CN107479219A - 平面光源装置及液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种平面光源装置，包括准直光源、光阀以及导光片，其中，准直光源邻近于所述导光片的入光侧面配置；光阀位于所述准直光源与导光片之间，在准直光源发出的光通过所述光阀时，其透射光线的发散角φ在最小值φmin至最大值φmax的范围内调节；所述透射光线经入光侧面进入导光片，其光轴与导光片出光面之间的夹角ρ大于零且小于临界入射余角ρmax。本发明实现了视角可调的平面光源装置及液晶显示装置，从而满足了人们对共享、防窥等不同场合的应用要求。

Description

平面光源装置及液晶显示装置
技术领域
本发明涉及平面光源，具体而言，涉及一种视角可调的平面光源装置，以及包含所述平面光源装置的液晶显示装置。
背景技术
液晶显示器正日益广泛地应用于手机、电脑和电视上。目前，现有液晶显示器的视角通常是固定的。这类液晶显示器的平面光源架构中，一般包含非准直光源、导光片，以及反射片、扩散片、棱镜片等器件。其中，非准直光源可采用由一定出光角度分布的LED所组成的线性阵列(Light Bar)；导光片的入光侧面通常垂直于其出光面。然而，固定视角的显示器无法满足人们在不同场合的使用要求。比如，电脑屏幕上所显示的图像或文字，通常可与站在不同角度的多个同事或朋友共享；但在公共场合，如机场、火车站等地方，人们并不希望周围的人群也能看到显示器上的显示内容。因此，在信息显示中，非常需要一种视角可调的显示器，以满足人们对共享、防窥等不同场合的应用要求。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于，提供一种视角可调的平面光源装置，以及包含所述平面光源装置的液晶显示装置。
根据本发明的第一方面，提供一种平面光源装置，包括准直光源、光阀以及导光片，其中，准直光源邻近于所述导光片的入光侧面配置；光阀位于所述准直光源与导光片之间，在准直光源发出的光通过所述光阀时，其透射光线的发散角φ在最小值φmin至最大值φmax的范围内调节；所述透射光线经入光侧面进入导光片，其光轴与导光片出光面之间的夹角ρ大于零且小于临界入射余角ρmax。
在第一方面中，优选的是，所述准直光源的平行半角θ小于15度，所述透射光线发散角的最小值φmin等于所述平行半角θ。
优选的是，所述准直光源的平行半角θ小于5度，所述透射光线发散角的最小值φmin等于所述平行半角θ。
优选的是，所述光阀包括：内表面设有透明电极的第一、第二基片；位于所述第一、第二基片之间的聚合物分散液晶(PDLC)层，其中，所述透射光线的发散角φ，通过施加在所述第一、第二基片的透明电极之间的电压来调节。
优选的是，所述光阀采用聚合物稳定胆甾相液晶(PSCT)光阀，或者采用逆向聚合物稳定胆甾相液晶光阀。
优选的是，所述准直光源和光阀平行于所述导光片入光侧面放置；所述导光片入光侧面与其出光面之间的夹角δ，和所述透射光线光轴与导光片出光面之间的夹角ρ互为余角。
优选的是，所述准直光源和光阀垂直于所述导光片出光面放置；所述导光片入光侧面与其出光面之间的夹角δ′小于90度。
优选的是，所述导光片的底面设有多个导光结构，每个导光结构为包含两个倾斜侧面的条状凹陷结构。
优选的是，所述导光片的底面设有多个导光结构，每个导光结构为包含两个倾斜侧面的条状凸起结构。
根据第二方面，提供一种液晶显示装置，包括上述第一方面中所述的平面光源装置，所述平面光源装置配置于液晶显示元件的背面。
按照本发明，通过准直光源、透射光线发散角可调的光阀以及导光片的布置，使进入导光片的透射光线的光轴与导光片出光面之间的夹角ρ，大于零且小于临界入射余角ρmax，由此实现了视角可调的平面光源装置及液晶显示装置，从而满足了人们对共享、防窥等不同场合的应用要求。
附图说明
图1为本发明一示例平面光源装置在YZ平面的截面图；
图2示出了图1平面光源装置中准直光源、光阀与导光片的布置；
图3示出了准直光源101出射光线的角度分布；
图4、5示出了一示例光阀及准直光线透过该光阀的角度分布；
图6示出了透射光线发散角φ随光阀基片电极上电压V变化的曲线；
图7(a)示出了经透明状态光阀后光线在导光片103内的传播及出射；
图7(b)、7(c)示出了导光片中的凹陷导光结构105；
图8示出了经散射状态光阀后光线在导光片103内的传播及出射；
图9(a)、9(b)示出了另一示例光阀；
图10为本发明另一示例平面光源装置在YZ平面的截面图；
图11示出了图10平面光源装置中准直光源、光阀与导光片的布置；
图12(a)示出了经透明状态光阀后光线在导光片1003内的传播及出射；
图12(b)、图12(c)示出了导光片中的凸起导光结构1005；
图13示出了经散射状态光阀后光线在导光片1003内的传播及出射；
图14(a)为本发明一示例液晶显示装置；
图14(b)为该液晶显示装置中光线相对亮度随视角分布曲线1406a；
图14(c)为该液晶显示装置中光线相对亮度随视角分布曲线1406b。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下文以实施例结合附图对本发明作进一步说明。附图中，相同的标记表示同一部件或结构。
参照图1，图1为本发明一示例平面光源装置在YZ平面的截面图。该平面光源装置包括准直光源101、光阀102以及导光片103。其中，准直光源101、光阀102沿X方向放置，它们邻近于导光片103的入光侧面104配置。光阀102位于准直光源101与导光片103之间。从光源101发出的准直光线通过光阀102时，透射光线的发散角度可由光阀102调节。经光阀102透射的光线通过导光片入光侧面104进入导光片。在导光片103的底面，设有多个凹陷导光结构105；导光结构105之间为平坦部分106。如图1所示，导光结构105的密度随着离光源101的距离增加(即沿Z方向)而增大。反射罩107置于光源101的周围，使从光源101发出未直接进入导光片103的光，经反射罩107反射而改变方向后再进入导光片。108为导光片103的出光面。
参照图2，图2示出了图1平面光源装置中准直光源、光阀与导光片的布置。导光片103放置于XZ平面上，其出光面108平行于XZ平面。导光片入光侧面104与出光面108构成一夹角δ。图2中，Y’和Z’为Y和Z方向分别以X为旋转轴，旋转角度90°-8后的方向。准直光源101和光阀102平行于XY’平面，也即，平行于导光片入光侧面104。从光源101发出，经过光阀102透射后进入导光片的光线亮度最高的方向，定义为透射光线光轴，如图2中ΩΩ’所示。光轴ΩΩ’与导光片出光面108构成夹角ρ。上述导光片入光侧面104与出光面108之间的夹角δ，和夹角ρ互为余角。夹角ρ大于零，且小于满足光在表面108被全反射的条件的临界角度ρmax，即临界入射余角。
这里，夹角ρ不能为零。若夹角ρ等于零，准直光线经入光侧进入导光片后平行于其平面，绝大部分光线不会入射至导光结构，而从导光片的出光侧离开导光片，这些光线不被平面光源所利用，平面光源亮度很低或为零。并且，夹角ρ需要小于临界入射余角ρmax。否则，从入光侧面进入导光片的光会产生折射，直接从出光面108离开导光片，而无法传播至离入光侧较远的位置。平面光源表现为靠近光源101处亮度很高，远离光源101处亮度很低或为零。临界入射余角ρmax的数值取决于构成导光片材料的折射率。例如，当构成导光片的材料为PMMA(折射率＝1.49)时，ρmax等于48°。选择折射率高的导光片材料，可增加临界入射余角ρmax。
图3示出了准直光源101出射光线的角度分布。从光源发出的光301的出光角度分布，可用从亮度最高方向降低至50％亮度的角度θ来描述。如图3所示，光束301沿Z’方向的亮度最高(相对亮度100％)，亮度降低至50％的角度为θ，通常称为平行半角。本发明中，准直光源包含光学中严格定义的准直光源(例如激光光源)，以及通过光学元件处理后的近似准直光源(例如LED光源)。这里，准直光源的平行半角θ优选为小于15°，更优选为小于5°。图3所示为光束301在Y’Z’平面的角度分布。如图1和图2所示，Z方向为光线在导光片中的传播方向，Y方向为导光片的厚度方向。满足上述平行半角的准直光被导光片中导光结构反射后，离开导光片时可保持确定的方向，使得平面光源达到较小的视角。光源101的出射光线在其他平面，如XZ’或其他包含Z’方向平面上的角度分布可与YZ’平面相同或不同。
图4、5示出了一示例光阀及准直光线透过该光阀的角度分布。该示例中，光阀102采用聚合物分散液晶(PDLC，Polymer DispersedLiquid Crystal)光阀。它包含基片401和基片402，基片之间由聚合物分散液晶层隔开。基片可为透明玻璃或其他透明材料，如PET，PMMA，PC等。基片401、402的内表面含有透明电极，如ITO或其他透明导电材料。
图4中，403为聚合物基体(Polymer Matrix)，404为通过相分离后获得的分散于聚合物基体中的液晶微滴。液晶微滴404中液晶分子的光轴取向沿Z’方向，液晶微滴的折射率与聚合物基体的折射率匹配，聚合物分散液晶光阀102处于透明状态。从准直光源发出的光束301经过处于该状态的光阀102之后，仍为准直光束，如405所示。406描述光线405的角度分布，其中亮度最高的方向沿Z’方向，亮度降低至50％的角度如φa所示。角度φa与准直光束301的平行半角θ相同，或稍大于平行半角θ，这取决于处于透明状态的光阀102的透明程度。
参照图5，聚合物分散液晶光阀102中液晶微滴501的光轴处于自由取向状态，其折射率与聚合物基体的折射率不匹配。在准直光束301通过光阀102之后，光线被液晶微滴501散射，而成为发散光束502。503描述发散光束502的角度分布。该光束中沿Z’方向亮度最高，亮度降低至最高亮度的50％时所对应角度为光束的发散角φb。
光阀透射光线的发散角φ，可通过施加在其基片电极之间的电压进行调节。参照图6，图6示出了透射光线发散角φ随光阀基片电极上电压V变化的曲线。当电压V大于V2时，光阀中液晶微滴的折射率与聚合物基体的折射率匹配，通过光阀的光保持准直光源光束的准直度，其发散角具有最小值φmin，如601所示。当电压V小于V1时，液晶微滴的光轴处于自由取向，其折射率与聚合物基体的折射率差值保持在最大值，通过光阀的准直光线因散射而成为发散光线，如602所示，其发散角具有最大值φmax。当电压从V1逐渐增加至V2时，液晶微滴的折射率与聚合物基体的差值逐渐减小，透射光线的发散角φ相应减小，从V1处的最大值φamx减小至V2处的最小值φmin。最小值φmin等于或接近准直光源的平行半角θ。
稳压电源可提供上述光阀基片电极之间电压V的任何需要值，电压V的大小视平面光源装置和显示器的视角而定。
图7(a)示出了经透明状态光阀后光线在导光片103内的传播及出射。光线A1A2为从准直光源发出，并通过处于透明状态的光阀后的示例准直光线。该光线经导光片出光面108表面的全反射折回，成为光线A2A3。并射向导光片底面的凹陷导光结构105。光线A2A3被导光结构105的表面反射而改变传播方向，并由出光面108出射，如光线A3A4所示。通过凹陷导光结构105表面的倾斜角度，可控制出射光线A3A4的出射角度。光线B1B2为从准直光源发出，并通过处于透明状态的光阀后的另一示例准直光线。该光线经入光侧面104进入导光片，它通过导光片出光面108表面的全反射折回，成为光线B2B3，射向导光结构之间的平坦部分106，并通过该部分的反射再次折回射向出光面108。这样的光线将在导光片内沿Z方向传播，直至遇到导光结构并由导光结构表面反射后从导光片出射，或传播至导光片Z方向的最远端。当光阀处于透明状态时，由入光侧面104进入导光片的光线具有与准直光源相当的准直度，如此从导光片出射的光线具有最小的发散角，如701所示。示例出射光线沿Y方向亮度最高，亮度降低至最高亮度的50％时角度为ωa。ωa为如图1所示平面光源装置的最小视角，其数值等于或稍大于图6所示光阀102的发散角最小值φmin。
图7(b)、7(c)示出了导光片中的凹陷导光结构105。该导光结构为包含两个倾斜侧面的条状凹陷结构。它的尺寸可用宽度w、高度h和长度d来描述。结构宽度w优选为5-500微米，更优选为10-150微米；结构高度h优选为2-250微米，更优选为5-100微米；结构长度d的最小值优选为5微米，更优选为10微米；结构长度d的最大值可与导光片沿X方向的宽度相等。导光结构105表面的倾斜角度可由α描述。角度α优选为2-85°，更优选为5-75°。
凹陷导光结构105表面可为透明材料与空气的界面。传播至该表面的光，通过在该表面的全反射改变传播方向而从导光片出光面108出射。导光结构105的表面还可为附着于透明材料表面的反射层。反射层可为通过溅射、蒸镀等方法在透明材料表面形成的铝、银等反射材料薄膜层。导光结构105表面为附加反射层时，光在该表面的镜面反射可不受全反射条件的限制，从而增加了导光片设计和制作的材料选择范围。
图8示出了经散射状态光阀后光线在导光片103内的传播及出射。如图8所示，准直光源发出的准直光301通过处于散射状态的光阀102之后，转换成散射光线801经入光侧面104进入导光片103。散射光线801具有较大的角度分布，经导光片出光面108的全反射、导光结构105或平坦部分106反射后(全反射或镜面反射)，由出光面108出射的光具有较大的角度分布。例如，当如802所示的光线入射至导光结构表面105后，经该表面的反射而改变传播方向，并通过出光面108出射，如光线803所示。804描述从导光片出光面108出射光线的视角分布。示例出射光线的视角沿Y方向具有最高的亮度，亮度降低至最高亮度的50％时所对应视角为ωb。ωb等于或大于如图5所示通过光阀的光线的发散角φb。
图9(a)、9(b)示出了另一示例光阀。该光阀为聚合物稳定胆甾相液晶(PSCT，Polymer Stabilized Cholesteric Texture)光阀。参照图9(a)、9(b)，901、902为内表面含有透明导电层的基片；903为聚合物网络，可采用在液晶中混合少量可聚合分子，通过可聚合分子在聚合过程中与液晶分子相分离的方法而获得。图9(a)中，904为处于取向一致状态的液晶分子。可在基片901、902的导电层之间施加电压，在由此产生的电场作用下获得液晶分子的一致取向。液晶分子这样排列使光阀处于透明状态。准直光线通过处于透明状态的光阀不改变其平行半角。图9(b)中，905所示为处于非一致排列状态的液晶分子。由于液晶分子的非一致排列，光阀对通过的准直光线产生散射。透射光线的发散角可由施加在基片901、902透明电极之间的电压进行调节。
可替换地，逆向聚合物稳定胆甾相液晶(Reverse Mode PSCT)光阀也可用作本发明的光阀。在基片透明电极之间不施加电压时，这种光阀中的液晶分子整齐排列，光阀呈透明状态，对透过的光线不产生散射；当透明电极之间施加适当的电压时，光阀处于散射状态。
图10为本发明另一示例平面光源装置在YZ平面的截面图。参照图10，1001为准直光源，1002为用于调节透射光线发散角的光阀。1003为底面设有多个凸起导光结构1005的导光片。1006为导光结构1005之间的平坦部分。凸起导光结构的密度随离入光侧面1004的距离增加(沿Z方向)而逐渐增大。1007为一反射罩。1008为导光片的出光面。在这一示例中，光源1001和光阀1002垂直于导光片出光面1008放置，它们与XY平面平行。导光片入光侧面1004与XY平面(或Z方向)成一定的角度。
图11示出了图10平面光源装置中准直光源、光阀与导光片的布置。参照图11，导光片1003放置于XZ平面上，其出光面1008平行于XZ平面。导光片入光侧面1004与出光面1008构成一夹角δ′，夹角δ′小于90°。从光源1001发出，通过光阀1002并经入光侧面1004进入导光片的光线，其亮度最高的方向定义为透射光线光轴，如IIII’所示。光轴IIII’与导光片出光面1008构成夹角ρ′。夹角ρ′大于零，且小于满足光在表面1008被全反射的条件的临界角度ρ′max，即临界入射余角。
图12(a)示出了经透明状态光阀后光线在导光片1003内的传播及出射。光线P1P2和Q1Q2为从准直光源1001发出，并通过处于透明状态的光阀1002后的示例准直光线。光线P1P2、Q1Q2的传播方向平行于Z方向，它们经入光侧面1004折射进入导光片1003后改变传播方向，如光线P2P3、Q2Q3所示。光线P2P3、Q2Q3通过在导光片出光面1008表面的全反射而折回，如光线P3P4、Q3Q4所示。光线P3P4射向导光片底面上的凸起导光结构1005表面，并被该表面反射而改变传播方向，由导光片出光面1008出射，如光线P4P5所示。通过凸起导光结构1005表面的倾斜角度，可控制出射光线P4P5的出射角度。光线Q3Q4射向导光片底面的平坦部分1006，并通过这一部分的反射再次折回射向出光面1008。这样的光线将在导光片内沿Z方向传播，直至遇到导光结构并由导光结构表面反射后从导光片出射，或传播至导光片Z方向的最远端。当光阀1002处于透明状态时，图10所示平面光源装置具有最小的视角，如图12(a)中ω′a所示。
图12(b)、图12(c)示出了导光片1003中的凸起导光结构1005。该导光结构为包含两个倾斜侧面的条状凸起结构。它的尺寸可用宽度w’、高度h’和长度d’来描述。结构尺寸的选择不受限制。结构宽度w’优选为5-500微米，更优选为10-150微米；结构高度h’优选为2-250微米，更优选为5-100微米；结构长度d’的最小值优选为5微米，更优选为10微米；结构长度d’的最大值可与导光片沿X方向的宽度相等。导光结构1005表面的倾斜角度由α′描述。角度α′优选为2-85°，更优选为5-75°。
凸起导光结构1005表面可为透明材料与空气的界面。传播至该表面的光通过全反射改变传播方向，从导光片出光面1008出射。凸起导光结构表面或可为附着于透明材料表面的反射层。反射层可为通过溅射、蒸镀等方法在透明材料表面形成的铝、银等反射材料薄膜层。凸起导光结构表面为附加反射层时，光在该表面的镜面反射可不受全反射条件的限制，从而增加了导光片设计和制作的材料选择范围。
图13示出了经散射状态光阀后光线在导光片1003内的传播及出射。如图13所示，准直光源发出的准直光1301通过处于散射状态的光阀1002之后，转换成散射光1302经入光侧面1004折射进入导光片1003。散射光1302具有较大的角度分布，当光线，如1303所示，入射至导光结构1005表面后，光线经1005表面的反射而改变传播方向，并通过导光片出光面1008出射，如光线1304所示。入射至导光结构1005表面的光线，通过出光面1008的全发射和平坦部分1006的反射在导光片内传播。如此出射的光线具有较大的视角ω′b，如图13中1305所示。
需要说明的是，图2和图11所示平面光源装置中，准直光源、光阀、导光片入光侧面及出光面的布置，仅为清晰描述所采用的示例。本发明中准直光源、光阀、导光片入光侧面及出光面放置的相对位置并不限于以上示例，只要光阀透射光线光轴与导光片出光面之间的夹角大于零且小于临界入射余角即可。例如，导光片入光侧面与出光面构成的角度可小于、等于或大于90°。经入光侧面进入导光片的光线可如图2和图11所示，首先入射至出光面，并由出光面全反射后入射至含有导光结构的底面；进入导光片的光线也可以首先入射至含有导光结构的底面，并由导光结构和导光结构之间的平坦部分反射至出光面，使部分光线从出光面出射，部分光线经出光面的全反射在导光片内传播。
图1和图10示例平面光源装置中，可根据具体应用的需要，在导光片出光面上方包含其他功能光学层或光学膜片，如防反射层、防刮伤层、扩散膜、增亮膜，或者这些功能光学层或光学膜的组合。
图14(a)为本发明一示例液晶显示装置。其中，1404为视角可调的平面光源装置，它包含准直光源1401、从透明状态至散射状态可调的光阀1402、和具有导光结构的导光片1403。1405为产生图像的液晶显示元件(如液晶显示面板)。平面光源装置1404配置于液晶显示元件1405的背面。
1406为从平面光源装置1404发出，通过液晶显示元件1405后携带图像信息的光线。光线1406的角度分布取决于平面光源装置1404中光阀1402所处的透光状态。当光阀1402处于透明状态时，光线1406的视角分布较小，如图14(b)中相对亮度随视角分布曲线1406a所示。亮度降低至50％最高亮度所对应的视角Ψa优选小于或等于20°，更优选小于或等于15°。当光阀1402处于散射状态时，光线1406的视角分布增大，如图14(c)中相对亮度随视角分布曲线1406b所示。亮度降低至50％最高亮度所对应的视角Ψb优选大于或等于20°，更优选大于或等于30°。
显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在所附权利要求书的涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种平面光源装置，包括准直光源、光阀以及导光片，其中，
准直光源，邻近于所述导光片的入光侧面配置；
光阀，位于所述准直光源与导光片之间，在准直光源发出的光通过所述光阀时，其透射光线的发散角(φ)在最小值(φmin)至最大值(φmax)的范围内调节，
所述透射光线经入光侧面进入导光片，其光轴与导光片出光面之间的夹角(ρ)大于零且小于临界入射余角(ρmax)。
2.如权利要求1所述的平面光源装置，其特征在于，所述准直光源的平行半角(θ)小于15度，所述透射光线发散角的最小值(φmin)等于所述平行半角(θ)。
3.如权利要求1所述的平面光源装置，其特征在于，所述准直光源的平行半角(θ)小于5度，所述透射光线发散角的最小值(φmin)等于所述平行半角(θ)。
4.如权利要求1所述的平面光源装置，其特征在于，所述光阀包括：
内表面设有透明电极的第一、第二基片；
位于所述第一、第二基片之间的聚合物分散液晶(PDLC)层，
其中，所述透射光线的发散角(φ)，通过施加在所述第一、第二基片的透明电极之间的电压来调节。
5.如权利要求1所述的平面光源装置，其特征在于，所述光阀采用聚合物稳定胆甾相液晶(PSCT)光阀，或者采用逆向聚合物稳定胆甾相液晶光阀。
6.如权利要求1所述的平面光源装置，其特征在于，所述准直光源和光阀平行于所述导光片入光侧面放置；所述导光片入光侧面与其出光面之间的夹角(δ)，和所述透射光线光轴与导光片出光面之间的夹角(ρ)互为余角。
7.如权利要求1所述的平面光源装置，其特征在于，所述准直光源和光阀垂直于所述导光片出光面放置；所述导光片入光侧面与其出光面之间的夹角(δ′)小于90度。
8.如权利要求6或7所述的平面光源装置，其特征在于，所述导光片的底面设有多个导光结构，每个导光结构为包含两个倾斜侧面的条状凹陷结构。
9.如权利要求6或7所述的平面光源装置，其特征在于，所述导光片的底面设有多个导光结构，每个导光结构为包含两个倾斜侧面的条状凸起结构。
10.一种液晶显示装置，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的平面光源装置，所述平面光源装置配置于液晶显示元件的背面。
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