CN102122013B - 一种平板液晶显示器的光波导型空间阵列分色输出导光板 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于平板液晶显示器的光波导型空间阵列分色输出导光板，该导光板主要由光波导结构和出光面组成。在导光板内部设有一个或M个光波导结构，分一层或多层布置，每一层设有一个或两个光波导结构。每一个光波导结构由臂波导、栅线波导与垂直波导三部分组成，并与出光面的出光口相连通，形成一个完整的光传输通道，每个光波导结构间彼此无连通且不存在光的耦合，栅线波导与垂直波导设有1对或N对，出光面上设有呈阵列状分布的线状出光口M×N条。RGB三基色光从导光板的侧面耦合进入导光板内的光波导结构中，再从线状阵列出光口射出。利用该导光板的阵列分色输出效果，达到省去LCD中彩色滤光片层、提高光能利用率，降低LCD总体功耗的目的。

Description

一种平板液晶显示器的光波导型空间阵列分色输出导光板

技术领域

本发明涉及的是平板液晶显示器的导光板，特别是一种基于光波导原理实现的空间阵列分色输出导光板。 

背景技术

平板液晶显示器，简称LCD，其一般主要由光源、导光板、偏光片、TFT阵列、液晶层、彩色滤光片、偏光片几层组成（图1）。LCD的液晶层自身并不发光，为了显示图像，它需要在LCD板背面安装一个由光源与导光板组成的背光模组来提供均匀准直输出的白色面状光。目前常用的光源包括两种：CCFL冷阴极灯与LED灯。透明光学有机玻璃PMMA薄片构成的导光板将点状（LED灯）或线状（CCFL冷阴极灯）光源发射的白光转换为面状光源，并由导光板上表面准直出射到液晶层的像素阵列。每一个像素一般是由标识为R、G、B的三色亚像素组成，入射到这些亚像素的白光将通过彩色滤波片转化为RGB三基色光输出。液晶层可以精确地控制RGB各亚像素的出光光强，最后通过三基色混色效应，使得每一个像素所发射光的颜色被精确地控制输出。原则上，每个像素都可以实现光源色域内的任何一种彩色光。 

然而这种显示方式对光能的利用率很低，因为在彩色滤光片将白光转化为RGB三基色光的过程中，彩色滤光片将吸收超过三分之二的背光，例如：为了得到R红光，彩色滤波片必须吸收入射白光中的G绿光与B蓝光成分。因此，这种获得RGB三基色光的方案对光能的利用率低于30%，导致液晶显示器整体的功耗较高，不满足当前节能环保的要求，也特别不利于手机、笔记本电脑等移动终端上的液晶显示。 

如果背光模组出射的背光不是白光，而是RGB三基色光，并且出射的三基色光在空间上是彼此分离并呈阵列分布，每个阵列元所出射的单色背光入射到相应颜色的液晶层亚像素阵列，那彩色滤光片就不再是必须的（图2），滤光片对光的吸收也就可以避免，背光的利用率也将可以比现在提高2倍。目前LED技术已经可以提供高亮度的R、G、B三基色LED，应用LED做光源的液晶显示器也已经实现了商业应用，因此采用RGB三基色LED为导光板提供三基色光是完全可行的。 

目前商业应用中的LED液晶显示器虽然已有部分采用的是三基色LED光源，但从导光板出射的光是三基色光混色后的白光，并没有实现空间分色阵列输出，依然需要利用彩色滤光片来实现阵列状的三基色光分布，因此并不能提高平板液晶显示器背光源的光能利用率。 

目前，在专利与科研文献中，已提出了多种具有空间阵列分色功能的导光板方案，例如：利用具有空间色散特性的衍射光栅，可以将光源提供的RGB三基色光以不同的衍射角度出射，这方面的研究工作具有代表性的有飞利浦公司（见文献报道：R. Caputo，Opt. Exp., 15, 10540, 2007）。利用棱镜阵列也可以实现RGB光的分色输出，例如台湾工业研究院（见文献报道：P. Chen, Opt. Exp., 18, 645, 2010）。但以上方法都存在加工精度高，难以大规模工业生产等问题，迄今为止，都没有在商业产品中得到应用。 

与以上方案不同，我们通过内全反射原理，在导光板内部制作多个相互独立的光波导，三基色LED发射的光分别耦合进入到不同的光波导，这些光波导在导光板的出光面有线状阵列分布的出光口，不同颜色的光最后通过不同的出光口出射（图3），实现三基色光的阵列式分色输出。由于每一种颜色的输出光直接入射到相应的液晶TFT层的RGB亚像素阵列（图4），因此就不再需要利用彩色滤光片来进行分色。从而可以避免彩色滤光片对背光的吸收，实现液晶显示器的总体功耗显著降低，这对于带有液晶显示器的移动终端而言，将可以较大地提高其续航工作时间，具备重要的意义。 

发明内容

本发明的目的是提出一种用于平板液晶显示器的光波导型空间阵列分色输出导光板，利用该导光板的阵列分色输出效果，达到省去LCD中彩色滤光片层、提高光能利用率，降低LCD总体功耗的目的。 

    应用本发明的平板液晶显示器由光源、导光板、偏光片、TFT阵列、液晶层、偏光片组成，所述的光源是RGB三基色光源，所述的导光板是光波导型空间阵列分色输出导光板。 

本发明所述的导光板是这样实现的：该导光板主要由光波导结构和出光面组成。在导光板内部设有一个或M个光波导结构，分一层或多层布置，每一层设有一个或两个光波导结构。每一个光波导结构由臂波导、栅线波导与垂直波导三部分组成，臂波导、栅线波导与垂直波导及出光面的出光口相连接，形成一个完整的光传输通道，每个光波导结构间彼此无连通且不存在光的耦合，栅线波导与垂直波导设有1对或N对，出光面上设有呈阵列状分布的线状出光口M×N条，它们与一个或M个光波导的栅线波导垂直投影一一对应，每一条出光口和与之对应的栅线波导由垂直波导连接。 

光波导结构的入光口位于导光板的侧面，RGB三基色光从导光板的侧面耦合进入导光板内的光波导结构中，再从线状阵列出光口射出。 

一层设置一个光波导结构时，臂波导是设置两条，并位于导光板的两边，两臂波导之间由N条栅线波导连通。一层设置两个光波导结构时，每一个光波导结构的臂波导是设置一条，并分别位于导光板的两边，每一臂波导连通N条栅线波导。每一个光波导结构的栅线波导与位于同一层的另一个光波导结构的栅线波导呈插指状布置。 

臂波导的长度大于等于有效出光区的长度，栅线波导的长度大于等于有效出光区的宽度。垂直波导的厚度等于出光口宽度，垂直波导长度等于出光口长度。 

出光口长度大于或等于有效出光区的宽度，出光口宽度小于液晶显示亚像素的最小尺寸。M×N条线状出光口阵列在出光面的位置分布与液晶显示TFT层的亚像素线状阵列分布相同，每条出光口可垂直投影到相应的TFT层亚像素阵列线。 

导光板中的光波导结构是由至少两个不同折射率的透明材料构成，光波导中传输光的芯结构由高折射率材料构成，芯外围为低折射率材料。 

本发明的原理是这样的。RGB三基色光由导光板臂波导的端面耦合进入每个光波导中，每一个光波导结构只传输RGB中的一个单色光，，单色光由臂进入到栅线波导中，形成一个栅状的单色面光源。再通过垂直波导从相应的出光口出射，该出光口对应液晶显示TFT层相同单色的亚像素阵列线。M×N条出光口将形成以M为周期的三基色光周期性阵列输出，与液晶TFT层周期性的亚像素阵列相对应。这样，导光板的三基色空间阵列分色输出的功能就实现了。 

本发明所述导光板的制备方法可以用现有技术的方法完成。例如，以导光板常采用的PMMA有机玻璃为导光板主体，Norland公司的NOA61紫外固化胶为波导芯结构材料，利用这两种材料即可实现将光限定在芯材料中传输的光波导结构。本发明所述导光板中含有多个光波导结构，可以分别制备每一薄层光波导结构的臂波导和栅线波导，然后用PMMA胶将所有波导薄层对准、粘合，最后再制作垂直波导。大屏幕平板液晶显示的点阵距离一般为0.26毫米，以波导结构线宽为标准，所述导光板工艺精度要求为50微米。可以采用精密加工中心制备导光板模具，然后利用精密注塑机进行PMMA的注塑，获得带波导开槽结构的导光板。波导结构的芯层采用离心甩胶的方法来制备，在已有波导开槽结构的PMMA导光板上甩胶灌注NOA61紫外固化胶，最后经紫外光固化，从而实现波导结构的芯层。垂直波导可以采用曝光、化学刻蚀，也可以采用机械直接刻蚀，然后甩胶灌注NOA61紫外固化胶来制作。综上，所述导光板的制备方法较光通信聚合物波导的工艺条件要求低两个数量级，相应工艺制备成本低，利于大规模生产。 

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：进入导光板中的RGB三基色光由导光板上表面呈阵列状分布的线型出光口出射，且线型出光口所出射光的颜色在空间上形成周期性分布，与液晶TFT层的RGB亚像素阵列形成一一对应，这样就不需要使用彩色滤波片来获得三基色光，显著提高光能的利用率，极大地降低液晶显示器整体的功耗。 

本发明方案与其他分色输出发明方案不同之处在于：（一）本方案直接采用RGB三基色光为入射光，每个波导只传输单一颜色的光，不同于利用色散元件实现白光的分色。（二）本方案基于光波导的导光功能，通过阵列栅格状的波导结构实现了“阵列式”面状光源。不同于目前导光板将点光源转变为“完全的”面光源。（三）本方案采用平面波导周期性分布结构来实现空间分色功能，不同于利用棱镜等微光学元件实现空间分色。 

这种方案的优势：（一）由三基色发光体直接给液晶层提供三基色的背光，可以大幅度提高色彩的饱和度，与显示色域。（二）免除使用彩色滤光片的高昂成本，避免了彩色滤光片对光的吸收，可以提高光能利用率2倍以上，显著降低LCD液晶显示器的功耗。（三）光波导结构更易于集成、有利于大规模生产，且工作稳定，比基于微光学结构实现三基色空间阵列分色输出具有更高的商业应用前景。 

附图说明

图1是目前液晶显示器的结构示意图； 

图2是采用本发明之后的液晶显示器结构示意图；

图3是本发明所述导光板出光口的俯视示意图；

图4 是液晶控制TFT层示意图；

图5是本发明实施例1导光板示意图：只标明了水平波导、出光口；

图6是本发明实施例1导光板示意图：只标明了一个波导的芯结构；

图7是本发明实施例2导光板示意图：只标明了波导的芯结构；

图8是本发明柱面透镜层结构示意图。

其中1----臂波导、2----栅线波导、3----出光面、4----出光口、5----垂直波导、6----单臂波导、7----梳状栅线波导、8----平面波导、9----垂直波导、10----阵列式柱面镜层、11----柱面镜。 

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步说明，说明以三波导结构为例进行。 

实施例一： 

从图5可以看出，导光板中一共包含有三个波导结构，分别位于不同的三层，每层波导结构将传输三基色中的某一个单色光，例如：第一层R光，第二层B光，第三层G光。每个波导结构由两臂波导1、栅线波导2及垂直波导5组成。图5中只画出了含3个出光口的局部结构示意图。每一个波导结构的垂直波导对应导光板出光面3上的一条出光口4，并按RGB顺序呈现周期性的更替，图6中展示了其中一个波导结构，包括：三个栅线波导2，三个垂直波导5，以及与之对应的3个出光口4。栅线波导2与出光口4由垂直波导5连接。三基色光分别由两臂波导1的两端面耦合进入不同层的波导结构中，并在栅线波导2阵列中形成阵列面状分布，再通过垂直波导5的传输，由出光口4出射。

实施例二： 

图7展示了基于本发明思想的另一种结构，只画出了导光板中波导的芯结构。导光板中有两层共包含有三个波导结构。第一个波导结构与第二个波导结构位于第一层，第三个波导结构位于第二层。第一个波导结构与第二个波导结构都由一个单臂波导6、梳状栅线波导7及垂直波导5组成。第三个波导结构的臂波导为一个平面波导8。第一个波导结构与第二个波导结构的梳状栅线波导7相互插入、插指状排列在第一层，梳状栅线波导7与出光口4由垂直波导5连接。第三个波导结构的平面波导8与出光口4由垂直波导9连接。与“实施例一”相似，三个波导结构对应的出光口呈周期性排列。三基色光其中两个基色由第一个波导与第二个波导结构的单臂波导6两端耦合进入波导结构中，并在梳状栅线波导7中形成阵列面状分布，再通过垂直波导5的传输，由两个出光口4出射。三基色中的另一个基色由平面波导8的侧面耦合进入波导中，形成光的面状分布，再通过垂直波导9的传输，由另一个出光口4出射。

图8是对本发明的一个改进，以上两个实例的导光板均可以在导光板出光面3上增加一个柱面镜层10，柱面镜层10由阵列式柱面镜11组成，柱面镜阵列与出光口一一对应。通过该柱面镜层，可以改善光线的准直出射。 

以上两个实例仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (2)

1.一种平板液晶显示器的光波导型空间阵列分色输出导光板，它主要由光波导结构和出光面上的出光口组成，其特征在于：

1）在导光板内部设有一个或M个光波导结构，每一个光波导结构由臂波导、栅线波导与垂直波导三部分组成，臂波导、栅线波导与垂直波导及出光面的出光口相连通，形成一个完整的光传输通道，每个光波导结构间彼此无连通且不存在光的耦合；

2）导光板内的一个或M个光波导结构，分一层或多层布置，每一层设有一个或两个光波导结构，一层设置一个光波导结构时，臂波导是设置两条，并位于导光板的两边，两臂波导之间用N条栅线波导连通；一层设置两个光波导结构时，每一个光波导结构的臂波导是设置一条，并分别位于导光板的两边，每一臂波导与N条栅线波导连通，每一个光波导结构的栅线波导与位于同一层的另一个光波导结构的栅线波导呈插指状布置；

3）出光面设有1×N条或M×N条出光口，它们与一个或M个光波导的栅线波导垂直投影一一对应，每一条出光口和与之对应的栅线波导由垂直波导连接；出光口阵列具有与液晶显示TFT层的亚像素阵列相同的空间周期分布与颜色周期分布，出光口阵列在出光面的位置与 TFT层的亚像素阵列垂直投影一一对应；

4）臂波导的长度大于或等于有效出光区的长度，栅线波导长度大于或等于有效出光区的宽度，垂直波导的厚度等于出光口宽度，垂直波导长度等于出光口长度，出光口长度大于或等于有效出光区宽度，出光口宽度小于液晶显示亚像素的最小尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种平板液晶显示器的光波导型空间阵列分色输出导光板，其特征在于导光板中的光波导结构是由至少两个不同折射率的透明材料构成，光波导的芯结构为高折射率材料，芯结构外围为低折射率材料。

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