CN109073199A - 包含薄光导板和光耦合单元的背光单元 - Google Patents

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Abstract

本文公开了背光单元，其包含光导板(210)、与光导板接触的光耦合单元(220)、以及光耦合至第一光入射边缘表面和第二光入射边缘表面的光源(230)。背光单元还可通过在与入射表面(221)相反的耦合单元的边缘表面(224)上形成反射体(240)来包含光循环腔室。本文还公开了包含这种BLU的电子装置、显示装置和照明装置。

Description

包含薄光导板和光耦合单元的背光单元
相关申请的交叉引用
本申请依据35 U.S.C.§119要求2016年4月8日提交的序列号为62/320052的美国临时申请的优先权，本申请以其内容为基础，并通过参考将其全文纳入本文。
本公开的领域
本公开总体上涉及背光单元和包含该背光单元的显示装置，更具体而言，涉及包含用于增加光耦合效率的薄光导板和光耦合单元的背光单元。
背景
液晶显示器(LCD)被广泛用于各种电子产品中，例如手机、笔记本电脑、电子平板电脑、电视机和计算机显示器。对于更薄、更大的高分辨率平板显示器的日益增长的需求推动了对用于显示器的高品质基材(例如用作光导板(LGP))的需求。因此，行业中渴望具有更高光耦合效率和/或光输出的更薄的LGP，其可允许减小各种显示装置的厚度，并且/或者增大各种显示装置的屏幕尺寸。
可使用诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)这样的塑料材料来制造LGP。然而，PMMA具有相对较高的热膨胀系数(例如比玻璃约大一个数量级)，这可能在设计LCD装置时需要在光源(例如LED)与光导之间具有更大的空间。该间隙可降低从光源耦合至光导的光效率，并且/或者需要更大的边框来遮挡显示器的边缘。而且，由于其相对较弱的机械强度，可能难以由PMMA制造足够大并且足够薄以满足目前消费者需求的光导。因此，PMMA光导可因边框遮挡或无法制造用于所需显示器尺寸的足够大的板材而对可用于显示图像的发光表面面积产生限制。
已提出将玻璃光导用作PMMA的替代物，因为玻璃光导在相对较小的厚度下具有低光衰减、低热膨胀系数和高机械强度。然而，尽管可使用玻璃来生产相对较薄的LGP，这些LGP也可具有各种缺点。例如，减小LGP的厚度可需要使用更小的光源(例如LED)以提高有效光耦合。而减小光源的尺寸则可减小光输出亮度和/或效率，并且/或者增加背光单元(BLU)的总成本。因此，从商业和/或设计的角度而言，即使在更薄的LGP中也需要使用更大的光源。已进行了各种努力来更加高效地对利用相邻光源注入侧光式LGP中的光线进行耦合，特别是随着光源与LGP之间距离增加时。然而，目前的耦合设备可具有一个或更多个缺点，例如制造成本增加和/或复杂性和/或效果差。
因此，如果能够提供用于对来自更大光源的进入更薄光导板的光线进行耦合、并且减小显示装置的总厚度而不会牺牲亮度和/或能量效率的装置，那将会是有利的。此外，如果能够提供用于增大光源与光导板之间光耦合效率、且不会显著增加成本和/或制造复杂度的改进方法和设备，那也将会是有利的。
发明简述
在各种实施方式中，本公开涉及背光单元，其包含光导板，所述光导板包含发光主表面、相反的主表面和第一光入射边缘表面；光耦合单元，所述光耦合单元包含第二光入射边缘表面、相反的光反射边缘表面、第一表面和相反的第二表面；以及光源，所述光源光耦合至第一光入射边缘表面和第二光入射边缘表面，其中，光耦合单元的第一表面的至少一部分与光导板的发光主表面或相反的主表面的至少一部分物理接触。本文还公开背光单元，其包含光导板，所述光导板包含发光主表面、相反的主表面和第一光入射边缘表面；光耦合单元，所述光耦合单元与光导板的发光主表面或相反的主表面的至少一部分物理接触，光耦合单元包含第二光入射边缘表面和相反的光反射边缘表面；光源，所述光源光耦合至第一光入射边缘表面和第二光入射边缘表面；以及光循环腔室，所述光循环腔室由光耦合单元的光反射边缘表面与光源的顶表面、底表面和背表面上的反射膜限定。本文还公开了包含这些BLU的电子装置、显示装置和照明装置。
在某些实施方式中，光耦合单元的光反射边缘表面可包含反射膜或涂层，并且/或者光源的顶表面、底表面和/或背表面中的至少一种可包含反射膜或涂层。根据各种实施方式，至少一个光源的高度可小于或等于光导板和光耦合单元的总厚度。在一些非限制性的实施方式中，光耦合单元的第一表面和第二表面可与光导板的发光主表面相平行，或者在另一些实施方式中，光耦合单元的第一表面与第二表面可不平行，且第二表面可具有-10°至10°的倾斜角。在另一种实施方式中，光导板的第一光入射边缘表面可以例如约10°至约60°范围内的角度呈切角。
根据各种实施方式，光导板的折射率(np)可不同于光耦合单元的折射率(nc)，例如，np可大于nc，例如比nc大约5％至约20％。在某些实施方式中0.25np+0.77≤nc≤0.25np+1.18。根据另一些实施方式，光耦合单元的热膨胀系数与光导板的热膨胀系数之间的差异小于30％。在另一些实施方式中，光导板或光耦合单元中的至少一种的弹性模量小于5GPa。根据另一些实施方式，光导板和光耦合单元中的至少一种包含玻璃、玻璃陶瓷、塑料或聚合材料，并且/或者在约420nm至约750nm范围内的可见光波长内具有至少约80％的透光率。
在以下的详细描述中提出了本公开的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的方法而被认识。
应当理解的是，前面的一般性描述和以下的详细描述都描述了本公开的各种实施方式且都旨在提供用于理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。所包含的附图供进一步理解本公开，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本公开的各种实施方式，并与描述一起用来解释本公开的原理和操作。
附图的简要说明
结合以下附图能够进一步理解以下详细描述，其中，在可能的情况下，相同的附图标记表示相同的组件，应当理解的是附图不一定按比例绘制。
图1图示了根据本公开的一些实施方式的背光单元；
图2图示了根据本公开的另一些实施方式的背光单元；
图3图示了根据本公开的另一些实施方式的背光单元；
图4A是光导板和光耦合单元具有不同折射率的实施方式中，图1的背光单元构造的光耦合效率随光耦合单元长度的变化图；
图4B是光导板和光耦合单元具有相同折射率的实施方式中，图1的背光单元构造的光耦合效率随光耦合单元长度的变化图；
图5A是图1的背光单元构造的光耦合效率随光耦合单元的折射率的变化图；
图5B是图1的背光单元构造的光耦合效率随具有变化折射率的光导板的光耦合单元的折射率的变化图；
图5C是光导板的折射率与光耦合单元的最佳折射率之间的差异随光导板的折射率的关系图；
图6A是光导板和光耦合单元具有不同折射率的实施方式中，图2的背光单元构造的光耦合效率随光耦合单元长度的变化图；
图6B是光导板和光耦合单元具有相同折射率的实施方式中，图2的背光单元构造的光耦合效率随光耦合单元长度的变化图；以及
图7是图3的背光单元构造的光耦合效率随光耦合单元的顶表面的倾斜角的变化图。
发明详述
本文公开了背光单元，其包含光导板，所述光导板包含发光主表面、相反的主表面和第一光入射边缘表面；光耦合单元，所述光耦合单元包含第二光入射边缘表面、相反的光反射边缘表面、第一表面和相反的第二表面；以及光源，所述光源光耦合至第一光入射边缘表面和第二光入射边缘表面，其中，光耦合单元的第一表面的至少一部分与光导板的发光主表面或相反的主表面的至少一部分物理接触。本文还公开背光单元，其包含光导板，所述光导板包含发光主表面、相反的主表面和第一光入射边缘表面；光耦合单元，所述光耦合单元与光导板的发光主表面或相反的主表面的至少一部分物理接触，光耦合单元包含第二光入射边缘表面和相反的光反射边缘表面；光源，所述光源光耦合至第一光入射边缘表面和第二光入射边缘表面；以及光循环腔室，所述光循环腔室由光耦合单元的光反射边缘表面与光源的顶表面、底表面和背表面上的反射膜限定。本文还公开了包含这些BLU的电子装置、显示装置和照明装置。
下面参考图1～3对本公开的各种实施方式进行讨论，图1～3图示了示例性的BLU构造。以下的总体描述旨在提供对所要求保护的装置的概述，且在本公开中参考非限制性的实施方式来具体讨论各个方面，在本公开的上下文中，这些实施方式是可以互换的。
图1图示了根据本公开的某些方面的背光单元100。背光单元100可包含光导板(LGP)110、光耦合单元(LCU)120以及光耦合至LGP和LCU的光源130。LGP 110可包含光入射边缘表面111、发光主表面112和相反的主表面113(与发光主表面相反)。LGP 110的厚度TP在表面112与113之间延伸。类似地，LCU 120可包含光入射边缘表面121、第一表面123、(与第一表面相反的)第二表面122以及相反的光反射边缘表面124(与光入射边缘表面相反)。LCU 120的厚度TC在表面122与123之间延伸，且LCU 120的长度LC在表面121与124之间延伸。
如本文所用，术语“光耦合”旨在表示相对于LGP定位光源，以将光线引入或注入LGP。即使光源未与LGP物理接触，其也可光耦合至LGP。如图1～3所示，BLU可以是侧光式，例如光源毗邻或邻接LGP边缘定位。根据某些实施方式，当光线被注入LGP中时，光线可因全内反射(TIR)而沿着LGP长度传播，直至其与LGP上使光线向着用户向前散射的光提取特征接触。
例如，如果LGP是包含两个相反且平行的表面的玻璃板，所述两个表面限定两个相反的空气-玻璃界面，那么注入玻璃板的光线可传播穿过该玻璃板，在第一平行界面与第二平行界面之间交替反射，除非或直至界面条件发生改变。
再次参考图1，LGP 110可具有光入射边缘表面111、发光主表面112和相反的主表面113。如本文所用，“光入射边缘表面”旨在表示光耦合至相邻光源的边缘表面，例如光线注入的LGP边缘。“发光主表面”旨在表示面向目标用户的LGP(或BLU)主表面，例如向用户发射光线的主表面。类似地，“相反的主表面”旨在表示与发光主表面相反的LGP(BLU)主表面，如果存在，其背朝用户，例如朝向装置的背板。
背光单元100的一个或更多个部件可提供有反射表面，以促进光线的循环，并且进一步增加光耦合效率。例如，通过例如使用反射膜或涂层140或任意其它能够反射光线的装置和组合物，LCU的光反射边缘表面124可反射入射于其表面上的光线。光源130的一个或更多个表面还可包含反射膜或涂层，例如一种或更多种膜150a、150b和/或150c，可对反射膜或涂层进行定位，以使其分别接触光源130的顶表面、背表面或底表面。
在一些实施方式中，如图1所示，可存在膜150a、150b和150c中的每一种，且定位成与反射膜140一起形成光循环腔室160。例如，顶部反射膜150b可与LCU 120(例如第二表面122)物理接触，且底部反射膜150c可与LGP 110(例如相反的主表面113)物理接触，从而形成光循环腔室160，在所述光循环腔室160中，未直接注入LGP的光线可反射，直至其最终被再次导入LGP。在一些实施方式中，光循环腔室160可覆盖光源130与LGP 110之间的间隙G。
参考图2，另一种示例性的背光单元200可包含具有呈切角的光入射边缘表面的LGP 210。例如，切角215可提供于LGP 210的光入射边缘表面211与发光主表面212的接合处，并且/或者提供于光入射边缘表面211与相反的主表面213的接合处。这些切角215可具有高度h。切角215的示例性高度h可为光导板210的厚度TP的至少约5％，例如在约0.05*TP至约0.3*TP、或约0.1*TP至约0.2*TP的范围内。例如，在玻璃板厚度为0.7mm的情况下，可在光入射边缘表面211的一个或两个拐角处使用高度约为0.07mm或更大的切角，或者，对于1.1mm厚的玻璃板，可使用高度约为0.1mm或更大的切角。可以任意合适的角度切割切角215，例如在约10°至约60°的范围内，例如约20°至约50°、约30°至约40°或约45°。形成切角后，光入射边缘表面211的非切角部分可具有厚度tp，其可在例如约0.1mm至约2.5mm的范围内，例如约0.3mm至约2mm、或约0.5mm至约1mm，包括它们之间的所有范围和子范围。
类似于图1，图2的背光单元200可包含LGP 210、LCU 220以及光耦合至LGP和LCU的光源230。LGP 210可包含光入射边缘表面211、(与发光主表面相反的)发光主表面212、以及相反的主表面213。LCU 220可包含光入射边缘表面221、第一表面223、相反的第二表面222(与第一表面相反)、以及相反的光反射边缘表面224(与光入射边缘表面相反)，其可提供有发射膜或涂层240。光源230的一个或更多个表面还可包含反射膜或涂层，例如一种或更多种膜250a、250b和/或250c，可对反射膜或涂层进行定位，以形成光循环腔室260。
参考图3，另一种示例性的背光单元300可包含具有非平行表面322和323的LCU320。例如，与LGP 310接触的第一表面323可平行于LGP 310的发光主表面312，而第二表面322可不平行于发光主表面312。类似地，LCU 320的第二表面322可正交于LCU 320的光入射边缘表面321，或者可相对于该表面具有90°以外的角度。在一些实施方式中，第二表面322可相对于光入射边缘表面321的法线(图3中的虚线)倾斜一个角度。
第二表面322相对于法线的角度在本文中被称为“倾斜角”(θ)。在一些实施方式中，第二表面322相对于法线的倾斜角θ可在约-10°至约10°的范围内，例如约-8°至约8°、约-6°至约6°、约-5°至约5°、约-4°至约4°、约-3°至约3°、约-2°至约2°、约-1°至约1°，或为0°，包括它们之间的所有范围和子范围。如图3所示，正的倾斜角表明LCU 320的厚度随着自光源330的距离的增大而增大(如图3所示)，而负的倾斜角表明LCU 320的厚度随着自光源330的距离的增大而减小(未在图3中示出)。换言之，正θ表明LCU 320的第二表面322与光入射边缘表面321形成大于90°的角度，而负θ表面该接合处的角度小于90°。
综合参考图1～3中的每一幅，诸如LED这样的光源(130、230、330)可光耦合至LGP和/或LCU的光入射边缘表面，例如毗邻或邻接表面。光源可将光线注入LGP和/或LCU，例如波长范围在约100nm至约400nm的蓝色、UV或近UV光线。根据一些非限定的实施方式，LGP与光源之间的距离(标记为间隙G)可在例如约0.01mm至约2mm的范围内，例如约0.04mm至约1.8mm、约0.5mm至约1.5mm、约0.6mm至约1.2mm或约0.8mm至约1mm，包括它们之间的所有范围和子范围。
光源还可具有高度HL，在一些实施方式中，其可大于LGP的厚度TP。例如，HL可比TP大至少约10％，例如在约1.1*TP至约2*TP、约1.2*TP至约1.9*TP、约1.3*TP至约1.8*TP、约1.4*TP至约1.7*TP或约1.5*TP至约1.6*TP的范围内。当然，根据所需的构造，光源可具有相对于LGP的任意其它高度，包括小于LGP厚度的高度。在另一些实施方式中，可对LGP和/或LCU的厚度进行选择，以使TC+TP≥HL。例如，如图1所示，TC+TP＞HL，或如图2所示，TC+TP≈HL。应当理解的是，高度HL或光源的任意其它尺寸在本文中被称为光源的有效区域，例如发射光线的区域(例如相对于被固定光源的壳体包覆的区域)。
根据某些实施方式，LGP的厚度TP和/或LCU的厚度TC可小于或等于约3mm，例如在约0.1mm至约2mm、约0.3mm至约1.5mm、约0.5mm至约1.1mm或约0.7mm至约1mm的范围内，包括它们之间的所有范围和子范围。在一些实施方式中，LCU的长度LC可小于LGP的长度。例如，可希望减小LCU的长度，以使其在包含BLU的装置中不可见，例如可将其隐藏于遮光板的后方，或以其它方式不被用户看到。此外，可希望减小LCU的长度，以限制光线从LGP耦合返回LCU中。
通过光源注入LCU的光线可通过(例如LCU的第一表面与LGP的发光主表面之间的)物理接触的方式耦合入LGP中。然而，当LCU长度较长时，光线从LGP耦合返回LCU中的可能性增大。因此，在一些非限制性的实施方式中，LCU的长度LC可小于5mm，例如在约0.3mm至约3mm、约0.5mm至约2.5mm、约0.8mm至约2mm、约1mm至约1.8mm、约1.2mm至约1.6mm或约1.4mm至约1.5mm的范围内，包括它们之间的所有范围和子范围。在一些实施方式中，LCU长度与LGP长度的比例可在约1:100至约1:2、约1:50至约1:3、约1:20至约1:4或约1:10至约1:5的范围内，包括它们之间的所有范围和子范围。或者，LCU长度与LCU高度的比例可在约20:1至约1:1、约15:1至约2:1、约10:1至约3:1或约5:1至约4:1的范围内，包括它们之间的所有范围和子范围。
如图1和图3所示，可使LGP(110、310)的光入射边缘表面(111、311)与LCU(120、320)的光入射边缘表面(121、321)对齐，以产生合并的线性光入射边缘表面，例如，光入射边缘表面可彼此齐平和/或平行。然而，在另一些实施方式中，LCU的光入射边缘表面可不与LGP的光入射边缘表面齐平。例如，LCU的光入射边缘表面可相比于LGP更靠近或远离光源。例如，如图2所示，LCU 220可定位于相比于LGP 210更远离光源230的位置处。如图2所示，在呈切角的LGP的情况中，可使LCU 220的光入射边缘表面211与切角215的边缘对齐，而不是与LGP 210的边缘对齐。
在某些实施方式中，LGP和/或LCU的表面可以是平面的或基本上平面的，例如基本上平坦。在各种实施方式中，LGP的发光主表面和相反的主表面可平行或基本上平行。类似地，LCU的第一表面和第二表面可平行或基本上平行。举一个非限制性的例子，LGP和/或LCU可包含具有四个边缘的矩形或正方形板材，尽管可设想其它形状和构造，包括具有一个或更多个曲线部分的表面，它们也旨在落入本公开的范围。在一些实施方式中，矩形的玻璃或塑料LGP可耦合至矩形的LCU波导。在另一些实施方式中，如图3所示，LCU的第一表面和第二表面可不平行，且第二表面可以倾斜角θ倾斜或下降。
相比于不含LCU的相似BLU，本文所公开的BLU可具有改善的光耦合效率。例如，光耦合效率可高达95％，例如在约65％至约90％、约70％至约85％或约75％至约80％的范围内，包括它们之间的所有范围和子范围。如上文所述，LCU可包含与光入射边缘表面相反的反射边缘表面(124、224、324)，其可涂覆有反射膜或涂层(140、240、340)。在一些实施方式中，第二表面也可涂覆有反射膜。然而，在另一些实施方式中，可能不存在这样的反射层，因为入射于LCU第二表面上的大部分光线很可能因TIR而被限制在LCU中。
在一些实施方式中，可通过在光源(130、230、240)的一个或更多个表面上包含反射膜或涂层(例如在背表面上(膜150a、250a、350a)、在顶表面上(膜150b、250b、350b)和/或底表面上(膜150c、250c、350c))以形成循环腔室(160、260、360)来进一步增强光耦合效率。注意到光源的正面或发光表面可(在可见光波长，约420～750nm)在不存在膜的情况下具有足够的反射率，例如至少50％的反射率，如至少60％的反射率或至少70％的反射率，包括它们之间的所有范围和子范围。
合适的反射膜和涂层可包含例如反射带，例如购自怀特光学(WhiteOptics)有限公司(例如White98TM)、3M有限公司(例如VikuitiTM)以及蓝菲光学有限公司(Labsphere，例如或Permaflect)的漫反射(朗伯(Lambertian))反射体膜或增强镜面反射体(ESR)膜、或金属膜，例如铝、金、银、铜、铂等。在某些实施方式中，LCU上的反射膜可以是镜面反射体，而光源上的反射膜可以是朗伯反射体。可根据特定应用的需要改变这些膜中的任一个(在可见光波长，约420～750nm)的反射率，且可在例如大于50％至大于98％的范围内，例如60％至99％、70％至96％或80％至90％，包括它们之间的所有范围和子范围。
光耦联效率还受到LGP和/或LCU的折射率的影响。根据各种实施方式中，LGP和/或LCU可具有约1.3至约1.8范围内的折射率，例如约1.35至约1.7、约1.4至约1.65、约1.45至约1.6或约1.5至约1.55，包括它们之间的所有范围和子范围。在一些实施方式中，LCU的折射率可与LGP的折射率基本上相似(例如相差5％以内)。在另一些实施方式中，LCU的折射率可小于LGP的折射率。例如，nc可小于0.95*np，例如0.85*np、0.8*np、0.75*np或0.70*np，包括它们之间的所有范围和子范围。根据某些实施方式，nc可大于np，例如小于或等于1.1*np，或小于或等于1.05*np。在各种非限制性的实施方式中，nc与np之间的关系可表示为：0.25np+0.77≤nc≤0.25np+1.18、或0.25np+0.82≤nc≤0.25nLGP+1.12、或0.25np+0.87≤nc≤0.25np+1.08、或0.25np+0.92≤nc≤0.25np+1.02。
根据各种实施方式，可对LGP和/或LCU的结构材料进行选择，以在连续作业过程中承受各种工作条件，例如由光源发射的热量和/或光线，而不会表现出诸如褪色、形变、开裂和/或脱层这样的老化效应。随着光源与LGP之间间隙的减小，耐热能力会变得更加重要。或者，可通过采用总厚度超过光源高度(例如，如果TP+TC>>HL)的LGP和LCU来增加光源与LGP之间的间隙。
尽管改善的耦合效率可通过减小光源与LGP之间的间隙来得到，但是与接近光源相关联的温度会显著变化，例如高达20℃～40℃。因此，可希望选择具有相同或相似热膨胀系数(CTE)和/或弹性模量的LGP和/或LCU材料。例如，如果LCU的CTE(CTEC)与LGP的CTE(CTEP)大不相同，则可由于BLU工作过程中升高了的温度而在两种材料界面处产生应力。具体而言，较大的CTE不匹配结合较高的弹性模量会导致可能超过将LCU与LGP固定在一起的粘合力的应力，或者，如果不发生这种情况，则应力可产生面外弯曲，这可能干扰光耦合。因此，可希望对LGP和/或LCU的结构材料进行选择，以使得LCU与LGP之间具有充分的CTE匹配，或者，选择至少一种弹性模量低于另一种材料的弹性模量的材料，以使得在运行过程中产生易于管理的应力水平。在一些实施方式中，可对LGP和LCU进行选择，以使它们的CTE在彼此的30％以内，例如0.7*CTEP≤CTEC≤1.3*CTEP、或0.8*CTEP≤CTEC≤1.2*CTEP、或0.9*CTEP≤CTEC≤1.1*CTEP、或0.95*CTEP≤CTEC≤1.05*CTEP。
玻璃材料的示例性CTE(在约25℃～300℃的温度范围内测得)可在例如约3×10-6/℃至约11×10-6/℃的范围内，例如约4×10-6/℃至约10×10-6/℃、约5×10-6/℃至约8×10-6/℃或约6×10-6/℃至约7×10-6/℃，包括它们之间的所有范围和子范围。玻璃材料的示例性弹性模量可在约50GPa至约90GPa的范围内，例如约60GPa至约80GPa或约70GPa至约75GPa，包括它们之间的所有范围和子范围。塑料或聚合材料的CTE可在约50×10-6/℃至约80×10-6/℃的范围内，例如约55×10-6/℃至约75×10-6/℃、约60×10-6/℃至约70×10-6/℃，包括它们之间的所有范围和子范围。塑料/聚合材料的示例性弹性模量可低于玻璃的弹性模量，例如在约1.5GPa至约3GPa的范围内，例如约2GPa至约2.5GPa，包括它们之间的所有范围和子范围。因此，尽管塑料/聚合材料的CTE可比玻璃的CTE更高，由于塑料/聚合物的低弹性模量，这些材料之间的适当耦合仍然是可能实现的。在一些例子中，LGP或LCU中的至少一种具有小于5GPa的弹性模量。
继续参考图1～3，LGP(110、210、310)和/或LCU(120、220、320)可包含本领域已知的用作显示装置以及其它类似装置(例如波导)中的部件的任何材料。例如，LGP和/或LCU可包含例如塑料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚合物、微结构(MS)材料或玻璃。示例性的玻璃可包括但不限于铝硅酸盐玻璃、碱金属铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、碱金属硼硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、碱金属铝硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃以及其它合适的玻璃。适合用作玻璃光导的市售可得的玻璃的非限制性例子包括例如购自康宁股份有限公司(CorningIncorporated)的EAGLELotusTM、IrisTM和玻璃。在另一些实施方式中，LGP可包含具有玻璃和塑料的复合LGP，因此，本文仅就玻璃LGP所述的任何特定实施方式都不应当限制所附权利要求的范围。
一些非限制性的玻璃组合物可包含约50摩尔％至约90摩尔％之间的SiO2、0摩尔％至约20摩尔％之间的Al2O3、0摩尔％至约20摩尔％之间的B2O3、以及0摩尔％至约25摩尔％之间的RxO，其中，R为Li、Na、K、Rb、Cs中的任一种或更多种且x为2，或者，R为Zn、Mg、Ca、Sr或Ba且x为1，且玻璃产生小于或等于2dB/500mm的吸收。在一些实施方式中，玻璃包含小于1ppm的Co、Ni和Cr中的每一种。在一些实施方式中，Fe的浓度＜约50ppm、＜约20ppm或＜约10ppm。在另一些实施方式中，Fe+30Cr+35Ni＜约60ppm；Fe+30Cr+35Ni＜约40ppm；Fe+30Cr+35Ni＜约20ppm；或Fe+30Cr+35Ni＜约10ppm。在另一些实施方式中，组合物板材包含约60摩尔％至约80摩尔％之间的SiO2、约0.1摩尔％至约15摩尔％之间的Al2O3、0摩尔％至约12摩尔％之间的B2O3、约0.1摩尔％至约15摩尔％之间的R2O、以及约0.1摩尔％至约15摩尔％之间的RO，其中，R为Li、Na、K、Rb、Cs中的任一种或更多种且x为2，或者，R为Zn、Mg、Ca、Sr或Ba且x为1，且玻璃产生小于或等于2dB/500mm的吸收。在一些实施方式中，玻璃产生小于0.006、小于0.005、小于0.004或小于0.003的色偏。
在另一些实施方式中，玻璃组合物可包含约65.79摩尔％至约78.17摩尔％之间的SiO2、约2.94摩尔％至约12.12摩尔％之间的Al2O3、约0摩尔％至约11.16摩尔％之间的B2O3、约0摩尔％至约2.06摩尔％之间的Li2O、约3.52摩尔％至约13.25摩尔％之间的Na2O、约0摩尔％至约4.83摩尔％之间的K2O、约0摩尔％至约3.01摩尔％之间的ZnO、约0摩尔％至约8.72摩尔％之间的MgO、约0摩尔％至约4.24摩尔％之间的CaO、约0摩尔％至约6.17摩尔％之间的SrO、约0摩尔％至约4.3摩尔％之间的BaO、以及约0.07摩尔％至约0.11摩尔％之间的SnO2。在一些实施方式中，玻璃可产生＜0.015的色偏。在一些实施方式中，玻璃可产生＜0.008、小于0.005或小于0.003的色偏。
在另一些实施方式中，玻璃组合物可具有0.95至3.23之间的RxO/Al2O3比，其中R为Li、Na、K、Rb、Cs中的任一种或更多种且x为2。在另一些实施方式中，玻璃组合物可具有1.18至5.68之间的RxO/Al2O3比，其中R为Li、Na、K、Rb、Cs中的任一种或更多种且x为2，或者，R为Zn、Mg、Ca、Sr或Ba且x为1。在另一些实施方式中，玻璃组合物可具有-4.25至4.0之间的RxO-Al2O3-MgO，其中R为Li、Na、K、Rb、Cs中的任一种或更多种且x为2。在另一些实施方式中，玻璃组合物可包含约66摩尔％至约78摩尔％之间的SiO2、约4摩尔％至约11摩尔％之间的Al2O3、约4摩尔％至约11摩尔％之间的B2O3、约0摩尔％至约2摩尔％之间的Li2O、约4摩尔％至约12摩尔％之间的Na2O、约0摩尔％至约2摩尔％之间的K2O、约0摩尔％至约2摩尔％之间的ZnO、约0摩尔％至约5摩尔％之间的MgO、约0摩尔％至约2摩尔％之间的CaO、约0摩尔％至约5摩尔％之间的SrO、约0摩尔％至约2摩尔％之间的BaO、以及约0摩尔％至约2摩尔％之间的SnO2。
在另一些实施方式中，玻璃组合物可包含约72摩尔％至约80摩尔％之间的SiO2、约3摩尔％至约7摩尔％之间的Al2O3、约0摩尔％至约2摩尔％之间的B2O3、约0摩尔％至约2摩尔％之间的Li2O、约6摩尔％至约15摩尔％之间的Na2O、约0摩尔％至约2摩尔％之间的K2O、约0摩尔％至约2摩尔％之间的ZnO、约2摩尔％至约10摩尔％之间的MgO、约0摩尔％至约2摩尔％之间的CaO、约0摩尔％至约2摩尔％之间的SrO、约0摩尔％至约2摩尔％之间的BaO、以及约0摩尔％至约2摩尔％之间的SnO2。在某些实施方式中，玻璃组合物可包含约60摩尔％至约80摩尔％之间的SiO2、约0摩尔％至约15摩尔％之间的Al2O3、约0摩尔％至约15摩尔％之间的B2O3、以及约2摩尔％至约50摩尔％之间的RxO，其中，R为Li、Na、K、Rb、Cs中的任一种或更多种且x为2，或者，R为Zn、Mg、Ca、Sr或Ba且x为1，且Fe+30Cr+35Ni＜约60ppm。
LGP和/或LCU还可包含已经(例如通过离子交换)经过化学强化的玻璃。在离子交换处理过程中，玻璃板表面或其附近的玻璃板内的离子可被例如来自于盐浴中的更大的金属离子置换。更大的离子结合入玻璃中，可通过在近表面区域中产生压缩应力来强化玻璃板。可在玻璃板中心区域内产生相应的拉伸应力，以平衡该压缩应力。
可通过例如将玻璃浸入熔融盐浴中一段预设的时间来进行离子交换。示例性的盐浴包括但不限于KNO3、LiNO3、NaNO3、RbNO3以及它们的组合。熔融盐浴的温度和处理时间可变化。本领域技术人员有能力根据所需应用确定时间和温度。举一个非限制性的例子，熔融盐浴的温度可在约400℃～约800℃、例如约400℃～约500℃的范围内，预定的时间段在约4～约24小时、例如约4小时～约10小时的范围内，尽管其它温度和时间的组合也可以考虑。一个非限制性的例子是，可在例如约450℃下将玻璃浸入KNO3浴中约6小时，以得到能够引入表面压缩应力的富含K的层。
在某些实施方式中，LGP和/或LCU可以是透明的或基本上透明的。如本文所用，术语“透明”旨在表示LGP和/或LCU在具有约1mm的厚度时，在光谱的可见光区段(例如420～750nm)内具有大于约80％的透射率。例如，一种示例性的透明LGP和/或LCU在可见光范围内的透射率可大于约85％，例如大于约90％、大于约92％或大于约95％的透射率，包括它们之间的所有范围和子范围。根据各种实施方式，LCU在可见光区段内的透射率可小于约80％，例如小于约70％、小于约60％或小于约50％，包括它们之间的所有范围和子范围。
在一些实施方式中，一种示例性的透明LGP和/或LCU可包含小于1ppm的Co、Ni和Cr中的每一种。在一些实施方式中，Fe的浓度＜约50ppm、＜约20ppm或＜约10ppm。在另一些实施方式中，Fe+30Cr+35Ni＜约60ppm；Fe+30Cr+35Ni＜约40ppm；Fe+30Cr+35Ni＜约20ppm；或Fe+30Cr+35Ni＜约10ppm。根据另一些实施方式，一种示例性的透明LGP和/或LCU可具有＜0.015的色偏，或在一些实施方式中具有＜0.008的色偏。
色偏可通过使用用于色彩测量的CIE 1931标准沿着试样的长度L测量色晶坐标y的变化来表征。对于玻璃LGP，色偏值可报道为Δy＝y(L2)-y(L1)，其中，L2和L1为沿着远离源发射的面板或基材方向的Z位置，且L2-L1＝0.5米。
根据各种实施方式，可利用多个光提取特征对LGP的一个或更多个表面进行图案化，例如LGP发光主表面和/或相反的主表面。如本文所用，术语“图案化”旨在表示多个元素和/或特征以任意给定的图案或设计存在于LGP的表面上，它们可以是例如随机的或排列的、重复的或非重复的。例如，在光提取特征的情况下，这些特征可作为例如构成粗糙表面的纹理特征分散在整个第二表面上。
在各种实施方式中，存在于LGP表面上的光提取特征可包含光散射位点。例如，可对LGP的发光主表面或相反的主表面进行纹理化、蚀刻、涂覆、损伤和/或粗糙化以产生光提取特征。这些方法的非限制性例子包括例如用激光损伤表面、用酸蚀刻表面以及用TiO2涂覆表面。在某些实施方式中，激光可用于将孔切入LGP中，以及用于损伤第一和/或第二表面，以产生光提取特征。根据各种实施方式，提取特征可图案化成合适的密度，以产生基本上均匀的照度。光提取特征可产生光的表面散射和/或体积散射，这取决于特征在玻璃表面中的深度。可利用例如产生提取特征时所用的处理参数对这些特征的光学特征进行控制。可按照本领域已知的任意方法对LGP进行处理，以产生光提取特征，例如共同待审和共同拥有的国际专利申请PCT/US2013/063622号中所描述的方法，该文献通过引用全文纳入本文。
可使用波导或光导处理领域已知的任意方法来制造LCU。例如，可在具有长度LC的材料板的一个面上涂覆反射膜，并使用任意各种设备(例如切割锯、线锯、激光)将其切割成厚度为TC的条带。可任选地对切割边缘进行抛光，或者可用折射率匹配聚合物(例如购自霍尼韦尔有限公司(Honeywell Corp)的Accuglass T-11)填充任意粗糙表面。随后，可使LCU与LGP接触，并例如通过在LGP与LCU之间施用粘合剂(例如聚合物或其它合适的材料)、以及/或者通过在低温下加热材料以形成结合来使LCU与LGP相互粘合或结合。
本文所公开的BLU可用于各种显示装置中，包括但不限于LCD或其它用于电视、广告、汽车以及其它产业中的显示器。本文所述的BLU还可用于任意合适的照明应用，例如但不限于照明设备等。
应理解，各种公开的实施方式可涉及结合特定实施方式描述的特定特征、要素或步骤。还应理解，虽然以涉及某一特定实施方式的形式描述，但特定特征、要素或步骤可以多种未说明的组合或排列方式与替代性实施方式互换或组合。
还应理解的是，本文所用术语“该”、“一个”或“一种”表示“至少一个(一种)”，不应局限为“仅一个(一种)”，除非明确有相反的说明。因此，例如，提到“一个光源”包括具有两个或更多个这种光源的例子，除非文本中有另外的明确表示。类似地，“多个(种)”旨在表示“多于一个(种)”。因此，“多个光源”包括两个或更多个这样的光源，例如三个或更多个这样的光源等。
本文中，范围可以表示为从“约”一个具体值开始和/或至“约”另一个具体值终止。当表述这种范围时，例子包括自某一具体值始和/或至另一具体值止。类似地，当使用先行词“约”表示数值为近似值时，应理解，具体数值构成另一方面。还应理解的是，每个范围的端点值在与另一个端点值相结合以及独立于另一个端点值的情况下都是有意义的。
本文所用的术语“几乎”“基本上”以及它们的变体旨在表示所描述的特征等于或约等于一个数值或描述。例如，“基本(上)呈平面”的表面旨在表示呈平面或基本上呈平面的表面。如本文所用，术语“基本上相似/类似”旨在表示两个数值大致相等，例如在彼此的约5％以内，或者在一些情况中在彼此的约2％以内。例如，在折射率为1.5的情况下，基本上相似的折射率可在约1.425至约1.575的范围内。
除非另有表述，否则都不旨在将本文所述的任意方法理解为需要使其步骤以具体顺序进行。因此，当方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺序，都不旨在暗示该任意特定顺序。
虽然会用过渡语“包含”来公开特定实施方式的各种特征、元素或步骤，但是应理解的是，这暗示了包括可采用过渡语“由……构成”或“基本上由……构成”描述在内的替代实施方式。因此，例如包含A+B+C的设备的暗含的替代性实施方式包括设备由A+B+C构成的实施方式和设备基本上由A+B+C构成的实施方式。
对本领域技术人员显而易见的是，可以在不偏离本公开的范围和精神的情况下对本公开进行各种修改和变动。因为本领域的技术人员可以想到所述实施方式的融合了本公开精神和实质的各种改良组合、子项组合和变化，应认为本公开包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。
以下的实施例只是非限制性的和说明性的，本发明的范围通过权利要求来限制。
实施例
实施例1
使用(589.3nm下)折射率(np)为1.497且厚度(TP)为1.1mm的IrisTMLGP来制备其构造类似于图1中所示的构造的示例性背光单元。该LGP的光入射表面未形成切角。将具有朗伯角光分布且有效高度(HL)为1.66mm的LED光源定位在与LGP相距0.1mm的位置。LED背表面上的反射体为反射率为60％的朗伯反射体，而LED顶表面和底表面上的反射体为反射率为96％的朗伯反射体。
LCU的反射表面涂覆有反射率为96％的镜面反射体。LCU的折射率从1.2变化至1.6，厚度从0.56mm变化至0.68mm，且长度从0.1mm变化至5mm。使用基于Zemax光学建模软件的射线跟踪模型来研究这些变化对光耦合效率的影响。在与耦合器相对的LGP边缘处探测耦合至LGP的光线，以确保只有注入或导入的光线被探测到。通过使用分别具有红色、绿色和蓝色波长的三束激光测量市售的7040LED来确定LED表面本身的反射率。测量结果表明，所有三种波长下的LED表面反射率都约为60％，且与LED驱动电压无关。
图4A是光耦合效率随折射率(nc)为1.337(例如nc＜np)的LCU的长度的变化图。无LCU时的光耦合效率约为63％，而具有LCU时的光耦合效率在约70％～84％的范围内。例如，对于0.56mm的LCU高度，可在1.4至3mm范围内的LCU长度下实现大于83％的耦合效率。从图中可以看出，光耦合效率随着耦合器厚度(TC)的增大而减小。例如，TC＝0.56(TC+TP＝HL)时的光耦合效率高于TC＝0.62或TC＝0.68(TC+TP＞HL)时的光耦合效率。此外，对于所研究的LCU厚度，在约2.2mm的LCU长度下观察到最佳光耦合效率，而光耦合效率在LCU长度大于2.6mm时减小。据认为，耦合效率在更长LCU长度下的减小可归因于光线从LGP耦合回到LCU中。
图4B是光耦合效率随折射率(nc)为1.497(例如nc＝np)的LCU的长度的变化图。相比于图4A中的70％～84％(nc＜np)，这些LCU下的光耦合效率在约68％～79％的范围内。相比于图4A，观察到最大耦合效率降低了约5％。类似于图4A，观察到光耦合效率随着耦合器厚度(TC)的增大而减小。不同于图4A，观察到耦合效率在LCU长度大于1.6mm时持平。
图5A是光耦合效率随厚度(TC)为0.56(例如TC+TP＝HL)且长度(LC)为2mm或5mm的LCU的折射率的变化图。对于2mm的LCU长度，在约1.34的LCU折射率下实现了约84％的最大耦合效率，且在1.25至1.42范围内的LCU折射率下观察到了大于82％的耦合效率。随着LCU长度的增大(LC＝5mm)，观察到最大耦合效率降低，且峰偏移至更高的LCU折射率。此外，无论耦合器的长度如何，都在小于LGP折射率的折射率nc下达到了最大光耦合效率，且一旦折射率nc接近并超过LGP的折射率np，光耦合效率就减小。
图5B是对于具有不同折射率np的LGP，光耦合效率随厚度(TC)为0.56(例如TC+TP＝HL)且长度(LC)为2mm的LCU的折射率的变化图。观察到具有不同折射率np的LGP具有不同的LCU最佳折射率(nc*opt)，例如出现最大光耦合效率时的折射率nc。折射率为1.437、1.497和1.569的LGP分别在1.337、1.3374和1.569的LCU折射率下实现了最大耦合效率。在图5C中，对图5B中所示的数据用趋势线拟合，绘制了np与nc之间的差异(np-nc*opt)随LGP折射率np的变化图。从图中可以看出，np与(np-nc*opt)之间存在关系，以使折射率np与nc之间的最佳差异随着LGP折射率np的增大而线性增大。
实施例2
使用(589.3nm下)折射率(np)为1.497且厚度(TP)为1.1mm的IrisTMLGP来制备其构造类似于图2中所示的构造的示例性背光单元。对LGP的光入射表面的两个角进行切角(45°，h＝0.1mm)，以使光入射表面的厚度tP为0.9mm。将LED光源定位于与LGP相距0.01mm处。所有其它参数和模型都与以上实施例1中所述的相同。
图6A是光耦合效率随折射率(nc)为1.337(例如nc＜np)的LCU的长度的变化图。无LCU的光耦合效率约为61.6％(相比于图4A中未切角LGP的63％)，而具有LCU的光耦合效率在约66％～80％的范围内(相比于图4A中未切角LGP的70％～84％)。观察到图6A中的光耦合效率曲线具有与图4A中所示的曲线相同的形状，但即使在切角LGP的情况下LED与LGP之间的间隙更小，耦合效率也平均比在未切角LGP情况下观察到的低约3.5％。然而，对于0.56mm厚的LCU，仍然在1.8～2.7mm范围内的LCU长度下观察到大于80％的耦合效率。再次观察到光耦合效率随着耦合器厚度(TC)的增大而减小。在约2.2mm的LCU长度下观察到最佳光耦合效率，而光耦合效率在LCU长度大于2.6mm时减小。
图6B是光耦合效率随折射率(nc)为1.497(例如nc＝np)的LCU的长度的变化图。相比于图6A中的66％～80％(nc＜np)，这些LCU下的光耦合效率在约66％～76％的范围内。相比于图5B，光耦合效率平均比在未切角LGP情况下观察到的低约2％。类似于图6A，观察到光耦合效率随着耦合器厚度(TC)的增大而减小。不同于图6A，观察到耦合效率在LCU长度大于1.6mm时持平。
实施例3
使用(589.3nm下)折射率(np)为1.497且厚度(TP)为1.1mm的IrisTMLGP来制备其构造类似于图3中所示的构造的示例性背光单元。该LGP的光入射表面未形成切角。LCU的厚度(TC)为0.56mm，且长度(LC)为2mm。LCU的第二表面不与LGP的发光表面平行，且对于折射率nc＝1.377或1.497的单元，其倾斜角(θ)从-8°至+8°。所有其它参数和模型都与以上实施例1中所述的相同。
图7是光耦合效率随折射率(nc)为1.337或1.497的LCU的倾斜角的变化图。随着倾斜角从-8°增大至+8°，观察到对于nc＝1.337，耦合效率在79.8％至84％之间变化，而对于nc＝1.497，耦合效率在74.5％至81.8％之间变化。总的来说，观察到相比于负的倾斜角，正的倾斜角的耦合效率更大。对于nc＝1.337，在倾斜角θ＝2°下观察到最大耦合效率，而对于nc＝1.497，在倾斜角θ＝5.5°下观察到最大耦合效率。

Claims (19)

1.一种背光单元，其包含：
光导板，所述光导板包含发光主表面、相反的主表面、第一光入射边缘表面和相反的边缘表面；
光耦合单元，所述光耦合单元包含第二光入射边缘表面、相反的光反射边缘表面、第一表面和相反的第二表面；以及
至少一个光源，所述光源光耦合至所述第一光入射边缘表面和所述第二光入射边缘表面，
其中，所述光耦合单元的所述第一表面的至少一部分与所述光导板的发光主表面或相反的主表面的至少一部分物理接触。
2.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，所述光耦合单元的所述光反射边缘表面包含反射膜或涂层。
3.如权利要求1或2所述的背光单元，其特征在于，所述至少一个光源在顶表面、底表面和背表面中的至少一种上包含反射膜。
4.如权利要求3所述的背光单元，其特征在于，所述光源在所述顶表面、底表面和背表面中的每一种上包含反射膜。
5.如权利要求1～4中任一项所述的背光单元，其特征在于，所述至少一个光源的高度小于或等于所述光导板和所述光耦合单元的总厚度。
6.如权利要求1～5中任一项所述的背光单元，其特征在于，所述光耦合单元的长度小于5mm。
7.如权利要求1～6中任一项所述的背光单元，其特征在于，所述光耦合单元的所述第一表面和所述第二表面与所述光导板的所述发光主表面相平行。
8.如权利要求1～6中任一项所述的背光单元，其特征在于，所述光耦合单元的所述第一表面与所述第二表面不平行，且所述第二表面具有-10°至10°的倾斜角。
9.如权利要求1～6中任一项所述的背光单元，其特征在于，所述光导板的所述第一光入射边缘表面具有切角。
10.如权利要求9所述的背光单元，其特征在于，所述切角的角度在约10°至约60°的范围内。
11.如权利要求1～10中任一项所述的背光单元，其特征在于，所述光导板的折射率(np)不同于所述光耦合单元的折射率(nc)。
12.如权利要求11所述的背光单元，其特征在于，np大于nc。
13.如权利要求11所述的背光单元，其特征在于，0.25np+0.77≤nc≤0.25np+1.18。
14.如权利要求1～13中任一项所述的背光单元，其特征在于，所述光耦合单元的热膨胀系数与所述光导板的热膨胀系数之间的差异小于30％。
15.如权利要求1～14中任一项所述的背光单元，其特征在于，所述光导板或光耦合单元中的至少一种的弹性模量小于5GPa。
16.如权利要求1～15中任一项所述的背光单元，其特征在于，所述光导板和所述光耦合单元中的至少一种包含玻璃、玻璃陶瓷、塑料或聚合材料。
17.如权利要求1～16中任一项所述的背光单元，其特征在于，所述光导板和所述光耦合单元中的至少一种在约420nm至约750nm的可见光波长范围内具有至少约80％的透光率。
18.一种背光单元，其包含：
光导板，所述光导板包含发光主表面、相反的主表面和第一光入射边缘表面；
光耦合单元，所述光耦合单元与所述光导板的所述发光主表面或相反的主表面的至少一部分物理接触，所述光耦合单元包含第二光入射边缘表面和相反的光反射边缘表面；
至少一个光源，所述光源光耦合至所述第一光入射边缘表面和所述第二光入射边缘表面；以及
光循环腔室，所述光循环腔室由所述光耦合单元的所述光反射边缘表面与所述光源的顶表面、底表面和背表面上的反射膜限定。
19.一种电子装置、显示装置或照明装置，其包含权利要求1～18中任一项所述的背光单元。
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