一种偏光透镜、及包含其的侧入式背光模组的制作方法

本发明涉及液晶显示领域，具体地，本发明涉及一种偏光透镜、及包含其的侧入式背光模组。

背景技术：

现有液晶显示领域，由于液晶分子本身不具备发光能力，因此在现有的液晶显示器中需要外加光源来得到显示画面，目前光源多采用发光二极管LED，通过背光模组扩散和匀光作用，将LED光源扩展为面光源输出。现阶段，显示装置的背光模组可分为侧入式和直下式两种，由于直下式背光模组相比于侧入式背光模组不需要设置导光板，而以价廉的优势，深受广大消费者欢迎，然而直下式背光模组中的LED灯条需要在其LED发光芯片外部加装光学透镜，在较大的混光距离(OD)条件下，才能使LED发光芯片发出的光线混合均匀，从而使直下式背光模组在显示装置轻薄化的需求趋势下，发展受到极大限制。

同时，传统直下式背光模组，LED为朗伯型光源，LED上加装的光学透镜(TV透镜)结构上具有旋转对称特性，故LED发出的光线经过TV透镜扩散后，形成的光斑是具有旋转对称特性的圆形光斑，而直下式背光模组及其显示装置一般具有长宽比约为4∶3或16∶9的正面外形，光斑和外形的不匹配，必然造成背光模组边角和中心区域亮度的不均匀，影响观看画面的品质。传统的侧入式背光模组，LED发出的光线需要经过导光板网点的散射、导光板的折射，使侧面入光的LED光源转化为正面输出的面光源，网点的多次散射和导光板的折射，使得光能损失严重，造成侧入式背光模组光效低，使得显示画面亮度低。

因此，如何设计和生产一种亮度均匀性高、光效高、轻薄化的背光模组，成为行业厄待解决的难题。

技术实现要素：

本发明提供一种偏光透镜、及包含其的侧入式背光模组，通过特殊的二次配光偏光透镜侧面入光方式和具有特殊弧面面型的反射纸设定，达到了亮度均匀性高、光效高、轻薄化的效果。

本发明的技术方案如下：一种偏光透镜，包括镜体，所述镜体包括入射面、反射面和出射面；所述入射面包括入射顶面及入射侧面，所述入射顶面及入射侧面连接形成旋转对称的内凹部，光源位于所述内凹部的旋转轴线上；所述反射面非旋转对称；所述入射侧面与所述反射面相连，所述反射面与所述出射面相连。

通过上述技术方案，光源位于内凹部的旋转轴线上，光源发出的光线投射到入射顶面上，经过折射后，从出射面以平行光出射；光源发出的光线投射到入射侧面上，并从入射侧面上穿出投射到反射面上进行反射，从而将光束汇聚后射出，提高光效和亮度均匀性。

进一步的，所述入射侧面的拔模角度为1°～5°。

进一步的，所述镜体上子午面内的全光束角度＜40°；所述镜体上弧矢面内的全光束角度＜30°。

进一步的，所述出射面可以为凸面、凹面、鳞甲面或平滑面。

本发明还提出一种侧入式背光模组，包括本体，所述本体包括上述技术方案中的偏光透镜，还包括腔体、反射纸、灯条、扩散板和光学膜片；所述反射纸包括贴附于所述腔体内部底面的腔体贴附反射纸以及设于所述腔体顶部的灯条上部反射纸；所述扩散板盖设于所述腔体顶部，所述光学膜片设于所述扩散板上；所述灯条包括设于所述腔体内侧壁的PCB基板和若干个CSP光源；所述CSP光源成排设于所述PCB基板上，所述CSP光源位于所述内凹部的旋转轴线上，所述CSP光源和所述偏光透镜配对出现。

通过上述技术方案，CSP光源发出的光线，经过偏光透镜后，光束被压缩整形，大部分光线直射到腔体贴附的反射纸上，经过反射纸的反射，射向扩散板；部分光线射向灯条上部反射纸，经过灯条上部反射纸反射，射向腔体贴附反射纸，再射向扩散板；剩余部分光线直接射向扩散板。所有射向扩散板的光线，在扩散板的双向散射特性下，从扩散板正面出射，再经过光学膜片的匀光作用，从而形成高亮度且均匀亮度的面发光体；CSP光源为芯片级封装Chip Scale Package，相比较于传统LED光源，CSP光源具有光源尺寸小、光密度高、光色一致性好等优点，更有利于设计生产光效高的背光模组。

进一步的，所述腔体的底面在垂直于所述CSP光源的排布方向上的横截面为B样条曲线，所述B样条曲线远离所述PCB基板的一端向所述扩散板弯曲。

进一步的，所述B样条曲线公式如下：

P(t)＝[(-P0+3P1-3P2+3P3)t3+(3P0-6P1+3P2)t2+(-3P0+3P2)t+(P0+4P1+P2)]/6

X(t)＝[(-X0+3X1-3X2+3X3)t3+(3X0-6X1+3X2)t2+(-3X0+3X2)t+(X0+4X1+X2)]/6

Y(t)＝[(-Y0+3Y1-3Y2+3Y3)t3+(3Y0-6Y1+3Y2)t2+(-3Y0+3Y2)t+(Y0+4Y1+Y2)]/6

其中，P0和P3为已知点，P0坐标(0，0)P3坐标(400，20)，P1和P2为优化控制点，P1和P2的坐标为P1(X1，Y1)、P2(X2，Y2)，且0＜X1＜X2＜400，0＜Y1＜Y2＜20。

进一步的，所述灯条上部反射纸的面型为长方形平面，且所述灯条上部反射纸的长度大于或等于所述灯条的长度，所述灯条上部反射纸的一端延伸至所述扩散板的边缘。

进一步的，所述PCB基板上设置环绕所述CSP光源的若干非旋转对称的定位孔；所述偏光透镜上设置相应装配于所述定位孔中的安装柱。

通过上述技术方案，安装柱和定位孔的非旋转设置，保证偏光透镜安装后偏光方向的正确性。

进一步的，所述偏光透镜将所述CSP光源发出的光束整形后，配光曲线在所述CSP光源排布方向分布对称，全光束角＞40度；配光曲线在垂直于所述CSP光源排布方向分布不对称，配光曲线向腔体贴附反射纸一侧偏移，全光束角度＜30度。

进一步的，所述灯条的入光方式为单灯条单侧入光的方式或双灯条双侧入光的方式。

进一步的，所述腔体的尺寸为32寸到43寸，且所述腔体的入光方式为单灯条单侧入光。

进一步的，所述腔体的尺寸为44寸到55寸，且所述腔体的入光方式为双灯条双侧入光。

进一步的，所述扩散板底面到所述腔体底面最大距离15-20mm，最小距离为0mm。

进一步的，所述偏光透镜采用折射率为1.49的材料。

综上所述，本发明的有益效果为：通过全新的二次配光透镜侧面入光方式，从根本上解决了传统直下式模组的亮度不均匀、厚度较厚的问题，在不使用价格昂贵的导光板基础上，设计生产出了一种亮度均匀性高、光效高、轻薄化的背光模组及其显示装置，同时还因为PCB基板数量少，故生产成本具有极大优势。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的偏光透镜弧矢面侧视图；

图2是本发明实施例一提供的偏光透镜子午面侧视图；

图3是本发明实施例一提供的偏光透镜立体图；

图4是本发明实施例二提供的32寸背光模组结构示意图；

图5是本发明实施例二提供的32寸背光模组侧视图；

图6是本发明实施例二提供的32寸背光模组正视图；

图7为常规直下式背光模组混光原理图；

图8是本发明实施例二提供的背光模组混光示意图；

图9是本发明实施例提供的偏光透镜子午面光路图；

图10是本发明实施例提供的偏光透镜弧矢面光路图；

图11是本发明实施例提供的偏光透镜的配光曲线图；

图12是本发明实施例二提供的32寸背光模组9点测试数据图表；

图13是本发明实施例三提供的55寸背光模组结构示意图；

图14是本发明实施例三提供的55寸背光模组侧视图；

图15是本发明实施例三提供的55寸背光模组9点测试数据图表；

图中，各个附图标记对应的部件名称是：1、本体；101、光学膜片；102、扩散板；103、腔体贴附反射纸；104、腔体；105、灯条上部反射纸；106、灯条；202、LED光源；300、偏光透镜；301、入射侧面；302、入射顶面；303、反射面；304、出射面；305、安装柱；306、内凹部；400、CSP光源；500、PCB基板。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的内容，下面结合具体实施例和附图作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于对本发明进一步说明，而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明所述的内容后，该领域的技术人员对本发明作出一些非本质的改动或调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例一

一种偏光透镜，如图1、图2和图3所示，包括镜体，镜体包括入射侧面301、入射顶面302、反射面303、出射面304，偏光透镜300的材料为PMMA；入射侧面301和入射顶面302形成的内凹部306旋转对称，光源位于内凹部306的旋转轴线上；反射面303非旋转对称，即偏光透镜300的子午面轴线和弧矢面轴线不重合；入射侧面301与反射面303相连，反射面303与出射面304相连；偏光透镜300的出射面304可以为凸面、凹面、鳞甲面或平滑面，优选为鳞甲面；入射侧面301的拔模角度为1°～5°；偏光透镜300上子午面内的全光束角度＞40°，弧矢面内的全光束角度＜30°。

实施例二

侧入式背光模组，包括本体1，如图4所示，图4是本发明实施例二提供的32寸背光模组结构示意图。本体包括：腔体104、反射纸、灯条106、扩散板102和光学膜片101；腔体104为背光模组的整体外形结构，反射纸包括通过双面胶紧密贴附在腔体104内部底面的腔体贴附反射纸103和贴附在腔体104上部的灯条上部反射纸105，且腔体贴附反射纸103和腔体104底面具有相同外形，灯条上部反射纸105位于灯条106上方，灯条上部反射纸105的长度大于或等于灯条106的长度；灯条106包括PCB基板500、以及配对出现的若干CSP光源400和实施例一中的偏光透镜300，PCB基板500固定在腔体104内的单个侧壁上，即采用单灯条106单侧入光的方式，CSP光源400排列固定在PCB基板500上，PCB基板上每个CSP光源400周围设置3个非旋转对称定位孔(图中未画出)，偏光透镜300底部设置3个非旋转对称安装柱305，安装柱305和定位孔一一对应进行装配，从而将偏光透镜300精确稳定的安装在PCB基板500上；CSP光源400的排布间距大于或者等于偏光透镜300的外形尺寸；偏光透镜300的出射面304的鳞甲由鳞甲线拉伸而成，拉伸方向为垂直CSP光源400的排布方向，即拉伸方向为子午方向。

扩散板102安装在腔体104上面，光学膜片101安装在扩散板102上面，光学膜片101一般可选择增亮膜、复合膜和扩散膜，优选为复合膜；灯条上部反射纸105为平面，且灯条上部反射纸105的一端延伸至扩散板102的边缘；腔体104的底面在垂直于CSP光源400的排布方向上的横截面为曲线，曲线远离PCB基板500的一端向扩散板102弯曲。

本发明实施例的混合距离OD值为20mm，即扩散板102底面到腔体104底面最大距离15～20mm，最小距离为0mm；CSP光源400为芯片级封装Chip Scale Package，型号为EPISTAR 1010，灯条106的PCB基板500为覆铜铝基板，表面油墨为高反积水油墨，CSP光源400和偏光透镜300数量均为28个，且相邻CSP光源400的间距为25mm，偏光透镜300外尺寸为20mm*20mm*11.2mm；腔体贴附反射纸103和灯条上部反射纸105材质为RA8E，扩散板102厚度为1.5mm。

本发明通过Lighttools仿真设计，设计必备材料包括：CSP光源400实测近场数据、扩散板102实测BSDF数据、反射纸实测BRDF数据和灯条PCB板表面油墨反射特征数据；根据设计任务，选择灯条106排布方式，确定单灯条106配光区域，在Lighttools中建立背光模组基本模型，包括偏光透镜300、反射纸和扩散板102，在扩散板102上表面设置空间亮度计，对应输入设计材料，优化偏光透镜300配光曲线和腔体贴附反射纸103面型弧度，使空间亮度计数据均匀性达到设计要求。如图5所示，腔体贴附反射纸103底面横断面为B样条曲线，并具有向扩散板102弯曲的弧线形状，B样条曲线公式如下：

P(t)＝[(-P0+3P1-3P2+3P3)t3+(3P0-6P1+3P2)t2+(-3P0+3P2)t+(P0+4P1+P2)]/6

X(t)＝[(-X0+3X1-3X2+3X3)t3+(3X0-6X1+3X2)t2+(-3X0+3X2)t+(X0+4X1+X2)]/6

Y(t)＝[(-Y0+3Y1-3Y2+3Y3)t3+(3Y0-6Y1+3Y2)t2+(-3Y0+3Y2)t+(Y0+4Y1+Y2)]/6

其中，P0和P3为已知点，P0坐标(0，0)P3坐标(400，20)，P1和P2为优化控制点，P1和P2的坐标为P1(X1，Y1)、P2(X2，Y2)，且0＜X1＜X2＜400，0＜Y1＜Y2＜20。

针对腔体贴附反射纸103底面面型，在Lighttools中建模时，面型选择Swep面型，控制曲线选择样条曲线，数据点数选择4点，输入P0和P3点坐标，P1和P2坐标为优化参数，为后续优化扩散板空间亮度计数据做准备。

腔体贴附反射纸103底面面型参数优化后，确认为P0(0，0)、P1(200，2.05)、P2(300，8.5)和P3(400，20)。

如图6所示，图6是本发明实施例二提供的32寸背光模组正视图，为了从原理上解决传统直下式背光模组亮度不均匀的难题，采用长方形光斑混合叠加，以边缘两颗CSP光源400发出的光线形成的长方形光斑A和长方形光斑B示例，光斑A和B部分叠加，有效的解决了边角和中心区域亮度不均匀的问题。

如图7所示，图7是常规直下式背光模组混光原理图，LED光源202发出的光线经过TV透镜扩散后，形成的光斑是具有旋转对称特性的圆形光斑，而直下式背光模组及其显示装置一般具有长宽比约为4∶3或16∶9的正面外形，光斑和外形的不匹配，必然造成背光模组边角和中心区域亮度的不均匀。

如图8所示，图8是本发明实施例二提供的背光模组混光示意图。根据扩散板102的BSDF函数，当入射光线角度接近90°时，光线绝大部分是发生反射，而不是发生折射、散射从扩散板102上表面输出，故当CSP光源400位于扩散板102侧边时，必须要通过设计改变光路方向，使光线以较小角度入射扩散板102，进而才能提高光效。根据光路图，从偏光透镜300的出射面304出射的光线主要分为三部分：

1.光线直射到腔体贴附反射纸103上，经过腔体贴附反射纸103的反射，射向扩散板102，因为经过腔体贴附反射纸103的反射，使得这一部分光线入射扩散板102角度小，光线折射、散射后从扩散板102出射概率大，能量利用率高；

2.光线射向灯条上部反射纸105，经过灯条上部反射纸105反射，射向腔体贴附反射纸103，再射向扩散板102，这部分光线通过两次反射，同样使光线入射扩散板102角度小，能量利用率高；

3.剩余部分光线直接射向扩散板102，这部分光线入射角度大，光线会在扩散板102和腔体贴附反射纸103之间发生多次反射后从扩散板102输出，能量损失大，故需要优化，这就是使用偏光式设计的根本原因。CSP光源400发出的光线，经过偏光透镜300后，原本直接射向扩散板102的大部分光线，光线方向改变，向腔体104底部旋转，进而使射到腔体贴附反射纸103上的入射角度增大，进而融入第一部分光线，提高光效。所有射向扩散板102的光线，在扩散板102的双向散射特性下，从扩散板102正面出射，再经过光学膜片101的匀光作用，从而形成高亮度且均匀亮度的面发光体。

如图9所示，图9是本发明实施例提供的偏光透镜300子午面光路图，所述子午面为：垂直于CSP光源400排布轴线的平面。CSP光源400发出的光线与光轴的夹角φ满足-π/6＜φ＜π/6时，CSP光源400发出的光线投射到入射顶面302上，经过偏光透镜300的折射，从出射面304以平行光出射，因为出射面304在子午面内切线为直线，故子午面内，可以将出射面304视为平面。

将入射顶面302和出射面304及其中间介质整体当作平凸透镜，用成像光学设计方法，由公式1/f＝(n-1)(1/r1-1/r2)，N为偏光透镜300的折射率，取值为1.49，f近似为CSP光源400到入射顶面302顶点的距离，r1为入射顶面302的半径初始值，r2为出射面304半径，取值无限大。将计算得到的r值带入Lighttools建模，光线追迹，准直优化r值和圆锥系数，得到确定值。CSP光源400发出的光线与光轴的夹角φ满足π/6＜φ＜π/2或-π/2＜φ＜-π/6时，CSP光源400发出的光线投射到入射侧面301，入射侧面301是具有1°～5°拔模角度的旋转对称面，经过入射侧面301折射后，射向反射面303，经过反射面303的全反射后，再从出射面304折射出射。这一部分光线的关键点在于：CSP光源400发出的光线与光轴的夹角φ满足π/6＜φ＜π/2时，即光线出射方向为射向扩散板102方向时，经过偏光透镜300作用后，出射光线与光轴夹角2～10°，即完成光线向腔体贴附反射纸103的旋转；CSP光源400发出的光线与光轴的夹角φ满足-π/2＜φ＜-π/6时，即光线出射方向为射向腔体104底部方向时，经过偏光透镜300作用后，出射光线与光轴夹角＜2°，即以近准直光束出射(光源为扩展光源，点光源设计值以准直光线出射)。

将入射侧面301和反射面303及其中间介质作为折射-反射准直系统设计，一般可以采用同步曲面SMS法和偏微分方程法，准直方向与偏光透镜300光轴夹角渐变。

如图10所示，图10是本发明实施例提供的偏光透镜300弧矢面光路图，所示弧矢面为：平行于扩散板102表面且通过CSP光源400排布中心的平面，同时也是垂直于子午面的平面。在弧矢面内，光线通过偏光透镜300的光路对称，偏光透镜300在弧矢面内横截面关于光轴对称，将入射侧面301和反射面303及其中间介质作为折射-反射准直系统设计，准直方向与偏光透镜300光轴重合。出射面304使准直光束汇聚后再发散，完成混色和光线角度的扩展，从而使子午面内，全光束角度＞40°，即扩大了单颗CSP光源400的长方形光斑的宽度，利于光斑的混合和减少CSP光源400数量、降低成本的需求。

如图11所示，图11是本发明实施例提供的偏光透镜300的配光曲线图，子午面内，全光束角度42°＞40°，满足设计要求，弧矢面内，全光束角度20°＜30°，满足设计要求。

如图12所示，图12是本发明实施例一提供的背光模组9点测试数据图标，总均匀性1729/2227＝77％，大于行业标准75％，满足客户需求。

实施例三

如图13所示，图13是本发明实施例三提供的55寸背光模组结构示意图，与实施例二的不同之处在于，

本发明实施例的55寸背光模式的灯条106需要两条，各安装在腔体104的相对内侧壁上。

本发明实施例的混合距离OD值20mm，即扩散板102底面到腔体104底面最大距离20mm，最小距离为8.2mm；CSP光源400型号为EPISTAR 1010，单灯条106上CSP光源400和偏光透镜300数量均为42个，且CSP光源400间距为29mm，所述偏光透镜300外尺寸为20mm*20mm*11.2mm，所述反射纸103和105材质为RA8E，所述扩散板102的厚度为1.5mm，

当腔体104的宽度＞570mm时(43寸背光模组短边宽度565mm)，CSP光源400发出的光线最终照射到扩散板102上的光斑长度过大，均匀性较难得到保障，且出射亮度也会因为光斑区域的增大而降低，故背光模组在向更大尺寸扩展时，需要使用两侧入光方式，即双灯条106双侧入光。腔体104底部中央凸起，使用两套灯条106，如图14所示，55寸背光模组短边长度755mm，通过双侧入光方式，优化调整腔体贴附反射纸103的面型曲线，使扩散板102出射面空间亮度均匀。

如图15所示，图15是本发明实施例三提供的55寸背光模组9点测试数据图表，总均匀性1707.46/1938.45＝88％，大于行业标准75％，满足客户需求。

如上所述，便可较好的实现本发明。