CN106504650B - 一种光源结构及显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光源结构及显示装置，涉及显示领域。其中，光源结构包括：至少一个的发光单元，每一发光单元均能够独立出光；与所述至少一个的发光单元一一对应的微单元，每一微单元用于将其对应的发光单元的光线准直出射。本发明通过设置微单元使发光单元的光线最终准直出射，从而提高了光源的利用率。在应用于显示装置中，显示屏更多的光线可以向用户观看位置出射，从而在不增加能耗的前提下，提高了画面显示亮度，在实际使用过程中可延长显示装置的续航时间。
Description
技术领域
本发明涉及显示领域，特别是指一种光源结构及显示装置。
背景技术
近年来，随着各类显示器件的快速发展，其出光能量的利用率得到了人们更多的关注。现阶段的显示器无论是液晶显示器还是有机发光二极管显示器，由于其在空间广泛的发光视角原因，使得被人眼接收光能只有很少的一部分，大大的减少了光能的利用率。
如何控制显示器件的出光方向，使其能精准且高效的被人眼接收，提高光能利用率、降低能耗，将是未来研究的重要方向。但是若想实现上述的出光方向可控，需要一个前提，就是输入光束需要有较高的准直度，因此如何获取准直背光装置，将变得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提高显示装置的光源利用率，从而在不增加能耗的前提下，提高显示亮度。
为实现上述目的，一方面，本发明的实施例提供一种光源结构，包括：
至少一个的发光单元，每一发光单元均能够独立出光；
与所述至少一个的发光单元一一对应的微单元，每一微单元用于将其对应的发光单元的光线准直出射。
进一步地，所述光源结构还包括：
设置在所述发光单元与所述微单元之间的功能图层，包括由透光图形和遮光图形共同形成的第一功能图层；
所述透光图形的区域作为透光区与所述发光单元一一对应的透光区，每一发光单元均正对设置于其对应的透光区，并通过其对应的透光区出光。
进一步地，所述遮光图形的厚度等于所述第一功能图层的厚度。
进一步地，所述透光图形由透明胶材料形成，所述遮光图形由黑矩阵材料形成。
进一步地，所述功能图层包括：
作为微单元基底的第二功能图层，所述第二功能图层由透光材料形成。
进一步地，所述微单元为凸透镜，所述第二功能图层设置在所述微单元与所述第一功能图层之间，且所述第一功能层和所述第二功能图层的厚度等于凸透镜的物方焦距。
进一步地，每一凸透镜的口径为20至70μm。
进一步地，所述微单元为相位型菲涅耳透镜，所述第二功能图层设置在所述相位型菲涅耳透镜与所述第一功能图层之间。
进一步地，所述微单元包括：
凸透镜和相位型菲涅耳透镜；
所述凸透镜设置在第一功能图层的出光侧以及所述第二功能图层的入光侧，所述相位型菲涅耳透镜设置在所述第二功能图层的出光侧，所述第一功能图层的厚度等于所述凸透镜和相位型菲涅耳透镜组合的物方焦距。
另一方面，本发明还提供一种显示装置，包括显示面板和光源，所述光源采用上述光源结构。
本发明的上述方案具有如下有益效果：
本发明通过设置微单元使发光单元的光线最终准直出射，从而提高了光源的利用率。在应用于显示装置中，显示屏更多的光线可以向用户观看位置出射，从而在不增加能耗的前提下，提高了画面显示亮度，在实际使用过程中可延长显示装置的续航时间。
附图说明
图1-图3为本发明的光源结构的示意图；
图4为本发明的光源结构的微单元为凸透镜的结构图；
图5和图6为凸透镜对光线准直出射的示意图；
图7为本发明的光源结构的微单元为相位型菲涅耳透镜的结构图；
图8-图10是分别为不同的相位型菲涅耳透镜的结构图；
图11为本发明的光源结构的微单元为相位型菲涅耳透镜以及透镜的结构图；
图12为采用图11所示的结构，光线准直出射的示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有显示装置应光源无法准直出射而造成光源利用率较低的问题，提供一种解决方案。
一方面，本发明提供一种光源结构，如图1所示，包括：
至少一个的发光单元1，每一发光单元1均能够独立出光；
与所述至少一个的发光单元1一一对应的微单元2，每一微单元2用于将其对应的发光单元1的光线准直出射(即图1中微单元出光侧箭头方向所示)。
本实施例通过设置微单元使发光单元的光线最终准直出射，从而提高了光源的利用率。在应用于显示装置中，显示屏更多的光线可以向用户观看位置出射，从而在不增加能耗的前提下，提高了画面显示亮度，在实际使用过程中可延长显示装置的续航时间。
具体地，如图2所示，本实施例的光源结构还包括：
设置在发光单元1与微单元2之间的功能图层，包括由透光图形311和遮光图形312共同形成的第一功能图层31；
其中，透光图形311的区域作为透光区与发光单元1一一对应，每一发光单元1均正对设置于其对应的透光区，并通过其对应的透光区出光。
显然，基于图2所示结构，当遮光图形312的厚度等于第一功能图层31的厚度时，每个发光单元1之间的光源互不干扰，从而独立地准直出光，在应用于显示装置时，可实现亮度更加均匀的显示效果。
在具体实现过程中，本实施例的透光图形311可以由透明胶材料形成，而遮光图形312则由黑矩阵材料形成。
在显示装置的制作领域，透明胶和黑矩阵是常用图层，因此实施例的第二功能图层不仅在制作工艺上具有较高的成熟度，且制作成本也较低。
此外，如图3所示，本实施例还可以包括：
由透光材料形成的第二功能图层32，该第二功能图层32作为微单元2的基底，即微单元2靠第二功能图层32进行固定。
作为示例性介绍，如图4所示，本实施例的微单元2可以是凸透镜(图4中的椭圆形)，则第一功能层31和第二功能图层32的厚度等于凸透镜的物方焦距。基于该结构设计，参考图5所示的凸透镜折射原理，当发光单元设置在凸透镜的物方焦距F点时，其光线经过凸透镜后能够准直出射。
当然，在实际环境下，凸透镜的制作工艺不可能达到完美，其球差是不可校正的，而球差的存在会直接影响着出射准直光束的准直度。参考图6所示的球差存在时光线出射准直度的影响示意图。越靠近凸透镜的边缘位置，出射光线受到球差影响越严重，而使得准直度下降。
球差的大小与光束的孔径角U和球面的曲率(球面半径r的倒数)大小有关。在曲率不变的前提下：U越大，球差越大；在孔径角U不变的前提下，曲率越大，球差越大。
其中，物方焦距f与半径r和折射率的关系公式为：
公式(1)中，n1为透光图形的折射率、n2为凸透镜的折射率，n0为空气折射率。
对应地，孔径角U的关系公式为：
参看图6，公式(2)中，D为凸透镜的口径。
由式(1)、式(2)可知，在口径D一定的前提下，f增大，则半径r也随之增大，曲率和孔径角U则减小，因此产生的球差减小，但其光源的利用率会降低。
由于发光单元需要位于凸透镜的物方焦平面上，因此第一功能层31和第二功能图层32的总厚度需要与凸透镜的物方焦距f相近，通过利用光学软件zemax模拟，当第一功能层31和第二功能图层32的厚度总值为0.25mm时，其准直效果较佳。且模拟输出的其它参数为：n1＝1.47，n2＝1.5164，r＝89.57μm，f＝254.97μm。
当凸透镜的口径D＝60μm时，则有透镜拱高h＝5.174μm、准直光束半发散角α＝0.28°。假设以常见的OLED点阵光源作为本实施例的发光单元，一般情况下，发光单元的发散角为120°，其被准直部分的光能利用率为：11.18％。
对于多种透镜口径D，所对应的凸透镜参数和准直光束出射角、拱高和光源利用率的数据如下表所示：
| 孔径D(μm) | 半发散角α | 拱高h(μm) | 光源利用率 |
| 70 | 0.46° | 7.121 | 13.02％ |
| 60 | 0.28° | 5.174 | 11.18％ |
| 50 | 0.16° | 3.56 | 9.33％ |
| 40 | 0.08° | 2.26 | 7.47％ |
| 30 | 0° | 1.26 | 5.61％ |
| 20 | 0° | 0.56 | 3.74％ |
由上表中数据可知，随着口径D减小，准直度提高，光源利用率降低，发光单元之间的间隔小，密度大，能耗也增加；反之，口径D增大，准直度降低，光源利用率提高，发光单元之间的间隔大，密度小，则能耗减小。
再结合现有工艺，以制作的凸透镜拱高＝5μm为宜，虽然凸透镜的口径可以为20至70μm，但较佳地应选孔径D＝60μm的方案。
此外，作为其他可行方案，本实施例也可以如图7所示那样，微单元2为相位型菲涅耳透镜，第二功能图层32设置在相位型菲涅耳透镜与第一功能图层31之间。该相位型菲涅耳透镜为现有透镜，也能够将发光单元1的入射光线进行准直出射。
在相位型菲涅耳透镜中，相邻台阶间的光程差为λ/N(N为相位型菲涅耳透镜的台阶数量，N＝2、4、8……)，当平行光束入射到菲涅耳透镜上时，根据菲涅耳波带片的性质，使得同一波带中的相邻台阶到达焦点位置的光程差为0，不同波带的台阶到达焦点位置的光程差为mλ(m＝1，2，3……)，从而使得光束到达焦点位置的相位相同，光束间能量相干叠加得到有效加强。即准直光入射相位型菲涅耳透镜22，光束会聚到焦点位置。而反之，从相位型菲涅耳透镜焦点上发出的光线经相位型菲涅耳透镜后出射光束为准直光。本实施例基于上述原理，将发光单元设置相位型菲涅耳透镜后的焦点位置，即可实现准直出射。
在实际应用中，本实施例的相位型菲涅耳透镜可以采用目前比较常见的如图8所示的2台阶结构，或者如图9所示的4台阶结构，再或者如图10所示的8台阶结构。
具体地，根据二元相位衍射光栅的性质可知，相位型菲涅耳透镜的衍射效率公式为：
公式(3)中，N为相位菲涅耳透镜的台阶数目。基于公式(3)可以知道：
平行光入射到2台阶相位菲涅耳透镜，40.5％的能量会聚到焦点位置；
平行光入射到4台阶相位菲涅耳透镜，81％的能量会聚到焦点位置；
平行光入射到8台阶相位菲涅耳透镜，95％的能量会聚到焦点位置；
平行光入射到16台阶相位菲涅耳透镜，99％的能量会聚到焦点位置。
由此可见，利用相位型菲涅耳透镜进行光束准直时，台阶数量越多，其准直度越高。因此，在不考虑其他因素的前提下，本实施例所采用相位型菲涅耳透镜的台阶数应越多越好。
进一步地，作为优选方案，参考图11，本实施例的微单元2还可以包括：
凸透镜21和相位型菲涅耳透镜22；
其中，凸透镜21设置在第一功能图层31的出光侧以及第二功能图层32的入光侧，相位型菲涅耳透镜22设置在第二功能图层32的出光侧，第一功能图层31的厚度等于凸透镜与相位型菲涅耳透镜组合的物方焦距。
显然，在采用图11所示的结构后，其光线折射原理应如图12所示，即发光单元1的光线先经过凸透镜21进行一次折射之后出射光线的反向延长线会聚在菲涅耳透镜22的物方焦点F2上，从而使得凸透镜21的出射光线在经过菲涅耳透镜22后能够准直出射。
进一步地，从图12中可以看出，F1为凸透镜21的物方焦点，而F2为菲涅耳透镜22的物方焦点，F为凸透镜21和菲涅耳透镜22共同组合的物方焦点。当发光单元1设置在物方焦点F上时，可以使凸透镜21的出射光线的返现延长线汇聚到菲涅耳透镜22的物方焦点F2上。
因此，在实际应用中，本实施例可以将第一功能层的厚度设置成等于或趋近于凸透镜21和菲涅耳透镜22共同组合的物方焦距，从而使得发光单元1设位于物方焦点F上或趋近于位于物方焦点F上。
基于图11所示结构，进一步参考相位菲涅耳透镜的焦距公式：
公式(4)中，j为菲涅耳波带环的个数，ρj为最外层波带环的半径，λ为波长。
相位型菲涅耳透镜与凸透镜的主要差别是色散特性。由公式(4)可知，菲涅耳透镜焦距与光束波长成反比，即λ增大，f减小，也就是说菲涅耳透镜作为正透镜时，红光(波长长)比蓝光(波长短)偏折大，这正与凸透镜的色散特性相反。因此将相位型菲涅耳透镜与凸透镜进行结合时，可构成一组消色差透镜，用这样的消色差透镜作为本发明的微单元，可使得出射光束的准直度进一步的提高。
以上是本实施例的光源部件的介绍，需要指出的是，本实施例的微单元并不限制于凸透镜和/或相位型菲涅耳透镜者几种实现方式，但凡能够能使发光单元出射光线进行准直校准的技术方案都可应属于本发明的保护方案。
另一方面，本发明还提供一种显示装置，包括显示面板和光源，其中，该光源采用本发明上述实施例的光源结构。基于该光源结构，本实施例的显示装置在不增加能耗的前提下，提高了显示画面的亮度，从而在使用过程中，可以降低能耗。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种光源结构，其特征在于，包括：
至少一个的发光单元，每一发光单元均能够独立出光；
与所述至少一个的发光单元一一对应的微单元，每一微单元用于将其对应的发光单元的光线准直出射；
设置在所述发光单元与所述微单元之间的功能图层，包括由透光图形和遮光图形共同形成的第一功能图层，作为微单元基底的第二功能图层，所述第二功能图层由透光材料形成；
所述微单元包括：凸透镜和相位型菲涅耳透镜，所述凸透镜设置在第一功能图层的出光侧以及所述第二功能图层的入光侧，所述相位型菲涅耳透镜设置在所述第二功能图层的出光侧；
发光单元的光线先经过所述凸透镜进行一次折射之后出射光线的反向延长线会聚在所述菲涅耳透镜的物方焦点上；
所述第一功能图层的厚度等于所述凸透镜和相位型菲涅耳透镜组合的物方焦距。
2.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于，
所述透光图形的区域作为透光区与所述发光单元一一对应，每一发光单元均正对设置于其对应的透光区，并通过其对应的透光区出光。
3.根据权利要求2所述的光源结构，其特征在于，
所述遮光图形的厚度等于所述第一功能图层的厚度。
4.根据权利要求2所述的光源结构，其特征在于，
所述透光图形由透明胶材料形成，所述遮光图形由黑矩阵材料形成。
5.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于，
所述微单元为凸透镜，所述第二功能图层设置在所述微单元与所述第一功能图层之间，且所述第一功能图层和所述第二功能图层的厚度等于凸透镜的物方焦距。
6.根据权利要求5所述的光源结构，其特征在于，
每一凸透镜的口径为20至70μm。
7.根据权利要求1所述的光源结构，其特征在于，
所述微单元为相位型菲涅耳透镜，所述第二功能图层设置在所述相位型菲涅耳透镜与所述第一功能图层之间。
8.一种显示装置，包括显示面板和光源，其特征在于，所述光源采用如权利要求1-7任一项所述的光源结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200306 |