CN109856861B - 一种显示面板、显示装置，以及显示面板的驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种显示面板、显示装置，以及显示面板的驱动方法。显示面板包括：对盒设置的第一基板和第二基板，第一基板远离第二基板的一侧设置有阵列排布的点光源，第一基板接近第二基板的一侧设置有与该点光源一一对应的光耦合器件，光耦合器件远离第一基板的一侧设置有光栅层，第一基板与第二基板之间设置有液晶层；光耦合器件，用于将对应的点光源发出的、且穿过第一基板到达光耦合器件的光线反射到第一基板内，使得光线在第一基板中全反射传播。本发明解决了现有技术中的透明LCD面板，由于采用侧入式背光模组，而导致整个LCD面板中存在显示亮度不均匀和能量低下的问题。

Description

一种显示面板、显示装置，以及显示面板的驱动方法
技术领域
本申请涉及但不限于光电子技术领域，尤指一种显示面板、显示装置，以及显示面板的驱动方法。
背景技术
随着显示技术的发展以及显示器件的广泛应用，透明显示器件以其广泛的应用场景成为显示类产品中一种主流产品类型。现有的普通液晶显示(Liquid Crystal Display，简称为：LCD)器件，为了实现透明显示效果，通常采用侧入式的背光模组，即光源从下基板的侧面进入，并通过背光模组实现显示效果。
现有LCD面板通过侧入式背光实现透明显示效果的方案，受侧入式背光源出光方式的影响，在整个LCD面板中存在显示亮度不均匀，以及能量低下的问题，尤其对于大尺寸LCD面板的应用场景下，显示中的亮度不均和能量低下显得更为明显。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种显示面板、显示装置，以及显示面板的驱动方法，以解决现有技术中的透明LCD面板，由于采用侧入式背光模组，而导致整个LCD面板中存在显示亮度不均匀和能量低下的问题。
本发明实施例提供一种显示面板，包括：对盒设置的第一基板和第二基板，所述第一基板远离所述第二基板的一侧设置有阵列排布的点光源，所述第一基板接近所述第二基板的一侧设置有与所述点光源一一对应的光耦合器件，所述光耦合器件远离所述第一基板的一侧设置有光栅层，所述第一基板与所述第二基板之间设置有液晶层；
所述光耦合器件，用于将对应的所述点光源发出的、且穿过所述第一基板到达所述光耦合器件的光线反射到所述第一基板内，以使得所述光线在所述第一基板中全反射传播。
可选地，如上所述的显示面板中，还包括：设置于所述光耦合器件与所述光栅层之间的第一电极层，以及设置于所述液晶层接近所述第二基板一侧的第二电极层。
可选地，如上所述的显示面板中，还包括：设置于所述光耦合器件与所述第一电极层之间的平坦层；
所述第一基板、所述平坦层和所述第一电极层的折射率相等，且大于所述光栅层的折射率。
可选地，如上所述的显示面板中，所述第二基板和所述第二电极层的折射率相等，且所述光栅层、所述第二基板和所述第二电极层的折射率都小于所述第一基板的折射率。
可选地，如上所述的显示面板中，所述点光源为发光二极管或微型发光二极管。
可选地，如上所述的显示面板中，所述光耦合器件包括径向光栅或全息光栅。
可选地，如上所述的显示面板中，所述光耦合器件包括径向光栅，所述径向光栅包括多个设置为同心圆的环状线栅，且所述径向光栅的光栅周期沿所述环状线栅的半径，从接近圆心到远离圆心的位置逐渐变大。
可选地，如上所述的显示面板中，所述光耦合器件包括全息光栅，所述全息光栅包括平行设置的多个条状线栅，且所述全息光栅的光栅周期沿第一方向逐渐变大，且所述第一方向与所述条状线栅垂直。
可选地，如上所述的显示面板中，所述显示面板的像素大小为所述光栅层中光栅周期的5到50倍。
本发明实施例还提供一种显示装置，包括：如上述任一项所述的显示面板。
本发明实施例还提供一种显示面板的驱动方法，所述驱动方法由上述任一项所述的显示面板执行，所述驱动方法包括：
开启所述显示面板中的点光源，使得与所述点光源对应的光耦合器件将所述点光源发出的、且穿过所述第一基板到达所述光耦合器件的光线反射到第一基板内，以使得所述光线在所述第一基板中全反射传播；
调整所述显示面板中液晶层的折射率，以控制所述光栅层的开启或关闭，使得所述第一基板中的光线从所述光栅层中开启的光栅中出射。
可选地，如上所述的显示面板的驱动方法中，所述调整所述显示面板中液晶层的折射率，以控制所述光栅层的开启或关闭，包括以下至少一项：
调整所述液晶层中第一区域内液晶的折射率不等于所述光栅层的折射率，以控制所述第一区域在所述光栅层所在平面的正投影区域内的光栅开启，使得到达开启光栅的光线从所述开启光栅中出射；其中，光线穿过所述开启光栅的透光率随液晶的折射率发生变化；
调整所述液晶层中第二区域内液晶的折射率等于所述光栅层的折射率，以控制所述第二区域在所述光栅层所在平面的正投影区域内的光栅关闭，使得到达关闭光栅的光线在所述关闭光栅接近所述第一基板一侧的表面发生全反射。
可选地，如上所述的显示面板的驱动方法中，所述调整所述液晶层中第一区域内液晶的折射率不等于所述光栅层的折射率，包括：
控制所述液晶层中第一区域内液晶的折射率在预置折射率范围内变化，使得光线穿过所述开启光栅的透光率发生变化。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有可执行指令，所述可执行指令被处理器执行时可以实现如上述任一项所述的显示面板的驱动方法。
本发明实施例提供的显示面板、显示装置，以及显示面板的驱动方法，显示面板包括对盒设置的第一基板和第二基板，第一基板远离第二基板的一侧设置有阵列排布的点光源，第一基板接近第二基板的一侧设置有与点光源一一对应的光耦合器件，光耦合器件远离第一基板的一侧设置有光栅层，第一基板与第二基板之间设置有液晶层，其中，通过与点光源一一对应设置的光耦合器件，将对应点光源发出的、且穿过第一基板到达光耦合器件的光线反射到第一基板内，从而使得光线在第一基板中全反射传播，另外，由于液晶层的折射率具有可调节的性能，可以通过调节液晶层中液晶的折射率以控制光栅层的开启或关闭，使得第一基板中的光线从光栅层中开启的光栅中出射。本发明提供的显示面板，一方面，采用点光源和光耦合器件结合形成光源器件，可以将点光源发出的具有一定发散角的光线耦合进入第一基板，从而扩大到整个波导形成波导背光，并且点光源和光耦合器件为阵列化排布的，这样，不仅降低了显示面板中所需点光源的数量，从而降低功耗和实现透明显示，而且使得背光的均匀性和总量度得到了大幅度的提高；另一方面，采用光栅层和液晶层作为出光结构，通过液晶层的像素化取光方式，有利于降低显示面板的像素尺寸，从而大幅度提高显示面板的PPI；再者，利用光栅出光的方式可以实现指向性显示，即本发明实施例提供的显示面板可以应用于投影、近眼显示，以及AR和VR等技术领域中。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为现有LCD显示面板中一种光源结构的示意图；
图2为图1所示LCD显示面板中像素个数与取光能量的关系曲线图；
图3为本发明实施例提供的一种显示面板的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种显示面板的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的显示面板中一种液晶层折射率与光栅层透光率的关系曲线图；
图6为本发明实施例提供的显示面板中一种光耦合器件的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的显示面板中一种径向光栅的结构示意图；
图8为图7所示径向光栅中的区域微元在K1方向上的光栅结构；
图9为本发明实施例提供的一种显示面板的驱动方法的流程图；
图10为本发明实施例提供的另一种显示面板的驱动方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
上述背景技术中已经说明，现有普通LCD显示面板，为了实现透明显示，往往需要用到边缘入光的方式，即采用侧入式的背光模组，这就会导致取光强度随着取光次数的增加而减弱。为了解决上述取光强度的问题，需要针对不同取光位置设计不同的取光口大小，这对于加工来说增加了一定的成本。如图1所示，为现有LCD显示面板中一种光源结构的示意图。图1所示LCD显示面板200的下基板210的左侧面设置有侧入式背光模组220，设定光源能量为1，亮态像素的衍射出光效率设定为1％，即取光比例为1％，那么从第一次出光到第N次出光的亮度会递减，如图1所示，显示面板200从左到右第N个像素的光能量为0.99N*0.01。如图2所示，为图1所示LCD显示面板中像素个数与取光能量的关系曲线图，可以看出，设置于单侧的侧入式光源的光损耗是一个很严重的问题，这是因为光在基板中是单向传播的。
本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图3为本发明实施例提供的一种显示面板的结构示意图。本发明实施例提供的显示面板100可以包括：对盒设置的第一基板110和第二基板120，第一基板110远离第二基板120的一侧设置有阵列排布的点光源130，该第一基板接近第二基板120的一侧设置有与点光源130一一对应的光耦合器件140，该光耦合器件140远离第一基板110的一侧设置有光栅层150，第一基板110与第二基板120之间设置有液晶层161。从图3和显示面板100的常规制作工艺可知，在第一基板110上形成上述结构(包括点光源130、光耦合器件140和光栅层150)后，且第一基板110与第二基板120对盒后填充液晶，即图3中的液晶层161。
本发明实施例的上述结构中，光耦合器件140，用于将对应的点光源130发出的、且穿过第一基板110到达光耦合器件140的光线反射到第一基板110内，从而使得第一基板110内的光线在第一基板110中全反射传播；
本发明实施例的显示面板100，可以通过调整液晶层161中液晶的折射率来控制光栅层150的开启或关闭，从而使得第一基板110中的光线从光栅层150中开启的光栅中出射。
本发明实施例提供的显示面板100，为一种可以实现透明显示的LCD面板，该显示面板100的光源不同现有透明LCD面板中使用的侧入式背光模组，而是在显示面板100的下基板(即第一基板110)的下表面(即该第一基板110远离第二基板120的一侧)设置阵列排布的点光源130，这些点光源130可以是贴附到第一基板110的下表面的，该第一基板的上表面(即该第一基板110接近第二基板120的一侧)则设置有与上述点光源130一一对应排布的光耦合器件140，该点光源130和光耦合器件140即为显示面板100形式上的背光模组。
在实际应用中，点光源130发出的光线为发散性的，光线的发散角约为±60度(°)，这些点光源130发出的光线穿过第一基板110照射到与之一一对应的光耦合器件140上，可以将这些角度的光线以大于(或等于)第一基板110全反射角的角度耦合进入第一基板110，从而使得光线在第一基板110中以全反射方式进行传播，可以将该第一基板110中全反射传播的光线视为显示面板100的波导背光。由于本发明实施例提供的显示面板100中，点光源130设置于第一基板110远离第二基板120的一侧，光耦合器件140设置于第一基板110接近第二基板120的一侧，点光源130与光耦合器件140均为阵列形式排布的形式，且为一一对应的关系，显示面板100中的光源器件(即点光源130和光耦合器件140)的排布间距大。采用上述点光源130结合光耦合器件140的结构形成的光源器件，该光源器件的结构设计中，光耦合器件140可以将普通单颗点光源130的发散角扩大，即从±60°扩大到整个波导内，因此，可以降低所需的点光源130的数量，从而降低功耗并实现透明显示；并且由于阵列化的排布方式，背光的均一性和总亮度相比于现有技术中侧入式背光模组，大幅度的提升。也就是说，采用本发明实施例中的光源器件(即包括点光源130和光耦合器件140)替换普通LCD面板中的背光模组，可以将背光模组做成透明形态，即不采用侧入式背光模组就可以实现LCD面板的透明显示效果，并且与现有直下式背光模组的LCD面板相比，可以在很大程度上减少点光源130的数量，有利于降低功耗和物料成本；另外，基于上述点光源130和光耦合器件140配合使用的光源器件，由光耦合器件140耦合进入第一基板110中的波导背光(即在第一基板110中全反射传播的光线)具有相当大的光强度和可视区域，可以为高亮度透明显示面板提供光源基础。
需要说明的是，光耦合器件140设置于第一基板110的上表面、呈阵列式排布，由于光耦合器件140为第一基板110上的凸起结构，为了保证光线到达光栅层150之前保持全反射传播，在第一基板110与光栅层150之间除了设置有上述光耦合器件140之外，其它区域(图3中的111)采用折射率与第一基板110相同的材料填充，这样可以保证光线在第一基板110和区域111中直线传播，波导背光的波导层实际为第一基板110和区域111。
上述说明本发明实施例提供的显示面板100中，点光源130和光耦合器件140作为背光模组，将光线导入第一基板110内全反射传播，该显示面板100的出光结构包括光栅层150和液晶层161，其中，光栅层150可以为取光光栅，液晶层161决定取光光栅的开启和关闭，可以通过调整该液晶层161的折射率来控制光栅层150的开启或关闭，当光栅层150开启时，可以将第一基板110中的波导背光取出并从第二基板120侧出射，当光栅层150关闭时，第一基板110中的波导背光仍然全反射传播，作为不出光的暗态。
需要说明的是，本发明实施例中控制液晶层161的折射率并不是整个液晶层161为相同的折射率，可以控制液晶层161中第一区域161a内液晶的折射率与第二区域162b内液晶的折射率不同，相应地，光栅层150的开启和关闭也不是整个光栅层150统一开启或统一关闭，在较多的应用场景中，光栅层150中光栅也是分区域开启和关闭的，光栅的开启和关闭与相应位置的液晶折射率相关，例如，第一区域161a在光栅层150所在平面具有正投影区域，该正投影区域内的光栅的开启或关闭由该第一区域161a内液晶的折射率决定，当调整该第一区域161a内液晶的折射率时，可以控制该正投影区域内光栅的开启或关闭，当该正投影区域内的光栅开启时，光线被取出且从第一区域161a的位置出射，图3中出射光线的第一区域161a以低密度黑点的填充表示，图3中光栅为关闭状态，未出射光线的第二区域161b以高密度黑点的填充表示。另外，本发明实施例中利用光栅出光的方式可以实现指向性显示，可以使得本发明实施例提供的显示面板100应用于投影、近眼显示，以及增强现实(Augmented Reality，简称为：AR)和虚拟现实(Virtual Reality，简称为VR)等技术领域中。
本发明实施例提供的显示面板100，包括对盒设置的第一基板110和第二基板120，第一基板110远离第二基板120的一侧设置有阵列排布的点光源130，第一基板110接近第二基板120的一侧设置有与点光源130一一对应的光耦合器件140，光耦合器件140远离第一基板110的一侧设置有光栅层150，第一基板110与第二基板120之间设置有液晶层161，其中，通过与点光源130一一对应设置的光耦合器件140，将对应点光源130发出的、且穿过第一基板110到达该光耦合器件140的光线反射到第一基板110内，从而使得光线在第一基板110中全反射传播，另外，由于液晶层161的折射率具有可调节的性能，可以通过调节液晶层161中液晶的折射率以控制光栅层150的开启或关闭，使得第一基板110中的光线从光栅层150中开启的光栅中出射。本发明提供的显示面板100，一方面，采用点光源130和光耦合器件140结合形成光源器件，可以将点光源130发出的具有一定发散角的光线耦合进入第一基板110，从而扩大到整个波导形成波导背光，并且点光源130和光耦合器件140为阵列化排布的，这样，不仅降低了显示面板100中所需点光源130的数量，从而降低功耗和实现透明显示，而且使得背光的均匀性和总量度得到了大幅度的提高；另一方面，采用光栅层150和液晶层161作为出光结构，通过液晶层161的像素化取光方式，有利于降低显示面板100的像素尺寸，从而大幅度提高显示面板100的PPI；再者，利用光栅出光的方式可以实现指向性显示，即本发明实施例提供的显示面板100可以应用于投影、近眼显示，以及AR和VR等技术领域中。
可选地，图4为本发明实施例提供的另一种显示面板的结构示意图。在图3所示显示面板100的结构基础上，本发明实施例的显示面板100还可以包括：设置于光耦合器件140与光栅层150之间的第一电极层162，以及设置于液晶层161接近第二基板120一侧的第二电极层163。从图4可以看出，液晶层161的上下两侧分别设置有第一电极层162和第二电极层163。
在本发明实施例中的，可以通过与第一电极层162和第二电极层163相连接的处理器件对第一电极层162和第二电极层163施加电压，从而控制液晶层161中液晶的折射率。
本发明实施例中液晶层161及其上下电极层的结构如图4所示，第一电极层162为液晶层161的下电极，第二电极层163为液晶层161的上电极，该处理器通过控制液晶层161的上下电极用来驱动液晶层161中液晶的折射率发生变化，并且要保证上下电极的折射率与上下基板匹配，这样才不会影响液晶层161的显示效果。液晶层161为实现显示的关键因素，控制液晶层161的折射率的变化可以实现显示面板100中像素的亮暗控制。
在实际应用中，可以通过设置第一电极层162和第二电极层163的结构，在采用第一电极层162和第二电极层163对液晶层161施加电压时，控制液晶层161内液晶的折射率呈像素化分布，如图3和图4中第一区域161a和第二区域161b。例如，第一电极层162和第二电极层163都可以包括多个像素电极，且第一电极层162和第二电极层163中的像素电极形成上下像素电极对，通过对这些上下电极对加电，实现液晶折射率的像素化分布；再例如，第一电极层162可以为一公共电极层，第二电极层163中包括多个像素电极，对第一电极层162施加基准电压，对第二电极层163中的像素电极施加不同的电压，实现液晶折射率的像素化分布。
可选地，可以将光栅层150中的光栅结构视为与显示面板的像素一一对应像素光栅。在实际应用中，光栅层150中的像素光栅可以为统一的光栅结构，也可以为独立的光栅结构。本发明实施例中，显示面板的某个像素在光栅层150所在平面具有正投影区域，该正投影区域内的光栅视为该像素对应的像素光栅，因此，控制液晶层161中液晶折射率的实现方法可以为：
显示面板100还可以通过控制液晶层161中第一区域161a内液晶的折射率不等于光栅层150的折射率，使得该第一区域161a在光栅层150所在平面的正投影区域内的光栅开启，到达该开启光栅的光线从该开启光栅中出射；参照图4，该情况中的第一区域161a可以对应于显示面板100中的一个或多个像素；
显示面板100可以通过控制液晶层161中第二区域161b内液晶的折射率等于光栅层150的折射率，使得该第二区域161b在光栅层150所在平面的正投影区域内的光栅关闭，到达该关闭光栅的光线在关闭光栅接近第一基板110一侧的表面发生全反射；参照图4，该情况中的第二区域161b可以对应于显示面板100中的一个或多个像素。
在本发明实施例中，基于上述液晶层161的像素化取光设计，可以将显示面板100的各个像素的尺寸做小。实际应用中，显示面板100的像素大小可以为光栅层150中光栅周期的5到50倍，通常可以采用几个光栅周期(几微米)作为显示面板100的像素大小(pitch)。例如，光栅周期通常为百纳米(nm)级别，常见的有300nm～800nm，而利用光栅进行衍射需要多个光栅周期，通常采用5～10个光栅周期就可以满足衍射要求，以5个光栅周期为例，像素周期就是1.5微米(um)～4um左右，当然这个周期数目不是固定的，与具体的入射光情况以及光栅材料等因素相关；再例如，若像素尺寸大约为40um，光栅周期为1um或更小，也就是说一个像素内可以有40个甚至更多个光栅周期，并且可以满足“光栅偏转光线至特定角度出光”这样的需求；如果对于显示的指向性要求不高的话，可以用较少的光栅周期数(如采用上述示例照中的5个光栅周期)来获得较大的出光角度范围，来实现更大视角的显示，而光栅周期的上限数量可以是根据现有显示面板的尺寸以及PPI来计算(如上述示例中为40个或者更多个光栅周期)。基于本发明实施例的出光结构(液晶层161和光栅层150)以及显示面板100的像素大小与光栅周期的数量关系，可以降低显示面板100的像素尺寸，从而大幅度提高显示面板100的像素密度(Pixels Per Inch，简称为：PPI)。
在实际应用中，由于光耦合器件140通常也为光栅结构，即光耦合器件140为第一基板110上的凸起结构，在该光耦合器件140与第一电极层162之间需要设置平坦层170以填充光耦合器件140的凸起部分，保证结构的稳定性。本发明实施例的显示面板100中，耦合进入第一基板110内全反射传播的光线以第一基板110、平坦层170和第一电极层162作为光传输的波导层，即第一基板110、平坦层170和第一电极层162都要采用折射率较高的材料，即要保证光线进入液晶层161之前在上述波导层中全反射传播。另外，该显示面板100可以配合低折射率的光栅层150、第二电极层163和第二基板120，保证暗态像素下可以将光源的光线锁在波导层中，防止漏光；也需要满足出射的光线不会在第二电极层163和第二基板120的表面发生全反射，保证亮态像素的有效出光。
举例来说，第一基板110、平坦层170和第一电极层162的折射率均为1.7，光栅层150的折射率为1.5，当控制第二区域161b内液晶的折射率等于光栅层150的折射率(n＝1.5)，对应区域内的光栅关闭，并且第二区域161b内液晶的折射率小于第一基板110的折射率(n＝1.7)时，波导层的界面(即第一电极层162与光栅层150的界面)可以看作是两层均匀介质，此时，光线以大于全反射临界角(62°)的光线被锁在波导层中全反射传播，该第二区域161b对应的像素为暗态；当控制第一区域161a内液晶的折射率为1.7时，与对应的光栅层150形成周期性折射率变化，对应区域内的光栅开启，光线在此处发生衍射，传出波导层，该第一区域161b对应的像素为亮态。
由于显示面板的灰度通常为0～255，在显示中通常要求实现不同灰度的显示效果。可选地，在本发明实施例中，可以通过控制液晶层161中液晶的折射率不等于光栅层150的折射率，以实现亮态显示的方式可以为：
显示面板100可以通过控制第一区域161a内液晶的折射率在预置折射率范围内变化，使得光线穿过开启光栅的透过率发生变化。
如图5所示，为本发明实施例提供的显示面板中一种液晶层折射率与光栅层透光率的关系曲线图，设定波导层的折射率为1.7，光栅层150的折射率为1.52，可以控制液晶层161的折射率在预置折射率范围(例如1.52～1.7)内变化，得到图5所示透光率曲线，由于图5所示曲线图是通过多个离散点得到的，模拟出的曲线图因离散点的选取可能会有误差，但可以看出明显的趋势为，在液晶层161的折射率在1.58到1.62之间，光栅层150的透光率有明显的提升，液晶层161的折射率可以在1.58到1.7之间变化，以实现不同灰度的显示。
可选地，在本发明实施例中，点光源130可以选用发光二极管(Light EmittingDiode，简称为：LED)，还可以选用体积更小的微型发光二极管(Micro LED)。
需要说明的是，本发明实施例不限制点光源130的具体器件类型，只要是可以实现发散角约为±60°，且体积较小，可以贴合设置于第一基板110的下表面的光源器件，都可以作为本发明实施例中的点光源130。
可选地，在本发明实施例中，光耦合器件140可以采用径向光栅或全息光栅的光栅结构。
以采用径向光栅作为本发明实施例中光耦合器件140的具体结构为例，说明该径向光栅的实施方式。如图6所示，为本发明实施例提供的显示面板中一种光耦合器件的结构示意图，图6中为光耦合器件140的俯视图，且图6中的光耦合器件140为径向光栅，图7为本发明实施例提供的显示面板中一种径向光栅的结构示意图，图7中示意出了径向光栅140a的整体结构和该径向光栅140a的局部放大结构，本发明实施例中的径向光栅140a包括多个设置为同心圆的环状线栅141a，且该径向光栅140a的光栅周期沿环状线栅141a的半径，从接近圆心到远离圆心的位置逐渐变大。可以看出，径向光栅140a是径向对称的，即相同半径r对应的光栅周期是相同的，且径向光栅为周期p沿半径r变化的特殊光栅，同时，光栅矢量k沿着圆心向外辐射。如图7所示，径向光栅140a的周期从接近圆心的P1到远离圆心的P3沿其半径r变大。需要说明的是，径向光栅140a整体上呈圆环形(如图7所示)，在加工时可将径向光栅划分为多个区域微元，如图7中的P1到P3，每个区域微元可以做得尽量小，这样径向光栅可以更接近于圆环，图7示意出不同光栅方向上的区域微元P1～P3，例如方向K1和K2上的区域微元P1～P3，但相同半径r内的光栅周期相同。由于每个区域微元的结构是旋转对称的，图7所示区域11(图7中底色为浅灰色的区域)逆时针旋转一定角度后与区域21(图7中底色为深灰色的区域)完全重叠，所以设计时可以只考虑径向光栅在一个光栅方向上的光栅，以K1方向为例予以说明，如图8所示，为图7所示径向光栅中的区域微元在K1方向上的光栅结构。可以看出，不同区域微元P1、P2、P3的光栅周期是渐变的。
径向光栅与普通的衍射光栅相似，除了光栅线是径向对称的，光栅线的间隔在整个平面(指径向光栅所在的平面内)上是可变的，并且基底是偶次非球面形状。对于一个平面光栅，光线追迹到光栅后按照以下公式折射：
Figure BDA0002015765910000131
上述(1)式中，p为径向光栅的周期，θ1为入射角的角度，θ2为出射角的角度，m为衍射级次，λ为光的波长，n1为光线被光栅层取出前所在介质(即波导层)的折射率，n2为光线被光栅层取出后所在介质(即液晶层)的折射率。如图8所示，点光源130到达径向光栅各个位置的入射角θ1是不同的，根据上述(1)式，为了保证出射角θ2满足第一基板110的全反射条件，计算得到各个区域(P1、P1和P3)的光栅周期应该与该位置的光线入射角θ1有关，由于入射角θ1是渐变的，所以光栅周期p也应该是渐变的，即P1、P1和P3为渐变的。由于不存在完美连续的渐变光栅，每个区域微元都存在一定宽度，如P1的周期是固定的，但是入射角θ1是连续变化的，因此出射角θ2也会连续变化，这就需要在设计各区域微元的周期时考虑富余量，使得每个区域微元内所有的出射角θ2都满足全反射条件。
另外，径向光栅所在平面上允许周期p在面上根据下列等式变化：
p(d)＝A0+A1d1+A2d-1+A3d2+A4d-2+…； (2)
上述(2)式中，Ai为展开系数，d为归一化的极坐标，d由下式定义：
Figure BDA0002015765910000132
上述(3)式中，r为上述面上的极坐标，R为径向光栅面的归一化半径。
根据上述的径向光栅的表示方法，可以设计出适用本发明实施例的光栅参数，将点光源130发出且到达该径向光栅的光线以全反射角度耦合进入波导层中，从而布满整个第一基板110内。同样以第一基板110的折射率等于1.7，第二基板120折射率等于1.5为例说明，设计径向光栅将所有光线以大于全反射临界角62°的角度衍射，就可以将点光源130发出的光线耦合入第一基板110中。利用阵列化的排布的点光源130和径向光栅可以使得第一基板110中光的均一性和总体光强度大幅提升，同时也能够保证各个点光源130之间的间距不会太小，进而保持整体光源器件(即包括点光源130和径向光栅)的透明度。
需要说明的是，径向光栅涉及到不同区域微元内具有不同光栅结构，即上述图7中每个径向光栅内不同区域微元的周期不同。在制作过程中，可以分区域加工，例如可以利用干涉曝光、激光直写、纳米压印等技术在不同区域做出不同的光栅图案；也可以采用预先设计好的母版进行纳米压印，不分区域一次性制作出径向光栅。在加工时需要保持径向光栅与点光源130的位置匹配。另外，本发明实施例不限制光耦合器件140仅为全息光栅或径向光栅，只要是可以实现将点光源发出的光线耦合进入波导层后实现全反射传播的光栅结构或其它结构，都可以作为本发明实施例中的光耦合器件140。
可选地，参照图8所示，可以视为一种全息光栅的结构示意图。上述径向光栅是利用区域划分的方法，将所需的光学器件离散成多个普通光栅的区域微元来实现相对连续的效果。全息光栅的结构可以参照图8所示周期渐变的光栅，本发明实施例中的全息光栅可以包括平行设置的多个条状线栅，且该全息光栅的光栅周期沿第一方向逐渐变大，且该第一方向与条状线栅垂直，图8中左边区域的光栅周期P1最小，右边区域的光栅周期P3最大，图8中的第一方向为从左到右的方向，全息光栅的光栅线类似普通光栅的条状，全息光栅的周期渐变方式与图8所述径向光栅在一个方向上的线栅结构类似，对光线的全反射作用也与径向光栅类似。
需要说明的是，光栅的作用是偏转光线，上述径向光栅和全息光栅是将光线偏转进入第一基板110中，而本发明实施例中的光栅层150则是将波导层中的光线偏转出来，即从波导层中取出实现显示，偏转进入波导层或从波导层中取出遵循的基本原理是相同的，即以上述公式(1)为依据。光栅的光线偏转效果是由材料的周期性变化产生的，设定光栅层150的折射率为n1，液晶层161的折射率为n2，周期性变化的n1和n2实现了衍射效果，其中衍射角度由周期决定，衍射效率由n1和n2决定，由于光栅层制作完成后n1固定，控制液晶层161折射率n2的变化，就可以调节衍射效率，即通过控制液晶层161的折射率n2变化，实现不同灰度的显示效果。
针对现有透明LCD面板中，由于使用侧入式背光模组，且光在下基板中是单向传输的，存在出光损耗严重，并且背光的均一性较差，整体亮度较低等问题。本发明实施例提供的显示面板100，一方面，利用直下式点光源130作为背光，为了保证显示面板100的透明度，点光源130的密度不能太大，并且采用阵列化的光源排布(即阵列排布的点光源130和光耦合器件140)，使得光在基板中的传播具有足够多的方向，衰减方向趋于均匀，光耦合器件140可以将点光源130发出的光线耦合如波导层中，大幅度的提升了单个点光源130的发光范围，可以有效地解决现有取光方式导致的下基板内能量不均匀问题，并且极大提高了显示的亮度。同时不同点光源130之间间距足够大，能够保证第一基板的透明度，不会影响整体显示面板100的透明显示功能。另一方面，以液晶层161和可控光栅层150作为取光结构，利用电极层控制液晶层161中液晶折射率的像素化分布，从而控制像素光栅的开启和关闭两种状态，当光栅折射率与液晶折射率相等时，光栅关闭，光在波导层内全反射传播，作为不出光的暗态；当光栅折射率与液晶折射率相差时，光栅开启，光在界面被衍射出光，作为亮态。再一方面，利用光栅出光的方式可以实现显示的指向性，提升显示面板的PPI，可以应用于投影、近眼显示等，配合透明的光源器件还可以作为AR显示器，与现有的AR设备相比具有极大的轻便性。
基于本发明上述实施例提供的显示面板100，本发明实施例还提供一种显示装置，该显示装置包括本发明上述任一实施例提供的显示面板100。该显示装置可以为用于实现透明显示的LCD显示装置。基于上述实施例提供的显示面板100的技术效果，本发明实施例提供的显示装置同样可以解决现有技术中的透明LCD显示装置，由于采用侧入式背光模组，而导致整个显示装置中存在显示亮度不均匀和能量低下的问题。另外，可以提高显示装置的PPI，并且利用光栅出光的方式可以实现指向性显示，使得显示装置可以应用于投影、近眼显示，以及AR和VR等技术领域中。
基于本发明上述实施例提供的显示面板100，本发明实施例还提供一种显示面板的驱动方法，该显示面板的驱动方法由本发明上述任一实施例提供的显示面板执行，如图9所示，为本发明实施例提供的一种显示面板的驱动方法的流程图，该驱动方法包括如下步骤：
S310，开启显示面板中的点光源，使得与点光源对应的光耦合器件将该点光源发出的、且穿过第一基板到达该光耦合器件的光线反射到第一基板内，以使得光线在第一基板中全反射传播；
S320，调整显示面板中液晶层的折射率，以控制光栅层的开启或关闭，使得第一基板中的光线从光栅层中开启的光栅中出射。
本发明实施例提供的驱动方法由上述图3到图4，以及图6到图8所示任一实施中的显示面板100执行，该显示面板100的具体结构，其中各个器件和膜层所实现的功能在上述实施例中已经详细描述，故在此不再赘述。本发明实施例中驱动方法的执行前提为：首先要开启显示面板的点光源，在点光源点亮后进行驱动才有意义，即要求点光源发出光线，并由光耦合器件将光线耦合进入第一基板中全反射传播，才能通过驱动方法实现显示面板的透明显示效果；随后，通过调整显示面板中液晶层的折射率来控制光栅层的开启或关闭，当光栅层开启时，可以将第一基板中的波导背光取出并从第二基板侧出射，当光栅层关闭时，第一基板中的波导背光仍然全反射传播，作为不出光的暗态。
在实际应用中，点光源发出的光线为发散性的，发散角约为±60°，这些点光源发出的光线穿过第一基板照射到与之一一对应的光耦合器件上，可以将这些角度的光线以大于(或等于)第一基板全反射角的角度耦合进入第一基板从而使得光线在第一基板中以全反射方式进行传播，可以将该第一基板中全反射传播的光线视为显示面板的波导背光。由于本发明实施例的显示面板中，点光源设置于第一基板远离第二基板的一侧，光耦合器件设置于第一基板接近第二基板的一侧，点光源与光耦合器件均为阵列形式排布的形式，且为一一对应的关系，显示面板中的光源器件(即点光源和光耦合器件)的排布间距大。采用上述点光源结合光耦合器件的结构形成的光源器件，该光源器件的结构设计中，光耦合器件可以将普通单颗点光源的发散角扩大，即从±60°扩大到整个波导内，因此，可以降低所需的点光源的数量，从而降低功耗并实现透明显示；并且由于阵列化的排布方式，背光的均一性和总亮度相比于现有技术中侧入式背光模组，大幅度的提升。也就是说，采用本发明实施例中的光源器件(即包括点光源和光耦合器件)替换普通LCD面板中的背光模组，可以将背光模组做成透明形态，即不采用侧入式背光模组就可以实现LCD面板的透明显示效果，并且与现有直下式背光模组的LCD面板相比，可以在很大程度上减少点光源的数量，有利于降低功耗和物料成本；另外，基于上述点光源和光耦合器件配合使用的光源器件，由光耦合器件耦合进入第一基板中的波导背光(即在第一基板全反射传播的光线)具有相当大的光强度和可视区域，可以为高亮度透明显示面板提供光源基础。
需要说明的是，本发明实施例中控制液晶层161的折射率并不是整个液晶层161为相同的折射率，参照图3所示，可以控制液晶层161中第一区域161a内液晶的折射率与第二区域162b内液晶的折射率不同，相应地，光栅层150的开启和关闭也不是整个光栅层150统一开启或统一关闭，在较多的应用场景中，光栅层中光栅也是分区域开启和关闭的，光栅的开启和关闭与相应位置的液晶折射率相关，例如，第一区域161a在光栅层150所在平面具有正投影区域，该正投影区域内的光栅的开启或关闭由该第一区域161a内液晶的折射率决定，当调整该第一区域161a内液晶的折射率时，可以控制该正投影区域内光栅的开启或关闭，当该正投影区域内的光栅开启时，光线被取出且从第一区域161a的位置出射。另外，本发明实施例中利用光栅出光的方式可以实现指向性显示，可以使得本发明实施例中的显示面板应用于投影、近眼显示，以及AR和VR等技术领域中。
本发明实施例提供的显示面板的驱动方法，通过开启显示面板中的点光源，使得与点光源对应的光耦合器件将该点光源发出的、且穿过第一基板到达光耦合器件的光线反射到第一基板内，以使得光线在第一基板中全反射传播，另外，通过调整液晶层的折射率，以控制光栅层的开启或关闭，使得第一基板中的光线从光栅层中开启的光栅中出射。本发明提供的显示面板的驱动方法，基于上述实施例中显示面板的具体结构，具有与上述图3到图8所示任一实施例相同的有益效果，即，采用点光源和光耦合器件结合形成光源器件，可以将点光源发出的具有一定发散角的光线耦合进入第一基板，从而扩大到整个波导形成波导背光，并且点光源和光耦合器件为阵列化排布的，这样，不仅降低了显示面板中所需点光源的数量，从而降低功耗和实现透明显示，而且使得背光的均匀性和总量度得到了大幅度的提高；通过驱动液晶层达到光栅出光的方式可以实现指向性显示，即本发明实施例提供的显示面板可以应用于投影、近眼显示，以及AR和VR等技术领域中。
可选地，本发明实施例提供的驱动方法中，用于执行该驱动方法的显示面板还可以包括第一电极层和第二电极层，其中，第一电极层设置于光耦合器件与光栅层之间，第二电极层设置于液晶层接近第二基板的一侧，参考图4所示显示面板的结构，第二电极层为液晶层的上电极，第一电极层为液晶层的下电极。本发明实施例中调整显示面板中液晶层的折射率的实现方式，可以包括：
分别对第一电极层和第二电极层施加电压，从而调整显示面板中液晶层中的折射率。
在本发明实施例中，显示面板通过控制液晶层的上下电极(即第二电极层和第一电极层)用来驱动液晶层的折射率的发生变化，并且要保证上下电极的折射率与上下基板匹配，这样才不会影响液晶层的显示效果。液晶层为实现显示的关键因素，控制液晶层的折射率的变化可以实现显示面板中像素的亮暗控制。
可选地，图10为本发明实施例提供的另一种显示面板的驱动方法的流程图。上述实施例中已经说明，可以通过设置第一电极层和第二电极层的结构，在采用第一电极层和第二电极层对液晶层施加电压时，控制液晶层内液晶的折射率呈像素化分布。另外，可以将光栅层150中的光栅结构视为与显示面板的像素一一对应像素光栅。在实际应用中，光栅层中的像素光栅可以为统一的光栅结构，也可以为独立的光栅结构。本发明实施例中，显示面板的某个像素在光栅层150所在平面具有正投影区域，该正投影区域内的光栅视为该像素对应的像素光栅，因此，在图9所示流程的基础上，上述调整显示面板中液晶层的折射率，以控制光栅层的开启或关闭，即S320的实现方法，可以包括以下至少一项：
S321，调整液晶层中第一区域内液晶的折射率不等于光栅层的折射率，以控制该第一区域在光栅层所在平面的正投影区域内的光栅开启，使得到达开启光栅的光线从该开启光栅中出射；其中，光线穿过开启光栅的透光率随液晶的折射率发生变化；
S322，调整液晶层中第二区域内液晶的折射率等于光栅层的折射率，以控制该第二区域在光栅层所在平面的正投影区域内的光栅关闭，使得到达关闭光栅的光线在该关闭光栅接近第一基板一侧的表面发生全反射。
需要说明的是，本发明实施例的显示面板中的其它结构特征，例如，点光源和光耦合器件的具体器件类型，光耦合器件与第一电极层之间设置的平坦层，波导层(包括第一基板、平坦层和第一电极层)具有较高的折射率，光栅层、第二电极层和第二基板具有较低的折射率等特征均相同，且实现亮态和暗态显示的方法和有益效果均与本发明上述实施例相同，故在此不再赘述。
本发明实施例的驱动方法实际是基于液晶层的像素化取光设计实现的，可以将各个像素的尺寸做小，可以采用几个光栅周期(几微米)作为显示面板的像素大小，即可以降低显示面板的像素尺寸，从而大幅度提高显示面板的PPI。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有可执行指令，该可执行指令被处理器执行时可以实现本发明上述任一实施例提供的显示面板的驱动方法，该显示面板的驱动方法可以用于驱动本发明上述实施例提供的显示面板进行显示，从而实现显示面板的透明显示效果。本发明实施例提供的计算机可读存储介质的实施方式与本发明上述实施例提供的显示面板的驱动方法基本相同，在此不做赘述。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种显示面板，其特征在于，包括：对盒设置的第一基板和第二基板，所述第一基板远离所述第二基板的一侧设置有阵列排布的点光源，所述第一基板接近所述第二基板的一侧设置有与所述点光源一一对应的光耦合器件，所述光耦合器件远离所述第一基板的一侧的表面上设置有光栅层，所述光栅层接近所述第二基板一侧的表面上设置有液晶层；所述光栅层为取光光栅，通过调整所述液晶层的折射率来控制所述取光光栅的开启和关闭，当光栅折射率与液晶折射率相等时，光栅关闭，当光栅折射率与液晶折射率相差时，光栅开启；
所述光耦合器件，用于将对应的所述点光源发出的、且穿过所述第一基板到达所述光耦合器件的光线反射到所述第一基板内，以使得所述光线在所述第一基板中全反射传播。
2.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，还包括：设置于所述光耦合器件与所述光栅层之间的第一电极层，以及设置于所述液晶层接近所述第二基板一侧的第二电极层。
3.根据权利要求2所述的显示面板，其特征在于，还包括：设置于所述光耦合器件与所述第一电极层之间的平坦层；
所述第一基板、所述平坦层和所述第一电极层的折射率相等，且大于所述光栅层的折射率。
4.根据权利要求3所述的显示面板，其特征在于，所述第二基板和所述第二电极层的折射率相等，且所述光栅层、所述第二基板和所述第二电极层的折射率都小于所述第一基板的折射率。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的显示面板，其特征在于，所述点光源为发光二极管或微型发光二极管。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的显示面板，其特征在于，所述光耦合器件包括径向光栅或全息光栅。
7.根据权利要求6所述的显示面板，其特征在于，所述光耦合器件包括径向光栅，所述径向光栅包括多个设置为同心圆的环状线栅，且所述径向光栅的光栅周期沿所述环状线栅的半径，从接近圆心到远离圆心的位置逐渐变大。
8.根据权利要求6所述的显示面板，其特征在于，所述光耦合器件包括全息光栅，所述全息光栅包括平行设置的多个条状线栅，且所述全息光栅的光栅周期沿第一方向逐渐变大，且所述第一方向与所述条状线栅垂直。
9.根据权利要求1～4中任一项所述的显示面板，其特征在于，所述显示面板的像素大小为所述光栅层中光栅周期的5到50倍。
10.一种显示装置，其特征在于，包括：如权利要求1～9中任一项所述的显示面板。
11.一种显示面板的驱动方法，其特征在于，所述驱动方法由如权利要求1～9中任一项所述的显示面板执行，所述驱动方法包括：
开启所述显示面板中的点光源，使得与所述点光源对应的光耦合器件将所述点光源发出的、且穿过所述第一基板到达所述光耦合器件的光线反射到第一基板内，以使得所述光线在所述第一基板中全反射传播；
调整所述显示面板中液晶层的折射率，以控制所述光栅层的开启或关闭，使得所述第一基板中的光线从所述光栅层中开启的光栅中出射。
12.根据权利要求11所述的显示面板的驱动方法，其特征在于，所述调整所述显示面板中液晶层的折射率，以控制所述光栅层的开启或关闭，包括以下至少一项：
调整所述液晶层中第一区域内液晶的折射率不等于所述光栅层的折射率，以控制所述第一区域在所述光栅层所在平面的正投影区域内的光栅开启，使得到达开启光栅的光线从所述开启光栅中出射；其中，光线穿过所述开启光栅的透光率随液晶的折射率发生变化；
调整所述液晶层中第二区域内液晶的折射率等于所述光栅层的折射率，以控制所述第二区域在所述光栅层所在平面的正投影区域内的光栅关闭，使得到达关闭光栅的光线在所述关闭光栅接近所述第一基板一侧的表面发生全反射。
13.根据权利要求12所述的显示面板的驱动方法，其特征在于，所述调整所述液晶层中第一区域内液晶的折射率不等于所述光栅层的折射率，包括：
控制所述液晶层中第一区域内液晶的折射率在预置折射率范围内变化，使得光线穿过所述开启光栅的透光率发生变化。
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