CN102707368B - 一种嵌有衍射元件的导光板 - Google Patents

Abstract

一种嵌有新型衍射元件的导光板。包括三个叠加的子导光板，子导光板间相互独立，每个子导光板包括一入光面、一底面和一出光面，入光面与底面间为一个楔形斜角，该楔形斜角能使入射光在子导光板内发生全发射，出光面上间隔布置有衍射区域，使三个子导光板出射光场互不重叠。子导光板的衍射区域内嵌有新型衍射元件，衍射元件为闪耀面镀膜光栅，在闪耀光栅的斜面上镀介质膜层。三个子导光板分别传播R、G、B光束，衍射光束透射液晶面板的相应像素位置，无需滤色片。本发明的导光板在准直的光束耦合进入导板后，可使全面板亮度分布均匀，且光能利用率高。

Description

一种嵌有衍射元件的导光板

技术领域

本发明涉及液晶背光显示领域，尤其涉及一种无需滤色片的内部嵌有新型衍射元件的导光板。

背景技术

导光板在液晶背光系统中应用广泛，传统的液晶背光系统由光源、导光板、反射板和棱镜片等组成，为了减少背光系统的体积和重量，前人利用波动光学的特性，将衍射光栅平铺至导光板中，对液晶面板形成均匀的背光照明。图1是一种已公布专利中，衍射光栅背光系统的实例。该系统采用透射式的矩形锯齿光栅，通过改变光栅周期与锯齿深度来改变衍射方向与效率，使得RGB三基色通过光栅的一级衍射，再经过准直微镜组后垂直于波导面出射。

图1的理想效果是，随着光束的全反射前进，一级透射效率会逐渐增加，使得衍射能量保持均匀。但是该技术的问题在于，由于矩形锯齿光栅无法抑制高级的衍射级次，在光束透射光栅时，不仅产生一级衍射级次，而且会产生高级的衍射级次。高级的衍射级次与一级衍射级次的出射方向不同，不仅损失了入射能量，而且影响均匀光场的设计。

发明内容

本发明的目的是，解决现有的衍射背光系统中，采用矩形锯齿光栅无法抑制高级的衍射级次问题，提供一种嵌有衍射元件的导光板，使衍射光栅仅仅产生一级衍射级次，从而最高效率的利用入射能量，并保证光场的均匀性。

本发明采用新型衍射元件替代矩形锯齿光栅，并运用于相匹配的导光板结构中，可以抑制高级的衍射级次，仅产生一级衍射级次，提高导光板的衍射效率与光场均匀性。

本发明提供的嵌有衍射元件的导光板，包括三个叠加的子导光板，三个子导光板分别用于传播R、G、B三基色光束，三个子导光板间相互独立，每个子导光板均包括一个入光面、一个底面和一个出光面，底面与出光面平行，入光面与出光面之间为一个楔形斜角，楔形斜角为锐角。该楔形斜角能使垂直入光面的入射光在子导光板内发生全发射，三个子导光板的入光面分别设置R、G、B光源，光源经过准直后，透射入光面进入子导光板内；子导光板的出光面上设置有n条衍射区域，每条衍射区域的长度为子导光板的长度，每条衍射区域的宽度为导光板照明的液晶显示面板的像素直径，n的值为导光板的宽度除以衍射区域的宽度（例如，导光板的宽度为10mm，衍射区域的宽度为100um，则n=10mm/100um=100）；每条衍射区域内存在光栅区域与空白区域（即无光栅区域）两种区域，光栅区域与空白区域间隔放置即光栅区域和空白区域首尾相接，光栅区域的结束位置是空白区域的起始位置，或者空白区域的结束是光栅区域的起始位置。空白区域的长度与光栅区域的长度相等，每条衍射区域内存在一个光栅区域，两个空白区域；当三个子导光板重叠时，各自的光栅区域在任一子导光板上的投影交错布置，互不重叠，各子导光板的光栅区域内嵌有衍射元件。所述的三个子导光板，会分别在光栅区域衍射R、G、B三基色光束，衍射的光束分别透射三个子导光板的空白区域，穿越液晶面板的R、G、B像素，从而实现对液晶面板的三基色照明。

在所述衍射区域内，光栅区域与空白区域自左向右的排列次序有以下三种情况：光栅区域，空白区域，空白区域；空白区域，光栅区域，空白区域；空白区域，空白区域，光栅区域。光栅区域和空白区域的排列准则为，当三个子导光板重叠时，将三个子导光板上所有的光栅区域，向任一子导光板做投影，投影产生的光栅区域均不重叠。当入射光由光源出射，经过准直后透射楔形入光面，进入子导光板后，光束在光栅区域发生衍射，在空白区域不发生衍射。

当三个子导光板重叠时，光栅区域衍射的光束，仅仅透射其余子导光板的空白区域，而不会透射其余子导光板的光栅区域。子导光板中与楔形入光面相对的另一侧，有吸收光能的材料。光束经过光栅区域后，依然有剩余能量时，会到达子导光板中与入光面相对的另一侧，被吸收材料所吸收。

光栅区域内所包含的衍射元件为闪耀面镀膜光栅。所述的闪耀面镀膜光栅是，在子导光板中刻蚀出浮雕状的闪耀光栅，然后在闪耀光栅的斜面上镀膜层，最后在膜层上方粘合光学胶，使膜层与子导光板粘合，光学胶的折射率与子导光板的材料相同。所述三个子导光板的光栅区域包括的闪耀面镀膜光栅，随着入射光R、G、B的不同，光栅的周期并不相同；周期不同的特征表现在：当入射光为R光时，光栅的周期是540nm；当入射光为G光时，光栅的周期是421nm；当入射光为B光时，光栅的周期是336nm。

所述的三个子导光板内，光栅区域的衍射效率随着纵向长度的增加而递增，所述的纵向是光束传播的方向。随着光束不断衍射，剩余的光束能量不断减少，当要求每一次衍射的能量都近似相同时，衍射效率就需要不断递增，来保证衍射光场的能量均匀性。光束衍射效率递增的方法是，通过增加锯齿斜面镀膜光栅中，在闪耀光栅的斜面上所镀膜层的厚度，来递增衍射效率。当所镀膜层的厚度在0到小于100nm的区间内变化时，衍射效率可在0%到50%的区间内变化。膜层厚度与衍射效率的关系，可以通过光栅的矢量计算方法获得。

本发明的优点和积极效果：

和现有的技术相比，本发明提供的内嵌新型衍射元件的导光板，可以在内部光束衍射时，抑制不需要的高级衍射级次，仅仅衍射所需的一级衍射级次，并通过三个相互独立的子导光板分别衍射R、G、B三基色光束，使衍射光束直接进入液晶面板相应的像素位置，无需滤色片，提高了光场均匀性与能量利用率。

附图说明

图1是一种现有专利中包含矩形浮雕光栅与微透镜阵列的导光板结构示意图。

图2是本发明导光板的立体图。

图3是本发明导光板的侧视图（三层子导光板间存在间隔，相互悬空）。

图4是本发明导光板中传播R光的子导光板内部光束全反射、衍射示意图。

图5是本发明导光板中新型衍射元件的结构示意图。

图6是本发明导光板中传播R光的子导光板正视图。

图7是本发明导光板中传播G光的子导光板正视图。

图8是本发明导光板中传播B光的子导光板正视图。

图9是本发明导光板的正视图（三层子导光板重叠）。

图10是理论计算本发明导光板中，三子导光板衍射能量的分布曲线。

表1是理论计算本发明导光板中，三子导光板衍射能量的标准差与总体衍射效率。

图中，1是R光源、2是G光源、3是B光源、1a是传播R光的子导光板楔形斜角、2a是传播G光的子导光板楔形斜角、3a是传播B光的子导光板楔形斜角、4是传播R光的子导光板、4a是传播R光子导光板的底面、4b是传播R光子导光板的出光面、4c是传播R光子导光板的吸收光能材料、5是传播G光的子导光板、6是传播B光的子导光板、7是传播R光子导光板中的衍射区域、7a是衍射区域7中的光栅区域、7b是衍射区域7中的空白区域、8是传播G光子导光板中的衍射区域、8a是衍射区域8中的光栅区域、8b是衍射区域8中的空白区域、9是传播B光子导光板中的衍射区域、9a是衍射区域9中的光栅区域、9b是衍射区域9中的空白区域、10是7a、8a、9a光栅区域中新型衍射元件的膜层。

具体实施方式

如图2所示为本发明中导光板的结构立体图。该导光板由三层子导光板组成，子导光板间以空气或者低折射率的光学透明胶作间隔。光学透明胶的折射率比子导光板所用材料的折射率低，可以使光束在子导光板内的全反射角大于45°。三层子导光板的材料相同，均为透明介质，折射率包括但不限于1.52。

图3为本发明中导光板的结构侧视图。图3中的1、2、3分别代表R光源（红光）、G光源（绿光）、B光源（蓝光）。与其相连的子导光板4、5、6分别为传播R光的子导光板、传播G光的子导光板和传播B光的子导光板。子导光板4、5、6中分别嵌入了衍射区域7、8、9，用于衍射R光、G光、B光，以形成导光板的出射光场。

R光源（红光）、G光源（绿光）、B光源（蓝光）内部均存在相应的光学准直系统，可以出射准直的条状光束。1、2、3出射条状光束的端面，与子导光板的楔形斜角1a、2a、3a相粘合。条状光束的宽度与楔形斜角的斜面宽度相同。楔形斜角的角度设定满足如下条件，当1、2、3的准直光束出射后，分别经1、2、3与1a、2a、3a的粘合端面，进入子导光板4、5、6后，可以在子导光板4、5、6内发生全反射传播。根据本发明中提供的实例，楔形斜角1a、2a、3a的倾斜角度包括但不限于30°。

衍射区域7、8、9嵌入在子导光板4、5、6中，与子导光板4、5、6的出光面、底面平行。由于图3为侧视图，在侧视图上衍射区域7、8、9仅有厚度的投影出现，由于衍射区域7、8、9的厚度为亚微米级，所以投影的线型很细，以虚线的方式表达。衍射区域7、8、9在子导光板4、5、6的详细描述，请参见图5~图9及下文对图5~图9的描述。

图4以传播R光的子导光板4为例，描述光束在子导光板4中的传播方式，以及经过衍射区域中的光栅区域时，发生衍射形成照明光场的方式。光束由1中准直出射，经过1与1a的粘合面后，进入子导光板4中全反射传播。子导光板4的底面4a与出光面4b平行，所以光束在传播过程中，光束的方向并不发生改变。光束在子导光板4中全反射传播时，会多次的经过衍射区域7。光束在衍射区域7发生衍射，形成出射光场。在经过衍射区域7后，未发生衍射的光束被吸收材料4c所吸收。

图5是光源1和子导光板4的正视图。在子导光板4中，内部嵌入了n行衍射区域7，n的值为子导光板4在y方向的宽度除以衍射区域7在y方向的宽度。例如，子导光板4在y方向的宽度为10mm，衍射区域7在y方向的宽度为100um，则n=10mm/100um=100。衍射区域7在x方向的长度为子导光板4在x方向的长度。在本发明中，衍射区域7在y方向的宽度设定为，被导光板照明的液晶显示面板的像素直径。

每一行衍射区域7分为两种区域，一种是光栅区域7a，一种是空白区域7b（即无光栅区域）。空白区域7b与光栅区域7a在x方向的长度相等。在每一行衍射区域7中，存在2个空白区域7b与1个光栅区域7a。衍射区域7中7a与7b的排列规则为，由图5中子导光板4的最下端，沿y方向，第一行衍射区域7为7a-7b-7b，第二行衍射区域7为7b-7a-7b，第三行衍射区域7为7b-7b-7a。第四行至第六行的排列顺序与第一行至第三行的排列顺序相同。第七行至第九行的排列顺序与第四行至第六行的排列顺序相同。以此类推，以三行为一个周期，直至衍射区域7排列到图5中子导光板4的最上端。

当光束进入衍射区域7后，在光栅区域7a发生衍射，在空白区域7b不发生衍射。入射光束在相邻两次穿越光栅区域7a时，会入射到光栅区域7a上不同的位置。由于光束不断的衍射，剩余的光束能量不断减少，当要求每次衍射的能量都相同时，衍射效率就需要不断的增加，来保证光场的能量均匀性。所以光栅区域7a沿着x的方向，衍射效率逐渐增加。

衍射效率增加的方法如图6所示，图6是光栅区域7a所包含的，新型衍射元件的结构放大图，周期为540nm，所镀膜层标号为10。膜层10与4a或者4b面的夹角，包括但不局限于26°。光栅区域7a衍射效率递增的方法是，通过增加膜层10的厚度，来递增衍射效率。膜层10的厚度在0到小于100nm的区间内增加时，衍射效率可由0%增加到50%。

假设光束的总能量为1，在光栅区域7a发生10次衍射，那么每次均匀的出射能量为0.1。第一次衍射的效率为10%，第二次衍射的效率为0.1/（1-0.1）=11.11%，第三次衍射的效率为0.1/（1-0.1-0.1）=12.5%。以此类推，第九次衍射的效率为50%，第十次衍射的效率为100%。由于光栅区域7a的最高衍射效率为50%，可以满足前九次衍射效率，无法满足第十次的衍射效率。此时舍弃第十次的衍射，使光束在光栅区域7a仅发生九次衍射，虽然能量损失10%，但是可以保证前九次均匀出射0.1的能量，总体效率可达90%。

在光栅区域7a发生的衍射次数包括但不局限于九次，假设衍射次数为N，则光栅区域7a的最高衍射效率可以满足前N-1次的衍射，每次的出射能量为1/N，总体效率为(N-1)/N。

空白区域7b不发生衍射，其功能在于传播全反射光束，并且当三层子导光板4、5、6重叠在一起时，可以允许衍射光束无损透射。具体的透射过程可以参见图9及对下文图9的分析。

图7是光源2和子导光板5的正视图。在子导光板5中，内部嵌入了n行衍射区域8，n的值为子导光板5在y方向的宽度除以衍射区域8在y方向的宽度。例如，子导光板5在y方向的宽度为10mm，衍射区域8在y方向的宽度为100um，则n=10mm/100um=100。衍射区域8在x方向的长度为子导光板5在x方向的长度。在本发明中，衍射区域8在y方向的宽度设定为，被导光板照明的液晶显示面板的像素直径。

每一行衍射区域8分为两种区域，一种是光栅区域8a，一种是空白区域8b（即无光栅区域）。空白区域8b与光栅区域8a在x方向的长度相等。在每一行衍射区域8中，存在2个空白区域8b与1个光栅区域8a。衍射区域7中8a与8b的排列规则为，由图7中子导光板5的最下端，沿y方向，第一行衍射区域7为8b-8b-8a，第二行衍射区域8为8a-8b-8b，第三行衍射区域8为8b-8a-8b。第四行至第六行的排列顺序与第一行至第三行的排列顺序相同。第七行至第九行的排列顺序与第四行至第六行的排列顺序相同。以此类推，以三行为一个周期，直至衍射区域8排列到图7中子导光板5的最上端。

当光束进入衍射区域8后，在光栅区域8a发生衍射，在空白区域8b不发生衍射。光栅区域8b的衍射效率沿着x的方向逐渐增加。光栅8b的周期结构放大图与图6类似，周期变更为421nm，通过增加膜层10的厚度，来递增衍射效率。膜层10的厚度在0到小于100nm的区间内增加时，衍射效率可由0%增加到50%。衍射光场的分析与光栅区域7a相同。

图8是光源3和子导光板6的正视图。在子导光板6中，内部嵌入了n行衍射区域9，n的值为子导光板6在y方向的宽度除以衍射区域9在y方向的宽度。例如，子导光板6在y方向的宽度为10mm，衍射区域9在y方向的宽度为100um，则n=10mm/100um=100。衍射区域9在x方向的长度为子导光板6在x方向的长度。在本发明中，衍射区域9在y方向的宽度设定为，被导光板照明的液晶显示面板的像素直径。

每一行衍射区域9分为两种区域，一种是光栅区域9a，一种是空白区域9b（即无光栅区域）。空白区域9b与光栅区域9a在x方向的长度相等。在每一行衍射区域9中，存在2个空白区域9b与1个光栅区域9a。衍射区域9中9a与9b的排列规则为，由图8中子导光板6的最下端，沿y方向，第一行衍射区域9为9b-9a-9b，第二行衍射区域9为9b-9b-9a，第三行衍射区域8为9a-9b-9b。第四行至第六行的排列顺序与第一行至第三行的排列顺序相同。第七行至第九行的排列顺序与第四行至第六行的排列顺序相同。以此类推，以三行为一个周期，直至衍射区域9排列到图8中子导光板6的最上端。

当光束进入衍射区域9后，在光栅区域9a发生衍射，在空白区域9b不发生衍射。光栅区域9b的衍射效率沿着x的方向逐渐增加。光栅9b的周期结构放大图与图6类似，周期变更为336nm：，通过膜层10的厚度，来递增衍射效率。膜层10的厚度在0到小于100nm的区间内增加时，衍射效率可由0%增加到50%。衍射光场的分析与光栅区域7a相同。

图9为子导光板4、5、6叠加后的正视图。如图2中立体图所示，子导光板4位于最下方，子导光板5位于中间，子导光板6位于最上方。由于衍射区域7、8、9中，光栅区域7a、8a、9a与空白区域7b、8b、9b的排列顺序各异，子导光板4的光栅区域7a位于子导光板5、6的空白区域8b、9b的下方，子导光板5的光栅区域8a位于子导光板6的空白区域9b的下方。子导光板4的衍射光束会透射子导光板5、6的空白区域8b、9b而出射，子导光板5的衍射光束会透射子导光板6的空白区域9b而出射，子导光板6的衍射光束直接出射。

子导光板4、5、6的出射光束互相无遮挡，由于衍射区域7、8、9在y方向的宽度等于液晶显示系统的像素直径，所以出射的光束可以不经过滤色片，直接进入液晶面板对应的像素位置，无滤色片对能量的吸收。

图10为，基于严格耦合波理论，计算子导光板4、5、6的归一化衍射能量分布。即假设入射光的能量为1，计算子导光板4、5、6在x方向不同位置的衍射能量大小。子导光板4、5、6中RGB入射波长分别为700nm、546nm、435nm。其标准差与总衍射效率如表1所示。可以看出，归一化能量的标准差均小于1%，总衍射效率大于85%。

表1标准差与总衍射效率

以上所述发明仅为本发明的优选实例，并未因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或流程变化，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种嵌有衍射元件的导光板，其特征在于该导光板包括三个叠加的子导光板，三个子导光板分别用于传播R、G、B三基色光束，三个子导光板间相互独立，每个子导光板均包括一个入光面、一个底面和一个出光面，底面与出光面平行，入光面与出光面之间为一个楔形斜角，楔形斜角为锐角；该楔形斜角能使垂直入光面的入射光在子导光板内发生全反射，三个子导光板的入光面分别设置R、G、B光源，光源经过准直后，透射入光面进入子导光板内；子导光板的出光面上设置有n条衍射区域，每条衍射区域的长度为子导光板的长度，每条衍射区域的宽度为导光板照明的液晶显示面板的像素直径，n的值为导光板的宽度除以衍射区域的宽度；每条衍射区域内存在光栅区域与空白区域两种区域，光栅区域与空白区域间隔放置，空白区域的长度与光栅区域的长度相等，每条衍射区域内存在一个光栅区域，两个空白区域；当三个子导光板重叠时，各自的光栅区域在任一子导光板上的投影交错布置，互不重叠，各子导光板的光栅区域内嵌有衍射元件，所述的三个子导光板，会分别在光栅区域衍射R、G、B光束，在三个子导光板重叠后，衍射的光束会透射空白区域而出射，穿越液晶面板的R、G、B像素，从而实现对液晶面板的三基色照明。

2.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，在衍射区域内，光栅区域与空白区域的排列次序有以下三种情况：光栅区域，空白区域，空白区域；空白区域，光栅区域，空白区域；空白区域，空白区域，光栅区域。

3.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，当三个子导光板重叠时，光栅区域衍射的光束，仅仅透射其余子导光板的空白区域，而不会透射其余子导光板的光栅区域。

4.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，子导光板中与入光面相对的另一侧，有吸收光能的材料。

5.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，光栅区域内所包含的衍射元件为闪耀面镀膜光栅。

6.据权利要求5所述的导光板，其特征在于，所述的闪耀面镀膜光栅是，在子导光板中刻蚀出浮雕状的闪耀光栅，然后在闪耀光栅的斜面上镀膜层，最后在膜层上方粘合光学胶，使膜层与子导光板粘合，光学胶的折射率与子导光板的材料的折射率相同。

7.根据权利要求5或6所述的导光板，其特征在于，所述三个子导光板的光栅区域包括的闪耀面镀膜光栅，随着入射光R、G、B的不同，光栅的周期并不相同；周期不同的特征表现在：当入射光为R光时，光栅的周期是540nm；当入射光为G光时，光栅的周期是421nm；当入射光为B光时，光栅的周期是336nm。

8.根据权利要求5或6所述的导光板，其特征在于，所述的三个子导光板内，光栅区域的衍射效率随着纵向长度的增加而递增，所述的纵向是光束传播的方向。

9.根据权利要求8所述的导光板，其特征在于，衍射效率递增的方法是，通过递增闪耀面镀膜光栅斜面上镀膜的厚度实现，膜层厚度与衍射效率的关系，通过光栅的矢量计算方法获得。

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