CN114174906A - 用于均匀照明的背光源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于向显示面板提供均匀照明的背光源，该背光源包括多个离散光源。多层聚合物部分反射器设置在该多个离散光源上。对于大致法向入射光，部分反射器包括：反射带，该反射带包括蓝色波长；反射率，该反射率在该蓝色波长下大于约80％；左带缘，该左带缘在约370nm至约420nm之间；右带缘，该右带缘在约500nm和600nm之间；和平均透射率，该平均透射率对于大于该右带缘的可见波长在约20％至约80％之间。反射偏振器设置在该部分反射器上。对于具有该蓝色波长的大致法向入射光，该反射偏振器反射具有第一偏振态的光的至少60％并透射具有第二偏振态的光的至少60％。

Description

用于均匀照明的背光源
技术领域
本公开整体涉及背光照明系统，具体地涉及用于向显示面板提供均匀照明的背光源。
背景技术
光学显示器常常用于告示板、电视机、膝上型电脑和台式计算机、手持设备(诸如移动电话)以及其它应用中。一种广泛使用的显示器是液晶显示器(LCD)。由于LCD本身不发光，因此他们需要照明源-反射环境光或更常见的是来自背光源的光。背光源通常包括照明设备以及照明设备和LCD面板之间的多个光管理膜，该照明设备可包括光源诸如发光二极管或荧光灯。一般来讲，光管理膜通过更快速且有效地使用光来增强显示器的操作性。
发明内容
在本公开的一些方面，提供了一种用于向显示面板提供均匀照明的背光源。该背光源包括多个离散光源，该多个离散光源形成离散光源的行和列的阵列。每一个离散光源被构造为在从约410nm至约470nm的范围内的蓝色波长下发射非偏振蓝光。多层聚合物部分反射器设置在多个离散光源上。对于大致法向入射光并且对于正交的第一偏振态和第二偏振态中的每一者，部分反射器包括：反射带，该反射带包括蓝色波长；反射率，该反射率在蓝色波长下大于约80％；左带缘，该左带缘在约370nm至约420nm之间；和右带缘，该右带缘在约500nm和600nm之间；和平均透射率，该平均透射率对于大于右带缘的可见波长在约20％至约80％之间。反射偏振器设置在部分反射器上。对于具有蓝色波长的大致法向入射光，反射偏振器反射具有第一偏振态的光的至少60％并透射具有第二偏振态的光的至少60％。
附图说明
将参考附图更详细地讨论本公开的各个方面，其中，
图1示意性地示出了根据本公开的一些实施方案的背光源照明系统，该背光源照明系统用于向显示面板提供照明；
图2示意性地示出了从约410nm至470nm的蓝色波长范围；
图3示意性地示出了根据本公开的一些方面的离散光源的呈阵列的排列；
图4示意性地示出了根据本公开的某些方面的光在背光源照明系统中的传播；
图5示意性地示出了根据本公开的一些方面的部分反射器和反射偏振器上的法向入射光；
图6是示出了根据本公开的一些方面的光在不同波长下的相对透射率的透射光谱的图形表示；
图7示意性地示出了根据本公开的一些方面的部分反射器的构造；
图8示意性地示出了根据本公开的一些方面的层的构造，该层具有在背光源照明系统中设置在部分反射器上方的棱镜结构；以及
图9示意性地示出了根据本公开的其它方面的背光源照明系统。
图未必按照比例绘制。图中使用的相似数字指代相似的部件。然而，应当理解，在给定图中使用数字指代部件不旨在限制另一图中用相同数字标记的部件。
具体实施方式
在以下说明中参考附图，该附图形成本发明的一部分并且其中以举例说明的方式示出各种实施方案。应当理解，在不脱离本说明书的范围或实质的情况下，可设想并进行其他实施方案。因此，以下具体实施方式不应被视为具有限制意义。
显示面板诸如例如液晶显示器(LCD)通常利用期望有效且空间上、角度上和光谱上均匀的背光装置。一种照明方法利用一行离散光源诸如LED和光导将光均匀地散布在显示器的区域上。这些LED被取向成跨背光装置的平面发射。另一种方法使用跨背光装置的平面排列为阵列的LED。这些LED垂直于背光源的平面朝向显示面板发射。按阵列排列的LED在LED中的每一个LED或LED组上提供亮度控制，以动态地改变与显示面板图像协调的照明。背光技术是为显示器的独立区域提供宽范围亮度并改善用户视觉体验的有效手段。背光方法通常利用另外的光学器件来实现均匀度和亮度规格。通常期望背光装置具有背光源部件的最小总厚度。本文所述的实施方案解决了将光有效地且均匀地散布在背光装置的平面中的这些和其它挑战。
如图1中示意性地示出，受照显示系统(300)包括显示面板(10)和用于向该显示面板(10)提供均匀照明的背光源(200)。在一些实施方案中，显示面板(10)可以是液晶显示(LCD)面板。背光源(200)包括多个离散光源(20)，该多个离散光源形成离散光源(20)的行(22)和列(23)的阵列(21)，如图3中最佳所见。在一些方面，可通过将光源(20)根据需要以正方形图案或以任何矩形图案放置来形成阵列(21)。所需的实际光源数量取决于显示器的大小、每一个光源的光通量和期望的亮度。在一些方面，多个离散光源(20)包括多个离散发光二极管(LED)。形成离散光源(20)的阵列的LED处于电连通状态，使得LED可根据需要以串联或并联方式或以串联和并联的组合进行工作。在一些实施方案中，多个离散光源可以是一行离散光源诸如LED。LED的呈阵列的排列可在LED中的每一个LED或LED组上提供更好的亮度控制，以动态地改变与LCD面板图像协调的照明。
在一些方面，多个离散光源(20)诸如LED可在10μm至10mm的宽度上变化。LED可间隔开可从1mm至10mm变化的间距。对于便携式显示器，LED宽度可以是约100μm-300μm，并且间距可以是约1mm-10mm。LED可包括LED晶粒或作为“LED”销售的包装或封装的半导体器件，可以是常规或超辐射种类，并且可以是前向发射或侧向发射种类。LED晶粒可构造为用于表面贴装、芯片直接贴装、倒装芯片或其他已知的贴装构造。
在一些实施方案中，多个离散光源(20)设置在电路板(70)上。光源(20)的阵列(21)可通过任何技术诸如例如机械紧固、焊接或使用粘合剂来安装在电路板上。电路板(70)包括多条导电迹线(71)，该多条导电迹线连接到离散光源(20)以便使离散光源(20)通电并控制离散光源的光发射。
在一些实施方案中，背光源(200)包括反射层(80)。反射层(80)可具有高反射率并且在电路板平面上可放置在离散光源(20)之间。在一些方面，反射层在蓝色波长下具有至少60％、或至少70％、或至少80％、或在一些方面至少90％的反射率。高反射材料可用作反射层(80)，以实现高回收效率。这在使用光管理光学膜时变得重要，如将在下文中说明，因为这些膜反射了在第一遍(first pass)中未能使用并被回收以便在随后的一遍或多遍期间有助于显示面板的输出的光。在一些方面，反射层(80)可以是白色抗蚀剂。在一些其它方面，反射层(80)限定贯通开口(81)，并且每一个离散光源(20)可设置在相应开口(81)中以允许来自每一个离散光源的光透射。
每一个离散光源(20)被构造为在从约410nm至约470nm的范围内的蓝色波长(31)下发射非偏振蓝光(30)，如图2示意性地示出。在一些实施方案中，蓝色波长(31)在从约430nm至约470nm的范围内，例如为约450nm。
在一些实施方案中，多层聚合物部分反射器(40)设置在多个离散光源(20)上。来自多个离散光源(20)的由部分反射器(40)反射的光反射离开反射层(80)，并且可由部分反射器(40)透射，如使用图4中的箭头所示。由部分反射器(40)透射的输出光的光角分布将随LED的发射光角分布、反射层(80)的漫反射率以及部分反射器(40)的透射和反射特性的变化而变化。
在一些方面，多层聚合物部分反射器(40)可由具有平面内折射率nx、ny的交替材料的堆叠组成。部分反射器(40)对于左带缘(LBE)较低波长和右带缘(RBE)较高波长之间的轴向入射光(0°)可具有高反射率。以较高角度入射的光将经历朝向较低波长偏移的反射光谱。如果轴向入射光的波长小于RBE，则轴向入射光通常将被反射。在某个较高入射角下，在波长高于偏移的RBE的情况下，光将被透射。通过设计多层聚合物部分反射器(40)和其所得的透射光谱，窄带光源可在较高入射角下经历较高透射率，同时在较低入射角下反射光，从而使光横向地散布并改善空间均匀度。
如图6中图形表示，在一些实施方案中，对于大致法向入射光(32)(图5所示)并且对于彼此正交的第一(x轴)偏振态和第二(y轴)偏振态中的每一者，部分反射器包括具有蓝色波长的反射带(41)和在蓝色波长下大于约80％的反射率。对于大致法向入射光(32)并且对于正交的第一(x轴)偏振态和第二(y轴)偏振态中的每一者，部分反射器(40)包括在约370nm至约420nm之间的左带缘(42)和在约500nm和600nm之间的右带缘(43)。进一步地，对于大致法向入射光(32)并且对于正交的第一(x轴)偏振态和第二(y轴)偏振态中的每一者，部分反射器(40)包括平均透射率，该平均透射率对于大于右带缘的可见波长在约20％至约80％之间。以nm为单位的右带缘波长被指示用于图6中的各种透射曲线。
如图7所示，在一些实施方案中，多层聚合物部分反射器(40)可包括多个聚合物层(44,45)。聚合物层(44,45)可主要通过相长光学干涉或相消光学干涉来反射或透射光。例如，聚合物层(44,45)可具有不同的折射率特性，使得一些光在相邻层之间的界面处被反射。聚合物层(44,45)可足够薄，使得在多个界面处反射的光经受相长干涉或相消干涉，从而赋予多层聚合物部分反射器(40)期望的反射或透射特性。在一些实施方案中，聚合物层包括以下中的一种或多种：聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和PEN/PET共聚物。
多层聚合物部分反射器(40)的反射和透射特性随相应聚合物层(44,45)的折射率的变化而变化。每一个层至少在局部位置中可由平面内折射率nx、ny表征。这些折射率分别表示所讨论的材料对于沿相互正交的x轴和y轴偏振的光的折射率。在一些方面，多个聚合物层形成交替的第一聚合物层(44)和第二聚合物层(45)。第一聚合物层(44)可以是大致各向同性的，即，nx～ny。第二聚合物层(45)可以是大致双折射的并且沿正交方向的平面内折射率nx和ny之间的不同可大于约0.02，或在一些情况下大于约0.05。例如，聚合物层(44,45)可使用交替的双折射PEN层和各向同性PMMA层来设计。可使用高折射率材料和低折射率材料的其它组合，诸如交替的PET层和PMMA层。
在一些方面，多个聚合物层(44,45)可包括大约50个至大约200个交替的第一层(44)和第二层(45)对。对于窄带宽源，在波长范围内的较少数量的层对在较低波长下在相应的入射角下可增大透射率。
参考图1，在一些实施方案中，背光源(200)包括封装层(60)，该封装层设置在部分反射器(40)和多个离散光源(20)之间。封装层(60)实质上完全封装多个离散光源(20)。在一些情况下，封装层(60)可以是位于多个离散光源(20)之上的光学透射介电涂层。在一些其它情况下，封装层可以是适形于光源(20)的透明胶层。封装层(60)改善来自多个离散光源的光耦合，并且保护光源免受物理和环境影响。在一些方面，部分反射器(40)可放置在封装层(60)上方，并且可或可不粘附或光学耦合到封装层(60)。在其它方面，在部分反射器(40)和封装层(60)之间可实质上不存在气隙。
封装层的折射率也可被调整以改善照明均匀度。封装层的较低折射率允许来自光源(20)的光以较高的角度折射，从而帮助横向散布。封装层的折射率可在约1.3至1.7之间，或在约1.4至1.65之间。
另外的光学元件和附接这些元件的构件可放置在部分反射器(40)上方以改善照明性能。此类部件可包括但不限于漫射器和棱镜膜。例如，当在电路板(70)上使用蓝光LED时，可添加下转换层(85)，如图9所示。下转换层将蓝光的一小部分转换成更高波长(红光和绿光)，以从背光装置实现白光照明。下转换层可包括整块散射材料以漫射来自LED的蓝色激发光。蓝光漫射还用于在某些输出角度从部分反射器(40)提取光。可以选择下转换层(85)的材料以便将蓝光的一部分转换为红光和绿光以实现类白光输出。此类材料的示例可以是红色和绿色荧光体或量子点。蓝光漫射材料可包括位于下转换层中或位于将下转换层(85)和部分反射器(40)接合的粘合剂中的TiO2纳米粒子。
部分反射器(40)反射以低或中等角度(例如，小于40度)入射的蓝光，以使激发光源在空间上延伸，同时使蓝光以较高的角度朝向下转换层(85)传输。部分反射器(40)还将由蓝光在下转换层(85)中的部分转换产生的绿光和红光反射回观察者。对于部分反射器(40)的后一目的，RBE可至少超过绿色带波长，并且在一些情况下也可超过红色带波长。使用图9中的箭头来说明两种效果，这两种效果标识为1)在低角度范围内反射蓝光以进行光散布，并在更高的角度下透射蓝光，以及2)将来自下转换层(85)的红光和绿光回收。然后可通过均匀度和包括这些效果中的每一个效果的整体光学效率之间的权衡来确定RBE的选择。
优先透射高入射角的光的部分反射器(40)在光在部分反射器(40)和反射层(80)之间传播时提供光的宽空间散布。在一些实施方案中，多层聚合物部分反射器(40)包括光学漫射结构化主表面(46)，如图7示意性地示出。例如，光学漫射结构化主表面(46)可作为漫射涂层形成在部分反射器(40)的顶表面上。较高的漫射也可能导致较高的照明均匀度。导致漫射的结构化主表面(46)的表面粗糙度可例如通过结构化主表面的表面角分布的高斯宽度s来测量，其中s可以是5度、或10度、或20度、或30度、或40度。
在一些实施方案中，背光源包括设置在部分反射器(40)上的反射偏振器(50)。在第一波长范围内，反射偏振器(50)基本上反射具有正交的第一偏振态和第二偏振态中的一者(例如，电场沿着x轴的第一偏振态)的光，并且基本上透射具有第一偏振态和第二偏振态中的另一者(例如，电场沿着y轴的第二偏振态)的光。在一些实施方案中，对于具有蓝色波长(31)的大致法向入射光，如果在蓝色波长(31)下具有第一偏振态的入射光的至少60％通过偏振器(50)反射，则可以说反射偏振器(50)基本上反射在蓝色波长下具有第一偏振态的光。在一些实施方案中，在蓝色波长下具有第一偏振态的入射光的至少70％或至少80％通过偏振器(50)反射。在一些实施方案中，对于具有蓝色波长的大致法向入射光，如果在蓝色波长下具有第二偏振态的入射光的至少60％从反射偏振器(50)透射，则可以说反射偏振器(50)基本上透射在蓝色波长(31)下具有第二偏振态的光。在一些实施方案中，在蓝色波长下具有第二偏振态的入射光的至少70％或至少80％从偏振器(50)透射。
在一些实施方案中，对于至少一个红色波长(33)，多层聚合物部分反射器可透射具有第一偏振态的大致法向入射光(32)的至少30％，并且反射偏振器可反射具有第一偏振态的大致法向入射光(32)的至少60％。在一些方面，多层聚合物部分反射器可透射入射光的至少约40％至至少约50％，并且反射偏振器可反射入射光的至少约70％至至少约80％。
在本说明书的光学系统中使用的反射偏振器(50)可为任何合适类型的反射偏振器。所述反射偏振器可为可基本上单轴取向的聚合物多层光学膜，如其它地方进一步描述的。基本上单轴取向的反射偏振器可以商品名Advanced Polarizing Film 5或APF购自3M公司(3M Company)。也可使用其它类型的多层光学膜反射偏振器(例如，购自3M公司(3MCompany)的双亮度增强膜或DBEF)，其对于沿一个平面内轴的分量偏振的光具有低反射率，并且对于沿第二正交平面内轴的分量偏振的光具有高反射率。在一些实施方案中，使用其它类型的反射偏振器(例如，线栅偏振器)。
在一些其它实施方案中，并且参考图1，光学漫射层(100)可设置在多层聚合物部分反射器(40)和反射偏振器(50)之间以便漫射由部分反射器(40)透射的光。光学漫射层(100)可帮助提取光以进一步调节输出光角分布，并且可将光部分反射回到部分反射器(40)中以便进一步的均匀散布。
在一些方面，为使照射在下转换层(85)上的蓝光实现类似的光角分布，可在部分反射器(40)上方添加光学元件，以将高角度光朝向轴向方向重新引导，之后进行漫射以实现广光角分布。此类光学元件包括具有顶表面漫射器的转向膜、交叉线性棱镜膜或棱镜结构(诸如透明棱锥或锥体)的阵列。在一些实施方案中，棱镜层(90)可设置在多层聚合物部分反射器(40)和反射偏振器(50)之间。如图8所示，棱镜层(90)可包括规则地排列的棱镜(91)的阵列。每一个棱镜(91)包括在顶点(93)处相交的多个侧面(92)。在一些方面，每一个棱镜(91)具有四个同样的侧面(92)。在一些实施方案中，顶点(93)面向部分反射器(40)，如图1中最佳所见。在一些方面，棱镜侧表面(92)可弯曲以改善角度展宽。
其它类型的棱镜膜包括棱锥结构、锥体、部分球体(珠粒涂层)或倒置的此类结构的阵列。结构可面向或背离离散光源(20)的阵列。在另一个实施方案中，部分反射器(40)可涂覆有漫射材料，并且棱镜层(90)可未附接地放置在涂层上方，其中棱镜结构面向离散光源(20)的阵列。漫射材料从部分反射器(40)提取光，而棱镜层重新引导角度分布，并对来自部分反射器(40)的输出重新成像以改善均匀度。可将提供最大亮度和良好均匀度的图像和锥光输出模拟为棱镜顶角的函数。对于良好均匀度和输出角度分布，顶角可为大约50°-80°。

Claims (10)

1.一种用于向显示面板提供均匀照明的背光源，包括：
多个离散光源，所述多个离散光源形成离散光源的行和列的阵列，每一个离散光源被构造为在从约410nm至约470nm的范围内的蓝色波长下发射非偏振蓝光；
多层聚合物部分反射器，所述多层聚合物部分反射器设置在所述多个离散光源上，对于大致法向入射光并且对于正交的第一偏振态和第二偏振态中的每一者，所述部分反射器包括：
反射带，所述反射带包括所述蓝色波长；
反射率，所述反射率在所述蓝色波长下大于约80％；
左带缘，所述左带缘在约370nm至约420nm之间；
右带缘，所述右带缘在约500nm和600nm之间；和
平均透射率，所述平均透射率对于大于所述右带缘的可见波长在约20％至约80％之间；和
反射偏振器，所述反射偏振器设置在所述部分反射器上，对于具有所述蓝色波长的大致法向入射光，所述反射偏振器反射具有所述第一偏振态的光的至少60％并透射具有所述第二偏振态的光的至少60％。
2.根据权利要求1所述的背光源，其中所述蓝色波长在从约430nm至约470nm的范围内。
3.根据权利要求1所述的背光源，其中所述多层聚合物部分反射器包括多个聚合物层，所述多个聚合物层主要通过相长光学干涉或相消光学干涉来反射或透射光。
4.根据权利要求3所述的背光源，其中所述多个聚合物层形成交替的第一聚合物层和第二聚合物层，所述第一聚合物层是大致各向同性的，所述第二聚合物层是大致双折射的并且具有沿正交方向的平面内折射率nx和ny，nx和ny之间的差值大于约0.02。
5.根据权利要求1所述的背光源，其中所述多层聚合物部分反射器包括光学漫射结构化主表面。
6.根据权利要求1所述的背光源，还包括封装层，所述封装层设置在所述部分反射器和所述多个离散光源之间并且实质上完全封装所述多个离散光源，其中在所述部分反射器和所述封装层之间实质上不存在气隙。
7.根据权利要求1所述的背光源，其中所述多个离散光源设置在电路板上，所述电路板包括多条导电迹线，所述多条导电迹线连接到所述离散光源以便使所述离散光源通电并控制所述离散光源的光发射。
8.根据权利要求1所述的背光源，还包括反射层，所述反射层在所述蓝色波长下具有至少60％的反射率并且在所述反射层中限定多个贯通开口，每一个离散光源设置在相应开口中。
9.根据权利要求1所述的背光源，其中对于具有所述第一偏振态的大致法向入射光并且对于至少一个红色波长，所述多层聚合物部分反射器透射所述入射光的至少30％，并且所述反射偏振器反射所述入射光的至少60％。
10.根据权利要求1所述的背光源，还包括棱镜层，所述棱镜层设置在所述多层聚合物部分反射器和所述反射偏振器之间，所述棱镜层包括规则地排列的棱镜的阵列，每一个棱镜包括在顶点处相交的多个侧面，所述顶点面向所述部分反射器，并且其中每一个棱镜包括四个同样的侧面。
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