CN108710240A - 一种准直背光模组及显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种准直背光模组及显示装置，包括：第一导光板；准直光源，将准直光线耦合入第一导光板内全反射传输；第一准直取光部件，将第一导光板内准直光线中第一颜色光垂直第一出光面准直化取出，第二颜色光以第一倾斜角准直化取出，第三颜色光以第二倾斜角准直化取出；第一平坦层，覆盖于第一导光板的出光面；第二导光板，设置于第一平坦层；第一衍射调制部件，将第二颜色光衍射调制耦合入第二导光板内全反射传输；第二衍射调制部件，将第三颜色光衍射调制耦合入第二导光板内全反射传输；第二准直取光部件，将第二颜色光垂直准直化取出；第三准直取光部件，将第三颜色光垂直准直化取出。本发明准直背光模组可提供三色准直背光，来实现彩色化显示。

Description

一种准直背光模组及显示装置
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种准直背光模组及显示装置。
背景技术
在传统的液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)中，背光模组提供照明光源，光波通过启偏器(偏振片)启偏，进入液晶面板经调制后，再通过检偏器(偏振片)和彩色滤光片，呈现出五彩斑斓的图像。彩色滤光片作为LCD的关键组件，目前大多数彩色滤光片基本需从国外采购，成本较高，且彩色滤光片透过率只有27％，是LCD光能利用率低于5％的主要原因。
此外，目前市面上各种AR/VR等近眼显示方案，绝大多数是基于准直背光设计的，但是目前准直背光的方案都集中在单色准直或结构笨重的透镜准直方案，因此，对轻薄简单准直背光结构及技术的需求非常大，若能实现彩色的轻薄准直背光，那么将会推进AR/VR产业的快递发展。然而，目前的准直背光源中，只能准直化的取出单种颜色的光，因此实质上为单色显示方案，因此，提出一种有利于产业化的彩色化显示方案十分必要。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种准直背光模组及显示装置，可以提供多种颜色的准直光，直接照射到对应的显示像素上，从而可不需要彩膜等结构，来实现彩色化显示，结构简单、轻薄，光能利用率高。
本发明所提供的技术方案如下：
一种准直背光模组，包括：
第一导光板，所述第一导光板包括入光侧、相背设置的底面和第一出光面；
准直光源，设置于所述第一导光板的入光侧，用于将准直光线耦合入所述第一导光板内进行全反射传输；
第一准直取光部件，设置于所述第一导光板的第一出光面或底面一侧，用于将所述第一导光板内的准直光线中，第一颜色光垂直所述第一出光面准直化取出，第二颜色光以与所述第一出光面呈第一倾斜角的角度准直化取出，第三颜色光以与所述第一出光面呈第二倾斜角的角度准直化取出，所述第一倾斜角与所述第二倾斜角不同；
第一平坦层，覆盖于所述第一导光板的出光面上；
第二导光板，设置于所述第一平坦层上，所述第二导光板包括面向所述第一平坦层的入光面、及与所述入光面相背设置的第二出光面，用于接收由所述第一准直取光部件取出的准直光线；
第一衍射调制部件，设置在所述入光面或所述第二出光面一侧，用于将由所述第一准直取光部件取出的第二颜色光衍射调制后，以全反射的形式耦合入所述第二导光板内进行全反射传输；
第二衍射调制部件，设置在所述入光面或所述第二出光面一侧，用于将由所述第一准直取光部件取出的第三颜色光衍射调制后，以全反射的形式耦合入所述第二导光板内进行全反射传输；
第二准直取光部件，设置在所述入光面或所述第二出光面一侧，用于将在所述第二导光板内进行全反射传输的第二颜色光垂直于所述第二出光面准直化取出；
以及，第三准直取光部件，设置在所述入光面或所述第二出光面一侧，用于将在所述第二导光板内进行全反射传输的第三颜色光垂直于所述第二出光面准直化取出。
进一步的，所述第一准直取光部件为第一取光光栅，包括简单台阶光栅或倾斜光栅，其材料为透明介质材料；
所述第二准直取光部件为第二取光光栅，包括简单台阶光栅、倾斜光栅或闪耀取光光栅，其材料为介质或金属；
所述第三准直取光部件为第三取光光栅，包括简单台阶光栅、倾斜光栅或闪耀取光光栅，其材料为介质或金属；
所述第一衍射调制部件为第一衍射光栅，简单台阶光栅、倾斜光栅或闪耀光栅，其材料为介质或金属；
所述第二衍射调制部件为第二衍射光栅，包括简单台阶光栅、倾斜光栅或闪耀光栅，其材料为介质或金属。
进一步的，所述第二准直取光部件设置在所述入光面一侧时，所述第二取光光栅为反射式光栅；所述第二准直取光部件设置在所述第二出光面一侧时，所述第二取光光栅为透射式光栅；
所述第三准直取光部件设置在所述入光面一侧时，所述第三取光光栅为反射式光栅；所述第三取光光栅设置在所述第二出光面一侧时，所述第三取光光栅为透射式光栅。
进一步的，所述第一准直取光部件的光栅周期P1满足以下公式：
n1*sinθ1-n2*sinθ2＝m1*λ1/P1
其中，n1为所述第一导光板的折射率；n2为所述第一平坦层的折射率；P1为第一取光光栅的光栅周期；θ1为所述第一导光板内的准直光线的入射至第一取光光栅的入射光线角度；θ2为所述第一导光板内的准直光线经所述第一准直取光部件衍射调制后的衍射光线角度，θ2＝0；m1为衍射级次，m1＝-1或+1；λ1为第一颜色光的光波长；
第三取光光栅的光栅周期P4满足以下公式：
n3*sinθ3-n4*sinθ4＝m4*λB/P4
其中，n3为所述第二导光板的折射率；n4为覆盖于所述第二出光面上的第二平坦层401或者空气的折射率；P4为第三取光光栅的光栅周期；θ3为所述第二导光板内的第三颜色光入射至第三取光光栅的入射光线角度；θ4为所述第二导光板内的第三颜色光经所述第三准直取光部件衍射调制后的衍射光线角度，θ4＝0；m4为衍射级次，m4＝-1或+1；λB为第三颜色光的光波长；
第二取光光栅的光栅周期P5满足以下公式：
n3*sinθ5-n4*sinθ6＝m5*λR/P5
其中，n3为所述第二导光板的折射率；n4为覆盖于所述第二出光面上的第二平坦层401或者空气的折射率；P5为第三取光光栅的光栅周期；θ5为所述第二导光板内的第二颜色光入射至第二取光光栅的入射光线角度；θ6为所述第二导光板内的第二颜色光经所述第二准直取光部件衍射调制后的衍射光线角度，θ6＝0；m5为衍射级次，m5一般选择-1或+1；λR为第二颜色光的光波长。
进一步的，所述第二衍射光栅的光栅周期P2满足以下公式：
n2*sinθb-n3*sinθB＝m2*λB/P2
其中，P2表示第二衍射光栅的光栅周期；θB为第三颜色光经过第二衍射光栅的衍射调制后的衍射角度，该角度要大于或等于第二导光板的全反射传输角度，以保证第三颜色光能够在第二导光板内全反射传输；θb表示第三颜色光穿过所述第一平坦层后，在所述第二导光板的初始入射角度；m2为第二衍射光栅的衍射级次，m2＝-1或+1；n2为所述第一平坦层的折射率；n3表示第二导光板的折射率；λB为第三颜色光的光波长；
所述第一衍射光栅的光栅周期P3满足以下公式：
n2*sinθr-n3*sinθR＝m3*λR/P3
其中，P3表示第一衍射光栅的光栅周期；θR为第二颜色光经过第一衍射光栅的衍射调制后的衍射角度，该角度要大于或等于第二导光板的全反射传输角度，以保证第二颜色光能够在第二导光板内全反射传输；θr表示第二颜色光穿过所述第一平坦层后，在所述第二导光板的初始入射角度；m3为第一衍射光栅的衍射级次，m3＝-1或+1；n2为所述第一平坦层的折射率；n3表示第二导光板的折射率；λR为第二颜色光的光波长。
进一步的，所述第二导光板的厚度k与所述第一准直取光部件的光栅长度s满足如下公式：
a·tan(βb)+k·tan(θb)＞S
a·tan(βbr)+k·tan(θbr)＞S
其中，a为所述第一平坦层的厚度；S为所述第一取光光栅的长度；k为所述第二导光板的厚度，βb为第三颜色光经过第一取光光栅之后在所述第一平坦层中的衍射光线角度；θb表示第三颜色光穿过所述第一平坦层后，在所述第二导光板的初始入射角度；βr为第二颜色光经过第一取光光栅之后在所述第一平坦层中的衍射光线角度；θr表示第二颜色光穿过所述第一平坦层后，在所述第二导光板的初始入射角度。
进一步的，所述第一颜色光为绿光，所述第二颜色光为红光，所述第三颜色光为蓝光。
进一步的，所述第一平坦层的折射率低于所述第一导光板和所述第二导光板的折射率。
一种显示装置，包括液晶面板及如上所述的准直背光模组。
进一步的，所述液晶面板包括：
对盒设置的第一基板和第二基板，在所述第一基板上设有遮光层，所述遮光层包括阵列排布的像素开口及遮光部，所述第一准直取光部件、所述第二准直取光部件和所述第三准直取光部件正对所述遮光部设置，所述第二基板上设有电极层，所述电极层包括多个分立的电极；
设置于所述第一基板和第二基板之间的液晶层；
及，控制模块，与各电极连接，用于通过控制电极的电压，使所述液晶层形成液晶光栅，以将由所述准直背光模组所出射的准直光线中第一颜色光准直光线、第二颜色光准直光线和第三颜色光衍射后，出射至所述遮光层。
本发明所带来的有益效果如下：
本发明所提供的准直背光模组及显示装置，可以将单色准直光(如：白色)分色为多种颜色的准直光，直接照射到对应的显示像素上，从而可无需彩膜等结构，即可实现彩色化显示，结构简单、轻薄，光能利用率高，可广泛应用于传统LCD显示、透明显示、AR/VR显示、微流控技术及光学检测等领域。
附图说明
图1表示本发明所提供的准直背光模组的第一种实施例的结构示意图；
图2表示本发明所提供的准直背光模组的第二种实施例的结构示意图；
图3表示本发明所提供的准直背光模组的第三种实施例的结构示意图；
图4表示本发明所提供的准直背光模组中第一取光光栅的设计原理示意图；
图5表示本发明所提供的准直背光模组中第二衍射光栅和第三取光光栅的光线调制原理示意图；
图6表示本发明所提供的准直背光模组中第一取光光栅的长度S与第二导光板2的厚度k之间相对关系示意图；
图7表示本发明所提供的显示装置的第一种实施例的结构示意图；
图8表示本发明所提供的显示装置的第二种实施例的结构示意图；
图9表示本发明所提供的显示装置的第三种实施例的结构示意图。
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，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术中准直背光模组仅能提供单色准直光，若实现彩色显示，需要设置彩膜等结构，存在不利于结构轻薄化、以及由于彩色滤光片透过率低导致光能利用率低等问题，本发明实施例中提供了一种准直背光模组及显示装置，可以提供多种颜色的准直光，从而可无需彩膜等结构，来实现彩色化显示，结构简单、轻薄，光能利用率高。
如图1至图3所示，本发明实施例所提供的准直背光模组，包括：
第一导光板100，所述第一导光板100包括入光侧、相背设置的底面和第一出光面；
准直光源200，设置于所述第一导光板100的入光侧，用于将准直光线耦合入所述第一导光板100内进行全反射传输；
第一准直取光部件300，设置于所述第一导光板100的第一出光面或底面一侧，用于将所述第一导光板100内的准直光线中，第一颜色光垂直所述第一出光面准直化取出，第二颜色光以与所述第一出光面呈第一倾斜角的角度准直化取出，第三颜色光以与所述第一出光面呈第二倾斜角的角度准直化取出，所述第一倾斜角与所述第二倾斜角不同；
第一平坦层400，覆盖于所述第一导光板100的出光面上；
第二导光板500，设置于所述第一平坦层400上，所述第二导光板500包括面向所述第一平坦层400的入光面、及与所述入光面相背设置的第二出光面，用于接收由所述第一准直取光部件300取出的准直光线；
第一衍射调制部件600，设置在所述入光面或所述第二出光面一侧，用于将由所述第一准直取光部件300取出的第二颜色光衍射调制后，以全反射的形式耦合入所述第二导光板500内进行全反射传输；
第二衍射调制部件700，设置在所述入光面或所述第二出光面一侧，用于将由所述第一准直取光部件300取出的第三颜色光衍射调制后，以全反射的形式耦合入所述第二导光板500内进行全反射传输；
第二准直取光部件800，设置在所述入光面或所述第二出光面一侧，用于将在所述第二导光板500内进行全反射传输的第二颜色光垂直于所述第二出光面准直化取出；
以及，第三准直取光部件900，设置在所述入光面或所述第二出光面一侧，用于将在所述第二导光板500内进行全反射传输的第三颜色光垂直于所述第二出光面准直化取出。
上述方案所提供的准直背光模组，可以将单色准直光(如：白色)分色为多种颜色的准直光(例如：红色、绿色和蓝色)，直接照射到对应的显示像素上，从而可无需彩膜等结构，即可实现彩色化显示，结构简单、轻薄，光能利用率高，可广泛应用于传统LCD显示、透明显示、AR/VR显示、微流控技术及光学检测等领域。
以下对于本发明实施例所提供的准直背光模组进行详细说明。
在本发明实施例所提供的准直背光模组中，所述准直光源200设置在第一导光板100的入光侧，用于将准直光线耦合入所述第一导光板100内进行全反射传输，如图1至图3所示，该准直光源200可以包括：
设置于所述第一导光板100的入光侧一侧的光源部件210；
及，设置于所述光源部件210与所述第一导光板100的入光侧之间的准直调光部件220，该准直调光部件220用于将所述光源部件210发出的光线准直化的以一中心角度耦合进入第一导光板100内，并使得光线在第一导光板100内能够高准直度进行全反射传输。
其中，所述光源部件210可以为白光光源，也可以是由第一颜色单色光源、第二颜色单色光源和第三颜色单色光源的这三种颜色单色光源阵列组合而成，并且，为保证所述第一导光板100内光线传输的准直性，可选择尺寸尽量小的LED光源，优选micro LED(微型LED阵列)，且为保证取出光线的准直性，优选光谱宽度窄的micro LED，例如，光谱宽度为+/-10nm范围内的micro LED，当然，所述光源部件210也可以选择OLED。
此外，所述准直调光部件220可以采用一自由曲面反射镜来实现，如图所示，该自由曲面反射镜包括一反射面221，该反射面221为自由曲面，可以将光源部件210所发出的光线准直化的以某一中心角度耦合进入第一导光板100内进行全反射传输，该反射面的曲面形状可以根据实际需要进行合理设计，优选的，所述反射面221的曲面形状可以为旋转抛物面结构。
需要说明的是，以上仅是提供所述准直光源200的一种示例性的实施例，在实际应用中，所述准直光源200的具体实现结构并不仅局限于此，还可以是其他结构，只要能够实现向第一导光板100提供准直光线，并使得准直光线在第一导光板100内进行全反射传输的结构均可应用于此。
此外，还需要说明的是，上述准直光源200向第一导光板100内耦合入的准直光线，在第一导光板100内的全反射传输角度的临界值由所述第一导光板100的折射率n1及所述第一平坦层400的折射率n2共同决定，准直光线在所述第一导光板100内的全反射传输条件满足：θ>θC＝arcsin(n2/n1)，其中θ表示光线在第一导光板内的传输角度，θC表示全反射临界角。
此外，在本发明实施例所提供的准直背光模组中，所述第一导光板100和所述第二导光板500均采用透明的介质材料，雾度低，吸光性弱，且为保证光线在第一导光板100和第二导光板500内部的全反射传输效果，第一导光板100的第一出光面和与该第一出光面相背的底面的平整度及平行度高，第二导光板500的入光面和第二出光面的平整度及平行度高。
在本发明实施例所提供的准直背光模组中，所述第一平坦层400可用于所述第一导光板100的第一出光面一侧的第一准直取光部件等结构进行平坦化，并隔开所述第一导光板100与所述第二导光板500，保证能够分别在两个导光板内各自进行光线全反射传输，所述第一平坦层400要求为低折射率材料，其折射率低于所述第一导光板100和所述第二导光板500，且优选的，所述第一平坦层400的厚度≥1um。
此外，在本发明实施例所提供的准直背光模组中，所述第一准直取光部件300主要作用是将第一导光板100内的准直光线中，第一颜色光以垂直于第一出光面的角度准直化取出，此外，还起到分光作用，将第二颜色光以与第一出光面呈第一倾斜角的角度准直化取出，将第三颜色光以与第一出光面呈第二倾斜角的角度准直化取出。
在一示例性的实施例中，如图1所示，所述第一准直取光部件300设置在所述第一导光板100的第一出光面一侧，在其他实施例中，所述第一准直取光部件300还可以设置在所述第一导光板100的底面一侧。
此外，在一示例性的实施例中，所述第一准直取光部件300采用取光光栅来实现，以下称所述第一准直取光部件300所采用的取光光栅为第一取光光栅301，利用第一取光光栅301将第一导光板100内的第一颜色光准直化的取出，与此同时，由于光栅衍射的波长敏感性，也会将经过该第一取光光栅301的第二颜色光和第三颜色光衍射以不同角度准直化的取出。
以所述第一颜色光为绿光(G光)，第二颜色光为红光(R光)，第三颜色光为蓝光(B光)为例，第一取光光栅301对光线取出的特点为：第二颜色光(R光)衍射角度偏向于第一颜色光(G光)准直光的一侧(图中所示左侧)，第三颜色光(B光)的衍射角度偏向于第一颜色光(G光)准直光的另一侧(图中所示右侧)，据此，实现分光分色。
需要说明的是，上述方案中，所述第一颜色光为绿光(G光)，第二颜色光为红光(R光)，第三颜色光为蓝光(B光)时，第一取出光栅可将第二颜色光和第三颜色光分别在第一颜色光的相对两侧、分别以第一倾斜角和第二倾斜角取出，在实际应用中，若第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光不限于以上，所述第二颜色光和所述第三颜色光还可以是以其他倾斜角度取出，例如，所述第二颜色光和所述第三颜色光还可以是均在所述第一颜色光的同一侧取出，只是取出时第一倾斜角和第二倾斜角不同。
此外，在上述方案中，所述第一取光光栅301可以为简单台阶光栅、倾斜光栅，材料要求为透明介质材料，优选为高折射率的透明介质材料，例如，SiNx(氮化硅)。
在一示例性的实施例中，如图1至图3所示，当所述第一准直取光部件300设置在所述第一导光板100的第一出光面一侧时，所述第一衍射调制部件600和所述第二衍射调制部件700均设置在所述第二导光板500的第二出光面一侧；在其他实施例中，所述第一准直取光部件300设置在所述第一导光板100的底面一侧时，所述第一衍射调制部件600和所述第二衍射调制部件700还可以设置在所述第二导光板500的入光面一侧。
此外，在示例性的实施例中，所述第一衍射调制部件600和第二衍射调制部件700均采用衍射光栅来实现，以下称所述第一衍射调制部件600所采用的衍射光栅为第一衍射光栅601，所述第二衍射调制部件700所采用的衍射光栅为第二衍射光栅701。
由于第一取光光栅301所取出的第二颜色光和第三颜色光不满足在第二导光板500内的全反射传输条件，因此，在所述第二导光板500的第二出光面上分别设计了第一衍射光栅601和第二衍射光栅701，它们的作用分别是：所述第一衍射光栅601将从第一导光板100所取出的准直化的第二颜色光衍射调制，改变其传输方案，耦合进入第二导光板500内，使其在所述第二导光板500内全反射传输；所述第二衍射光栅701将从第一导光板100所取出的准直化的第三颜色光衍射调制，改变其传输方案，耦合进入第二导光板500内，使其在所述第二导光板500内全反射传输。
在上述方案中，所述第一衍射光栅601可以为简单台阶光栅、倾斜光栅或者闪耀光栅，优选为倾斜光栅或闪耀光栅，所述第一衍射光栅601的材料可以为介质或金属，优选为金属，以保证其具有较高的衍射效率；所述第二衍射光栅701可以为简单台阶光栅、倾斜光栅或者闪耀光栅，优选为倾斜光栅或闪耀光栅，所述第二衍射光栅701的材料可以为介质或金属，优选为金属，以保证其具有较高的衍射效率。
此外，在一示例性的实施例中，所述第二准直取光部件800和所述第三准直取光部件900均可采用取光光栅来实现，以下称所述第二准直取光部件800所采用的取光光栅为第二取光光栅801，所述第三准直取光部件900所采用的取光光栅为第三取光光栅901。由于最终需要将第二颜色光和第三颜色光以垂直于所述第二出光面的角度从所述第二导光板500内准直化取出，因此，在所述第二导光板500的合适位置分别设置第二取光光栅801和第三取光光栅901，来分别将所述第二导光板500内全反射传输的第二颜色光和第三颜色光准直化取出。
在上述方案中，所述第二取光光栅801可以为简单台阶光栅、倾斜光栅或者闪耀光栅，优选为倾斜光栅或闪耀光栅，所述第二取光光栅801的材料可以为介质或金属；所述第三取光光栅901可以为简单台阶光栅、倾斜光栅或者闪耀光栅，优选为倾斜光栅或闪耀光栅，所述第三取光光栅901的材料可以为介质或金属。
此外，需要说明的是，所述第二取光光栅801设置在所述第二导光板500的合适位置上，其所指的是，所述第二取光光栅801需要设置在第二颜色光在所述第二导光板500的全反射传输路径上，应在第二颜色光与第二导光板500的入光面或第二出光面的接触面上，具体的，可以是在第二颜色光在第二导光板500内由第一衍射光栅601调制后进行一次或者多次全反射之后，设置所述第二取光光栅801将第二颜色光衍射取出，可以根据实际需求设计。
例如，图2所示为一示例性的实施例，该实施例中，所述第二取光光栅801设置在所述第二导光板500的入光面一侧，并位于第二颜色光在第二导光板500内由第一衍射光栅601调制而进行一次全反射传输的位置上，此时，所述第二取光光栅801优选为反射式光栅，优选为倾斜光栅与闪耀光栅，材料优选金属，以保证其具有较高的衍射效率；图1所示为另一示例性的实施例，在该实施例中，所述第二取光光栅801设置在所述第二导光板500的第二出光面一侧，并位于第二颜色光在第二导光板500内由第一衍射光栅601调制而进行一次全反射传输的位置上，此时，所述第二取光光栅801优选为透射式光栅，优选为倾斜光栅与闪耀光栅，材料优选介质，以保证其具有较高的衍射效率；图3所示为另一示例性的实施例，在该实施例中，所述第二取光光栅801设置在所述第二导光板500的第二出光面一侧，并位于第二颜色光在第二导光板500内由第一衍射光栅601调制而进行多次全反射传输的位置上，此时，所述第二取光光栅801优选为透射式光栅，优选为倾斜光栅与闪耀光栅，材料优选介质，以保证其具有较高的衍射效率。
同样的，所述第三取光光栅901设置在所述第二导光板500的合适位置上，其所指的是，所述第三取光光栅901需要设置在第三颜色光在所述第二导光板500的全反射传输路径上，应在第三颜色光与第二导光板500的入光面或第二出光面的接触面上，具体的，可以是在第三颜色光在第二导光板500内由第二衍射光栅701调制后进行一次或者多次全反射之后，设置所述第三取光光栅901将第三颜色光衍射取出，可以根据实际需求设计。
例如，图2所示为一示例性的实施例，该实施例中，所述第三取光光栅901设置在所述第二导光板500的入光面一侧，并位于第三颜色光在第二导光板500内由第二衍射光栅701调制而进行一次全反射传输的位置上，此时，所述第三取光光栅901优选为反射式光栅，优选为倾斜光栅与闪耀光栅，材料优选金属，以保证其具有较高的衍射效率；图1所示为另一示例性的实施例，在该实施例中，所述第三取光光栅901设置在所述第二导光板500的第二出光面一侧，并位于第三颜色光在第二导光板500内由第二衍射光栅701调制而进行一次全反射传输的位置上，此时，所述第三取光光栅901优选为透射式光栅，优选为倾斜光栅与闪耀光栅，材料优选介质，以保证其具有较高的衍射效率。图3所示为另一示例性的实施例，在该实施例中，所述第三取光光栅901设置在所述第二导光板500的第二出光面一侧，并位于第二颜色光在第二导光板500内由第二衍射光栅701调制而进行多次全反射传输的位置上，此时，所述第三取光光栅901优选为透射式光栅，优选为倾斜光栅与闪耀光栅，材料优选介质，以保证其具有较高的衍射效率。
以上是本发明实施例所提供的准直背光模组的实施例，以下说明第一准直取光部件300、第一衍射调制部件600、第二衍射调制部件700、第二准直取光部件800和第三准直取光部件900的具体设计原理。
以所述第一准直取光部件300设置在所述第一导光板100的第一出光面一侧，所述第一准直取光部件300为第一取光光栅301为例，图4所示为第一取光光栅301的设计原理示意图。
如图4所示，第一取光光栅301的设置目的是将第一颜色光以垂直于第一导光板100的第一出光面的角度准直取出，即以0°向上出射，可根据光栅公式设计第一取光光栅301的光栅周期P1，则所述第一准直取光部件300的光栅周期P1满足以下公式：
n1*sinθ1-n2*sinθ2＝m1*λ1/P1
(1)
其中，n1为所述第一导光板100的折射率；n2为所述第一平坦层400的折射率；P1为第一取光光栅301的光栅周期；θ1为所述第一导光板100内的准直光线的入射至第一取光光栅301的入射光线角度；θ2为所述第一导光板100内的准直光线经所述第一准直取光部件300衍射调制后的衍射光线角度，其中，对于第一颜色光来说，此时，θ2＝0；m1为衍射级次，m1一般选择-1或+1；λ1为入射至所述第一取光光栅301的光线的光波长，对于第一颜色光来说，此时，λ1为第一颜色光的光波长。
其中，第一取光光栅301的光栅线宽L及槽深h决定其衍射效率，可以根据具体的器件结构需要进行优化设计，对此不进行具体限定。
有公式(1)可知，第一取光光栅301对波长敏感，不同的入射波长，同一级次有不同的衍射角度，当第一导光板100内的准直光线经过第一取光光栅301时,会按照三种不同的角度衍射，以第一颜色光为绿光，第二颜色光为红光，第三颜色光为蓝光为例，当第一颜色光以垂直于第一导光板100的第一出光面的角度准直出射时，第二颜色光和第三颜色光的衍射角度将会分别偏向于第一颜色光的准直出射光的相对两侧。
第二颜色光和第三颜色光的衍射光线经过所述第一平坦层400后，会进入到第二导光板500内，那么，由于介面的折射作用，在第二导光板500内各光线的传输角度可按照如下公式计算：
n2*sinθ2＝n3*sinθ3 (2)
其中，n2为所述第一平坦层400的折射率；n3为第二导光板500的折射率；θ3为光线在第二导光板500内的传输角度，θ2为所述第一导光板100内的准直光线经所述第一准直取光部件300衍射调制后的衍射光线角度。如图所示，对于第三颜色光而言，θ2＝βb，θ3＝θb，βb为第三颜色光从所述第一平坦层400入射至第二导光板500的入光面的入射角度，θb为第三颜色光从所述第一平坦层400入射至所述第二导光板500的入光面的出射角度。同样地，对于第二颜色光而言，θ2＝βr，θ3＝θr，βr为第二颜色光从所述第一平坦层400入射至第二导光板500的入光面的入射角度，θr为第二颜色光从所述第一平坦层400入射至所述第二导光板500的入光面的出射角度。
第一衍射光栅601和第二衍射光栅701的作用及设计原理类似，以下就以第二衍射光栅701为例，来说明第一衍射光栅601和第二衍射光栅701的设计方式。
第二衍射光栅701的设置目的是将由第一取光光栅301多取出的、进入第二导光板500内的第三颜色光衍射调制，将其以全反射的形式耦合进入第二导光板500内全反射传输。
结合上述公式(1)和公式(2)，光栅方程及光线传播的折射定律，可以计算第三颜色光初次进入第二导光板500内的入射角度，即θb，公式如下：
n1*sinθ1-n2*sinβb＝m1*λB/P1 (3)
n2*sinβb＝n3*sinθb (4)
其中，P1为第一取光光栅301的光栅周期；βb为第三颜色光经过第一取光光栅301之后在所述第一平坦层400中的衍射光线角度；θb表示第三颜色光穿过所述第一平坦层400后，在所述第二导光板500的初始入射角度；n2为所述第一平坦层400的折射率；n3表示第二导光板500的折射率；θ1为所述第一导光板100内的准直光线的入射至第一取光光栅301的入射光线角度；λB为第三颜色光的光波长；m1为衍射级次，m1一般选择-1级或+1级。
图4所示为第一衍射光栅601和第二衍射光栅701的光线调制效果示意图，以第一衍射光栅601和第二衍射光栅701设置在第二导光板500的第二出光面为例，所述第二衍射光栅701的光栅周期P2的设计可由光栅方程得出：
n2*sinθb-n3*sinθB＝m2*λB/P2 (5)
其中，P2表示第二衍射光栅701的光栅周期；θB为第三颜色光经过第二衍射光栅701的衍射调制后的衍射角度，该角度要大于或等于第二导光板500的全反射传输角度，以保证第三颜色光能够在第二导光板500内全反射传输；θb表示第三颜色光穿过所述第一平坦层400后，在所述第二导光板500的初始入射角度；m2为第二衍射光栅701的衍射级次，在这里一般选取-1级或+1级；n2为所述第一平坦层400的折射率；n3表示第二导光板500的折射率；λB为第三颜色光的光波长。
其中，第二衍射光栅701的光栅槽深和占空比可以根据电磁波理论及相关光栅设计软件优化设计选择，保证光栅衍射调制的光学效率最高，对此不具体限定。
根据以上设计方式，可以得出第二衍射光栅701的结构参数，使其能够将入射到第二导光板500内的第三颜色光衍射调制，改变传输方向，在第二导光板500内位于第一颜色光的准直光的一侧进行全反射传输。
对于第一衍射光栅601的设计方式和第二衍射光栅701的方式类似，所述第一衍射光栅601的光栅周期P3的设计可由光栅方程得出：
n2*sinθr-n3*sinθR＝m3*λR/P3 (6)
其中，P3表示第一衍射光栅601的光栅周期；θR为第二颜色光经过第一衍射光栅601的衍射调制后的衍射角度，该角度要大于或等于第二导光板500的全反射传输角度，以保证第二颜色光能够在第二导光板500内全反射传输；θr表示第二颜色光穿过所述第一平坦层400后，在所述第二导光板500的初始入射角度；m3为第一衍射光栅601的衍射级次，在这里一般选取-1级或+1级；n2为所述第一平坦层400的折射率；n3表示第二导光板500的折射率；λR为第二颜色光的光波长。
其中，第一衍射光栅601的光栅槽深和占空比可以根据电磁波理论及相关光栅设计软件优化设计选择，保证光栅衍射调制的光学效率最高，对此不具体限定。
根据以上设计方式，可以得出第一衍射光栅601的结构参数，使其能够将入射到第二导光板500内的第二颜色光衍射调制，改变其传输方向，在第二导光板500内位于第一颜色光的准直光的一侧进行全反射传输。
第二取光光栅801与第三取光光栅901的的作用及设计原理类似，因此，以下就以第三取光光栅901为例，来说明第三取光光栅901和第二取光光栅801的设计方式。
图5所示，第三取光光栅901的设置目的是为了将第三颜色光以垂直于第二导光板500的第二出光面的角度准直取出，即，以0°向上出射。将第三取光光栅901设置于所述第二出光面一侧时(图所示)，第三取光光栅901为透射式光栅；将第三取光光栅901设置在第二导光板500的入光面一侧(图所示)，第三取光光栅901为反射式光栅，可根据不同的器件结构尺寸要求，来设置第三取光光栅901的位置。
以所述第三取光光栅901设置在第二导光板500的第二出光面为例，可根据光栅公式设计第三取光光栅901的光栅周期P4：
n3*sinθ3-n4*sinθ4＝m4*λB/P4 (6)
其中，n3为所述第二导光板500的折射率；n4为覆盖于所述第二出光面上的第二平坦层401或者空气的折射率；P4为第三取光光栅901的光栅周期；θ3为所述第二导光板500内的第三颜色光入射至第三取光光栅901的入射光线角度；θ4为所述第二导光板500内的第三颜色光经所述第三准直取光部件900衍射调制后的衍射光线角度，θ4＝0；m4为衍射级次，m4一般选择-1或+1；λB为第三颜色光的光波长。
第三取光光栅901的光栅线宽及占空比，可按照电磁波理论及优化设计算法计算，保证第三取光光栅901的高度衍射效率。
同样地，以所述第二取光光栅801设置在第二导光板500的第二出光面为例，可根据光栅公式设计第二取光光栅801的光栅周期P5：
n3*sinθ5-n4*sinθ6＝m5*λR/P5 (7)
其中，n3为所述第二导光板500的折射率；n4为覆盖于所述第二出光面上的第二平坦层401或者空气的折射率；P5为第三取光光栅901的光栅周期；θ5为所述第二导光板500内的第二颜色光入射至第二取光光栅801的入射光线角度；θ6为所述第二导光板500内的第二颜色光经所述第二准直取光部件800衍射调制后的衍射光线角度，θ6＝0；m5为衍射级次，m5一般选择-1或+1；λR为第二颜色光的光波长。
第二取光光栅801的光栅线宽及占空比，可按照电磁波理论及优化设计算法计算，保证第二取光光栅801的高度衍射效率。
此外，为保证本发明实施例所提供的准直背光模组中，可以将第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光完全分开，而不发生混光，即，第二衍射光栅701与第三衍射光栅不会对第一颜色光产生衍射作用，因此，如图6所示，对于所述第二导光板500的厚度k与第一取光光栅301的长度s相对关系要合理设计，可按照如下公式合理设计：
a·tan(βb)+k·tan(θb)＞S (8)
其中，a为所述第一平坦层400的厚度；S为所述第一取光光栅301的长度；k为所述第二导光板500的厚度，βb为第三颜色光经过第一取光光栅301之后在所述第一平坦层400中的衍射光线角度；θb表示第三颜色光穿过所述第一平坦层400后，在所述第二导光板500的初始入射角度；
a·tan(βbr)+k·tan(θbr)＞S
(9)
其中，a为所述第一平坦层400的厚度；S为所述第一取光光栅301的长度；k为所述第二导光板500的厚度，βr为第二颜色光经过第一取光光栅301之后在所述第一平坦层400中的衍射光线角度；θr表示第二颜色光穿过所述第一平坦层400后，在所述第二导光板500的初始入射角度。
如图6所示，所述第二导光板500的厚度k与第一取光光栅301的长度S之间的相对关系的限制是依据第三颜色光经过第一取光光栅301后，向一侧衍射的边界光线(图中虚线)经过第二导光板500后彻底与第一颜色光分离，这样，第三衍射光栅设置之后才不会对第一颜色光进行衍射；同样地，第二颜色光经过第一取光光栅301后，向另一侧衍射的边界光线(图中虚线)经过第二导光板500后彻底与第一颜色光分离，这样第二衍射光栅701设置之后才不会对第一颜色光衍射，从而，才可以将第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光彻底分开，最终实现三色无混光的准直背光。
本发明实施例所提供的准直背光模组，可应用于AR/VR、微流控、透明显示等领域，实现彩色化显示，结构简单，无需增加彩膜、量子点等结构。
本发明实施例中还提供了一种显示装置，包括液晶面板及本发明实施例所提供的准直背光模组。
在本发明所提供的实施例中，如图7至图9所示，所述液晶面板包括：
对盒设置的第一基板10和第二基板20，在所述第一基板10上设有遮光层11，所述遮光层11包括阵列排布的像素开口12及遮光部13，所述第一准直取光部件300、所述第二准直取光部件800和所述第三准直取光部件900正对所述遮光部13设置，所述第二基板20上设有电极层21，所述电极层21包括多个分立的电极；
设置于所述第一基板10和第二基板20之间的液晶层30；
及，控制模块，与各电极连接，用于通过控制电极的电压，使所述液晶层30形成液晶光栅，以将由所述准直背光模组所出射的准直光线中第一颜色光准直光线、第二颜色光准直光线和第三颜色光衍射后，出射至所述遮光层11。
上述方案中，所述液晶面板上可无需设置彩膜或量子点结构，利用本发明实施例提供的准直背光模组来为所述液晶面板提供三色准直光，实现彩色显示。
其中，上述显示装置，在进行暗态显示(L0)时，由于所述准直背光模组中的第一准直取光部件300、所述第二准直取光部件800和所述第三准直取光部件900正对第一基板10上的遮光层11中的遮光部设置，因此，所述准直背光模组中的三色准直光会被所述遮光层11吸收，而实现暗态显示；在亮态显示(L255)时，通过向各电极上施加电压信号，使得液晶层30形成液晶光栅，经液晶光栅的衍射后出射，通过给电极加不同的电压信号，实现液晶光栅对入射光的不同衍射效率，进而实现多灰阶显示。
图7至图9示例性的给出了本发明所提供的显示装置的几种实施例。
其中，7所示为本发明实施例中提供的显示装置的第一种实施例的结构示意图，在本实施例中，所述显示装置中的准直背光模组所采用的是图1所示的准直背光模组；图8所示为本发明实施例中提供的显示装置的第二种实施例的结构示意图；在本实施例中，所述显示装置中的准直背光模组所采用的是图2所示的准直背光模组；图9所示为本发明实施例中提供的显示装置的第三种实施例的结构示意图，在本实施例中，所述显示装置中的准直背光模组所采用的是图3所示的准直背光模组。
本发明实施例所提供的显示装置，可应用于AR/VR、微流控、透明显示等领域，实现彩色化显示，无需增加彩膜、量子点等结构，结构简单、轻薄，光能利用率高。
以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种准直背光模组，其特征在于，包括：
第一导光板，所述第一导光板包括入光侧、相背设置的底面和第一出光面；
准直光源，设置于所述第一导光板的入光侧，用于将准直光线耦合入所述第一导光板内进行全反射传输；
第一准直取光部件，设置于所述第一导光板的第一出光面或底面一侧，用于将所述第一导光板内的准直光线中，第一颜色光垂直所述第一出光面准直化取出，第二颜色光以与所述第一出光面呈第一倾斜角的角度准直化取出，第三颜色光以与所述第一出光面呈第二倾斜角的角度准直化取出，所述第一倾斜角与所述第二倾斜角不同；
第一平坦层，覆盖于所述第一导光板的出光面上；
第二导光板，设置于所述第一平坦层上，所述第二导光板包括面向所述第一平坦层的入光面、及与所述入光面相背设置的第二出光面，用于接收由所述第一准直取光部件取出的准直光线；
第一衍射调制部件，设置在所述入光面或所述第二出光面一侧，用于将由所述第一准直取光部件取出的第二颜色光衍射调制后，以全反射的形式耦合入所述第二导光板内进行全反射传输；
第二衍射调制部件，设置在所述入光面或所述第二出光面一侧，用于将由所述第一准直取光部件取出的第三颜色光衍射调制后，以全反射的形式耦合入所述第二导光板内进行全反射传输；
第二准直取光部件，设置在所述入光面或所述第二出光面一侧，用于将在所述第二导光板内进行全反射传输的第二颜色光垂直于所述第二出光面准直化取出；
以及，第三准直取光部件，设置在所述入光面或所述第二出光面一侧，用于将在所述第二导光板内进行全反射传输的第三颜色光垂直于所述第二出光面准直化取出。
2.根据权利要求1所述的准直背光模组，其特征在于，
所述第一准直取光部件为第一取光光栅，包括简单台阶光栅或倾斜光栅，其材料为透明介质材料；
所述第二准直取光部件为第二取光光栅，包括简单台阶光栅、倾斜光栅或闪耀取光光栅，其材料为介质或金属；
所述第三准直取光部件为第三取光光栅，包括简单台阶光栅、倾斜光栅或闪耀取光光栅，其材料为介质或金属；
所述第一衍射调制部件为第一衍射光栅，简单台阶光栅、倾斜光栅或闪耀光栅，其材料为介质或金属；
所述第二衍射调制部件为第二衍射光栅，包括简单台阶光栅、倾斜光栅或闪耀光栅，其材料为介质或金属。
3.根据权利要求2所述的准直背光模组，其特征在于，
所述第二准直取光部件设置在所述入光面一侧时，所述第二取光光栅为反射式光栅；所述第二准直取光部件设置在所述第二出光面一侧时，所述第二取光光栅为透射式光栅；
所述第三准直取光部件设置在所述入光面一侧时，所述第三取光光栅为反射式光栅；所述第三取光光栅设置在所述第二出光面一侧时，所述第三取光光栅为透射式光栅。
4.根据权利要求2所述的准直背光模组，其特征在于，
所述第一准直取光部件的光栅周期P1满足以下公式：
n1*sinθ1-n2*sinθ2＝m1*λ1/P1
其中，n1为所述第一导光板的折射率；n2为所述第一平坦层的折射率；P1为第一取光光栅的光栅周期；θ1为所述第一导光板内的准直光线的入射至第一取光光栅的入射光线角度；θ2为所述第一导光板内的准直光线经所述第一准直取光部件衍射调制后的衍射光线角度，θ2＝0；m1为衍射级次，m1＝-1或+1；λ1为第一颜色光的光波长；
第三取光光栅的光栅周期P4满足以下公式：
n3*sinθ3-n4*sinθ4＝m4*λB/P4
其中，n3为所述第二导光板的折射率；n4为覆盖于所述第二出光面上的第二平坦层401或者空气的折射率；P4为第三取光光栅的光栅周期；θ3为所述第二导光板内的第三颜色光入射至第三取光光栅的入射光线角度；θ4为所述第二导光板内的第三颜色光经所述第三准直取光部件衍射调制后的衍射光线角度，θ4＝0；m4为衍射级次，m4＝-1或+1；λB为第三颜色光的光波长；
第二取光光栅的光栅周期P5满足以下公式：
n3*sinθ5-n4*sinθ6＝m5*λR/P5
其中，n3为所述第二导光板的折射率；n4为覆盖于所述第二出光面上的第二平坦层401或者空气的折射率；P5为第三取光光栅的光栅周期；θ5为所述第二导光板内的第二颜色光入射至第二取光光栅的入射光线角度；θ6为所述第二导光板内的第二颜色光经所述第二准直取光部件衍射调制后的衍射光线角度，θ6＝0；m5为衍射级次，m5一般选择-1或+1；λR为第二颜色光的光波长。
5.根据权利要求2所述的准直背光模组，其特征在于，
所述第二衍射光栅的光栅周期P2满足以下公式：
n2*sinθb-n3*sinθB＝m2*λB/P2
其中，P2表示第二衍射光栅的光栅周期；θB为第三颜色光经过第二衍射光栅的衍射调制后的衍射角度，该角度要大于或等于第二导光板的全反射传输角度，以保证第三颜色光能够在第二导光板内全反射传输；θb表示第三颜色光穿过所述第一平坦层后，在所述第二导光板的初始入射角度；m2为第二衍射光栅的衍射级次，m2＝-1或+1；n2为所述第一平坦层的折射率；n3表示第二导光板的折射率；λB为第三颜色光的光波长；
所述第一衍射光栅的光栅周期P3满足以下公式：
n2*sinθr-n3*sinθR＝m3*λR/P3
其中，P3表示第一衍射光栅的光栅周期；θR为第二颜色光经过第一衍射光栅的衍射调制后的衍射角度，该角度要大于或等于第二导光板的全反射传输角度，以保证第二颜色光能够在第二导光板内全反射传输；θr表示第二颜色光穿过所述第一平坦层后，在所述第二导光板的初始入射角度；m3为第一衍射光栅的衍射级次，m3＝-1或+1；n2为所述第一平坦层的折射率；n3表示第二导光板的折射率；λR为第二颜色光的光波长。
6.根据权利要求2所述的准直背光模组，其特征在于，
所述第二导光板的厚度k与所述第一准直取光部件的光栅长度s满足如下公式：
a·tan(βb)+k·tan(θb)＞S
a·tan(βr)+k·tan(θr)＞S
其中，a为所述第一平坦层的厚度；S为所述第一取光光栅的长度；k为所述第二导光板的厚度，βb为第三颜色光经过第一取光光栅之后在所述第一平坦层中的衍射光线角度；θb表示第三颜色光穿过所述第一平坦层后，在所述第二导光板的初始入射角度；βr为第二颜色光经过第一取光光栅之后在所述第一平坦层中的衍射光线角度；θr表示第二颜色光穿过所述第一平坦层后，在所述第二导光板的初始入射角度。
7.根据权利要求1所述的准直背光模组，其特征在于，
所述第一颜色光为绿光，所述第二颜色光为红光，所述第三颜色光为蓝光。
8.根据权利要求1所述的准直背光模组，其特征在于，
所述第一平坦层的折射率低于所述第一导光板和所述第二导光板的折射率。
9.一种显示装置，其特征在于，包括液晶面板及如权利要求1至8任一项所述的准直背光模组。
10.根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，
所述液晶面板包括：
对盒设置的第一基板和第二基板，在所述第一基板上设有遮光层，所述遮光层包括阵列排布的像素开口及遮光部，所述第一准直取光部件、所述第二准直取光部件和所述第三准直取光部件正对所述遮光部设置，所述第二基板上设有电极层，所述电极层包括多个分立的电极；
设置于所述第一基板和第二基板之间的液晶层；
及，控制模块，与各电极连接，用于通过控制电极的电压，使所述液晶层形成液晶光栅，以将由所述准直背光模组所出射的准直光线中第一颜色光准直光线、第二颜色光准直光线和第三颜色光衍射后，出射至所述遮光层。
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