CN102156362A - 用于液晶显示器光学模块的准直耦合片及光学模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于液晶显示器光学模块的准直耦合片，特点是包括导光板、屋脊棱镜阵列和凸透镜阵列，屋脊棱镜阵列包括多个并列设置的屋脊棱镜，导光板包括基体，基体的一面为入射面，基体的另一面并列设置有多个反射面，相邻的反射面之间由透射间隙分隔，凸透镜阵列包括多个并列设置的单凸柱面凸透镜，柱面凸透镜的凸面朝向光线出射方向，屋脊棱镜的入射端与透射间隙相连，屋脊棱镜的出射端与柱面凸透镜的平面端相连，优点在于对入射的背光光束的准直要求非常小，在保证背光源可见光频谱内所有的光能充分有效利用，提高液晶显示屏亮度和对比度的同时，还可大大缩减压束片的厚度，从而减小了液晶显示器的厚度，更好地满足了用户的需求。

Description

用于液晶显示器光学模块的准直耦合片及光学模块

技术领域

本发明涉及一种液晶显示器的光学模块，尤其是涉及一种用于液晶显示器光学模块的准直耦合片及光学模块。

背景技术

液晶显示器面板中的液晶本身不具有发光特性，其利用背光模组提供光源，达到显示器显示效果。目前主流的TFT(薄膜晶体管)型的液晶显示器主要是由荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶体管等等构成。TFT液晶显示器具备背光源荧光管，其光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式就会改变穿透液晶的光束的偏振状态，然后这些光线还必须经过前方的彩色滤光膜与另一块偏光板。由于彩色滤光膜及偏光板的透光率分别不到30％及50％，使得目前的液晶显示器中的背光源光能的利用率很低(不到10％)，这使得液晶显示屏的亮度及对比度远远不如传统的显像管显示器。为解决这个问题，人们可以在TFT液晶显示器中使用亮度很高的背光源，但由于存在大量未被利用的背光源光能，由此引起的热量滞留在TFT液晶显示器中，将严重影响液晶显示器中器件的寿命，从而缩短液晶显示器的使用寿命。

2008年8月13日授权的ZL200610051896.1号中国发明专利“用于液晶显示器的光学模块及液晶显示器”公开了一种用于液晶显示器的光学模块及液晶显示器。这种用于液晶显示器的光学模块及液晶显示器，它包括置于液晶显示屏背光源前的压束片和置于压束片前的分色片。压束片将一束平行扩展光束分成一组细小平行光束列，分色片将白光分为红、绿、蓝三原色，并根据颜色顺序折射到不同的位置。由于引入了分色片，背光源可见光频谱内所有的光能都被有效利用，其利用率提高三倍以上。如果再引入了分束片，背光源所有偏振方向的光能都被有效利用，其利用率提高一倍以上。串联此两模板，则可使背光源的总体光能利用率提高六倍以上，液晶显示屏的亮度及对比度得到显著提高，能耗显著降低，实现真正意义上的高亮度、低能耗的液晶显示器。但是这种用于液晶显示器的光学模块中的压束片，采用直径不同的大直径凸透镜阵列和小直径凸透镜阵列，大直径凸透镜和小直径凸透镜的焦点重叠于光学介质(玻璃或塑料)中。来自于背光源的白色、非偏振、平行扩展光束经大直径凸透镜阵列入射，因两凸透镜的焦点重叠于光学介质中，入射光均会聚于焦点处，在焦点处形成较高的温度，很容易损坏光学介质，从而影响液晶显示器的使用寿命。

2009年11月18日授权的ZL200810061076.X号中国发明专利“用于液晶显示器光学模块的压束片及光学模块”公开了一种用于液晶显示器光学模块的压束片，包括入射面和出射面，所述的入射面为凸透镜阵列，所述的出射面为凹透镜阵列，所述的凸透镜阵列和所述的凹透镜阵列相互对齐，所述的凸透镜阵列的凸透镜与对应的所述的凹透镜阵列的凹透镜焦点重叠形成望远镜***。该专利有效地解决了前一个方案的两凸透镜的结构的问题。

然而，液晶显示器所用的背光一般都有较大的发散角，其入射条件通常难以符合透镜阵列对入射光的要求。因此，对未进行特殊处理的入射光，透镜阵列的耦合效率是相对较低的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种对背光入射角不敏感的、光学损耗小的准直耦合片及能够提高液晶显示器高背光源光能利用率及液晶显示器的亮度和对比度的光学模块。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于液晶显示器光学模块的准直耦合片，包括导光板、屋脊棱镜阵列和凸透镜阵列，所述的屋脊棱镜阵列包括多个并列设置的屋脊棱镜，所述的导光板包括基体，所述的基体的一面为入射面，所述的基体的另一面并列设置有多个反射面，相邻的反射面之间由透射间隙分隔，所述的凸透镜阵列包括多个并列设置的单凸柱面凸透镜，所述的柱面凸透镜的凸面朝向光线出射方向，所述的屋脊棱镜的入射端与所述的透射间隙相连，所述的屋脊棱镜的出射端与所述的柱面凸透镜的平面端相连。

所述的屋脊棱镜的屋脊夹角为1°～10°。

所述的屋脊棱镜入射面的宽度等于所述的透射间隙的宽度，所述的屋脊棱镜出射面的高度等于所述的柱面凸透镜的宽度。

所述的基体、所述的屋脊棱镜和所述的凸透镜的材料为光学玻璃或光学塑料。

一种使用上述的准直耦合片的液晶显示器光学模块，包括准直耦合片和设置在所述的准直耦合片前的分色片，所述的准直耦合片将一非平行扩展光束分成一组细小准平行光束列，所述的分色片将白光分为红、绿、蓝三原色，并根据颜色顺序折射到不同位置，所述的准直耦合片包括导光板、屋脊棱镜阵列和凸透镜阵列，所述的屋脊棱镜阵列包括多个并列设置的屋脊棱镜，所述的导光板包括基体，所述的基体的一面为入射面，所述的基体的另一面并列设置有多个反射面，相邻的反射面之间由透射间隙分隔，所述的凸透镜阵列包括多个并列设置的单凸柱面凸透镜，所述的柱面凸透镜的凸面朝向光线出射方向，所述的屋脊棱镜的入射端与所述的透射间隙相连，所述的屋脊棱镜的出射端与所述的柱面凸透镜的平面端相连。

所述的准直耦合片与所述的分色片之间设置有分束片，所述的分束片将所述的细小平行光束列分成二组相互正交的线性偏振细小平行光束列。

所述的分束片包括两块基板及设置在所述的两块基板间的空间定位液晶分子，所述的空间定位液晶分子沿着与入射光束成大于0°、小于90°的夹角方向排列。

所述的分色片为干涉滤光片组，所述的干涉波光片组包括三种干涉滤光片，所述的干涉滤光片沿着与入射光束相垂直的方向排列。

所述的分色片后沿光线传输方向依次设置有液晶盒和线性偏振片。

所述的分色片后沿光线传输方向依次设置有第一线性偏振片、液晶盒和第二线性偏振片。

与现有技术相比，本发明的优点在于其对入射的背光光束的准直要求非常小，非平行扩展光束通过本发明的准直耦合片将被处理成符合分色片入射条件的细小光带。在保证背光源可见光频谱内所有的光能充分有效利用，提高液晶显示屏亮度和对比度的同时，本发明的准直耦合片还可大大缩减压束片的厚度，从而减小了液晶显示器的厚度，更好地满足了用户的需求。

附图说明

图1为本发明中液晶显示器的光学模块结构图，其中1为准直耦合片；

图2为本发明准直耦合片的一个屋脊棱镜及对应的柱形面阵列单元的结构示意及光学工作原理图，αn和γn分别为准直耦合片两侧光线和法线方向的夹角；其中1为准直耦合片，0为背光源；

图3a为根据斯涅尔定律绘制的从光疏到光密的反射曲线图；

图3b为根据斯涅尔定律绘制的从光密到光疏的反射曲线图；

图4为本发明准直耦合片1与背光光源0、分色片3组成的光学模块的结构示意图；

图5为本发明准直耦合片1与背光光源0、分束片2、分色片3组成的光学模块的结构示意图；

图6为本发明准直耦合片1与背光光源0、分束片2、分色片3、液晶盒4、线性偏振片5组成的光学模块的结构示意图；

图7为本发明准直耦合片1与背光光源0、分色片3、液晶盒4、线性偏振片51及52组成的光学模块的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明的准直耦合片1的单元结构如图1所示。此结构的准直耦合片1对背光光源0的光线的出射角度没有要求。

如图2所示，该准直耦合片1为由光学玻璃或光学塑料制成，由长方形导光板11、多个并列设置的屋脊棱镜12和多个并列设置的单凸柱面凸透镜13组成，柱面凸透镜13的凸面132朝向光线出射方向，长方形导光板11由基体112和分别设置在基体112两侧的入射面110和并列设置的多个反射面111组成，相邻的反射面111之间由透射间隙114分隔，屋脊棱镜12两侧面为全反射面120，屋脊棱镜12的入射端121与透射间隙114相连，屋脊棱镜12的出射端122与柱面凸透镜13的平面端131相连。反射面111镀光学反射膜，屋脊棱镜的尖端顶角通常为1°～5°。

准直耦合片1的工作原理基于以下的菲涅尔(Fresnel)公式

$r_{\⊥}=-\frac{\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}^{\′\′})}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}^{\′\′})},$

$t_{\⊥}=\frac{2\cos \mathrm{\θ}\sin {\mathrm{\θ}}^{\′\′}}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}^{\′\′})};$

$r_{\left|\right|}=-\frac{\tan (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}^{\′\′})}{\tan (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}^{\′\′})},$

$t_{\left|\right|}=\frac{2\cos \mathrm{\θ}\sin {\mathrm{\θ}}^{\′\′}}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}^{\′\′})\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}^{\′\′})}$

式中r为光强的反射系数，t为光强的透射系数。根据菲涅尔(Fresnel)公式绘制的入射角与反射率的关系在图3a(光疏介质到光密介质)及3b(光密介质到光疏介质)中给出。光线由入射面110进入准直耦合片1到由柱面凸透镜13的凸面132出射的过程中均遵循图3a及3b所示的折、反射规律。

如图2所示，当光线以一定角度入射到准直耦合片的入射面110时，遵循斯涅耳(Snell)定律。进入长方形导光板11的基体112的光线，一部分直接从反射面111之间的透射间隙114入射进屋脊棱镜12，另一部分经过反射面111反射回背光光源0，经背光光源0表面的背光板反射后再次利用，最终由反射面111之间的透射间隙114入射进屋脊棱镜12。从反射面111间的透射间隙114处入射到屋脊棱镜12的光，入射到全反射面120时满足全反射条件，经过若干次全反射后，由柱面凸透镜13的凸面132出射，成为较准直的出射光束，在全反射过程中，光能量损失几乎为0。

图2给出了准直耦合片1与背光光源0的配合应用。背光光源0投射到准直耦合片1的光束一部分光线投射到长方形导光板11的反射面111上，如图2中A所示；另一部分光线直接进入屋脊棱镜12内。投射到长方形导光板11的反射面111上的光线如前所述经过背光光源0的再次反射而利用；投射到屋脊棱镜12内的光线被分为全反射光及直接透射光，全反射光如图2中C所示，经过屋脊棱镜12的全反射面120的多次反射后由柱面凸透镜13的凸面132出射；直接投射光如图2中B所示，由于其入射角度较小，进入屋脊棱镜12后可直接经过柱面凸透镜13的凸面132出射，这两种类型的光线最终全部由柱面凸透镜13的凸面132出射，由屋脊棱镜12准直后成为透射出准直耦合片1的光线。

当光线在非平行平面间不断反射时，如图2所示，光线与垂直方向的夹角将会随着反射次数的增加而改变，其所遵从的规律如下所示：

γ＝180°-β-(α+β)＝α-θ

既非准直光被界面反射一次就减小与垂直线的夹角，其减小量为θ。这是非准直光线被屋脊结构不断准直，直至γ≤θ出射出屋脊结构的基本原理。

背光光源0的光线以一定角度由空气入射进准直耦合片1时，经过入射面110的折射和屋脊棱镜12的全反射面120的多次反射，可以使光线的发散角有明显的减少，再经过柱面凸透镜13的折射，进一步减小出射光线的发散角，经过准直耦合片1的光线由发散角较大转变为接***行光出射，达到准直的功能；同时，入射进准直耦合片1的光线区域为入射面110，而出射光线口径仅为柱面凸透镜13的口径，在准直耦合片1后可以看到明暗相间的条纹，达到压束光线的功能。

图4给出了准直耦合片1与背光光源0、分色片3组成的光学模块的结构示意图。由背光光源0投射来的光线6被准直耦合片1分割压束成透射光62及反射光61，其中反射光61被背光光源0反射后重复光线6的光程，透射光62经分色片3后射出三原色光62R(红光)、62G(绿光)和62B(蓝光)。

图5给出了准直耦合片1与背光光源0、分束片2、分色片3组成的光学模块的结构示意图。由背光光源0投射来的光线6被准直耦合片1分割压束成透射光62及反射光61，其中反射光61被背光光源0反射后重复光线6的光程。透射光62经分束片2分束后分为偏振方向相互正交的第一线性偏振光622与第二线性偏振光621，第二线性偏振光621经分色片3后射出三原色光621R(红光)、621G(绿光)和621B(蓝光)。

图6给出了准直耦合片1与背光光源0、分束片2、分色片3、液晶盒4、线性偏振片5组成的光学模块的结构示意图。由背光光源0投射来的光线6被准直耦合片1分割压束成透射光62及反射光61，其中反射光61被背光光源0反射后重复光线6的光程。透射光62经分束片2分束后分为偏振方向相互正交的第一线性偏振光622与第二线性偏振光621，第二线性偏振光621及第一线性偏振光622经分色片3后射出三原色光621R(红光)、621G(绿光)和621B(蓝光)及三原色光622R(红光)、622G(绿光)和622B(蓝光)。三原色光621R(红光)、621G(绿光)和621B(蓝光)及三原色光622R(红光)、622G(绿光)和622B(蓝光)经过液晶盒4和线性偏振片5后射出三原色光631R(红光)、631G(绿光)和631B(蓝光)及三原色光632R(红光)、632G(绿光)和632B(蓝光)。

图7给出了准直耦合片1与背光光源0、分色片3、液晶盒4、第一线性偏振片51及第二线性偏振片52组成的光学模块的结构示意图。由背光光源0投射来的光线6被准直耦合片1分割压束成透射光62及反射光61，其中反射光61被背光光源0反射后重复光线6的光程。透射光62经分色片3后射出三原色光62R(红光)、62G(绿光)和62B(蓝光)。62R(红光)、62G(绿光)和62B(蓝光)经过第一线性偏振片51及液晶盒4和第二线性偏振片52后射出三原色光63R(红光)、63G(绿光)和63B(蓝光)。

Claims (10)

1.一种用于液晶显示器光学模块的准直耦合片，其特征在于包括导光板、屋脊棱镜阵列和凸透镜阵列，所述的屋脊棱镜阵列包括多个并列设置的屋脊棱镜，所述的导光板包括基体，所述的基体的一面为入射面，所述的基体的另一面并列设置有多个反射面，相邻的反射面之间由透射间隙分隔，所述的凸透镜阵列包括多个并列设置的单凸柱面凸透镜，所述的柱面凸透镜的凸面朝向光线出射方向，所述的屋脊棱镜的入射端与所述的透射间隙相连，所述的屋脊棱镜的出射端与所述的柱面凸透镜的平面端相连。

2.如权利要求1所述的用于液晶显示器光学模块的准直耦合片，其特征在于所述的屋脊棱镜的屋脊夹角为1°～10°。

3.如权利要求1所述的用于液晶显示器光学模块的准直耦合片，其特征在于所述的屋脊棱镜入射面的宽度等于所述的透射间隙的宽度，所述的屋脊棱镜出射面的高度等于所述的柱面凸透镜的宽度。

4.如权利要求1或2或3所述的用于液晶显示器光学模块的准直耦合片，其特征在于所述的基体、所述的屋脊棱镜和所述的凸透镜的材料为光学玻璃或光学塑料。

5.一种使用权利要求1所述的准直耦合片的液晶显示器光学模块，包括准直耦合片和设置在所述的准直耦合片前的分色片，所述的准直耦合片将一非平行扩展光束分成一组细小准平行光束列，所述的分色片将白光分为红、绿、蓝三原色，并根据颜色顺序折射到不同位置，其特征在于所述的准直耦合片包括导光板、屋脊棱镜阵列和凸透镜阵列，所述的屋脊棱镜阵列包括多个并列设置的屋脊棱镜，所述的导光板包括基体，所述的基体的一面为入射面，所述的基体的另一面并列设置有多个反射面，相邻的反射面之间由透射间隙分隔，所述的凸透镜阵列包括多个并列设置的单凸柱面凸透镜，所述的柱面凸透镜的凸面朝向光线出射方向，所述的屋脊棱镜的入射端与所述的透射间隙相连，所述的屋脊棱镜的出射端与所述的柱面凸透镜的平面端相连。

6.如权利要求5所述的液晶显示器光学模块，其特征在于所述的准直耦合片与所述的分色片之间设置有分束片，所述的分束片将所述的细小平行光束列分成二组相互正交的线性偏振细小平行光束列。

7.如权利要求6所述的液晶显示器光学模块，其特征在于所述的分束片包括两块基板及设置在所述的两块基板间的空间定位液晶分子，所述的空间定位液晶分子沿着与入射光束成大于0°、小于90°的夹角方向排列。

8.如权利要求5或6或7所述的液晶显示器光学模块，其特征在于所述的分色片为干涉滤光片组，所述的干涉波光片组包括三种干涉滤光片，所述的干涉滤光片沿着与入射光束相垂直的方向排列。

9.如权利要求5或6或7所述的液晶显示器光学模块，其特征在于所述的分色片后沿光线传输方向依次设置有液晶盒和线性偏振片。

10.如权利要求5或6或7所述的液晶显示器光学模块，其特征在于所述的分色片后沿光线传输方向依次设置有第一线性偏振片、液晶盒和第二线性偏振片。

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