專利名稱：一種平板液晶顯示器的光波導型空間陣列分色輸出導光板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是平板液晶顯示器的導光板，特別是一種基于光波導原理實現(xiàn)的空 間陣列分色輸出導光板。
背景技術(shù)：
平板液晶顯示器，簡稱IXD，其一般主要由光源、導光板、偏光片、TFT陣列、液晶 層、彩色濾光片、偏光片幾層組成(圖1)。LCD的液晶層自身并不發(fā)光，為了顯示圖像，它需 要在LCD板背面安裝一個由光源與導光板組成的背光模組來提供均勻準直輸出的白色面 狀光。目前常用的光源包括兩種CCFL冷陰極燈與LED燈。透明光學有機玻璃PMMA薄片 構(gòu)成的導光板將點狀(LED燈)或線狀(CCFL冷陰極燈)光源發(fā)射的白光轉(zhuǎn)換為面狀光源，并 由導光板上表面準直出射到液晶層的像素陣列。每一個像素一般是由標識為R、G、B的三色 亞像素組成，入射到這些亞像素的白光將通過彩色濾波片轉(zhuǎn)化為RGB三基色光輸出。液晶 層可以精確地控制RGB各亞像素的出光光強，最后通過三基色混色效應，使得每一個像素 所發(fā)射光的顏色被精確地控制輸出。原則上，每個像素都可以實現(xiàn)光源色域內(nèi)的任何一種 彩色光。然而這種顯示方式對光能的利用率很低，因為在彩色濾光片將白光轉(zhuǎn)化為RGB三 基色光的過程中，彩色濾光片將吸收超過三分之二的背光，例如為了得到R紅光，彩色濾 波片必須吸收入射白光中的G綠光與B藍光成分。因此，這種獲得RGB三基色光的方案對 光能的利用率低于30%，導致液晶顯示器整體的功耗較高，不滿足當前節(jié)能環(huán)保的要求，也 特別不利于手機、筆記本電腦等移動終端上的液晶顯示。如果背光模組出射的背光不是白光，而是RGB三基色光，并且出射的三基色光在 空間上是彼此分離并呈陣列分布，每個陣列元所出射的單色背光入射到相應顏色的液晶層 亞像素陣列，那彩色濾光片就不再是必須的(圖2)，濾光片對光的吸收也就可以避免，背光 的利用率也將可以比現(xiàn)在提高2倍。目前LED技術(shù)已經(jīng)可以提供高亮度的R、G、B三基色 LED，應用LED做光源的液晶顯示器也已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)應用，因此采用RGB三基色LED為導 光板提供三基色光是完全可行的。目前商業(yè)應用中的LED液晶顯示器雖然已有部分采用的是三基色LED光源，但從 導光板出射的光是三基色光混色后的白光，并沒有實現(xiàn)空間分色陣列輸出，依然需要利用 彩色濾光片來實現(xiàn)陣列狀的三基色光分布，因此并不能提高平板液晶顯示器背光源的光能 利用率。目前，在專利與科研文獻中，已提出了多種具有空間陣列分色功能的導光板方案， 例如利用具有空間色散特性的衍射光柵，可以將光源提供的RGB三基色光以不同的衍射 角度出射，這方面的研究工作具有代表性的有飛利浦公司(見文獻報道R. Caputo, Opt. Exp.，15，10540, 2007)。利用棱鏡陣列也可以實現(xiàn)RGB光的分色輸出，例如臺灣工業(yè)研 究院(見文獻報道P. Chen, Opt. Exp.，18，645，2010)。但以上方法都存在加工精度 高，難以大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)等問題，迄今為止，都沒有在商業(yè)產(chǎn)品中得到應用。
與以上方案不同，我們通過內(nèi)全反射原理，在導光板內(nèi)部制作多個相互獨立的光 波導，三基色LED發(fā)射的光分別耦合進入到不同的光波導，這些光波導在導光板的出光面 有線狀陣列分布的出光口，不同顏色的光最后通過不同的出光口出射(圖3)，實現(xiàn)三基色光 的陣列式分色輸出。由于每一種顏色的輸出光直接入射到相應的液晶TFT層的RGB亞像素 陣列(圖4)，因此就不再需要利用彩色濾光片來進行分色。從而可以避免彩色濾光片對背光 的吸收，實現(xiàn)液晶顯示器的總體功耗顯著降低，這對于帶有液晶顯示器的移動終端而言，將 可以較大地提高其續(xù)航工作時間，具備重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于平板液晶顯示器的光波導型空間陣列分色輸出導 光板，利用該導光板的陣列分色輸出效果，達到省去LCD中彩色濾光片層、提高光能利用 率，降低LCD總體功耗的目的。應用本發(fā)明的平板液晶顯示器由光源、導光板、偏光片、TFT陣列、液晶層、偏 光片組成，所述的光源是RGB三基色光源，所述的導光板是光波導型空間陣列分色輸出導 光板。本發(fā)明所述的導光板是這樣實現(xiàn)的該導光板主要由光波導結(jié)構(gòu)和出光面組成。 在導光板內(nèi)部設(shè)有一個或M個光波導結(jié)構(gòu)，分一層或多層布置，每一層設(shè)有一個或兩個光 波導結(jié)構(gòu)。每一個光波導結(jié)構(gòu)由臂波導、柵線波導與垂直波導三部分組成，臂波導、柵線波 導與垂直波導及出光面的出光口相連接，形成一個完整的光傳輸通道，每個光波導結(jié)構(gòu)間 彼此無連通且不存在光的耦合，柵線波導與垂直波導設(shè)有1對或N對，出光面上設(shè)有呈陣列 狀分布的線狀出光口 MXN條。光波導結(jié)構(gòu)的入光口位于導光板的側(cè)面，RGB三基色光從導光板的側(cè)面耦合進入 導光板內(nèi)的光波導結(jié)構(gòu)中，再從線狀陣列出光口射出。一層設(shè)置一個光波導結(jié)構(gòu)時，臂波導是設(shè)置兩條，并位于導光板的兩邊，兩臂波導 之間由N條柵線波導連通。一層設(shè)置兩個光波導結(jié)構(gòu)時，每一個光波導結(jié)構(gòu)的臂波導是設(shè) 置一條，并分別位于導光板的兩邊，每一臂波導連通N條柵線波導。每一個光波導結(jié)構(gòu)的柵 線波導與位于同一層的另一個光波導結(jié)構(gòu)的柵線波導呈插指狀布置。臂波導的長度大于等于有效出光區(qū)的長度，柵線波導的長度大于等于有效出光區(qū) 的寬度。垂直波導的厚度等于出光口寬度，垂直波導長度等于出光口長度。出光口長度大于或等于有效出光區(qū)的寬度，出光口寬度小于液晶顯示亞像素的最 小尺寸。MXN條線狀出光口陣列在出光面的位置分布與液晶顯示TFT層的亞像素線狀陣列 分布相同，每條出光口可垂直投影到相應的TFT層亞像素陣列線。導光板中的光波導結(jié)構(gòu)是由至少兩個不同折射率的透明材料構(gòu)成，光波導中傳輸 光的芯結(jié)構(gòu)由高折射率材料構(gòu)成，芯外圍為低折射率材料。本發(fā)明的原理是這樣的。RGB三基色光由導光板臂波導的端面耦合進入每個光波 導中，每一個光波導結(jié)構(gòu)只傳輸RGB中的一個單色光，，單色光由臂進入到柵線波導中，形 成一個柵狀的單色面光源。再通過垂直波導從相應的出光口出射，該出光口對應液晶顯示 TFT層相同單色的亞像素陣列線。MXN條出光口將形成以M為周期的三基色光周期性陣列 輸出，與液晶TFT層周期性的亞像素陣列相對應。這樣，導光板的三基色空間陣列分色輸出的功能就實現(xiàn)了。本發(fā)明所述導光板的制備方法可以用現(xiàn)有技術(shù)的方法完成。例如，以導光板常采 用的PMMA有機玻璃為導光板主體，Norland公司的N0A61紫外固化膠為波導芯結(jié)構(gòu)材料， 利用這兩種材料即可實現(xiàn)將光限定在芯材料中傳輸?shù)墓獠▽ЫY(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述導光板中含 有多個光波導結(jié)構(gòu)，可以分別制備每一薄層光波導結(jié)構(gòu)的臂波導和柵線波導，然后用PMMA 膠將所有波導薄層對準、粘合，最后再制作垂直波導。大屏幕平板液晶顯示的點陣距離一般 為0. 26毫米，以波導結(jié)構(gòu)線寬為標準，所述導光板工藝精度要求為50微米?？梢圆捎镁?加工中心制備導光板模具，然后利用精密注塑機進行PMMA的注塑，獲得帶波導開槽結(jié)構(gòu)的 導光板。波導結(jié)構(gòu)的芯層采用離心甩膠的方法來制備，在已有波導開槽結(jié)構(gòu)的PMMA導光板 上甩膠灌注N0A61紫外固化膠，最后經(jīng)紫外光固化，從而實現(xiàn)波導結(jié)構(gòu)的芯層。垂直波導 可以采用曝光、化學刻蝕，也可以采用機械直接刻蝕，然后甩膠灌注N0A61紫外固化膠來制 作。綜上，所述導光板的制備方法較光通信聚合物波導的工藝條件要求低兩個數(shù)量級，相應 工藝制備成本低，利于大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明采用上述技術(shù)解決方案所能達到的有益效果是進入導光板中的RGB三基 色光由導光板上表面呈陣列狀分布的線型出光口出射，且線型出光口所出射光的顏色在空 間上形成周期性分布，與液晶TFT層的RGB亞像素陣列形成一一對應，這樣就不需要使用彩 色濾波片來獲得三基色光，顯著提高光能的利用率，極大地降低液晶顯示器整體的功耗。本發(fā)明方案與其他分色輸出發(fā)明方案不同之處在于(一)本方案直接采用RGB 三基色光為入射光，每個波導只傳輸單一顏色的光，不同于利用色散元件實現(xiàn)白光的分色。 (二)本方案基于光波導的導光功能，通過陣列柵格狀的波導結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了“陣列式”面狀光 源。不同于目前導光板將點光源轉(zhuǎn)變?yōu)椤巴耆摹泵婀庠础?三)本方案采用平面波導周期 性分布結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)空間分色功能，不同于利用棱鏡等微光學元件實現(xiàn)空間分色。這種方案的優(yōu)勢(一)由三基色發(fā)光體直接給液晶層提供三基色的背光，可以大 幅度提高色彩的飽和度，與顯示色域。(二)免除使用彩色濾光片的高昂成本，避免了彩色濾 光片對光的吸收，可以提高光能利用率2倍以上，顯著降低LCD液晶顯示器的功耗。(三)光 波導結(jié)構(gòu)更易于集成、有利于大規(guī)模生產(chǎn)，且工作穩(wěn)定，比基于微光學結(jié)構(gòu)實現(xiàn)三基色空間 陣列分色輸出具有更高的商業(yè)應用前景。


圖1是目前液晶顯示器的結(jié)構(gòu)示意圖2是采用本發(fā)明之后的液晶顯示器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明所述導光板出光口的俯視示意圖； 圖4是液晶控制TFT層示意圖5是本發(fā)明實施例1導光板示意圖只標明了水平波導、出光口 ； 圖6是本發(fā)明實施例1導光板示意圖只標明了一個波導的芯結(jié)構(gòu)； 圖7是本發(fā)明實施例2導光板示意圖只標明了波導的芯結(jié)構(gòu)； 圖8是本發(fā)明柱面透鏡層結(jié)構(gòu)示意圖。其中1――臂波導、2――柵線波導、3――出光面、4――出光口、5――垂直波 導、6—一單臂波導、7—一梳狀柵線波導、8—一平面波導、9一一垂直波導、10—一陣列式柱面鏡層、U—一柱面鏡。
具體實施例方式以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進一步說明，說明以三波導結(jié)構(gòu)為例進行。實施例一
從圖5可以看出，導光板中一共包含有三個波導結(jié)構(gòu)，分別位于不同的三層，每層波導 結(jié)構(gòu)將傳輸三基色中的某一個單色光，例如第一層R光，第二層B光，第三層G光。每個波 導結(jié)構(gòu)由兩臂波導1、柵線波導2及垂直波導5組成。圖5中只畫出了含3個出光口的局部 結(jié)構(gòu)示意圖。每一個波導結(jié)構(gòu)的垂直波導對應導光板出光面3上的一條出光口 4，并按RGB 順序呈現(xiàn)周期性的更替，圖6中展示了其中一個波導結(jié)構(gòu)，包括三個柵線波導2，三個垂直 波導5，以及與之對應的3個出光口 4。柵線波導2與出光口 4由垂直波導5連接。三基色 光分別由兩臂波導1的兩端面耦合進入不同層的波導結(jié)構(gòu)中，并在柵線波導2陣列中形成 陣列面狀分布，再通過垂直波導5的傳輸，由出光口 4出射。實施例二
圖7展示了基于本發(fā)明思想的另一種結(jié)構(gòu)，只畫出了導光板中波導的芯結(jié)構(gòu)。導光板 中有兩層共包含有三個波導結(jié)構(gòu)。第一個波導結(jié)構(gòu)與第二個波導結(jié)構(gòu)位于第一層，第三個 波導結(jié)構(gòu)位于第二層。第一個波導結(jié)構(gòu)與第二個波導結(jié)構(gòu)都由一個單臂波導6、梳狀柵線波 導7及垂直波導5組成。第三個波導結(jié)構(gòu)的臂波導為一個平面波導8。第一個波導結(jié)構(gòu)與 第二個波導結(jié)構(gòu)的梳狀柵線波導7相互插入、插指狀排列在第一層，梳狀柵線波導7與出光 口4由垂直波導5連接。第三個波導結(jié)構(gòu)的平面波導8與出光口4由垂直波導9連接。與 “實施例一”相似，三個波導結(jié)構(gòu)對應的出光口呈周期性排列。三基色光其中兩個基色由第 一個波導與第二個波導結(jié)構(gòu)的單臂波導6兩端耦合進入波導結(jié)構(gòu)中，并在梳狀柵線波導7 中形成陣列面狀分布，再通過垂直波導5的傳輸，由兩個出光口 4出射。三基色中的另一個 基色由平面波導8的側(cè)面耦合進入波導中，形成光的面狀分布，再通過垂直波導9的傳輸， 由另一個出光口 4出射。圖8是對本發(fā)明的一個改進，以上兩個實例的導光板均可以在導光板出光面3上 增加一個柱面鏡層10，柱面鏡層10由陣列式柱面鏡11組成，柱面鏡陣列與出光口一一對 應。通過該柱面鏡層，可以改善光線的準直出射。以上兩個實例僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明 的精神和原則之類，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之 內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種平板液晶顯示器的光波導型空間陣列分色輸出導光板，它主要由光波導結(jié)構(gòu)和 出光面上的出光口組成，其特征在于在導光板內(nèi)部設(shè)有一個或M個光波導結(jié)構(gòu)，分一層或 多層布置，每一層設(shè)有一個或兩個光波導結(jié)構(gòu)，每一個光波導結(jié)構(gòu)由臂波導、柵線波導與垂 直波導三部分組成，臂波導、柵線波導與垂直波導及出光面的出光口相連通，形成一個完整 的光傳輸通道，每個光波導結(jié)構(gòu)間彼此無連通且不存在光的耦合，柵線波導與垂直波導設(shè) 有1對或N對，出光面上設(shè)有呈陣列狀分布的線狀出光口 MXN條。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平板液晶顯示器的光波導型空間陣列分色輸出導光板， 其特征在于一層設(shè)置一個光波導結(jié)構(gòu)時，臂波導是設(shè)置兩條，并位于導光板的兩邊，兩臂 波導之間用N條柵線波導連通。一層設(shè)置兩個光波導結(jié)構(gòu)時，每一個光波導結(jié)構(gòu)的臂波導 是設(shè)置一條，并分別位于導光板的兩邊，每一臂波導用N條柵線波導連通。每一個光波導結(jié) 構(gòu)的柵線波導與位于同一層的另一個光波導結(jié)構(gòu)的柵線波導呈插指狀布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平板液晶顯示器的光波導型空間陣列分色輸出導光板， 其特征在于臂波導的長度大于或等于有效出光區(qū)的長度(寬度)，柵線波導長度大于或等 于有效出光區(qū)的寬度(長度)，垂直波導的厚度等于出光口寬度，垂直波導長度等于出光口 長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平板液晶顯示器的光波導型空間陣列分色輸出導光板， 其特征在于出光口長度大于或等于有效出光區(qū)的寬度，出光口寬度小于液晶顯示亞像素 的最小尺寸，MXN條線狀出光口陣列在出光面的位置分布與液晶顯示TFT層的亞像素線狀 陣列分布相同，每條出光口可垂直投影到相應的TFT層亞像素陣列線上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平板液晶顯示器的光波導型空間陣列分色輸出導光板， 其特征在于導光板中的光波導結(jié)構(gòu)是由至少兩個不同折射率的透明材料構(gòu)成，光波導的 芯結(jié)構(gòu)為高折射率材料，芯結(jié)構(gòu)外圍為低折射率材料。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種用于平板液晶顯示器的光波導型空間陣列分色輸出導光板，該導光板主要由光波導結(jié)構(gòu)和出光面組成。在導光板內(nèi)部設(shè)有一個或M個光波導結(jié)構(gòu)，分一層或多層布置，每一層設(shè)有一個或兩個光波導結(jié)構(gòu)。每一個光波導結(jié)構(gòu)由臂波導、柵線波導與垂直波導三部分組成，并與出光面的出光口相連通，形成一個完整的光傳輸通道，每個光波導結(jié)構(gòu)間彼此無連通且不存在光的耦合，柵線波導與垂直波導設(shè)有1對或N對，出光面上設(shè)有呈陣列狀分布的線狀出光口M×N條。RGB三基色光從導光板的側(cè)面耦合進入導光板內(nèi)的光波導結(jié)構(gòu)中，再從線狀陣列出光口射出。利用該導光板的陣列分色輸出效果，達到省去LCD中彩色濾光片層、提高光能利用率，降低LCD總體功耗的目的。
文檔編號G02B6/10GK102122013SQ201110076778
公開日2011年7月13日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者張軍, 楊振華, 王文峰, 羅輯 申請人:湖北大學