CN108594535B - 背光模组、lcd显示屏及vr头显 - Google Patents

Abstract

本发明涉及显示屏及虚拟现实技术领域，具体而言，涉及一种背光模组、LCD显示屏及VR头显。该背光模组包括光源模组、第一扩展面板、第二扩展面板和定向扩散模组。第一扩展面板在靠近第二扩展面板一侧的平面S131和远离第二扩展面板一侧的平面S132均具有起透射衍射作用的衍射微结构或全息结构，平面S131与平面S132平行。光源模组提供的准直或近准直照明光束分别经过第一扩展面板和第二扩展面板进行竖直方向和水平方向地传输与扩展后，定向扩散模组根据预设在竖直方向和水平方向控制输出光线的出射光束角，从而大幅提高了背光模组的光能利用率、降低能耗及降低杂散光的产生。该LCD显示屏及VR头显包括上述背光模组。

Description

背光模组、LCD显示屏及VR头显

技术领域

本发明涉及显示屏及虚拟现实技术领域，具体而言，涉及一种背光模组、LCD显示屏及VR头显。

背景技术

VR头显的虚拟内容显示主要由显示屏和光学放大镜组构成，通常情况下，显示屏一般为LCD显示屏。LCD显示屏的显示效果具有宽视角特性，一般能达到160～170度。当具有宽视角的显示屏用于VR头显时，通常只有其中的30～50度视角内的光束能够被使用者接收。如图1所示，LCD显示屏上的P1点和P2点分别只有A和B区域的光光束能够被人眼接收。而剩余视角内的光束在显示屏和光学放大镜组构成的空间内因散射、折反射作用形成杂散光，影响使用者对虚拟现实内容的接收。并且，宽视角的显示屏能量利用的低效性会导致功耗的增加。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有较小可视角度的背光模组、LCD显示屏及VR头显，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明较佳实施例提供一种背光模组，包括光源模组、第一扩展面板、第二扩展面板和定向扩散模组；

所述光源模组位于所述第一扩展面板的入射光路上，所述第二扩展面板位于所述第一扩展面板的出射光路上，所述定向扩散模组位于所述第二扩展面板的出射光路上；

所述第一扩展面板在靠近所述第二扩展面板一侧的平面S131具有起透射衍射作用的衍射微结构或全息结构，且所述第一扩展面板在远离所述第二扩展面板一侧的平面S132具有起透射衍射作用的衍射微结构或全息结构，平面S131与平面S132平行；

所述第二扩展面板在靠近所述定向扩散模组一侧的平面S151具有起透射衍射作用的衍射微结构或全息结构，且所述第二扩展面板在远离所述定向扩散模组一侧的平面S152具有起透射衍射作用的衍射微结构或全息结构，平面S151与平面S152平行；

所述光源模组提供的准直或近准直照明光束分别经过所述第一扩展面板和第二扩展面板进行竖直方向和水平方向地传输与扩展后，形成准直宽光束或近准直宽光束，所述定向扩散模组根据预设在竖直方向和水平方向控制输出光线的出射光束角。

可选地，所述第一扩展面板的平面S131和平面S132相邻分区透射能量趋于相同，所述平面S131的每个分区的透射能量趋于相同，所述平面S132的每个分区的透射能量趋于相同，以及所述第一扩展面板的平面S131和平面S132的透射能量的和趋于光源模组出射的总光能量。

可选地，所述第一扩展面板用于对入射光束在Y方向进行扩展，所述第二扩展面板用于对入射光束在X方向进行扩展，则W＝H*COSβ1；

其中，W为光源模组沿着光束入射方向垂直的方向上的光束口径；H为所述第一扩展面板沿着X方向的上下平面之间的间距；β1为光源模组输出的平行或近平行光束与所述第一扩展面板的平面S131的夹角。

可选地，所述第一扩展面板在竖直方向控制输出光线的出射光束角为0°至30°之间，所述第二扩展面板在水平方向控制输出光线的出射光束角为0°至30°之间。

可选地，所述第一扩展面板在竖直方向控制输出光线的出射光束角为0°至20°之间，所述第二扩展面板在水平方向控制输出光线的出射光束角为0°至40°之间。

可选地，所述定向扩散模组为双向定向扩散膜，或为正交放置的双柱面透镜阵列，或为正交放置的单向定向扩散膜。

可选地，所述定向扩散模组与第二扩展面板相贴合。

本发明另一较佳实施例提供一种LCD显示屏，包括液晶面板上述的背光模组。

可选地，所述液晶面板、定向扩散模组和第二扩展面板相互贴合。

本发明另一较佳实施例提供一种VR头显，包括上述的LCD显示屏。

本发明较佳实施例提供的背光模组通过对光源模组、第一扩展面板、第二扩展面板和定向扩散模组的集成与设计，使用第一扩展面板和第二扩展面板对光源模组输出的光束进行垂直和水平两个方向的光束口径的扩展，因此光源模组无需输出准直宽光束或近准直宽光束，使得光源模组的光学系统结构更简单，同时，采用定向扩散模组控制输出光线的出射光束角较小，从而大幅提高了背光模组的光能利用率、降低能耗及降低杂散光的产生。

本发明较佳实施例提供的LCD显示屏及VR头显包括上述背光模组，因而具有类似的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有VR头显的显示屏的宽视角显示示意图。

图2为本发明较佳实施例提供的一种背光模组的结构示意图。

图3为本发明较佳实施例提供的一种光源模组的结构示意图。

图4为本发明较佳实施例提供的另一种光源模组的结构示意图。

图5为图2所示的第一扩展面板对光线进行传输和扩展的原理图。

图6为第一扩展面板的平面S131在Y方向上分区域的编号图。

图7为本发明较佳实施例提供的一种LCD显示屏的结构示意图。

图标:10-背光模组；11-光源模组；13-第一扩展面板；15-第二扩展面板；17-定向扩散模组；111-照明光源；113-光束整形合束器；1111-红色LED光源；1112-绿色LED光源；1113-蓝色LED光源；1131-准直扩束整形组件；1133-合束单元；11311-第一准直扩束整形单元；11312-第二准直扩束整形单元；11313-第三准直扩束整形单元；114-光发射单元；115-光准直器；116-光合束器；117-耦合光纤；118-准直镜组；119-消散斑器件；1-LCD显示屏；19-液晶面板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

请参考图2，图2为本发明较佳实施例提供的一种背光模组10的示意图。如图2所示，所述背光模组10包括：光源模组11、第一扩展面板13、第二扩展面板15和定向扩散模组17。

光源模组11位于第一扩展面板13的入射光路上，为第一扩展面板13提供准直或近准直照明光束。光源模组11可以主要由LED(Light Emitting Diode发光二极管)光源或LD(Laser Diode激光二极管)光源与准直透镜组构成，也可以主要由光纤光源与准直透镜组构成。

例如，如图3所示，当光源模组11主要由LED(Light Emitting Diode发光二极管)光源与准直透镜组构成时，光源模组11可以包括照明光源111和光束整形合束器113。照明光源111可以采用激光光源、LED光源等。可选地，在本实施方式中，该照明光源111为LED光源，该LED光源可以包括红色LED光源1111、绿色LED光源1112和蓝色LED光源1113。在另一实施方式中，LED光源中各个LED的颜色可以根据实际需要进行设置，以满足实际情况的需要，在此不做限制。光束整形合束器113设置于照明光源111的光路上，用于对照明光源111发出的光束进行准直扩束整形、合束处理。可选地，在本实施方式中，光束整形合束器113包括准直扩束整形组件1131和合束单元1133。准直扩束整形组件1131包括第一准直扩束整形单元11311、第二准直扩束整形单元11312和第三准直扩束整形单元11313。其中，第一准直扩束整形单元11311用于对红色LED光源1111发出的光束进行准直扩束整形处理。第二准直扩束整形单元11312用于对绿色LED光源1112发出的光束进行准直扩束整形处理。第三准直扩束整形单元11313用于对蓝色LED光源1113发出的光束进行准直扩束整形处理。通常情况下，第一准直扩束整形单元11311、第二准直扩束整形单元11312和第三准直扩束整形单元11313的准直精度可以要求在几个毫弧度。合束单元1133用于将经过第一准直扩束整形单元11311、第二准直扩束整形单元11312和第三准直扩束整形单元11313准直扩束整形处理后的光束合成为单光束。可选地，合束单元1133为x-cube型合光棱镜。

例如，如图4所示，当光源模组11主要由光纤光源与准直透镜组构成时，光源模组11可以包括光发射单元114、光准直器115、光合束器116、耦合光纤117和准直镜组118。光发射单元114可以采用激光光源、LED光源等。可选的，在本实施例中，该光发射单元114为LD激光光源，如激光发生装置。该激光发射装置可以包快红色激光发射单元、绿色激光发射单元和蓝色激光发射单元。在其它实施方式中，激光发生装置中各个激光发射单元的颜色可以根据实际需要进行设置，以满足实际情况的需要，在此不做限制。光准直器115可以选用公知技术中的为光学准直透镜，用于缩小由激光发生装置发射的光束的发散角。光合束器116可以选用公知技术中的合光棱镜，在此不做具体说明。耦合光纤117可以是多模光纤或单模光纤。耦合光纤117的输入端可以熔融球透镜，用于增大耦合光纤117能够耦合的激光光束的口径，使得经过光合束器116后的合束光束易于耦合进耦合光纤117中。耦合光纤117的输出端可以加工成锥形，用于减小输出端出射光束的束腰半径，增大出射光束的数值孔径，使得耦合光纤117输出小光斑大出射角的光束。准直镜组118用于对耦合光纤117输出的小光斑大出射角的光束进行准直，以获得方向性较好的准直光束或近准直光束。通常情况下，经过准直镜组118后，可以获得出射角度在0°～0.5°范围内的准直光束或近准直光束。在具体实施中，设置耦合光纤117输出的光束的束腰位于准直镜组118的焦平面位置或附近，从而获得准直光束或近准直光束。当光发射单元114为激光光源时，光源模组11还可以包括消散斑器件119。消散斑器件119通过改变激光的瞬时相位从而干扰激光束的相干特性，从而削弱激光存在的散斑效应，使得光源模组11提供的光束能量分布更均匀。消散斑器件119可以选用公知技术中的液晶相位调制器或振动相位板，在此不做限制。

第一扩展面板13用于对从光源模组11传来的光束在Y方向进行扩展。第二扩展面板15用于对从第一扩展面板13传来的光束在X方向进行扩展。最终，光源模组11被第一扩展面板13和第二扩展面板15共同扩展为准直或近准直宽光束。

由于第二扩展面板15与第一扩展面板13类似或相同，因此，为节约篇幅，以下仅以第一扩展面板13为例进行说明，对于第二扩展面板15具有与第一扩展面板13相同或相似的结论。

如图5所示，第一扩展面板13在靠近第二扩展面板15一侧的平面S131具有衍射微结构，该衍射微结构对与其法线夹角为的入射光束具有透射衍射功能及零级反射衍射功能。第一扩展面板13在远离第二扩展面板15一侧的平面S132也具有衍射微结构，该衍射微结构对与其法线夹角为/> 的入射光束具有透射衍射功能及零级反射衍射功能。

请继续参阅图5，光源模组11发出的光束L1和L2进入第一扩展面板13后，首先到达平面S131，L1和L2光束所携带的一部分能量被平面S131上的衍射微结构透射衍射出第一扩展面板13，该透射衍射光束垂直于平面S131出射；另一部分光能量被平面S131上的衍射微结构零级反射衍射后在第一扩展面板13内继续传输，传输至平面S132后，其中一部分光能量被平面S132上的衍射微结构反射衍射，该反射衍射光束垂直于平面S132出射，剩余部分能量被平面S132上的衍射微结构零级反射衍射后继续在第一扩展面板13内继续传输。如此，光束L1和L2每一次到达在第一扩展面板13的平面S131后被透射衍射出射光束区域记为B1，光束L1和L2每一次到达在第一扩展面板13的平面S132后被透射衍射出射光束区域记为B2，所有B1和B2区域共同构成了第一扩展面板13输出的扩展宽光束。

如图6所示，第一扩展面板13的平面S131在Y方向上分区域具有不同的透射衍射效率和零级反射衍射效率，及平面S132在Y方向上分区域具有不同的零级反射衍射效率和非零级反射衍射效率。靠近光源模组11一侧的平面S131上的第一区域记为part11，沿着Y负方向顺序记每一区域分别为part12、part13、……、part1i，……，并将第part1i个的零级反射衍射效率记为R1i，透射衍射效率Dt1i。远离第二扩展面板15一侧的平面S132上的第一区域记为part21，沿着Y负方向顺序记每一区域分别为part22、part23、……、part2i，……，并将第part2i个的零级反射衍射效率记为R2i，透射衍射效率Dt2i。并且，将为从光源模组11出射的总光能量记为E。

在此不考虑吸收损耗，可推出：第part1i个区域的最终出射第一扩展面板13的能量为：

当i＝1时，E11＝Dt11*E；

当i≥2时，E1i＝Dt1i*R11*R21*R12*R22*……*R1(i-1)*R2(i-1)*E。

在此不考虑吸收损耗，可推出：第part2i个区域的最终出射第一扩展面板13的能量为：

当i＝1时，E21＝R11*Dt21*E；

当i≥2时，E2i＝Dt2i*R11*R21*R12*R22*R13……*R2(i-1)*R1i*E。

为使得第一扩展面板13出射的光束获得更高的均匀性及更高的能量利用率，多个区域的零级反射衍射效率、非零级反射衍射效率及透射衍射效率需满足下列条件：

E1i-E2i→0，i＝1：n (1)

E1i-E1j→0，i≠j，i＝1：n，j＝1：n (2)

E2i-E2j→0，i≠j，i＝1：n，j＝1：n (3)

即，所述第一扩展面板13的平面S131和平面S132相邻分区透射能量趋于相同，所述平面S131的每个分区的透射能量趋于相同，所述平面S132的每个分区的透射能量趋于相同，以及所述第一扩展面板13的平面S131和平面S132的透射能量的和趋于光源模组11出射的总光能量。

如图5所示，当W＝H*COS(β1)时，第一扩展面板13扩展后输出的光束具有较高的光均匀性及不会出现光束跳变，区域B1和B2无缝拼接。其中，W为光源模组11沿着光束入射方向垂直的方向上的光束口径；H为第一扩展面板13沿着X方向的上下平面之间的间距；β1为光源模组11输出的平行或近平行光束与所述第一扩展面板13的平面S131的夹角。

同时，可以推出，当W<H*COS(β1)时，第一扩展面板13输出的平行或近平行光束出现连续的光能量跳变，相邻的区域B1和区域B2之间具有空隙。

当W>H*COS(β1)时，第一扩展面板13输出的平行或近平行光束出现连续的光能量重叠区，相邻的区域B1和区域B2之间具有光束重叠区。在此重叠区会出现光能量的增加，最终影响输出光束的均匀性。

第一扩展面板13在靠近第二扩展面板15一侧的平面S131和第一扩展面板13在远离第二扩展面板15一侧的平面S132除了具有衍射微结构外，还可以是全息结构。

定向扩散模组17设置在第二扩展面板15的出射光路上，为对入射光束具有特定角度扩散作用的光学膜材。定向扩散模组17用于在两个相互垂直的方向对出射光束进行扩散，出射光线经过定向扩散模组17扩散后，在竖直方向Y方向上的扩散角度为0°至30°之间，在水平方向X方向上的扩散角度为0°至30°，也可以是在两个方向上的扩散角度不一样，如，对于人眼瞳孔在水平X方向运动范围比瞳孔在垂直方向Y运动范围大，可设置定向扩散模组17在竖直方向Y方向上的扩散角度为0°至20°，同时在水平方向X方向上的扩散角度为0°至40°。定向扩散模组17可以是正交放置的双柱面透镜阵列或双向定向扩散膜或正交放置的单向定向扩散膜。单向定向扩散膜通常可以是在薄膜基材上具有呈一定形态分布的或顺序排布有微柱透镜结构的薄膜，微透镜结构的半圆球直径可以在数微米至百微米之间。双向定向扩散膜通常为在薄膜基材上具有呈一定形态分布的或顺序排布有微透镜结构的薄膜，微透镜结构的半圆球直径可以在数微米至百微米之间。

为了减小体积，定向扩散模组17可以与第二扩展面板15贴合。

本发明较佳实施例提供的背光模组10通过对光源模组11、第一扩展面板13、第二扩展面板15和定向扩散模组17的集成与设计，使用第一扩展面板13和第二扩展面板15对光源模组11输出的光束进行垂直和水平两个方向的光束口径的扩展，因此光源模组11无需输出准直宽光束或近准直宽光束，使得光源模组11的光学系统结构更简单，同时，采用定向扩散模组17控制输出光线的出射光束角较小，从而大幅提高了背光模组10的光能利用率、降低能耗及降低杂散光的产生。

请参阅图7，本发明另一较佳实施例还提供一种LCD显示屏1，包括液晶面板19及上述的背光模组10。

液晶面板19通常由偏光片、彩色滤光片、液晶分子、薄膜晶体管、偏光片组成。

为了减小体积，液晶面板19、定向扩散模组17和第二扩展面板15可以两两或三者相互贴合。

本发明较佳实施例提供的LCD显示屏1包括上述背光模组10，因而具有类似的有益效果。

本发明实施例提供的LCD显示屏1可以应用在对LCD显示屏1的视场角较低的场合。例如，VR头显中的LCD显示屏1不需要较高的视场角，因而该LCD显示屏1可以应用于VR头显。

本发明另一较佳实施例还提供一种VR头显，包括上述的LCD显示屏1。

本发明较佳实施例提供的VR头显包括上述LCD显示屏1，因而具有类似的有益效果，即提高光能利用率、降低能耗及降低杂散光的产生。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种背光模组，其特征在于，包括光源模组、第一扩展面板、第二扩展面板和定向扩散模组；

所述光源模组位于所述第一扩展面板的入射光路上，所述第二扩展面板位于所述第一扩展面板的出射光路上，所述定向扩散模组位于所述第二扩展面板的出射光路上；

所述第一扩展面板在靠近所述第二扩展面板一侧的平面S131具有起透射衍射作用的衍射微结构或全息结构，且所述第一扩展面板在远离所述第二扩展面板一侧的平面S132具有起反射衍射作用的衍射微结构或全息结构，平面S131与平面S132平行；

所述第二扩展面板在靠近所述定向扩散模组一侧的平面S151具有起透射衍射作用的衍射微结构或全息结构，且所述第二扩展面板在远离所述定向扩散模组一侧的平面S152具有起透射衍射作用的衍射微结构或全息结构，平面S151与平面S152平行；

所述光源模组提供的准直或近准直照明光束分别经过所述第一扩展面板和第二扩展面板进行竖直方向和水平方向地传输与扩展后，形成准直宽光束或近准直宽光束，所述定向扩散模组根据预设在竖直方向和水平方向控制输出光线的出射光束角；

所述第一扩展面板的平面S131和平面S132相邻分区透射能量趋于相同，所述平面S131的每个分区的透射能量趋于相同，所述平面S132的每个分区的透射能量趋于相同，以及所述第一扩展面板的平面S131和平面S132的透射能量的和趋于光源模组出射的总光能量；

所述第一扩展面板用于对入射光束在Y方向进行扩展，所述第二扩展面板用于对入射光束在X方向进行扩展，则W＝H*COSβ1；

其中，W为光源模组沿着光束入射方向垂直的方向上的光束口径；H为所述第一扩展面板沿着X方向的上下平面之间的间距；β1为光源模组输出的平行或近平行光束与所述第一扩展面板的平面S131的夹角；

所述第一扩展面板在竖直方向控制输出光线的出射光束角为0°至30°之间，所述第二扩展面板在水平方向控制输出光线的出射光束角为0°至30°之间。

2.根据权利要求1所述的背光模组，其特征在于，所述第一扩展面板在竖直方向控制输出光线的出射光束角为0°至20°之间，所述第二扩展面板在水平方向控制输出光线的出射光束角为0°至40°之间。

3.根据权利要求1-2任一项所述的背光模组，其特征在于，所述定向扩散模组为双向定向扩散膜，或为正交放置的双柱面透镜阵列，或为正交放置的单向定向扩散膜。

4.根据权利要求1-2任一项所述的背光模组，其特征在于，所述定向扩散模组与第二扩展面板相贴合。

5.一种LCD显示屏，其特征在于，包括液晶面板及权利要求1-4任一项所述的背光模组。

6.根据权利要求5所述的LCD显示屏，其特征在于，所述液晶面板、定向扩散模组和第二扩展面板相互贴合。

7.一种VR头显，其特征在于，包括权利要求5所述的LCD显示屏。