CN111308779A - 直下式背光装置及显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直下式背光装置。直下式背光装置包括自上而下设置的偏振光学膜片组、LED光源的阵列和PCB驱动板。偏振光学膜片组包括凹面透镜阵列和反射偏振片。所述凹面透镜阵列设置在所述偏振光学膜片组的入光侧，所述反射偏振片设置在所述偏振光学膜片组的出光侧。本发明提供一种改善面光源均匀出光的背光装置，提高了光的利用效率。

Description

直下式背光装置及显示设备
技术领域
本发明涉及显示装置，尤其涉及一种直下式背光装置及显示设备。
背景技术
液晶显示装置具有的液晶面板自身不发光。因此，液晶显示装置在液晶面板的背面侧设置有作为面光源装置的背光装置作为对液晶面板进行照明的光源。
作为这样的背光装置的结构，公知排列了多个发光二极管(Light EmittingDiode：以下称作“LED元件”)的直下型的背光装置。
近年来，开发高效率、高输出且小型的LED元件。因此，即使减少背光装置中使用的LED元件或者LED BAR的数量，在理论上上也能得到与迄今为止同样的亮度。另外，LED BAR是排列多个LED元件而形成为1个电子部件。
例如专利文献1、2中，公开了以下技术：为了构成廉价且能得到均匀亮度的背光装置，通过柱面透镜扩散从LED元件射出的光。
现有技术专利文献1：日本特开2006-286608号公报专利文献2：日本特开2014-38697号公报发明内容发明所要解决的课题，但是专利文献1、2所记载的技术中，光从柱面透镜的介质中向空气中透过时，在其边界面即柱面透镜的内部产生反射光。此外，越扩大来自LED元件的光的发散角，反射光越增加。因此，难以使面状地照射的光的均匀性提高。特别是，难以抑制在照射区域周边的光量下降。
另一方面，随着液晶显示电子产品的超薄化发展和实现较高的高动态对比度(High-Dynamic Range，HDR)，对液晶显示器的背光模组厚度也提出了更高的要求。背光模组的各个光学膜片中，扩散片是决定背光模组厚度的主要膜片，一方面扩散片厚度太薄会发生膜拱、褶皱现象，影响显示效果；另一方面，若不设置扩散膜，则因LED为点光源，在灯口位置会出现光晕、炫光、灯眼等问题，无法均匀显示。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种改善面光源均匀出光的背光装置，提高了光的利用效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种直下式背光装置，包括自上而下设置的偏振光学膜片组、LED光源的阵列和PCB驱动板；其中，所述偏振光学膜片组包括凹面透镜阵列和反射偏振片，所述凹面透镜阵列设置在所述偏振光学膜片组的入光侧，所述反射偏振片设置在所述偏振光学膜片组的出光侧。反射偏振片基本透射具有一个偏振态的光，同时基本反射具有垂直偏振态的光。反射偏振片与其它反射表面联接以创建光再循环腔。所述凹面透镜阵列用于改变光的角分布，实现面光源均匀出光。具体的，所述凹面透镜对应至少一个所述LED光源，所述LED光源的阵列电性连接PCB驱动板。所述偏振光学膜片组还包括设置在所述反射偏振片下方的棱镜片，棱镜片下方的扩散膜。
本发明的背光装置，反射偏振片透过与其偏振态基本上与透光轴或透射轴对准的光，并且阻隔与其偏振状态基本上与阻光轴或消光轴对准的光，提供观测者角度的显示基础。被反射偏振片阻隔的光在背光装置内反射形成回路，大幅提升光能利用率。另外，整个背光模组的生产、组装工艺及结构都更简单，并且结构稳定性高。
本发明的反射偏振片采用多层光学膜。多层光学膜包括具有不同折射率特性的各个微层，以使一些光在相邻微层间的界面上被反射。微层是足够薄的，以使在多个界面处反射的光经受相长干涉或相消干涉作用，以便赋予多层光学膜以期望的反射或透射特性。对于设计成在紫外线波长、可见波长或近红外波长反射光的多层光学膜，每个微层通常具有小于约1μm的光学厚度(物理厚度乘以折射率)。可包括更厚的层，诸如多层光学膜外部表面处的表层，或者设置于多层光学膜内的将微层的连贯组(本文称为“分组”)分开的保护边界层(PBL)。对于偏振应用(如反射偏振片)，至少一些光学层利用双折射聚合物形成，其中聚合物的折射率沿聚合物的正交笛卡尔轴具有不同值。一般来讲，双折射聚合物微层的正交笛卡尔轴由层平面的法线(z轴)定义，并且x轴和y轴位于层平面之内。双折射聚合物也可用于非偏振应用。现在参见图1，示出了多层光学膜的示例性光学重复单元(ORU)的示意性透视图。图1仅示出多层光学膜的两个层，该光学膜可包括几十或几百个以一个或多个邻接分组或叠堆排列的此类层。膜包括2个个微层，其中“微层”是指这样的层，其足够薄，使得在此类层之间的多个界面处反射的光发生相长干涉或相消干涉，以赋予多层光学膜所需的反射或透射特性。2个微层可以一起表示多层叠堆的一个光学重复单元(ORU)，ORU是在整个叠堆厚度中以重复图案重现的最小层组。这些微层具有不同的折射率特性，以使得一些光在相邻微层间的界面处被反射。对于设计用于反射紫外、可见或近红外波长光的光学膜而言，每一微层通常具有小于约1微米的光学厚度(即物理厚度乘以折射率)。
在一些情况下，2个微层的厚度和折射率值相当于1/4波长叠加，即微层被布置成光学重复单元或单位单元的形式，每个光学重复单元或单位单元均具有光学厚度(f-比率＝50％)相同的两个邻近微层，这类光学重复单元可通过相长干涉有效地反射光，被反射光的波长l是光学重复单元总光学厚度的两倍。λ其它层布置方式也是已知的，诸如具有2微层光学重复单元的多层光学膜(其f-比率不同于50％)，或光学重复单元包括两个以上微层的膜。可以构造这些光学重复单元设计减少或增加某些更高阶反射。参见例如美国专利号5,360,659(Arends等人)和美国专利号5,103,337(Schrenk等人)。利用沿膜厚度轴(如z轴)的厚度梯度可以提供加宽的反射谱带，例如在人的整个可视区域内延伸并进入近红外区的反射谱带，从而当谱带在倾斜的入射角处转移到较短波长时，微层叠堆继续在整个可见光谱内反射。通过调整厚度梯度来锐化谱带边缘(即高反射与高透射之间的波长过渡)在美国专利6,157,490(Wheatley等人)中有所讨论。
多层光学膜及其相关设计和构造的另外详细信息在美国专利5,882,774(Jonza等人)、美国专利6,531,230(Weber等人)、PCT公开WO 95/17303(Ouderkirk等人)和WO 99/39224(Ouderkirk等人)以及公开标题为“多层聚合物反射镜中的大型双折射光学装置”，(Weber等人)，2000年3月《科学》，第287卷(“Giant Birefringent Optics in MultilayerPolymer Mirrors”,Science,Vol.287，March 2000(Weber et al.))中讨论。多层光学膜和相关制品可包括根据其光学特性、机械特性和/或化学特性而选择的附加层和涂层。例如，在膜的入射侧可添加UV吸收层以保护部件免于UV光引起的。利用UV可固化丙烯酸酯粘合剂或其它合适材料可以将多层光学膜附接到机械增强层。这些增强层可包含诸如PET或聚碳酸酯的聚合物，并且也可包括例如通过使用小珠或棱镜提供诸如光漫射或准直的光学功能的结构化表面。附加层和涂层也可包括抗乱涂层、抗撕裂层和硬化剂。参见例如美国专利6,368,699(Gilbert等人)。用于制备多层光学膜的方法和装置在美国专利6,783,349(Neavin等人)中有所讨论。
多层光学膜的反射性质和透射性质取决于各自微层的折射率与微层的厚度和厚度分布。每个微层(至少在膜的局部位置处)可以通过面内折射率nx、ny和与膜的厚度轴相关联的折射率nz来表征。这些折射率分别表示主题材料对于沿着相互垂直的x轴、y轴和z轴偏振的光的折射率。为便于在本专利申请中说明，除非另外指明，否则假设x轴、y轴和z轴为适用于在多层光学膜上所关注的任何点的局部笛卡尔坐标，其中微层平行于x-y平面延伸，并且其中x轴在膜平面内取向以最大化Δnx的量值。因此，Δny的量值可以等于或小于(但不大于)Δnx的量值。此外，通过要求Δnx为非负值来决定在计算差值Δnx、Δny、Δnz中对于起始材料层的选择。换句话说，形成界面的两层之间的折射率差值为Δnj＝n1j–n2j,其中j＝x、y、或z，并且其中选择层标号1、2以使n1x≥n2x，即Δnx≥0。
在实践中，折射率是通过审慎的材料选择和加工条件来控制的。多层膜的制备方法是：将大量(如数十或数百)层的两种交替的聚合物A、聚合物B共挤出，通常接着将该多层挤出物穿过一个或更多倍增模头，并然后对挤出物进行拉伸或者以其他方式对挤出物进行取向从而形成最终的膜。所得膜通常由数百个单独的微层组成，调整微层的厚度和折射率，从而在所期望的光谱区域(如可见光区或近红外光区)中提供一个或更多反射谱带。为了获得具有适当层数的高反射率，相邻微层通常表现出对于沿着x轴偏振的光的折射率差值(Δnx)为至少0.05。在一些实施方案中，选择材料以使对于沿着x轴偏振的光的折射率差值在进行取向后尽可能高。如果希望对两个正交偏振的光具有高的反射率，那么也可以制备相邻微层以显示对于沿着y轴偏振的光的折射率差值(Δny)至少为0.05。为了保持在斜入射角度处p偏振光的高反射率，微层之间的z轴折射率失配Δnz可以控制基本上小于面内折射率差值Δnx最大值，以使Δnz≤0.5*Δnx或Δnz≤0.25*Δnx。量值为零或几乎为零的z轴折射率失配产生了微层之间的这样的界面：该界面对p偏振光的反射率随着入射角的变化为常数或几乎为常数。此外，可以控制z轴折射率失配Δnz以具有相比于面内折射率差值Δnx相反的极性，即Δnz<0。该条件会产生这样的界面：该界面对于p偏振光的反射率随入射角增加而增大，对于s偏振光的情况也一样。在许多应用中，理想的反射偏振片沿一个轴(“消光”或“阻光”轴)具有高反射率，并且沿另一个轴(“透射”或“透光”轴)具有零反射率。
为了本专利申请的目的，其偏振态基本上与透光轴或透射轴对准的光被称为透过光，并且其偏振状态基本上与阻光轴或消光轴对准的光被称为阻光。除非另外指明，以60°入射角的透过光在p偏振的透过光中测量。如果沿透射轴出现一些反射率，则偏振片在偏离垂直角度处的效率可能会降低；并且如果对于多个波长来说反射率不同，则可以将颜色引入至透射光中。此外，在一些多层系统中，可能无法准确匹配两个y轴折射率和两个z轴折射率，并且当z轴折射率失配时，对面内折射率n1y和n2y而言，可能期望产生轻微的失配。具体地，通过布置y轴折射率失配以具有与z轴折射率失配相同的符号，在微层界面处产生Brewster效应，以最小化沿着多层反射偏振片的透射轴的偏轴反射率，并因此最小化偏轴颜色。
在‘774(Jonza等人)中讨论的另一个设计考虑涉及在多层反射偏振片空气界面处的表面反射。除非偏振片在两侧均层压至现有玻璃部件或具有透明光学粘合剂的另一个现有膜，否则这种表面反射将减少光学系统中所需偏振态的光的透射。因此，在一些情况下，将防反射(AR)涂层添加至反射偏振片上是有用的。
在一个优选实施例中，所述直下式背光装置还包括反射杯的阵列，其设置在所述偏振光学膜片组和所述LED光源的阵列之间，所述反射杯的阵列将所述LED光源的一部分的配光向所述偏振光学膜片组一侧反射。反射偏振片与反射杯的阵列联形成光再循环腔，提高了光的利用效率。LED光源包括mini LED、Micro LED、OLED或常规LED芯片中的至少一种。
在一个优选实施例中，所述反射杯为上下开口的球体或者多面体；多个所述反射杯一体成型为反射板。
在一个优选实施例中，所述反射杯包括有光泽的白色反射器、漫反射器、镜面反射白色反射器以及胶体折射率的聚合物膜中的至少一种。
在一个优选实施例中，所述偏振光学膜片组还包括量子点膜。
在一个优选实施例中，所述凹面透镜包括抛物线部分和/或椭圆形部分。
根据本发明之实施例，本发明之直下式背光装置与LCD面板和玻璃盖板整合成一种电子设备，其可应用于LCD显示器。
附图说明
本发明及其优点将通过研究以非限制性实施例的方式给出，并通过所附附图所示的特定实施方式的详细描述而更好的理解，其中：
图1是现有技术的多层光学薄膜的结构示图。
图2是本发明实施例1的直下式背光装置的剖视图。
图3是本发明实施例2的反射杯的结构示意图。
具体实施方式
请参照附图中的图式，其中相同的组件符号代表相同的组件，本发明的原理是以实施在一适当的环境中来举例说明。以下的说明是基于所示例的本发明的具体实施例，其不应被视为限制本发明未在此详述的其它具体实施例。
本说明书所使用的词语“实施例”意指用作实例、示例或例证。此外，本说明书和所附权利要求中所使用的冠词“一”一般地可以被解释为意指“一个或多个”，除非另外指定或从上下文清楚导向单数形式。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
实施例1
首先，通过图2，就本发明的实施例1的直下式背光装置进行说明。本实施例采用的一个技术方案是提供一种直下式背光装置，其包括自上而下设置的偏振光学膜片组101、LED光源的阵列102和PCB驱动板103；其中，所述偏振光学膜片组101包括凹面透镜阵列1014和反射偏振片1011，所述凹面透镜阵列1014设置在所述偏振光学膜片组101的入光侧，所述反射偏振片1011设置在所述偏振光学膜片组101的出光侧。反射偏振片1011基本透射具有一个偏振态的光，同时基本反射具有垂直偏振态的光。反射偏振片1011与其它反射表面联接以创建光再循环腔。所述凹面透镜阵列1014用于改变光的角分布，实现面光源均匀出光。具体的，所述凹面透镜对应至少一个所述LED光源，所述LED光源的阵列102电性连接PCB驱动板。所述偏振光学膜片组101还包括设置在所述反射偏振片1011下方的棱镜片1012，棱镜片下方的扩散膜1013。
本发明的背光装置，反射偏振片1011透过与其偏振态基本上与透光轴或透射轴对准的光，并且阻隔与其偏振状态基本上与阻光轴或消光轴对准的光，提供观测者角度的显示基础。被反射偏振片1011阻隔的光在背光装置内反射形成回路，大幅提升光能利用率。另外，整个背光模组的生产、组装工艺及结构都更简单，并且结构稳定性高。
本实施例的背光装置，实现背光模组的面光源出光均匀度，从而实现超薄化的背光模组和显示设备，同时获得终端设备的高HDR对比度值。另外，整个背光模组的生产、组装工艺及结构都更简单，并且结构稳定性高。
实施例2
以下仅就实施例2与实施例1的相异之处进行说明，关于相似之处在此不再赘述。
所述直下式背光装置还包括反射杯的阵列104，其设置在所述偏振光学膜片组101和所述LED光源的阵列102之间，所述反射杯的阵列104将所述LED光源的一部分的配光向所述偏振光学膜片组101一侧反射。如图3，反射偏振片1011与反射杯的阵列104联形成光再循环腔，提高了光的利用效率。LED光源为mini LED。所述反射杯1041为上下开口的球体，多个所述反射杯一体成型为反射板。所述反射杯包括有光泽的白色反射器。
实施例3
以下仅就实施例3与实施例1的相异之处进行说明，关于相似之处在此不再赘述。
所述偏振光学膜片组还包括量子点膜，以实现广色域的显示画面。
虽然在上文中已经参考一些实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的各个实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种直下式背光装置，其特征在于，包括：
自上而下设置的偏振光学膜片组、LED光源的阵列和PCB驱动板；
其中，所述偏振光学膜片组包括凹面透镜阵列和反射偏振片，所述凹面透镜阵列设置在所述偏振光学膜片组的入光侧，所述反射偏振片设置在所述偏振光学膜片组的出光侧。
2.根据权利要求1所述的直下式背光装置，其特征在于：所述凹面透镜对应至少一个所述LED光源，所述LED光源的阵列电性连接PCB驱动板。
3.根据权利要求1所述的直下式背光装置，其特征在于：所述直下式背光装置还包括反射杯的阵列，其设置在所述偏振光学膜片组和所述LED光源的阵列之间，所述反射杯的阵列将所述LED光源的一部分的配光向所述偏振光学膜片组一侧反射。
4.根据权利要求3所述的直下式背光装置，其特征在于：所述反射杯为上下开口的球体或者多面体；多个所述反射杯一体成型为反射板。
5.根据权利要求4所述的直下式背光装置，其特征在于：所述反射杯包括有光泽的白色反射器、漫反射器、镜面反射白色反射器以及胶体折射率的聚合物膜中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的直下式背光装置，其特征在于：所述偏振光学膜片组还包括设置在所述反射偏振片下方的棱镜片，棱镜片下方的扩散膜。
7.根据权利要求6所述的直下式背光装置，其特征在于：所述偏振光学膜片组还包括量子点膜。
8.根据权利要求1所述的直下式背光装置，其特征在于：所述凹面透镜包括抛物线部分和/或椭圆形部分。
9.一种显示设备，其包括权利要求1-9中任一所述的直下式背光装置。
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