背光板、防窥视显示装置和用于实现裸眼三维图像显示的装置的制作方法

本发明涉及显示技术，特别涉及背光板、包含该背光板的防窥视显示装置以及包含该背光板的用于实现裸眼三维图像显示的装置。

背景技术：

背光板是用来照明被动发光显示装置(如液晶显示屏)的光源装置。背光板具有光利用效率高、均匀度高和耗电量小等优点。在一些应用领域，出于隐私防护的目的，希望将显示装置的视角限定在一个狭窄的范围内，指向性背光技术由此应运而生。指向性背光技术能够实现单个或数个特定角度的照明，即亮度随角度明显变化。

题为“基于LED的无辅助立体显示器的指向性背光结构和方法”中国专利申请(公开号CN104597608A)公开了一种指向性背光结构，所述指向性光学组件包括柱透镜、导光板包括薄导光板和厚导光板并且是平行导光板、薄导光板端部安装的折光反射棱镜及成像透镜；柱透镜将LED光源单元发出的发散光在一个平面内压缩成平行光并通过导光板传输，而保持传输特性不变；导光板的作用是使光线在其中保持全反射传输并增加光程，用成像透镜成像；而成像透镜则将该只在一个平面内被压缩成平行光的光束在正交方向进行压缩传输，形成第二、第三汇聚观察窗口。通过上述三个部件，形成具有指向特性的汇聚出瞳，并保证人眼在出瞳位置处能看到整个屏幕。在上述指向性背光结构和方法中，为了实现指向性背光照明，需要采用较多数量的模块，这增加了设计的复杂性，也不利于与其它装置的集成。

题为“双视膜以及使用双视膜的双视显示设备”的中国专利申请(公开号CN105745925)公开了一种双视膜以及使用双视膜的双视显示技术，所述使用双视膜的双视显示设备包括：导光板，所述导光板被构造成引导输出光的路径；左光源和右光源，所述左光源和所述右光源被构造成与所述光导的两个边缘处的所述光导相邻以引导所述输出光的路径并根据连续的左定时和右定时在左方向或右方向上输出光；反射表面，所述反射表面被构造成位于所述光导的底部上以将来自所述光导的所述光反射回去并且将所述输出光反射回去；双视膜，所述双视膜包括棱镜输入层和透镜输出层，在所述棱镜输入层中，多个棱镜在所述双视膜的整个下表面上是连续的，在所述透镜输出层中，多个透镜在所述双视膜的整个上表面上是连续的，所述双视膜被构造成位于所述光导的顶部以导向来自两个光源的光并反射来自所述导光板的在所述棱镜输入层的左侧面或右侧面中输入的光，并且将所述反射光折射成通过所述透镜输出层朝向偏离所述双视显示器的法向轴线的左方向或右方向上的观察者；和显示面板，所述显示面板被构造成位于所述双视膜的顶部并且利用所述折射光向所述左方向或所述右方向上的所述观察者显示不同图像。在上述双视显示设备中，为了实现单个方向或两个方向的特定角度的照明，需要采用不同角度的棱镜顶角，这导致设计复杂化；此外，双视膜既要实现方向照明，又要保证导光板出光均匀性，因此制造难度较大；再者，多个光学性能受到共同的结构参数制约，进一步增加了设计的复杂性。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种背光板，其具有制造成本低、设计简便和结构紧凑等优点。

按照本发明一个方面的背光板包含：

导光板，其包含位于导光板上表面、下表面或内部的第一微结构，该第一微结构具有周期性分布的第一单元，所述光源发出的光束经所述第一微结构散射至导光板的外部；以及

光学膜，其设置于经第一微结构散射至导光板外部的光束的传播方向上并且包含位于光学膜表面的第二微结构，该第二微结构具有周期性分布的第二单元，经所述第一微结构散射至导光板的外部的光束经第二微结构变换为准直光束或会聚光束。

优选地，在上述背光板中，所述导光板与光学膜堆叠在一起。

优选地，在上述背光板中，所述导光板与光学膜以空气间隙相隔。

优选地，在上述背光板中，所述导光板与光学膜之间设置低折射率层。

优选地，在上述背光板中，所述第一单元为微棱镜、微透镜、自由曲面透镜或凹坑中的一种。

优选地，在上述背光板中，所述第二单元为微透镜、菲涅耳透镜或薄膜透镜中的一种。

优选地，在上述背光板中，所述背光板进一步包括位于所述导光板与光学膜之间的遮光板，其包含与所述第一微结构和第二微结构匹配对应的遮光结构以滤除从所述第二微结构出射的杂散光。

优选地，在上述背光板中，所述背光板进一步包括位于所述导光板内部的遮光板，其包含与所述第一微结构和第二微结构匹配对应的遮光结构以滤除从所述第二微结构出射的杂散光。

优选地，在上述背光板中，所述背光板进一步包括位于所述光学膜内部的遮光板，其包含与所述第一微结构和第二微结构匹配对应的遮光结构以滤除从所述第二微结构出射的杂散光。

优选地，在上述背光板中，所述背光板进一步包括光源，其设置于所述导光板的侧部。

优选地，在上述背光板中，所述光源为LED线阵列光源。

本发明的还有一个目的是提供一种防窥视显示装置，其具有制造成本低、设计简便和结构紧凑等优点。

按照本发明一个方面的防窥视显示装置包含：

如上所述的背光板；以及

位于所述背光板之前的液晶显示面板。

本发明的还有一个目的是提供一种用于实现裸眼三维图像显示的装置，其具有制造成本低、设计简便和结构紧凑等优点。

按照本发明一个方面的用于实现裸眼三维图像显示的装置包含：

如上所述的背光板；

空间光调制器，其位于从所述背光板射出的准直光束的传播方向上并且配置为通过振幅调制方式将多视角混合图像信息加载到所述准直光束上以形成包含多视角混合图像信息的准直光束；以及

位于所述包含多视角混合图像信息的准直光束传播方向上的位相板，其配置为将所述包含多视角混合图像信息的准直光束所承载图像中的不同视角的图像投射至各自对应的观察位置。用于实现裸眼三维图像显示的装置包括：

附图说明

图1为按照本发明一个实施例的背光板的示意图。

图2a-2k为可用于图1所示背光板的多种导光板的示意图。

图3a-3c为可用于图1所示背光板的多种光学膜的示意图。

图4为按照本发明另一个实施例的背光板的示意图。

图5a-5d为按照本发明另一个实施例的背光板的示意图。

图6a-6c为按照本发明另一个实施例的背光板的示意图。

图7为按照本发明另一个实施例的防窥视显示装置的示意图。

图8为按照本发明另一个实施例的用于实现裸眼三维图像显示的装置的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的背光板作更为详细的描述。

图1为按照本发明一个实施例的背光板的示意图。

图1所示的背光板10包括导光板110和光学膜120。可选地但是并非必需地，光源130可以作为图1所示背光板的组成单元。优选地，光源130可以为LED线阵列光源。

在图1所示的实施例中，导光板110和光学膜120分别具有第一微结构和第二微结构。第一微结构可设置在导光板的上表面、下表面或内部，其具有周期性分布的第一单元，当光源130发出的光束进入导光板后，经第一微结构散射至导光板的外部。第二微结构具有周期性分布的第二单元，经第一微结构散射至导光板的外部的光束经第二微结构变换为准直光束或会聚光束。

需要指出的是，在本说明书中，沿一个方向传播的准直光束、平行光、指向性光束和汇聚光束指的是发散角半高宽在20°以内的出射光线。优选地，出射光线的发散角半高宽在1°-10°范围内。

图2a-2k为可用于图1所示背光板的多种导光板的示意图。

参见图2a-2k，导光板110上的第一微结构111a-111k包含等间距排布的第一单元，其与下面将要描述的光学膜上的第二微结构匹配对应。优选地，第一微结构111a-111k的尺寸在100nm-1mm 之间。

导光板110将来自LED线光源转换为面阵光源以均匀照射光学膜120。导光板110提供的面光源可被看作分离排布的点发光源，每个发光点可被看作一个朗伯发光体。导光板上的第一微结构使沿波导传播光线的全反射传播条件不再成立，因此光线从导光板110中逸出。

在本实施例中，导光板110可由一种材料构成，或由多种具有不同折射率的材料构成。

在本实施例中，第一微结构可形成于导光板110的上表面(例如如图2a-2i所示)，也可形成于导光板110的内部(例如如图2j 所示)或下表面(例如如图2k所示)。

在本实施例中，第一单元可以是各种形式的光学元件，例如包括但不限于微棱镜(例如如图2a所示)、凹坑(例如如图2b-2c 所示)、自由曲面透镜(例如如图2d-2f所示)、微透镜(例如如图 2g所示)等。

图3a-3c为可用于图1所示背光板的多种光学膜的示意图。

如图3a-3c所示，在光学膜120的表明形成有第二微结构 120a-120c，该第二微结构与第一微结构在结构上匹配。具体而言，第二微纳结构120a-120c具有等间距分布的第二单元，其分布规律与导光板中的第一单元的分布规律相对应或匹配。在本实施例中，第二微纳结构120a-120c可将来自导光板110的散射光线变换为沿一个或多个方向出射的准直光束或者变换为会聚至一个或多个位置的会聚光束。优选地，该微纳结构为微透镜阵列(例如如图3a所示)、菲涅耳透镜阵列(例如如图3b所示)、薄膜透镜阵列(例如如图3c所示)、二元结构光等。微透镜阵列、菲涅耳透镜阵列或薄膜透镜阵列的透镜单元可根据与导光板中微结构的相对位置作优化设计以获得较好的准直或汇聚效果。例如可以将光学膜120中的每个单元或微透镜的直径设计为比导光板110的单元的尺寸更大。

图4为按照本发明另一个实施例的背光板的示意图。

图4所示的背光板40包括导光板410、光学膜420和可选的光源430。

参见图4，在本实施例中，光学膜430由选择性通过的一维光栅阵列或二维光栅阵列构成。利用遮光板可仅允许沿特定方向的光线能够出射，从而得到准直光线。

图5a-5d为按照本发明另一个实施例的背光板的示意图。

图5a-5d所示的背光板50包括导光板510、光学膜520和可选的光源530。

参见图5a-5d，在本实施例中，导光板510的第一微结构为凹坑阵列，而光学膜520的第二微结构为微透镜阵列。导光板510 上的凹坑呈周期性排布，从导光板凹坑结构出射的面光源可被看作等间距阵列排布的朗伯发光点。凹坑结构使全反射传播条件不再成立，导致光线从导光板中逸出。虽然图5a-5d中所示的第一微结构或凹坑结构位于导光板上表面，但是其也可位于导光板的下表面或导光板内部。优选地，该凹坑结构尺寸在100nm-1mm 之间。当光学膜的折射率接近或高于导光板的折射率时，导光板和光学膜之间需保持一定的空气间隙，或在导光板与光学膜之间插入一层低折射率层。在本实施例中，导光板与光学膜之间的相对位置设定为使微透镜的焦点位于导光板附近，从而使从导光板的凹坑结构散射出来的光经过微透镜聚焦而变成准直光束或会聚光束。

在本实施例中，通过调整导光板和光学膜的相对位置可使具有不同角度的光线从光学膜射出。例如当将导光板和光学膜的相对位置设定为如图5a和5b所示的那样时，可得到与背光板法线方向成一定夹角出射的平行光束，其中倾斜角的范围是-90°到+90 °，特别是可以使出射光线垂直于背光板的法线方向(或发散角很小)。又如，当将导光板和光学膜的相对位置设定为如图5c所示的那样时，可得到一个或多个汇聚视点的指向性照明光。再如，当将导光板和光学膜的相对位置设定为如图5d所示的那样时，可得到具有不止一个特定角度的平行光束。

图6a-6c为按照本发明另一个实施例的背光板的示意图。

本实施例与前述借助图1、图2a-2k、图3a-3c、图4和图5a-5d 所描述的实施例的主要不同之处在于，本实施例的背光板还包含遮光板。

参见图6a-6c，背光板60包括导光板610、光学膜620、光源 630和遮光板640a-640c。在本实施例中，遮光板可以使光线选择性地从背光板射出，从而滤去杂散光线以得到准直性更好的光线。可以如图6a所示，在导光板610与光学膜620之间设置遮光板 640a；或者可以如图6b所示，在导光板610内设置遮光板640b；或者还可以如图6c所示，在光学膜620内设置遮光板。上述遮光板与导光板的第一微结构和光学膜的第二微结构匹配对应，从而可滤除从第二微结构出射的杂散光。遮光板可以是单层或多层独立结构，并且可与导光板和光学膜的任意一个或者两个集成在一起以形成功能复合的光学器件。

在上面借助附图描述的各个实施例中，可选取塑料或者玻璃作为导光板或微透镜的材料，其折射率在1-2.5之间。优选地可采用塑料以使产品更加轻便和降低成本。导光板和光学膜例如可以利用灰度光刻工艺、激光刻蚀工艺等制作，并利用纳米压印工艺实现批量复制。

图7为按照本发明另一个实施例的防窥视显示装置的示意图。

图7所示的显示装置70包括背光板710和位于背光板之前的液晶显示面板720，其中背光板710射出的准直光束照亮液晶显示面板。在本实施例中，可采用按照上面描述的各种实施例的背光板来获得沿特定方向或特定角度范围出射的准直光束，从而将显示装置的视角限定在一个狭窄的范围内。

图8为按照本发明另一个实施例的用于实现裸眼三维图像显示的装置的示意图。

图8所示的装置80包括背光板810、空间光调制器820和位相板830，其中背光板810射出的准直光束照亮空间光调制器820。在本实施例中，可采用按照上面描述的各种实施例的背光板来获得沿特定方向或特定角度范围出射的准直光束。空间光调制器820 例如可以是液晶显示面板，其位于从背光板810射出的准直光束的传播方向上并且配置为通过振幅调制方式将多视角混合图像信息加载到准直光束上以形成包含多视角混合图像信息的准直光束。位相板830位于包含多视角混合图像信息的准直光束的传播方向上，其配置为将包含多视角混合图像信息的准直光束所承载图像中的不同视角的图像投射至各自对应的观察位置。位相板830 上形成有像素式分布的微纳结构单元。借助于位相板上结构渐变的微纳结构单元可以对光场进行调制，从而在出射空间形成两个或多个视角，实现两个或多个视角图像分离。

与现有技术相比，本发明的背光板具有诸多优点。例如，背光板(包含LED光源、导光板和光学膜)均可利用现有的纳米压印技术工业化生产，制作工艺成熟，产品一致性容易保证并且有利于降低成本。又如，背光板的各个单元均可模块化设计，每个模块实现相对独立的光学特性(例如照明均匀性、出射光发散角等)，这使得各参数解耦，简化了设计过程并且使光学参数的调整更为容易。再者，本发明的背光板由多个薄膜光器件堆叠组成，与现有的液晶屏幕构架兼容性好，应用领域广阔。

上文描述了本发明的原理和较佳实施例。然而，本发明不应被解释为限于所讨论的具体实施例。上述较佳实施例应该被认为是说明性的，而不是限制性的，并且应当理解的时，本领域的技术人员在不偏离下面的权利要求书所限定的本发明的范围的前提下，可以在这些实施例中作出变化。