光转换结构、背光模组及虚拟现实显示装置的制作方法

本发明涉及显示产品制作技术领域，尤其涉及一种光转换结构、背光模组及虚拟现实显示装置。

背景技术：

由于vr(虚拟现实)系统的光路特性，发展适用于vr显示的指向型模组可以有效提升光效。vr系统的显示屏幕的尺寸偏小，随着vr系统的不断发展，vr系统的显示屏幕的尺寸还在继续不断减小，例如有的已经减小到了2.48英寸。lcd(liquidcrystaldisplay的简称，液晶显示器)模组使用的侧入式背光，在尺寸减小时会出现更多的反射光，并且反射光的光程较长，在vr显示中如果反射光不能用于光指向将会导致光能利用率的下降。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种光转换结构、背光模组及虚拟现实显示装置，解决在vr显示中如果反射光不能用于光指向将会导致光能利用率的下降的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光转换结构，包括：

透明基材，所述透明基材包括相对设置的第一表面和第二表面；

多个第一棱镜结构，阵列式排布于所述第一表面，每个所述第一棱镜结构包括相邻或相对设置的第一入光面和第二入光面，所述第一入光面用于接收从第一方向入射的第一入射光，所述第二入光面用于接收从第二方向入射的第二入射光；

多个第二棱镜结构，阵列式排布于所述第二表面，且多个所述第二棱镜结构与多个所述第一棱镜结构一一对应设置，每个所述第二棱镜结构包括相邻或相对设置的第一出光面和第二出光面；

所述第一入射光从所述第一入光面入射至所述第一棱镜结构、经所述透明基材、所述第二棱镜结构、能够以第一预设角度从所述第一出光面出射；

所述第二入射光从所述第二入光面入射至所述第一棱镜结构、经所述透明基材、所述第二棱镜结构、能够以所述第二预设角度从所述第二出光面出射；

其中，所述第一预设角度与所述第二预设角度的差值小于预设值。

可选的，所述第一预设角度为从所述第一出光面出射的光与垂直于所述第二表面的方向之间的夹角，所述第二预设角度为从所述第二出光面出射的光与垂直于所述第二表面的方向之间的夹角，所述第一预设角度与所述第二预设角度相同。

可选的，每一行或每一列的所述第一棱镜结构相对于其行向中心或列向中心对称设置；

每一行或每一列的所述第二棱镜结构相对于其行向中心或列向中心对称设置。

可选的，所述第一棱镜结构包括相邻设置的所述第一入光面和所述第二入光面，以及设置于所述透明基材上的第一连接面，所述第一入光面和所述第二入光面均与所述第一连接面连接，所述第二棱镜结构包括相邻设置的所述第一出光面和所述第二出光面，以及设置于所述透明基材上的第二连接面，所述第一出光面和所述第二出光面均与所述第二连接面连接；

所述第一入射光从所述第一入光面入射至所述第一棱镜结构内，并在所述第二入光面的内侧发生全反射后，从所述第一出光面出射；

所述第二入射光从所述第二入光面入射至所述第一棱镜结构内，并在所述第一入光面的内侧发生全反射后，从所述第二出光面出射。

可选的，从所述第一出光面出射的光的出射角度满足以下公式：

其中，θ12为从所述第一出光面出射的光与垂直于所述第二表面的方向之间角度，θ4为所述第一入射光与垂直于所述第一表面的方向之间的夹角，n1为所述第一棱镜结构的折射率，n2为所述第二棱镜结构的折射率，α1为所述第一入光面与所述第一表面之间的夹角，α2为所述第二入光面与所述第一表面之间的夹角，β2为所述第一出光面与所述第二表面之间的夹角，α3为所述第一入光面和所述第二入光面之间的夹角。

可选的，从所述第二出光面出射的光的出射角度满足以下公式：

其中，θ′12为从所述第二出光面出射的光与垂直于所述第二表面的方向之间角度，θ′4为所述第二入射光与垂直于所述第一表面的方向之间的夹角，n1为所述第一棱镜结构的折射率，n2为所述第二棱镜结构的折射率，α1为所述第一入光面与所述第一表面之间的夹角，α2为所述第二入光面与所述第一表面之间的夹角，α3为所述第一入光面和所述第二入光面之间的夹角，β1为所述第二出光面与所述第二表面之间的夹角，β2为所述第一出光面与所述第二表面之间的夹角。

可选的，所述第一连接面的面积与所述第二连接面的面积相同，且每一所述第一棱镜结构的第一连接面与对应的第二棱镜结构的第二连接面在所述透明基材上的正投影重合。

可选的，所述第一棱镜结构、所述第二棱镜结构的折射率相同。

可选的，所述第一棱镜结构、所述透明基材、所述第二棱镜结构一体成型。

本发明还提供一种背光模组，包括导光板以及上述的光转换结构，所述导光板包括出光面，所述光转换结构位于所述导光板的出光侧，所述导光板还包括位于所述导光板与所述出光面相邻的第一侧的光源，以及位于所述导光板与所述第一侧相对设置的第二侧的反射结构；

所述第一入射光为所述光源发出的光中经过所述导光板传播并直接从所述导光板的出光面出射的光；

所述第二入射光为所述光源发出的光中经过导光板传播后、从所述第二侧出射、并经所述反射结构反射回所述导光板后、再次被导光板导出的光。

本发明还提供一种vr显示装置，包括上述的背光模组。

本发明的有益效果是：可以使得不同方向入射至所述光转换结构的第一入射光和第二入射光以预设角度出射，从而通过调节入射光的出射角度，使得入射光的出射角度与vr光路相匹配，且使得不同方向入射至所述光转换结构的第一入射光和第二入射光的出射角度均与vr光路匹配，提供光能利用率。

附图说明

图1表示本实施例的一实施方式中的背光模组的结构示意图；

图2表示本实施例的一实施方式中的第一入射光和第二入射光的光路示意图；

图3表示本实施例的一实施方式中的第一入射光的光路示意图；

图4表示图3的部分结构放大示意图；

图5表示本实施例的一实施方式中的第二入射光的光路示意图；

图6表示图5的部分结构放大示意图；

图7表示本实施例的一实施方式中第一入射光经所述光转换结构后出射的光路示意图；

图8表示本实施例的一实施方式中第二入射光经所述光转换结构后出射的光路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，lcd(liquidcrystaldisplay的简称，液晶显示器)模组使用的侧入式背光，在尺寸减小时会出现更多的反射光，并且反射光的光程较长，在vr显示中如果反射光不能用于光指向将会导致光能利用率的下降。针对上述技术问题，本实施例提供了一种光转换结构，可以使得第一方向的第一入射光和第二方向的第二入射光，以差值小于预设值的第一预设角度和第二预设角度出射，通过调节第一入射光和第二入射光的出射角度可实现光指向。将所述光转换结构应用于屏幕尺寸较小、反射光较多的vr显示背光，能够利用反射光实现光指向，提升光能利用率，降低vr显示模组的功耗。

具体的，如图1-图6所示，本实施例的一种光转换结构10，包括：

透明基材101，所述透明基材101包括相对设置的第一表面和第二表面；

多个第一棱镜结构102，阵列式排布于所述第一表面，每个所述第一棱镜结构102包括相邻或相对设置的第一入光面和第二入光面，所述第一入光面用于接收从第一方向入射的第一入射光100，所述第二入光面用于接收从第二方向入射的第二入射光200；

多个第二棱镜结构103，阵列式排布于所述第二表面，且多个所述第二棱镜结构103与多个所述第一棱镜结构102一一对应设置，每个所述第二棱镜结构103包括相邻或相对设置的第一出光面和第二出光面；

所述第一入射光100从所述第一入光面入射至所述第一棱镜结构102、经所述透明基材101、所述第二棱镜结构103、能够以第一预设角度从所述第一出光面出射；

所述第二入射光200从所述第二入光面入射至所述第一棱镜结构102、经所述透明基材101、所述第二棱镜结构103、能够以所述第二预设角度从所述第二出光面出射；

其中，所述第一预设角度与所述第二预设角度的差值小于预设值。

采用上述技术方案，可以使得不同方向入射至所述光转换结构10的第一入射光100和第二入射光200以预设角度出射，从而通过调节入射光的出射角度，使得入射光的出射角度与vr光路相匹配，且使得不同方向入射至所述光转换结构10的第一入射光100和第二入射光200的出射角度均与vr光路匹配，提供光能利用率。

所述预设值的大小可根据实际需要设定，只要经所述光转换结构10偏转后的光能够与vr光路相匹配。本实施例的一具体实施方式中，所述第一预设角度(θ12)为从所述第一出光面出射的光与垂直于所述第二表面的方向之间的夹角，所述第二预设角度(θ′12)为从所述第二出光面出射的光与垂直于所述第二表面的方向之间的夹角，所述第一预设角度与所述第二预设角度相同，即所述预设值为零，也就是说，所述第一预设角度与所述第二预设角度的差值为零。

本实施例中，每一行或每一列的所述第一棱镜结构102相对于其行向中心或列向中心对称设置；

每一行或每一列的所述第二棱镜结构103相对于其行向中心或列向中心对称设置。

第一棱镜结构102和第二棱镜结构103均是以中心对称的方式、排布于所述透明基材101上，不同方向的入射光经所述光转换结构10偏转角度后，均向所述透明基材101的中心的方向收敛的方向出射，有效的提高光能利用率，保证光指向性。

所述第一棱镜结构102和所述第二棱镜结构103的具体结构形式可以有多种，本实施例中，所述第一棱镜结构102包括相邻设置的所述第一入光面和所述第二入光面，以及设置于所述透明基材101上的第一连接面，所述第一入光面和所述第二入光面均与所述第一连接面连接，所述第二棱镜结构103包括相邻设置的所述第一出光面和所述第二出光面，以及设置于所述透明基材101上的第二连接面，所述第一出光面和所述第二出光面均与所述第二连接面连接；

所述第一入射光100从所述第一入光面入射至所述第一棱镜结构102内，并在所述第二入光面的内侧发生全反射后，从所述第一出光面出射；

所述第二入射光200从所述第二入光面入射至所述第一棱镜结构102内，并在所述第一入光面的内侧发生全反射后，从所述第二出光面出射。

参考图1-图6，本实施例中的第一棱镜结构102和第二棱镜结构103的截面为三角形，图1中，从光源40发出的光线1和光线2(光线1和光线2的方向相同)经导光板20、第一棱镜结构102和第二棱镜结构103后在两个位置分别以两个角度出射(入射至两个不同的第一棱镜结构102的第一入光面、并且从两个不同的第二棱镜结构103的第一出光面出射，光线1和光线2的出射角度不同)；从光源40发出的光线到达导光板20的对侧(导光板20上与入光面相对设置的一侧)后经反射结构30反射，反射光线3和光线4经导光板20、第一棱镜结构102和第二棱镜结构103后同样在两个位置分别以两个角度出射(入射至两个不同的第一棱镜结构102的第二入光面、并且从两个不同的第二棱镜结构103的第二出光面出射，光线3和光线4的出射角度不同)。第一棱镜结构102和第二棱镜结构103分别为中心对称式分布，通过调整第一棱镜结构102和第二棱镜结构103的参数(包括相邻的第一入光面和第二入光面之间的角度等参数)，可使在同一位置出射(从同一个第二棱镜结构103的第一出光面和第二出光面出射)的光线1和光线4的出射角度相同，在同一位置出射(从同一个第二棱镜结构103的第一出光面和第二出光面出射)的光线2和光线3的出射角度相同，且使出射角度与vr光路匹配。

本实施例中，从所述第一出光面出射的光的出射角度满足以下公式：

其中，θ12为从所述第一出光面出射的光与垂直于所述第二表面的方向之间角度，θ4为所述第一入射光100与垂直于所述第一表面的方向之间的夹角，n1为所述第一棱镜结构102的折射率，n2为所述第二棱镜结构103的折射率，α1为所述第一入光面与所述第一表面之间的夹角，α2为所述第二入光面与所述第一表面之间的夹角，β2为所述第一出光面与所述第二表面之间的夹角，α3为所述第一入光面和所述第二入光面之间的夹角。

参考图2、图3和图4，由折射、全反射定量和几何角度关系可得到如下关系式：

α1+α2+α3＝π(4)；

θ7+θ8＝α3(5)；

sinθ6＝n1*sinθ7(7)；

θ8＝θ9(8)；

n2*sinθ10＝sinθ11(9)

θ12＝θ11-β2(10)。

其中，公式(3)由三角形gbh以及三角形abc中获得：

∠g+∠b+∠h＝π；

∠gbh＝α1。

公式(5)由以下公式获得：

∠bhi+∠bih+α3＝π。

公式(6)由以下公式获得：

β2+∠fkj+∠kjf＝π；(a)

由公式(a)和(b)获得：

α2+∠lic+∠ilc＝π；(d)

由公式(c)和(d)获得，

本实施例一具体实施方式中，所述第一棱镜结构102和所述第二棱镜结构103的折射率相同，即入射至所述基材的光线与从所述透明基材101出射的光线平行所以∠dkj＝∠ilc，(g)，由公式(e)、(f)、(g)获得上述公式(6)。

需要说明的是，所述第一棱镜结构102和所述第二棱镜结构103的折射率也可以不同，此时，n1*cos(∠dkj)＝n2*cos(∠ilc)，结合公式(e)、(f)可获得公式然后结合上述的其他公式即可获得需要的θ12的推导公式。

公式(10)由以下公式获得：

θ11-θ12＝∠mjn。

光线经所述第一棱镜结构102、所述透明基材101、所述第二棱镜结构103的传播过程必须满足以下条件：光线要在bc边发生全反射，入射角要大于临界全反射角，在ef边发生折射，入射角要小于临界全反射角，具体需要满足的条件如下：

本实施例中，从所述第二出光面出射的光的出射角度满足以下公式：

其中，θ′12为从所述第二出光面出射的光与垂直于所述第二表面的方向之间角度，θ′4为所述第二入射光200与垂直于所述第一表面的方向之间的夹角，n为所述透明基材101的折射率，n1为所述第一棱镜结构102的折射率，n2为所述第二棱镜结构103的折射率，α1为所述第一入光面与所述第一表面之间的夹角，α2为所述第二入光面与所述第一表面之间的夹角，α3为所述第一入光面和所述第二入光面之间的夹角，β1为所述第二出光面与所述第二表面之间的夹角，β2为所述第一出光面与所述第二表面之间的夹角。

参考图2、图5和图6，由折射、全反射定量和几何角度关系可得到如下关系式：

α1+α2+α3＝π(14)；

θ′7+θ′8＝α3(15)；

sinθ′6＝n1*sinθ′7(17)；

θ′8＝θ′9(18)；

n2*sinθ′10＝sinθ′11(19)

θ′12＝β1-θ′11(20)。

其中，其中，公式(13)由三角形gbh以及三角形abc中获得：

∠g+∠b+∠h′＝π；

∠gbh′＝α1。

公式(15)由以下公式获得：

∠bh′i′+∠bi′h′+α3＝π。

公式(16)由以下公式获得：

β1+∠dk′j′+∠k′j′d＝π；(a′)

由公式(a′)和(b′)获得：

α1+∠l′i′a+∠i′l′a＝π；(d′)

由公式(c′)和(d′)获得，

本实施例一具体实施方式中，所述第一棱镜结构102和所述第二棱镜结构103的折射率相同，即入射至所述基材的光线与从所述透明基材101出射的光线平行所以∠fk′j′＝∠i′l′a，(g′)，由公式(e′)、(f′)、(g′)获得上述公式(16)。

需要说明的是，所述第一棱镜结构102和所述第二棱镜结构103的折射率也可以不同，此时，n1*cos(∠fk′j′)＝n2*cos(∠i′l′a)，结合公式(e)、(f)可获得公式然后结合上述的其他公式即可获得需要的θ′12的推导公式。

公式(20)由以下公式获得：

θ′11+θ′12＝∠m′j′n′。

光线经所述第一棱镜结构102、所述透明基材101、所述第二棱镜结构103的传播过程必须满足以下条件：光线要在ab边发生全反射，入射角要大于临界全反射角，在de边发生折射，入射角要小于临界全反射角，具体需要满足的条件如下：

根据上述公式(1)和公式(11)，根据需要设置第一棱镜结构102和第二棱镜结构103的角度(α1、α2、α3、β1、β2、β3)，可使得所述第一预设角度与所述第二预设角度的差值小于预设值，本实施例的一具体实施方式中，若第一入射光100和第二入射光200满足θ4＝θ′4，则通过选择合适的第一棱镜结构102和第二棱镜结构103的角度(α1、α2、α3、β1、β2、β3)可使θ12＝θ′12，这样便更好的实现了对于双向入射光均可实现光指向的效果。

本实施例的一具体实施方式中，假定vr光路的目标角度θ12＝10°，取一种简单的情况进行说明，令α1＝α2＝50°，θ4＝75°，n＝1.5，n1＝1.6，n2＝1.6，此时，根据公式(1)和公式(11)，通过数值求解可分别得到：β1＝21.6°，β2＝45.3°。将相应的角度参数建立lighttools模型(光学建模)，lighttools模拟的相应光路如图7和图8所示，可以看到对于本实施例的光转换结构10，第一入射光100和第二入射光200经光转换结构10后具有一致的出射角度，均为10°。

本实施例中，所述第一连接面的面积与所述第二连接面的面积相同，且每一所述第一棱镜结构102的第一连接面与对应的第二棱镜结构103的第二连接面在所述透明基材101上的正投影重合，即每一所述第一棱镜结构102的第一连接面在所述透明基材101上的正投影与对应的第二棱镜结构103的第二连接面在所述透明基材101上的正投影重合，例如，将一个第一棱镜结构命名为第一子棱镜结构，将与第一子棱镜结构对应的一个第二棱镜结构命名为第二子棱镜结构，那么，第一子棱镜结构的第一连接面在所述透明基材101上的正投影于第二子棱镜结构在所述透明基材101上的正投影重合。

采用上述技术方案，所述第一棱镜结构102和所述第二棱镜结构103一一对应设置，使得入射至一个所述第一棱镜结构102的入射光，从与该第一棱镜结构102对应的第二棱镜结构103中出射，利于光出射角度的调节。

本实施例的一具体实施方式中，所述第一棱镜结构102、所述第二棱镜结构103的折射率相同，但并不以此为限，所述第一棱镜结构102、所述第二棱镜结构103的折射率相同便于选择所述第一棱镜结构102、所述第二棱镜结构103的材质，简化获得所述第一预设角度和所述第二预设角度的计算过程，便于调整所述第一棱镜结构102和所述第二棱镜结构103的相应的角度，便于获得所需的光的出射角度。

本实施例中，所述第一棱镜结构102、所述透明基材101、所述第二棱镜结构103一体成型，简化工艺步骤，增强所述第一棱镜结构102、所述透明基材101、所述第二棱镜结构103的稳定性。

本实施例还提供一种背光模组，包括导光板20以及上述的光转换结构10，所述导光板20包括出光面，所述光转换结构10位于所述导光板20的出光侧，所述导光板20还包括位于所述导光板20与所述出光面相邻的第一侧的光源40，以及位于所述导光板20与所述第一侧相对设置的第二侧的反射结构30；

所述第一入射光100为所述光源40发出的光中经过所述导光板20传播并直接从所述导光板20的出光面出射的光；

所述第二入射光200为所述光源40发出的光中经过导光板20传播后、从所述第二侧出射、并经所述反射结构30反射回所述导光板20后、再次被导光板20导出的光。

本实施例中，所述导光板20的入光面与出光面相邻设置，所述光源40正对所述入光面设置，该背光模组为侧入式背光模组。

本实施例中的背光模组可应用于屏幕尺寸较小反射光较多的vr显示背光，能够利用反射光实现光指向，提升光能利用率，降低vr显示模组的功耗。

本实施例还提供一种虚拟现实显示装置，包括上述的背光模组。

通过光转换结构10的设置，可以使得不同方向入射至所述光转换结构10的第一入射光100和第二入射光200以预设角度出射，从而通过调节入射光的出射角度，使得入射光的出射角度与vr光路相匹配，且使得不同方向入射至所述光转换结构10的第一入射光100和第二入射光200的出射角度均与vr光路匹配，提供光能利用率。

以上所述为本发明较佳实施例，需要说明的是，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围。