本发明涉及导光元件，具体而言，涉及一种具有刚性的导光元件，以及包含所述导光元件的背光源装置。
背景技术：
在电视、电脑等领域广泛应用的液晶显示器，正在向薄型化方向发展。液晶显示器薄型化，相应要求其中的背光模组也薄型化。侧光式背光模组中，一般包含光源、导光板，以及反射片、扩散片等器件。其中，导光板是重要的组成部分。传统的导光板材料，如pmma(亚克力)、pc(聚酞酸酯)等材料，薄型化后容易弯曲变形，需要依靠背板、外框等机械架构加以固定，从而增强其机械性能。但是，机械架构的应用一方面增加了材料成本，另一方面也限制了背光模组的薄型化。
若采用具有较好刚性的光学材料(比如玻璃)作为导光板材料，可降低导光板对机械架构的要求，或可以免除背板等机械架。将玻璃等刚性光学材料用作导光板材料，可以达到背光模组薄型化对机械性能的要求。然而，就导光板上光提取结构的制作而言，却面临着很大的困难和挑战。刚性光学材料的材质要比传统导光板材料pmma、pc刚硬，无法直接在材料上进行加工。实际上，传统的射出、热压、激光等制作方式均不适合在玻璃等刚性材料上制作光提取结构。因此，在液晶显示器薄型化的发展进程中，亟需一种基于刚性光学材料、且适合规模化生产制作的导光元件。
技术实现要素：
针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于，提供一种基于刚性光学材料、且适合规模化生产制作的导光元件，以及包含所述导光元件的背光源装置。
根据本发明的第一方面，提供一种导光元件，用于侧光式背光源装置中，光源发出的光经其入光端面入射导光元件，入射光线在导光元件上表面的入射角大于等于临界角；所述导光元件包括导光主体、第一粘结层和第一结构层，其中，导光主体由具有光学透明特性的刚性材料制成，其厚度分别大于所述第一粘结层、第一结构层厚度的两倍；第一粘结层具有光学透明特性和粘性，位于所述导光主体下表面和第一结构层之间，用于粘结导光主体和第一结构层；所述第一粘结层的折射率大于或等于导光主体折射率，或在小于导光主体折射率时，两者的差值不大于0.3；第一结构层包括具有光学透明特性的基材，以及分布于基材下表面的多个光提取结构；所述多个光提取结构在基材表面的占用面积比，从入光端至出光端，从0.05％至10％向5％至60％增加；所述基材的折射率大于或等于第一粘结层折射率，或在小于第一粘结层折射率时，两者的差值不大于0.3。
在第一方面中，优选的是，所述导光主体的厚度分别大于第一粘结层、第一结构层厚度的五倍。
优选的是，所述第一粘结层的折射率在小于导光主体折射率时，两者的差值不大于0.1。
优选的是，所述第一结构层基材的折射率在小于第一粘结层折射率时，两者的差值不大于0.1。
优选的是，所述第一粘结层为压敏胶层，所述第一结构层基材为柔性基材。
优选的是，所述多个光提取结构为凸起微结构；或者所述多个光提取结构为凹陷微结构。
优选的是，所述导光元件还包括第二粘结层和第二结构层，其中，第二粘结层位于所述导光主体上表面和第二结构层之间，用于粘结导光主体和第二结构层；所述第二粘结层的折射率大于或等于导光主体折射率，或在小于导光主体折射率时，两者的差值不大于0.3；第二结构层包括基材和位于基材上表面的功能结构；所述第二结构层基材的折射率大于或等于第二粘结层折射率，或在小于第二粘结层折射率时，两者的差值不大于0.3。
优选的是，所述第二粘结层的折射率在小于导光主体折射率时，两者的差值不大于0.1。
优选的是，所述第二结构层基材的折射率在小于第二粘结层折射率时，两者的差值不大于0.1。
优选的是，所述第二结构层的功能结构为多个柱状棱镜，所述多个柱状棱镜彼此相邻或按设定的间隔布置，并且其中的每一个柱状棱镜从基材上表面的一端贯穿至另一端。
优选的是，所述导光主体由透明玻璃制成。
根据第二方面，提供一种背光源装置，包括：如上述第一方面中所述的导光元件；在邻近所述导光元件的入光端面配置的光源；以及反射片，位于所述导光元件的下方，使入射到其表面的光向所述背光源装置的出光方向反射。
按照本发明，导光元件采用了全新的结构，具有薄型化背光模组和液晶显示器所要求的刚性，同时克服了直接在刚性光学材料上制作光提取结构的难点。本发明的导光元件适合规模化生产制作。
附图说明
图1示出本发明一示例导光元件；
图2为图1所示导光元件在xz平面的截面图；
图3示出进入导光主体的光线a1在导光主体和第一粘结层内的传导；
图4示出进入第一粘结层的光线在该层和第一结构层的传导；
图5为本发明另一示例导光元件在xz平面的截面图；
图6示出本发明又一示例导光元件；
图7为图6所示导光元件在xz平面的截面图；
图8为图6所示导光元件在yz平面的截面图；
图9示出制作本发明导光元件的一种示例方法。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下文以实施例结合附图对本发明作进一步说明。附图中，相同的标记表示同一部件或结构。
参照图1，图1示出本发明一示例导光元件。导光元件包含导光主体101、第一粘结层103和第一结构层102。导光主体101由具有光学透明特性的刚性材料制成。所述刚性，为在外界环境，如外力、温湿度变化作用下不易产生形变的材料性能；或在外界环境的作用下虽然变形，但外界环境恢复以后，可恢复到原有形状的材料性能；或在外界环境的作用下可固定于设定形变的材料性能。优选地，导光主体101可由具有优越光学特性的透明玻璃制成。
第一结构层102包含基材104和分布于基材下表面的多个光提取结构105。基材104具有光学透明特性，可采用tac(醋酸纤维素膜)、pc、pmma、pet等材料。在本发明中，由于光从入光端向出光端的传导路径主要在导光主体内，而在第一结构层内的传导路径较短，因此第一结构层材料的光学性能要求会低一些，该层可选用的材料范围更广些。光提取结构105为，使导光元件中传导的光改变传导方向而被从导光元件中提取出来的结构。如图1所示，多个光提取结构105可为凸起微结构。
由邻近导光元件右端面的光源(未示出)，如led，发出的光从其右端面(即入光端面∑in)进入导光元件，并沿x方向通过全反射从右向左传导。光提取结构105破坏光线在导光元件中全反射的条件，使光线从导光元件的上表面或下表面被提取出来而离开导光元件。光提取结构105的密度沿x方向逐渐增加，具体而言，光提取结构105在基材104表面的占用面积比，从入光端至出光端，从0.05％至10％向5％至60％增加。其目的在于，使从导光元件中被提取出来的光强度在整个表面基本均匀分布。光提取结构105可由透明材料构成，其表面可为光滑表面，被提取而离开导光元件的光线包括从光提取结构透射的光线，透射方向取决于光提取结构105的表面形状、构成材料折射率、及入射至光提取结构表面的光线入射方向等因素。光提取结构105表面或可为粗糙表面，或可包含扩散粒子，被提取而离开导光元件的光线包含被粗糙表面或扩散粒子散射的光线。光提取结构105或可包含波长(颜色)转换材料，吸收部分入射光线，并转换成不同波长(颜色)的光线，例如量子点(quantumdot)材料，吸收蓝光而转换为绿光和红光。若光提取结构105包含波长(颜色)转换材料，进入导光元件的光可为单色光，如蓝光；部分蓝光被吸收后转换为绿光和红光，从导光元件被提取而离开的光则为白光，它包含了蓝光以及被转换出的绿光和红光。
第一结构层的制作可采用以下几种方法。一种方法为，在基材上涂布光敏材料；通过设计与光提取结构的位置和形状相对应的掩膜板图案，使能量辐射(如紫外光、电子束等)照射到光敏材料涂层上，使受能量辐射的光敏材料部分固化；再经过溶剂或液体的洗涤，除去未固化的光敏材料，留在基材表面固化了的光敏材料形成第一结构层的光提取结构。另一种方法包括，在基材表面涂布一可通过能量辐射、加热、加湿或其他适当方式固化的胶层；采用含有与光提取结构位置和形状对应的微点的模具，压在基材表面的涂层上，并在模具与涂层接触的同时，或在模具与涂层分离后使压有光提取结构的涂层固化，从而形成第一结构层；模具中的微点可为凸起或凹陷的微点，或同时包含凸起和凹陷的微点。第三种方法为，在基材上直接制作光提取结构，光提取结构和基材可为同一种材料；这种方法可采用与光提取结构位置和形状对应的模具，使模具加热，并在压力作用下使模具上的结构形状压制至基材上，在基材上形成与模具上结构和形状互补的光提取结构。
优选地，第一结构层基材为柔性基材。所述柔性，为在外界环境(如外力)作用下容易产生形变的材料性能。采用柔性基材的第一结构层在与导光主体粘结时比较简便、高效。第一结构层的制作可采用片材(sheet-by-sheet)或卷对卷(roll-to-roll)的加工方式。
第一粘结层103位于导光主体101下表面和第一结构层102之间，它具有粘性，用于粘结导光主体101和第一结构层102。在光由入光端面∑in进入导光元件，并在导光元件中从入光端面∑in传导至出光端面∑out的过程中，光线将多次通过第一粘结层103，因此，第一粘结层103除了需要具有较好的粘性外，还需具有较好的光学透明特性，在光线多次穿过后不产生人眼可见的显著颜色变化。优选地，第一粘结层103为压敏胶层。压敏胶(psa，pressuresensitiveadhesive)是一种对压力敏感的胶粘剂，在压力的作用下，可将胶层上方的导光主体101和下方的第一结构层102粘结在一起。第一粘结层103可直接制作在第一结构层102的背面(第一结构层的正面含有光提取结构)；或采用预先制作好的粘结胶制品。如采用预先制作好的压敏胶制品，使用时可先撕除一面的保护膜，并将该面与第一结构层的背面(或导光主体的一面)在适当压力的作用下粘结，然后再与导光主体的一面(或第一结构层的背面)粘结，上述制作步骤可通过覆膜机来实现。如采用卷对卷方式制作第一结构层，在按产品尺寸分切之前第一结构层半成品为卷状。一种合适的制作方式为，采用覆膜机使撕除了一面保护膜的卷状压敏胶制品与卷状第一结构层半成品的反面粘结，形成卷状第一结构层/第一粘结层的结合体。
适合本发明的第一粘结层材料包括，由各种丙烯酸酯单体共聚而得的丙烯酸酯共聚物，以及由有机硅树脂和有机硅橡胶混合组成的有机硅压敏胶；前者具有无色透明、很好的耐候性等优点，后者具有优异的耐高温和耐老化性能。
参照图2，图2为图1所示导光元件在xz平面的截面图。根据本发明，导光元件中，导光主体101的厚度d1分别显著大于第一结构层102的厚度d2、第一粘结层103的厚度d3。这样，导光元件的入光端面∑in中，导光主体101的侧面面积就显著大于第一结构层102、第一粘结层103的侧面面积。相应地，从导光主体侧面进入导光元件的光线，将显著多于从第一结构层、第一粘结层侧面进入的光线。优选地，导光主体的厚度分别大于第一结构层、第一粘结层厚度的两倍(即，d1＞2d2，d1＞2d3)。进一步优选地，导光主体的厚度分别大于第一结构层、第一粘结层厚度的五倍(即，d1＞5d2，d1＞5d3)。
由导光主体101进入导光元件的光，一方面，在其与空气(折射率n＝1)接触的上表面由于全反射而折返回导光元件。另一方面，光在导光主体101和第一粘结层103的界面，及第一粘结层103与第一结构层102的界面的传导特性取决于导光主体、第一结构层基材、和第一粘结层的折射率n1、n2和n3。进入导光主体101的光，需要通过第一粘结层103和第一结构层102，到达第一结构层102中含有光提取结构的下表面，并在设有光提取结构的位置，通过光提取结构的作用被提取而离开导光元件，直接或通过背光模组中置于导光元件下方的反射片的反射，成为射向液晶显示器面板的有用光线。
图3示出进入导光主体的光线a1在导光主体和第一粘结层内的传导。光线a1在导光主体上表面与空气的界面被全反射而成为光线a2。光线a1被全反射的条件是，其入射角α大于等于临界角α临界。如导光主体材料为玻璃(n1＝1.5)，则临界角α临界＝42°。值得指出，这里选择玻璃折射率n1＝1.5仅为描述方便，适合于本发明的玻璃导光主体材料可包括不同化学组分，因此玻璃折射率也有相应的不同数值。全反射光线a2在导光主体101和第一粘结层103界面的折射和反射，取决于第一粘结层折射率n3和导光主体折射率n1。如导光主体采用玻璃(n1＝1.5)，则光线a2入射至导光主体和第一粘结层界面的入射角α大于42°。入射角小于42°的入射光线不满足全反射条件，在邻近入光侧的一端即从导光元件出射而离开。第一粘结层折射率n3大于或等于导光主体折射率n1时，光线a2将通过界面的折射而进入第一粘结层103，如光线a3所示，其折射角由β表示；折射角β为小于或等于α的角度。如第一粘结层折射率n3小于导光主体折射率n1，折射角β将大于入射角α，部分具有较大入射角度的光线将在导光主体和第一粘结层的界面被全反射回导光主体，这部分光线将在导光主体101内，通过导光主体上表面与空气的界面及导光主体下表面与第一粘结层的界面，被多次全反射，从导光元件入光端面∑in传导至出光端面∑out，而无法从导光元件的出光面∑出射。这部分光线不能直接射向液晶显示器面板，造成光线的浪费，降低了光效。
下表列出了在导光主体为玻璃(n1＝1.50)的情况下，第一粘结层折射率n3与进入该粘结层光线角度范围的关系。
上表中，从导光主体入射至导光主体/第一粘结层界面的光线的入射角度α在42°至90°之间。在case粘结层-1中，粘结层折射率n3＝1.55时，折射角β小于入射角α，部分入射至导光主体/第一粘结层界面的光线可进入该粘结层。如粘结层折射率与导光主体折射率相同(n3＝1.50)，折射角β与入射角α相同，如case粘结层-2所示，在导光主体/第一粘结层界面无界面反射，所有入射光线都可进入该粘结层。case粘结层-3、case粘结层-4描述粘结层折射率小于导光主体折射率的情形。在这两种情形下，折射角β将大于入射角α；入射角度较大的光线将在导光主体/第一粘结层界面被全反射，而无法进入该粘结层。case粘结层-3示例粘结层折射率n3＝1.45时，入射角α在42°至74°的光线可通过界面的折射进入粘结层，入射角度为76°的光线，将被全反射回导光主体。入射角α等于或大于76°的光线，将无法直接成为照射到液晶显示器面板背面的有用光线。case粘结层-4示例粘结层折射率n3＝1.35时，入射角α在42°至64°的光线将可通过界面的折射进入粘结层，入射角度为66°的光线，将被全反射回导光主体。入射角α等于或大于66°的光线，将无法直接成为有用光线。
可以看出，第一粘结层折射率与导光主体折射率的差值越大，可从导光主体进入第一粘结层的光线的入射角度范围越小；更多具有较大入射角度的光线，将通过导光主体/第一粘结层及导光主体/空气的界面全反射，而在导光主体内从入光端面传导至出光端面，造成光线的浪费，降低光效。本发明中，为了使入射导光主体的光线最大限度地进入第一粘结层，以增强光的利用率，优选地，第一粘结层折射率大于或等于导光主体折射率。或者，在第一粘结层折射率小于导光主体折射率时，两者的差值不大于0.3，即，n3≥n1-0.3；这种情形下，更优选地，两者的差值不大于0.1，即，n3≥n1-0.1。
参照图4，图4示出进入第一粘结层的光线在该层和第一结构层的传导。由导光主体101进入第一粘结层103的光线，经过该层后入射至第一粘结层103和第一结构层基材104的界面，如光线b1和c1所示，它们的入射角为β，在第一结构层基材104内的折射角为γ。光线b2、c2分别为b1、c1通过界面进入第一结构层基材104的折射光线。光线b2传导至第一结构层底部无光提取结构处，通过在底部表面的全反射继续在导光元件内传导；光线c2传导至第一结构层底部的光提取结构105处，成为进入光提取结构的光线c3，并从光提取结构105的表面出射而被从导光元件中提取出来。如光提取结构105表面为粗糙表面或其内部含有扩散粒子，被提取的光线则为具有一定角度分布的散射光线，如c4所示。第一粘结层、第一结构层基材的折射率也需要满足适当的条件，以避免进入第一粘结层的光线在该层/第一结构层基材界面产生全反射而无法进入第一结构层基材。无法进入第一结构层基材的光线，将通过第一粘结层/第一结构层基材界面和第一粘结层/导光主体界面之间、或通过第一粘结层/第一结构层基材界面和导光主体/空气界面之间的全反射，从邻近导光元件入光侧的一端，传导至远离入光侧的出光端。这些光线无法直接用作液晶显示器的背光用途，会降低光效。
下表列出了在导光主体为玻璃且第一粘结层折射率与导光主体折射率相同(n3＝n1＝1.50)的情况下，第一结构层基材折射率n2与进入该层光线的角度范围的关系。
如第一结构层基材折射率n2大于第一粘结层折射率n3，部分从第一粘结层入射至第一结构层的光线可进入第一结构层。如两者折射率相同，在两者界面将没有折射/反射、或全反射现象，入射光线可全部进入第一结构层。如第一结构层基材折射率n2小于第一粘结层折射率n3，入射角度较大的入射光将无法进入第一结构层而造成光线的损耗。从第一粘结层入射至第一结构层光线的角度β在42°至90°之间。如上表中“case第一结构层-1”所示，当第一结构层基材折射率n2＝1.45时，折射角γ大于入射角β；入射角度β在42°至74°的光线可通过界面的折射进入第一结构层，入射角度β为76°的光线将被全反射回第一粘结层。入射角等于或大于76°的光线将无法直接成为照射到液晶显示器面板的有用光线。“case第一结构层-2”示出第一结构层基材折射率n2＝1.40时，入射角度β在42°至68°的光线可通过界面折射进入第一结构层；入射角度β为70°的光线，将被全反射回第一粘结层。入射角等于或大于70°的光线将无法直接成为有用光线。“case第一结构层-3”示出第一结构层基材折射率n2＝1.30时，入射角度β在42°至60°的光线可通过界面折射进入第一结构层，入射角度为62°的光线，将被全反射回第一粘结层。入射角等于或大于62°的光线将无法直接成为有用光线。
如第一结构层基材折射率n2小于第一粘结层折射率n3，第一结构层基材折射率与第一粘结层折射率的差值越大，可从第一粘结层进入第一结构层光线的入射角度范围越小；更多具有较大入射角度的光线将在第一粘结层或者第一粘结层和导光主体内，通过各界面的全反射，从导光元件的入光端传导至出光端，造成光线的浪费。本发明中，优选地，第一结构层基材折射率大于或等于第一粘结层折射率。或者，在第一结构层基材折射率小于第一粘结层折射率时，两者的差值不大于0.3，即，n2≥n3-0.3；这种情形下，更优选地，两者的差值不大于0.1，即，n2≥n3-0.1。
图5为本发明另一示例导光元件在xz平面的截面图。如图5所示，导光元件包括导光主体501、第一结构层502及第一粘结层503。第一粘结层503用于粘结导光主体501和第一结构层502。该示例导光元件中，第一结构层502包含基材504和多个光提取结构505。其中，多个光提取结构505为凹陷微结构，它们的表面向+z方向凹陷。这里，凹陷微结构也能使部分入射到它们表面的光，从第一结构层的底部、或通过第一结构层基材、第一粘结层和导光主体并从导光主体上方被提取而离开导光元件。类似地，凹陷微结构的密度沿至少一个方向逐渐增加。例如，它们的密度沿x方向从导光元件的入光端面∑in向出光端面∑out逐渐增加。
图6示出本发明又一示例导光元件；图7、图8分别为图6所示导光元件在xz、yz平面的截面图。该示例导光元件中，第一粘结层603位于导光主体601下表面和第一结构层602之间，用于粘结导光主体601和第一结构层602。第一结构层602包含基材604和密度沿x方向逐渐增加的多个光提取结构605。第二粘结层607位于导光主体601上表面和第二结构层606之间，用于粘结导光主体601和第二结构层606。第二结构层606包括基材608和位于基材上表面的功能结构609。这里，第二结构层606可为增加背光模组正向(z方向)亮度的结构层，或为增加导光元件扩散功能的结构层，或为增加、优化导光元件、背光模组其他功能的结构层。该示例中，优选地，第二结构层606的功能结构609为沿x方向的多个柱状棱镜，它们彼此相邻布置，并且每个柱状棱镜从基材608上表面的一端贯穿至另一端。可替代地，多个柱状棱镜或按设定的间隔布置。柱状棱镜可增强导光元件的聚光功能，使更多以大角度离开导光元件出光面的光聚集到导光元件的正向，即z方向上来。
图6-8所示导光元件中，类似地，导光主体601折射率n1’、第一粘结层603折射率n3’、第一结构层基材604折射率n2’亦需要满足设定的条件，以避免从入光端进入导光元件的光线被限制在导光主体、第一粘结层或第一结构层基材内而降低光效。优选地，第一粘结层折射率大于或等于导光主体折射率。或者，在第一粘结层折射率小于导光主体折射率时，两者的差值不大于0.3，即，n3’≥n1’-0.3；这种情形下，更优选地，两者的差值不大于0.1，即，n3’≥n1’-0.1。而且，优选地，第一结构层基材折射率大于或等于第一粘结层折射率。或者，在第一结构层基材折射率小于第一粘结层折射率时，两者的差值不大于0.3，即，n2’≥n3’-0.3；这种情形下，更优选地，两者的差值不大于0.1，即，n2’≥n3’-0.1o
该示例导光元件中，导光主体601折射率n1’、第二粘结层607折射率n7’、第二结构层基材608折射率n6’同样需要满足设定的条件，以避免从入光端进入导光元件的光线被限制在导光主体、第二粘结层或第二结构层基材内而降低光效。优选地，第二粘结层折射率大于或等于导光主体折射率。或者，在第二粘结层折射率小于导光主体折射率时，两者的差值不大于0.3，即，n7’≥n1’-0.3；在这种情形下，更优选地，两者的差值不大于0.1，即，n7’≥n1’-0.1。而且，优选地，第二结构层基材折射率大于或等于第二粘结层折射率。或者，在第二结构层基材折射率小于第二粘结层折射率时，两者的差值不大于0.3，即，n6’≥n7’-0.3；这种情形下，更优选地，两者的差值不大于0.1，即，n6’≥n7’-0.1。
该示例导光元件中，第二结构层包含基材608和功能结构609，是为了描述的清晰、简洁。本发明导光元件中，第二结构层的功能结构可直接制作在基材上，功能结构和基材可为同一种材料。
根据本发明的导光元件，由导光主体提供了薄型化背光模组和液晶显示器所要求的刚性；第一结构层提供了使导光主体内传导的光在设定位置被提取而离开导光元件的功能，并可采用高效的制作方法进行加工。本发明克服了在刚性光学材料上难以制作光提取结构和其他功能结构的困难。
参照图9，图9示出制作本发明导光元件的一种示例方法。该制作方法包括以下步骤：(a)制作导光主体。将导光主体材料按图纸切割成设计尺寸。合适的切割方法包括刀轮切割，先用刀轮在导光主体材料上划出切口，再通过裂片机完成裂片而获得导光主体。刀轮切割后边缘通常较为粗糙，优选对边缘进行磨边抛光。合适的切割方法还包括用激光切割，将激光聚焦到材料上，对材料进行局部加热直至超过熔点，使设计尺寸的导光主体材料与其他部分相分离而获得导光主体；激光切割为非接触性加工，无机械应力，且效率较高。(b)制作第一结构层。采用如前文所述的三种方法或其他合适的方法，均可制作本发明导光元件中的第一结构层。在形成第一结构层时，在该层中可同时制作对位标识。对位标识可为l形、十字形或其他合适的形状，以便在将第一结构层和导光主体粘结时起对位作用。(c)联结第一结构层与第一粘结层。因第一结构层的正面含有光提取结构，将该结构层的背面与第一粘结层结合。(d)将背面结合了第一粘结层的第一结构层与导光主体结合。这种结合可借助第一结构层中的对位标识进行对位，然后将第一结构层贴合至导光主体。所述贴合可通过覆膜机来实现。(e)沿导光主体的四周，切除第一结构层和第一粘结层中超出导光主体的部分。这种切除可采用载切机，通过裁切刀片与导光主体的相对运动完成。
显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在所附权利要求书的涵盖范围之内。