CN113934056A - 一种光源组件、显示装置及面光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源组件、显示装置及面光源装置，利用大角度入射光经过亚波长光栅仅有‑1级衍射光透射的特性，当侧入式光源朗伯体发光在导光层以大角度全反射传输时，通过倾斜光栅结构的衍射原理破坏导光层取光面的全反射，使仅‑1级衍射光以在以设定的小角度(例如±30°)透射，并将0级衍射光反射回导光层继续全反射传输，在导光层的取光面出光按照‑1级衍射效率持续提取，使取光面的总出光效率高，且出光角度可以集中在小角度(例如±30°)之内。

Description

一种光源组件、显示装置及面光源装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤指一种光源组件、显示装置及面光源装置。

背景技术

相比于透射型液晶显示面板，反射式液晶显示面板利用显示基板上的金属层反射环境光实现显示，无需增加背光源，具有低功耗、轻薄等优点，广泛应用于户外手表、电子价签、阅读器、公交站牌等。但是，当环境光较弱或黑暗环境时，环境光反射亮度降低，反射式液晶显示面板会出现显示效果差或无法显示的问题。此时需要在反射式液晶显示面板上方贴附辅助光源，辅助光源要求高亮度、高均匀性、高对比度、光线角度集中在±30°之内，且辅助光源在关闭状态不影响反射式液晶显示面板的正常显示，并对反射式液晶显示面板的反射率等光学参数损失尽可能低。目前的辅助光源暂无成熟的量产方案，处于市场空白，但是各方需求迫切。

发明内容

本发明实施例提供一种光源组件、显示装置及面光源装置，用以解决现有技术中存在……问题。

本发明实施例提供的一种光源组件，包括：

导光层，所述导光层具有相对设置的出光面和取光面，以及连接所述出光面和所述取光面的侧面；

侧入式光源，位于所述导光层的至少一个侧面；

倾斜光栅结构，位于所述导光层的取光面，所述倾斜光栅结构包括多个光栅，至少部分所述光栅相对垂直于所述出光面的法线方向倾斜，所述倾斜光栅结构的光栅周期小于所述侧入式光源的入射光波长。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的光源组件中，所述侧入式光源为两个且分别设置在所述导光层相对的两个侧面。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的光源组件中，所述倾斜光栅结构中的全部光栅具有相同的倾斜程度。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的光源组件中，所述侧入式光源为一个，所述倾斜光栅结构分为多个区域，一个所述区域内各光栅的倾斜程度相同，相邻所述区域之间的光栅的倾斜程度不同。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的光源组件中，邻近所述侧入式光源的各区域作为第一区域，在所述第一区域内光栅向远离所述侧入式光源一侧倾斜，且所述第一区域距离所述侧入式光源越近，在所述第一区域内光栅的倾斜程度越大；

远离所述侧入式光源的各区域作为第二区域，在所述第二区域内光栅向所述侧入式光源一侧倾斜，且所述第二区域距离所述侧入式光源越远，在所述第二区域内光栅的倾斜程度越大。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的光源组件中，所述导光层的取光面具有交替设置的凹槽和凸起，所述凸起作为所述倾斜光栅结构中的光栅。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的光源组件中，所述导光层的折射率大于空气的折射率。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的光源组件中，还包括位于所述导光层的取光面一侧的平坦层，所述平坦层填充于所述凹槽内且远离所述取光面一侧平坦，所述平坦层的折射率小于所述导光层的折射率。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的光源组件中，所述倾斜光栅结构包括层叠设置的第一膜层和第二膜层，所述第一膜层位于所述第二膜层与所述取光面之间，在所述第一膜层面向所述第二膜层一侧具有交替设置的凹槽和凸起，所述凸起作为所述倾斜光栅结构中的光栅；

所述第一膜层的折射率大于所述第二膜层的折射率，且所述第一膜层的折射率不小于所述导光层的折射率。

另一方面，本发明实施例还提供了一种显示装置，包括：显示面板，以及设置在所述显示面板的显示面一侧的本发明实施例提供的上述光源组件。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的显示装置中，所述显示面板为透明显示面板或反射式液晶显示面板。

另一方面，本发明实施例还提供了一种面光源装置，包括本发明实施例提供的上述光源组件。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的光源组件、显示装置及面光源装置，利用大角度入射光经过亚波长光栅仅有-1级衍射光透射的特性，当侧入式光源朗伯体发光在导光层以大角度全反射传输时，通过倾斜光栅结构的衍射原理破坏导光层取光面的全反射，使仅-1级衍射光以在以设定的小角度(例如±30°)透射，并将0级衍射光反射回导光层继续全反射传输，在导光层的取光面出光按照-1级衍射效率持续提取，使取光面的总出光效率高，且出光角度可以集中在小角度(例如±30°)之内。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光源组件的一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光源组件的另一种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光源组件的光路原理示意图；

图4a为倾斜光栅的三维波动模拟模型示意图；

图4b为倾斜光栅在xz方向的二维波动模拟模型示意图；

图5为软件模拟的波动模拟结果示意图；

图6为倾斜光栅的倾斜角度方向定义示意图；

图7为倾斜光栅的-1级透射衍射效率随倾斜角度变化的趋势示意图；

图8为本发明实施例提供的光源组件的均一性理论计算模型示意图；

图9为本发明实施例提供的光源组件的制作流程示意图；

图10为本发明实施例提供的光源组件的另一种结构示意图；

图11为本发明实施例提供的光源组件的另一种结构示意图；

图12为本发明实施例提供的光源组件的另一种结构示意图；

图13为本发明实施例提供的光源组件的另一种结构示意图；

图14为本发明实施例提供的显示装置的结构示意图。

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。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于所描述的本发明的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“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。

需要注意的是，附图中各图形的尺寸和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。并且自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

现有的可以应用于反射式液晶显示面板的辅助光源主要采用微米级结构，依靠几何光学在界面处的折射和反射改变光线角度，主要问题点在于光线角度收束能力有限、光效低且均一性差。具体第，现有辅助光源主要分为以下两种。

第一种采用导光板，其原理类似于液晶显示面板的背光源中的导光板，在导光板下表面设置网点，网点尺寸约20um左右，导光板注塑成型，网点破坏导光板内全反射传输的光线。其缺点为目视网点可见，与显示屏全贴合后前光作用失效，显示画面有距离感。

第二种采用导光膜，导光膜采用低折材料且具有约20um的微结构，约100um间隔一维排布，通过微结构的界面全反射改变光线向下传输。其缺点为下表面出光效率低，上表面无效出光导致对比度低，下表面出光集中在前端，均一性差。

本发明实施例提供的光源组件利用亚波长倾斜光栅的衍射原理，将约束在导光层的大角度光线转换成小角度向下透射光，以渐变衍射效率持续提取光能量，实现均一性的面光源，同时具有薄型化窄边框等优势。并且，本发明实施例提供的光源组件，除了可以作为反射式液晶显示面板的辅助光源之外，还可以应用于透明显示作为辅助光源，以及应用于要求高均一的面光源装置。

具体地，本发明实施例提供的光源组件，如图1和图2所示，包括：

导光层1，导光层1具有相对设置的出光面A和取光面B，以及连接出光面A和取光面B的侧面C；

侧入式光源2，位于导光层1的至少一个侧面C，侧入式光源2例如可以是发光二极管光源；

倾斜光栅结构3，位于导光层1的取光面B，倾斜光栅结构3包括多个光栅31，至少部分光栅31相对垂直于出光面的法线方向F倾斜，即至少部分光栅31与法线方向F具有一倾斜角度，倾斜光栅结构3的光栅周期d小于侧入式光源2的入射光波长，即倾斜光栅结构3属于亚波长光栅。

针对可见光波段380nm～780nm，亚波长光栅的光栅周期d范围大致在100nm～800nm，光栅周期属于百纳米尺寸。与常规尺寸的光栅相比，亚波长光栅在反射、透射、偏振、光谱特性上具有显著的不同，本发明正是利用大角度入射光经过亚波长光栅仅有-1级衍射光透射的特性，当侧入式光源2朗伯体发光在导光层1以大角度全反射传输时，通过倾斜光栅结构3的衍射原理破坏导光层1取光面B的全反射，使仅-1级衍射光以在以设定的小角度(例如±30°)透射，并将0级衍射光反射回导光层1继续全反射传输，在导光层1的取光面B出光按照-1级衍射效率持续提取，使取光面B的总出光效率高。

下面对本发明实施例提供的光源组件中的光路原理参照图3进行详细介绍。

侧入式光源2为朗伯光源，其发光角在±60°范围，侧入式光源2的出射光进入导光层1满足折射定律：n_airsinθ₁＝n₁sinθ₂；其中，n₁为导光层1的折射率，n_air为空气的折射率，θ₁为侧入式光源2的出射光在导光层1的入射角，θ₂为侧入式光源2的出射光在导光层1内的折射角。

在导光层1内部传输的光线到达导光层1的出光面A和取光面B的角度θ₃，遵循余角定律：θ₃＝90°-θ₂。例如按照n₁＝1.58，可计算出角度θ₃的范围为[57°,90°]，且角度θ₃均大于全反射的临界角θ_c，θ_c＝arcsin(1/n₁)＝39.3°。若在取光面C未设置倾斜光栅结构3，则在导光层1内传输的光线均约束在导光层1内传输。

为了防止在取光面B发生全反射，将导光层1的折射率n₁设置为不小于倾斜光栅结构3中光栅31的折射率n₂，光线从光疏介质到光密介质遵循折射定律：n₁sinθ₃＝n₂sinθ₄；其中，θ₃为光线在取光面B的入射角，θ₄为光线在取光面B的折射角。

倾斜光栅结构3通过衍射原理破坏导光层1内光线的全反射传输，遵循严格耦合波理论，仅有-1级衍射光θ_-1透射，衍射角度满足以下公式：

其中，d为光栅周期，θ₄为光线在光栅的入射角，λ为衍射光的波长，n₃为透射光所在介质的折射率。

衍射角度的影响因素有光栅周期d、折射率n2和n3、入射角度θ₄。衍射效率通过波动模拟软件计算，衍射效率的影响因素有光栅脊的占空比、光栅脊的形貌和角度、折射率n2和n3、入射角度θ₄。

如图4a和图4b所示，列举满足以上光路原理的一组倾斜光栅结构3的参数：当n1＝n2＝1.58，n3＝1.3，d＝400nm，光栅高度h＝200nm，占空比ratio＝0.5，倾斜角度α＝-40°，其中，倾斜角度的正负值是根据光栅的倾斜方向和光线的传播方向决定的，当光栅的倾斜方向和光线的传播方向一致时倾斜角度为正值，当光栅的倾斜方向和光线的传播方向相反时倾斜角度为负值，例如光栅向法线的右侧倾斜，光线向右侧传播，则倾斜角度为正值，光栅向法线的左侧倾斜，光线向右侧传播，则倾斜角度为负值。如图5所示，展示了650nm入射光线的波动模拟结果，分析如下：仅有-1级的透射衍射，且透射角度收束在±30°范围内，-1级衍射效率为22％；反射衍射以0级为主，在导光层1内全反射向后传输。

由光栅衍射原理可知，光栅周期决定其衍射角度，在光栅周期不变改的情况下，改变光栅结构的形貌，可在不改变衍射角度的基础上调整衍射效率。

例如采用角度渐变的倾斜光栅，则衍射效率随倾斜角度α变化趋势如图6和图7所示。模拟结果分析如下：光栅倾斜角从40°变化到-40°过程中，Tm＝-1衍射效率逐渐增大，倾斜角-40°时，透射衍射效率最高可达到22％。根据模拟结果可知，倾斜光栅的倾斜角度范围可在+85°到-85°。

如图8所示，在导光层1中入射光线向后传输的过程中，由于-1级透射衍射不断提取向下传输，向后传输的能量会逐渐衰减，取光面B出射光能由a衰减为b＝(1-a)^n-1*a，且光线可传输距离满足L＝(2n+1)*H*tanθ₃，其中a为-1级衍射效率，n为全反射光线经过取光面B的次数，L为导光层1的长度，H为导光层1的厚度。

为使本发明实施例提供的光源组件适用的产品尺寸增大，从小尺寸的手表产品拓展到平板阅读器的尺寸，需要光线传输距离越大，n值越大，以有利于提高前光取光面B的总提光效率，但是会带来取光面B均一性差的问题。

为解决均一性问题，在本发明实施例提供的光源组件中，如图1所示，可以通过在导光层1相对的两个侧面分别设置侧入式光源2的方式，使对称性能量衰减平衡均一性。具体地，侧入式光源2从左侧入射的光线在导光层1中向右传输，提取能量从左向右会逐渐衰减(如图中实线箭头所示)，而从右侧入射的光线在导光层1中向左传输，提取能量从右向左会逐渐衰减(如图中虚线箭头所示)，左右两侧的能连衰减呈对称设置，因此，倾斜光栅结构各位置总体的能量提取达到平衡均一。因此，如图1所示，倾斜光栅结构3中的全部光栅31可以具有相同的倾斜程度，即全部光栅31向一侧倾斜且倾斜角度相同，加工难度低。

或者，为解决均一性问题，可以利用上述介绍的倾斜光栅不同的倾斜角度衍射效率不同的特性，在设置一个侧入式光源2的情况下，适用于窄边框模组，使从侧入式光源2的入光侧到尾部的衍射效率逐渐增大，以抵消提取效率衰减的问题，使能量提取达到平衡均一。具体地，如图2所示，可以将倾斜光栅结构分为多个区域，使光栅的倾斜角度呈区域性变化，在一个区域内的各光栅的倾斜程度相同，即在一个区域内各光栅向一侧倾斜且倾斜角度相同，而相邻区域之间的光栅的倾斜程度不同，即相邻区域内的倾斜角度不同或倾斜方向不同，以调节区域之间的衍射效率。具体地，可以将邻近侧入式光源2的各区域作为第一区域，在第一区域内光栅31向远离侧入式光源2一侧倾斜，且第一区域距离侧入式光源2越近，在第一区域内光栅31的倾斜程度越大，即第一区域内的光栅倾斜角度为正值；将远离侧入式光源2的各区域作为第二区域，在第二区域内光栅31向侧入式光源2一侧倾斜，且第二区域距离侧入式光源2越远，在第二区域内光栅的倾斜程度越大，即在第二区域内的光栅倾斜角度为负值。并且，还可以在第一区域和第二区域之间设置第三区域，在第三区域内的光栅可以不发生倾斜，以便从第一区域过度到第二区域。这样，从侧入式光源2的入光侧到尾部的方向，倾斜光栅结构3内光栅的倾斜角逐渐减小，倾斜角度可选范围为从+85°到-85°变化，衍射效率逐渐增大，以抵消提取效率衰减的问题，使能量提取达到平衡均一。

可选地，在本发明实施例提供的上述光源组件中，如图1和图2所示，倾斜光栅结构3可以具体包括层叠设置的第一膜层13和第二膜层23，第一膜层13位于第二膜层23与取光面B之间，在第一膜层23面向第二膜层13的一侧具有交替设置的凹槽和凸起，凸起可以作为倾斜光栅结构3中的光栅31；具体地，第一膜层13的折射率n2大于第二膜层23的折射率n3，且第一膜层13的折射率n2不小于导光层1的折射率n1，即n2＞n3，n2和n3的范围1.3～1.9，第一膜层13和第二膜层23可以采用透明可固化UV胶或压印胶制作，n2和n3的折射率调控主要通过在环氧树脂、丙烯酸酯基体中添加无机氧化物氧化锆、氧化钛、氧化锌、空心二氧化硅等添加剂，例如在环氧树脂、丙烯酸酯基体中添加无机氧化物氧化锆、氧化钛、氧化锌可以增加膜层的折射率，在环氧树脂、丙烯酸酯基体中添加空心二氧化硅可以降低膜层的折射率。导光层1的折射率满足n1≤n2，以防止在取光面B发生全反射，n1的范围1.48～1.58，导光层1可以采用常见的透明导光材料制备，例如PMMA、PC、Glass等。

具体地，在本发明实施例提供的上述光源组件中，倾斜光栅结构3的加工方式可采用纳米压印技术，如图9所示，可以包括以下步骤：①通过电子束工艺在小尺寸的硅基或石英上制作硬质模组；②采用软膜转印的方式将硬质模组的图案转印到小尺寸的软膜上，为大面积生产做准备，减少对昂贵模板的损耗；③采用多次压印的方式，将小尺寸的软膜上的图案复制到大面积复制膜上；④将大面积复制模制作形成滚轮，采用滚轮压印的方式，批量生产第一膜层中的凹槽和凸起图案；⑤在第一膜层上填充低折射率材料形成第二膜层。

可选地，在本发明实施例提供的上述光源组件中，当第一膜层13的折射率n2等于导光层1的折射率n1时，如图10和图11所示，可以将导光层1和第一膜层13设置为一体结构，即两者为相同材质。即可以在导光层1的取光面B形成交替设置的凹槽或凸起，凸起作为倾斜光栅结构3中的光栅。并且，当导光层1采用硬质板材时，可以采用刻蚀工艺在导光层1的取光面B制作出凹槽和凸起，以构成光栅31。可选地，如图12和图13所示，之后可以在导光层1的取光面B填充低折射率n3的透明介质作为第二膜层23，即第二膜层23可以为位于导光层1的取光面B一侧的平坦层，平坦层填充于凹槽内且远离取光面B一侧平坦，平坦层的折射率n3小于导光层1的折射率n1。或者，如图10或图11所示，可以不填充低折射率材料，直接将空气作为介质，即n3＝1，导光层1的折射率n1需要大于空气的折射率n3＝1。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种显示装置，由于该显示装置解决问题的原理与前述一种光源组件相似，因此该显示装置的实施可以参见光源组件的实施，重复之处不再赘述。

具体地，本发明实施例提供的一种显示装置，如图14所示，包括：显示面板100，以及设置在显示面板100的显示面一侧的本发明实施例提供的光源组件。可选地，显示面板100可以为透明显示面板或反射式液晶显示面板。本发明实施例提供的光源组件，除了可以作为反射式液晶显示面板的辅助光源之外，还可以应用于透明显示作为辅助光源，光源组件作为辅助光源可以达到高亮度、高均匀性、高对比度、光线角度集中在±30°之内的性能，且辅助光源在关闭状态不影响显示面板的正常显示，并对显示面板的光学参数损失尽可能低。

本发明实施例提供的光源组件，还可以应用于要求高均一的面光源装置。基于此，本发明实施例还提供了一种面光源装置，包括本发明实施例提供的上述光源组件。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种光源组件，其特征在于，包括：

导光层，所述导光层具有相对设置的出光面和取光面，以及连接所述出光面和所述取光面的侧面；

侧入式光源，位于所述导光层的至少一个侧面；

倾斜光栅结构，位于所述导光层的取光面，所述倾斜光栅结构包括多个光栅，至少部分所述光栅相对垂直于所述出光面的法线方向倾斜，所述倾斜光栅结构的光栅周期小于所述侧入式光源的入射光波长。

2.如权利要求1所述的光源组件，其特征在于，所述侧入式光源为两个且分别设置在所述导光层相对的两个侧面。

3.如权利要求2所述的光源组件，其特征在于，所述倾斜光栅结构中的全部光栅具有相同的倾斜程度。

4.如权利要求1所述的光源组件，其特征在于，所述侧入式光源为一个，所述倾斜光栅结构分为多个区域，一个所述区域内各光栅的倾斜程度相同，相邻所述区域之间的光栅的倾斜程度不同。

5.如权利要求4所述的光源组件，其特征在于，邻近所述侧入式光源的各区域作为第一区域，在所述第一区域内光栅向远离所述侧入式光源一侧倾斜，且所述第一区域距离所述侧入式光源越近，在所述第一区域内光栅的倾斜程度越大；

远离所述侧入式光源的各区域作为第二区域，在所述第二区域内光栅向所述侧入式光源一侧倾斜，且所述第二区域距离所述侧入式光源越远，在所述第二区域内光栅的倾斜程度越大。

6.如权利要求1-5任一项所述的光源组件，其特征在于，所述导光层的取光面具有交替设置的凹槽和凸起，所述凸起作为所述倾斜光栅结构中的光栅。

7.如权利要求6所述的光源组件，其特征在于，所述导光层的折射率大于空气的折射率。

8.如权利要求6所述的光源组件，其特征在于，还包括位于所述导光层的取光面一侧的平坦层，所述平坦层填充于所述凹槽内且远离所述取光面一侧平坦，所述平坦层的折射率小于所述导光层的折射率。

9.如权利要求1-5任一项所述的光源组件，其特征在于，所述倾斜光栅结构包括层叠设置的第一膜层和第二膜层，所述第一膜层位于所述第二膜层与所述取光面之间，在所述第一膜层面向所述第二膜层一侧具有交替设置的凹槽和凸起，所述凸起作为所述倾斜光栅结构中的光栅；

所述第一膜层的折射率大于所述第二膜层的折射率，且所述第一膜层的折射率不小于所述导光层的折射率。

10.一种显示装置，其特征在于，包括：显示面板，以及设置在所述显示面板的显示面一侧的如权利要求1-9任一项所述的光源组件。

11.如权利要求10所述的显示装置，其特征在于，所述显示面板为透明显示面板或反射式液晶显示面板。

12.一种面光源装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的光源组件。

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