一种背光模组及显示装置的制作方法

本申请涉及显示技术领域，尤其涉及一种背光模组及显示装置。

背景技术：

相关技术中，虚拟现实(vr)显示产品的尺寸较小，并且随着vr系统的不断发展，vr显示产品的尺寸还在继续减小，例如有的vr显示产品已经减小到了2.48英寸。vr显示产品包括背光模组和液晶(lcd)显示模组。为满足vr显示产品对高亮度的需求，背光模组中一般在导光板的两个相对的侧面分别设置侧入式背光和反射片，或者，采用双灯条构成的侧入式背光。然而，随着vr显示产品尺寸的减小，侧入式背光与反射片之间的距离缩短，越来越多的侧入式背光发射光线会被反射片反射后变为反射光，并且反射光的光程较长，如果反射光不能用于光指向将会导致光能利用率的下降。另外，双灯条构成的侧入式背光经导光板导出后，再经导光板上方的扩散片和棱镜组共同作用后变为均一的出射光，致使光指向性不好，光能利用率较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例提供一种背光模组及显示装置，用以实现指向出光，提升光能利用率。

因此，本申请实施例提供的一种背光模组，包括：导光板，以及位于所述导光板出光面一侧的棱镜膜；其中，

所述棱镜膜，包括：基材，以及设置在所述基材面向所述导光板的一侧，沿第一方向延伸且沿第二方向排列的多个条状棱镜；

所述条状棱镜的底角满足如下条件：使所述导光板出射的与法线具有对称夹角的光线分别入射至所述条状棱镜的两个侧面后，按设定的同一方向出射；所述棱镜膜具有至少两种出光方向。

在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述背光模组中，所述棱镜膜分为沿所述第一方向延伸且沿所述第二方向排列的至少两个出光区域，在一个所述出光区域内的各所述条状棱镜的出光方向相同，不同所述出光区域内的各所述条状棱镜的出光方向不同。

在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述背光模组中，所述棱镜膜包括至少一对以所述第一方向延伸的中心轴呈对称分布的第一出光区域和第二出光区域，所述第一出光区域和所述第二出光区域的出光方向相反且与所述法线的夹角相同。

在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述背光模组中，在一个所述第一出光区域和所述第二出光区域内，各所述条状棱镜的第一底角小于所述第二底角，所述第一底角为所述条状棱镜的出光方向偏离所述法线指向的底角。

在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述背光模组中，所述第一底角与所述第二底角之差越大，所述条状棱镜的出光方向偏离所述法线的角度越大。

在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述背光模组中，所述第一出光区域和所述第二出光区域的出光方向均指向或背离所述中心轴。

在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述背光模组中，所述棱镜膜还包括位于所述第一出光区域和所述第二出光区域之间的第三出光区域；

所述第三出光区域的出光方向平行于所述法线。

在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述背光模组中，在所述第三出光区域内的各所述条状棱镜的两个底角相同。

在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述背光模组中，各所述条状棱镜为条状三棱镜，各所述条状三棱镜的主截面中远离所述基材一侧的顶角相同。

在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述背光模组中，各所述条状三棱镜的主截面中靠近所述基材一侧的底边相等。

在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述背光模组中，还包括：位于所述导光板第一侧面的第一光源，位于所述导光板第二侧面的第二光源或反射片，以及位于所述导光板出光面相对侧的背板；其中，所述第一侧面与所述第二侧面相对而置。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种显示装置，包括：上述背光模组，以及位于所述背光模组出光侧的显示模组。

在一种可能的实现方式中，在本申请实施例提供的上述显示装置中，所述显示装置为虚拟现实显示设备。

本申请有益效果如下：

本申请实施例提供的背光模组及显示装置，包括：导光板，以及位于导光板出光面一侧的棱镜膜；其中，棱镜膜，包括：基材，以及设置在基材面向导光板的一侧，沿第一方向延伸且沿第二方向排列的多个条状棱镜；条状棱镜的底角满足如下条件：使导光板出射的与法线具有对称夹角的光线分别入射至条状棱镜的两个侧面后，按设定的同一方向出射；棱镜膜具有至少两种出光方向。由于背光模组所含条状棱镜的底角满足如下条件：使导光板出射的与法线具有对称夹角的光线分别入射至条状棱镜的两个侧面后，按设定的同一方向出射；棱镜膜具有至少两种出光方向。具体地，导光板出射的与法线具有对称夹角的光线，分别为导光板出射的侧入式背光所发射光线与反射片所反射光线，或者，分别为导光板出射的双灯条所发射光线。因此，本申请提供的背光模组实现了指向性出光，提高了光能利用率。

附图说明

图1和图2分别为本申请实施例提供的背光模组的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的棱镜膜的结构示意图；

图4为图1和图2中单个条状棱镜的光路放大示意图；

图5和图6分别为光线经棱镜膜的传播路径示意图；

图7为f(α1,α2)曲面和c为不同数值时的g(α1,α2)的平面；

图8为α3为不同取值时对应的f(α1,α2)的数值取线；

图9为棱镜膜的一出光区域定向出光的模拟光路示意图；

图10为相关技术中导光板的角亮度分布光型；

图11至图13分别为相关技术中导光板的出射光线在本申请实施例提供的棱镜膜上三个位置的角亮度分布光型。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“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。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“内”、“外”、“上”、“下”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本申请实施例提供的一种背光模组，如图1和图2所示，包括：导光板101，以及位于导光板101出光面一侧的棱镜膜102；其中，

棱镜膜102，包括：基材1021，以及设置在基材1021面向导光板101的一侧，沿第一方向y延伸且沿第二方向x排列的多个条状棱镜1022，如图3所示；

条状棱镜1022的底角满足如下条件：使导光板101出射的与法线具有对称夹角θ1和θ1’的光线分别入射至条状棱镜1022的两个侧面后，按设定的同一方向出射(即θ角与θ’角的大小相等或其差值在不影响使用的误差范围内)，如图4所示；棱镜膜102具有至少两种出光方向，具体地，图1和图2中示例性地给出了三种出光方向。

在本申请实施例提供的上述背光模组中，由于条状棱镜1022的底角满足如下条件：使导光板101出射的与法线具有对称夹角的光线分别入射至条状棱镜1022的两个侧面后，按设定的同一方向出射；棱镜膜102具有至少两种出光方向。具体地，导光板101出射的与法线具有对称夹角的光线，分别为导光板101出射的侧入式背光所发射光线(例如图1和图2中的左侧入射光线l1、l3、l5和l7)与反射片104所反射光线(例如图1和图2中的右侧入射光线l2、l4、l6和l8)，或者，分别为导光板101出射的双灯条所发射光线(例如分别为图1和图2中的左侧入射光线l1、l3、l5和l7和右侧入射光线l2、l4、l6和l8)。因此，在本申请中，棱镜膜102利用两个方向的入射光实现了光指向出射，提高了光能利用率。

需要说明的是，棱镜膜102与导光板101之间无需通过光学胶等部件进行固定，在具体实施时，棱镜膜102与导光板101的出光面直接接触即可，二者之间仅具有填充导光板101与各条状棱镜1022之间空隙的空气介质。在图1和图2中是为了便于进行说明，而没有将棱镜膜102与导光板101的出光面进行接触。

可选地，在本申请实施例提供的上述背光模组中，棱镜膜102分为沿第一方向y延伸且沿第二方向x排列的至少两个出光区域，在一个出光区域内的各条状棱镜1022的出光方向相同，不同出光区域内的各条状棱镜1022的出光方向不同。

实际应用情况下，一般需要在多个指定的方向上进行出光，因此，在本申请实施例提供的上述背光模组中，棱镜膜102包括至少一对以第一方向y延伸的中心轴呈对称分布的第一出光区域aa1和第二出光区域aa2，第一出光区域aa1和第二出光区域aa2的出光方向相反且与法线的夹角相同。

在图1和图2中，示例性地给出了五对以第一方向y延伸的中心轴呈对称分布的第一出光区域aa1和第二出光区域aa2。具体地，左起第n个条状棱镜1022所在区域与右起第n个条状棱镜1022所在区域构成一对第一出光区域aa1和第二出光区域aa2，每对第一出光区域aa1和第二出光区域aa2的出光方向相反且与法线的夹角相同，其中n为小于或等于5的正整数。当然，在具体实施时，不仅如图1和图2所示在每一个发光区域内设置一个条状棱镜，还可以在每一个发光区域内设置多个相同的条状棱镜，在此不做限定。

可选地，在本申请实施例提供的上述背光模组中，可通过调节条状棱镜1022的底角角度实现光指向，具体地，在一个第一出光区域aa1和第二出光区域aa2内，可设置各条状棱镜1022的第一底角α1小于第二底角α2，第一底角α1为条状棱镜1022的出光方向偏离法线指向的底角，如图5和图6所示。

可选地，在本申请实施例提供的上述背光模组中，第一底角α1与第二底角α2之差越大，条状棱镜1022的出光方向偏离法线的角度越大。例如，在图1中，自左起第一个条状棱镜1022指向左起第四个条状棱镜1022的方向上，第一底角α1与第二底角α2的差值逐渐变小，条状棱镜1022的出光方向偏离法线的角度逐渐变小；且自右起第一个条状棱镜1022指向右起第四个条状棱镜1022的方向上，第一底角α1与第二底角α2的差值逐渐变小，条状棱镜1022的出光方向偏离法线的角度逐渐变小；使得经棱镜膜102出射的光线指向中心轴即向中间区域汇聚。又如，在图2中，自左起第四个条状棱镜1022指向左起第一个条状棱镜1022的方向上，第一底角α1与第二底角α2的差值逐渐增大，条状棱镜1022的出光方向偏离法线的角度逐渐增大；且自右起第四个条状棱镜1022指向右起第一个条状棱镜1022的方向上，第一底角α1与第二底角α2的差值逐渐增大，条状棱镜1022的出光方向偏离法线的角度逐渐增大；使得经棱镜膜102出射的光线背离中心轴即向两侧区域发散。

可选地，在本申请实施例提供的上述背光模组中，如图1和图2所示，棱镜膜102还可以包括位于第一出光区域aa1和第二出光区域aa2之间的第三出光区域aa3；

第三出光区域aa3的出光方向平行于法线。

可选地，在本申请实施例提供的上述背光模组中，在第三出光区域aa3内的各条状棱镜1022的两个底角相同。通过两个相同底角的设置，使得第三出光区域aa3的出光方向平行于法线。

可选地，在本申请实施例提供的上述背光模组中，如图1和图2所示，各条状棱镜1022为条状三棱镜，各条状三棱镜的主截面中远离基材1021一侧的顶角相同。一般地，对于每个条状棱镜的加工均对应有一个刀具角度，设置各条状三棱镜的顶角相同，使得可在加工各条状棱镜的过程中使用同一刀具，避免了刀具的更换，生产效率高。

可以理解的是，各条状三棱镜的主截面中远离基材1021一侧的顶角相同是一种较优的实施方式，在具体实施时，各条状三棱镜的主截面中远离基材1021一侧的顶角也可以不同，在此不做限定。

可选地，在本申请实施例提供的上述背光模组中，各条状三棱镜的主截面中靠近基材1021一侧的底边相等。在顶角与底边固定的情况下，根据不同出光区域的预设出光方向相匹配的底角，即可确定每个条状三棱镜的高度，便于实现对各条状三棱镜的加工。

可以理解的是，各条状三棱镜的主截面中靠近基材1021一侧的底边相等是一种较优的实施方式，在具体实施时，各条状三棱镜的主截面中靠近基材1021一侧的底边也可以不相等，在此不做限定。

一般地，在本申请实施例提供的上述背光模组中，如图1和图2所示，还可以包括：位于导光板101第一侧面的第一光源103，位于导光板101第二侧面的第二光源104或反射片104’，以及位于导光板101出光面相对侧的背板105；其中，第一侧面与第二侧面相对而置。

为更好地理解本申请提供的上述背光模组的技术方案，下面对图1所示的背光模组进行详细说明。

针对图1所示背光模组，从第一光源103(例如led灯条)发出的光线l1、l3、l5和l7经导光板101、棱镜膜102后在四个位置分别以四个设定的方向出射；从第二光源104(例如led灯条)发出或反射片104’反射后的光线l2、l4、l6和l8经导光板101、棱镜膜102后在四个位置分别以四个设定的方向出射。其中，光线l1和光线l8经导光板101出射后与法线具有对称夹角，光线l3和光线l6经导光板101出射后与法线具有对称夹角，光线l5和光线l4经导光板101出射后与法线具有对称夹角，光线l7和光线l2经导光板101出射后与法线具有对称夹角。棱镜膜102关于沿第一方向y延伸的中心轴左右对称，通过调整条状棱镜1022的角度，可使在同一条状棱镜1022出射的光线l1和光线l8出射方向(例如与法线之间的夹角为20°)相同，在同一条状棱镜1022出射的光线l3和光线l6出射方向相同(例如与法线平行)，在同一条状棱镜1022出射的光线l5和光线l4出射方向(例如与法线平行)相同，在同一条状棱镜1022出射的光线l7和光线l2出射方向(例如与法线之间的夹角为20°)相同，且不同条状棱镜1022的出射方向与vr光路匹配。

具体地，根据以下内容完成各条状棱镜1022的设计。导光板101出射的与法线具有对称夹角θ1和θ1’的两条光线分别入射至条状棱镜1022的两个侧面后，按设定的同一方向出射为例进行说明。

导光板101出射的与法线具有对称夹角θ1和θ1’的光线经棱镜膜102的传播路径分别如图5和图6所示。

在图5中，n1表示条状棱镜1022的折射率；n2表示基材1021的折射率；n表示环境介质的折射率，一般为空气介质，此时n＝1。α1表示条状棱镜1022的出光方向偏离法线指向的第一底角，α2表示条状棱镜1022的出光方向偏离法线指向的第二底角，α3表示条状棱镜1022的顶角。θ1表示导光板101左侧出射光线与法线之间的夹角，θ2表示θ1的余角，θ3表示导光板101左侧出射光线在条状棱镜1022的主截面上ab边的入射角，θ4表示导光板101左侧出射光线在条状棱镜1022的主截面上ab边的折射角，θ5表示导光板101左侧出射光线在条状棱镜1022的主截面上bc边的入射角，θ6表示导光板101左侧出射光线在条状棱镜1022的主截面上bc边的全反射角，θ7表示导光板101左侧出射光线在条状棱镜1022的主截面上ac边的入射角，θ表示导光板101左侧出射光线在基材1021上出射角。由折射定律、全反射定律和几何角度关系可得到如下关系式：

另外，图5所示光线传播过程中，光线要在bc边发生全反射，入射角要大于临界全反射角，在ac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：

综合以上关系式，对于导光板101左侧出射光线(即棱镜膜201的左侧入射光线)经棱镜膜201后的出射角度θ与θ1、n1、n2、α1和α2的关系如下：

类似的，在图6中所示右侧入射光路示意图中，由折射定律、全反射定律和几何角度关系可得到如下关系式：

综合以上关系式，对于导光板101右侧出射光线(即棱镜膜201的右侧入射光线)经棱镜膜201后的出射角度θ’与θ1’、n1、n2、α1和α2的关系如下：

考虑以上关系式，若让棱镜膜201的左侧入射光线和右侧入射光线满足θ1＝θ1’，则通过选择合适的条状棱镜1022的角度可使θ＝θ’，如果联立的方程有解，则实现了对于双向入射光均可实现光指向的效果。特别的，对于条状棱镜1022的加工一般有一个固定的刀具角度，即α3为固定值，此时α1+α2＝180-α3，也是一个固定值，所以可以得到以下方程组：

其中，c代表定值，在公式g(α1,α2)＝α1+α2-c的约束下，找到一个c值，使得f(α1,α2)的绝对值最小，即θ≈θ’。

以一个实施例作为说明，n1＝1.58，假定导光板的光线出射角度θ1＝θ1’＝72°，通过上述f(α1,α2)的公式和g(α1,α2)的公式找到α1和α2的数值，使得f(α1,α2)的绝对值最小。从数学的角度看，f(α1,α2)的公式代表一个以α1和α2为自变量的曲面，g(α1,α2)的公式代表以α1和α2为自变量的平面。g(α1,α2)的公式所代表的平面与g(α1,α2)＝0这一平面的交线表示α1+α2＝c，可同时得到α3＝180-c，α1、α2和α3可组成三角形。综上，要寻找的是找到这样一个c值，此时在交线上的α1和α2所对应的f(α1,α2)有最小的绝对值。通过令c等于各个角度数据可以找到这样的交线，如图7所示。经过数值寻找，可以找到当c＝114°，即α3＝66°时，f(α1，α2)的绝对值最小，f(α1，α2)的数据如图8所示。固定α3＝66°，不同的目标角度θ和θ’可以通过选择相应的α2得到，对应的角度数据如表1所示。

表1

具体地，n1＝1.58，假定导光板的光线出射角度θ1＝θ1’＝72°，以一个目标角度(即设定出射方向与法线之间的夹角度数)20°为例，选择α1＝49°，α2＝65°和α3＝66°，将相应的角度参数建立lighttools模型，lighttools模拟的相应光路如图9所示，可以看到左侧入射光和右侧入射光(即与法线具有对称夹角为72°的光线)经棱镜膜102后具有基本一致的出射角度，约为20°。

以上是以中心光线进行的计算，一般导光板101发出的光非平行光而有一定的半峰宽，为了说明非中心光线的经过棱镜膜102的传播路径，使用以上计算数据结果在lighttools中进行了相应的光学模拟。首先将导光板101的角亮度分布光型导入lighttools中，如图10所示，可以看到该光型有对称的两个出光方向。考虑导光板101发出的光线经过棱镜膜102上三个位置的传播方向，这三个位置的条状棱镜角度分别为(α3＝66°，α1＝49°，α2＝65°)，(α3＝66°，α1＝57°，α2＝57°)和(α3＝66°，α1＝65°，α2＝49°)，从导光板101发出的光线经这三个位置后的角亮度分布光型分别如图11至图13所示，可以看到导光板101发出的非中心光线经过棱镜膜102后绝大部分在目标角度的中心光线周围分布，这样的光线分布适合vr对光线的利用。

由上述描述可知，图1所述显示模组可使导光板出射的与法线具有对称夹角的光线，具有多种设定的出光方向，很好地实现了指向性出光，提高了光能利用率。并且，设定的出光方向可与vr系统的光路匹配，宜应用于vr系统。基于图1所示显示模组相似的原理，图2所示显示模组也可实现指向性出光，提高光能利用率，且设定的出光方向可与vr系统的光路匹配，宜应用于vr系统。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种显示装置，包括：上述背光模组，以及位于背光模组出光侧的显示模组。该显示装置可以为：虚拟现实(vr)显示设备、笔记本电脑(nb)、显示器等任何尺寸的显示产品或部件。由于该显示装置解决问题的原理与上述背光模组解决问题的原理相似，该显示装置的实施可以参见上述背光模组的实施例，重复之处不再赘述。

本申请实施例提供的上述背光模组及显示装置，包括：导光板，以及位于导光板出光面一侧的棱镜膜；其中，棱镜膜，包括：基材，以及设置在基材面向导光板的一侧，沿第一方向延伸且沿第二方向排列的多个条状棱镜；条状棱镜的底角满足如下条件：使导光板出射的与法线具有对称夹角的光线分别入射至条状棱镜的两个侧面后，按设定的同一方向出射；棱镜膜具有至少两种出光方向。由于背光模组所含条状棱镜的底角满足如下条件：使导光板出射的与法线具有对称夹角的光线分别入射至条状棱镜的两个侧面后，按设定的同一方向出射；棱镜膜具有至少两种出光方向。具体地，导光板出射的与法线具有对称夹角的光线，分别为导光板出射的侧入式背光所发射光线与反射片所反射光线，或者，分别为导光板出射的双灯条所发射光线。因此，本申请提供的背光模组实现了指向性出光，提高了光能利用率。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。