CN107238979B - 导光组件及制备方法、背光模组以及显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了导光组件及制备方法、背光模组以及显示装置。该导光组件包括：波导层；以及耦合光栅结构，所述耦合光栅结构包括至少两个对应设置的光栅，至少一个所述光栅设置在所述波导层中，所述耦合光栅结构能够令光经过所述光栅衍射后，在所述波导层中形成全反射。该导光组件具有以下优点的至少之一：可有效提高背光耦合效率、有利于减薄背光模组尺寸、制备工艺简单等。

Description

导光组件及制备方法、背光模组以及显示装置
技术领域
本发明涉及显示领域，具体地，涉及导光组件及制备方法、背光模组以及显示装置。
背景技术
随着显示技术以及半导体技术的不断发展，显示装置也日趋向多功能化、轻薄化发展，以满足用户的需求。液晶显示装置(LCD)是目前应用较为广泛的一类显示器件，主要依靠液晶分子在电场作用下发生偏转，改变背光的透射情况，并结合滤光片等结构，实现彩色显示。背光模组为液晶显示装置提供均匀的背光，目前主要采用发光二极管(LED)为光源。根据LED设置位置的不同，主要分为侧入式和直下式背光模组。
然而，目前的导光组件及制备方法、背光模组以及显示装置，仍有待改进。
发明内容
本发明是基于发明人对于以下事实和问题的发现和认识作出的：
发明人发现，目前的背光模组，尤其是直下式背光模组，普遍存在厚度过厚、导光板光线耦合效率较差等问题。上述问题一方面导致显示装置整体难以轻薄化、小型化，另一方面，由于光线耦合效率较差，因此如需实现较好的显示效果，则需大幅提高背光亮度，进而造成显示装置功耗过高。发明人经过深入研究以及大量实验发现，这主要是由于目前的导光板等导光组件的结构设计不够合理而导致的：一方面，目前的LCD，尤其是大尺寸LCD的直下式背光结构中，多具有多个LED。而目前的导光板，仅具有导光功能，而无法实现多个LED发光的混光。因此，在背光结构中相邻的LED光源之间需要一定的纵向混光距离(2～22mm)，并且LED之间的水平间距很小，因而LED的使用数目(约几万颗)是非常庞大的，进而造成现有的LED背光技术存在背光结构整体厚度过厚及背光成本过高等问题。另一方面，光源发出的光线在传播中，在背光模组中经历多次反射，光能损耗较为严重：虽然背光腔内壁反射率高达95％，但仍有25％左右的光能量在背光腔中的反射过程中被损耗了。为了提高对背光的利用率，虽然可以通过增加纳米光栅等组件提高导光板的光能利用效率，然而目前的纳米光栅层，为实现好的使用效果，多需要为非等线宽并且非等高结构，加工工艺繁琐且成本较高。
本发明旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中至少一个。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种导光组件。根据本发明的实施例，该导光组件包括：波导层；以及耦合光栅结构，所述耦合光栅结构包括至少两个对应设置的光栅，至少一个所述光栅设置在所述波导层中，所述耦合光栅结构能够令光经过所述光栅衍射后，在所述波导层中形成全反射。该导光组件具有以下优点的至少之一：可有效提高背光耦合效率、有利于减薄背光模组尺寸、制备工艺简单等。
根据本发明的实施例，所述导光组件包括：所述波导层包括依次层叠设置的第一波导亚层、第二波导亚层和第三波导亚层，所述耦合光栅结构包括第一光栅和第二光栅；其中，所述第一光栅设置在所述第一波导亚层远离所述第二波导亚层的一侧；所述第二波导亚层与所述第一光栅对应的位置处，设置有空腔结构；所述第二光栅设置在所述空腔结构中。由此，可以利用第一光栅以及第二光栅构成的耦合光栅结构，令背光在波导亚层中形成全反射。且对应设置的耦合光栅结构，有利于进一步提高对背光的耦合效率。
根据本发明的实施例，所述第一光栅以及所述第二光栅具有多个等宽、等高度且呈周期性排布的子光栅结构。由此，有利于节省制备光栅的成本。
根据本发明的实施例，所述耦合光栅结构的折射率大于所述波导层的折射率。由此，有利于背光在波导层中形成全反射。
根据本发明的实施例，所述第一波导亚层、所述第二波导亚层和所述第三波导亚层的折射率相同。由此，有利于节约成本。
根据本发明的实施例，所述第一光栅的周期以及光栅厚度，能够令经过所述第一光栅的光在衍射光谱级数为0级，以及能够在所述第一波导亚层中发生全反射的衍射光线的能量，高于其他衍射光谱级数的衍射光线的能量；所述第二光栅的周期以及光栅厚度，能够令经过所述第二光栅的衍射光，在能够在所述第三波导亚层中发生全反射的衍射光线的能量，高于其他衍射光谱级数的衍射光线的能量。由此，可以提高对背光的耦合效率。
根据本发明的实施例，所述第一光栅的周期以及光栅厚度，能够令沿第一偏振方向以及第二偏振方向的入射光经所述第一光栅后，在衍射光谱级数为0级，以及能够在所述第一波导亚层中发生全反射的衍射光线的能量，高于其他衍射光谱级数的衍射光线的能量；所述第二光栅的周期以及光栅厚度，能够令沿所述第一偏振方向以及所述第二偏振方向的入射光在经过所述第二光栅后，在能在所述第三波导亚层中发生全反射的衍射光线的能量，高于其他衍射光谱级数的衍射光线的能量，其中，所述第一偏振方向垂直于所述第二偏振方向。由此，可以提高对于不同偏振方向的入射光的耦合效率。
根据本发明的实施例，所述光栅均包括第一子光栅和环绕所述第一子光栅的多个第二子光栅，所述第一子光栅的横截面为圆形，所述多个第二子光栅的横截面为环形，所述第一子光栅的圆心与所述多个第二子光栅的圆心重合。由此，可以进一步提高对背光的耦合效率。
根据本发明的实施例，该导光组件进一步包括：导光网点层，所述导光网点层设置在所述波导层的入光侧和/或出光侧。由此，可以进一步提高该导光组件的导光性能。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种背光模组。根据本发明的实施例，该背光模组包括：光源；以及前面所述的导光组件，所述导光组件设置在所述光源的出光方向上，所述耦合光栅结构与所述光源一一对应。由此，该背光模组具有前面描述的导光组件所具有的全部特征以及优点。总的来说，该背光模组具有背光耦合效率高、尺寸较为纤薄、制备工艺简单等优点。
根据本发明的实施例，该背光模组进一步包括以下结构的至少之一：反射片，所述光源设置在所述反射片以及所述导光组件之间，或者，所述导光组件设置在所述光源以及所述反射片之间；荧光膜层，所述荧光膜层设置在所述导光组件的出光方向上；扩散片，所述扩散片设置在所述导光组件的出光方向上；棱镜膜，所述棱镜膜设置在所述导光组件的出光方向上。由此，可以进一步提高该背光模组的性能。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种显示装置。根据本发明的实施例，该显示装置包括前面所述的背光模组。由此，该显示装置具有前面描述的背光模组所具有的全部特征以及优点。总的来说，该显示装置具有背光耦合效率高、尺寸较为纤薄、制备工艺简单等优点。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备导光组件的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：形成波导层；设置耦合光栅结构，所述耦合光栅结构包括至少两个对应设置的光栅，至少一个所述光栅设置在所述波导层中，所述耦合光栅结构能够令光经过所述光栅衍射后，在所述波导层中形成全反射。由此，可以简便地获得导光组件。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：设置第一波导亚层；设置第一光栅，所述第一光栅设置在所述第一波导亚层一侧；设置第二波导亚层，所述第二波导亚层设置在所述第一波导亚层远离所述第一光栅一侧的表面上，且所述第二波导亚层与所述第一光栅对应的位置处，形成空腔结构，所述空腔结构中设置第二光栅；以及设置第三波导亚层，所述第三波导亚层设置在所述第二波导亚层远离所述第一波导亚层的一侧。由此，可以简便地实现上述结构的设置，且制备的导光组件，可以提高对背光的利用效率。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：设置第一波导亚层；设置第一光栅，所述第一光栅设置在所述第一波导亚层一侧；设置第二光栅，所述第二光栅设置在所述第一波导亚层远离所述第一光栅的一侧，且所述第二光栅与所述第一光栅对应设置；设置第二波导亚层，所述第二波导亚层设置在所述第一波导亚层远离所述第一光栅一侧的表面上，且所述第二波导亚层与所述第二光栅对应的位置处具有空腔结构；以及设置第三波导亚层，所述第三波导亚层设置在所述第二波导亚层远离所述第一波导亚层的一侧。由此，可以简便地实现上述结构的设置。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了根据本发明一个实施例的导光组件的结构示意图；
图2显示了现有技术的导光组件结构示意图；
图3显示了根据本发明一个实施例的导光组件的结构示意图；
图4显示了根据本发明一个实施例的导光组件的结构示意图；
图5显示了根据本发明一个实施例的导光组件的部分结构示意图；
图6显示了根据本发明一个实施例的第一光栅的结构示意图；
图7显示了根据本发明一个实施例的导光组件的部分结构示意图；
图8显示了根据本发明一个实施例的耦合光栅的部分结构示意图；
图9显示了根据本发明一个实施例的背光模组的结构示意图；以及
图10显示了根据本发明另一个实施例的背光模组的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种导光组件。根据本发明的实施例，参考图1，该导光组件包括：波导层100以及耦合光栅结构200。根据本发明的实施例，耦合光栅结构包括至少两个对应设置的光栅(如图中所示出的210以及220)，至少一个光栅设置在波导层100中。根据本发明的实施例，耦合光栅结构200能够令光经过对应设置的光栅衍射后，在波导层100中形成全反射。该导光组件具有以下优点的至少之一：可有效提高背光耦合效率、有利于减薄背光模组尺寸、制备工艺简单等。可选的，波导层100中也可以包含多个对应设置的光栅，比如在波导层100中对应设置有三个或者四个光栅等。
根据本发明的实施例，参考图3，上述导光组件可以具体包括：依次层叠设置的第一波导亚层110、第二波导亚层120以及第三波导亚层130。耦合光栅结构200可以包括第一光栅210以及第二光栅220。其中，第一光栅210设置在第一波导亚层110远离所述第二波导亚层120的一侧，第二波导亚层120与第一光栅210对应的位置处设置有空腔结构，第二光栅220设置在所述空腔结构中。由此，可以利用第一光栅以及第二光栅构成的耦合光栅结构，令背光在波导亚层中形成全反射。且对应设置的耦合光栅结构，有利于进一步提高对背光的耦合效率。可选的，第二光栅220位于第三波导亚层130靠近第二波导亚层120的一侧。
根据本发明的实施例，上述耦合光栅结构(如第一光栅以及第二光栅)的具体类型不受特别限制。例如，上述光栅可以为二维光栅。具体地，第一光栅以及第二光栅可以为二维纳米光栅。
下面，以图3中所示出的导光组件为例，对根据本发明实施例的导光组件的导光原理进行简单介绍：
如前所述，参考图2，目前的LCD，尤其是大尺寸LCD的直下式背光结构中，多具有多个发光二极管(LED)。因此，在背光结构中相邻的发光二极管光源之间需要一定的纵向混光距离(如图中所示出的D)，并且相邻发光二极管20之间具有一定的水平距离(如图中所示出的P)，然后经导光板500进行匀光，进而造成现有的LED背光技术存在背光结构整体厚度过厚及背光成本过高等问题。而目前的背光结构，需要设置一定的纵向混光距离，主要是由于目前的导光板等导光结构，不能够很好的起到混光作用而导致的。根据本发明的实施例，参考图4以及图5，发明人发现，在导光组件中设置耦合光栅结构200，并通过对第一光栅210的周期(如图5中所示出的d)、厚度(如图5中所示出的h)和占空比进行设置，可以使得由光源(发光二极管)发出的光，经过第一光栅210后的衍射光的能量，集中在0级以及能够在波导层中发生全反射的级数上。即在衍射光谱级数为0级的衍射光线的能量较高，且能够在第二波导层中发生全反射的衍射级数(如衍射光谱级数为+/-2级)的衍射光线的能量也较高。例如，经第一光栅210的0级衍射光以及+/-2级衍射光的能量，可以占衍射光总能量的至少80％。由此，可以令衍射光谱级数包括但不限于+/-2级的衍射光在波导层(如图中所示出的第一波导亚层110、第二波导亚层120以及第三波导亚层130)中形成全反射。由此，一方面可以减少背光的损失，同时起到混光的效果。类似地，通过对第二光栅220的周期、厚度和占空比进行设置，可以对经第一光栅210的0级光线进行再次耦合利用：经第一光栅210的0级光线不在第一波导亚层110中进行全反射，入射至第二光栅220。该部分光线经第二光栅220后，大部分可在第三波导亚层130内进行全反射。例如，经第二光栅220后，能够发生全反射的级次(如衍射光谱级数为+/-2级)的衍射光的能量，大于其他衍射级数的衍射光的能量。由此，可以进一步提高该导光组件对背光的耦合效率。
由于衍射光栅调制光场的光谱分布中的零级光波(直流项，按几何光学方向直线传输)是不可能消除的，其能量占整个衍射光能的比重相对较大，因此入射光束被耦合光栅调制后的零级光不能被耦合(不能以全反射形式在波导层内传输)，致使耦合效率低。根据本发明的实施例，通过优化光栅结构，可以大幅提高经过根据本发明实施例的导光组件的透射衍射光能量，提高总体衍射效率，同时保证衍射光线能量都集中在0级次(可被第二光栅二次利用)，以及可以发生全反射的级次(如+/-2级，可以完全被耦合)上。由此，可以令0级次的衍射光被再次利用，进而可以大幅提高衍射效率。根据本发明实施例的导光组件，光效可以达到80％以上。具体地，可以根据以下公式，确定上述光栅的周期：
n1sinθ1+n2sinθ2＝mλ/p
其中，n1为入射光线所在介质折射率，n2为衍射光线所在介质折射率，θ1为入射角，θ2为衍射角，m为衍射级次，λ为波长，p为周期。光栅厚度可以根据拟合优化确定。发明人发现，目前的直下式LED的背光处理中，虽然可以通过Localdiming技术达到减少功耗，提高成像对比度，增加灰阶数的目的，然而由于Localdiming实现的主要原理为：将LCD的背光分成多个小区域(Block)，工作时，根据相应小区域对应液晶显示内容的灰度，来调整背光的明暗对比度。而显示时需要背光提供显示所需要的亮度，因此对于大部分液晶显示器，其背光为常亮的显示器，由于背光的光效不佳，进而导致Local diming技术在应用时，会出现不同程度的存在漏光等问题，从而会影响暗细节的表现以及对比度。而根据本发明实施例的导光组件，由于具有足够高的光效，因此可以较好的实现Local diming技术，而避免由于漏光等问题而导致的显示不良。
需要说明的是，在本发明中，波导亚层的层数、耦合光栅所包括的光栅数量均不受特别限制，只要能够令经过耦合光栅的衍射光，在波导层中形成全反射，并利用耦合光栅结构提高对背光的耦合效率即可。也即是说，在本发明中，耦合光栅需包括至少两个沿着背光传播方向对应设置的光栅，以便对经过第一光栅的0级次衍射光进行二次利用。根据本发明的实施例，形成波导层以及耦合光栅结构的材料的具体类型不受限制，只要能够获得如前所述的衍射效果即可。具体地，波导层材料的折射率，可以高于波导层上、下介质的折射率，以利于在波导层内形成全反射：例如，波导层材料的折射率，可以大于设置在波导层下方的背光腔中介质(空气)的折射率，且大于直接设置在波导层上方，如导光网点、增亮膜、棱镜膜等结构的折射率。例如，根据本发明的具体实施例，波导层以及耦合光栅结构，可以选用透明且折射率较高(高于空气介质或导光组件上、下方介质)的材料形成。波导层中的各个亚层，可以采用折射率相同的材料形成，形成波导层各个亚层的材料的折射率可以为1.5～2，形成耦合光栅结构(如包括第一光栅以及第二光栅)的材料的折射率可以为1.5～2。用于形成耦合光栅结构的材料的折射率，可以大于用于形成波导层的材料的折射率。例如，波导层可以选择ITO或者Si3N4等材料形成，第一波导亚层110、第二波导亚层120以及第三波导亚层130的厚度如2μm甚至更厚到几十微米，但不限于此。由此，有利于形成全反射。
根据本发明的实施例，为了降低生产成本，第一光栅以及第二光栅，可以为具有均匀的周期以及厚度的光栅结构。也即是说，第一光栅以及第二光栅，可以具有多个等宽、等高度且呈周期性排布的子光栅结构。
需要特别说明的是，在本发明中，第二波导亚层中的“空腔结构”，是为了为第二光栅提供设置的空间。“空腔结构”在第二波导亚层中的具***置、空腔结构的形状、高度，均不受特别限制，只要空腔结构的位置能够令设置在其中的第二光栅，与第一光栅在垂直于波导层所在平面的方向上能够对应设置即可。例如，空腔结构的高度，可以小于第二波导亚层的厚度。空腔结构可以为设置在第二波导亚层，靠近第一波导亚层一侧表面上的槽型结构，也可以为靠近第三波导亚层一侧表面上的槽型结构。或者，空腔结构的高度可以与第二波导亚层的厚度相等，即空腔结构贯穿第二波导亚层。
根据本发明的实施例，耦合光栅结构中的光栅可以包括多个子光栅结构，例如，可以包括横截面为圆形的第一子光栅，以及多个横截面为环形的第二子光栅，环形的第二子光栅环绕圆形的第一子光栅设置，环形第二子光栅的圆心与圆形第一子光栅的圆心重合，不同的第二子光栅对应的入射光的入射角区间不同。由于背光常用的LED实际发光为面光源，能量集中在入射角+/-60°范围内，所以在耦合光栅设计时，针对LED发光的发光角度，进行分块设计，根据入射光的入射角区间，对耦合光栅结构进行细化，有利于进一步提高该导光组件对背光的耦合效率。耦合光栅结构由对应设置的至少两个光栅(如前面描述的第一光栅以及第二光栅)构成，下面以第一光栅为例，对上述结构进行详细说明：参考图6以及图7，第一光栅的第一子光栅的横截面为圆形，多个第二子光栅的横截面为环形，多个第二子光栅的圆心重合，且环形的第二子光栅环绕圆形的第一子光栅分布：多个子光栅中，位于圆形的圆心处的第一子光栅21为圆形，多个第二子光栅(如图中所示出的22-24)为环形。不同的第二子光栅对应的入射光的入射角区间不同。由此，可以根据入射光的角度不同，设置多个第二子光栅，以提高对于不同入射角度的背光的耦合效率。由此，可以令不同角度的入射光均在波导亚层中形成全反射，从而有利于进一步提高对背光的利用效率。本领域技术人员能够理解的是，第二光栅220也可以具有与上述第一光栅210相同的结构，在此不再赘述。本领域技术人员能够理解的是，不同的第一光栅以及第二光栅对应不同的入射角区间，因此不同的耦合光栅结构可以具有不同的周期以及厚度。而为了节省生产成本，每个第一光栅和/或第二光栅中的子光栅，可以具有相同的周期以及厚度。
由于在LCD显示装置中，通常会设置上偏光片以及下偏光片，因此，为了进一步提高该导光组件的性能，根据本发明的实施例，可以根据背光的偏光方向不同，对第一光栅以及第二光栅进行设计。例如，第一光栅可以为二维光栅，首先在针对光线的第一偏振方向进行优化得到第一二维光栅结构，之后再对光线的第二偏振方向进行优化，得到第二二维光栅结构，之后对优化得到的第一二维光栅结构和第二二维光栅结构再次进行优化，叠加形成一个二维光栅，该二维光栅使得第一偏振方向和第二偏振方向的光线的光耦合效率均提高：具体的，参考图8，第一光栅210(沿第一光栅210所在屏幕的俯视图)由优化得到的第一二维光栅和第二二维光栅再次优化叠加形成，第一光栅210沿Y方向的截面211对应的结构和沿X方向的截面212对应的结构，分别使得两个偏振方向的光具有较高的耦合效率。其中，第一偏振方向垂直于第二偏振方向，如图中所示出的双箭头方向以及实心圆点(双向箭头代表偏振方向平行于纸面的光线的偏振方向，实心圆点代表偏振方向垂直于纸面的光线的偏振方向)。第一光栅210沿Y方向的截面211对应的结构对于偏振方向与实心圆点对应的方向一致的光线的反射较少且光耦合效率较高，而对于偏振方向与双向箭头对应的方向一致的光的反射较多，第一光栅210沿X方向的截面212对应的结构对于偏振方向与双向箭头对应的方向一致的光线的反射较少且光耦合效率较高，而对于偏振方向与实心圆点对应的方向一致的光的反射较多，图中角a、b的度数大于第二波导亚层满足的全反射条件时的全反射临界角，第一偏振方向以及第二偏振方向的光线，经第一光栅后均可以在第二波导亚层中进行全反射。第二光栅可以具有与上述第一光栅类似的结构，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，由于通常背光模组中需要设置多个发光二极管，因此，该导光组件可以进一步包括多个耦合光栅结构。耦合光栅结构可以与发光二极管对应设置，从而可以提高对背光的利用效率。
根据本发明的实施例，该导光组件进一步包括导光网点层。导光网点层设置在波导层的入光侧和/或出光侧。根据本发明的实施例，该导光网点层可以为背光板上的常用网点(典型尺寸0.1-1mm)，也可以为特定的光栅结构(可针对当前的LED以及耦合光栅的出光情况进行设计)，以实现背光光强的均匀分布。由此，可以进一步提高该导光组件的导光性能。本领域技术人员能够理解的是，在与耦合光栅结构对应的位置处，可以不设置导光网点。
综上所述，根据本发明实施例的导光结构，可以具有以下优点：
1)使用双层纳米光栅结构耦合入光，可以大幅提升耦合效率，光效可达80％以上；
2)可以大幅减薄导光组件的厚度，进而可以大大降低背光模组厚度；
3)该导光结构对LED间距没有要求，因此在满足整体亮度的前提下，可以降低LED灯的使用数量，成本低；
4)通过优化设计网点层结构，在达到均匀出光的前提下，还可以实现动态局部调光，满足技术市场需求。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种背光模组。根据本发明的实施例，参考图9以及图10，该背光模组包括：光源以及前面所述的导光组件。导光组件设置在光源的出光方向上，所述耦合光栅结构与所述光源一一对应。由此，该背光模组具有前面描述的导光组件所具有的全部特征以及优点。总的来说，该背光模组具有背光耦合效率高、尺寸较为纤薄、制备工艺简单等优点。
根据本发明的实施例，该背光模组可以进一步包括以下结构的至少之一：反射片600、导光网点层30、荧光膜层40、棱镜膜50以及扩散片60。反射片600用于反射背光，因此根据光源位置的不同，光源可以设置在反射片600以及导光组件之间，或者，导光组件设置在光源以及反射片600之间。由此，可以进一步提高该背光模组的性能。导光网点层30设置在导光组件远离光源的一侧。本领域技术人员能够理解的是，在设置有耦合光栅结构的位置处，可以不设置导光网点。荧光膜层40、棱镜膜50以及扩散片60依次设置在导光组件的出光方向上。
例如，根据本发明的具体实施例，荧光膜层40可以用于将单色LED混成白光出射。例如，根据本发明的具体实施例，LED与荧光膜层40的匹配可以为蓝色LED配合YAG荧光膜层，紫色LED配合RGB荧光膜层，蓝色LED配合量子点荧光膜层等。扩散片60可以由一个高透光率的聚合物(如聚碳酸醋、聚甲基丙稀酸甲酷、聚对苯二甲酸乙二醇酷等)基板和掺杂在其中的散射颗粒(如二氧化钛等)组成，也可以为多层膜的叠层结构。穿过扩散片60的光线会被其中的散射颗粒散射,位于扩散片60上方的观察者就会观察不到扩散片60下方的图像，如LED颗粒、电路板等，而只会感知到由背光源在扩散片60上表面产生的亮度分布。棱镜膜50的数目可以为一至两层(又称增亮膜，Brightness enhancement films)。根据本发明的具体实施例，棱镜膜50可以由一个具有尖角微棱镜结构的棱镜层和一个基板层贴合而成。本领域技术人员能够理解的是，此处的“出光方向”，特指背光的出光方向，即由背光模组，入射至液晶模组的方向。由此，可以进一步提高该背光模组的性能。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种显示装置。根据本发明的实施例，该显示装置包括前面所述的背光模组。由此，该显示装置具有前面描述的背光模组所具有的全部特征以及优点。总的来说，该显示装置具有背光耦合效率高、尺寸较为纤薄、制备工艺简单等优点。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备导光组件的方法。根据本发明的实施例，该导光组件可以为前面描述的导光组件。该方法包括：
(1)形成波导层
根据本发明的实施例，在该步骤中，形成波导层。关于波导层的材料、折射率等参数，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。具体的，波导层可以由一层材料形成，并在需要设置第二光栅的位置处，预先形成空腔结构。或者，波导层可以包括多个波导亚层，在需要设置第二光栅的波导亚层中，预先形成空腔结构。
(2)设置耦合光栅结构
根据本发明的实施例，在该步骤中，设置耦合光栅结构。如前所述，耦合光栅结构可以包括至少两个对应设置的光栅，且至少一个光栅设置在上述波导亚层中，耦合光栅结构能够令光经过上述光栅衍射后，在波导层中形成全反射。由此，可以简便地获得导光组件。
根据本发明的实施例，上述耦合光栅结构可以具体包括对应设置的第一光栅以及第二光栅。可以首先根据入射至第一光栅的入射光的波长以及入射角，确定第一光栅的周期以及厚度，以便令经过第一光栅的光，集中在0级以及能够发射全反射的级数(如衍射光谱级数为+/-2级)上。例如，经第一光栅210的0级衍射光以及+/-2级衍射光的能量，可以占衍射光总能量的至少80％。由此，可以令衍射光谱级数包括但不限于+/-2级的衍射光在波导层(如图中所示出的第一波导亚层110、第二波导亚层120以及第三波导亚层130)中形成全反射。通过对第二光栅220的周期、厚度进行设置，可以对经第一光栅210的0级光线进行再次耦合利用：经第一光栅210的0级光线入射至第二光栅220后，大部分可在第三波导亚层130内进行全反射(如集中在衍射光谱级数为+/-2级上)。由此，可以利用第二光栅，对第一光栅的0级衍射光线进行二次利用，进而可以进一步提高对背光的耦合效率。
如前所述，该方法制备的导光组件，可以为前面描述的导光组件。因此，根据本发明的一个具体实施例，该方法可以具体包括：形成第一波导亚层。关于第一波导亚层的材料以及厚度，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。随后，将第一光栅设置在第一波导亚层的一侧。形成第二波导亚层，并在第二波导亚层与第一光栅对应的位置处，形成空腔结构，将第二光栅设置在空腔结构中。随后，将第二波导亚层以及第二光栅，设置在第一波导亚层远离第一光栅层的一侧，且第二光栅靠近第一光栅设置。关于上述波导亚层以及光栅的材料、厚度、空腔结构的位置以及高度等，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。随后，在第二波导亚层远离第一波导亚层的一侧，设置第三波导亚层。由此，可以简便地实现上述结构的设置，且制备的导光组件，可以提高对背光的利用效率。或者，根据本发明的另一些实施例，也可以首先在第一波导亚层的两侧，分别设置第一光栅以及第二光栅，并令第一光栅以及第二光栅对应设置。随后，在形成的第二波导亚层的相应位置处，形成空腔结构，再将具有空腔结构的第二波导亚层，设置在第一波导亚层具有第二光栅的一侧，令第二光栅位于空腔结构中，最后，在第二波导亚层远离第一波导亚层的一侧，设置第三波导亚层。需要特别说明的是，在该方法中，波导层所包括的具体亚层的数目不受特别限制，只要能够满足前面描述的全反射，以及对0级光线的再次耦合利用即可。例如，当第二波导亚层的厚度足够，且空腔结构的高度小于第二波导亚层的厚度时，可以不设置第三波导亚层，而利用第二光栅上方的剩余第二波导亚层进行衍射光的全反射。
下面通过具体的实施例对本发明进行说明，本领域技术人员能够理解的是，下面的具体的实施例仅仅是为了说明的目的，而不以任何方式限制本发明的范围。另外，在下面的实施例中，除非特别说明，所采用的材料和设备均是市售可得的。如果在后面的实施例中，未对具体的处理条件和处理方法进行明确描述，则可以采用本领域中公知的条件和方法进行处理。
以光栅包括圆形子光栅以及环形子光栅的光栅结构为例，对入射角为0度(垂直光线入射)的子光栅结构的出光效率进行模拟测试。其中，参考图5，第一波导亚层、第二波导亚层以及第三波导亚层的折射率为1.5，第一光栅以及第二光栅的折射率为2.0，空气的折射率为1.0。子光栅周期d为0.9微米，厚度h为0.5微米，占空比为0.5。测试结果如表1所示：
表1
Figure GDA0002361375660000121
Figure GDA0002361375660000131
由表1可见，光栅的总体衍射效率包含0级光线和+/-2级光线的衍射效率，约为94％。+/-2级衍射效率约为54％，其余衍射光线的能量基本上都集中在0级上，并且零级即为原来光线的直流项，相对与原入射光线方向不变，只是能量有所削弱。由于衍射光线0级能量与+/-1级能量所占比例成反方向关系，因此只有增大0级光线能量，才能充分减少+/-1级上能量的比重，进而减少耦合光线的损失。
当波导层的折射率为1.5，空气的折射率为1.0时，在波导层中发生全反射的临界角约为41度，而经过光栅衍射后的+/-2级光线的角度约为51度，大于波导层的全反射临界角。也即是说，上述设计可以令大部分光线在波导层中发生全反射，或是被后续光栅结构(如第二光栅)进行二次耦合利用。
在本发明的描述中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。另外，需要说明的是，本说明书中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种背光模组，其特征在于，包括：
光源以及导光组件，所述导光组件设置在所述光源的出光方向上，所述导光组件包括：
波导层；以及
耦合光栅结构，所述耦合光栅结构包括至少两个对应设置的光栅，至少一个所述光栅设置在所述波导层中，
所述耦合光栅结构能够使得光经过所述耦合光栅结构后，在所述波导层中以全反射形式传播，所述耦合光栅结构与所述光源一一对应。
2.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，
所述波导层包括依次层叠设置的第一波导亚层、第二波导亚层和第三波导亚层，所述耦合光栅结构包括第一光栅和第二光栅；
其中，所述第一光栅设置在所述第一波导亚层远离所述第二波导亚层的一侧；
所述第二波导亚层与所述第一光栅对应的位置处，设置有空腔结构；
所述第二光栅设置在所述空腔结构中。
3.根据权利要求2所述的背光模组，其特征在于，所述第一光栅以及所述第二光栅具有多个等宽、等高度且呈周期性排布的子光栅结构。
4.根据权利要求2所述的背光模组，其特征在于，所述耦合光栅结构的折射率大于所述波导层的折射率。
5.根据权利要求2所述的背光模组，其特征在于，所述第一波导亚层、所述第二波导亚层和所述第三波导亚层的折射率相同。
6.根据权利要求2所 述的背光模组，其特征在于，所述第一光栅的周期以及光栅厚度，能够令经过所述第一光栅的光在衍射光谱级数为0级，以及能够在所述第一波导亚层中发生全反射的衍射光线的能量，高于其他衍射光谱级数的衍射光线的能量；
所述第二光栅的周期以及光栅厚度，能够令经过所述第二光栅的衍射光在所述第三波导亚层中发生全反射的衍射光线的能量，高于其他衍射光谱级数的衍射光线的能量。
7.根据权利要求2所述的背光模组，其特征在于，所述第一光栅的周期以及光栅厚度，能够令沿第一偏振方向以及第二偏振方向的入射光经所述第一光栅后，在衍射光谱级数为0级，以及能够在所述第一波导亚层中发生全反射的衍射光线的能量，高于其他衍射光谱级数的衍射光线的能量；
所述第二光栅的周期以及光栅厚度，能够令沿所述第一偏振方向以及所述第二偏振方向的入射光在经过所述第二光栅后，在能在所述第三波导亚层中发生全反射的衍射光线的能量，高于其他衍射光谱级数的衍射光线的能量，
其中，所述第一偏振方向垂直于所述第二偏振方向。
8.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，所述光栅均包括第一子光栅和环绕所述第一子光栅的多个第二子光栅，所述第一子光栅的横截面为圆形，所述多个第二子光栅的横截面为环形，所述第一子光栅的圆心与所述多个第二子光栅的圆心重合。
9.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，进一步包括：
导光网点层，所述导光网点层设置在所述波导层的入光侧和/或出光侧。
10.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，还包括以下结构的至少之一：
反射片，所述光源设置在所述反射片以及所述导光组件之间，或者，所述导光组件设置在所述光源以及所述反射片之间；
荧光膜层，所述荧光膜层设置在所述导光组件的出光方向上；
扩散片，所述扩散片设置在所述导光组件的出光方向上；
棱镜膜，所述棱镜膜设置在所述导光组件的出光方向上。
11.一种显示装置，其特征在于，包括权利要求1-10任一项所述的背光模组。
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