CN109633977A - 背光模组及显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种背光模组及显示装置。该背光模组包括光源、导光板和调光器件，所述导光板具有入光侧、第一出光侧和与所述第一出光侧相对设置的第二出光侧，所述调光器件位于所述导光板的第二出光侧；所述光源用于向所述导光板的入光侧照射光线；所述导光板用于将至少部分所述光线经所述第二出光侧传输至所述调光器件；所述调光器件用于将所述至少部分光线以预定方向反射至所述导光板的第二出光侧。本发明所提供的背光模组及显示装置，无需设置其他光学膜材，即可实现背光源出光光型的精确调制，简化了背光模组的结构，同时有效降低了背光模组的光能损耗，提升了背光模组的光利用效率。

Description

背光模组及显示装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，特别涉及一种背光模组及显示装置。

背景技术

目前，在液晶显示器(Liquid Crystal Display，简称：LCD)中，背光模组主要由光源、导光板和扩散板、棱镜片、反射片等光学膜材组成，限于光学膜材的结构特点，从导光板出射的光线只能被动扩散、反射，对反射或者扩散出去的光线的方向不能进行控制，从而无法有效降低背光模组的光能损耗和提高光利用效率。

此外，微显示器大多应用于头戴式的AR或VR设备，其中，头戴式的AR或VR设备一般使用高分辨率小尺寸显示屏，通过光学系统放大成像或投影在人眼视网膜进行显示。目前，高端的微显示设备大多使用OLED屏幕，虽然OLED本身可以自发光且发光效率较高，使得OLED在相同发光强度下的功耗更低，但实际人眼在观察时并不需要过大视场的发光角度，部分边缘大视场的冗余发光角度上存在部分光能损耗，因而OLED实际能够被利用的光能往往不如预期。因此，微显示设备的光能损耗和光利用效率仍是目前行业内亟待解决的技术问题之一。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一，提供一种背光模组及显示装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种背光模组，该背光模组包括光源、导光板和调光器件，所述导光板具有入光侧、第一出光侧和与所述第一出光侧相对设置的第二出光侧，所述调光器件位于所述导光板的第二出光侧；

所述光源用于向所述导光板的入光侧照射光线；

所述导光板用于将至少部分所述光线经所述第二出光侧传输至所述调光器件；

所述调光器件用于将所述至少部分光线以预定方向反射至所述导光板的第二出光侧。

可选地，所述调光器件包括微镜阵列和控制阵列，所述微镜阵列包括多个微反射镜，所述控制阵列包括与所述微反射镜对应设置的控制单元；

所述导光板具体用于控制至少部分所述光线经所述第二出光侧传输至至少部分所述微反射镜；

针对至少部分所述微反射镜中的每一个，该微反射镜对应的所述控制单元用于控制该微反射镜在设定的空间角度范围内相对所述导光板偏转，以控制传输至该微反射镜上的光线以所述预定方向反射至所述导光板的第二出光侧。

可选地，所述空间角度范围为-45°至+45°。

可选地，所述控制单元包括控制器、支杆、致动滚珠，所述支杆的一端设置于所述控制器上，所述致动滚珠设置于所述支杆的另一端，所述微反射镜位于所述致动滚珠上；

所述控制器用于通过控制所述支杆相对所述第一出光侧的法线偏折，以控制所述微反射镜在设定的空间角度范围内相对导光板偏转；通过控制所述致动滚珠相对所述支杆转动，以使所述微反射镜沿与所述微反射镜所在平面平行的方向移动。

可选地，所述控制阵列为MEMS微电机阵列，所述控制器为电机控制器。

可选地，所述预定方向与所述第一出光侧的法线之间的夹角小于其中，n为所述导光板的折射率。

可选地，所述导光板的第二出光侧具有多个朝向所述调光器件突出的网点结构，所述网点结构用于将至少部分所述光线传输至所述调光器件。

为实现上述目的，本发明提供一种显示装置，该显示装置包括显示面板和上述的背光模组，所述显示面板具有出光侧和与出光侧相对设置的背光侧，所述背光模组位于所述显示面板的背光侧。

可选地，该显示装置还包括眼球跟踪装置；

所述眼球跟踪装置用于获取人眼眼球的位移数据；

所述调光器件用于根据所述位移数据，将所述至少部分光线以预定方向反射至所述导光板的第二出光侧。

可选地，所述显示装置包括头戴式AR设备或者头戴式VR设备。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种背光模组的结构示意图；

图2为图1中的调光器件的结构示意图；

图3为微反射镜的一种偏转状态示意图；

图4为每个微反射镜的控制方式示意图；

图5为本发明实施例二提供的一种显示装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的背光模组及显示装置进行详细描述。

图1为本发明实施例一提供的一种背光模组的结构示意图，图2为调光器件的结构示意图，如图1和图2所示，该背光模组包括光源1、导光板2和调光器件3，导光板2具有入光侧21、第一出光侧22和与第一出光侧22相对设置的第二出光侧23，调光器件3位于导光板2的第二出光侧23。

其中，光源1用于向导光板2的入光侧21照射光线；导光板2用于将至少部分光线经第二出光侧23传输至调光器件3；调光器件3用于将至少部分光线以预定方向反射至导光板2的第二出光侧23。

本实施例中，优选地，所述预定方向为相同方向，即优选地，调光器件3用于将至少部分光线以相同方向反射至导光板2的第二出光侧23。本实施例中，以预定方向反射至导光板2的第二出光侧23的光线中的至少部分光线，以预定方向从导光板2的第一出光侧22出射。

本实施例中，通过在导光板2的第二出光侧23设置调光器件，对从导光板2的第二出光侧23出射的光线进行精确调制，使得至少部分光线以预定方向反射至所述导光板2的第二出光侧23，至少部分光线中的至少部分光线经导光板2的第一出光侧22继续以预定方向出射。因此，本实施例中，以调光器件取代传统背光模组的光学膜材，简化了背光模组的结构，有效降低了背光模组的光能损耗，提高了背光模组的光利用效率。在实际应用中，背光模组应用于透射式液晶显示器，透射式液晶显示器作为微显示设备，应用于头戴式AR或者VR设备，取代传统的OLED显示屏，无需过大视场的发光角度，通过调制背光模组的光出射方向，从而能够充分利用有效视场的全部光能，尽可能地减少无效视场的冗余光能，进而提高了头戴式AR或者VR设备的光利用效率，减少了光能损耗。

本实施例中，背光模组为侧入式背光模组。具体地，光源1位于导光板2的入光侧21，如图1所示，入光侧21与第一出光侧22、第二出光侧23连接。

本实施例中，优选地，如图1和图2所示，调光器件3包括微镜阵列(Micro-mirrorarray，简称：MA)31和控制阵列32。其中，微镜阵列31位于导光板2的第二出光侧23，控制阵列32位于微镜阵列31的远离导光板的一侧，微镜阵列31包括多个微反射镜311，控制阵列32包括与微反射镜311对应设置的控制单元。优选地，微反射镜311与控制单元一一对应设置。

具体地，导光板2具体用于控制至少部分光线经第二出光侧23传输至至少部分微反射镜311；针对至少部分微反射镜311中的每一个，该微反射镜311对应的控制单元用于控制该微反射镜311在设定的空间角度范围内相对导光板2偏转，以控制传输至该微反射镜311上的光线以预定方向反射至导光板2的第二出光侧23。

本实施例中，微反射镜311具有初始状态和偏转状态，图2示出了微反射镜311的初始状态，如图2所示，在初始状态下，微反射镜311所在的平面与导光板2所在的平面平行设置。图1示出了部分微反射镜311的偏转状态，图3为微反射镜的一种偏转状态示意图，如图1和图3所示，在偏转状态下，微反射镜311所在平面与导光板2所在平面呈一定夹角α，该夹角α即为微反射镜311的偏转角度α，该偏转角度α位于设定的空间角度范围。不难理解，在初始状态下，微反射镜311的偏转角度α为0°。具体而言，控制单元用于控制对应的微反射镜311在设定的空间角度范围内相对导光板偏转及其偏转角度α，以控制传输至该微反射镜311上的光线的反射方向。从而能够通过多个控制单元分别控制对应的微反射镜311的偏转角度α，使得照射在多个微反射镜311上的光线能够以预定方向反射至导光板2的第二出光侧23。

本实施例中，每个微反射镜311单独受对应的控制单元控制，每个微反射镜311的偏转角度α单独连续可控。即，控制单元控制对应的微反射镜311从初始状态偏转为一个偏转状态后，可继续控制该微反射镜311从一个偏转状态偏转为另一个偏转状态，从而实现实时动态调整该微反射镜311的偏转角度α。

图4为每个微反射镜的控制方式示意图，如图4所示，L2为微反射镜所在平面W的法线，L1为导光板2所在平面(假设导光板2所在平面为水平面)的法线，假设与水平方向D夹角为θ₁的光线入射在微反射镜311上，并以与法线L1夹角为θ₂的方向反射。根据反射定律，可以计算出该微反射镜311的偏转角度α与θ₁、θ₂之间的关系。具体地，根据图4可知，该光线的入射角为90°-θ₁-α，出射角为θ₂+α，根据反射定律，入射角等于出射角，因此90°-θ₁-α＝θ₂+α，即根据该公式，由于从导光板2的第二出光侧23出射的光线与水平方向D的夹角θ₁不会发生变化，因此，从导光板2的第二出光侧23出射的光线在微反射镜311上的反射方向将受到微反射镜311的偏转角度α的影响。本实施例中，通过控制单元控制微反射镜311的偏转角度α来控制光线在该微反射镜311上的反射方向，从而使得传输至该微反射镜311上的光线能够以所述预定方向反射至所述导光板2的第二出光侧23，反射至所述导光板2的第二出光侧23的光线中至少部分光线继续以所述预定方向经所述导光板2的第一出光侧22出射。

本实施例中，偏转角度α位于设定的空间角度范围，优选地，空间角度范围为-45°至+45°。例如，以初始状态下微反射镜311所在平面为基准平面，向逆时针方向偏转的角度为负，向顺时针方向偏转的角度为正。

本实施例中，如图1和图2所示，优选地，控制单元包括控制器321、支杆322、致动滚珠323，支杆322的一端设置于控制器321上，致动滚珠323设置于支杆322的另一端，微反射镜311位于致动滚珠323上，微反射镜311与对应的支杆322相互垂直。

具体地，控制器3231用于通过控制支杆322相对第一出光侧22的法线L1偏折，以控制微反射镜311在设定的空间角度范围内相对导光板2偏转；通过控制致动滚珠323相对支杆322转动，以使微反射镜311沿与微反射镜311所在平面平行的方向移动。从而使得从导光板2的第二出光侧23出射的光线能够照射在微反射镜311上，控制传输至该微反射镜311上的光线以所述预定方向反射至导光板2的第二出光侧23。需要说明的是，本实施例中，在偏转和移动过程中，微反射镜311始终与支杆322保持垂直关系。其中，不难理解的是，支杆322相对第一出光侧22的法线L1偏折的偏折角度等于微反射镜311偏转的偏转角度α。

本实施例中，控制阵列32为MEMS微电机阵列，控制器321为电机控制器。

本实施例中，优选地，所述预定方向与所述第一出光侧22的法线L1之间的夹角即θ₂小于其中，n为所述导光板2的折射率，1为空气的折射率。从而使得以预定方向反射至导光板2的第二出光侧23的光线从第二出光侧23射入导光板2中时不会发生全反射，而是以预定方向从导光板2的第一出光侧22出射。

本实施例中，优选地，导光板2的材料为玻璃。

本实施例中，如图1所示，优选地，导光板2的第二出光侧23具有多个朝向调光器件3突出的网点结构231，网点结构231用于将至少部分光线传输至调光器件3。具体地，至少部分光线从网点结构231出射，并传输至至少部分微反射镜311上。优选地，网点结构231与导光板2一体形成。

本实施例中，光源1发射的光线从导光板2的入光侧21进入导光板2后，部分光线在导光板2内发生全反射，另一部分光线从第二出光侧23的网点结构231出射并传输至至少部分微反射镜311，而在导光板2内发生全反射的光线中，至少部分光线在发生全反射后从导光板2的第二出光侧23出射并传输至至少部分微反射镜311。

本实施例中，所述预定方向为预先设定的方向，例如，预先设定与法线L1的夹角为0°的方向为所述预定方向。

下面将结合图1至图4对本实施例中的背光模组的工作原理进行详细说明。

如图1至图4所示，光源1发射的光线从导光板2的入光侧21进入导光板2后，部分光线在导光板2内发生全反射，另一部分光线从第二出光侧23的网点结构231出射并传输至至少部分微反射镜311，而在导光板2内发生全反射的光线中，至少部分光线在发生全反射后从导光板2的第二出光侧23出射并传输至至少部分微反射镜311。

针对至少部分微反射镜311中的每一个，该微反射镜311对应的控制器321通过控制对应的支杆322相对第一出光侧22的法线L1偏折的偏折角度，以控制该微反射镜311在设定的空间角度范围内相对导光板2所在平面偏转的偏转角度α，通过控制致动滚珠323相对支杆322转动，以使微反射镜311沿与微反射镜311所在平面平行的方向移动，直至光线能够照射在该微反射镜311上，从而使得传输至该微反射镜311上的光线能够以预先设定的方向反射至导光板2的第二出光侧23，并以该预先设定的方向从导光板2的第一出光侧22出射。其中，该预先设定的方向即为所述预定方向，例如，该预先设定的方向为与法线L1的夹角为0°的方向。图1示出了以与法线L1的夹角为0°的方向出射的光线的调制过程示意图，以其他角度的方向出射的光线的调制过程可参照上述0°角度的调制方式，此处不再赘述。

需要说明的是，本实施例中，由于每个控制单元单独控制每个微反射镜，因此，本实施例所提供的背光模组除了能够调制出以相同方向出射的光线以外，还能够根据实际使用需求调制出以不同方向出射的光线，即，调光器件3还用于控制所述至少部分光线以不同方向反射至所述导光板的第二出光侧。具体调制过程亦可参照上述以0°角度出射的调制方式。因此，本实施例所提供的背光模组，并不局限于调制一种以相同方向出射的出光光型，还可以通过调光器件3动态输出任意形式的与应用场景匹配的出光光型。

本实施例通过使用反射式微镜阵列(MA)作为背光调制的关键器件，整个调光器件中仅包含MA和MEMS微电机阵列，通过MEMS微电机控制微反射镜的偏转角度的变化，即可实现对背光源的出光光型的精确调制和发光角度的动态切换，省去了传统透射式显示器中扩散片、棱镜片等光学膜材的使用，简化了背光模组架构，大大简化了工艺难度，从光利用效率提升和光能损耗降低两个方面实现了更高精度的低功耗微显示需求，同时MA和MEMS微电机阵列的尺寸较小，可适用于微显示领域。

同时在某些特殊的微显示应用场景下，根据头戴式显示设备的运动和人眼观察时眼球运动的特点，调光器件可结合眼球跟踪装置实现背光源的出光光型与动态视觉匹配的最佳调制，通过调光器件的实时调制，使得显示设备的发光视场随时与人眼的最佳观察视场匹配，充分地利用有效视场的全部光能，尽可能减小无效视场冗余光线的损失，进一步提升光利用效率和降低光能损耗。

一方面，相较于现有的透射式微显示器，应用本实施例的背光模组的微显示器的背光中无须再使用其他光学膜材，简化了背光模组架构，同时反射式调光器件相比于透射式光学膜材具有更低的光能损耗。此外，应用本实施例的背光模组的微显示器可实现动态调光，即在不同情况下，可根据微显示器的偏动或人眼眼球的转动，通过本实施例的调光器件实时调制最佳的表面光型和出射角度，从而满足不同应用场景下的使用需求。

另一方面，相较于现有的头戴式显示设备中OLED或DMD投影式微显示器，本实施例通过将透射式液晶显示器与反射式动态调光器件的结合，集二者优势于一身，同时降低了工艺难度。

本实施例所提供的背光模组的技术方案中，调光器件位于导光板的第二出光侧，调光器件用于将传输至调光器件上的至少部分光线以预定方向反射至导光板的第二出光侧，使得反射至导光板的第二出光侧光线中的至少部分光线继续以所述预定方向从导光板的第一出光侧出射。通过在导光板下方设置调光器件，无需设置其他光学膜材，即可实现背光源出光光型的精确调制，简化了背光模组的结构，同时有效降低了背光模组的光能损耗，提升了背光模组的光利用效率。

图5为本发明实施例二提供的一种显示装置的结构示意图，如图5所示，该显示装置包括显示面板N和背光模组M，显示面板N具有出光侧和与出光侧相对设置的背光侧，背光模组M位于所述显示面板N的背光侧。

具体地，显示面板N包括相对设置的阵列基板4和彩膜基板5、以及位于阵列基板4和彩膜基板5之间的液晶层6、第一偏光片7和第二偏光片8，第一偏光片7位于彩膜基板5的背离阵列基板4的一侧，第二偏光片8位于阵列基板4的背离彩膜基板5的一侧。

具体地，背光模组M位于第二偏光片8的背离阵列基板4的一侧，背光模组M包括光源1、导光板2和调光器件3，具体地，背光模组采用上述实施例一所提供的背光模组，具体描述可参见上述实施例一，此处不再赘述。

本实施例中，显示装置为微显示装置。优选地，显示装置包括头戴式AR设备或者头戴式VR设备。

本实施例中，显示装置还包括眼球跟踪装置(图中未示出)，其中，眼球跟踪装置用于获取人眼眼球的位移数据；背光模组M中的调光器件用于根据人眼眼球的位移数据，将所述至少部分光线以预定方向反射至所述导光板的第二出光侧。该预定方向根据人眼眼球的位移数据设定，换言之，调光器件可根据人眼眼球的位移数据确定微反射镜的偏转角度α。具体地，控制单元具体用于根据人眼眼球的位移数据，确定出所述预定方向，继而确定出对应的微反射镜的偏转角度α，以控制所述至少部分光线以所述预定方向反射至所述导光板的第二出光侧。

假设在初始状态下，人眼眼球之间的中轴线与显示装置的发光面垂直(即中轴线与导光板所在平面垂直)，背光模组M的初始出光光型设定为以与导光板的第一出光侧的法线夹角为0°角度出射的出光光型，即初始状态下，中轴线与导光板的第一出光侧的法线夹角为0°。眼球跟踪装置可以预先获取初始状态下人眼眼球的初始位置坐标，当显示装置运动或者人眼眼球运动时，眼球跟踪装置实时获取人眼眼球的当前位置坐标，并根据人眼眼球的当前位置坐标和初始位置坐标确定出人眼眼球之间的中轴线的偏移量，位移数据包括中轴线的偏移量，偏移量为当前中轴线与初始状态下的中轴线之间的夹角。调光器件具体根据人眼眼球之间的中轴线的偏移量，确定对应的微反射镜的偏转角度α，以控制所述至少部分光线以预定方向反射至所述导光板的第二出光侧。其中，预定方向根据中轴线的偏移量确定，本实施例中，预定方向与中轴线平行。

本实施例中，通过背光模组的实时动态调光结合眼球跟踪装置的眼球运动跟踪，使得调光器件可以根据人眼眼球的运动调制匹配出最适合人眼观察的发光视角，并且显示装置的发光角度的中心视场始终与人眼眼球之间的中轴线重合。具体地，眼球跟踪装置获取的位移数据中包括眼球的偏移量，调光器件具体根据眼球的偏移量确定所述预定方向，从而确定微反射镜的偏转角度，以实现实时调整从导光板出射的光线的方向，继而使得显示装置的发光角度的中心视场始终与人眼眼球之间的中轴线重合，使得从导光板出射的光线能够以人眼的最佳观察角度从显示装置出射。

本实施例所提供的显示装置的技术方案中，背光模组包括位于导光板的第二出光侧的调光器件，调光器件用于将传输至调光器件上的至少部分光线以预定方向反射至导光板的第二出光侧，使得反射至导光板的第二出光侧光线中的至少部分光线继续以所述预定方向从导光板的第一出光侧出射。一方面，背光模组无需设置其他光学膜材，即可实现背光源出光光型的精确调制，简化了背光模组的结构，同时有效降低了背光模组的光能损耗，提升了背光模组的光利用效率；另一方面，通过调光器件结合眼球跟踪装置，控制显示装置的发光视场，以使显示装置的发光视场实时与人眼的最佳观察视场匹配，充分地利用有效视场的全部能量，尽可能减小无效视场冗余光线的损失，进一步提升了光利用效率和降低了光能损耗。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种背光模组，其特征在于，包括光源、导光板和调光器件，所述导光板具有入光侧、第一出光侧和与所述第一出光侧相对设置的第二出光侧，所述调光器件位于所述导光板的第二出光侧；

所述光源用于向所述导光板的入光侧照射光线；

所述导光板用于将至少部分所述光线经所述第二出光侧传输至所述调光器件；

所述调光器件用于将所述至少部分光线以预定方向反射至所述导光板的第二出光侧。

2.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，所述调光器件包括微镜阵列和控制阵列，所述微镜阵列包括多个微反射镜，所述控制阵列包括与所述微反射镜对应设置的控制单元；

所述导光板具体用于控制至少部分所述光线经所述第二出光侧传输至至少部分所述微反射镜；

针对至少部分所述微反射镜中的每一个，该微反射镜对应的所述控制单元用于控制该微反射镜在设定的空间角度范围内相对所述导光板偏转，以控制传输至该微反射镜上的光线以所述预定方向反射至所述导光板的第二出光侧。

3.根据权利要求2所述的背光模组，其特征在于，所述空间角度范围为-45°至+45°。

4.根据权利要求2所述的背光模组，其特征在于，所述控制单元包括控制器、支杆、致动滚珠，所述支杆的一端设置于所述控制器上，所述致动滚珠设置于所述支杆的另一端，所述微反射镜位于所述致动滚珠上；

所述控制器用于通过控制所述支杆相对所述第一出光侧的法线偏折，以控制所述微反射镜在设定的空间角度范围内相对导光板偏转；通过控制所述致动滚珠相对所述支杆转动，以使所述微反射镜沿与所述微反射镜所在平面平行的方向移动。

5.根据权利要求4所述的背光模组，其特征在于，所述控制阵列为MEMS微电机阵列，所述控制器为电机控制器。

6.根据权利要求1至5任一所述的背光模组，其特征在于，所述预定方向与所述第一出光侧的法线之间的夹角小于其中，n为所述导光板的折射率。

7.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，所述导光板的第二出光侧具有多个朝向所述调光器件突出的网点结构，所述网点结构用于将至少部分所述光线传输至所述调光器件。

8.一种显示装置，其特征在于，包括显示面板和权利要求1至7任一所述的背光模组，所述显示面板具有出光侧和与出光侧相对设置的背光侧，所述背光模组位于所述显示面板的背光侧。

9.根据权利要求8所述的显示装置，其特征在于，还包括眼球跟踪装置；

所述眼球跟踪装置用于获取人眼眼球的位移数据；

所述调光器件用于根据所述位移数据，将所述至少部分光线以预定方向反射至所述导光板的第二出光侧。

10.根据权利要求8或9所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置包括头戴式AR设备或者头戴式VR设备。