CN108845458B - 光线收敛结构和背光模组 - Google Patents

光线收敛结构和背光模组 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光线收敛结构，用于收敛从导光板的出光面出射的光，其特征在于，包括设置于导光板的出光面的本体，所述本体包括多个光线收敛部，每一所述光线收敛部包括：圆台结构，所述圆台结构包括与导光板接触的第一端面和与所述第一端面相对设置的第二端面，且所述第一端面的面积小于所述第二端面的面积；平凸结构，所述圆台结构的所述第二端面上设置有所述平凸结构，每个所述平凸结构包括相对设置的平面和凸球面，所述平面与所述第二端面连接，且所述平面的面积与所述第二端面的面积相同。本发明还涉及一种背光模组。实现光线收敛的目的，同时能够保证亮度。

Description

光线收敛结构和背光模组
技术领域
本发明涉及液晶产品制作技术领域，尤其涉及一种光线收敛结构和背光模组。
背景技术
智能显示包括防窥，HDR(High-Dynamic Range，高动态范围成像)，低功耗，模组结构极致化等特点，是当今显示行业发展的技术趋势之一。然而智能显示技术中的指向性光学的技术瓶颈在于准直光束，现有的准直方案包括薄膜挖孔，增加吸收光栅等，这些方案虽然能获得一定近准直效果，但是亮度降低30％以上，模组厚度也会有所增加，这样不仅不符合低功耗的设计要求，也不满足模组结构极致化的发展趋势。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种光线收敛结构和背光模组，解决收敛光线时导致的亮度降低等现象的产生的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光线收敛结构，用于收敛从导光板的出光面出射的光，包括设置于导光板的出光面的本体，所述本体包括多个光线收敛部，每一所述光线收敛部包括：
圆台结构，所述圆台结构包括与导光板接触的第一端面和与所述第一端面相对设置的第二端面，且所述第一端面的面积小于所述第二端面的面积；
平凸结构，所述圆台结构的所述第二端面上设置有所述平凸结构，每个所述平凸结构包括相对设置的平面和凸球面，所述平面与所述第二端面连接，且所述平面的面积与所述第二端面的面积相同。
进一步的，所述光线收敛部的折射率与导光板的折射率的差值的绝对值小于第一预设值、以使得以全反射方式在导光板内传播的光线传播至与相应的所述第一端面相对应的位置时、能够直接入射至所述光线收敛部内。
进一步的，每个所述圆台结构的外周面与导光板的出光面之间的夹角大于预设角度、使得入射至所述圆台结构内的光线在圆台结构的内侧壁上发生全反射。
进一步的，每个所述圆台结构从所述第一端面到所述第二端面划分为至少两个子圆台结构，靠近导光板的子圆台结构的外周面与导光板的出光面之间具有第一夹角，远离导光板的子圆台结构的外周面与导光板的出光面之间具有第二夹角，第一夹角小于第二夹角。
进一步的，所述凸球面的曲率满足预设条件、以使得经所述圆台结构的内侧壁全反射后的光线发生折射后、形成垂直于导光板的出光面的准直光线。
进一步的，所述本体还包括多个连接部，一行或一列所述光线收敛部位于相邻两个所述连接部之间，所述连接部靠近导光板的一端与导光板之间有间隙。
进一步的，所述连接部的远离导光板的一端到导光板之间的距离大于所述光线收敛部远离导光板的第一端到导光板的距离。
进一步的，所述连接部的折射率与所述光线收敛部的折射率的差值的绝对值小于第二预设值。
进一步的，所述本体的侧表面设置第一遮光部。
本发明还提供一种背光模组，包括导光板、光源以及围设于所述导光板和所述光源四周的胶框，所述导光板包括入光面和与入光面相邻的出光面，所述光源设置于导光板的入光面侧，还包括设置于所述导光板的出光面的如上述的光线收敛结构。
进一步的，所述导光板的出光面沿着光线的传播方向划分为第一区域和第二区域，所述第一区域上设置第二遮光部，其中，所述光源发出的光线中以小于第一角度的入射角入射导光板的光线入射至所述第一区域，所述光源发出的光线中以大于第一角度的入射角入射导光板的光线入射至所述第二区域，所述第一角度为全反射临界值。
进一步的，所述导光板上除了所述出光面和所述入光面之外的其他表面设置有反射层。
本发明的有益效果是：实现光线收敛的目的，同时能够保证亮度。
附图说明
图1表示本发明实施例中光线收敛部的结构示意图；
图2表示本发明实施例中光线收敛部的光路模拟图一；
图3表示本发明实施例中光线收敛部的光路模拟图二；
图4表示本发明实施例中光线收敛部的光路模拟图三；
图5表示本发明实施例中光线收敛部的凸球面的光路原理示意图；
图6表示本发明实施例中凸球面的微积分坐标点计算原理示意图；
图7表示本发明实施例中光线收敛结构示意图一；
图8表示本发明实施例中光线收敛结构示意图二；
图9表示本发明实施例中光线收敛结构示意图三；
图10表示本发明实施例中光线收敛结构应用于导光板上的光路示意图；
图11表示本发明实施例中背光模组结构示意图；
图12表示本发明实施例中背光模组亮度模拟线图表。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的结构和特征进行详细说明，所举实施例仅用于解释本发明，并非以此限定本发明的保护范围。
本实施例提供，一种光线收敛结构，用于收敛从导光板的出光面出射的光，包括设置于导光板的出光面的本体，所述本体包括多个光线收敛部4，每一所述光线收敛部4包括：
圆台结构1，所述圆台结构1包括与导光板接触的第一端面110和与所述第一端面110相对设置的第二端面，且所述第一端面110的面积小于所述第二端面的面积；
平凸结构2，所述圆台结构1的所述第二端面上设置有所述平凸结构2，每个所述平凸结构2包括相对设置的平面和凸球面21，所述平面与所述第二端面连接，且所述平面的面积与所述第二端面的面积相同。
光线收敛部4的结构示意图如图1所示，导光板出光面出射的光进入到所述圆台结构1，并经过圆台结构1的侧面反射至所述平凸结构2，经由所述凸球面21的收敛作用，达到光线收敛的目的，光线收敛结构应用于导光板上的光路示意图如图10所示，实现在不降低亮度的情况下，实现光线的方向的调整。
本实施例中，所述光线收敛部4的折射率与导光板的折射率的差值的绝对值小于第一预设值、以使得以全反射方式在导光板内传播的光线传播至与相应的所述第一端面110相对应的位置时、能够直接入射至所述光线收敛部4内。
光线收敛部4的折射率与导光板的折射率不同时，光线以全反射的方式在导光板中传播，在传播至所述光线收敛部4与导光板接触的位置时，仍然会存在一部分光线发生折射，所以光线收敛部4的折射率与导光板的折射率的差值的绝对值要尽量小，即所述第一预设值尽量小，以减小光效的损失。
优选的，所述第一预设值为零，即光线收敛部4的折射率与导光板的折射率相同，光线以全反射的方式在导光板中传播，在传播至所述光线收敛部4与导光板接触的位置时，光线会直接传送至所述光线收敛部4内，而不会发生折射等光学现象，便于控制光线的角度且避免光损。
为了进一步的有效的保证光效，本实施例中，每个所述圆台结构1的外周面与导光板的出光面之间的夹角大于预设角度、使得入射至所述圆台结构1内的光线在圆台结构1的内侧壁上发生全反射。
本实施例的光线收敛结构对第一维度方向(光线在导光板中的传播方向)和第二维度方向(平行于导光板的出光面且与所述第二方向相垂直的方向)的光线的收敛效果比较明显，其中第一维度方向的光线的半亮度角的角度可达到小于等于15度，第二维度方向的光线的半亮度角的角度可达到小于等于20度的收敛效果，且两个维度方向在40°附近存在截止角(一般以背光模组亮度小于5nit的光线角度为截止角,以透过率5％计算,截止角为背光模组的亮度小于100nit时的光线角度)。
本实施例中，所述圆台结构1的具体结构形式可以有多种，所述圆台结构1的外周面可以是平滑的、由一个锥面构成，也可以是弯折的、由多个锥面构成，图2是所述圆台结构1的外周面由一个锥面构成时的所述第一方向的光线的光路示意图，图3表示所述圆台结构1的外周面由2个锥面构成时的所述第一方向的光线的光路示意图，图4表示所述圆台结构1的外周面由2个锥面构成时的所述第二方向的光线的光路示意图，图2中出射光线主要集中在所述光线收敛部4的两侧，为了保证中间亮度，所述圆台结构1包括两个子圆台结构，发散光束，如图3和图4所示，出射光线更均匀。
优选的，本实施例中，每个所述圆台结构1从所述第一端面110到所述第二端面划分为至少两个子圆台结构，靠近导光板的子圆台结构的外周面与导光板的出光面之间具有第一夹角，远离导光板的子圆台结构的外周面与导光板的出光面之间具有第二夹角，第一夹角小于第二夹角。
如图1和图5所示，圆台结构包括两个子圆台结构，与导光板接触的子圆台结构为第一子圆台结构11，远离导光板的子圆台结构为第二子圆台结构12，第一子圆台结构11的外周面与导光板的出光面之间具有第一夹角λ1，第二子圆台结构12的外周面与导光板的出光面之间具有第二夹角λ2，第一夹角λ1小于第二夹角λ2。
所述第一夹角和所述第二夹角的设置根据光路设定，所述圆台结构1的底面的入射光为在导光板中未射出到空气中的全反射光，光线入射到任一子圆台结构的外周面上发生全反射，光线与垂直于一子圆台结构的外周面的方向的夹角(即入射至一子圆台结构的侧面的光的入射角)为全反射临界角到90°之间,利用反射原理，将光线分散投射到所述凸球面21上，根据反射光的分布情况，根据模拟软件效果选取一个角度值，然后利用软件内置算法，设定目标函数，并优化可得到相应的子圆台结构的外周面与导光板之间的、相对合理的角度值，本实施例中，优选的，第一斜面角度λ1＝130°，和第二斜面角度λ2＝132°，如图5所示，但并不以此为限。
本实施例中，所述凸球面21的曲率满足预设条件、以使得经所述圆台结构1的内侧壁全反射后的光线发生折射后、形成垂直于导光板的出光面的准直光线。
所述凸球面21为绕其中心点旋转对称的结构，所述凸球面21的中心点、所述平面的中心点、所述圆台结构1的所述第一端面110的中心点和所述第二端面的中心点位于同一直线上，如图5所示。根据入射至光线收敛部4的光线的光路，设定x方向(所述第二维度方向)，y方向(所述第一维度方向)光束的“假想光源点”，根据“假想光源点”计算所述凸球面21，具体如下。
如图5所示，假设O点为假想光源点，DC为一条自由曲线，光线收敛结构折射率为n2，空气折射率为n1＝1，入射光单位向量为
Figure GDA0002894427090000061
出射光单位向量为
Figure GDA0002894427090000062
Mn，Mn+1是所述凸球面21上相邻极近的点，
Figure GDA0002894427090000063
为Mn，Mn+1这两点连线的单位法向向量，根据光路向量关系可得下式：
Figure GDA0002894427090000064
Figure GDA0002894427090000065
Figure GDA0002894427090000066
Figure GDA0002894427090000067
Figure GDA0002894427090000068
由上可获得
Figure GDA0002894427090000069
根据光线规律，本专利实际模型的假想光源点不在O点，需要进行偏移，根据以上公式和实际的“假想光源点”，可得到DC曲线的△x和△y的关系，利用微分法计算坐标点，拟合DC曲线，旋转DC可得所述凸球面21。
DC曲线的计算过程如下：由公式(1)可知，通过积分计算原函数的难度较大，为了省去求原函数的复杂计算过程，可用微分法求出近似的坐标点：
如图6所示,以O点为原点建立坐标系，O点坐标为(0，0)，构成所述凸球面21的曲线的起始坐标x0＝a0，y0＝b0；终点坐标xk＝ak,yk＝bk；其中，bk为未知量,ak根据所述光线收敛部4的尺寸大小决定，m＝ak-a0，将DC曲线分为k段，可得DC曲线上的各点坐标如下：
Figure GDA00028944270900000610
Figure GDA0002894427090000071
DC曲线细分为k+1点，k越大,计算精度越高.通过微分法计算近似坐标点，最后拟合坐标点，可得DC曲线。
本实施例中，如图7-图9所示，所述本体还包括多个连接部3，一行或一列所述光线收敛部4位于相邻两个所述连接部3之间，所述连接部3靠近导光板的一端与导光板之间有间隙。
所述连接部3的设置，便于所述光学收敛结构与导光板的连接，且所述连接部3靠近导光板的一端与导光板之间的间隙的设置利于所述光线收敛部4与导光板的接触，所述光线收敛部4的所述圆台结构1与导光板之间无间隙接触、可以有效的保证从导光板出射的光线可直接进入所述光线收敛部4、以便于控制光线角度，且避免光线损失。
本实施例中，所述连接部3的远离导光板的一端到导光板之间的距离大于所述光线收敛部4远离导光板的第一端到导光板的距离，可以起到保护所述光线收敛部4的作用。
本实施例中，所述光线收敛部4的数量以及分布可以根据实际需要设置，通过调整其排布密度，可改变画面均一性。
本实施例中，所述连接部3的折射率与所述光线收敛部4的折射率的差值的绝对值小于第二预设值。
如图7所示，本实施例中，所述连接部3为条状结构，由于进入所述光线收敛结构的光线中Y方向(参考图图10和11中的Y方向)的光线较X方向(参考图图10和11中的Y方向)的光线发散程度大，为了有效保证光线收敛结构的收敛效果，在所述光线收敛结构连接于所述导光板上时，所述连接部3的长度方向与光线在导光板内的传播方向(光源设置于导光板的侧面)相平行，即所述连接部3的长度方向为与Y方向(参考图10和图11中的Y方向)平行的方向。
所述连接部3与导光板之间具有间隙，在导光板中以全反射的方式传播的光线不会进入所述连接部3，所述连接部3与所述光线收敛部4接触的位置，会有少量光线进入所述连接部3，优选的，本实施例中，所述连接部3与所述光线收敛部4采用相同的材料制作而成，即所述第二预设值为零，光线从所述连接部3传播至相应的所述光线收敛部4不会发生折射，但是由所述连接部3进入到相应的所述光线收敛部4的光线被相应的所述光线收敛部4进行收敛的效果、相比对从导光板直接进入到光线收敛部4的光线进行收敛的效果会降低，为了减少进入到所述连接部3的光线，所述连接部3的宽度需要很小，以降低光损。
所述连接部3的宽度可以设置为能够保证稳定的连接所述光线收敛部4的最小值，以将进入到所述连接部3的光线减少到最小，此时，进入到所述连接部3的光线很少，可以忽略不计。
本实施例中，所述本体的侧表面设置第一遮光部8，防止漏光。
所述第一遮光部8采用口字胶，黏贴于所述本体的四周的侧表面上。
如图11所示，本发明还提供一种背光模组，包括导光板6、光源5以及围设于所述导光板6和所述光源5四周的胶框7，所述导光板6包括入光面和与入光面相邻的出光面，所述光源5设置于导光板6的入光面侧，还包括设置于所述导光板6的出光面的如上述的光线收敛结构。
进一步的，所述导光板6的出光面沿着光线的传播方向划分为第一区域和第二区域，所述第一区域上设置第二遮光部9，其中，所述光源5发出的光线中以小于第一角度的入射角入射导光板6的光线入射至所述第一区域，所述光源5发出的光线中以大于第一角度的入射角入射导光板6的光线入射至所述第二区域，所述第一角度为全反射临界值。
所述第二遮光部9的设置防止漏光。
进一步的，所述导光板6上除了所述出光面和所述入光面之外的其他表面设置有反射层。反射层的设置提高了背光模组的亮度。
本实施例中，所述光源5采用LED，但并不以此为限。
本实施例中为保证光效、且便于控制光线路径，光线在导光板6中以全反射的方式传播，导光板6不含任何微结构，除了入光面和出光面，其他四面皆镀有反射层，如图11所示，光源5发出的光线进入导光板6的角度为α，θm为全反射临界角。当α＞θm(光线2)，光线会在导光板6中发生全反射，最终进入光线收敛结构，入光侧有少量光线的入射角α＜θm(光线1)，光线会直接从导光板6的出光面的第一区域出射，为了防止灯口漏光，在所述第一区域上贴吸光黑胶条(即第二遮光部9)。
本实施例光线收敛结构的设置实现至少两个维度的光学方向调控，满足结构极致化和低成本的设计要求。
如图12所示，第一维度方向(实线表示Y方向)，第二维度方向(虚线表示X方向)的半亮度角分别为±15°、±20°，第一维度40°存在截止角，第二维度50°存在截止角。
通过调整光线收敛部的排布方式，可调整背光模组亮度和均匀性，当光线收敛部的密度与传统的导光板6的网点密度相同时，本实施例背光模组方案较传统模组亮度提高15％，有较好的准直效果。
传统的背光模组的导光板6的底面设置网点,以打破光线在导光板6内的全反射,需要设置反射片将从导光板6底面射出的光线反射回来，本实施例中的背光模组的导光板6不含任何微结构,光线会在导光板6内以全反射的方式传播,所以不需要反射片，相对传统的背光模组可减少反射片的使用，且本实施例中所述本体的厚度较薄，一般为厚度0.06mm(但并不以此为限)，可实现背光模组厚度T＜0.6mm的超薄结构。
以上所述为本发明较佳实施例，需要说明的是，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围。

Claims (11)

1.一种光线收敛结构，用于收敛从导光板的出光面出射的光，其特征在于，包括设置于导光板的出光面的本体，所述本体包括多个光线收敛部，每一所述光线收敛部包括：
圆台结构，所述圆台结构包括与导光板接触的第一端面和与所述第一端面相对设置的第二端面，且所述第一端面的面积小于所述第二端面的面积；
平凸结构，所述圆台结构的所述第二端面上设置有所述平凸结构，每个所述平凸结构包括相对设置的平面和凸球面，所述平面与所述第二端面连接，且所述平面的面积与所述第二端面的面积相同；
每个所述圆台结构从所述第一端面到所述第二端面划分为至少两个子圆台结构，靠近导光板的子圆台结构的外周面与导光板的出光面之间具有第一夹角，远离导光板的子圆台结构的外周面与导光板的出光面之间具有第二夹角，第一夹角小于第二夹角。
2.根据权利要求1所述的光线收敛结构，其特征在于，所述光线收敛部的折射率与导光板的折射率的差值的绝对值小于第一预设值、以使得以全反射方式在导光板内传播的光线传播至与相应的所述第一端面相对应的位置时、能够直接入射至所述光线收敛部内。
3.根据权利要求2所述的光线收敛结构，其特征在于，每个所述圆台结构的外周面与导光板的出光面之间的夹角大于预设角度、使得入射至所述圆台结构内的光线在圆台结构的内侧壁上发生全反射。
4.根据权利要求1所述的光线收敛结构，其特征在于，所述凸球面的曲率满足预设条件、以使得经所述圆台结构的内侧壁全反射后的光线发生折射后、形成垂直于导光板的出光面的准直光线。
5.根据权利要求1所述的光线收敛结构，其特征在于，所述本体还包括多个连接部，一行或一列所述光线收敛部位于相邻两个所述连接部之间，所述连接部靠近导光板的一端与导光板之间有间隙。
6.根据权利要求5所述的光线收敛结构，其特征在于，所述连接部的远离导光板的一端到导光板之间的距离大于所述光线收敛部远离导光板的第一端到导光板的距离。
7.根据权利要求6所述的光线收敛结构，其特征在于，所述连接部的折射率与所述光线收敛部的折射率的差值的绝对值小于第二预设值。
8.根据权利要求1所述的光线收敛结构，其特征在于，所述本体的侧表面设置第一遮光部。
9.一种背光模组，其特征在于，包括导光板、光源以及围设于所述导光板和所述光源四周的胶框，所述导光板包括入光面和与入光面相邻的出光面，所述光源设置于导光板的入光面侧，还包括设置于所述导光板的出光面的如权利要求1-8任一项所述的光线收敛结构。
10.根据权利要求9所述的背光模组，其特征在于，所述导光板的出光面沿着光线的传播方向划分为第一区域和第二区域，所述第一区域上设置第二遮光部，其中，所述光源发出的光线中以小于第一角度的入射角入射导光板的光线入射至所述第一区域，所述光源发出的光线中以大于第一角度的入射角入射导光板的光线入射至所述第二区域，所述第一角度为全反射临界值。
11.根据权利要求9所述的背光模组，其特征在于，所述导光板上除了所述出光面和所述入光面之外的其他表面设置有反射层。
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