一种出射偏振光的背光源及其制备方法和液晶显示装置与流程

本发明涉及液晶显示装置，特别涉及一种出射偏振光的背光源。

背景技术：

平板显示器如液晶显示器(lcd)是许多种类的电子设备的必要部件。作为被动型发光器件，液晶显示器中的一种是依靠显示屏背面的背光源来照亮屏幕。由于液晶平板显示器的显示要求，有效利用的光线为特定偏振方向的光。对于传统的出射自然光的背光源，最终光强度的利用率往往不到原始光强度的5％，光损耗很高。如果被损耗的光没有被重复利用，可造成温度升高等不利影响。

一种解决方案是在自然光背光源和液晶显示板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，可使轴向亮度增加约60％。

另一种解决方案是直接使用一种可发出偏振光的背光源，再结合如上所述的反射式或散射式偏振膜片，达到提高光利用率的效果。在这种解决方案中，直接在背光源结构中使用偏振分离技术，利用偏振相关的全反射、散射、以及具有光学各向异性的液晶层涂覆，从而达到发出偏振光的目的。如在us5729311a中公开的背光源系统，包括一特殊设计的光波导层，非偏振光线经由光波导的侧面断面耦合入光波导中并向前传播。光波导内设有凹腔，其中填充了光学各向异性的材料。波导材料折射率为np，光学各向异性材料的折射率为no和ne。为满足偏振态分离的要求，no或ne中的一个等于或基本上等于np。可是这种结构的缺点在于，在制作工程中，向凹腔中如填入材料时的难度，以及凹腔结构的特殊要求导致的波导板本身的加工难度增加，从而制造成本较高。

专利cn100564998c对us5729311a中涉及的问题做了改善，并基于此给出了具有层状结构的背光源，将偏振分离膜层从导光板独立出来。但由于其偏振光出射机制为全反射，且出射光线需满足一定的角度要求(如出射光线方向需在法线附近)，因此对微结构的尺寸、形状、和材料的选择都会有很大的局限性。

另外现有偏光背光源的结构，虽然克服了出射角度分布宽的特点，但是当偏振分离层确定后，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。

技术实现要素：

为满足上述需求，本发明提出一种可出射偏振光的背光源，所述背光源包括：光源，偏光导光板，所述偏光导光板被配置有入光面和出光面，所述入光面与所述出光面相连，其中，所述光源朝向所述入光面，并且所述光源发出的自然光经由所述入光面进入所述偏光导光板，以偏振光的方式从所述出光面射出，光线矫正层，所述光线矫正层被与所述偏光导光板基本上尺寸一致地设置在所述偏光导光板之上，其中所述光线矫正层由各向同性的材料组成，以及低折射率层，所述低折射率层被设置在所述偏光导光板和所述光线矫正层之间。在可选实施方案中，所述背光源进一步包括光源调节层，所述光源调节层被设置在所述偏光导光板的所述入光面和所述光源之间。在优选的实施方案中，所述光线矫正层的折射率在1.40到1.65之间。在优选的实施方案中，所述低折射率层可为空气层。

在优选实施方案中，所述光线矫正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，其中，所述斜三角形棱镜结构沿平行于所述入光面方向延伸。在可选的实施方案中，所述光线矫正层靠近所述偏光导光板的表面进一步设置有沿垂直于所述入光面方向延伸的凹槽结构。在优选的实施方案中，凹槽结构的横切面为波浪形或等腰三角形。

在另一个可选实施方案中，可进一步包括附加的光线矫正层，所述附加的光线矫正层被与所述偏光导光板基本上尺寸一致地设置在所述光线矫正层之上或者设置在所述光线矫正层和所述低折射率层之间，其中所述附加的光线矫正层远离所述偏光导光板的表面设置有等距而平行排列的等腰三角形棱镜结构，所述等腰三角形棱镜结构沿垂直于所述入光面方向延伸。在优选的实施方案中，所述等腰三角形棱镜结构的底角可在35到50度之间变化。

在进一步优选实施方案中，所述棱镜结构的相邻顶角之间的距离与所述棱镜结构底边的长度比可在1至2之间变化。

在优选实施方案中，所述偏光导光板包括：基层，所述基层的上表面具有沿与所述偏光导光板的所述入光面平行方向延伸的微型棱镜结构，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。在可选的实施方案中，所述偏光导光板进一步包括设置在所述基层下表面之下的支撑层，所述支撑层的折射率在1.45到1.65之间。在优选的实施方案中，所述双折射层为液晶层。在进一步优选的实施方案中，所述液晶层的非寻常光和寻常光的折射率差在0.1到0.35之间。在另一优选的实施方案中，所述基层的厚度可以变化。

在优选实施方案中，所述光源调节层靠近所述光源的表面设置有平行排列的棱镜结构，其中，所述棱镜结构沿平行于所述偏光导光板的所述出光面方向延伸。在优选实施方案中，所述棱镜结构的任一底角可在0到90度(包括90度)之间变化。在一个可选实施方案中，所述棱镜结构等距排列，且所述棱镜结构的相邻顶角之间的距离与所述棱镜结构底边的长度比可在1至2之间变化。在另一个可选实施方案中，所述棱镜结构为菲涅尔透镜结构。

在可选实施方案中，所述光源调节层靠近所述光源的表面设置有沿垂直于所述偏光导光板的所述出光面方向延伸且平行排列的凸起结构，其横切面为光杯形。

在优选实施方案中，公开了一种制备所述背光源的方法，包括独立形成所述偏光导光板、所述光源、所述光线矫正层和所述低折射率层，然后以拼接的方式组合，所述拼接包括先将所述低折射率层和所述光线矫正层设置在所述偏光导光板的所述出光面，所述低折射率层位于所述光线矫正层和所述偏光导光板之间，将所述光源设置在所述偏光导光板的所述入光面，其中，所述拼接方式包括贴合。在可选实施方案中，所述方法进一步包括：独立形成所述光源调节层，将所述光源调节层设置在所述光源和所述偏光导光板之间。

在优选实施方案中，公开了一种液晶显示装置，包括液晶显示面板及所述背光源，所述液晶显示面板被设置在所述背光源的出光面一侧，所述液晶显示面板靠近背光源一侧的偏振片的透光轴基本上平行于所述背光源出射光线的偏振方向。

本发明公开的背光源不仅能发射偏振光，提高背光源的光利用率，同时利用光线矫正层调节从偏振分离层偏振出射光的角度分布，使偏振光的方向沿法线对称分布，从而使偏振分离层的制作复杂度大大降低，同时拓宽偏振分离层的材料选择范围。本发明进一步利用光源调节层调节入射光角度分布，进一步提高入射光的利用率。另外，本发明的各部分可独立制作，灵活拼装，从而进一步简化背光源的制作工艺，降低成本，提高效率。

附图说明

通过参照对本发明的实施方案的图示说明可以更好地理解本发明，在附图中：

图1是根据本发明实施方案的背光源的结构示意图。

图2是根据本发明实施方案的背光源的工作原理示意图。

图3是根据本发明实施方案的光线矫正层的结构示意图。

图4是根据图3结构的横切面及工作原理示意图。

图5是根据本发明实施方案的光线矫正层的结构及横切面示意图。

图6是根据本发明实施方案的附加的光线矫正层的结构示意图。

图7是根据图6结构的横切面及工作原理示意图。

图8是根据本发明实施方案的偏光导光板的结构及工作原理示意图。

图9是通过改变基层的厚度调节出光强度的原理示意图。

图10是根据本发明实施方案的包括支撑层的偏光导光板的结构示意图。

图11是根据本发明实施方案的背光源的结构示意图。

图12是根据本发明实施方案的光源调节层的工作原理示意图。

图13是根据本发明实施方案的光源调节层的横切面示意图。

图14是根据本发明实施方案的光源调节层的俯视及结构示意图。

图15是根据本发明实施方案的各层拼接方法示意图。

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发明有一个全面的认识，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发明。在其他示例中，公知的结构和装置在方框图表中示出。在这方面，所举的说明性的示例实施方案仅为了说明，并不对本发明造成限制。因此，本发明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。

首先参照图1，其中示出一种根据本发明实施例的出射偏振光的背光源，所述背光源可以包括光源100、引导光线传播并将光源100发出的自然光转变成偏振光的偏光导光板200、具有偏振光出射方向矫正功能的光线矫正层300，以及位于偏光导光板200和光线矫正层300之间的低折射率层400。其中，偏光导光板200、光线矫正层300和低折射率层400基本上尺寸一致的平行层叠排列。低折射率层400用来间隔偏光导光板200和光线矫正层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的出光面耦合出射。低折射率层400可为空气层，其厚度可以调节，如使用间隔子来调节低折射率层400的厚度。

如图2所示，偏光导光板200具有入光面201、连接入光面201的出光面、以及连接出光面且与入光面201相对的侧面202。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，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200的内部结构(在下文详述)互相作用，其中的s-偏振光会以一定的几率被分离从偏光导光板200的出光面(上表面)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202漏出。一般地，取决于偏光导光板200的内部结构和材料，从偏光导光板200上表面出射的s-偏振光的出射方向并不一定沿着上表面的法线呈现对称分布，如图2中的光线211和212。而在通常背光源的应用中，要求出射光沿背光源的出光面法线对称分布，这样就要求偏光导光板200的内部结构和材料必须是最优的，从而导致了偏光导光板200的结构和所选材料受限。而光线矫正层300的作用在于，可以将倾斜分布的光线211和212矫正至法线对称分布，如光线311和312。同时，由于光线矫正层300的材质为各向同性的材料，可在矫正光线方向的同时保持透射光线的偏振特性，即光线311和312的偏振方向与光线211和212的偏振方向一致，都为s-偏振，从而保证背光源出射光线的偏振性。光线矫正层的折射率在1.40到1.65之间，其透光率在90％以上。

在一个实施例中，光线矫正层300的上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，如图3所示。棱镜结构的高度为5到50微米。如图4所示，进入到光线矫正层300内部的光线321、322、323或324，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331、332、333或334。棱镜的横切面为斜三角形，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311和312。斜三角形棱镜的左右底角的度数取决于进入光线矫正层300的入射偏振光的倾斜程度，也就是从偏光导光板200出射的偏振光的倾斜程度，更进一步，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到2的范围内变化。

在可选的实施方案中，光线矫正层300的下表面同时具有平行而等距排列，且沿着垂直于入光面201方向延伸的凹槽结构，如图5所示。凹槽结构的横切面可以是波浪形，就像图5所示，也可以是等腰三角形，其作用是使从偏光导光板200出射的偏振光在横向(与凹槽延伸方向垂直的方向)总光强均匀。对于波浪形的凹槽结构，波峰与波谷之间的距离l3以及相邻波峰或波谷之间的距离l4不大于100微米。

在另一个实施例中，除了光线矫正层300，还包括另一层光线矫正层300a。光线矫正层300a的上表面具有平行而等距排列，且沿着垂直于入光面201方向延伸的棱镜结构，如图6所示。棱镜的横切面为等腰三角形，其底角可在35度到50度之间变化。等腰三角形的高度为5到50微米，且两个相邻的棱镜顶角之间的距离l5与棱镜底边长度l6的比例可在1到2的范围内变化。光线矫正层300a可设置在光线矫正层300的上层，也可以设置在光线矫正层300与低折射率层400之间。如图7所示，光线矫正层300a可以将沿横向发散的大角度入射光聚合成小角度的出射光，从而提高背光源在正面的光强分布。

在另一个实施例中，如图8所示，偏光导光板200可以包括基层203和双折射层204，在基层203与双折射层204紧密结合的上表面具有沿与偏光导光板200的入光面201平行的方向延伸的微型棱镜结构。双折射层204远离基层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。在优选的实施方案中，基层203的厚度l7可以调节，从而调整从出光面射出的偏振光强度。如图9所示，以方向113入射的光，在基层203内通过波导模式不断地反射，s-偏振的光在反射传播过程中被基层203上表面的微型棱镜结构改变方向后从出光面射出。当基层203的厚度降低时，同样以方向113入射的光，在相同的传播长度的反射的次数增多，从而与微型棱镜结构接触的机会增多，最终从出光面出射的机会也增多，达到增强出光强度的效果。在优选实施方案中，基层203的厚度应不小于光源100的高度，可使从光源100出射的入射光全部进入基层203。在优选实施方案中，基层203的微型棱镜结构的高度不大于100微米，而双折射层204的厚度不小于微型棱镜结构的高度，以使微型棱镜结构全部包含在双折射层204中。

在可选的实施方案中，偏光导光板200可以进一步包括支撑层205。如图10所示，支撑层205的上表面与基层203的下表面紧密结合，其接触面的尺寸基本上一致。支撑层205可由各项同性的均匀材料组成，其折射率在1.45到1.65之间；也可由具有一定双折射性的材料组成，如pet材料，p-偏振的光在其中传播时会不断地旋光，实现p-偏振到s-偏振的转换。

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内表面上微型结构的形状。对于已设置好的微型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。通过增加光线矫正层300，矫正出射光的分布方向，使之以法线方向对称分布，从而降低了材料的限制性，降低了成本。

在另一个实施例中，背光源可以进一步包括光源调节层500。如图11所示，光源调节层500被设置在光源100和偏光导光板200之间，其尺寸与光源100和偏光导光板200的入光面基本一致。一般光源100，例如led光源发出的光，具有特定的配光曲线，根据光线与坐标轴的夹角，光源100发出的光线分类为小角度光线111和大角度光线112，其中小角度光线111的分布方向靠近光源100出光面的法线方向，而大角度光线112的方向分布偏离光源100出光面的法线方向，如图12所示。光线111和112进入偏光导光板200之后以波导模式传播并与双折射层204相互作用后，大角度光线112满足偏光导光板200的出射条件，从出光面射出；而小角度光线111则无法满足偏光导光板200的出射条件，以波导模式继续传播，最终从与偏光导光板200的入光面201相对的侧面202漏出。对于一般光源，可满足最终出射条件的大角度光线112仅占总光线量的30％或者更少。光源调节层500可以将光源100发出的光进行再调整，使部分小角度光线111转变成大角度光线512，从而使得大角度光线512的比例增加，从而增加偏光导光板200出光面耦合出射的光，从而增强背光源的光强。未被调整的部分小角度光线511仍会从侧面202漏出。在一个优选的实施方案中，通过光源调节层500之后，大角度光线占总光线量的比例可增加至60％或以上。

如图13中的(a)所示，光源调节层500在入光面具有平行排列的棱镜结构，棱镜结构沿与偏光导光板200的出光面平行的方向延伸。棱镜的高度为5到50微米。进入光源调节层500的小角度光线经过与棱镜表面和右侧平面的两次折射，从而产生向外偏折的效果，形成偏离法线方向的大角度光线。棱镜结构可为等腰三角形或斜三角形，两个底角可在0到90度(包括90度)之间变化。在一个可选的实施方案中，所述棱镜为等距排列，如图13中的(b)所示，且两个相邻的棱镜顶角之间的距离l8与棱镜底边长度l9的比例可在1到2的范围内变化。在另一个可选的实施方案中，如图13中的(c)所示，所述棱镜结构为菲涅尔透镜结构。

在另一个可选的实施方案中，光源调节层500在入光面具有平行排列的凸起结构，但是此凸起结构沿垂直于偏光导光板200的出光面的方向延伸，如图14左边的俯视图所示。凸起结构的横切面为光杯形。光杯的底盘大小与光源100中的led芯片的大小相匹配。经光源调节层500入光面进入的光线，其中在横向方向上的大角度光线会打到光杯的侧面上，经反射后，变成小角度的光线，从而起到将进入偏光导光板的光线角度分布在横向上收窄的功能。光杯壁的形状可为圆锥曲线、直线或首尾相连的折线。

在另一个实施例中，公开了一个制备上述所说的背光源的方法，包括独立形成光源100、偏光导光板200、光线矫正层300、和低折射率层400，然后以拼接的方式组合形成背光源。如图15中的(a)所示，将光线矫正层300和低折射率层400拼接在偏光导光板200的出光面，低折射率层400位于光线矫正层300和偏光导光板200之间；将光源100拼接在偏光导光板200的入光面。在一个优选的实施方案中，低折射率层400为空气层，光线矫正层300与偏光导光板200之间不做紧密贴合，而是形成空气层，空气层的厚度可以通过添加间隔子来控制。光源100与偏光导光板200之间，也可不做紧密贴合，相邻两层之间留有空气空隙。在可选实施方案中，背光源的制备方法还包括独立形成光源调节层500，将光源调节层500拼接在光源100和偏光导光板200之间，如图15中的(b)所示。光源调节层500可用胶水600贴合到偏光导光板200的入光面上，再将光源100通过上述方法拼接到光源调节层500上。

在另一个本发明的实施例中，提供了一种液晶显示装置，包括上述实施方案中任一项所述的背光源和液晶显示面板，液晶显示面板被设置在背光源的出光面一侧，且液晶显示面板靠近背光源一侧的偏振片的透光轴基本上平行于上述背光源出射光线的偏振方向。因此上述背光源提供的光线是具有特定偏振方向的线偏振光，在通过液晶显示面板中的下偏光片时，由于其偏振方向与下偏光片的透射轴一致，具有很高的透过率，理想情况下可以达到基本上100％通过，从而提高背光源的光利用率，节省能耗。同时由于所述背光源的出射光的强度和角度分布经过了设计，使最终的显示光强均匀，显示光角度可控，具有很好的显示效果。

尽管已经在上面以细节描述了数个示例性实施方案，但是所公开的实施方案仅是示例性而非限制性的，并且本领域技术人员将容易意识到，在示例性实施方案中很多其他修改、改动和/或替换是可能的，而不实质偏离本公开的新颖性教导和优点。因此，所有这些修改、改动和/或替换意图被包括在如所附权利要求书所限定的本公开的范围内。