CN106405933A - 背光模组和液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种背光模组和液晶显示装置。该背光模组包括背光源、分束器和光束转换部。分束器将背光源提供的光转换为第一和第二偏振光束。第一和第二偏振光束为偏振方向相互垂直的线偏振光。光束转换部通过全反射将第一偏振光束转换为第三偏振光束，并且将第二和第三偏振光束经由背光模组的出光侧出射，第二和第三偏振光束为偏振方向相同的线偏振光。或者光束转换部通过全反射将第一和第二偏振光束分别转换为第四和第五偏振光束，并且将第四和第五偏振光束经由背光模组的出光侧出射，第四和第五偏振光束为偏振方向相同的线偏振光。藉此，来自背光源的光高效地用于照射液晶显示面板，并且显著提升液晶显示面板的亮度。

Description

背光模组和液晶显示装置
技术领域
本发明涉及液晶显示技术领域，并且具体涉及一种背光模组和液晶显示装置。
背景技术
如图1所示，液晶显示装置1主要包括液晶显示面板10和背光模组20。液晶显示面板10例如为薄膜晶体管液晶显示面板(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，TFT-LCD)，并且包括下偏光片11、阵列基板12、液晶层13、彩膜基板14和上偏光片15。背光模组20中的背光源发出的光线通常为自然光。当光穿过下偏光片时，光强损失至少一半，使得背光源所发出的光线的利用率低，并且导致液晶显示面板10的亮度低。增加背光源所发出的光线的强度可以提高液晶显示面板10的亮度，但这导致液晶显示面板的功耗较高。通过在下偏光片11和背光源之间设置APF(Advanced Polarizer Film，先进偏光膜)，将与下偏光片11的透过轴不一致的偏振光往回反射以提高利用效率。然而，APF不能直接将入射光从自然光状态变成线偏振光，而且将非透过轴的光线来回反射的过程中光强也会有较大衰减。因而背光模组中光利用效率不高，并且液晶显示装置的亮度不高。而且APF造价高，使得背光模组成本难以降低。
发明内容
本发明实施例旨在提供一种改进的背光模组和液晶显示装置，以解决一个或者多个上文所述的问题或者其它问题，例如提高背光模组中光的利用效率，进而提高液晶显示装置的亮度。
在本发明一实施例中，提供了一种背光模组。该背光模组包括背光源；分束器，其配置成将所述背光源提供的光转换为第一偏振光束和第二偏振光束，其中所述第一偏振光束和所述第二偏振光束为偏振方向相互垂直的线偏振光；以及光束转换部，其配置成通过全反射将所述第一偏振光束转换为第三偏振光束，其中所述第二偏振光束和第三偏振光束为偏振方向相同的线偏振光；或者通过全反射将所述第一偏振光束和第二偏振光束分别转换为第四偏振光束和第五偏振光束，其中所述第四偏振光束和第五偏振光束为偏振方向相同的线偏振光。
在此实施例的背光模组中，背光源的光被转换为第一偏振光束和第二偏振光束，光束转换部进而将第一偏振光束转换为具有与第二偏振光束相同的偏振方向的第三偏振光束，或者将第一偏振光束和第二偏振光束分别转换为具有相同偏振方向的第四偏振光束和第五偏振光束。藉此，来自背光源的光高效地用于照射液晶显示面板，并且显著提升液晶显示面板的亮度。与传统液晶显示装置中，下偏光片充当起偏器以允许背光源的50%的光通过的情况相比，该背光模组显著提高背光源的光效，使得背光源的光被充分利用。由于从背光模组出射的第三偏振光束和第二偏振光束(或第四偏振光束和第五偏振光束)具有相同的偏振方向，传统液晶显示面板中充当起偏器的下偏光片可以略去，由此简化液晶显示面板的结构并且降低成本。
在一示例性实施例中，所述分束器为偏振分束器(polarizing beam splitter,PBS)，并且包括分束入射面、与所述分束入射面相邻的第一分束出射面、与所述分束入射面相对的第二分束出射面和分束反射面；来自所述背光源的光经由所述分束入射面入射所述分束器，在所述分束反射面发生全反射以形成所述第一偏振光束，并且在所述分束反射面透射以形成所述第二偏振光束；以及所述第一偏振光束经由所述第一分束出射面出射，并且所述第二偏振光束经由所述第二分束出射面出射。
在此实施例的背光模组中，背光源的光经偏振分束器转换，得到反射的第一偏振光束(例如S线偏振光)和透射的第二偏振光束(例如P线偏振光)，第一偏振光束和第二偏振光束的偏振方向相互垂直且传播方向相互垂直。
在一示例性实施例中，所述第一偏振光束从所述分束器的出射方向垂直于所述第二偏振光束从所述分束器的出射方向。例如，所述分束器的截面为正方形；以及来自所述背光源的光垂直所述分束入射面入射所述分束器。
在此实施例的背光模组中，第一分束出射面和分束反射面之间的夹角φ=45度。此外，第一偏振光束和第二偏振光束的强度相同。
在一示例性实施例中，所述背光模组还包括准直器，其设置在所述背光源和所述分束器之间。
在此实施例的背光模组中，所述准直器使得光线经过准直之后入射到所述分束器。
在一示例性实施例中，所述光束转换部包括第一偏振入射面、第一偏振反射面和偏振出射面，其中所述第一偏振入射面面向所述第一分束出射面，并且配置成接收经由所述第一分束出射面出射的所述第一偏振光束；所述第一偏振光束经由所述第一偏振入射面入射所述光束转换部，在所述第一偏振反射面发生全反射以形成所述第三偏振光束；以及所述偏振出射面平行于所述第二分束出射面，并且所述第三偏振光束经由所述偏振出射面出射。
在此实施例的背光模组中，第二分束出射面和偏振出射面共同构成背光模组的出光面。
在一示例性实施例中，所述分束器的所述第一分束出射面与所述光束转换部的所述第一偏振入射面贴合设置。
在此实施例的背光模组中，第二和第三偏振光束在背光模组的出光面均匀分布。
在一示例性实施例中，所述光束转换部为等腰直角棱镜；以及所述等腰直角棱镜的两个相互垂直的第一侧面和第二侧面分别形成所述第一偏振入射面和所述偏振出射面，并且第三侧面形成所述第一偏振反射面。
在此实施例的背光模组中，第一偏振光束经过该光束转换部之后，传播方向旋转度，得到的第三偏振光束的传播方向与第二偏振光束的传播方向相同。
在一示例性实施例中，所述背光源的出射面的尺寸等于所述分束器的所述分束入射面的尺寸。在此实施例的背光模组中，背光源的出射面的尺寸La等于分束入射面的尺寸Lb。第二偏振光束和第三偏振光束在背光模组的出光面均匀分布，并且背光源的光线利用率提高。如果La>Lb，背光源的部分光线将不被导入分束器，使得背光源的光线利用率降低。如果La<Lb，第二分束出射面的部分区域将不输出第二偏振光束，偏振出射面的部分区域将不输出第三偏振光束，并且第二偏振光束和第三偏振光束之间存在间隙。即，背光模组的出光面的部分区域没有偏振光束输出。
在一示例性实施例中，所述第一分束出射面的尺寸等于所述第一偏振入射面的尺寸。在此实施例的背光模组中，第一分束出射面的尺寸Lc等于第一偏振入射面的尺寸Ld。第二偏振光束和第三偏振光束在背光模组的出光面均匀分布，并且背光源的光线利用率提高。一方面，如果Ld>Lc，偏振出射面的部分区域将没有第三偏振光束输出。另一方面，如果Ld<Lc，第一偏振入射面不能完全覆盖第一分束出射面，则经由第一分束出射面出射的部分第一偏振光束将不进入光束转换部，使得背光源的光线利用率降低。此外，由于光束转换部为等腰直角棱镜，第一偏振入射面的尺寸Ld等于偏振出射面的尺寸Le)，进而使得第三偏振光束自其出射的偏振出射面和第二偏振光束自其出射的第二分束出射面具有相同尺寸，这有利于在背光模组的出射面(即偏振出射面和第二分束出射面)提供均匀分布的出射光。此外，偏振出射面与第二分束出射面齐平，这有利于形成平整的背光模组的出射面。
在一示例性实施例中，所述光束转换器包括第一偏振入射面、第二偏振入射面、第一偏振反射面、第二偏振反射面和偏振出射面；所述第一偏振光束经由所述第一偏振入射面入射所述光束转换部，依次在所述第一偏振反射面和第二偏振反射面发生全反射以形成所述第四偏振光束；所述第二偏振光束经由所述第二偏振入射面入射所述光束转换部，并且在所述第二偏振反射面发生全反射以形成所述第五偏振光束；以及所述第四偏振光束和第五偏振光束经由所述偏振出射面出射。
在此实施例的背光模组中，光束转换部的偏振出射面构成背光模组的出光面。
在一示例性实施例中，所述分束器的所述第一分束出射面与所述光束转换部的所述第一偏振入射面贴合设置；以及所述分束器的所述第二分束出射面与所述光束转换部的所述第二偏振入射面贴合设置。
在此实施例的背光模组中，第四偏振光束和第五偏振光束在背光模组的出光面均匀分布。
在一示例性实施例中，所述第一偏振入射面和所述第一偏振反射面之间的夹角为45度；所述第一偏振反射面和所述第二偏振反射面之间的夹角为90度；以及所述第二偏振入射面和所述第二偏振反射面之间的夹角为45度。
在此实施例的背光模组中，第一偏振入射面和第一偏振反射面之间的夹角α=45度，第一偏振反射面和第二偏振反射面之间的夹角β=90度，第二偏振入射面和第二偏振反射面之间的夹角γ=45度。第一偏振光束在第一偏振反射面反射之后传播方向旋转90度，并且在第二偏振反射面反射之后传播方向再次旋转90度，形成第四偏振光束。第二偏振光束在第二偏振反射面反射之后传播方向旋转90度，形成第五偏振光束。相互垂直的第一偏振光束和第二偏振光束入射该光束转换部之后，得到的第四偏振光束和第五偏振光束具有相同的传播方向。
在一示例性实施例中，所述第一偏振光束在所述第一偏振反射面和第二偏振反射面上全反射；以及所述第二偏振光束在所述第二偏振反射面上全反射。在此实施例的背光模组中，通过全反射改变偏振光束的偏振方向。第一偏振光束在第一偏振反射面和第二偏振反射面经历全反射，每次全反射时偏振方向旋转90度。第二偏振光束在第二偏振反射面经历全反射，偏振方向旋转90度。偏振方向相差90度的第一偏振光束和第二偏振光束经过该光束转换部之后具有相同的偏振方向。
在一示例性实施例中，所述背光源的出射面的尺寸等于所述分束器的所述分束入射面的尺寸。在此实施例的背光模组中，背光源的出射面的尺寸La等于分束入射面的尺寸Lb。第四偏振光束和第五偏振光束在背光模组的出光面均匀分布，并且背光源的光线利用率提高。如果La>Lb，背光源的部分光线将不被导入分束器，使得背光源的光线利用率降低。如果La<Lb，偏振出射面的部分区域将不输出第四偏振光束和第五偏振光束，并且第四偏振光束和第五偏振光束之间存在间隙。即，背光模组的出光面的部分区域没有偏振光束输出。
在一示例性实施例中，所述第一分束出射面的尺寸等于所述第一偏振入射面的尺寸；以及所述第二分束出射面的尺寸等于所述第二偏振入射面的尺寸。在此实施例的背光模组中，第一分束出射面的尺寸Lc等于第一偏振入射面的尺寸Ld，并且第二分束出射面的尺寸Lb等于第二偏振入射面的尺寸Lf。第四偏振光束和第五偏振光束在背光模组的出光面均匀分布，并且背光源的光线利用率提高。一方面，如果Ld>Lc或者Lf>Lb，偏振出射面的部分区域将不输出第四偏振光束和第五偏振光束，并且第四偏振光束和第五偏振光束之间存在间隙。另一方面，如果Ld<Lc，第一偏振入射面不能完全覆盖第一分束出射面，则经由第一分束出射面出射的部分第一偏振光束将不进入光束转换部。类似地，如果Lf<Lb，第二偏振入射面不能完全覆盖第二分束出射面，则经由第二分束出射面出射的部分第二偏振光束将不进入光束转换部。这使得背光源的光线未得到充分利用。
在一示例性实施例中，所述偏振出射面的尺寸为所述第二偏振入射面的尺寸的两倍。在此实施例的背光模组中，偏振出射面的尺寸Le为第二偏振入射面的尺寸Lf的两倍，即Le=2Lf。第四偏振光束和第五偏振光束各占偏振出射面的一半区域，这有利于在背光模组的出射面(偏振出射面)提供均匀分布的出射光。
在一示例性实施例中，所述背光源包括发光二极管或者冷阴极荧光灯。在此实施例的背光模组中，这些光源提供的光接近自然光，即完全非偏振光，使得经过偏振分束器后得到强度相同的第一偏振光束和第二偏振光束，进而使得在背光模组的出射面获得强度均匀分布的出射光。
在一示例性实施例中，所述光束转换部由透明材料形成并且折射率为1.414。
在此实施例的背光模组中，所述光束转换部的折射率为1.414，使得偏振光束在所述光束转换部的第一偏振反射面和第二偏振反射面上经历全反射时偏振方向旋转90度，即从S线偏振光转换为P线偏振光，或者从P线偏振光转换为S线偏振光。
本发明一实施例提供了一种液晶显示装置，包括液晶显示面板以及上文所述的背光模组。
本发明此实施例的液晶显示装置具有与上文所述的背光模组的各实施例相同或相似的益处，此处不再赘述。
本发明的实施例公开了一种背光模组和液晶显示装置。该背光模组包括背光源、分束器和光束转换部。分束器将背光源提供的光转换为第一和第二偏振光束。第一和第二偏振光束为偏振方向相互垂直的线偏振光。光束转换部通过全反射将第一偏振光束转换为第三偏振光束，其中第二和第三偏振光束为偏振方向相同的线偏振光。或者光束转换部通过全反射将第一和第二偏振光束分别转换为第四和第五偏振光束，其中第四和第五偏振光束为偏振方向相同的线偏振光。藉此，来自背光源的光高效地用于照射液晶显示面板，并且显著提升液晶显示面板的亮度。
应理解，以上的一般描述和下文的细节描述仅是示例性和解释性的，并非旨在以任何方式限制本发明。注意，本发明实施例涉及权利要求书中列举的特征的所有可能组合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1为一种液晶显示装置的示意图；
图2为本发明一实施例提供的液晶显示装置的结构示意图；
图3A为本发明一实施例提供的背光模组中自然光转换成线偏振光的光路图；
图3B为本发明一实施例提供的背光模组中的反射光路图；
图3C为本发明一实施例提供的背光模组中的透射光路图；
图4为本发明一实施例提供的背光模组的结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的液晶显示装置的结构示意图；
图6A为本发明一实施例提供的背光模组中自然光转换成线偏振光的光路图；
图6B为本发明一实施例提供的背光模组中的反射光路图；
图6C为本发明一实施例提供的背光模组中的透射光路图；以及
图7为本发明一实施例提供的背光模组的结构示意图。
通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域普通技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步地详细描述。
附图中示出的部件或元素标注如下：
1、2、5 液晶显示装置；
10、100 液晶显示面板；
11 下偏光片；
12、120 阵列基板；
13、130 液晶层；
14、140 彩膜基板；
15、150 上偏光片；
20、200、500 背光模组；
210 背光源；
220 扩散部；
230 棱镜部；
240 偏振分束器；
241 分束入射面；
242 第一分束出射面；
243 第二分束出射面；
244 分束反射面；
250、550 光束转换部；
251、551 第一偏振入射面；
552 第二偏振入射面；
253、553 第一偏振反射面；
554 第二偏振反射面；
255、555 偏振出射面；
La 背光源的出射面的尺寸；
Lb 分束器的分束入射面、第二分束出射面的尺寸；
Lc 分束器的第一分束出射面的尺寸；
Ld 光束转换部的第一偏振入射面的尺寸；
Le 光束转换部的偏振出射面的尺寸；
Lf 光束转换部的第二偏振入射面的尺寸；
φ 第一分束出射面和分束反射面之间的夹角；
α 第一偏振入射面和第一偏振反射面之间的夹角；
β 第一偏振反射面和第二偏振反射面之间的夹角；
γ 第二偏振入射面和第二偏振反射面之间的夹角；以及
P、P'、P"、P"'、P1、P1'、P1"、P1"'、P2、P2'、P2"、P2"'、P3、P3'、P3"、P3"'、P4、P4'、P4"、P4"'、P5、P5'、P5"、P5"' 光线。
下面结合附图具体说明本发明实施例提供的背光模组和液晶显示装置的具体实施方式。
参考图2、3A、3B、3C、4，描述根据本发明实施例的液晶显示装置和背光模组。图2示意性示出根据本发明一实施例的液晶显示装置。图3A示意性示出根据本发明一实施例的背光模组中自然光转换成线偏振光的光路图。图3B和图3C分别示意性示出根据本发明一实施例的背光模组中的反射光路图和透射光路图。图4示意性示出根据本发明一实施例的背光模组。
如图2所示，液晶显示装置2包括液晶显示面板100以及为液晶显示面板100提供背光的背光模组200。背光模组200包括背光源210、分束器240和光束转换部250。分束器240和光束转换部250设置背光源210和液晶显示面板100之间，用于将背光源210的光引导至液晶显示面板100。
如图3A所示，背光模组200包括背光源210；分束器240，其配置成将背光源210提供的光P转换为第一偏振光束P1和第二偏振光束P2，第一偏振光束和所述第二偏振光束为偏振方向相互垂直的线偏振光；以及光束转换部250，其配置成通过全反射将第一偏振光束P1转换为第三偏振光束P3，其中第二偏振光束P2和第三偏振光束P3为偏振方向相同的线偏振光。第二偏振光束P2从偏振分束器240的出光侧出射，并且第三偏振光束P3从光束转换部250的出光侧出射。藉此，来自背光源210的第一偏振光束P1和第二偏振光束P2都被高效地用于照射液晶显示面板100，背光源210的光线利用率提高，并且液晶显示面板100的亮度显著提升。
第一偏振光束P1在光束转换部250中被全反射形成第三偏振光束P3时传播方向也发生变化。因此通过适当地配置光束转换部250，第三偏振光束P3具有与第二偏振光束P2相同的传播方向。也就是说，在适当情况下，在光束转换部250内通过全反射使第一偏振光束P1的偏振方向和传播方向同时改变，转换为偏振方向和传播方向与第二偏振光束P2相同的第三偏振光束P3。第二偏振光束P2和第三偏振光束P3从背光模组200的出光侧出射。根据此实施例，通过光束转换部250对偏振光束的全反射同时改变偏振光束的偏振方向和传播方向。
下文描述根据本发明实施例的液晶显示装置和背光模组的细节。
如图2所示，液晶显示面板100主要包括阵列基板120、液晶层130、彩膜基板140和上偏光片150。如上文指出，从背光模组200的出光侧出射的第二偏振光束P2和第三偏振光束P3具有相同的偏振方向。因此原则上由背光模组200提供的背光可直接用于实现液晶显示面板100的显示功能，而不需要提供下偏光片。也就是说，与图1所示的液晶显示面板10不同，此实施例中的液晶显示面板100不包括下偏光片。应指出，液晶显示面板100也可以包括下偏光片，以消除该背光中由于在背光模组中传播至液晶显示面板之前偏振方向发生变化的成分。
如图2和图3A所示，在示例性实施例中，分束器240为偏振分束器(也称为偏振分光棱镜)，并且将背光源210提供的光转换为第一偏振光束P1和第二偏振光束P2。例如，分束器240包括分束入射面241、与分束入射面241相邻的第一分束出射面242、与分束入射面241相对的第二分束出射面243、以及分束反射面244。
具体而言，如图3A所示，来自背光源210的光P经由分束入射面241入射分束器240，在分束反射面244发生全反射以形成第一偏振光束P1，并且在分束反射面244透射以形成第二偏振光束P2。第一偏振光束P1经由第一分束出射面242出射，并且第二偏振光束P2经由第二分束出射面243出射。作为示例，第一偏振光束P1是偏振方向与入射面垂直的线偏振光，即S线偏振光，并且第二偏振光束P2是偏振方向与入射面平行的线偏振光，即P线偏振光。此处以偏振分束器作为分束器的示例。然而本发明实施例不限于此。在其它实施例中，分束器240为将诸如自然光的入射光转换为传播方向不同的S线偏振光和P线偏振光的任何光学部件或者光学部件的组合。
通常，偏振分束器240的截面为正方形，即第一分束出射面242和分束反射面244之间的夹角φ为45度，如图4所示。例如，来自背光源210的光P垂直分束入射面241入射偏振分束器240。这种情况下，偏振分束器240提供强度相同但传播方向相互垂直的第一偏振光束P1和第二偏振光束P2。
在一示例性实施例中，背光源210为发光二极管或者冷阴极荧光灯。这些光源提供的光接近自然光，即完全非偏振光，使得经过偏振分束器240后得到强度相同的第一偏振光束P1和第二偏振光束P2，并且使得在背光模组200的出射面获得强度均匀分布的出射光。
在一示例性实施例中，背光模组还包括准直器，其设置在所述背光源和所述分束器之间。这样射向分束器的光均为准直光，能进一步提升背光模组的出光亮度和出光均匀性。
如图2和图3A所示，光束转换部250包括第一偏振入射面251、第一偏振反射面253和偏振出射面255，其中第一偏振入射面面向分束器的第一分束出射面，并且配置成接收经由所述第一分束出射面出射的所述第一偏振光束。第一偏振光束P1经由第一偏振入射面251入射光束转换部250，在第一偏振反射面253发生全反射以形成第三偏振光束P3。偏振出射面255平行于第二分束出射面243，并且第三偏振光束P3经由偏振出射面255出射。
结合图3B和图3C更详细描述背光模组200中的光传播。在图3A中，以分叉箭头表示自然光，例如P，以实心箭头表示S线偏振光，例如P1，并且以空心箭头表示P线偏振光，例如P2和P3。在图3B-3C和其它附图中使用类似的箭头。应指出，图3B和图3C中使用3条光线P'、P"、P"'代替图3A中背光源210发出的光P，这仅仅是示意性的，旨在清楚地阐述各路光线在背光模组200中的传播路径。还应指出，仅仅是为了清楚起见而在图3B和图3C中分别示出背光源210的光在分束反射面244经历反射和透射后的传播路径。
如图3B所示，从背光源210发出的自然光P'、P"、P"'经由分束入射面241入射偏振分束器240，在分束反射面244上反射，分别形成第一偏振光束P1'、P1"、P1"'(S线偏振光)，并且经由第一分束出射面242离开偏振分束器240。接着，第一偏振光束P1'、P1"、P1"'经由第一偏振入射面251入射光束转换部250，在第一偏振反射面253反射，分别形成第三偏振光束P3'、P3"、P3"'(P线偏振光)，并且经由偏振出射面255离开光束转换部250。
如图3C所示，从背光源210发出的自然光P'、P"、P"'经由分束入射面241入射偏振分束器240，在分束反射面244上透射，分别形成第二偏振光束P2'、P2"、P2"'(P线偏振光)，并且经由第二分束出射面243离开偏振分束器240。
如图3B和图3C所示，第二偏振光束P2'、P2"、P2"'经由第二分束出射面243离开背光模组200，并且第三偏振光束P3'、P3"、P3"'经由偏振出射面255离开背光模组200。这种情况下，偏振分束器240的第二分束出射面243和光束转换部250的偏振出射面255共同构成背光模组200的出光面。如图3B和3C所示，经由第二分束出射面243出射的第二偏振光束P2'、P2"、P2"'以及经由偏振出射面255出射的第三偏振光束P3'、P3"、P3"'都是P线偏振光，即具有相同的偏振方向。
例如，当第一分束出射面242与第一偏振入射面251之间存在间隙时，图3B所示的第三偏振光束P3'与图3C所示的第二偏振光束P2"'之间将存在间隙，使得从第二分束出射面243出射的第二偏振光束P2与从偏振出射面255出射的第三偏振光束P3之间存在间隙，在该间隙处没有偏振光束出射。因而，如3B和图3C所示，分束器240的第一分束出射面242与光束转换部250的第一偏振入射面251贴合设置，使得第二偏振光束P2和第三偏振光束P3在背光模组200的出光面均匀分布，从而有利于在背光模组200的出光面提供均匀分布的单一线偏振光。
如图2、图3A-3C和图4所示，光束转换部250为等腰直角棱镜。该等腰直角棱镜包括两个相互垂直的第一侧面和第二侧面，并且包括第三侧面。第一侧面和第二侧面分别形成第一偏振入射面251和偏振出射面255，并且第三侧面形成第一偏振反射面253。第一偏振入射面251和第一偏振反射面253之间的夹角为45度。在此实施例中，第一偏振光束P1'、P1"、P1"'经过光束转换部250之后，传播方向旋转90度，得到的第三偏振光束P3'、P3"、P3"'的传播方向与第二偏振光束P2'、P2"、P2"'的传播方向相同。因此，第二偏振光束P2'、P2"、P2"'和第三偏振光束P3'、P3"、P3"'可直接作为液晶显示面板100的背光，而不需要在背光模组200和液晶显示面板100之间设置导光板。
例如，光束转换部250由折射率为1.414的透明材料形成。当光束转换部250，即等腰直角棱镜的折射率为1.414时，第一偏振光束P1'、P1"、P1"'(S线偏振光)在第一偏振反射面253上经历全反射，并且产生π的相位差而形成P线偏振光，即第三偏振光束P3'、P3"、P3"'，如图3B所示。借此，利用具有特定折射率的等腰直角棱镜，实现了第一偏振光束P1的传播方向和偏振方向同时旋转90度。
结合图4讨论背光源的出射面的尺寸和分束器的分束入射面的尺寸的设置。此处的尺寸是指各个部件在图示的剖面图中的尺寸，例如长度或宽度。如所示，背光源210的出射面的尺寸La等于分束器240的分束入射面241的尺寸Lb。
对于La>Lb，背光源210的部分光线将不被导入分束器240，使得背光源210的光线利用率降低。通过使La=Lb，背光源210的光线利用率提高。
对于La<Lb，在自然光P'与分束入射面241的左端存在间隙Lb-La的第一种情况下，第三偏振光束P3'与偏振出射面255的左端(即第一偏振入射面251)之间将存在间隙Lb-La，使得偏振出射面255在该间隙处没有输出第三偏振光束P3'(即第三偏振光束P3'与第二偏振光束P2"'之间存在间隙Lb-La)。在自然光P"'与分束入射面241的右端(即第一分束出射面242)存在间隙Lb-La的第二种情况下，第三偏振光束P3"'与偏振出射面255的右端之间将存在间隙Lb-La，使得偏振出射面255在该间隙处没有输出第三偏振光束P3"'。这两种情况都导致背光模组200的出光面的不均匀光分布。通过使La=Lb，背光模组200的出光面具有均匀光分布。
结合图4讨论偏振分束器240的第一分束出射面242的尺寸Lc和光束转换部250的第一偏振入射面251的尺寸Ld的设置。如图4所示，第一分束出射面242的尺寸Lc等于第一偏振入射面251的尺寸Ld。
与上述讨论相似，当Ld<Lc时，第一偏振入射面251不能完全覆盖第一分束出射面242，则经由第一分束出射面242出射的部分第一偏振光束P1将不进入光束转换部250，使得背光源的光线利用率降低。另外，当Ld>Lc时，偏振出射面255在左端没有输出第三偏振光束P3'，或者在右端没有输出第三偏振光束P3"'，导致背光模组200的出光面的不均匀光分布。因此通过使Lc=Ld，背光源210的光线利用率提高，并且背光模组200的出光面具有均匀光分布。
当光束转换部250为等腰直角棱镜时，第一偏振入射面251的尺寸Ld等于偏振出射面255的尺寸Le。这种情况下，第三偏振光束P3自其出射的偏振出射面255和第二偏振光束P2自其出射的第二分束出射面243具有相同尺寸，这有利于在背光模组200的出射面(即偏振出射面255和第二分束出射面243)提供均匀分布的出射光。此外，偏振出射面255与第二分束出射面243齐平，这有利于形成平整的背光模组200的出射面。
在示例性实施例中，背光模组200还包括其它光束调整部件。例如，背光模组200包括扩散部220，其布置在背光源210的光路上，扩散由背光源210发出的光以提高光线均匀性。例如，背光模组200包括棱镜部230，其布置在扩散部220和分束器240之间，汇集由扩散部220扩散的光以提高输出光的强度。
参考图5、6A、6B、6C、7，描述根据本发明实施例的液晶显示装置和背光模组。图5示意性示出根据本发明一实施例的液晶显示装置。图6A示意性示出根据本发明一实施例的背光模组中自然光转换成线偏振光的光路图。图6B和图6C分别示意性示出根据本发明一实施例的背光模组中的反射光路图和透射光路图。图7示意性示出根据本发明一实施例的背光模组。
为了简化起见，在结合图5、6A、6B、6C、7对液晶显示装置和背光模组进行描述时，仅仅描述与图2、3A、3B、3C、4所示的液晶显示装置和背光模组不同之处。
如图5所示，液晶显示装置5包括液晶显示面板100和背光模组500。背光模组500包括背光源210、分束器240和光束转换部550。
如图6A所示，背光模组500包括背光源210；分束器240，其配置成将背光源210提供的光P转换为第一偏振光束P1和第二偏振光束P2；以及光束转换部550，其配置成通过全反射将第一偏振光束P1和第二偏振光束P2分别转换为第四偏振光束P4和第五偏振光束P5，其中第四偏振光束P4和第五偏振光束P5为偏振方向相同的线偏振光。第四偏振光束P4和第五偏振光束P5从光束转换部550的出光侧出射。藉此，来自背光源210的第一偏振光束P1和第二偏振光束P2都被高效地用于照射液晶显示面板100，背光源210的光线利用率提高，并且液晶显示面板100的亮度显著提升。与图3A的示例类似，例如，第一偏振光束P1是偏振方向与入射面垂直的线偏振光，即S线偏振光，并且第二偏振光束P2是偏振方向与入射面平行的线偏振光，即P线偏振光。
第一偏振光束P1和第二偏振光束P2在光束转换部550中被全反射形成第四偏振光束P4和第五偏振光束P5时传播方向也发生变化。因此通过适当地配置光束转换部550，第四偏振光束P4具有与第五偏振光束P5相同的传播方向。也就是说，在适当情况下，在光束转换部550内通过全反射使第一偏振光束P1和第二偏振光束P2的偏振方向和传播方向同时改变，转换为偏振方向和传播方向相同的第四偏振光束P4和第五偏振光束P5。第四偏振光束P4和第五偏振光束P5从背光模组500的出光侧出射。根据此实施例，通过光束转换部550对偏振光束的全反射同时改变偏振光束的偏振方向和传播方向。
与图3A、3B和3C相似，图6A、6B和6C的分叉箭头表示自然光，实心箭头表示S线偏振光，并且空心箭头表示P线偏振光。如图5和图6A所示，光束转换部550包括第一偏振入射面551、第二偏振入射面552、第一偏振反射面553、第二偏振反射面554和偏振出射面555。第一偏振光束P1经由第一偏振入射面551入射光束转换部550，依次在第一偏振反射面553和第二偏振反射面554发生全反射以形成第四偏振光束P4。第二偏振光束P2经由第二偏振入射面552入射光束转换部550，并且在第二偏振反射面554发生全反射以形成第五偏振光束P5。在此实施例中，第四偏振光束P4和第五偏振光束P5经由光束转换部550的偏振出射面555出射，即偏振出射面555构成背光模组500的出光面。
结合图6B和图6C更详细描述背光模组500中的光传播。类似地，仅仅是为了清楚起见而在图6B和图6C中分别示出背光源210的光在分束反射面244经历反射和透射后的传播路径。
如图6B所示，从背光源210发出的自然光P'、P"、P"'经由分束入射面241入射偏振分束器240，在分束反射面244上反射，分别形成第一偏振光束P1'、P1"、P1"'，此处为S线偏振光，并且经由第一分束出射面242离开偏振分束器240。接着，第一偏振光束P1'、P1"、P1"'经由第一偏振入射面551入射光束转换部550，依次在第一偏振反射面553和第二偏振反射面554反射，分别形成第四偏振光束P4'、P4"、P4"'，此处为S线偏振光，并且经由偏振出射面555离开光束转换部550。
如图6C所示，从背光源210发出的自然光P'、P"、P"'经由分束入射面241入射偏振分束器240，在分束反射面244上透射，分别形成第二偏振光束P2'、P2"、P2"'(P线偏振光)，在第二偏振反射面554反射，分别形成第五偏振光束P5'、P5"、P5"'(S线偏振光)，并且经由偏振出射面555离开光束转换部550。
如图6B和图6C所示，第四偏振光束P4'、P4"、P4"'和第五偏振光束P5'、P5"、P5"'都是经由偏振出射面555离开背光模组500。这种情况下，光束转换部550的偏振出射面555构成背光模组500的出光面。如所示，经由偏振出射面555出射的第四偏振光束P4'、P4"、P4"'和第五偏振光束P5'、P5"、P5"'都是P线偏振光，即具有相同的偏振方向。
例如，当第一分束出射面242与第一偏振入射面551之间存在间隙时，图6B所示的第四偏振光束P4'与图6C所示的第五偏振光束P5"'之间将存在间隙，使得从偏振出射面555出射的第四偏振光束P4'和第五偏振光束P5"'之间存在间隙，在该间隙处没有偏振光束出射。例如，当第二分束出射面243与第二偏振入射面552之间存在间隙时，在该间隙处没有偏振光束出射。因而，如6B和图6C所示，分束器240的第一分束出射面242与光束转换部550的第一偏振入射面551贴合设置，并且分束器240的第二分束出射面243与光束转换部550的第二偏振入射面552贴合设置，使得第四偏振光束P4和第五偏振光束P5在背光模组500的出光面，即光束转换部550的偏振出射面555均匀分布，从而有利于在背光模组500的出光面提供均匀分布的单一线偏振光。
如图7所示，在一实施例中，第一偏振入射面551和第一偏振反射面553之间的夹角α为45度，第一偏振反射面553和第二偏振反射面554之间的夹角β为90度，第二偏振入射面552和第二偏振反射面554之间的夹角γ为45度。如图6B所示，第一偏振光束P1在第一偏振反射面553反射之后传播方向旋转90度，并且在第二偏振反射面554反射之后传播方向再次旋转90度，形成第四偏振光束P4。如图6C所示，第二偏振光束P2在第二偏振反射面554反射之后传播方向旋转90度，形成第五偏振光束P5。藉此，相互垂直的第一偏振光束P1和第二偏振光束P2入射该光束转换部550之后，得到的第四偏振光束P4和第五偏振光束P5具有相同的传播方向。因此，第四偏振光束P4'、P4"、P4"'和第五偏振光束P5'、P5"、P5"'可直接作为液晶显示面板100的背光，而不需要在背光模组500和液晶显示面板100之间设置导光板。
例如，光束转换部550由折射率为1.414的透明材料形成。当光束转换部550的折射率为1.414时，第一偏振光束P1'、P1"、P1"'(S线偏振光)在第一偏振反射面553上经历全反射，即在光束转换部550内发生全内反射，产生π的相位差而形成P线偏振光，随后在第二偏振反射面554上再次经历全反射，产生π的相位差而形成第四偏振光束P4'、P4"、P4"'(S线偏振光)，如图6B所示。此外，经由第二偏振入射面552入射的第二偏振光束P2'、P2"、P2"'(P线偏振光)在第二偏振反射面554上经历全反射，产生π的相位差而形成第五偏振光束P5'、P5"、P5"'(S线偏振光)，如图6C所示。
在此实施例中，第一偏振光束P1在第一偏振反射面553和第二偏振反射面554经历全反射，每次全反射时偏振方向旋转90度。第二偏振光束P2在第二偏振反射面554经历全反射，偏振方向旋转90度。结果，偏振方向相差90度的第一偏振光束P1和第二偏振光束P2经过该光束转换部550之后成为具有相同偏振方向的第四偏振光束P4和第五偏振光束P5，此处均为S线偏振光。
如图7所示，背光源210的出射面的尺寸La等于分束器240的分束入射面241的尺寸Lb。
对于La>Lb，背光源210的部分光线将不被导入分束器240，使得背光源210的光线利用率降低。通过使La=Lb，背光源210的光线利用率提高。对于La<Lb，图6B所示的第四偏振光束P4"'和P4'将朝P4"偏移，并且图6C所示的第五偏振光束P5"'和P5'将朝P5"偏移。即，偏振出射面555在两端以及中间区域不输出偏振光束，导致背光模组500的出光面的不均匀光分布。通过使La=Lb，背光模组500的出光面具有均匀光分布。
如图7所示，在一示例性实施例中，第一分束出射面242的尺寸Lc等于第一偏振入射面551尺寸Ld，并且第二分束出射面243的尺寸Lb等于第二偏振入射面552的尺寸Lf，即Lc=Ld且Lb=Lf。
当Ld<Lc时，第一偏振入射面551不能完全覆盖第一分束出射面242，则经由第一分束出射面242出射的部分第一偏振光束P1将不进入光束转换部550。类似地，当Lf<Lb时，第二偏振入射面552不能完全覆盖第二分束出射面243，则经由第二分束出射面243出射的部分第二偏振光束P2将不进入光束转换部550。这使得背光源的光线未得到充分利用。
当Ld>Lc或者Lf>Lb时，偏振出射面555在两端以及中间区域不输出偏振光束，导致背光模组500的出光面的不均匀光分布。
因此，通过使Lc=Ld且Lb=Lf，背光源210的光线利用率提高，并且背光模组500的出光面具有均匀光分布。
如图7所示，在一示例性实施例中，偏振出射面555的尺寸Le为第二偏振入射面552的尺寸Lf的两倍，即Le=2Lf。换句话说，由于α=γ=45度且Lc=Ld=Lb=Lf，因此Le=2Ld=Ld+Lf，即偏振出射面555的尺寸等于第一偏振入射面551的尺寸Ld和第二偏振入射面552的尺寸Lf之和。参考图6B和图6C，第四偏振光束P4和第五偏振光束P5各占偏振出射面555的一半区域，这有利于在背光模组500的出射面(偏振出射面555)提供均匀分布的出射光。
在一示例性实施例中，光束转换部550为单个的光学元件。在其它实施例中，光束转换部550由两个等腰直角棱镜组合而成。
在图2、5示出了根据本发明实施例的液晶显示装置2、5，其包括液晶显示面板100以及上述实施例中描述的背光模组200、500。本发明实施例提供的液晶显示装置2、5可应用于各种显示装置，例如手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪、电子纸等任何具有显示功能的产品或部件。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域普通技术人员所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。需要注意的是，在不冲突的前提下，上述实施例中的特征可以任意组合使用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域普通技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种背光模组，其特征在于，包括：
背光源；
分束器，其配置成将所述背光源提供的光转换为第一偏振光束和第二偏振光束，其中所述第一偏振光束和所述第二偏振光束为偏振方向相互垂直的线偏振光；以及
光束转换部，其配置成通过全反射将所述第一偏振光束转换为第三偏振光束，其中所述第二偏振光束和第三偏振光束为偏振方向相同的线偏振光；或者通过全反射将所述第一偏振光束和第二偏振光束分别转换为第四偏振光束和第五偏振光束，其中所述第四偏振光束和第五偏振光束为偏振方向相同的线偏振光。
2.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，
所述分束器为偏振分束器，并且包括分束入射面、与所述分束入射面相邻的第一分束出射面、与所述分束入射面相对的第二分束出射面和分束反射面；
来自所述背光源的光经由所述分束入射面入射所述分束器，在所述分束反射面发生全反射以形成所述第一偏振光束，并且在所述分束反射面透射以形成所述第二偏振光束；以及
所述第一偏振光束经由所述第一分束出射面出射，并且所述第二偏振光束经由所述第二分束出射面出射。
3.根据权利要求2所述的背光模组，其特征在于，
所述第一偏振光束从所述分束器的出射方向垂直于所述第二偏振光束从所述分束器的出射方向。
4.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，还包括准直器，其设置在所述背光源和所述分束器之间。
5.根据权利要求2所述的背光模组，其特征在于，
所述光束转换部包括第一偏振入射面、第一偏振反射面和偏振出射面，其中所述第一偏振入射面面向所述第一分束出射面，并且配置成接收经由所述第一分束出射面出射的所述第一偏振光束；
所述第一偏振光束经由所述第一偏振入射面入射所述光束转换部，在所述第一偏振反射面发生全反射以形成所述第三偏振光束；以及
所述偏振出射面平行于所述第二分束出射面，并且所述第三偏振光束经由所述偏振出射面出射。
6.根据权利要求5所述的背光模组，其特征在于，
所述分束器的所述第一分束出射面与所述光束转换部的所述第一偏振入射面贴合设置。
7. 根据权利要求6所述的背光模组，其特征在于，
所述光束转换部为等腰直角棱镜；以及
所述等腰直角棱镜的两个相互垂直的第一侧面和第二侧面分别形成所述第一偏振入射面和所述偏振出射面，并且第三侧面形成所述第一偏振反射面。
8.根据权利要求2所述的背光模组，其特征在于，
所述光束转换器包括第一偏振入射面、第二偏振入射面、第一偏振反射面、第二偏振反射面和偏振出射面；
所述第一偏振光束经由所述第一偏振入射面入射所述光束转换部，依次在所述第一偏振反射面和第二偏振反射面发生全反射以形成所述第四偏振光束；
所述第二偏振光束经由所述第二偏振入射面入射所述光束转换部，并且在所述第二偏振反射面发生全反射以形成所述第五偏振光束；以及
所述第四偏振光束和第五偏振光束经由所述偏振出射面出射。
9. 根据权利要求8所述的背光模组，其特征在于，
所述分束器的所述第一分束出射面与所述光束转换部的所述第一偏振入射面贴合设置；以及
所述分束器的所述第二分束出射面与所述光束转换部的所述第二偏振入射面贴合设置。
10.根据权利要求9所述的背光模组，其特征在于，
所述第一偏振入射面和所述第一偏振反射面之间的夹角为45度；
所述第一偏振反射面和所述第二偏振反射面之间的夹角为90度；以及
所述第二偏振入射面和所述第二偏振反射面之间的夹角为45度。
11.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，所述光束转换部由透明材料形成并且折射率为1.414。
12.一种液晶显示装置，其特征在于，包括液晶显示面板以及根据权利要求1-11中任意一项所述的背光模组。
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