CN1760724A - 导光板和背光模组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于液晶显示领域的导光板和背光模组。本发明提供的导光板，包括一入射面、一出射面和一设有若干微结构的反射面，该入射面形成有至少一个衍射结构。其采用直接在导光板的入射面制作衍射光学结构，使得整个装置结构紧凑，光束的耦合效率高，从而解决现有的导光板光能利用率低且结构分散的问题。本发明还提供有使用该导光板的背光模组。

Description

导光板和背光模组
【技术领域】
本发明涉及一种应用于液晶显示领域的导光板和背光模组，尤其涉及一种侧光式的导光板和背光模组。
【背景技术】
导光板(Light Guide Plate，LGP)主要包括光入射面、反射面、出射面和几个侧面，是液晶显示背光模组系统中的重要组成部分。其作用是引导分散点光源(例如发光二极管)或线光源(例如冷阴极管)发出的光从一个平面出射，同时提高面板发光灰度和发光亮度的均匀性。导光板一般采用合成树脂材料制成，其基板形状分为平板型和楔型曲面型。
进入导光板的光线将根据全发射原理在板内传播，当光线遇到导光板表面的微结构(pattern)时，全发射条件被破坏，光线自导光板正面射出，疏密、大小不同的微结构设计，可以使导光板均匀发光。导光板微结构制造技术可以分成两大类：印刷式和非印刷式。前者利用网印方式将油墨印在导光板上，制作微结构形状和分布。后者则直接以射出成型技术，将微结构设计在模具内，在制成上较为简化，而且精密度高，是目前导光板技术主流。非印刷式制作方法又分为：化学刻蚀法、激光直写法和精密机械加工法等。
随着液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)在诸如手机、车载显示器、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)以及电视机等应用领域的拓展，对以导光板为主的背光技术提出了更高要求，主要表现在：高亮度、低成本、低能耗、轻薄化等。
请参阅图1，从光束的入射角度看，为了使更多的能量入射到LGP，一般是在LGP的入射面做成凹槽，然后将作为光源的发光二极管(LightEmission Diode，LED)放在其中。这样内置光源的设计将使得LGP较厚，不利于轻薄化设计，而且由于LED内置，散热差，将影响LGP的正常使用。
请参阅图2，第6,421,104号美国专利直接用传统的折射型透镜置于光源后面，其设计灵活性和结构紧凑性都比较差。
请参阅图3，1998年7月31日公开的公开号为特开平10-199316日本专利申请，采用在LGP入射面加工V型结构来改变LED的入射角度，但其设计灵活性差，而且耦合效率比较低。
请参阅图4和图5，2003年11月20日公开的公开号为20030214818的美国专利申请采用了类似于图3的设计，由于其采用周期结构的v型刻槽，对光束的控制能力有限，耦合效率也不高。
目前，基于光波衍射理论的衍射光学结构(Diffractive Optical Elements，DOEs)有着体积小、重量轻、极大的设计自由度、宽广的材料选择性等优点，在实现光波变换上具有许多卓越的、传统光学难以实现的功能，被广泛应用于诸如激光聚焦、耦合、光谱滤波、相关滤波、光束整形、波分复用和信号处理等多个领域。
请参阅图5，2003年10月21日公告的第6,636,283号美国专利提出一种结构将衍射微透镜制作在基板上，然后放在光源和LGP之间，起到将入射光准直后入射到LGP的作用。这种设计可实现轻薄化设计，但是由于它是分离式设计，系统的横向尺寸较大，系统结构复杂，不利于提高能量利用率。
因此，有必要提供一种能提高能量利用率且结构紧凑的导光板及应用该种导光板的背光模组。
【发明内容】
本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种导光板，能提高能量利用率且结构紧凑。
本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种背光模组，其具有上述导光板，能提高能量利用率且结构紧凑。
为解决上述第一个技术问题，本发明提供的技术方案是：一种导光板，包括一入射面、一出射面和一设有若干微结构的反射面，该入射面形成有至少一个衍射结构。
其中，所述衍射结构最好为非球面衍射结构。
所述非球面衍射结构的位相延迟(x)最好满足下式：
Figure A20041005187100051
其中f为该非球面衍射结构焦距，n2为焦点处的折射率，λ为真空中入射波长，k0＝2π/λ，为真空中波数，x为该非球面衍射结构表面的任意点到其中心轴的距离。
所述非球面衍射结构的深度y(x)最好满足下式：
y ( x ) = n 2 n 1 - n 2 ( f 2 + x 2 - f - mλ 2 )
xm≤|x|≤min(xm+1，D/2)，
其中，λ2＝λ/n2，m＝0，1，...，为非球面衍射结构的环带数，n1为该非球面衍射结构的折射率，D是非球面衍射结构的口径，
xm表示该非球面衍射结构每一个的环带端点到所述非球面衍射结构中心轴的距离，满足式：
xm＝[2mfλ2+(mλ2)2]1/2。
所述衍射结构可向外凸出于该导光板，或者向内凹进于该导光板。
所述出射面形成有至少一第二衍射结构，其可为非球面衍射结构。
所述导光板可为平板或楔型板。
为解决上述第二个技术问题，本发明提供的技术方案是：一种背光模组，包括一导光板和一位于其侧面的光源，其中该导光板包括一入射面、一出射面和一设有若干微结构的反射面，该入射面形成有至少一个衍射结构。
相对于现有技术，本发明借鉴衍射光学结构的面型设计自由度大、对光束控制能力强的特点，采用直接在LGP的入射面制作衍射光学结构，使得整个结构的紧凑性高，并且可以根据光源大小和位置灵活设计结构的表面轮廓来调整传统LED入射光束的入射角，提高光束的耦合效率，从而提高光能利用率，使得导光板具有高的亮度和低的能量损耗。另外，还能较好的消除因为采用离散点光源(LED)造成的靠近光源处，能量分布不均的阴影效果。
同时，本发明还可在LGP的出射面设计不同结构的衍射光学结构，从而达到对LGP出射角度和能量分布的控制作用，进一步提高背光系统的能量利用率。
【附图说明】
图1为传统的光源与导光板结合的结构示意图；
图2为现有技术的第6,421,104号美国专利所揭示的背光系统的结构示意图；
图3为现有技术的特开平10-199316日本专利申请所揭示的背光系统的结构示意图；
图4为现有技术的第20030214818号美国专利申请所揭示的背光系统的结构示意图；
图5为图4中V部分的局部放大图；
图6为现有技术的第6,636,283号美国专利所揭示的背光系统的结构示意图；
图7为本发明提供的平板型导光板的立体示意图；
图8为本发明提供的平板型导光板的平面示意图；
图9(a)为入射面无衍射结构的导光板的光场强度分布图，图9(b)为入射面有衍射结构的导光板的光场强度分布图；
图10(a)为入射面无衍射结构的导光板的光场分布图，图10(b)为入射面有衍射结构的导光板的光场分布图；
图11为本发明提供的另一平板型导光板的结构示意图；
图12为采用本发明提供的平板型导光板的背光模组的结构示意图；
图13为本发明提供的楔型导光板的立体示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请一并参阅图7和图8，本发明所提供的一种平板型导光板50，包括一入射面51、一反射面52、一出射面53及其其他几个侧面(未标示)。其中，入射面51形成于导光板50临近光源70的侧面。出射面53形成于该导光板50的顶面。反射面52形成于导光板50的底面，其设有若干微结构521。
在本实施例中，该入射面51形成有一非球面衍射结构512。该非球面衍射结构512的位相延迟(x)满足下列关系式(1)：
Figure A20041005187100071
其中f为该非球面衍射结构512的焦距，n2为焦点处的折射率，λ为真空中入射波长，k0＝2π/λ，为真空中波数。焦距范围为2～10mm，根据情况，一般入光面的焦距比较短，而出光面的比较长，这需要设计而得。x为该非球面衍射结构512表面上任意点到其中心轴的距离(如x1，x2，x3)，其取值根据LGP的外形尺寸而定，一般为-15mm～+15mm。
同时，该非球面衍射结构512的深度y，即该非球面衍射结构512的环带结构表面上的任意点到该非球面衍射结构512所在基面的距离，一般在几微米到几百微米左右，其满足下列关系式(2)：
y ( x ) = n 2 n 1 - n 2 ( f 2 + x 2 - f - mλ 2 )
                 xm≤|x|≤min(xm+1，D/2)
其中，λ2＝λ/n2，m＝0，1，...，为非球面衍射结构512的环带数，n1为该非球面衍射结构512的折射率，D是非球面衍射结构512的口径，即D＝xmax，
xm表示该非球面衍射结构512每一个的环带端点到为该非球面衍射结构512中心轴的距离，满足下列关系式(3)：
xm＝[2mfλ2+(mλ2)2]1/2。
上述非球面衍射结构512的深度y和边缘xm的尺寸一般可应根据加工能力来选取。
该非球面衍射结构512向外凸出于该导光板50。需指出的是，为了实际加工方便，可以将曲面面型的非球面衍射结构512用直线面型来代替，这样在不影响性能的情况下更便于加工。
本实施例为了综合利用各个离散光源70的功能，在整个入射面51上做成一个非球面衍射结构512。当然，还可以根据光源70的数目，在入射面51上形成分别与各光源70对应的独立的若干衍射结构，不必限于此实施例。
请参阅图9，其为当在LGP入光面的中心位置放置一个LED作为光源时，LGP出射光场强度分布值，其中(a)为入射面无衍射结构的情况，(b)为入射面有本发明的衍射结构的情况。其中，实验所用LGP的出射面没有衍射结构，其具体参数为：f＝3mm，x在-3mm～+3mm，深度y最大值为0.41mm，n1＝1.49，n2＝1，波长为可见光0.55um。实验结果表明入射面的衍射结构对光场的调制效果明显。
此外，在本实施例中，该导光板50的出射面53上也形成有一第二非球面衍射结构532，其衍射面型的位相延迟同样满足上述关系式(1)，其具体参数应根据实际情况加以设计，一般与入射面51的非球面衍射结构512的参数不同。两者具有相同的深度，也可根据情况将其设计为不同深度。
另外，该第二非球面衍射结构532呈一维柱面形状，由临近入射面的一端延伸至与其相对的另一端。值得注意的是，其也可以设计成二维弯曲形状。该第二非球面衍射结构532向外凸出于该导光板50。可以选择的是，其也可以向内凹进于该导光板50。
本发明的导光板50是由合成树脂材料制成的平板型结构，其反射面为可以是V型结构或者是传统圆形小点等微结构。
光源70为点光源，如发光二极管。当然，也可选用线光源，例如冷阴极管。
请参阅图10，为验证衍射结构对于消除阴影现象的作用，计算有衍射结构和没有衍射结构两种导光板的光场分布，光源为3个相同的LED。其中有衍射结构的导光板，其衍射结构的具体参数为：
(1)入光面，f＝3mm，x在-15mm～+15mm，深度y最大值为0.8841mm，n1＝1.49，n2＝1，波长为可见光0.55um；
(2)出光面，f＝10mm，x在-15mm～+15mm，深度y最大值为0.6316mm，n1＝1.49，n2＝1，波长为可见光0.55um。
结果表明，衍射结构对光场的调制能力明显。
请参阅图11，本发明所提供的另一平板型导光板60与前一实施例中的平板型导光板50相比，其主要不同在于，入射面61形成的非球面衍射结构612向内凹进于导光板60。
请参阅图12，采用导光板50的背光模组80，包括导光板50、位于其侧面的光源70、位于其下方的反射板82、以及依次位于其上方的扩散片84以及增亮片86等光学膜片。其中反射片82是将未被散射的光线再导入导光板50中，扩散片84使光线形成漫射而均匀扩散，消除导光板50上微结构521形成的亮区，增亮片86起到会聚光线，提高亮度的作用。
请参阅图13，上述衍射结构同样可以应用于楔型导光板中。在本实施例中，本发明提供的楔型导光板90，包括一入射面91、一反射面92、一出射面93及其其他几个侧面(未标示)。其中，该入射面91形成有一非球面衍射结构912，其同样满足上述关系式(1)～(3)。
需注意的是，本发明还可采用其他形状的衍射结构，并不仅限于非球面型衍射结构。
本发明借鉴衍射光学结构的面型设计自由度大、对光束控制能力强的特点，采用直接在LGP的入射面制作衍射光学结构，使得整个结构的紧凑性高，并且可以根据光源大小和位置灵活设计结构的表面轮廓来调整传统LED入射光束的入射角，提高光束的耦合效率，从而提高光能利用率，使得导光板具有高的亮度和低的能量损耗。另外，还能较好的消除因为采用离散点光源(LED)造成的靠近光源处，能量分布不均的阴影效果。
同时，本发明还可在LGP的出射面设计不同结构的衍射光学结构，从而达到对LGP出射角度和能量分布的控制作用，进一步提高背光系统的能量利用率。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，如在导光板的反射面上设置增反膜以替代背光模组中的反射板等设计。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种导光板，包括一入射面、一出射面和一设有若干微结构的反射面，其特征在于，该入射面形成有至少一个衍射结构。
2.如权利要求1所述的导光板，其特征在于，所述衍射结构为非球面衍射结构。
3.如权利要求2所述的导光板，其特征在于，所述非球面衍射结构的位相延迟(x)满足下式：
Figure A2004100518710002C1
其中f为该非球面衍射结构焦距，n2为焦点处的折射率，λ为真空中入射波长，k0＝2π/λ，为真空中波数，x为该非球面衍射结构表面上任意点到非球面衍射结构中心轴的距离。
4.如权利要求2或3所述的导光板，其特征在于，所述非球面衍射结构的深度y(x)满足下式：
y ( x ) = n 2 n 1 - n 2 ( f 2 + x 2 - f - m λ 2 )
x m ≤ | x | ≤ min ( x m + 1 , D / 2 ) ,
其中，λ2＝λ/n2，m＝0，1，...，为非球面衍射结构的环带数，n1为该非球面衍射结构的折射率，D是非球面衍射结构的口径，
xm表示非球面衍射结构每一个的环带端点到其中心轴的距离，满足式：
xm＝[2mfλ2+(mλ2)2]1/2。
5.如权利要求1或2所述的导光板，其特征在于，所述衍射结构向外凸出于该导光板。
6.如权利要求1或2所述的导光板，其特征在于，所述衍射结构向内凹进于该导光板。
7.如权利要求1或2所述的导光板，其特征在于，所述出射面形成有至少一第二衍射结构。
8.如权利要求7所述的导光板，其特征在于，所述第二衍射结构为非球面衍射结构。
9.如权利要求1所述的导光板，其特征在于，所述导光板为平板或楔型板。
10.一种背光模组，包括一导光板和一位于其侧面的光源，其中该导光板包括一入射面、一出射面和一设有若干微结构的反射面，其特征在于，该入射面形成有至少一个衍射结构。
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