WO2023138542A1 - 偏振光栅装置及液晶显示器 - Google Patents

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Abstract

一种偏振光栅装置及液晶显示器。偏振光栅装置包括依次层叠的透镜组件(31)、偏振光栅组件(32)及相位控制组件(33)：透镜组件(31)包括第一基材(311)和固定于第一基材(311)同一表面上的多个透镜(312)，透镜组件(31)用于接收背光(L1)，每一透镜(312)用于将部分背光(L1)引导至偏振光栅组件(32)；偏振光栅组件(32)用于将背光(L1)分别转换为左旋圆偏振光(L11)和右旋圆偏振光(L12)后出射；相位控制组件(33)用于接收左旋圆偏振光(L11)和右旋圆偏振光(L12)，并用于将左旋圆偏振光(L11)和右旋圆偏振光(L12)转换为光源光(L2)出射。

Description

偏振光栅装置及液晶显示器
相关申请的交叉引用
本申请主张于2022年01月19日提交的、申请号为202210062307.9、申请名称为“偏振光栅装置及液晶显示器”的中国专利申请的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本申请涉及显示技术领域，尤其涉及一种偏振光栅装置及应用该偏振光栅装置的液晶显示器。
背景技术
传统液晶显示器包括背光模组和显示模组，显示模组用于根据背光模组发射的背光显示图像。该背光中仅具有目标偏振方向的部分光可用于显示图像。因此液晶显示器通常还包括一位于背光模组和显示模组之间的偏振膜片。该偏振膜片用于透射目标偏振方向的背光并吸收非目标偏振方向的背光，因此造成该背光部分损失，背光利用率较低。
现有技术中采用偏振光栅(Polarization Grating，PG)膜片取代上述偏振膜片，以提升背光利用率。但现有的PG膜片仅难以适用于背光为光谱较宽或背光为较发散的情况。
发明内容
本申请第一方面提供一种偏振光栅装置，包括依次层叠的透镜组件、偏振光栅组件及相位控制组件：
所述透镜组件包括第一基材和固定于所述第一基材同一表面上的多个透镜，所述透镜组件用于接收背光，每一所述透镜用于将部分所述背光引导至所述偏振光栅组件；
所述偏振光栅组件用于将所述背光分别转换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光后出射；
所述相位控制组件用于接收所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并用于将所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光转换为光源光出射。
上述偏振光栅装置，可以将至少部分背光调制为目标形态的光源光，当偏振光栅装置应用于相应的设备(例如液晶显示器、雷达)中时，有利于提升背光的光利用率。
并且，本实施例中的偏振光栅装置还包括透镜组件，利用透镜组件对背光的汇聚作用，即便背光发散角较大(也即非准直)时，也可使得背光被精确引导至偏振光栅组件上的特定区域，从而有利于减小背光的光损失，进一步提升背光的光利用率。
进一步地，本实施例中的偏振光栅装置还包括第一基材，通过上述第一基材有利于提升偏振光栅装置整体的机械强度。通过合理设置各个基材的折射率，也可进一步提升背光的利用率。
于一些实施例中，所述多个透镜分别用于将所述背光引导至所述偏振光栅组件上不同区域。
由于偏振光栅组件并非每个区域都可转换背光，通过多个透镜可以将背光分别引导至所述偏振光栅组件上各个可转换背光的区域，有利于提升背光的光利用率。
于一些实施例中，所述每一所述透镜为条形，所述多个透镜在第一方向上相互平行排列。
于一些实施例中，所述多个透镜排列为包括多行多列的透镜阵列。
于一些实施例中，所述偏振光栅组件包括偏振光栅层，所述偏振光栅层包括多个液晶分子，至少部分所述多个液晶分子的偏转角度不同，以使得所述偏振光栅层用于将所述背光分别转换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光后出射。
自然光可被看作是两个方向正交的圆偏振光的组合，先通过偏振光栅层将自然光的背光转换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，可方便后续通过相位延迟将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光转换为线偏振光的光源光。
于一些实施例中，所述偏振光栅层包括多个偏振区，每一所述透镜对应一所述偏振区，每一所述透镜用于将部分所述背光引导至所对应的一偏振区中，每一所述偏振区用于将接收到的部分所述背光转换为所述左旋圆偏振光和所述右旋圆偏振光后出射。
于一些实施例中，每一所述透镜在所述偏振光栅层上的投影与所对应的一所述偏振区至少部分重合。
也即，使得相互对应的一对透镜和偏振区在空间上是正对的关系，方便透镜将背光引导至所对应的偏振区中。
于一些实施例中，所述多个偏振区包括多个第一偏振区和多个第二偏振区，每一所述第一偏振区和每一所述第二偏振区所出射的所述左旋圆偏振光的方向不同，且每一所述第一偏振区和每一所述第二偏振区所出射的所述右旋圆偏振光的方向不同。
如此，通过第一偏振区和第二偏振区将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的光路分离，以便后续分别对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光作相位延迟。
于一些实施例中，每一所述第一偏振区出射的所述左旋圆偏振光与每一所述第二偏振区出射的所述右旋圆偏振光的方向相同，且每一所述第一偏振区出射的所述右旋圆偏振光与每一所述第二偏振区出射的所述左旋圆偏振光的方向相同。
如此，有利于使得相位控制组件上用于分别接收左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的区域分布较规律，简化制程。也有利于避免左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在传播的过程中有光路相交的情况出现。
于一些实施例中，每一所述第一偏振区中的液晶分子的偏转角度分布规律与每一所述第二偏振区中的液晶分子的偏转角度分布规律不同。
如此，可使得第一偏振区和第二偏振区分别出射左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。
于一些实施例中，所述偏振光栅层包括依次层叠的多个偏振子层，每一所述偏振子层包括所述多个偏振区，每一所述偏振子层用于将所述背光转换为所述左旋圆偏振光和所述右旋圆偏振光；
各个所述偏振子层中的液晶分子的偏转角度分布规律不同。
通过设置偏振光栅层为多层结构(包括多个偏振子层)，有利于在背光的波长范围较大时提升背光整体的的偏振态转换效率。
于一些实施例中，所述偏振光栅层包括依次层叠的第一偏振子层、第二偏振子层及第三偏振子层；
所述第一偏振子层用于将红光波长范围内的所述背光转换为所述左旋圆偏振光和所述右旋圆偏振光后出射，所述第二偏振子层用于将绿光波长范围内的所述背光转换为所述左旋圆偏振光和所述右旋圆偏振光后出射，且所述第三偏振子层用于将蓝光波长范围内的所述背光转换为所述左旋圆偏振光和所述右旋圆偏振光后出射。
光源光用于显示图像，由于图像主要通过红绿蓝三种波段的光进行调制，上述第一偏振子层、第二偏振子层及第三偏振子层分别作用于调制红绿蓝三种波段的光，有利于图像显示。
于一些实施例中，所述偏振光栅层与所述多个透镜分别位于所述第一基板的相对两个表面上。
如此，减少了基板数量，有利于减小整个偏振光栅装置的厚度。
于一些实施例中，所述偏振光栅组件包括第二基板和第三基板，所述偏振光栅层位于所述第二基板和所述第三基板之间，用于固定和支撑所述偏振光栅层，所述第二基板与所述第一基板固定。
如此，无需在同一基板的不同表面分别设置偏振光栅层和透镜，有利于简化制程。
于一些实施例中，所述相位控制组件包括相位控制层；
所述相位控制层用于对所述左旋圆偏振光或所述右旋圆偏振光作相位延迟以转换为所述光源光后出射。
于一些实施例中，所述相位控制层为一波片。
波片为一固定的图案化结构，相位控制层为波片，有利于简化制程。
于一些实施例中，所述相位控制层为一包括多个液晶分子的液晶层。
于一些实施例中，所述相位控制层包括多个第一相位控制区和多个第二相位控制区，每一所述第一相位控制区用于接收所述左旋圆偏振光，每一所述第二相位控制区用于接收所述右旋圆偏振光，所述第一相位控制区与所述第二相位控制区用于对接收到的光作不同的相位延迟。
于一些实施例中，当所述相位控制层为一液晶层时，每一所述第一相位控制区和每一所述第二相位控制区所出射的所述光源光的偏振态可调。
于一些实施例中，所述相位控制组件还包括第四基板和第五基板，所述相位控制层位于所述第四基板和所述第五基板之间；
所述第四基板和/或所述第五基板靠近所述相位控制层的表面设置有驱动电路，所述驱动电路用于驱动所述相位控制层中的所述多个液晶分子偏转，以改变至少部分所述光源光的偏振方向。
当偏振光栅装置应用于液晶显示器时，液晶显示器显示的图像可能具有“亮区”和“暗区”，通常图像的亮暗对比明显时，图像的对比度提升，显示效果更好。但液晶显示器可能会存在漏光等问题使得显示的图像对比度下降。本实施例中，可通过控制从相位控制组件入射至液晶显示器的光源光的量，来配合液晶显示器显示的图像的“亮区”和“暗区”。例如，在相位控制组件对应图像“亮区”的区域，控制光源光的偏振方向与液晶显示器中下偏光片的偏振方向平行，以使得光源光较多地透射至液晶显示器；在相位控制组件对应图像“暗区”的区域，控制光源光的偏振方向与下偏光片的偏振方向垂直，以阻止光源光透射至液晶显示器。因此通过设置相位控制层为液晶层，通过调节液晶分子的偏转使得相位控制层对光的相位延迟可调，有利于提升液晶显示器显示图像的对比度。
于一些实施例中，所述光源光为线偏振光。
当偏振光栅装置应用于液晶显示器中时，有利于穿透液晶显示器的下偏光片，使得光源光可几乎全部(可能存在其他因素而非由于偏振方向不同引起的光损失)从下偏光片透射，从而有利于提升背光的光利用率。
本申请第二方面提供一种液晶显示器，包括：
背光模组，用于发射背光；
偏振光栅装置，位于所述背光的光路上，所述偏振光栅装置如上任一项所述，所述光源光为线偏振光；以及
液晶显示面板，位于所述光源光的光路上，用于根据图像信号调制所述光源光以显示图像。
上述液晶显示器，通过将至少部分背光调制为线偏振光，当偏振光栅装置应用于液晶显示器时，有利于穿透液晶显示器的下偏光片，使得光源光可几乎全部(可能存在其他因素而非由于偏振方向不同引起的光损失)从下偏光片透射，从而有利于提升背光的光利用率。
并且，本实施例中的偏振光栅装置还包括透镜组件，利用透镜组件对背光的汇聚作用，即便背光发散角较大(也即非准直)时，也可使得背光被精确引导至偏振光栅组件上的特定区域，从而有利于减小背光的光损失，进一步提升背光的光利用率。
进一步地，本实施例中的偏振光栅装置还包括第一基材，通过上述第一基材有利于提升偏振光栅装置整体的机械强度。通过设置各个基材的折射率在前述的范围，有利于进一步提升背光的利用率。
于一些实施例中，所述液晶显示面板包括下偏光片，至少部分所述光源光的偏振方向与所述下偏光片的偏振方向平行；或
至少部分所述光源光的偏振方向与所述下偏光片的偏振方向垂直；或
至少部分所述光源光的偏振方向与所述下偏光片的偏振方向形成一锐角。
如此，可以匹配图像的“暗区”和“亮区”，有利于提升图像的对比度。
于一些实施例中，所述相位控制组件还包括第四基板和第五基板，所述相位控制层位于所述第四基板和所述第五基板之间；
所述第四基板和/或所述第五基板靠近所述相位控制层的表面设置有驱动电路，所述驱动电路用于根据所述图像信号驱动所述相位控制层中的液晶分子偏转，以改变从所述相位控制层出射的至少部分所述光源光的偏振方向。
如此，根据图像信号来驱动液晶分子偏转，可以使得对相位的延迟匹配图像的“暗区”和“亮区”，有利于提升图像的对比度。
附图说明
图1为本申请实施例一的液晶显示器的结构示意图。
图2为图1中偏振光栅装置的结构示意图。
图3为图2中透镜组件的立体结构示意图。
图4A为图3中透镜组件对背光的作用过程示意图。
图4B为现有无透镜组件情况下背光的光路示意图。
图5为图2中偏振光栅层的平面结构示意图。
图6为图5中每一第一偏振区和每一第二偏振区中液晶分子的偏转角度分布示意图。
图7为图6中每一第一偏振区和每一第二偏振区对背光的作用过程示意图。
图8为图2中相位控制层的平面结构示意图。
图9为图1中液晶显示器的剖面结构示意图。
图10为本申请实施例二中偏振光栅层的平面结构示意图。
图11为本申请实施例二中液晶显示器的剖面结构示意图。
图12为本申请实施例三中偏振光栅层的结构示意图。
图13为本申请实施例四中相位控制组件的结构示意图。
图14为本申请实施例四中液晶显示器的剖面结构示意图。
主要元件符号说明

具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。
实施例一
请参阅图1，本申请实施例的液晶显示器1，例如为电视、电脑、手机、穿戴产品等。本实施例中，液晶显示器1包括液晶显示面板10、背光模组20及位于液晶显示面板10与背光模组20之间的偏振光栅装置30。背光模组20用于发射背光L1。偏振光栅装置30位于背光L1的光路上，用于调制背光L1的偏振态。定义经过偏振光栅装置30调制后出射的背光为光源光L2。液晶显示面板10位于光源光L2的光路上，用于调制光源光L2以从液晶显示面板10远离偏振光栅装置30的一侧发射图像光L3，图像光L3用于展示图像。
请参阅图2，本实施例中，偏振光栅装置30包括依次层叠设置的透镜组件31、偏振光栅组件32及相位控制组件33，其中背光模组20位于透镜组件远离相位控制组件33的一侧。
本实施例中，入射到偏振光栅组件32上特定区域的背光L1才能被有效利用，入射到偏振光栅组件32上特定区域之外的区域的背光L1将损失。而背光L1从背光模组20出射时具有一定的发散角，若按照背光L1自身的光路，部分背光L1将会损失掉。本实施例中，透镜组件31位于背光L1的光路上，用于对背光L1进行聚焦以将背光L1被引导至偏振光栅组件32上的特定区域。因此本实施例可通过透镜组件31提高背光L1的利用率，有利于避免发散角较大的部分背光L1的损失。
本实施例中，透镜组件31包括第一基材311和位于第一基材311同一表面上的多个透镜312。本实施例中，第一基材311为玻璃，于其他实施例中，第一基材311可为其他透光材料构成。第一基材311用于承载、固定多个透镜312。请参阅图3，各个透镜312形状大小相同，每一透镜312大致为具有一凸面的长条形，多个透镜312沿第一方向X平行紧密排列。每一透镜312用于接收并聚焦部分背光L1至偏振光栅组件32，且各个透镜312用于聚焦部分背光L1至偏振光栅组件32上不同的区域。
本实施例中，每一透镜312的曲率半径在0.05mm-2.5mm之间(包括端点值)，折射率在1.4-1.7之间(包括端点值)。例如背光L1具有20度的发散角，如图4A所示，当经过透镜组件31时，背光L1可分别被聚焦至偏振光栅组件32上的有效区域P0以被有效利用。如图4B所示，当背光L1不经过透镜组件31时，沿原来的方向传播，将有一部分入射至有效区域P0， 而另一部分入射至有效区域P0之外造成背光损失。因此本实施例的透镜组件31有利于提升背光L1的光利用率。
请再参阅图2，偏振光栅组件32包括第二基材321、第三基材322及位于第二基材321和第三基材322之间的偏振光栅层323。本实施例中，第二基材321和第三基材322为玻璃，于其他实施例中，第二基材321和第三基材322可为其他透光材料构成。本实施例中，第二基材321和第三基材322用于共同承载和固定偏振光栅层323。
本实施例中，偏振光栅层323的厚度小于等于10μm。
本实施例中，第一基材311和第二基材321通过粘接方式固定。于其他实施例中，第一基材311和第二基材321可为同一结构层。也即于其他实施例中，多个透镜312和偏振光栅层323分别位于同一基材的相对两个表面上。如此，有利于减小偏振光栅装置的整体厚度。而本实施例中分开为第一基材311和第二基材321，有利于简化偏振光栅装置制程。
请参阅图5，偏振光栅层323包括多个第一偏振区A和多个第二偏振区B。本实施例中，偏振光栅层323的平面结构为一矩形，每一第一偏振区A和每一第二偏振区B都为一矩形区域，且每一第一偏振区A和每一第二偏振区B大小形状相同。多个第一偏振区A和多个第二偏振区B在第一方向X上平行且交替排列。本实施例中，每一透镜312对应唯一一个第一偏振区A或对应唯一一个第二偏振区B。也即，每一透镜312在偏振光栅层323上的投影与唯一一个第一偏振区A或与唯一一个第二偏振区B至少部分重合。本实施例中，每一透镜312在偏振光栅层323上的投影与唯一一个第一偏振区A或与唯一一个第二偏振区B至少部分重合，且每一透镜312用于将部分背光L1引导至所对应的偏振区A或所对应的第二偏振区B。
请参阅图6，每一第一偏振区A内具有多个液晶分子M，每一第一偏振区B内也具有多个液晶分子M。第一偏振区A和第二偏振区B的主要区别在于区域内的液晶分子M的偏转角度分布规律不同。由于液晶分子M的偏转角度分布规律不同，当背光L1入射至偏振光栅层323时，从第一偏振区A和第二偏振区B出射的光的形态不用。
对于每一第一偏振区A，多个液晶分子M在第一方向X上排列。定义第一方向X上第一个液晶分子M的偏转角度为0°，则第一方向X上最后一个液晶分子M的偏转角度为360°。每相邻排列的两个第一液晶分子M之间具有一定的夹角,且任意相邻排列的液晶分子M之间的夹角相同。也即，对于每一第一偏振区A，其中的多个液晶分子M在第一方向X上分别沿着逆时针方向依次呈一定角度的偏转，使得在第一方向X上距离最远的两个液晶分子M之间具有360°的夹角。
对于每一第二偏振区B，多个液晶分子M在第一方向X上排列，与第一偏振区A的主要区别在于，多个液晶分子M在第一方向X上分别沿着顺时针方向依次呈一定角度的偏转，使得在第一方向X上距离最远的两个液晶分子M之间具有360°的夹角。也即，第一偏振区A与第二偏振区B的主要区别在于，区域内液晶分子M的偏转角度分布规律不同。
本实施例中，背光L1为自然光。请参阅图7，当背光L1入射至第一偏振区A时，第一偏振区A分别出射左旋圆偏振光L11和右旋圆偏振光L12。定义一垂直于第一偏振区A的直线l，左旋圆偏振光L11和右旋圆偏振光L12分别与直线l呈一夹角θ，且左旋圆偏振光L11与右旋圆偏振光L12呈一夹角2θ。当背光L1入射至第二偏振区B时，第二偏振区B也分别出射左旋圆偏振光L11和右旋圆偏振光L12。第一偏振区A与第二偏振区B对背光L1的作用的主要区别在于：从第一偏振区A出射的左旋圆偏振光L11和右旋圆偏振光L12的方向分 布与从第二偏振区B出射的左旋圆偏振光L11和右旋圆偏振光L12的方向分布刚好相反。也即，从第一偏振区A出射的左旋圆偏振光L11与从第二偏振区B出射的右旋圆偏振光L12方向相同，且从第一偏振区A出射的右旋圆偏振光L12与从第二偏振区B出射的左旋圆偏振光L11方向相同。
本实施例中，每一偏振区(A或B)在第一方向X上的尺寸在100μm-500μm之间(包括端点值)。一个偏振区包括至少两个排布周期(液晶分子M的偏转角度从0°-360°定义为一个排布周期)，每一排布周期在第一方向X上的尺寸在0.5μm以上(包括端点值)。
请再参阅图2，相位控制组件33包括第四基材331、第五基材332及位于第四基材331和第五基材332之间的相位控制层333。本实施例中，第四基材331和第五基材332为玻璃，于其他实施例中，第四基材331和第五基材332可为其他透光材料构成。第四基材331和第五基材332用于承载和固定相位控制层333。于其他实施例中，第四基材331和第三基材322可以为同一材料层。第四基材331和第三基材322为同一材料层时，该材料层的厚度应使得相位控制层333和偏振光栅层323之间的距离要求。
本实施例中，相位控制层333的厚度在0.1mm<d<10mm之间(包括端点值)。本实施例中，第一基材的折射率表示为n1，则1.3≤n1≤n2+/-0.1≤1.8，1.3≤n2≤n3+/-0.1≤1.8，1.3≤n3≤n4+/-0.1≤1.8,1.3≤n4≤n5+/-0.1≤1.7。
请参阅图8，本实施例中，相位控制层333为1/4波片。相位控制层333包括多个第一相位控制区C和多个第二相位控制区D。本实施例中，相位控制层333的平面结构为一矩形，每一第一相位控制区C和每一第二相位控制区D都为一矩形区域，且每一第一相位控制区C和每一第二相位控制区D大小形状相同。多个第一相位控制区C和多个第二相位控制区D在第一方向X上平行且交替排列。每一第一相位控制区C和每一第二相位控制区D用于对接收到的光作相位延迟。
请参阅图9，本实施例中，每一第一相位控制区C用于接收左旋圆偏振光L11，用于对左旋圆偏振光L11作3/4相位延迟；每一第二相位控制区D用于接收右旋圆偏振光L12，用于对右旋圆偏振光L12作1/4相位延迟。左旋圆偏振光L11和右旋圆偏振光L12经相位控制层333调制相位之后，转换为线偏振光出射。也即，上述光源光L2为线偏振光。本实施例中，从每一第一相位控制区C和每一第二相位控制区D出射的光源光L2的偏振方向相同。
如此，背光L1经过偏振光栅装置30调节偏振态之后作为光源光L2入射至液晶显示面板10，使得光源光L2的偏振方向符合液晶显示面板10的需求，光源光L2可皆被液晶显示面板10所利用，从而避免现有技术中部分光的偏振不满足液晶显示面板10的需求而被吸收或反射的问题，因此本实施例中的偏振光栅装置30有利于提升背光L1的利用率。
液晶显示面板10包括依次层叠的下偏光片11、阵列基板12、液晶层13、彩膜基板14和上偏光片15。其中下偏光片11相较于上偏光片15靠近背光模组20。光源光L2的偏振方向与下偏光片11的偏振方向平行，即可从下偏光片11透射而被液晶显示面板10调制成图像光L3。
以下结合图9对上述液晶显示器1的工作过程进行描述：
背光模组20发射背光L1，背光L1为自然光(非偏光)。透镜组件31接收背光L1，透镜组件31中每一透镜312用于将部分背光L1聚焦引导至偏振光栅层323中对应的区域(第一偏振区A或第二偏振区B)。偏振光栅层323中的每一第一偏振区A和每一第二偏振区B 用于将接收到的背光L1转换为左旋圆偏振光L11和右旋圆偏振光L12出射。从偏振光栅层323出射的左旋圆偏振光L11入射至相位控制层333中的第一相位控制区C，从偏振光栅层323出射的右旋圆偏振光L12入射至相位控制层333中的第二相位控制区D。第一相位控制区C和第二相位控制区D用于分别对左旋圆偏振光L11和右旋圆偏振光L12作不同的相位延迟，以使得从相位控制层333中各个相位控制区出射的光都为具有相同偏振方向的线偏振光，也即光源光L2。并且，光源光L2的偏振方向与液晶显示面板10中的下偏光片11的偏振方向平行，因此光源光L2可几乎全部从下偏光片11透射；也即，光源光L2从下偏光片11的穿透率接近100％。透射至液晶显示面板10的光源光L2入射至液晶层13，阵列基板12根据图像信号驱动液晶层13中的液晶偏转，以调制光源光L2。经液晶层13调制后的光源光L2入射至彩膜基板14，被彩膜基板14作滤光处理，从彩膜基板14出射的光经上偏光片15过滤偏振态后即为图像光L3。图像光L3从液晶显示面板10远离背光模组20的一侧出射，当入射至人眼时，用户即可从液晶显示面板10远离背光模组20的一侧观察到图像。
本申请的液晶显示器1，包括偏振光栅装置30，通过偏振光栅装置30将至少部分背光L1调制为与液晶显示面板10的下偏光片11的偏振方向平行的线偏振光(也即光源光L2)，使得光源光L2可几乎全部(可能存在其他因素而非由于偏振方向不同引起的光损失)从下偏光片11透射，从而有利于提升背光L1的光利用率。并且，本实施例中的偏振光栅装置30还包括透镜组件31，利用透镜组件31对背光L1的汇聚作用，即便背光L1发散角较大(也即非准直)时，也可使得背光L1被精确引导至偏振光栅组件32上的特定区域，从而有利于减小背光L1的光损失，进一步提升背光L1的光利用率。
进一步地，本实施例中的偏振光栅装置30还包括第一基材311、第二基材321、第三基材322、第四基材331及第五基材332，通过上述基材有利于提升偏振光栅装置30整体的机械强度。通过设置各个基材的折射率在前述的范围，有利于进一步提升背光L1的光利用率。
于其他的实施例中，本申请的偏振光栅装置30还可以应用于雷达中，当偏振光栅装置30应用于雷达中时，光源光L2为偏振光，且光源光L2具有更小的波长范围，用于探测环境中目标物与雷达之间的距离或探测环境中目标物的三维结构。
实施例二
本实施例的液晶显示器，与实施例一的区别主要在于：本实施例的液晶显示器中，偏振光栅层包括多个(大于两个)偏振区类型。以下主要针对区别部分进行阐述。
请参阅图10，本实施例的偏振光栅层423，包括四个偏振区类型。也即，偏振光栅层423包括多个第一偏振区E、多个第二偏振区F、多个第三偏振区G及多个第四偏振区H。第一偏振区E、第二偏振区F、第三偏振区G及第四偏振区H的数量相同。每一偏振区用于接收部分背光L1，并用于将该部分背光L1转换为左旋圆偏振光L11和右旋圆偏振光L12出射。
本实施例中，第一偏振区E、第二偏振区F、第三偏振区G与第四偏振区H的区别主要在于，第一偏振区E、第二偏振区F、第三偏振区G与第四偏振区H内的液晶偏转方向分布规律不同，使得第一偏振区E、第二偏振区F、第三偏振区G与第四偏振区H出射的左旋圆偏振光L11和右旋圆偏振光L12的方向不同。
如图10所示，本实施例中，每一第一偏振区E、每一第二偏振区F、每一第三偏振区G及每一第四偏振区H为面积相同的正方形。在第一方向X上，第一偏振区E和第二偏振区F交替排列，且每一第一偏振区E和每一第二偏振区F的边与第一方向X呈45°角。在垂直于 第一方向X的第二方向Y上，第三偏振区G与第四偏振区H交替排列，且每一第三偏振区G和每一第四偏振区H的边与第一方向X呈45°角。本实施例中，相邻排列的一第一偏振区E、一第二偏振区F、一第三偏振区G及一第四偏振区H共同形成一正方形。
请一并参阅图10和图11，本实施例中，对应于偏振光栅层423上偏振区的排列方式，透镜组件31中的多个透镜312也排列为与多个第一偏振区E、多个第二偏振区F、多个第三偏振区G及多个第四偏振区H一一对应的结构。也即，透镜组件31中各个透镜312排列为包括多行多列的阵列，其中行方向和列方向都与第一方向X呈45°。透镜组件31中每一透镜312在偏振光栅层423上的投影与唯一一个偏振区至少部分重叠。
本实施例中，对应于偏振光栅层423上偏振区的排列方式，相位控制层333中的多个相位控制区也排列为与多个第一偏振区E、多个第二偏振区F、多个第三偏振区G及多个第四偏振区H一一对应的结构。也即，上述相邻排列的一第一偏振区E、一第二偏振区F、一第三偏振区G及一第四偏振区H所出射的左旋圆偏振光L11或右旋圆偏振光L12聚焦至相位控制层333上同一相位控制区中。
实施例一中由于偏振光栅层包括两种在第一方向X上交替排列的偏振区，偏振光栅层出射的光源光主要在第一方向X上对称、均匀。而本实施例中，通过设置偏振光栅层423包括四个类型的偏振区(E、F、G、H)，使得偏振光栅层423出射的光源光L2在第一方向X和第二方向Y都对称、均匀。
于其他实施例中，偏振光栅层可包括其他数量的偏振区种类，例如包括三种偏振区。偏振区种类数量改变时，透镜和相位控制区的数量、排列方式都对应改变。不同种类的偏振区中液晶分子的偏转角度分布规律不同。因此，本实施例的液晶显示器，可实现如实施例一中液晶显示器1的所有有益效果。在此基础上，本实施例的液晶显示器，通过设置偏振光栅层423包括多个(大于两个)偏振区类型，有利于提升光源光的对称性和均匀性，从而提升液晶显示器显示图像的效果。
实施例三
本实施例的液晶显示器，与实施例一中液晶显示器1的区别主要在于：本实施例的液晶显示器中偏振光栅层为多层结构。以下主要针对区别部分进行阐述。
请参阅图12，本实施例的偏振光栅层523包括依次层叠的第一偏振子层5231和第二偏振子层5232。第一偏振子层5231和第二偏振子层5232可用于将背光L1转换为左旋圆偏振光L11和右旋圆偏振光L12。本实施例中，背光L1的波长范围在380nm～780nm之间(包括端点值)，每一偏振子层5231和第二偏振子层5232的厚度在1μm-5μm之间(包括端点值)，例如为1.833μm，且偏振光栅层323的总厚度小于等于10μm。
第一偏振子层5231及第二偏振子层5232分别包括多个液晶分子M。第一偏振子层5231、第二偏振子层5232中的多个液晶分子M分别具有一偏转角度分布规律。本实施例中，第一偏振子层5231与第二偏振子层5232中液晶分子M的偏转角度分布规律不同。
如图12中所示，定义一垂直于第一方向X和第二方向Y的第三方向Z，第一偏振子层5231、第二偏振子层5232中的液晶分子M在第三方向Z上也具有一旋转趋势，而第一偏振子层5231、第二偏振子层5232中的液晶分子M在第三方向Z上的旋转趋势相反。也即第一偏振子层5231中液晶分子M在第三方向Z上逆时针旋转，而第二偏振子层5232中的液晶分子M在第三方向Z上顺时针旋转。本实施例中，第一偏振子层5231、第二偏振子层5232中 的液晶分子M在第三方向Z上的最大旋转角度为70°。
上述第一偏振子层5231及第二偏振子层5232的厚度及液晶分子M的偏转角度分布规律设置，使得偏振光栅层523整体对波长在380nm～780nm之间的背光L1的偏振效率较高。针对不同波长范围的背光L1，可以调整偏振子层的数量、厚度、液晶分子的偏转角度分布规律以提升对背光L1的偏振效率。
于一变更实施例中，每一偏振子层(第一偏振子层5231、第二偏振子层5232)都可如实施例二中所述包括多个种类的偏振区。以提高每一偏振子层出射的光的对称性、均匀性，有利于提升液晶显示面板显示图像的效果。于其他实施例中，偏振光栅层523可包括其他数量的偏振子层。因此，本实施例的液晶显示器，可实现如实施例一的液晶显示器1的所有有益效果。在此基础上，本实施例的液晶显示器，通过设置偏振光栅层523为多层结构，有利于在背光L1的波长范围较大时提升背光L1的偏振态转换效率。并且，当每一偏振子层如实施例二中所述包括多个种类的偏振区时，还有利于提升液晶显示面板显示图像的效果。
实施例四
本实施例的液晶显示器，与实施例一中液晶显示器1的区别主要在于：本实施例的液晶显示器中相位控制组件与实施例一的相位控制组件33结构和功能不同。以下主要针对区别部分进行阐述。
请参阅图13，本实施例中，相位控制组件63包括第四基材631、第五基材632及位于第四基材631和第五基材632之间的相位控制层633。
本实施例中，相位控制层633为一液晶层，其包括多个液晶分子。本实施例中，相位控制层333厚度≤0.1mm。本实施例中，第四基材631和第五基材632上分别设置有驱动电路6311和6321。驱动电路6311和6321用于根据图像信号输出驱动信号至相位控制层633，以驱动相位控制层633中的液晶分子偏转一定角度。液晶分子偏转角度不同时，相位控制层633对接收到的光的相位延迟不同。于其他实施例中，驱动电路6311和6321也可仅位于第四基材631和第五基材632其中一者之上，本申请不对此作限定。也即，本实施例中相位控制组件63并非如实施例一中所述具有固定的结构，本实施例中液晶分子的偏转角度是可变的，因此相位控制组件63对光的相位控制方式是依据图像信号而可调的。上述驱动信号为电压信号，通过改变驱动信号的电压值，可改变相位控制层633中液晶分子的偏转角度，从而改变相位控制层633对光的相位延迟。
本实施例中，相位控制层633出射的光源光L2也为线偏振光，但可通过改变该驱动信号使得相位控制层633不同区域对光的相位延迟不同，从而使得相位控制层633不同区域出射的光源光L2的偏振方向不同。当光源光L2的偏振方向与下偏光片的偏振方向平行时，光源光L2可几乎全部从下偏光片透射；当光源光L2的偏振方向与下偏光片的偏振方向垂直时，光源光L2几乎全部被下偏光片阻挡而无法入射至液晶显示面板；当光源光L2的偏振方向与下偏光片的偏振方向之间具有其他夹角时，部分光源光L2可从下偏光片透射至液晶显示面板，且可透射的光源光L2的量根据该夹角不同而不同。
对于液晶显示面板，其显示的图像可能具有“亮区”和“暗区”，通常图像的亮暗对比明显时，图像的对比度提升，显示效果更好。但液晶显示面板可能会存在漏光等问题使得显示的图像对比度下降。本实施例中，可通过控制从相位控制组件63入射至液晶显示面板的光源光L2的量，来配合液晶显示面板显示的图像的“亮区”和“暗区”。例如，在相位控制组件63对应 图像“亮区”的区域，控制光源光L2的偏振方向与下偏光片的偏振方向平行，以使得光源光L2较多地透射至液晶显示面板；在相位控制组件63对应图像“暗区”的区域，控制光源光L2的偏振方向与下偏光片11的偏振方向垂直，以阻止光源光L2透射至液晶显示面板10。
以图14所示情况为例，定义图14中水平方向为下偏光片11的偏振方向，图14中虚线箭头代表从相位控制组件63出射的光源光L2的偏振方向。图像包括第一像素区P1、第二像素区P2及第三像素区P3，其中第一像素区P1亮度最大，第三像素区P3亮度最小。则与上述像素区(P1、P2、P3)对应地，相位控制层633包括第一相位控制区I、第二相位控制区J及第三相位控制区K。
第一相位控制区I对应第一像素区P1，从第一相位控制区I出射的光源光L2的偏振方向与下偏光片11的偏振方向相同，可几乎全部从下偏光片11透射而入射至第一像素区P1。第二相位控制区J对应第二像素区P2，从第二相位控制区J出射的光源光L2的偏振方向与下偏光片11的偏振方向具有一锐角，可部分从下偏光片11透射而入射至第二像素区P2。第三相位控制区K对应第三像素区P3，从第三相位控制区K出射的光源光L2的偏振方向与下偏光片11的偏振方向垂直，几乎全部被下偏光片11阻挡而无法入射至第三像素区P3。
具体的，本实施例中，第一相位控制区I包括多个(图14中仅示出2个)第一子控制区I1和多个(图14中仅示出2个)第二子控制区I2。多个第一子控制区I1和多个第二子控制区I2的排列方式可参图7所示。第一相位控制区I内的每一第一子控制区I1用于接收偏振光栅组件32出射的右旋圆偏振光L12并进行3/4相位延迟，第一相位控制区I内的每一第二子控制区I2用于接收偏振光栅组件32出射的左旋圆偏振光L11并进行1/4相位延迟，从而使得从第一相位控制区I出射的光源光L2为与下偏光片11的偏振方向相同的线偏振光。
第二相位控制区J包括多个(图14中仅示出2个)第一子控制区J1和多个(图14中仅示出2个)第二子控制区J2。多个第一子控制区J1和多个第二子控制区J2的排列方式可参图7所示。第二相位控制区J内的每一第一子控制区J1用于接收偏振光栅组件32出射的右旋圆偏振光L12并进行3/8相位延迟，第二相位控制区J内的每一第二子控制区J2用于接收偏振光栅组件32出射的左旋圆偏振光L11并进行5/8相位延迟，从而使得从第二相位控制区J出射的光源光L2为与下偏光片11的偏振方向具有一锐角夹角的线偏振光。
第三相位控制区K包括多个(图14中仅示出2个)第一子控制区K1和多个(图14中仅示出2个)第二子控制区K2。多个第一子控制区K1和多个第二子控制区K2的排列方式可参图7所示。第三相位控制区K内的每一第一子控制区K1用于接收偏振光栅组件32出射的左旋圆偏振光L11并进行3/4相位延迟，第三相位控制区K内的每一第二子控制区K2用于接收偏振光栅组件32出射的右旋圆偏振光L12并进行1/4相位延迟，从而使得从第三相位控制区K出射的光源光L2为与下偏光片11的偏振方向垂直的线偏振光。
本实施例的液晶显示器可实现如实施例一所述的所有有益效果。在此基础上，本实施例通过设置相位控制层633对光的相位延迟可调，有利于提升液晶显示器显示图像的对比度。
进一步的，本实施例的液晶显示器中，偏振光栅层也可如实施例二或实施例三所述，如此，可实现如实施例二或三中所述的所有有益效果。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (23)

  1. 一种偏振光栅装置，其特征在于，包括依次层叠的透镜组件、偏振光栅组件及相位控制组件：
    所述透镜组件包括第一基材和固定于所述第一基材同一表面上的多个透镜，所述透镜组件用于接收背光，每一所述透镜用于将部分所述背光引导至所述偏振光栅组件；
    所述偏振光栅组件用于将所述背光分别转换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光后出射；
    所述相位控制组件用于接收所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并用于将所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光转换为光源光出射。
  2. 如权利要求1所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述多个透镜分别用于将所述背光引导至所述偏振光栅组件上不同区域。
  3. 如权利要求1-2任一项所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述每一所述透镜为条形，所述多个透镜在第一方向上相互平行排列。
  4. 如权利要求1-2任一项所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述多个透镜排列为包括多行多列的透镜阵列。
  5. 如权利要求3或4所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述偏振光栅组件包括偏振光栅层，所述偏振光栅层包括多个液晶分子，至少部分所述液晶分子的偏转角度不同，以使得所述偏振光栅层用于将所述背光分别转换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光后出射。
  6. 如权利要求5所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述偏振光栅层包括多个偏振区，每一所述透镜对应一所述偏振区，每一所述透镜用于将部分所述背光引导至所对应的一偏振区中，每一所述偏振区用于将接收到的所述背光转换为所述左旋圆偏振光和所述右旋圆偏振光后出射。
  7. 如权利要求6所述的偏振光栅装置，其特征在于，每一所述透镜在所述偏振光栅层上的投影与所对应的一所述偏振区至少部分重合。
  8. 如权利要求6或7所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述多个偏振区包括多个第一偏振区和多个第二偏振区，所述多个第一偏振区与所述多个第二偏振区所出射的所述左旋圆偏振光的方向不同，且所述多个第一偏振区与所述多个第二偏振区所出射的所述右旋圆偏振光的方向不同。
  9. 如权利要求6-8任一项所述的偏振光栅装置，其特征在于，每一所述第一偏振区出射的所述左旋圆偏振光与每一所述第二偏振区出射的所述右旋圆偏振光的方向相同，且每一所述第一偏振区出射的所述右旋圆偏振光与每一所述第二偏振区出射的所述左旋圆偏振光的方向相同。
  10. 如权利要求8或9所述的偏振光栅装置，其特征在于，每一所述第一偏振区中的液晶分子的偏转角度分布规律与每一所述第二偏振区中的液晶分子的偏转角度分布规律不同。
  11. 如权利要求6-10任一项所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述偏振光栅层包括依次层叠的多个偏振子层，每一所述偏振子层包括所述多个偏振区，每一所述偏振子层用于将所述背光转换为所述左旋圆偏振光和所述右旋圆偏振光；各个所述偏振子层中的液晶分子的偏转角度分布规律不同。
  12. 如权利要求5-11任一项所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述偏振光栅层与所述多个透镜分别位于所述第一基板的相对两个表面上。
  13. 如权利要求5-11任一项所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述偏振光栅组件包括第二基板和第三基板，所述偏振光栅层位于所述第二基板和所述第三基板之间，用于固定和支撑所述偏振光栅层，所述第二基板与所述第一基板固定。
  14. 如权利要求1-13任一项所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述相位控制组件包括相位控制层；所述相位控制层用于对所述左旋圆偏振光或所述右旋圆偏振光作相位延迟以转换为所述光源光后出射。
  15. 如权利要求14所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述相位控制层为一波片。
  16. 如权利要求14所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述相位控制层为一包括多个液晶分子的液晶层。
  17. 如权利要求14-16任一项所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述相位控制层包括多个第一相位控制区和多个第二相位控制区，每一所述第一相位控制区用于接收所述左旋圆偏振光，每一所述第二相位控制区用于接收所述右旋圆偏振光，所述第一相位控制区与所述第二相位控制区用于对接收到的光作不同的相位延迟。
  18. 如权利要求17所述的偏振光栅装置，其特征在于，当所述相位控制层为一液晶层时，每一所述第一相位控制区和每一所述第二相位控制区所出射的所述光源光的偏振态可调。
  19. 如权利要求18所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述相位控制组件还包括第四基板和第五基板，所述相位控制层位于所述第四基板和所述第五基板之间；所述第四基板和/或所述第五基板靠近所述相位控制层的表面设置有驱动电路，所述驱动电路用于驱动所述相位控制层中的所述多个液晶分子偏转，以改变至少部分所述光源光的偏振方向。
  20. 如权利要求1-19任一项所述的偏振光栅装置，其特征在于，所述光源光为线偏振光，用于显示图像。
  21. 一种液晶显示器，其特征在于，包括：
    背光模组，用于发射背光；
    偏振光栅装置，位于所述背光的光路上，所述偏振光栅装置如权利要求1-18任一项所述，所述光源光为线偏振光；以及
    液晶显示面板，位于所述光源光的光路上，用于根据图像信号调制所述光源光以显示图像。
  22. 如权利要求21所述的液晶显示器，其特征在于，所述液晶显示面板包括下偏光片，至少部分所述光源光的偏振方向与所述下偏光片的偏振方向平行；或
    至少部分所述光源光的偏振方向与所述下偏光片的偏振方向垂直；或
    至少部分所述光源光的偏振方向与所述下偏光片的偏振方向形成一锐角。
  23. 如权利要求21或22所述的液晶显示器，其特征在于，所述相位控制组件还包括第四基板和第五基板，所述相位控制层位于所述第四基板和所述第五基板之间；
    所述第四基板和/或所述第五基板靠近所述相位控制层的表面设置有驱动电路，所述驱动电路用于根据所述图像信号驱动所述相位控制层中的液晶分子偏转，以改变从所述相位控制层出射的至少部分所述光源光的偏振方向。
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