CN1900784A - 导光板与背光模组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导光板，旨在解决现有技术的导光板的光能利用率较低的问题。该导光板包括导光基体，该导光基体的出光面上设有亚波长光栅结构，该导光基体内具有分别沿着两个相垂直的方向的两个主应力或主应变，该主应力或主应变之一的方向和导光基体的入光面的夹角大于0度小于90度，该两个主应力或主应变的主应力差或主应变差对导光基体内的多个波长光产生近似相同的相位延迟，且该相位延迟接近半波片的性能。本发明还涉及一种采用该导光板的背光模组。

Description

导光板与背光模组

【技术领域】

本发明涉及一种可实现对多波长光的偏振光转换且光能利用率高的导光板，以及一种采用该导光板的背光模组。

【背景技术】

由于液晶显示面板中的液晶本身不具有发光特性，因而，为达到显示效果，需要给液晶显示面板提供背光模组，该背光模组的功能在于向液晶显示面板供应具有充分亮度而且均匀分布的面光源。

一种现有技术的背光模组如图1所示，该背光模组20与液晶显示面板10组成液晶显示装置100。该背光模组20包括光源21、导光板22、反射片23、扩散片24和棱镜片25。该液晶显示面板10的上、下两个表面分别设置上偏光片11和下偏光片12。该背光模组20中的光源21相对导光板22的侧面(即入光面)设置，该反射片23、导光板22、扩散片24和棱镜片25依次层叠设置。该液晶显示面板10位于背光模组20的上方。

该背光模组20工作时，光源21发出自然光，该自然光经导光板22、反射片23、扩散片24和棱镜片25转换为面光源后以自然光T投射在下偏光片12上。该自然光T可以看作由振幅相同且电矢量相互垂直的线偏振光P与线偏振光S。其中，该线偏振光P的偏振方向与偏光片12的透光轴方向相同，该线偏振光S的偏振方向与偏光片12的透光轴方向垂直。故，仅线偏振光P能通过偏光片12，而线偏振光S不能通过偏光片12且被具有吸收性能的偏光片12吸收。由于近50％的光被偏光片12吸收，这大大降低了光能利用率。

另一种现有技术的背光模组如图2所示，该背光模组40与液晶显示面板30组成液晶显示装置300。该背光模组40包括光源41、导光板42、反射片43、扩散片44、棱镜片45、1/4波片46和反射式偏振分光器(Polarizing Beam Splitter，PBS)47。该液晶显示面板30的上、下两个表面分别设置上偏光片31和下偏光片32。该背光模组40中的光源41相对导光板42的侧面设置，该反射片43、1/4波片46、导光板42、扩散片44、棱镜片45和反射式偏振分光器47依次层叠设置。该液晶显示面板30位于背光模组40的上方。

该背光模组40作时，光源41发出自然光，其中一部分自然光经导光板42、扩散片44和棱镜片45转换为面光源后以自然光T投射在反射式偏振分光器47上。该自然光T中的线偏振光P能通过反射式偏振分光器47并进而通过偏光片32，而线偏振光S则不能通过反射式偏振分光器47，其被反射式偏振分光器47反射回背光模组40。被反射回的线偏振光S依次通过棱镜片45、扩散片44、导光板42和1/4波片46，然后投射到反射片43上并被反射片43反射再次通过1/4波片46，由于1/4波片46的作用，线偏振光S两次通过1/4波片46后转换为线偏振光P1(线偏振光P1与线偏振光P具同种偏振方向)，从而使该线偏振光P1也可以通过反射式偏振分光器47和偏光片32。由于该背光模组40实现了光能的复用，光能利用率得到提高。理论上，该背光模组40的亮度可以为上述的背光模组20的两倍。

当上述的背光模组40应用在彩色液晶显示装置中时，由于彩色液晶显示装置的背光模组必须是宽光谱或者多波长的，因此偏振分光和偏振光转换必须工作于宽光谱或者多波长的条件下，此时，上述的1/4波片46应为消色差波片，其对于多个波长光都可以起到近似相同的相位延迟。

但是，由于该背光模组40中被反射式偏振分光器47反射的线偏振光S必须从导光板42射出，然后才能被1/4波片46转换成线偏振光P1，而1/4波片46和导光板42的界面处会产生反射和散射损失，这仍然不利于光能利用率的提高。另外，该背光模组40对反射式偏振分光器47的采用也不利于背光模组的集成化需求。

【发明内容】

以下，将以实施例说明一种可提高光能利用率的导光板，以及，一种采用所述导光板的光能利用率高的背光模组。

为实现上述实施例的内容提供一种导光板，该导光板包括导光基体，该导光基体包括入光面、连接于该入光面的出光面和相对于该出光面的底面。该导光基体的出光面上设有亚波长光栅结构，且该导光基体为应力或应变双折射导光基体，其内具有分别沿着两个相垂直的方向的两个主应力或主应变，该主应力或主应变之一的方向和入光面的夹角大于0度小于90度。该两个主应力或主应变的主应力差或主应变差对该导光基体内的多个波长光中的每两个波长光的相位延迟满足以下条件：

δ₁＝2k₁π+π k₁＝0，1，2，3，4，；δ₂＝2k₂π+π k₂＝0，1，2，3，4，......； ${\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2=2\mathrm{\πd\Δ}(\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_2})=2\mathrm{m\π},m=\mathrm{0,1,2,3,4},......,$ 其中，δ₁和δ₂分别表示以第一波长光和第二波长光表示的该两个波长光的相位延迟，d为导光基体的厚度，C₁和C₂分别表示该两个波长光的应力光学常数或应变光学常数，Δ表示主应力差或主应变差，λ₁和λ₂分别表示该两个波长光的波长。

以及，提供一种背光模组，该背光模组包括光源、导光板和反射装置，该导光板包括导光基体，该导光基体包括入光面、连接于该入光面的出光面和相对于该出光面的底面。该光源相对导光基体的入光面设置，该反射装置设置在导光基体底面一侧，该导光基体出光面上设有亚波长光栅结构。该导光基体为应力或应变双折射导光基体，其内具有分别沿着两个相垂直的方向的两个主应力或主应变，该主应力或主应变之一的方向和入光面的夹角大于0度小于90度。该两个主应力或主应变的主应力差或主应变差对该导光基体内的多个波长光中的每两个波长光的相位延迟满足以下条件：δ₁＝2k₁π+π k₁＝0，1，2，3，4，...... ；δ₂＝2k₂π+πk₂＝0，1，2，3，4，......， ${\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2=2\mathrm{\πd\Δ}(\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_2})=2\mathrm{m\π},m=\mathrm{0,1,2,3,4},......,$ 其中，δ₁和δ₂分别表示以第一波长光和第二波长光表示的该两个波长光的相位延迟，d为导光基体的厚度，C₁和C₂分别表示该两个波长光的应力光学常数或应变光学常数，Δ表示主应力差或主应变差，λ₁和λ₂分别表示该两个波长光的波长。

相较于现有技术，由于本实施例所提供导光板的导光基体为应力或应变双折射导光基体，通过对其内主应力差或主应变差的限定，使得该导光基体对多个波长的光均具有近似相同的相位延迟，并接近或者等同于消色差1/4波片的性能，从而应用本实施例导光板的背光模组不再需要额外的消色差1/4波片，即可将线偏振光S在导光板内部转换成线偏振光P，无界面处的反射及散射损失，光能利用率进一步提高。同时，由于本实施例所提供的导光板具有亚波长光栅结构，其在起到现有技术的反射式偏振分光器相同的作用，可实现采用本实施例导光板的背光模组的集成化。

同样，本实施例所提供的背光模组结合导光板的亚波长光栅结构，可以实现发射液晶面板需用的多波长的偏振光，提高光能利用率。同时，由于无需采用现有技术的反射式偏振分光器，本实施例的背光模组集成度高。

【附图说明】

图1是一种现有技术的背光模组与液晶显示面板组成的液晶显示装置的平面示意图。

图2是另一种现有技术的背光模组与液晶显示面板组成的液晶显示装置的平面示意图。

图3是本发明第一实施例的导光板的立体示意图。

图4是图3所示导光板的光路示意图。

图5是本发明第一实施例的导光板的主应力差与一目标函数的关系曲线图。

图6是本发明第一实施例的导光板的光栅上层的厚度与线偏振光P透过率的关系曲线图。

图7是本发明第一实施例的导光板的光栅上层的厚度与线偏振光S透过率的关系曲线图。

图8是本发明第一实施例的导光板的光栅下层的厚度与线偏振光P透过率的关系曲线图。

图9是本发明第一实施例的导光板的光栅下层的厚度与线偏振光S透过率的关系曲线图。

图10是本发明第二实施例的导光板的立体示意图。

图11是本发明第二实施例的导光板的光栅结构的厚度与线偏振光P透过率的关系曲线图。

图12是本发明第二实施例的导光板的光栅结构的厚度与线偏振光S透过率的关系曲线图。

图13是本发明第二实施例的导光板的光栅结构的占空比与线偏振光P透过率的关系曲线图。

图14是本发明第二实施例的导光板的光栅结构的占空比与线偏振光S透过率的关系曲线图。

图15是本发明第三实施例的背光模组的平面示意图。

【具体实施方式】

如图3所示，是本发明第一实施例导光板的立体示意图。该导光板52包括一平板形的导光基体520和亚波长光栅结构527。该导光基体520包括入光面521、连接于该入光面521的出光面522，和相对该出光面522的底面523。该亚波长光栅结构527包括依次设置在出光面522上的光栅下层526和光栅上层525，其中光栅下层526和导光基体520的材料相同，光栅上层525的材料为铝。该导光基体520的底面523设置有微结构524。本实施例中，该导光基体520为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，该微结构524是顶角为72度的对称V形槽。

该亚波长光栅结构527是光栅周期尺寸比入射光波长小一个或多个数量级的一维或多维光栅，通过正确选择该亚波长光栅结构527的尺寸，可以起到反射式偏振分光器的作用，实现线偏振光P透过，线偏振光S被反射折回。该亚波长光栅结构527的组成及优化选择过程将在后面详细说明。

该导光基体520是利用光弹性效应，被施加应力制得的应力双折射导光基体。如图3所示，首先定义垂直该导光基体520入光面521的方向为X轴，垂直于X轴并平行于出光面522的方向为Y轴，则该导光基体520中的主应力σ_x和σ_y的方向分别沿着图中虚线所示的两个方向，σ_x和X轴方向的夹角为θ，σ_y和Y轴方向的夹角为θ。该θ角度在0度到90度之间，优选的为45度。且该两个主应力σ_y与σ_x的应力差Δσ对该导光基体520内的多个波长光中的每两个波长光的相位延迟满足以下条件：δ₁＝2k₁π+πk₁＝0，1，2，3，4，......；δ₂＝2k₂π+π k₂＝0，1，2，3，4，......； ${\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2=2\mathrm{\πCd\Δ\σ}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2})=2\mathrm{m\π},m=\mathrm{0,1,2,3,4},......,$ 其中，δ₁和δ₂分别表示该两个波长光的相位延迟，d为导光基体520的厚度，C表示应力光学常数，Δσ表示主应力差，λ₁和λ₂分别表示该两个波长光的波长。

由于该导光基体520被施加应力，并通过对其内主应力差Δσ的限定，使得该导光基体520对多波长光均具有近似相同的相位延迟，并接近或者等同于消色差1/4波片的性能，从而应用本发明导光基体520的背光模组不再需要额外的消色差1/4波片，即可将多波长光的线偏振光S在导光基体520内部分别转换成线偏振光P，无界面处的反射及散射损失，光能利用率进一步提高。

下面结合图4，对该导光基体520对线偏振光S的转换过程进行论证。

一起参照图3和图4，假设入射光在XZ平面内，线偏振光P电矢量方向在XZ平面内，线偏振光S电矢量方向在XZ平面法线方向，亚波长光栅结构的反射式偏振分光器的透光轴沿着X轴方向。导光基体520底面523的微结构524改变入射角θ_i，当此入射角θ_i的角度较小时，光线才能从导光基体520出光面522射出，由于θ_i较小，在如下关于主应力差的分析中，为了简化问题，假设θ_i＝0，即出射光沿着出光面522法线方向。线偏振光S的琼斯(Jones)矢量 $E_i=\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right],$ 根据布儒斯特(Brewster)定律，折射率变化量和主应力差大小成线性关系，有：

             n_σy-n_σx＝C(σ_y-σ_x)                             (1.1)

其中n_σx和n_σy分别表示在两个主应力方向的折射率，C表示相对应力光学常数。

光波通过厚度为d的导光基体520后有一光程差l，根据式1.1有：

             l＝Cd(σ_y-σ_x)                                    (1.2)

入射光波长为λ，得到相位延迟δ为：

            δ＝2πCd(σ_y-σ_x)/λ                              (1.3)

上述两个式子1.2与1.3称为平面光弹性的应力-光学定律。施加应力后，导光基体520变成了相位延迟器。

在光弹性实验中，一般定义f_σ＝λ/C，f_σ称为材料应力条纹值，所以相位延迟δ也可以改写为：

           δ＝2πd(σ_y-σ_x)/f_σ                               (1.4)

在XY坐标系下，琼斯矩阵T为：

$T=\left[\begin{array}{cc}{\cos }^2\mathrm{\θ}+{\sin }^2{\mathrm{\θe}}^{\mathrm{j\δ}}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ}\cos {\mathrm{\θe}}^{\mathrm{j\δ}}\\ \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ}\cos {\mathrm{\θe}}^{\mathrm{j\δ}}& {\sin }^2\mathrm{\θ}+{\cos }^2{\mathrm{\θe}}^{\mathrm{j\δ}}\end{array}\right]---\left(1.5\right)$

穿过此相位延迟器(即导光基体520)后琼斯矢量E_o为：

$E_o=\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{ox}}\\ E_{\mathrm{oy}}\end{array}\right]={\mathrm{TE}}_i=\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ}{\cos \mathrm{\θe}}^{\mathrm{j\δ}}\\ {\sin }^2\mathrm{\θ}+{\cos }^2{\mathrm{\θe}}^{\mathrm{j\δ}}\end{array}\right]---\left(1.6\right)$

E_x＝Re[E_ox]＝sin2θsin(δ/2)cos(ωt+δ/2+π/2)                 (1.7)

经过亚波长光栅结构527后，透射光强I_X为：I_x＝sin²2θsin²(δ/2)，带入式1.4得到：

I_x＝sin²2θsin²[πd(σ_y-σ_x)/f_σ]＝sin²2θsin²(πdΔσ/f_σ)    (1.8)

显然如下条件满足时，I_X得到最大值：

$\left\{\begin{array}{c}2\mathrm{\θ}=\mathrm{\π}/2\\ \mathrm{\πd\Δ\σ}/f_{\mathrm{\σ}}=\mathrm{k\π}+\mathrm{\π}/2,k=\mathrm{0,1,2,3,4},....\end{array}\right.---\left(1.9\right)$

因此，应力双折射导光基体520设计中，为得到最大的光利用率，应使主应力σ_x方向与X轴的夹角θ为45度。当然，该主应力σ_x方向与X轴的夹角θ在0度到90度之间并不等于45度时，虽然不能达到最大的光利用率，但仍然可以实现部分线偏振光S的复用。

接下来，首先基于单色光波长λ来推论主应力差Δσ。

主应力差Δσ大小可以由dΔσ/f_σ＝k+0.5确定，带入应力条纹值表达式，可以依据光弹性应力-光学定律得到：

      dCΔσ＝(k+0.5)λ k＝0，1，2，3，4，....     (1.10)

同样，本发明中也可以根据光塑性应变-光学定律得到类似的表达式。光塑性应变-光学定律表示为：

         δ_ε＝2πC_εd(ε_y-ε_x)/λ                 (1.11)

即：某一材料某一点施加主应变ε_x和ε_y所引起的光程差δ_ε，与该点的主应变差(ε_y-ε_x)和厚度d成比例。其中C_ε为应变-光学常数，与特定的材料有关。类似于式子1.10，可以根据应变光学定律，得到应该施加的应变差，以产生特定的相位延迟：

        dC_εΔε＝(k+0.5)λ k＝0，1，2，3，4，.... (1.12)

接下来，假设该导光基体520需要对c(656.3nm)，d(589.3nm)，f(486.1nm)三种波长光产生相同的偏振光转换功能，以下以c，d，f三波长光为例，设计具有消色差1/4波片功能的双折射导光基体520。假设在可见光波段，应力光学常数C为常数。因此，应力双折射导光基体520为了对c，d，f三波长光产生近似相同的相位延迟，需满足：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_d-{\mathrm{\δ}}_c=2\mathrm{\πCd\Δ\σ}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_d}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_c})=2\mathrm{m\π},m=\mathrm{0,1,2,3,4},......\\ {\mathrm{\δ}}_f-{\mathrm{\δ}}_d=2\mathrm{\πCd\Δ\σ}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_f}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_d})=2\mathrm{n\π},n=\mathrm{0,1,2,3,4},......\end{array}\right.---\left(1.13\right)$

同时要满足相位延迟最接近半波片2kπ+π。如何取得最佳的主应力差Δσ的问题可以通过转换成目标函数(Objective Function)求解极小值来解决，目标函数如下：

    y＝w_c×abs[mod(δ_c，2π)-π]+w_d×abs[mod(δ_d，2π)-π]+

       w_f×abs[mod(δ_f，2π)-π]

                                                        (1.14)

其中，mod表示求余数，abs表示取绝对值，w_c，w_d，w_f分别表示c，d，f  三波长光对应的权重。当δ_c＝2k_cπ+π，δ_d＝2k_dπ+π，δ_f＝2k_fπ+π时，上式取得最小值0。

在本实施例中，该导光基体520厚度为d＝0.8mm，其应力光学常数C＝4.8×10^-12Pa^-1。假设c，d，f三波长光具有相同的权重w_c＝w_d＝w_f＝1。则目标函数与主应力差Δσ的关系如图5所示。根据图5，可以看出主应力差Δσ在0至10×10⁸Pa范围内，局部最优解为Δσ＝7.28×10⁸Pa。此时和c，d，f所对应的相位延迟分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_c=16\mathrm{\π}+1.04\mathrm{\π}\\ {\mathrm{\δ}}_d=18\mathrm{\π}+0.98\mathrm{\π}\\ {\mathrm{\δ}}_f=22\mathrm{\π}+1.0\mathrm{\π}\end{array}\right.$

显然，优化所得主应力差Δσ满足使导光基体520具有消色差l/4波片的功能，最大误差仅为4％。

上述实施例中假设在可见光波段，应力光学常数C为常数。若此假设不能满足，即当应力光学常数C随着不同波长光而变化时，上述设计方法仍然适用，可将相位延迟δ写成如下的形式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_c=2\mathrm{\π}{C}_{\mathrm{const}}\mathrm{d\Δ\σ}\frac{1}{{{\mathrm{\λ}}_c}^{\′}}\\ {\mathrm{\δ}}_d=2\mathrm{\π}{C}_{\mathrm{const}}\mathrm{d\Δ\σ}\frac{1}{{{\mathrm{\λ}}_d}^{\′}}\\ {\mathrm{\δ}}_f=2\mathrm{\π}{C}_{\mathrm{const}}\mathrm{d\Δ\σ}\frac{1}{{{\mathrm{\λ}}_f}^{\′}}\end{array}\right.---\left(1.15\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\λ}}_c}^{\′}={\mathrm{\λ}}_c\frac{C_{\mathrm{const}}}{C_c}\\ {{\mathrm{\λ}}_d}^{\′}={\mathrm{\λ}}_d\frac{C_{\mathrm{const}}}{C_d}\\ {{\mathrm{\λ}}_f}^{\′}={\mathrm{\λ}}_f\frac{C_{\mathrm{const}}}{C_f}\end{array}\right..$

其中，C_const为不随波长变化的常数，C_c、C_d、C_f分别为c，d，f三波长光对应的应力光学常数。

对上述导光基体520施加应力的方式多种多样，例如可以在导光基体520注模成型时施加应力，然后通过应力冻结技术，实现应力保存。

下面结合图4，以及图6到图9，对该导光板52的亚波长光栅结构527为实现最佳的偏振分光功能所进行的优化选择过程及结果进行说明。

首先定义亚波长光栅结构527的周期为D，占空比(DutyCycle，DC)为f(f＝w/D)，光栅下层526的高度为h₂，光栅上层525的高度为h₁。

针对多波长光，亚波长光栅结构527的设计目标是：实现线偏振光P透过率最大，线偏振光S透过率最小。下面还以c、d、f三波长光为例，根据严格耦合波理论(Rigorous Coupled-waveTheory)设计亚波长光栅结构527，并主要从线偏振光P透光率，线偏振光S透光率两个方面衡量亚波长光栅结构527的性能。

本实施例中选择亚波长光栅结构527的周期为0.2μm，占空比介于0.2和0.8之间，优选为0.5。在对光栅上层525和光栅下层526厚度的优化中，光栅上层525的厚度h₁与线偏振光P透过率的关系为如图6所示，光栅上层525的厚度h₁与线偏振光S透过率的关系如图7所示，依据衡量标准，选择光栅上层525的厚度h₁在0.2μm和0.21μm之间。光栅下层526的厚度h₂与线偏振光P透过率的关系如图8所示，光栅下层526的厚度h₂与线偏振光S透过率的关系如图9所示，依据衡量标准，选择光栅下层526的厚度h₂在0.23μm和0.25μm之间。

如图10所示，是本发明第二实施例导光板的立体图。该导光板72同第一实施例的导光板52基本相同，其区别在于该导光板72的导光基体720的材料选用聚碳酸酯(PC)，且该导光基体720的出光面722上的亚波长光栅结构725为单层结构，该单层的亚波长光栅结构725的材料为铝。

本实施例中选择亚波长光栅结构725的周期为0.2μm，在对亚波长光栅结构725厚度h的优化中，亚波长光栅结构725的厚度h与线偏振光P透过率的关系如图11所示，亚波长光栅结构725的厚度h与线偏振光S透过率的关系如图12所示，依据衡量标准，选择亚波长光栅结构725的厚度h在0.16μm和0.18μm之间。另外，亚波长光栅结构725的占空比DC与线偏振光P透过率的关系如图13所示，占空比DC与线偏振光S透过率的关系如图14所示，可见，占空比DC处于0.3和0.7之间时，线偏振光P透过率较大，线偏振光S透过率较小。为了容易加工，该占空比DC优选为0.5。

如图15所示，是本发明第三实施例的背光模组的平面示意图。该背光模组50采用上述的导光板52，并可以进一步包括光源51和反射片53。该背光模组50中的光源51是发光二极管，其相对导光板52的入光面设置，该反射片53设置在导光板52的底面一侧。

该背光模组50工作时，光源51发出多波长的自然光，其中一部分自然光T直接或者经反射片53反射后投射在导光板52的亚波长光栅结构上，该多波长的自然光T中的线偏振光P能通过亚波长光栅结构并进而提供给液晶显示面板适用的光，而线偏振光S则不能通过亚波长光栅结构，其被亚波长光栅结构反射回导光板52。被反射回的线偏振光S通过导光板52，然后投射到反射片53上并被反射片53反射再次通过导光板52，由于导光板52的作用，线偏振光S转换为线偏振光P1，从而使该线偏振光P1也可以通过亚波长光栅结构。该背光模组50结合导光板52的亚波长光栅结构，可以实现发射液晶面板需用的多波长的偏振光，提高光能利用率。同时，由于无需采用现有技术的反射式偏振分光器，本实施例的背光模组集成度高。

本发明的导光板还可以有其它实施例，例如：

选用PC材料作为导光板的导光基体，并在该导光基体的出光面上依次设置光栅下层和光栅上层形成亚波长光栅结构，其中光栅下层和导光基体的材料相同，光栅上层的材料为铝。该导光板中的亚波长光栅结构的周期优选为0.2μm，占空比为0.2和0.8之间，该光栅下层的厚度在0.22μm和0.235μm之间，该光栅上层的厚度在0.2μm和0.215μm之间。

本发明的导光板的导光基体的形状还可为楔形。

本发明的导光基体底面的微结构还可为自底面突出或者凹进的圆柱形、半圆球形、金字塔形、削去尖端部分的金字塔形等形状，该微结构在底面是均匀分布或者沿远离入光面的方向逐渐变大和/或变密设置。

本发明的导光基体还可为其它塑料，如聚苯乙烯(Polystyrene)，聚砜(Polysulfone)，聚醚酰亚胺(Polyetherimide)等，也可以是玻璃。

本发明的导光板以c，d，f三波长为例，被优化设计为消色差1/4波片，但是也不限于这三个波长。还可以结合光源，选择其它波长优化设计所需的主应力差。

本发明以光弹性应力双折射为例，优化得到主应力差。相关技术人员应该明白，上述优化过程也适用于光塑性应变双折射。可以根据所选用材料的力学特性，可以得到应变与双折射的关系，以及用应变表示的相位方程，并最终得出最佳主应变差。

另外，为了方便加工，在上述导光板的设计中，亚波长光栅结构的周期取了较大数值。然而，在加工能力允许的条件下，还可以将亚波长光栅结构的周期减小，以获得更好的性能。

在导光板的设计中，亚波长光栅结构由一层或者两层结构组成，但是不限于此，亚波长光栅结构可以由更多层结构组成。

本发明背光模组还可以有其它实施例，例如：

采用冷阴极荧光灯管作为光源。

还可以直接将反射膜镀在导光基体的底面，从而替代反射片并进一步集成化本发明的背光模组。

该背光模组中所采用的导光板还可以是本发明其它实施例的导光板。

Claims (40)

1.一种导光板，包括导光基体，该导光基体包括入光面、连接于该入光面的出光面和相对于该出光面的底面，其特征在于：该导光板的出光面上设有亚波长光栅结构，且该导光基体为应力或应变双折射导光基体，其内具有分别沿着两个相垂直的方向的两个主应力或主应变，该主应力或主应变之一的方向和入光面的夹角大于0度小于90度，该两个主应力或主应变的主应力差或主应变差对该导光基体内的多个波长光中的每两个波长光的相位延迟满足以下条件：

δ₁＝2k₁π+π           k₁＝0，1，2，3，4，......

δ₂＝2k₂π+π           k₂＝0，1，2，3，4，......

${\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2=2\mathrm{\πd\Δ}(\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_2})=2\mathrm{m\π},m=\mathrm{0,1,2,3,4},......$

其中，δ₁和δ₂分别表示以第一波长光和第二波长光表示的该两个波长光的相位延迟，d为导光基体的厚度，C₁和C₂分别表示该两个波长光的应力光学常数或应变光学常数，Δ表示主应力差或主应变差，λ₁和λ₂分别表示该两个波长光的波长。

2.如权利要求1所述的导光板，其特征在于：该夹角优选为45度。

3.如权利要求1所述的导光板，其特征在于：当该导光基体内共有三个波长光时，该主应力差或主应变差对该导光基体内的三个波长光的相位延迟满足以下条件，

δ₁＝2k₁π+π  k₁＝0，1，2，3，4，......；δ₂＝2k₂π+π  k₂＝0，1，2，3，4，......；δ₃＝2k₃π+π k₃＝0，1，2，3，4，......；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2=2\mathrm{\πd\Δ}(\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_2})=2\mathrm{m\π},m=\mathrm{0,1,2,3,4},......\\ {\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\δ}}_3=2\mathrm{\πd\Δ}(\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_3})=2\mathrm{n\π},n=\mathrm{0,1,2,3,4},......\end{array}\right.$

其中，δ₃表示第三波长光的相位延迟，λ₃表示第三波长光的波长，C₃表示第三波长光的应力光学常数或应变光学常数。

4.如权利要求3所述的导光板，其特征在于：该主应力差或主应变差的最佳值可进一步通过对目标函数y求解极小值得到，该目标函数y如下，

y＝w₁×abs[mod(δ₁，2π)-π]+w₂×abs[mod(δ₂，2π)-π]+w₃×abs[mod(δ₃，2π)-π]

其中，mod表示求余数，abs表示取绝对值，w₁，w₂，w₃分别表示第一，第二和第三波长光对应的权重。

5.如权利要求4所述的导光板，其特征在于：当该导光基体的厚度为0.8mm，材料为聚甲基丙烯酸甲酯，且应力光学常数C₁＝C₂＝C₃＝4.8×10^-12Pa^-1，第一、第二和第三波长光的波长分别为486.1nm、589.3nm和656.3nm，第一、第二和第三波长光具有相同的权重w₁＝w₂＝w₃＝1时，该主应力差Δ在0至10×10⁸Pa的范围内的局部最优解为Δσ＝7.28×10⁸Pa。

6.如权利要求1所述的导光板，其特征在于：该导光基体的底面具有微结构。

7.如权利要求6所述的导光板，其特征在于：该微结构为自底面突出或者凹进的圆柱形、半圆球形、金字塔形、削去尖端部分的金字塔形。

8.如权利要求6所述的导光板，其特征在于：该微结构为V形槽。

9.如权利要求8所述的导光板，其特征在于：该V形槽是顶角为72度的对称结构。

10.如权利要求6所述的导光板，其特征在于：该微结构在底面是均匀分布或者沿远离入光面的方向逐渐变大和/或变密设置。

11.如权利要求1所述的导光板，其特征在于：该出光面为平面。

12.如权利要求1所述的导光板，其特征在于：该导光基体为平板形或者楔形。

13.如权利要求1所述的导光板，其特征在于：该亚波长光栅结构包括光栅下层和光栅上层，其中光栅下层和导光基体的材料相同，光栅上层的材料为铝。

14.如权利要求13所述的导光板，其特征在于：该导光基体的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，该光栅下层的厚度在0.23μm和0.25μm之间，该光栅上层的厚度在0.2μm和0.21μm之间。

15.如权利要求13所述的导光板，其特征在于：该亚波长光栅结构的周期为0.2μm，占空比为0.2和0.8之间。

16.如权利要求13所述的导光板，其特征在于：该导光基体的材料为聚碳酸酯，该光栅下层的厚度在0.22μm和0.235μm之间，该光栅上层的厚度在0.2μm和0.215μm之间。

17.如权利要求1所述的导光板，其特征在于：该亚波长光栅结构为单层结构，该单层光栅结构的材料为铝。

18.如权利要求17所述的导光板，其特征在于：该导光基体的材料为聚碳酸酯，该单层光栅结构的厚度在0.16μm和0.18μm之间。

19.如权利要求17所述的导光板，其特征在于：该亚波长光栅结构的占空比为0.3和0.7之间。

20.一种背光模组，包括光源、导光板和反射装置，该导光板包括导光基体，该导光基体包括入光面、连接于该入光面的出光面和相对于该出光面的底面，该光源相对导光基体的入光面设置，该反射装置设置在导光基体底面一侧，其特征在于：该导光基体出光面上设有亚波长光栅结构，且该导光基体板为应力或应变双折射导光基体，其内具有分别沿着两个相垂直的方向的两个主应力或主应变，该主应力或主应变之一的方向和入光面的夹角大于0度小于90度，该两个主应力或主应变的主应力差或主应变差对该导光基体内的多个波长光中的每两个波长光的相位延迟满足以下条件：

δ₁＝2k₁π+π  k₁＝0，1，2，3，4，......

δ₂＝2k₂π+π  k₂＝0，1，2，3，4，......

${\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2=2\mathrm{\πd\Δ}(\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_2})=2\mathrm{m\π},m=\mathrm{0,1,2,3,4}......$

其中，δ₁和δ₂分别表示以第一波长光和第二波长光表示的该两个波长光的相位延迟，d为导光基体的厚度，C₁和C₂分别表示该两个波长光的应力光学常数或应变光学常数，Δ表示主应力差或主应变差，λ₁和λ₂分别表示该两个波长光的波长。

21.如权利要求20所述的背光模组，其特征在于：该夹角为45度。

22.如权利要求20所述的背光模组，其特征在于：当该导光基体内共有三个波长光时，该主应力差或主应变差对该导光基体内的三个波长光的相位延迟满足以下条件，δ₁＝2k₁π+π  k₁＝0，1，2，3，4，......；δ₂＝2k₂π+π  k₂＝0，1，2，3，4，......；δ₃＝2k₃π+π  k₃＝0，1，2，3，4，......；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2=2\mathrm{\πd\Δ}(\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_2})=2\mathrm{m\π},m=\mathrm{0,1,2,3,4},......\\ {\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\δ}}_3=2\mathrm{\πd\Δ}(\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_3})=2\mathrm{n\π},n=\mathrm{0,1,2,3,4},......\end{array}\right.$

其中，δ₃表示第三波长光的相位延迟，λ₃表示第三波长光的波长，C₃表示第三波长光的应力光学常数或应变光学常数。

23.如权利要求22所述的背光模组，其特征在于：该主应力差或主应变差的最佳值可进一步通过对目标函数y求解极小值得到，该目标函数y如下，

y＝w₁×abs[mod(δ₁，2π)-π]+w₂×abs[mod(δ₂，2π)-π]+w₃×abs[mod(δ₃，2π)-π]

其中，mod表示求余数，abs表示取绝对值，w₁，w₂，w₃分别表示第一，第二和第三波长光对应的权重。

24.如权利要求23所述的背光模组，其特征在于：当该导光基体的厚度为0.8mm，材料为聚甲基丙烯酸甲酯，且应力光学常数C₁＝C₂＝C₃＝4.8×10-12Pa^-1，第一、第二和第三波长光的波长分别为486.1nm、589.3nm和656.3nm，第一、第二和第三波长光具有相同的权重w₁＝w₂＝w₃＝1时，该主应力差Δ在0至10×10⁸Pa的范围内的局部最优解为Δσ＝7.28×10⁸Pa。

25.如权利要求20所述的背光模组，其特征在于：该导光基体的底面具有微结构。

26.如权利要求25所述的背光模组，其特征在于：该微结构为自底面突出或者凹进的圆柱形、半圆球形、金字塔形、削去尖端部分的金字塔形。

27.如权利要求25所述的背光模组，其特征在于：该微结构为V形槽。

28.如权利要求27所述的背光模组，其特征在于：该V形槽是顶角为72度的对称结构。

29.如权利要求25所述的背光模组，其特征在于：该微结构在底面是均匀分布或者沿远离入光面的方向逐渐变大和/或变密设置。

30.如权利要求20所述的背光模组，其特征在于：该导光基体为平板形或者楔形。

31.如权利要求20所述的背光模组，其特征在于：该光源为发光二极管或者冷阴极荧光灯管。

32.如权利要求20所述的背光模组，其特征在于：该亚波长光栅结构包括光栅下层和光栅上层，其中光栅下层和导光板的材料相同，光栅上层的材料为铝。

33.如权利要求32所述的背光模组，其特征在于：该导光基体的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，该光栅下层的厚度在0.23μm和0.25μm之间，该光栅上层的厚度在0.2μm和0.21μm之间。

34.如权利要求32所述的背光模组，其特征在于：该亚波长光栅结构的周期为0.2μm，占空比为0.2和0.8之间。

35.如权利要求32所述的背光模组，其特征在于：该导光基体的材料为聚碳酸酯，该光栅下层的厚度在0.22μm和0.235μm之间，该光栅上层的厚度在0.2μm和0.215μm之间。

36.如权利要求20所述的背光模组，其特征在于：该亚波长光栅结构为单层结构，该单层光栅结构的材料为铝。

37.如权利要求36所述的背光模组，其特征在于：该导光基体的材料为聚碳酸酯，该单层光栅结构的厚度在0.16μm和0.18μm之间。

38.如权利要求36所述的背光模组，其特征在于：该亚波长光栅结构的占空比为0.3和0.7之间。

39.如权利要求20所述的背光模组，其特征在于：该反射装置为反射片。

40.如权利要求20所述的背光模组，其特征在于：该反射装置为镀在导光基体底面上的反射膜。

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