CN108828710A - 一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板，包括导光板、设置在导光板内部的亚波长透镜阵列；所述亚波长透镜阵列包括一个以上的亚波长透镜单元，每个亚波长透镜单元为由多个单层金属光栅连接而成的光栅阵列；所述导光板包括一个以上的导光板单元，每个导光板单元由所述亚波长透镜阵列界定，每个导光板单元的底部设置有网点，顶部对应有一个亚波长透镜单元；所述网点处设置有LED光源。本发明缩短了混光距离，减少了直下式导光板的厚度，增强了光的透射效率以及发光效率。

Description

一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板
技术领域
本发明涉及液晶显示技术领域，特别是一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板。
背景技术
LED背光源已经广泛用于液晶显示的背光源装置，LED背光源的商业化形式主要有两种，一是LED背光源的侧光式(edge backlight)发光元件，一是LED背光源的直下式(direct backlight)发光元件。LED背光源的侧光式发光元件的主要缺点是不能进行光局域控制、较难适用于任意尺寸的背光源和散热较差。直下式发光元件的主要缺点是不易薄型化和采用较多的LED封装。在直下式背光源中，为了获得较均匀的出光，在光源和光学膜片之间需要留出比较大的匀光距离，这使得直下式背光源的厚度难以进一步减小。
因此，对于直下式背光源中，为了提高光能利用率且向集成化、薄型化方向发展，研究者展开了许多工作。在专利US6443583中研究者利用有相互垂直的微棱镜结构的棱镜片，使出射光集中到导光板的出光面法线附近正负25度的范围内，光源所发出的光线经过导光板的入光面进入导光板内部，由设置在导光板的底面下方的反射片反射并经导光板的出光面实现面光源输出。但该装置中包含两片独立于主体外的棱镜片，不利于背光模组的集成化、薄型化设计，制造成本和装配误差也随之增加。在专利CN102072467A中研究者利用所设置的反光物体，改变了了光的主要成分的传播方向，使光在直下式导光板中沿与其出光表面几乎平行的方向传播。但该装置中由多个反光物体构成的反光墙，在一定程度上增加了导光板厚度，不利于背光模组的薄型化设计。因此有必要提供一种新的结构来解决这一问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板，缩短了混光距离，减少了直下式导光板的厚度，增强了光的透射效率以及发光效率。
本发明采用以下方案实现：一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板，包括导光板、设置在导光板内部的亚波长透镜阵列；
所述亚波长透镜阵列包括一个以上的亚波长透镜单元，每个亚波长透镜单元为由多个单层金属光栅连接而成的光栅阵列；
所述导光板包括一个以上的导光板单元，每个导光板单元由所述亚波长透镜阵列界定，每个导光板单元的底部设置有网点，顶部对应有一个亚波长透镜单元；所述网点处设置有LED光源。
其中，导光板的顶部为出光面，底部为入光面。所述光栅阵列设置在导光板中，在导光板内形成网点。
进一步地，所述导光板的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、MS、MMA、环烯聚合物、或环烯共聚物的一种或多种组合。
进一步地，所述导光板单元底部的网点为半球凹形散射结构，并且将LED光源置于半球凹形结构的圆心处，每个导光板单元中的网点中设置有一个LED光源。
进一步地，所述亚波长透镜阵列设置在导光板的顶部，所述亚波长透镜阵列的顶部与导光板的顶部持平或者不超过导光板的顶部。
进一步地，所述每个导光板单元由所述亚波长透镜阵列界定具体为：每个导光板单元以光栅阵列边界涂覆的反光层界定，导光板单元的顶点是光栅阵列。
进一步地，采用直下式发光元件的方式设置LED封装并使其与每一个光栅阵列相对应，LED封装所发的光的主要成分从导光板底部进入导光板，射到光栅阵列上，光栅阵列改变光的主要成分及其传播方向，增强了所需波段光的透射效率，并使其在导光板中沿与导光板的出光表面平行的方向传播，每个导光板单元中的光栅阵列的反光层把LED光源所发出光中的未透射成分反射回本导光板单元，降低它们对所需波段透射光的影响。一方面，网点把射到其上的光向直下式导光板的顶部(出光表面)反射，具有导光板的功能，另一方面，LED封装是按照直下式发光元件的方式设置在直下式导光板的底部与每一个亚波长透镜单元一一对应而形成平面排列。
进一步地，用以界定每个导光板单元边界的光栅阵列边界涂覆的反光层采用的材料包括以下材料中的一种或多种组合：高反射率的金属，包括铝或银；与所述的导光板相同的材料；热胀系数不大于导光板材料的热胀系数并且熔点不低于所述的导光板材料的熔点的材料。
进一步地，所述LED光源发出至对应的光栅阵列边界的光线满足全反射条件，即θ＝arcsinn-1。
进一步地，每个亚波长透镜单元的光栅阵列的结构均满足以下公式：
l＝2d×tanθ；
l＝m×(1+f)T；
式中，l为光栅阵列的长度，d为导光板的厚度，T为光栅周期，f为光栅填充比，m∈N+，θ为入射角。
较佳的，所述网点的半球凹形散射结构的半径R受到导光板板厚度d和光栅阵列高度h共同限制，且尽量取极大值，使得出射光束照明均匀。
较佳的，所述光栅阵列结构参数，根据严格耦合波理论，对单层光栅的介电常数和电磁场按弗洛凯条件展开，求解麦克斯韦方程组，并联立边界条件得到线性方程组，利用矩阵方程求解得到。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明的导光板能够实现较高的光透射效率，得到较高纯度或者特定波段的出射面光源，且结构紧凑，加工工艺易于实现，相对于其他导光结构设计，集成度更高，结构功能更完整，并有利于系统结构的薄型化设计。
附图说明
图1为本发明实施例中直下式导光板第一初始结构(侧视图)，以及其中导光板结构主体、导光板单元和亚波长透镜阵列的空间位置示意图。
图2为本发明实施例中直下式导光板第二初始结构(侧视图)，以及其中亚波长透镜阵列金属光栅、普通光源和凹形半球面散射结构的空间位置示意图。
图3为本发明实施例中所述导光板中光线经过亚波长透镜阵列后的出射情况示意图。
图4为本发明实施例中导光板中光线在导光板内部的进行全反射的情况示意图。
图5为本发明实施例中所述亚波长透镜阵列中未出射光线经过反光层发射回导光板内部再次进行出射的情况示意图。
图6为本发明实施例中所述亚波长透镜阵列中光线经过金属光栅的折射和反射情况示意图。
图7为本发明实施例中所述导光板单元的斜视透视示意图以及其中导光板网点和亚波长透镜阵列的空间位置示意图。
图中，1为导光板，11为导光板的出射面或出光面，2为导光板内部混光结构主体,3为导光板单元，4为LED封装，41为半球凹形散射结构，42为LED光源，51为亚波长透镜单元，52为反光层，53为相邻光栅间隙中出射面或出光面的反射层，54为金属光栅。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1至图7所示，本实施例提供了一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板，包括导光板、设置在导光板内部的亚波长透镜阵列；
所述亚波长透镜阵列包括一个以上的亚波长透镜单元51，每个亚波长透镜单元为由多个单层金属光栅54连接而成的光栅阵列；
所述导光板1包括一个以上的导光板单元3，每个导光板单元由所述亚波长透镜阵列界定，每个导光板单元的底部设置有网点，顶部对应有一个亚波长透镜单元；所述网点处设置有LED光源。
其中，导光板的顶部为出光面11，底部为入光面。所述光栅阵列设置在导光板中，在导光板内形成网点。
在本实施例中，所述导光板的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、MS、MMA、环烯聚合物、或环烯共聚物的一种或多种组合。
如图2所示，在本实施例中，所述导光板单元底部的网点为半球凹形散射结构41，并且将LED光源置于半球凹形结构的圆心处，每个导光板单元中的网点中设置有一个LED光源42。
在本实施例中，所述亚波长透镜阵列设置在导光板的顶部，所述亚波长透镜阵列的顶部与导光板的顶部持平或者不超过导光板的顶部。
在本实施例中，所述每个导光板单元由所述亚波长透镜阵列界定具体为：每个导光板单元以光栅阵列边界涂覆的反光层52界定，导光板单元的顶点是光栅阵列。
在本实施例中，采用直下式发光元件的方式设置LED封装4并使其与每一个光栅阵列相对应，LED封装所发的光的主要成分从导光板底部进入导光板，射到光栅阵列上，光栅阵列改变光的主要成分及其传播方向，增强了所需波段光的透射效率，并使其在导光板中沿与导光板的出光表面几乎平行的方向传播，每个导光板单元中的光栅阵列的反光层把LED光源所发出光中的未透射成分反射回本导光板单元，降低它们对所需波段透射光的影响。一方面，网点把射到其上的光向直下式导光板的顶部(出光表面)反射，具有导光板的功能，另一方面，LED封装是按照直下式发光元件的方式设置在直下式导光板的底部与每一个亚波长透镜单元一一对应而形成平面排列。所述LED封装包括半球凹形散射结构41与LED光源42。
在本实施例中，用以界定每个导光板单元边界的光栅阵列边界涂覆的反光层采用的材料是从一组材料中选出，该组材料包括：(a)高反射率的金属，包括，铝、银；(b)与所述的导光板相同的材料；(c)热胀系数等于或小于导光板材料的热胀系数，并且，熔点等于或者高于所述的导光板材料的熔点，采用材料(b)和(c)制成在反光层表面镀所述的高反射率金属。
在本实施例中，所述LED光源发出至对应的光栅阵列边界的光线满足全反射条件，即θ＝arcsinn-1，这样能够使得尽可能多的未直接透射光线经导光板出射面11反射到导光板底面的网点上。
如图6所示，在本实施例中，每个亚波长透镜单元的光栅阵列的结构均满足以下公式：
l＝2d×tanθ；
l＝m×(1+f)T；
式中，l为光栅阵列的长度，d为导光板的厚度，T为光栅周期，f为光栅填充比，m∈N+，θ为入射角。
较佳的，在本实施例中，所述网点的半球凹形散射结构的半径R受到导光板板厚度d和光栅阵列高度h共同限制，且尽量取极大值，使得出射光束照明均匀。
较佳的，在本实施例中，所述光栅阵列结构参数，根据严格耦合波理论，对单层光栅的介电常数和电磁场按弗洛凯条件展开，求解麦克斯韦方程组，并联立边界条件得到线性方程组，利用矩阵方程求解得到。
特别的，本实施例还提供了所述带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板的制作工艺，具体包括以下步骤：
步骤一：硬模版清洗及表面处理。
先用浓硫酸和双氧水混合液加热，经过超声清洗，氢氟酸—去离子水混合液清洗，以及氨水—双氧水—去离子水加热清洗。为了达到更好的压印效果，模版表面进行疏水处理，采用自组装含氟有机硅烷分子层。它的原理是模版上的Si-OH与Si-OH经氢键结合并脱水，最终以Si-O-Si形成网状单层。
步骤二：软压膜制备。
使用表面能更低的聚全氟醚(PFPE)作为软压膜材料，基底为100μm厚度的PET。将PFPE滴于模版表面，用PET膜覆盖压紧，用350W紫外汞灯照射10分钟后PFPE固化，粘于PET材料，然后从模版表面脱模。
步骤三：软压膜压印。
将第二步得到软压膜作为压印模版，紫外纳米压印至UV胶材料上，基底为柔性材料PET或者玻璃。使用基于丙烯酸体系的紫外固化胶，滴于PET上，UV灯照射后由于光引发剂的作用，使得胶内的丙烯酸单体发生交联反应，从而实现固化，脱模后在UV胶膜上得到与原始硅模版相同的结构。
步骤四：镀金属膜并转印至导光板中。
选择铝作为蒸镀材料。蒸镀厚度预设为30nm。采用电子束蒸发，设备功率8KW真空腔真空度10-3Pa，并通过微纳米转印技术至所述直下式导光板中。
在本实施例中，所述制作工艺中软压膜作为压印模板，其材料为聚全氟醚(PFPE)，但不局限于此。可另从一组材料中选出，该组材料包括：(a)聚苯乙烯(PS)；(b)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；(c)软—聚二甲基硅氧烷(s-PDMS)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板，其特征在于：包括导光板、设置在导光板内部的亚波长透镜阵列；
所述亚波长透镜阵列包括一个以上的亚波长透镜单元，每个亚波长透镜单元为由多个单层金属光栅连接而成的光栅阵列；
所述导光板包括一个以上的导光板单元，每个导光板单元由所述亚波长透镜阵列界定，每个导光板单元的底部设置有网点，顶部对应有一个亚波长透镜单元；所述网点处设置有LED光源。
2.根据权利要求1所述的一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板，其特征在于：所述导光板的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、MS、MMA、环烯聚合物、或环烯共聚物的一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板，其特征在于：所述导光板单元底部的网点为半球凹形散射结构，并且将LED光源置于半球凹形结构的圆心处，每个导光板单元中的网点中设置有一个LED光源。
4.根据权利要求1所述的一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板，其特征在于：所述亚波长透镜阵列设置在导光板的顶部，所述亚波长透镜阵列的顶部与导光板的顶部持平或者不超过导光板的顶部。
5.根据权利要求1所述的一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板，其特征在于：所述每个导光板单元由所述亚波长透镜阵列界定具体为：每个导光板单元以光栅阵列边界涂覆的反光层界定，导光板单元的顶点是光栅阵列。
6.根据权利要求5所述的一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板，其特征在于：采用直下式发光元件的方式设置LED封装并使其与每一个光栅阵列相对应，LED封装所发的光的主要成分从导光板底部进入导光板，射到光栅阵列上，光栅阵列改变光的主要成分及其传播方向，增强了所需波段光的透射效率，并使其在导光板中沿与导光板的出光表面平行的方向传播，每个导光板单元中的光栅阵列的反光层把LED光源所发出光中的未透射成分反射回本导光板单元，降低它们对所需波段透射光的影响。
7.根据权利要求5所述的一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板，其特征在于：用以界定每个导光板单元边界的光栅阵列边界涂覆的反光层采用的材料包括以下材料中的一种或多种组合：高反射率的金属，包括铝或银；与所述的导光板相同的材料；热胀系数不大于导光板材料的热胀系数并且熔点不低于所述的导光板材料的熔点的材料。
8.根据权利要求1所述的一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板，其特征在于：所述LED光源发出至对应的光栅阵列边界的光线满足全反射条件。
9.根据权利要求1所述的一种带有阵列式亚波长透镜的直下式导光板，其特征在于：每个亚波长透镜单元的光栅阵列的结构均满足以下公式：
l＝2d×tanθ；
l＝m×(1+f)T；
式中，l为光栅阵列的长度，d为导光板的厚度，T为光栅周期，f为光栅填充比，m∈N+，θ为入射角。
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