CN110161750B - 透镜结构、光源结构、背光模组和显示装置 - Google Patents

透镜结构、光源结构、背光模组和显示装置 Download PDF

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Abstract

一种透镜结构、光源结构、背光模组和显示装置。该透镜结构(100)包括相对的第一入光面(101)和第一出光面(102)，第一入光面(101)上设置有多个凸起结构(110)，多个凸起结构(110)的背离第一出光面(102)的端部位于第一曲面内(111)，第一曲面(111)的至少部分为向透镜结构(100)的第一出光面(102)一侧凹陷的凹面。

Description

透镜结构、光源结构、背光模组和显示装置
技术领域
本公开至少一个实施例涉及一种透镜结构、光源结构、背光模组和显示装置。
背景技术
随着科技的发展和社会的进步，电子显示产品在人们日常生活中的应用越来越广泛，相应地，人们对电子显示产品的性能的要求也越来越高。一些电子显示产品(例如液晶显示屏)需要背光模组来提供显示用的光，但是，当前的背光模组限于自身的设计结构，对光的利用率低，且出射光的均匀度差，从而影响显示效果，难以满足用户的需求。
发明内容
本公开至少一个实施例提供了一种透镜结构，该透镜结构包括相对的第一入光面和第一出光面，所述第一入光面上设置有多个凸起结构，所述多个凸起结构的背离所述第一出光面的端部位于第一曲面内，所述第一曲面的至少部分为向所述透镜结构的第一出光面一侧凹陷的凹面。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，所述第一曲面包括第一子曲面和环绕所述第一子曲面的第二子曲面，以及所述第一子曲面为向背离所述透镜结构的所述第一出光面所在侧凸出的凸面，所述第二子曲面为向所述透镜结构的所述第一出光面所在侧凹陷的凹面。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，在与所述第一入光面至第一出光面的方向垂直的方向上，所述第一子曲面的形心至所述第一子曲面的边缘的距离为所述第一子曲面的形心至所述第二子曲面的外边缘的距离的1/6-1/3。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，所述凸面和所述凹面至少之一的形状为部分球冠面或部分抛物面。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，所述第一曲面关于与沿所述第一入光面至所述第一出光面的方向平行的的一轴线中心对称。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，所述第一子曲面和所述第二子曲面相交且二者的交界线位于第一平面内，以及所述第一子曲面在所述交界线之内的部分与所述第二子曲面在所述交界线之内的部分关于所述第一平面对称。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，所述第一曲面在所述第一出光面上的正投影包括圆形、椭圆形和矩形之一。
例如，本公开至少一个实施例提供的透镜结构中还包括与沿所述第一入光面至所述第一出光面的方向平行的第一光轴，所述多个凸起结构包括关于所述第一光轴为中心对称的多对所述凸起结构。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，所述凸起结构的平面形状为环形，以及所述多个凸起结构以所述第一光轴为中心为同心环形排布。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，相邻所述凸起结构的与所述第一入光面共面的部分彼此连接。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，所述凸起结构的沿与所述第一光轴平行的方向的截面形状为三角形，所述凸起结构包括与所述第一入光面共面的底面、面向所述第一光轴的第一侧表面和背离所述第一光轴的第二侧表面，所述第一侧表面和所述第二侧表面设置为使得从所述第一侧表面入射的光在所述第二侧表面全反射并射向所述底面，以及所述反射光与所述第一光轴基本平行。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，所述第一出光面为平面，并且与所述第一光轴垂直。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，各个所述凸起结构在所述第一出光面上的正投影的宽度相等。
本公开至少一个实施例提供一种光源结构，该光源结构包括光源以及上述任一实施例中的透镜结构，所述透镜结构的第一入光面面向所述光源。
例如，在本公开至少一个实施例提供的光源结构中，所述透镜结构为第一透镜，所述光源包括发光体和第二透镜，所述第二透镜位于所述发光体和所述第一透镜之间，所述第二透镜具有相对的第二入光面和第二出光面，所述第二入光面面向所述光源，所述第二出光面面向所述第一透镜，并且所述第一入光面为凹面，所述第二入光面为凸面。
例如，在本公开至少一个实施例提供的光源结构中，所述第二入光面为部分球冠面，所述发光体位于所述部分球冠面所在的球面的球心。
例如，在本公开至少一个实施例提供的光源结构中，所述第二入光面配置为使得由所述发光体射入所述第二透镜且从所述第二入光面射出的光，在所述第一透镜的各所述凸起结构上的光强度相等。
本公开至少一个实施例提供一种背光模组，该背光模组包括前述任一实施例中的光源结构。
例如，在本公开至少一个实施例提供的背光模组中，所述光源结构设置为多个且阵列排布。
本公开至少一个实施例提供一种显示装置，该显示装置包括显示面板以及上述任一实施例中的背光模组，所述显示面板包括显示侧和背侧，所述背光模组位于所述显示面板的背侧并与所述显示面板重叠。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1A为本公开一些实施例提供的一种透镜结构的截面图；
图1B为图1A所示的透镜结构的工作原理示意图；
图1C为图1A所示的透镜结构的部分凸起结构的平面分布示意图；
图1D为图1B所示透镜结构的凸起结构的工作原理示意图；
图2为本公开一些实施例提供的另一种透镜结构的截面图；
图3A为本公开一些实施例提供的一种光源结构的截面图；
图3B为图3A所示的光源结构的工作原理示意图；
图4为本公开一些实施例提供的一种背光模组的截面图；
图5为本公开一些实施例提供的另一种背光模组的截面图；以及
图6为本公开一些实施例提供的一种显示装置的截面图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开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“包含”等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。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
通常，显示装置的背光模组需要出射大致准直的光线(基本为平行光束)以用于显示。例如，对于点光源，可以使用光学准直器使得点光源发出光线趋向于准直。例如，光学准直器可以为采用菲涅尔透镜进行二次配光的准直器，或者，光学准直器可以为利用抛物面形全内反射进行二次配光的准直器。采用菲涅尔透镜将点光源发出的光的方向调整为准直以作为背光，光的能量损失较大，导致出射光的亮度低，同时由于菲涅尔透镜固有的光学特性(例如比较大的F数和负色散系数)，会产生聚焦误差，产生的杂散光很多。F数为菲涅尔透镜的焦距与直径之比。利用抛物面形全内反射将点光源发出的光的方向调整为准直以作为背光，则会使得背光模组的体积和重量比较大。
因此，上述的光学准直器严重限制了背光模组的应用能力，例如，因体积、重量、功耗太大而难以应用于微型液晶显示器，例如，对于用于机载头盔显示系统的微型液晶显示器，需要透视式显示又需要很高的亮度，而且需要低功耗，如果背光模组的体积、重量太大，那么附加的一些结构(例如固定结构等)不光会增加负重，而且会影响视线，而且，如果将点光源的发光亮度设计为较大以满足对高亮度的要求，功耗也将会非常大。
本公开至少一个实施例提供了一种透镜结构、光源结构、背光模组和显示装置，该透镜结构包括相对的第一入光面和第一出光面，第一入光面上设置有多个凸起结构，多个凸起结构的背离第一出光面的端部位于第一曲面内，第一曲面的至少部分为向透镜结构的第一出光面一侧凹陷的凹面。对于从透镜结构的第一入光面一侧射来的光线，该凹面的设计可以提高光的入射量，而且使得透镜结构的平面尺寸(例如长宽或者直径)不受限制，而且可以使得透镜结构的焦距较小，使得透镜结构的整体高度(例如图3B中的H)较小，有利于减小透镜结构的设计厚度，从而使得透镜结构的体积和重量可以比较小；此外，入射的光线被凸起结构导入透镜结构，可以实现对光的方向的调节，相应地透镜结构中的杂散光少，那么可以不需要像当前的菲涅尔透镜一样在出光面(对应于本实施例的透镜结构的第一出光面)调节光的方向，使得从第一出光面出射的杂散光的量少。本公开至少一实施例中的透镜结构具有上述技术效果的工作原理，可以参见下述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
下面，结合附图对根据本公开至少一个实施例中的透镜结构、光源结构、背光模组和显示装置进行说明。
本公开至少一个实施例提供一种透镜结构，如图1A所示，透镜结构100包括相对的第一入光面101和第一出光面102，第一入光面101上设置有多个凸起结构110，多个凸起结构110的背离第一出光面102的端部1101(即尖端，可参见图1D)位于第一曲面103内，第一曲面103的部分为向透镜结构的第一出光面102一侧凹陷的凹面。例如，如图1A所示，透镜结构100的第一入光面101的形状可以与第一曲面103的形状相似或者大致相似，从而便于在第一入光面103上形成限定第一曲面103的凸起结构110。需要说明的是，第一曲面103为虚设的面，为多个凸起结构110的背离第一出光面102的端部所构成的包络面。此外，第一入光面101的至少部分可以为虚设的面，例如第一入光面101的设置有凸起结构110的部分与凸起结构110共面，该部分可以参见下图1D所示的凸起结构110的底面113。例如，在第一入光面101的全部区域都设置有凸起结构110的情况下，第一入光面101为虚设的面。
图1B为图1A所示的透镜结构的工作原理示意图，其示出了透镜结构与点光源的一种位置关系。示例性的，如图1B所示，位置F处设置有点光源(不考虑其体积)，透镜结构100的第一曲面103的边缘位于平面P1内，F位于平面P1上。如此，点光源的向平面P1的面向透镜结构100的一侧出射的光线可以全部射入透镜结构100中，即，在该情况下，透镜结构100可以接收点光源在180度角度范围内出射的光线，对光线的接收率大。此外，如图1B所示，即便透镜结构100的体积等比例缩小，也不影响由点光源射入透镜结构100的光的量，据此，可以减小透镜结构的设计体积，有利于透镜结构以及包括该透镜结构的光源结构、背光模组的小型化设计。
例如，在本公开至少一个实施例中，点光源可以位于第一曲面103的边缘所在面和第一曲面130之间。示例性的，对于图1B所示的透镜结构，可以将点F沿Z轴移动至平面P1和第一曲面103之间，如此，透镜结构100可以接收点光源在大于180度角度范围内出射的光线，从而进一步提高射入透镜结构100的光的量。
在本公开至少一个实施例中，透镜结构的凸起结构限定的第一曲面可以全部为凹面，或者第一曲面的一部分为凹面。第一曲面的形状影响光线在透镜结构中的分布，可以根据实际需要，选择将第一曲面的全部或者一部分设计为凹面。
例如，在本公开一些实施例提供的透镜结构中，如图1A和图1B所示，第一曲面103包括第一子曲面1031和环绕第一子曲面1031的第二子曲面1032，第一子曲面1031为向背离透镜结构100的第一出光面102所在侧凸出的凸面，第二子曲面1032为向透镜结构100的第一出光面102所在侧凹陷的凹面。例如，第一子曲面1031位于第一曲面103的中间区域，点光源F对应于第一子曲面1031。点光源F的射向透镜结构100的中间区域的光线的准直程度较高，第一子曲面1031设计为凸面使得透镜结构100的与该第一子曲面对应的部分可以等效于凸透镜，从而对入射的光线进行汇聚，并使得被汇聚的光线更加准直。
例如，在本公开至少一个实施例中，“准直”为光的方向与透镜结构的第一出光面所在面垂直(也包括基本垂直)，例如，与透镜结构的光轴(例如下述实施例中的第一光轴)平行(也包括基本平行)。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，在第一曲面包括第一子曲面(凸面)和第二子曲面(凹面)的情况下，凸面和凹面至少之一的形状为部分球冠面或部分抛物面。如图1A所示，第一子曲面1031和第二子曲面1032的形状为不同的抛物面的一部分，第一子曲面1031所在的抛物面的开口方向和第二子曲面1032所在的抛物面的开口方向相反。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，在与第一入光面至第一出光面的方向垂直的方向上，第一子曲面的形心至第一子曲面的边缘的距离为第一子曲面的形心至第二子曲面的外边缘的距离的1/6～1/3，例如1/4、1/5等。示例性的，如图1A所示，第一子曲面1031的形心位于入光侧S1至出光侧S2的轴线上，第一子曲面1031的形心至第一子曲面1031的边缘的距离为d1，第一子曲1031的形心至第二子曲面1032的外边缘的距离的d2，d1/d2的范围为1/6～1/3。在该数值范围内，经过透镜结构调节的光的准直程度高，出光均匀，且不影响由凹面设计(第二子曲面1032)带来的提高入光量、减小设计体积等技术效果。例如，上述入光侧S1至出光侧S2的轴线可以为透镜结构100的第一光轴11。
例如，在本公开另一些实施例提供的透镜结构中，如图2所示，透镜结构100a的由凸起结构110a限定的第一曲面103a为凹面。例如，透镜结构100a的第一入光面101a的形状可以与第一曲面103a的形状相似或者大致相似。例如，在该实施例中，第一曲面103a的形状为部分球冠面或部分抛物面。
下面，以透镜结构的第一曲面为图1A和图1B所示的包括凹面和凸面为例，对本公开下述至少一个实施例中的透镜结构、光源结构、背光模组和显示装置进行说明。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，第一曲面为关于沿第一入光面至第一出光面的方向平行的一轴线中心对称，例如，该轴线为透镜结构的第一光轴。示例性的，如图1A所示，透镜结构100具有从第一入光面101所在侧S1至第一出光面102所在侧S2的轴线11(例如下述实施例中的第一光轴)。例如，第一曲面103关于轴线11为中心对称，并且在图1A所示的截面(X-Z确定的平面)内，轴线11同时也为第一曲面103的对称轴，其中轴线11位于该截面内，即，第一曲面103的位于该截面内的部分(线)关于轴线11轴对称，在该情况下，第一子曲面1031和第二子曲面1032都关于轴线11中心对称。如此，有利于光线射入透镜结构100后分布均匀，即有利于从第一出光面102出射的光线分布均匀。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，第一子曲面和第二子曲面相交且二者的交界线位于第一平面内，以及第一子曲面在交界线之内的部分与第二子曲面在交界线之内的部分关于第一平面对称。示例性的，如图1A所示，第一子曲面1031和第二子曲面1032的交界线位于第一平面10内，第一子曲面1031和第二子曲面1032分别为两个抛物面的一部分，该两个抛物面分别位于第一平面10两侧，且该两个抛物面的大小相等，开口方向相反，例如该两个抛物面关于第一平面10对称。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，第一曲面在第一出光面上的正投影包括圆形、椭圆形和矩形之一。如此，有利于光线射入透镜结构后分布均匀，即有利于从第一出光面出射的光线分布均匀。例如，在该正投影为矩形的情况下，在将该透镜结构用于阵列排布时，有利于透镜结构之间彼此拼接，即，相邻透镜结构之间的间隙小，该情况可以参见下述如图5所示实施例中的背光模组，该模组包括阵列排布的光源结构，光源结构包括该透镜结构。例如，该矩形可以为正方形。例如，该正投影还可以为正多边形例如正六边形或其它形状。
下面，以第一曲面在第一出光面上的正投影为圆形为例，对本公开下述至少一个实施例中的透镜结构、光源结构、背光模组和显示装置进行说明。
例如，本公开至少一个实施例提供的透镜结构中还包括与沿第一入光面至第一出光面的方向平行的第一光轴，多个凸起结构包括关于第一光轴为中心对称的多对凸起结构。示例性的，如图1A所示，透镜结构100包括第一光轴11，第一曲面103的形心(例如圆心)位于第一光轴11上，在第一光轴11的两侧，凸起结构110的数量相等且一一对应，对应的凸起结构110的形状、位置关于第一光轴11中心对称。例如，第一曲面103的位于图1A所示的截面(X-Z确定的平面，第一光轴11位于该平面内)内的部分(线)，关于第一光轴11为轴对称，而且，第一曲面103的位于另一垂直于X-Z平面且包括第一光轴11的截面(未示出，为Y-Z确定的平面)内的部分(线)。如此，有利于光线射入透镜结构100后分布均匀，即有利于从第一出光面102出射的光线分布均匀。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，凸起结构的平面形状为环形，以及多个凸起结构以第一光轴为中心为同心环形排布。例如，多个凸起结构在第一出光面上的正投影为多个同心圆环。示例性的，由第一曲面的形心至边缘，多个凸起结构在第一出光面上的正投影可以如图1C所示，其中，区域1、2、3、5、6、7、8分别表示8个凸起结构110在第一出光面102上的正投影。如此，有利于光线射入透镜结构100后分布均匀，即有利于从第一出光面102出射的光线分布均匀。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，如图1A和图1B所示，相邻凸起结构110的与第一入光面101共面的部分彼此连接。由于二者直接相接而不存在过渡的曲面部分，如此可以使得射入透镜结构100中的光线都需要被凸起结构110导入，以便于射入透镜结构的光的方向进行调节，减少产生杂散光的量。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，凸起结构的沿与第一光轴平行的方向的截面形状为三角形，凸起结构包括与第一入光面共面的底面、面向第一光轴的第一侧表面和背离第一光轴的第二侧表面，第一侧表面和第二侧表面设置为使得从第一侧表面入射的光在第二侧表面全反射并射向底面，以及反射光与第一光轴基本平行。示例性的，图1D为图1C所示的透镜结构沿M1-N1的截面，图1D示出了图1A中两个相邻的凸起结构110的三角形截面，该三角形截面所在面与第一光轴11平行，例如，该截面位于平面P2内，第一光轴11位于平面P2中。凸起结构110的折射率大于周围介质(例如空气或者低折射率胶层)的折射率，光线L1可以从第一侧表面111射入凸起结构。在光线L1到达第二侧表面112时，该状态为从高折射率介质射向低折射率介质，通过设置第二侧表面112的倾角(例如与第一侧表面111的夹角)，可以使得光线L1在第二侧表面上的入射角大于或等于光线L1在第二侧表面112上的全反射临界角，从而使得光线L1在第二侧表面112上全反射。通过调节第一侧表面111和第二侧表面112的倾角，可以使得在第二侧表面112上全反射的光线L1的传播方向与第一光轴基本平行，从而使得透镜结构100可以在第一出光面102出射准直光线。
例如，在本公开至少一个实施例中，凸起结构与透镜结构的其它部分可以为一体化结构，即，凸起结构与透镜结构的其它部分之间没有界面，如图1D所示，底面113为虚设的面。如此，在第二侧表面112上反射的光在穿过底面113时，不会因穿透界面而产生部分反射、部分光损耗等，提高光的透过率，且不会因此产生杂散光。
在本公开至少一个实施例中，凸起结构的沿与第一光轴平行的方向的截面形状可以不限于上述的三角形，例如，可以以该三角形为基础进行变形。例如，以如图1D所示的凸起结构为例，第二侧表面112可以设置为弧形，以使得从不同角度射入的光线被第二侧表面112反射后都具有相同的传播方向，从而提高出射光线的准直程度。例如，该三角形的与底面113相对的顶角可以根据需要进行切割，例如沿着入射的某一条光线的光路进行切割，例如该三角形切割后可以为四边形。如此，在第一侧表面111为斜面、第一侧表面111所在面与出射光的准直方向相交的情况下，可以防止从顶角处射入的光线在第二侧表面112上反射后从第一侧表面111射出，并且防止部分光线在凸起结构内多次反射而造成光损失或者产生杂散光。
例如，在本公开至少一个实施例提供的透镜结构中，如图1A所示，第一出光面102为平面，并且与第一光轴11垂直。如此，可以使得在光线以垂直于第一出光面102的方向出射，减少光出射时的损失，并减少杂散光，而且该设计还可以减小因路径差异造成的光损失不均而导致的出光不均匀，例如，在透镜结构的关于第一光轴对称的位置，光线从射入透镜结构开始至从透镜结构出射的光线的路径是相等的，从而光损失也相等。
例如，在本公开一些实施例提供的透镜结构中，各个凸起结构在第一出光面上的正投影的宽度相等。示例性的，如图1A和图1C所示，区域1、2、3、5、6、7、8分别表示8个凸起结构110在第一出光面102上的正投影，R1、R2和R3分别代表彼此相邻的第3、第4、第5个凸起结构110的外边缘至第一光轴11的半径，并且R3-R2＝R2-R1。
例如，在本公开一些实施例提供的透镜结构中，在第一曲面包括第一子曲面(凸面)和第二子曲面(凹面)的情况下，可以根据实际需要分别设置两个曲面中的凸起结构的宽度，不限于两个曲面中的凸起结构的宽度相等。例如，第一子曲面对应的凸起结构在第一出光面上的正投影的宽度相等，第二子曲面对应的凸起结构在第一出光面上的正投影的宽度相等，并且，第一子曲面对应的凸起结构和第二子曲面对应的凸起结构在第一出光面上的正投影的宽度不相等。
本公开至少一个实施例提供一种光源结构，该光源结构包括光源以及上述任一实施例中的透镜结构，透镜结构的第一入光面面向光源。示例性的，如图3A和图3B所示，光源结构包括光源200，光源200发出的光射向透镜结构100的凸起结构110，并由凸起结构110导入透镜结构100中。透镜结构100对入射光线进行控制并沿准直方向出射的原理，可以参见前述实施例中的相关说明，例如，图3B中的光线L2在凸起结构110中的光路可以参见图1D中的L1。
例如，在本公开至少一个实施例提供的光源结构中，透镜结构为第一透镜，光源包括发光体和第二透镜，第二透镜位于发光体和第一透镜之间且例如将发光体进行封装，第二透镜具有相对的第二入光面和第二出光面，第二入光面面向光源，第二出光面面向第一透镜，并且第一入光面为凹面，第二入光面为凸面。示例性的，如图3A和图3B所示，透镜结构100作为第一透镜，光源200包括发光体210和第二透镜220，第二透镜220位于发光体210和第一透镜100之间。
第二透镜220的朝向发光体210的第二入光面221为凹面，如此，可以提高发光体210出射且进入第二透镜220的光的量，而且由该凹面限定的凹槽可以用于容纳发光体210，可以减小整个光源结构的体积，有利于小型化设计。
例如，第二透镜的发光体可以为LED或Micro LED的朗伯发光体(余弦辐射体)。如此，发光体发射的光线的强度会依余弦公式变化，出射光的角度越大，对应该角度的光线的强度越弱，即，该发光体的亮度为规律分布，根据该变化规律设计第一透镜(例如其中的第一曲面、凸起结构)和第二透镜(例如其中的第二出光面)的形状，以使得光线射入第一透镜后在第一透镜中均匀分布，从而使得第一透镜的第一出光面出射亮度均匀的光线。
例如，在发光体为朗伯发光体的情况下，在第一透镜100的中间区域入射的光通量多，且该区域入射的光的准直程度高，使得第一透镜100的中间区域出射的光的亮度相对较大，在第一透镜100的边缘区域，射向第一透镜100的光通量少且光的准直程度差，使得第一透镜100的边缘区域出射的光的亮度相对较小。在上述实施例中，第二透镜220的朝向第一透镜100的第二出光面222为凸面，可以将发光体210发射的光进行发散，以使得部分预射向第一曲面103的中心区域的光射在第一曲面103的周边处，从而使得光第一透镜出射的准直光的亮度分布均匀；此外，对于分布在第一曲面103的周边的凸起结构110，光线的方向经过第二出光面的偏转(发散)后，在凸起结构110的第一侧表面(入光面)上的入射角变小，例如光线可以垂直于凸起结构的第一侧表面而射入凸起结构，从而使得光线更容易射入凸起结构110，提高光的利用率，从而使得光第一透镜出射的准直光的亮度分布均匀。
例如，在本公开至少一个实施例提供的光源结构中，如图3A和图3B所示，第二入光面221为部分球冠面，发光体210位于该部分球冠面所在的球面的球心。如此，发光体210发出的光线在第二入光面221上的入射角为90度，光线从第二入光面221进入第二透镜220时的光损耗小，且光的传播方向不变，有利于对第二出光面222的具体形状进行设计，以使得发光体210发出的光分散。
例如，在本公开至少一个实施例提供的光源结构中，第二入光面配置为使得由发光体射入第二透镜且从第二入光面射出的光，在第一透镜的各凸起结构中的光强度相等，例如，该光强度为经由凸起结构调整而转换为具有准直方向的光的光强度。例如，各个凸起结构在第一透镜的第一出光面上的正投影的宽度相等(例如参见图1C所示的实施例)，在该情况下，第一透镜的第一出光面出射的光线分布均匀。
下面，在本公开实施例的一个示例中，对第二透镜的第二出光面的形状进行设计。
如图3B所示，需要第一出光面101的光通量均匀分布，即出光均匀，意味着以半径为r(θ)的圆内出射的光通量(φr)与出射面(第一出光面101)出射的总光通量(φR)的比的关系，如下述公式(1)。
φr/φR＝(r/R)2 (1)
对应于角θ的光强度密度J(θ)可以如下述公式(2)表示。
Figure BDA0002068733140000121
发光体为朗伯发光体，角强度I(θ)分布满足下述公式，其中，I0为发光体沿透镜结构的第一光轴11出射的光的强度。
I(θ)＝I0COS(θ) (3)
根据上述公式，可确定出射面内任一出光圆域半径r(θ)、出射面最大半径R及对应出光圆域半径r(θ)的出射角θ的关系，如下述公式(4)表示。
r(θ)＝R sin(θ) (4)
例如，根据上述公式，可以计算可以进入透镜结构100的最边缘的凸起结构110的光，并确定该光与发光体210的出光角度的对应关系。如图3B所示，发光体210在出光角度Q发射的光，经过第二出光面222之后射入与区域19对应的凸起结构110(最边缘的凸起结构)中，例如Q为18.4度。限定该角度Q范围内的光线在第二出光面222上的分布区域，然后依次类推，以计算区域18、区域17在第二出光面222上的分布，并且计算每个分布区域处的第二出光面222的斜率，从而确定第二出光面222的形状。例如，用于计算第二出光面222的初始参数可以如下表1所示。在表1中，j的数值表示凸起结构110沿第一曲面103由内向外的排布次序，如图3B所示，示出了第1-第19的凸起结构110，即，示出下表1中的j＝1至j＝19。
表1
Figure BDA0002068733140000131
Figure BDA0002068733140000141
示例性的，如图3B所示，发光体210位于第一透镜100的第一光轴上，以发光体210为原点建立直角坐标系。根据该直角坐标系，用于计算第二出光面222的形状的函数表达式如下。
y＝Ayj+Byj+1+Cy”j+Dy”j+1 (5)
公式(5)中的部分参数，可以依据下述公式计算。
A＝(xj+1-x)/(xj+1-xj)
B＝1-A＝(x-xj)/(xj+1-xj)
C＝(A3-A)((xj+1-xj))2/6
D＝(B3-B)((xj+1-xj))2/6
在该公式(5)中，y＝f(x)为第二出光面的表面函数，y”为函数y＝f(x)的二阶导函数，j为迭代角标，j的数值可以参见表1。
例如，在本公开实施例的一个示例中，如图3B所示，沿x的方向，与第一曲面的第一子曲面(凸面)对应的区域1、2、3、4和5的宽度为0.7mm，与第一曲面的第二子曲面(凹面)对应的区域6至区域19的每个的宽度都为0.65mm。第一透镜100的边缘最大厚度H不大于8.1mm，相邻凸起结构的侧表面之间的夹角不小于20度，凸起结构至第一出光面的距离不小于0.35mm。例如，在对应第一子曲面的区域1、2、3、4和5，凸起结构至第一出光面的距离可能不满足上述条件，即，透镜结构的位于区域1、2、3、4和5部分的设计厚度小，从而将第一子曲面设置为凸面，例如透镜结构的第一子曲面所在的部分可以设置为透射式的菲涅尔透镜结构。例如，考虑适当焦距(例如为6mm)，透镜结构的半径r1(例如第一出光面的半径)为12.7mm。例如，第一曲面103为抛物面，其边缘的半径r2为11.4mm，第一子曲面的边缘(其与第二子曲面的交界)所在面至第一曲面103的边缘所在面的距离h为6.0mm，依据r2、h、以及利用上述数据获得的第一子曲面的边缘的半径(5×0.7mm＝3.5mm)，可以限定出抛物面的形状。
示例性的，如图3B所示，第二子曲面1032在该截面内的曲线，在直角坐标系中的抛物线方程如以下公式(6)所述。
Figure BDA0002068733140000151
在公式(6)中，f为透镜结构的焦距。
本公开至少一个实施例提供一种背光模组，该背光模组包括前述任一实施例中的光源结构。示例性的，如图4所示，背光模组包括光源结构1000和背板2000，背板2000提供支撑，以固定光源结构1000。例如，背板2000的材料为透明材料，以使得背光模组具有透视功能，以应用机载头盔显示系统或其它设备中。例如，背板2000的材料可以为玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PolyMethyl MethAcrylate，PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。
例如，背板上还可以铺设用于与发光体连接的走线，以对发光体的开关、亮度等进行控制。例如，该走线可以透明导电材料，例如，氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟镓(IGO)、氧化镓锌(GZO)氧化锌(ZnO)、氧化铟(In2O3)、氧化铝锌(AZO)等。
例如，在本公开至少一个实施例提供的背光模组中，如图4所示，光源结构1000可以设置为一个，以用于微型显示器。
例如，在本公开至少一个实施例提供的背光模组中，如图5所示，光源结构可以设置为多个，例如多个光源结构阵列排布。例如，背光模组还可以包括光学膜片3000，光学膜片3000位于光源结构1000的出光侧。利用光学膜片3000可以提高光源结构1000发出的光线的准直程度，此外，通过光学膜片3000对光源结构1000发出的光线进行扩散，再使得被扩散的光准直，可以消除或缓解相邻光源结构之间的区域没有光线出射而造成的背光模组出光不均匀，从而使得整个背光模组出射的光线的亮度分布均匀。例如，该光学膜片可以包括扩散膜、棱镜膜等。
本公开至少一个实施例提供一种显示装置，该显示装置包括显示面板以及位于前述实施例中的背光模组。例如，显示面板包括显示侧和背侧，背光模组位于显示面板的背侧并与显示面板重叠。示例性的，如图6所示，显示装置的显示面板400包括显示侧401和与显示侧401相背的背侧402，背光模组300面向显示面板400的背侧402。如此，从背光模组300出射的光，从显示面板400的背侧402射入显示面板400，在显示图像时，该光线可从显示面板400的显示侧401出射。例如，背光模组300的结构可以如图4和图5所示。例如，在本公开至少一个实施例中，显示面板400可以固定于如图4或图5所示的背光模组的背板2000上。
例如，在本公开实施例提供的显示装置中，显示面板的一个示例为液晶显示面板，包括阵列基板和对置基板，二者彼此对置以形成液晶盒，在液晶盒中填充有液晶材料。该对置基板例如为彩膜基板。阵列基板的每个像素单元的像素电极用于施加电场以对液晶材料的旋转的程度进行控制从而进行显示操作。
例如，在本公开实施例提供的显示装置中，显示面板的另一个示例为电子纸显示面板，例如，阵列基板上形成有电子墨水层，每个像素单元的像素电极作为用于施加驱动电子墨水中的带电微颗粒移动以进行显示操作的电压。
例如，该显示装置为用于机载头盔显示系统的微型液晶显示器，也可以为电视、数码相机、手机、手表、平板电脑、笔记本电脑、导航仪等任何具有显示功能的产品或者部件。
对于本公开，还有以下几点需要说明：
(1)本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。
(3)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (19)

1.一种透镜结构，包括相对的第一入光面和第一出光面，其中，
所述第一入光面上设置有多个凸起结构，所述多个凸起结构的背离所述第一出光面的端部位于第一曲面内，以及
所述第一曲面的至少部分为向所述透镜结构的第一出光面一侧凹陷的凹面；
所述第一曲面包括第一子曲面和环绕所述第一子曲面的第二子曲面，所述第一子曲面为向背离所述透镜结构的所述第一出光面所在侧凸出的凸面，使得所述透镜结构的与所述第一子曲面对应的部分等效于凸透镜，所述第一子曲面和所述第二子曲面相交且二者的交界线位于第一平面内，所述第一子曲面和所述第二子曲面分别为两个抛物面的一部分，所述两个抛物面分别位于第一平面的两侧，且所述两个抛物面的大小相等，开口方向相反；
所述第一子曲面包括多个所述凸起结构，所述第一子曲面包括的多个所述凸起结构在所述第一出光面上的正投影的第一宽度相等，所述第二子曲面包括的各个所述凸起结构在所述第一出光面上的正投影的第二宽度相等，且所述第一宽度不等于所述第二宽度。
2.根据权利要求1所述的透镜结构，其中，
所述第二子曲面为向所述透镜结构的所述第一出光面所在侧凹陷的凹面。
3.根据权利要求2所述的透镜结构，其中，
在与所述第一入光面至第一出光面的方向垂直的方向上，所述第一子曲面的形心至所述第一子曲面的边缘的距离为所述第一子曲面的形心至所述第二子曲面的外边缘的距离的1/6-1/3。
4.根据权利要求2所述的透镜结构，其中，
所述凸面和所述凹面至少之一的形状为部分球冠面或部分抛物面。
5.根据权利要求2-4任一所述的透镜结构，其中，
所述第一曲面关于沿所述第一入光面至所述第一出光面的方向平行的一轴线中心对称。
6.根据权利要求2-4任一所述的透镜结构，其中，
所述第一子曲面在所述交界线之内的部分与所述第二子曲面在所述交界线之内的部分关于所述第一平面对称。
7.根据权利要求1-4任一所述的透镜结构，其中，
所述第一曲面在所述第一出光面上的正投影包括圆形、椭圆形和矩形之一。
8.根据权利要求1-4任一所述的透镜结构，还包括与沿所述第一入光面至所述第一出光面的方向平行的第一光轴，其中，
所述多个凸起结构包括关于所述第一光轴中心对称的多对所述凸起结构。
9.根据权利要求8所述的透镜结构，其中，
所述凸起结构的平面形状为环形，以及所述多个凸起结构以所述第一光轴为中心为同心环形排布。
10.根据权利要求8所述的透镜结构，其中，
相邻所述凸起结构的与所述第一入光面共面的部分彼此连接。
11.根据权利要求8所述的透镜结构，其中，所述凸起结构的沿与所述第一光轴平行的方向的截面形状为三角形，
所述凸起结构包括与所述第一入光面共面的底面、面向所述第一光轴的第一侧表面和背离所述第一光轴的第二侧表面，
所述第一侧表面和所述第二侧表面设置为使得从所述第一侧表面入射的光在所述第二侧表面全反射并射向所述底面，以及
反射光与所述第一光轴基本平行。
12.根据权利要求8所述的透镜结构，其中，
所述第一出光面为平面，并且与所述第一光轴垂直。
13.一种光源结构，包括光源以及权利要求1-12任一所述的透镜结构，其中，
所述透镜结构的第一入光面面向所述光源。
14.根据权利要求13所述的光源结构，其中，所述透镜结构为第一透镜，
所述光源包括发光体和第二透镜，所述第二透镜位于所述发光体和所述第一透镜之间，
所述第二透镜具有相对的第二入光面和第二出光面，所述第二入光面面向所述光源，所述第二出光面面向所述第一透镜，并且所述第一入光面为凹面，所述第二入光面为凸面。
15.根据权利要求14所述的光源结构，其中，
所述第二入光面为部分球冠面，所述发光体位于所述部分球冠面所在的球面的球心。
16.根据权利要求14所述的光源结构，其中，
所述第二入光面配置为使得由所述发光体射入所述第二透镜且从所述第二入光面射出的光，在所述第一透镜的各所述凸起结构上的光强度相等。
17.一种背光模组，包括权利要求13-16任一所述的光源结构。
18.根据权利要求17所述的背光模组，其中，所述光源结构设置为多个且阵列排布。
19.一种显示装置，包括显示面板以及权利要求17或18所述的背光模组，其中，所述显示面板包括显示侧和背侧，所述背光模组位于所述显示面板的背侧并与所述显示面板重叠。
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