CN108267887A - 面光源装置及反射式显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种前置面光源装置，它包括发光体、由透明光学材料形成的上、下基材层以及多个微小凸包。该面光源装置能够有效增加经显示器显示画面反射后到达观测者的光线数量，抑制了未经显示画面反射而漏出到达观测者的光线数量，使显示画面在没有环境光的情况下仍清晰可见。
Description
技术领域
本发明涉及面光源，具体而言，涉及一种可放置于显示器显示面板上方、与观测者位于显示面板同侧的前置面光源装置，以及包含所述前置面光源装置的反射式显示装置。
背景技术
近年来显示器技术发展迅速，高分辨率、高色域的液晶显示器(LCD)、逐渐被多家手机品牌采用的OLED显示器已到处可见。但这些器件需要采用背光源或在发光材料上通以电流，方使显示画面变为可见。当观测者处于光线较强的环境中时，如在太阳光下，显示器件就必须加大亮度，以克服表面反射光线对显示画面的影响。众所周知，显示器的亮度越高，其能耗越大。为了克服这种缺陷，显示行业正在极力推出反射式显示器，例如，反射式液晶显示器(Reflective LCD)、电泳显示器(Electrophoretic Display)、反射式胆固醇液晶显示器(ReflectiVe Cholesteric LCD)等。上述反射式显示器可应用于电子书、手表、游戏机、室内室外动态和静态广告等场合。在太阳光、室内照明灯光或其他环境光的照射下，这种显示器的显示画面清晰可见。然而，反射式显示器不具备发光的功能，在没有环境光的情况下，显示画面无法观测到。
因此，在显示行业，目前亟需一种前置面光源，以在不具备环境光时，能使反射式显示器的显示画面清晰可见。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于，提供一种可配置于显示装置显示面板上方的面光源装置，以及包括所述面光源装置的反射式显示装置。
根据本发明的第一方面，提供一种面光源装置，包括发光体、由透明光学材料形成的上、下基材层以及多个微小凸包，其中发光体，邻近于所述下基材层的入光侧面配置；下基材层，具有多个低于其平坦表面的凹陷微结构，所述多个凹陷微结构在下基材层表面的占用面积比，从邻近所述入光侧面处至邻近出光侧面处沿光入射方向，从0.05％至20％向5％至60％增加；多个微小凸包，位于所述下基材层与上基材层之间，至少一部分微小凸包同时接触下基材层平坦表面和上基材层下表面，在上、下基材层之间形成空气间隙。
优选的是，所述多个微小凸包在下基材层表面的占用面积比为0.001％至10％。
优选的是，所述多个微小凸包在下基材层表面的占用面积比为0.01％至2％。
优选的是，每个微小凸包的高度为1微米至100微米；每个微小凸包的最大水平截面的直径为1微米至100微米。
优选的是，每个微小凸包的高度为2微米至20微米；每个微小凸包的最大水平截面的直径为2微米至50微米。
优选的是，所述面光源装置包括位于所述上、下基材层的周边之间的粘结边框，所述粘结边框采用透明粘结材料。
优选的是，所述粘结边框的高度为多个微小凸包中最高微小凸包高度的0.5倍至2倍；所述粘结边框的宽度为10微米至5毫米。
优选的是，所述粘结边框的高度与多个微小凸包中最高微小凸包的高度相同；所述粘结边框的宽度为50微米至2毫米。
优选的是，所述多个微小凸包具有粘性。
优选的是，所述发光体沿下基材层的入光侧面放置，在下基材层的高度方向与所述入光侧面对齐，并且其发光范围小于或等于所述入光侧面的高度。
根据第二方面，提供一种反射式显示装置，其特征在于，所述反射式显示装置包括如第一方面所述的面光源装置，所述面光源装置配置于显示面板的上方。
按照本发明的面光源装置，能够有效增加经显示器显示画面反射后到达观测者的光线数量，抑制了未经显示画面反射而漏出到达观测者的光线数量，从而使显示画面在没有环境光的情况下仍清晰可见。而且，因不需要点亮光源或在发光材料上通以电流，含有本发明面光源装置的反射式显示装置可大幅地降低能耗，提高电池寿命。
附图说明
图1a示出了本发明一示例面光源装置；
图1b为图1a面光源装置在YZ平面的截面图；
图1c为图1b中虚线所示范围100b的放大图示；
图2示出了在包含图1a面光源装置的反射式显示装置中光线的传播及出射；
图3a示出了本发明另一示例面光源装置；
图3b为图3a面光源装置在YZ平面的截面图；
图3c为图3b中虚线所示范围300b的放大图示。
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。
参照图1a，图1a示出了本发明一示例面光源装置。面光源装置包括发光体106，上、下两层基材102、101以及多个微小凸包104。其中，上、下基材层102、101位于XZ平面上。基材层102、101采用光学透明材料，可为单层或由多层光学透明材料复合而成。合适的基材材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酞酸酯(PC)、PET、玻璃、丙烯酸胶材等。下基材层101的厚度优选为100微米至3毫米，更优选为200微米至2毫米；上基材层102的厚度优选为25微米至2毫米，更优选为25微米至1毫米。
图1b为图1a面光源装置在YZ平面的截面图。如图1a和图1b所示，下基材层101包含多个低于其平坦表面的凹陷微结构103；多个微小凸包104位于下基材层101和上基材层102之间，将上、下基材层隔开，使两者间存在空气间隙105，下基材层101与上基材层102无直接接触。发光体106邻近于下基材层101的入光侧面107放置。合适的发光体106包括LED或LED阵列等。优选地，发光体106沿平行于X方向的下基材层入光侧面107放置，并在下基材层的高度方向(Y方向)与入光侧面107对齐；并且，发光体106的发光范围在Y方向小于或等于入光侧面107的高度，使由发光体106发出的光经过其入光侧面107进入下基材层101。该面光源装置还可包含一反射罩108，使从发光体106发出、未能直接进入下基材层的光，通过反射罩反射后由入光侧面107进入该基材层。
进入下基材层101的光，通过基材层表面的全反射或镜面反射，从邻近发光体106的一侧传播至远离它的一侧。在传播过程中，由于凹陷微结构103的作用，使部分光线从平行于XZ平面的表面离开下基材层。凹陷微结构103的密度随离入光侧面107距离的增加而逐渐增加，具体而言，多个凹陷微结构103在下基材层101上表面的占用面积比(单位面积内凹陷微结构的底面面积总和所占比例)，沿光入射方向(Z方向)，从邻近入光侧面107处的0.05％至20％，向离入光侧面107最远处，即邻近出光侧面处，的5％至60％逐渐增加。需要指出，凹陷微结构103的密度沿光入射方向逐渐增加，指的是一种总体趋势。考虑到存在着从出光侧面出射的光经邻近模组边框反射的情况，凹陷微结构的密度可作适当调整。这一设计可使下基材层中不同区域离开的光大致相同，从而使得反射式显示器的显示画面亮度均匀。
参照图1c，图1c为图1b中虚线所示范围100b的放大图示。该示例中，凹陷微结构103具有三棱柱形状，其尺寸可采用在YZ平面的截面的高度H1和宽度W1进行描述。优选地，高度H1可为1至150微米；更优选地，高度H1可为5至50微米。凹陷微结构103的宽度W1优选为2至100微米，更优选为5至50微米。如图1a所示，凹陷微结构103的长度沿X方向，优选地，其长度可为宽度W1的0.5至10倍；更优选地，其长度可为宽度W1的1至5倍。这里，为描述方便与清晰起见，图1a、1b和1c示出了三棱柱状的凹陷微结构，但适用于本发明面光源装置的凹陷微结构不仅限于此，也可采用部分圆柱状、部分球状、部分椭球状或其他规则、不规则的形状。
如前文所述，位于下基材层101和上基材层102之间的多个微小凸包104，起到在两者之间形成空气间隙的作用。这里，至少一部分微小凸包104同时接触下基材层平坦表面和上基材层下表面。多个微小凸包104可具有相同的高度，在上、下基材层均为平整基材的情况下，它们全部与上基材层下表面和下基材层平坦表面相接触。出于制作工艺或光学效果的考量，多个微小凸包104或可具有不同的高度，在上、下基材层均为平整基材的情况下，部分微小凸包104与上基材层下表面和下基材层平坦表面同时接触；这部分微小凸包通常具有较大的高度，高度较小的微小凸包只与上基材层下表面和下基材层平坦表面中的一个表面接触，但这不影响两者间空气间隙的形成。受制作工艺的限制，微小凸包104亦可位于上基材层下表面、或下基材层上表面对应凹陷微结构的位置，对空气间隙的形成和面光源装置的光学效果而言，虽然这样的位置并非最佳选择，但这些微小凸包只是总面积比较小的微小凸包中的一部分，其存在并不显著地影响本发明面光源装置的工作。
微小凸包104的存在不应影响显示画面的品质。它们的形状不受限制，但其密度和尺寸不宜太大，以防止由于微小凸包的作用，在下基材层中传播的光线产生明显可见的漏光，从而影响显示画面的清晰程度。多个微小凸包104在下基材层101表面的占用面积比(单位面积内微小凸包的底面面积总和所占比例)，优选为0.001％至10％，更优选为0.01％至2％。如图1c所示，微小凸包104的尺寸可由其高度H2和直径W2描述。高度H2控制了上、下基材层之间的空气间隙，H2优选为1至100微米，更优选为2至20微米。直径W2描述微小凸包最大水平截面(在XZ平面)的最大尺寸。优选地，直径W2可为1至100微米，更优选可为2至50微米。需要指出，微小凸包在XZ平面的最大截面形状不限于圆形，还可为椭圆形、矩形、三角形、六边形或其他合适的形状。
参照图2，图2示出了在包含图1a面光源装置的反射式显示装置中光线的传播及出射。其中，201为反射式显示装置的显示面板，面光源装置200配置于显示面板201的上方。这里，反射式显示装置包括反射式液晶显示器(Reflective LCD)、电泳显示器(Electrophoretic Display)、反射式胆固醇液晶显示器(Reflective Cholesteric LCD)，或者其他动态或静态显示画面的载体。具体而言，显示面板201位于下基材层101的下方，可与下基材层的下表面直接接触。或者，在显示面板201和下基材层下表面之间包含一透明粘结层。透明粘结层可以减少光线在下基材层下表面的反射，使显示画面在面光源点亮和关闭的状态下，都能呈现更加清晰的显示效果。优选地，粘结层材料的折射率介于下基材层和显示画面上方最外层材料的折射率之间。
从发光体106发出、并通过入光侧面107进入下基材层的光线A1A2传播至其上表面。空气间隙105提供一种低折射率的介质(n＝1)。下基材层的折射率显著大于空气的折射率，例如，当下基材层采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)时，其折射率n＝1.49。这样，光线A1A2在下基材层(光密介质)与空气(光疏介质)的界面被全反射成为光线A2A3。光线A2A3经下基材层的下表面反射后成为A3A4，在下基材层中，这样的光线从邻近发光体106的一端向远离方向传播。
从发光体106发出的另一光线B1B2，通过入光侧面107进入下基材层后，传播至位于其上表面的凹陷微结构103处，通过微结构103与空气的界面产生全反射而折返回下基材层内，如光线B2B3所示。折返光线B2B3被显示面板201上的显示画面反射后，经过下基材层101、下基材层上表面与上基材层下表面之间的空气间隙105、上基材层102，光线B3B4到达观测者202(为描述清晰起见，光线B3B4在不同介质界面的折射未被示出)。如光线B3B4所示的这类经显示画面反射并到达观测者的光线，携带了显示画面的图像信息，使观测者看到显示画面。在实际光源中，不可避免地，到达观测者202的光线会有部分未经显示画面反射、而直接到达的光线。这部分漏出的光线没有携带显示画面的图像信息，会影响观测者所看到显示画面的清晰程度。可以看出，按照本发明，面光源装置有效地增加了经显示画面反射后到达观测者的光线数量，抑制了未经显示画面反射而漏出到达观测者的光线数量，从而使显示画面清晰可见。
图3a示出了本发明另一示例面光源装置；图3b为图3a面光源装置在YZ平面的截面图。如图3a、图3b所示，该面光源装置中，下基材层301的上表面含有多个凹陷微结构303，凹陷微结构303具有弧状表面；多个微小凸包304位于下基材层301和上基材层302之间，在二者间形成空气间隙305；发光体306及反射罩308邻近下基材层入光侧面307配置。该面光源装置在其边缘处，还具有一粘结边框309，它位于上、下基材层的周边之间，采用透明粘结材料制成。粘结边框309将上、下基材层粘结为一整体，便于使用。
参照图3c，图3c为图3b中虚线所示范围300b的放大图示。粘结边框309的尺寸可用其高度H3、宽度W3来描述。这里，粘结边框高度H3和宽度W3的设计，应最大限度地降低边框对光在面光源装置中传播的影响。优选地，高度H3为多个微小凸包304中最高微小凸包高度的0.5倍至2倍。更为优选地，高度H3与多个微小凸包304中最高微小凸包的高度相同。粘结边框宽度W3的数值不受任何限制，但宽度较大会降低面光源装置的有效出光面积，宽度太小则达不到上、下基材层粘结牢度的要求。优选地，宽度W3可为10微米至5毫米，更优选可为50微米至2毫米。
在包含上述粘结边框的面光源装置中，多个微小凸包对于上、下基材层之间空气间隙的形成同样重要。当多个微小凸包高度相同且与粘结边框的高度一致时，微小凸包同时与上基材层下表面和下基材层平坦表面接触，在上、下基材层之间形成均匀的空气间隙。当粘结边框高于多个微小凸包中最高微小凸包时，微小凸包可能只与上基材层下表面和下基材层平坦表面中的一个表面接触，但在上基材层或下基材层受到压力而向另一方靠近时，由于微小凸包的存在，防止了上基材层下表面与下基材层平坦表面直接接触，保持了上、下基材层之间的空气间隙。由于制作工艺或制作参数控制的限制，粘结边框的高度或小于多个微小凸包中最高微小凸包的高度，粘结边框在边缘粘结上、下基材层后，可能会使上基材层或下基材层产生形变，但微小凸包的存在，亦确保了上、下基材层之间空气间隙的形成；即使上基材层或下基材层受到局部压力，上基材层下表面与下基材层平坦表面也不致直接接触。
本发明的面光源装置中，多个微小凸包可具有粘性，上、下基材层可通过这样的微小凸包粘接；或者，上、下基材层也可由反射式显示装置的其他部件加以固定。在上述情形下，可不需要粘结边框。
本发明的反射式显示装置中，面光源装置还可结合其他功能模块应用。如图2示例中，在上基材层102的上方，可放置触摸屏模块(touch screen)。触摸屏模块可接收经接触屏幕上的图形按钮而产生的输入讯号，并由触觉反馈系统控制反射式显示装置的显示画面。上述触摸屏模块可通过粘结胶层与上基材层102的上表面贴合，以避免因触摸屏模块与上基材层上表面之间的空气间隙产生反射光线，而降低显示画面的清晰程度。
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 (11)
1.一种面光源装置，包括发光体、由透明光学材料形成的上、下基材层以及多个微小凸包，其中，
发光体，邻近于所述下基材层的入光侧面配置；
下基材层，具有多个低于其平坦表面的凹陷微结构，所述多个凹陷微结构在下基材层表面的占用面积比，从邻近所述入光侧面处至邻近出光侧面处沿光入射方向，从0.05％至20％向5％至60％增加；
多个微小凸包，位于所述下基材层与上基材层之间，至少一部分微小凸包同时接触下基材层平坦表面和上基材层下表面，在上、下基材层之间形成空气间隙。
2.如权利要求1所述的面光源装置，其特征在于，所述多个微小凸包在下基材层表面的占用面积比为0.001％至10％。
3.如权利要求2所述的面光源装置，其特征在于，所述多个微小凸包在下基材层表面的占用面积比为0.01％至2％。
4.如权利要求2或3所述的面光源装置，其特征在于，每个微小凸包的高度为1微米至100微米；每个微小凸包的最大水平截面的直径为1微米至100微米。
5.如权利要求4所述的面光源装置，其特征在于，每个微小凸包的高度为2微米至20微米；每个微小凸包的最大水平截面的直径为2微米至50微米。
6.如权利要求1所述的面光源装置，其特征在于，所述面光源装置包括位于所述上、下基材层的周边之间的粘结边框，所述粘结边框采用透明粘结材料。
7.如权利要求6所述的面光源装置，其特征在于，所述粘结边框的高度为多个微小凸包中最高微小凸包高度的0.5倍至2倍；所述粘结边框的宽度为10微米至5毫米。
8.如权利要求7所述的面光源装置，其特征在于，所述粘结边框的高度与多个微小凸包中最高微小凸包的高度相同；所述粘结边框的宽度为50微米至2毫米。
9.如权利要求1所述的面光源装置，其特征在于，所述多个微小凸包具有粘性。
10.如权利要求1所述的面光源装置，其特征在于，所述发光体沿下基材层的入光侧面放置，在下基材层的高度方向与所述入光侧面对齐，并且其发光范围小于或等于所述入光侧面的高度。
11.一种反射式显示装置，其特征在于，包括如权利要求1至10中任一项所述的面光源装置，所述面光源装置配置于显示面板的上方。
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2016
- 2016-12-30 CN CN201611251011.2A patent/CN108267887A/zh active Pending
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