CN106526738A - 一种导光板及制作方法、背光模组、液晶显示模组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种导光板，包括导光板本体，所述导光板本体的表面上设有波导结构，在波导结构上形成有衍射光栅，在衍射光栅上设有金属线栅滤光片结构，所述金属线栅滤光片结构包括用于折射率调制的多层介质结构，在多层介质结构上设有金属线栅层，所述金属线栅层的栅线与衍射光栅的栅线一一对应。本发明的制作方法，包括如下步骤：在具有波导结构的导光板本体；制备衍射光栅掩膜、多层介质结构和金属线栅层。本发明还提供了一种背光模组、液晶显示模组。与现有技术相比，将衍射光栅以及金属线栅层互相搭配能够实现高色纯度、低色散、多视点的立体显示效果，避免投射到空间后的光线色度分散不均匀以及色彩串扰的问题。

Description

一种导光板及制作方法、背光模组、液晶显示模组
技术领域
本发明涉及一种液晶显示技术，特别是一种基于裸眼立体的导光板及制作方法、背光模组、液晶显示模组。
背景技术
3D显示技术是影像行业最新、前沿的高新技术，它的出现改变了传统平面图像给人们带来的视觉疲惫，也是图像制作领域的一场技术革命，是一次质的变化，它以新特奇的表现手法，强烈的视觉冲击力，良好优美的环境感染力，吸引着人们的目光。目前主流的3D显示面板主要包括时域像素划分或者空间像素分割，其中前者利用高频分时驱动技术，但是往往需要辅助视觉设备，而空间像素分割方案兼容传统2D显示器的驱动技术，通过牺牲分辨率来实现裸眼立体显示，成为目前比较主流的显示技术，其中尤其以透镜技术和光栅技术为主导，其典型结构在同一周期内的不同子像素分别输出具有视差的图像至人的左右眼中，然后通过大脑的合成左右形成立体显示效果。由于透镜与光栅的排布方向均为横向,使得对应的裸眼3D技术视点分布方面也是沿着横向分布，观察者在除了横向以外的角度难以观察到立体效果。采用斜向多视点技术能够显著改善视点分布的均匀性，改善由于视觉平移所造成的3D重影问题，但是仍然不能从根本上解决多视角裸眼立体显示问题。2013年，来自HP实验室的研究人员在《Nature》(《英国自然杂志》)495,348–351(2013)的杂志上推出了基于衍射光场背光系统的多视点裸眼立体显示装置，其核心思想在于利用光的衍射原理，不同颜色的准直光进入特定周期、方位角的光栅结构发生衍射时具有固定的投射方向，因而可以通过光栅设计使得不同颜色、不同子像素的光分别投射至空间中的不同视点以形成多视点效果。由于不同颜色(R/G/B)的光经过相同衍射光栅时会分别投射至空间中的不同位置，通过优化设计可以使得任一衍射光栅仅将某一种颜色的光定向投射至视角(FOV)中，从而避免混色问题，因而在该杂志一文中他们采用无彩色滤光片的设计方案。但是实际上由于R/G/B光源的非单色性，不同颜色的光实际会出现混光效果，导致画面色彩偏离理想值，传统的解决方法包括采用R/G/B三层不同衍射光栅导光板(CN201410852242.3)或者在衍射光栅的出光面附加彩色滤光片(CN201510778086.0)达成该目的，两种方式无疑在某种程度上增加了衍射光栅背光系统的厚度，因此，需要其他技术途径予以解决。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种导光板及制作方法、背光模组、液晶显示模组，从而避免投射到空间后的光线色度分散不均匀以及色彩串扰的问题。
本发明提供了一种导光板，包括导光板本体，所述导光板本体的表面上设有波导结构，在波导结构上形成有衍射光栅，在衍射光栅上设有金属线栅滤光片结构，所述金属线栅滤光片结构包括用于折射率调制的多层介质结构，在多层介质结构上设有金属线栅层，所述金属线栅层的栅线与衍射光栅的栅线一一对应。
进一步地，所述多层介质结构包括至少两层第一介质层以及设于相邻两层第一介质层之间的第二介质层，所述第二介质层的折射率大于第一介质层的折射率，金属线栅层设于最上一层的第一介质层的表面上。
进一步地，所述金属线栅层的栅线以及衍射光栅的栅线均为周期性排布。
进一步地，所述金属线栅层的周期为200-500nm，占空比为0.4-0.9，所述金属线栅的栅线高度为20-200nm。
进一步地，所述金属线栅层的通过率通带线宽为20-50nm，金属线栅层的通带中心峰值透过率大于70％。
本发明还提供了一种导光板的制作方法，包括如下步骤：
步骤一S01、取一具有波导结构的导光板本体；
步骤二S02、在波导结构表面上沉积光刻胶；
步骤三S03、采用压印的方式在光刻胶上制备衍射光栅掩膜；
步骤四S04、以光刻胶为掩膜刻蚀后形成衍射光栅；
步骤五S05、在衍射光栅上依次沉积有多层介质结构和金属层；
步骤六S06、在金属层表面沉积光刻胶；
步骤七S07、采用压印方式在光刻胶上制备金属线栅掩膜；
步骤八S08、以光刻胶为掩膜刻蚀后形成金属线栅层，金属线栅层的栅线与衍射光栅的栅线一一对应。
进一步地，所述多层介质结构包括至少两层第一介质层以及设于相邻两层第一介质层之间的第二介质层，所述第二介质层的折射率大于第一介质层的折射率，金属线栅层设于最上一层的第一介质层的表面上。
进一步地，所述金属线栅层的栅线以及衍射光栅的栅线均为周期性排布。
本发明还提供了一种背光模组，包括背板，设于背板上的灯条，还包括如所述的导光板，所述导光板本体设于背板上，灯条设于导光板于衍射光栅的栅线平行的一侧。
本发明还提供了一种液晶显示模组，包括液晶面板、背光模组，所述背光模组包括背板以及设于背板上的灯条，还包括所述的导光板，灯条8设于导光板与衍射光栅的栅线平行的一侧，液晶面板设于金属线栅层上，所述金属线栅层的栅线、衍射光栅的栅线与液晶面板的R子像素、G子像素以及B子像素分别一一对应。
本发明与现有技术相比，通过在导光板的波导结构上分别设置衍射光栅以及金属线栅层，其中衍射光栅通过设计周期、方位角等参数控制光的定向投射实现多视点裸眼立体效果，金属线栅层通过设计周期、占空比等参数实现彩色滤光效果，由于衍射光栅与金属线栅的结构参数接近，因而可以采用共通的纳米压印技术制备，达到节省制程设备的目的；同时金属线栅层具有极窄的通带范围，而衍射光栅的定向投射效果对波长比较敏感，因而两者互相搭配能够实现高色纯度、低色散、多视点的立体显示效果，避免投射到空间后的光线色度分散不均匀以及色彩串扰的问题。
附图说明
图1是本发明的导光板的剖面图；
图2是本发明的导光板的制作方法流程图；
图3是本发明的背光模组的结构示意图；
图4是本发明液晶显示模组的结构示意图；
图5是典型的金属线栅TM、TE透过率频谱与相应强度对比图；
图6是衍射光栅光的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图6所示，为衍射光栅导光板的基本原理示意图，当一束准直的单色光经过周期参数接近可见光波长的衍射光栅时，由于经过光栅不同开口位置的光线汇聚到空间中不同位置时，由于光程不同而具有不同的相位差，因而仅在特定方向相位差满足波长整数倍时会出现光强定向投射。设定入射光方向的极角坐标为出射光的极角坐标为通过设定衍射光栅的占空比为0.5，导光板材料取较大折射率时仅第一级衍射峰的极角在显示面板的可视区，而高级衍射峰处于可视区之外。
其中：
基于上述原理，将其用于本发明的导光板中。
如图1所示，本发明的导光板包括导光板本体1，其特征在于：所述导光板本体1的表面上设有波导结构，在波导结构上形成有衍射光栅2，在衍射光栅2上设有金属线栅滤光片结构6，所述金属线栅滤光片结构6包括用于折射率调制的多层介质结构7，在多层介质结构7上设有金属线栅层5，所述金属线栅层5的栅线与衍射光栅2的栅线一一对应，优选为重叠，所述金属线栅层5充当彩色滤光片。
多层介质结构7包括至少两层第一介质层3以及设于相邻两层第一介质层3之间的第二介质层4，所述第二介质层4的折射率大于第一介质层3的折射率，金属线栅层5设于最上一层的第一介质层3的表面上，在本发明中，第一介质层3优选为两层，第一介质层3可以由SiO2、SiO或MgO等材料制成；等二介质层3可以由Si3N4、TiO2或Ta2O5等材料制成。其中折射率高低为相对概念，即第二介质层4的折射率只要大于第一介质层3的折射率即可；在此不做具体限定。
所述金属线栅层5的栅线以及衍射光栅2的栅线均为周期性排布，其中的金属线栅层5为具有较大折射率虚部的材料如Al、Ag或Au等；所述金属线栅层5的周期为200-500nm，占空比为0.4-0.9，所述金属线栅5的栅线高度为20-200nm；所述金属线栅层5的通过率通带线宽为20-50nm，金属线栅层5的通带中心峰值透过率大于70％。
当将金属线栅作为偏光片对于TM(光偏振方向垂直于金属线栅方向)态具有较大的透过率通带，对于TE(光偏振方向平行于金属线栅方向)态则在可见光全波段实现透过率抑制，也即参考普通吸收型偏光片，可以简化认为金属线栅的吸收轴方向平行于金属线条的取向。如图5所示，为以典型的金属线栅TM、TE透过率频谱与相应的强度对比，可见TM在R/G/B通带峰值透过率高达75％，通带线宽仅有17nm，TE在全波段透过率低于6％，具有很好的消光比，可以作为理想的偏光片与彩色滤光片使用。其中金属线栅的窄通带特性能够有效过滤经过任意衍射光栅后波长偏离金属线栅通带中心波长较多的频谱，提高色纯度，改善波导导光板子像素出射角的收敛特性，从而避免投射到空间后的光线色度分散不均与色彩串扰的问题，因此在本发明中无需再在导光板上设置光学膜片。
如图2所示，本发明导光板的制作方法，包括如下步骤：
步骤一S01、取一具有波导结构的导光板本体1；
步骤二S02、在波导结构表面上沉积光刻胶；
步骤三S03、采用压印的方式在光刻胶上制备衍射光栅掩膜；
步骤四S04、以光刻胶为掩膜刻蚀后形成衍射光栅2；
步骤五S05、在衍射光栅2上依次沉积有多层介质结构7和金属层；
步骤六S06、在金属层表面沉积光刻胶；
步骤七S07、采用压印方式在光刻胶上制备金属线栅掩膜；
步骤八S08、以光刻胶为掩膜刻蚀后形成金属线栅层5，金属线栅层5的栅线与衍射光栅2的栅线一一对应。
所述多层介质结构7包括至少两层第一介质层3以及设于相邻两层第一介质层3之间的第二介质层4，所述第二介质层4的折射率大于第一介质层3的折射率，金属线栅层5设于最上一层的第一介质层3的表面上，优选为第一介质层3设有两层，在步骤五S05中，沉积多层介质结构7时具体步骤为，先沉积一层第一介质层4，然后沉积一层第二介质层5，最后再沉积一层第一介质层4。
所述金属线栅层5的栅线以及衍射光栅2的栅线均为周期性排布。
本制作方法中，衍射光栅2以及金属线栅层5的制备均采用纳米压印技术，因为衍射光栅通过设计周期、方位角等参数控制光的定向投射实现多视点裸眼立体效果，金属线栅层通过设计周期、占空比等参数实现彩色滤光效果，两者的结构参数接近，因而可以采用共通的纳米压印技术制备，达到节省制程设备的目的。
本制作方法中，第一介质层3可以由SiO2、SiO或MgO等材料制成；等二介质层3可以由Si3N4、TiO2或Ta2O5等材料制成。其中折射率高低为相对概念，即第二介质层4的折射率只要大于第一介质层3的折射率即可；在此不做具体限定。
所述金属线栅层5的栅线以及衍射光栅2的栅线均为周期性排布，其中的金属线栅层5为具有较大折射率虚步的材料如Al、Ag或Au等；所述金属线栅层5的周期为200-500nm，占空比为0.4-0.9，所述金属线栅5的栅线高度为20-200nm；所述金属线栅层5的通过率通带线宽为20-50nm，金属线栅层5的通带中心峰值透过率大于70％。
如图3所示，本发明的背光模组包括背板11、设于背板11上的灯条8，还包括上述的导光板，所述导光板本体1设于背板11上，灯条8设于导光板本体1与衍射光栅2的栅线平行的一侧上。此处的背光模组免去了在导光板本体1上设置光学膜片；节省材料。
如图4所示，本发明的液晶显示模组，包括液晶面板9、背光模组10，所述背光模组10包括背板11以及设于背板11上的灯条8，还包括上述的导光板，灯条8设于导光板本体1与衍射光栅2的栅线平行的一侧上，液晶面板9设于金属线栅层5上，所述金属线栅层5的栅线、衍射光栅2的栅线与液晶面板9的R子像素、G子像素以及B子像素分别一一对应。
不同衍射光栅与R/G/B子像素分别具有不同的方位角与周期结构，使得同一子像素所对应的衍射光栅的栅线中RGB光线投射至空间的同一点，具体地，以红光部分为例进行详细说明，当白光中的红光部分经过位于R子像素下方的衍射光栅的栅线，绿光部分经过位于G子像素下方的衍射光栅的栅线，蓝光部分经过位于B子像素下方的衍射光栅的栅线后汇聚于空间中的同一点；相应的绿、蓝光经过位于R子像素下方的衍射光栅后也会以一定角度出射，但是由于位于R子像素下方的衍射光栅的栅线上方被该处的金属线栅的栅线阻挡，因而绿、蓝光部分无法通过，且由于衍射光栅与金属线栅层之间相隔几十至几百纳米的多层介质层结构，厚度很低因而可以有效避免通过衍射光栅后由于光线的大角度出射所造成的漏光现象。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (10)

1.一种导光板，包括导光板本体(1)，其特征在于：所述导光板本体(1)的表面上设有波导结构，在波导结构上形成有衍射光栅(2)，在衍射光栅(2)上设有金属线栅滤光片结构(6)，所述金属线栅滤光片结构(6)包括用于折射率调制的多层介质结构(7)，在多层介质结构(7)上设有金属线栅层(5)，所述金属线栅层(5)的栅线与衍射光栅(2)的栅线一一对应。
2.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于：所述多层介质结构(7)包括至少两层第一介质层(3)以及设于相邻两层第一介质层(3)之间的第二介质层(4)，所述第二介质层(4)的折射率大于第一介质层(3)的折射率，金属线栅层(5)设于最上一层的第一介质层(3)的表面上。
3.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于：所述金属线栅层(5)的栅线以及衍射光栅(2)的栅线均为周期性排布。
4.根据权利要求3所述的导光板，其特征在于：所述金属线栅层(5)的周期为200-500nm，占空比为0.4-0.9，所述金属线栅5的栅线高度为20-200nm。
5.根据权利要求4所述的导光板，其特征在于：所述金属线栅层(5)的通过率通带线宽为20-50nm，金属线栅层(5)的通带中心峰值透过率大于70％。
6.一种导光板的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一S01、取一具有波导结构的导光板本体(1)；
步骤二S02、在波导结构表面上沉积光刻胶；
步骤三S03、采用压印的方式在光刻胶上制备衍射光栅掩膜；
步骤四S04、以光刻胶为掩膜刻蚀后形成衍射光栅(2)；
步骤五S05、在衍射光栅(2)上依次沉积有多层介质结构(7)和金属层；
步骤六S06、在金属层表面沉积光刻胶；
步骤七S07、采用压印方式在光刻胶上制备金属线栅掩膜；
步骤八S08、以光刻胶为掩膜刻蚀后形成金属线栅层(5)，金属线栅层(5)的栅线与衍射光栅(2)的栅线一一对应。
7.根据权利要求6所述的导光板的制作方法，其特征在于：所述多层介质结构(7)包括至少两层第一介质层(3)以及设于相邻两层第一介质层(3)之间的第二介质层(4)，所述第二介质层(4)的折射率大于第一介质层(3)的折射率，金属线栅层(5)设于最上一层的第一介质层(3)的表面上。
8.根据权利要求7所述的导光板结构的制作方法，其特征在于：所述金属线栅层(5)的栅线以及衍射光栅(2)的栅线均为周期性排布。
9.一种背光模组，包括背板(11)，设于背板(11)上的灯条(8)，其特征在于：还包括如权利要求1-5任意一项所述的导光板，所述导光板本体(1)设于背板(11)上，灯条(8)设于导光板(1)于衍射光栅(2)的栅线平行的一侧。
10.一种液晶显示模组，包括液晶面板(9)、背光模组(10)，所述背光模组(10)包括背板(11)以及设于背板(11)上的灯条(8)，其特征在于：还包括如权利要求1-5任意一项所述的导光板，灯条(8)设于导光板(1)与衍射光栅(2)的栅线平行的一侧，液晶面板(9)设于金属线栅层(5)上，所述金属线栅层(5)的栅线、衍射光栅(2)的栅线与液晶面板(9)的R子像素、G子像素以及B子像素分别一一对应。
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