CN112034651A - 一种多基色激光列阵侧入式液晶显示器匀光面光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多基色激光列阵侧入式液晶显示器匀光面光源，属于激光光学显示技术领域。该匀光面光源包括可见光半导体激光器、光束整形器件和液晶显示器导光板；可见光半导体激光器构成侧入式液晶激光显示器背光源中的多基色激光列阵，多基色激光列阵发出的光强呈高斯型分布的激光束被光束整形器件转化成光强成平顶型分布的激光束后再入射导光板，平顶型激光束在导光板入光面的光强分布均匀度大于50％。本发明能够消除多基色激光列阵侧在液晶显示器导光板内无交叠而导致的色斑、色块、明暗条纹和色温不均，从而得到分布均匀的白色光场。

Description

一种多基色激光列阵侧入式液晶显示器匀光面光源
技术领域
本发明涉及液晶显示器的激光背光源，具体涉及一种多基色激光列阵侧入式液晶显示器背光源匀光合色光学组件。
背景技术
现有液晶显示器的光学系统是为以LED为发光基础元件的面光源所设计，已非常成熟。
LED光源的优势是光能量是近似均匀的；发光区形状、大小是可通过半导体加工工艺改变的；且可形成均匀白光。以上优点决定了，LED可制成由巨量发低功率光点构成的贴片灯珠式窄带状面光源，因此被广泛用于侧入式液晶显示器的背光源。
但是，使用LED作为光源的液晶显示器只能满足2K分辨率的液晶显示器的显色要求。对于超高清显示所用的4K和8K的液晶显示屏，LED的色域覆盖率、色彩饱和度、色彩还原度、色彩数远不达标，尤其是蓝光激发荧光粉方案的LED光源。
激光光源是人类能够获得的最好的显示器光源可满足4K、8K显示器相关标准要求。激光光源具有：単色性最高、光谱宽度最窄、光束发散角最小的优势。激光显示是一种新型显示技术，因此半导体激光光源已被广泛应用作投影显示设备的光源。
三基色激光束入射导光板后会产生色彩条纹或明暗斑块。如专利CN104344284A和专利CN104180244A公开了一种“激光背光源装置”，其装置先将红绿蓝三基色激光通过透镜合束混合成白光后入射导光板模块，合束后的白光发散角极小。在进入导光板模块后通过导光板模块中掺杂的散射颗粒进行激光束扩束，以期形成高亮度、光分布均匀的激光面光源。专利CN104180244A公开了一种“一种激光背光源装置”，在导光板周边安置有导光管，导光管上留有通光开口，导光管内部存在散射体，激光束通过导光管时由导管内部的散射体对激光进行漫反射产生散射白色激光，散射的白光激光进入导光板形成面光源。此两种方案都是用经过纳米颗粒散射后的散射激光作为显示器的背光源，以上此方案仅解决了白光合成问题，但是并未解决匀场问题，会造成显示器的亮度分布不均。
专利201520476596.2中公开了一种激光显示用的面光源结构，此方案中导光板的四个侧面排列有灯条状的多个红绿蓝三色激光器。由于三色激光直接入射导光板，激光器间隔过远红绿蓝三色激光的强度分布不均匀无法合成白光导致花屏现象及屏幕明暗不均一的情况，无法满足液晶显示的正常使用需求。现有这些专利方案均无法解决可见光端发射激光器与现有侧入式LED液晶显示器光学系统不匹配所产生的画面色斑、色带、光场明暗分布不均、亮度低的实际问题。
在成以上问题的核心是，体积小巧、价格低廉的半导体激光光源需以三基色即红绿蓝三色激光共同混合成白光，而LED则是以蓝光激发荧光粉只需要两基色即可实现白光。
最重要的是，LED+荧光粉光源是如附图1所示的朗伯型或近朗伯型光强空间分布，光强分布在空间成余弦函数分布。而激光成高斯型分布其横截面的光强分布遵守如附图2所示的高斯函数分布，在z截面上，其振幅按照高斯函数规律变化，如图所示。将在光束截面内，振幅下降到最大值的1/e时，离光轴的距离定义为该处的光斑半径。
因此，三基色的高斯型激光光源若要用作侧入式液晶显示器光源所面临的首要问题是如何获得均匀的明亮的白色光场，尤其是使用多基色激光器组成的列阵如何获得无色带、白光均匀度达到85％以上的白光光场
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多基色激光列阵侧入式液晶显示器匀光面光源，该匀光面光源能够消除多基色激光列阵侧在液晶显示器导光板内无交叠而导致的色斑、色块、明暗条纹和色温不均，从而得到分布均匀的白色光场。
一种多基色激光列阵侧入式液晶显示器匀光面光源，该匀光面光源包括可见光激光器、光束整形器件和液晶显示器导光板；所述可见光激光器构成侧入式液晶激光显示器背光源中的多基色激光列阵，多基色激光列阵发出的光强呈高斯型分布的激光束(以下简称高斯型激光束)被光束整形器件转化成光强成平顶型分布的激光束(以下简称平顶型激光束)后再入射导光板，平顶型激光束在导光板入光面的光强分布均匀度大于50％。
进一步地，所述平顶型激光束在导光板入射面上的光斑长度或直径小于导光板的长度或宽度；转化后的平顶型激光束在导光板激光入射面上的光斑宽度或直径小于导光板的厚度。
进一步地，所述多基色激光列阵中的可见光激光器与导光板之间存在至少一种光束整形器件。
进一步地，多个可见光激光器发出的高斯型激光束经过一个或一种光束整形器件后转化成为平顶型激光束或近平顶型激光束；多种可见光激光器发出的高斯型激光束经过多个或多种光束整形器件后转化成为平顶型激光束或近平顶型激光束。
进一步地，所述光束整形器件包括微光学透镜列阵、球面镜、胶合透镜、二元光学器件、非球面镜、棱镜、曲面反射镜、平面反射镜、衍射型光学器件、折射型光学器件、毛化面透光器件、毛化面反光器件、柱透镜、光楔、偏振片、柱透镜列阵、散射光学板、散射光学膜、光栅、液体光学元件负折射率光波导或以上光学器件的组合。
进一步地，所述多基色激光列阵中包含至少一种中心波长为400～480nm、500～560nm、610～670nm的激光器。
进一步地，所述多基色激光列阵交错排列于导光板的四周，可为单边或多边入射。
进一步地，一个液晶图像调制解调器件对应至少一个此种面光源。
有益效果：
本发明所公开的多基色激光列阵侧入式液晶显示器匀光面光源使用平顶型激光束替代高斯型激光束，解决了现有技术方案中可见光激光列阵发射的高斯型激光束与导光板匹配时无法避免的屏幕色块、色带、亮度不均问题，全面攻克了制约多基色激光列阵光源用于液晶显示器背照明光的核心技术难题。
附图说明
图1为LED朗伯型空间光强分布示意图；
图2为激光高斯型光束空间光强分布示意图；
图3为本发明实施例1的匀光面光源的结构示意图；
图4为本发明实施例2的匀光面光源的结构示意图；
图5为本发明实施例3的匀光面光源的结构示意图；
图6为本发明实施例4的匀光面光源的结构示意图；
图7为本发明可见光激光器采用的散热结构示意图；
图8为本发明实施例5的匀光面光源的结构示意图；
图9为本发明实施例6的匀光面光源的结构示意图；
图10为本发明实施例7的匀光面光源的主视图；
图11为本发明实施例7的匀光面光源的侧视图。
其中，1-可见光激光器、11-贴片式垂直腔蓝光激光器、111-贴片式垂直腔面发射激光器、1111-垂直腔面发射激光器热沉、12-贴片式垂直腔红光激光器、13-贴片式垂直腔绿光激光器、18-激光器模块、19-合束光纤、2-光束整形器件、21-高斯型激光束快轴压缩柱透镜、22-高斯型激光束准直非球面镜、221-带有微型柱透镜列阵的PC光导、222-镀可见光高反膜反射平面镜、223-镀膜高反曲面镜、23-折射型微光学扩束镜、24-直角棱镜、25-PET雾化匀光片、26-高斯型激光束准直镜、27-微型柱透镜列阵、28-柔光薄膜、29-高斯型激光束折射型扩束镜、30-衍射型扩束透镜列阵、31-毛化匀光散射板、32-高斯型激光束快轴准直柱透镜、33-高斯型激光束慢轴准直非球面镜、34-微型柱透镜列阵、35-转折棱镜、36-毛化透光板、37-平顶型激光束扩束凹透镜、38-包威尔棱镜、3-导光板、311-散射区、4液晶显示器壳体。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1
如附图3所示，本实施例公开了一种端发射激光器发出的高斯型激光束转换成为平顶光型激光束的条件和背光源。具体的是，在端发射可见光激光器1垂直于导光板3的出光面安置。在端发射可见光激光器1出光口处安装高斯型激光束快轴压缩柱透镜21和高斯型激光束准直非球面镜22将高斯型激光束聚焦成为一直径小于1.5mm的激光斑。激光斑入射安置于直角棱镜24一直角面上的折射型微光学扩束镜23。折射型微光学扩束镜23将激光斑扩束成为均匀度大于60％的平顶型线光束。平顶型线光束的长平行于导光板3的长边或宽边，平顶型线光束的宽平行于导光板3的厚度。平顶型线光斑通过直角棱镜24转折90°后出射直角棱镜24后入射PET雾化匀光片25进一步匀化光强分布。经过PET雾化匀光板匀化后，高斯型激光束最终被转化成为平顶型光束之后入射导光板3。
在导光板3的后端(靠近液晶显示器壳体4一侧)存在漫反射光学膜(图中未画出)用于进一步匀化激光，在导光板3的前端(远离液晶显示器壳体4一侧)还存在有匀光片、增亮片(图中未画出)等用于增进液晶显示器亮度、匀化液晶显示器光场的光学器件
实施例2
如附图4所示，本实施例公开了一种端发射激光器发出的高斯型激光束转换成为平顶光型激光束的条件和背光源结构。
具体的是，在端发射可见光激光器1垂直于导光板3的侧面入光面安置。在端发射可见光激光器1出光口处安装高斯型激光束准直镜26，将高斯型激光束聚焦成为一发散角为4°的激光斑。激光斑入射微型柱透镜列阵27，微型柱透镜列阵27的安置方向为微型柱透镜的长度平行于导光板3的厚度方向。激光斑经过微型柱透镜列阵27后被扩束成快轴发散角150°慢轴发散角4°的近似平顶型激光线光斑。
微型柱透镜列阵27与导光板3之间存在一柔光薄膜28，微型柱透镜列阵27和柔光薄膜28之间间距为8mm，柔光薄膜28与导光板3侧面光入射面(长×厚或宽×厚)之间的间距为2mm。
经过高斯型激光束准直镜26、微型柱透镜列阵27、柔光薄膜28的三合一转换，由端发射可见光激光器1发出的高斯型激光束转变成为近似平顶型激光线光斑，后近似平顶型激光线光斑入射进入导光板3。在高斯型激光束准直镜26、微型柱透镜列阵27、柔光薄膜28外周包裹有反光支撑结构(图中未画出)。
实施例3
如附图5所示，本实施例公开一种使用贴片式垂直腔激光器(VCSEL)列阵作为光源的液晶显示器背光匀光结构。
贴片式垂直腔蓝光激光器11、贴片式垂直腔红光激光器12和贴片式垂直腔绿光激光器13共同构成贴片式三基色激光液晶显示器背光源。
三基色垂直腔可见光激光器的中心波长为蓝光400～490nm、绿光500～580nm、红光600～680之间，三基色垂直腔可见光激光器的光谱半峰宽度小于10nm。
具体的是若干个贴片式垂直腔蓝光激光器11、若干个贴片式垂直腔红光激光器12，若干个贴片式垂直腔绿光激光器13交错安置于导热PCB板上，在贴片式垂直腔激光器的出光面上安置有高斯型激光束折射型扩束镜29，对各波段可见光高斯型激光进行平行于导光板3长或宽方向的一次光扩束，形成平顶型线光斑。经过一次光扩束后的平顶型激光束入射安置于折射型准直镜29顶端的衍射型扩束透镜列阵30对一次光扩束平顶型激光束进行平行于导光板3厚度方向进行二次扩束。
各波段的二次扩束后的平顶型线光斑的光强分布均匀度大于90％，且在同波段二次扩束后的平顶型线光斑在安置于衍射型扩束透镜列阵30上部的毛化匀光散射板31的投影存在3％的面积交叠。
若干个三基色二次扩束后的平顶型线光斑在毛化匀光散射板30形成交叠后散射形成白色激光照明光，白色激光照明光入射导光板3，形成光强分布均匀度大于85％的白色激光面光源用于液晶显示器的照明。
实施例4
如附图6所示，本实施例中的光束整形器件包括高斯型激光束快轴准直柱透镜32，高斯型激光束慢轴准直非球面镜33、微型柱透镜列阵34、转折棱镜35和毛化透光板36。
本实施例中公开一种由蓝色可见光激光器1，中心波长为450～460nm列阵构成的面光源。
端发射的蓝色可见光激光器1与导光板3成垂直关系，并以线型列阵方式排列。蓝色高斯型激光束的快轴平行于导光板的宽。高斯型激光束经过高斯型激光束快轴准直柱透镜32与高斯型激光束慢轴准直非球面镜33后，快轴发散角与慢轴发散角变为一致均为1°后入射转折棱镜35。在转折棱镜35的入光面上存在微型柱透镜列阵34，对准直后的蓝色高斯型激光束进行单方向扩束，被光束后的激光束形成一均匀度大于70％的近似平顶型条状光束。近似平顶型条状光束的长度方向与导光板3的长度平行，此时慢轴发散角角度为1°快轴发散角为100°。
近似平顶型条状光束经过转折棱镜35后传播方向发生90°转折后出射转折棱镜35。在转折棱镜35与导光板3侧面入光面之间存在毛化透光板36，用于将近似平顶型条形激光束的快慢轴进一部扩束，被扩束后的激光束入射导光板3形成均匀度大于85％的蓝色激光面光源。
在导光板3的两个出光面(长×宽)中的至少一个面上/附近存在有能够受蓝色可见光激光激发产生可见光的荧光物质器件(图中未画出)，用于合成白光面光源。
如附图7所示，可见光激光器1由贴片式垂直腔面发射激光器111和垂直腔面发射激光器热沉1111组成，通过垂直腔面发射激光器热沉1111实现对激光器的散热。
本实施例公开可见光激光器1由多边入射导光板3形成均匀面光源的方案。
可见光激光器1由贴片式垂直腔面发射激光器111和垂直腔面发射激光器热沉1111组成。贴片式垂直腔面发射激光器111包含红色(600～670nm)、绿色(500～560nm)、蓝色(400～490nm)波段的激光发光源。贴片式垂直腔面发射激光器111被焊接或胶粘于由高导热金属条与PCB电路板共同形成的垂直腔面发射激光器热沉1111上。垂直腔面发射激光器热沉1111贴附于液晶显示器壳体(图中未画出)上，形成热传导关系。
在贴片式垂直腔面发射激光器111垂直光轴的上方安置有微透镜组(图中未画出)用于将高斯型激光束转变为平顶型激光束。
可见光激光器1在导光板的三个侧面激光入射面(长×厚、宽×厚)入射导光板3，形成均匀的可见光激光面光源
实施例5
如附图8所示，该实施例中的可见光体激光器1由蓝光激光器11、红光激光器12和绿光激光器13组成，光束整形器件由平顶型激光束扩束凹透镜37和带有微型柱透镜列阵的PMMA转折棱镜35组成。
蓝光激光器11、红光激光器12和绿光激光器13的出光口上带有准直非球面镜及衍射型微透镜匀化器件(图中未画出)使每种激光束形成发散角为0.2mrad的平顶型激光束。平顶型激光束经过扩束镜37进行一维扩束后入射带有微型柱透镜列阵的PMMA转折棱镜35再次扩束后转折180°入射导光板3形成均匀的三基色激光面光源。
此种面光源可做为小型激光显示设备。也可多个面光源进行拼接形成面光源列阵，用于大尺寸液晶显示的背照明激光光源。
实施例6
如附图9所示，该实施例中的可见光激光器1由激光器模块18和合束光纤19组成；光束整形器件由带有微型柱透镜列阵的PC光导221、镀可见光高反膜反射平面镜222和镀膜高反曲面镜223组成。
多个激光器经过准直后合束后构成激光器模块18，此时高斯型激光束变为平顶型激光束，平顶型激光束进入合束光纤19。合束光纤19的出光端头存在有折射型微光学镜头组用于激光束的整形。
整形后平顶型激光束出射合束光纤19，入射到微型柱透镜列阵的PC光导221中向镀可见光高反膜反射平面镜222方向传播。镀可见光高反膜反射平面镜222和镀膜高反曲面镜223组成光转折结构，转折180°后的平顶型激光束入射导光板3形成均匀的多基色激光面光源。
实施例7
如附图10、11所示，该实施例中的光束整形器件由高斯型激光束非球面准直镜透镜26、包威尔棱镜38和柔光膜28组成。
红绿蓝三基色可见光激光器1交错排列组成列阵。每个可见光激光器对应一个高斯型激光束非球面准直镜透镜26。经过高斯型激光束非球面准直镜透镜26整形的高斯型激光束入射对应于可见光激光器1的包威尔棱镜38。包威尔棱镜38对高斯型激光束进行一维扩束形成均匀的平顶型可见光激光线型光束。
在包威尔棱镜38与导光板3之间存在有柔光膜28用于消除平顶型可见光激光线型光束在导光板3内产生的过亮辉光，进一步地形成均匀的侧入式三基色激光面光源。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种多基色激光列阵侧入式液晶显示器匀光面光源，其特征在于，该匀光面光源包括可见光激光器、光束整形器件和液晶显示器导光板；所述可见光激光器构成侧入式液晶激光显示器背光源中的多基色激光列阵，多基色激光列阵发出的光强呈高斯型分布的激光束被光束整形器件转化成光强成平顶型分布的激光束后再入射导光板，平顶型激光束在导光板入光面的光强分布均匀度大于50％。
2.如权利要求1所述的多基色激光列阵侧入式液晶显示器匀光面光源，其特征在于，所述平顶型激光束在导光板入射面上的光斑长度或直径小于导光板的长度或宽度；转化后的平顶型激光束在导光板激光入射面上的光斑宽度或直径小于导光板的厚度。
3.如权利要求2所述的多基色激光列阵侧入式液晶显示器匀光面光源，其特征在于，所述多基色激光列阵中的可见光激光器与导光板之间存在至少一种光束整形器件。
4.如权利要求3所述的多基色激光列阵侧入式液晶显示器匀光面光源，其特征在于，多个可见光激光器发出的高斯型激光束经过一个或一种光束整形器件后转化成为平顶型激光束或近平顶型激光束；多种可见光激光器发出的高斯型激光束经过多个或多种光束整形器件后转化成为平顶型激光束或近平顶型激光束。
5.如权利要求4所述的多基色激光列阵侧入式液晶显示器匀光面光源，其特征在于，所述光束整形器件包括微光学透镜列阵、球面镜、胶合透镜、二元光学器件、非球面镜、棱镜、曲面反射镜、平面反射镜、衍射型光学器件、折射型光学器件、毛化面透光器件、毛化面反光器件、柱透镜、光楔、偏振片、柱透镜列阵、散射光学板、散射光学膜、光栅、液体光学元件负折射率光波导、包含受激发产生荧光的物质的光学器件、含有受激发产生激光的物质的光学器件或以上光学器件的组合。
6.如权利要求5所述的多基色激光列阵侧入式液晶显示器匀光面光源，其特征在于，所述多基色激光列阵中包含至少一种中心波长为400～480nm、500～560nm、610～670nm的可见光激光器。
7.如权利要求6所述的多基色激光列阵侧入式液晶显示器匀光面光源，其特征在于，所述多基色激光列阵交错排列于导光板的四周，可为单边或多边入射。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113391394A (zh) * 2021-07-01 2021-09-14 广东小天才科技有限公司 背光发生装置及显示设备
CN114188824A (zh) * 2021-12-17 2022-03-15 中国电子科技集团公司第十三研究所 一种波长可调谐780nm半导体激光器
CN114646041A (zh) * 2020-12-21 2022-06-21 杨毅 激光照明装置及一种灯具

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