CN106842411B - 一种薄形化导光结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄形化导光结构，包括入射光源、入光侧光耦合结构和导光结构主体，所述导光结构主体包括导光板，所述入光侧光耦合结构包括设置在导光板前端部的上倒角面和下倒角面，所述上倒角面和下倒角面的夹角为α，下倒角面与导光板下表面延长线的夹角为β，下倒角面下端点与上倒角面上端点的连线，该连线与导光板上表面法线的夹角为θ3，所述导光板前端部为导光板短边所在，所述入射光源斜置在导光板下倒角面的正下方，入射光源与下倒角面之间的间隙旁侧贴有减少光线漏出的反射片。本结构能有效降低导光板厚度。

Description

一种薄形化导光结构

技术领域

本发明涉及一种薄形化导光结构。

背景技术

近年来，液晶显示技术由于其产品体积轻薄、占用空间小、辐射低等优点,逐渐替代了传统的阴极射线管显示技术，占据了平板显示产品的主流。LCD(液晶显示器件)是一种非自发光显示器。背光模组作为LCD光源的提供者，其性能的好坏直接影响显示器的显像质量，是LCD的重要组成部分。而导光板作为背光模组中光线传播的媒介，其网点排布、外形结构以及材料属性决定了背光源的可视区域亮度、均匀性及光效。导光板进行优化设计对降低制作成本，提高现象品质有重要作用。因而，对背光源导光结构的优化研究有利于提高LCD整体质量、降低制作成本，对实际生产有一定指导作用。

按照光源的位置不同可将背光模组划分为直下式和侧入式两类。在直下式背光模组中，光源位于出光面正下方。光线经过扩散板的扩散及混光作用后，以均匀面光源的形式出射。因为需要一段混光距离，直下式模组相比而言较厚；在侧入式背光模组中，光源位于导光板一侧或者多侧，从侧边进入的光线经过导光板的调制作用称为面光源。相对直下式背光源来说，侧入式背光源拥有轻量、薄型、低耗电的特色。尽管直下式LED背光源色彩还原性好，但成本较高、光均匀性较差。因而，目前中小尺寸背光模组多采用LED侧入式背光源。

对于侧入式LED背光模组的研究主要集中在模组的结构设计和导光板设计上。在侧入式背光模组的生产技术中，为降低成本、减小背光模组的厚度、提高背光源的光源利用率和导光板显示区域的出光性能，需对背光模组结构及导光板设计不断改进。在背光模组结构中，为提高出光效果不断与反射膜、扩散膜、反射边膜、反射腔以及导光板表面磨砂等技术相结合，使得背光模组设计更加复杂，生产工艺也更为繁琐，降低了生产效率，一定程度上加大了背光模组的生产成本。

为提高光能利用率，同时进一步实现液晶显示器的薄型化，许多研究者对背光模组中导光板结构以及光学膜片做了研究。张志伟等提出拼接菱形光源下置的导光板结构，能使光源的光线经由导光板而均匀地射出， 提升整体的亮度均匀性， 解决了现有背光模组因薄型化造成亮暗不均的问题。郭伟等提出导光板的入光面为圆弧形， 并且所述导光板的上表面与下表面上靠近入光面的一侧分别设置第一斜面与第二斜面。提高了光线利用率， 提升了光线耦合效率。 因此在不损耗光线耦合效率的情况下， 可以将导光板的导光部的厚度做得更薄， 有利于导光板的薄型化设计。并且他们还提出导光板的入光侧面上下组合形成呈现喇叭口形状的楔形体， 这种设计能够有效减小导光板的厚度，以满足液晶显示装置薄型化的要求。黄炳乐等提出了导光板网点平均密度范围的最优化研究，提高了网点优化设计的效率。为了尽可能多地耦合光能以提高光线利用率， 研究中运用的 LED光源截面宽度均小于导光板厚度。因为只要LED光源截面宽度大于导光板厚度，光源光能就有一部分不能进入到导光板中，这样不仅造成了能量利用率低下， 而且会出现漏光现象， 影响对比度。这就意味着，传统侧入式 LED背光模组中导光板的厚度不能随着导光板的薄型化要求无限变小。侧入式液晶显示器中导光板的进一步薄型化实际上受到了发光源截面宽度的制约，即在保证光效率和对比度的前提下，导光板的厚度必须比发光源截面宽度大。

有鉴于此，现有的液晶显示器(LCD)背光模组大多采用侧入式发光二极管(LED)作为背光源， 其要求导光板厚度始终大于LED发光截面宽度。根据这种情况从而提出一种用于侧入式LED背光模组中导光板结构设计。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种薄形化导光结构，从LED入光侧结构进行改变，为了不减少LED的尺寸厚度，将原来直立式的LED斜躺与导光板下底面成一定的角度。利用几何算法和光学原理对该模块进行设计，使入光侧导光板形成特定的几何结构让光线进入导光板当中大部分能进行全反射。该结构的导光板光能利用率相对于传统结构的导光板得到明显的提高，同时也实现了导光板薄型化的目的。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种薄形化导光结构，包括入射光源、入光侧光耦合结构和导光结构主体。所述导光结构主体包括导光板，导光板的主要材质为PMMA树脂，该材质的导光板的全反射角度为43°，所述入光侧光耦合结构包括设置在导光板前端部的上倒角面和下倒角面，所述上倒角面和下倒角面的夹角为α，下倒角面与导光板下表面延长线的夹角为β，下倒角面下端点与上倒角面上端点的连线，该连线与导光板上表面法线的夹角为θ3，所述导光板前端部为导光板短边所在。所述入射光源斜置在导光板下倒角面的正下方，入射光源与下倒角面之间的间隙旁侧贴有减少光线漏出的反射片。该新型结构通过调节导光板的厚度和α、β角度以及特定的结构，在满足光线高效的利用率情况下使导光板尽可能减少厚度。

进一步的，所述入射光源与下倒角面的间距为0.1mm，下倒角面的宽度大于或等于入射光源的宽度，尽可能让光线进入到导光板里面，所述入射光源呈直线型均匀排布在下倒角面的正下方。

进一步的，所述下倒角面为使光线折射进入导光板的斜切平面、或为使光线聚集的凸透镜、或为使光线发散的凹透镜、或为使光线在导光板内发生全反射的自由曲面。

进一步的，为使从上倒角面反射到下倒角面和导光板下表面的光线能发生全发射，所述上倒角面为斜切平面、凸透镜、凹透镜或自由曲面。尽可能提高光线的利用率。

进一步的，在上倒角面设计上，到达上倒角面的光线不一定达到全反射的角度，为了使光线能反射到导光板，所述上倒角面上配置有反光层。

进一步的，光线从下倒角面直接射到导光板上表面，光线与导光板上表面的法线夹角需大于或等于全反射角θ_全，所述θ3角度由下式确定：

θ3≥θ_全=43°。

进一步的，所述β的角度限定为0°≤β<43°。

进一步的，所述上倒角面与下倒角面的夹角α由下式确定：，所以α角度设定为，43°≤α≤64.5°。

进一步的，所述导光板的厚度与角度的推导关系根据下式来确定：

H=

其中，L为下倒角面入射光源光线入射面的宽度，H为导光板的厚度，根据该公式来调节各个角度来减少导光板的厚度，且提高光线在导光板当中的利用率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本结构从LED入光侧结构进行改变，为了不减少LED的尺寸厚度，将原来直立式的LED斜躺与导光板下底面成一定的角度。利用几何算法和光学原理对该模块进行设计，使入光侧导光板形成特定的几何结构让光线进入导光板当中大部分能进行全反射。该结构的导光板光能利用率相对于传统结构的导光板得到明显的提高，同时也实现了导光板薄型化的目的。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明第一初始结构中导光结构主体、光耦合结构空间位置示意图以及光耦合结构角度计算示意图及光线在导光主体中进行全反射的示意图。

图2为本发明第一初始结构中光耦合结构角度计算示意图。

图3为在本发明第二初始结构光耦合结构空间位置示意图，将下倒角面设计为凸透镜设计图。

图4为在本发明第三初始结构光耦合结构空间位置示意图，将下倒角面设计为凹透镜设计图。

图5为在本发明第四初始结构光耦合结构空间位置示意图，将上倒角面设计为凹透镜设计图。

图6为在本发明第五初始结构光耦合结构空间位置示意图，将上倒角面设计为自由曲面。

图7为本发明第一初始结构左视图。

图8为本发明第五初始结构左视图。

图9为本发明第一初始结构的整体导光结构的三维建模图。

图中：1-下倒角面，2-上倒角面，3-导光板上表面，4-导光板下表面，5-入射光源（LED芯片），6、7-反射片，8-反光层，9-自由曲面状的上倒角面，10-自由曲面状的反光层，11-导光板后端面，12-导光板左侧面，13-导光板右侧面，14-凹透镜状的上倒角面，15-凸透镜状的下倒角面，16-凹透镜状的下倒角面。

具体实施方式

实施例一：如图1~9所示，一种薄形化导光结构，包括入射光源（LED芯片）5、入光侧光耦合结构和导光结构主体，所述导光结构主体包括导光板，所述入光侧光耦合结构包括设置在导光板前端部的上倒角面2和下倒角面1，所述上倒角面和下倒角面的夹角为α，下倒角面与导光板下表面延长线的夹角为β，下倒角面下端点与上倒角面上端点的连线，该连线与导光板上表面法线的夹角为θ3，所述导光板前端部为导光板短边所在，所述入射光源斜置在导光板下倒角面的正下方，入射光源与下倒角面之间的间隙旁侧贴有减少光线漏出的反射片6和7。

在不减少LED光源尺寸的基础上，将LED光源进行斜躺放置，并设计与之相匹配的光耦合结构导光板，保证光线更集中的到达导光板入光侧并发生全反射，从而有效降低导光板的厚度实现整个背光结构的薄形化。斜躺式LED光耦合结构如图1所示，在其中包括下倒角面1、上倒角面2、反射片6和7、导光板上表面3和导光板下表面4。如图9所示，在其中包括导光板左侧面12、导光板右侧面13和导光板后端面11。在结构内表面的设置加以一定的设定，设置下倒角面1、导光板上表面3和导光板下表面4为光线全透过，导光板左侧面12、导光板右侧面13和导光板后端面11为全吸收。光线进入导光板当中，在其中光线与导光板内表面法线成一定角度不停的发生全发射，在导光板下表面4未加入点阵之前光线的全发射不曾被破坏直至被导光光板左表面12、导光板右侧面13和导光板后端面11吸收。

为了实现导光板的出光效果最高，设计时必须尽量满足所有的光线进入导光板时都发生全反射，此时可以的利用的光线必然是最多的，光效也是最高的。因此，必须研究，如何通过调整薄形化导光板光耦合结构的关键参数，包括：光耦合结构的形貌结构特征，以及结构的表面处理等，使得导光板的厚度既能够有效减小，同时又能够保证其较高的出光光效。

考虑到光线从下倒角面进入导光板中并使光线在其中全反射，如图1中光线的全反射的情况，设置各个衔接面之间的角度的设计。分三种情况说明：第一种情况到达上倒角面2，并反射至下倒角面2的光线。第二种情况直接到达导光板上表面3的光线。第三种情况到达上倒角面2，并反射至导光板下表面4的光线。

如图1所示，根据光路可逆原理，θ1为全反射角，即由空气入射导光板的光线与导光板下倒角面1的法线夹角为90°，所以θ1为入射到导光板内部的最大角度，即导光板的全反射角。若此光线正好与导光板上倒角面2的法线垂直，上倒角面2贴上了反光层8，光线经上倒角2面反射后，光线到达下倒角面1与下倒角面1的法线的夹角为导光板的临界角，若将α角减小，光线经过上倒角面2反射后，到达下倒角面1的光线与下倒角面1的法线的夹角变小（小于全反射角θ_全 ），则光线会从下倒角面1出射。若将α角增大，则光线经上倒角面2调制后，到达下倒角面1与下倒角面1的法线夹角将变大（大于全反射角θ_全 ），则可满足全反射定律。条件：

如图2所示，θ3是下倒角面2上的光源发出的光线，到达导光板出光面与导光板上表面法线所呈角度最小的光线，若θ3能够大于导光板的临界角，则由光源发出、到达导光板出光面的所有光线都能够在导光板上表面发生全反射。则：

如图2所示，考虑光线入射上倒角面2，反射至导光板下表面4的情况。图中上倒角面2、下倒角面1和导光板下表面4处的虚线分别为三个平面的法线，则上倒角面2的法线与下倒角面1的法线相交为180-α。若θ5减小1°，α角、β角不变，则θ6角减小1°，2倍θ6角减小2°，则90-θ7减小1°，θ7增大1°。所以当θ5=θ_全时，θ7达到最小值，若θ7的最小值都能满足全反射条件，则光线入射上倒角面2，反射至导光板下表面1的情况都能够满足全反射定律。如图可得公式：

若要满足全反射定理，则θ3要大于90°，整理得：

如图1所示，LED芯片5位于下倒角面2正下方，两者距离h1非常近，h1为0.1mm。通过光学仿真的方法，LED芯片5与导光板间隙漏光相对比较严重，占总的漏光率中有很大的比重。如图1所示，为提高光线利用，在间隙两侧贴上两片档光片6、7，使从将光线漏掉光线利用起来。

实施例二：由于要将导光板的厚度尽量做薄，甚至小于LED芯片的自身宽度，同时要求提高光效。在满足基于发明实例一中的情况下无法达到理想的导光板的厚度和光效利用率。从实际漏光情况出发，接近上斜面顶部约1/3段对底面漏光的贡献非常小。基于实例一的条件和原理，通过实例二三四五调节光耦合结构来降低导光板的漏光率。如图6，将光耦合结构设计成自由曲面9，于此同时在自由曲面上贴上一层反光层10，使从LED芯片5射出光线，进入导光板中到达上倒角面2的光线，根据光线到达上倒角面的位置不同设计该位置的弧度使反射出来到导光板内部的光线在其中全发射。为使光耦合结构方便加工，直接设计光耦合结构为圆弧型，设定下倒角面的顶点与导光板上表面的顶点为光耦合结构起始和末尾点，根据上述公式使光耦合结构起始点以一定的切线角度设定。在导光板达到1.3mm厚度时候，光线的利用率可以达到95%。在实现薄型化的目的，也能达到光线高效的利用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种薄形化导光结构，其特征在于：包括入射光源、入光侧光耦合结构和导光结构主体，所述导光结构主体包括导光板，所述入光侧光耦合结构包括设置在导光板前端部的上倒角面和下倒角面，所述上倒角面和下倒角面的夹角为α，下倒角面与导光板下表面延长线的夹角为β，下倒角面下端点与上倒角面上端点的连线，该连线与导光板上表面法线的夹角为θ3，光线从下倒角面直接射到导光板上表面，光线与导光板上表面的法线夹角需大于或等于全反射角θ_全，所述θ3角度由下式确定：θ3≥θ_全=43°，0°≤β<43°：所述上倒角面与下倒角面的夹角α由下式确定：，所以α角度设定为，43°≤α≤64.5°，所述导光板的厚度与角度的推导关系根据下式来确定：H=

其中，L为下倒角面入射光源光线入射面的宽度，H为导光板的厚度,根据该公式来调节各个角度来减少导光板的厚度，且提高光线在导光板当中的利用率，所述导光板前端部为导光板靠近光源侧所在，所述入射光源斜置在导光板下倒角面的正下方，入射光源与下倒角面之间的间隙旁侧贴有减少光线漏出的反射片。

2.根据权利要求1所述的薄形化导光结构，其特征在于：所述入射光源与下倒角面的间距为0.1mm，下倒角面的宽度大于或等于入射光源的宽度，所述入射光源呈直线型均匀排布在下倒角面的正下方。

3.根据权利要求1所述的薄形化导光结构，其特征在于：所述上倒角面上配置有反光层。