CN101714741B - 一种侧向发光的激光柱光源 - Google Patents

一种侧向发光的激光柱光源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种侧向发光的激光柱光源，包括激光光源、扩束镜、螺纹微棱镜导光棒和反衍型光学器件，扩束镜粘合镶嵌在螺纹微棱镜导光棒的入射端，反衍型光学器件粘合镶嵌在螺纹微棱镜导光棒的末端，激光光源设置在扩束镜的前面，螺纹微棱镜导光棒的外侧壁上分布有螺纹，螺纹微棱镜导光棒的内部分布有散射微颗粒，反衍型光学器件上设有纯相位结构。本发明能够得到发光均匀性好、色纯度高的侧向发光激光柱光源，可以将激光器出射的激光细光束转换成侧向均匀发光的激光柱光源，可以代替液晶显示背光板中的CCFL光管，实现激光全色显示，可以在特殊应用中为一定空间提供激光照明。

Description

一种侧向发光的激光柱光源
技术领域
本发明涉及一种侧向发光的激光柱光源，属于光源及激光显示技术领域。
背景技术
激光器的发明为人类带来了一种崭新的强光源。在近50年的发展期间，基于不同原理与工作物质、满足不同需要的激光器先后研制成功，如按工作物质分有固体激光器、气体激光器、半导体激光器等，按波长分有红外、可见、紫外、X射线激光器等。激光光源的发展不仅带动了多种学科技术的发展，而且在科技、工业、国防、医疗及人们的日常生活中也获得了广泛应用。激光具有单色性、方向性、相干性极好和高亮度等特点，激光光束一般是发散角很小的细光束，它在众多领域中得到广泛应用正是因为它的这些特点。但在某些应用(如激光加工、激光照明与显示等)领域中则需要对激光光束进行匀光和整形。
传统的液晶电视与液晶显示器采用的是冷阴极荧光管(即CCFL)背光源，它的技术成熟、寿命较长，但也有不少缺点：一是色域较小，一般只能达到NTSC色域标准的72％；二是冷阴极荧光管中含有少量的汞，不符合环保标准；三是漏光现象较普遍，低温启动困难，响应时间较慢。近年来，LED背光源发展迅速，它有望取代传统的CCFL，采用LED背光源的液晶显示器件已商品化。LED背光源最显著的优点是可以扩大色彩还原性和提高对比度，其色彩还原范围可以达到NTSC色域标准的105％甚至120％。但是LED背光源也有它的缺点，一是LED的亮度不够高，需要多个LED排列成线阵以代替CCFL或排列成面阵，功耗比较大；二是LED发光的单色性远比激光差，在显示色域、色饱和度及色彩逼真程度等方面难以与采用激光光源相比。采用激光作为光源可以大大改进投影显示与平板液晶显示器件的颜色特性，使其色域更宽、更加接近自然色彩。激光显示将是未来显示技术的发展趋势和市场的主流。
从激光器出射的细光束在接收面上一般为圆斑或圆点，无法直接均匀照明一个较大的面积或空间，例如，若要采用激光作为投影显示的照明光源或液晶平板显示的背光源，就需要采用特殊方法将激光光束转换成均匀的光斑或面光源；若在某些特殊应用中需要用激光为一定空间提供照明，则需要采用特殊方法将激光光束转换成均匀向四周发光的光源。
发明内容
本发明针对现有显示器光源技术存在的问题，提供一种能够将激光器出射的细激光束转换成侧向发光的柱形发光体的侧向发光的激光柱光源。该激光柱光源既可以替代CCFL或LED阵列作为液晶显示背光板的光源，大大改进平板液晶显示器件的颜色特性，实现激光全色显示，也可以在特殊需要时为一定空间提供照明。
本发明的侧向发光的激光柱光源采用以下技术方案：
该侧向发光的激光柱光源，包括激光光源、扩束镜、螺纹微棱镜导光棒和反衍型光学器件，扩束镜粘合镶嵌在螺纹微棱镜导光棒的入射端，反衍型光学器件粘合镶嵌在螺纹微棱镜导光棒的末端，激光光源设置在扩束镜的前面，螺纹微棱镜导光棒的外侧壁上分布有螺纹，螺纹微棱镜导光棒的内部分布有散射微颗粒，反衍型光学器件上设有纯相位结构。
所述激光光源可以是固体激光器、气体激光器、半导体激光器(Laser Diode-LD)，也可以是LED(发光二极管)。
所述扩束镜是消球差双凹透镜，可将激光器出射的细激光束扩束成和螺纹微棱镜导光棒相匹配的发散光束。
螺纹微棱镜导光棒上分布的每一个螺纹类似一个微棱镜，螺距等于每个螺纹的宽度。螺纹微棱镜导光棒的内部分布着适当密度的微散射颗粒。周期性螺纹微棱镜结构的力求使得成180度正对的两个微棱镜相应面相互平行，整体上螺纹微棱镜导光棒侧面呈周期性螺纹结构。
所述反衍型光学器件是基于光束整形技术中的相位恢复算法设计的纯相位反射衍射型光学器件，可将螺纹微棱镜导光棒末端集中的光能沿多个方向反向传播，提高侧向发光激光柱光源的发光均匀性。
扩束镜、螺纹微棱镜导光棒和反衍型光学器件都可以根据具体的使用条件调整其尺寸。激光器出射的细激光束经扩束镜扩束成和螺纹微棱镜导光棒相匹配的发散光束，发散光束中发散角较大的光线经螺纹微棱镜导光棒侧壁上的一系列微棱镜侧面多次反射和折射，每一次的折射光从侧面出射，每一次的反射光又进入螺纹微棱镜导光棒内部，再次经过多次反射和折射。每遇到一个微棱镜面就有部分光能以一定角度从螺纹微棱镜导光棒侧壁出射。发散光束中发散角较小的光线在微颗粒散射作用下，一部分光能经螺纹微棱镜的多次反射和折射从侧壁出射；其余光能量入射到末端的反衍型光学器件上，在反衍型光学器件的作用下以多个不同方向返回到螺纹微棱镜导光棒中，进一步保证了侧向发光激光柱光源的发光均匀性。
本发明能够得到发光均匀性好、色纯度高的侧向发光激光柱光源，可以将激光器出射的激光细光束转换成侧向均匀发光的激光柱光源，可以代替液晶显示背光板中的CCFL光管，实现激光全色显示，可以在特殊应用中为一定空间提供激光照明。
附图说明
图1是本发明侧向发光的激光柱光源的结构示意图。
图2是扩束镜的结构示意图。
图3是螺纹微棱镜导光棒的局部结构放大示意图。
图4是反衍型光学器件的结构示意图。
图5是一根光线追迹的示意图。
图6是多根光线追迹的示意图。
图中：1、激光光源，2、扩束镜，3、螺纹微棱镜导光棒，4、反衍型光学器件，5、微棱镜，6、散射微颗粒，7、反衍型光学器件上的纯相位结构。
具体实施方式
如图1所示，本发明的侧向发光的激光柱光源包括激光光源1、扩束镜2、螺纹微棱镜导光棒3和反衍型光学器件4。激光光源1设置在扩束镜2的前面，激光光源1可以是固体激光器、气体激光器、半导体激光器(Laser Diode-LD)或LED(发光二极管)。扩束镜2粘合镶嵌在螺纹微棱镜导光棒3的入射端，如图2所示，扩束镜2是消球差双凹透镜，可将激光器出射的细激光束扩束成和螺纹微棱镜导光棒相匹配的发散光束。反衍型光学器件4粘合镶嵌在螺纹微棱镜导光棒3的末端。螺纹微棱镜导光棒3是一个侧壁上刻有螺纹分布的圆柱体，螺纹微棱镜导光棒3的内部分布有密度适当的散射微颗粒6。螺纹微棱镜导光棒3上分布的每一个螺纹类似一个微棱镜5，螺距等于每个螺纹的宽度，如图3所示，一个螺纹和每个螺纹的宽度的含义如图3所示，一个螺纹可以理解为是图3中的一个牙形。周期性螺纹微棱镜结构的力求使得成180度正对的两个微棱镜相应面相互平行，整体上螺纹微棱镜导光棒3侧面呈周期性螺纹结构。反衍型光学器件4是基于光束整形技术中的相位恢复算法设计的纯相位反射衍射型光学器件，如图4所示，其上设有纯相位结构7，可将螺纹微棱镜导光棒3末端集中的光能沿多个方向反向传播，提高侧向发光激光柱光源的发光均匀性。
激光器1出射的细激光束经扩束镜2扩束成和螺纹微棱镜导光棒3相匹配的发散光束，发散光束中发散角较大的光线经螺纹微棱镜导光棒3侧壁上的一系列微棱镜5侧面的多次反射和折射。每一次折射都有一部分光从侧面出射，每一次反射都有一部分光又进入螺纹微棱镜导光棒3内部，再次经过多次反射和折射。每遇到一个微棱镜面就有部分光能以一定角度从螺纹微棱镜导光棒3侧壁出射。发散光束中发散角较小的光线在微颗粒6散射作用下，一部分光能经螺纹微棱镜5的多次反射和折射从侧壁出射；其余光能量入射到末端的反衍型光学器件4上，反衍型光学器件4上的纯相位结构7使光束传播方向发生反转，以多个不同方向返回到螺纹微棱镜导光棒3中，进一步保证了侧向发光激光柱光源的发光均匀性。一根光线的追迹如图5所示，多根光线的追迹如图6所示。

Claims (4)

1.一种侧向发光的激光柱光源，包括激光光源、扩束镜、螺纹微棱镜导光棒和反衍型光学器件，其特征在于：扩束镜粘合镶嵌在螺纹微棱镜导光棒的入射端，反衍型光学器件粘合镶嵌在螺纹微棱镜导光棒的末端，激光光源设置在扩束镜的前面，螺纹微棱镜导光棒的外侧壁上分布有螺纹，螺纹微棱镜导光棒的内部分布有散射微颗粒，反衍型光学器件上设有纯相位结构。
2.根据权利要求1所述的侧向发光的激光柱光源，其特征在于：所述扩束镜是消球差双凹透镜，用于将激光器出射的细激光束扩束成和螺纹微棱镜导光棒相匹配的发散光束。
3.根据权利要求1所述的侧向发光的激光柱光源，其特征在于：所述螺纹微棱镜导光棒上分布的螺纹螺距等于每个螺纹的宽度。
4.根据权利要求1所述的侧向发光的激光柱光源，其特征在于：所述反衍型光学器件是基于光束整形技术中的相位恢复算法设计的纯相位反射衍射型光学器件，用于将螺纹微棱镜导光棒末端集中的光能沿多个方向反向传播。
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