CN101149445A - 一种光栅及其背光模组 - Google Patents

Abstract

一种光栅及其背光模组，属于光学液晶显示装置技术领域。为了解决彩色液晶显示器对光能利用率低的问题，本发明公开了一种光栅及其背光模组。所述光栅包括入光面、相对于该入光面的出光面和连接入光面和出光面的侧面，该光栅为等周期光栅；光栅的每个周期有三个台阶，每个台阶的宽度相等；光栅台阶高度差值选取使σ₁，σ₂取值最小。所述背光模组包括光源、导光板和所述光栅；光源相对于导光板的入光面(32)设置，所述导光板、光栅依次层叠设置；本发明基于衍射光学技术的分色方法采用光栅进行近场分色，实现了对光能的高利用率，解决了背光源系统中的光能损耗严重的问题，使背光源的出射光得到利用，确保背光源系统对液晶显示器的高效照明。

Description

一种光栅及其背光模组

技术领域

本发明涉及一种可实现R，G，B三色分离且光能利用率高的光栅，以及采用该光栅的背光模组，属于光学液晶显示装置技术领域。

背景技术

由于液晶本身不发光，因此需要一个背光源对液晶照明。为了实现彩色显示，液晶显示器利用R，G，B三原色合成彩色的方法来实现。

一种现有的彩色液晶显示器的主要结构如图1所示，由背光模组1和液晶显示面板7及滤色片10组成彩色液晶显示装置。背光模组1包括光源2，导光板3、反射片4、扩散片5和棱镜片6。该液晶显示面板7的上、下两个表面分别设置滤色片10和下偏光片9，上偏光片8位于滤色片10的上方。该背光模组1中的光源2相对导光板3的入光面32设置，该反射片4、导光板3、扩散片5和棱镜片6依次层叠设置。该液晶显示面板7位于背光模组1的上方。

该液晶显示器工作时，光源2发出的光经导光板3、反射片4、扩散片5和棱镜片6转换为面光源W后投影在下偏光片9上。面光源W经过下偏光片9、液晶显示面板7后投影到滤色片10上，再通过上偏光片8后出射。该面光源W可以看作由振幅相同的R、G、B三色光组成，当投影到滤色片10上时，如图2所示，由于彩色滤色片10的一个像素是由三个子像素组合，分布对应至红滤色片12、绿滤色片13及蓝滤色片14，因此仅与滤色片10子像素相对应的光可以通过。由于2/3的光能被滤色片10所吸收，所以大大降低了液晶显示器的光能利用率。

有鉴于此，提供一种可以实现对R，G，B三色光充分利用的光学膜片实为必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种光栅及其背光模组。

一种光栅，该光栅包括入光面、垂直与该入光面的侧面和相对于该入光面的出光面，其中，该光栅的周期可变，每个周期内有三个台阶，每个台阶的宽度相同，台阶的高度可选。该光栅利用的是分数泰伯效应。台阶高度差值选取应尽量使σ₁，σ₂取值最小，其中R表示四舍五入取整。

${\mathrm{\σ}}_1=\sqrt{{[m_{1,r}-R\left(m_{1,r}\right)]}^2+{[m_{1,g}-R\left(m_{1,g}\right)]}^2+{[m_{1,b}-R\left(m_{1,b}\right)]}^2},$

${\mathrm{\σ}}_2=\sqrt{{[m_{2,r}-R\left(m_{2,r}\right)]}^2+{[m_{2,g}-R\left(m_{2,g}\right)]}^2+{[m_{2,b}-R\left(m_{2,b}\right)]}^2}$

而 $m_{1,r}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_r}(n-1)h_{13}-\frac{2}{3},$ $m_{1,g}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_g}(n-1)h_{13},$ $m_{1,b}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_b}(n-1)h_{13}+\frac{2}{3},$

$m_{2,r}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_r}(n-1)h_{23},$ $m_{2,g}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_g}(n-1)h_{23}-\frac{2}{3},$ $m_{2,b}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_b}(n-1)h_{23}+\frac{2}{3}$

其中，h₁₃＝h₁-h₃，h₂₃＝h₂-h₃分别为台阶(114)与台阶(116)、台阶(115)与台阶(116)的差值，而h₁，h₂，h₃分别为光栅台阶(114)，台阶(115)和台阶(116)的高度，n为光栅台阶的折射率，λ_b，λ_g，λ_r分别为工作时同时入射的三种光的波长。

一种液晶显示系统，该背光模组包括光源、导光板、反射片、光栅、扩散片和棱镜片。该光栅包括入光面、垂直于该入光面的侧面和相对于该入光面的出光面。该反射片、导光板和光栅、扩散片和棱镜片依次层叠设置，光源位于导光板的入光面32。

该光栅作为近场分色器件，利用的是分数泰伯效应，为等周期光栅，周期选取由液晶显示系统一个RGB像素大小决定。光栅的每个周期有三个台阶，每个台阶的宽度相等。光栅台阶的高度可选，光栅的分色位置可选。台阶高度差值选取应尽量使σ₁，σ₂取值最小，其中R表示四舍五入取整。

${\mathrm{\σ}}_1=\sqrt{{[m_{1,r}-R\left(m_{1,r}\right)]}^2+{[m_{1,g}-R\left(m_{1,g}\right)]}^2+{[m_{1,b}-R\left(m_{1,b}\right)]}^2},$

${\mathrm{\σ}}_2=\sqrt{{[m_{2,r}-R\left(m_{2,r}\right)]}^2+{[m_{2,g}-R\left(m_{2,g}\right)]}^2+{[m_{2,b}-R\left(m_{2,b}\right)]}^2}$

而 $m_{1,r}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_r}(n-1)h_{13}-\frac{2}{3},$ $m_{1,g}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_g}(n-1)h_{13},$ $m_{1,b}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_b}(n-1)h_{13}+\frac{2}{3},$

$m_{2,r}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_r}(n-1)h_{23},$ $m_{2,g}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_g}(n-1)h_{23}-\frac{2}{3},$ $m_{2,b}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_b}(n-1)h_{23}+\frac{2}{3}$

其中，h₁₃＝h₁-h₃，h₂₃＝h₂-h₃分别为台阶(114)与台阶(116)、台阶(115)与台阶(116)的差值，而h₁，h₂，h₃分别为光栅台阶(114)，台阶(115)和台阶(116)的高度，n为光栅台阶的折射率，λ_b，λ_g，λ_r分别为工作时同时入射的三种光的波长。

最佳分色位置位于光栅上方z＝d²/(3λ_j)处或其附近，其中j代表b或g或r。

以及，将滤色片置于光栅分色位置处，使经光栅的衍射后实现空间上的分离的R，G，B三色光分别通过滤色片相应的子色素片，而其他色彩的光则被滤掉。

相较于现有技术，由于本实施例所提供的光栅利用分数泰伯效应，具有分色功能，可以使入射到光栅的R，G，B三色光在空间上分开，使R，G，B三色分别对应于滤色片的R，G，B子色素片，使得相应的色彩从滤色片中相应的子色素片中透过，从而减少了能量损失，提高了液晶显示器的光能利用率。

附图说明

图1为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为现有技术中滤色片结构示意图。

图3为本发明的第一实施例的光栅的立体示意图。

图4为本发明第一实施例的光栅的局部放大图。

图5为采用本发明所述第一实施例的光栅后在一个光栅周期内的分色效果图。

图6为本发明第二实施例的背光模组的平面示意图。

图7为本发明第二实施例的背光模组采用滤色片的平面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步说明本发明。

如图3所示为本发明的第一实施例光栅11的立体示意图。该光栅11包括基底材料部分111和出光面112。其中基底包括入光面113，以及连接入光面113和出光面112的侧面。该光栅结构为等周期光栅，出光面112为台阶结构，其中台阶114、台阶115、台阶116的宽度相同。该光栅11利用的是分数泰伯效应。

假设n＝1.52，工作时同时入射的三种光的波长分别为λ_b＝0.45μm，λ_g＝0.54μm，λ_r＝0.63μm，则三个台阶的高度分别为h₁＝C+2.06μm，h₂＝C+3.76μm，h₃＝Cμm，其中C为任意正数或0，由台阶116的高度决定。当三色光入射到光栅11后，经过光栅11的衍射作用，在其后一定位置处形成分色，其在一个光栅周期的分色效果如图5所示。

如图6所示为本发明第二实施例背光模组1的平面示意图。该背光模组1包括光源2、导光板3、反射片4、扩散片5、棱镜片6和光栅11、。该光栅11包括入光面113、垂直于该入光面的侧面和相对于该入光面的出光面112。该反射片4、导光板3和光栅11、扩散片5和棱镜片6依次层叠设置，光源2位于导光板3的入光面32。

该光栅11作为近场分色器件，利用的是分数泰伯效应，为等周期光栅，周期选取由液晶显示系统一个像素大小决定。光栅11的每个周期有三个台阶，每个台阶的宽度相等。光栅台阶的高度可选，光栅的分色位置15可选，并可在分色位置15处可以放置滤色片10，其中滤色片10的一个像素(12、13和14)的大小与液晶显示系统一个像素大小相同，如图7所示。同样假设n＝1.52，工作时同时入射的三种光的波长分别为λ_b＝0.45μm，λ_g＝0.54μm，λ_r＝0.63μm，则光栅11三个台阶的高度分别为h₁＝C+2.06μm，h₂＝C+3.76μm，h₃＝Cμm，其中C为任意正数或0，由台阶116的高度决定。

优选的，该光栅11距滤色片10的距离为(0.75~1.25)d²/(3λ_g)，其中，d为光栅周期亦即滤色片10一个像素(12、13和14)的大小，λ_g为入射光中绿光的波长。

本发明的特点是部分相干光的光源2发出的光会耦合进导光板3，导光板3可以保持光的相干性，并将光从导光板3的出射面31导出。从导光板3出射面31导出的部分相干光经扩散片5、棱镜片6后入射到光栅11的入射面113中。入射到光栅11中的部分相干光经光栅衍射投影到滤色片10上，如图7所示。其中滤色片10位于光栅后距光栅(0.75~1.25)d²/(3λ_g)的位置上，泰伯光栅的衍射使R，G，B三色光实现空间上的分离，并且R，G，B三色光分别对应滤色片相应的子色素片，从而通过滤色片时可以减少能量的损失。

Claims (4)

1.一种光栅，包括入光面、相对于该入光面的出光面和连接入光面和出光面的侧面，其特征在于：该光栅为等周期光栅；光栅的每个周期有三个台阶，每个台阶的宽度相等；

光栅台阶的高度可选，台阶高度差值选取使σ₁，σ₂取值最小，其中R表示四舍五入取整，

${\mathrm{\σ}}_1=\sqrt{{[m_{1,r}-R\left(m_{1,r}\right)]}^2+{[m_{1,g}-R\left(m_{1,g}\right)]}^2+{[m_{1,b}-R\left(m_{1,b}\right)]}^2},$

${\mathrm{\σ}}_2=\sqrt{{[m_{2,r}-R\left(m_{2,r}\right)]}^2+{[m_{2,g}-R\left(m_{2,g}\right)]}^2+{[m_{2,b}-R\left(m_{2,b}\right)]}^2}$

而 $m_{1,r}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_r}(n-1)h_{13}-\frac{2}{3},$ $m_{1,g}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_g}(n-1)h_{13},$ $m_{1,b}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_b}(n-1)h_{13}+\frac{2}{3},$

$m_{2,r}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_r}(n-1)h_{23},$ $m_{2,g}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_g}(n-1)h_{23}-\frac{2}{3},$ $m_{2,b}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_b}(n-1)h_{23}+\frac{2}{3}$

其中，h₁₃＝h₁-h₃，h₂₃＝h₂-h₃分别为台阶(114)与台阶(116)、台阶(115)与台阶(116)的差值，h₁，h₂，h₃分别为光栅台阶(114)，台阶(115)和台阶(116)的高度，n为光栅台阶的折射率，λ_b，λ_g，λ_r分别为工作时同时入射的三种光的波长。

2.一种背光模组，其特征在于，该背光模组包括光源、导光板、光栅；

所述光栅包括入光面、相对于该入光面的出光面和连接入光面和出光面的侧面，光源相对于导光板的入光面(32)设置，所述导光板、光栅依次层叠设置；

所述光栅为近场分色器件，该光栅为等周期光栅，周期d的选取由液晶显示系统中RGB像素决定；光栅的每个周期有三个台阶，每个台阶的宽度相等；光栅台阶的高度可选，光栅的分色位置(15)可选；台阶高度差值选取使σ₁，σ₂取值最小，其中R表示四舍五入取整，

${\mathrm{\σ}}_1=\sqrt{{[m_{1,r}-R\left(m_{1,r}\right)]}^2+{[m_{1,g}-R\left(m_{1,g}\right)]}^2+{[m_{1,b}-R\left(m_{1,b}\right)]}^2},$

${\mathrm{\σ}}_2=\sqrt{{[m_{2,r}-R\left(m_{2,r}\right)]}^2+{[m_{2,g}-R\left(m_{2,g}\right)]}^2+{[m_{2,b}-R\left(m_{2,b}\right)]}^2}$

而 $m_{1,r}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_r}(n-1)h_{13}-\frac{2}{3},$ $m_{1,g}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_g}(n-1)h_{13},$ $m_{1,b}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_b}(n-1)h_{13}+\frac{2}{3},$

$m_{2,r}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_r}(n-1)h_{23},$ $m_{2,g}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_g}(n-1)h_{23}-\frac{2}{3},$ $m_{2,b}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_b}(n-1)h_{23}+\frac{2}{3}$

其中，h₁₃＝h₁-h₃，h₂₃＝h₂-h₃分别为台阶(114)与台阶(116)、台阶(115)与台阶(116)的差值，而h₁，h₂，h₃分别为光栅台阶(114)，台阶(115)和台阶(116)的高度，n为光栅台阶的折射率，λ_b，λ_g，λ_r分别为工作时同时入射的三种光的波长；

分色位置位于光栅上方z＝d²/(3λ_j)处，其中，其中j代表b或g或r。

3.如权利要求2所述的背光模组，其特征在于：进一步包括层叠设置在导光板上方的扩散片和棱镜片，以及位于导光板下方的反射片，该光栅位于棱镜片上方。

4.如权利要求2所述的背光模组，其特征在于：该背光模组滤色片位于所述光栅的分色位置(15)上。

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