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CN111273486B - 光线准直装置、背光模组以及显示面板 - Google Patents

光线准直装置、背光模组以及显示面板 Download PDF

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CN111273486B
CN111273486B CN202010219768.3A CN202010219768A CN111273486B CN 111273486 B CN111273486 B CN 111273486B CN 202010219768 A CN202010219768 A CN 202010219768A CN 111273486 B CN111273486 B CN 111273486B
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Abstract

本申请公开了一种光线准直装置、背光模组以及显示面板。该光线准直装置包括灯罩和导光部件，灯罩设置于导光部件的一端，灯罩包括曲面反射部件、第一全反射部件和第二全反射部件，曲面反射部件被配置为将来自设置在该曲面反射部件焦点处的光源的光线反射到第一全反射部件；第一全反射部件被配置为将入射到第一全反射部件的部分光线反射到第二全反射部件，将另一部分光线直接入射到导光部件；第二全反射部件被配置为将入射到第二全反射部件的光线反射到导光部件；导光部件被配置为使入射到导光部件的光线全反射传播，其中，由第一全反射部件和第二反射部件入射的光线分别位于导光部件入光面法线的两侧。

Description

光线准直装置、背光模组以及显示面板
技术领域
本公开一般涉及显示技术领域，尤其涉及光线准直装置、背光模组以及显示面板。
背景技术
随着显示器件的发展，显示器的出光利用率受到越来越多的关注。目前的显示器出光角度较大，只有很少的光能被人眼接收，出光利用率较低。另外，在浏览某些机密内容时，使用者也不希望显示器的可视角范围太大，希望实现防窥显示。出于降低能耗、提高亮度、提高私密性的目的，实现显示器定向出光是需要亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种光利用率高且能够定向出光的光线准直装置、背光模组以及显示面板。
第一方面，提供一种光线准直装置，包括灯罩和导光部件，灯罩设置于导光部件的一端，灯罩包括曲面反射部件、第一全反射部件和第二全反射部件，
曲面反射部件被配置为将来自设置在该曲面反射部件焦点处的光源的光线反射到第一全反射部件；
第一全反射部件被配置为将入射到第一全反射部件的部分光线反射到第二全反射部件，将另一部分光线直接入射到导光部件；
第二全反射部件被配置为将入射到第二全反射部件的光线反射到导光部件；
导光部件被配置为使入射到导光部件的光线全反射传播，其中，由第一全反射部件和第二反射部件入射的光线分别位于导光部件入光面法线的两侧。
在一些实施例中，曲面反射部件、第一全反射部件和第二全反射部件依次邻接，第一全反射部件与光源相邻，并位于光源与曲面反射部件之间，第一全反射部件的反射面为平面，曲面反射部件的反射面的对称轴与第一全反射部件的反射面之间形成夹角β，使得入射到第一全反射面的光线全反射。
在一些实施例中，光源发出的光线包括远离导光部件的第一边缘光线和靠近导光部件的第二边缘光线，边缘光线指入射到灯罩后的具有最大发散角的光源发射光，第一边缘光线依次经曲面反射部件和第一全反射部件入射到曲面反射部件的反射面延长线的位置称为第一位置，第二边缘光线从光源入射到曲面反射部件的反射面的位置称为第二位置；
曲面反射部件靠近导光部件的端部位于第一位置和第二位置之间。
在一些实施例中，第二全反射部件的反射面为平面，第一全反射部件的反射面与第二全反射部件的反射面之间形成夹角γ，使得被入射到第二全反射部件的光线全反射后入射至导光部件。
在一些实施例中，从第一全反射部件和第二反射部件入射到导光部件的光线量相等。
第二方面、提供一种背光模组，包括权利要求本申请各实施例所提供的光线准直装置，以及多个光源，多个灯罩并列排布在导光部件的一端，各光源分别设置在各灯罩的曲面反射部件的焦点处。
第三方面、提供一种显示面板，包括权利要求本申请各实施例所提供的的背光模组以及依次设置于导光部件上的取光结构、液晶层、定向结构和吸光层，
取光结构被配置为从导光部件中准直取出光线，并入射至液晶层；
定向结构将入射到液晶层的部分光线反射出去，定向结构为间隔设置在吸光层靠近液晶层的侧面的反射斜面。
在一些实施例中，取光结构包括交替设置的阻挡部和取光口，该取光口的尺寸沿着导光部件中光线的传播方向逐渐增大。
在一些实施例中，当取光口的宽度大于预设上限值时，将取光口拆分为间隔设置的多个子取光口，子取光口的宽度不大于预设上限值。
在一些实施例中，预设上限值为液晶层取最大折射率和最小折射率时，通过取光口入射到吸光层的光线入射位置未出现重叠的最大取光口的宽度。
根据本申请实施例提供的技术方案，通过在光线准直装置中采用包括曲面反射部件、第一全反射部件和第二全反射部件的灯罩，能够充分利用光线，保证了导光部件中的光线分布是密接的，防止出现无光线区域。进一步的，根据本申请的某些实施例，通过在吸光层在设置反射斜面，获得定向出光的效果。另外，根据本申请某些实施例，通过在将部分宽度大于预设上限值的取光口拆分为多个子取光口，获得提高显示对比度的效果。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出了根据本申请实施例的光线准直装置的示例性结构框图；
图2示出了图1光线准直装置中的光路示意图；
图3示出了根据本申请实施例的导光部件中部分光路示意图；
图4示出了根据本申请实施例的导光部件中另一部分光路示意图；
图5示出了图1的曲面反射部件和第一全反射部件的结构示意图；
图6示出了不包括导光部件的光线准直装置的的光路图；
图7示出了曲面反射部件对称轴作为y轴的光线准直装置的示意图；
图8示出了图1光线准直装置的一种立体示意图；
图9示出了根据本申请实施例的背光模组的示例性结构框图；
图10示出了根据本申请实施例的显示面板的示例性结构框图；
图11示出了根据本申请实施例的反射斜面的示例性结构框图；
图12示出了根据本申请实施例的子取光口的示例性结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参考图1至图4，一种光线准直装置，包括灯罩10和导光部件21，灯罩10设置于导光部件21的一端，灯罩10包括曲面反射部件11、第一全反射部件12和第二全反射部件13，
曲面反射部件11被配置为将来自设置在该曲面反射部件焦点处的光源的光线反射到第一全反射部件12；
第一全反射部件12被配置为将入射到第一全反射部件12的部分光线反射到第二全反射部件，将另一部分直接入射到导光部件；
第二全反射部件13被配置为将入射到第二全反射部件的光线反射到导光部件；
导光部件21被配置为使入射到导光部件的光线全反射传播，其中，由第一全反射部件和第二反射部件入射的光线分别位于导光部件入光面法线22的两侧。
其中，曲面反射部件11可以是抛物面反射镜或其他具有准直功能的曲面等，曲面反射部件11的材料可以是树脂，例如聚甲基丙烯酸甲酯等。导光部件可以包括相对设置的第一面和第二面，这里的第一面和第二面可以平行设置。应理解，除了第一面和第二面之外，导光部件还可以包括其他面，例如与曲面反射部件邻接的入光面23。
图2为光路示意图，图2以曲面反射部件11为抛物线反射镜进行说明。光源发出的光入射到曲面反射部件后被准直，准直光方向平行于抛物面对称轴11-1。准直光入射到第一全反射部件发生全反射，其中部分光(如光线32)直接耦入导光部件，另一部分光(如光线33)经过第二全反射部件反射后耦入导光部件，两组光线在导光部件的入光面的法线11-1的两侧且入射角θ1相同，该两组光线在导光部件中的传播路径互补，使得导光部件中的光线分布是密接的，防止出现无光线区域，并提高了光线的利用率。图3和图4分别给出上述两组光线在导光部件中的传播路线。
灯罩10的材料可以为树脂、玻璃等透明材料，可通过注塑、车削等工艺进行加工。曲面反射部件的抛物面外表面可镀高反射率膜，如镀银、镀铝等，第一全反射面与第二全反射面表面可以不镀膜，光源可以是LED(发光二极管)、OLED(有机发光二极管)、微型LED等。光源31可以是单色光。
在一些实施例中，曲面反射部件11、第一全反射部件12和第二全反射部件13依次邻接，其中，第一全反射部件12与上述光源相邻，并位于光源31与曲面反射部件之间，第一全反射部件的反射面为平面，曲面反射部件的反射面的对称轴11-1与第一全反射部件的反射面之间形成夹角β，，使得入射到第一全反射面的光线全反射。
如图5所示，为方便描述，将曲面反射部件的对称轴OO’设置为y轴方向。抛物面顶点O’点设置为坐标原点，O点设置为抛物面焦点，灯罩的折射率为n，此时，为了使曲面反射部件准直后的光线入射到第一全反射部件并被第一全反射部件全反射，入射至第一全反射部件的准直光线的入射角度即90°-β应大于全反射临界角arcsin(1/n)，即角度β应满足如下条件：
90°-β>arcsin(1/n)，-公式1
其中，n为灯罩的折射率，arcsin(1/n)为全反射临界角。
在实际应用中，获取满足上述条件的较大角度β，使得光源入射到灯罩后的光线分布在对称轴附近，准直光的能量分布更加均匀更加密集。这样的准直光线耦入到导光部件时，能够提高光的耦入效率。
在一些实施例中，光源31发出的光线包括远离导光部件的第一边缘光线32和靠近导光部件的第二边缘光线33，边缘光线指入射到灯罩后的具有最大发散角的光源发射光，第一边缘光线依次经曲面反射部件和第一全反射部件入射到曲面反射部件的反射面的延长线的位置称为第一位置Q，第二边缘光线从光源入射到曲面反射部件的反射面的位置称为第二位置N；
曲面反射部件靠近导光部件的端部位于第一位置Q和第二位置N之间。
请参考图5，光线OM和光线ON为两条边缘光。光线OM入射到曲面反射部件于M点，被曲面反射部件11反射后入射到第一全反射部件的P点，再被全反射后与曲面反射部件的延长线相交于Q点，图中曲面反射部件的延长线用虚线标出；光线ON入射到曲面反射部件于N点。此时，为了防止被第一全反射部件反射的准直光第二次入射到曲面反射部件而形成杂散光，Q点应高于N点，即Q点的y坐标大于N点的y坐标。反射抛物面的靠近曲面反射部件的端部应在Q点和N点之间。
在一些实施例中，第二全反射部件的反射面为平面，第一全反射部件的反射面与第二全反射部件的反射面之间形成夹角γ，使得调节来自第二全反射部件的光线入射至导光部件的入射角度。
夹角γ满足如下公式：
如图6所示，随着第一全反射部件12的反射面与第二全反射部件13的反射面之间的夹角γ变化，第二全反射部件的光线入射至导光部件的入射角度将会改变。因此，可通过调整角度γ，获得所需的入射至导光部件的入射角度。具体地，设定准直光在导光部件内以角度θ全反射传播，则经第二全反射面反射后的准直光入射导光部件的入射角θ1需满足nsinθ1＝n'sinθ，其中n为灯罩折射率，n’为导光部件折射率。根据几何关系可知，θ1＝∠BCA。又第一全反射部件与抛物面对称轴oo’的夹角为β，此时光线NA被第一全反射面反射后有∠BAC＝β，则：
γ＝180°-β-θ1。
其中，角度θ1由如下公式确定：nsinθ1＝n'sinθ，
其中，角度θ为入射到导光部件的入射角，n为灯罩的折射率，n'为导光部件的折射率。
需要说明的是，入射至导光部件的光线包括来自第一全反射部件的光线和来自第二全反射部件的光线，该两组光线都是来自曲面反射部件的准直线光，因此，来自第一全反射部件的光线入射至导光部件的入射角和第二全反射部件的光线入射至导光部件的入射角相同。
在一些实施例中，第一全反射部件和第二全反射部件的交点B至第二全反射部件与导光部件的交点D之间的距离称为第二全反射部件的长度BD，通过该长度调节入射至导光部件的光的多少。
请参考图6给出不包括导光部件的光线准直准直的光路图，此时，第一全反射部件的光线部分直接入射至导光部件称为第一组光，另一部分经第二全反射部件的反射后入射至导光部件称为第二组光。第一组光是位于光线32-1和光线32-2之间的光，光线32-1和光线32-2之间的宽度为W1，其中光线32-1为光源的边缘光OM经第一全反射部件反射的光；第二组光位于光线32-2和光线32-3之间，光线32-2和光线32-3之间的宽度为W1，光线32-3为光源的边缘光ON经第一全反射部件反射的光。光线32-1、光线32-2和光线32-3与BD线的交点分别为A1、A2、A3。
可见，光源发出的光部分准直为第一组光和第二组光，如何控制有多少第一组光或第二组光入射至导光部件，通过调节第二全反射部件的长度BD实现。为了便于说明，设置宽度W1等于宽度W2，即A2为A1和A3之间的中点。当导光部件宽度(标为W3)方向的端点分别位于位于A2点、E点时即D点与A2点重叠时，来自光源的光线全部入射至导光部件。相同导光部件宽度条件下，当第二全反射部件的长度BD变短时，将有部分第一组光(例如光线32-2)无法入射至导光部件，造成部分光线的浪费，且将发生进入到导光部件的第一组光和第二组光无法填充整个导光部件而出现显示暗点的问题。同理，当第二全反射部件的长度BD变长时，将有部分第二组光(例如光线32-3)无法入射至导光部件，造成部分光线的浪费，且将发生进入到导光部件的第一组光和第二组光无法填充整个导光部件而出现显示暗点的问题。
下面结合78和图8给出一种光线准直装置的具体实现例子。此灯罩尺寸参数为：曲面反射部件抛物面焦距为0.75mm，曲面反射部件抛物面对称轴线与第一全反射部件反射面的夹角β为45°，第一全反射部件的反射面与第二全反射部件反射面的夹角γ为120°，第二全反射部件的长度BD为3.17mm。灯罩宽度为2mm，如图9所示，因此一个灯罩单元可提供宽度D为2mm的平行光。需要说明的是，由图7光路图可知，灯罩左下角部分并没有光线在此处传播，因此可在加工时对这一部分进行切除，能够获得节省空间的效果。
请参考图8和图9，本申请还提供一种背光模组，包括本申请各实施例所提供的光线准直装置，以及多个光源31，多个灯罩10并列排布在导光部件21的一端，各光源31分别设置在各灯罩的曲面反射部件的焦点处。
请参考图10至图11，本申请还提供一种显示面板，包括本申请各实施例所提供的背光模组以及依次设置于导光部件21上的取光结构、液晶层27、定向结构和吸光层28，
取光结构被配置为从导光部件中取出光线，并入射至液晶层；
定向结构将入射到液晶层27的部分光线反射出去，定向结构为间隔设置在吸光层靠近液晶层的侧面的反射斜面29。
如图10和图11所示，导光部件上设置有取光结构、液晶层27，其中取光结构包括交替设置的取光口26和阻挡部25。实际应用中，可以设置成在每个像素单元具有一个取光口。其中阻挡部采用低折射率材料。准直光从导光部件侧面耦入，在导光部件中以全反射的方式传播。导光部件21与液晶层27的折射率值相近，若光入射到导光部件21和液晶层27界面将会直接进入液晶层，因此为了保证光在导光部件的全反射传播，在导光部件和液晶层之间加入一层阻挡部，该阻挡部采用低折射率材料，导光部件和阻挡部的折射率之差应保证光线在导光部件和阻挡部界面发生全反射。在阻挡部上每个像素的位置刻蚀一定尺寸的取光口，在取光口中填充与导光部件相同折射率的材料，入射到取光口的光线不满足全反射条件，从取光口直接入射到液晶层。导光部件中传播的是准直光，光沿着取光口26上方箭头所示的方向准直地取出。
如图11所示，在吸光层28靠近液晶层27的侧面上加工反射斜面29，其表面具有高反射率。取光口26与反射斜面一一对应设置。为了说明的便利，设定导光部件的折射率为1.5，液晶层的折射率范围为1.5～1.8之间，并设定灰阶范围在L0至L255之间。光从取光口出射后进入液晶层，当液晶层折射率为1.5时，光线在取光口/液晶层界面不发生折射，直接入射到反射斜面，被反射斜面反射后透射阻挡部和导光部件后出射，实现L255灰阶的显示，参见图11中入射至反射斜面的实线标出的光线光路。其中，来自反射斜面的光线入射到阻挡部的入射角度远小于全放射临界值，因此透射阻挡部和导光部件后出射。当液晶层折射率调节为1.8时，光在取光口和液晶层界面发生折射改变角度，光线不再入射到反射斜面，而是入射到吸光层上，被吸收，没有光线出射，实现L0灰阶的显示，参见图11中入射至反射斜面的虚线标出的光线光路。当液晶层折射率在1.5～1.8之间调节时，在取光口和液晶层界面的折射角发生变化，部分光线被吸光层吸收，部分光线入射到反射斜面后从导光部件出射，实现L0～L255之间的灰阶调制。因此，可以通过优化反射斜面的倾斜角度，获得所需的定向显示。
在一些实施例中，该取光结构包括交替设置的阻挡部25和取光口26，该取光口26的尺寸沿着导光部件中光线的传播方向逐渐增大。光在全反射传播的过程中随着光从取光口出射，能量逐渐减少，取光口的尺寸沿着光的传播方向依次增大，才能保证各取光口的出射能量是均匀的。
在一些实施例中，当取光口的宽度大于预设上限值时，将该取光口拆分为间隔设置的多个子取光口，子取光口的宽度不大于预设上限值。
应用中，当取光口宽度大于预设上限值时，在液晶层最大折射率和最小折射率下，从取光口入射到吸光层的光线的入射位置将出现重叠，此种情形将降低显示对比度。该预设上限值为液晶层取最大折射率和最小折射率时，入射到吸光层的光线入射位置未出现重叠的最大取光口的宽度。因此，针对取光口的宽度大于该预设上限值的情况，将该取光口拆分为多个子取光口。具体地，如图12所示，给出将一个宽度大于预设上限值的取光口拆分为子取光口26-1和子取光口26-2的例子，此时，需要注意的是对应设置反射斜面。与子取光口26-1对应的是反射斜面29-1，与子取光口26-2对应的是反射斜面29-2。子取光口的宽度d是原取光口宽度的一半，且不大于预设上限值。需要说明的是，这里不限定子取光口的数量，根据具体应用来设定。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种光线准直装置，其特征在于，包括灯罩和导光部件，所述灯罩设置于所述导光部件的一端，所述灯罩包括曲面反射部件、第一全反射部件和第二全反射部件，
所述曲面反射部件被配置为将来自设置在该曲面反射部件焦点处的光源的光线进行光线准直，并以平行的准直光反射到所述第一全反射部件；
所述第一全反射部件被配置为将入射到所述第一全反射部件的准直光进行全反射，所述第一全反射部件反射的准直光一部分反射到所述第二全反射部件，所述第一全反射部件反射的另一部分准直光直接入射到所述导光部件；
所述第二全反射部件被配置为将入射到所述第二全反射部件的准直光全反射到所述导光部件；
所述导光部件被配置为使入射到所述导光部件的准直光全反射传播，其中，由所述第一全反射部件和所述第二全反射部件入射的光线分别位于所述导光部件入光面法线的两侧且入射角相同；
所述曲面反射部件、所述第一全反射部件和所述第二全反射部件依次邻接，其中，所述第一全反射部件与所述光源相邻，并位于所述光源与所述曲面反射部件之间，所述第一全反射部件的反射面为平面，所述曲面反射部件的反射面的对称轴与所述第一全反射部件的反射面之间形成夹角β，使得入射到所述第一全反射面的光线全反射。
2.根据权利要求1所述的光线准直装置，其特征在于，光源发出的光线包括远离所述导光部件的第一边缘光线和靠近所述导光部件的第二边缘光线，边缘光线指入射到灯罩后的具有最大发散角的光源发射光，所述第一边缘光线依次经所述曲面反射部件和所述第一全反射部件入射到所述曲面反射部件的反射面延长线的位置称为第一位置，所述第二边缘光线从光源入射到所述曲面反射部件的反射面的位置称为第二位置；
所述曲面反射部件靠近所述导光部件的端部位于所述第一位置和所述第二位置之间。
3.根据权利要求1所述的光线准直装置，其特征在于，所述第二全反射部件的反射面为平面，所述第一全反射部件的反射面与所述第二全反射部件的反射面之间形成夹角γ，通过调节夹角γ获得所需的入射至所述导光部件的入射角度。
4.根据权利要求1所述的光线准直装置，其特征在于，所述第一全反射部件和所述第二全反射部件的交点至所述第二全反射部件与所述导光部件的交点之间的距离称为所述第二全反射部件的长度，通过所述长度调节入射至导光部件的光的多少。
5.一种背光模组，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的光线准直装置，以及多个光源，多个灯罩并列排布在导光部件的一端，各所述光源分别设置在各所述灯罩的曲面反射部件的焦点处。
6.一种显示面板，其特征在于，包括权利要求5所述的背光模组以及依次设置于导光部件上的取光结构、液晶层、定向结构和吸光层，
所述取光结构被配置为从所述导光部件中准直取出光线，并入射至所述液晶层；
所述定向结构将入射到所述液晶层的部分光线反射出去，所述定向结构为间隔设置在所述吸光层靠近所述液晶层的侧面的反射斜面。
7.根据权利要求6所述的显示面板，其特征在于，所述取光结构包括交替设置的阻挡部和取光口，该取光口的尺寸沿着导光部件中光线的传播方向逐渐增大。
8.根据权利要求7所述的显示面板，其特征在于，当所述取光口的宽度大于预设上限值时，将所述取光口拆分为间隔设置的多个子取光口，所述子取光口的宽度不大于所述预设上限值。
9.根据权利要求8所述的显示面板，其特征在于，所述预设上限值为所述液晶层取最大折射率和最小折射率时，通过所述取光口入射到所述吸光层的光线入射位置未出现重叠的最大取光口的宽度。
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