光线准直结构、基板及制造方法、背光模组和显示装置与流程

本公开的实施例涉及一种光线准直结构、光线准直基板及制造方法、背光模组和显示装置。

背景技术：

近年来，随着各类显示器件的快速发展，其功耗受到了广泛的关注。由于显示面板中的背光模组发出光线的发散角较大，人眼只能接收很少的一部分光能，大幅降低了光能的利用率，从而增加了显示面板的功耗。减小显示面板出射光线的发散角，使出射光能高效地被人眼接收，需要能准直光线的背光模组。

技术实现要素：

本公开的实施例提供一种光线准直结构，包括：具有第一主轴和第一焦点的透镜；具有第二主轴和第二焦点的曲面反射镜。所述曲面反射镜环绕所述透镜设置，所述第一主轴和所述第二主轴重合，所述第一焦点和所述第二焦点重合，以使从所述第一焦点或所述第二焦点处发出的光线经所述透镜透射或所述曲面反射镜反射后准直为平行于所述第一主轴和所述第二主轴的平行光。

例如，在本公开实施例提供的光线准直结构中，所述透镜包括第一面和第二面，所述第一面为平面，所述第二面为球面。

例如，在本公开实施例提供的光线准直结构中，所述透镜的第二面设置于所述透镜接近于所述第一焦点的一侧。

例如，在本公开实施例提供的光线准直结构中，所述曲面反射镜包括外表面和圆柱状的内表面。

例如，在本公开实施例提供的光线准直结构中，所述曲面反射镜的内表面与所述透镜的侧面接触。

例如，在本公开实施例提供的光线准直结构中，所述曲面反射镜的外表面与经过所述第二主轴的一个截面的交线为一条抛物线的一部分。

例如，在本公开实施例提供的光线准直结构中，所述透镜包括第一面和第二面，所述第一面为平面，所述第二面为球面，所述透镜的第二面设置于所述透镜接近于所述第一焦点的一侧，经过所述第一焦点和第二焦点重合的位置并且与所述透镜的第二面相切的直线与所述曲面反射镜的外表面相交。

例如，在本公开实施例提供的光线准直结构中，所述透镜的材料包括透明树脂。

例如，在本公开实施例提供的光线准直结构中，所述曲面反射镜的材料包括透明树脂。

例如，本公开实施例提供的光线准直结构，还可以包括反光层，其中，所述反光层设置在所述曲面反射镜的外表面。

例如，在本公开实施例提供的光线准直结构中，所述反光层的材料包括金属。

例如，本公开实施例提供的光线准直结构，还包括填充层，其中，所述填充层设置于所述透镜的第一面上且设置于所述曲面反射镜内部。

例如，在本公开实施例提供的光线准直结构中，所述填充层的材料与所述透镜由相同的材料制成。

本公开的实施例还提供一种光线准直基板，该光线准直基板包括本公开任一实施例所述的光线准直结构。

本公开的实施例还提供一种背光模组，该背光模组包括本公开任一实施例所述的光线准直基板以及光源基板，其中，所述光源基板上设置有多个光源，所述多个光源与所述多个光线准直结构一一对应。

例如，在本公开实施例提供的背光模组中，所述光源包括发光二极管。

例如，在本公开实施例提供的背光模组中，所述光源设置在所述光线准直结构中所述第一焦点和所述第二焦点重合的位置上。

本公开的实施例还提供一种显示装置，该显示装置包括本公开任一实施例所述的背光模组。

本公开的实施例还提供一种本公开任一实施例所述的光线准直基板的制作方法，该方法包括：提供光线准直衬底基板；以及通过纳米压印工艺在所述光线准直衬底基板上形成光线准直结构。

例如，在本公开实施例提供的制作方法中，所述光线准直结构中的透镜和曲面反射镜一体形成。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，并非对本公开的限制。

图1是一种光线准直结构的示意图；

图2是本公开一个实施例的光线准直结构的示意图；

图3是透镜用于光线准直时的光路图；

图4是曲面反射镜用于光线准直时的光路图；

图5是本公开一个实施例提供的光线准直结构的一个示例的示意图；

图6是本公开一个实施例提供的光线准直结构的另一个示例的示意图；

图7是本公开另一个实施例提供的光线准直基板的结构示意图；

图8是本公开再一个实施例提供的背光模组的结构示意图；

图9是本公开再一个实施例提供的显示设备的示意图；以及

图10是本公开再一个实施例提供的一种光线准直基板的制作方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述参考在附图中示出并在以下描述中详述的非限制性示例实施例，更加全面地说明本公开的示例实施例和它们的多种特征及有利细节。应注意的是，图中示出的特征不是必须按照比例绘制。本公开省略了已知材料、组件和工艺技术的描述，从而不使本公开的示例实施例模糊。所给出的示例仅旨在有利于理解本公开示例实施例的实施，以及进一步使本领域技术人员能够实施示例实施例。因而，这些示例不应被理解为对本公开的实施例的范围的限制。

除非另外特别定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。此外，在本公开各个实施例中，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

例如，图1示出了一种光线准直结构，该光线准直结构包括透镜501，该透镜501具有焦点502和主轴503，发光点设置在焦点502上。透镜501的通光孔径(即透镜501在垂直于主轴503方向上的直径)与发光点所形成的角度被称为透镜孔径角，它描述了透镜收光锥角的大小。发光点在透镜孔径角之内发出的光线经透镜501透射后准直为平行于主轴503的平行光，而位于透镜孔径角之外的光线将沿着原方向传输。因此，该光线准直结构仅对于透镜孔径角之内的光线具有准直作用，透镜孔径角之外的光线将不能得到准直。从而，在准直过程中的光能利用率较低，增加了包含该光线准直结构的相关器件的功耗。

为了提升准直过程中的光能利用率以降低功耗，需要使得源于发光点的更多的光线能够沿着主轴503的方向出射，对于图1示出的光线准直结构，也就是需要提升透镜孔径角。有下述两种方法可以提升透镜孔径角。第一种方法是增大透镜501的通光孔径，也就是增加透镜501在垂直于主轴503方向上的尺寸。然而，透镜501尺寸的增加会增加透镜的成本以及光线准直结构的体积。第二种方法是通过使用小焦距的透镜来减小发光点与透镜501之间的距离，进而在透镜501尺寸固定的情况下提升透镜501的孔径角。然而，小焦距透镜曲率半径小、曲率大，因此加工难度大、成产成本高。此外，使用小焦距透镜还会使得光线准直结构与光源进行装配时的误差容忍度降低，增加装配难度和制造成本。

本公开的实施例提供一种光线准直结构、光线准直基板及制造方法、背光模组和显示装置，可准直光线，提高了光能利用率，进而减少显示面板的功耗。

例如，图2示出了本公开一个实施例的光线准直结构11，该光线准直结构11包括透镜100和曲面反射镜200。透镜100具有第一主轴111和第一焦点112；曲面反射镜200具有第二主轴211和第二焦点212。曲面反射镜200环绕透镜100设置(例如，透镜100设置在曲面反射镜200的内部)，第一主轴111和第二主轴211重合，第一焦点112和第二焦点212重合，以使从第一焦点112或第二焦点212处发出的光线经透镜100透射或曲面反射镜200反射后准直为平行于第一主轴111和第二主轴211的平行光。

下面结合图3和图4说明透镜和曲面反射镜准直的工作原理。

例如，图3示出了透镜用于光线准直时的工作原理。如图3所示，透镜33具有主轴31和焦点32，当发光点设置在透镜33的焦点32上，发光点发出的位于透镜孔径角内的光线将沿着与主轴31平行的方向出射，因此透镜33对于孔径角内的光线具有准直作用。

例如，图4示出了曲面反射镜用于光线准直时的工作原理，该曲面反射镜45具有主轴41、焦点42和顶点43。为简洁起见，图中仅示出了该曲面反射镜的外表面与经过主轴41的一个截面相交得到的抛物线。为了方便阐述该抛物线的性质，引入了直角坐标系。坐标原点设置在该抛物线的顶点43上，x轴设置在该抛物线的主轴41上，y轴设置成与抛物线顶点43相切。例如，该抛物线的函数表达式可以是y²＝2px，x＝-p/2位置处的直线被称为主线44。由抛物线的性质可知，抛物线上的任意一点到焦点42的距离和到主线44的距离相等。因此，入射平行光到焦点42的距离等于其到主线44的距离。因为入射平行光到主线44的距离相等，所以入射平行光经抛物线反射后到焦点42的距离是相等的。将抛物线的性质推广到抛物面，可以得到，入射平行光经抛物面反射后到焦点42的距离是相等的。因此，抛物面对于入射平行光来说是等光程面，焦点42是入射平行光经抛物面反射后的完善像点。根据光路的可逆性原理可知，从焦点42发出的光线，经抛物面反射后将以平行主轴41的方向射出。因此当发光点设置于焦点42时，抛物面对发光点发出的光线具有准直作用。

例如，在曲面反射镜200环绕透镜100设置，第一主轴111和第二主轴211重合，并且第一焦点112和第二焦点212重合的情况下，把发光点设置在第一焦点112和第二焦点212重合的位置上，发光点发出的位于透镜孔径角内的光线将沿着与第一主轴111平行的方向出射；位于透镜孔径角之外并被曲面反射镜200反射的光线将沿着与第二主轴211平行的方向出射。由于第一主轴111和第二主轴211重合，从发光点发出的并且经透镜100透射和曲面反射镜200反射后光线被准直为平行于第一主轴111和第二主轴211的平行光。从而可以使得更多的源于发光点的光线能够沿着第一主轴111和第二主轴211的方向出射，提升了光源在准直过程中的光能利用率，进而降低了功耗。

例如，在本公开的实施例中，透镜100可以是平凸型、双凸型、球面型、非球面型等具有准直作用的透镜。曲面反射镜200可以设置成内表面对光线进行反射的形式，或者设置成外表面对光线进行反射的形式。例如，光源背面(即远离透镜的一侧)对应的部分可以不设置反射面。便于光源的固定以及光线的准直。

例如，根据实际应用场景，可以选择透镜100和曲面反射镜200的固定方式。例如，透镜100可以设置在透明基板上，外表面反射型曲面反射镜200可以通过镶嵌或粘贴的方式设置在透明基板上。

图5示出了本公开一个实施例的光线准直结构11的一个示例。例如，透镜100为平凸透镜，曲面反射镜200的外表面对光线进行反射，并且光源背面没有设置反射面。透镜100和曲面反射镜200可以直接或间接的设置在衬底基板(图5中未示出)上。

例如，透镜100包括第一面121和第二面122，第一面121为平面，第二面122为球面。并且，透镜100的第二面122设置于透镜100接近于第一焦点112的一侧。当发光点设置在第一焦点112上，从发光点发出的位于透镜孔径角内的光束将被准直成平行于第一主轴111的平行光。

例如，曲面反射镜200包括外表面221和圆柱状的内表面222，曲面反射镜200的内表面222例如与透镜100的侧面接触，以防止光线从透镜100和曲面反射镜200之间出射，避免降低光能利用率。

例如，曲面反射镜200为抛物面反射镜。

例如，曲面反射镜200的外表面221与经过第二主轴211的一个截面的交线为一条抛物线的一部分，也就是说，曲面反射镜200的外表面221的形状为抛物面的一部分，并不局限于整个曲面反射镜200的外表面221由同一个抛物面参数限定。当发光点设置在第二焦点212上，从发光点发出的被曲面反射镜200反射的光线将被准直成平行于第二主轴211的平行光。由于曲面反射镜200内表面222对光线的折射作用，使得曲面反射镜200外表面221形成的抛物面的焦点与第二焦点212不是完全重合，第二焦点212沿第二主轴211、远离抛物面顶点的方向偏移。例如，可以通过折射计算公式nsinα＝n’sinβ并结合透镜100和曲面反射镜200的尺寸计算第二焦点212的位置；例如，也可以通过对曲面反射镜200照射平行光并测试光强最大点的位置得到第二焦点212的位置。

例如，形成透镜100的材料可以为对待准直光线波长具有高透射率的材料。例如，对于OLED发出的可见光波段的待准直光线，形成透镜100的材料可以选择为对可见光透明的树脂。

例如，形成透镜100的材料包括但不局限于树脂，也可以是其它对待准直光线波长透明的材料。

例如，对于该示例中的曲面反射镜200，形成材料可以是对待准直光源波长具有高透射率的材料(例如树脂)，此时，待准直光线在透过曲面反射镜200传输到曲面反射镜200的外表面221时，至少部分待准直光线将会被反射，并沿第二主轴211出射。当待准直光线的入射角满足全反射条件时，所有入射到曲面反射镜200的待准直光线将会被反射，并沿第二主轴211出射。为了进一步提升该示例中的曲面反射镜200对待准直光线的反射率，该光线准直结构11还可以包括反光层260，反光层260设置在曲面反射镜200的外表面221外侧。反光层260的材料可以是金属材料或非金属反光材料。

需要注意的是，形成曲面反射镜200的材料不限于对待准直光源波长具有高透射率的材料，当曲面反射镜200设置为内表面对光线进行反射的形式，形成曲面反射镜200的材料还可以是对待准直光源波长具有高反射率的金属(如铝、银、金、铜等)。

例如，为了使得光线准直结构11能够将更多的源于发光点的光线沿平行于第一主轴111或第二主轴211的方向出射，需要使第一主轴111和第二主轴211重合，第一焦点112和第二焦点212重合。为了实现第一焦点112和第二焦点212重合，该光线准直结构11还包括填充层300。如图6所示，填充层300设置于曲面反射镜200内部，并且设置成与透镜100的第一面121相接触的形式，以防止光线在填充层300的表面反射，避免降低光能利用率。填充层300的材料可以是对待准直光源波长具有高透射率的材料。例如，填充层300的材料可以与透镜100的材料相同。

例如，透镜的焦距f与透镜第二面122的曲率半径r、透镜折射率n2和透镜外部折射率n1的关系为f＝n1×r/(n2-n1)。透镜焦距f、透镜第二面122的曲率半径r、透镜折射率n2和透镜外部折射率n1可以根据发光源的特性进行选择。

例如，n1＝1.47，n2＝1.5164，r＝89.57μm，f＝254.97μm。当透镜100的口径D＝60μm时，透镜100拱高h＝5.174μm。

在一个示例中，曲面反射镜200与经过第二主轴211截面形成的抛物线的函数表达式可以是y²＝2px，参数p可以任意取值，均能实现对出射光的准直。但是为了使得曲面反射镜200能够将更多位于透镜孔径角之外的光线准直，需要综合考虑透镜100的焦距、通光孔径、填充层300厚度后设置参数p。

例如，曲面反射镜200需要将透镜100包含在内，并且经过第一焦点112和第二焦点212重合的位置并且与透镜100的第二面122相切的直线与曲面反射镜200的外表面221相交，此时所有位于透镜孔径角之外的待准直光线将入射到曲面反射镜200上，被曲面反射镜200反射后沿第二主轴211射出。此时，发光点发出的所有光线经透镜透射和曲面反射镜200反射后准直为平行于第一主轴111和第二主轴211的平行光。因此，提升了准直过程中的光能利用率，降低了显示器件的功耗。

本公开另一实施例提供了一种光线准直基板10，如图7所示，该光线准直基板10包括衬底基板400和多个如上所述的光线准直结构11。由于透镜100可以将透镜孔径角内的待准直光线准直为平行于第一主轴111的平行光，曲面反射镜200可以将透镜孔径角外的待准直光线准直为平行于第二主轴211的平行光，提升了光能利用率。

本公开再一实施例提供了一种背光模组1，如图8所示，该背光模组1包括如上所述的光线准直基板10以及光源基板20，其中，光源基板20上设置有多个光源30，多个光源30与多个光线准直结构11一一对应。在本实施例中，可以根据实际应用场景选择光源30的类型。例如，光源30可以是点光源，例如可以为发光二极管，比如有机发光二极管或无机发光二极管等。

例如，光源30可以设置在光线准直结构11中第一焦点112和第二焦点212重合的位置上。因此，透镜100可以将透镜孔径角内的待准直光线准直为平行于第一主轴111的平行光，曲面反射镜200可以将透镜孔径角外的待准直光线准直为平行于第二主轴211的平行光，准直过程中的光能利用率得到了提升，进而降低了背光模组的功耗。

本公开再一实施例提供了一种显示装置2，如图9所示，显示装置2包括显示面板3。显示面板3包括本公开任一实施例所述的背光模组1，例如该显示面板3可以为液晶显示面板。由于透镜可以将透镜孔径角内的待准直光线准直为平行于第一主轴111的平行光，曲面反射镜200可以将透镜孔径角外的待准直光线准直为平行于第二主轴211的平行光，准直过程中的光能利用率得到了提升，进而降低了显示装置的功耗。

本公开再一实施例提供了一种光线准直基板10的制作方法，如图10所示，包括如下步骤：

步骤S10：提供光线准直衬底基板；

步骤S20：通过纳米压印工艺在光线准直衬底基板上形成光线准直结构。例如，在本实施例中，光线准直结构11中的透镜100和曲面反射镜200可以一体形成。由于避免使用昂贵的光源和投影光学系统，相比于传统的光刻方法，纳米压印光刻的制造成本大幅降低。从而，可以在不增加制造难度、制造成本或准直系统体积的前提下获得的光线准直基板10，并能够使得源于发光点的更多的光线能够沿着主轴的方向出射，进而提升了光线准直基板10在准直过程中对光源的利用率，降低了包含光线准直基板10的相关器件(例如显示面板或显示装置)的功耗。

本公开的实施例提供一种光线准直结构、光线准直基板及制造方法、背光模组和显示装置，可准直光线，提高了光能利用率，进而减少显示面板的功耗。

虽然上文中已经用一般性说明及具体实施方式，对本公开作了详尽的描述，但在本公开实施例基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本公开精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本公开要求保护的范围。