CN100483207C - 导光板与背光模组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导光板，旨在解决现有技术的导光板的光能利用率较低的问题。该导光板包括入光面、垂直于该入光面的出光面和相对于该出光面的底面，其中，该导光板为应力双折射导光板，其主应力之一的方向和入光面的夹角大于0度小于90度。该导光板的出光面上可以进一步设置有亚波长光栅结构。本发明还涉及一种采用该导光板的背光模组。

Description

导光板与背光模组

【技术领域】

本发明涉及一种光能利用率高的导光板与背光模组。

【背景技术】

由于液晶显示面板中的液晶本身不具有发光特性，因而，为达到显示效果，需要给液晶显示面板提供背光模组，该背光模组的功能在于向液晶显示面板供应具有充分亮度而且均匀分布的面光源。

一种现有技术的背光模组如图1所示，该背光模组20与液晶显示面板10组成液晶显示装置100。该背光模组20包括光源21、导光板22、反射片23、扩散片24和棱镜片25。该液晶显示面板10的上、下两个表面分别设置上偏光片11和下偏光片12。该背光模组20中的光源21相对导光板22的侧面设置，该反射片23、导光板22、扩散片24和棱镜片25依次层叠设置。该液晶显示面板10位于背光模组20的上方。

该背光模组20工作时，光源21发出自然光，该自然光经导光板22、反射片23、扩散片24和棱镜片25转换为面光源后以自然光T投射在下偏光片12上。该自然光T可以看作由振幅相同且光矢量相互垂直的线偏振光P与线偏振光S。其中，该线偏振光P的偏振方向与偏光片12的透光轴方向相同，该线偏振光S的偏振方向与偏光片12的透光轴方向垂直。故，仅线偏振光P能通过偏光片12，而线偏振光S不能通过偏光片12且被具有吸收性能的偏光片12吸收。由于近50％的光被偏光片12吸收，这大大降低了光能利用率。

另一种现有技术的背光模组如图2所示，该背光模组40与液晶显示面板30组成液晶显示装置300。该背光模组40包括光源41、导光板42、反射片43、扩散片44、棱镜片45、1/4波片46和反射式偏振分光器(Polarizing Beam Splitter，PBS)47。该液晶显示面板30的上、下两个表面分别设置上偏光片31和下偏光片32。该背光模组40中的光源41相对导光板42的侧面设置，该反射片43、1/4波片46、导光板42、扩散片44、棱镜片45和反射式偏振分光器47依次层叠设置。该液晶显示面板30位于背光模组40的上方。

该背光模组40工作时，光源41发出自然光，其中一部分自然光经导光板42、扩散片44和棱镜片45转换为面光源后以自然光T投射在反射式偏振分光器47上。该自然光T中的线偏振光P能通过反射式偏振分光器47并进而通过偏光片32，而线偏振光S则不能通过反射式偏振分光器47，其被反射式偏振分光器47反射回背光模组40。被反射回的线偏振光S依次通过棱镜片45、扩散片44、导光板42和1/4波片46，然后投射到反射片43上并被反射片43反射再次通过1/4波片46，由于1/4波片46的作用，线偏振光S两次通过1/4波片46后转换为线偏振光P1(线偏振光P1与线偏振光P具同种偏振方向)，从而使该线偏振光P1也可以通过反射式偏振分光器47和偏光片32。由于该背光模组40实现了光能的复用，光能利用率得到提高。理论上，该背光模组40的亮度可以为上述的背光模组20的两倍。

但是，由于该背光模组40中被反射式偏振分光器47反射的线偏振光S必须从导光板42射出，然后才能被1/4波片46转换成线偏振光P1，而1/4波片46和导光板42的界面处会产生反射和散射损失，这仍然不利于光能利用率的提高。

【发明内容】

以下，将以实施例说明一种可提高光能利用率的导光板，以及，一种采用所述导光板的光能利用率高的背光模组。

为实现上述实施例之内容提供一种导光板，该导光板包括入光面、垂直于该入光面的出光面和相对于该出光面的底面，其中，该导光板为应力双折射导光板，其主应力之一的方向和入光面的夹角大于0度小于90度。

优选的，该夹角为45度。

进一步的，该导光板出光面上具有亚波长光栅结构。

以及，提供一种背光模组，该背光模组包括光源、导光板、反射片和反射式偏振分光器，该导光板包括入光面、垂直于该入光面的出光面和相对于该出光面的底面，该光源相对导光板的入光面设置，该反射片、导光板和反射式偏振分光器依次层叠设置，其中，该导光板为应力双折射导光板，其主应力之一的方向和入光面的夹角大于0度小于90度。

优选的，该夹角为45度。

以及，提供一种背光模组，该背光模组包括光源、导光板和反射片，该导光板包括入光面、垂直于该入光面的出光面和相对于该出光面的底面，该光源相对导光板的入光面设置，该反射片设置在导光板底面一侧，其中，该导光板为应力双折射导光板，其主应力之一的方向和入光面的夹角大于0度小于90度，该导光板出光面上具有亚波长光栅结构。

优选的，该夹角为45度。

相较于现有技术，由于本实施例所提供的导光板为应力双折射导光板，其具有大的位相延迟，并接近或者等同于1/4波片的性能，从而应用本实施例导光板的背光模组不再需要额外的1/4波片，即可将线偏振光S在导光板内部转换成线偏振光P，无界面处的反射及散射损失，光能利用率进一步提高。

同样，本实施例所提供的背光模组结合反射式偏振分光器或者导光板出光面的亚波长光栅结构，可以实现发射液晶面板需用的偏振光，提高光能利用率。

【附图说明】

图1是一种现有技术的背光模组与液晶显示面板组成的液晶显示装置的平面示意图。

图2是另一种现有技术的背光模组与液晶显示面板组成的液晶显示装置的平面示意图。

图3是本发明第一实施例的导光板的立体示意图。

图4是图3所示导光板的光路示意图。

图5是本发明第二实施例的背光模组的平面示意图。

图6是本发明第三实施例的导光板的立体示意图。

图7是本发明第四实施例的背光模组的平面示意图。

【具体实施方式】

如图3所示，是本发明第一实施例导光板的立体示意图。该导光板52为平板形，其包括入光面521、垂直于该入光面521的出光面522，和相对该出光面522的底面523。该导光板52的底面523设置有微结构524。本实施例中，该导光板52为聚碳酸酯材料，该微结构524为V形槽，该出光面522为平面。

该导光板52是利用光弹性效应(Photoelastic Effect)，被施加应力或者应变制得的应力双折射导光板。如图3所示，首先定义垂直该导光板52入光面521的方向为X轴，垂直于X轴并平行于出光面522的方向为Y轴，则该导光板52中的主应力σ_x和σ_y的方向分别沿着图中虚线所示的两个方向，σ_x和X轴方向夹角为θ，σ_y和Y轴方向夹角为θ。该θ角度在0度到90度之间，优选的为45度。

由于该导光板52被施加应力或者应变，其具有大的位相延迟，并接近或者等同于1/4波片的性能，从而应用本发明导光板52的背光模组不再需要额外的1/4波片，即可将线偏振光S在导光板52内部转换成线偏振光P，无界面处的反射及散射损失，光能利用率进一步提高。

下面结合图4，对该导光板52对线偏振光S的转换过程进行论证。

一起参照图4所示，假设入射光在XZ平面内，线偏振光P电矢量Ep方向在XZ平面内，线偏振光S电矢量方向在XZ平面法线方向，反射式偏振分光器的透光轴沿着X轴方向。导光板52底面523的微结构524改变入射角θ_i，当此入射角θ_i的角度较小时，光线才能从导光板52出光面522射出，由于θ_i较小，在如下分析中，为了简化问题，假设θ_i＝0，即出射光沿着出光面

522法线方向。线偏振光S的琼斯(Jones)矢量 $E_i=\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right]$ ，根据布儒斯特(Brewster)定律，折射率变化量和主应力大小成线性关系，有：

n_σy-n_σx＝C(σ_y-σ_x)                    (1.1)

其中n_σx和n_σy分别表示在两个应力方向的折射率，C表示相对应力-光性常数。

光波通过厚度为d的导光板52后有一光程差l，根据式1.1有：

l＝Cd(σ_y-σ_x)                       (1.2)

入射光波长α，得到相位延迟δ为：

δ＝2πCd(σ_y-σ_x)/α                (1.3)

上述两个式子1.2与1.3称为平面光弹性的应力-光学定律。施加应力后，导光板52变成了相位延迟器。

在光弹性实验中，一般定义f_σ＝a/C，f_σ称为材料应力条纹值，所以位相延迟δ可以改写为：

δ＝2πd(σ_y-σ_x)/f_σ                  (1.4)

沿着应力σ_x和σ_y的方向，此导光板52的琼斯矩阵T_δ可以写成：

$T_{\mathrm{\δ}}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{\mathrm{j\δ}}\end{array}\right]---\left(1.5\right)$

转换到XY坐标系下，琼斯矩阵T为：

$T=R\left(\mathrm{\θ}\right)T_{\mathrm{\δ}}R(-\mathrm{\θ})=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{\mathrm{j\δ}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(1.6\right)$

式1.6中的R(θ)为坐标轴向量矩阵，进一步得到：

$T=\left[\begin{array}{cc}{\cos }^2\mathrm{\θ}+{\sin }^2\mathrm{\θ}{e}^{\mathrm{j\δ}}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ}\cos {\mathrm{\θe}}^{\mathrm{j\δ}}\\ \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ}\cos {\mathrm{\θe}}^{\mathrm{j\δ}}& {\sin }^2\mathrm{\θ}+{\cos }^2\mathrm{\θ}{e}^{\mathrm{j\δ}}\end{array}\right]---\left(1.7\right)$

穿过此位相延迟器(即导光板52)后E_o为：

$E_0=\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{ox}}\\ E_{\mathrm{oy}}\end{array}\right]={\mathrm{TE}}_i=\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}{e}^{\mathrm{j\δ}}\\ {\sin }^2\mathrm{\θ}+{\cos }^2\mathrm{\θ}{e}^{\mathrm{j\δ}}\end{array}\right]---\left(1.8\right)$

E_x＝Re[E_ox]＝sin2θ sin(δ/2)cos(ωt+δ/2+π/2)         (1.9)

经过透光轴沿X轴方向的反射式偏振分光器后，透射光强IX为：I_x＝sin² 2θsin²(δ/2)，代入式1.4得到：

I_X＝sin² 2θsin²[πd(σ_y-σ_x)/f_σ]＝sin² 2θsin²(πdΔσ/f_σ)   (1.10)

显然如下条件满足时，I_x得到最大值：

$\left\{\begin{array}{c}2\mathrm{\θ}=\mathrm{\π}/2\\ \mathrm{\πd\Δ\σ}/f_{\mathrm{\σ}}=2\mathrm{k\π}+\mathrm{\π}/2\end{array}\right.---\left(1.11\right)$

因此，应力双折射导光板52设计中，为得到最大的光利用率，应使主应力σ_x方向与X轴的夹角θ为45度。当然，该主应力σ_x方向与X轴的夹角θ在0度到90度之间并不等于45度时，虽然不能达到最大的光利用率，但仍然可以实现部分线偏振光S的复用。

假设导光板52厚度为0.8mm，则其等效厚度设为d＝0.8×2mm，由于导光板52材料为聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)，其材料条纹数为f_σ＝6.6kN/m。

Δσ＝(2k+0.5)×4.125×10⁶N/m² _{k＝0，1，2，3，4，...}           (1.12)

若实际应用中，所采用材料的材料条纹数过大，可能导致应力双折射过于敏感，大小不易控制。此情况，假设位相延迟δ在[0，2π]随机分布。平均光强可以写为：

$I_x^{\%}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\frac{1}{2}{\sin }^{2}2\mathrm{\θ}(1-\cos \mathrm{\δ})\mathrm{d\δ}=\frac{{\sin }^{2}2\mathrm{\θ}}{4}---\left(1.13\right)$

设θ＝π/4，则光强为 $I_X^{\%}=0.25$ 。线偏振光S在导光板52内部反射往返n次后，从反射式偏振分光器透过的光强为：1-(0.75)ⁿ，表格如下：

 

n	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											I	0.25	0.4375	0.578	0.684	0.763	0.822	0.867	0.900	0.925	0.944

表1.往返次数与光强对比

在此情况下只需要控制应力的角度θ即可，经过8次往复，即有90％的线偏振光S被反射式偏振分光器转换成线偏振光P。

显然，应力双折射导光板52的误差要求很低，偏振光转换的性能很好。施加应力的方式多种多样，例如可以在导光板52注模成型时施加应力，然后通过应力冻结技术，实现应力保存。也可以根据所选用材料的力学特性，可以得到应变与双折射的关系，以及用应变表示的相位方程。

如图5所示，是本发明第二实施例的背光模组的平面示意图。该背光模组50采用上述的导光板52，并进一步包括光源51、反射片53、扩散片54、棱镜片55和反射式偏振分光器57。该背光模组50中的光源51相对导光板52的入光面521设置，该反射片53、导光板52、扩散片54、棱镜片55和反射式偏振分光器57依次层叠设置。本实施例中，该光源51为发光二极管。

该背光模组50作时，光源51发出自然光，其中一部分自然光经导光板52、扩散片54和棱镜片55转换为面光源后以自然光T投射在反射式偏振分光器57上。该自然光T中的线偏振光P能通过反射式偏振分光器57并进而提供给液晶显示面板(图未示)适用的光，而线偏振光S则不能通过反射式偏振分光器57，其被反射式偏振分光器57反射回背光模组50。被反射回的线偏振光S依次通过棱镜片55、扩散片54和导光板52，然后投射到反射片53上并被反射片53反射再次通过导光板52，由于导光板52的作用，线偏振光S转换为线偏振光P1，从而使该线偏振光P1也可以通过反射式偏振分光器57。该背光模组50结合反射式偏振分光器57，可以实现发射液晶面板需用的偏振光，提高光能利用率。

如图6所示，是本发明第三实施例导光板的立体图。该导光板72同第一实施例的导光板52基本相同，其区别在于该导光板72的出光面722上设计有亚波长光栅结构(Sub-wavel ength Grating)724，该次波长光栅结构724是光栅周期尺寸比入射光波长小一个或多个数量级的一维或多维光栅，通过正确选择该次波长光栅结构724的尺寸，该出光面722可以起到反射式偏振分光器的作用，实现线偏振光P透过，线偏振光S被反射折回。

如图7所示，是本发明第四实施例的背光模组的平面示意图。该背光模组70采用上述的导光板72，并进一步包括光源71、反射片73、扩散片74和棱镜片55。该背光模组70中的光源71相对导光板72的入光面721设置，该反射片73、导光板72、扩散片74和棱镜片75依次层叠设置。

该背光模组70工作时，光源71发出自然光，其中一部分自然光T直接或者经反射片73反射后投射在导光板72出光面722上的亚波长光栅结构724，该自然光T中的线偏振光P能通过亚波长光栅结构724并进而提供给液晶显示面板适用的光，而线偏振光S则不能通过亚波长光栅结构724，其被亚波长光栅结构724反射回导光板72。被反射回的线偏振光S通过导光板72，然后投射到反射片73上并被反射片73反射再次通过导光板72，由于导光板72的作用，线偏振光S转换为线偏振光P1，从而使该线偏振光P1也可以通过亚波长光栅结构724。该背光模组70结合导光板72出光面722的亚波长光栅结构724，可以实现发射液晶面板需用的偏振光，提高光能利用率。

本发明导光板还可以有其它实施例，例如：

该导光板的形状为楔形；

该导光板底面的微结构为自底面突出或者凹进的圆柱形、半圆球形、金字塔形和削去尖端部分的金字塔形等形状中的一种或几种，该微结构在底面是均匀分布或者沿远离入光面的方向逐渐变大和/或变密设置。

该导光板是其它塑料，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚乙烯(Polyethythylene)等，也可以是玻璃。

本发明背光模组还可以有其它实施例，例如：

采用冷阴极荧光灯管作为光源；

将反射式偏振分光器设置在导光板的出光面和扩散片之间；

将反射式偏振分光器设置在扩散片和棱镜片之间。

Claims (27)

1.一种导光板，包括入光面、垂直于该入光面的出光面和相对于该出光面的底面，其特征在于：该导光板为应力双折射导光板，其主应力之一的方向平行于出光面且与入光面的夹角大于0度小于90度，且该导光板的底面具有微结构。

2.如权利要求1所述的导光板，其特征在于：该夹角为45度。

3.如权利要求1所述的导光板，其特征在于：该微结构为自底面突出或者凹进的圆柱形、半圆球形、金字塔形和削去尖端部分的金字塔形中的一种或几种。

4.如权利要求1所述的导光板，其特征在于：该微结构为V形槽。

5.如权利要求1所述的导光板，其特征在于：该微结构在底面是均匀分布或者沿远离入光面的方向逐渐变大和/或变密设置。

6.如权利要求1所述的导光板，其特征在于：该出光面为平面。

7.如权利要求1所述的导光板，其特征在于：该出光面上具有亚波长光栅结构。

8.如权利要求1所述的导光板，其特征在于：该导光板为平板形或者楔形。

9.一种背光模组，包括光源、导光板、反射片和反射式偏振分光器，该导光板包括入光面、垂直于该入光面的出光面和相对于该出光面的底面，该光源相对导光板的入光面设置，该反射片、导光板和反射式偏振分光器依次层叠设置，其特征在于：该导光板为应力双折射导光板，其主应力之一的方向平行于出光面且与入光面的夹角大于0度小于90度。

10.如权利要求9所述的背光模组，其特征在于：该夹角为45度。

11.如权利要求9所述的背光模组，其特征在于：该导光板的底面具有微结构。

12.如权利要求11所述的背光模组，其特征在于：该微结构为自底面突出或者凹进的圆柱形、半圆球形、金字塔形和削去尖端部分的金字塔形中的一种或几种。

13.如权利要求11所述的背光模组，其特征在于：该微结构为V形槽。

14.如权利要求11所述的背光模组，其特征在于：该微结构在底面是均匀分布或者沿远离入光面的方向逐渐变大和/或变密设置。

15.如权利要求9所述的背光模组，其特征在于：该出光面为平面。

16.如权利要求9所述的背光模组，其特征在于：进一步包括层叠设置在该导光板出光面上方的扩散片和棱镜片，该反射式偏振分光器设置在出光面与扩散片之间，或者该反射式偏振分光器设置在扩散片与棱镜片之间，或者该反射式偏振分光器设置在棱镜片上方。

17.如权利要求9所述的背光模组，其特征在于：该导光板为平板形或者楔形。

18.如权利要求9所述的背光模组，其特征在于：该光源为发光二极管或者冷阴极荧光灯管。

19.一种背光模组，包括光源、导光板和反射片，该导光板包括入光面、垂直于该入光面的出光面和相对于该出光面的底面，该光源相对导光板的入光面设置，该反射片设置在导光板底面一侧，其特征在于：该导光板为应力双折射导光板，其主应力之一的方向平行于出光面且与入光面的夹角大于0度小于90度，该导光板出光面上具有亚波长光栅结构。

20.如权利要求19所述的背光模组，其特征在于：该夹角为45度。

21.如权利要求19所述的背光模组，其特征在于：该导光板的底面具有微结构。

22.如权利要求21所述的背光模组，其特征在于：该微结构为自底面突出或者凹进的圆柱形、半圆球形、金字塔形和削去尖端部分的金字塔形中的一种或几种。

23.如权利要求21所述的背光模组，其特征在于：该微结构为V形槽。

24.如权利要求21所述的背光模组，其特征在于：该微结构在底面是均匀分布或者沿远离入光面的方向逐渐变大和/或变密设置。

25.如权利要求19所述的背光模组，其特征在于：进一步包括层叠设置在该导光板出光面上的扩散片和棱镜片。

26.如权利要求19所述的背光模组，其特征在于：该导光板为平板形或者楔形。

27.如权利要求19所述的背光模组，其特征在于：该光源为发光二极管或者冷阴极荧光灯管。

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