一种出光角度可调制的偏光背光源的制作方法

本实用新型涉及液晶显示应用技术领域，特别涉及一种出光角度可调制的偏光背光源。

背景技术：

图像显示装置如液晶显示装置(LCD)主要包括一个提供光线的背光源组件和一个用于处理图像数据并在其上显示图像的显示组件。背光源组件中包括一个用于提供光线的照明组件和用于把从照明组件产生的光线转变成更适于显示组件的光线的各种光学元件。这些光学元件一般包括用于将照明组件发出的光导向显示组件并使光线均匀分布的导光板，以及多个通过调节导光板出射光线的光路从而提升显示亮度的光学膜。

通常，在传统的出射自然光的背光源中，最终光的利用率往往不到原始发光的5％，光损耗很高。如果被损耗的光没有被重复利用，还会造成温度升高等不利影响。而且在光线利用率低的情况下，最终出射光线的角度范围较大，屏幕正面亮度不佳。

一种解决方案是在自然光背光源和显示组件之间附加反射式偏振膜片(如3M公司的DBEF)，将未被利用的偏振光反射回收到背光源里，从而被循环利用。这种光学膜的特点是对一个偏振方向的光有透射功能，而对与之垂直的另一个偏振方向的光有反射功能。被反射的光重新进入到背光源的导光板中，退偏后，部分转化至可利用的偏振态，由此，可使纵向亮度增加约60％，但这种反射式偏振膜片价格昂贵。

另一种解决方案是在背光源组件中添加一层能将自然光转化成偏振光的偏光导光板，且在偏光导光板之上设置一些能够调制光路以达到增亮效果的光学膜。这类增亮膜通常以棱镜膜的形式存在，利用在各向同性基材上设置一些棱镜结构将原本发散的光线调制聚拢在一定范围内。

但是这种背光源组件中的增亮膜都只对经由偏光导光板出射的光线在纵向上进行了角度调制，导致屏幕只在纵向出光效果上提升了均匀性和亮度，并没有针对光线在横向上的分布角度进行调制，屏幕在横向上仍然保持光线出射角度分布范围广且不均匀的状态，致使造成屏幕亮度不佳、光学效果差的后果。另外，现有部分偏光背光源的结构，虽然克服了出射角度分布宽的特点，但是当偏光导光板确定后，出射的角度分布就随之确定，难以再进行调制。从而，制作的结构选择性和可选材料范围都受到限制。

因此，需要提供一种背光源，该背光源能够出射偏振光，提高光利用率，同时可灵活控制入射和出射偏振光分布方向，从而进一步简化制作工艺，降低成本，提高效率。另外，不仅需要对出射光线在纵向上分布角度进行调制，还要完成对出射光线在横向上分布角度的调制，进一步提升背光源的出光亮度。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术中存在的以上技术问题，提出一种能调节从偏光导光板中出射的偏振光的角度分布的偏光背光源。

本实用新型采用以下技术方案：

一种出光角度可调制的偏光背光源，所述偏光背光源包括：光源；偏光导光板，所述偏光导光板包括相邻且相连的入光面与出光面，所述入光面接收所述光源发出的自然光并从所述出光面出射偏振光，所述光源朝向所述偏光导光板的所述入光面；第一光线调制层，所述第一光线调制层由各向同性的材料组成，且被基本上尺寸一致地设置在所述偏光导光板之上，所述第一光线调制层远离所述偏光导光板的表面设置有多个连续排列的光调制单元，以调制所述偏振光出射的横向角度，所述光调制单元沿大致垂直于所述入光面方向延伸，所述光调制单元包括与所述第一光线调制层相交的两个平面，所述两个平面沿所述第一光线调制层的法线对称，且每个平面与所述第一光线调制层相交所形成的夹角为≤45°的锐角；以及低折射率层，所述低折射率层被基本上尺寸一致地设置在所述偏光导光板与所述第一光线调制层之间。

优选地，多个所述光调制单元彼此相邻地平行排列。

优选地，所述光调制单元的高度不大于所述第一光线调制层总厚度的75％。

优选地，所述光调制单元的横截面为等腰三角形、等腰梯形、顶部为弧形的近似等腰三角形的形状中的一种或更多种。

优选地，所述等腰三角形的底角范围为20°-45°。

优选地，所述等腰梯形的底角范围为25°-45°，短底边与长底边的比值范围在0-0.25。

优选地，所述顶部为弧形的近似等腰三角形的形状的底角范围为20°-45°，所述弧形的曲率半径与底边的比值范围在0-0.3。

优选地，所述第一光线调制层的折射率范围为1.47-1.575。

优选地，所述偏光背光源进一步包括第二光线调制层，所述第二光线调制层由各向同性的材料组成，且被基本上尺寸一致地设置在所述偏光导光板之上，以调制所述偏振光出射时的纵向角度，所述第二光线调制层远离所述偏光导光板的表面设置有平行排列的斜三角形棱镜结构，所述斜三角形棱镜结构沿平行于所述入光面方向延伸。

优选地，所述第二光线调制层位于所述第一光线调制层上方，或者所述第二光线调制层位于所述第一光线调制层与所述偏光导光板之间。

优选地，所述偏光导光板包括：基层，所述基层的上表面具有微型棱镜结构，所述微型棱镜结构的延伸方向与所述偏光导光板的所述入光面平行；以及双折射层，所述双折射层的下表面与所述基层的上表面无缝紧密结合，所述双折射层的上表面为基本上光滑的表面，所述双折射层的光轴方向基本上平行于所述微型棱镜结构的延伸方向；其中，所述基层的折射率与所述双折射层的寻常光折射率基本上一致。

本实用新型公开的背光源不仅能发射偏振光，提高背光源的光利用率，同时还可以利用光线调制层调制从偏光导光板中出射的偏振光的角度分布，从而进一步提高光利用率，综合提升背光源的正视方向的出光亮度。

附图说明

通过参照本实用新型的实施方案的图示说明可以更好地理解本实用新型，在附图中：

图1是本实用新型具体实施例的偏光背光源的结构示意图；

图2是本实用新型具体实施例的偏光背光源中的偏光导光板的工作原理示意图；

图3是本实用新型具体实施例中第一光线调制层的光线调制效果示意图；

图4是本实用新型具体实施例中第一光线调制层的结构示意图；

图5是本实用新型具体实施例中第一光线调制层的工作原理示意图；

图6是本实用新型具体实施例中第一光线调制层的几种横截面结构示意图；

图7(a)是本实用新型具体实施例中光线调制单元横截面为等腰三角形时经过第一光线调制层与未经调制的出光在横向上的角度分布对比示意图；

图7(b)是本实用新型具体实施例中光线调制单元横截面为等腰梯形时经过第一光线调制层与未经调制的出光在横向上的角度分布对比示意图；

图7(c)是本实用新型具体实施例中光线调制单元横截面为顶部为弧形的近似等腰三角形时经过第一光线调制层与未经调制的出光在横向上的角度分布对比示意图；

图8是本实用新型具体实施例中进一步包括第二光线调制层的背光源的结构示意图；

图9是本实用新型具体实施例中第二光线调制层的结构示意图；

图10是本实用新型具体实施例中第二光线调制层的横截面结构示意图；

图11是本实用新型具体实施例中进一步包括第二光线调制层的背光源、只有第一光线调制层的背光源与无光线调制层的背光源的出光横向角度分布对比示意图；

图12是本实用新型具体实施例中的偏光导光板的结构及工作原理示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，为了达到解释说明的目的以对本实用新型有一个全面的认识，阐述了大量的具体细节，然而，很明显的，对本领域技术人员而言，无需这些具体细节也可以实现本实用新型。本实用新型所列举的说明性的示例实施方案仅为了说明，并不对本实用新型造成限制。因此，本实用新型的保护范围并不受上述具体实施方案所限，仅以所附的权利要求书的范围为准。

下面结合附图对本实用新型具体实施方式的出光角度可调制的偏光背光源及其形成方法做详细的说明。图1是本实用新型具体实施例的偏光背光源的结构示意图，图2是本实用新型具体实施例的偏光背光源中的偏光导光板的工作原理示意图。结合图1和图2，本实用新型具体实施例的出光角度可调制的偏光背光源，其包括：光源100；偏光导光板200，偏光导光板200包括相邻且相连的入光面201与出光面202，偏光导光板200接收光源100发出的自然光并从出光面202出射偏振光，光源100朝向偏光导光板200的入光面201；第一光线调制层300，第一光线调制层300由各向同性的材料组成，且被基本上尺寸一致地设置在偏光导光板200的出光面之上，其远离偏光导光板200的表面设置有多个连续排列的光调制单元301，光调制单元301调制偏振光出射的横向角度，光调制单元301沿垂直于入光面201方向延伸，光调制单元301包含两个与第一光线调制层300相交的平面，两个平面沿第一光线调制层300的法线对称，且每个平面与第一光线调制层300相交所形成的夹角为≤45°的锐角；以及低折射率层400，低折射率层400设置在偏光导光板200与第一光线调制层300之间。其中，如图1所示，本实用新型中，横向定义为与条形光源100的延伸方向平行，纵向为与条形光源100的延伸方向垂直的方向，如图1中所示，本实用新型描述中所有横向和纵向的方向均符合该定义方向。其中，偏光导光板200、第一光线调制层300和低折射率层400基本上尺寸一致地平行层叠排列。低折射率层400用来间隔偏光导光板200和第一光线调制层300，使在偏光导光板200中转变成偏振光的入射光可从偏光导光板200的出光面202耦合出射。低折射率层400可为空气层，也可以为低折射率(折射率在1.0-1.5之间)的各向同性透明材料组成的薄膜材料，其厚度可以调节，若为空气层时可使用间隔子来调节低折射率层400的厚度；若为薄膜材料层时可通过控制薄膜材料层的厚度进行调节。

图2中，偏光导光板200具有入光面201、与入光面201相邻且相连的出光面202(上表面)、以及连接出光面202且与入光面201相对的侧面203，光源100朝向入光面201设置，从光源100发出的光线从偏光导光板200的入光面201进入偏光导光板200内部，在其上下表面不断的交替反射，以波导的形式传播，在传播的过程中，光波导会与偏光导光板内互相作用，其中的s-偏振光会以一定的几率被分离，并从偏光导光板200的出光面出射，而p-偏振光则保持波导模式向前传播，部分被转化成s-偏振光出射。其中无法出射的光则从偏光导光板200的侧面203漏出。部分偏振光经由偏光导光板200的出光面耦合出射，再通过低折射率层400，由于偏光导光板200到低折射率层400的折射率变化，偏振光的出射角首先会有一定的收拢，但出射偏振光在横向上的分布角度依然很大，角度分布范围主要在-70°-70°之间。图3是本实用新型具体实施例中第一光线调制层的光线调制效果示意图，如图3所示，第一光线调制层300的作用在于可以调制由偏光导光板200出射的偏振光在横向上的分布角度，可以将横向出光原本的主要角度范围-70°-70°聚拢至-50°-50°之间。在优选的实施方案中，第一光线调制层300的折射率在1.47到1.575之间，其透光率在90％以上，其由各向同性材料组成，确保在调制光线方向的同时也保持了透射光线的偏振特性。

图4是本实用新型具体实施例中第一光线调制层的结构示意图，本实用新型具体实施例中，如图4所示，第一光线调制层300的上表面(即背离所述偏光导光板200的表面)具有多个连续平行排列的光调制单元301，且多个光调制单元的长度与偏光导光板的长度基本上相同，光调制单元301沿着垂直于入光面201的方向延伸，其调制偏振光出射时的横向角度。优选地，多个所述光调制单元彼此相邻地平行排列。优选地，光调制单元301的高度不大于第一光线调制层总厚度的75％，即如图5所示，优选地，光调制单元301的高度H0占整个第一光线调制层300总厚度H1的比例不大于75％。优选地，光调制单元301的横截面可以为等腰三角形、等腰梯形、顶部为弧形的近似等腰三角形的形状中的一种或更多种，图4中仅以光调制单元301的横截面为等腰三角形作为示例。

图5是本实用新型具体实施例中第一光线调制层的工作原理示意图，如图5所示，以不同角度进入到第一光线调制层300内部的光线311、312、313或314，在光调制单元301的表面发生折射或全反射后再次折射，从光调制单元301表面射出，从而形成具有新的方向的出射光线321、322、323或324。其中入射光线311、312、313经过第一光线调制层300的调制，分别对应的出射光线321、322、323，它们的横向出射角度明显小于入射角度。第一光线调制层300可以将沿横向发散的大角度入射光聚拢成小角度的出射光，有效提升了背光源在正面的光强分布。但也会有部分入射光线如314所示，其在光调制单元一个平面的内部发生全反射经过另一个平面的再次折射才转化成出射光线324，这类出射光线横向角度较大。但是通过调整光调制单元301的结构设计，尽量减少这类横向大角度出射光线的存在，以达到更高的光线利用率。

图6是本实用新型具体实施例中第一光线调制层300上的光调制单元301的几种横截面结构示意图，如图6所示，第一光线调制层300上表面的光调制单元301的横截面为等腰三角形、等腰梯形或顶部为弧形的近似等腰三角形的形状中的一种或更多种，为了尽量减少横向大角度出射光线的存在，需要将这些三角形或是梯形的具体形状限制在一定范围内。在优选的实施方案中，光调制单元301的横截面为等腰三角形时，等腰三角形的底角α1的范围为20°-45°，在进一步优选的实施方案中，等腰三角形的底角α1范围为30°-42°。光调制单元301的横截面为等腰梯形时，等腰梯形的底角α2范围为25°-45°，短底边l21与长底边l22的比例范围为0-0.25。光调制单元301的横截面为顶部为弧形的近似等腰三角形时，如图6所示，底角α3范围为20°-45°，弧形的曲率半径r与底边l3的比值范围在0-0.3。

图7(a)是本实用新型具体实施例中光线调制单元横截面为等腰三角形时经过第一光线调制层与未经调制的出射光线在横向上的角度分布对比示意图，图7(b)是本实用新型具体实施例中光线调制单元横截面为等腰梯形时经过第一光线调制层与未经调制的出射光线在横向上的角度分布对比示意图，图7(c)是本实用新型具体实施例中光线调制单元横截面为顶部为弧形的近似等腰三角形时经过第一光线调制层与未经调制的出射光线在横向上的角度分布对比示意图，结合图6及图7(a)至图7(c)所示，例如，在优选的实施例中，第一光线调制层300上表面的光调制单元301的横截面为等腰三角形，其高度h10为4.2μm，底角为40°，整个第一光线调制层300的总厚度h11为54.2μm，其折射率为1.5。经过该第一光线调制层300调制与未经调制的出射光线横向角度分布对比可以看出，未经过调制的出射光线横向角度分布范围广，横向角度主要分布在-70°-70°的范围内；但是经过调制的出射光线绝大多数光线出射角度分布在-35°-35°的范围内，在此角度范围内，经过调制后的光通量相比未经过调制的光通量增加了25％。第一光线调制层300对于横向大角度出射光线的聚拢收光效果较为明显，有利于背光源的正视亮度的提升。如图7(b)所示，在另一个实施例中，第一光线调制层300上表面的光调制单元301的横截面为等腰梯形，高度h20为4μm，整个第一光线调制层的总厚度h21为54μm，折射率为1.5，长底边长l22为10μm，短底边长l21约为2.84μm，底角α2为40°，其经过该第一光线调制层与未经调制的出射光线横向角度分布对比如图7(b)所示。在另一个实施例中，第一光线调制层300上表面的光调制单元301的横截面为顶部为弧形的近似等腰三角形的形状，高度h30为28μm，整个第一光线调制层300的总厚度h31为78μm，底角α3为35°，折射率为1.5，经过该第一光线调制层300与未经调制的出射光线横向角度分布对比如图7(c)所示。

由图7(a)至图7(c)可看出，原本横向发散的大角度入射光经过第一光线调制层300调制后，其横向出光角度明显收拢，角度范围变窄，有效提升了背光源在正面的光强分布，改善了背光源出光的横向光学效果。

图8是本实用新型具体实施例中进一步包括第二光线调制层的背光源的结构示意图，如图8所示，其与图1的实施例中的结构相比，本实施例中偏光背光源进一步包括第二光线调制层500，第二光线调制层500由各向同性的材料组成，基本上尺寸一致地设置在偏光导光板200之上，以调制偏振光出射时的纵向角度，第二光线调制层500远离偏光导光板200的表面设置有平行排列的斜三角形棱镜结构(未图示)，该斜三角形棱镜结构沿平行于入光面201方向延伸，且每个斜三角形棱镜结构的长度与偏光背光源的纵向宽度基本上相同。

本实用新型具体实施例中，第二光线调制层500可以位于第一光线调制层300上方，或者第二光线调制层500位于第一光线调制层300与偏光导光板200之间。图8所示的具体实施例中，仅以第二光线调制层500位于第一光线调制层300与偏光导光板200之间为例，但不限于此，第一光线调制层300与第二光线调制层500的位置可以互换。第二光线调制层500的折射率在1.40到1.65之间，其透光率在90％以上，第二光线调制层500的原理类似于第一光线调制层300，其能将沿纵向分散的大角度范围的入射光汇聚收光成小角度范围的出射光，从而提高背光源在正面的光强分布。

如图8所示，具体地，在第一光线调制层300与低折射率层400之间再设置一层第二光线调制层500，同时在第一光线调制层300与第二光线调制层500之间再额外设置一层低折射率层，例如，第二光线调制层500的厚度为54.2μm，折射率为1.5。光源100发出的光线经由偏光导光板200的调制转变成符合出射要求的偏振光，然后该偏振光依次通过低折射率层400、第一光线调制层300、第二光线调制层500，经过第一光线调制层300和第二光线调制层500的调制，使得在横向和纵向上的角度分布均收拢，从而使得背光源的正面亮度得到显著提升。

图9是本实用新型具体实施例中第二光线调制层的结构示意图，如图9所示，第二光线调制层500的上表面(即远离偏光导光板200的表面)具有平行而等距排列且沿着平行于入光面201方向延伸的棱镜结构，该棱镜结构为斜三角形棱镜结构，棱镜机构的高度为5到50微米。图10是本实用新型具体实施例中第二光线调制层的横截面结构示意图，如图10所示，进入到第二光线调制层500内部的光线521、522、523或524，在棱镜的表面发生折射或全反射后再次折射，从棱镜表面射出，从而形成具有新的方向的出射光线531、532、533或534。棱镜的横截面为斜三角形，可通过调节斜三角形的两个底角，将倾斜分布的入射光211和212转化至对称分布的出射光511和512。斜三角形棱镜的左右底角的度数取决于进入第二光线调制层500的入射偏振光的倾斜程度，即从偏光导光板200出射的偏振光的倾斜程度，更进一步地，取决于偏光导光板200的结构和材料。在优选实施方案中，两个相邻的棱镜顶角之间的距离L1与棱镜底边长度L2的比例可在1-2的范围内变化。

图11是本实用新型具体实施例中进一步包括第二光线调制层的背光源、只有第一光线调制层的背光源与无光线调制层的背光源的出光横向角度分布对比示意图，经由两层光线调制层调制的光线分布与未经调制的光线出射横向角度分布对比可以看出，未经过调制的出射光线横向角度分布范围广，横向角度主要分布在-70°-70°的范围内；但是经过调制的出射光线中绝大多数光线出射角度聚拢分布在-35°-35°的范围内，在此角度范围内，经过调制后的光通量相比未经过调制的光通量增加了25％。第一光线调制层300对于横向大角度出射光线的聚拢效果较为明显，同时第二光线调制层500对出射光线在纵向上的角度也进行了聚拢调制，且这两层对彼此的调制效果互不影响，两层光线调制层的结合利用对出射光线不论是纵向还是横向上的光学功能均带来有益效果，背光源的正视亮度得到显著提升。

本实用新型具体实施例中，偏光导光板200可将入射的自然光转化为特定的偏振光，以偏振光的形式出射，图12是本实用新型具体实施例中的偏光导光板的结构及工作原理示意图，如图12所示，本实用新型具体实施例中，偏光导光板200包括基层203和双折射层204，双折射层204的下表面与基层203的上表面无缝紧密结合，双折射层204的上表面为基本上光滑的表面，双折射层204的光轴方向基本上平行于微型棱镜结构2031的延伸方向，微型棱镜结构2031位于基层203与双折射层204紧密结合的表面处，微型棱镜结构2031深入到双折射层204的内部，微型棱镜结构2031沿与偏光导光板200的入光面201平行的方向延伸。在优选的实施方案中，基层203的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。双折射层204远离基层203的表面为基本上光滑的表面，双折射层204由具有双折射性的材料组成，具有寻常光折射率no和非寻常光折射率ne，且ne大于no。双折射层204的光轴方向基本上平行于基层203上的微型棱镜结构2031的延伸方向，这样双折射层204的折射率差Δn在与延伸方向正交的方向为最大，从而提高偏振分离的效率。在优选的实施方案中，双折射层204是液晶层，其非寻常光折射率ne和寻常光折射率no之差Δn在0.1到0.35之间。基层203由各向同性的均匀介质组成，其折射率与双折射层204的寻常光折射率no基本上一致，由于双折射层204的存在，使得s-偏振的光和p-偏振的光在偏光导光板200内部具有不同的光路。例如，对于s-偏振的光线221，在微型棱镜与双折射层204的界面处存在全反射，经全反射后的光线的角度进入出射的角度范围，从而不再满足波导模式，从偏光导光板200的上表面射出。对于p-偏振的光线222，由于其在基层203与双折射层204中的折射率基本上一致，在其界面不存在全反射，可保持原来的方向继续以波导的形式传播，不会从偏光导光板200的上表面射出，从而实现偏振分离的特性，并选择性的出射s-偏振的光。以波导形式传播的p-偏振的光在传播过程中经过散射或旋光等，部分转化为s-偏振的光，从而可被再次改变传播方向，从上表面出射。

偏光导光板200出射的光线的分布方向取决于双折射层204的折射率差Δn，以及基层203内表面上微型棱镜结构2031的形状。对于已设置好的微型棱镜结构及最优化的双折射材料，从偏光导光板200出射的光线会沿出光面法线方向对称分布，否则，出射光的分布方向就会倾斜，从而限制了双折射材料的选择。

本实用新型具体实施例可通过第一光线调制层，调制出射光的横向分布方向，同时，可通过第二光线调制层调制出射光的纵向分布方向，使得出射光在纵向上基本以法线方向对称分布，本实用新型不仅降低了对材料的限制性、降低了成本，而且可根据需要分别在横向和纵向方向对出射光的分布角度进行调制，也可以同时在横向和纵向方向对出射光的分布角度进行调制，从而有效提高光利用率，提升了背光源在正视方向的出光亮度，也在一定程度上提升了背光源出射光线的均匀性。

以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其他具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。