CN206757263U - 显示面板及显示装置 - Google Patents

Abstract

显示面板及显示装置，属于显示技术领域。本实用新型的显示面板，包括相对设置的第一基底和第二基底，以及设置在所述第一基底和所述第二基底之间的液晶层、第一电极、第二电极、波导层，以及光栅层；其中，所述波导层位于所述液晶层靠近所述第一基底的一侧；所述光栅层与所述液晶层相接触；所述第一电极和所述第二电极，用于调整所述液晶层的折射率；所述光栅层，用于控制光线从所述波导层耦合出光，并控制从所述波导层耦合出的光中特定波长的光线以特定方向射出，所述波导层耦合出光的耦合效率根据光栅层的折射率和液晶层折射率差值确定。

Description

显示面板及显示装置

技术领域

本实用新型属于显示技术领域，具体涉及一种显示面板及显示装置。

背景技术

在显示技术领域，液晶显示装置包括背光源和显示面板，显示面板包括相对设置的阵列基板和彩膜基板，阵列基板和彩膜基板之间设置有液晶层，阵列基板的背面和彩膜基板的背面均设置有偏光片。通过电压控制液晶的偏转以及经过两层偏光片的控制，以实现灰阶显示。

现有技术中液晶显示装置中的显示面板中采用偏振片，会导致液晶显示装置透过率很低(例如，透过率为7％左右)以及液晶盒厚较大(例如，3um-5um)，而较大的盒厚会降低液晶的响应时间。在实现彩色显示时，通常彩膜基板上的彩色色阻实现，同样会造成显示面板较厚。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种厚度薄、透过率高、且液晶响应时间快的显示面板及显示装置。

解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是一种显示面板，包括相对设置的第一基底和第二基底，以及设置在所述第一基底和所述第二基底之间的液晶层、第一电极、第二电极、波导层，以及光栅层；其中，

所述波导层位于所述液晶层靠近所述第一基底的一侧；所述光栅层与所述液晶层相接触；

所述第一电极和所述第二电极，用于调整所述液晶层的折射率；

所述光栅层，用于控制光线从所述波导层耦合出光，并控制从所述波导层耦合出的光中特定波长的光线以特定方向射出，所述波导层耦合出光的耦合效率根据光栅层的折射率和液晶层折射率差值确定。。

优选的是，所述光栅层位于所述液晶层靠近所述第一基底的一侧。

优选的是，所述光栅层位于所述液晶层靠近所述第二基底的一侧。

优选的是，所述第一电极和所述第二电极位于所述液晶层的同一侧。

优选的是，所述第一电极和所述第二电极位于所述液晶层的不同侧。

优选的是，所述第一电极位于所述波导层背离所述第一基底的一侧；所述光栅层位于所述波导层背离所述第一电极的一侧；所述液晶层位于所述光栅层背离所述波导层的一侧；所述第二电极位于所述第二基底靠近所述液晶层的一侧。

进一步优选的是，所述波导层的折射率大于所述第一电极的折射率，所述第一电极的折射率大于等于光栅层的折射率。

优选的是，所述光栅层的折射率的范围为所述液晶层的寻常光折射率n_o至所述液晶层的非常光折射率n_e。

优选的是，所述光栅层包括间隔设置的光栅条，所述液晶层覆盖所述光栅层且填充于所述光栅条之间的间隙中，所述液晶层的厚度大于所述光栅层的厚度。

优选的是，所述液晶层的材料包括聚合物分散液晶或聚合物网络液晶。

解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是一种显示装置，其包括上述的显示面板和背光源。

优选的是，所述背光源为侧入式背光源，用于提供准直平行光。

优选的是，所述显示装置还包括位于显示面板远离所述背光源的侧边上的遮光层。

本实用新型具有如下有益效果：

由于本实用新型的显示面板中的液晶层的折射率可以根据第一电极和第二电极上所加载的电压的压差而进行调节，波导层耦合出光的耦合效率是根据液晶层与光栅层的折射率差值而确定的，因此，当第一电极和第二电极上所加载的电压的压差发生变化，液晶层的液晶的偏转角度将会发生变化，液晶层相对于入射光的有效折射率也将发生变化，从而导致液晶层与光栅层的折射率的差值发生变化，进而导致波导层耦合出光的耦合效率发生变化，也即该显示面板的显示灰阶发生变化。同时，光栅层还可以实现对波导层特定模式的耦合，从而控制入射光的出光方向和所发射出的光的颜色，也就是说本实用新型的显示面板较现有的显示面板而言，在没有设置偏光片的情况下，也可以实现出光方向的控制，在没有设置彩膜的情况下，也可以实现彩色显示。

附图说明

图1为本实用新型的实施例1的显示面板的一种结构示意图；

图2为本实用新型的实施例1的显示面板的另一种结构示意图；

图3为本实用新型的实施例1的显示面板的液晶层、光栅单元和波导层形成可变光栅耦合器的示意图；

图4为本实用新型的实施例1、2的显示装置的结构示意图；

图5为本实用新型的实施例1的显示面板的L0模式的示意图；

图6为本实用新型的实施例1的显示面板的L255模式的示意图；

图7为本实用新型的实施例1的显示面板的平板波导的示意图；

图8为本实用新型的实施例1的平板波导的传输示意图。

其中附图标记为：1、第一基底；2、第二基底；3、液晶层； 4、波导层；5、第一电极；6、第二电极；7、光栅层；8、散射膜； 9、背光源；10、遮光层。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1：

结合图1和2所示，本实施例提供一种显示面板，包括相对设置的第一基底1和第二基底2，以及设置在所述第一基底1和所述第二基底2之间的液晶层3、第一电极5、第二电极6、波导层 4，以及光栅层7；其中，波导层4位于所述液晶层3靠近所述第一基底的一侧；所述光栅层7与所述液晶层3相接触；第一电极5 和所述第二电极6用于调整所述液晶层3的折射率；光栅层7用于控制光线从波导层4耦合出光，并控制从波导层4耦合出的光中特定波长的光线以特定方向射出，波导层4耦合出光的耦合效率根据光栅层7的折射率和液晶层3折射率差值确定。

在本实施例中，由于液晶层3的折射率可以根据第一电极5 和第二电极6上所加载的电压的压差而进行调节，波导层4耦合出光的耦合效率是根据液晶层3与光栅层7的折射率差值而确定的，因此，当第一电极5和第二电极6上所加载的电压的压差发生变化，液晶层3的液晶的偏转角度将会发生变化，液晶层3相对于入射光的有效折射率也将发生变化，从而导致液晶层3与光栅层7的折射率的差值发生变化，进而导致波导层4耦合出光的耦合效率发生变化，也即该显示面板的显示灰阶发生变化。同时，光栅层7还可以实现对波导层4特定模式的耦合，即，控制从波导层4耦合出的光中特定波长的光线以特定方向射出，从而控制入射光的出光方向和所发射出的光的颜色，也就是说本实施例的显示面板较现有的显示面板而言，在没有设置偏光片的情况下，也可以实现出光方向的控制，在没有设置彩膜的情况下，也可以实现彩色显示。

其中，如图1所示，本实施例中的光栅层7可以设置在液晶层3靠近第一基底1的一侧，也即光栅层7较液晶层3更靠近波导层4，此时光栅层7可以控制光线从波导层4中耦合出光的耦合效率。如图2所示，光栅层7也可以设置在液晶层3靠近第二基底2的一侧，也即液晶层3较光栅层7更靠近波导层4。

具体的，无论采用上述的哪一种设置方式，如图3所示，液晶层3、光栅层7和波导层4将会形成可变光栅耦合器，该可变光栅耦合器可将光线有效的耦合进波导层4或者将光线从波导层4 中耦合出来。当入射光或者出射光满足相位匹配关系βq＝βm–qK (q＝0,±1,±2,…)时，入射光即可在波导层4中激发m阶导模或者 m阶导模即可在给方向上耦合出去，其中，βq为入射光的传播常数，βm为m阶导模的传播常数，q为衍射级次，K为光栅矢量。由于βm＝k₀Nm，K＝2π/Λ，因此上述相位匹配关系公式可进一步表示成：k₀n_csinθ_i＝k₀Nm–q2π/Λ(q＝0,±1,±2,…)，其中，k0为 2π/λ，n_c为液晶层3的折射率，θ_i为入射光波矢方向与竖直方向的夹角或者出光光波矢方向与竖直方向的夹角，Nm为m阶导模的有效折射率，Λ为光栅层7的周期。从上述相位匹配关系公式可以看出，改变液晶层3的折射率n_c可以使得光栅层7控制光线从波导层4耦合出光的耦合效率，耦合效率与液晶层3和光栅层7 的折射率差值相关。

其中，本实施例中的第一电极5和第二电极6位于液晶层3 的同一侧或者不同侧。优选的，第一电极5为像素电极，第二电极6为公共电极。

具体的，第一电极5和第二电极6位于液晶层3的不同侧。其中，第一电极5位于液晶层3的靠近第一基底1的一侧，第二电极6位于液晶层3的靠近第二基底2的一侧，此时显示面板可以为扭曲向列(Twisted Nematic，简称TN)型显示面板、垂直向列(VerticalAlignment，简称VA)型显示面板或者电控双折射 (Electrically ControlledBirefringence，简称ECB)显示装置。

或者，第一电极5和第二电极6位于液晶层3的同侧。其中，第一电极5和第二电极6均位于液晶层3的靠近第一基底1的一侧。当第一电极5和第二电极6位于不同层时，该显示面板可以为高级超维场转换(Advanced Super Dimension Switch，简称ADS) 显示面板；当第一电极5和第二电极6位于同一层时，该显示面板可以为平面转换(In-Plane Switching，简称IPS)显示面板。此处均不再具体画出。在实际应用中，该显示面板还可以为其他类型的显示面板，此处不再一一列举。

其中，液晶层3的液晶可以选择聚合物分散液(PDLC)或聚合物网络液晶(PNLC)。

具体的，PDLC:聚合物分散液晶是将低分子液晶(liquid crystal，缩写为LC)与预聚物混合，在一定条件下经聚合反应，形成微米级的液晶微滴均匀地分散在高分子网络中，再利用液晶分子的介电各向异性获得具有电光响应特性的材料。PDLC为混合物，若令聚合物的折射率为n_p，液晶折射率为n_o或n_e，在本实施例中，取n_p＝n_o，在无外加电压的情形下，膜间不能形成有规律的电场，液晶微粒的光轴取向随机，呈现无序状态，其有效折射率 n_o不与聚合物的折射率n_p匹配,此时PDLC的有效折射率为n_o和 n_e的中间值，另这个中间值为n_c；施加外电压，液晶微粒的光轴垂直于薄膜表面排列，即与电场方向一致。微粒之寻常光折射率与聚合物的折射率基本匹配，无明显介面，构成了一基本均匀的介质，此时PDLC材料的整体折射率为no。同时，PDLC不需要取向层，且液晶初始取向为混乱状态，可以解决其他液晶模式中光栅高度对液晶分子的取向的影响。而对于PNLC原理与PDLC 原理相同，在此不再详细描述。

其中，光栅层7的材料为透明介质材料，例如，二氧化硅SiO₂或者其他有机树脂。光栅层7的折射率的范围为液晶层3的寻常光折射率n_o至液晶层3的非常光折射率n_e，优先折射率为n_o。

具体的，光栅层7包括间隔设置的光栅条(光栅条的形成可以是在透明介质层设置凹槽形成的，当然只要保证光栅条为透明的凸台结构即可)，液晶层3覆盖光栅层7且填充于所述光栅条之间的间隙中，所述液晶层3的厚度大于所述光栅层7的厚度。因此液晶层3的厚度可以设置的很薄，即液晶盒厚可以设置的很薄，从而进一步提高了液晶的响应时间。其中，光栅层7的周期由设计的出光方向以及颜色决定，占空比一般为0.5，但在实际产品设计中可以偏离此值(比如出于调节出光的强度，平衡显示面板不同位置亮度的差异等目的)。光栅层7的高度，一般为500nm 左右，可以稍微大一些如1μm，也可以稍微小一些如200nm，实际波导层4和光栅层7的耦合对光栅层7的高度不是特别敏感。对于不同颜色的像素(R、G、B像素)可以选择相同的光栅层7 高度，也可以分别针对R、G、B像素进行设计。光栅层7一般优选和波导层4紧邻。

结合图4所示，作为本实施例的一种具体实现方式，显示面板中的第一电极5位于波导层4背离所述第一基底1的一侧；光栅层7位于波导层4背离第一电极5的一侧；液晶层3位于光栅层7背离所述波导层4的一侧；第二电极6位于所述第二基底2 靠近液晶层3的一侧。

具体的，通过调节施加在第一电极5和第二电极6上的电压，即可实现液晶层3折射率椭球在如图5所示的截面(纸面)内的旋转，实现液晶层3折射率在n_o至n_e之间的调节。当液晶层3 折射率和光栅层7的折射率相等时，光栅层7的作用被掩盖，没有光从波导层4耦合出来，此时为常黑模式(L0模式)；如图6 所示，当液晶层3折射率和光栅层7折射率相差最大时，光栅层7 的作用最明显，光线从波导层4耦合出来的耦合效率最高，此时为常白模式(L255模式)；当液晶层3折射率处在以上两种情况之间时，为其他灰阶状态。由于仅有振动方向在如图4所示的截面(纸面)内的偏振光(e光)才能感受到上述折射率的变化，而振动方向垂直于纸面的偏振光(o光)感受不到上述折射率的变化，所以该可变光栅耦合出来的光为偏振光(e光)。对于一般的液晶材料，需要在第二电极6的下表面(优选下表面，但不限于下表面)增加一层配向膜(一般为PI)，以控制液晶分子的初始排列状态，确保液晶分子可以在施加电压下按照预期的方式进行旋转，决定是常黑显示模式还是常白显示模式。

其中，本领域技术人员可知的是，如图7所示，平板波导由三层材料所构成，中间一层是折射率为n₁的波导薄膜，它沉积在折射率为n₂的基底上，薄膜上面是折射率为n₃的覆盖层。薄膜的厚度一般在微米数量级，可与光的波长相比较。薄膜和基底的折射率之差一般在10^-1和10^-3之间。为了构成真正的光波导，要求n₁必须大于n₂和n₃，即n₁>n₂>＝n₃。这样，光能限制在薄膜之中传播。

因此，在本实施例中的上述方式中波导层4的折射率大于第一电极5的折射率，第一电极5的折射率大于等于光栅层7的折射率，以实现平面波导。

如图8所示，光在平板波导中的传播可以看作是光线在第一电极5和波导层4分界面上发生全反射，在薄膜中沿Z字形路径传播。光在波导中以锯齿形沿Z方向传播，光在x方向受到约束，而在y方向不受约束。

在平板波导中，n₁>n₂且n₁>n₃，当入射光的入射角θ₁超过临界角θ₀时：

入射光发生全反射，此时，在反射点产生一定的位相跃变。我们从菲涅耳反射公式：

出发，推导出反射点的位相跃变φ_TM、φ_TE为：

式中：β＝k₀n₁sinθ1为光的传播常数，k₀＝2πλ为光在真空中的波数，λ是光的波长。

要使光在波导中稳定的传播,则需要满足以下公式：

2kh-2φ₁₂-2φ₁₃＝2mπ,m＝0,1,2,3.....；

其中：k＝k₀n₁cosθ,φ₁₃为全反射的相位差，h为波导的厚度，m为模序数，即从零开始的正整数。所以，只要入射角满足上式的光才能在光波导中稳定地传播。

实施例2：

本实施例提供一种显示装置，该显示装置包括：背光源8和实施例1中的显示面板。

本实施例中，背光源8为侧入式背光源8，用于提供准直平行光。在实际应用中，还可以采用其他形式的背光源8，例如，背光源8可以为直下式背光源8，此种情况不再具体画出。

背光源8可包括LED光源或者其他模式的光源，其中，LED 芯片可包括蓝光LED或者其他波长比蓝光波长更短的LED，其他模式的光源可以为激光光源。可选地，当背光源8为激光光源时，在背光源8的出光侧(即：背光源8和显示面板之间)还可以设置扩束结构，该扩束结构可以将激光光源发出的激光点光源扩束为准直光源，同时也增大了光束的直径。

背光源8至少与波导层4对应设置，背光源8的光线的出光方向和波导层4所在平面平行。如图4所示，背光源8与第一基底1、波导层4和第一电极5对应设置，且背光源8的宽度可以为第一基底1、波导层4和第一电极5的宽度之和。在实际应用中，背光源8的宽度还可以设置为其他宽度，但以不向液晶层3以及液晶以上各层发射光线为宜，由于液晶层3的外侧设置有封框胶，因此向液晶层3发射的光线不会射入液晶层3。当然，背光源8 的设置也不局限于前述方式，只要保证背光源8所发出的光(入射光线)在波导层4内发生去反射即可。

优选地，背光源8发出的光为准直光。特别是，当背光源8 为激光光源时，背光源8发出的光在扩束结构的作用下成为准直光。

优选地，显示装置还包括位于显示面板远离所述背光源8的侧边上的遮光层9，该遮光层9用于将光栅层7将背光源8所发出的光从波导层4耦合出光之后，剩余在波导层4中的光进行吸收，以防止显示装置漏光。

本实施例中，显示装置可以为ECB显示装置、TN显示装置、 VA显示装置、IPS显示装置或者ADS显示装置。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (13)

1.一种显示面板，其特征在于，包括相对设置的第一基底和第二基底，以及设置在所述第一基底和所述第二基底之间的液晶层、第一电极、第二电极、波导层，以及光栅层；其中，

所述波导层位于所述液晶层靠近所述第一基底的一侧；所述光栅层与所述液晶层相接触；

所述第一电极和所述第二电极，用于调整所述液晶层的折射率；

所述光栅层，用于控制光线从所述波导层耦合出光，并控制从所述波导层耦合出的光中特定波长的光线以特定方向射出，所述波导层耦合出光的耦合效率根据光栅层的折射率和液晶层折射率差值确定。

2.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，所述光栅层位于所述液晶层靠近所述第一基底的一侧。

3.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，所述光栅层位于所述液晶层靠近所述第二基底的一侧。

4.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极位于所述液晶层的同一侧。

5.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极位于所述液晶层的不同侧。

6.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，所述第一电极位于所述波导层背离所述第一基底的一侧；所述光栅层位于所述波导层背离所述第一电极的一侧；所述液晶层位于所述光栅层背离所述波导层的一侧；所述第二电极位于所述第二基底靠近所述液晶层的一侧。

7.根据权利要求6所述的显示面板，其特征在于，所述波导层的折射率大于所述第一电极的折射率，所述第一电极的折射率大于等于光栅层的折射率。

8.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，所述光栅层的折射率的范围为所述液晶层的寻常光折射率n_o至所述液晶层的非常光折射率n_e。

9.根据权利要求1所述的显示面板，其特征在于，所述光栅层包括间隔设置的光栅条，所述液晶层覆盖所述光栅层且填充于所述光栅条之间的间隙中，所述液晶层的厚度大于所述光栅层的厚度。

10.根据权利要求1至9任一所述的显示面板，其特征在于，所述液晶层的材料包括聚合物分散液晶或聚合物网络液晶。

11.一种显示装置，其特征在于，包括：背光源和权利要求1至10任一所述的显示面板。

12.根据权利要求11所述的显示装置，其特征在于，所述背光源为侧入式背光源，用于提供准直平行光。

13.根据权利要求12所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置还包括位于显示面板远离所述背光源的侧边上的遮光层。