CN101916008A - 用于液晶显示器光学模块的准直耦合片及光学模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于液晶显示器光学模块的准直耦合片，包括基体，基体两面分别为入射面和出射面，特点是入射面由并列设置的至少两个屋脊棱镜阵列及分隔各个屋脊棱镜阵列的透射面组成，出射面由与屋脊棱镜阵列数量对应的倒锥棱镜阵列和反射面组成，屋脊棱镜阵列由多个凸出于透射面的并列设置的条状屋脊棱镜构成，倒锥棱镜阵列由多个并列设置的条状倒锥棱镜构成，倒锥棱镜的锥尖端部分为光线反射部，倒锥棱镜的非光线反射部为光线出射部，各个倒锥棱镜阵列由反射面相互间隔，优点在于对入射的背光光束没有准直的要求，能够保证背光光源的有效利用，提高液晶显示器亮度和对比度，并可大大缩减压束片的厚度，从而减小了液晶显示器的厚度。

Description

用于液晶显示器光学模块的准直耦合片及光学模块

技术领域

本发明涉及一种液晶显示器的光学模块，尤其是涉及一种用于液晶显示器光学模块的准直耦合片及光学模块。

背景技术

液晶显示器面板中的液晶本身不具有发光特性，其利用背光模组提供光源，达到显示器显示效果。目前主流的TFT(薄膜晶体管)型的液晶显示器主要是由荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶体管等等构成。TFT液晶显示器具备背光源荧光管，其光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式就会改变穿透液晶的光束的偏振状态，然后这些光线还必须经过前方的彩色滤光膜与另一块偏光板。由于彩色滤光膜及偏光板的透光率分别不到30％及50％，使得目前的液晶显示器中的背光源光能的利用率很低(不到10％)，这使得液晶显示屏的亮度及对比度远远不如传统的显像管显示器。为解决这个问题，人们可以在TFT液晶显示器中使用亮度很高的背光源，但由于存在大量未被利用的背光源光能，由此引起的热量滞留在TFT液晶显示器中，将严重影响液晶显示器中器件的寿命，从而缩短液晶显示器的使用寿命。

2008年8月13日中国授权的发明专利“用于液晶显示器的光学模块及液晶显示器”(ZL2006100518961)公开了一种用于液晶显示器的光学模块及液晶显示器。这种用于液晶显示器的光学模块及液晶显示器，它包括置于液晶显示屏背光源前的压束片和置于压束片前的分色片。压束片将一束平行扩展光束分成一组细小平行光束列，分色片将白光分为红、绿、蓝三原色，并根据颜色顺序折射到不同的位置。由于引入了分色片，背光源可见光频谱内所有的光能都被有效利用，其利用率提高三倍以上。如果再引入了分束片，背光源所有偏振方向的光能都被有效利用，其利用率提高一倍以上。串联此两模板，则可使背光源的总体光能利用率提高六倍以上，液晶显示屏的亮度及对比度得到显著提高，能耗显著降低，实现真正意义上的高亮度、低能耗的液晶显示器。但是如图1中所示的这种用于液晶显示器的光学模块中的压束片11，采用直径不同的大直径凸透镜阵列和小直径凸透镜阵列，大直径凸透镜和小直径凸透镜的焦点重叠于光学介质(玻璃或塑料)中。如图2所示，来自于背光源的白色、非偏振、平行扩展光束经大直径凸透镜阵列入射，因两凸透镜的焦点重叠于光学介质中，入射光均会聚于焦点处，在焦点处形成较高的温度，很容易损坏光学介质，从而影响液晶显示器的使用寿命。

2009年11月18日中国授权的发明专利“用于液晶显示器光学模块的压束片及光学模块”(ZL200810061076.X)公开了一种用于液晶显示器的光学模块及液晶显示器(如图3所示)。这种用于液晶显示器光学模块的压束片，包括入射面和出射面，所述的入射面为凸透镜阵列，所述的出射面为凹透镜阵列，所述的凸透镜阵列和所述的凹透镜阵列相互对齐，所述的凸透镜阵列的凸透镜与对应的所述的凹透镜阵列的凹透镜焦点重叠形成望远镜系统。该专利有效地解决了前一个方案的两凸透镜的结构的问题。

然而，液晶显示器所用的背光一般都有较大的发散角，其入射条件通常难以符合透镜阵列对入射光的要求。因此，对未进行特殊处理的入射光，透镜阵列的耦合效率是相对较低的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种对背光入射角不敏感的、光学损耗小的准直耦合片及能够提高液晶显示器高背光源光能利用率及液晶显示器的亮度和对比度的光学模块。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于液晶显示器光学模块的准直耦合片，包括基体，所述的基体两面分别为入射面和出射面，所述的入射面由并列设置的至少两个屋脊棱镜阵列及分隔各个所述的屋脊棱镜阵列的透射面组成，所述的出射面由与所述的屋脊棱镜阵列数量对应的倒锥棱镜阵列和分隔各个所述的倒锥棱镜阵列的反射面组成，所述的屋脊棱镜阵列由多个凸出于所述的透射面的并列设置的条状屋脊棱镜构成，所述的倒锥棱镜阵列由多个并列设置的条状倒锥棱镜构成，所述的倒锥棱镜的锥尖端部分为光线反射部，所述的倒锥棱镜的非光线反射部为光线出射部。

所述的基体为光学玻璃或光学塑料。

所述的反射面为向所述的基体凹陷的曲面，所述的曲面上镀有光学反射膜，所述的光线反射部是在所述的倒锥棱镜的锥体上镀有光学反射膜。

所述的屋脊棱镜的尖端的夹角为30°～75°，所述的倒锥棱镜的尖端的夹角为1°～20°。

使用上述的准直耦合片的液晶显示器光学模块，包括准直耦合片和设置在所述的准直耦合片前的分色片，所述的准直耦合片将一非平行扩展光束分成一组细小准平行光束列，所述的分色片将白光分为红、绿、蓝三原色，并根据颜色顺序折射到不同位置，所述的准直耦合片包括基体，所述的基体两面分别为入射面和出射面，所述的入射面由并列设置的至少两个屋脊棱镜阵列及分隔各个所述的屋脊棱镜阵列透射面组成，所述的出射面由与所述的屋脊棱镜阵列数量对应的倒锥棱镜阵列和分隔各个所述的倒锥棱镜阵列的反射面组成，所述的屋脊棱镜阵列由多个凸出于所述的透射面的并列设置的条状屋脊棱镜构成，所述的倒锥棱镜阵列由多个并列设置的条状倒锥棱镜构成，所述的倒锥棱镜的锥尖端部分为光线反射部，所述的倒锥棱镜的非光线反射部为光线出射部。

所述的准直耦合片与所述的分色片之间设置有分束片，所述的分束片将所述的细小平行光束列分成二组相互正交的线性偏振细小平行光束列。

所述的分束片包括两块基板及设置在所述的两块基板间的空间定位液晶分子，所述的空间定位液晶分子沿着与入射光束成大于0°、小于90°的夹角方向排列。

所述的分色片为干涉滤光片组，所述的干涉波光片组包括三种干涉滤光片，所述的干涉滤光片沿着与入射光束相垂直的方向排列。

所述的分色片后沿光线传输方向可以依次设置有液晶盒和线性偏振片。

所述的分色片后沿光线传输方向也可以依次设置有第一线性偏振片、液晶盒和第二线性偏振片。

与现有技术相比，本发明的优点在于其对入射的背光光束没有准直的要求，非平行扩展光束通过本发明的准直耦合片将被处理成符合分色片入射条件的细小光带。在保证背光源可见光频谱内所有的光能能被有效利用，提高液晶显示屏亮度和对比度的同时，本发明的准直耦合片还可大大缩减现有技术压束片的厚度，从而减小了液晶显示器的厚度，更好地满足了用户的需求。

附图说明

图1为ZL2006100518961中液晶显示器的光学模块结构图，其中11为压束片；

图2为图1中压束片的望远镜系统的光学工作原理图，B₁和B₂分别为凸透镜两侧的光束宽度；

图3为ZL200810061076.X中压束片的光学工作原理图；

图4为本发明准直耦合片的一个屋脊棱镜阵列单元的结构示意图；

图5a为根据斯涅尔定律绘制的从光疏到光密的反射曲线图；

图5b为根据斯涅尔定律绘制的从光密到光疏的反射曲线图；

图6a为图4中的准直耦合片入射面的增透结构截面示意图；

图6b为图4中的准直耦合片的倒锥棱镜阵列的结构截面示意图；

图7为本发明准直耦合片准直入射光线的原理示意图；

图8为准直耦合片1与背光源0的配合应用的结构示意图；

图9为准直耦合片1与背光光源0、分束片2、分色片3组成的光学模块的结构示意图；

图10为准直耦合片1与背光光源0、分色片3组成的光学模块的结构示意图；

图11为准直耦合片1与背光光源0、分束片2、分色片3、液晶盒4、线性偏振片5组成的光学模块的结构示意图；

图12为准直耦合片1与背光光源0、分色片3、液晶盒4、线性偏振片51及52组成的光学模块的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明的准直耦合片1的单元结构如图4所示。此结构的准直耦合片1对背光光源0的光线的出射角度没有要求。

该准直耦合片1为由光学玻璃或光学塑料形成的基体10，其一面由多个屋脊棱镜阵列11和多个透射面12组成入射面，各个屋脊棱镜阵列11由透射面12分隔，另一面由与屋脊棱镜阵列11数量对应的倒锥棱镜阵列13和分隔各个倒锥棱镜阵列13的反射曲面14组成出射面，反射曲面14上镀有光学反射膜，屋脊棱镜阵列11由多个凸出于透射面12的并列设置的条状屋脊棱镜111构成，倒锥棱镜阵列13由多个并列设置的条状倒锥棱镜131构成，倒锥棱镜131的锥尖端部分镀有反射膜构成光线反射部1311，倒锥棱镜131的非光线反射部为光线出射部1312。屋脊棱镜的尖端的夹角一般没有特殊的要求，通常为30°～75°，倒锥棱镜的尖端的夹角不能太大，否则将失去准直的作用，通常取1°～20°之间。

准直耦合片1的工作原理基于以下的菲涅尔(Fresnel)公式

$r_{\⊥}=-\frac{\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}^{\′\′})}{\sin \left(\mathrm{\θ}{+\mathrm{\θ}}^{\′\′}\right)},$

$t_{\⊥}=\frac{2\cos \mathrm{\θ}\sin {\mathrm{\θ}}^{\′\′}}{\sin \left(\mathrm{\θ}{+\mathrm{\θ}}^{\′\′}\right)};$

$r_{\left|\right|}=-\frac{\tan (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}^{\′\′})}{\tan \left(\mathrm{\θ}{+\mathrm{\θ}}^{\′\′}\right)},$

$t_{\left|\right|}=\frac{2\cos \mathrm{\θ}\sin {\mathrm{\θ}}^{\′\′}}{\sin \left(\mathrm{\θ}{+\mathrm{\θ}}^{\′\′}\right)\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}^{\′\′})}$

式中r为光强的反射系数，t为光强的透射系数。根据菲涅尔(Fresnel)公式绘制的入射角与反射率的关系在图5a(光疏介质到光密介质)及5b(光密介质到光疏介质)中给出。光线从进入准直耦合片1到出射均遵循图5a及b的折、反射规律。

准直耦合片1的入射面如图6a所示，其屋脊棱镜阵列11是用于增加光束的透过率。根据图5a，背光光线21入射到第一个棱镜表面后被分成反射光束211(小部分)及透射光束212(大部分)。反射光束211遇到第二个棱镜表面时再一次被反射、透射为反射光束214及透射光束213，因此进入棱镜的光能为包括212、213、...的总和。另一方面，来自背光光源的光线照射到准直耦合片1的透射面12的光线31将在界面根据图5a的关系，一部分反射光束311反射回背光光源、另一部分透射光束312透射进基体10，

透射光束312经过基体10内部的透射后将抵达如图6b所示的倒锥棱镜阵列13，如前所述在倒锥棱镜阵列13的各个倒锥棱镜131的锥尖端部分镀有反射膜构成光线反射部1311，倒锥棱镜131的非光线反射部未镀反射膜构成了光线出射部1312。光线到达光线出射部1312时如果不是在全反射条件下，将会有部分反射、部分折射。如光线215在第一个界面产生反射光216和透射光217，透射光217在第二个界面被分为反射光218及透射光219，反射光218在第三个界面被分为反射光220及透射光221，反射光220在第四个界面被分为反射光222及透射光223，反射光222在第五个界面(镜面)被进一步反射成出射光224；另一方面，被折射入倒锥棱镜131的反射部1311的透射光222在倒锥棱镜131的锥尖端部分的光线反射部1311由镜面形成的倒锥不断地反射直至改变方向向上返回背光光源。

当光线在非平行平面间不断反射时，如图7所示，光线与垂直方向的夹角将会随着反射次数的增加而改变，其所遵从的规律如下所示：

γ＝180°-β-(α+β)＝α-θ

既非准直光被界面反射一次就减小与垂直线的夹角，其减小量为θ。这是非准直光线被倒锥结构不断准直，直至γ≤θ出射出倒锥结构的基本原理。

图8给出了准直耦合片1与背光光源0的配合应用。背光光源0投射到准直耦合片1的光束一部分光线41投射到屋脊棱镜阵列11上，另一部分光线31投射到透射面12上。投射到屋脊棱镜阵列11上的光线41如前所述经过倒锥棱镜阵列11准直后成为射出准直耦合片1的光线413；投射到透射面12的光线31被分为反射光311及透射光312，其中311反射回背光光源0后再由背光光源0的反射板反射回准直耦合片1，而透射光312被准直耦合片1的反射曲面14反射回背光光源0后再由背光光源0的反射板反射回准直耦合片1进入屋脊棱镜阵列11，并由倒锥棱镜阵列11准直后成为透射出准直耦合片1的光线316。

图9给出了准直耦合片1与背光光源0、分束片2、分色片3组成的光学模块的结构示意图。由背光光源0投射来的光线6被准直耦合片1分割压束成透射光62及反射光61，其中反射光61被背光光源0反射后重复光线6的光程。透射光62经分束片2分束后分为偏振方向正交的线性偏振光622与线性偏振光621，线性偏振光621经分色片3后射出三原色光621R(红光)、621G(绿光)和621B(蓝光)。

图10给出了准直耦合片1与背光光源0、分色片3组成的光学模块的结构示意图。由背光光源0投射来的光线6被准直耦合片1分割压束成透射光62及反射光61，其中反射光61被背光光源0反射后重复光线6的光程，透射光62经分色片3后射出三原色光62R(红光)、62G(绿光)和62B(蓝光)。

图11给出了准直耦合片1与背光光源0、分束片2、分色片3、液晶盒4、线性偏振片5组成的光学模块的结构示意图。由背光光源0投射来的光线6被准直耦合片1分割压束成透射光62及反射光61，其中反射光61被背光光源0反射后重复光线6的光程。透射光62经分束片2分束后分为偏振方向正交的线性偏振光622与线性偏振光621，线性偏振光621及线性偏振光622经分色片3后射出三原色光621R(红光)、621G(绿光)和621B(蓝光)及三原色光622R(红光)、622G(绿光)和622B(蓝光)。三原色光621R(红光)、621G(绿光)和621B(蓝光)及三原色光622R(红光)、622G(绿光)和622B(蓝光)经过液晶盒后射出三原色光631R(红光)、631G(绿光)和631B(蓝光)及三原色光632R(红光)、632G(绿光)和632B(蓝光)。

图12给出了准直耦合片1与背光光源0、分色片3、液晶盒4、第一线性偏振片51及第二线性偏振片52组成的光学模块的结构示意图。由背光光源0投射来的光线6被准直耦合片1分割压束成透射光62及反射光61，其中反射光61被背光光源0反射后重复光线6的光程。透射光62经分色片3后射出三原色光62R(红光)、62G(绿光)和62B(蓝光)。62R(红光)、62G(绿光)和62B(蓝光)经过液晶盒4及第一线性偏振片51和第二线性偏振片52后射出三原色光63R(红光)、63G(绿光)和63B(蓝光)。

Claims (10)

1.一种用于液晶显示器光学模块的准直耦合片，包括基体，所述的基体两面分别为入射面和出射面，其特征在于所述的入射面由并列设置的至少两个屋脊棱镜阵列及分隔各个所述的屋脊棱镜阵列的透射面组成，所述的出射面由与所述的屋脊棱镜阵列数量对应的倒锥棱镜阵列和分隔各个所述的倒锥棱镜阵列的反射面组成，所述的屋脊棱镜阵列由多个凸出于所述的透射面的并列设置的条状屋脊棱镜构成，所述的倒锥棱镜阵列由多个并列设置的条状倒锥棱镜构成，所述的倒锥棱镜的锥尖端部分为光线反射部，所述的倒锥棱镜的非光线反射部为光线出射部。

2.如权利要求1所述的用于液晶显示器光学模块的准直耦合片，其特征在于所述的基体为光学玻璃或光学塑料。

3.如权利要求1或2所述的用于液晶显示器光学模块的准直耦合片，其特征在于所述的反射面为平面或向所述的基体凹陷的曲面，所述的反射面上镀有光学反射膜，所述的光线反射部是在所述的倒锥棱镜的锥体上镀有光学反射膜。

4.如权利要求1所述的用于液晶显示器光学模块的准直耦合片，其特征在于所述的屋脊棱镜的尖端的夹角为30°～75°，所述的倒锥棱镜的尖端的夹角为1°～20°。

5.一种使用权利要求1所述的准直耦合片的液晶显示器光学模块，包括准直耦合片和设置在所述的准直耦合片前的分色片，所述的准直耦合片将一非平行扩展光束分成一组细小准平行光束列，所述的分色片将白光分为红、绿、蓝三原色，并根据颜色顺序折射到不同位置，所述的准直耦合片包括基体，所述的基体两面分别为入射面和出射面，其特征在于所述的入射面由并列设置的至少两个屋脊棱镜阵列及分隔各个所述的屋脊棱镜阵列的透射面组成，所述的出射面由与所述的屋脊棱镜阵列数量对应的倒锥棱镜阵列和分隔各个所述的倒锥棱镜阵列的反射面组成，所述的屋脊棱镜阵列由多个凸出于所述的透射面的并列设置的条状屋脊棱镜构成，所述的倒锥棱镜阵列由多个并列设置的条状倒锥棱镜构成，所述的倒锥棱镜的锥尖端部分为光线反射部，所述的倒锥棱镜的非光线反射部为光线出射部。

6.如权利要求5所述的液晶显示器光学模块，其特征在于所述的准直耦合片与所述的分色片之间设置有分束片，所述的分束片将所述的细小平行光束列分成二组相互正交的线性偏振细小平行光束列。

7.如权利要求6所述的液晶显示器光学模块，其特征在于所述的分束片包括两块基板及设置在所述的两块基板间的空间定位液晶分子，所述的空间定位液晶分子沿着与入射光束成大于0°、小于90°的夹角方向排列。

8.如权利要求5或6所述的液晶显示器光学模块，其特征在于所述的分色片为干涉滤光片组，所述的干涉波光片组包括三种干涉滤光片，所述的干涉滤光片沿着与入射光束相垂直的方向排列。

9.如权利要求5或6所述的液晶显示器光学模块，其特征在于所述的分色片后沿光线传输方向依次设置有液晶盒和线性偏振片。

10.如权利要求5或6所述的液晶显示器光学模块，其特征在于所述的分色片后沿光线传输方向依次设置有第一线性偏振片、液晶盒和第二线性偏振片。

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