本發(fā)明涉及一種薄形化導光結構。

背景技術：

近年來，液晶顯示技術由于其產(chǎn)品體積輕薄、占用空間小、輻射低等優(yōu)點,逐漸替代了傳統(tǒng)的陰極射線管顯示技術，占據(jù)了平板顯示產(chǎn)品的主流。LCD(液晶顯示器件)是一種非自發(fā)光顯示器。背光模組作為LCD光源的提供者，其性能的好壞直接影響顯示器的顯像質量，是LCD的重要組成部分。而導光板作為背光模組中光線傳播的媒介，其網(wǎng)點排布、外形結構以及材料屬性決定了背光源的可視區(qū)域亮度、均勻性及光效。導光板進行優(yōu)化設計對降低制作成本，提高現(xiàn)象品質有重要作用。因而，對背光源導光結構的優(yōu)化研究有利于提高LCD整體質量、降低制作成本，對實際生產(chǎn)有一定指導作用。

按照光源的位置不同可將背光模組劃分為直下式和側入式兩類。在直下式背光模組中，光源位于出光面正下方。光線經(jīng)過擴散板的擴散及混光作用后，以均勻面光源的形式出射。因為需要一段混光距離，直下式模組相比而言較厚；在側入式背光模組中，光源位于導光板一側或者多側，從側邊進入的光線經(jīng)過導光板的調制作用稱為面光源。相對直下式背光源來說，側入式背光源擁有輕量、薄型、低耗電的特色。盡管直下式LED背光源色彩還原性好，但成本較高、光均勻性較差。因而，目前中小尺寸背光模組多采用LED側入式背光源。

對于側入式LED背光模組的研究主要集中在模組的結構設計和導光板設計上。在側入式背光模組的生產(chǎn)技術中，為降低成本、減小背光模組的厚度、提高背光源的光源利用率和導光板顯示區(qū)域的出光性能，需對背光模組結構及導光板設計不斷改進。在背光模組結構中，為提高出光效果不斷與反射膜、擴散膜、反射邊膜、反射腔以及導光板表面磨砂等技術相結合，使得背光模組設計更加復雜，生產(chǎn)工藝也更為繁瑣，降低了生產(chǎn)效率，一定程度上加大了背光模組的生產(chǎn)成本。

為提高光能利用率，同時進一步實現(xiàn)液晶顯示器的薄型化，許多研究者對背光模組中導光板結構以及光學膜片做了研究。張志偉等提出拼接菱形光源下置的導光板結構，能使光源的光線經(jīng)由導光板而均勻地射出， 提升整體的亮度均勻性， 解決了現(xiàn)有背光模組因薄型化造成亮暗不均的問題。郭偉等提出導光板的入光面為圓弧形， 并且所述導光板的上表面與下表面上靠近入光面的一側分別設置第一斜面與第二斜面。提高了光線利用率， 提升了光線耦合效率。 因此在不損耗光線耦合效率的情況下， 可以將導光板的導光部的厚度做得更薄， 有利于導光板的薄型化設計。并且他們還提出導光板的入光側面上下組合形成呈現(xiàn)喇叭口形狀的楔形體， 這種設計能夠有效減小導光板的厚度，以滿足液晶顯示裝置薄型化的要求。黃炳樂等提出了導光板網(wǎng)點平均密度范圍的最優(yōu)化研究，提高了網(wǎng)點優(yōu)化設計的效率。為了盡可能多地耦合光能以提高光線利用率， 研究中運用的 LED光源截面寬度均小于導光板厚度。因為只要LED光源截面寬度大于導光板厚度，光源光能就有一部分不能進入到導光板中，這樣不僅造成了能量利用率低下， 而且會出現(xiàn)漏光現(xiàn)象， 影響對比度。這就意味著，傳統(tǒng)側入式 LED背光模組中導光板的厚度不能隨著導光板的薄型化要求無限變小。側入式液晶顯示器中導光板的進一步薄型化實際上受到了發(fā)光源截面寬度的制約，即在保證光效率和對比度的前提下，導光板的厚度必須比發(fā)光源截面寬度大。

有鑒于此，現(xiàn)有的液晶顯示器(LCD)背光模組大多采用側入式發(fā)光二極管(LED)作為背光源， 其要求導光板厚度始終大于LED發(fā)光截面寬度。根據(jù)這種情況從而提出一種用于側入式LED背光模組中導光板結構設計。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術存在的問題做出改進，即本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種薄形化導光結構，從LED入光側結構進行改變，為了不減少LED的尺寸厚度，將原來直立式的LED斜躺與導光板下底面成一定的角度。利用幾何算法和光學原理對該模塊進行設計，使入光側導光板形成特定的幾何結構讓光線進入導光板當中大部分能進行全反射。該結構的導光板光能利用率相對于傳統(tǒng)結構的導光板得到明顯的提高，同時也實現(xiàn)了導光板薄型化的目的。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是：一種薄形化導光結構，包括入射光源、入光側光耦合結構和導光結構主體。所述導光結構主體包括導光板，導光板的主要材質為PMMA樹脂，該材質的導光板的全反射角度為43°，所述入光側光耦合結構包括設置在導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夾角為α，下倒角面與導光板下表面延長線的夾角為β，下倒角面下端點與上倒角面上端點的連線，該連線與導光板上表面法線的夾角為θ3，所述導光板前端部為導光板短邊所在。所述入射光源斜置在導光板下倒角面的正下方，入射光源與下倒角面之間的間隙旁側貼有減少光線漏出的反射片。該新型結構通過調節(jié)導光板的厚度和α、β角度以及特定的結構，在滿足光線高效的利用率情況下使導光板盡可能減少厚度。

進一步的，所述入射光源與下倒角面的間距為0.1mm，下倒角面的寬度大于或等于入射光源的寬度，盡可能讓光線進入到導光板里面，所述入射光源呈直線型均勻排布在下倒角面的正下方。

進一步的，所述下倒角面為使光線折射進入導光板的斜切平面、或為使光線聚集的凸透鏡、或為使光線發(fā)散的凹透鏡、或為使光線在導光板內發(fā)生全反射的自由曲面。

進一步的，為使從上倒角面反射到下倒角面和導光板下表面的光線能發(fā)生全發(fā)射，所述上倒角面為斜切平面、凸透鏡、凹透鏡或自由曲面。盡可能提高光線的利用率。

進一步的，在上倒角面設計上，到達上倒角面的光線不一定達到全反射的角度，為了使光線能反射到導光板，所述上倒角面上配置有反光層。

進一步的，光線從下倒角面直接射到導光板上表面，光線與導光板上表面的法線夾角需大于或等于全反射角θ_全，所述θ3角度由下式確定：

θ3≥θ_全=43°。

進一步的，所述β的角度限定為0°≤β<43°。

進一步的，所述上倒角面與下倒角面的夾角α由下式確定：，所以α角度設定為，43°≤α≤64.5°。

進一步的，所述導光板的厚度與角度的推導關系根據(jù)下式來確定：

H=

其中，L為下倒角面入射光源光線入射面的寬度，H為導光板的厚度，根據(jù)該公式來調節(jié)各個角度來減少導光板的厚度，且提高光線在導光板當中的利用率。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：本結構從LED入光側結構進行改變，為了不減少LED的尺寸厚度，將原來直立式的LED斜躺與導光板下底面成一定的角度。利用幾何算法和光學原理對該模塊進行設計，使入光側導光板形成特定的幾何結構讓光線進入導光板當中大部分能進行全反射。該結構的導光板光能利用率相對于傳統(tǒng)結構的導光板得到明顯的提高，同時也實現(xiàn)了導光板薄型化的目的。

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步詳細的說明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明第一初始結構中導光結構主體、光耦合結構空間位置示意圖以及光耦合結構角度計算示意圖及光線在導光主體中進行全反射的示意圖。

圖2為本發(fā)明第一初始結構中光耦合結構角度計算示意圖。

圖3為在本發(fā)明第二初始結構光耦合結構空間位置示意圖，將下倒角面設計為凸透鏡設計圖。

圖4為在本發(fā)明第三初始結構光耦合結構空間位置示意圖，將下倒角面設計為凹透鏡設計圖。

圖5為在本發(fā)明第四初始結構光耦合結構空間位置示意圖，將上倒角面設計為凹透鏡設計圖。

圖6為在本發(fā)明第五初始結構光耦合結構空間位置示意圖，將上倒角面設計為自由曲面。

圖7為本發(fā)明第一初始結構左視圖。

圖8為本發(fā)明第五初始結構左視圖。

圖9為本發(fā)明第一初始結構的整體導光結構的三維建模圖。

圖中：1-下倒角面，2-上倒角面，3-導光板上表面，4-導光板下表面，5-入射光源（LED芯片），6、7-反射片，8-反光層，9-自由曲面狀的上倒角面，10-自由曲面狀的反光層，11-導光板后端面，12-導光板左側面，13-導光板右側面，14-凹透鏡狀的上倒角面，15-凸透鏡狀的下倒角面，16-凹透鏡狀的下倒角面。

具體實施方式

實施例一：如圖1~9所示，一種薄形化導光結構，包括入射光源（LED芯片）5、入光側光耦合結構和導光結構主體，所述導光結構主體包括導光板，所述入光側光耦合結構包括設置在導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夾角為α，下倒角面與導光板下表面延長線的夾角為β，下倒角面下端點與上倒角面上端點的連線，該連線與導光板上表面法線的夾角為θ3，所述導光板前端部為導光板短邊所在，所述入射光源斜置在導光板下倒角面的正下方，入射光源與下倒角面之間的間隙旁側貼有減少光線漏出的反射片6和7。

在不減少LED光源尺寸的基礎上，將LED光源進行斜躺放置，并設計與之相匹配的光耦合結構導光板，保證光線更集中的到達導光板入光側并發(fā)生全反射，從而有效降低導光板的厚度實現(xiàn)整個背光結構的薄形化。斜躺式LED光耦合結構如圖1所示，在其中包括下倒角面1、上倒角面2、反射片6和7、導光板上表面3和導光板下表面4。如圖9所示，在其中包括導光板左側面12、導光板右側面13和導光板后端面11。在結構內表面的設置加以一定的設定，設置下倒角面1、導光板上表面3和導光板下表面4為光線全透過，導光板左側面12、導光板右側面13和導光板后端面11為全吸收。光線進入導光板當中，在其中光線與導光板內表面法線成一定角度不停的發(fā)生全發(fā)射，在導光板下表面4未加入點陣之前光線的全發(fā)射不曾被破壞直至被導光光板左表面12、導光板右側面13和導光板后端面11吸收。

為了實現(xiàn)導光板的出光效果最高，設計時必須盡量滿足所有的光線進入導光板時都發(fā)生全反射，此時可以的利用的光線必然是最多的，光效也是最高的。因此，必須研究，如何通過調整薄形化導光板光耦合結構的關鍵參數(shù)，包括：光耦合結構的形貌結構特征，以及結構的表面處理等，使得導光板的厚度既能夠有效減小，同時又能夠保證其較高的出光光效。

考慮到光線從下倒角面進入導光板中并使光線在其中全反射，如圖1中光線的全反射的情況，設置各個銜接面之間的角度的設計。分三種情況說明：第一種情況到達上倒角面2，并反射至下倒角面2的光線。第二種情況直接到達導光板上表面3的光線。第三種情況到達上倒角面2，并反射至導光板下表面4的光線。

如圖1所示，根據(jù)光路可逆原理，θ1為全反射角，即由空氣入射導光板的光線與導光板下倒角面1的法線夾角為90°，所以θ1為入射到導光板內部的最大角度，即導光板的全反射角。若此光線正好與導光板上倒角面2的法線垂直，上倒角面2貼上了反光層8，光線經(jīng)上倒角2面反射后，光線到達下倒角面1與下倒角面1的法線的夾角為導光板的臨界角，若將α角減小，光線經(jīng)過上倒角面2反射后，到達下倒角面1的光線與下倒角面1的法線的夾角變?。ㄐ∮谌瓷浣铅?sub>全 ），則光線會從下倒角面1出射。若將α角增大，則光線經(jīng)上倒角面2調制后，到達下倒角面1與下倒角面1的法線夾角將變大（大于全反射角θ_全 ），則可滿足全反射定律。條件：

如圖2所示，θ3是下倒角面2上的光源發(fā)出的光線，到達導光板出光面與導光板上表面法線所呈角度最小的光線，若θ3能夠大于導光板的臨界角，則由光源發(fā)出、到達導光板出光面的所有光線都能夠在導光板上表面發(fā)生全反射。則：

如圖2所示，考慮光線入射上倒角面2，反射至導光板下表面4的情況。圖中上倒角面2、下倒角面1和導光板下表面4處的虛線分別為三個平面的法線，則上倒角面2的法線與下倒角面1的法線相交為180-α。若θ5減小1°，α角、β角不變，則θ6角減小1°，2倍θ6角減小2°，則90-θ7減小1°，θ7增大1°。所以當θ5=θ_全時，θ7達到最小值，若θ7的最小值都能滿足全反射條件，則光線入射上倒角面2，反射至導光板下表面1的情況都能夠滿足全反射定律。如圖可得公式：

若要滿足全反射定理，則θ3要大于90°，整理得：

如圖1所示，LED芯片5位于下倒角面2正下方，兩者距離h1非常近，h1為0.1mm。通過光學仿真的方法，LED芯片5與導光板間隙漏光相對比較嚴重，占總的漏光率中有很大的比重。如圖1所示，為提高光線利用，在間隙兩側貼上兩片檔光片6、7，使從將光線漏掉光線利用起來。

實施例二：由于要將導光板的厚度盡量做薄，甚至小于LED芯片的自身寬度，同時要求提高光效。在滿足基于發(fā)明實例一中的情況下無法達到理想的導光板的厚度和光效利用率。從實際漏光情況出發(fā)，接近上斜面頂部約1/3段對底面漏光的貢獻非常小。基于實例一的條件和原理，通過實例二三四五調節(jié)光耦合結構來降低導光板的漏光率。如圖6，將光耦合結構設計成自由曲面9，于此同時在自由曲面上貼上一層反光層10，使從LED芯片5射出光線，進入導光板中到達上倒角面2的光線，根據(jù)光線到達上倒角面的位置不同設計該位置的弧度使反射出來到導光板內部的光線在其中全發(fā)射。為使光耦合結構方便加工，直接設計光耦合結構為圓弧型，設定下倒角面的頂點與導光板上表面的頂點為光耦合結構起始和末尾點，根據(jù)上述公式使光耦合結構起始點以一定的切線角度設定。在導光板達到1.3mm厚度時候，光線的利用率可以達到95%。在實現(xiàn)薄型化的目的，也能達到光線高效的利用。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。