背光结构和显示装置的制作方法
本公开的实施例涉及一种背光结构和包括该背光装置的显示装置。
背景技术：
现有的侧入式背光结构，结构复杂，使用的led芯片数量受到限制。另外，各种膜材(如增亮膜、散射膜)的使用也降低了整个背光的亮度，并且易于产生摩尔纹、牛顿环等画面不良现象。直下式背光结构对led芯片的数量没有限制，可以减少摩尔纹、牛顿环等画面不良现象。直下式背光结构还可以获得窄边框的面板，但是功耗较大，厚度也不容易减小。
技术实现要素：
本公开的实施例提供一种背光结构，以解决现有技术中的至少一个问题。
根据本公开的一个方面的实施例，提供一种背光结构，包括：基板；多个led芯片，所述led芯片设置在所述基板上；包括多个通孔的导光板，所述导光板设置在所述基板的包括所述led芯片的一侧，所述led芯片位于所述通孔在所述基板上的正投影内；荧光粉填充剂，所述荧光粉填充剂填充在各个通孔中；多个反射元件，所述多个反射元件分别覆盖在所述多个通孔的一侧；以及多个光取出结构，所述多个光取出结构与所述多个反射元件设置在所述导光板的远离所述基板的第一表面上，用于使光从所述导光板的第一表面出射。
根据本公开的一个实施例，所述反射元件的宽度满足如下关系式：
其中，d为所述反射元件的宽度，d为所述通孔的直径或最大横截面尺寸，t为所述导光板的厚度，n为所述导光板材料折射率。
根据本公开的一个实施例，所述反射元件的宽度不大于150μm。
根据本公开的一个实施例，所述的背光结构还包括：光调整结构，所述光调整结构设置在导光板的靠近基板的第二表面上，位于从反射元件反射的反射光线所照射的区域中，以防止光从导光板的第二表面出射。
根据本公开的一个实施例，所述光调整结构包括反射涂层。
根据本公开的一个实施例，所述光调整结构包括光学微结构，所述光学微结构包括设置在所述导光板的第二表面的多个锯齿突起，所述锯齿突起包括一斜面，所述斜面相对于导光板的第二表面的倾角ω设置为使得射向该斜面的光线在导光板中发生全反射。
根据本公开的一个实施例，所述光学微结构的位于导光板外侧的表面上设有反射涂层。
根据本公开的一个实施例，所述光取出结构为半球状突起或圆锥突起。
根据本公开的一个实施例，在靠近导光板的通孔的区域的半球状突起或圆锥突起的分布密度小于远离导光板的通孔的区域的半球状突起或圆锥突起的分布密度。
根据本公开的一个实施例，所述多个通孔均匀分布在导光板中。
根据本公开的一个实施例，所述基板包括控制电路，所述控制电路分别电连接到各个led芯片。
根据本公开的另一个方面的实施例，提供一种显示装置，包括本公开前述实施例的背光结构。
根据本公开实施例的背光结构和显示装置，可以获得较薄的背光结构和显示装置，并得到均匀的背光，提高显示装置的画面质量。
附图说明
图1示出了根据本公开的一个示例性实施例的背光结构的示意图。
图2示出了图1所示的背光结构的部分放大图。
图3示出了作为图1的背光结构的比较示例的背光结构的示意图。
图4示出了图1所示的背光结构中的光线传播方式的示意图。
图5示出了根据本公开的另一个实施例的背光结构的示意图。
图5a示出了对图5所示的背光结构中的导光板进行光学模拟的结果。
图6示出了作为图5的背光结构的比较示例的背光结构的示意图。
图6a示出了对图6所示的背光结构中的导光板进行光学模拟的结果。
图7a示出了对图5所示的背光结构进行光线模拟所采用的坐标系。
图7b示出了采用图7a的坐标系对图5所示的背光结构进行光线模拟的结果。
具体实施方式
为更清楚地阐述本公开的目的、技术方案及优点，以下将结合附图对本公开的实施例进行详细的说明。应当理解，下文对于实施例的描述旨在对本公开的总体构思进行解释和说明，而不应当理解为是对本公开的限制。在说明书和附图中，相同或相似的附图标记指代相同或相似的部件或构件。为了清晰起见，附图不一定按比例绘制，并且附图中可能省略了一些公知部件和结构。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。措词“一”或“一个”不排除多个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”“顶”或“底”等等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。当诸如层、膜、区域或衬底基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。
图1示出了根据本公开的一个示例性实施例的背光结构100的示意图。如图1所示，背光结构100包括基板1、设置在基板1上的多个led芯片2和设置在基板1上的导光板3。导光板3包括多个通孔30。导光板3的上表面，即远离基板1的第一表面31为出光面。多个led芯片2分别位于导光板3的多个通孔30在基板1上的正投影内。在多个通孔30中分别填充有荧光粉填充剂4。背光结构100还包括多个反射元件5，该多个反射元件5分别覆盖在多个通孔30的背离基板1的一侧。如图1所示，导光板3还包括多个光取出结构32。多个光取出结构32与多个反射元件5设置在导光板3的远离基板1的第一表面31处。
基板1的材料包括但不局限于玻璃或pcb(印刷电路板)等。led芯片2可通过倒装、正装、垂直封装等封装方式设置在基板1上。led芯片2可以为microled。led芯片2在基板1均匀排列，以使背光结构100发出的背光均匀。基板1上可制作控制电路，所述控制电路电连接到各个led芯片，以控制led芯片发光或不发光。控制电路例如为ito线路。ito线路主要用于连接各个led芯片的正负极。例如，可将led倒装芯片通过回流焊的方式贴片于ito线路上。ito线路可以形成单一的正负极控制背光结构整体的亮灭，也可以形成控制每个芯片亮灭的线路以实现更为复杂的功能，例如满足hdr(高动态对比度)要求。
导光板3的材料例如可以为无机或有机玻璃。多个通孔30均匀分布在导光板3中。通孔30的横截面形状包含但不局限于圆形、矩形等几何形状，通孔30的纵截面形状包含但不局限于直线、束腰等形状。通孔30的大小需要保证led芯片2可以放置于通孔中。
导光板3和基板1通过光学透明胶(oca)对位贴合，贴合时要保证各个通孔30分别与各个led芯片2位置对准。例如，基板1和导光板3贴合后，led芯片2分别位于对应的通孔30在基板1上的正投影的中心区域。导光板3可以仅在周边部分处与基板1通过光学透明胶粘接，在其它部分处导光板3和基板1之间存在空气间隙。导光板3和基板1贴合时，光学透明胶的厚度应小于等于led芯片锡球高度，以防漏光。
荧光粉填充剂4填充在与基板1贴合后的导光板3的通孔30中，以包围led芯片2。荧光粉填充剂4的填充高度与导光板3的第一表面31平齐。荧光粉填充剂4初始填充时为荧光物质颗粒41混合在液态粘接剂42中而形成的液态填充剂的形式，在填充之后在后续固化工序中固化成固态。荧光粉填充剂4用于将led芯片2发出的蓝光转化为黄光而后与led芯片2发出的蓝光混合以产生白光，以作为显示装置的背光。荧光物质颗粒41包含但不局限于硅酸盐(silicate)、yag(钇铝石榴石)、ksf(氟化物)等材料，还包括qd(量子点)等光致发光材料。
反射元件5可以以反射膜层的形式通过蒸镀工艺沉积在导光板3的背离基板1的第一表面31上，位于通孔30正上方，即反射元件5的中心线与通孔30的中心线重合。反射元件5的材料包含但不局限于白反、银反等反射材料。反射元件150可以包括多层，每层可以由相同或不同的反射材料构成。
反射元件5主要遮挡并反射led芯片2正方向上的光以提高光在导光板3中传播的比例，从而提高光效。反射元件5的宽度应大于通孔30的直径，反射元件5的形状可以对应通孔30的形状相应地设置。在通孔30为非圆形通孔的情况下，反射元件5也具有非圆形的形状。这时，反射元件5的宽度例如是指反射元件的最大平面尺寸，通孔30的直径例如是指通孔30的最大横截面尺寸。这里，正方向指led芯片发射的光束的主传播方向，在本实施例中为图1中的大致向上方向。
如图1所示，导光板3的第一表面31上设置有光取出结构32，使得在导光板3中全反射的光线能够经光取出结构32从导光板3射出。光取出结构32的例子包括一体形成于导光板3的第一表面31上的离散排列的多个半球状突起或圆锥突起。采用半球状突起或圆锥突起，易于将光从导光板3内部导出。当然，光取出结构的形状不限于半球状突起或圆锥突起，可以为其它形状，例如截面为梯形的凸台；或者，光取出结构32也可以为从导光板3的第一表面31上凹入的凹陷网点。只要能够将光从导光板导出，光取出结构的形状不做限制。
例如半球状突起或圆锥突起的光取出结构32可以在反射元件5之间的间隙中均匀分布在导光板的第一表面31上。可选地，在靠近导光板3的通孔30的区域的光取出结构32的分布密度小于远离导光板3的通孔30的区域的光取出结构3的分布密度。由于靠近通孔30的区域出射光光强较大，将靠近导光板3的通孔30的区域的光取出结构32的分布密度设置为小于远离导光板3的通孔30的区域的光取出结构3的分布密度，有利于从导光板3的出光面出射的光的强度均匀分布，因而有利于提供均匀的背光。
图2示出了图1所示的背光结构的部分放大图。如图2所示，led芯片2发出蓝光l1，经过荧光粉填充剂4后混出白光l2。正方向的光照射到通孔30上侧的反射元件5，经反射元件5反射后，和其他方向上的光一起进入导光板3中。由于导光板3与其上表面上方的介质的折射率差异，光线能够在导光板3内部反射。可选地，导光板3的折射率大于与导光板3第一表面31和第二表面33接触的结构的折射率，使光线能够在导光板3内部进行全反射，从而在导光板3内部传播，而后经光取出结构32均匀地分散出射。
与光直接从led芯片2向上发射相比，根据本公开上述实施例的背光结构100，光从led芯片2发出后，经反射元件5反射后在导光板3内部传播，而后经光取出结构32从导光板3的出光面均匀地分散出射。与光直接从led芯片向上发射相比，本公开上述实施例的背光结构100能够减小背光结构的厚度，减小功耗，并提高背光的均匀度。
为便于理解，图3给出了作为比较例的背光结构100a的图示，其中示出了显示面板200a。如图3所示，背光结构100a包括基板1、设置在基板1上的多个led芯片2和支撑框架3a。如图3所示，从led芯片2发出的光线l经支撑框架3a向上射向显示面板200a。因为led芯片2发射的光线比较集中，为了使出射光线充分扩散，以为显示面板200a提供均匀的背光，支撑框架3a具有比较大的厚度，从而使背光结构100a也具有较大的厚度。这样使包括该背光结构100a和显示面板200a的显示装置也具有较大的厚度。另一方面，如果要减小背光结构的厚度，则需要密集地设置更多的led芯片2，导致背光结构的功耗极大地增加。
与之对照，根据本公开的上述实施例，如图2所示，光从led芯片2发出后，首先在导光板3内部传播，而后经光取出结构32均匀地分散出射。由于光在导光板3内部被分散后取出，导光板3不必具有太大的厚度，便可得到均匀的背光。led芯片2的数量也可以减小，从而也减小了功耗。
图4示出了图1所示的背光结构100中的光线传播方式的示意图。如图4所示，为了使从led芯片2发出的未被反射元件5反射的光线，例如光线l5，能够在导光板230内部全反射，从通孔30最下侧外边缘射向反射元件5外边缘的入射光线l的入射角θ等于全反射临界角。入射角大于全反射临界角θ的光线，例如光线l5，均会在导光板230内部进行全反射。全反射的光线到达光取出结构32时经光取出结构32从导光板3的出光面出射，用于提供均匀的背光。
假设导光板3上方的介质为空气，其折射率为1，导光板3的折射率为n，全反射临界角θ满足公式：
根据三角形关系，反射元件5的半径至少应当为：
其中，d为反射元件5的宽度，即最大平面尺寸，d为通孔30的直径或最大横截面尺寸，t为导光板3的厚度，n为导光板3的材料折射率。
当满足上述关系式(1)时，未被反射元件5反射的光线，例如光线l5，由于其入射角大于全反射临界角θ，不会从导光板3的第一表面31出射，而是在导光板3内以全反射进行传播。全反射光线到达光取出结构32时，全反射条件被破坏，光从导光板3的第一表面31(出光面)出射。以这种方式，从led芯片2发出的光线首先在导光板3内部以全反射传播，然后从导光板3的第一表面31分散出射。由于光在导光板3内部被分散后出射，在获得均匀的背光的同时，导光板3不必具有太大的厚度，led芯片2的数量也可以减小，从而也减小了功耗。
如图4所示，从led芯片2发出的一部分光线，例如光线l4，会被反射元件5反射，之后照射到导光板3的第二表面33上。为了利用这部分光线，可选地，在导光板3的第二表面33上设有光调整结构35。光调整结构35设置在导光板3的靠近基板1的第二表面33上，位于从反射元件5反射的反射光线所照射的区域中，用于防止光从导光板的第二表面出射。光调整结构35可以为涂覆在导光板3的第二表面33上的反射涂层35的形式。从而，根据该实施例，从反射元件5反射的光线可以经反射涂层35反射后向上从导光板3的第一表面31出射，提高了光线利用率。
注意，由于反射元件5会阻挡光线射出，因此，反射元件5所在位置会出现暗斑。但是，由于反射元件5只占导光板3面积的很小一部分，大部分光线会从反射元件5之间的间隙出射。因此，反射元件5不会影响出射光线的均匀性。但是，为了进一步减小反射元件5的影响，可选地，可以将反射元件5设置得足够小，以使反射元件5造成的暗斑不被人眼观察到。为此，反射元件5的宽度d应满足：
d≤150μm
在这种情况下，可以进一步消除反射元件5对出射光线的影响，保证背光结构提供均匀的背光。
如上所述，根据本公开的上述实施例的背光结构，可以获得较薄的背光结构，得到均匀的背光，并可以降低背光结构的功耗。当该背光结构用于显示装置时，可以减小显示装置的厚度，降低功耗，并提高显示装置的画面质量。
图5示出了根据本公开的另一个实施例的背光结构300的示意图。如图5所示，背光结构300包括基板1、设置在基板1上的多个led芯片2和导光板3。导光板3的远离基板1的第一表面31为出光面。导光板3包括多个通孔30。多个led芯片2分别位于多个通孔30在基板1上的正投影内。在多个通孔30中分别填充有荧光粉填充剂4。背光结构300还包括多个反射元件5，该多个反射元件5分别覆盖在多个通孔30的一侧。所述导光板3还包括多个光取出结构32。多个光取出结构32与多个反射元件5设置在导光板3的远离基板1的第一表面31处。多个光取出结构32为半球状突起的形式。
该实施例的背光结构300与图1所示的实施例的背光结构100的结构大致相同，不同之处在于，通孔30的纵截面为束腰形状。另外，导光板3的下表面，即靠近基板1的第二表面33上设置有光学微结构34，作为光调整结构，用于防止光从导光板3的第二表面33出射。光学微结构34设置在导光板3的第二表面33上，位于从反射元件5反射的反射光线所照射的区域中。该实施例的其它方面与图1所示的实施例相同，在此不再赘述。
根据一个具体的实施例，如图5所示，光学微结构34包括设置在导光板3的第二表面33处的多个锯齿突起，锯齿突起包括一斜面34a，用于将从导光板3内部射向斜面34a的光线反射回导光板3中，防止光损失，提高背光结构300的光效。本领域技术人员可以理解，光学微结构的具体形式不限于锯齿突起，任何能够防止光从导光板3的第二表面33出射的结构均可以作为本公开的光学微结构。
可选地，根据一个示例的实施例，还可以在光学微结构34的位于导光板3外侧的表面上提供反射涂层，以进一步防止光从导光板3的第二表面33出射，提高光效。
为了进一步提高背光结构300的光效，根据一个具体的实施例，如图5所示，可以设置斜面34a相对于导光板3的第二表面33的倾角ω，以使射向斜面34a的光线在在导光板3中发生全反射。
如图5所示，可以看出，光线l5以大于全反射临界角θ的入射角入射到导光板3的第一表面31并发生全反射，从而在导光板3内部传播，之后经光取出结构32从导光板3的第一表面31出射。另一方面，入射到反射元件5上的光线l4经反射元件5反射后照射到光学微结构34的斜面34a处，例如在斜面34a处也发生全反射，从而也在导光板3的内部传播，之后经光取出结构32从导光板3的第一表面31出射。
根据本公开图5所示的实施例的背光结构300，通过使led芯片2发出的光线几乎全部在导光板3内部传播，而后经光取出结构32从导光板3的第一表面31分散出射，因此，能够防止光损失，进一步提高背光结构的光效，并能为显示装置提供均匀的背光。
为便于说明，图6示出了作为图5的比较示例的背光结构300a的示意图。图6所示的背光结构300a与图5的背光结构300的不同之处仅在于，如图6所示，导光板3的第二表面33处没有设置光学微结构。可以看出，在图6所示的背光结构300a中，被反射元件5反射的光线l4照射到导光板3的第二表面33处，在第二表面33处，一部分光线l6在基板1中发生折射而不能被利用，造成了光损失。
图5a和图6a分别示出了对图5和图6所示的背光结构中的导光板3进行光学模拟的结果。图5a是没有设置光学微结构的导光板3的光路图。图6a是设置光学微结构的导光板3的光路图。如图5a所示，在没有设置光学微结构的导光板3中，相当一部分光线l1从导光板3的第二表面33泄漏。与之对照，如图6a所示，通过在导光板3的第二表面33处设置光学微结构34，光线l大致全部从导光板3的第一表面31出射，而几乎不会从导光板3的第二表面33泄漏。
图7a和7b是对图5所示的背光结构300进行光学模拟的图示。模拟采用了
基于该坐标系对图5所示的背光结构300进行了光学模拟。模拟结果如图7b所示，其中同心圆环的圆心代表亮度为0，半径相同的圆环代表相同的亮度，半径越大的圆环所代表的亮度越大。从横剖面和纵剖面的出光亮度分布情况可知，背光结构300的大部分出射光线的出射角范围在±45°左右，即从整个背光结构300正面出射的光线亮度满足正常显示的要求，验证了方案的可行性。
根据本公开各实施例的背光结构，能够大幅度减薄器件结构，并保证整个背光源的背光的均匀性；同时，本公开各实施例的背光结构，省略了增亮膜、背光膜等各种膜材，简化了背光结构，并防止了产生摩尔纹、牛顿环等画面不良现象；另外，本公开各实施例的背光结构，使用的led芯片数量较少，光效高，降低了背光结构的功耗。
本公开另一方面的实施例涉及一种显示装置，包括如上所述各实施例的背光结构。显示装置的例子可以包括手机、电视机、电脑显示器、平板电脑、笔记本电脑、数码相框、个人数字助理、导航仪等具有显示功能的产品，本公开对此不做限制。根据本公开的显示装置，由于利用了上述各实施例的背光结构，显示装置的厚度薄、功耗低、显示面画均匀。
虽然以上参照附图描述了本公开的不同实施例，但本领域技术人员应当理解，在不引起冲突的情况下，不同实施例之间可以相互组合或进行部分替代。在不背离本公开的构思的前提下，可以对本公开的实施例做出各种修改和变化。所有这些修改和变化都应当落入本公开的保护范围内。因此，本公开的保护范围应以权利要求限定的保护范围为准。
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