专利名称：导光板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于液晶显示器背光模组的导光板，特别涉及一种侧光照明的导光板。
背景技术：
带有侧光照明背光单元的液晶显示器，由于体积小、重量轻、并且亮度均匀，因此在笔记本电脑、车载显示器、手机等领域有着广泛地应用。液晶显示器的背光模组是一个能够将分散点光源或者线光源转化成均匀平面光源的光学机构。随着液晶显示器应用领域的拓展，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、轻薄化等。
如图1所示，目前传统的背光模组1包括光源10、导光板12和光学膜片，根据功能不同，光学膜片分别有反射片11、扩散片13以及增亮片14。其中反射片11是将未被散射的光线再导入导光板12中，扩散片13使光线形成漫射而均匀扩散，消除导光板12上微结构形成的亮区，增亮片起到会聚光线，提高亮度的作用。
背光模组中的重要组成部分是导光板，它的工作原理是利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或聚碳酸酯(PC)等透明导光材料将由光源发出的光，从导光板的一个入射面(一侧面)导入，利用全反射原理使光扩散到整个板面，当光线照射到导光板反射面(下表面)的微结构时，全反射条件破坏，光线将从导光板的出射面(上表面)射出，完成向面光源的转换，从而起到照明作用。这种照明方式表面亮度高，而且体积小巧，在液晶显示产品中被广泛应用。
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，是目前导光板生产主流技术。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。
如图2A和图2B所示，从光束的出射角度看，一般导光板的设计不考虑角度控制，因此从导光板12出射面出射的光束将背离光源10以一定角度出射，而不是垂直出射。如图3所示，从导光板12出射面出射的光束经过扩散片13和增亮片14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。
可以理解的是，如果同时考虑导光板出射光均匀性和出射角度来对导光板进行设计，使其出射光能够集中在垂直于出射面的一个合适角度范围内，那么这一导光板将能够实现原来传统背光模组的功能，不再需要增亮片，甚至是扩散片，同时满足高亮度、低能耗和轻薄化的要求。
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，该导光板的出射面设有多个V型凸块或凹槽。但是该V型凸块(凹槽)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。
2000年10月10日公开的美国专利第6,130,730号揭示一种导光板，该导光板的反射面微结构表面为镜面，可以去除反射片。但是该结构的导光板仍然没有角度控制功能，所以还是要外加多层光学膜，以使最终出射光能够垂直射出。
如图4所示，2000年10月10日公开的美国专利第6,129,439号揭示一种可以实现对出射角度控制的背光模组，其包括一侧光源40，一导光板47，形成在导光板出射面的一粘结层46和多个微棱镜结构45，该微棱镜结构45包括一入射面41、一出射面43和至少一与导光板形成夹角的侧壁42。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5所示，2002年10月10日公开的第20020145860号美国专利申请揭示一种导光板50，在该导光板50反射面设有多个V型凹槽54和在导光板50出射面设有多个V型凸块52，该V型凹槽54和V型凸块52的排列方向相同。虽然在该导光板50的反射面和出射面加工出V型结构，能起到部分压缩角度提高亮度的目的，但是整个导光板无法将出射光束控制在垂直于出射面的方向，仍然需要附加的光学薄膜，而且该结构的亮度均匀性也比较差。
有鉴于此，提供一种无需附加光学薄膜，且能将出射光束控制在垂直于出射面方向的具有均匀亮度的导光板实为必要。
发明内容本发明的目的在于提供一种无需附加光学薄膜，且能将出射光束控制在垂直于出射面方向的具有均匀亮度的导光板。
为实现本发明的目的，提供一种导光板，该导光板具有一入射面、一反射面及一出射面，该出射面表面具有规则排列的第一V型结构，其特征在于该反射面具有多个与该出射面第一V型结构方向垂直的第二V型结构，该反射面多个第二V型结构具有相同的形状，且距离入射面越远，V型结构排列密度越密，尺寸越大。
本发明的导光板进一步在入射面形成第三V型结构，该第三V型包括纵向排列和横向排列，其沿长度方向与该第二V型结构相互垂直或平行。
本发明的导光板可进一步在除入射面、出射面的其余三个侧面和发射面镀高反射膜。
与现有技术相比较，本发明提供的导光板由于在其反射面和出射面都具有V型结构，所以具有下面优点其一，可通过控制反射面第二V型结构的角度来控制导光板的出射光束角度，使其沿垂直于出射面方向出射，或者沿使用要求的任意角度出射；其二，可通过控制反射面第二V型结构的排列密度和尺寸大小控制出射光的亮度均匀性；其三，进一步在入射面形成的第三V型结构可以消除由于光源产生的阴影现象；其四，进一步在除入射面、出射面以外的三个侧面和反射面镀高反射膜可提高光能利用率，且更易于出射角度控制。本发明的导光板与侧光源结合可代替整个背光模组，其可以灵活实现对出射光束角度的控制并且具有高亮度均匀性和低能耗的优点。
图1是传统背光模组结构示意图。
图2A是传统导光板出射光束的出射角度示意图。
图2B是图2A出射光束的出射角度立体示意图。
图3是传统背光模组出射光束的出射角度示意图。
图4是现有技术美国专利第6,129,439号的导光板截面示意图。
图5是现有技术第20020145860号美国专利申请的导光板截面示意图。
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是图6另一局部VIII的放大示意9是有反射片，未镀高反射膜实验对本发明导光板出射角度影响示意图。
图10是无反射片，镀有高反射膜对本发明导光板出射角度影响示意图。
图11是图9出射光束出射角度分布图。
图12是图10出射光束出射角度分布图。
图13是本发明第二实施例导光板结构示意图。
图14是图13局部放大示意图。
图15是本发明第三实施例导光板结构示意图。
图16是图15局部放大示意图。
图17是本发明第四实施例只有反射面具有V型结构时的出射光束角度分布图。
图18是本发明第四实施例反射面和出射面具有V型结构时的出射光束角度分布图。
图19是本发明第四实施例出射角度-光强曲线图。
图20是本发明第四实施例沿光束传播方向的归一化光强曲线图。
图21是本发明第四实施例沿垂直光束传播方向的归一化光强曲线图。
图22是本发明第四实施例反射面具有不同V型结构的光强-出射角度曲线图。
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结构作进一步的详细说明。
如图6所示，第一实施例的导光板60具有一入射面61(一侧面)、一反射面62(下表面)及一出射面64(上表面)；在该出射面64表面形成多个第一V型结构644，在该反射面62表面形成多个第二V型结构622，该反射面的第二V型结构622与出射面的第一V型结构644方向互相垂直。
该导光板60为平板型结构，其可由聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或者是亚克力等一般的导光板材料合成树脂材料制成。
如图7所示，形成在导光板出射面64的多个第一V型结构644为周期性排列的V型长条凸块。该多个第一V型结构644具有相同的高度和尺寸大小，且互相平行。该多个第一V型结构644的顶角θ4在70～120度之间，高度h1不超过200微米，其高度和顶角可以对出射角度起到压缩作用。
请一并参阅图6和图8，在该导光板反射面62凸出设置的该多个第二V型结构622为大小不同的V型长条凸块。每个第二V型结构622沿长度方向高度一致，且具有相同的形状，即其三个角度(底角θ1、底角θ2和顶角θ3)分别相同。该底角θ1取值范围为70～90度，该底角θ2取值范围为15～50度，该顶角θ3取值范围为40～95度。通过控制底角θ1、底角θ2和顶角θ3可实现对导光板的出射光束角度的控制，使其沿垂直于出射面64方向出射。
在该导光板反射面62，距离入射面61(光源)越远，该多个第二V型结构622排列密度越密即相邻两第二V型结构622的间距越小，该多个第二V型结构622的尺寸越大。该第二V型结构622的宽度d范围为10～150微米(如图8所示)，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型结构，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，可以缩小第二V型结构622的大小以及降低第二V型结构622的排列密度。如果亮度偏低，可以增大第二V型结构622的大小和增加第二V型结构622的排列密度，所以可以通过控制第二V型结构622的排列密度和大小来控制出射光的均匀性。
通过对只有反射面具有V型结构的导光板进行实验发现于导光板反射面62和第二V型结构622镀上高反射膜(包括具有高反射性的金属膜和非金属膜比如铝膜、银膜等)，可提高反射面对光的反射率。下面为具有反射片，未镀高反射膜和无反射片，镀有高反射膜的只有反射面具有V型结构的导光板进行对比实验。
如图9所示，只有反射面具有V型结构的导光板和一反射片使许多光线以较大的出射角出射，此结构不但增加了一块光学膜，而且出射角度分散。图11为图9的出射光束出射角度分布图，该出射角度分布比较散。
如图10所示，只有反射面具有V型结构的导光板镀高反射膜，可以使更多的光线以比较小的出射角出射，提高光能的利用率。图12为图10的出射光束出射角度分布图，该出射角度分布比较集中。
通过比较图11和图12，可以看出镀膜后出射角度有比较明显的变化，而且出射光束更为集中，能量利用率得到提高。为进一步提高能量利用率，除入射面和出射面外的三个侧面，也可以通过镀高反射膜而具有高的反射率。
当背光模组采用发光二极管(LED)作为光源时，光能在导光板中靠近光源处会出现分布不均匀的现象，即所谓的阴影现象。如图13所示，为消除上述缺陷，本发明第二实施例的导光板在第一实施例的导光板基础上，于入射面71加工沿Z轴纵向规则排列的第三V型结构711。如图14所示，该规则排列的第三V型结构711为长条形状，其高度形状大小一致。该第三V结构711顶角θ5取值范围为70～120度，高度h2不超过200微米。通过对其顶角和高度的设计，可以比较明显地消除阴影现象。
请一并参阅图15和图16，本发明第三实施例的的导光板在第一实施例的导光板基础上，于入射面81加工沿X轴横向规则排列的第三V型结构811。该规则排列的第三V型结构811为长条形状，其高度形状大小一致。该第三V结构811顶角θ6取值范围为70～120度，高度h3不超过200微米。通过对其顶角和高度的设计，可以比较明显地消除阴影现象。
本发明第四实施例为用于手机上的1.8寸导光板，其结构与第二实施例的导光板相同。该导光板为聚甲基丙烯酸甲酯材料构成。该导光板反射面V型结构的最小宽度为10微米，最大为150微米。出射面第一V型结构参数为高度50微米，顶角100度。入射面第三V型结构的参数为顶角120，宽度0.2毫米。下面结合实验数据详细说明第四实施例的导光板。
图17为导光板只有反射面有V型结构的出射角度分布图，图18为反射面和出射面都有V型结构的出射角度分布图。比较图17和图18的数据结果可以明显看出出射面V型结构对角度的压缩效果。
图19给出沿出射角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19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20和图21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，可以看出其沿光束传播Y方向(如图20所示)和垂直光束传播X方向(如图21所示)两个方向上都具有比较好的均匀性，均保持在82％以上。
图22为不同的反射面V型结构的归一化光亮度随角度的变化曲线。通过设计导光板反射面V型结构的形状使出射光亮度峰值的θ角从40度调整到-20度，从中可以清楚看出本发明的导光板可以对出射角度进行灵活控制。图中实线表明出射光束背离光源倾斜射出，虚线表明光束更靠近垂直出射，点划线表明光束接近垂直出射，但是靠近光源，点线表明光束靠近光源倾斜出射，上述曲线的峰值的θ角分别为40度、24度、-2度和-20度。
可以理解的是，本发明的导光板可设计为楔型。本发明的导光板在入射面、反射面和出射面都具有V型微结构，适合于精密机械加工，并且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，简化系统，提高了性能。同时可通过调节V型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82％以上，通过反射面和出射面V型结构的共同控制，可以将该两个方向的光束出射角限制在30度以内。
本发明的背光板可应用于液晶显示器或者冷阴极管光源的背光系统，通过控制位于导光板反射面的V型结构的角度来控制导光板的出射光束角度，使其沿垂直于出射面方向出射；通过控制反射面V型结构的分布密度和大小来控制出射光的均匀性；通过在出射面上设置与反射面V型结构方向垂直的V型周期结构来压缩出射光的角度，提高亮度；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。在除入射面以外的三个侧面和反射面镀高反射膜来提高光能利用率(至少要在反射面镀高反射膜)。利用这样一个基于V型结构的导光板实现传统整个背光模组的功能。
权利要求
1.一种导光板，该导光板具有一入射面、一反射面及一出射面，该出射面表面具有规则排列的第一V型结构，其特征在于该反射面具有多个与该出射面第一V型结构方向垂直的第二V型结构，该反射面多个第二V型结构具有相同的形状，且距离入射面越远，V型结构排列密度越密，尺寸越大。
2.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。
3.如权利要求1所述的导光板，其特征在于该导光板包括平板型和楔型。
4.如权利要求1所述的导光板，其特征在于该反射面第二V型结构为具有相同高度的长条凸块。
5.如权利要求1所述的导光板，其特征在于该反射面第二V型结构具有两底角和一顶角，该顶角取值范围为40～95度，其中一底角取值范围为70～90度，另一底角取值范围为15～50度。
6.如权利要求1所述的导光板，其特征在于该出射面的第一V型结构顶角取值范围为70～120度。
7.如权利要求1所述的导光板，其特征在于该出射面第一V型结构的高度取值范围为0～200微米。
8.如权利要求1所述的导光板，其特征在于在该入射面形成长条形状的规则排列的第三V型结构。
9.如权利要求8所述的导光板，其特征在于该第三V型结构包括纵向排列和横向排列的第三V型结构。
10.如权利要求8所述的导光板，其特征在于该第三V型结构的顶角取值范围为70～120度。
11.如权利要求8所述的导光板，其特征在于该第三V型结构的高度取值范围为0～200微米。
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高反射膜。
13.如权利要求1所述的导光板，其特征在于该导光板进一步包括三个侧面，该三个侧面镀有高反射膜。
14.如权利要求12或13所述的导光板，其特征在于该高反射膜为金属膜或非金属膜。
15.如权利要求14所述的导光板，其特征在于该金属膜为铝膜或银膜。
全文摘要
本发明涉及一种导光板，该导光板具有一入射面、一反射面及一出射面，该出射面表面具有规则排列的第一V型结构，其特征在于该反射面具有多个与该出射面第一V型结构方向垂直的第二V型结构，该反射面多个第二V型结构具有相同的形状，且距离入射面越远，V型结构排列密度越密，尺寸越大。本发明的导光板与侧光源结合可代替整个背光模组，其可以灵活实现对出射光束角度的控制并且具有高亮度均匀性和低能耗的优点。
文档编号G02B5/00GK1737660SQ20041005121
公开日2006年2月22日 申请日期2004年8月20日 优先权日2004年8月20日
发明者冯迪, 严瑛白, 杨兴朋, 刘海涛, 金国藩, 范守善 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司