CN106324898A - 显示面板及显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种显示面板及显示装置，属于显示技术领域。本发明的显示面板，包括相对设置的第一基底和第二基底，设置在所述第一基底和所述第二基底之间的液晶层，以及设置在所述第一基底与所述液晶层之间的波导层；所述显示面板包括多个像素单元；其中，每个所述像素单元包括位于所述第一基底和所述第二基底之间的第一电极和第二电极，以及与所述液晶层相接触光栅单元；所述第一电极和所述第二电极，用于调节所述液晶层的折射率；所述光栅单元，用于根据其与液晶层的折射率的差值控制光线从所述波导层耦合出光的耦合效率，并能够将光线进行分色。

Description

显示面板及显示装置

技术领域

本发明属于显示技术领域，具体涉及一种显示面板及显示装置。

背景技术

在显示技术领域，液晶显示装置包括背光源和显示面板，显示面板包括相对设置的阵列基板和彩膜基板，阵列基板和彩膜基板之间设置有液晶层，阵列基板的背面和彩膜基板的背面均设置有偏光片。通过电压控制液晶的偏转以及经过两层偏光片的控制，以实现灰阶显示。

现有技术中液晶显示装置中的显示面板中采用偏振片，会导致液晶显示装置透过率很低(例如，透过率为7％左右)以及液晶盒厚较大(例如，3um-5um)，而较大的盒厚会降低液晶的响应时间。在实现彩色显示时，通常彩膜基板上的彩色色阻实现，同样会造成显示面板较厚。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种厚度薄、透过率高、且液晶响应时间快的显示面板及显示装置。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种显示面板，包括相对设置的第一基底和第二基底，设置在所述第一基底和所述第二基底之间的液晶层，以及设置在所述第一基底与所述液晶层之间的波导层；所述显示面板包括多个像素单元；其中，

每个所述像素单元包括位于所述第一基底和所述第二基底之间的第一电极和第二电极，以及与所述液晶层相接触光栅单元；

所述第一电极和所述第二电极，用于调节所述液晶层的折射率；

所述光栅单元，用于根据其与液晶层的折射率的差值控制光线从所述波导层耦合出光的耦合效率，并能够将光线进行分色。

优选的是，所述光栅单元位于所述液晶层靠近所述第一基底的一侧。

优选的是，所述光栅单元位于所述液晶层靠近所述第二基底的一侧。

优选的是，所述第一电极和所述第二电极位于所述液晶层的同一侧。

优选的是，所述第一电极和所述第二电极位于所述液晶层的不同侧。

优选的是，所述第一电极位于所述波导层靠近所述第一基底的一侧；所述光栅单元位于所述波导层背离所述第一电极的一侧；所述液晶层位于所述光栅单元背离所述波导层的一侧；所述第二电极位于所述第二基底靠近所述液晶层的一侧。

优选的是，所述波导层的折射率大于所述第一电极的折射率，所述第一电极的折射率大于等于所述光栅单元的折射率。

优选的是，所述光栅单元的折射率的范围为所述液晶层的寻常光折射率n_o至所述液晶层的非常光折射率n_e。

优选的是，所述光栅单元为阶梯光栅。

进一步优选的是，所述阶梯光栅的阶梯数为3至100；所述阶梯光栅的宽度为0.1μm至300μm；所述阶梯光栅中每节阶梯的高度为0μm至300μm；所述阶梯光栅的成像距离为2μm至20μm。

进一步优选的是，所述阶梯光栅的阶梯数为3，用于将光线分成红、绿、蓝三种不同颜色的光。

优选的是，所述液晶层的材料包括向列相液晶、胆甾相液晶、蓝相液晶中的任意一种。

优选的是，在所述第二基底背离所述液晶层的一侧还设置有散射膜。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种显示装置，其包括上述的显示面板和背光源。

优选的是，所述背光源为侧入式背光源，用于提供准直平行光。

进一步优选的是，所述显示装置还包括位于显示面板远离所述背光源的侧边上的遮光层。

本发明具有如下有益效果：

在本发明中，对于每一个像素单元而言，由于液晶层的折射率可以根据第一电极和第二电极上所加载的电压的压差而进行调节，波导层耦合出光的耦合效率是根据液晶层与光栅单元的折射率差值而确定的。因此，当第一电极和第二电极上所加载的电压的压差发生变化液晶层的液晶的偏转角度将会发生变化，此时液晶层相对于入射光的有效折射率也将发生变化，从而导致液晶层与光栅单元的折射率的差值发生变化，进而导致波导层耦合出光的耦合效率发生变化，也即该像素单元的显示灰阶发生变化，以对于每个像素单元实现不同灰阶的显示。同时，由于光栅单元能够对光线进行分色，因此，本发明中的显示面板在无需设置彩膜的情况下，可以实现彩色显示。

附图说明

图1为本发明的实施例1的显示面板的一种结构示意图；

图2为本发明的实施例1的显示面板的另一种结构示意图；

图3为本发明的实施例1的显示面板的液晶层、光栅单元和波导层形成可变光栅耦合器的示意图；

图4为本发明的实施例1的显示面板的再一种结构示意图；

图5为本发明的实施例1、2的显示装置的结构示意图；

图6为本发明的实施例1的显示面板的L0模式的示意图；

图7为本发明的实施例1的显示面板的L255模式的示意图；

图8为本发明的实施例1的显示面板的平板波导的示意图；

图9为本发明的实施例1的平板波导的传输示意图；

图10为本发明的实施例1的显示面板的光栅单元的示意图；

图11、12为本发明的实施例1的显示面板的成像距离示意图。

其中附图标记为：1、第一基底；2、第二基底；3、液晶层；4、波导层；5、第一电极；6、第二电极；7、光栅单元；8、散射膜；9、背光源；10、遮光层；A、像素单元。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

结合图1、2所示，本实施例提供一种显示面板，包括相对设置的第一基底1和第二基底2，设置在第一基底1和第二基底2之间的液晶层3，以及设置在第一基底1与液晶层3之间的波导层4；该显示面板划分为多个像素单元A；其中，每个像素单元A包括位于第一基底1和第二基底2之间的第一电极5和第二电极6，以及与液晶层3相接触光栅单元7；第一电极5和第二电极6用于调节液晶层3的折射率；光栅单元7用于根据其与液晶层3的折射率的差值控制光线从波导层4耦合出光的耦合效率，并能够将光线进行分色。

在本实施例中，对于每一个像素单元A而言，由于液晶层3的折射率可以根据第一电极5和第二电极6上所加载的电压的压差而进行调节，波导层4耦合出光的耦合效率是根据液晶层3与光栅单元7的折射率差值而确定的。因此，当第一电极5和第二电极6上所加载的电压的压差发生变化，液晶层3的液晶的偏转角度将会发生变化，液晶层3相对于入射光的有效折射率也将发生变化，从而导致液晶层3与光栅单元7的折射率的差值发生变化，进而导致波导层4耦合出光的耦合效率发生变化，也即该像素单元A的显示灰阶发生变化，以对于每个像素单元A实现不同灰阶的显示。同时，由于光栅单元7能够对光线进行分色，因此，本实施例中的显示面板在无需设置彩膜的情况下，可以实现彩色显示。

其中，如图1所示，本实施例中的光栅单元7可以设置在位于液晶层3靠近第一基底1的一侧，也即光栅单元7较液晶层3更靠近波导层4，此时光栅单元7可以控制光线从波导层4中耦合出光的耦合效率。如图2所示，光栅单元7也可以设置在液晶层3靠近第二基底2的一侧，也即液晶层3较光栅单元7更靠近波导层4。

具体的，无论采用上述的哪一种设置方式，如图3所示，液晶层3、光栅单元7和波导层4将会形成可变光栅耦合器，该可变光栅耦合器可将光线有效的耦合进波导层4或者将光线从波导层4中耦合出来。当入射光或者出射光满足相位匹配关系βq＝β_m–qK(q＝0,±1,±2,…)时，入射光即可在波导层4中激发m阶导模或者m阶导模即可在给方向上耦合出去，其中，βq为入射光的传播常数，β_m为m阶导模的传播常数，q为衍射级次，K为光栅矢量。由于β_m＝k₀Nm，K＝2π/Λ，因此上述相位匹配关系公式可进一步表示成：k₀n_csinθ_i＝k₀Nm–q2π/Λ(q＝0,±1,±2,…)，其中，k₀为2π/λ，n_c为液晶层3的折射率，θ_i为入射光波矢方向与竖直方向的夹角或者出光光波矢方向与竖直方向的夹角，N_m为m阶导模的有效折射率，Λ为光栅单元7的周期。从上述相位匹配关系公式可以看出，改变液晶层3的折射率n_c可以使得光栅单元7控制光线从波导层4耦合出光的耦合效率，耦合效率与液晶层3和光栅单元7的折射率差值相关。

其中，本实施例中的第一电极5和第二电极6位于液晶层3同一侧或者不同侧。优选的，第一电极5为像素电极，第二电极6为公共电极。

具体的，第一电极5和第二电极6位于液晶层3的不同侧。其中，第一电极5位于液晶层3的靠近第一基底1的一侧，第二电极6位于液晶层3的靠近第二基底2的一侧，此时显示面板可以为扭曲向列(Twisted Nematic，简称TN)型显示面板、垂直向列(VerticalAlignment，简称VA)型显示面板或者电控双折射(Electrically ControlledBirefringence，简称ECB)显示装置。

或者，第一电极5和第二电极6位于液晶层3的同侧。其中，第一电极5和第二电极6均位于液晶层3的靠近第一基底1的一侧。当第一电极5和第二电极6位于不同层时，该显示面板可以为高级超维场转换(Advanced Super Dimension Switch，简称ADS)显示面板；当第一电极5和第二电极6位于同一层时，该显示面板可以为平面转换(In-Plane Switching，简称IPS)显示面板。此处均不再具体画出。在实际应用中，该显示面板还可以为其他类型的显示面板，此处不再一一列举。

其中，液晶层3的材料可以为向列相液晶、胆甾相液晶或者蓝相液晶。优选地，TN型显示面板、VA型显示面板以及ADS型显示面板通常均采用向列相液晶。优选地，液晶层3的厚度为1μm。液晶层3厚度的设定可以以能够覆盖光栅单元7所在层以及便于产品的其他参数设计(例如，电学设计、驱动设计等)为依据。本实施例中液晶层3的厚度只要覆盖光栅单元7所在层的厚度即可，因此液晶层3的厚度可以设置的很薄，即液晶盒厚可以设置的很薄，从而进一步提高了液晶的响应时间。

其中，本实施例中的光栅单元7的材料为透明介质材料，例如，二氧化硅SiO₂或者其他有机树脂。光栅单元7的折射率的范围为液晶层3的寻常光折射率n_o至液晶层3的非常光折射率n_e，优先折射率为n_o。在实际应用中一个光栅单元7的周期一般为一个像素单元A的宽度。

其中，光栅单元7为阶梯光栅(纳米光栅)，每个像素单元A的颜色实现就是利用阶梯光栅之间的干涉和衍射效应原理，使得衍射光学器件实现菲涅尔衍射场的分色，选择合理的光栅高度与相位分布，使红、绿、蓝三色在空间上高效分离。

其中，如图4所示，该显示面板还包括位于第二基底2背离液晶层3侧面上的散射膜8。散射膜8的作用是将在光栅单元7的控制下从波导层4耦合出来的角度较小或者角度较大的光进行散射，从而改善了显示面板的视角。

作为本实施例中的一种具体实现方式，如图1或5所示，在显示面板中第一电极5位于波导层4靠近所述第一基底1的一侧；光栅单元7位于波导层4背离第一电极5的一侧；液晶层3位于光栅单元7背离所述波导层4的一侧；所述第二电极6位于所述第二基底2靠近所述液晶层3的一侧。

具体的，通过调节施加在第一电极5和第二电极6上的电压，即可实现液晶层3折射率椭球在如图6所示的截面(纸面)内的旋转，实现液晶层3折射率在n_o至n_e之间的调节。当液晶层3折射率和光栅单元7的折射率相等时，光栅单元7的作用被掩盖，没有光从波导层4耦合出来，此时为常黑模式(L0模式)；如图7所示，当液晶层3折射率和光栅单元7折射率相差最大时，光栅单元7的作用最明显，光线从波导层4耦合出来的耦合效率最高，此时为常白模式(L255模式)；当液晶层3折射率处在以上两种情况之间时，为其他灰阶状态。由于仅有振动方向在如图5所示的截面(纸面)内的偏振光(e光)才能感受到上述折射率的变化，而振动方向垂直于纸面的偏振光(o光)感受不到上述折射率的变化，所以该可变光栅耦合出来的光为偏振光(e光)。对于一般的液晶材料，需要在第二电极6的下表面(优选下表面，但不限于下表面)增加一层配向膜(一般为PI)，以控制液晶分子的初始排列状态，确保液晶分子可以在施加电压下按照预期的方式进行旋转，决定是常黑显示模式还是常白显示模式。

其中，本领域技术人员可知的是，如图8所示，平板波导由三层材料所构成，中间一层是折射率为n₁的波导薄膜，它沉积在折射率为n₂的基底上，薄膜上面是折射率为n₃的覆盖层。薄膜的厚度一般在微米数量级，可与光的波长相比较。薄膜和基底的折射率之差一般在10^-1和10^-3之间。为了构成真正的光波导，要求n₁必须大于n₂和n₃，即n₁>n₂>＝n₃。这样，光能限制在薄膜之中传播。

因此，在本实施例中的上述方式中波导层4的折射率大于第一电极5的折射率，第一电极5的折射率大于等于光栅单元7的折射率，以实现平面波导。

如图9所示，光在平板波导中的传播可以看作是光线在第一电极5和波导层4分界面上发生全反射，在薄膜中沿Z字形路径传播。光在波导中以锯齿形沿Z方向传播，光在x方向受到约束，而在y方向不受约束。

在平板波导中，n₁>n₂且n₁>n₃，当入射光的入射角θ₁超过临界角θ₀时：

入射光发生全反射，此时，在反射点产生一定的位相跃变。我们从菲涅耳反射公式：

$R_{TE}=\frac{n_1{\mathrm{cos\θ}}_1-\sqrt{n_2^2-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}}{n_1{\mathrm{cos\θ}}_1+\sqrt{n_2^2-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}};$

$R_{TM}=\frac{n_2^2{\mathrm{cos\θ}}_1-n_1\sqrt{n_2^2-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}}{n_2^2{\mathrm{cos\θ}}_1+n_1\sqrt{n_2^2-n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}};$

出发，推导出反射点的位相跃变φ_TM、φ_TE为：

${\mathrm{tan\φ}}_{TE}=\frac{\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-k_0^2{n}_2^2}}{\sqrt{k_0^2{n}_1^2-{\mathrm{\β}}^2}};$

${\mathrm{tan\φ}}_{TM}=\frac{n_1^2\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-k_0^2{n}_2^2}}{n_2^2\sqrt{k_0^2{n}_1^2-{\mathrm{\β}}^2}};$

式中：β＝k₀n₁sinθ1为光的传播常数，k₀＝2πλ为光在真空中的波数，λ是光的波长。

要使光在波导中稳定的传播,则需要满足以下公式：

2kh-2φ₁₂-2φ₁₃＝2mπ,m＝0,1,2,3.....；

其中：k＝k₀n₁cosθ,φ₁₃为全反射的相位差，h为波导的厚度，m为模序数，即从零开始的正整数。所以，只要入射角满足上式的光才能在光波导中稳定地传播。

具体的，在本实施例中优选的阶梯光栅的阶梯数为3至100；优选阶梯数为3，也即三阶光栅，如图10所示，该三阶光栅用于将光线分成红、绿、蓝三种不同颜色的光；阶梯光栅的宽度d(周期)为0.1μm至300μm(每节阶梯的宽度为d/3)；阶梯光栅中每节阶梯的高度(h₁、h₂、h₃)为0μm至300μm；阶梯光栅的成像距离为2μm至20μm。在此需要说明的是，液晶层3的厚度需要大于光栅单元7的高度，光栅成像距离Z一般要大于液晶层3厚度。

其中，Z为成像距离，根据公式：

$Z_T=\frac{\mathrm{\λ}}{1-\sqrt{-\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{a^2}}};$

由此可知，阶梯光栅的成像距离Z_T与入射光波长λ、折射率差(定值)、光栅周期相关a。结合图11所示，对应红R绿、绿G、蓝B三种颜色光的成像距离分别为Z_r、Z_g、Z_b。此时，可以通过调节光栅单元7每个阶梯的折射率差，以使R绿、绿G、蓝B三种颜色光的成像距离Z_r、Z_g、Z_b均相等为Z₁，如图12所示。

根据下述公式，可以得到每种颜色的光的透光率。

根据公式可知，Tr为透过率，与入射波长λ，光栅周期d，光栅高度，光栅的阶梯数相关。故光栅周期d固定之后，我们可以根据光栅的阶梯数及高度控制每个像素的透过率。

实施例2：

如图5所示，本实施例提供一种显示装置，该显示装置包括：背光源9和实施例1中的显示面板。

本实施例中，背光源9为侧入式背光源9，用于提供准直平行光。在实际应用中，还可以采用其他形式的背光源9，例如，背光源9可以为直下式背光源9，此种情况不再具体画出。

背光源9可包括LED光源或者其他模式的光源，其中，LED芯片可包括蓝光LED或者其他波长比蓝光波长更短的LED，其他模式的光源可以为激光光源。可选地，当背光源9为激光光源时，在背光源9的出光侧(即：背光源9和显示面板之间)还可以设置扩束结构，该扩束结构可以将激光光源发出的激光点光源扩束为准直光源，同时也增大了光束的直径。

背光源9至少与波导层4对应设置，背光源9的光线的出光方向和波导层4所在平面平行。如图4所示，背光源9与第一基底1、波导层4和第一电极5对应设置，且背光源9的宽度可以为第一基底1、波导层4和第一电极5的宽度之和。在实际应用中，背光源9的宽度还可以设置为其他宽度，但以不向液晶层3以及液晶以上各层发射光线为宜，由于液晶层3的外侧设置有封框胶，因此向液晶层3发射的光线不会射入液晶层3。当然，背光源9的设置也不局限于前述方式，只要保证背光源9所发出的光(入射光线)在波导层4内发生去反射即可。

优选地，背光源9发出的光为准直光。特别是，当背光源9为激光光源时，背光源9发出的光在扩束结构的作用下成为准直光。

优选地，显示装置还包括位于显示面板远离所述背光源9的侧边上的遮光层10，该遮光层10用于将光栅单元7将背光源9所发出的光从波导层4耦合出光之后，剩余在波导层4中的光进行吸收，以防止显示装置漏光。

本实施例中，显示装置可以为ECB显示装置、TN显示装置、VA显示装置、IPS显示装置或者ADS显示装置。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种显示面板，包括相对设置的第一基底和第二基底，以及设置在所述第一基底和所述第二基底之间的液晶层，其特征在于，还包括设置在所述第一基底与所述液晶层之间的波导层；所述显示面板包括多个像素单元；其中，

每个所述像素单元包括位于所述第一基底和所述第二基底之间的第一电极和第二电极，以及与所述液晶层相接触光栅单元；

所述第一电极和所述第二电极，用于调节所述液晶层的折射率；

所述光栅单元，用于根据其与液晶层的折射率的差值控制光线从所述波导层耦合出光的耦合效率，并能够将光线进行分色。

2.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，所述光栅单元位于所述液晶层靠近所述第一基底的一侧。

3.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，所述光栅单元位于所述液晶层靠近所述第二基底的一侧。

4.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极位于所述液晶层的同一侧。

5.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极位于所述液晶层的不同侧。

6.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，所述第一电极位于所述波导层靠近所述第一基底的一侧；所述光栅单元位于所述波导层背离所述第一电极的一侧；所述液晶层位于所述光栅单元背离所述波导层的一侧；所述第二电极位于所述第二基底靠近所述液晶层的一侧。

7.根据权利要求6所述的显示面板，其特征在于，所述波导层的折射率大于所述第一电极的折射率，所述第一电极的折射率大于等于所述光栅单元的折射率。

8.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，所述光栅单元的折射率的范围为所述液晶层的寻常光折射率n_o至所述液晶层的非常光折射率n_e。

9.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，所述光栅单元为阶梯光栅。

10.根据权利要求9所述的显示面板，其特征在于，所述阶梯光栅的阶梯数为3至100；所述阶梯光栅的宽度为0.1μm至300μm；所述阶梯光栅中每节阶梯的高度为0μm至300μm；所述阶梯光栅的成像距离为2μm至20μm。

11.根据权利要求9所述的显示面板，其特征在于，所述阶梯光栅的阶梯数为3，用于将光线分成红、绿、蓝三种不同颜色的光。

12.根据权利要求1至11任一所述的显示面板，其特征在于，所述液晶层的材料包括向列相液晶、胆甾相液晶、蓝相液晶中的任意一种。

13.根据权利要求1至11任一所述的显示面板，其特征在于，在所述第二基底背离所述液晶层的一侧还设置有散射膜。

14.一种显示装置，其特征在于，包括：背光源和权利要求1至12任一所述的显示面板。

15.根据权利要求14所述的显示装置，其特征在于，所述背光源为侧入式背光源，用于提供准直平行光。

16.根据权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置还包括位于显示面板远离所述背光源的侧边上的遮光层。