CN100445827C - 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。本发明的导光板，包括：两入射面，其为该导光板的相对两面；一出射面，其为该导光板上表面并与该两入射面相邻；及一与该出射面相对的反射面，该反射面形成有若干微结构，该若干微结构以导光板两入射面之间的中心为对称轴，其尺寸和排列密度从该中心向两入射面方向对称地逐渐变小。可使得至少部分由光源发出的光线经入射面进入该导光板内，经该反射面反射后沿垂直于出射面的方向出射，因此，该导光板与光源结合可实现传统背光模组的功能，而且具有高亮度，出射光均匀性好的优点。本发明还提供有使用该导光板的背光模组。
Description
【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反射原理在板内传播，当光线遇到导光板表面的微结构(pattern)时，全反射条件被破坏，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，在制程上较为简化，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。
液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)具有轻薄、功耗低和高密度像素等优点，并且其显示画面已向大型化和彩色化方向发展。由最初用于手表、手机等小尺寸显示器件，发展到游戏机、个人电脑和电视等中大尺寸的显示器件，而且近年来随着液晶显示技术上取得的突出进展，使其应用领域不断扩大，成为了一种非常引人注目的显示装置。因而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、大尺寸等。
采用发光二极管的光源使用寿命长、成本低，通常应用于小型的显示器，比如手机、蜂窝电话、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)等。但是，其亮度不足以为大型透射式显示器提供背面光源，而冷阴极管提供了用于大尺寸液晶显示器所需要的亮度和寿命，至今仍是中、大尺寸背光照明最为常用的光源。
如图1所示，早期以冷阴极管为光源的背光模组10常采用多灯管并列直下式结构，其包括一导光板13，设置在该导光板13下方的多个冷阴极管11及一发射罩12，以及设置在该导光板13上方的多片散射片14。该背光模组10不仅体积大、质量重、能耗大，而且灯管阴影的处理、热量堆积等问题的处理十分麻烦。比如为了消除灯管阴影，常常需要设置多层散射板和散射片，这进一步加大的背光模组的体积和能耗。
为此，目前的背光模组主要采用侧光源照明式结构，其利用导光板将光能导出，再结合各种光学薄膜使背光模组的出射光亮度大、能量分布均匀，能更好地满足液晶显示器对背光模组的要求。
如图2所示，目前侧面照明的传统背光模组20，包括侧光源21、导光板23与反射板22、扩散片24以及增亮片25等光学膜片。其中反射片22是将未被散射的光线再导入导光板23中，扩散片24使光线形成漫射而均匀扩散，消除导光板上微结构形成的亮区，增亮片25起到会聚光线，提高亮度的作用。对于大尺寸背光模组，为了进一步增加亮度，可增加多片棱镜片作为增亮片。
然而，从光束的出射角度看，上述的导光板的设计不考虑角度控制，因此从导光板出射面出射的光束将背离光源而不是垂直出射面。这样的光束需经过扩散片和增亮片等光学膜的作用后，才会以垂直于出射面的方向射向液晶显示器，达到实际使用要求。
1993年8月17日公开的美国专利第5,237,641号揭示一种可对出射光角度控制的背光模组，其包括一侧光源及一导光板，该导光板反射面设置多层V型结构，但该多层结构加工困难、成本高，不利于应用在液晶显示器。
如图3所示，1996年9月10日公开的美国专利第5,555,329号揭示一种能够控制出射角度的背光模组30，其包括一侧光源31及一导光板32，该导光板出射面设置多个微棱镜结构33，该微棱镜结构33包括一入射面34、一出射面35和至少一与导光板形成夹角的反射面36。但是，上述微结构复杂的角度设置使得该背光模组不易制备，很难通过射出成型技术量产具有上述微结构的导光板。
如图4所示，1998年7月14日公开的美国专利第5,779,337号揭示一种导光板40，该导光板40的出射面设有多个V型凸块42。但是该V型凸块42采用的高度(深度)从中心向两边增加的结构，这种结构不利于精密机械加工；且该结构的导光板没有角度控制功能，所以还需外加多层光学膜，以使最终出射光能够垂直射出。
如图5所示，1993年8月17日公开的美国专利第5,237,641号揭示一种可对出射光角度控制的背光模组，其包括一侧光源51及一导光板52，该导光板52反射面设置多层结构，其最外层具有V型微结构54，但具有该多层结构的导光板加工困难、成本高，不利于应用在液晶显示器，且该背光模组只有一侧光源，其难于适用于需要高亮度的液晶显示器。
有鉴于此，提供一种适用于液晶显示器的，并且适用于双侧照明的，可对出射光角度控制的导光板和背光模组实为必要。
【发明内容】
本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种适用于液晶显示器的，并且适用于双侧照明的，可对出射光角度控制的导光板。
本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种适用于液晶显示器的，并且适用于双侧照明的，可对出射光角度控制的背光模组。
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：两入射面，其为该导光板的相对两面；一出射面，其为该导光板上表面并与该两入射面相邻；及一与该出射面相对的反射面，该反射面形成有若干微结构，其特征在于该若干微结构以导光板两入射面之间的中心为对称轴，其尺寸和排列密度从该中心向两入射面方向对称地逐渐变小。使用时，至少部分由光源发出的光线经两入射面进入该导光板内，经该反射面的微结构反射后沿垂直于出射面的方向出射。
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，包括两侧面线光源和一导光板，其包括两入射面，其为该导光板相对的两面，一出射面，其为该导光板上表面并与该两入射面相邻，及一与该出射面相对的反射面，其中，该两侧面线光源分别靠近该两入射面，该反射面形成有若干微结构，其特征在于该若干微结构以导光板两入射面之间的中心为对称轴，其尺寸和排列密度从该中心向两入射面方向对称地逐渐变小。使用时，至少部分由两侧面线光源发出的光线经入射面进入该导光板内，经该反射面的微结构反射后沿垂直于出射面的方向出射。
与现有技术相比较，本发明双侧照明的微结构设计可以使导光板的出射光控制在垂直出射面的方向上，最大限度的利用了光能。这样的导光板及由其与单侧或双侧线光源组成的背光模组在功能上提高了亮度，在结构上去除了传统背光模组的反射片、扩散片和增亮片等光学膜，简化了***，提高了性能。同时本发明通过调节微结构的分布和密度可以控制出射光亮度的均匀性，使得在垂直和平行于光源光束传播的两个方向上的均匀性在85％以上，而且这两个方向的光束出射角半宽小于30度，可见大部分光束沿垂直于导光板的出射面方向射出。
【附图说明】
图1是现有技术多灯管并列直下式结构的背光模组示意图。
图2是传统的侧面照明背光模组的结构示意图。
图3是现有技术美国专利第5,555,329号的背光模组示意图。
图4是现有技术美国专利第5,779,337号的导光板结构示意图。
图5是现有技术美国专利第5,237,641号的背光模组示意图。
图6是本发明第一实施例导光板结构示意图。
图7是图6局部VII的放大示意图。
图8是本发明第二实施例导光板结构示意图。
图9是本发明第三实施例导光板结构示意图。
图10是本发明导光板的入射面V型微结构示意图。
图11是本发明第一实施例导光板的出射光束角度分布图。
图12是本发明第二实施例导光板的出射光束角度分布图。
图13是本发明第二实施例出射角度-光强曲线图。
图14是本发明第二实施例沿X轴方向的归一化光强曲线图。
图15是本发明第二实施例沿Y轴方向的归一化光强曲线图。
图16是本发明双侧光源照明的导光板的反射面V型微结构大小沿Y轴方向的变化规律。
【具体实施方式】
下面将结合附图和多个实施例对本发明的导光板和背光模组作进一步的详细说明。
请一并参阅图6和图7，本发明第一实施例提供一14.1英寸的平板型导光板60，包括两入射面62，62′，一出射面63、一与该出射面63相对的反射面64以及其他两个侧面(未标示)。其中，两入射面62，62′形成于导光板60临近两冷阴极管61，61′的侧面。出射面63形成于该导光板60的顶面。反射面64形成于导光板60的底面。该反射面64还形成有若干V型微结构640，其沿背离该出射面63的方向向导光板60的外部凸起。
该V型微结构640的顶角θ1的取值范围为40～95度，其与反射面64所在平面所形成的第一和第二底角θ2、θ3的取值范围分别为70～90度和15～50度。本实施例中该V型微结构640的顶角θ1优选62度，第一和第二底角θ2、θ3优选82度和36度。
为提高导光板出射光的均匀性，以两入射面62，62′之间的导光板60中心为对称轴，导光板60中心两侧的多个V型微结构640互相对称。而且，在中心附近的V型微结构640尺寸和排列密度最大，并向两入射面62，62′方向逐渐变小。
从导光板60中心到以靠近入射面62的一侧为例，本发明的V型微结构640的设计，需先设定每相邻V型微结构640之间的距离D相等，既相邻靠近入射面的V型微结构640的第一底角与反射面64的交点之间的距离相等。该距离D等于最大V型微结构640的宽度。离入射面62越远，每个V型微结构640的宽度越大，因为每相邻V型微结构640之间的距离D相等，所以越远离入射面62，V型微结构的排列越密，尺寸越大。与之相反，越靠近入射面62′，V型微结构的排列越疏，尺寸越小。而且，由于以两入射面之间的导光板60中心为对称轴，所以中心两侧的V型微结构640的第一底角θ2与θ2′互相对称、第二底角θ3与θ3′互相对称(如图7所示)。
该多个V型微结构640的宽度y范围为10～300微米，此范围的尺寸使得人眼不容易通过液晶显示器看出导光板上的V型微结构640，从而可以去除传统背光模组中会造成很大能量损失的扩散片。可以理解的是，根据加工工艺水平的提高，宽度y也可以小于10微米。如果该导光板60有局部透光亮度偏高的现象，可以缩小V型微结构640的大小以及降低V型微结构640的排列密度；反之，如果局部透光亮度偏低，可以增大V型微结构640的大小和增加V型微结构640的排列密度。
为提高能量利用率，反射面64设有一增反膜(图未示)，其为金属或者介质镀膜，如铝膜和银膜等。反射面64包括凸出的多个V型微结构640通过镀膜等工艺具有高的反射率。另外，除入射面62，62′外的两个侧面，也应该具有高的反射率，可以通过镀增反膜(图未示)来实现。
本实施例的导光板60由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成。
该导光板60可与两冷阴极管61，61′，两反射罩611，611′组成一背光模组，其中，两冷阴极管61，61′靠近导光板80的两个入射面62，62′，两反射罩611，611′围住两冷阴极管61，61′，使其发出的光最大化的进入两入射面62，62′。上述结构去除了传统背光模组的反射片、扩散片和增亮片等光学膜，并可以将出射光控制在垂直出射面的方向上，从而实现传统背光模组的功能。
为进一步压缩导光板的光出射角度，会聚光束，本发明可于导光板的出射面设置周期排列的V型微结构：
请参阅图8，本发明第二实施例的导光板80在第一实施例的导光板基础上，在出射面83表面加工与反射面V型微结构84方向正交的周期排列的第二V型微结构85，其沿背离该反射面的方向向导光板80的外部凸起。该第二V型微结构85为高度大小一致的等腰长条形状，其顶角取值范围为50～150度，高度不超过500微米。本实施例中出射面的V型微结构的顶角90度，两底角皆为45度，且每个V型微结构间隔0.2微米。
对于要求宽视角的应用场合，导光板的出射面可不需要设定任何结构，但是可以在与光源靠近的入射面设置纵向的周期排列的V型微结构，用于消除靠近光源处出现分布不均匀的阴影现象：
请参阅图9，本发明第三实施例的导光板130在第一实施例的导光板基础上，在两入射面92，92′表面加工纵向周期排列的第三V型微结构94，94′。该第三V型微结构94，94′为高度大小一致的等腰长条形状，其顶角取值范围为50～150度，高度不超过500微米。
可以理解的是，如图10所示，本发明的在入射面设置的V型微结构可以为密接周期分布的V型微结构101和间断周期分布的V型微结构103，上述V型微结构同样能达到消除靠近光源处出现分布不均匀的阴影现象。另外，可根据需要，在本发明导光板的入射面和出射面同时设置周期分布的V型微结构。
下面结合实验数据详细说明本发明各实施例的导光板。
请参阅图11，其为第一实施例只有反射面设有V型微结构的可双侧照明导光板的出射光束角度分布图，可以看出能量基本集中在中间出射。
请一并参阅图12至图15，其针对第二实施例反射面和出射面设有V型微结构的可双侧照明的导光板。图12为该导光板的出射光束角度分布图，可以看出其能量基本集中在中心区域。图13给出该导光板沿出射角Φ为0度和90度的两个方向上，归一化光亮度随角度的变化曲线，其反映了出射光束的角度分布情况。从图13可以看出两个方向的角度半宽都在30度以内，大部分光束沿垂直于导光板方向射出，所以，一片本发明的导光板就达到了传统背光模组的角度输出要求。图14和图15给出通过调节导光板反射面的V型结构的排列密度和大小得到的归一化光强分布图，可以看出其出射光束沿X轴方向(如图14所示)和沿Y轴方向(如图15所示)两个方向上都具有比较好的均匀性，均保持在85％以上。
综合实验数据分析，本发明导光板的出射面V型微结构的设计随材料特性、导光板尺寸大小的不同而不同，一般呈非线性分布，其V型结构大小的变化规律如图16所示。
可以理解的是，本发明的导光板可设计为楔型，另外，本发明的V型微结构可为经适当改变的微结构。本发明的导光板与双侧线光源可组成具有高亮度、均匀性好的背光模组。导光板材料除了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)还可是聚碳酸酯(PC)，或者是亚克力等一般的合成树脂材料。
本发明适用于双侧照明的导光板反射面V型微结构设计可以使导光板的出射光控制在垂直出射面的方向上，最大限度的利用了光能。这样的导光板及由其与双侧线光源组成的背光模组在功能上提高了亮度，在结构上去除了传统背光模组的反射片、扩散片和增亮片等光学膜，简化了***，提高了性能。同时本发明通过调节V型微结构的分布和密度可以控制出射光亮度的均匀性，使得在垂直和平行于光源光束传播的两个方向上的均匀性在85％以上，而且这两个方向的光束出射角半宽小于30度，可见大部分光束沿垂直于导光板的出射面方向射出。根据光源情况，可以在入射面设置V型结构来消除由于光源产生的阴影现象。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，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 (21)
1.一种导光板，包括：
两入射面，其为该导光板的相对两面；
一出射面，其为该导光板上表面并与该两入射面相邻；及
一与该出射面相对的反射面，该反射面形成有若干微结构，其特征在于该若干微结构以导光板两入射面之间的中心为对称轴，其尺寸和排列密度从该中心向两入射面方向对称地逐渐变小，每个微结构与反射面所在平面形成一第一底角和一第二底角，且相邻两个微结构的第一底角与反射面的交点之间的距离相等。
2.如权利要求1所述的导光板，其特征在于该微结构为V型微结构。
3.如权利要求1所述的导光板，其特征在于该微结构朝该导光板外部凸出。
4.如权利要求2所述的导光板，其特征在于该V型微结构的顶角为40～95度，所述第一底角和第二底角分别为70～90度和15～50度。
5.如权利要求4所述的导光板，其特征在于该V型微结构的顶角为62度，所述第一底角和第二底角分别为82度和36度。
6.如权利要求1所述的导光板，其特征在于该微结构的宽度范围为10～300微米。
7.如权利要求1所述的导光板，其特征在于该出射面设有与该反射面微结构方向正交的周期排列的第二V型微结构，其沿背离该反射面的方向向导光板的外部凸起。
8.如权利要求7所述的导光板，其特征在于该第二V型微结构为高度大小一致的等腰长条形状，其顶角取值范围为50～150度，高度不超过500微米。
9.如权利要求1所述的导光板，其特征在于该两入射面设有纵向周期排列的第三V型微结构。
10.如权利要求9所述的导光板，其特征在于该第三V型微结构为高度大小一致的等腰长条形状，其顶角取值范围为50～150度，高度不超过500微米。
11.如权利要求9所述的导光板，其特征在于该第三V型微结构包括密接周期分布或间断周期分布的V型微结构。
12.如权利要求1所述的导光板，其特征在于该导光板的反射面镀有增反膜。
13.如权利要求12所述的导光板，其特征在于该增反膜为金属膜或非金属膜。
14.如权利要求13所述的导光板，其特征在于该金属膜为铝膜或银膜。
15.如权利要求1所述的导光板，其特征在于该导光板为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯，或者亚克力合成树脂材料构成。
16.如权利要求1所述的导光板，其特征在于该导光板是平板型或者楔型。
17.一种背光模组，包括两线光源和一导光板，其包括两入射面，其为该导光板相对的两面，一出射面，其为该导光板上表面并与该两入射面相邻，及一与该出射面相对的反射面，其中，该两线光源分别靠近该两入射面，该反射面形成有若干微结构，其特征在于该若干微结构以导光板两入射面之间的中心为对称轴，其尺寸和排列密度从该中心向两入射面方向对称地逐渐变小，每个微结构与反射面所在平面形成一第一底角和一第二底角，且相邻两个微结构的第一底角与反射面的交点之间的距离相等。
18.如权利要求17所述的背光模组，其特征在于该微结构为V型微结构。
19.如权利要求18所述的背光模组，其特征在于该V型微结构的顶角为40～95度，所述第一底角和第二底角分别为70～90度和15～50度。
20.如权利要求17所述的背光模组，其特征在于线光源为冷阴极灯管。
21.如权利要求17所述的背光模组，其特征在于该背光模组进一步包括一反射罩，用于反射侧面线光源发出的光线。
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