CN108089371B - 模块化六棱柱红绿蓝光纤激光混白光背光装置和显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模块化六棱柱红绿蓝光纤激光混白光背光装置和显示装置，包括第一背板固定三色激光器点光源、六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置；所述第二背板固定汇聚透镜、鲍威尔透镜与导光板结构；所述一组三色激光器点光源、混白光装置、汇聚透镜、鲍威尔透镜组成光源模组。光源发射激光通过光纤传输入混白光装置出射的激光通过光纤传输至汇聚透镜，出射的激光经光斑整形后传输至鲍威尔透镜，再传输至为带有增透膜结构的导光板结构。其中六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置为壁厚1毫米的中空石英玻璃六棱柱。本发明能够解决目前多媒体显示器要求高亮度宽色域和大尺寸与散热的矛盾；能够解决因为系统复杂LED光源的带宽很宽与显示器的色域受限的矛盾。

Description

模块化六棱柱红绿蓝光纤激光混白光背光装置和显示装置

技术领域

本发明涉及激光显示和照明领域，特别涉及一种模块化六棱柱红绿蓝光纤激光混白光背光装置和显示装置。

背景技术

有统计表明，人们所获得的信息当中，有70%-80% 来之视觉，可见视觉信息的重要性。人们不仅要看到满眼绿色，蓝天白云，还要通过各种视觉媒体得到信息来指导生活。而目前信息的来源花样繁多，既包括书本，也包括电视，更包括各种户外媒体，像广告，广告牌，宣传栏，户外电视墙等， 而这些媒体的最重要的硬件就是显示器，可见好的显示的重要。

多媒体显示器既包括室内的也包括室外的，二者都是为提供信息服务的，但方法和效果却不同。室内的显示，由于环境光即背景光比较弱，因此对多媒体显示器的亮度要求不是很高，一般300—500cd/m^2 就可以；但对户外显示来说，其亮度要大于1500cd/m^2 ,这势必对户外显示提出了更高的要求，即高亮度，大尺寸，色彩还要好。目前户外显示屏都是基于LED的技术， 或者通过增加LED的数量，来提高亮度，或者通过研发光转换效率高的LED来代替低光效的LED， 而这些技术必须配备很大的散热装置，这势必增加系统的成本，且影响长期稳定性， 而且由于LED输出的光仍属于宽带光源， 其带宽一般为30nm～50nm，这就使得用LED背光形成的显示器， 色域很窄。 面对这种显示技术的挑战，科学家们提出了更好的方案，那就是利用激光。激光以其很高的亮度，纯的颜色和窄的带宽替代现有的LED，来制作高亮度的户外大屏激光背光显示器。国际上有国家在开展这方面的研究，像日本的三菱，就曾率先提出过激光显示的可能性，但限于技术上的困难，一直没有真正的推向市场。激光背光显示技术的主要困难在于如何充分利用激光来提高亮度，并且在提高亮度的同时提高显示器的色域。基于此，本发明公开一种模块化六棱柱红绿蓝光纤激光混白光背光装置和显示装置。

发明内容

1、所要解决的技术问题：

本发明提供一种模块化六棱柱红绿蓝光纤激光混白光背光装置和显示装置，能够解决目前多媒体显示器要求高亮度，宽色域和大尺寸与散热的矛盾；能够解决因为系统复杂、LED光源的带宽很宽与显示器的色域受限的矛盾。

2、技术方案：

一种模块化六棱柱红绿蓝光纤激光混白光背光装置，包括第一背板和第二背板；所述第一背板固定一组三色激光器点光源、六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置；所述第二背板固定汇聚透镜、鲍威尔透镜与导光板结构；所述一组三色激光器点光源、一个六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置，一个汇聚透镜、一个鲍威尔透镜组成一组光源模组。

所述三色激光器点光源分别为红光激光器点光源，蓝光激光器点光源、绿光激光器点光源；

所述三色激光点光源分别发射激光并通过光纤传输入所述六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置，通过六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置出射的白色激光通过光纤传输至所述汇聚透镜，经汇聚透镜对出射光斑形状进行整形后出射的激光传输至鲍威尔透镜，通过鲍威尔透镜后激光传输至为带有增透膜结构的导光板结构。

上述激光传输的过程中激光通过光纤进入所述六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置时，分别与三色激光点光源相连三根光纤并列熔化焊接成一根粗的光纤进入六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置；所述粗的光纤外表面包覆石英玻璃。

所述六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置为由6 块相同的长方形玻璃和两块前后端玻璃焊接成的中空石英玻璃六棱柱；六棱柱壁厚1毫米；长度为2-8厘米；所述六棱柱内表面镀高反膜层。

为了降低激光器发热对显示器稳定性的影响，本发明采用激光光源与导光板部分分离安装的形式，使激光器光源散热部分可单独控制，从而使得激光器光源的散热不会对导光板部分造成影响。在本发明中通过调节鲍威尔透镜与导光板之间的距离，调节导光板入射面之间的方位角有助于最终控制显示的色域。

当激光光源发射激光通过光纤进入六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置时，三色激光光纤虽然焊接在一起，但实际并没有进行充分的光混合，而如果不进行光斑整形，这势必对后续光学元件如汇聚透镜形成色散， 影响显示器的颜色。为提高激光器的耦合效率和颜色，本发明设计六棱柱光学晶体与入射光纤连接的特殊结构。三色激光入射于六棱柱后，经多次壁的反射， 在出光口处形成混合均匀的白光。六棱柱的作用就是通过增加多次反射面，并且增加混光的有效截面，达到均匀混光的目的。

进一步地，本发明还包括安装在第一背板上的散热结构。将散热结构安装在第一背板上能够实现激光器散热部分与背光部分分离。

进一步地，所述激光点光源为半导体激光器，其中红光激光器点光源的波长为625nm ~635nm，绿光激光器点光源的波长为518nm~522nm，蓝光激光器点光源的波长为430nm~438nm。为了达到提高色域的目的，三色激光的中心波长可以在上述范围内进行优化筛选。

进一步地，包括至少两组光源模组；所述多组光源模组的三色激光器点光源分别位于导光板的左右两侧， 并从两侧输入激光。

进一步地，包括至少两组光源模组；所述多组光源模组的三色激光器点光源从导光板四边输入激光。

进一步地，所述导光板结构根据需要进行拼接；所述导光板结构大小根据实际需要进行调整。

具体来说，为了进一步提高显示器的亮度和均匀性，本发明不仅可以采用左右两边进光， 而且同一边的进光装置采用阵列式， 同一边由原来的一个白光源增加为两个或者以上。同样本发明还可以采用四边全部进光的模式，使显示器的亮度进一步得到增强，以满足户外大屏幕的显示需求。本发明中的板也根据需要随之调节大小和数量。

进一步地，所述导光板结构包括导光板以及依次在导光板出射光线的面上设有的增亮膜系、匀光膜；所述导光板的激光入射面设有增透膜。入射的激光经导光板的入射面及底部反射，经导光板底部微结构散射回导光板， 最终形成均匀的白色面光，后经增亮膜系，匀光膜可以形成彩色显示。

一种显示装置，包括上述的一种模块化六棱柱红绿蓝光纤激光混白光背光装置和显示屏；所述显示屏位于导光板结构的最外端。

本发明是通过对高亮度的红绿蓝纯激光器的光束进行调整，并通过特殊设计的六棱柱结构使三色激光混合成白光，并由白光源通过汇聚透镜和鲍威尔透镜变成线光源，再导入到导光板，形成面光源。在本发明中通过增加和控制激光器的功率满足单个模块的显示亮度要求，并且可以通过增加阵列式激光器的数目增加总的光源亮度， 并通过模块化的方式控制所需的显示器尺寸，使得它能够满足户外显示应用的亮度和尺寸要求。为提高色域，本发明采用红绿蓝三种单色激光光源的设置，并通过调节三色激光的各成分光强比例达到混合成所需白光颜色的目的。为达到均匀混合的目的， 本发明采用特殊设计的光学混合结构，即将三根较小直径的光纤熔化焊接成一根较大直径的光纤，而后导入六棱柱混光部件，使得三色激光能充分混合，形成均匀白光，从光纤射出。为使出射的圆形光斑形成便于转换为线光源的入射光斑要求，本发明设有可控制出射光斑形状的会聚透镜，使得入射的圆形光斑能够形成椭圆型出射光斑。

另外为了达到提高色域的目的，三色激光的中心波长进行优化筛选。红光的波长范围为625nm ~635nm，绿光为518nm~522nm，蓝光为430nm~438nm。其各自的半峰宽兼筛选小于5纳米，寿命大于50000小时。除了筛选激光器的中心波长，功率和寿命外，还调整三色激光的混合型态，光斑的形状以及混合白光与导光板入射面的入射方位，反光膜，增亮膜和液晶显示器的种类， 从而对最终的显示色域进行控制，使得显示器能够具有最大化的色域效果。提高人们对美的追求。

3、有益效果：

1)本发明采用红绿蓝三色光纤激光点光源混合成白光来控制显示器的色域，由于激光器的半高宽很窄，所以可得到很高的色域。

2)本发明采用六棱柱三色激光混光结构， 使得出射的激光形成均匀白光。

3)本发明采用可控制出射光斑形状的汇聚透镜， 以利于与鲍威尔透镜的光学耦合。本发明中模块化鲍威尔透镜与导光板进行光学耦合的这种结构，使高亮点激光有效地变成高亮均匀线光源，然后经导光板形成面光源，均匀射出，并与液晶显示模板一起形成有效显示装置。

4)本发明采用模块化阵列式高亮激光源，不仅可以控制光源的波长，而且还可以控制激光器的亮度和功率消耗。

5)本发明采用模块化阵列式设计，显示器的总的尺寸可由单模块自由拼接而成，因此尺寸可无限扩展。

6)本发明采用光纤激光器供光模式， 激光器散热部分与背光部分分离， 单独控制激光光源散热，彻底消除激光器长时间发热对显示器图像质量的影响。

7)本发明的显示亮度和色域可通过调整和控制激光光源的波长，反光膜，增亮膜和匀光膜的安装数量和顺序和导光板的底部散射点微结构来控制。

附图说明

图1是第一背板和第二背板的连接及包括采用一组光源模组与导光板结构和独立散热的实施例1的结构图；

图2是本发明的第二背板的侧视图；

图3是本发明中的六棱柱红绿蓝三色光纤激光混白光装置中的光路传输示意图；

图4是本发明采用左右两侧入光且每侧为一组光源模组的实施例2的结构图；

图5是导光板左右两侧入光且每侧为两组光源模组的实施例3的结构图；

图6是导光板左右两侧入光模块化阵列式光源模组的实施例4的结构图；

图7是模块化四边进光的实施例5的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

实施例1如附图1所示，为第一背板1101和第二背板901的连接及包括采用一组光源模组与导光板结构701和独立散热的实施例1的结构图。从图中可以看出光线的传输路径为：三色激光点光源101,102,103分别发射激光通过光纤传输至所述六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置201，通过六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置201出射的激光通过光纤301传输至所述汇聚透镜401，经汇聚透镜401控制出射光斑形状后出射的激光传输至鲍威尔透镜501，通过鲍威尔透镜501后激光传输至为带有增透膜结构的导光板结构。其中一组三色激光器点光源、一个六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置，一个汇聚透镜、一个鲍威尔透镜组成一组光源模组。第一背板固定一组三色激光器点光源、六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置；第二背板固定汇聚透镜、鲍威尔透镜与导光板模组。在上述结构中激光点光源波长功率可调，可以通过可拆卸的结构固定在第一背板上。

所述导光板结构固定在第二背板上， 而激光光源部分独立固定在第一背板上，这样就实现了对激光器散热模块的独立控制， 彻底消除高能激光器散热对导光板部分的影响，提高系统的稳定性。在光线传输的过程中光线的转换路径如下： 红绿蓝光纤激光经三色激光混白光装置，变成均匀的白光， 然后经汇聚透镜改变其出射光斑的形状成椭圆形，然后入射于鲍威尔透镜， 经鲍威尔透镜后，光线由点光源变成均匀的线光源，入射于导光板；经过导光板的具有增透膜的入射面601及底部反射膜组801反射，经导光板底部微结构散射回导光板802，最终形成均匀的白色面光，后经增亮膜系803，匀光膜804和液晶显示屏805组形成彩色显示。

图2 是本发明的第二背板的侧视图。从图中可以看出，激光由汇聚透镜射入鲍威尔透镜再进入后续的导光板结构。导光板结构包括导光板以及依次在导光板出射光线的面设有的增亮膜系、匀光膜；所述导光板的激光入射面设有增透膜。由于六棱柱三色激光混白光装置的出口光纤直径较粗，因此出射光斑较大， 而且圆形光斑对鲍威尔透镜并没有形成优化入射光斑。 为此必须经过汇聚透镜，将出射的圆形光斑变为椭圆形且横向为长边的光斑。 椭圆形光斑经鲍威尔透镜入射，将出射的点白光变成均匀的线白光， 其出射光线平行于导光板的侧长边， 目的是为了加大与导光板的入射界面， 提高光源的光转换效率。出射的白色线光经导光板的特殊的带有增透膜的入射面601进入导光板802， 然后通过后续的导光模组经由液晶屏射出， 完成彩色显示。

图3是本发明中的六棱柱红绿蓝三色光纤激光混白光装置中的光路传输示意图。图中右边为入射光纤，左边为出射光纤。红绿蓝激光的三根光纤4401,4402,4403，经包覆晶体4404焊接成一根粗的光纤。由于三色激光光纤虽然焊接在一起，但实际并没有进行充分的光混合，而如果不进行光斑整形，这势必对后续光学元件如汇聚透镜形成色散， 影响显示器的颜色。为提高激光器的耦合效率和颜色，特设计六棱柱光学晶体与出射光纤连接。入射于六棱柱后的三色激光4405,4406和4407，经多次壁的反射，在出光口4408处形成混合均匀的白光。六棱柱的作用就是通过增加多次反射面， 并且增加混光的有效截面， 达到均匀混光的目的。

鲍威尔透镜是本发明中另一个重要的光学元件， 它的作用就是将入射的白光点光源变成均匀的线光源。鲍威尔透镜的扩展角可变， 范围从85度到120度可调， 视所需光源亮度决定。而且汇聚透镜与鲍威尔透镜的间距和入射倾角可调， 以其达到优化出射的目的。

导光板入射面是导光板上最关键的部分，所述导光板的入射面为镀有增透膜的入射面，可以有效的提高激光与导光板的耦合效率。

实施例2：如图4所示 为左右两侧入光且每侧为一组光源模组的实施例。

为提高显示屏总的显示亮度，必须随之增加入射的光源数目。如图所示可以采用在导光板的左右均进光的方法。但是在具体的使用中会由于入射的线光源在导光板内部的分布遵循特有的路径，为进一步提高光转换效率， 对导光板底部的散射点分布结构要进行优化。 对双边入射导光板来说， 散射微结构的密度分布为中间较密， 两边较稀。这样对随着入射路径的延长形成的稀释有所补偿。使得从导光板上端面出射的光形成均匀的面光源。

实施例3：如图5所示为导光板左右两侧入光且每侧为两组光源模组的实施例。

本实施例的目的是进一步提高显示器的亮度和均匀性。如图所示：不仅导光板结构左右两边进光， 而且每个光源以及与其对应的光学部件均采用阵列式。在本实施例中导光板的同一边由原来的一个白光源增加为两个。

实施例4：如图6所示为导光板左右两侧入光模块化阵列式光源模组。

本实施例中采用的是在导光板的左右两端的光学部件分别为四个，但是并不局限于图中所示的四个，光学部件的多少根据实际情况采用。

实施例5：如图7所示为导光板四边进光的模块化阵列式光源模组，

这样显示器的亮度更会进一步得到增强。只要将导光板底部的微结构进行优化，就可以满足户外大屏幕的显示需求。

从上述实施例可以看出本发明的光源模组、导光结构、汇聚透镜与鲍威尔透镜均采用模块化阵列式结构，从而使显示器的尺寸可以大范围延伸。其中：显示器的总的尺寸可以从5寸到100寸可调。并且实施例1中的模块单元的显示器尺寸也可以从5寸到55寸延伸，优化的为10寸的模块，其尺寸由当前市场所需决定。

本发明设计可延伸应用于其它形状的导光板，如圆形等， 也可以应用于不规则图形背光系统设计，以及由上述背光系统制作的显示装置。

在本发明中不仅激光点光源采用可替换和拆卸结构，导光板部分也采用模块化阵列式设计，使得替换更为容易。当某个模块失效时，可以用好的代替，减小系统的维护费用。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (6)

1.一种模块化六棱柱红绿蓝光纤激光混白光背光装置，其特征在于：包括第一背板（1101）和第二背板（901）；所述第一背板（1101）固定一组三色激光器点光源（101,102,103）、六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置（201）；所述第二背板（901）固定汇聚透镜（401）、鲍威尔透镜（501）与导光板结构（701）；所述一组三色激光器点光源（101,102,103）、一个六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置（201），一个汇聚透镜（401）、一个鲍威尔透镜（501）组成一组光源模组；

所述三色激光器点光源（101,102,103）分别为红光激光器点光源，蓝光激光器点光源、绿光激光器点光源；

所述三色激光器点光源分别发射激光并通过光纤传输入所述六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置（201），通过六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置（201）出射的白色激光通过光纤传输至所述汇聚透镜（401），经汇聚透镜（401）对出射光斑形状进行整形后出射的激光传输至鲍威尔透镜（501），通过鲍威尔透镜（501）后激光传输至为带有增透膜结构的导光板结构（701）；

上述激光传输的过程中激光通过光纤进入所述六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置（201）时，分别与三色激光点光源相连三根光纤并列熔化焊接成一根粗的光纤进入六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置（201）；所述粗的光纤外表面包覆石英玻璃（4404）；

所述六棱柱红绿蓝三色激光混白光装置（201）为由6 块相同的长方形玻璃和两块前后端玻璃焊接成的中空石英玻璃六棱柱；六棱柱壁厚1毫米；长度为2-8厘米；所述六棱柱内表面镀高反膜层；

还包括安装在第一背板上的散热结构；

所述激光点光源为半导体激光器，其中红光激光器点光源的波长为625nm ~635nm，绿光激光器点光源的波长为518nm~522nm，蓝光激光器点光源的波长为430nm~438nm。

2.根据权利要求1所述的一种模块化六棱柱红绿蓝光纤激光混白光背光装置，其特征在于：包括至少两组光源模组；所述光源模组的三色激光器点光源（101,102,103）分别位于导光板（802）的左右两侧， 并从两侧输入激光。

3.根据权利要求1所述的一种模块化六棱柱红绿蓝光纤激光混白光背光装置，其特征在于：包括至少两组光源模组；所述光源模组的三色激光器点光源（101,102,103）从导光板（802）四边输入激光。

4.根据权利要求2或3所述的一种模块化六棱柱红绿蓝光纤激光混白光背光装置，其特征在于：所述导光板结构（701）根据需要进行拼接；所述导光板结构（701）大小根据实际需要进行调整。

5.根据权利要求4所述的一种模块化六棱柱红绿蓝光纤激光混白光背光装置，其特征在于：所述导光板结构（701）包括导光板（802）与依次在导光板出射光面设有的增亮膜系（803）、匀光膜（804）；所述导光板的激光入射面设有增透膜。

6.一种显示装置，其特征在于：包括如权利要求1-5任一权利要求所述的一种模块化六棱柱红绿蓝光纤激光混白光背光装置（201）和显示屏（805）；所述显示屏位于导光板结构（701）的最外端。