多層集成背光照明裝置的制作方法

專利名稱：多層集成背光照明裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于顯示器的背光裝置技術以及釆用該裝置的液晶顯示器。具
體地，本發明涉及一種具有固體光源的液晶顯示器(LCD)背光。
背景技術：
雖然液晶顯示器作為一個緊湊、輕質的替換物替換陰極射線管(CRT)監 視器，在許多應用中液晶顯示器的圖像質量仍不能令人滿意，尤其是當這些裝 置的相對尺寸增加時。大LCD面板，如那些用于膝上型電腦或大顯示器的LCD 面板， 射式的，這樣就需要背光。這種類型的提供光的平面位于LCD面板 后面，弓l導光線射出，射向LCD。
用于背光的傳統方齒柳冷陰極熒光(CCFL)光源、光導板、 一種或多種 類型的增強膜、偏振膜、反射面和其它光調節元件來構成的各種配置。當顯示 尺寸增大時，采用側置的CCFL的傳統平板背光方案越來越不適宜，尤其是當 顯示面積增加時，會對制造中的或熱導致的扭曲敏感。由于低亮度或亮度水平 和涉及顯示尺寸增大時的不均勻的問題，比如用亍數字TV，傳統用于小器件的 光導背光技術愈加受到阻礙。LCD顯示器和其它顯示器和照明應用的現有背光 裝置，常采用平行排列的CCFL組，效斜目對較低。由于需要在LC面板后面 容納CCFL及其支撐膜和表面，這些顯示方案還是較厚的。該CCFL光源本身 就提出了一個需要處理的環境問題，因為這些器件包含一定量的汞。為補償傳 統的基于CCFL的背光的不均勻和亮度問題，許多支撐膜常被插入在背光和顯 示器之間，或排列在顯示器后面，如相對高成本的反射偏振膜。^^f周知，CCFL 的光i普特性弱于其它類型的光源。
面對背光應用中所用的CCFL的固有難點和限制，研究者己被激發去追尋 可選的背光方法。已經提出許多利用發光二極管(LED)的方案。在LED亮度、 色彩輸出、總的性能和繼續降低成本上的近期進展，使得LED、激光器和常規 的固體光源特別有吸引力。然而，因為LED和激光器作為點光源，需要誠的方案去改向和擴散該光線，以得到背光所需的均勻平面光和必需的色彩均勻性。
提供釆用LED的背光照明的一個方法是，采用陣歹鵬剛，如M.Zeiler， J.Hu加er， L.Plotz禾口 H.Ott在題為"Late-News Paper: Optimization Parameters for LED Backlighting Solutions(最新消息LED背光方案的優化參數)"SID 2006文摘 第1524-1527頁的文章里描述的。采用這種類型的方案， 一個包括紅(R)、綠 (G)和藍(B)的LED組的陣列配置為LCD顯示器的背光。兩種類型的組表 示為RGGB和RGB。然而，除了特殊應用外，如一些類型的儀表面板、非常 高檔的監視器和TV面板，由于色彩差、亮度不均勻、高部件數、高熱量和尺 寸需要的問題，陣列排列看上去不是很有希望。
光導已被用來擴散點光源發出的光線，以形成線性光。比如，Kawai等人 的題為"Light Guide, Illuminating Device Having the Light Guide, and Image Reading Device and Information Processing Apparatus Having the Illuminating Device(光導、具有戶腿光導的照明器件、具有戶腿照明器件的圖像讀取器件和 信息處理裝置)"的美國專利No.5，499，112公開了，采用具有沿其長度方向分布的 提取特性的單個光導，使一個或多個LED發出的光線改向到掃描裝置的線性光。
相當大部分的工作旨在達至IJ掛共LED背光的目的。然而，雖然已經提出許 多的方案，但每種類型的方案仍有明顯的固有缺陷，特別是面對標準的膝上型 尺寸或更大的顯示面板的背光的問題。
除這些缺陷外，傳統的解決方案通常不育^寸付高品質顏色成像(LC顯示器
的普遍商品化和接受所需要的)的重大挑戰。色域是一個重要考慮事項，是顯示 器設計師特別感興趣的。常規的CCFL提供一個能被許多應用所接受的色彩質 量的參數，提供了最高達NTSC色域的大約70X。雖然這可以被膝上型電腦和 電腦監視器應用所接受，但是達不到^^TV顯示器的需要。
與CCFL光源相比，由于具有相對較高的光譜純度，LED和其它固體光源 自然地育,提供NTSC色域的100%或更多。為擴大色域，需要三個^多的 不同顏色LED或其它固體光源。當采用LED或其它固體光源時，為支持該擴 大色域，背光裝置中需要有高度混色。對那些成像顯示技術領域的熟練人員來 說眾所周知，采用如紅(R)、綠(G)和藍(B)的LED的固體光源達到較好 水平的色彩均勻性是特別有挑戰性的。采用較大面積光導的傳統背光方案，如 上所述，會提供相對較差的混色。涉及大尺寸顯示器的背光的其它難題包括低成本組裝的需要、光效率、均勻性和緊湊尺寸。傳統LED背光方案達不到滿足 這些附加要求的需要。另外，特別有用的是消除厚大光導板或厚光棒的需要， 這些可能會充分改善均勻性和亮度。
因此，可見需要一種能夠便宜制造、具有最小厚度、和提供均勻性好、高
亮度、高效率的混色(color mixing)的LED背光方案。
在一個實施例中，本發明提供了一種用于LCD顯示器的多層集成背光照明 裝置，該裝置包括為該裝置提供結構和功能支撐的基板；位于該基板上的底 部反射片；位于該底部反射片的開口中、提供點光源的多個固體光源；多個第 一光膜，其具有位于多個固體光源之間的、將點光源改向和擴散為均勻平面光 的光改向區域；多個第二光膜，其具有位于多個固體光源之間的、將點光源改 向和擴散為均勻平面光的光改向區域；將第一和第二光膜連接在一起的連接裝 置；^!寸該均勻平面光的頂部MM片；其中該多個光膜具有O.l-l.Omm的厚度 和50-1200毫牛頓的抗彎剛度。
在另一個實施例中，本發明提供了一種用于LCD顯示器的多層集成背光照 明裝置，該裝置包括為該裝置提供結構和功能支撐的基板；位于該基板上的 底部反射片；位于該底部反射片的開口中、提供點光源的多個固體光源；多個 第一光膜，其具有位于多個固體光源之間的、將點光源改向和擴散為均勻平面 光的光改向區域；多個第二光膜，其具有位于多個固體光源之間的、將點光源 改向和擴散為均勻平面光的光改向區域；有珠子的聚合物層，其位于第一和第 二光膜之間，將這些膜粘接在一起^!寸該均勻平面光的頂部^l寸片；其中該 多個光膜具有O.l-l.Omm的厚度和50-1200毫牛頓的抗彎剛度。
在另一個實施例中，本發明提供了一種用于LCD顯示器的多層集成背光照 明裝置，該裝置包括為該裝置提供結構和功能支撐的基板；位于該基板上的 底部反射片；位于該底部反射片的開口中、提供紅、綠或藍色點光源的多個多 色固體光源；多個第一光膜，其具有位于多個固體光源之間的、將紅、綠或藍 色點光源中的任一個改向和擴散為均勻平面光的光改向區±或；多個第二光膜， 其具有位于多個固體光源之間的、將紅、綠或藍點光源中的任一個改向和擴散 為均勻平面光的光改向區域；多個第三光膜，具有位于多個固體光源之間的、將紅、綠或藍色點光源中的任一個改向和擴散為均勻平面光的光改向區域；粘 接墊，位于第一、第二和第三光膜之間，將這些膜粘接在一起；位于光改向區 域中的多個混色部分，用于改善多色固體光源的色彩均勻性；Ml寸該均勻平面 光的頂部^l寸片；其中該多個光膜具有O.l-l.Omm的厚度和50-1200毫牛頓的抗
彎剛度。
附圖簡述


圖1圖示了本發明的一個多層集成背光照明裝置。
圖2圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖3圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖4A和4B圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖5圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖6A和6B圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖7圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖8圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖9圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖IOA和10B圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖11圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖12圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖13圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖14A和14B圖示了本發明的多層集成背光照明驢的另一個實施例。
圖15A和15B圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖16A和16B圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖17圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
圖18圖示了本發明的多層集成背光照明裝置的另一個實施例。
發明詳細描述
本發明提供了一種集成背光照明裝置，在某些實施例中利用固體光源提供 所需的高度混色和光均勻性，在其它實施例中設計為白光照明。另外，本發明
顯著減小了用于將光擴散至u顯示器的整個可視面的光導板的厚度。本發明的特點在于，提供利用具有擴散區域的多層光膜來均勻照明的背光。這里所用的術 語"多層光膜"和"多層集成背光照明體"可交替j柳。本發明的優點在于，禾傭 固體光源提供顯示器的面背光。本發明的裝置是可升級的，尤其適用于大尺寸 LC面板。比如，本發明提供了一種非常適合顯示應用的背光裝置，尤其適于
LC顯示面板，如用于LCDTV、醫學診斷顯示器、成像顯示器和軍用顯示器等 等。另外，本發明的背光裝置能夠用于固體照明有優勢的其它照明應用。 固體照明
固體照明(SSL)是指一種禾傭發光二極管(LED)、有機發光二極管(OLED) 或聚合物發光二極管而不是電燈絲或氣體為照明源的照明類型。術語"固體"是 指LED里的光從一個固體(如一塊半導體)發出而不是從真空或氣體管中發出 的情形，在傳統白熾電燈泡和熒光燈中光是從真空或氣體管中發出。而不同于 傳統照明的是，SSL發出可見光的同時沒有熱或寄生能量(parasiticeneiBy)消耗。 另外，它的固體屬性提供了更好的抗撞、抗震和抗磨性能，因此大大提高了它 的壽命。
固體照明的優點
能效:相較于傳統光源(常見的家用電燈泡是約9%的效率)的50%以下 的轉化效率，LED作為光源有潛力實現90X以上的轉化效率。因為能把電直接 轉化為光，LED提供了從供給能量產生更多的光而不是熱的希望。這在將來的 全球規模的節能中有重大意義。白色LED已經比白熾光源更有效率(以流明/ 瓦特-lm/W測量)。目前在需要彩色的應用中，如交通信號燈或企業標志，由于 產生的光都被〗柳了，而沒有浪費，SSL顯示出育糧消耗的顯著降低。
壽命長:改革照明IDlk的LED的第二個優點是其會腿到極長的壽命。這一 情況包括兩部分。第一部分稱為"有效壽命"，它是專用的。 一般理解是燈持續 f特定的一段時間，然后熄滅。在燈的*壽命中，光輸出減少，最終燈到了 壽命的"終點"。LED也在整個時間中緩慢減少光輸出，但實際上不會達到其實 際壽命的"終點"。對某些應用來說，會有超過IOO， 000小時光水平未到臨界狀 態。對其它應用來說，會有50， 000小時，仍然約4倍優于普通熒光燈，20倍 優亍家用白熾電燈泡。而且，LED的壽命沒有實際終點。這對于彩飾建m^Z用 和企業形象規劃來說具有重要意義。雖然熄滅的燈有礙美觀，但超過基于LED 的系統的有效*的逐漸變暗不會帶來顯著的負面影響，而且不需要立即維護。堅固性:這沒有可破碎的玻璃或燈絲。LED照明系統本身就能抵抗震動問 題，而且能夠比傳統照明更容易的設計為抵擋幾乎任何極端環境。
低溫性能:雖然已經有抗低溫的燈(金屬鹵化物，HPS),其它燈，特別是
熒光燈，招氐溫下性能不良。實際上LED在較冷的環境中比在室溫下的工作效 "數字控制:當世界數字化時，照明融入這個世界變得日益重要。SSL已經
是一個數字系統，會^多連接其它系統或被精確控制以達到最大性能。
顏色飽和度和光譜:設計一個RGB陣列以制得幾乎任何顏色是可能的，因 為光沒有被過濾或者吸收，結果是更深的顏色飽和度。這也適用于獨立的LED 顏色比如紅色，所述獨立顏色是直接制得的，而不;M過過濾光源中存在的所 有藍光和綠光而制得。另外，RGB光源還可與白光LED光源同時4頓。
光學控制:LED的尺寸是非常小的，它產生的光線以非常窄的束^M。這 意味著光學系統可被設計為非常高效地控制該光線，導致需要更少的光線去執 行某個功能，這反過來就提高了該系統的能效。
低電壓控制:當前SSL系統常常在低電壓DC源下工作，這使得安裝和操 作非常安全。
光改向元件:該光膜具有一個明顯形狀的不連續的單個的光改向元件的圖
案，從而折射了入射光的分布，使得從該膜出射的光分布在更垂直于該膜的可
視側的方向。這些單個的光改向元件更適合形成在TIR表面(觀察側和底部或 非觀察側)之間，可包括一個或者更多的斜面，以垂直于出射面的方向折射入 射光。這些斜面例如可包括在5里想觀察角內改向光線的平面和曲面的組合。同 樣，該表面的曲率，或者該單個光學元件的曲形面積與平面面積的比率以及該 曲面和平面的周邊輪廓，可以變化，從而適合該膜的光輸出分布，并定制用于 和該膜連接的該顯示器件的觀察角。另外，該表面的曲率，或者該單個光學元 件的曲形面積與平面面積的比率，可以變化，從而優化射向該背光或顯示器的 觀察側的光的均勻性。該也可以選擇單個光改向元件的大小和數目以及該單個 光改向元件的表面的曲率，從而產生或多或少的漫射輸出，或者隨機化來自光 源的輸入光的分布，產生更柔和的、更翻寸的光輸出分布，同時保證輸出分布 在相對于該膜的垂直方向的規定的角度區域內。
在光膜的該光改向區域內形成改向元件的該單個光學元件可隨機化，以此來消除液晶顯示器的像素間隔導致的任何干擾。這種隨機化可以包括尺寸、形 狀、位置、深度、取向、角度或該光學元件密度。這消除了利用擴散層消除莫 爾或相似效應的需要。除lfet外，至少某些單個的改向元件可以在該膜上成組 放置，每組中至少某些光學元件具有不同的大小或形狀特征，從而每組共同產 生一個平均大小或者形狀特征，該平均大小或者形狀特征在該膜上變化，以得 到任一個單個改向元件的超出加工誤差的平均特征值，從而消除液晶顯示器的 像素間隔導致的莫爾和干擾效應。另外，至少某些單個光改向元件可相對彼此 以不同的角度取向，從而定制該膜的沿兩個不同軸重新定向/調整光線的能力。
另外，該改向元件的密度也可以隨著與光源的距離而變化。 一般來說，離 光源越近，元件越少，離光源越遠，元件越多。元件的相對大小也隨著與光源 的距離而變化。離光源越特別近，元件越小，越遠，元件越大。此舉可以幫助 得到背光或顯示器的更均勻的照明。
該單個光學元件的光改向面與該膜的光出射面的角度也可以在液晶顯示器 的顯示區域上變化，以針對在光源表面不均勻的光輸入分布，調整該膜的光改
向功能。該光改向區域的單個光學元件在大小、形狀、位置可以變化，禾n/或該
光改向膜的單個光學元件的取向可以變化，從而解決光源劃寸的光分布的變化。 光改向元件的光學元件的性質和樣式也可定制，以優化光改向膜，適應發射出 不同光分布的不同類型光源，比如， 一個樣式用于單^1H丁泡的膝上型電腦，另 一個樣式用于雙燈泡平板顯示器，等等。
更進一步的，提供了光改向膜系統，在該系統中，調節光改向膜的單個改 向元件的取向、大小、位置和/或形狀，以適應背光或其它光源的光輸出分布， 從而在理想觀察角的范圍內，重新定向或調整更多的來自背光的入射光。同時， 背光可包括使光線平行于一個軸的單個改向元件缺陷，光改向膜可包括使光線 平行于和該軸垂直的另一軸的單個光學元件。
另外，內部貼面元件的壁上具有利于光改向的粗糙度參數。尤其是，對用 于提供更均勻照明的重定向光線的改向元件來說，微粗糙度相對于光學平整表 面更為理想。在本發明的一個實施例中，平均粗糙度介于0.2-10微米之間，優
選0.5-5微米之間。在另--個實施例中，光學元件呈圓錐形，離觀察側或光膜或
板的光出射一側越近，圓錐的尺寸越小。圓錐的錐形改向元件的側壁與光膜的
TIR的后邊構成至少一個角度。雖然改向元件形成銳角的頂角，但仍希望光學元件具有鈍角的或平坦的頂部。最有效的夾角是在20-120度之間。在一個tt^
實施例中，該角度在75-105度之間。如果該元件具有平坦的頂部，那么每個側 壁的夾角大約是所述角度的1/2。該角度范圍是對于散裝或基本的光學元件的集 合來說的。換句話說，該光學元件的平坦頂部和或側邊具有第二光學元件，如 棱鏡、邀竟或與之相關的粗f艘，貝何能引用上述弓間范圍之外的夾角范圍。 光提取元件
有很多光改向元件的實施例。光改向元件的基本作用是重新定向另外經由 TIR的光線，從而使得光線從線性光槽或光導板(LGP)劍寸。這可通過很多方 法實現，包括如卜'的(i)孔或有形狀的凹槽形成、模制、壓制或鉆入該膜的非 觀察側。該改向元件10-500微米深，稍微依賴于i刻莫的厚度。雖然應當注意該 光改向元件可設計為與觀察側表面元件或光膜-一起使用，但該元件可和該改向 膜的頂面上的進一步提取器件一起使用。 一旦光線被重新定向為朝著觀察側表 面的方向，可使用其它光膜，比如f劍寸片(體積的和或表面的，不對稱的，全 息的，翻寸粒子，空隙等可以f頓)。本發明中的實施例也可以和至少一個膜一
起使用，i刻莫提供選自下組中的一種功能Ml寸、光準直、亮度增強、光傳播、
光彎曲、前向翻寸、后向翻寸、側翻寸極化、極化循環、光調制、濾光、加強、 尺寸穩定性、層分離。
(ii) 該光膜的光發射部分的處理有助于從該光膜出來的光的提取。表面處
理的類型包括沿著線性光通道的一邊、LGP的觀察面或沿著面對顯示器的表面 形成光提取結構。比如， 一種方法是沿長度方向形成棱鏡結構陣列。使用的微 結構可為棱鏡、錐體、半球體或其它破壞TIR的輪廓分明的幾何結構的陣列。 這些可包括反轉的、作為單個元件形成的或排列成列的頂部或底部^l寸結構。 微結構能夠被模制，或者隨著與光源的距離不同而形成為各種形狀或尺寸。
(iii) 光提取膜元件的應用。Lee等人的題為"Brightness Enhancement Film Using A Linear Arrangement Of Light Concentmtors(使用線性排列的集光器的亮度 增強薄膜)"的共同轉讓的美國專利申請No.20050270798(該專利申請被納入本文 作為參考)描述了一種可用于該光膜的光，部分的可能的光提取元件。可選擇 的是，該光膜的一部分的光，面的特征在于，在其上形成光提取結構。如利 用輥子或其它處理可以模制光膜的一部分，形成光改向微結構。
(iv) 印刷點。沿與其光^l寸表面相對的光膜的底部(baseportion),印刷反射點圖案，可用于朝著觀察側的方向重新定向光線。印刷點可以具有變化的密度 和大小，有助于提供更均勻的光輸出。
也可以使用上述(i)到(iv)的處理類型的組合。光提取元件可以是單個 元件。為提供沿光膜長度方向的均勻的光發射，光提取區域的大小和密度會隨
著與固體光源的距離的變化而變化。例如，光膜的元件化部分(featured portion)
的每一端都有LED光源，光改向元件在M中間的分布密度高于靠向端點的。 或者，光提取元件的分布密度在一個方向上基本是連續的。光改向元件可被模 制、壓紋、壓制、粘附或層壓駄光膜的側面，該側面面向顯示面或其它光輸 出面。
用于本發明的某些實施例中，光提取元件可用在局部區i或，可用于i穀寸亮 斑。不論光源是側發光的或是頂部發光的光源，輸出面都是有些半球形的，向 各種角度^l寸光。其目的在于將亮斑或過亮的照明區域消除或最小化。光提取 或光擴散元件允許某些光發射向觀察者，同時提取光的其它部分，并以角度發 出，從而得到不太亮的點。完成這的方法可包括有助于將光轉向的光學元件。 該元件可大致覆蓋光源，可與光MI寸的輔助方法耳關合。這兩個方法都是亮斑圖 案式的，^!寸的相對值基于亮斑的光強度形成一梯度。
膜材料
典型地，期望得到非常透明的材料，該材料無缺陷，而且大致沒有基于時 間和或環境暴露的顏色變化。可包括添加劑，從而將廣泛條件下的膜中的任何 物理、化學或光學變化最小化。劍莫具有大于85%的邀寸率，更優的是大于90 % 。該膜的另一個期望特征是為各種顯示應用提供指定、溫度和濕度范圍下的良 好的尺寸穩定性。有用的材料包括但不限于聚碳酸酯、PMMA、抗沖改性的 PMMA、光或化學固化的丙烯酸酯、聚酯、環烯、聚酯碳酸酯、聚砜及其共聚 物衍生物。這些材料中的某些材料或其它材料制成的膜可鑄成沒有取向的，也 可以在至少一個方向取向，以改善尺寸穩定性。該鑄造聚合物也可涂在(壓在) 或以其它方式放置在一個單獨的膜上，該膜具有期望性質，或者有助于在鑄膜 上增強該性質。
控制色移
LED和其它類型的固體光源的一個公知問題涉及光譜穩定性和精度，該問 題導致一些量的色移。可提供一個任選的顏色傳感器作為一個或多個光膜提取區域的一部分。顏色傳繊可以用于控帝鵬路中，以補償例如時間、熱、或LED
或其它類型光源之間的加工差異導致的色移。可選的是，可調整最接近特定光 管的像素的圖象數據以,卜償所檢測出的色移。 系統考慮
利用目前已有的許多器件中的任何一個，本發明的光膜能夠提供高水平的
照明，在2000-6000尼特之間或者更高。在高能量水平上，熱累積是LED在一 些應用中的問題。背光裝置能夠提供一個或多個散熱器、冷卻風扇，或其它結 構，以幫助散除操作中的過多的熱量。有利的是，〗頓本發明的裝置和方法時， 散熱元件可沿顯7^器的周邊設置，遠離LCD面板。
現在提及附圖，圖1提供一種多層光膜10，其具有照亮"第一"膜層13和"第 二"膜層14的固體光源11。該光源穿過底部膜層13，部分i4A頂部膜層14。在 另一個實施例中，該光源可穿過這兩個膜。通過在該兩膜之間形成一空氣層16， 粘接墊18用T"幫助提供隔離效果。由于LED易于產生熱，所以期望有一個與 每個光源相連的散熱器19。光提取元件15從一個膜到另一個膜偏移。通過形成 在膜13和14的上和下TIR表面之間的元件， 一個實施例中的光改向元fm供 了氣眼17。該多層光膜10還具有位于該多層光膜10的底部的反射片12。劍莫 可放在另一膜的頂部上，從而在兩個膜之間提供或限出一個空氣層16。通過用 充分大的光輸入面即堆積薄膜的總厚度增加光耦合效率，和通過減小每個光導 膜的厚度使得更多的光擊中光導膜的光改向元件以增加光提取效率，粘接層18 提高了光效。更進一步的，通過減小每個膜的光改向面積，實現了光的空間均 勻性的改善。通過減小每個膜的厚度以保持加工過程中的膜柔韌性，也實現了 加工可行性的改善。
在本文公開的這個和其它實施例中，至少兩個光導膜疊加在一起，每個膜 具有在每個光導膜上的光改向元件。光導膜之間的空隙增強了光導膜表面上的 全內反射(TIR)，所以光能夠在光導膜的表面之間反射，在光擊中光導膜表面 的光改向元件之前沿光導膜傳播。光導膜之間的間隔被最小化，尤其是在光輸 入面，從而使陷入空隙的光最小化。此外，該堆積中的不同光導膜上的光改向 元件可以位于顯示區域的不同區域，以提供空間上均勻的光輸出。換句話說， 在堆積的光導膜上的光改向元件之間沒有重疊。在堆積的光導膜上的光改向元 件之間也可以有重疊，以提供空間上均勻的光輸出。注意，雖然這個實施例中利用粘接劑將光導膜連接在一起，本發明并不限 于此。比如，用于連接膜的其它連接方法包括超聲定位焊或焊接、激光輔助
點焊或定位焊(可利用IR吸收鑄模進一步增強)、i^彖的火焰處理、歸i」焊接
(通過點定位焊或應用于邊緣)、在邊緣上利用熱粘接劑的點定位焊("書籍裝 訂")、邊或點彎曲或加壓、釘、柱和孔、兩個受拉構件之間的螺絲釘。靠近光 輸入面的區域利于粘接，因為這樣可以確保輸入面的膜之間的空隙最小，以最 小化傳入光輸入面上的膜之間的空隙的光。LED可通過光導膜上的孔。對該堆 積頂部的膜來說，該孔可為覆蓋頂部的直通的孔、洞或坑。散熱器有效幫助從
LED帶走熱，提供更長的壽命。
鵬的是，膜13、 14具有50到1200毫牛頓之間的抗彎剛度。更〗她的是， 150到400毫牛頓之間。低于50毫牛頓的剛度難以操作和放入顯示器中。大于 1200毫牛頓的剛度難以繞輥子彎曲，該彎曲是在輥到敏rolltoroll)加工過程中需 要的。該膜或棒的抗彎剛度利用Lorentzen和Wettre剛度測試器16D型測量。 該儀器輸出的是將20mm長38.1mm寬的樣品的懸置的、松開的 端以15度夾 角彎曲離開空載位置所需的力，以毫牛頓為單位。
{爐的是，對膜13、 14的每個來說，厚度在0.1mm到1.0mm之間。更優 選的是，厚度在0.1mm到0.8mm之間。相應的，具有膜13、 14的該多層光膜 10的厚度在0.2mm到2.0mm之間。更{腿的是，具有膜13、 14的該多層:)tj]莫 10的厚度在0,2匪到1.6麵之間。該膜的厚度與所期望的光源的出射面有關。 期望該膜的厚度至少與該光源的出射面的厚度匹配，該膜的厚度更好為光源出 射面的厚度的大約兩倍。另外，本發明的光導膜具有10/1到1000/1的寬高比。
圖2圖示了本發明的多層集成膜10的另一個實施例，其具有多個粘接墊18， 用于在膜13、 14的,長度上提供更均勻的空隙16。這樣的實施例提供了一種 改進光均勻性的最佳設計。注意，該粘接劑可以圖形化。在其它實施例中，粘 接墊18可以是具有很少或沒有粘接性能的聚合物層，作為隔離物。
圖3圖示了本發明的多層集劍莫10的另一個實施例，其具有用于該多層光 膜10的至少一個膜的、含珠子20的聚合物層16。這樣的層提供了膜之間的整 個空隙的控制，而且可以基于珠子M粒20的大小謝亍調整。為提供最好的光 學性能，期望提供折射率與膜13和14大致相同的聚合物層16和珠子20。也可 以調整該珠子濃度，以使散射最小化。在本發明的另外一個實施例中，該珠子能夠提供一些翻狩W翻寸。
圖4A和4B掛共了多層光膜的橫截面圖，其在膜13、 14的光改向區域的 每端具有固體光源11、21。圖4A在一端具有穿過膜13和14的LED11 (白光)， 可以具有一光學工具，光阻戮light bbck)22,從而阻止白皿入膜的一端。在 另一個實施例中，LED穿過較低的膜13，其出射面僅在膜14的厚度平面內。 在這樣的實施例中，不需要任選的光阻器22。在該多層劃莫的另一端，有一個 RGB光源21將)tl寸入該膜中的一個。在一個實施例中，在白光照明膜的頂部 或底部或之間，可以有兩個以上的膜。注意，該多層光膜還可包括校正或調整 光源的亮度和色彩兩者的三色傳感器。雖然未示出，也可提供三層膜，其中RGB 的兩層在白色LED照明膜的每一邊。在這樣的實施例中，可能提供一種具有動 態色彩和動態調光被光源進一步增強的顯示器。
例如，單獨控制白色LED和固體RGB光源是可能的。如有需要，底部膜 光改向區域具有一個混色部分以生成白色。白色LED具有動態調光(dynamic dimming),可以被開/關以調制光強度。彩色LED可控制為f中或更多的顏色。 注意，雖然這個實施例圖示了白色光源在頂部，彩色光源在底部，該結構口J顛 倒或者在每一端有至少兩個射入一個或更多膜層的RBG光源。在另一個實施例 中，淺色LED從至少兩個層的一端刻寸，RGB LED被劃寸到至少一個或更多 的層。優點在于擴大了色域，同時改善了所有顏色的對比度。這些結合動態調 光的能力有助于給顯示器的不同區域提供光控制。這樣的顯示器可以是掛共獨 特照明效果的有源或無源矩陣，或者也具有一般照明應用。該動態色彩控制和 動態調光可以用于每個單獨的光源，或者一個或更多的光源一起成組，由單個 驅動器控制。
圖4B是一個在光改向區域的每一端都具有白色LED光源11的多層光膜。 該多層光膜可從一端或兩端照亮。這個實施例用于具有取決于其關于邊的所處 位置的多個光改向區域的顯示器。如果從一端照亮，該光源隱藏在框架或邊面 板(edge bezel)下面。
圖5是多層光膜的一個實施例，該光膜具有光改向區域，頂部或底部光改 向區域互相偏離。這種實施例用于提供更均勻的光出射面。如果底層的光改向 區土或之間有-溝道(chamel)或者空間以防止串擾，那么具有光改向區域的頂部膜可 以偏置，以覆蓋或隱藏底部膜的光改向區域之間的氣隙，同時底部膜具有通過頂部膜的光改向區域之間的縫或空隙射出光線的照明分布圖。以虛線區域示出
的底部膜13、溝道23 (通 L或部分溝槽)和具有溝道24的頂部膜14形成了一 個多層光膜，其中，溝道23隔離光改向區域，從而最小化該些區域間的光泄漏。 溝道23偏離溝道24。這樣，為改善光均勻性，光改向膜的至少一層覆蓋該底部 膜的溝道23。總的來說，在3tiSA位于該光膜之上的^l寸層之前改善了均勻性。 然后使用一個更高亮度的漫射層以允許更多的光線進入顯示器的其他膜或者 LCD。
圖6A是偏置或交錯多層光膜的端視圖，圖6B是同一光膜的透視圖。在圖 6A中，光膜13和14僅在其各自的層中具有光源11。溝道23或部分溝槽24 分別提供在膜13、 14中。在這個實施例中，頂部膜光源11和薄膜偏置，以幫 助隱藏溝道23和ilj共更均勻的照明。圖6B^it視圖，但具有LED11在頂部膜 14和底部膜13兩者中。頂部和底部膜13、 14再次偏置。在這個實施例中，頂 部溝道示為貫穿的溝道，但另一個實施例具有溝槽或僅僅部分穿透該膜的溝道。
圖7是由幾個模塊多層光改向膜25構成的平鋪顯示器26的頂視圖，提供 兩層膜以幫助將光擴散到更寬的面積上，用于寬屏顯示應用。模塊方法提供了 一種加工小模塊、然后將其平鋪在一起形成更大顯示器的有效手段。在該方法 中，模塊膜25可以平鋪在一起形成不同尺寸的顯示器，該尺寸依賴于平鋪到一 起的模塊數目。
圖8是具有固體RGB光21源的多層膜10的側視圖，該光源分別用紅、綠 和藍中的一個照亮與蟲的層13、 30和14。 RGB顏色的堆積",可結合頂部、 中間鵬部。齡膜都具有一系歹贓光的特定波長上被優化的光改向元件15。 其大小、幾何形狀、深度和密度可以隨期望變化，以優化光均勻性。固體光源 還可以一起或斜蟲驅動。注意，在這個實施例中，混色是在垂直平面上完成的。 散熱器19用于最小化熱累積和幫助確保更好的性能。底部反射片12幫助來改 向光線使之回到膜中，并朝向觀察者。光膜32上的光元件31用于減少LED21 射出的任何亮斑。光膜還可以在觀察側的表面上具有第二光元件，以幫助進一 步鵬寸光線，改善總的光密度和總的均勻性。期望提供一種膜，其中的光元件 大致排列為覆蓋固體光源以及光源嵌入其中的空穴。光學圖案可以擴展到膜中 的空穴或洞之外。還應注意的是，該空穴也可以擴展穿過該膜，從而形成一個 洞。在這樣的實施例中， 一個優點是提供了排熱方法，以最小化影響光源性能的熱累積。該膜4雄是透明的，并禾唭他光膜的折射率大致匹配。在另一個實 施例中，膜32可以包括^l寸裝置。該MI寸可以是表面的和或是整體的。該漫射 可由顆粒、珠子或氣孔完成。表面可涂敷一顏料或珠子層，以進一步幫助光線
的光學操縱。另外，盡管沒有圖示，膜32可以包括不止一層。例如，該膜可以
共擠塑或聯合注入模制成不止一層。每層可以具有不同的功能(光學的和或物 理的)。本領域熟知的其他手段也可以用于完成該效果。
圖9是多層光膜10的頂視圖，該光膜的至少一個S莫中具有混色部分43和 串擾溝道14，以在給定溝道內，幫助混合RGB光輸A^LED21。還應當注意 的是，光源可以從光膜的兩端輸入，而且混色部分43可以偏置或者另外交錯。 這樣的實施例允許更好的光分布和均勻性。圖9進一步顯示了 LED21所嵌入的 洞41，其可以以每個洞或者空穴容納不止一個LED21的方式設計。LED21可 以以背對背或并排式的結構排列。
圖10A是多層光膜10的橫截面圖，該，莫具有用于容纟內固體光源的多種凹 坑、溝槽或通孔33設計。在給定的多層光膜內，有至少一種凹坑或溝槽微。 雖然在給定的多層光膜內有不止一種設計，該圖并不意味著所有這些形狀用于 單個膜中。只是畫出以表示多種形狀可以使用。不同的形狀會具有用于控制光 均勻性的稍微不同的印跡。
圖10B是具有兩種不同的光空洞的多層光膜10。 一個是連續溝槽34，而另 一個是空洞或凹坑33。該連續溝槽34在加工和背光35的組裝方面具有優勢，
而單獨的凹坑在提供不同光均勻性分布圖力面具有優勢。
圖11是一個具有底部膜13和頂部膜14和LED11及其結合的散熱器19的
多層光膜IO。該光膜的邊35為錐形或者另夕卜制成斜面，以幫助朝著頂部或者觀 察側的表面重新定向光線36。具有斜面邊的實施例能夠劍共更均勻的照明，尤 其是在背光或顯示器的邊上。
圖12是一個具有底部膜13和頂部膜14和LED11及其結合的散熱器19的 多層光膜IO。該光膜的邊35為錐形或者另外制成斜面，以幫助朝著頂部或者觀 察側的表面重新定向光線36。這里，多個邊35被制成斜面。具有斜面邊的實施 例能夠樹共更均勻的照明，尤其是在背光或顯示器的處。
圖13是一個具有底部膜13和頂部膜14和LED11及其所結合的散熱器19 的多層光膜10。該光膜的邊35為錐形或者另外制j^斜面，以幫助朝著頂部或者觀察側的表面重新定向光線36。注意在至少一個膜內有附加的小顆粒或空洞99， 以進一步幫助光改向。該顆粒或空洞可以在膜層13和14的任一個中或兩個中 都有。在另一個實施例中，該顆粒或空洞可以在光源上方圖案化，以此幫助散 射或其他重新定向光，從而傳播出去，并最小化亮斑。在一個,實施例中， 該顆粒99是有機的，且大致是前向翻寸。注意，本發明可與至少一個Jif共下列
功能的膜聯用，包括Ml寸、光準直、亮度增強、光傳播、光彎曲、前向駒寸、
后向散射、側散射極化、極化循環、光調制、濾光、加強、尺寸穩定性、層分尚。
圖14A是一個具有底部膜13和頂部膜14 (其它實施例可包括不止兩層) 和LED11及其所結合的散熱器19的多層光膜10。該光膜的邊為錐形或者另外 制成斜面，以幫助朝著頂部或者觀察側的表面重新定向光線36。具有第二圖案 化^l寸區域51的漫射膜50位于光膜層14的出射側。光源上方具有第二MI寸區 域的優點是，該區域可調整其漫射性能，以最小化大致在光源上方的亮區。還 應說明的是，該MI寸膜50可以是體積^I寸體或者表面MI寸化也可以具有某些 不對稱性能。該i融寸可由顆粒、珠子、空隙或其他本領域熟知的手段或者其組 合得到。該^l寸區域51可具有略寬于LED及其結合的洞或空穴的印跡。
圖14B是與圖14A類似的另一個實施例，但具有位于光洞或空7U:方的珠 子、顆粒或粗糙圖案。在這個方法中，附加一空氣層，以進一步幫助燈上方的 光f劍寸，從而獲得均勻的光分布圖。
圖15A是多層光膜10的另一個實施例，該光膜具有一個置于其頂部的^l寸 層50。該^l寸層50用于幫助提供在整個出射面的更均勻的光。
圖15B是具有光結構53的另一個實施例，該結構形成在至少一邊，且在光 源上方。通過將光指向更寬的印跡，該光結構53有益于減少光，從而最小化光 源的亮斑。這樣的光結構可以大致在全部前向方向上或優于其他方向的一個方 向上傳播光。該光結構53可包括任意糊犬或其組合，以提供在旨背^Lh大致 均勻的光。該結構的高度分布可以是均勻的，或者可以變化，密度也可以變化， 以適應亮斑。可采用多種多面形狀，包括小透鏡、三角形、弧形或變化斜坡 及其它。也可采用表面打毛。該光元件可以突出到膜14的表面外和或突出到內 部。在任一情況中，具有比如聚合物、有機和無機材料的材料的區域、和空氣 的區域。圖16是多個模塊多層光改向膜25構成的，甫顯示器26的頂視圖，該膜是 一層狀膜，以幫助在寬屏顯示應用的寬區域上傳播光。在水平的和豎直的兩個
平面中都有區域61在LED上方和模±央之間，其具有與光改向區域上面的區域 不同的光密度分布。圖16B提供了一個具有更均勻照明的區±或。該改向區域是 大致垂直的元件63 gM角度的或其它傾斜的元件62，以提供受控的離軸傳輸到 出射面的光線。在這種方式中，模±央之間的區域可具有更均勻的照明，減少亮 斑。該模塊方法提供了一種加工小模塊、然后將其，S在一起形成更大顯示器 的有效手段。在該方法中，模i央膜可以平鋪在一起形成不同尺寸的顯示器，該 尺、士依賴于平鋪到一起的模塊數目。通過設計該光改向元件，以提供某些離軸 光到模塊之間的區域，從而提供了一個更令人滿意的背光。
圖17是一個多層光膜10，其具有大致分離的層，白光源65射入層66， RGB 光源21分別射入層13、 30和14。該白光和RGB光源可以以任意組合堆積。 雖然該圖表示光源占據同一個洞或者空穴33，其它實施例提供了在不同的洞或 者空穴33的這些光源。另外，注意該光,PJ以設置成在不止一個方向劍寸光的 方式。在一個實施例中，光源的光發射面小于單個光層的厚度。光源和輸入面 的高度比在0.75/1到0.1/1之間。如果光輸入面67上放置一4SHI竟或其它光結 構，上述比率可能會改變，以得到更高的光輸入效率。光源可以以多種組合驅 動，包括全開、全關、任意組合的任意數量開或關，^if共一個可調制信號， 以改變光源強度為任--個或者所有光源。散熱器19可以與光源連接，以幫助將 熱量傳導離開該光源。另外，在光源或散熱器的內部或周圍環流氣體或液體的 方式也可以用于控制背光中的熱量注意，雖然該實施例描述為光或波導膜或 層，另外的實施例可以利用具有-.個或多個光導板的一個或多個光導層。
圖18是單獨或組合用于多層光膜的單個膜層的橫截面圖，其具有帶有光輸 入面102的光分布膜(層)101 。該光輸入面應當等于或大于LED光劃寸面103， 從而耦合更多的，入該膜，獲得更高的光效。在凹坑畫處有一個具有光發 射區域104的側發光光源(LED) 103。該光源固定在PCB板105上，以幫助 電連接以驅動該光源，也幫助將熱量傳導離開該光源，最小化凹坑106內部的 任何累積。該凹坑足夠大以容納PCB和LED的熱膨脹。另外，在光分布膜101 的觀察側、在LED103以及凹坑106的全部或部分上有另外的凹坑或凹陷區域 107。通過在該膜的頂部提供一個凹陷區域，任意光阻器或光反射片108具有一
19個相對于光分布膜的大致平坦的、水平的或平面的分布。任意位于光分布膜的 觀察偵啲薄膜因而具有更均勻的光輸入分布，并導致該液晶面板的更均勻亮度。 該反射片材料可以是單個反射片或反射膜。該反射片108可以是雙面或單面反 射。這是幫助控制光源刻寸的亮斑。該反射片羅的任一個面或者兩面可以是 反射的或^l寸的或者其組合。在另一個實施例中，該反射片108也可以具有一
些受控的光孔或泄漏，以此方式幫助該反射片108上的光分布，從而提供更均
勻的照明。完成這的一個方式是在該反射片內提供小孔樣的非連續性。這可以 由多種圖案化該反射片、印刷非連續性圖案、打孔該反射涂層和或支撐的方式
達到。雖然層108稱為反射片，它也可以是漫射膜(體積的，全息的，表面的 或其組合以及不對稱的)。它也可以在至少一iii:具有透鏡樣的結構，以助于光 散布或準直。在另外的實施例中，為了控制亮斑，但最大化朝著觀察側的光量 和均勻性，用在層108中的材料可包括極4撥置(包括反射極化)。
圖18進一步的在LED [鄰亢106的觀察面上包括光改向元件109。光改向元 件109覆蓋LED103的光劃寸面104和光再分布膜的光輸入面102之間的空間。 光改向元件109可以為，例如，棱鏡結構陣列、錐狀結構陣列、負檳ffl鏡陣列、 非常高功率的正微透鏡陣列或者翻寸面。它們可以是成列的或單獨的元件，且 其密度、大小或形狀可以隨著光源的光對寸分布變化，該光源沒有以期望的TIR 角度沿著該光改向元件射入該膜中。該光源位于其中的該凹坑或空穴也可以在 LED凹坑106的與該光輸入面102相對的表面上具有一^M4坡或角度110。提 供一個稍大的凹坑是有效的，能夠更好的控制該凹坑內的熱量。底部反射片lll 覆蓋整個光再分布膜，以再循環從底部反射片111和液晶單元之間的所有其它 光學元件反射的光線。底部反射片111內的洞112穿過該LED 102。該洞足夠
大，以容納PCB和LED的熱膨脹。另外的反射材料113可以層壓或附著于與 該LED103相鄰的PCB 105上，以在該底部反射片內的洞112的區域上提供充 分的光再循環。該LED凹坑106的邊114可以傾斜或者圓形的(rounded)，從而 為該光再分布膜101的銳邊Jif共應力消除。該傾斜角可以足夠小，這樣在該光 再分布膜101的表面上光仍然滿足全內部反射^f牛。
權利要求
1. 一種用于LCD顯示器的多層集成背光照明裝置，包括為該裝置提供結構和功能支撐的基板；位于該基板上的底部反射片；位于該底部反射片的開口中、提供點光源的多個固體光源；多個第一光膜，其具有位于多個固體光源之間的、將點光源改向和擴散為均勻平面光的光改向區域；多個第二光膜，其具有位于多個固體光源之間的、將點光源改向和擴散為均勻平面光的光改向區域；將所述第一和第二光膜連接在一起的連接裝置；漫射所述均勻平面光的頂部漫射片；以及其中該多個光膜具有0.1mm-1.0mm的厚度和50-1200毫牛頓的抗彎剛度。
2. 如權利要求1所述的背光照明裝置，其特征在于，它進一步包括用于所 述多個固體光源的散熱器。
3. 如權利要求1所述的背光照明裝置，其特征在于，它進一步包括位于所 述底部反射片的幵口中、提供第二點光源的多個多色固體光源。
4. 如權利要求1所述的背光照明裝置，其特征在于，它進一步包括校正或 調整該點光源的亮度和色彩兩者的三色傳感器。
5. 如權利要求1所述的背光照明裝置，其特征在于，所述光改向區域的末 端具有助于該點光源的擴散的削邊。
6. 如權禾腰求1戶艦的背光照明裝置，其特征在于，它進一步包括位于該 光改向區域之間的溝槽，以淵沙戶腿光改向區域之間的漏光。
7. 如權利要求所述6的背光照明裝置，其特征在于，所述第一光膜的溝槽與所述第二光膜偏置。
8. 如權利要求1所述的背光照明裝置，其特征在于，它進一步包括位于頂 部MI寸膜中的圖案化的ill寸區i或。
9. 一種用于LCD顯示器的多層集成背光照明裝置，包括為該裝置提供結構和功能支撐的 ; 位于該基板上的底部反射片；位于i繊部反射片的開口中、提供點光源的多個固體光源； 多個第一光膜，其具有位于多個固體光源之間的、將點光源改向和擴散為 均勻平面光的光改向區域；多個第二光膜，其具有位于多個固體光源之間的、將點光源改向和擴散為均勻平面光的光改向區域；具有珠子的聚合物層，其位于所述第一和第二光膜之間，將這些膜粘接在 —起；Mi寸戶;M均勻平面光的頂部ifi寸片；以及其中該多個光膜具有0.1mm-1.0mm的厚度和50-1200毫牛頓的抗彎剛度。
10. —種用于LCD顯示器的多層集成背光照明裝置，包括 為該裝置提供結構和功能支撐的基板； 位于該基板上的底部反射片；位于該底部反射片的開口中、提供紅、綠或藍色點光源的多個多色固體光源；多個第一光膜，具有位于多個固體光源之間的、將紅、綠或藍色點光源的 任一個改向和擴散為均勻平面光的光改向區域；多個第二光膜，具有位于多個固體光源之間的、將紅、綠或藍色點光源的 任一個改向和擴散為均勻平面光的光改向區域；多個第三光膜，具有位于多個固體光源之間的、將紅、綠或藍色點光源的 任一個改向和擴散為均勻平面光的光改向區域；粘接墊，位于所述第一、第二和第三光膜之間，將這些膜粘接在一起； 位于光改向區域中的多個混色部分，用于改善多色固體光源的色彩均勻性;^!寸戶;M均勻平面光的頂部^i寸片；以及其中該多個光膜具有O.lmm-l.Omm的厚度和50-1200毫牛頓的抗彎剛度。
全文摘要
本發明提供了一種用于LCD顯示器的多層集成背光照明裝置，包括為該裝置提供結構和功能支撐的基板、位于該基板上的底部反射片和位于該底部反射片的開口中、提供點光源的多個固體光源。本發明進一步提供了具有位于多個固體光源之間的、將點光源改向和擴散為均勻平面光的光改向區域的多個第一光膜，和具有位于多個固體光源之間的、將點光源改向和擴散為均勻平面光的光改向區域的多個第二光膜，以及將第一和第二光膜連接在一起的連接裝置。進一步的，本發明提供了一種漫射該均勻平面光的頂部漫射片，其中該多個光膜具有0.1mm-1.0mm的厚度和50-1200毫牛頓的抗彎剛度。
文檔編號F21V13/00GK101509623SQ20091012679
公開日2009年8月19日 申請日期2009年1月15日 優先權日2008年1月15日
發明者J·C·部魯爾, P·T·阿伊沃德, R·P·布爾德拉斯, 琪 洪 申請人:羅門哈斯丹麥金融有限公司