CN116745554A - 背光模组和显示设备ii - Google Patents

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Abstract

一种显示设备，包括显示面板、第一光源和第二光源。第一光源和第二光源在垂直于基板的方向上分别与第一光点和第二光点对准。第一光源分别以第一值和第二值的亮度照射第一光点和第二光点。第一光源以第一和第二值的和的一半的亮度照射第一光点和第二光点之间的中点。

Description

背光模组和显示设备II
技术领域
本发明涉及背光模组和包括背光模组的显示设备，具体地，涉及使用透镜来改善亮度均匀性的背光模组。
背景技术
液晶显示(LCD)装置已广泛应用于工业和人们的日常生活中。LCD装置具有LCD面板和背光模组。LCD面板接收来自背光模组的光，并通过调整通过由液晶元件制成的像素的透光率来显示图像。背光模组有直接型和边缘型。在直接型背光模组中，将光源设置成面向LCD面板的后表面，直接照射LCD面板。在边缘型背光模组中，将光源设置在LCD面板的一侧，导光板设置在邻近LCD面板的后表面以引导光照射LCD面板。在下面的描述中，描述的是直接型背光模组。
在直接型背光模组中，通常使用发光二极管(LED)阵列作为光源。由于LED上方的区域照射强，而LED之间的区域照射弱，因此，存在亮度不均匀的问题，尤其是当LCD设备越来越薄时。结果，需要更多的LED来改善亮度均匀性，导致制造成本增加。鉴于上述问题提出了本发明。
发明内容
本发明公开了用于背光模组和包含背光模组的显示设备的方法和装置。一方面，显示设备包括显示面板，设置在显示面板附近的基板、沿着栅格图案设置在基板上以形成多个矩形照明单元的多个LED光源。其中，每个照明单元包括四个LED光源，分别设置在照明单元的四个角，在沿第一方向X的长度为L，在沿第二方向Y的宽度为W，并且照射到显示设备的界面上的对应矩形区域具有相同的长度L和宽度W，
其中，每个LED光源包括LED和设置在LED上方的相应透镜，相应透镜将从LED发射的光线引导到
(1)在显示设备的界面上的对应矩形区域的第一角，所述第一角具有第一亮度值E1，
(2)对应的矩形区域的第二角，所述第二角的亮度为第一预设值，其中，第一角与第二角沿X方向的距离为L，
(3)具有亮度值E(x,0)的第一位置(x,0)，该亮度值E(x,0)基于亮度值从第一角处的第一亮度值E1到第二角处的第一预设值的变化而确定，其中，第一位置位于第一角和第二角之间的第一边界线上，x是第一位置(x,0)与第一角之间沿X方向的距离，
(4)对应的矩形区域的第三角，所述第三角的亮度为第二预设值，其中，第一角与第三角沿Y方向的距离为W，
(5)具有亮度值E(0，y)的第二位置(0，y)，该亮度值E(0，y)基于亮度值从第一角处的第一亮度值E1到第三角处的第二预设值的变化而确定，其中，第二位置位于第一角和第三角之间的第二边界线上，y是第二位置(0，y)与第一角之间沿Y方向的距离，以及
(6)对应矩形区域的第三位置(x,y)，第三位置(x,y)的亮度值为E(x,y)，E(x,y)为E(x,0)和E(0,y)的乘积。
另一方面，背光模组，包括基板；第一光源，布置在所述基板上；第二光源，布置在所述基板上并靠近所述第一光源；第一透镜；以及第二透镜。其中，所述第一光源、所述第一透镜和第一光点沿着大致垂直于所述基板的方向对准，所述第二光源、所二透镜和第二光点沿着所述方向对准，从所述第一光源发射的光穿过所述第一透镜以第一值的亮度照射所述第一光点，以第二值的亮度照射所述第二光点，并且用第一和第二值的和的一半或基本上接近第一和第二值的和的一半的亮度照射中间光点，并且所述中间光点位于所述第一光点和所述第二光点之间。
附图说明
在权利要求中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。以下将通过结合附图进行详细描述本发明的主题和其他特征以及优点。此外，标号最左边的数字标识号首次出现的图形。
图1是现有技术中的LCD设备的透视图。
图2A示意性示出了根据本发明实施例的显示设备的横截面图。
图2B和2C示意性地示出了根据本发明实施例的图2A所示的显示设备的背光模组的横截面图和顶视图。
图3A示意性地示出了根据本发明实施例的顶视图中背光模组的光源。
图3B和3C示意性地示出了根据本发明实施例的与图3A所示背光模组相对应的横截面图。图3D示意性地示出了根据本发明实施例的图3A所示的光源界面上的某些光点。
图3E和3F示意性地示出了反映亮度线性变化的两条亮度曲线。
图3G示意性地示出了与图3B所示配置相对应的光路图。
图3H、3I、3J、3K和3L示意性地示出了与图3A-3D相关的背光模组的光源发出的光的强度。
图4示出了光穿过凹透镜的示意图。
图5示出了光线通过透镜照射到表面的示意图。
图6A和6B示意性地示出了反映不同条件下亮度变化的亮度曲线。
图7A和7B示意示出了根据本发明的实施例的光源的不同的配置。
图8示出了根据本发明实施例设计用于背光模组的透镜的流程图。
图9示出了根据本发明实施例组装背光模组和显示设备的流程图。
图10示出了根据本发明实施例的显示设备的结构图。
具体实施例
下面结合附图和实施例提供本发明的详细描述，进一步阐明本发明的目的、技术方案和优点。注意的是本发明讨论的示意性实施例仅用于说明本发明。本发明不限于所公开的实施例。
图1所示为现有技术的显示设备100的透视图。显示设备100具有LCD面板110、包含滤光单元和漫射器的部分111、间隔层112以及包含mini-LED阵列的部分113。滤光单元包含分别将入射光转换为不同波长的光的彩色滤光元件。漫射器包括漫射材料层，漫射穿过漫射材料的光，并通过降低光的明亮部分的亮度来改善亮度均匀性。层112可以由对光透明的粘合材料(诸如树脂)制成。
在显示设备100的运行期间，在照射部分111或漫射器之前，从部分113中的mini-LED阵列发射的光在层112中扩散并穿过层112。因为在薄的显示设备100中，层112被布置得很薄，所以部分111的下表面可能具有不均匀的亮度。例如，紧邻mini-LED的区域可能看起来很亮，而mini-LED之间的区域可能看上去很暗。为了提高亮度均匀性，阵列中增加了更多的mini-LED，这增加了组装和材料成本。此外，即使在mini-LED阵列中添加更多的mini-LED，仍然需要漫射器为LCD面板提供均匀的亮度。
图2A示意性地示出了根据本发明实施例的显示设备200的横截面图。在X-Z平面中显示了横截面图。显示设备200可以包括显示面板210、波长转换单元211、背光模组212和漫射器213。波长转换单元212与显示面板210相邻，并设置在显示面板210和漫射器213之间。背光模组212靠近显示面板210设置，并通过波长转换单元211、漫射器213和区域214与显示模组210分开。区域214可以配置在漫射器214和背光模组212之间。可选地，区域214可布置在背光模组212内。在一些其他情况下，波长转换单元211、漫射器213和区域214的一部分可以配置在显示面板210内部。如本文所用，术语“单元”、“模组”或“组件”具有相同或相似的含义，并且可以互换使用。
显示面板210包含像素矩阵，通过控制光通过像素的透射来形成图像。这里使用的光也可以称为光线。由于显示面板210本身不产生光，因此需要背光，例如，背光模组212。背光模组212发光以照亮显示面板210的像素以创建图像。在一些实施例中，显示面板210可以是LCD面板。在这种情况下，显示面板210可以包括设置在上基板和下基板之间的液晶层、第一偏振层和第二偏振层。此处使用的术语“层”也可以表示元件。液晶层由液晶分子形成。透明电极设置在上基板和下基板上。LCD面板的每个像素由在上透明电极和下透明电极之间排列的液晶分子的一部分组成。通过经由电极向像素施加电压，像素的液晶分子的排列被改变，并且一定量的光穿过像素并使像素呈现特定的灰度级。
在某些情况下，波长转换单元211可以包含沉积在与LCD面板的像素对齐的板或基板上的滤色器矩阵。由于每个像素可以具有分别对应于红色、绿色和蓝色的三个子像素，因此为每个像素布置了三个滤色器。滤色器可以由诸如颜料或染料之类的着色材料组成，其中只有特定波长范围的光是透射的。
在一些其他情况下，波长转换单元211可以包含沉积在板或基板上的波长转换元件矩阵。波长转换元件可以吸收较短波长的光(例如，近紫外线的光)，然后发射较长波长的光，例如，红色、绿色或蓝色的光。因此，波长转换元件的矩阵可以以与上述滤色器的矩阵类似的方式工作。
漫射器213可包含由漫射材料制成的漫射层，并用于提供亮度均匀性。显示面板210、波长转换单元211和漫射器213可以单独制造，然后在稍后结合在一起。可选地，漫射器213和波长转换单元211可以顺序地沉积在板或基板上，并且随后可以使用波长转换单元212作为基底或基板来制造显示面板210。可选地，可以先制造显示面板210，并且波长转换单元211和漫射器213可以顺序地沉积在显示面板210的底部或下表面上。在这种情况下，漫射器214可以作为显示面板210的底部。可选地，显示面板210和波长转换单元212可以集成制造在一起。例如，包含滤色器矩阵或波长转换元件矩阵的层可以配置在显示面板210的两个层之间，例如，液晶层和第一偏振层(或第二偏振层)之间。然后，可以在沉积液晶和第一偏振层的步骤之间制造波长转换单元211。
背光模组212包含设置在基板上的多个发光元件。发光元件形成具有预定栅格图案的矩阵或阵列，以照亮显示面板210。发光元件可被称为光源，并包括激光器、LED、mini-LED、mini-LED和其他小型发光器件。LED也可以称为LED芯片。mini-LED芯片可以具有小于100微米的尺寸。mini-LED芯片可以具有100至200微米或100至300微米的尺寸。在下面的描述中，作为示例，背光(例如，背光模组212)包含mini-LED。备选地，光源可以包括发光元件和被配置用于发光元件的透镜。也就是说，发光元件和相应的透镜一起可以称为光源。
区域214可以包括背光模组212和漫射器213之间或mini-LED和漫射器213之间的空间。漫射器213和空间(或区域214)配置在波长转换单元212(或显示面板210)和背光模组212之间。当波长转换单元是显示面板210的一部分时，波长转换单元211可以设置在mini-LED上方，并且设置在显示面板210的一个部件和mini-LED的基板之间。区域214中的空间可以是真空的或填充有空气或惰性气体。在某些情况下，该空间也可以填充有透明粘合剂材料(例如，透明树脂)。由于mini-LED较小，它们可以比常规LED布置在更靠近漫射器213的位置使得区域214更薄，这可以使显示设备200更薄。
当mini-LED设置在漫射器213和显示面板210附近时，mini-LED可能以不均匀的亮度照射漫射器213，导致显示面板210上的照明不均匀。虽然可以向背光模组212添加更多的mini-LED，以减少现有技术系统或设备中存在的不均匀亮度，但这将增加制造成本。如下所述，本发明在不增加mini-LED的数量的情况下实现了亮度均匀。
图2B和2C示意性地示出了根据本发明实施例的图2A所示背光模组212的横截面图212A和顶视图212B。横截面图212A在X-Z平面中，而顶视图212B在X-Y平面中。如图2B-2C所示，背光模组212包含mini-LED 221、透镜222和基板215，在基板215上设置mini-LED 221。透镜222被定位在mini-LED 221上方，并分别在Z方向上与mini-LED221对准。请注意，本发明图中部件/元件的图纸或插图(包括透镜)仅用于解释目的，不一定代表部件/元件的实际形状或尺寸。在一些实施例中，mini-LED 221形成具有预定栅格图案的光源矩阵或阵列，透镜222形成具有相同栅格图案的透镜矩阵或阵列(例如，如图2C所示)。图2B和2C以及本发明的其他图中所示的mini-LED和透镜的数量、尺寸、形状和布置是示例性的且出于描述的目的，根据本发明的各个实施例，任何合适的数量、大小、形状和配置都可以用于所发明的背光模组和显示设备。
在背光模组212中，每个透镜222沿Z方向或与基板215近似垂直的方向与mini-LED221对齐。在某些情况下，可以单独制造透镜222，然后在组装过程中分别与mini-LED 222接合。在一些其它实施例中，可以通过模压形成透镜222的阵列。例如，可以模压包含具有预定图案的透镜222阵列的光学单元或光学部件。光学单元可以设置在基板215上，以使透镜222分别与mini-LED 221对准。此外，光学单元可以在执行对准之后与基板215接合。
mini-LED 221和透镜222被配置为使得当从mini-LED发射光时，透镜以不同角度引导光线或改变每个mini-LED的光的传播方向。当由透镜222以不同角度不同地改变从每个mini-LED产生的光的强度时，来自mini-LED阵列的光可以被合并并以相对均匀的亮度照射漫射器213。在一个方面，背光模组212可能需要更少的mini-LED 221，因此，可以降低制造成本。由于背光模组212可以产生相对均匀的亮度，相对于传统显示设备中使用的漫射器，漫射器213可以具有更高的透射率。因此，可以提高显示设备200的效率。此外，当背光模组212提供的亮度均匀性超过某一水平时，可以不需要漫射器213。也就是说，在某些情况下，显示设备200可以不包含漫射器(例如，漫射器213)，这可以进一步降低制造成本。
在下面的描述中，透镜(例如，透镜222)被设计为基于诸如mini-LED阵列的光源阵列来实现均匀亮度。在一些方面，mini-LED可被视为以朗伯模式发射光的朗伯光源。可选地，mini-LED可以是近似朗伯光源。在以下描述中，mini-LED示例性地用作朗伯光源。因此，当没有透镜时，来自mini-LED的光根据兰伯特发射定律分散。当透镜与mini-LED结合时，mini-LED发出的光根据透镜的功能而分散。此处使用的透镜可以表示包含一个或多个透镜的透镜系统。透镜可以以不同的角度不同地引导光。由于透镜阵列和mini-LED阵列用于产生均匀的亮度，因此可以基于朗伯光源阵列和表面或界面上的亮度均匀性的某些值来设计透镜。此处使用的术语“界面”表示由不同材料占据的两个空间区域之间的边界。表面可以指示空气(或真空或气体环境)与固体物质之间的界面。
在某些实施例中，当朗伯光源经由透镜照射界面并且界面上的每个点处的亮度值已知时，可以计算角坐标中的光强度分布。基于角坐标中的光强度分布和朗伯光源的辐射图案，可以使用例如某些方法或透镜设计软件来计算透镜的数据。关于设计透镜的更多细节如下所示。此处使用的术语“点”表示围绕界面上的点的很小的区域或很小的范围。
图3A示意性地示出了根据本发明实施例的显示设备(未显示)的背光模组300的顶视图300A。背光模组300包含设置在基板310上的具有特定图案的mini-LED 311阵列，而图3A中省略了相应的透镜(或具有相同图案的相应透镜阵列)。阵列可以示例性地包含mini-LED A至I。沿着X方向的相邻mini-LED 311的中心之间的距离为a，并且沿着Y方向的相邻mini-LED 311中心之间的距离为b。在一些情况下，例如，a和b的值可以分别在3至9毫米的范围内。设X2-X1＝a、X3-X2＝a、Y2-Y1＝b和Y3-Y2＝b。在某些情况下，a和b的值可能不同。可选地，在一些其他情况下，a和b的值可以相同。
图3B和3C示意性地示出了根据本发明实施例的包含图3A所示背光模组300的结构的截面图300B和300C。该结构可以包括背光模组300和位于透镜312、mini-LED 311和背光模组300上方的漫射器321。该结构可以是显示设备的一部分，并设置在显示设备的显示面板(未示出)下方。漫射器321具有面向透镜312、mini-LED 311和基板310的下表面或下界面322。在某些情况下，假设漫射器321和背光模组300之间的空间充满空气。然后，下界面322是空气和漫射器321的底层或底部之间的界面。
图3D是示出下界面322中的点1至9的图300D。图300D显示了逆Z方向(即，面向背光模组300的方向)截取的视图。点1-9分别位于mini-LED A-I的正上方。例如，光点5、mini-LED E和mini-LED E的透镜沿Z方向或大致垂直于基板310的方向对齐。因此，光点1-9形成阵列，其图案与由mini-LED 311形成的阵列的图案相同。因此，光点1-9的中心在X方向上间隔a，在Y方向上间隔b。
如图3A-3D所示，mini-LED 311通过透镜312向漫射器321发射光。如果没有透镜，mini-LED直接照射界面，则光点1-9可能会被明亮地照射，而远离光点1-9的区域可能会被模糊地照射。因此，下界面322的亮度不均匀。如果使用规则的凹透镜来进一步扩散来自mini-LED的光，光点1-9可能会变得不那么明亮，但界面可能仍然具有不均匀的亮度，具有明亮区域和暗淡区域。因此，需要额外的mini-LED和漫射器以使亮度更均匀。
在本发明中，mini-LED 311发出的光由透镜312处理。mini-LED阵列的配置和透镜312的功能被设置为，在操作期间，当所有mini-LED 311发光时，由mini-LED A-D和F-I包围的区域中的亮度均匀性高于某个值。因此，与传统方法相比，使用更少的mini-LED。
图3E和3F示意性地示出了当透镜312与mini-LED E结合时沿X方向和Y方向的亮度变化。在图3E中，该曲线反映了相对于图3D沿X方向穿过光点4、5和6的线L1的亮度的线性变化。在图3F中，该曲线反映了相对于图3D沿Y方向穿过光点8、5和2的线L2的亮度的线性变化。如图3E-3F所示，当mini-LED E通电时，光点5处的亮度最大(例如，任意值1)，光点5沿Z方向紧靠mini-LED E上方。同时，在沿X和Y方向的相邻光点，即光点2、4、6和8处，亮度为零或基本接近零(例如，低于预定的暗度)。图3E所示的曲线遵循公式1A和1B。
E(x)＝1-(x-X2)/a (1A)
E(x)＝1-(X2-x)/a (1B)
当x在X2到X3(或“X2+a”)的范围内时，公式1A适用，而当x在X1(或“X2-a”)到X2的范围内，公式1B适用。
类似地，图3F所示的曲线遵循公式2A和2B。
E(y)＝1-(y-Y2)/b (2A)
E(y)＝1-(Y2-y)/b (2B)
当y在Y2到Y3(或“Y2+b”)的范围内时，公式2A适用，而当y在Y1(或“Y2-b”)到Y2的范围内，公式2B适用.
如上公式描述了线性变化，在光点4和5之间(或光点5和6之间)的中点处，亮度是最大值的一半(或基本接近最大值的一半)。中点表示与点4和点5距离相等的点。因此，沿着下界面322中的X方向，光点4和5之间(或光点5和6之间)的中点处的区域中的亮度是光点5处的亮度的一半或接近一半。类似地，沿着Y方向，光点2和5之间的中点处(或者光点5和8之间)的区域中的亮度是光点2处亮度的一半或者接近一半。
尽管公式1A、1B、2A和2B是根据与mini-LED E相关的光点5设置的，但可以调整这些公式以适合下界面322中的其他光点。对于来自mini-LED D的照射以及X1到X2的范围，线L1上的亮度遵循公式3。
E(x)＝1-(x-X1)/a (3)
当X2＝X1+a时，当组合公式1B和3时，从X1到X2的线L1上的总亮度总是常数1。以类似的方式，当mini-LED G和H通电时，连接光点7和8的线上的亮度也总是1。当mini-LED C和F通电时，连接光点3和6的线上的亮度也总是1。恒定亮度应用于在下界面322中沿X或Y方向连接相邻点的其他线。
当mini-LED E开启时，让光点P处的亮度(如图3D所示)遵循基于公式1B和2A的公式4。
E1(x，y)＝(1-(X2-x)/a)*(1-(y-Y2)/b) (4)
类似地，对于光点P附近和下方的其他光源，例如，mini-LED A、B和D，我们有以下公式分别表示光点P处产生的亮度。
E2(x，y)＝(1-(x-X1)/a)*(1-(Y3-y)/b) (5)
E3(x，y)＝(1-(X2-x)/a)*(1-(Y3-y)/b) (6)
E4(x，y)＝(1-(x-X1)/a)*(1-(y-Y2)/b) (7)
当E1(x，y)、E2(x，x)、E3(x、y)和E4(x，y)相加时，下界面中任何光点的亮度总值在该范围内为1。也就是说，当x在X1到X2的范围内，y在Y2到Y3的范围内时，公式4到7可用于表示mini-LED A、B、D和E的下界面322中的预期亮度。以类似方式，当x从X1到X3，y从Y1到Y3时，可计算并获得mini-LED E产生的下界面322中的亮度。当x或y在上述范围之外时，对于mini-LED E，使下界面322中的亮度为零。
在一些实施例中，如图3A所示，mini-LED 311的阵列可以被视为包含矩形照明单元的预定栅格图案的阵列。每个照明单元包括布置在照明单元的四个角处的四个光源。光源包含一个mini-LED 311。可选地，光源还可以包含一个mini-LED 311和一个透镜312。如图3A所示，可以包括多个照明单元。例如，一个照明单元包括在四个角处的mini-LED A、B、D和E，而另一个照明单元包括在四角处的mini-LED B、C、E和F。照明单元沿X方向的长度为a，沿Y方向的宽度为b。照明单元在下界面中用相同的栅格图案(例如，相同的长度a和宽度b)照射对应的矩形区域。如图3D所示，相应的矩形区域在其四个角处包含光点1、2、4和5。沿着X或Y方向连接对应矩形区域的两个光点的线可以称为边界线。可以使用上面描述的公式进行一些调整来布置相应矩形区域中的亮度。当照明单元(即四个mini-LED)通电时，它以高于某个值的亮度均匀性照射相应的矩形区域。例如，包括四条边界线的对应矩形区域的亮度可以具有相同的亮度值或基本相同的亮度值。此外，当一个mini-LED打开时，它以与上述相同的方式照射相应的矩形区域。例如，当mini-LED E打开时，它以从光点5处的最大值到光点2处的零亮度线性变化的亮度照射连接光点2和5的边界线。
图3G所示为与图3B所示配置相对应的mini-LED E的光路。假设mini-LED E发射沿着光路传播并照射在下界面322中的点Q上的光线。mini-LED E和下界面322之间的距离为h。例如，在某些情况下，h的值可以在3到6毫米的范围内。θ是光路与界面法线之间的角度(即，与Z方向相反)。mini-LED E和光点Q之间的距离为d。设E为亮度，I为光点Q处的光强度(或光强度)。亮度和光强度遵循公式8。
E＝(I/d2)*cosθ (8)
如上所述，由于下界面322中的亮度E的值是已知的，因此可以使用公式8计算界面322上各个光点处的光强度。
图3H、3I、3J、3K和3L所示为与图3A-3D相关的mini-LED E发出的光强度。在这些图中使用任意单位。根据公式8，可以计算沿着线L1从X2到X3的光点的光强。对于线L1上的每个光点，还可以计算角度θ。沿L1线的强度-角度曲线如图3H所示。沿线L2从Y2到Y3的强度对角度的曲线如图3I所示。图3J和3K示意性地描绘了所有角度的光分布曲线。图3L中的两条曲线也显示了强度与角度的关系，其中一条曲线说明了沿L1线从X1到X3的变化，另一条曲线则说明了沿L2线从Y1到Y3的变化。I0是角度为零时的光强度值。
在通过计算获得光强度值之后，可以通过使用例如包括特定透镜设计软件的特定软件来获得目标透镜的数据。透镜的数据包括，例如，入射表面和出射表面的形状和尺寸、入射表面与出射表面之间的距离、透镜材料、透镜材料的折射率等。
图4显示了光穿过示例性凹透镜410的示意图。透镜410在相对侧具有两个表面412和413。表面412面向光源414，并且可以称为光入射表面。表面413背向光源414并且可以被称为光出射表面。光线照射在入射表面412上，并在通过入射表面412之后由于折射而改变传播方向。当由于折射而离开透镜411时，光线在穿过出射表面之后再次改变传播方向。
设计透镜涉及确定透镜的入射表面和出射表面。在某些情况下，可以在透镜设计过程开始时首先确定入射表面，以减少计算负荷。预定入射表面可以包括例如平坦表面或曲面(例如，凸面、凹面、非球面或自由曲面)。此处使用的术语“自由曲面”表示在光轴周围没有旋转对称或平移的曲面。由于入射表面和出射表面都用于改变光线的传播方向，因此可以安排其中一个表面的传播方向的改变大于另一个表面。例如，在某些情况下，传播方向的大约50-70％的变化可以由出射表面产生。
图5是光线穿过透镜后照射表面的示意图，用于示意性地描述透镜设计过程。假设光源511设置在透镜下方的位置。透镜具有入射表面512和出射表面513。光源511产生穿过透镜然后照射平坦表面514(例如，漫射器的底表面)的光线。假设表面514接收从光源511发射的所有光，基于能量守恒，获得公式9。
∫∫I(u,v)dudv＝∫∫E(x,y)dxdy (9)
I(u，v)表示在角坐标系(u，v)中由光源511发射的光强度。E(x，y)表示在笛卡尔坐标系(或正交坐标系)(x，y)中，在表面514上接收的亮度。从公式9得到公式10和11。
∫∫I0cos u*cos2v dudv＝∫∫E(x,y)dxdy (10)
I0cos u*cos2v dudv＝E(x,y)dxdy (11)
I0是由预先设定的条件确定的固定值。公式11以微分形式示出能量守恒，即，在表面514上的(x，y)处的小区域中接收的亮度对应于(u，v)处的光线的小区域的光强度。
当光依次穿过入射表面512和出射表面513时，它被折射两次。折射角遵循Snell折射定律。因此，可以使用Snell定律计算从光源511经由透镜到表面514的每条光线的光路。
当已知光源511的辐射图案(例如，不同角度的光强度)和表面514上的期望亮度值时，可以通过计算获得透镜的入射和出射表面512和513的形状以及其他数据。如上所示，可以使用公式1A、1B、2A、2B和4通过一些调整来获得表面514上的期望亮度值。亮度的期望值也可以被称为亮度的预设值。在一些情况下，入射表面512可以是预定的，即为具有固定数据的已知表面。出射表面513是自由形式的表面，并且可以具有某些预定的初始数据。例如，出射表面513可以具有初始形状，该初始形状将在透镜设计过程中被多次调整或修改。
由于光源511的辐射图案和入射表面512的数据是已知的，在光线穿过入射表面512之后，可以执行计算过程以确定作为衍射结果的透镜内光线的光路或轨迹。可以将光线小部分，然后计算透镜内每个小部分的轨迹。可以将出射表面513划分成小区域。光线的每一小部分可以入射到出射表面513的一个或多个小区域上。可以将表面514划分成小区域。由于可以在光线离开透镜之后计算光线的每个小部分的轨迹，并且每个轨迹经过表面514的一个或多个小区域，因此可以获得表面514相应的一个小区域或多个小区域的位置。随后，当光线照射到表面514上时，可以使用公式11计算相应的一个或多个小区域中的亮度。
将计算出的表面514上的亮度值与预期亮度值进行比较，并使用它们之间的差值来调整出射表面513的数据。例如，如果表面514的小区域中的亮度值太大，则可以确定出射表面513的一个或多个对应的小区域。此后，可以调整出射表面513的一个或多个对应的小区域，以将一个或更多个对应的光线小部分的一部分转向远离表面514的一个或者更多个对应小区域，并且上述步骤可以重复多次，直到表面514上的亮度的计算值和亮度的期望值之间的差低于特定水平。然后，将最终确定的出射表面513的小区域整合在一起以形成出射表面513。
参考图3A-3D，当mini-LED E开启时，可由公式1A、1B、2A、2B和4确定下界面322上的亮度。在一些其他实施例中，当mini-LED E开启时，也可由表示生成均匀亮度的其他可选方法的公式12A-12D和13A确定下界面322上的亮度。
在上述公式中，k是预定系数。当x在X2到X3(或“X2+a”)的范围内时，适用公式12A，而当x在X1(或“X2-a”)到X2的范围内，适用公式12B。当y在Y2到Y3(或“Y2+b”)的范围内时，适用公式12C，当y在Y1(或”Y2-b”)到Y2的范围内的时候，适用公式12D。当x在X1(或“X2-a”)到X2的范围内且y在Y2到Y3(或“Y2+b”)的范围内时，适用公式13A。公式13A可用于确定光点P处的亮度。
图6A和图6B示意性地示出了当mini-LED E开启时，基于公式12A-12D的沿L1和L2线的亮度变化(相对于图3D)。在图6A中，曲线S1、S2和S3分别反映了k值为-1.6、-0.5和-100时沿L1线的亮度的变化。k的值是任意的，并且仅用于说明不同场景中的亮度变化。在图6B中，曲线S4、S5和S6反映了当k值分别为-1.6、-0.5和-100时沿L2线的亮度变化。根据公式12A-12D和图6A-6B，亮度在沿着每条曲线的光点5处具有最大值。最大亮度可以接近1(即，任意值)或在某些情况下基本接近1。在曲线上的光点2、4、6和8处亮度具有最小值。在某些情况下，最小亮度可以接近0(或低于预定暗度水平)或基本接近0。在光点4和5、5和6、2和5以及5和8之间的中点处，亮度分别具有0.5的恒定值。如上所示，中点分别表示位于光点4和5、5和6、2和5以及5和8之间的中点。对于光点5和中点之间的光点(或点)，亮度值介于0.5和基于公式的最大值之间。对于光点4和光点4和5之间的对应中点之间的光点(或点)，亮度值在0.5和基于公式12B的最小值之间。此外，对于光点4和5之间的点，亮度值在基于公式12B的最大值和最小值之间，即，基于根据公式12B定义的函数从最大值到最小值的亮度值变化。假设对于位于下界面322上的范围之外的点，由mini-LED E产生的亮度为零。
此外，当mini-LED D和E通电时，基于公式12A和12B，从X1到X2的线L1上的总亮度总是1。当mini-LED E和F通电时，基于公式12A和12B，从X2到X3的线L1上的总亮度总是1。当mini-LED B和E通电时，基于公式12C和12D，线L2上从Y2到Y3的总亮度总是1。当mini-LED E和H通电时，基于公式12C和12D，线L2上从Y1到Y2的总亮度总是1。当两个对应的相邻mini-LED接通时，恒定亮度应用于沿下界面322上的X或Y方向连接相邻点的其他线。
基于以上描述，当mini-LED D和E通电时，沿着从光点4到光点5的线L1的总亮度始终为1。当mini-LED E通电，亮度在光点5处具有最大值，在光点4处具有最小值，并且在光点4和5之间的中点处具有恒定值0.5。当mini-LED D通电时，光点5处具有最小值，光点4和5之间中点处的恒定值为0.5。假设mini-LED D和E(或A到I)具有相同的结构和特性，因此沿着线L1从X1到X2具有相同或基本接近的最大亮度值和相同或基本上接近的最小亮度值。因此，当mini-LED D或E通电时，在光点4和5之间的中点处的亮度值是最大值和最小值的和的一半或基本上接近和的一半的值。例如，当mini-LED E通电时，亮度在光点5处具有最大值，在光点4处具有最小值。最大值和最小值之和为1，光点4和5之间中点处的亮度值为0.5，即最大值和最大值之和的一半。
此外，mini-LED A、B或D产生的亮度可以与mini-LED E相同的方式确定。当x在X1(或“X2-A”)到X2的范围内，y在Y2到Y3(或“Y2+B”)的范围内时，分别为mini-LED A，B和D设置以下公式。
当公式13A-13D相加时，我们得到E1(x，y)、E2(x，x)、E3(x、y)和E4(x，y)的和，即该范围内下界面上任何点的亮度总值。基于公式，亮度的总值总是1，反映了理想的均匀亮度的情况。因此，当x在X1到X2的范围内，y在Y2到Y3的范围内时，公式13A-13D可用于分别表示mini-LED E、A、B和D在下界面322上的预期亮度。使用类似的方法，也可确定mini-LED E、A、B或D在下界面322上其他区域中产生的亮度。
因此，下界面322上的亮度可以由公式12A-12D、13A-13D以及基于公式12A至12D和13A-13D的公式确定或描述。因此，公式12A-12D和13A-13D，特别是公式12A至12D和13A，可用于设计透镜，以上文所示的类似于当使用方程1A、1B、2A、2B和4时的方式实现均匀亮度。
图7A和7B示意性地示出了根据本发明实施例的光源配置700A和700B。如上所述，光源(例如，mini-LED)可以基于发光单元来布置。发光单元具有矩形或正方形形状。参考图7A的配置700A，在一些实施例中，以虚线描绘的照明单元可以包括布置在照明单元的四个角处的四个光源。照明单元可以具有沿X方向的长度c和沿Y方向的宽度d。照明单元被配置为在界面上用相同的网格栅格图案(例如，相同的长度c和宽度d)照射对应的矩形区域(未示出)。界面上的均匀亮度的总面积可以等于配置700A的照明单元的总面积。
参考图7B的配置700B，在一些其他实施例中，虚线所示的照明单元可以具有布置在照明单元中心的光源。照明单元可以具有沿X方向的长度c和沿Y方向的宽度d。因此，光源形成相同的栅格图案，其沿X方向具有长度c，沿Y方向具有宽度d。照明单元可以被配置为在界面上用相同的栅格图案(例如，相同的长度c和宽度d)照射对应的矩形区域(未示出)。界面上的均匀亮度的总面积可以小于配置700B的照明单元的总面积，因为对应矩形区域的某些边缘区域仅由一个光源相对暗淡地照射。这些边缘区域具有较低的亮度，并且被排除在亮度均匀的区域之外。
图8显示了根据本发明实施例设计用于背光模组的透镜的流程图800。在步骤811，获得光源阵列的数据。阵列的数据可以包括阵列沿X和Y方向的间距，其确定沿X和X方向的相邻光源之间的距离。光源布置在阵列的栅格点处。
在步骤812，获得基板和照明界面之间的距离。光源阵列的距离和数据是设计透镜的初始条件。光源设置在基板上，并且照明界面可以是以预定距离远离基板的漫射器的底表面。在一些情况下，当漫射器位于显示面板内部或与显示面板集成时，照明界面可以设置在显示面板内部。即，照明界面可以配置在基板和显示面板的层(或构件)之间。
在步骤813，作为初始条件的一部分，通过计算获得照明界面的亮度值，并将其用作预期亮度值。在计算中使用沿X和Y方向的相邻光源之间的距离以及基板和照明界面之间的距离。在某些情况下，可以使用公式1A、1B、2A、2B和4(或公式12A-12D和13A))来获取预期亮度值。
在步骤814，基于上述方法计算照明界面中的亮度值。在计算中可以使用，例如，公式11、Snell定律、包括入射表面数据的透镜的预定数据和透镜的出射表面的临时数据。
在步骤815，将照明界面中的亮度的计算值与亮度的期望值进行比较。出射表面可以被划分成小区域。根据比较结果，分别调整出射表面的每个小区域。此后，可以重复步骤814和815，以基于出射表面的调整数据计算照明界面中的亮度值，并将计算出的亮度值与预期亮度值进行比较。当亮度的计算值与亮度的预期值之间的差低于某一水平时，在步骤616最终确定出射表面的数据或透镜的数据。
透镜的数据可以包括入射和出射表面的数据、透镜尺寸、透镜材料的折射率和其他特性。在没有透镜的情况下，光源根据其原始辐射模式发射光。例如，mini-LED可以以近似朗伯模式发光。当透镜耦合到光源时，透镜引导来自光源的光照射照明界面。光强度从原始辐射图案改变为修改的图案。除上述方法外，某些透镜设计软件(已在该领域使用一段时间)可用于设计具有初始条件的透镜。在某些情况下，可以首先测量和分析光源的原始辐射图案。在一些情况下，如上所述，可以将透镜的入射表面预定为初始条件，以简化计算过程。或者，可以同时计算、调整以及最终确定透镜的入射表面和出射表面。
步骤811-816描述了设计透镜的方法，该透镜可用于改善显示设备的亮度均匀性。显示设备可以包含mini-LED阵列、透镜阵列和显示面板。mini-LED阵列和透镜阵列结合在一起，以均匀的亮度照亮显示面板。此外，mini-LED阵列和透镜阵列可以用相同的栅格图案缩放。例如，可以将更多的mini-LED 311和透镜312添加到图3A-3C所示的阵列，以扩展阵列。因此，可以方便地将mini-LED阵列和透镜阵列用于小尺寸和大尺寸的显示设备。此外，mini-LED阵列和透镜阵列还可用于其他设备或需要均匀亮度的其他应用。
在透镜设计过程之后，记录透镜的数据并将其传输至制造设备。可以制作多个透镜来构造透镜阵列。可选地，可以以透镜阵列的形式制造透镜。也就是说，可以在组装工艺之前通过例如模制方法来预制用于背光模组或显示装置的透镜阵列。
图9显示了根据本发明实施例制造背光模组和显示设备的流程图900。在步骤911提供用于组装背光模组的基板。基板可以是包括半导体材料的半导体基板，或者包括诸如玻璃、塑料材料或陶瓷材料的非导电材料的绝缘基板。可选地，基板也可以是印刷电路板(PCB)。
在步骤912，将光源(例如，mini-LED)安装在基板上，以形成具有预定图案(例如，沿X和Y方向具有预定间距值)的光源阵列。在一些实施例中，在执行对准步骤之后，用粘合剂材料将光源粘合在基板上。
在步骤913，提供为背光模组设计的透镜。每个透镜设置在基板上的光源的上方并与光源对准，然后通过粘合方法(例如，使用粘合剂材料)和透镜夹具(可选的)进行粘合固定。在一些实施例中，透镜阵列是预制的。可以在大致垂直于基板的方向上将透镜阵列放置在光源阵列上并与光源阵列对准，然后使用粘合剂材料和透镜阵列固定装置(可选的)进行粘合。在一些实施例中，可以为背光模组提供外壳单元。外壳单元可以容纳基板、光源阵列和透镜阵列。可选地，可以在安装光源之前将基板设置在外壳单元中。
在步骤914，将漫射器和波长转换单元依次设置在透镜阵列或背光模组上。漫射器可以放置在距光源阵列或基板的预定距离的位置，在近似垂直于基板的方向上对准透镜阵列或光源阵列，然后使用粘合材料粘合。在某些情况下，漫射器固定到外壳单元。此外，波长转换单元可以放置在漫射器上方，在近似垂直于基板的方向上对准透镜阵列或光源阵列，然后使用粘合材料粘合。在一些情况下，波长转换单元固定到外壳单元。
在步骤915，将显示面板设置在波长转换单元上，在近似垂直于基板的方向上与波长转换单元对准，并与之连接。可选地，也可以在组装过程中将显示面板与基板对准。例如，为了对准目的，可以在基板上做某些标记。在某些情况下，显示面板可以固定到与外壳单元。在一些实施例中，外壳单元可以被设计成容纳和保护包括背光模组和显示面板的显示设备的所有组件。
步骤911-913描述了制造背光模组的方法和过程。在某些情况下，可以在一个设备处单独制造背光模组，然后发送到另一个设备以组装显示设备。或者，可以通过从在基板上安装光源开始的连续步骤(例如，步骤911-912)来制造显示设备。这些步骤还包括在光源阵列上设置透镜阵列、在透镜阵列上设置漫射器、在漫射器上设置波长转换单元以及在波长转换单元上设置显示面板。
可选地，显示面板可以包含漫射器和波长转换单元。在这种情况下，可以省略如上所述在背光模组上设置漫射器和波长转换单元的步骤。背光模组和显示面板可以对齐并结合以直接形成显示设备。
在一些其他实施例中，显示设备可以不包含漫射器。因此，上述方法可以省略安装漫射器的步骤(例如，对准和固定漫射器)。波长转换单元可以直接设置在透镜阵列上。也就是说，波长转换单元可以在显示设备的组装过程中直接定位在透镜阵列上并与透镜阵列对准。
图10是显示设备的示例性结构图1000。显示设备可以包括显示面板1011、波长转换单元(未示出)、背光模组1012和控制器1013。显示面板1012可以是LCD面板。背光模组1012可以包括mini-LED阵列，并经由透镜阵列为波长转换单元提供均匀的亮度。控制器1013可以包括向栅极驱动电路(未示出)和数据驱动电路(没有示出)发送控制信号的第一控制电路。栅极驱动电路和数据驱动电路用于在显示设备1000的操作期间驱动显示面板1011。例如，栅极驱动电路可以输出扫描信号，数据驱动电路可以输出数据电压。控制器1013还可以包括控制背光模组1012的第二控制电路。控制器1013可以安装在附接到显示设备1000的外壳单元的PCB上。显示设备1000还可以包含向显示面板1011提供和控制各种电压或电流的电源电路(未示出)、第一和第二控制电路、栅极驱动电路、数据驱动电路和背光模组(例如，mini-LED)。
尽管已经公开了本发明的特定实施例，但本领域的普通技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对特定实施例进行更改。因此，本发明的范围不限于特定实施例。此外，希望所附权利要求涵盖本发明范围内的任何和所有此类应用、修改和实施例。

Claims (20)

1.一种用于显示设备的背光模组，包括：
基板和多个LED光源，所述多个LED光源沿栅格图案布置在所述基板上以形成多个矩形照明单元，
其特征在于，每个照明单元包括四个LED光源，分别设置在照明单元的四个角，在沿第一方向X的长度为L，在沿第二方向Y的宽度为W，并且照射到显示设备的界面上的对应矩形区域具有相同的长度L和宽度W，
其中，每个LED光源包括LED和设置在LED上方的相应透镜，相应透镜将从LED发射的光线引导到
(1)在显示设备的界面上的对应矩形区域的第一角，所述第一角具有第一亮度值E1，
(2)对应的矩形区域的第二角，所述第二角的亮度为第一预设值，其中，第一角与第二角沿X方向的距离为L，
(3)具有亮度值E(x,0)的第一位置(x,0)，该亮度值E(x,0)基于亮度值从第一角处的第一亮度值E1到第二角处的第一预设值的变化而确定，其中，第一位置位于第一角和第二角之间的第一边界线上，x是第一位置(x,0)与第一角之间沿X方向的距离，
(4)对应的矩形区域的第三角，所述第三角的亮度为第二预设值，其中，第一角与第三角沿Y方向的距离为W，
(5)具有亮度值E(0，y)的第二位置(0，y)，该亮度值E(0，y)基于亮度值从第一角处的第一亮度值E1到第三角处的第二预设值的变化而确定，其中，第二位置位于第一角和第三角之间的第二边界线上，y是第二位置(0，y)与第一角之间沿Y方向的距离，以及
(6)对应矩形区域的第三位置(x,y)，第三位置(x,y)的亮度值为E(x,y)，E(x,y)为E(x,0)和E(0,y)的乘积。
2.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，所述LED为MINI发光二极管(mini-LED)。
3.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，所述LED沿X方向或Y方向的尺寸小于300微米。
4.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，当照明单元的四个角处的四个LED光源照射对应的矩形区域时，显示设备的界面上的对应矩形区域中的亮度均匀性超过预定值。
5.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，所述显示设备具有液晶显示(LCD)面板。
6.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，多个LED光源的对应透镜形成具有栅格图案的透镜阵列。
7.根据权利要求6所述的背光模组，其特征在于，通过模压形成所述透镜阵列。
8.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，由预设函数确定亮度值从第一角处的第一亮度值E1到第二角处的第一预设值的变化。
9.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，长度L和宽度W分别小于9毫米。
10.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，界面和基板之间的距离小于6毫米。
11.一种背光模组，包括：
基板；
第一光源，布置在所述基板上；
第二光源，布置在所述基板上并靠近所述第一光源；
第一透镜；以及
第二透镜，
其特征在于，所述第一光源、所述第一透镜和第一光点沿着大致垂直于所述基板的方向对准，所述第二光源、所二透镜和第二光点沿着所述方向对准，从所述第一光源发射的光穿过所述第一透镜以第一值的亮度照射所述第一光点，以第二值的亮度照射所述第二光点，并且用第一和第二值的和的一半或基本上接近第一和第二值的和的一半的亮度照射中间光点，并且所述中间光点位于所述第一光点和所述第二光点之间。
12.根据权利要求11所述的背光模组，其特征在于，从第二光源发射的光穿过第二透镜，以第三值的亮度照射第二光点，以第四值的亮度照射第一光点，并以第三值和第四值的和的一半或基本上接近第三和和第四值的和的一半的亮度照射中间光点。
13.根据权利要求12所述的背光模组，其特征在于，第一值和第三值基本接近和/或第二值和第四值基本接近。
14.根据权利要求11所述的背光模组，其特征在于，所述中间光点为所述第一光点和所述第二光点之间的中点。
15.根据权利要求11所述的背光模组，其特征在于，第二值低于预定的暗度水平。
16.根据权利要求12所述的背光模组，其特征在于，第四值低于预定的暗度水平。
17.根据权利要求11所述的背光模组，其特征在于，所述第一光源和所述第二光源为MINI发光二极管(mini-LED)。
18.根据权利要求11所述的背光模组，其特征在于，还包括附加光源和附加透镜，所述第一光源、所述第二光源和附加光源形成预定栅格图案的光源阵列，并且所述第一透镜、所述第二透镜和附加透镜形成预定栅格图案的透镜阵列。
19.根据权利要求18所述的背光模组，其特征在于，通过模压形成所述透镜阵列。
20.根据权利要求11所述的背光模组，其特征在于，第一光点和基板之间的距离小于6毫米。
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