CN108562965A - 背光模组及显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种背光模组和显示装置，所述背光模组包括：波导层及光源组件，所述波导层包括位于其侧面的入光面、位于其底部的底面及位于其顶部的出光面；所述底面设有光栅层，所述出光面设有折射层；所述光源组件位于所述入光面的一侧，所述折射层包括若干折射透镜单元，所述折射透镜单元能够将经所述光栅层衍射而分散的且从该折射透镜单元所处位置处出射的各单色光进行合束。本发明通过将折射透镜单元与光栅层相结合，校正由光栅层衍射引起的色差，在出光面获得无色差或色差值很小的光束，提高显示画面的清晰度。
Description
【技术领域】
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种背光模组及显示装置。
【背景技术】
随着时代的发展，液晶显示器小型化变成一种趋势，如手机、数码相机、计算器、手表等，这些小尺寸电子产品的显示屏变小，其像素单元更小，为了避免串扰，提高对比度，其对背光源的准直性能要求更高，这就需要背光源是个均匀的准直面光源。
目前,各种各样的背光实现方式中侧入式准直单侧背光是一种具有很大应用价值的背光实现方式，前置背光技术是指光源从上而下沿电子墨水屏或者液晶屏均匀导光，不直接照射眼睛，这与背光板显示器光源截然不同，这种显示方式会使阅读更舒适，不会让人感到刺眼，因此被广泛的应用在电纸书等显示器件上。
现有技术中普遍采用在波导层一侧设置光栅层来调整出光角度，但所述波导层中全反射传输的光线被光栅层破坏后，衍射光束将会出现一定的色差，如图1所示，这种现象对显示器的显示效果造成一定的影响。
【发明内容】
本发明的目的旨在提供一种背光模组及显示装置，用于解决背光系统中由光栅结构引起的色差问题。
为实现该目的，本发明提供了一种背光模组，包括：
波导层及光源组件，所述波导层包括位于其侧面的入光面、位于其底部的底面及位于其顶部的出光面；所述底面设有光栅层，所述出光面设有折射层；
所述光源组件位于所述入光面的一侧，所述折射层包括若干折射透镜单元，所述折射透镜单元能够将经所述光栅层衍射而分散的且从该折射透镜单元所处位置处出射的各单色光进行合束。
具体地，所述折射层包括周期排列的多个折射透镜单元，所述折射透镜单元的上表面为球面或者自由曲面。
优选地，所述单色光在所述底面的衍射点与该单色光在所述出光面上的出射点在所述底面上的正投影点之间的距离S为：S＝L tan(θj)，其中，θj为经所述光栅层衍射而分散的各单色光的衍射角，L为波导层的厚度。
优选地，在光的传播方向上，最靠近所述入光面的折射透镜单元处于所述各单色光在所述出光面上第一次发生折射的位置区域；在光的传播方向上，两个相邻的所述折射透镜单元在所述底面上的正投影之间的距离D为：D＝2L/tan(θi)，其中，θi为光线在波导层的入射角，L为波导层的厚度。
优选地，所述折射透镜单元的色差值ΔL'FC为：ΔL'FC＝-L tan(θb-θr)，其中，θb,θr依次为蓝光、红光的衍射角，L为波导层的厚度。
优选地，所述折射透镜单元的上表面为球面时，所述折射透镜单元的半径r为：
其中，A1为光栅层衍射面的傍轴光焦度，λr,λg,λb,依次为红光、绿光及蓝光的波长，nr,ng,nb,依次为红光、绿光及蓝光的折射率。
具体地，所述光栅层包括周期排列的光栅结构，所述光栅结构为矩形或锯齿状。
具体地，所述波导层内部还设有第二光栅层。
较佳地，所述背光模组还包括：设置于所述波导层底面一侧的下基板，以及，设置于所述出光面一侧的上基板，所述上基板的折射率大于折射透镜单元的折射率。
相应地，本发明还提供了一种显示装置，其包括上述任一技术方案所述的背光模组。
与现有技术相比，本发明具备如下优点：
本发明提供的背光模组及显示装置，通过将具有负向色差特性的光栅层与具有正向色差特性的折射层结合在一起，利用波导光栅耦合对出射光的方向具有选择性，能够实现背光模组单侧出光，再通过在波导层的出光面设置折射层，利用折射透镜单元的正向色差特性调整所述光栅层在衍射过程中引起的色差，使得仅在出光面出射的光线无色差，提高显示画面的像素及清晰度，提升用户体验。
本发明提供的折射透镜单元的折射率小于波导层材料的折射率，便于不同角度进入折射透镜单元的各单色光的折射光线更快地产生交集，减小折射透镜单元的体积；所述折射透镜单元的折射率小于上基板的折射率，便于实现将不同入射角的单色光重新集合成一束光出射。
本发明通过在波导层内部设置第二光栅层，实现背光模组单侧出光的同时，增加了出光面出光的均匀性，避免了显示面板上出现光学盲区，使所述背光模组成为实现前置背光显示的理想选择。
本发明提供的背光模组，采用反射式光栅结构实现出光方向的可选择性，波导层和光栅层进行耦合光线，仅在波导层的出光面有光线出射，在波导层的底面无光线出现，实现单侧出光，使光线按照预设的方向出光。
本发明提供的背光模组，采用的折射层于光栅层具有相反的色散特性，将所述折射层与光栅层组合在一起，能够完成系统色差的校正；而且，本发明提供的折射层的折射参数完全针对光栅层的引起的色散参数设计，最大程度地消除光栅层引起的色差，提高显示质量。
进一步地，本发明提供的显示装置中，所述光源组件设置在波导层的一侧，与现有的设置在衬底基板一侧的背光源相比，背光源所占面积变小且能够在显示面板受力弯曲时不受影响。
另外，本发明中的显示装置是在所述背光模组的基础上进行改进的，因此，所述显示装置自然继承了所述背光模组的全部优点。
本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
【附图说明】
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为侧入式准直背光中波导光栅使背光产生色差现象的示意图；
图2为本发明提供的背光模组的一种实施方式的结构示意图；
图3为本发明提供的侧入式准直背光在波导层内光线传播示意图；
图4为本发明提供的背光模组的又一种实施方式的结构示意图，其重点展示光栅结构的锯齿状结构；
图5为本发明提供的背光模组的又一种实施方式的结构示意图，其重点展示折射透镜单元上表面的形状为自由曲面；
图6为本发明提供的背光模组的另一种实施方式的结构示意图。
【具体实施方式】
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
一种背光模组，如图2至图6所示，包括波导层10及光源组件60，所述波导层10包括位于其侧面的入光面、位于其底部的底面11及位于其顶部的出光面12；所述底面11设有光栅层20，所述出光面12设有折射层；所述光源组件60设于所述入光面一侧，以便所述光源组件60发出的光能够以预设角度经所述入光面入射至所述波导层10中，所述折射层包括若干折射透镜单元30，所述折射透镜单元30能够将经所述光栅层衍射而分散的且从该折射透镜单元所处位置处出射的各单色光进行合束。
从光源组件60发出的预设角度的光线进入波导层10，经过波导层10的引导传播至波导层10的底面，传输至所述光栅层20的光栅结构上的光线发生衍射，所述光束经过光栅层20的衍射分散成不同衍射角的单色光，所述单色光经波导层10传播至波导层顶部的出光面12，经折射进入设于所述出光面的折射透镜单元30中，不同入射角度的衍射光经折射汇集到折射透镜单元的上表面的一点上，并经由所述折射透镜单元30的上表面出射。
图2为本发明提供的一种背光模组的结构示意图。所述光源组件60发出光线，所述光线均具有准直特性，即光源发出的光线相互平行，所述光源发出的光线以准之光入射至所述波导层10的入光面，进而折射进入波导层10内部，所述准直光作为入射光，其角度存在一定的限制，入射光以临界角从所述波导层10的入光面入射至波导层10内部，以便以该角度进入波导层后，所述光线能够在波导层10的底面11及出光面12上发生全反射。
所述光栅层20具有多个纳米级光栅组件，为了确保光在波导层10中实现远距离传输且与纳米光栅多次震荡耦合，准直光可以由R、G、B三色的半导体激光器芯片经过混光后制成，也可由准直性比较好的R、G、B三色的LED芯片经过混光后制成，也可由准直性比较好的白光LED芯片制成，也可由条状的CCFL灯管加一些光线准直结构制成，或者光源还可以如包括白炽灯、卤素灯、日光灯、钠光灯、汞灯、荧光水银灯、氙气灯、弧光灯、氖管灯、电致发光(EL)灯、发光二极管(LED)灯等加一些光线准直结构制成。本发明提供的准直光包括但不限于这些类型，在传输的过程中，每一次的衍射出的光线相互平行，每一次反射出光线相互平行。所述光源组件60设置在波导层10的一侧，与现有的设置在衬底基板一侧的背光源相比，背光源所占面积变小且能够在显示面板受力弯曲时不受影响。
所述光栅层20和波导层10均优选为透明介质材料，如ITO、Si3N4等。所述光栅层20设于所述波导层10的底面11，包括周期排列的多个光栅结构，所述光栅层20的物理参数(如光栅周期、光栅高度、光栅占空比等)由预设的出光方向和出光强度决定。
具体地，以临界角进入所述波导层的所述光线经波导层传播至波导层底面，若照射到底面上没有光栅结构的位置上则光线发生全反射，若照射在底面上的光栅结构上则光束发生衍射。正是由于这种现象的存在，在波导层的底面设置光栅层才能够实现在波导层的出光面单侧出光的目的。进一步地，通过控制光栅层中光栅结构的光栅周期、高度、占空比等参数，就能够控制波导层出光面的出光量，进而实现在波导层的出光面均匀出光的目的。
本发明提供的所述光栅层20包括周期排列的光栅结构，所述光栅结构为矩形或锯齿状。包括锯齿状光栅结构的背光模组的结构示意图如图4所示，光栅结构用锯齿状光栅替代矩形光栅，通过调整光栅结构的光栅周期、光栅高度、占空比等参数，也能够实现单侧出光的效果。
同样地，所述锯齿状光栅优选为透明材料，如ITO或者Si3N4等。准直光经所述光栅结构衍射，分散成红色光、蓝色光、绿色光，由光栅衍射公式可知，同一入射光线经衍射而分散的各单色光的衍射角仅与各单色光的波长有关系，红光波长最长，蓝光波长最短，相应地，红光衍射角最大，蓝光衍射角最小。
优选地，为了实现只有一侧有光能量损失的高对比度单侧出光，光栅周期设置为大于1000nm，实际进行产品设计时，也可以根据不同对比度需求进行设置。光栅结构的占空比一般设为0.5，为了调节出射光的光强，不同面板位置亮度的差异等目的，所述占空比的范围为0.1～0.9，光栅高度对波导光栅耦合的但测光损失的能量敏感，范围为300nm～700nm，优选为500nm。
所述折射层设于所述波导层10的出光面12，所述折射层包括周期排列的多个折射透镜单元30，所述折射透镜单元30的出光面为折射透镜单元的上表面，如图2至图6所示，所述折射透镜单元30优选为透明介质材料，如玻璃材料，所述折射透镜单元30的折射率小于波导层10的折射率，便于所述各单色光的折射光线更快地产生交集，减小折射透镜单元的体积。
所述折射透镜单元30设于所述各单色光传播到波导层出光面的位置，折射透镜单元在波导层10出光面12上的位置计算过程如下：
光栅衍射公式：p sin(θi+θj)＝mλ (1)
其中，θi为光束在波导层10的入射角，其值大于等于全反射角；θj为光栅的衍射角，m为衍射级次，λ为波长，p为光栅周期。
根据光的传播路径及入射角度，可以确定经所述光栅层衍射而分散的单色光在所述波导层底面上的衍射点与该单色光在所述出光面上的出射点在所述底面上的正投影点之间的距离S为：
S＝L tan(θj) (2)
其中，L为波导层10厚度，θj光栅层的衍射角即经所述光栅层衍射出去的各单色光的衍射角。
依据衍射光束离开波导层10的位置，可以确定第一个折射透镜单元在波导层10出光面12的位置，在光的传播方向上，即为最靠近所述入光面的折射透镜单元的位置G为：
G＝L tan(θf) (3)
其中，θf为从所述出光面出射的第一条所述单色光的衍射角，L为波导层10的厚度。在光的传播方向上，最靠近所述入光面的折射透镜单元30的位置也即所述各单色光在所述出光面12上第一次发生折射的位置。
所述折射层包括周期排列的多个折射透镜单元30，两个相邻的所述折射透镜单元30在所述底面上的正投影之间的距离D为：
D＝2L/tan(θi) (4)
其中，θi为光束进入波导层后到达波导层底面的入射角，其值大于等于全反射角，L为波导层的厚度。根据第一个折射透镜单元在所述出光面12的位置及两个相邻所述折射透镜单元30的间距，能够确定所述出光面12上存在的所有折射透镜单元30的位置。
结合折射透镜单元30的位置，再通过设置合适的折射参数，就能够实现将经衍射分散的单色光重新聚合的目的，即设置折射透镜单元30的折射参数，使所述折射透镜单元30的引起的色散与所述光栅层20引起的色散刚好相反，刚好消除光栅层20带来的色差。
本发明提供了两种设计方式来设计折射透镜单元30的折射参数，在一种方式中，折射透镜单元的折射参数设计过程如下：
所述折射透镜单元为平凸透镜即所述折射透镜单元的上表面为球面时，所述光栅层20要求单侧出光，则所述光栅层20的相位分布函数如下：
φ(r)＝A1r2+A2r4+A3r6.... (5)
其中，r表示光栅的结构参数；A1为二次位相系数，衍射面的傍轴光焦度，用于消除系统的色差。因此，衍射光栅的光焦度为：
类比双胶合透镜实现消色差原理，可以得到折衍混色透镜的消色差关系式为：
其中，为折射透镜单元的光焦度，为衍射光栅的光焦度，Vr为折射透镜单元的阿贝常数，Vd为衍射透镜的阿贝常数。其中，
其中，λr,λg,λb,分别为红绿蓝光的波长，nr,ng,nb,分别为红绿蓝三色光的折射率。
已知折射透镜单元的半径r与光焦度的关系式为：
依据上述公式(5)～(9)可以得到折射透镜单元的光焦度进而可以求出其半径参数。经计算，所述折射透镜单元的半径r为：
在另一种方式中，所述折射透镜单元的折射参数设计过程如下：
所述折射透镜单元为平凸透镜，经衍射公式知，衍射过程中衍射角相差最大的是蓝光和红光，即衍射过程中出现色差主要是蓝光、红光之间的色差，色差校正的实质即为蓝光、红光之间的色差校正，由蓝光与红光在出光面12的距离为：ΔLFC＝L tan(θb-θr)。
其中，θb,θr分别为F光(蓝光)，C光(红光)的衍射角。则所述折射层仅需设置相应数值大小的负向色差即能消除光栅层20引起的色差，则所述折射透镜单元的色差值ΔL'FC为：ΔL'FC＝-L tan(θb-θr)。
由于所述折射透镜单元的折射参数是针对所述光栅衍射引起的色差设计的，当衍射光进入所述折射透镜单元时，折射透镜单元自然调整不同波长的折射路线。实现不同波长的光在折射透镜单元中汇集到折射透镜单元的出光面的某一位置，在上基板50合束的特性下，以一束光的形式出射。此处仅讨论一束光的情况，在多束光存在时，出射光以平行光束的方式出射。
值得说明的是，所述折射透镜单元的上表面形状可以用满足条件的折射自由曲面替代平凸透镜实现色差校正。其结构示意图如图5所示，所述折射自由曲面为透明材料，并且要求低于上基板50材料的折射率，其折射参数设置可以与所述折射平凸透镜的折射参数相同，同样地，上基板50的折射率大于所述折射自由曲面的折射率以满足光线合束的要求。
波导层10优选为透明的、折射率高于上基板50和下基板40的材料，可以选择ITO或者Si3N4等材料，波导层10的厚度如2μm甚至更厚到几十微米，但不限于此。当侧入式准直背光的准直性比较好时，或可以有效控制耦合入波导层10中模式时，可以适当放宽对波导层10厚度的要求，例如波导层10的厚度为几百纳米。
波导层10的折射率需要大于所述波导层相邻层的折射率，如图2至图6所示，与所述波导层相邻的层包括光栅层、折射层及上基板，具体地，所述波导层的折射率大于光栅层的折射率、折射层的折射率及上基板的折射率，以保证光线在波导层10中发生全反射。波导层10的折射率大于折射层的折射率，确切地，所述波导层10的折射率大于折射透镜单元30的折射率，便于不同入射角度的衍射光进入折射透镜单元进行折射后，折射光线能够更快地产生交集，减小折射透镜单元的体积。波导层10的折射率大于光栅层20的折射率率，便于入射光在波导层中发生全反射。波导层10耦合出光的出光量根据波导层10与相邻层折射率的差值的变化而变化。
另外，本发明提供的背光模组还包括设于所述底面11一侧的下基板40，及出光面12一侧的上基板50，所述上基板50覆盖所述折射层，所述下基板40覆盖所述光栅层20。
所述上基板50和所述下基板40为透光玻璃基板或透光塑料基板，当然还可以由常用的LCD或OLED基板玻璃构成，以及使用一些特殊的光学玻璃，透明树脂材料等，上基板50和下基板40的厚度范围为0.1mm-2mm，由具体的产品设计或工艺条件决定，上、下玻璃基板的折射率可以相同，也可以不同。除此之外，上基板50靠近波导层10面的一面及下基板40靠近波导层10的一面具有较好的平整度及平行度，同时，也可以要求上基板50远离波导层10的一面和下基板40远离波导层10的一面具有较好的平整度及平行度。在本发明公开的实施例中，所述背光组件中也可不用设置上基板50和下基板40。所述上基板50和下基板40也可以为透过率高、可弯曲的基板。
在本发明要求上基板50的折射率满足光线合束的要求。所述上基板覆盖所述折射透镜单元，所述折射透镜单元的出光面贴合上基板的入光面，所述不同波长的衍射光经折射汇集到折射透镜单元的出光面上一点，并经由所述折射透镜单元的出光面出射。经由上基板的入光面进入上基板，所述上基板要实现将不同入射角的单色光重新集合成一束光出射，则需要所述上基板的折射率大于折射透镜单元的折射率。
如图3所示，所述光源组件60发出的光以预设角度经所述入光面折射进入所述波导层10中并传输至所述底面11和所述光栅层20上，由于光栅层20具有分光作用，传输至所述光栅层20上的光被所述光栅层20衍射至出光面12，不同波长的光经过所述光栅层20的衍射在此进入波导层10后的光发生了色散，不同波长的光衍射至出光面12的入射角不同，所述不同入射角的衍射光经所述出光面12进入折射透镜单元，由所述折射透镜单元的位置及折射参数知，进入折射透镜单元的衍射光，经过折射透镜单元折射，在所述折射透镜单元的边界处汇集到一处，经过所述折射透镜单元的出光面进入上基板50，所述上基板50的折射率满足光线合束的要求，将不同波长不同入射角的光合成一束光从所述折射层的出光面出射。
由于光栅结构的衍射角由光栅结构周期P、入射波的波长λ以及入射角决定，所述光栅周期确定后，不同波长的光以相同的入射角经过光栅层20的衍射产生不同的衍射角，经过波导层10的传播，所述不同波长的光以不同的衍射角到达波导层10的出光面12，经出光面12进入折射透镜单元，所述不同波长的光经过折射参数预先设计的所述折射透镜单元折射，所述不同波长的光线在折射透镜单元的出光面汇集在一起，消除了光栅衍射带来的色差。
所述光栅层20用于控制光线以预设角度入射至所述波导层10后再入射至所述光栅层20的光线耦合进所述波导层10，同时使所述光线发生衍射并从所述波导层10的出光面12射出；所述折射层用于控制从波导层10出光面12出射的光线在所述折射层发生折射，将不同入射角的光线汇聚到出光面的位置，并从所述折射层的出光面出射。
实施方式一
请参考如图2至图5，本实施方式中所述光栅层包括一层周期排列的光栅结构，所述光栅结构为矩形或锯齿状(图4所示)，所述折射透镜单元的上表面为平凸透镜或自由曲面(图5所示)。所述背光模组，包括波导层10及光源组件60，所述波导层10包括位于其侧面的入光面、位于其底部的底面11及位于其顶部的出光面12；所述底面11设有光栅层20，所述出光面12设有折射层；所述光源组件60设于所述入光面一侧，以便所述光源组件60发出的光能够以预设角度经所述入光面入射至所述波导层10中，所述折射层包括若干折射透镜单元30，所述折射透镜单元30能够将经由所述光栅层20衍射而分散的且从该折射透镜单元30所处位置处出射的各单色光进行合束。
所述波导层10、光栅层20、折射层、下基板40、上基板50、光源组件60的参数设置如前述。
所述光源组件60发出的光线按照预设角度从入光面入射至所述波导层10内部后，即所述光线以临界角进入所述波导层内部，所述光线经波导层传播至波导层底面，若光线照射到底面上没有设置光栅结构的位置上则发生全反射，若照射在底面上的光栅结构上则发生衍射。
照射在所述光栅结构上的光束经所述光栅层20衍射重新进入所述波导层10内部，并通过波导层10的引导作用将所述衍射光线按照预设的出射方向传播至所述出光面，经波导层的出光面进入折射透镜单元。经过计算，设置合适的折射透镜单元的折射参数和位置参数，进入折射透镜单元的各单色光经过折射汇集到折射透镜单元的出光面上一点，并经由所述折射透镜单元的出光面出射。经由上基板的入光面进入上基板，所述上基板要实现将不同入射角的单色光重新集合成一束光出射，由于上基板的折射率远大于折射透镜单元的折射率，所述光线重新聚合成一束从上基板的出光面出射，补偿了由光栅衍射引起的色差问题。
照射到底面上没有光栅结构的位置上的光线发生全反射，由于波导层的折射率也大于折射层及上基板的折射率，打到波导层出光面的光线同样发生全反射，再次反射到波导层的底面上，同样地，若光线照射到底面上没有设置光栅结构的位置上则发生全反射，若光线照射在底面上的光栅结构上则发生衍射。发生衍射的光束重复上述过程，最终从上基板出射。通过控制光栅层的光栅周期、光栅高度及占空比等物理参数，能够实现所有光线均从上基板的出光面出射。
本实施方式提供的背光模组，通过将具有负向色差特性的光栅层与具有正向色差特性的折射层结合在一起，利用波导光栅耦合对出射光的方向具有选择性，能够实现背光模组单侧出光，再通过在波导层的出光面设置折射层，利用所述折射透镜单元的正向色差特性调整所述光栅层在衍射过程中引起的色差，使得出射光无色差，提高显示画面的像素及清晰度，提升用户体验。使所述背光模组成为实现前置背光显示的理想选择。
实施方式二
本发明实施方式提供了背光模组的另一种结构，其结构示意图如图6所示，所述背光模组，包括波导层10及光源组件60，所述波导层10包括位于其侧面的入光面、位于其底部的底面11及位于其顶部的出光面12；所述底面11设有光栅层20，所述出光面12设有折射层；所述光源组件60设于所述入光面一侧，以便所述光源组件60发出的光能够以预设角度经所述入光面入射至所述波导层10中，所述折射层包括若干折射透镜单元30，所述折射透镜单元30能够将经所述光栅层20衍射而分散的且从该折射透镜单元30所处位置处出射的各单色光进行合束。即，所述光栅层20将射于其上的光线衍射成分散的单色光，所述折射层包括射于所述单色光从所述出光面出射位置的折射透镜单元30，所述折射透镜单元30能够将分散的各单色光重新聚合，所述波导层10内部还设有用于增加单侧出光的光场分布均匀性的第二光栅层70。
所述波导层10、光栅层20、折射层、下基板40、上基板50、光源组件60的参数设置同实施方式一，在此不再赘述。
值得说明的是，所述光栅层20和第二光栅层70均包括周期排列的光栅结构，所述光栅结构为矩形或锯齿状，所述折射透镜单元的上表面为平凸透镜或自由曲面。
所述光栅层20的长度等于所述波导层10的长度，所述第二光栅层70包括间隔设置的多个光栅组，所述出光面处每一次反射光线的辐射区域对应一个所述光栅组，所述第二光栅层70为透射型光栅结构，第二光栅层70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，其中，有机树脂可以透镜有机高分子材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(简称PMMA)。第二光栅层70的物理参数包括：光栅周期、光栅高度、光栅占空比等可选择与光栅层20相同或者不同。
通过调整光栅层20和/或第二光栅层70的光栅周期，占空比等参数调制出射及衍射光束的能量分配，实现单侧出光的目的。
在本发明实施方式中，光源组件60发出光线按照预设角度从入光面入射至所述波导层10内部后，即所述光线以临界角进入所述波导层内部，所述光线经波导层传播至波导层底面，若光线照射到底面上没有设置光栅结构的位置上则发生全反射，若照射在底面上的光栅结构上则发生衍射。
照射在底面上的光栅结构上的光线经所述光栅结构衍射，分成不同衍射角的单色光重新进入所述波导层10内部，并通过波导层10的引导作用将所述衍射光线按照预设的出射方向传播至所述波导层10的出光面12，经波导层的出光面进入折射透镜单元。经过计算，设置合适的折射透镜单元的折射参数和位置参数，进入折射透镜单元的各单色光经过折射汇集到折射透镜单元的出光面上一点，并经由所述折射透镜单元的出光面出射。经由上基板的入光面进入上基板，所述上基板要实现将不同入射角的单色光重新集合成一束光出射，由于上基板的折射率远大于折射透镜单元的折射率，所述光线重新合成一束从上基板的出光面出射。
所述第二光栅层70为透射型光栅结构，优选为透明材料。
由图3所示的光线传播路线示意图知，衍射光线往往在衍射点的一侧出射，如图2至图6所示，若光栅结构的物理参数，如光栅周期、光栅宽度等设置的不合理，在上基板的出光面中容易出现某些区域没有光线出射的现象，即“盲区”，这种现象将对显示效果造成很大的影响。
照射到底面上没有光栅结构的位置上的光线在波导层底面11发生全反射，波导层10的折射率也大于折射层及上基板50的折射率，反射至波导层出光面12的光线同样发生全反射，，反射至所述第二光栅层70及光栅层20上，部分或者全部所述光线在所述第二光栅层70上发生衍射，所述第二光栅层70为透射型光栅，反射至所述第二光栅层70上的光线发生衍射，衍射光线传播至所述波导层的出光面12，经过所述折射透镜单元30，从上基板出射，衍射至折射透镜单元至从上基板出射的过程同实施方式一，不再赘述。
相应地，调整折射透镜单元的位置和折射参数，从而实现重新汇聚由光栅层及第二光栅层衍射而分散的单色光，最终从上基板的出光面出射。
由于照射到第二光栅层70上的光线既有波导层出光面12反射的光线及波导层底面11反射的光线，第二光栅层70衍射出去的光线角度更丰富，且所述第二光栅层70在位置上，比光栅层20更接近波导层的出光面，衍射到波导层出光面的光线能够轻易覆盖波导层出光面。实现背光模组单侧出光的同时，增加了出光面出光的均匀性，避免了显示面板上出现光学盲区。
与一层光栅层20不同的是，设置两层光栅，在同一个反射周期内，第二光栅层70接收到所述波导层10出光面12处反射回的光线时间提前，且接收到反射光线的位置更靠近所述出光面12，第二光栅层70的衍射光线在所述波导层10出光面12所覆盖的区域更靠近入光面或光栅层20衍射光线在所述波导层10出光面12所覆盖的区域，从而缩小了相邻衍射周期内，衍射光线之间的光学盲区，增加了出光的光场均匀性。
进一步地，在当所述第二光栅设置在距离所述波导层10底面宽度的中间位置，所述波导层10出光面12处反射回的每周期的反射光线入射至所述第二光栅层70后，所述反射光线在所述第二光栅层70发生衍射，且相邻两周期的衍射光线在所述波导层10的出光面12的覆盖区域边缘线重合，避免出现光学盲区，实现出光面12的整面出光。
值得说明的是，基于同样的思路，在本实施方式的基础上，所述波导层10内部还设有用于增加单侧出光的光场分布均匀性的第三光栅层20，同样能够实现出光面12单侧均匀出光。所述第三光栅层20在波导层10中的位置可以依据衍射方程及几何光学得到。
所述背光组件能够适用于对光线出光方向指向性较高的器件，如显示器、望远镜、显微镜等。
本发明还提供一种显示装置，该显示装置包括上述任一技术方案所述的背光模组，本发明中的显示装置是在所述背光模组的基础上进行改进的，因此，所述显示装置自然继承了所述背光模组的全部优点，在此不再赘述。
需要说明的是，本发明所提供的显示装置可以为电子纸、OLED面板、手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部件。
虽然上面已经示出了本发明的一些示例性实施例，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的原理或精神的情况下，可以对这些示例性实施例做出改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种背光模组，其特征在于，包括：波导层及光源组件，所述波导层包括位于其侧面的入光面、位于其底部的底面及位于其顶部的出光面；所述底面设有光栅层，所述出光面设有折射层；
所述光源组件位于所述入光面的一侧，所述折射层包括若干折射透镜单元，所述折射透镜单元能够将经所述光栅层衍射而分散的且从该折射透镜单元所处位置处出射的各单色光进行合束。
2.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，所述折射层包括周期排列的多个折射透镜单元，所述折射透镜单元的上表面为球面或者自由曲面。
3.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，所述单色光在所述底面上的衍射点与该单色光于所述出光面上的出射点在所述底面上的正投影点之间的距离S为：S＝Ltan(θj)，其中，θj为经所述光栅层衍射而分散的各单色光的衍射角，L为波导层的厚度。
4.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，在光的传播方向上，最靠近所述入光面的折射透镜单元处于所述各单色光在所述出光面上第一次发生折射的位置区域；在光的传播方向上，两个相邻的所述折射透镜单元之间的距离D为：D＝2L/tan(θi)，其中，θi为光线在波导层的入射角，L为波导层的厚度。
5.根据权利要求2所述的背光模组，其特征在于，所述折射透镜单元的色差值ΔL'FC为：ΔL'FC＝-Ltan(θb-θr)，其中，θb,θr依次为蓝光、红光的衍射角，L为波导层的厚度。
6.根据权利要求2所述的背光模组，其特征在于，所述折射透镜单元的上表面为球面时，所述折射透镜单元的半径r为：
其中，A1为光栅层衍射面的傍轴光焦度，λr,λg,λb,依次为红光、绿光及蓝光的波长，nr,ng,nb,依次为红光、绿光及蓝光的折射率。
7.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，所述光栅层包括周期排列的光栅结构，所述光栅结构为矩形或锯齿状。
8.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，所述波导层内部还设有第二光栅层。
9.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，还包括：设置于所述波导层底面一侧的下基板，以及，设置于所述出光面一侧的上基板，所述上基板的折射率大于折射透镜单元的折射率。
10.一种显示装置，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的背光模组。
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