CN113156698A - 一种高光提取率的液晶显示器激光面光源结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高光提取率的液晶显示器激光面光源结构，该面光源结构包括可见光半导体激光器、导光板及必要的光束整形器件；可见光半导体激光器光轴与导光板侧面入射面的夹角关系需满足：θ₁+arccos{(n₁/n₂)sinθ₂}:θ_导≥1；其中，θ₁为导光板激光侧面入射面与导光板激光出光面所形成的夹角，θ₂夹角为可见光激光器光轴与导光板激光侧面入射面法线的夹角，θ_导为导光板的临界角，n₁为接触、包裹、浸润导光板激光侧面入射面与导光板激光出光面的介质折射率，n₂为导光板材料的折射率。本发明的激光面光源结构能够获得高亮度的三基色激光光源光场。

Description

一种高光提取率的液晶显示器激光面光源结构

技术领域

本发明涉及一种液晶显示器的激光背光源，具体涉及一种高光提取率的液晶显示器激光面光源结构。

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率的液晶显示器激光面光源结构，该种激光面光源结构能够获得高亮度的三基色激光光源光场。

一种高光提取率的液晶显示器激光面光源结构，该面光源结构包括激光器、导光板及必要的光束整形器件；

所述激光器光轴与导光板侧面入射面(长×厚或宽×厚的面)的夹角关系需满足：

θ₁+arcsin{(n₁/n₂)sinθ₂}:θ_导≥1 (1)

θ₁为导光板激光侧面入射面与导光板激光出光面所形成的锐角夹角，θ₂夹角为激光束光轴与导光板激光侧面入射面法线的夹角，θ_导为导光板的临界角，n₁为接触、包裹、浸润导光板激光侧面入射面与导光板激光出光面的介质折射率，n₂为导光板材料的折射率。

进一步地，当入射激光束在导光板内形成高效全反射，则采用下式进行修正：

θ₁+arcsin{(n₁/n₂)sin(θ₂±α/2)}:θ_导≥1 (2)

其中，α为激光束存在束散角。

进一步的，多种所述激光器中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，多种可见光激光器中同波段的激光束之间存在光斑叠加。

进一步的，激光束可由至少一个导光板侧面入射面入射导光板。

进一步的，多种激光器中每个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、准直、扩束。

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

进一步的，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、反光器件、柱透镜、光楔、偏振片、柱透镜列阵、光栅器件、液体光学元件或以上光学器件/结构的组合。

进一步的，所述导光板上存在光束整形结构/器件，微光学透镜列阵结构/器件、球面镜结构/器件、胶合透镜结构/器件、二元光学结构/器件、非球面镜结构/器件、棱镜结构/器件、曲面反射镜结构/器件、平面反射镜结构/器件、衍射型光学结构/器件、折射型微光学结构/ 器件、反光结构/器件、柱透镜结构/器件、光楔结构/器件、偏振片结构/器件、柱透镜列阵结构/器件、光栅结构/器件、液体光学元件或以上光学结构/器件的组合。

进一步地，所述激光器以连续、准连续、脉冲方式进行光输出或上方式的组合进行光输出，激光器的输出方式是受电子调控的。

进一步地，所述面光源结构作为荧光物质的激发面光源或激光物质的激发面光源。

有益效果：

1、本发明的激光面光源结构将传统导光板侧面入光面与出光面的夹角由90°垂直关系改变为夹角关系，利用激光光束质量高发散角小的特点，使激光束入射导光板侧面入光面后，能够形成传统方案无法形成的折射角，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，形成高亮度的激光面光源。

2、本发明去除了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。既减少了激光面光源中的散射、漫射光学器件，还减少了由散射、满射引发的激光能量衰减，仅以改变导光板侧面入射面与导光出光面之间的夹角关系，即可大幅增加激光面光源的光提取率，提升亮度。

附图说明

图1为实施例1的激光导光板面光源结构；

图2为实施例2的激光导光板面光源结构；

图3为实施例3的激光导光板面光源结构；

图4为实施例4的激光导光板面光源结构；

图5为实施例5的激光导光板面光源结构；

图6为实施例6的激光导光板面光源结构；

图7为实施例7的激光导光板面光源结构。

其中，1-可见光激光器、11-端发射可见光半导体激光器、12-垂直腔面发射半导体激光器、2-导光板、21-导光板散射区、41-慢轴压缩玻璃柱透镜、42-快轴扩束镜、43-PMMA光导、 44-非球面光束整形镜、45膜型柱透镜列阵光学器件、46-玻璃液芯光导、47-聚碳酸酯光导、θ₁为导光板激光侧面入射面与导光板激光出光面的夹角，θ₂为可见光激光器光轴与导光板激光侧面入射面法线的夹角，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。

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公开了一种高光提取率的激光导光板面光源结构，Polystyr导光板的折射率为n₂＝1.590481，θ_导＝38.9572°。图1结构，包裹导光板外周介质为空气n₁＝1，θ₁＝20°，θ₂＝35°入射导光板侧面入射面。

依据公式θ₁+arccos{(n₁/n₂)sinθ₂}:θ_导≥1，可得：

20°+arccos{(1/1.590481)sin 35°}:38.9572°≥1

设导光板厚度为2.5mm，沿光传播方向的长度为820mm则激光束在图1结构导光板内的反射三角形的顶角82.2778°，反射三角底边长度为2.1838mm，激光束在导光板内总共反射次数为375.49次。

现有LED导光板体系中LED光源垂直导光板侧面入射面时的入射角全角为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，当导光板侧面入射面与导光板出光面夹角为20°激光束以35°入射导光板时，激光束的全反射次数远大于LED以120°入射导光板时的内部全反射次数。

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＝1.590481，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	35°	375.49	175％
				激光2	42°	76.38	35％
激光3	11°	19.929	9.3％

由此可知，实施例1的面光源结构的光提取率是LED光源体系的1.75倍，现有激光导光板体系专利方案的5～19倍。

实施例2：本实施例将对实际激光束的束散角做出说明。

Polystyr导光板的折射率为n₂＝1.590481，θ_导＝38.9572°。图1结构，导光板外周为空气n₁＝1，θ₁＝20°，θ₂＝35°，α＝1°入射导光板侧面入射面。

依据关系式

θ₁+arcsin{(n₁/n₂)sin(θ₂±α/2)}:θ_导≥1

20°+arcsin{(1/1.590481)sin(35°±0.5)}:38.9572°≥1

激光束的束散角为1°，在法线下方靠近θ₁的束散半角取值-0.5°，在法线上方远离θ₁的束散半角取值+0.5°。

设导光板厚度为2.5mm，沿光传播方向的长度为820mm则实际激光束在图2结构导光板内的下外延光线反射三角形的顶角40.8622°与上外延反射三角形的顶角41.4144°，反射三角底边长度为2.1638mm，实际激光束外延光线在导光板内总共反射次数为378.96次和372.72 次，其余的在激光束上外延与下外延范围之内的激光束的全反射次数介于372.72次与378.96 次之间。可极大提升激光在面光源中的提取率。

实施例3、若干个激光器1为端发射可见光半导体激光器，激光器的中心波长为450nm。在激光器1的出光口处设置一非球面光束整形镜44，用于对激光束进行准直，准直后的激光束的束散角为慢轴2°，快轴6°。准直后的激光入射PMMA光导43，PMMA光导43的入光面带有齿形光学微结构用于对激光束的快轴进行扩束，PMMA光导43的为五边形棒状体，其中反光面与激光束光轴的角度为135°，出光面与光轴垂直。经过PMMA光导43的全反射和膜型柱透镜列阵光学器件45扩束后，激光束由高斯型光束变为平顶型光束，次使激光束的束散角为慢轴2°快轴120°，入射由导光板2的侧面入射面入射导光板2。

导光板2导的入光面上存在为微光学结构列阵，微光学结构列阵中包含曲面与平面，曲面的切线与导光板2的出光面的夹角范围为10～30°，平面与导光板2的夹角范围为15～50 度。激光束的光轴入射角的角度为15°，导光板2的材质为PMMA。

经过微光学结构后，激光束在导光板散射区21上发生散射形成450nm激光面光源，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，入射光线位于法线的上侧。

导光板散射区21为凹陷坑状、激光打点、机械刻蚀、化学刻蚀、丝网油墨印刷等，使激光束全反射三角形中与其接触的激光向导光板外进行散射，导光板散射区21靠近激光束入射区的占空比低于远离激光入射区的占空比。

散射后的激光束由紧邻于导光板2后面(带有导光板散射区21的面)的漫反射PET膜向导光板2前面出光面(不带有导光板散射区21的面)进行反射形成均匀的面光源。

在导光板2前面出光面上存在齿形微光学结构，用于将面光源的光线汇集。且紧邻导光板2在导光板2前面出光面存在有带有受450nm激光激发产生可见光的荧光物质膜，在荧光物质膜与液晶图像调制解调器(液晶屏)之间存在增亮膜和匀光膜(以上器件图中均为画出)。

实施例4是一种高光提取率的激光导光板面光源的光路侧剖面结构，端发射半导体激光器11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对应一个慢轴压缩玻璃柱透镜41，经过慢轴压缩的激光束的慢轴发散角由10°压缩至1°后入射快轴扩束镜42。快轴扩束镜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玻璃液芯光导46，再入射导光板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。

此时激光束在导光板2内构成全反射三角形，全反射三角形的两个底角顶点设有导光板光散射区21，用于将全反射的激光进行散射，最终经过导光板光散射区21后置的反射膜(图中未标出)反射形成激光面光源。

导光板光散射区21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。

玻璃液芯光导46，慢轴压缩玻璃柱透镜41，快轴扩束镜42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。

端发射半导体激光器11可由全固态激光器、全固态激光器光纤模块、垂直腔面发射激光器代替，激光器的中心波长范围为300～1550nm。

实施例5：垂直腔面发射半导体激光器12由安置于垂直腔面发射激光器热沉上的贴片式垂直腔面发射激光器和沉组成。

本实施例公开垂直腔面发射半导体激光器12与导光板2的侧面入光面垂直，导光板2的侧面入射面与导光板2的出光面的夹角θ₁＝45°。

垂直腔面发射半导体激光器12包含红色(600～670nm)、绿色(500～560nm)、蓝色(400～ 490nm)波段的激光发光源。垂直腔面发射半导体激光器12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(图中未画出)上。垂直腔面发射激光器热沉贴附于液晶显示器壳体(图中未画出)上，形成热传导关系。通过垂直腔面发射激光器热沉实现对激光器的散热，散热方式使用气体冷却、液体冷却、半导体器件冷却、辐射冷却中的一种或多种方式的组合。

在垂直腔面发射半导体激光器12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，平顶型激光束的长度小于导光板2的长度或宽度，平顶型激光束的宽度小于导光板2的侧面入射面的宽度。

此时，垂直腔面发射半导体激光器12在导光板2内形成顶角为45°的全反射三角形。

设定导光板2的材质为聚碳酸酯材料，则n导＝1.585，θ临＝39.117°，此时激光束入射角θ₂与θ₁夹角关系符合关系式(1)。

导光板2的长宽高为1440×820×3mm，则激光束在导光板内的全反射次数为273.33次。

本实施例中使用2两块面光源进行拼接形成一个整体面光源用于60英寸液晶显示屏的背光源。

垂直腔面发射半导体激光器12的光输出受图像控制电路控制，以连续、准连续、脉冲方式进行输出，以达到显示画面局部光功率的控制目的。

若将垂腔面发射半导体激光器的中心波长改为380nm，则在导光板出光面上设有含有荧光粉的薄膜，以产生白光。

实施例6：本实施例公开一种高光提取率的激光导光板面光源的光路侧剖面结构，端发射半导体激光器11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对应一个慢轴压缩玻璃柱透镜41，经过慢轴压缩的激光束的慢轴发散角由10°压缩至1°后入射快轴扩束镜42。快轴扩束镜42将激光束沿导光板的入射面的长边方向进行120°扩束。

导光板2的材质为PS(聚碳酸酯)，聚碳酸酯光导47。

导光板2的材质为PS(聚碳酸酯)，聚碳酸酯光导47采用胶接方式合成折射率均一整体面光源光导。

激光束经过快轴压缩玻璃柱透镜41，快轴扩束镜42的压缩和扩束后的激光束入射导光板2和聚碳酸酯光导47构成的整体面光源光导内形成高亮度激光面光源。

此种面光源可作为照明灯具使用。

如图7所示，图中的实虚线为曲面的切线和法线，空心箭头线为经过导光板散射区21的光分量。θ₁₁为内侧激光束边界入射点切线与导光板2出光面的夹角，θ₁₂为外侧激光束边界入射点切线与导光板2出光面的夹角，θ₂₁为内侧激光束边界入射角，θ₂₂为外侧激光束边界入射角。

其中，导光板2的材质为聚碳酸酯，可见光激光器1的非高斯型激光束的慢轴入射角分别为θ₂₁＝11°，θ₂₁＝4°，对应激光束入射点的θ₁₁＝44°，θ₁₂＝50°。

导光板2的侧面激光入射面的曲面类型不限，满足关系式(1)或(2)即可。

本实施例中的曲面和可由微透镜列阵代替，微透镜列阵中通光面的各个光学面的法线、切线与激光束及导光板2出光面的角度关系均满足关系式(1)或(2)。

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)

1.一种高光提取率的液晶显示器激光面光源结构，其特征在于，该面光源结构包括激光器、导光板及光束整形器件；所述激光束光轴与导光板侧面入射面的夹角关系需满足：

θ₁+arcsin{(n₁/n₂)sinθ₂}:θ_导≥1 (1)

其中：θ₁为导光板激光侧面入射面与导光板激光出光面所形成的夹角，θ₂夹角为激光束光轴与导光板激光侧面入射面法线的夹角，θ_导为导光板的临界角，n₁为接触、包裹、浸润导光板激光侧面入射面与导光板激光出光面的介质折射率，n₂为导光板材料的折射率。

2.如权利要求1所述的高光提取率的液晶显示器激光面光源结构，其特征在于，当入射激光束在导光板内形成高效全反射，则采用下式进行修正：

θ₁+arcsin{(n₁/n₂)sin(θ₂±α/2)}:θ_导≥1 (2)

其中，α为激光束存在束散角。

3.如权利要求1所述的高光提取率的液晶显示器激光面光源结构，其特征在于，至少一种所述激光器中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。

4.如权利要求3所述的高光提取率的液晶显示器激光面光源结构，其特征在于，多种激光器可由至少一个导光板侧面入射面入射导光板。

5.如权利要求4所述的高光提取率的液晶显示器激光面光源结构，其特征在于，至少一种激光器中每个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、散射。

6.如权利要求5所述的高光提取率的液晶显示器激光面光源结构，其特征在于，多个或多种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或混合激光束。

7.如权利要求6所述的高光提取率的液晶显示器激光面光源结构，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、反光器件、柱透镜、光楔、偏振片、柱透镜列阵、光栅器件、液体光学元件、纤维制品、毛化光学器件或以上光学器件的组合。

8.如权利要求7所述的高光提取率的液晶显示器激光面光源结构，其特征在于，所述导光板上存在光束整形器件，微光学透镜列阵器件、球面镜器件、胶合透镜器件、二元光学器件、非球面镜器件、棱镜器件、曲面反射镜器件、平面反射镜器件、衍射型光学器件、折射型光学器件、反光器件器件、柱透镜器件、光楔器件、偏振片器件、柱透镜列阵器件、光栅器件、液体光学元件、纤维制品、毛化光学器件或以上光学器件的组合。

9.如权利要求8所述的高光提取率的液晶显示器激光面光源结构，其特征在于，所述激光器以连续、准连续、脉冲方式进行光输出或上方式的组合进行光输出，激光器的输出方式是受电子调控的。

10.如权利要求9所述的高光提取率的液晶显示器激光面光源结构，其特征在于，所述面光源结构作为荧光物质的激发面光源或激光物质的激发面光源。

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