CN109991775A - 背光源和显示装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种背光源和显示装置，属于显示领域。所述背光源包括：导光板；发光器件，设置在所述导光板在厚度方向上的一侧的边缘处，所述发光器件的出光侧朝向所述导光板的内部；全息微结构，设置在所述发光器件的出光侧，与所述发光器件之间的相对位置固定；其中，所述全息微结构被构造为将所述发光器件发出的光线反射或透射为在所述导光板内部传播的平行光束，所述平行光束的传播方向与所述导光板之间的夹角为预设的传播角度。本公开中，发光器件和全息微结构可以在导光板的厚度方向上将发光器件所发出的光转化为平行光束，因而即便导光板很薄也可以按照需求将光线耦入导光板内部，有助于减少背光源和相关产品的厚度，实现超薄的显示产品。

Description

背光源和显示装置
技术领域
本公开涉及显示领域，特别涉及一种背光源和显示装置。
背景技术
液晶显示设备是一种被动的发光器件，其本身并不发光，需要配合背光源来提供光源，使得液晶面板显示图像。相比于传统的直下式背光源，侧入式背光源具有较为轻薄的特点，因此被广泛应用在使用显示器件的消费电子产品中。在一种侧入式背光源的结构示例中，发光器件设置在导光板的侧面，光线从侧面耦入导光板，并通过透镜或棱镜从导光板的出光面均匀出射。然而，对于目前的侧入式背光源，过薄的导光板会使发光器件难以在侧面贴合或者使发光亮度降低，同时必要的光学辅助结构和支撑结构也会增大背光源的厚度，使得背光源的厚度难以降低，不能满足轻薄电子产品的应用需求。
发明内容
本公开提供一种背光源和显示装置，有助于减少背光源和相关产品的厚度，实现超薄的显示产品。
第一方面，本公开提供一种背光源，所述背光源包括：
导光板；
发光器件，设置在所述导光板在厚度方向上的一侧的边缘处，所述发光器件的出光侧朝向所述导光板的内部；
全息微结构，设置在所述发光器件的出光侧，与所述发光器件之间的相对位置固定；
其中，所述全息微结构被构造为将所述发光器件发出的光线反射或透射为在所述导光板内部传播的平行光束，所述平行光束的传播方向与所述导光板之间的夹角为预设的传播角度。
在一种可能的实现方式中，所述导光板在厚度方向上的至少一侧的表面上设置有耦合光栅，
所述耦合光栅被构造为将入射的平行光束按照预定的光强比率反射或透射为出射光束，所述出射光束的传播方向与所述导光板之间的夹角为预设的出射角度。
在一种可能的实现方式中，所述耦合光栅设置在辐照区域内，所述辐照区域是所述平行光束在所述导光板内部传播时所途经的导光板表面区域。
在一种可能的实现方式中，沿着所述平行光束在所述导光板内部的传播路径，所述耦合光栅所对应的光强比率逐渐增大，使得所述出射光束的光强在所述背光源的出光面上均匀分布。
在一种可能的实现方式中，所述全息微结构被构造为偏振依赖的，使得从所述全息微结构出射的平行光束为具有预设的偏振态。
在一种可能的实现方式中，所述全息微结构通过在所述导光板的表面上进行的刻蚀工艺形成，或者，所述全息微结构通过在介质层上进行的微纳工艺形成，所述介质层设置在所述导光板的表面上。
在一种可能的实现方式中，所述导光板在厚度方向上的两侧均设置有填充层，所述导光板的材料折射率大于所述填充层的材料折射率。
在一种可能的实现方式中，所述导光板和所述填充层均由透明材料形成。
在一种可能的实现方式中，所述导光板在厚度方向上的至少一侧设置有吸光层，所述吸光层位于所述发光器件所在的导光板边缘处。
在一种可能的实现方式中，所述导光板在厚度方向上具有第一侧和第二侧，所述发光器件设置在所述导光板的第一侧的表面上，所述全息微结构设置在所述导光板的第二侧的表面上，所述发光器件与所述全息微结构彼此相对。
第二方面，本公开提供一种显示装置，所述显示装置包括上述任意一种的背光源。
在一种可能的实现方式中，所述导光板在厚度方向上的至少一侧的表面上设置有耦合光栅，所述耦合光栅的位置设置方式与所述显示装置的子像素的排列方式相对应，使得所述背光源分别为所述显示装置的每个子像素提供单独的准直光束。
在一种可能的实现方式中，所述显示装置包括光线转换层，所述光线转换层包括透光区域和遮光区域，所述准直光束在每个子像素内均指向所述光线转换层的遮光区域。
在一种可能的实现方式中，所述发光器件为蓝光发光器件，所述光线转换层的透光区域包括红色透光区域、蓝色透光区域和绿色透光区域，
所述光线转换层在所述红色透光区域内包括将蓝光转换为红光的第一光致发光材料，
所述光线转换层在所述绿色透光区域内包括将蓝光转换为绿光的第二光致发光材料。
在一种可能的实现方式中，所述显示装置包括在远离所述背光源的方向上依次设置的光栅层、液晶层和光线转换层；其中，
所述光线转换层包括第一区域和第二区域，所述准直光束在每个子像素内指向所述光线转换层的第一区域；
所述光栅层包括在每个子像素内设置的偏转光栅，所述偏转光栅被构造为将透射的准直光束向所述光线转换层的第二区域偏转；
其中，所述第一区域和第二区域分别是遮光区域和透光区域中的一个。
在一种可能的实现方式中，所述光栅层设置有偏转光栅的表面与所述液晶层相接触；所述液晶层被构造为在预设的暗态偏置电压下的边缘折射率与所述光栅层的材料折射率相同，所述边缘折射率为靠近所述光栅层的液晶分子对于所述准直光束的折射率。
在一种可能的实现方式中，所述显示装置包括在远离所述背光源的方向上依次设置的缓冲层、晶体管器件层、液晶层、平坦化层、光线转换层和对置基板
由上述技术方案可知，本公开中，发光器件和全息微结构可以在导光板的厚度方向上将发光器件所发出的光转化为平行光束，因而即便导光板很薄也可以按照需求将光线耦入导光板内部，有助于减少背光源和相关产品的厚度，实现超薄的显示产品。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本公开一个实施例的背光源的结构示意图；
图2A和图2B分别是本公开实施例中的一种调制光栅模型的结构示意图；
图3是本公开实施例中一种设计全息微结构的原理示意图；
图4是本公开又一实施例的背光源的结构示意图；
图5是本公开又一实施例的背光源的结构示意图；
图6是本公开一个实施例的显示装置的结构示意图；
图7是本公开又一实施例的显示装置的结构示意图；
图8是本公开一个实施例的显示装置的三维结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
图1是本公开一个实施例的背光源的结构示意图。参见图1，该背光源包括导光板101、发光器件102和全息微结构103，还包括填充层104、吸光层105和耦合光栅106。可以看出，导光板101在图1中水平放置，而图1中的上侧和下侧分别是其厚度方向上的两侧。应理解的是，图1示出的位置是导光板101的一个边缘处，未示出的部分可以根据本文的说明在可能范围内进行设置。
发光器件102设置在导光板101上侧的边缘处，且发光器件102的出光侧朝下，即朝向导光板101的内部。在一个示例中，发光器件102是压印或贴合在导光板101上表面边缘处的发光二极管(LED)芯片。在又一示例中，发光器件102是在导光板101上表面边缘处制作形成的薄膜发光器件。
需要说明的是，本文中的全息微结构指的是利用内部的微小构造实现光学功能的面状结构。图1中，全息微结构103设置在发光器件102的出光侧，并且全息微结构103与发光器件102之间的相对位置固定。在一个示例中，发光器件102为点状光源且发出的光呈圆锥状发散，此时可以按照发光器件102发出的光束在导光板101下表面上的截面设置全息微结构103的形状、位置和大小，例如全息微结构103的形状为中心位于圆锥的轴线上的圆形或椭圆形，并恰好能够接收发光器件102向导光板101下表面发射的光束。如此，发光器件102与全息微结构103之间的距离为导光板101的厚度h，并且沿着光束的传播方向发光器件102与全息微结构103彼此相对，从而全息微结构103与发光器件102之间的相对位置得以固定。在又一示例中，可以将全息微结构103设置为大于所在平面内的发光光束的截面的形状，有助于避免边缘处制作工艺上或边缘处微结构的可靠性上的不足影响全息微结构103的光能利用率。在又一示例中，发光器件102为线状光源且发出的光线呈锥状发散，此时同样可以按照发光器件102发出的光束在导光板101下表面上的截面设置全息微结构103的形状、位置和大小，例如全息微结构103的形状为长边方向与线状光源的延伸方向一致且恰好能够接收发光器件102向导光板101下表面发射的光束的矩形。如此，发光器件102与全息微结构103之间的距离为导光板101的厚度h，并且沿着光束的传播方向发光器件102与全息微结构103彼此相对，从而全息微结构103与发光器件102之间的相对位置得以固定。
本实施例中，全息微结构103被构造为将发光器件102发出的光线反射为在导光板101内部传播的平行光束，该平行光束的传播方向与导光板101之间的夹角为预设的传播角度θ。在一个示例中，全息微结构103是例如通过对导光板101的下表面进行浮雕或刻蚀而形成的具有微小构造的表面图案，预先针对于发光器件102发出光线的波前设计得到。例如，可以根据光线的波长、光线的偏振态、两侧介质的折射率以及不同位置处的入射角和所需要的反射角，通过仿真算法结合数值优化算法，在调制光栅模型的基础上计算得到所需要的全息微结构。在一个示例中，全息微结构可以将LED芯片出光的波前(近似朗伯分布)转换为在导光板101中以特定全反射形式进行传播的波导模式(近似准直)。全息微结构的位相调制分布可以表示为x-y坐标的幂次形式：x0+y0+A10x+A01y+A20x2+A02y2+A11xy+A30x3+A03y3+A21x2y+A12xy2+…，其中x-y坐标系位于全息微结构所在平面，原点位于全息微结构的中心，A10、A01、A11、...等均为各幂次的系数。上述仿真算法可以例如是标量理论、角谱理论、RCWA-严格耦合波分析算法、FDTD-时域有限差分算法、FEM-有限元算法等，上述值优化算法可以例如是遗传算法、模拟退火算法、蜂群算法等。根据特定应用场景下光线的波长、光线的偏振态、两侧介质的折射率以及不同位置处的入射角和所需要的反射角等必要信息，可以通过上述方式计算得到各幂次的系数的数值。可理解的是，全息微结构103可将发光器件102发出的光线反射为在导光板101内部具有预设传播角度θ的平行光束，因此全息微结构103可与焦点位于发光器件102处的抛物型反射面等效或近似等效。
在一个示例中，上述调制光栅模型在每个光栅周期内可以具有如图2A或图2B所示出的形式。图2A示出了由多个等高凸起依次排列形成的光栅结构，其中凸起的宽度和相邻凸起之间的间距可以被调制，按照不同的调制方式可以得到具有不同功能的光学结构。图2A示出了由多个等宽台阶紧密排列形成的光栅结构，而每个台阶的高度可以被调制，按照不同的调制方式可以得到具有不同功能的光学结构。结合到本实施例中，可以例如以图2A或图2B所示出的调制光栅模型为基础，按照上述设计方式计算调制每个光栅周期内的可调制参数，以得到能将发光器件102发出的光线转化为具有预设传播角度θ的平行光束的光栅结构，以作为本实施例中的全息微结构103设置在导光板101的表面上。
在一个示例中，全息微结构103被构造为偏振依赖的，使得从全息微结构出射的平行光束为具有预设的偏振态。例如，全息微结构103对某种偏振光的响应很强，衍射效率很高，可以高效地将发光器件102发出的该类光线的波前转换为在导光板101中以特定全反射形式进行传播的波导模式；同时，全息微结构103对另一种偏振光衍射效率很低，基本没有如上所述效果，大部分在导光板101的下表面或上表面透射出去。为了避免杂光影响出光，可以在导光板101在厚度方向上的至少一侧设置吸光层，例如图1中所示的那样在导光板101的上下两侧的发光器件102所在的边缘处设置吸光层105，来使得未被转化为具有预设传播角度θ的平行光束的光线被吸光层105吸收。在一种实现方式中，吸光层105可以遮盖发光器件102和全息微结构103，并可以沿着平行光束的传播方向延伸预定距离，以保障吸光效果。当然，吸光层的设置方式可以不仅限于以上方式。此外，在如上所述的设计过程中，在使用优化算法的阶段中，可以使用两种偏振光的转换效果的比值作为主要的优化目标函数，以达到偏振依赖的效果。
在一个全息微结构的设计方式示例如图3所示，参见图3，全息微结构103中的折射率调制分布可以按照分区域光栅的形式进行设计，即在全息微结构103的径向(或横向/纵向，例如图3中的左右方向)，将其分成多个区域(可以等分或非等分，图3中以等分为例)分别进行设计。例如，在将全息微结构103分成的区域数量足够多足够密集时，可以近似认为发光器件102照射到该区域内的光线是平行光束，由此可以将该区域内的全息微结构103按照例如普通反射光栅的设计方式进行设计，例如根据反射波的光栅方程n1sinα-n1sinα0＝mλ/P(m＝0,±1,±2,…)计算光栅周期P。式中，n1是导光板101的材料折射率，α是预设传播角度θ的余角(α+θ＝90°)，α0是光线的入射角(可由区域与发光器件102之间的相对位置确定)，m为衍射级次，λ是光线的波长。一般情况下，光栅的零级和/或一级衍射的衍射强度比较大，高阶的衍射级次相比前两者要小得多。如图3所示，在一个示例中，可以设置导光板101的厚度h与圆形的发光器件102的直径(例如图3中所示出的l)之比大于5，并可以设置，并设置圆形的全息微结构103的直径与圆形的发光器件102的直径之比大于3，由此保障全息微结构103所能取得的光耦合效率。可以理解，将全息微结构103分成的区域数量越多越密集，在全息微结构103的每一份上所接收到的发光器件102的光线的发散角就会越小，针对该发散角进行设计所得到的光耦合效率就越大。
需要说明的是，由于全息微结构103的作用是将发光器件102发出的光线转化成在导光板101内部传播的平行光束，因此需要光栅结构在较大的衍射角上具有较高的衍射效率(该衍射角须使得相应的衍射波满足导光板中的全反射条件)。比如，折射率为1.5的介质和空气界面的全反射角约为40度。为保证每个光栅周期内有足够多的可以对入射光波产生有效调制的折射率分布方式可以选择，并使需要优化的衍射级次不会太高，可以将光栅周期限制在1-2um的范围内。其中，衍射级次的选择可以通过上述光栅方程计算得到。
在一个示例中，上述全息微结构103可以通过在导光板101的表面上进行的刻蚀工艺形成，例如：在导光板101的下表面上沉积一层光阻，然后使用具有与设计得到的光栅结构(例如具有形如图2A所示的光栅结构)相对应的图形的掩膜板对光阻进行曝光，通过显影去除待刻蚀区域的光阻，然后使用与导光板101的形成材料相对应的刻蚀剂对待刻蚀区域内的导光板101表面进行刻蚀，去除剩余的光刻胶后完成导光板101表面的全息微结构103的制作。在又一示例中，上述全息微结构103可以通过在介质层上进行的微纳工艺形成，其中介质层设置在导光板101的表面上，例如：在导光板101的下表面上沉积或贴附一层介质薄膜，在对准全息微结构103的设置区域后通过微纳工艺在介质薄膜表面上制作设计得到的光栅结构，以完成全息微结构103的制作。在又一示例中，上述全息微结构103通过纳米压印工艺生成，即：制备全息微结构的模板，并使用模板对涂覆有压印胶的导光板表面进行压印，从而生成所期望的全息微结构103。在此过程中，可以选用高折压印胶(或通过材料的选取使压印胶与压印胶之下的材料折射率差较大)，以获取较高的衍射效率。
在一个示例中，具有预设传播角度θ的平行光束以全反射的形式在导光板101的内部传播。为满足全反射条件，可以如图1所示的那样在导光板101在厚度方向上的两侧均设置填充层104，其中导光板101的材料折射率需要大于填充层104的材料折射率，并且预设传播角度θ、导光板101的材料折射率以及填充层104的材料折射率之间需要满足全反射条件。需要说明的是，图1中吸光层105设置在填充层104远离导光板101的一侧，从而可使吸光层105的覆盖区内的全反射条件得以满足。而且，图1中的发光器件102与导光板101的上表面相贴合，即发光器件102设置在填充层104靠近导光板101的一侧，如此更有利于控制发光器件102与全息微结构103之间的距离的精度。此外，图1中的全息微结构103设置在填充层104靠近导光板101的一侧，如此更有利于控制发光器件102与全息微结构103之间的距离的精度；全息微结构103设置在吸光层105靠近导光板的一侧，以使光线不会被吸光层105遮挡。
图1中，导光板101在厚度方向上的两侧均设置有耦合光栅106，该耦合光栅106被构造为将入射的平行光束按照预定的光强比率反射或透射为出射光束，所述出射光束的传播方向与导光板101之间的夹角为预设的出射角度。其中，反射情形下的光强比率可以是反射率，透射情形下的光强比率可以是透射率。如图1所示，在一个示例中，平行光束以预设传播角度θ在导光板101上下表面之间以全反射方式传播，而耦合光栅106则可以将入射的平行光束反射或透射为垂直于导光板101的出射光束(例如图1中若干个向上指的多个箭头所示，此时上述预设的出射角度为90°)，并且所有的出射光束的光强在所述背光源的出光面上均匀分布，比如到达导光板101的上表面处的出射光束均具有相同的光强。可理解的是，在此情况下在导光板101内部传播的平行光束的光强是逐渐减小的，因此入射到不同耦合光栅106的平行光束的光强可能存在差别。而为了使出射光束均具有相同的光强，耦合光栅106不仅要具有将上述平行光束部分转换为所需要的出射光束的功能，而且光强比率还要根据所处位置具有相应的分布。总体上，沿着所述平行光束在导光板101内部的传播路径，耦合光栅106所对应的光强比率应当逐渐增大。在一个示意性示例中，为使一个平行光束的能量平均分给一百个出射光束，沿着平行光束的传播路径依次排列的一百个耦合光栅106所对应的光强比率应依次为1/100、1/99、1/98、…、1。
可以理解的是，每个耦合光栅106都会将入射的平行光束转换为出射光束和继续传播的平行光束，其中入射角、入射光强、反射角、反射光强、折射角、折射光强均具有预期值。据此，可以按照例如上述任意一种全息微结构103的设计方式预先得到每一种具有预期光学特性的耦合光栅106的光栅结构，然后按照上述任意一种全息微结构103的制作方式在导光板101的表面上制作耦合光栅106。可理解的是，耦合光栅106可以具有形如图2A或图2B所示出的光栅结构，也可以具有在每个光栅周期内仅有一个谷和一个脊的普通光栅的光栅结构，并可以不仅限于此。在平行光束具有预设的偏振态时，还可以参照偏光片的原理设置每个耦合光栅106所对应的光强比率。依照应用需求的不同，还可以按照使出射光束为准直光束(发散角小于预设阈值的平行传播的光束)的方式进行耦合光栅106的设计。
还可以理解的是，由于耦合光栅106设置在需要有光线从背光源中出射的位置处，因此可以将在背光源的出光区域内进行耦合光栅106的设置。应理解的是，在背光源包括吸光层时，吸光层应当设置在背光源的出光区域之外。此外，由于耦合光栅106只有在有平行光束入射时才能发挥作用，因此耦合光栅106应当设置在辐照区域内，所述辐照区域是所述平行光束在导光板101内部传播时所途经的导光板表面区域，例如图1中所示出的有耦合光栅106分布的导光板101的表面区域。通过平行光束的光束宽度和预设传播角度θ的设计，可以使辐照区域在导光板101所在平面内的投影布满背光源的整个出光区域，以保证出射光束的光强在所述背光源的出光面上均匀分布。
在一个示例中，导光板101的形成材料可以例如是玻璃或树脂等透明材料，折射率可以处于1.5-2.0的范围内，选取折射率为1.7-1.8或1.8的材料可以取得较优效果。填充层104的形成材料可以例如是折射率为1.2-1.4的树脂材料，选取折射率为1.2或1.2-1.3的材料可以取得较优效果。在导光板101和填充层104均由透明材料形成的情况下，背光源可以具有很好的透明度，从而可以应用于透明显示器件当中。
图4是本公开又一实施例的背光源的结构示意图。对比图4与图1后可知，本实施例的背光源中将全部的耦合光栅106均设置在了导光板101的上侧，且预设传播角度θ设定数值略有增大。此时，为满足全反射条件，导光板101的材料折射率需足够大的要求和填充层104的材料折射率需足够小的要求变得相对严格一些。然而可以看出的是，由于将耦合光栅106全部设置为透射式光栅且仅在导光板的上表面上有设置，因此本实施例的背光源在耦合光栅的设计难度和制作工艺难度上都有所下降。
可以看出，图1所示的背光源和图4所示的背光源中，发光器件102和全息微结构103均按照下述方式设置：导光板101在厚度方向上具有第一侧和第二侧，发光器件102设置在导光板101的第一侧的表面上，全息微结构103设置在导光板102的第二侧的表面上，且发光器件102与所述全息微结构103彼此相对。如此，可以由导光板101的厚度提供发光器件102与全息微结构103之间所期望的距离，有助于背光源整体厚度的降低。在一种变形示例中，还可以将发光器件102设置导光板101的内部，比如设置在导光板101上表面的凹槽底部。如此，可以在发光器件102与全息微结构103之间所期望的距离小于导光板101厚度时实现所期望的距离的精确控制。
图5是本公开又一实施例的背光源的结构示意图。对比图5与图4后可知，本实施例在图4所示的背光源的基础上，去除了导光板101下表面上设置的吸光层，并将发光器件102和全息微结构103均设置在了导光板101的下侧。如此，可以通过例如支架或外壳一类的机械结构将发光器件102固定在填充层104远离导光板101的一侧的表面上，从而发光器件102和全息微结构103之间的相对位置关系的设置可以在完成对导光板101表面结构的制作之后进行，从而容易进行后继的调整和修理，而缓解受工艺精度限制而产品良率无法保证的问题。
图6是本公开一个实施例的显示装置的结构示意图。参见图6，所述显示装置包括背光源10，以及在远离所述背光源10的方向上依次设置的缓冲层20、晶体管器件层30、液晶层40、平坦化层50、光线转换层60和对置基板70。
本实施例的背光源10可以具有上述任意一种的背光源的结构。如图6所示，显示装置包括若干个子像素Px，而背光源10能够分别为每个子像素Px提供单独的准直光束。在一个示例中，导光板101上表面上设置的耦合光栅106的位置设置方式与显示装置的子像素Px的排列方式相对应，使得背光源10分别为显示装置的每个子像素Px提供单独的准直光束。例如显示区域内的子像素Px与出光区域内的耦合光栅106具有完全相同的排列方式，背光源10的每个出射光束都各自垂直入射到所对应的子像素Px中。可以理解的是，相对于整面均匀出光的面光源式的背光源而言，本实施例可以基于背光源与子像素之间设置关系为每个子像素提供单独的准直光束，而准直光束之间没有光线出射，因而能够使背光源出射的光线中被子像素所利用的比例提高，有助于提升发光器件所提供的光能的利用率，并有助于提升限制装置的显示亮度，降低其功耗。
如图6所示，本实施例的显示装置中的光线转换层60包括透光区域CF和遮光区域BM，而由背光源10提供的准直光束在每个子像素Px内均指向光线转换层60的遮光区域BM。在一个示例中，在与子像素Px对应的液晶层40处于亮态偏置电压所形成电场中时，准直光束会如图6中所示的那样向光线转换层60的透光区域CF偏转，从而可以穿过透光区域CF后出射，使得该子像素Px呈现亮态。而在与子像素Px对应的液晶层40处于暗态偏置电压所形成电场中时，准直光束将会不发生偏转，而会射向光线转换层60的遮光区域BM并被其吸收，使得该子像素Px呈现暗态。如果液晶层40在不外加电场时准直光束会直接射向遮光区域BM，那么显示装置就会在不加电的情况下呈现整面的暗态显示，如此将有助于对比度的提升。在一个示例中，准直光束还可以被背光源10与光线转换层60之间的结构发散(由发散角相对较小的光束转变为发散角相对较大的光束)，使得被发散的准直光束透过遮光区域BM周围的透光区域CF而使子像素Px呈现亮态，同样可以用于实现子像素Px的亮态与暗态之间的切换。
在一个示例中，背光源10中的发光器件为单色光的发光器件，在此基础上本实施例的显示装置可以实现单色显示或者多色显示。在一个示例中，光线转换层60在透光区域CF中为低雾度散射膜层，由此子像素Px在呈现亮态时的颜色即发光器件的颜色，且出光方向不仅限于光束的传播反向，因而本实施例的显示装置可以实现单色显示。在又一示例中，光线转换层60的透光区域CF包括光致发光材料。例如，背光源10中的发光器件为蓝光发光器件，而光线转换层60的透光区域CF包括红色透光区域、蓝色透光区域和绿色透光区域，红色透光区域内的光线转换层60包括将蓝光转换为红光的第一光致发光材料，而绿色透光区域内光线转换层60包括将蓝光转换为绿光的第二光致发光材料。如此，子像素在呈现亮态时可以根据透光区域内材料种类而呈现红色、蓝色或绿色，由此在适当的排列方式下可以实现显示装置的彩色显示。例如，图6中所示出的透光区域CF可以从左至右按照红色透光区域、蓝色透光区域、绿色透光区域、红色透光区域、蓝色透光区域、绿色透光区域的规律进行排列。此外，可以针对于每种颜色的转换效率之间的差别，调整耦合光栅106的设计方式，来使不同颜色之间的出射光强达到平衡(即耦合光栅被构造为根据所对应子像素类型的不同提供不同光强的出射光束)。例如，可以在上述示例的基础上适当降低为蓝色子像素提供的准直光束的光强，并适当提升为红色子像素和绿色子像素提供的准直光束的光强。
如图6所示，本实施例的晶体管器件层30包括光栅层301，光栅层301的表面与液晶层40相接触。准直光束在每个子像素Px内指向所述光线转换层的遮光区域BM，而光栅层301包括在每个子像素Px内设置的偏转光栅，该偏转光栅被构造为将透射的准直光束向光线转换层60的透光区域CF偏转。在又一示例中，准直光束在每个子像素Px内指向所述光线转换层的透光区域CF，而光栅层301包括在每个子像素Px内设置的偏转光栅，该偏转光栅被构造为将透射的准直光束向光线转换层60的遮光区域BM偏转。应理解的是，根据每个子像素Px内透光区域CF的中心与偏转光栅的中心之间的位置关系，可以确定该每个子像素Px内偏转光栅所预期的透射光束的折射角，而在准直光束的波长、偏振态、光束宽度已知的情况下，可以按照例如上述任意一种全息微结构的设计方式预先得到每一种具有预期光学特性的偏转的光栅结构，然后按照上述任意一种全息微结构的制作方式在晶体管器件层30的上表面制作偏转光栅，以形成所期望的光栅层301的结构。可理解的是，偏转光栅可以具有形如图2A或图2B所示出的光栅结构，也可以具有在每个光栅周期内仅有一个谷和一个脊的普通光栅的光栅结构，并可以不仅限于此。
在此基础之上，可将液晶层40构造为在预设的暗态偏置电压下的边缘折射率与光栅层301的材料折射率相同。其中，所述边缘折射率为靠近光栅层301的液晶分子对于所述准直光束的折射率。在一个示例中，选择液晶分子在光线偏折平面内进行旋转的液晶模式或使用蓝相液晶，使得液晶层40处于暗态偏置电压所形成的电场中时，靠近光栅层301的液晶分子通过在光线的偏折平面内发生极化，而在厚度方向上对于准直光束所在波段内的光线的折射率等于光栅层301的材料折射率。在这样的液晶分子填充在了偏转光栅所具有的凸起结构之间时，偏转光栅的界面两侧的折射率相同，因此光线在经过偏转光栅的界面时不会发生偏折，即偏转光栅失去了改变准直光束的传播方向的作用，从而使得准直光束继续沿着原来的传播方向传播，并在到达所指向的遮光区域BM后被吸收，使得子像素Px呈现暗态。而可以理解的是，在液晶层40处于亮态偏置电压所形成的电场(比如不加电)中时，液晶分子可以是杂乱无章的均匀状态，而不对偏转光栅造成任何影响，使得准直光束会在透过偏转光栅后向透光区域CF偏转，使得子像素Px呈现亮态。而在亮态偏置电压与暗态偏置电压之间，液晶层40中液晶分子的状态也会介于上述两种情况之间，因此可以根据偏置电压的不同显示介于亮态与暗态之间的其他灰阶。由此，可以通过改变所施加的偏置电压，实现每个子像素Px的显示灰阶的控制。
在一个示例中，显示装置由第一基板和第二基板通过液晶成盒工艺制作得到。其中，第一基板通过在背光源10的出光侧依次制作缓冲层20和晶体管器件层30而得到，第二基板通过在对置基板70的背光侧依次制作光线转换层60和平坦化层50而得到。其中，缓冲层可以采用例如透明绝缘树脂、氧化硅、氮化硅等材料形成，所具有的折射率可以例如是1.2-1.4，主要作用是提供一个平坦的表面来为晶体管器件层30的形成做准备。晶体管器件层30可以例如包括栅极导电层、栅绝缘层、有源层、源漏导电层、钝化层、透明导电层(例如包括由铟锡氧化物材料形成的像素电极的图形)和平坦化层等结构，并可以在可能的范围内参照现有技术中任一种显示装置中的阵列基板来实现。上述光栅层301可以例如在晶体管器件层30的平坦化层的表面上制作形成，也可以例如在晶体管器件层30中相邻两层的界面上进行设置。对置基板70的形成材料例如是玻璃或透明树脂等透明材料，折射率可以例如是1.5-2.0。光线转换层60可以例如包括黑矩阵层和彩色光线转换层的结构，并可以在可能的范围内参照现有技术中任一种显示装置中的彩膜基板来实现。平坦化层50可以采用例如透明绝缘树脂、氧化硅、氮化硅等材料形成，所具有的折射率可以例如是1.2-1.4。
图7是本公开又一实施例的显示装置的结构示意图。对照图6可以看出，图7所示的显示装置去除了光栅层301和偏转光栅的设置，子像素Px被设置为中心位置与耦合光栅的位置相对应，并采用液晶层40中形成的液晶透镜实现对每个子像素Px的显示灰阶的控制。其中，子像素Px内的遮光区域BM被设置在子像素Px的中央，而透光区域CF被设置在遮光区域BM的周围。在液晶层40处于亮态偏置电压所形成的电场中时，液晶层40中形成用于将来自耦合光栅106的准直光束发散的液晶透镜(例如由液晶分子偏转所形成的等效凸透镜)，从而准直光束透射为发散光，部分发散光透过透光区域CF实现子像素Px的亮态显示。而在液晶层40不加电或处于暗态偏置电压所形成的电场中时，液晶层40不具有对准直光束进行发散的作用，准直光束继续沿着原来的传播方向传播，并在到达所指向的遮光区域BM后被吸收，使得子像素Px呈现暗态。
在一个示例中，背光源10中的发光器件为单色光的发光器件，在此基础上本实施例的显示装置可以实现单色显示或者多色显示。在一个示例中，光线转换层60在透光区域CF中为低雾度散射膜层，由此子像素Px在呈现亮态时的颜色即发光器件的颜色，且出光方向不仅限于光束的传播反向，因而本实施例的显示装置可以实现单色显示。在又一示例中，光线转换层60的透光区域CF包括光致发光材料。例如，背光源10中的发光器件为蓝光发光器件，而光线转换层60的透光区域CF包括红色透光区域、蓝色透光区域和绿色透光区域，红色透光区域内的光线转换层60包括将蓝光转换为红光的第一光致发光材料，而绿色透光区域内光线转换层60包括将蓝光转换为绿光的第二光致发光材料。如此，子像素在呈现亮态时可以根据透光区域内材料种类而呈现红色、蓝色或绿色，由此在适当的排列方式下可以实现显示装置的彩色显示。例如，图7中所示出各子像素Px的透光区域CF可以从左至右按照红色透光区域、蓝色透光区域、绿色透光区域、红色透光区域、蓝色透光区域、绿色透光区域的规律进行排列。此外，可以针对于每种颜色的转换效率之间的差别，调整耦合光栅106的设计方式，来使不同颜色之间的出射光强达到平衡(即耦合光栅被构造为根据所对应子像素类型的不同提供不同光强的出射光束)。例如，可以在上述示例的基础上适当降低为蓝色子像素提供的准直光束的光强，并适当提升为红色子像素和绿色子像素提供的准直光束的光强。
需要说明的是，本公开的显示装置可以为：显示面板、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。作为一种示例，图8是本公开一个实施例提供的显示装置的三维结构示意图。参见图8，显示装置在显示区域内包括行列设置的子像素Px，该显示装置可以包括上述任意一种的背光源，也可以具有上述任意一种显示装置的内部结构。基于所包含的背光源更轻薄的特点，该显示装置可以具有更小的厚度。基于具有的内部结构，该显示装置可以实现像素开口处无微结构(例如偏转光栅、耦合光栅)的设置，避免透明显示装置中透明区域和显示区域之间存在冲突的问题，有助于实现透明显示装置的高透过率。基于具有的内部结构，该显示装置还可以省去偏光片或金属偏振线栅的设置，因而可以大幅提升显示透过率。基于背光源与阵列基板的一体化设计，有助于实现耦合光栅和子像素的精准对位，而不会因成盒时的对位误差而影响内部光路。
以上所述仅为本公开的实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种背光源，其特征在于，包括：
导光板；
发光器件，设置在所述导光板在厚度方向上的一侧的边缘处，所述发光器件的出光侧朝向所述导光板的内部；
全息微结构，设置在所述发光器件的出光侧，与所述发光器件之间的相对位置固定；
其中，所述全息微结构被构造为将所述发光器件发出的光线反射或透射为在所述导光板内部传播的平行光束，所述平行光束的传播方向与所述导光板之间的夹角为预设的传播角度。
2.根据权利要求1所述的背光源，其特征在于，所述导光板在厚度方向上的至少一侧的表面上设置有耦合光栅，
所述耦合光栅被构造为将入射的平行光束按照预定的光强比率反射或透射为出射光束，所述出射光束的传播方向与所述导光板之间的夹角为预设的出射角度。
3.根据权利要求2所述的背光源，其特征在于，所述耦合光栅设置在辐照区域内，所述辐照区域是所述平行光束在所述导光板内部传播时所途经的导光板表面区域。
4.根据权利要求2所述的背光源，其特征在于，沿着所述平行光束在所述导光板内部的传播路径，所述耦合光栅所对应的光强比率逐渐增大，使得所述出射光束的光强在所述背光源的出光面上均匀分布。
5.根据权利要求1所述的背光源，其特征在于，所述全息微结构被构造为偏振依赖的，使得从所述全息微结构出射的平行光束为具有预设的偏振态。
6.根据权利要求1所述的背光源，其特征在于，所述全息微结构通过在所述导光板的表面上进行的刻蚀工艺形成，或者，所述全息微结构通过在介质层上进行的微纳工艺形成，所述介质层设置在所述导光板的表面上。
7.根据权利要求1所述的背光源，其特征在于，所述导光板在厚度方向上的两侧均设置有填充层，所述导光板的材料折射率大于所述填充层的材料折射率。
8.根据权利要求7所述的背光源，其特征在于，所述导光板和所述填充层均由透明材料形成。
9.根据权利要求1所述的背光源，其特征在于，所述导光板在厚度方向上的至少一侧设置有吸光层，所述吸光层位于所述发光器件所在的导光板边缘处。
10.根据权利要求1所述的背光源，其特征在于，所述导光板在厚度方向上具有第一侧和第二侧，所述发光器件设置在所述导光板的第一侧的表面上，所述全息微结构设置在所述导光板的第二侧的表面上，所述发光器件与所述全息微结构彼此相对。
11.一种显示装置，其特征在于，所述显示装置包括如权利要求1至10中任一项所述的背光源。
12.根据权利要求11所述的显示装置，其特征在于，所述导光板在厚度方向上的至少一侧的表面上设置有耦合光栅，所述耦合光栅的位置设置方式与所述显示装置的子像素的排列方式相对应，使得所述背光源分别为所述显示装置的每个子像素提供单独的准直光束。
13.根据权利要求12所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置包括光线转换层，所述光线转换层包括透光区域和遮光区域，所述准直光束在每个子像素内均指向所述光线转换层的遮光区域。
14.根据权利要求13所述的显示装置，其特征在于，所述发光器件为蓝光发光器件，所述光线转换层的透光区域包括红色透光区域、蓝色透光区域和绿色透光区域，
所述光线转换层在所述红色透光区域内包括将蓝光转换为红光的第一光致发光材料，
所述光线转换层在所述绿色透光区域内包括将蓝光转换为绿光的第二光致发光材料。
15.根据权利要求12所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置包括在远离所述背光源的方向上依次设置的光栅层、液晶层和光线转换层；其中，
所述光线转换层包括第一区域和第二区域，所述准直光束在每个子像素内指向所述光线转换层的第一区域；
所述光栅层包括在每个子像素内设置的偏转光栅，所述偏转光栅被构造为将透射的准直光束向所述光线转换层的第二区域偏转；
其中，所述第一区域是遮光区域，所述第二区域是透光区域；或者，所述第一区域是透光区域，所述第二区域是遮光区域。
16.根据权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述光栅层设置有偏转光栅的表面与所述液晶层相接触；所述液晶层被构造为在预设的暗态偏置电压下的边缘折射率与所述光栅层的材料折射率相同，所述边缘折射率为靠近所述光栅层的液晶分子对于所述准直光束的折射率。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置包括在远离所述背光源的方向上依次设置的缓冲层、晶体管器件层、液晶层、平坦化层、光线转换层和对置基板。
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