TW202111402A - 用於均勻照明之背光 - Google Patents

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蓋瑞 提摩西 鮑伊德
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美商3M新設資產公司
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Abstract

一種用於提供均勻照明至一顯示面板的背光包括複數個離散光源。一多層聚合部分反射器設置於該複數個離散光源上。對於實質上法向入射光，該部分反射器包括包括藍色波長之反射頻帶、在該藍色波長大於約80%之反射率、介於約370nm至約420nm之間的左頻帶邊緣、介於約500nm與600nm之間之右頻帶邊緣、及對於大於該右頻帶邊緣之可見光波長之介於約20%至約80%之間之平均透射率。一反射偏振器，其設置在該部分反射器上。對於具有該藍色波長之實質上法向入射光，該反射偏振器反射具有該第一偏振狀態之光之至少60%，且透射具有該第二偏振狀態之光之至少60%。

Description

用於均勻照明之背光
本揭露大致上係關於背光照明系統，具體而言係關於一種用於提供均勻照明至顯示面板的背光。
光學顯示器常用於廣告牌、電視、膝上型電腦、及桌上型電腦、手持式裝置(諸如行動電話)、及其他應用中。一種廣泛使用之顯示器類型係液晶顯示器(LCD)。因為LCD本身不會產生光，所以其等需要照明源，其係反射環境光，或更常見的係來自背光的光。背光一般包括照明裝置，其可包括光源，諸如發光二極體或螢光燈，及照明裝置與LCD面板之間之數個光管理膜。一般而言，光管理膜藉由促進更有效率且有效地使用光來增強顯示器的操作。
在本揭露之一些態樣中，提供一種用於提供均勻照明至一顯示面板的背光。該背光包括複數個離散光源，該複數個離散光源形成離散光源之列及行之一陣列。各離散光源經組態以發射在自約410nm至約470nm之一範圍中在一藍色波長之一非偏振藍光。一多層聚合部分反射器設置於該複數個離散光源上。對於實質上法向入射光，及對於正交的第一偏振狀態及第二偏振狀態之各者，該部分反射 器包括包括該藍色波長之反射頻帶、在該藍色波長大於約80%之反射率、介於約370nm至約420nm之間的左頻帶邊緣、及介於約500nm與600nm之間之右頻帶邊緣、及對於大於該右頻帶邊緣之可見光波長之介於約20%至約80%之間之平均透射率。一反射偏振器，其設置在該部分反射器上。對於具有該藍色波長之實質上法向入射光，該反射偏振器反射具有該第一偏振狀態之光之至少60%，且透射具有該第二偏振狀態之光之至少60%。
1:箭頭
2:箭頭
10:顯示面板
20:離散光源；光源
21:陣列
22:列
23:行
30:非偏振藍光
31:藍色波長
32:法向入射光
33:紅色波長
40:部分反射器
41:反射頻帶
42:左頻帶邊緣
43:右頻帶邊緣
44:聚合層；層對
45:聚合層；層對
46:結構化主表面
50:反射偏振器；偏振器
60:封裝層
70:電路板
71:導電跡線
80:反射層
81:開口
85:降頻轉換層
90:稜鏡層
91:稜鏡
92:側；側表面
93:頂點
100:光學漫射層
200:背光
300:顯示器系統
nx:折射率
ny:折射率
x:軸
y:軸
z:軸
將參考附圖更詳細地討論本揭露的各種態樣，其中，
〔圖1〕示意地繪示根據本揭露的一些實施例之用於提供照明至顯示面板的背光照明系統；
〔圖2〕示意地繪示自約410nm至470nm之藍色波長範圍；
〔圖3〕示意地顯示根據本揭露的一些態樣之在一陣列中之離散光源的配置；
〔圖4〕示意地顯示根據本揭露某些態樣之在一背光照明系統中的光傳播；
〔圖5〕示意地顯示根據本揭露之一些態樣之在部分反射器及反射偏振器上的法向入射光；
〔圖6〕係顯示根據本揭露之一些態樣之在不同波長之光相對透射的透射光譜的圖形表示；
〔圖7〕示意性地顯示根據本揭露的一些態樣的部分反射器的構造；
〔圖8〕示意性地顯示根據本揭露的一些態樣之在背光照明系統中具有設置在部分反射器上方的稜鏡結構之層的構造；及
〔圖9〕示意性地顯示根據本揭露的其他態樣的背光照明系統。
圖式非必然按比例繪製。在圖式中所使用的類似數字指稱類似組件。但是，將明白，在給定圖式中使用組件符號指稱組件，並非意圖限制在另一圖式中具有相同組件符號之組件。
以下說明係參照所附圖式進行，該等圖式構成本文一部分且在其中係以圖解說明方式展示各種實施例。要理解的是，其他實施例係經設想並可加以實現而不偏離本說明的範疇或精神。因此，以下之詳細敘述並非作為限定之用。
顯示面板(諸如，例如液晶顯示器(LCD))經常利用背光配置，該背光配置所欲為有效率的，且係在空間上、角度上、及光譜上均勻的。一個照明的方法利用離散光源之一列，諸如LED及光導，以在顯示器的區域上均勻地擴散光。此等LED經定向以橫跨背光配置之平面發光。另一種方法使用LED，該等LED經配置成橫跨該背光配置之該平面之一陣列。此等LED朝向顯示面板垂直於該背光之該平面發光。配置在一陣列中的LED提供對LED之各者或群組的亮度控制，以與顯示面板影像協作而動態地改變該照明。背光照明技術係提供用於顯示器之獨立區域的廣泛範圍亮度之有效手段，並改善使用者視覺體驗。背光照明方法通常利用額外光學器件來達成均勻性及亮度規格。經常所欲的是背光照明配置具有最小總厚度的背光組件。本文 中所述之實施例解決此等及其他挑戰，其等有效且均勻地在該背光配置之平面中擴散光。
如在圖1中示意地繪示，經照明顯示器系統(300)包括顯示面板(10)及用於提供均勻照明至顯示面板(10)的背光(200)。在一些實施例中，顯示面板(10)可係液晶顯示器(LCD)面板。背光(200)包括形成離散光源(20)之列(22)及行(23)之陣列(21)之複數個離散光源(20)，如在圖3中最佳可見。在一些態樣中，陣列(21)可藉由如所欲以方形圖案或以任何矩形圖案放置光源(20)而形成。所需的光源的實際數量取決於顯示器的大小、各光源的光通量、及所欲的亮度。在一些態樣中，複數個離散光源(20)包括複數個離散發光二極體(LED)。形成離散光源(20)之陣列的LED係電氣連通，使得LED可如所欲以串聯方式或並聯方式操作，或以串聯與並聯之組合操作。在一些實施例中，該複數個離散光源可係離散光源之一列，諸如LED。在一陣列中之LED之配置可提供對LED之各者或群組的較佳亮度控制，以與LCD面板影像協作而動態地改變該照明。
在一些態樣中，該複數個離散光源(20)(諸如LED)寬度可在自10μm至10mm變化。該等LED可藉由可自1mm至10mm變化的一節距間隔開。針對可攜式顯示器，該LED寬度可係約100μm至300μm，且該節距可係約1mm至10mm。LED可包括LED晶粒，或以「LED」銷售之經囊封或經封裝之半導體裝置可係習用的或超級輻射種系(super radiant variety)，且可係前發光(forward-emitting)或側 發光(side-emitting)種系。LED晶粒可經組態用於表面安裝、直裝電路板(chip-on-board)、倒裝晶片、或其他已知的安裝組態。
在一些實施例中，複數個離散光源(20)設置在電路板(70)上。光源(20)之該陣列(21)可藉由任何技術安裝在電路板上，諸如例如機械緊固、焊接、或使用黏著劑。電路板(70)包括複數個導電跡線(71)，該複數個導電跡線連接至該等離散光源(20)，用於賦能且控制該等離散光源(20)之發光。
在一些實施例中，背光(200)包括反射層(80)。反射層(80)可具有高反射率且可放置於離散光源(20)之間的電路板平面上。在一些態樣中，反射層具有至少60%、或至少70%、或至少80%的反射率，或在一些態樣中，該反射層在該藍色波長具有至少90%的反射率。高反射性材料可用作反射層(80)，以達成高再循環效率。如同以下所將解釋，當使用光管理光學膜時，此變得重要，因為此等膜反射無法在第一通過中使用的光並再循環，以在後續的一或多個通過期間有助於顯示面板的輸出。在一些態樣中，反射層(80)可係白色抗蝕劑。在一些其他態樣中，反射層(80)界定複數個貫穿開口(81)，且各離散光源(20)可設置在一對應開口(81)中以允許來自各離散光源的光被透射。
各離散光源(20)經組態以發射在自約410nm至約470nm之一範圍中、在藍色波長(31)下之非偏振藍光(30)，如在圖2中示意地顯示。在一些實施例中，該藍色波長(31)係在自約430nm至約470nm的一範圍中，稱約450nm。
在一些實施例中，多層聚合部分反射器(40)設置於複數個離散光源(20)上。來自複數個離散光源(20)而由部分反射器(40)反射的光反射離開反射層(80)，且可由部分反射器(40)透射，如使用圖4中的箭頭所繪示。由部分反射器(40)透射之輸出光之光角度分布將依據LED之發射光角度分布、反射層(80)之漫反射率、及部分反射器(40)之透射及反射性質而變化。
在一些態樣中，多層聚合部分反射器(40)可由具有面內折射率nx、ny的交替材料之堆疊組成。部分反射器(40)對於在左頻帶邊緣(LBE)較低波長與右頻帶邊緣(RBE)較高波長之間的軸向入射光(0°)具有高反射率。以較高角度的入射光會經歷朝向較低波長偏移的反射光譜。若軸向入射光的波長小於RBE，則其通常會反射。在一些其中波長高於經偏移的RBE之較高入射角度，光將被透射。藉由設計多層聚合部分反射器(40)及其所得之透射光譜，窄頻帶光源可經歷在較高入射角度的較高透射率，同時反射在較低入射角的光，從而側向地擴散光並改善空間均勻性。
如在圖6中以圖形方式表示，在一些實施例中，對於實質上法向入射光(32)(在圖5中展示)，及對於彼此正交之第一(x軸)及第二(y軸)偏振狀態之各者，部分反射器包括包括藍色波長之反射頻帶(41)，及在藍色波長大於約80%之反射率。對於實質上法向入射光(32)，及對於正交的第一(x軸)及第二(y軸)偏振狀態之各者，部分反射器(40)包括介於約370nm至約420nm之間的左頻帶邊緣(42)，及介於約500nm與600nm之間的右頻帶邊緣(43)。此外，對 於大於右頻帶邊緣之可見光波長，對於實質上法向入射光(32)，及對於正交的第一(x軸)及第二(y軸)偏振狀態之各者，部分反射器(40)包括介於約20%至約80%之間之一平均透射率。指示在圖6中之各種透射曲線的以nm為單位之右頻帶邊緣波長。
如在圖7中所示，在一些實施例中，多層聚合部分反射器(40)可包括複數個聚合層(44,45)。聚合層(44,45)可主要藉由相長或相消光學干涉來反射或透射光。例如，該等聚合層(44,45)可具有不同折射率特徵，使得一些光在相鄰層之間的界面處被反射。該等聚合層(44,45)可係足夠薄以使得在複數個介面處所反射之光經歷相長干涉或相消干涉，以給予該多層聚合部分反射器(40)所欲之反射性質或透射性質。在一些實施例中，聚合層包括聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、乙二醇改質之聚對苯二甲酸乙二酯(PETG)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、及PEN/PET共聚物中之一或多者。
多層聚合部分反射器(40)之反射性質及透射性質係依據各別聚合層(44,45)之折射率而變化。各層可至少在局部位置藉由面內折射率nx、ny來特徵化。此等折射率分別代表目標材料對於沿著互相正交的x軸及y軸偏振的光的折射率。在一些態樣中，複數個聚合層形成交替的第一(44)及第二(45)聚合層。第一聚合層(44)可實質上係等向性的，亦即nx~ny。第二聚合層(45)可實質上係雙折射的，且沿正交方向的面內折射率nx與ny之間的差可大於約0.02，或在一些情況下大於約0.05。例如，聚合層(44,45)可使用雙折射PEN及等向性 PMMA之交替層來設計。可使用高折射率材料及低折射率材料之其他組合，諸如交替之PET及PMMA層。
在一些態樣中，複數個聚合層(44,45)可包括約50個至約200個交替之第一(44)及第二(45)層對。在一波長範圍內之一較小數量個層對可針對窄頻寬源以對應之入射角度在較低波長增加透射率。
參照圖1，在一些實施例中，背光(200)包括設置於部分反射器(40)與複數個離散光源(20)之間的封裝層(60)。封裝層(60)實質上完全封裝複數個離散光源(20)。在一些情況下，封裝層(60)可係在複數個離散光源(20)上方的光學透射介電塗層。在一些其他實例中，封裝層可係適形於光源(20)之膠的透明層。封裝層(60)改善來自複數個離散光源的光耦合，並保護光源不受實體影響及環境影響。在一些態樣中，部分反射器(40)可放置於封裝層(60)上方，且可或可不黏附或光學耦合至封裝層(60)。在其他態樣中，在部分反射器(40)與封裝層(60)之間可實質上無氣隙。
亦可調整封裝層之折射率以改良照明均勻性。封裝層的較低折射率允許來自光源(20)的光以較高角度折射，輔助側向擴散。封裝層的折射率-可介於約1.3至1.7之間，或介於約1.4至1.65之間。
額外光學元件及附接此等元件的構件可放置於部分反射器(40)上方，以改善照明效能。此類組件可包括但不限於漫射器、及稜鏡膜。例如，當藍色LED用於電路板(70)上時，可添加降頻轉換層(down conversion layer)(85)，如圖9中所繪示。降頻轉換層將藍光之部分轉換成較高波長(紅色及綠色)以實現來自背光配置的白色照 明。降頻轉換層可包括體散射材料，以漫射來自LED的藍色激發光。藍色漫射亦用來以某些輸出角度自部分反射器(40)提取光。可選擇降頻轉換層(85)之材料，以便將藍光之一部分轉換成紅色及綠色，以達到一似白色的輸出。此類材料的實例可係紅色及綠色磷光體或量子點。藍色漫射材料可包括在降頻轉換層中、或在連接降頻轉換層(85)與部分反射器(40)之黏著劑中之TiO2奈米粒子。
部分反射器(40)反射以低或中度角度(例如，小於40度)入射之藍光，以在空間上延伸激發光源，同時使其以較高角度朝向降頻轉換層(85)透射。部分反射器(40)亦反射藉由在降頻轉換層(85)中部分轉換藍光而產生的綠光及紅光而返回朝向觀看者。對於部分反射器(40)之後者目的，該RBE可至少超過綠色頻帶波長，且在一些情況下，亦超過紅色頻帶波長。兩個效應使用在圖9中的箭頭來說明，標示為1)在低角度範圍內反射藍光以用於光擴散，且以較高角度透射藍色，及2)再循環來自降頻轉換層(85)之紅色及綠色。然後，RBE的選擇可藉由在均勻性與包括此等效果之各者的整體光學效率之間的權衡來判定。
在光在部分反射器(40)與反射層(80)之間傳播時，部分反射器(40)(其優先透射高入射角度之光)提供光的寬廣空間擴散。在一些實施例中，多層聚合部分反射器(40)包括光學漫射結構化主表面(46)，如在圖7中示意性顯示。舉例而言，光學漫射結構化主表面(46)可形成於部分反射器(40)之頂部表面上作為漫射塗層。較高的漫射亦可導致較高的照明均勻性。可測量導致漫射之結構化主表面(46)之 表面粗糙度，例如藉由其表面角度分布之高斯寬度s，其中s可係5度、或10度、或20度、或30度、或40度。
在一些實施例中，背光包括設置在部分反射器(40)上的反射偏振器(50)。反射偏振器(50)在第一波長範圍中實質上反射具有正交的第一偏振狀態及第二偏振狀態之一者(例如，具有沿x軸之電場的第一偏振狀態)的光，且實質上透射具有第一偏振狀態及第二偏振狀態之另一者(例如，具有沿y軸之電場的第二偏振狀態)的光。在一些實施例中，對於具有藍色波長(31)之實質上法向入射光，若在該藍色波長(31)中具有該第一偏振狀態之入射光的至少60%反射穿過該偏振器(50)，該反射偏振器(50)可稱為實質上反射在該藍色波長中具有第一偏振狀態之光。在一些實施例中，在該藍色波長中具有該第一偏振狀態之入射光的至少70%、或至少80%反射穿過該偏振器(50)。在一些實施例中，對於具有藍色波長之實質上法向入射光，若在該藍色波長中具有該第二偏振狀態之入射光的至少60%透射自該反射偏振器(50)，該反射偏振器(50)可稱為實質上透射在該藍色波長(31)中具有第二偏振狀態之光。在一些實施例中，在該藍色波長中具有該第二偏振狀態之入射光的至少70%、或至少80%透射自該偏振器(50)。
在一些實施例中，對於至少一個紅色波長(33)，該多層聚合部分反射器可透射具有該第一偏振狀態之實質上法向入射光(32)的至少30%，且該反射偏振器可反射具有該第一偏振狀態之實質上法向入射光(32)的至少60%。在一些態樣中，該多層聚合部分反射器可 透射入射光的至少約40%至至少約50%，且該反射偏振器可反射入射光的至少約70%至至少約80%。
本說明之光學系統中使用的反射偏振器(50)可係任何合適類型的反射偏振器。該反射偏振器可係聚合多層光學膜，其可係實質上單軸定向，如別處進一步所述。實質上單軸經定向反射偏振器可以商標名稱Advanced Polarizing Film 5或APF購自3M Company。亦可使用其他類型之多層光學膜反射偏振器(例如，可購自3M Company的雙增亮膜(Dual Brightness Enhancement Film)或DBEF)，其對於具有沿著一個面內軸之分量而偏振之光具有低反射率，且對於具有沿著第二正交面內軸的分量而偏振之光具有高反射率。在一些實施例中，使用其他類型之反射偏振器(例如，線柵偏振器)。
在一些其他實施例中，且參照圖1，光學漫射層(100)可設置於多層聚合部分反射器(40)與反射偏振器(50)之間，用於漫射由部分反射器(40)透射之光。光學漫射層(100)可幫助提取光，以進一步調節輸出光角度分布，並可部分反射光返回至部分反射器(40)中以用於進一步均勻擴散。
在一些態樣中，為了針對照射在降頻轉換層(85)上之藍光達成類似光角度分佈，可將光學元件添加在部分反射器(40)上方，以朝軸向方向重新導向高角度光，接著擴散，以達成寬廣光角度分佈。此類光學元件包括一轉向膜，其具有頂部表面漫射器、交叉線性稜鏡膜、或稜鏡結構之一陣列，諸如清透角錐體或圓錐體。在一些實施例中，稜鏡層(90)可設置於多層聚合部分反射器(40)與反射偏振器 (50)之間。如在圖8中所繪示，稜鏡層(90)可包括規則配置之稜鏡(91)之一陣列。各稜鏡(91)包括在頂點(93)處相交的複數個側(92)。在一些態樣中，各稜鏡(91)具有四個相等側(92)。在一些實施例中，頂點(93)面對部分反射器(40)，如在圖1中最佳見到者。在一些態樣中，稜鏡側表面(92)可彎曲以改善角度擴大。
其他類型的稜鏡膜包括以下之陣列：角錐體結構、圓錐體、部分球體(珠粒塗層)、或此類結構之倒形(inverse)。該等結構可面朝向或背向離散光源(20)的陣列。在另一實施例中，部分反射器(40)可以漫射材料塗佈，且稜鏡層(90)可放置於該塗層上方而不附接，而稜鏡結構面向離散光源(20)之陣列。漫射材料自部分反射器(40)提取光，同時稜鏡層重新導向角度分布，並重新成像來自部分反射器(40)之輸出以改善均勻性。提供最大亮度及良好均勻性的影像及錐光輸出可依據稜鏡之一頂角而變動來模擬。就良好均勻性及輸出角度分布而言，頂角可係約50°至80°。
10:顯示面板
20:離散光源；光源
30:非偏振藍光
40:部分反射器
50:反射偏振器；偏振器
60:封裝層
70:電路板
71:導電跡線
80:反射層
81:開口
90:稜鏡層
93:頂點
100:光學漫射層
200:背光
300:顯示器系統

Claims (10)

  1. 一種用於提供均勻照明至一顯示面板的背光，該背光包含：
    複數個離散光源，其等形成離散光源之列及行的一陣列，各離散光源經組態以發射在自約410nm至約470nm之一範圍中、在一藍色波長之一非偏振藍光；
    一多層聚合部分反射器，其設置於該複數個離散光源上，對於實質上法向入射光，及對於正交的第一偏振狀態及第二偏振狀態之各者，該部分反射器包含：
    一反射頻帶，其包含該藍色波長；
    一反射率，其在該藍色波長係大於約80%；
    一左頻帶邊緣，其介於約370nm至約420nm之間；
    一右頻帶邊緣，其介於約500nm與600nm之間；及
    一平均透射率，其對於大於該右頻帶邊緣之可見光波長係介於約20%至約80%之間；及
    一反射偏振器，其設置在該部分反射器上，對於具有該藍色波長之實質上法向入射光，該反射偏振器反射具有該第一偏振狀態之光之至少60%，且透射具有該第二偏振狀態之光之至少60%。
  2. 如請求項1之背光，其中該藍色波長係在自約430nm至約470nm之一範圍中。
  3. 如請求項1之背光，其中該多層聚合部分反射器包含複數個聚合層，該複數個聚合層主要藉由相長或相消光學干涉來反射或透射光。
  4. 如請求項3之背光，其中該複數個聚合層形成交替的第一聚合層及第二聚合層，該等第一聚合層實質上係等向性的，該等第二聚合層實質上係雙折射的，且具有沿正交方向的面內折射率nx及ny，nx與ny之間的一差大於約0.02。
  5. 如請求項1之背光，其中該多層聚合部分反射器包含一光學漫射結構化主表面。
  6. 如請求項1之背光，其進一步包含一封裝層，該封裝層設置於該部分反射器與該複數個離散光源之間，且實質上完全封裝該複數個離散光源，其中在該部分反射器與該封裝層之間實質上無氣隙。
  7. 如請求項1之背光，其中該複數個離散光源設置於一電路板上，該電路板包含複數個導電跡線，該複數個導電跡線連接至該等離散光源，用於賦能且控制該等離散光源之發光。
  8. 如請求項1之背光，其進一步包含一反射層，該反射層在該藍色波長具有至少60%之一反射率，且在其中界定複數個貫穿開口，各離散光源設置在一對應開口中。
  9. 如請求項1之背光，其中對於具有該第一偏振狀態之實質上法向入射光，及對於至少一個紅色波長，該多層聚合部分反射器透射該入射光的至少30%，且該反射偏振器反射該入射光之至少60%。
  10. 如請求項1之背光，其進一步包含一稜鏡層，該稜鏡層設置於 該多層聚合部分反射器與該反射偏振器之間，該稜鏡層包含規則配置之稜鏡的一陣列，各稜鏡包含在一頂點處相交的複數個側，該頂點面向該部分反射器，且其中各稜鏡包含四個相等側。
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