用于光导的输出耦合结构的制作方法

文档序号:26007521发布日期:2021-07-23 21:26阅读:65来源:国知局
用于光导的输出耦合结构的制作方法

本发明涉及发光装置领域,并且具体地涉及一种用于高动态范围显示装置的像素化的发光背光结构。



背景技术:

移动电话、平板电脑、笔记本电脑或更大的电子显示器在图像的暗部和亮部之间理想地具有大的对比度。因为人眼具有14个数量级的非常高的动态范围(hdr),所以支持高对比度范围的显示器允许呈现更真实的图像。高动态范围显示器应该具有高对比度、非常黑的状态和高峰值亮度,并且允许光水平的精确控制。例如,基于有机led(oled)的显示器通常可以具有完美的(无光的)黑色,提供了支持hdr观看的高对比度。相比之下,由于来自穿过光学系统的背光的光泄漏,液晶显示器(lcd)不能够支持完美的黑色。然而,用于lcd的最大光输出总体上高于用于oled显示器的最大光输出,允许在较亮端处扩展动态范围。如果可以显著降低黑色值,则lcd显示器可以匹配或超过oled的动态范围。

减少lcd显示器中的黑色值的一种公认方式是(局部地)关闭背光以增强图像的对比度。可以被关闭的背光的面积越小,对比度分辨率越好。这个技术常常被应用于基于lcd的电视机中,并且通常被称为全阵列局部调光(fald)。

不幸的是,常规的fald技术不在为笔记本电脑、平板电脑和移动装置提供的较小的显示器上工作,主要由于支撑背光的厚度(通常小于0.4mm)。支持fald的led被嵌入光导中,并且通常从顶部发射光。用非常薄的背光,穿过光导层和光学系统的剩余部分(亮度增强膜和漫射箔),led将是清晰可见的。用具有几乎不从封装的顶部发射的侧面发光的led代替顶部照明的led源是不可行的,因为这将在led上方产生“黑洞”,而不是均匀的光照。



技术实现要素:

根据本发明的实施例,led背光系统包括多个背光段,该多个背光段包括完整的光波导,每个背光段支撑侧面发光的led。所述多个背光段中的每个中包括光导,并且该光导限定了具有顶部和侧壁的腔,其中侧面发光的led位于该腔中。反射层和顶部输出耦合结构中的至少一个可以位于腔的顶部和侧面发光的led之间。

在一些实施例中,背光段被光学屏障彼此分开,该光学屏障可以包括反射涂层或光吸收层。多个背光段中的每个可以位于邻近印刷电路板基板上的至少一个其它背光段。

侧壁输出耦合结构位于腔的侧壁和侧面发光的led之间。在一些实施例中,仅顶部输出耦合结构位于腔的顶部与侧面发光的led之间,而在另一些实施例中,在顶部输出耦合结构上形成了另外的反射层。

多个背光段可以彼此邻近地位于印刷电路板基板上,并且可以被类似地确定尺寸以允许模块化布局。每个侧面发光的led可以位于相应的背光段中央。

附图说明

参考以下附图描述了本公开的非限制性的和非穷举性的实施例,其中除非被指定,否则遍及各个附图,相同的附图标记指示相同的部分。

图1图示了包括单独控制的分段背光的led显示系统的一个实施例;

图2a图示了具有光波导的led背光的一个实施例,该光波导具有腔,led被装配到该腔中;

图2b是模拟结果,其图示了诸如图2a中所示出的led背光的接近均匀的光输出;

图3a图示了led背光的一个实施例,该led背光具有位于腔的顶部和侧面发光的led之间的顶部输出耦合结构;

图3b是模拟结果,其图示了诸如图3a中所示出的led背光的接近均匀的光输出;

图4a图示了具有弯曲且渐缩的光波导的led背光的一个实施例,该光波导具有腔,led被装配到该腔中;

图4b是诸如图4a中所示出的弯曲且渐缩的光波导的透视视图;

图5a图示了具有弯曲且矩形边缘的光波导的led背光的一个实施例,该光波导具有腔,led被装配到该腔中;

图5b是诸如图5a中所示出的弯曲且矩形边缘的光波导的透视视图;

图6a图示了立方形状的led在光波导中的正方形腔中的相对位置;

图6b图示了立方形状的led在光波导中的正方形腔中的相对位置,其中光波导支撑用于光输入耦合的棱镜;

图7a是模拟结果,其图示了诸如图6b中所示出的led背光的接近均匀的光输出;以及

图7b是模拟结果,其图示了没有用于光输入耦合的棱镜的led背光的不均匀的光输出。

具体实施方式

在下面的描述中,出于解释而非限制的目的,阐述了诸如具体架构、接口、技术等的特定细节,以便提供本发明构思的透彻理解。然而,对于本领域技术人员将清楚的是,可以在不同于这些特定细节的其它实施例中来实践本发明。以类似方式,本说明书的文本针对如图中所图示的示例实施例,并且不旨在把要求保护的发明限制在明确包括于权利要求中的限制之外。出于简单和清晰的目的,省略了众所周知的装置、电路和方法的详细描述,以免不必要的细节使本发明的描述费解。

图1图示了包括单独控制的分段背光102的led背光显示系统100的一个实施例。印刷电路板110支撑每个光波导段120并把(多个)led连接至背光控制器150。led140位于被限定在光波导段120内的腔130内。可以从每个背光段102的顶表面124发射强度可控制的且有区别的接近均匀分布的光123,以穿过适合于移动电话、平板电脑、笔记本电脑或其它装置的lcd像素显示元件。在一些实施例中,即使光波导段120的厚度可以显著小于1mm——并且在某些实施例中,在约0.3至0.5mm的厚度之间——也支持全阵列局部调光(fald)。诸如所描述的led背光显示系统100还可以支持90%的同质性,其被定义为特定感兴趣区域中明暗之间的对比度,或者被定义为照度的标准偏差除以感兴趣区域中的平均照度。

在一些实施例中,单个或多个led可以与每个光波导段120相关联。在其它实施例中,可以使用在所有四个侧面上具有强侧面光发射的并且顶部和底部发射被限制的立方led或矩形led。顶部发射可以通过散射元件或者应用的反射或光吸收涂层被进一步限制。能够形成高亮度led的半导体材料可以包括但不限于氮化铟镓、氮化铝镓、氮化铝镓铟和其它合适的iii-v族半导体,具体是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金,也被称为iii族氮化物材料。如将被理解的,对led架构和材料的各种其它修改是可能的。led段可以被覆盖有诸如磷光体、量子点或染料的波长转换材料。可以使用多种类型和厚度的磷光体。与一种或多种波长转换材料组合的led可以被用于产生白光或其它颜色的单色光。在一些实施例中,微透镜或者其它初级或次级光学元件(包括反射器、散射元件或吸收器)可以被附接至每个led或相关联的磷光体。可以根据需要使用保护层、透明层、热学层或其它封装结构。

每个led位于被限定在光波导段120内的腔130中。在一些实施例中,每个光波导段120具有矩形或正方形边界,并且可以被构建为具有共同的尺寸以简化段120的数量和布局中的模块化的增加或减少。在一些实施例中,光波导段是具有小于0.4mm厚度的5×5mm的平板。典型的材料包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma)、其它丙烯酸或其它光学级塑料。

腔130可以总体上是立方的、矩形的、截锥的、圆的、椭圆的或其它能够容纳led的被适当限定的形状。在一些实施例中,在led的顶部和腔的顶部之间产生了小间隙。在led的侧面和腔的侧壁之间也可以形成间隙。有利地,这些间隙减小了把led放置在腔内所需的公差,简化了制造和组装。使用镜面或漫反射涂层可以减少顶部发射。来自光波导段120的光的输入耦合和输出耦合可以通过使用3维散射结构、限定的或成型的槽、棱锥、或者切口、以及印刷的白点图案来改善。这些结构或图案可以被限定在腔的侧壁或腔的顶部上。在一些实施例中,反射层或散射层可以被形成在这种光输入耦合和输出耦合结构之上。在具体实施例中,反射层和顶部输出耦合结构中的至少一个位于腔的顶部和led之间。

在其它实施例中,光导段120的边缘可以包括光学吸收器或反射器,以减少邻近的光导段120之间的光串扰。可以通过在光导段内限定或定位的合适的输出耦合结构来使偏转的光穿过顶表面。这些可以是3维散射结构、限定的或成型的槽、棱锥、或者切口、以及印刷的白点图案。同质性也可以通过使用位于顶表面124上方的散射、同质化或者漫射箔或漫射膜来改善。在一些实施例中,也可以包括亮度增强箔以改善峰值亮度。这样的箔或膜可以是离散的,覆盖单个光波导段120,或者可以覆盖两个或更多个光波导段120。有利地,对于箔或膜与背光共同延伸的那些实施例,低水平的侧向光漫射可以帮助平滑视觉接缝并且减少光波导段120之间的任何视觉梯度。

图2a(以截面)图示了led背光200的一个实施例,其示出了被支撑在印刷电路板210上的单个完整形成的光波导段220。光波导段220具有在其中被限定的腔230,侧面发光的、总体上是立方的或矩形的立体形状的led240被装配到该腔230中。腔的顶部232被涂覆有反射器234。可以在腔侧壁236中形成或限定光输入耦合结构,而可以在光波导段220的底表面231上或附近形成光输出耦合结构260。实际上,来自led240的侧面发射的光进入光波导段220,并且被重定向以提供近乎同质的背光223。由覆盖光波导段220的边缘的反射光屏障238限制了向任何邻近光波导段的光传输。

图2b是模拟结果图201,其图示了诸如图2a中所示出的led背光的接近均匀的光输出。如相比于本文其它公开的实施例,当单独使用了顶部反射器时,可识别的中央亮度峰值仍然的存在的。

图3a图示了led背光的一个实施例,该led背光具有位于腔的顶部和侧面发光的led之间的顶部输出耦合结构。类似于关于图2a所讨论的结构,图3a具有led背光300,其包括被支撑在印刷电路板310上的单个完整形成的光波导段320。光波导段320具有在其中被限定的腔330,侧面发光的、总体上是立方的或矩形的立体形状的led340被装配到该腔330中。腔的顶部332首先被涂覆有输出耦合结构337,该输出耦合结构337可以包括形成的或限定的结构或者散射层。在输出耦合结构337上形成了反射器334。可以在腔侧壁336中形成或限定光输入耦合结构,而可以在光波导段320的底表面331上或附近形成光输出耦合结构360。实际上,来自led340的侧面发射的光进入光波导段320,并且被重定向以提供近乎同质的背光323。由覆盖光波导段320的边缘的反射光屏障338限制了向任何邻近光波导段的光传输。

图3b是模拟结果,其图示了诸如图3a中所示出的led背光的接近均匀的光输出。可以看出,相比于诸如图2a和图2b所图示的结构,使用组合的反射器336和输出耦合结构337导致了改善的光同质性和大大降低的中央亮度峰值。

图4a图示了具有弯曲且渐缩的光波导的led背光的一个实施例,该光波导具有腔,led被装配到该腔中。如所图示的,图4a具有led背光400,其包括被支撑在印刷电路板410上的单个完整形成的光波导段420。弯曲且渐缩的光波导段420具有在其中被限定的腔430,侧面发光的、总体上是立方的或矩形的立体形状的led440被装配到该腔430中。腔的顶部432首先被涂覆有输出耦合结构437,该输出耦合结构437可以包括形成的或限定的结构或者散射层。在输出耦合结构437上形成了反射器434。可以在腔侧壁436中形成或限定光输入耦合结构,而可以在光波导段420的底表面431上或附近形成光输出耦合结构(未示出)。由于光导的弯曲和渐缩边缘的使用,很少光或没有光从边缘被发射,减少或消除了对边缘附接的光吸收器或反射器的需要。在实践中,边缘将具有一些厚度,但是总体上可以被制造为具有小于300微米的厚度或边缘高度,并且可以具有在50和200微米之间的边缘高度,其中100微米是典型的。

图4b是诸如图4a中所示出的弯曲且渐缩的光波导430的透视视图。如所图示的,总体上正方形或矩形的波导430部分地由四个三角形状的面限定。可以把led安装在波导430的中央附近所限定的腔中。

图5a图示了具有弯曲且矩形边缘的光波导的led背光的一个实施例,该光波导具有腔,led被装配到该腔中。如所图示的,图5a具有led背光500,其包括单个完整形成的光波导段520,该光波导段520限定了曲面,具有边缘,并且被支撑在印刷电路板510上。弯曲且渐缩的光波导段520具有在其中被限定的腔530,侧面发光的、总体上是立方的或矩形的立体形状的led540被装配到该腔530中。腔532的顶部首先被涂覆有输出耦合结构537,该输出耦合结构537可以包括形成的或限定的结构或者散射层。在输出耦合结构537上形成了反射器534。可以在腔侧壁536中形成或限定光输入耦合结构,而可以在光波导段520的底表面531上或附近形成光输出耦合结构(未示出)。光导段520的边缘535可以包括光学吸收器或反射器,以减少邻近的光导段之间的光串扰。

图5b是诸如图5a中所示出的弯曲且矩形边缘的光波导530的透视视图。如所图示的,总体上正方形或矩形的波导530由终止于边缘的光滑表面限定,相比于相应边缘的中央,该边缘在角处具有较小的高度。可以把led安装在波导530的中央附近所限定的腔中。

图6a图示了立方形状的led640在光波导620中的正方形腔630中的相对位置。在此实施例中,led相对于腔630被旋转,使得led640的边缘面对正方形腔630的角,而腔630的边缘面对led640的角。

图6b图示了立方形状的led640在光波导621中的正方形腔631中的相对位置,其中光波导621支撑用于改善的光输入耦合的侧壁棱镜633。侧壁棱镜633用改善的光扩散功能性的优点有效地限定了图6a的被旋转的腔的菲涅耳表示。

图7a是模拟结果图700,其图示了诸如图6b中所示出的led背光的接近均匀的光输出。

图7b是模拟结果图710,其图示了没有光输入耦合的侧壁棱镜633的led背光的不均匀的光输出。

已经详细描述了本发明,本领域技术人员将理解,鉴于本公开,可以不背离本文描述的发明构思的精神对本发明进行修改。因此,不旨在把本发明的范围限制为所图示的和所描述的特定实施例。

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