CN112558356A - 一种高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构，该背光源结构包括激光器、导光板及必要的光学整形器件；激光器的激光束光轴与导光板侧面入射面的夹角θ₁需满足；θ_临∶(90⁰‑arcsin((n₁/n_导)sinθ₁))＞0.6；其中：θ_临为导光板的临界角，n₁为接触、包裹、浸润导光板侧面入射面的介质折射率，n_导为导光板的折射率。本发明的激光背光源结构能够获得高亮度的三基色激光光源光场。

Description

一种高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构

技术领域

本发明涉及液晶显示器的背光源，具体涉及一种高光提取率的液晶显示器激光背光源。

背景技术

现有液晶显示器的背光源光学系统是为以LED为发光基础元件的面光源所设计，LED与导光板组合可以形成均匀的朗伯型发光体，已非常成熟。这种朗伯型面光源被广泛用于电视、手机、电脑显示中，也被用于日常照明当中。

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，其可满足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。

但是，当激光光源与导光板搭配用于液晶显示器的背照明面光源时，除了三基色激光合光不均匀产生色带、色块问题以外；最大且最现实的问题就是激光与导光板搭配时的光提取率显著低于LED导光板系统的光提取率。实验测试现有专利技术方案，所得的实验数据为激光与导光板搭配的光提取率仅为LED导光板系统的光提取率的10％～50％。

造成激光在导光板中光提取率低下的原因有，激光束的方向性极好，光发散角远小于LED，且激光发散角是各向异性的。有些技术方案为了增加激光发散角在导光板和激光器之间加入散射体或慢反射体，以求加大激光的各向发散角提升激光在导光板中的光提取率。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，此种做法希望获得与LED一样的朗伯型光源以提升激光在导光板中的光提取率，但是散射体、漫反射体会使激光与导光板之间的光耦合率下降，且各种散射体或慢反射体存在折射损耗、反射损耗。因此，在激光光源与导光板之间加入各类散射体只能导致激光能量损耗、降低激光导光板光耦合率，进而降低激光导光板面光源的光提取率导致面光源亮度降低。

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，规避了上述专利中散射漫反射导致的激光导光板光耦合效率低下的问题。虽然此类技术方案采用激光器直射入导光板内部以提高激光导光板光耦合率，又导致了半导体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、光场明暗分布不均的问题，且最重要的是由于激光束的发散角小导致亮度依然无法提升。

在成以上问题的核心是，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高斯函数分布，其振幅按照高斯函数规律变化，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液晶显示器的背光光源所面临的首要问题是如何使激光与导光板配合获得与LED导光板系统相同的光提取率和利用率，以保证使用最少的激光能量获得最高的亮度的激光面光源。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构，该种激光背光结构能够获得高亮度的三基色激光光源光场。

一种高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构，该背光结构包括激光器、导光板及必要的光学整形器件；

所述激光束光轴与导光板侧面入射面(长×厚或宽×厚的面)的为夹角关系，夹角θ₁为导光板侧面入射面法线与激光束的光轴夹角，夹角θ₁的设定遵循公式(1)，以增加激光束在导光板内的全反射次数，从而提升激光的光提取效率；

θ_临∶(90°-arcsin((n₁/n_导)sin θ₁))＞0.6 (1)

其中：θ_临为导光板的临界角，n₁为接触、包裹、浸润导光板侧面入射面的介质折射率，n_导为导光板的折射率。

进一步地，单个激光器在导光板侧面入射面上的光斑长度小于等于导光板的长度或高度；光斑在导光板侧面入射面上的投影宽度或直径小于导光板的厚度。

进一步的，多种激光器由至少一个导光板侧面入射面入射导光板。

进一步的，所述激光器与导光板之间存在至少一种光束整形器件，光束整形器件用于对激光器发出的激光束进行反射、折射、衍射或散射。

进一步的，多个激光器发出的激光束经过一个或多个光束整形器件后转化成为合成白光激光束；多种激光器发出的激光束经过一种或多种光束整形器件后转化成为合成白光激光束。

进一步的，所述光束整形器件包括折射型光学器、件衍射型光学器件、反射型光学器件、光栅、液体光学元件、散射型光学器件、受激发产生荧光或激光的材料，或以上光学器件的组合。

进一步的，所述光束整形器件设置在导光板与液晶显示屏之间。

进一步的，所述光束整形器件设置在导光板上或导光板中。

进一步的，所述光束整形器件器件设置在导光板与液晶显示器壳体之间。

进一步地，所述背光源结构作为照明光源单独存在。

进一步地，所述背光源结构中的激光器受电子调控进行连续、准连续、脉冲发光。

进一步地，所述背光源结构使用液体冷却、气体冷却、半导体冷却方式进行降温。

有益效果：

本发明的液晶显示器激光背光源结构利用激光光束质量高发散角小的特点，削减现有技术方案中在激光进入导光板之前需经过散射、漫射等光学器件扩束，才能获得类似LED光源的光学效果的步骤。将激光束与导光之间的入射关系由现有技术方案的垂直入射改变为倾斜入射，以增大激光束在导光板内的折射角度进一步增加激光束在导光板内的全反射次数，从而提升光提取率，形成高亮度的激光背光源。既减少了激光背光源中的散射、漫射光学器件，还减少了引发的激光能量衰减，以改变激光束与导光板之间的入射角度度关系即可大幅增加激光背光源的光提取率并提升亮度。

附图说明

图1为实施例1的激光导光板背光源结构；

图2为实施例2的激光导光板背光源结构；

图3为实施例3的激光导光板背光源结构；

图4、5为激光导光板背光源结构应用到显示器中的示意图。

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1所示，本实施例中公开一种高光提取率的激光导光板背光源结构，图中：可见光激光器1，导光板2，导光板散射区3，图中虚线为各个光学面的法线，箭头线为可见光激光器光发出的平行于光轴的光线。Polystyr导光板的折射率为n₂＝1.590481，θ₂＝38.9572°。导光板外周为空气n₁＝1，可见光激光器1以θ₁＝85°入射导光板侧面入射面。

依据公式θ_临∶(90°-arcsin((n₁/n_导)sin θ₁))＞0.6

θ₂∶(90°-arcsin((n₁/n_导)sin θ₁))＝51.218799？

导光板全反射角：激光束入射折射角余角比值为：

38.9572°：51.218799°＝0.76

设导光板厚度为2.5mm，沿光传播方向的长度为820mm则激光束在导光板内的三角形反射底边长度为4.01mm，激光束在导光板内总共反射次数为204.48次。

现有LED导光板体系中LED光源的导光板入射角为120°，其半角为60°，即LED在820mm×2.5mm导光板内的三角形反射次数为106.7次，结合LED全角120°入射，则总反射次数为213.4次。

由上述计算得知，当激光束以85°入射导光板时，与LED以120°入射导光板时的内部全反射次数基本一致，故光提取率相当。

而按照现有的其他专利方案描述，将发散角为快轴42°慢轴11°的激光束直接耦合进入导光板。若以快轴垂直于导光板长×宽的面入射时：

N_导＝1.580481，n₁＝1，入射半角＝21°，则激光束在2.5mm厚的导光板内构成的全反射三角形的底边长度为21.47mm。在820mm长的传播距离内，激光束共计反射38.19次。激光束的全角反射次数为76.38次。

若以慢轴垂直于导光板长×宽的面入射时：

N_导＝1.580481，n₁＝1，入射半角＝5.5°，则激光束在2.5mm厚的导光板内构成的全反射三角形的底边长度为82.29mm。在820mm长的传播距离内，激光束共计反射9.96次。激光束的全角反射次数为19.929次。

导光板的光提取率是由光束在导光板内部的全反射次数决定，比较以上入射方式，在相同导光板内激光束的全反射次数随着入射角的增大而增加，故光提取率等比增加。

	入射角	反射次数	光提取率
				LED	120°	214	100％
激光1	85°	204.48	95％
				激光2	42°	76.38	35％
激光3	11°	19.929	9.3％

实施例2：如附图2所示，图中的附图标记如下：可见光激光器1，导光板2，导光板散射区3，柱透镜41,衍射型微光学透镜42，光反射器件43，箭头线为可见光激光器光发出的平行于光轴的光线。

本实施例公开了一种高光提取率的激光导光板背光源的光路侧剖面结构，端发射半导体激光器1组成的线型列阵(其发射光谱中心波长为范围为420～470nm，510～560nm，600～670nm的三个可见光波段)。列阵中每个端发射半导体激光器1对应一个激光束快轴压缩柱透镜41，经过快轴压缩的激光束的快轴发散角由42°压缩至1°后入射柱透镜列阵光学镜片42。柱透镜列阵光学镜片42将激光束沿导光板的入射面的长边方向进行120°扩束。经过压缩和扩束后的激光束入射反射角度整形光导43，将激光束传播方向由平行导光板2经过两次全发射后改变成与导光板侧面光入射面成85°夹角后入射导光板2。

导光板2的材质为PS。导光板2的厚度为2.5mm，激光束传播方向的长度为820mm。

激光束入射导光板3后的折射角为39.073°，激光束在导光板2长×宽的两个出光面上的全反射角为90°-39.073°＝50.927°。此时激光束在导光板2内构成等腰三角形，三角形的顶角为50.927°×2＝101.854°，此三角形的底边长度6.1584mm，在导光板2内部形成133个全反射三角形。全反射三角形的两个底角顶点设有光散射区3，用于将全反射的激光进行散射，最终经过光散射区3后置的反射膜(图中未标出)反射形成激光面光源。

光散射区3为激光打点、模压打点、机械刻蚀、化学刻蚀、油墨/丝网印刷的点、线、面，其密度、大小以整体面光源的均匀度大于85％设定，此处不做具体限定。

在导光板2中未设置光散射区的长×宽面上，还存在有微棱镜或微透镜列阵(图中未画出)，用于改变散射/反射光的光学分布。导光板3上存在的光束整形器件可由微光学透镜列阵、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、反光器件、柱透镜、光楔、偏振片、柱透镜列阵、光栅液体光学元件或以上光学器件的组合代替。

激光束快轴压缩柱透镜41，柱透镜列阵光学镜片42及激光束入射反射角度整形光导43组合所构成的光学整形系统还可由微光学透镜列阵、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、反光器件、柱透镜、光楔、偏振片、柱透镜列阵、光栅、液体光学元件或以上光学器件的组合代替。

实施例3，如附图3所示，图中的附图标记如下：可见光垂直腔面发射激光器1，导光板2，导光板散射区3，折射型微光学透镜44,衍射型微光学透镜列阵45，液体光反射器件盒43，箭头线为可见光激光器光发出的平行于光轴的光线。

可见光垂直腔面发射激光器1包含中心波长450～480nm的蓝光激光，中心波长520～550nm的绿光激光，中心波长610～660nm的红光激光。可见光垂直腔面发射激光器1采用贴片式封装形成激光发光带，激光发光带贴附于铝制热沉上(图中未画出铝制热沉)，铝制热沉采用风冷或水冷或半导体制冷方式散热。

在可见光垂直腔面发射激光器1的出光处存在折射型微光学透镜44对可见光垂直腔面发射激光器1发出激光束进行一维方向扩束。扩束后的激光束经过液体光反射器件盒43改变传播方向后入射衍射型微光学透镜列阵45。经过衍射型微光学透镜列阵45形成平顶型激光束，平顶型激光束以70°角入射导光板2.

导光板2的散射区由压模、化学刻蚀、机械刻蚀、丝网油墨印刷、激光打点所形成的点阵或线阵构成。

本实施例中所述光束整形器件还可由微光学透镜列阵、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、微光学透镜阵列器件、反光器件、柱透镜、光楔、偏振片、柱透镜列阵、光栅、液体光学元件、散射器件受激发产生荧光或激光材料，或以上光学器件的组合替代。

本实施例中所述导光板与带有触摸控制功能的液晶显示屏之间上存在光束整形器件，导光板上或导光板中可存在光束整形器件。

实施例4，如附图4所示，图中的附图标记如下：可见光垂直腔面发射激光器1，楔形导光板2，柱透镜列阵41,反射光导42，衍射型微光学透镜列阵43，增光膜51，复合匀光膜52，液晶显示屏6。

本实施例公开一种高效的液晶显示器用三基色激光背光源。由多个三基色激光背光源模组构成。每个三基色激光背光源模组包含可见光垂直腔面发射激光器1，楔形导光板2，柱透镜列阵41,反射光导42，衍射型微光学透镜列阵43。

多个三基色激光背光模组拼接成一个完整背光源。在完整背光源与液晶显示屏之间存在增光膜51，复合匀光膜52。

每个三基色激光背光模组中的可见光垂直腔面发射激光器1受控制电路控制输出连续、准连续、脉冲激光束，已实现液晶显示器所需的局部背光强度调节。

实施例5，如附图5所示，图中的附图标记如下：端发射红光激光器11，端发射绿光激光器12，端发射蓝光激光器13，导光板2,反射光导42，激光一字镜47，三色激光合光镜46。

本实施例公开一种具有局部背光强度调节能力的高效三基色激光背光源模块。由端发射红光激光器11，端发射绿光激光器12，端发射蓝光激光器13，使用45°三色激光合光镜46先行合成白光激光束。白光激光入射激光一字镜47进行一维扩束后经过反射光导42入射导光板2。每组激光器对应一块导光板2，多个此种模块拼接构成具备局部背光强度单独调整的三基色激光背光源。

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 (10)

1.一种高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构，其特征在于，该背光源结构包括激光器、导光板及必要的光学整形器件；激光器的激光束光轴与导光板侧面入射面的夹角θ₁

需满足；θ_临∶(90°-arcsin((n₁/n_导)sinθ₁))＞0.6 (1)

其中：θ_临为导光板的临界角，n₁为接触、包裹、浸润导光板侧面入射面的介质折射率，n_导为导光板的折射率。

2.如权利要求1所述的高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构，其特征在于，单个激光器在导光板侧面入射面上的光斑长度小于等于导光板的长度或高度；光斑在导光板侧面入射面上的投影宽度或直径小于导光板的厚度。

3.如权利要求2所述的高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构，其特征在于，多种激光器由至少一个导光板侧面入射面入射导光板。

4.如权利要求3所述的高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构，其特征在于，所述激光器与导光板之间存在至少一种光束整形器件，光束整形器件用于对激光器发出的激光束进行反射、折射、衍射或散射。

5.如权利要求4所述的高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构，其特征在于，多个激光器发出的激光束经过一个或多个光束整形器件后转化成为合成白光激光束；多种激光器发出的激光束经过一种或多种光束整形器件后转化成为合成白光激光束。

6.如权利要求5所述的高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构，其特征在于，所述光束整形器件包括折射型光学器、件衍射型光学器件、反射型光学器件、光栅、液体光学元件、散射型光学器件、受激发产生荧光或激光的材料，或以上光学器件的组合。

7.如权利要求6所述的高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构，其特征在于，所述光束整形器件设置在导光板与液晶显示器壳体之间。

8.如权利要求7所述的高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构，其特征在于，所述光束整形器件设置在导光板上或导光板中。

9.如权利要求8所述的高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构，其特征在于，所述背光源结构作为照明光源单独存在。

10.如权利要求9所述的高光提取效率的激光液晶显示器背光源结构，其特征在于，所述背光源结构中的激光器受电子调控进行连续、准连续、脉冲发光。

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