CN108107600A - 准直光学元件、制作方法、准直背光装置及显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种准直光学元件、制作方法、准直背光装置及显示装置，所述准直光学元件，包括：双凸透镜与曲面反射镜；双凸透镜具有第一主轴与第一焦点；曲面反射镜具有第二主轴、第二焦点、第一内表面、外表面与第二内表面；第一内表面与第二主轴之间的距离自靠近第二焦点的一侧向远离第二焦点的一侧逐渐减小；外表面与第二内表面均为曲面；曲面反射镜环绕双凸透镜设置；第一主轴与第二主轴重合，第一焦点与第二焦点重合，以使经第一焦点或第二焦点入射的光经双凸透镜后准直为平行于第一主轴的平行光，或经第一内表面、外表面与第二内表面相配合准直为平行于第二主轴的平行光。根据本发明的实施例，可以提升光源的利用效率，提高出射光束的准直度。

Description

准直光学元件、制作方法、准直背光装置及显示装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种准直光学元件、制作方法、准直背光装置及显示装置。

背景技术

随着各类显示器件的快速发展，其出光能量的利用率得到了人们更多的关注。相关技术中，显示器无论是LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)还是OLED(OrganicLight-Emitting Diode，有机发光二极管)，由于其在空间广泛的发光视角原因，使得被人眼接收光能只有很少的一部分，大大的减少了光能的利用率。因此，如何控制显示器件的出光方向，使其能精准且高效的被人眼接收，提高光能利用率、降低能耗是需要解决的一个技术问题。

发明内容

本发明提供一种准直光学元件、制作方法、准直背光装置及显示装置，以解决相关技术中的不足。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种准直光学元件，包括：

双凸透镜，具有第一主轴与第一焦点；

曲面反射镜，具有第二主轴、第二焦点、第一内表面、外表面与第二内表面；所述第一内表面与所述第二主轴之间的距离自靠近所述第二焦点的一侧向远离所述第二焦点的一侧逐渐减小；所述外表面与所述第二内表面均为曲面；

其中，所述曲面反射镜环绕所述双凸透镜设置；所述第一主轴与所述第二主轴重合，所述第一焦点与所述第二焦点重合，以使经过所述第一焦点入射至所述双凸透镜的光经所述双凸透镜后准直为平行于所述第一主轴的平行光，或者以使经过所述第二焦点入射至所述第一内表面的光经所述第一内表面、所述外表面与所述第二内表面相配合准直为平行于所述第二主轴的平行光。

在一个实施例中，所述外表面与经过所述第二主轴的一个截面的交线为一个抛物线的一部分，所述外表面位于所述第二焦点靠近所述双凸透镜的一侧。

在一个实施例中，所述第二内表面为自由曲面。

在一个实施例中，所述双凸透镜包括第一面与第二面；所述第一面位于所述双凸透镜靠近所述第一焦点的一侧；所述第一内表面与所述第一面相接合围成开口朝向所述第二焦点的中空空间，所述第二内表面与所述第二面相接合围成开口背离所述第二焦点的中空空间。

在一个实施例中，所述曲面反射镜与所述双凸透镜一体成型。

在一个实施例中，所述双凸透镜为球面透镜或者非球面透镜。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种上述的准直光学元件的制作方法，包括：

提供相配合的母模与公模；

将所述公模与所述母模合模，得到模穴；所述模穴与所述准直光学元件相匹配；

向所述模穴注入注塑材料；

固化所述注塑材料后，脱模得到所述准直光学元件。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种上述的准直光学元件的制作方法，包括：

提供相配合的上模与下模；所述上模与所述下模之间放置有介质材料层；

通过纳米压印工艺对所述上模与所述下模进行压合；

脱模得到所述准直光学元件。

根据本发明实施例的第四方面，提供一种准直背光装置，包括：光源基板、设置在所述光源基板上的多个光源以及多个上述的准直光学元件；

所述多个光源与所述多个准直光学元件一一对应，所述光源设置于所述第一焦点或所述第二焦点的位置。

根据本发明实施例的第五方面，提供一种显示装置，包括上述的准直背光装置。

根据上述实施例可知，通过将曲面反射镜环绕设置在双凸透镜周围，并将双凸透镜的第一焦点与曲面反射镜的第二焦点重合，以及将双凸透镜的第一主轴与曲面反射镜的第二主轴重合，这样，经第一焦点(第二焦点)入射的光，无论双凸透镜出射还是经曲面反射镜出射，都可以准直为平行于所述第一主轴(第二主轴)的平行光，进而可以提升光源的利用效率。进一步地，由于第一内表面与第二主轴之间的距离自靠近第二焦点的一侧向远离第二焦点的一侧逐渐减小，这样，可以减小因第一内表面对光的折射作用而引入的第二焦点位置的偏移。进一步地，第二内表面与外表面均为曲面，且第二内表面与第一内表面、外表面相配合，可以将经外表面后得到的光准直为平行于第二主轴的平行光。这样，由多个折射面(双凸透镜的两个折射面、第一内表面、第二内表面)配合完成对光的准直功能，可减小球差的影响，提高出射光束的准直度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据相关技术示出的一种准直背光装置的结构示意图；

图2是根据相关技术示出的另一种准直背光装置的结构示意图；

图3是根据本发明实施例示出的一种准直光学元件的结构示意图；

图4是根据本发明实施例示出的双凸透镜用于光线准直时的光路示意图；

图5～6是根据本发明实施例示出的曲面反射镜用于光线准直时的光路示意图；

图7是根据本发明实施例示出的一种准直光学元件的制作方法的流程示意图；

图8是根据图7所示的方法制备准直光学元件的过程中产生的组件的结构示意图；

图9是根据图7所示的准直光学元件的制作方法制备的准直光学元件阵列的结构示意图；

图10是根据本发明实施例示出的另一种准直光学元件的制作方法的流程示意图；

图11是根据图10所示的方法制备准直光学元件的过程中产生的组件的结构示意图；

图12是根据本发明实施例示出的一种准直背光装置的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

随着各类显示器件的快速发展，其出光能量的利用率得到了人们更多的关注。相关技术中，显示器无论是LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)还是OLED(OrganicLight-Emitting Diode，有机发光二极管)，由于其在空间广泛的发光视角原因，使得被人眼接收光能只有很少的一部分，大大的减少了光能的利用率。因此，如何控制显示器件的出光方向，使其能精准且高效的被人眼接收，提高光能利用率、降低能耗是需要解决的一个技术问题。

相关技术中，准直背光装置，如图1所示，将OLED点阵背光源11置于阵列透镜12的物方焦面(又称前焦面、第一焦平面)上，使每个阵列光源单元111落在每个阵列透镜单元121的物方焦点上，实现透镜单元孔径范围内的光束准直。该准直背光装置的缺点是：1.平凸透镜球差较大，影响出光准直度；2.透镜只能使孔径内的小发散角光束准直，孔径外的光束会经过相邻的透镜，严重影响准直背光装置整体的准直效果。

图2所示为图1所示的准直背光装置的改进方案，利用具有一定高度的遮挡物23对应每一个准直透镜22的口径，其作用是使透镜22间接收到的光束不被相邻的点光源21影响，从而提高了出射光束的准直效果。然而，该方案的缺点是：只有少量的光能可以被利用起来，光效较低，不利于市场节能、省电的日益需求。

针对上述的技术问题，本发明实施例提供一种准直光学元件、准直背光装置、制作方法及显示装置，可以解决上述的技术问题，提升光源的利用效率，提高出射光束的准直度。

图3是根据本发明实施例示出的准直光学元件3。该准直光学元件3包括：双凸透镜31与曲面反射镜32。

其中，双凸透镜31具有第一焦点311与第一主轴312。曲面反射镜32具有第二焦点321、第二主轴322、第一内表面323、外表面324与第二内表面325。第一内表面323与第二主轴322之间的距离自靠近第二焦点321的一侧向远离第二焦点321的一侧逐渐减小；外表面324与第二内表面325均为曲面。外表面324为反射面，第二内表面325为折射面。

曲面反射镜32环绕双凸透镜31设置。第一主轴312与第二主轴322重合，第一焦点311与第二焦点321重合，以使经过第一焦点311入射至双凸透镜31的光经双凸透镜31后准直为平行于第一主轴312的平行光，或者以使经过第二焦点321入射至第一内表面323的光经第一内表面323、外表面324与第二内表面325相配合准直为平行于第二主轴322的平行光。

如图4所示，当第一焦点311位置放置的光源发射的光进入双凸透镜31后，可以准直为平行于第一主轴312的平行光。如图5所示，由于第一内表面323对光I₁的折射作用，使得曲面反射镜32的第二焦点321与第一焦点311不会完全重合，而是会沿第二主轴322向靠近双凸透镜31的方向偏移。这样，从第二焦点321发出的光I₁经第一内表面323、外表面324后得到的反射光I₃不会准直为平行于第二主轴322的平行光。为了削弱因第一内表面323对光I₁的折射作用而引入的第二焦点321位置的偏移，将第一内表面323与第二主轴322之间的距离设置为自靠近第二焦点321的一侧向远离第二焦点321的一侧逐渐减小的趋势。这样，可以将因第一内表面323对光I₁的折射作用引入的第二焦点321位置的偏移量减小，进而使得从第二焦点321发出的光经第一内表面323、外表面324后得到的反射光I₃与第二主轴322的夹角变得更小，更趋于与第二主轴322平行。进一步地，如图5所示，将第二内表面325设置为与第一内表面323、外表面324相配合的曲面而非垂直于第二主轴322的平面，可以将经外表面324后得到的反射光I₃准直为平行于第二主轴322的平行光。

本发明实施例，通过将曲面反射镜32环绕设置在双凸透镜31周围，并将双凸透镜31的第一焦点311与曲面反射镜32的第二焦点321重合，以及将双凸透镜31的第一主轴312与曲面反射镜32的第二主轴322重合，这样，经第一焦点311(第二焦点321)入射的光，无论双凸透镜31出射还是经曲面反射镜32出射，都可以准直为平行于第一主轴312(第二主轴322)的平行光，进而可以提升光源的利用效率。进一步地，由于第一内表面323与第二主轴322之间的距离自靠近第二焦点321的一侧向远离第二焦点321的一侧逐渐减小，这样，可以减小因第一内表面323对光的折射作用而引入的第二焦点321位置的偏移。进一步地，第二内表面325与外表面324均为曲面，且第二内表面325与第一内表面323、外表面324相配合，可以将经外表面324后得到的光准直为平行于第二主轴322的平行光。这样，由多个折射面(双凸透镜31的两个折射面、第一内表面323、第二内表面325)配合完成对光的准直功能，可减小球差的影响，提高出射光束的准直度。

在一个实施例中，如图5所示，外表面324与经过第二主轴322的一个截面的交线为一个抛物线的一部分，外表面324位于第二焦点321靠近双凸透镜31的一侧。其中，外表面324的形状为抛物面的一部分，并不限制整个曲面反射镜32的外表面324由同一个抛物面的参数限定。而且，在第二焦点321的远离双凸透镜31的一侧，不设置反射面，这样可以方便固定光源。为描述方便，引入直角坐标系，其中，坐标原点在第二焦点321的位置，横轴为x轴，平行于抛物线顶点的切线，纵轴为z轴，与第二主轴322重合。上述的抛物面由抛物线方程绕z轴旋转360°所得。上述的第二焦点321为理论上抛物线的焦点。

在一个实施例中，如图3所示，双凸透镜31包括第一面313与第二面314；第一面313位于双凸透镜31靠近第一焦点311的一侧；第一内表面323与第一面313合围成开口朝向所述第二焦点321的中空空间33，第二内表面325与第二面314合围成开口背离所述第二焦点321的中空空间34。中空空间33可以用于容纳光源，中空空间34用于出射平行于第一主轴312/第二主轴322的平行光。优选地，光源的位置为第一焦点311/第二焦点321位置。

在一个实施例中，如图3所示，曲面反射镜32与双凸透镜31一体成型。这样，可以通过纳米压印工艺或者注塑工艺制备，相比于传统的光刻方法，可以降低制造成本。

在一个实施例中，如图6所示，在确定上述的抛物线方程的参数时，可以假设最大发散角θ_M(可小于等于60°)的光束，经过第一内表面323折射、外表面324反射到达A点，进而确定抛物线方程系数a。其中，发散角为第二焦点321位置的光源发射的光与第二主轴322的夹角，最大发散角θ_M为光源发射的、可经曲面反射镜32进行准直的光的发散角的最大值。

如图6所示，设A的坐标为(x_a，z_a)、B的坐标为(x_b，z_b)、光源发射的光的最大发散角为θ_M、第一内表面323与第二主轴322之间的夹角为α，由上述参数可以得到：

I₁的方程：

第一内表面323的直线方程：z-z_b＝k₀₃(x-x_b) (2)

第一内表面323的折射定律 (3)

其中，为光线I₁的斜率，k₀₃为第一内表面323的斜率，由上述的方程(1)、(2)(3)可以得到：

I₂的方程：

k₀₃＝-tan(90°-α) (8)

其中，n为曲面反射镜32的折射率，为光线I₂的斜率。

又由上述的(4)式以及如下的(10)、(11)式，可得到下面的(12)～(15)式：

外表面324的方程：

外表面324的反射定律 (11)

I₃的方程：

其中，为光线I₃的斜率。

若已知A的坐标(x_a，z_a)、B的坐标(x_b，z_b)、θ_M、α以及折射率n，将B的坐标(x_b，z_b)、θ_M、α以及折射率n代入上述(1)～(15)式，再将A的坐标(x_a，z_a)代入I₃方程便可求出a值。优选地，A的坐标取(50，322.6)、B的坐标取(40，210.6)、θ_M＝60°、α＝3°时，求得外表面324的抛物线方程的系数a＝0.00971。

在一个实施例中，如图6所示，第二内表面325为自由曲面，可由多个离散坐标点拟合得到。根据I₃与I₄的方向以及光线在第二内表面325上的折射定律可得如下(16)～(17)：

A点切线方程：z-z_a＝k_A(x-x_a) (16)

其中，k_A为A点切线的斜率。假设θ≈θ_M，在θ角光束下得到的I₃方程与A点切线方程联立，便可得到第二内表面325上临近于A点的坐标值，应用此方法依此类推，可求出第二内表面325上任意点的离散坐标，从而拟合出第二内表面325。这样，可以进一步减小球差的影响，提高出射光束的准直度。

在一个实施例中，双凸透镜31可以为球面透镜或者非球面透镜。在一个示例性实施例中，双凸透镜31为球面透镜，如图4所示，双凸透镜31的第一面313与第二面314均为球面，具有较小的球差，从而可提高出射准直光束的准直度。假设第一面313的半径为r₁，第二面314的半径为r₂，双凸透镜31的中心厚度为t，则有双凸透镜31的焦距f为

优选地，f＝250μm，r₁＝235μm，r₂＝235μm，t＝123μm，第一焦点311距离第一面313的距离d＝205μm，这样，可使得小于20°的发散角的入射光束，经过双凸透镜31后，出射光束的发散角小于0.38°。同时，曲面反射镜32的外表面324可使大于20°且小于120°发散角的光束反射收缩成小发散角，第二内表面325使由外表面324反射收缩的光束经其折射后准直射出。

在另一个示例性实施例中，双凸透镜31可以为非球面透镜。该非球面透镜的参数可以通过zemax软件得到。这样，可以进一步减小透镜的球差，提高出射光束的准直度。

本发明的实施例还提出了一种准直光学元件的制作方法，该准直光学元件的制作方法，如图7所示，包括如下步骤701～704：

在步骤701中，提供相配合的母模与公模。

在步骤702中，将公模与母模合模，得到模穴。所述模穴与所述准直光学元件相匹配。

如图8所示，母模81可以在下，公模82可以在上，二者对位后合模，可以得到模穴83。模穴83的数目可以为多个。

在步骤703中，向模穴注入注塑材料。

在本发明实施例中，可通过注塑入口84向模穴83注入注塑材料。其中，注塑材料可以是透明树脂，例如可以是PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。

在步骤704中，固化注塑材料后，脱模得到准直光学元件。

在本步骤中，可以得到的多个准直光学元件3组成的准直光学元件阵列9，具体可以如图9所示。

在上述实施例的基础上，本发明实施例通过注塑工艺制备准直光学元件可以节约成本。

本发明的实施例还提出了另一种准直光学元件的制作方法，该准直光学元件的制作方法，如图10所示，包括如下步骤1001～1003：

在步骤1001中，提供相配合的上模与下模；上模与下模之间放置有介质材料层。

如图11所示，提供相配合的上模1101与下模1102。可在对上模1101与下模1102进行对位后，在上模1101与下模1102之间放置介质材料层1103。当然，实际实施时可以根据实际情况布置工序，本发明实施例对此不作限定。

在步骤1002中，通过纳米压印工艺对上模与下模进行压合。

在步骤1003中，脱模得到准直光学元件。

本发明实施例中可以得到多个准直光学元件3组成的准直光学元件阵列9，具体可以如图9所示。

在上述实施例的基础上，本发明实施例通过纳米压印工艺制备准直光学元件可以节约成本。

本发明的实施例还提出了一种准直背光装置，如图12所示，包括：光源基板1201、设置在光源基板1201上的多个光源1202以及多个上述的准直光学元件3。

多个光源1202与多个准直光学元件3一一对应，光源1202设置于第一焦点311或第二焦点321的位置。

在一个实施例中，光源1202可以是OLED光源，也可以是micro LED光源或其他形式的光源。

在一个实施例中，可以采用上述制备的多个准直光学元件3的准直光学元件阵列9与设有光源阵列的光源基板1201贴合而成，光源阵列由多个光源1202组成，光源阵列上设有封装薄膜1203。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还具备使组装工序简单的优点。

本发明的实施例还提出了一种显示装置，包括显示模组以及上述的准直背光装置。

需要说明的是，本实施例中的显示装置可以为：电子纸、手机、平板电脑、电视机、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部件。

其中，上述流程所采用的形成工艺例如可包括：沉积、溅射等成膜工艺和刻蚀等构图工艺。

需要指出的是，在附图中，为了图示的清晰可能夸大了层和区域的尺寸。而且可以理解，当元件或层被称为在另一元件或层“上”时，它可以直接在其他元件上，或者可以存在中间的层。另外，可以理解，当元件或层被称为在另一元件或层“下”时，它可以直接在其他元件下，或者可以存在一个以上的中间的层或元件。另外，还可以理解，当层或元件被称为在两层或两个元件“之间”时，它可以为两层或两个元件之间唯一的层，或还可以存在一个以上的中间层或元件。通篇相似的参考标记指示相似的元件。

在本发明中，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。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种准直光学元件，其特征在于，包括：

双凸透镜，具有第一主轴与第一焦点；

曲面反射镜，具有第二主轴、第二焦点、第一内表面、外表面与第二内表面；所述第一内表面与所述第二主轴之间的距离自靠近所述第二焦点的一侧向远离所述第二焦点的一侧逐渐减小；所述外表面与所述第二内表面均为曲面；

其中，所述曲面反射镜环绕所述双凸透镜设置；所述第一主轴与所述第二主轴重合，所述第一焦点与所述第二焦点重合，以使经过所述第一焦点入射至所述双凸透镜的光经所述双凸透镜后准直为平行于所述第一主轴的平行光，或者以使经过所述第二焦点入射至所述第一内表面的光经所述第一内表面、所述外表面与所述第二内表面相配合准直为平行于所述第二主轴的平行光。

2.根据权利要求1所述的准直光学元件，其特征在于，所述外表面与经过所述第二主轴的一个截面的交线为一个抛物线的一部分，所述外表面位于所述第二焦点靠近所述双凸透镜的一侧。

3.根据权利要求1所述的准直光学元件，其特征在于，所述第二内表面为自由曲面。

4.根据权利要求1所述的准直光学元件，其特征在于，所述双凸透镜包括第一面与第二面；所述第一面位于所述双凸透镜靠近所述第一焦点的一侧；所述第一内表面与所述第一面合围成开口朝向所述第二焦点的中空空间，所述第二内表面与所述第二面合围成开口背离所述第二焦点的中空空间。

5.根据权利要求1所述的准直光学元件，其特征在于，所述曲面反射镜与所述双凸透镜一体成型。

6.根据权利要求1所述的准直光学元件，其特征在于，所述双凸透镜为球面透镜或者非球面透镜。

7.一种如权利要求1至6任一项所述的准直光学元件的制作方法，其特征在于，包括：

提供相配合的母模与公模；

将所述公模与所述母模合模，得到模穴；所述模穴与所述准直光学元件相匹配；

向所述模穴注入注塑材料；

固化所述注塑材料后，脱模得到所述准直光学元件。

8.一种如权利要求1至6任一项所述的准直光学元件的制作方法，其特征在于，包括：

提供相配合的上模与下模；所述上模与所述下模之间放置有介质材料层；

通过纳米压印工艺对所述上模与所述下模进行压合；

脱模得到所述准直光学元件。

9.一种准直背光装置，其特征在于，包括：光源基板、设置在所述光源基板上的多个光源以及多个如权利要求1至6任一项所述的准直光学元件；

所述多个光源与所述多个准直光学元件一一对应，所述光源设置于所述第一焦点或所述第二焦点的位置。

10.一种显示装置，其特征在于，包括如权利要求9所述的准直背光装置。