CN105065976A - 一种用于液晶显示器的背光模组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于液晶显示器的背光模组，包括光发生装置和光传输装置，光发生装置包括至少一个光源，光传输装置包括长方体基底，光源设置在长方形基底的任一侧表面旁，特点是长方形基底的上表面设置有由多个杯形实体组成的出光单元，出光单元包括出光面和入光面，杯形实体由顶面、底面和位于顶面与底面之间的反射曲面组成，底面与上表面重合，出光面由所有的顶面组成，入光面由所有的底面组成，相邻的杯形实体的顶面相接，相邻的杯形实体的底面互不相接，相邻的底面之间的上表面与空气直接接触，反射曲面相对于杯形实体的中心轴线轴对称，反射曲面的轮廓线由多线段构成，应用于液晶显示器内，可以减少膜层数量，且加工简单，光能利用率高。

Description

一种用于液晶显示器的背光模组
技术领域
本发明涉及一种液晶显示器，尤其是涉及一种用于液晶显示器的背光模组。
背景技术
从上世纪七十年代开始，液晶显示器因具有成本低、分辨率高、色彩鲜艳等优点被使用到现在其应用在电子设备中几乎无处不在，从小尺寸的腕表到大尺寸的TV。发展到现今的液晶显示器已具有较高的分辨率、结构紧凑、高亮度且低成本。然而，尽管经过了四十多年的发展和进步，液晶显示器由于其使用的背光源不足的限制，仍存在光源使用率低、分辨率低下、产生色偏等问题。
液晶显示器面板中的液晶本身不具有发光特性，其利用背光模组提供光源，达到显示器显示效果。通常背光源采用LED或CCFL(冷阴极荧光灯管)作为光源，光源发出的光经过导光板耦合进显示器。但光源的发散角度较大，实际进入导光板被利用的能量不足10％，导致整个显示器的效率降低。20世纪后发展了很多用于个人使用的诸如手机、计算器、手表等小尺寸液晶显示器，这些小尺寸的显示器强调轻薄、结构紧凑、低功耗。这些需求对背光源的结构、光源的发光角度、光源的使用效率提出了更高的要求。
大尺寸TV的发展尤其是HDTV(高清电视)的发展对显示器的对比度，画面品质要求更高。以垂直于液晶显示屏的法线为轴，LC对来自背光源的近轴的光线利用率高，因此若背光源的发散角度大，则光源利用率降低，且大角度离轴的光线会造成对比度下降、漏光、colorwashout(色偏)等问题。
综上所述，无论是小尺寸的液晶显示屏或是大尺寸的TV，对从背光模组出射的光通常具有一定的准直性要求。
1994年11月2日的发明专利CN94194324提出了一种能产生小发散角光束的背光模组结构，如图1所示。该背光模组包括一个光源11、一个平板波导12、胶合固定在该平板波导上面的阵列微棱镜13。光自光源进入平行波导12，部分光进入阵列微棱镜的入光表面131，经面132的全反射，经光输出表面133射出微棱镜。为了使出射光束达到更好的准直效果，该专利提出在阵列微棱镜上面加微透镜阵列,如图2所示的14，与阵列微棱镜13一一对应，对出射光发散角进一步缩小。
该专利所提供的准直背光的方案，可以将光源入射的光束，变成一个背光模组的发散角较小的出射光光束。然而在此模组的实现上会有一定困难，由于微棱镜是不相连的个体，与之对应的微透镜阵列也如此。集成时需要一一对准。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能量损失少、光能利用率高，实现容易的用于液晶显示器的背光模组。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于液晶显示器的背光模组，包括光发生装置和光传输装置，所述的光发生装置包括至少一个光源，所述的光传输装置包括具有六个平面的长方形基底，所述的长方形基底包括上表面、下表面和四个侧表面，所述的光源设置在任一所述的侧表面旁，所述的长方形基底的上表面设置有由多个杯形实体组成的出光单元，所述的出光单元包括出光面和入光面，所述的杯形实体由顶面、底面和位于所述的顶面与所述的底面之间的反射曲面组成，所述的底面与所述的上表面重合，所述的出光面由所有的顶面组成，所述的入光面由所有的底面组成，相邻的所述的杯形实体的顶面相接，相邻的所述的杯形实体的底面互不相接，相邻的所述的底面之间的上表面与空气直接接触，所述的反射曲面相对于所述的杯形实体的中心轴线轴对称，所述的反射曲面的轮廓线由多线段构成。
所述的长方形基底和所述的出光单元为光学上的一体结构。
所述的杯形实体的横截面轮廓为圆形，相邻两个杯形实体的顶面相切。
所述的杯形实体的横截面轮廓为六边形，相邻两个杯形实体的顶面共用一条边。
所述的反射曲面的轮廓线底部的切线与所述的底面的延长线的夹角为10～50°。
所述的光发生装置是一个光源或设置在两个相邻侧表面旁的两个光源，在与所述的光源的位置相对的侧表面旁设置有用于将所述的光传输装置中未被完全利用的光线反射回所述的光传输装置的反射装置。
所述的光发生装置是设置在两个相对的侧表面旁的两个光源。
所述的光发生装置是设置在四个侧表面旁的四个光源。
与现有技术相比，本发明的优点在于光传输装置包括具有六个平面的长方形基底，利用长方形基底的上表面作为全反射界面来包络横向行进的光束，并利用设置在长方形基底杯形实体的全反射效应将光导中的光束导出，同时对没有进入杯形实体的光线能够实现无损耗再利用；反射曲面的轮廓线由多线段构成，能够在尽可能提高准直性的同时对发散光束进行会聚，降低光束的发散，从而有效提高光学效率；而每个杯形实体的顶面之间相切或者共线，使得整个出光平面尽可能被杯形实体的顶面所充满，从而使光分布更加均匀；将反射曲面的轮廓线底部的切线设置成与杯形实体的底面的延长线的夹角为10～50°，在这个角度范围内进行调节，就可以改变反射曲面弯曲的形状及入光面与出光面的比例，调节出光角度及整个出光面出光的均匀性。本发明的背光模组若应用于液晶显示器内，可以减少膜层数量，且加工简单，光能利用率高。
附图说明
图1为现有技术背光模组的横截面结构示意图；
图2为现有技术背光模组的立体示意图；
图3为使用本发明背光模组的液晶显示器横截面结构示意图；
图4为本发明背光模组横截面示意图；
图5为本发明背光模组的光线走向示意图；
图6是本发明背光模组光线走向俯视图；
图7是本发明背光模组的光传输装置内光线走向示意图；
图8是本发明中传输装置的杯形实体纵向剖面示意图，其中(a)为具有曲线轮廓的剖面，(b)为由多个直线段连接构成的近似曲线轮廓的示意图；
图9是本发明实施例中两个光源构成的光发生装置的方案光线走向示意图；
图10是本发明实施例中相邻放置两个光发生装置的方案示意图；
图11是本发明实施例中四个光源构成的光发生装置的方案示意图；
图12是本发明杯形实体横截面为圆形出光面的准直背光模型三维示意图；
图13是本发明杯形实体横截面六边形出光面的准直背光模型三维示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供了一种能产生小角度发散光的背光模组及利用该背光模组的液晶显示器，其结构如图3所示。由本发明的背光模组所组成的液晶显示器包括一个光源1及一个传输装置2、液晶盒31，及一个反射装置3，光源1可以为CCFL或LED。
如图4，传输装置2为光学材料，光传输装置包括具有六个平面的长方形基底21，长方形基底21包括上表面、下表面和四个侧表面，光源1设置在侧表面旁，长方形基底21的上表面设置有由多个外轮廓为杯形的微型杯形实体41组成的出光单元4，长方形基底21和出光单元4为光学上的一体结构，出光单元4包括出光面和入光面，杯形实体41包括底面411和顶面412，底面411与长方形基底21的上表面重合，入光面由所有的底面411组成，相邻的杯形实体41的顶面412相接，相邻的杯形实体41的底面411互不相接，相邻的底面411之间的上表面与空气直接接触，顶面412与底面411之间为反射曲面413，反射曲面413相对于杯形实体41的中心轴线呈轴对称，反射曲面413的轮廓线由多段圆弧构成；如图12所示，杯形实体41的横截面的轮廓为圆形，相邻两个杯形实体41的顶面412相切。反射装置3设置在与光源1相对的侧表面旁，从这个侧表面出射的光，会经过反射装置3反射再次通过相同的侧表面进入长方形基底21回收利用。被反射回长方形基底21的光线，同样在长方形基底21的上下表面进行全反射而继续向前传输，直到光线到达上表面时刚好进入杯形实体41的底面411，光线经反射曲面413的全反射准直后，从出光单元4的出光面42出射。
如图13所示，杯形实体41的横截面轮廓也可以为六边形，即底面411和顶面413为尺寸不相同的相似六边形并且两六边形对应边平行且各对应边长之比为常数。相邻两个杯形实体41的顶面412共用一条边，此结构的杯形实体41相邻顶面413之间可以无缝连接。
杯形实体41的反射曲面413底部的切线与底面411延长线的夹角为10°～50°，但不能大于50°，否则不能完全形成全反射界面。
传输装置2的六面体基底21的作用是将入射光在由长边与宽边所构成的平面内的任一条线与高边组成的平面内传输，在这个过程中，一部分的光(如光线01)经几次全反射之后到达上表面(底面411)进入杯形实体41，另一部分光(如光线02)到达设置有反射装置3的侧表面仍然未进入杯形实体41，被反射装置3反射回来再次沿着与侧表面平行的反向传播，将光线重复利用，光线02有可能在几次全反射之后进入底面411从而进入杯形实体41最后出射。反射装置3的作用是将未进入杯形实体阵列4的光反射回六面体基底2，使光线反向传输，从而使更多光线可以进入杯形实体41，更高效的被利用。杯形实体41构成的出光单元4是微阵列棱镜。从底面411入射的光线经过反射曲面413的全反射准直作用，成为小发散角的光束，从出光单元4的出光面42出射。杯形实体41尺寸非常小，因此这样的点阵构成了一个发射小发散角光束的面光发生装置，能够减少液晶显示器的损耗。
图5为本发明背光模组的光线走向示意图。如图所示的光源1发出的光线03～10是实际光线在前或者后侧表面的投影。光源发出的较大发散角(±60°)的光线(如光线03～10)经过侧表面的折射，进入光学材质的长方形基底21光束变为较小发散角(±35°)。不同角度的光线在长方形基底21内传播到达上表面或下表面，均符合全反射条件，因此光线在长方形基底21内的传播无能量损失。当光线(如光线07～10)到达长方形基底21的上表面，刚好进入杯形实体41的底面411时，光线经过杯形实体41的反射曲面413一次或多次的全反射作用，将光线(±35°)准直为发散角更小的光束(例如±20°)，再经过出光单元4的出光面42的折射作用，以发散角变为约±30°的光束进入空气中。通过侧表面进入长方形基底21的不同光线由于其进光位置及角度的不同，会在传输的过程中，进入不同的杯形实体41。如果光线(如光线03～06)到达长方形基底21与入光的侧表面相对的设置有反射装置3的侧表面，仍未进入杯形实体41的底面411，则会经过反射装置3的反射作用，使光线返回长方形基底21反向传输。如果传输过程中进入杯形实体41的底面411，则同样被反射曲面413全反射变为较为准直的光束出射。
图6是本发明背光模组光线走向俯视图。如图所示的光线11或12是光线在上或下表面的投影。光线11经折射进入长方形基底21的光线与入射侧表面的夹角β1满足1.5*sinβ1＜sin90°(长方形基底21的材料折射率为1.5的情况)因此β1＜42°，与另一垂直入射侧表面的侧表面的夹角β2＞48°，因此所有的光线到达与入射侧表面相垂直的侧表面时的入射角均满足全反射条件，反射之后继续传输，传输过程中光线在长方形基底21的上下表面之间震荡，直到光线到达上表面时刚好进入杯形实体41的底面411，光线进入杯形实体41，经全反射出光。而另一光线12，同样经过入射侧表面的折射进入长方形基底21，到达与入射侧表面相对的侧表面时仍然未能进入杯形实体41的底面411，则此光线从长方形基底21出射到达反射装置3，再反射回长方形基底21，继续在其中传输，与光线11同样，在传输过程中，光线在长方形基底21的上下表面之间震荡，直到光线到达上表面时刚好进入杯形实体41的底面411，再经杯形实体41曲的反射曲面413全反出射。不同角度的光线，在长方形基底21的传输路线不同，出光位置也不同。因此，从长方形基底21的入光侧表面的不同位置入光、不同发散角的光线，从出光单元4的出光面42出射。当杯形实体41为微型结构时，杯形实体41出光面411的间隙肉眼分辨不出，即人的视觉感知***认为出光单元4的出光面42为均匀出光面。
图7是本发明背光模组的传输装置2内光线走向示意图。从光源1发出的光线在传输装置2内传播，当到达上表面的光线刚好在杯形实体41底面411的范围内，光线就直接进入到杯形实体41内，如光线13，14，15是传输装置2内传播的不同角度的光线，到达杯形实体41的反射曲面413的不同位置，满足全反射条件，经反射曲面413反射，角度经过调整，成为发散角小于杯形实体41的反射曲面413入射角度的较为准直的光线，经出光单元4的出光面42出射。通过调整反射曲面413的各点曲率可以调整出射光的角度范围，以满足不同显示需要。
图8是本发明杯形实体41的纵向剖面，类似于一个杯形，两侧轮廓线为轴对称曲线，此曲线是由有折点的多线段构成，而其中任意的一段可以是直线或者曲线。曲线的切线的斜率k(k＝tanα)随着切点与杯形底面高度差h的增大而变大，如图8(a)是由一段曲线和一段直线构成的反射曲面轮廓线，而图8(b)是由三段直线构成的反射曲面轮廓线。在图8(b)中折点A处相交的线m与线n，水平方向的角度分别为α1、α2，且α1≠α2，同样，在B点相交的线l和线m与水平方向的夹角分别为α3、α4，且α3≠α4。并且这些杯形实体41的纵切面的切线与下底面相交点的夹角α范围是10°～50°。这样的反射曲面413可以将进入杯形实体41的较大发散角光束经全反射角度调整为较小发散角的光束。
图9是具有两个光源1的方案中光线走向示意图。将图4中的反射装置3替换为一个光源1，两端的光源1发出的光相向在传输装置2的长方形基底21内传播，不同入光位置和不同角度的光线进入不同的杯形实体41经准直后出射。图9中所示的是到达同一个杯形实体41的不同光源发出来的光线走向示意图，两光线经反射曲面413的全反射准直后的光束从出光单元4的出光面42以较小角度出射。
如图10所示，两个光源1可以放置在长方形基底21的两个相邻侧表面，在放置光源1的侧表面相对的侧表面放置两个反射装置3。每个光源1和与其相对的反射装置3就构成了一个和图4具有同样准直功能的结构，而两个垂直方向传输的准直结构之间没有相互干扰，独立工作，因此，这样的双光源1结构在图4单光源准直背光的基础上，出光能量得到增强。
图11是四个光源1的实施例方案示意图。与图9方式类似，可以将传输装置2的长方形基底21的四个侧表面都放置光源1，这样可以提高准直背光的亮度，从而满足更高亮度显示器的需求。
准直背光模组用于液晶显示器如图3所示，将准直背光模组放置于液晶盒31的入光一侧，从准直背光模组出射的光发散角度可控制到约±30°，此小发散角光束进入液晶盒31，首先通过仅使沿一个方向振动的光透过的偏光片，及用于彩色显示的彩色滤光片，光束变成不同位置的三色(或四色)线偏振光。通过控制电路在两块玻璃基板所设置的透明导电膜之间施加电压，则夹于玻璃基板的液晶取向会随之发生变化，配合以取向膜偏光片的作用，从而调节光通过或者遮断，实现显示不同色彩不同灰度画面的需求。

Claims (8)

1.一种用于液晶显示器的背光模组，包括光发生装置和光传输装置，所述的光发生装置包括至少一个光源，所述的光传输装置包括具有六个平面的长方体基底，所述的长方形基底包括上表面、下表面和四个侧表面，所述的光源设置在任一所述的侧表面旁，其特征在于所述的长方形基底的上表面设置有由多个杯形实体组成的出光单元，所述的出光单元包括出光面和入光面，所述的杯形实体由顶面、底面和位于所述的顶面与所述的底面之间的反射曲面组成，所述的底面与所述的上表面重合，所述的出光面由所有的顶面组成，所述的入光面由所有的底面组成，相邻的所述的杯形实体的顶面相接，相邻的所述的杯形实体的底面互不相接，相邻的所述的底面之间的上表面与空气直接接触，所述的反射曲面相对于所述的杯形实体的中心轴线轴对称，所述的反射曲面的轮廓线由多线段构成。
2.如权利要求1所述的一种用于液晶显示器的背光模组，其特征在于所述的长方体基底和所述的出光单元为光学上的一体结构。
3.如权利要求1所述的一种用于液晶显示器的背光模组，其特征在于所述的杯形实体的横截面轮廓为圆形，相邻两个杯形实体的顶面相切。
4.如权利要求1所述的一种用于液晶显示器的背光模组，其特征在于所述的杯形实体的横截面轮廓为六边形，相邻两个杯形实体的顶面共用一条边。
5.如权利要求1所述的一种用于液晶显示器的背光模组，其特征在于所述的反射曲面的轮廓线底部的切线与所述的底面的延长线的夹角为10～50°。
6.如权利要求1所述的一种用于液晶显示器的背光模组，其特征在于所述的光发生装置是一个光源或设置在两个相邻侧表面旁的两个光源，在与所述的光源的位置相对的侧表面旁设置有用于将所述的光传输装置中未被完全利用的光线反射回所述的光传输装置的反射装置。
7.如权利要求1所述的一种用于液晶显示器的背光模组，其特征在于所述的光发生装置是设置在两个相对的侧表面旁的两个光源。
8.如权利要求1所述的一种用于液晶显示器的背光模组，其特征在于所述的光发生装置是设置在四个侧表面旁的四个光源。
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