CN1908767A - 适于lcd背光照明显示器的激光光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源和采用该光源的显示器。光源包括激光器、光管和第一光纤。光管包括具有顶面、底面和第一边缘的透明材料层。第一光纤在第一位置处将来自激光器的光耦合到第一边缘。光注入光管使光由顶面反射，光管包括将光经过顶面散射的多个散射中心。激光器可以与热沉热接触，热沉设在适于散热的位置处。在彩色显示器中，光源可以包括多个激光器。来自不同激光器的光可以在到达光管前或在光管中进行混合。

Description

适于LCD背光照明显示器的激光光源

技术领域

本发明涉及适于LCD背光照明显示器的激光光源。

背景技术

液晶显示器(LCD)用于许多种计算机和消费设备如电视机中。背光照明LCD是象素的阵列，其中每个象素用作快门，使来自位于象素后面的光源的光通过或将其阻挡。通过给象素设置彩色滤波器，使每个象素透射或阻挡特定色彩的光，可以实现彩色显示器。来自每个象素的光强度由该象素处于可透过状态的时间来设定。

显示器通常由白光光源照明，该白光光源在显示器的整个背面提供均匀的强度。基于荧光的照明光源特别有吸引力，因为其消耗每一瓦时的功率输出的光高。但是，这样的光源需要高驱动电压，使其对于电池带动的设备适用性较差。

结果，在这些应用中，人们对基于LED的光源有很大兴趣。LED具有相似的电气效率和较长寿命。另外，所需的驱动电压也与大多数便携式设备上可用的电池功率相符。

照明系统通常在LCD阵列后面使用某种形式的灯箱或光管。光从灯箱的周边注入灯箱。与邻近LCD阵列的表面相对的灯箱表面具有某种形式的散射性覆盖物对光进行散射，以使LCD的背面得到均匀照明。

光源的厚度受到灯箱厚度的限制。在用于膝上型计算机和手持设备例如PDA和蜂窝电话的显示器中，显示器的厚度特别重要，因为显示器厚度限制了设备的总体厚度。这些便携式设备中的一些需要厚度小于10mm的灯箱。随着灯箱的厚度减小，将光从侧面以可确保均匀性的方式有效注入灯箱中变得越来越难了。

另外，大显示器还存在能量消散的问题。施加到光源的大多数能量被转化为热量而不是光。由于基于LED的光源局限在灯箱周边，所以这些热量集中在围绕灯箱周边的区域中。怎样将热量从光管边缘传递到一个更适于将热量传递到显示器外部环境的表面是一个严重的问题。

发明内容

本发明包括光源和采用该光源的显示器。光源包括第一激光器、光管和第一光纤。激光器发射第一波长的光。光管包括具有顶面、底面和第一边缘的透明材料层。第一光纤具有贴近第一边缘的第一端和接收来自第一激光器的光的第二端。来自第一端的光在第一位置处注入光管。光管可以包括对光进行散射的散射中心，所述散射使得部分散射光倾斜照射到光管的顶面，使散射光经过顶面离开光管。通过将光管设在显示元件附近，使来自光管的光照明显示元件，可以用该光源来构成显示器。

附图说明

图1是现有技术的光源10的俯视图。

图2是光源10沿2-2线的剖视图。

图3是根据本发明一种实施例的光源30的俯视图。

图4是光源30沿4-4线的剖视图。

图5是根据本发明另一种实施例的光源50的俯视图。

图6是光管60的俯视图，其中光管的边缘彼此不平行。

图7是根据本发明另一种实施例的光源的俯视图。

图8是根据本发明另一种实施例的光源的俯视图。

图9是采用了根据本发明一种实施例的光源的设备100的剖视图。

图10是采用了根据本发明的光源的另一种实施例的设备110的剖视图。

具体实施方式

参考图1和图2可以更容易地理解本发明获得其优点的方式，图1和图2图示了用于照明LCD显示器16的现有技术灯箱结构。图1是光源10的俯视图，图2是沿2-2线的光源10的剖视图。光源10使用LED 11的阵列照明光管12。LED安装在电路板13上，电路板13安装在向LED提供电能的第二板15上。LED设置为使离开每个LED顶部的光照明光管12的端部。相对于表面21的法线以大于临界角的角度进入光管12的光在光管12中来回反射，直到光由表面17上的颗粒22吸收或散射。以大于临界角的角度照射到表面21的散射光离开光管并照明LCD显示器16的背面。

图1和图2所示的结构具有一些问题。首先，LED提供的光源具有发散的光束，即使在没有散射中心的情况下，它在损耗掉之前也只能在光管中行进较少的次数。假设光管的端部19是良好的反射器。到达端部19的光向LED阵列反射回去。即使衬底13是反射性的，大部分照射到邻近LED的端部的光也会损耗掉，因为光会由LED散射或吸收。因此，为了有效地给表面21提供照明，必须有足够的散射中心来使所有在光管中行进的光向表面21运动。结果，当光从LED向端部19行进时，强度大大降低了。这样的强度降低导致了沿表面21的强度梯度，除非散射中心沿表面17以非均匀方式分布。合适的分布图样是对表面15处注入光的几何形状敏感的函数，因此，这种解决方案对于光源的对准公差提出了很高的限制，从而增加了光源的成本。

其次，来自LED的光混合较差，特别是在靠近LED的区域18处。使用独立封装的LED会使这个问题更糟，因为必须使光源之间的距离大到足以容纳各个LED芯片的封装。因此，要么LCD显示器16的边缘照明较差，要么就必须延长光管使非均匀照明区域不在LCD显示范围的下方。后一种解决方案增加了显示器所在装置的尺寸，因此不合乎要求。

第三，必须散去LED产生的热量，或者在印刷线路板13的背面14上，或者将其传导至印刷线路板15。表面14上可用于散热的面积受到印刷线路板13的高度限制。随着显示器厚度减小，该高度也必然减小。或者，可以将热量经过印刷线路板13传导至有较大面积可用于散热的印刷线路板15。但是，热量流动受到印刷线路板13的厚度限制。另外，这种解决方案对印刷线路板15的布局设置了限制，因为这个板必须接近能将热量散发到外部环境中的表面。最后，如果印刷线路板15受热严重，则印刷线路板15将由于传递热量的内部核心的热膨胀而弯曲。这种弯曲可能改变LED与光管的对准，从而改变注入光管的光的几何形状。

第四，由于光管和空气之间折射率之差引起的反射，LED产生的一大部分光在空气-光管界面处损失掉了。如果LED透镜24与光管端部23之间的空间填充具有一定折射率的材料，则会失去透镜的成像特性，因此LED产生的一大部分光不能被投射到狭窄的光管中。

本发明基于这样的观察情况，即来自激光器的光与来自LED的光不同，它本身是准直的，因此可以比来自LED的光更有效地耦合到光管中。耦合可以在光导例如光纤的帮助下进行，因此激光器可以设在离开光管一定距离处，从而使激光器可以设置在对于散发来自激光器的热量更有利的位置处。

现在参考图3和图4，它们图示了根据本发明的光源的一种实施例。图3是光源30的俯视图，图4是从4-4线处的光源30剖视图。为了简化下列说明，光源30只使用一种色彩来照明LCD显示器16。具有多种色彩的光源的构造方式将在下面进行详细讨论。光源30包括由来自激光器31的光照明的光管32。来自激光器31的光由耦合器33耦合到多个光纤，例如光纤35。光纤结合到光管32的边缘36。

边缘36除了光进入时所经的区域以外都是反射性的。另外，光管32的其余边缘37-39和底面41也是反射性的。因此，引入光管32的光由顶面和底面以及侧面反射，直到光由40所示散射中心吸收或散射，并沿LCD面板16的方向离开光管。

应当注意，即使在光管非常薄的情况下，光纤的直径也比光管厚度小得多，因此，照射到表面36的大部分光被该表面反射回光管32。少量离开并返回光纤中的光被耦合回激光器31。激光器31具有两个反射镜组成的腔，每端一个。返回激光器31的大部分光会被第一个反射镜反射回光纤。剩余的光将进入激光器腔内，在其中被放大并返回光纤。因此，经过光纤离开光管32的大部分光会返回光管32。

光管32由光学传输长度比光管32的最大尺寸大得多的材料构成。为了讨论目的，“光学传输长度”定义为由于散射或吸收使光强度减至一半时光在光管中行进的距离。在一种实施例中，光学传输长度至少是光管最大尺寸的2倍，因此，进入光管32的光在其被吸收或散射出光管之前可以沿光管往返许多次。这里，散射中心40密度的设定值使得在经过光管的任一次行进时，光管32的长度方向上光束的光强改变可以忽略。因此，即使散射中心密度均匀分布，光管32的顶面上光强也是基本均匀的。

在图3和图4所示实施例中，散射中心分布在整个光管中。但是，也可以构成散射中心位于光管顶面或者光管底面上的实施例。

应当注意，激光器31可以位于离光管32相当远的位置。这使得激光器31可以安装在热沉34上，该热沉34与安装LCD面板16的设备表面热连接。例如，热沉34可以是设备壳体外表面的一部分。

还应注意，光纤是可以弯曲的，因此，热沉34与光管32相对位置的改变不会引起进入光管32的光束几何形状的很大改变。因此，上述的关于照明光源或板上的其他元件加热下方的印刷线路板使线路板弯曲的问题在本发明中大大减轻了。

由于光穿过光管许多次，每次穿越都向LCD面板16损失一些光，所以不需要参考图1和图2所讨论的上述混合区域18。因此，本发明使用的光管可以比现有技术光源中所需的小得多。

如果边缘37基本平行于边缘36，则所得的照明图样趋向于若干亮带之一。光射出光纤端部时的发散角44比较小。考虑射出光纤43的光。所述的光将沿4-4线行进，直到在点45处照射到表面37。然后，光反射回点46，在该处反射回点45，并如此进行下去。光束在每次经过时缓慢扩大。但是，扩大的光束都以4-4线为中心。这样得到的亮带沿4-4线强度最大，沿垂直于4-4线随着距离增加，强度减小。尽管散射中心趋向于使光分布平滑，但是带状图样仍然在一定程度上存在。

原则上，通过增加光纤数目使相邻的带在更大程度上重叠可以减轻这种带状问题。但是，这种解决方案增加了光源的成本。

现在参考图5，它是根据本发明另一种实施例的光源50的俯视图。为了简化下列讨论，光源50中与上述光源30中的元件功能类似的元件被赋予了相同的标号，并不再进一步讨论。光源50与光源30的不同之处在于光管52包括带有多个小平面的边缘57。这些小平面是平面反射镜，它们对倾斜照射到反射镜的光进行反射，使来自光纤的光束以相对于侧面36、38和39倾斜的角度发生反射。小平面的表面大体上垂直于光管52的顶面和底面，因此，这些小平面对光束进行反射的方式不会使光以大于临界角的角度照射到光管52的顶面或底面。因此，反射以不使光从光管中损失掉的方式对光管中的光进行重定向。这种结构改善了来自不同光纤的光的混合，因此减轻了上述带状问题。

尽管图5所示小平面的角度56较大，但是应当理解，可以采用较小的角度。小平面的角度只需足以使来自给定光纤的光束返回边缘36上的下述位置处，所述位置相对于光纤偏离开一段足以防止光束形成带状的距离。例如，小平面的角度使光束偏离的程度达到光束宽度或光纤直径就够了。

还应当理解，其他边缘，包括边缘36，也可以包括这样的小平面以进一步对光进行混合。在这种情况下，应当理解，带有多个小平面的边缘可以在小平面之间包括平的区域，用于将光纤结合到光管边缘。

采用边缘为平面，但相对的边缘彼此相互倾斜一个小角度的光管，可以实现一种可替换的混合结构。现在参考图6，它是光管60的俯视图，其中光管的边缘61-64彼此不平行。为了简化附图，只示出了一条光纤66引入的光束所采取的路径65。如果相对的边缘彼此相对倾斜太大的角度，则会给光管内部的照明带来很大的不均匀性。因此，倾斜角67优选地设定为尽可能小的值。另一方面，倾斜角也必须足够大，以确保光沿边缘61进入光管60的入口与由边缘61第一次反射处之间的距离68足够防止强度带或其他亮斑发生。

各对边缘中至少一对应当是不平行的。考虑平行四边形光管的情况。即，相对的边缘彼此平行。在此情况下，来自光纤的光在三次反射之后将返回入射点。因此，上述带状问题仍然存在，尽管图样有些不同。

应当理解，图5所示小平面的平均提供了“非平行边缘”的好处，同时防止了上述非均匀性。如果带小平面的边缘的平均是平行于光管相对边缘的线，则在防止了非均匀性的同时，给经过给定光纤注入的光所产生的光束提供了较大间隔。

图5所示实施例只包括一个带小平面的边缘。但是，也可以构成一个或多个边缘包括小平面的实施例。在此情况下，选择小平面使每两个相对边缘的小平面的平均限定的线基本上平行。

上述实施例依靠离开光纤的光束的自然发散以及多次反射来实现对光管顶面的均匀照明。但是，应当理解，可以用廉价的透镜组件54作为每个光纤的端部，以增加来自光纤的光束发散角或将光束扩大为更大的准直光束，以进一步提高光源的均匀性。

本发明的上述实施例采用单色光源。如上所述，用于背光显示的光源需要至少三个波段的光，通常是红色、蓝色和绿色。现在参考图7，它是根据本发明另一种实施例的光源的俯视图。为了简化下面的讨论，光源70中与上述光源50中的元件功能类似的元件被赋予了相同的标号，并不再进一步讨论。光源70采用连接到热沉75的三个激光器71-73。激光器分别提供红色、蓝色和绿色光谱区域的输出光。来自每个激光器的光耦合到81-83所示的光纤中。来自光纤81-83的光由耦合器74耦合到一条光纤76中。光纤76中的光向耦合器74提供输入。因此，该光纤构成通向光管52的输入，将混合的光直接发送到光管52中。通常，调节来自激光器71-73的光的相对强度，使人类观察者所感知的光是特定色温的白炽光源。

现在参考图8，它是根据本发明另一种实施例的光源的俯视图。光源90包括光管92，光管92由分别来自101-103所示的红色、蓝色和绿色激光器的光照明。来自每个激光器的光经过光管92的相应边缘导向。例如，来自激光器101的光以类似于上文所述的方式由耦合器93耦合到与边缘96相连的光纤111。类似地，来自激光器102的光经过耦合器94耦合到边缘97，来自激光器103的光由耦合器95耦合到边缘98。在此实施例中，边缘99没有用于将光耦合到光管92中，但是可以通过采用边缘99来耦合来自第四激光器的光而构成采用四种色彩的实施例以提供更好的彩色再现。在图7所示的实施例中，激光器安装在热沉119上，设置热沉119的位置向外部大气提供散热。

为了简化图8，图中略去了上述小平面。但是，也可以构成将小平面引入光管92边缘的实施例。为了使光的覆盖面最大，可以在光管92的所有四个边缘都引入这样的小平面。或者，如上所述，可以选择光管92的形状使相对的边缘彼此不很平行。如果将相对的边缘制成反射性，并使其相对于彼此倾斜一个小角度，则来自任何给定光纤的光束将反射离开相对的表面并在偏离该光纤的位置处返回与该光纤相应的边缘。

图8所示实施例采用的结构中，携带不同色彩光的光纤耦合到光管的不同边缘。但是，也可以构成将不同色彩的光耦合到光管同一边缘的实施例。这样的实施例需要给来自不同耦合器的各条光纤提供更复杂的路线安排。

上述实施例采用光纤结构，其中，光以相对于光纤所在边缘基本垂直的角度注入光管。但是，也可以构成使光以其他角度注入的实施例。

如上所述，根据本发明的光源可以有效地提供从激光器到光管的注入，同时使激光器可以设在便于从激光器向周围环境传递热量的位置。现在参考图9，它是采用了根据本发明一种实施例的光源的设备100的剖视图。设备100可以是例如小型手持设备或较大的显示器系统，例如LCD电视屏幕。为了简化附图，图中略去了设备100与显示器无关的元件。设备100包括外壳101，外壳101的一个边缘上有LCD显示面板102。LCD显示面板102由来自光管106的光照明。光从激光器103经过光纤104注入光管106。激光器103安装在热沉105上，热沉105与外壳101的一个壁热接触。尽管示出的设备100只有一个激光器，但是也可以以类似方式构成包括多个激光器的实施例。在一种这样的实施例中，所有激光器位于同一个热沉上。

应当理解，图9所示热沉可以包括主动冷却机构。现在参考图10，它是采用根据本发明光源的另一种实施例的设备110的剖视图。为了简化下面的讨论，设备110中与上述设备100中的元件功能类似的元件被赋予了相同的标号，并不再进一步讨论。设备110包括挡板112，它限定了外壳101的壁附近的空气通道，热沉105的位置沿着该壁。风扇111使空气经过挡板运动，从而为热沉105提供主动冷却。这种结构特别有利于使用较高功率照明系统的大的TV显示器。

本发明的上述实施例是按照用于LCD显示器所用的背光照明来说明的。但是，根据本发明的光源可以用于需要背光照明的任何显示设备，包括采用固定透明度的显示器。

根据前述说明书和附图，本领域技术人员可以明白对本发明所进行的各种修改。因此，本发明仅由权利要求的范围来限定。

Claims (24)

1.一种光源，包括：

第一激光器，所述第一激光器发射第一波长的光；

光管，所述光管包括具有顶面、底面和第一边缘的透明材料层；和

第一光纤，所述第一光纤具有贴近所述第一边缘的第一端和接收来自所述第一激光器的光的第二端，来自所述第一端的光在第一位置处注入所述光管。

2.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光注入所述光管中使所述光由所述顶面反射，其中，所述光管包括多个散射中心，所述多个散射中心使所述光散射，使部分所述散射的光倾斜照射到所述光管的所述顶面，使得所述散射的光经过所述顶面离开所述光管。

3.根据权利要求2所述的光源，其中，所述光管的所述底面是反射性的。

4.根据权利要求1所述的光源，其中，所述第一激光器与热沉热接触。

5.根据权利要求1所述的光源，还包括具有第一端、第二端的第二光纤和耦合器，来自所述第一激光器的所述第一波长的光由所述耦合器耦合到所述第一光纤和所述第二光纤，所述第二光纤的所述第一端贴近所述第一边缘，并设置为使来自所述第二光纤的所述第一端的光在不同于所述第一位置的第二位置处注入所述光管。

6.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光管包括第二边缘、第三边缘和第四边缘，其中，所述第二边缘、第三边缘和第四边缘将照射到这些边缘的光反射回所述光管中，所述第二边缘在所述第一边缘对面。

7.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光管用最大物理尺寸进行表征，其中，所述材料的光学传输长度大于所述最大物理尺寸的2倍。

8.根据权利要求6所述的光源，其中，所述第二边缘的方向相对于所述第一边缘成一个角度，所述角度不是零。

9.根据权利要求6所述的光源，其中，所述第二边缘包括若干小平面，所述小平面之一包括平的反射性表面，所述反射性表面将光反射回所述光管中，使得在所述第一位置处注入所述光管的光被反射回所述光管，所述反射的光在离开所述第一位置一段大于零的预定距离的位置处照射到所述第一边缘。

10.根据权利要求6所述的光源，其中，所述第一光纤具有第一直径的圆形截面，其中，所述预定距离大于所述第一直径。

11.根据权利要求1所述的光源，还包括第二激光器，所述第二激光器发射不同于所述第一波长的第二波长的光，来自所述第二激光器的光注入所述光管。

12.根据权利要求11所述的光源，还包括合光器和耦合器，所述合光器将来自所述第一激光器的光和来自所述第二激光器的光混合以产生混合光信号，所述耦合器将所述混合光信号注入所述第一光纤。

13.根据权利要求11所述的光源，其中，所述光管包括第二边缘，其中，所述光源包括第二光纤，所述第二光纤具有贴近所述第二边缘的第一端和接收来自所述第二激光器的光的第二端，来自所述第一端的光在所述第二边缘上的第二位置处注入所述光管。

14.一种装置，包括：

具有第一侧面和第二侧面的外壳；

光管，包括具有顶面、底面和第一边缘的透明材料层光管；

由离开所述顶面的光照明的显示器，所述显示器的位置邻近所述外壳的所述第一侧面；

发射第一波长的光的第一激光器；

第一光纤，所述第一光纤具有贴近所述第一边缘的第一端和接收来自所述第一激光器的光的第二端，来自所述第一端的光在第一位置处注入所述光管；

热沉，所述热沉与所述第一激光器和所述外壳的所述第二侧面热连接，所述热沉从所述第一激光器向所述外壳的所述第二侧面传递热量。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述显示器包括LCD显示面板。

16.根据权利要求14所述的装置，其中，所述光注入到所述光管中使得所述光由所述顶面反射，其中，所述光管包括多个散射中心，所述多个散射中心使所述光散射，使部分所述散射的光倾斜照射到所述光管的所述顶面，使得所述散射的光经过所述顶面离开所述光管。

17.根据权利要求14所述的装置，还包括具有第一端、第二端的第二光纤和耦合器，来自所述第一激光器的所述第一波长的光由所述耦合器耦合到所述第一光纤和所述第二光纤，所述第二光纤的所述第一端贴近所述第一边缘，并设置为使来自所述第二光纤的所述第一端的光在不同于所述第一位置的第二位置处注入所述光管。

18.根据权利要求14所述的装置，其中，所述光管包括第二边缘、第三边缘和第四边缘，其中，所述第二边缘、第三边缘和第四边缘将照射到这些边缘的光反射回所述光管中，所述第二边缘在所述第一边缘对面。

19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述第二边缘的方向相对于所述第一边缘成一个角度，所述角度不是零。

20.根据权利要求18所述的装置，其中，所述第二边缘包括若干小平面，所述小平面之一包括平的反射性表面，所述反射性表面将光反射回所述光管中，使得在所述第一位置处注入所述光管的光被反射回所述光管，所述反射的光在离开所述第一位置一段大于零的预定距离的位置处照射到所述第一边缘。

21.根据权利要求18所述的装置，其中，所述第一光纤具有第一直径的圆形截面，其中，所述预定距离大于所述第一直径。

22.根据权利要求14所述的装置，还包括第二激光器，所述第二激光器发射不同于所述第一波长的第二波长的光，来自所述第二激光器的光注入所述光管。

23.根据权利要求22所述的装置，还包括合光器和耦合器，所述合光器将来自所述第一激光器的光和来自所述第二激光器的光混合以产生混合光信号，所述耦合器将所述混合光信号注入所述第一光纤。

24.根据权利要求22所述的装置，其中，所述光管包括第二边缘，其中，所述装置包括第二光纤，所述第二光纤具有贴近所述第二边缘的第一端和接收来自所述第二激光器的光的第二端，来自所述第一端的光在所述第二边缘上的第二位置处注入所述光管。

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