CN1892259A - 导光板及具有该导光板的背光模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导光板以及具有该导光板的背光模块，该导光板上表面为轮廓渐变的V形槽结构的自由曲面，下表面为微透镜阵列结构。所述V形槽朝着LED光源的一面是一个轮廓渐变的曲面，另一面是竖直或近似竖直的平面。在V形槽顶部的曲面轮廓线的切线的水平夹角大于在V形槽的底部的曲面轮廓线的切线的水平夹角。相对于传统的单面网点结构的导光板，采用此轮廓渐变的自由曲面V形槽结构加网点结构的导光板的配光更加合理，并且背光模块中至少可以少用一层增亮膜，使背光模块的成本有效降低，同时还可以在低耗电的情况下实现理想的显示亮度。

Description

导光板及具有该导光板的背光模块

技术领域

本发明涉及一种导光板及具有该导光板的背光模块，作为平板液晶显示(LCD)的照明光源。可应用在手机、手提装置、液晶电脑显示器、液晶电视、及检测装置的背光照明中。

背景技术

众所周知，由于LCD本身是非发光的显示器件，所以必须借助背光源才能达到显示效果。背光模块是提供LCD显示器产品中背光源的光学组件，其约占LCD模块总成本的11％～12％，因此，单纯从制造成本上来讲，背光模块是LCD模块中非常重要的部件。

目前单色液晶显示器(TN型LCD)的透过率大约为10～30％，彩色液晶显示器的透过率为5～8％，要使它们的显示亮度达到或超过CRT(阴极射线管)的亮度(130cd/m²)，前者光源的亮度应该在1500cd/m²以上，而后者应该在3500cd/m²以上。显示面的亮度值均匀度在视角为10°时通常被限定为0.8(视角为80°时为0.87)，优质图像希望能达到0.9以上。

如图1所示，其为手机背光模块的基本结构。由于厚度所限，手机背光源的照明方式为侧光照明，其主要由LED(或CCFL，即冷阴极荧光灯)光源、反射片、导光板(Lightguide)、扩散片(Diffuser)、两层垂直交错放置的增亮膜BEF(Brightness Enhancement Film)或者是双重增亮膜(DualBEF)、以及封装壳体等组成。

在白光LED产业化以前，手机背光源一般用CCFL作为光源，CCFL一般寿命可以达到20,000小时，特殊要求的可以达到50,000小时以上，管径为1.2～3.0mm。

导光板一般用注塑成型的方法制成，材料为PMMA和PC的较多，目前市面上比较流行的一般为具有单面微结构阵列的导光板。

图2A和2B分别为两种典型的背光模块的截面示意图(为清楚起见，省略了剖面线)，图2A中导光板的底部为微透镜阵列结构，图2B中导光板的底部为V-槽结构。

图2A中的导光板底部有很多微小透镜排列成网状，也叫网点结构。微透镜的形状可以是圆球形，圆锥形，椭球形或者是四面体角锥棱镜形状。离LED光源近的地方微微透镜尺寸比较小，远离LED光源的地方微透镜尺寸比较大。微透镜的主要作用是改变光线方向，当光线从导光板边缘的LED射入，经过导光板底部的微透镜折射后形成向上发散的光线。从微透镜底部漏出的光线被反射片反射回导光板再次循环利用。通过适当排列微透镜的大小和间距，可以得到整个面均匀分布的面光源。下文中，术语“微透镜阵列”有时被称为“网点结构”，或者“微结构阵列”。

公知还有另一种网点结构的导光板，这些网点是通过印刷的方式被印制在导光板底面上，具有很高漫反射率的白色油墨点。一般情况下，靠近光源的网点密度较低且网点较小，而远离光源的网点密度较高且网点较大。现在的导光板已经很少采用这种形式。

图2B中的导光板底部为形状都是一样的V-槽结构，离LED近的地方V-槽之间的距离比较宽，远离LED的地方V-槽之间的距离比较窄。V-槽的作用跟在导光板底部设置微透镜阵列差不多，主要是为了改变光线的方向把水平入射的LED点光源变成向上发射的均匀分布的面光源。

在背光模块中，反射片的主要作用是将所有从导光板底部漏出的光反射回导光板。反射片一般用白色镀银或镀BaSO₄薄膜反射片，通常厚度为65～230nm，反射率大于95％。也可以采用镀铝膜的塑胶片。

扩散片位于导光板的上方，其主要功能是将透过导光板的光线做散射处理，以达到雾化效果。

增亮膜(也叫棱镜膜)是用于提升背光模块的总体亮度的，其利用直角棱镜的全发射让分散的光集中在法线70度范围内出光，让大于70度射出的光又反射回来再次被利用，如图3所示。双片增亮膜垂直交叠使用可使在轴中心的亮度增加约110％，使分散的光线集中于一定的角度从背光模块中发出。目前3M公司还开发了一种偏振分光增亮膜，即DBEF。众所周知，LCD面板只通过偏振光，当光通过LCD下层的偏光片时，有约50％的光被吸收并被白白浪费掉。偏振分光增亮膜的原理是将原本被吸收的约50％的偏振光循环回导光增亮膜，再把偏振方向旋转90°变成LCD面板可利用的偏振光，如此反复循环可增加亮度60％左右。

由于变轻、变薄、变亮、低耗电和降低生产成本是各背光源厂商追求的目标，而使用增亮膜时，背光模块等光学元件只要维持原先的状态，增加薄薄的几层BEF就可以实现LCD亮度的显著提升。因此，各大LCD制造厂家都选择用这个方法来提高亮度。但是，由于背光模块中的重要元件—增亮膜的产权还被牢牢地控制在3M公司的手中，而且3M增亮膜的数量供不应求，所以增亮膜的进货时间长，价格也不菲(增亮膜成本约占整个背光模块成本的1/4左右或更高)。

而由于导光板的主要作用是将侧面放置的LED点光源变成导光板整个面上均匀分布的面光源，所以导光板设计的好坏直接关系到整个背光模块的效率、均匀度和亮度。因此，现在各公司纷纷通过研究高效率、高亮度、高均匀性的导光板来减少或者不用背光模块中的增亮膜，以解决3M增亮膜的供货瓶颈问题，并降低生产成本。

一体化设计成为首选的设计方法，如把导光板的出光面直接注塑成棱镜状，这样可以只用一张增亮膜。Y.Oki发表了一种Sheetless导光板，导光板结构为直接在导光板上注塑成型表面，刻出纳米大小的沟槽，以取代棱镜片(prism sheet)或增亮膜。由于少用一张增亮膜也可发出同一亮度以上的亮度，所以不仅可减少12％左右的背光模块的成本，而且还可缩短制造过程。

目前，还研制有一种由偏振导光板构成的偏光板背光模块。一般情况下，由背光源发出的非偏振光只有约40％能通过LCD屏下的偏光板，约60％的光被反射或被损耗，若加入偏光板使这部分光被反射后再将其偏振方向旋转90度再次利用以增加透过LCD面板的亮度，则构成偏光板背光模块。这种背光模块能将效率提高一倍多。但是由于偏振导光板的制造成本高，所以现在还未见有投入市场。

为此，如何减少增亮膜的使用以有效降低成本，并增加LCD显示器的亮度，是本领域从业人员有待进一步研究的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有独特设计的导光板结构，其不仅具有有效的透光效率，而且能够减少使用BEF甚至不使用BEF，由此有效降低背光模块的成本。

本发明的导光板的特点在于，导光板的上表面为轮廓渐变的V形槽结构的自由曲面，下表面为微透镜阵列结构。导光板V形槽结构采用边界光线原理设计。

其中，边界光线原理主要是指：一个连续的集合体，它的映射也是一个连续的集合体，并且映射是一一对应的，其边界经过映射后也是另一个集合的边界。即一簇光经过一个连续表面改变方向后照射到另一个表面，它所形成的也是一个连续的区域，相邻的光点在目标区域上还是相邻的，边界上的光点对应于目标区域上的边界。

根据边界原理，V形槽朝着LED光源的一面设计成一个轮廓渐变的曲面，另一面为竖直的或稍微带有倾斜角的平面(有时侯设计成稍带有倾斜角是为了加工方便，还有注塑时容易脱模)。在V形槽曲面的顶部，其轮廓线切线的水平夹角比较大，而在V形槽曲面的底部，轮廓线切线的水平夹角比较小。导管板中低角度入射的光线，入射到V形槽的顶部时，将向下全反射，而入射到V形槽轮的底部时，将向导光板的最后方向全反射，入射到V形槽中部的光线，将被反射到介于这两者之间的部位。所以每一个V形槽都负责一个很大面积的照明。随着V形槽离光源位置的变化，V形槽的形状稍有不一样。利用多个V形槽全反射光的叠加，可以产生均匀分布的面光源。

根据本发明，背光模块采用边缘照明的方式，其中LED光源放置于该导光板的一侧，光从该导光板的侧面偶合进该导光板。

V形槽曲面轮廓线顶部的切线斜率为k₁，V形槽曲面轮廓线底部的切线斜率为k₂，V形槽的宽度为P，则在该轮廓线内每一点坐标(X，Y)处的切线斜率k通过公式 $k=\tan ({\tan }^{-1}{k}_1+\frac{X}{P}({\tan }^{-1}{k}_2-{\tan }^{-1}{k}_1))$ 获得。

该导光板的下表面除了设置微透镜阵列的网点结构外还可以为其它的网点结构，譬如可以为圆锥形，四方棱锥形等网点结构，或者排列方向与上表面渐变V形槽排列方向相垂直的均匀分布的V形槽结构。

为达到均匀照度分布，V形槽的间距随着离LED距离的远近需要做一些调整，离LED光源较近的地方，V形槽的间距要大一些，即V形槽排得比较稀。而远离LED光源V形槽间距比较小，V形槽排得要密一些。最密的地方，V形槽的间距约为V形槽宽度的两倍。对于一寸半大小的导光板，最大间距为最小间距的6倍或7倍以上。

根据本发明的构思，所述V形槽的宽度在15μm到50μm之间，深度在6μm至35μm之间。这里计算机模拟采用的导光板的V形槽宽度为30μm。

本发明还提供一种具有上述导光板的背光模块，其从下至上依次包括有反射片、LED光源和扩散片，其中在反射片和扩散片之间设置有如上所述的导光板，导光板具有轮廓渐变的V形槽结构一侧朝向扩散片。在上述背光模块中，在该扩散片上方设置有至少一层增亮膜。

根据试验数据表明，本发明的导光板以及具有该导光板的导光模块不仅能够有效增加LCD显示器的亮度，而且能够产生更为均匀分布的面光源，使用本发明的导光板和导光模块可以减少使用增亮膜的数量，从而降低制造成本。

附图说明

图1为传统的手机背光模块的结构示意图；

图2A和图2B分别为两种典型的背光模块的截面示意图；

图3为增亮膜工作原理的示意图；

图4为根据本发明的具有轮廓渐变的V形槽结构的导光板的工作原理示意图；

图5A为无任何微结构的导光板的3D模型；

图5B为图5A中导光板的亮度分布图；

图6A为当导光板只有下表面具有微透镜阵列结构的3D模型；

图6B为图6A中导光板的亮度分布图；

图7A为当导光板下表面具有微透镜阵列结构且上表面具有轮廓渐变的V形槽结构的3D模型；

图7B为图7A中导光板的亮度分布图；

图8为根据本发明的具有微透镜阵列结构和轮廓渐变的V形槽结构的导光板的立体图；以及

图9为V形槽自由曲面的计算方法的示意图。

具体实施方式

下面通过将本发明的具体实施例与其它类型的导光板进行比对，来进一步说明本发明。下文中，术语“轮廓渐变的V形槽结构”有时被简称为“V形槽”或“V形槽结构”。

图4为利用边界光线原理设计的轮廓渐变的V形槽结构的示意图。其中，该V形槽结构由一个朝LED光源的轮廓渐变的自由曲面和一个基本垂直于该导光板基面的竖直平面组成。另外，该导光板采用边缘照明方式，光源为LED或者CCFL，放置于导光板的侧面。导光板中低角度入射的光线L1入射到V形槽轮廓线的顶部A处时，将向下全反射，由此获得反射光线L1’；当低角度入射的光线L2入射到V形槽轮廓线的底部B处时，将向导光板的最后方向(即最远离光源的方向)全反射，由此获得反射光线L2’；入射到轮廓线中部的光线将被反射到介于这两者之间的部位，即图4中的阴影部分。所以每一个V形槽都负责一个很大面积的照明，随着V形槽离光源位置的变化，V形槽的形状也可以稍有不一样。利用多个V形槽全反射光的叠加，可以产生均匀分布的面光源。

V形槽的轮廓数据可以用积分迭代法算得，其可输入到CAD软件建立实体模型并进行光线追踪。

若V形槽轮廓线顶部的切线斜率为k₁，V形槽轮廓线底部的切线斜率为k₂，V形槽宽度为P，则在该V形槽轮廓线内以V形槽轮廓线的顶部端点为原定的其它所有坐标点(X，Y)处的切线斜率k通过公式

$k=\tan ({\tan }^{-1}{k}_1+\frac{X}{P}({\tan }^{-1}{k}_2-{\tan }^{-1}{k}_1))$ 获得。

下面就详细说明根据本发明的具有渐进式V形槽的计算方法。

如图9所示，设导光板的厚度为h，总长为L，即OR+RQ＝L。从导光板边缘的LED光源入射的光线经过导光板底部一次全反射后，入射到R点位置的一个V形槽上，入射到V形槽前部分的光线向下全反射，法线为N₁，入射到V形槽后面部分的光线向导光板的后部全反射，法线为N₂。由于V形槽的长度和深度相比导光板的长度和厚度是非常微小的，所以，在下面的部分运算中对于V形槽的长度和深度可以忽略不计。

目前图9中所示的光线入射点M到反射点R(即V形槽的初始位置)的横向距离为“2/3OR”，则根据图中的几何关系可以得到：

${\mathrm{\θ}}_1={\tan }^{-1}\left(\frac{3h}{2\·\mathrm{OR}}\right)$ (公式1)

${\mathrm{\α}}_1=\frac{\mathrm{\π}}{4}-\frac{1}{2}{\mathrm{\θ}}_1$ (公式2)

V形槽起始处的斜率k₁为：

k₁＝-tanα₁    (公式3)

再由图中的几何关系可以得到：

θ₂＝tan^-1(h/RQ)    (公式1)

${\mathrm{\α}}_2=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2}{2}$ (公式2)

由此，可以得出V形槽末尾处的斜率为：

$k_2=\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}-({\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\α}}_2))$ (公式3)

设V形槽的宽度为P，P取15μm到50μm之间。可以把V形槽分为很多相等的微元，每等份微元宽度为δP，譬如可以定义δP＝0.001mm。设V形槽上的某一点相对于此V形槽初始位置R的坐标为(X，Y)。则V形槽在这一点处的斜率为：

$k=\tan ({\tan }^{-1}{k}_1+\frac{X}{P}({\tan }^{-1}{k}_2-{\tan }^{-1}{k}_1))$ (公式4)

根据这一点的斜率可以算出V形槽下一个微元X、Y方向的坐标，分别为：

X＝X+δP，Y＝Y+δP×k          (公式5)

根据这些关系可以用积分叠代法对公式8进行积分逐点求出在导光板某处V形槽上每一点X、Y的坐标，从而得出该处V形槽的形状。实际上，根据本发明的构思，也可以采用其它的渐进运算方法得到V形槽的轮廓。根据本发明，V形槽轮廓线的深度优选在6μm至35μm之间。

通常情况下，V形槽的宽度最小可以为15μm到50μm之间，可根据导光板的大小和注塑精度来确定，譬如对于小尺寸的手机背光模块的导光板，其注塑精度可以达到很高，可以设计出V形槽宽度为15μm左右。对于大尺寸的背光板，V形槽的宽度可以适当大一些，以降低加工成本，但是增加V形槽的尺寸会降低亮度，所以需要综合的权衡。

下面通过对具有不同结构的导光板进行光机模拟的结果对照，来进一步说明本发明光导板的设计所具有的特点。

采用2.5×0.85×0.8mm发光强度为800mcd的贴片LED分别对三种不同结构的导光板进行光机模拟，模拟用的软件为Infotech的Tracepro。模拟过程中，导光板下面放置一层反射率为95％的反射片，上面没有加扩散片和增亮膜，只加了一层观察屏，以对导光板进行光度分析。

图5A为当导光板为一块光板且上下两面均没有任何微结构时候的3D模型；图5B为图5A中导光板的亮度分布图。从图5A和5B可以看出亮度都集中在LED一侧。远离LED的位置由于导光板内部的全反射，光线几乎没有从导光板的上表面射出，而是从后端面输出损耗掉了。

图6A为当导光板只有下表面设置有微透镜阵列的3D模型；图6B为图6A中导光板的亮度分布图。微透镜阵列的排列方式为45度交错排列，图中X方向排列间距为0.6mm，Z方向排列的间距为0.3mm，微透镜大小从曲率半径R＝0.24mm，深度d＝0.015mm，直径D＝0.167033mm沿Z方向等差渐变为曲率半径R＝0.6mm，深度d＝0.03mm，直径D＝0.3747mm。微透镜的深度变化在Precitech Nanoform 200单点金刚石车削快刀进给系统所限制的加工能力范围内。模拟结果显示导光板的亮度在1500nt(cd/m²)左右，靠近LED附近稍有亮斑，如果要达到均匀性≥85％，亮度达到35000nt，则必须加上一层扩散片和双层BEF。

图7A为当导光板下表面设置有微透镜阵列且上表面为轮廓渐变的V形槽结构时的3D模型；图7B为图7A中导光板的亮度分布图。导光板的微透镜阵列分布和图6A中的一样，V形槽结构的宽度为30μm，为使导光板的配光更加合理，达到均匀照度分布，每一个V形槽的轮廓均按照边界光线原理来计算，V形槽间的距离也要稍作调整。

由于自由曲面的设计采用了边界光线原理，所以导光板的配光均匀性可以大大的改善。另外由于导光板上表面的V形槽结构增加了光线在导光板内循环的次数，所以光能的有效利用率将被大大地提高。但是，如果导光板上表面采用形状都是一样的V形槽结构，那么V形槽的衍射很容易产生类似于莫尔条纹的亮暗交替的条纹，其会导致导光板的配光均匀性下降，是各背光源厂商所忌讳的。因此，V形槽间的距离需要稍作调整。一般情况下，离LED光源较近的地方，V形槽的间距要大一些，即V形槽排得比较稀；而远离LED光源V形槽间距比较小，即V形槽排得要密一些。最密的地方，V形槽的间距约为V形槽宽度的两倍。对于一寸半大小的导光板，最大V形槽间距可以为最小间距的6倍或7倍以上。

模拟结果显示“微透镜阵列+轮廓渐变的V形槽结构”的导光板的亮度在3500nt(cd/m²)左右，靠近LED的亮斑基本上已经消除，均匀性也大大提高，接近90％，亮度达到了35000nt，已达到基本要求。与图6A所示的导光板相比，使用图7A中的导光板生产背光模块的时候可以少用一层BEF，只需加扩散片和一层交叉BEF(Cross BEF)或者DBEF把导光板的出射光线的扩散角有效控制在液晶板所接受的角度范围之内即可。

本发明导光板的微透镜阵列和V形槽结构的加工方法有多种多样，一般可以采用化学腐蚀(Chemical Etching)，光刻(Optical Lithography)和单点金刚石车削等方法。

但是由于化学腐蚀和光刻的表面粗糙度欠佳，光能的损耗比较大，故优选采用超精密单点金刚石车削(Diamond Turning)的方法进行导光板的加工。

单点金刚石车削，由于其表面粗糙度可以达到几个纳米，所以也叫纳米加工。一般塑胶非球面的加工、塑胶非球面注塑成型的模芯都是采用单点金刚石车削的方法，还有一些红外单晶体材料，象单晶硅，单晶锗等，也可以用单点金刚石车削的方法加工。单点金刚石车削后的表面为光学表面，不需要抛光。

导光板的微透镜阵列由超精密单点金刚石设备再配置快刀进给系统来进行加工，例如可以使用Nanoform 200两轴超精密加工设备。将导光板模芯固定在回转轴上旋转，利用金刚石车刀的快速压电进给(Fast Tool Serve)来车出凸的或者凹的透镜阵列。V形槽的自由曲面的超精密加工可以采用大型的五轴超精密加工设备(例如Freeform 705G五轴自由曲面加工设备)。其中，由于五轴超精密加工设备需根据在单点金刚石磨削中输入轮廓线各点的X，Y坐标数据进行加工，所以所需加工时间较长，因而加工成本较贵。V形槽的自由曲面若采用单点金刚石磨削的方法，则V形槽结构的加工可以不受V形槽深度的限制。

基于上述说明，本发明主要提供了一种背光模块的导光板的设计，其一面为微透镜阵列结构而另一面为轮廓渐变的V形槽结构。由于V形槽结构的自由曲面设计采用了边界光线原理，所以导光板的配光均匀性可以大大的改善，使导光板的配光更加合理。而且V形槽的结构增加了光在导光板内部的循环次数，大大提高了光能的利用率。采用本发明的导光板，照度将比只有网点的导光板要高出一倍左右。背光模块中至少可以少用一层增亮膜，能有效的降低成本。另外，还可以这样设计背光模块的导光板，即使其两面均为轮廓渐变的V形槽结构。此外，为了确保V形槽和微透镜阵列的加工精度，超精密单点金刚石车削及磨削技术是优选的。

Claims (9)

1.一种用于背光模块的导光板，其特征在于，该导光板的上表面为多个轮廓渐变的V形槽结构的自由曲面，该导光板的下表面为网点结构或排列成网状的微结构阵列。

2.如权利要求1所述的导光板，其特征在于，所述背光模块采用边缘照明的方式，其中LED光源放置于该导光板的一侧，光从该导光板的侧面偶合进该导光板。

3.如权利要求2所述的导光板，其特征在于，所述V形槽朝着LED光源的一面是一个轮廓渐变的曲面，另一面是竖直或近似竖直的平面，在V形槽顶部的曲面轮廓线的切线的水平夹角大于在V形槽的底部的曲面轮廓线的切线的水平夹角。

4.如权利要求1所述的导光板，其特征在于，所述V形槽的宽度在15μm到50μm之间，深度在6μm至35μm之间。

5.如权利要求1所述的导光板，其特征在于，所述导光板的下表面设置有排成网状的微透镜阵列。

6.如权利要求5所述的导光板，其特征在于，所述微透镜为半圆球形、椭圆球形、圆锥形或四方棱锥形。

7.如权利要求1所述的导光板，其特征在于，所述上表面的邻近LED光源处各相邻V形槽的间距大于远离LED光源处各相邻V形槽的间距。

8.如权利要求1所述的导光板，其特征在于，所述导光板为背光模块的导光板，用于手提装置、液晶电脑显示器、液晶电视、检测装置的背光照明。

9.一种背光模块，依次包括有反射片、LED光源和扩散片，其特征在于，在所述反射片和扩散片之间还设置有如权利要求1-8中任一项所述的导光板，所述背光模块采用边缘照明的方式，其中所述导光板具有轮廓渐变的V形槽结构的表面朝向该扩散片。

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