玻璃或塑料层可最后使用光学透明粘合剂被固定。透明盖102可被绑定到显示模块106的顶表面(例如，触摸传感器单元114的上表面)以及内部支架108两者。
在图1的示例中，内部支架108是托盘形的。内部支架108包括板136、从板136的边缘向上延伸的法兰138、以及从法兰138向外延伸的壁架140。板136被置于透明盖102和壳104之间，且可跨设备100的显示区域的整个横向范围延伸。透明盖102被安装并固定到法兰138和壁架140。法兰138和/或壁架140也可被固定到壳104。法兰138沿壳104的侧壁142被放置。这样，在其他配置中，法兰138可沿着壳104的侧壁142的轮廓。
内部支架108的配置可与图1中示出的示例不同。例如，法兰138中的一个或多个可从板136既向上(或向前)又向下(或向后)延伸。内部支架102从而可具有H形的横截面。壁架140的数量也可以变化。例如，壁架140可以从两个相对的法兰138而不是所有四个法兰138向外延伸。
设备100的组件可以被配置为在设备200被组装时避免或最小化气隙。在图1的示例中，内部支架108和壳104可调整尺寸以或以其它方式被配置为避免或最小化从透明盖102到壳104的气隙或其它间隙。除了一个或多个粘合膜或层之外，显示模块106与透明盖102和内部支架108两者均毗连。电池110也可与内部支架108和壳104毗连。从而，沿定向到图1中的切割穿过显示模块106和电池110的平面的截面线不存在气隙。沿那些截面线的设备100被有效构造为实心设备。在显示模块106的任一侧上的气隙的缺失可支撑透明盖102，由此阻止或最小化其屈曲或变形。
如图1中所示，壳104的侧壁142和内部支架108的法兰138可调整尺寸以与设备100的内部组件的累加厚度相对应。例如，法兰138可调整尺寸以使得在板136之上的上内部空间的厚度与显示模块106的累加厚度相匹配。侧壁142和法兰138可调整尺寸以使得在板136之下的下内部空间的厚度与电池110的厚度相匹配。上和下内部空间的各自的厚度可基于内部组件的相应厚度以及基于内部组件被置于板136的哪一侧而不同。
由于内部支架108的层压和/或支撑所提供的强度，后盖144和壳104的其它部分可由一种或多种低成本轻量级材料构成。壳104可以是或可以不是机械刚性的。内部支架108所提供的支撑在设计中提供了这种灵活性。壳104可经由塑料注塑来形成。后盖144可通过(一种或多种)粘合材料和/或夹子或其它紧固件被固定到设备100的其它外部组件，诸如内部支架108、透明盖102和/或壳10的侧壁142。
设备100的构造和配置可与图1中示出的示例不同。例如，透明盖102可与显示模块106的一个或多个组件集成。显示模块106本身也可显著改变。例如，显示模块106可以或可以不被配置为触摸屏。不同类型的显示技术可被使用，包括例如各种类型的LCD显示器，诸如超级扭曲向列和其它扭曲向列LCD显示器和各种薄膜晶体管(TFT)显示器。
图2以更多的细节描述了背光单元118的一个示例。背光单元118可以被配置作为被绑定到LCD面板的后部的层和其它组件的组装件(图1)。如上所述，背光单元118包括光导层(或板)120、前和后包层122、124、漫射器膜132以及转向膜134。。背光单元118还包括一个或多个光源150(例如LED光源)和相邻于光源150的将光注射到光导层120中的一个或多个非成像聚光器152。每个光源150可以被抵靠非成像聚光器152的相应的输入小面(facet)放置的。光源150和聚光器被沿着光导层120的一个或多个边放置。例如，相应的聚光器结构可以沿着光导层120的两个相对边被放置。每个聚光器152在光导层120的平面中和平面外都对光进行限制。在某些情况下，可为每个光源150提供相应的聚光器152。在其它情形中，光导层120的每个边具有单个的聚光器152以适应安装在该边上的所有光源150。聚光器152可以与光导层120不同或与光导层120集成到任何期望的程度。
光导层120具有正面154和背面156。正面154对应于光导层120的面向上或前的侧，其更靠近或接近观看者。背面156对应于光导层120的面向下或后的侧，其离观看者更远或在观看者远侧。光导层120可以是膜或其它板，诸如具有落入从大约0.4mm到大约0.6mm的范围内的厚度的薄膜。可以使用其他厚度。例如，光导层120的厚度可以根据光源150的宽高比或作为宽高比的函数而变化。
光导板120包括多个提取特征158。每个结构可以是或包括在光导板120的背面156中的凹槽。每个凹槽可以是或包括棱镜形凹槽。例如，每个凹槽可以是平坦面的棱镜(例如三棱镜)。每个棱镜可以是浅的棱镜。每个棱镜包括定位用于与沿光导层120反射地向下传播的光交互的成角度的面160。每个棱镜的成角度的面160可以以相对于背面156的浅角被定向。如果角度落入大约1度到大约5度的范围内，例如大约为2度，则该角度可以被认为是浅的。
凹槽可以具有其它形状。相对于图2中示出的对称的三棱镜形状而言，凹槽可以是非对称的。例如，每个凹槽可以具有以相对于背面156的浅角被定向的单个面。在这样的情形中，相对于面160的凹槽的面可以以非浅角定向。例如，每个凹槽可以具有直角三角形的横截面或具有更陡的相对面的其它横截面。
作为改变密度的替换或补充，凹槽的各个方面可以跨光导层120变化。例如，面160的角度、高度、宽度和/或长度可以被改变。这些方面中的而一个或多个可以被改变(例如被增加)，例如离光源150的距离增加以实现均匀或其它期望的输出分布。凹槽的这些或其它方面可以出于实现期望输出分布之外的目的而被改变。
提取特征158可以在针对均匀光提取的布置中跨背面156分布。凹槽的高度和密度可以被设定以实现均匀输出分布。在一些情况中，提取特征158可以以在横向阵列中的许多行和列的形式被放置。图2的示例示出了阵列的行中的一行的一部分，在其中沿该行的位置指示了离光源150的距离。在该行内的相邻的提取特征158之间的间隔以及进而提取特征158的密度可以作为离光源150的距离的函数而改变。在图2的示例中，出于简化图示的目的，在相邻特征158之间的间隔在第一、第二和第三特征之间减少。间隔的减少(例如密度的增加)可以被配置为提取作为离光源150的距离的函数的均匀的光量。间隔的改变可以与所示的示例有相当大的变化相反，在相邻特征158之间的间隔在其它横向(例如进入图2的纸中)中是均匀的。在其中光源仅沿图1中所示的边被放置的情形中，提取特征158在其它横向中可以是均匀间隔的。
光导板120可以由可成形材料构成或包括可成形材料以允许凹槽被形成。光导层120可以由玻璃、塑料和/或具有高(或以其它方式)适应性光学传输的另外的材料组成。例如，可以使用光学聚碳酸酯膜。聚碳酸酯膜材料的一个示例是市场上可购得的如来自三菱工程塑料的HL-8000。取决于各种其它的塑料材料的轻量化和易成形的性质，可以使用这样的材料，而非塑料材料也可以被使用。
光导层120具有比包层122、124更高的折射率以通过全内反射在光导层120中传播注入的光。光导层120的折射率(或“光导折射率(guide refractive index)”)可以是高折射率，例如落入大约1.55(例如环烯烃共聚物，COC)到大约1.74(例如三菱的气相化学MGC171)范围内的折射率。例如，HL-8000聚碳酸酯膜具有1.584折射率。光导折射率可以例如按照包层122、124的合成物而改变。可以使用具有高(或相对高)折射率、低着色和低成本的聚碳酸酯和其它材料
所述光反射传播穿过光导层120，直到与一个或多个提取特征158相遇导致被提取。包层122、124的折射率可以彼此有偏差。包层122的折射率低于包层124的折射率。包层122的折射率可以与其它折射率(例如光导折射率)有偏差，这样，在从背面156(或提取特征158之一)反射回之后遇到正面154的光不再穿过正面154。下面结合图3提供示例。
包层122的折射率可以落入大约1.29(例如杜邦的特氟龙AF或Asahi GlassCytop)到大约1.38或大约1.41(例如各种市场上可购得的硅树脂材料)的范围内。包层124的折射率高于包层122的折射率，并且可以落入从包层122的折射率向上延伸的范围内。在一些情形中，包层124可以包括或由丙烯酸胶粘剂材料(例如丙烯酸聚氨酯混合物)，例如丙烯酸胶粘剂的Nitto Denko Lucias范围，其具有大约1.47或更高的折射率。包层122、124的成分和其它属性可以与上述提供的示例不同。例如，具有大约1.1的折射率的气凝胶可以被用作包层122。气凝胶或类似的低折射率材料的使用可以支持更急剧的提取。
每个提取特征158可以被配置成使得在光遇到一个或多个提取特征158导致所述光被从光导层120中提取。在操作中，聚光器152将进入光导层120的光限制在一个传播角度范围，这样，全内反射一直发生，直到所述光遇到至少一个提取特征158。光线的传播角度相对于正或背面154、156中任一个被定义。每次光遇到(例如反射回)提取特征158之一，传播角度增加达成角度的面160的角度的2倍。通过这样的增加，光线变得更可能达到或超过沿背面156的分界的临界角，并且这样出射光导层120。光继续以根据提取特征158的面160增加的角度反射式向下传播光导层。
在包层122、124和光导层120之间的相对折射率差异可以提供或确保所述光被后向提取(或通过背面156)。由于包层122具有比包层124更低的折射率，在正面154处相对于正面154的平面的角度(全内反射在该角度中止(“全内反射角”))高于在背面156处的角度。全内反射角对应于(相对于法线定义的)分界的临界角和90度之间的差值。各全内反射角之间的差可以等于或大于成角度的面的角度的两倍，这样，在超出在正面154处的全内反射角之前所述光已经超出了在背面156处的全内反射角。包层122、124的折射率可以与光导折射率有偏差，这样，正面154具有一个全内反射角，该全内反射角比背面156的全内反射角大至少两倍的每个提取特征的面160的角度。结合图3描绘并描述了光线与提取特征158交互而导致从光导层120提取所述光线的示例。
一旦从光导层120提取了光，所述光可以在背包层124内行进靠近光导层120的平面，直到光与转向结构162的阵列之一相交。每个转向结构162可以是或包括将光向上朝着LCD面板116重新定向的反射结构(图1)。每个转向结构162可以是对称的，这样，从LCD面板116(例如从注入可从3M公司购得的DBEF或APF膜之类的偏振再循环膜)返回的光可以被有效地再循环。
转向结构162的阵列可以沿背包层124被放置。转向结构162可以被形成在转向膜134的正面上、或以其它方式由转向膜134的正面承载或被放置在转向膜134的正面上。每个转向结构162可以是从转向膜134的棱镜形突出。例如，转向结构162可以突入包层124中。或者，转向结构162可以形成在包层124中或沿包层124的背面形成。
每个转向结构162可以是V形槽、正棱柱或具有相对于光导层120的平面以一个角度被定向以将光朝着观看者重定向的相对面的其它结构。在一些示例中，相对于每个提取特征158的成角度的面160的角度，所述角度可以是大约45度。每个提取特征凹槽的棱镜可以比每个转向结构162的棱镜更浅(例如浅得多)。每个转向结构162的角度可落在从约75度到约90度的范围内，但其他角度也可被使用。例如，所述角度可以基于在光出射光导层120时发生的折射量而改变。
转向结构162的配置可与图2中示出的示例不同。例如，转向结构162可以被放置在弯曲布置中。在其中形成转向结构162或在其上承载了转向结构162的膜或层可以被整体地弯曲以将背光单元118所发射的光引导朝向观看者的位置。凸曲率可以被用于会聚来自背光单元118的外部部分的光。这样，可以避免仅对显示器而言是常见的照明所导致的热点。还可使用其他类型的转向结构。在一些情形中，在聚合物层绑定中形成全息结构或以其它方式沿包层124放置全息结构。
转向结构还可以被整体按序弯曲，因而减少可以在窄角度显示器中对用户可见的“热点”。这种技术先前已经在MS 331506.01所示的设备的实际实现中说明过。
在从转向结构162反射回之后，所述光穿过光导层120和包层122。在该示例中，所述光随后遇到漫射器膜132，其对包层122定界。漫射器膜132可以以轻微程度将光漫射到例如观看者不能察觉到光源150和/或减少转向结构162的可见性的程度。因此，所述光可以沿提取特征158和转向结构162所建立的方向保持主要指向观看者。替换地或另外地，包层122可以包含多个漫射器结构。
在一些情形中，正和背包层122、124包括相应的粘合材料。例如，正和背包层122、124可由相应的粘合材料构成。相应的粘合材料可以进而具有相应的折射率。在一些情况中，粘合材料可以被置于薄膜粘合层中。薄膜粘合层可以包括一个或多个压敏粘合材料。附加或替换类型的粘合材料和膜可被使用，包括例如湿气或热固化的粘合材料。粘合材料可以是基于硅树脂的、基于环氧树脂的和/或基于丙烯酸的材料。粘合材料可以被用于层压背光单元层的堆叠的相邻层。
(一种或多种)粘合材料可以是低折射率粘合材料。低折射率粘合材料的示例包括低折射率硅树脂材料，诸如Shin-Etsu KER 7000低折射率硅树脂密封剂(折射率1.380)，以及丙烯酸树脂粘合剂，诸如Nitto Denko CS9621T粘合剂(折射率1.492)，但是也可使用其它材料。硅树脂密封剂可以被用作包层122，并且丙烯酸树脂粘合剂可以被用作包层124。各种其它粘合材料可以被用于包层122、124任一个。在另外其它情况下，粘合材料的折射率为约1.2。可使用具有更接近1.0的折射率的其它材料。
作为由不同的粘合材料建立的折射率差的替换，光导层120的正面154可以用纵向直角棱镜特征来图案化以在由离轴入射导致的折射率中建立有效增加。纵向棱镜被用于陷获在棱镜的方向中行进的光。棱镜特征和有效增加可以通过将棱镜建模、压制或以其它方式施加到光导层120中来提供。每个棱镜可以是或包括具有大约120度内角的棱镜结构。棱镜结构提供了陷获从提取特征158反射的向上行进的光的折射率中的有效变化，使得光导层120内的光束围绕棱镜轴向旋转，因而提供了在光导层120内的光的随机化。棱镜可以以与Scotch光学照明膜(SOLF，以前可以从3M公司购得)或市场上可购买的各种准直背光设计类似的方式被配置。在这些情形中，包层122、124可以包括相同的粘合材料或由相同的粘合材料构成，但是还可以针对包层122、124使用不同的材料。
图3示出具有许多示例性光线170-172的背光单元118以描绘在操作期间从光导层120提取光的方式。每条光线170-172是由光源150生成(图2)并由聚光器152集中(图2)以进入到光导层120并由光导层120引导。从光源150发射的光进入到非成像聚光器152。由光源150产生的角范围通过聚光器152被减少至一个点，在该点处光由被包层122、124定界的光导层120引导。
在遇到提取特征158之一之前，光线170-172分别以角度a1、b1和c1沿光导层120反射式传播。每个角度被相对于光导层120的平面定义。
光线170-172呈现三种不同的提取场景。在图3的示例中，光线170-172中没有光线自图的左侧起遇到提取特征158之一。因此，在任一面154、156，角度a1、b1、c1的每个角度也不超出全内反射角。由于折射率中的差异，全内反射角在正面154处大于在背面156处。一旦由于光线170-172遇到一个或多个提取特征158而导致入射角超过在背面156处的全内反射角，则所述光线被提取。遇到相应的提取特征158之一的光要么穿过提取特征158要么在由提取特征158反射回并接着由正面154反射回之后穿过背面156来出射出光导层120。
光线170的提取如下进行。在三个角度中，光线170的角度a1是最大的(或最陡的)。在光线170遇到提取特征158之一之前，在光线170由面156反射回并接着由面154反射回时角度a1被维持。光线170在提取特征158的成角度的面160上入射，因而将入射角增加了面160的角度。在这个示例中，所得到的入射角超过了与包层124的分界的全内反射角，如下：
a1+α>TIR角，
其中α是面160的角度。因此，光线170从光导层120折射出。随后，光线170随后由转向结构162之一反射回以如所示地朝着用户重定向。
光线171不像光线170那样陡峭。换句话说，传播角b1不是如传播角a1那样靠近TIR角。光线如所示由提取特征158之一反射回。因此，传播角如下所示地增加：
b1+2α＝b2，
其中b2是光线171的新的传播角。由于角度b2在该分界处没有超出全内反射角，光线171随后由正面154反射回。相反，角度b2实际上在背面156处超出了全内反射角。这样，光线171出射出光导层120。光线171在由转向结构162之一重定向之前在分界处被折射。
光线172的角度c1是传播角中最低的角度。在该示例中，光线172遇到提取特征158中的第一个提取特征，如下增加了传播角：
c1+2α＝c2，
其中c2是新的传播角。随后，光线172由正面154反射回，并且随后遇到提取特征158中的另一个提取特征。光线172由该提取特征158反射回，因为在入射角中的增加还是不足以超过全内反射角，如下所示：
c2+α<TIR角
然而，一旦由提取特征158反射回，光线172现在具有更大的传播角c3，如下所述：
c2+2α＝c3.
由于角度c3在该分界处没有超出全内反射角，光线172随后由正面154反射回。但此后，光线172可以随后通过背面156出射，如果角度c3超过由包层124建立的全内反射角的话。在这样的情形中，光线172以一个角度传播，使得光线172不遇到提取特征158的其它面或表面(即与面160相对的小面)。在一些情形中，该其它面可以以与内反射角相等或更大的角度被定向，以便所述面被面160遮挡。因此，没有光线遇到该其它面。
在图3中描绘的示例示出存在多个出射路径。一种可能的出射路径涉及光被提取特征158的成角度的面160反射回，随后被上部面154反射回，随后通过下部面156出去。另一条出射路径涉及光穿过提取特征158的成角度的面160。
图3的示例描绘了背光单元118的选择性光提取。仅接近全反射角传播的光被允许出射出光导层120。因此，仅一个窄范围的传播角被提取。在窄范围的传播角之外的其它光继续沿光导层120反射式传播，在每次遇到提取特征158之一时角度增加。下面提供了关于示例性背光单元的更多信息，所述示例性背光单元提供了从光导层120以预定传播角度范围的选择性提取。
在正和背面154、156处的全内反射角中的差异也支持选择性提取。光线170-172仅以朝着转向结构162的后向从光导层120被提取。包层122、124的折射率可以彼此偏差达与全内反射角中的差相对应的程度并基于由聚光器152产生的传播角的范围(图2)。关于折射率偏差的更多信息结合下述示例提供。
再次参考图2，在一个示例中，光导层120具有1.6的折射率，并且以在正面154处为1.35折射率而在背面156处为1.41折射率为界限。当光进入到光导层120时，在光导中存在的最大的光线角(相对于光导层120的平面)被给出为：
其中nlg是光导层的折射率。在该示例中，当nlg＝1.6，最大光线角度为39度。
当光导层120由包层122、124中的一个定界时，最大的传送的角度(相对于光导层120的平面)为：
其中nc是最大折射率包层(例如背包层124)的折射率。在这种情形中，折射率分别是1.6和1.41，因此，最大角度是28度。因此，聚光器152减少了光束锥角达至少39/28或1.4倍。通常，在光学系统中，n*d*sin(theta)被保存(即拉格朗日不变量),其中n是折射率，d是厚度而theta是光线角。在光导层120中，折射率是恒定的，因此，厚度变化可以通过设定下述等式来确定：
其中d1是在输入处的聚光器152的厚度，而d2是在输出处的聚光器152的厚度。
通过重新排列和替换角度，公式如下：
该等式示出：在一些情形中，聚光率可以变为1。在这样的情形中，聚光器152可以不被包括在背光单元118中。例如，给定特定折射率对，例如nc＝1.3且nlg＝1.64，则聚光率可以变为1。
图4是示出作为光导折射率的范围的(例如包层124)的更高包层折射率的函数的聚光率的图表400。曲线402描绘了最高光导折射率的聚光率。曲线404描绘了最低光导折射率的聚光率。更多的曲线被示出用于中间的光导折射率。每个曲线示出当包层折射率降低时聚光率可能如何变得更低。
提取特征158(图2和3)与从光导层120出射的光耦合的方式现在结合示例进行描述。每个提取特征158可以是或包括浅凹槽或凹陷，其被包层124的材料填充。由于凹槽的角(例如,α)是非常浅的，仅有光导层120内的接近全内反射角传播的光出射，导致出射出光导层120的窄角度范围。其它光被从凹槽反射，其增加了传播角达2α。进而，所述增加提高了该光将在下次所述光与背面156相交时出射的机会。
为了包含提取特征158所转移的光线，定界光导层120的正面154的包层的材料具有比在背面124定界光导层120的包层124的材料更低的折射率。在正面154处的全内反射角与在背面156处的全内反射角相差达角度2α，如下所示：
提取特征158的角度与包层122和124之间的折射率差相关。提取特征158的陡峭度可以由所有的光在光到达光导层120的末端时耦合到光导层120(图2)之外的条件来建立。提取特征158的陡峭度和密度可以被调整以实现所述条件。
图5是示出作为在光导层120的两个正和背面154、156之间的折射率差的函数的最大提取特征角度的绘图500。在一个示例中，假设光导折射率为1.6、背包层折射率为1.41以及前包层折射率为1.35，最大可允许的提取特征角度为2度。当折射率差增加时，最大角也增加。每个提取特征158的角度以及提取特征的密度一起为确定光从光导层120的提取速率的两个参数。参数的值可以由数值模拟来确定。光提取速率可以基于附加的参数或因子。
图6示出示例性电子设备600，该电子设备具有电子模块602以及显示模块604(或子系统)和电池606。电子设备600可包括更多的、更少的或替换的组件。例如，显示模块604可与电子设备602的电子模块600和/或其它组件以不同的程度集成。例如，电子模块602和/或显示模块604可包括电子设备600的图形子系统。任何数量的显示模块或系统可被包括。在此示例中，设备600包括处理器608和与显示模块604分开的一个或多个存储器610。处理器608和存储器610可涉及执行由设备600实现的一个或多个应用。显示模块604生成用于由处理器608和存储器610支持的操作环境(例如，应用环境)的用户界面。处理器608可以是通用处理器，诸如中央处理单元(CPU)、或者任何其他处理器或处理单元。任何数量的此类处理器或处理单元可被包括。
在图6的示例中，电子模块602包括图形处理单元(GPU)612和固件和/或驱动器614。GPU 612可专用于图形相关或显示相关的功能和/或提供通用处理功能。电子模块602的一些组件可被集成。例如，处理器608、一个或多个存储器610、GPU 612和/或固件614可被集成为片上系统(SoC)或应用专用集成电路(ASIC)。电子模块602可包括更多的、更少的或替换的组件。例如，电子模块602可不包括专用图形处理器，而是可依赖于CPU 608或其它通用处理器来支持电子设备600的图形相关的功能。电子模块602可包括(一个或多个)附加存储器以支持显示相关的处理。
在图6的示例中，显示模块604包括触摸传感器单元616、背光单元(BLU)618和LCD面板或单元620。背光单元618可以根据提供窄视角的显示器的上述示例中的一个被配置。额外的、更少或替换的显示器组件可被提供。例如，在一些情况下，显示模块604不包括触摸传感器单元616。
设备600可被配置为各种计算设备之一，包括但不限于：手持式或可穿戴计算设备(诸如平板计算机或手表)、通信设备(诸如电话)、膝上型计算机或其它移动计算机、个人计算机(PC)、服务器计算机、机顶盒、可编程消费电子产品、网络PC、微型机、大型机、音频或视频媒体播放器、以及其它设备。设备600还可以被配置作为电子显示设备，例如计算机监视器、电视机或其它显示器或可视输出设备。
在一个方面，背光单元包括具有正面和背面的光导层。所述光导层包括沿光导层的背面放置的多个提取特征。背光单元还包括被粘合固定到光导层的背面的第一包层、沿第一包层放置的多个转向结构以及被粘合固定到光导层的正面的第二包层。第一包层具有低于光导层的光导折射率的第一折射率，并且第二包层具有低于或等于第一折射率的第二折射率。在一些情形中，第二折射率低于第一折射率。
在另一个方面，显示器包括液晶面板和被粘合固定到液晶面板的层压背光单元。层压背光单元包括包含沿光导层的背面放置的多个提取特征的光导层，每个提取特征被配置为使得以预定角度范围内的传播角度传播通过光导层的光被提取。层压背光单元还包括被粘合到光导层的背面的第一包层、沿第一包层放置的多个转向结构，以及被粘合到光导层的正面的第二包层，所述多个转向结构被配置为重定向所提取的光到对应于传播角度的方向中。第一包层具有低于光导层的光导折射率的第一折射率，并且第二包层具有低于第一折射率的第二折射率。
在又另一个方面，背光单元包括将光注射入其中的光导层。所述光导层包括多个凹槽。每个凹槽被沿光导层的背面放置。每个凹槽被配置为使得因为光遇到多个凹槽中的相应凹槽导致所述光被从光导层中提取。每个凹槽具有以相对于背面的一个角度被定向的面。背光单元还包括包含第一粘合材料的第一包层。第一包层通过第一粘合材料被固定到光导层的背面。第一粘合材料具有低于光导层的光导折射率的第一折射率。每个凹槽由第一粘合材料填充。背光单元还包括沿第一包层放置的多个转向结构，以及包括第二粘合材料的第二包层。第二包层通过第二粘合材料被固定到光导层的正面。第二粘合材料具有低于第一折射率的第二折射率。第一和第二折射率可以与光导折射率有偏差，这样，正面具有一个全内反射角，该全内反射角比背面的全内反射角大至少两倍的每个提取特征的面的角度。
结合前述各方面中的任一方面，该电子设备可替换或附加地包括以下方面或特征的一者或多者的任何组合。每个提取特征可以包括在光导层的背面中的相应凹槽。每个凹槽可以包括比多个转向结构的每个转向结构更浅的棱镜。第一包层可以由具有第一折射率的粘合材料构成，而每个凹槽可以由粘合材料填充。每个转向结构可以包括相应的棱镜，并且每个提取特征可以比每个棱镜更浅。每个提取特征可以具有以相对于背面的一个角度定向的面，并且第一和第二折射率可以与光导折射率有偏差，这样，正面具有一个全内反射角，该全内反射角比背面的全内反射角大至少两倍的每个提取特征的面的角度。每个提取特征可以被定形，使得遇到相应的提取特征的光要么通过穿过提取特征要么在由提取特征反射回并接着被正面反射回之后出射出光导层。第二折射率可以与光导折射率有偏差，这样，在从背面或提取特征之一反射回之后遇到正面的光不再穿过正面。所述多个转向结构可以被放置在被粘合固定到第一包层的转向膜中以形成具有光导层与第一和第二包层的实心膜组装件。第一和第二包层可以分别包括第一和第二粘合材料。第一和第二粘合材料可以分别具有第一和第二折射率。所述第二包层可以包括在第二粘合材料内悬挂的多个漫射结构。背光单元还可以包括沿光导层的边放置的聚光器，光被注入聚光器中。聚光器可以被配置，使得光经历从正面的全内反射，直到遇到所述多个提取特征中的至少一个。
尽管已经参考具体示例描述了本发明，其中这些示例旨在仅仅是说明性的而非本发明的限制，但本领域普通技术人员将明白，可以对所公开的实施例作出改变、添加和/或删除而不背离本发明的精神和范围。
上述描述只是出于清楚理解的目的给出的，并且不应从中理解出不必要的限制，因为本发明的范围内的修改对本领域普通技术人员而言是显而易见的。

Claims (18)

1.一种背光单元，包括：
具有正面和背面的光导层，所述光导层包括沿所述光导层的所述背面放置的多个提取特征,每个提取特征具有以相对于背面的一个角度被定向的面；
被粘合固定到所述光导层的所述背面的第一包层；
沿所述第一包层放置的多个转向结构；以及
被粘合固定到所述光导层的所述正面的第二包层；
其中所述第一包层具有低于所述光导层的光导折射率的第一折射率，
其中所述第二包层具有低于或等于所述第一折射率的第二折射率；并且
其中所述第一和第二折射率与所述光导折射率有偏差，以使得所述正面具有一个全内反射角，所述全内反射角比所述背面的全内反射角大至少两倍的每个提取特征的所述面的所述角度。
2.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，所述多个提取特征的每个提取特征包括在所述光导层的所述背面中的相应的凹槽。
3.如权利要求2所述的背光单元，其特征在于，每个凹槽包括比所述多个转向结构的每个转向结构更浅的棱镜。
4.如权利要求2所述的背光单元，其特征在于：
所述第一包层由具有所述第一折射率的粘合材料构成；以及
每个凹槽由所述粘合材料填充。
5.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于：
每个转向结构包括相应的棱镜；以及
每个提取特征比每个棱镜更浅。
6.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，每个提取特征可以被定形，使得遇到相应的提取特征的光要么经由穿过所述提取特征要么在由所述提取特征反射回并接着由所述正面反射回之后出射出所述光导层。
7.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，所述第二折射率与所述光导折射率有偏差，以使得在从所述背面或所述提取特征之一反射回之后遇到所述正面的光不穿过所述正面。
8.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，所述多个转向结构被放置在被粘合固定到所述第一包层的转向膜中以形成具有所述光导层与所述第一和第二包层的实心膜组装件。
9.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，所述第一和第二包层分别包括第一和第二粘合材料。
10.如权利要求9所述的背光单元，其特征在于，所述第一和第二粘合材料分别具有所述第一和第二折射率。
11.如权利要求9所述的背光单元，其特征在于，所述第二包层包括在所述第二粘合材料内悬挂的多个漫射结构。
12.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，还包括沿所述光导层的边放置的将光注入其中的聚光器，所述聚光器被配置为使得所述光经历从所述正面的全内反射，直到遇到所述多个提取特征中的至少一个。
13.一种显示器，包括：
液晶面板；以及
被粘合固定到所述液晶面板的层压背光单元，所述层压背光单元包括：
光导层，包含沿所述光导层的背面放置的多个提取特征，每个提取特征被配置为使得以预定角度范围内的传播角度传播通过所述光导层的光被提取，每个提取特征具有一个以相对于所述背面的角度取向的面；
被粘合到所述光导层的所述背面的第一包层；
沿所述第一包层放置的多个转向结构，所述多个转向结构被配置为重定向所提取的光到对应于所述传播角度的方向中；以及
被粘合到所述光导层的正面的第二包层；
其中所述第一包层具有低于所述光导层的光导折射率的第一折射率，
其中所述第二包层具有低于所述第一折射率的第二折射率；并且
其中所述第一和第二折射率与所述光导折射率有偏差，以使得所述正面具有一个全内反射角，所述全内反射角比所述背面的全内反射角大至少两倍的每个提取特征的所述面的所述角度。
14.如权利要求13所述的显示器，其特征在于，其中：
所述多个提取特征的每个提取特征包括在所述光导层的所述背面中的相应的凹槽；
所述第一包层由具有第一折射率的粘合材料构成；以及
每个凹槽由所述粘合材料填充。
15.如权利要求13所述的显示器，其特征在于，其中每个提取特征被定形，使得遇到相应的提取特征的所述光要么经由穿过所述提取特征要么在由所述提取特征反射回并接着由所述正面反射回之后出射出所述光导层。
16.一种背光单元，包括：
光被注入其中的光导层，所述光导层包括多个凹槽，每个凹槽沿所述光导层的背面被放置，每个凹槽被配置为使得因为所述光遇到所述多个凹槽中的相应凹槽导致所述光被从光导层中提取，每个凹槽具有以相对于所述背面的角度取向的面；
包括第一粘合材料的第一包层，所述第一包层通过所述第一粘合材料被固定到所述光导层的背面，所述第一粘合材料具有低于所述光导层的光导折射率的第一折射率，每个凹槽由所述第一粘合材料填充；
沿所述第一包层放置的多个转向结构；以及
包括第二粘合材料的第二包层，所述第二包层通过所述第二粘合材料被固定到所述光导层的正面，所述第二粘合材料具有低于所述第一折射率的第二折射率；
其中所述第一和第二折射率与所述光导折射率有偏差，以使得所述正面具有一个全内反射角，所述全内反射角比所述背面的全内反射角大至少两倍的每个提取特征的所述面的所述角度。
17.如权利要求16所述的背光单元，其特征在于，其中每个凹槽被定形，使得遇到相应的提取特征的所述光要么经由穿过所述凹槽要么在由所述凹槽反射回并接着由所述正面反射回之后出射出所述光导层。
18.如权利要求16所述的背光单元，其特征在于，还包括沿所述光导层的边放置的将所述光注入其中的聚光器，所述聚光器被配置为使得所述光经历从所述正面的全内反射，直到遇到所述多个提取特征中的至少一个。
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