一种激光显示用侧入式激光背光源合色匀场器件的制作方法

本发明涉及一种激光背光源合色匀场器件，具体涉及一种激光显示用侧入式激光背光源合色匀场器件。

背景技术

三基色激光是人类可以获得的最优显示照明光源。激光光源具有可实现覆盖75.8％以上的人眼可识别色域，光谱宽度极窄，可实现色彩高数字编码不重叠的优势，故激光显示是公认的第四代技术。

但是，激光与LED、OLED不同之处在于，OLED、LED的光空间发散角极大而激光的光空间发散角极小。且OLED、LED为各向同性的朗伯体发光或近似朗伯体发光源，无空间指向性，需要进行聚光才能作为显示产品的光源。

而激光二极管为各向异性的高斯型发光源，空间指向性极强，发散角极小，需要扩束才能作为显示产品照明光源使用。且三基色激光显示需要解决激光合色和匀场问题才能获得优良的显示画面。

现有的匀场技术，如CN105765292A，(同类专利CN201510381666，US20120162966A1，US20110286200A1，US20140043853A1，US20190221719A1，WO2017156902A1，CN201610158034)将锥形反射面安置于导光板的通孔中，对多个LED进行光束整形或合光以得到更加均匀的LED面光源；此方案中需要对锥形反射面的一面进行遮挡或进行双锥形面进行光束调整防止光能量分布不均。但是，此种方案对于激光二极管而言，直射液晶显示屏的激光会产生激光散斑噪声干扰影响会面质量，但对锥形反射面进行遮挡则会影响导光板整体亮度，无法达到匀场目的；最重要的两点是：一由于激光方向性强发散角小，采用此方案无法提升激光束在导光板内的提取效率；二激光为单色光，需要进行和光合色才能成为白光，因此此方案无法对激光进行和光合色并提升激光利用率，只能用于LED光源。

CN201210565257提出了一种用于发光二极管的光束扩束整形的锥形反射/透射器件，希望得到更加均匀的LED光束，此方案也不适合需要合色及匀场的激光使用。

CN201720851508展示了一种与CN105765292A相近的激光背光方案，但是该方案未能解决如何提升360°时激光束的利用率，尤其是360°发散的环状光束的后向(远离导光板的180°方向)的激光利用率问题，故只能实现180°的激光束扩束，且需要加入精确的角度调整机构才能实现激光束与锥形镜面的精确对准，结构复杂稳定性差。且最重要的是，该方案未能给出激光在导光板中的光场匀化方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种激光显示用侧入式激光背光源合色匀场器件，能够解决激光束扩束、光场能量匀化、合色及提升激光光源的利用率问题，使激光光源能够用于液晶显示器的背光源照明。

一种激光显示用侧入式激光背光源合色匀场器件，所述合色匀场器件为平面结构，合色匀场器件的侧面由多个反射面和一个透射面合围形成，所述透射面为单一透射面或透射及反射功能的组合面，合色匀场器件的内部具有至少一个锥形反射面，锥形反射面的中心轴线与合色匀场器件的上下表面互相垂直。

外部入射的至少一种激光束被锥形反射面一维扩束后形成环形激光在该器件中传播，环形激光中非透射面传播方向的激光被反射面中具有反射功能的表面反射，反射激光改变传播方向射向透射面上具有透射功能的表面，最终使环形激光通过透射面出射。激光束经过全反射面和全透射面的多次反射最终合色匀场，合色匀场后的激光出射全透射面耦合入导光板或液晶显示器背光腔，形成均匀面光源。

进一步地，所述透射面上的透射和反射功能表面采用交替或非交替方式进行组合。

进一步的，所述透射面上设有由折射、散射、衍射结构或存在与激光束对应波长的高透膜，用于消除激光在激光背光源合色匀场器件中的全反射效应。

进一步的，所述反射面的形状、角度共同决定环形激光在全透射面上的能量分布，以达到激光背光源中的各种激光合色匀场目的。

进一步的，所述激光背光源合色匀场器件由折射率大于1的透光材料制成。

进一步的，当入射激光束被扩束后形成扇形分布，即扇形激光的发散角小于360°且大于激光束扩束前的激光束发散角；扇形激光中超出激光束入射点与透射面构成的三角形部分的激光，经过反射面反射向透射面传播。

进一步的，由激光背光源合色器件透射出的激光被耦合入其他能够产生至少一种如下光学功能“反射”、“折射”、“散射”、“衍射”、“偏振”、“消偏振”的光学器件中，或具备以上光学功能的组合器件当中，产生均匀的液晶平板显示器、投影显示器照明光源或灯具照明光源。

进一步的，至少一个激光背光源合色匀场器件安置于其他光学器件的一个入光面。

进一步的，一个显示器或照明器具中包含至少一个该合色匀场器件。

进一步的，所述激光是指中心波长位于150～12000nm、能够产生空间相干性的光。

进一步的，照射激光背光源合色匀场器件的激光器的输出能量受电子调控。

进一步的，照射激光背光源合色匀场器件的激光器使用风冷、水冷、半导体制冷及非强制冷却方式进行散热。

有益效果：

本发明通过在背光源结构中设置合色匀场器件，通过在合色匀场器件中设置反射面与透射面形成闭环结构，使用一个器件就达到解决了现有技术方案中存在的三基色激光合色不均、匀场不好，光利用率低下问题。将传统方案中复杂的光学结构简化为一，降低了激光液晶显示器的成本，提升了激光液晶显示器的稳定性。本发明使三基色激光光源不局限于投影式，对于激光显示技术的发展及平板三基色激光显示产业起到了推动作用。

附图说明

图1为本发明激光显示用侧入式激光背光源合色匀场器件示意图；

图2为激光显示用的高效扩束匀场激光背光源合色匀场器件光路图；

图3为实施例中具有散射体的光路图；

图4为激光背光源合色匀场器件应用到显示器中的实施例；

图5为图4的立体图；

图6为180°扇形光束的分布示意图。

其中，1-激光器、2-光学器件、3-合色匀场器件、31-锥形反射面、32-全反射面、36-全透射面、4-导光板、5-光波导、51-中空锥形面、6-散射体、7-匀光片棱镜片组合、8-液晶显示屏、9-激光器热沉、10-液晶显示器边框结构。

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。

如附图1所示，本发明提供了一种激光显示用侧入式激光背光源合色匀场器件，激光背光源合色匀场器件3中存在锥形全反射面31，激光背光源合色匀场器件3的主体材料为折射率大于1的透明材质，夹角为45°全反射面32位于透光塑料质激光背光源合色匀场器件3的三个非出光边，全透射面36为透光塑料质激光背光源合色匀场器件3的出光面。三个全反射面32与全透射面36包围顶角为30°的锥形反射面31。在全透射面36上存在反射/衍射/折射/散射光学功能结构,或具有以上光学功能的结构组合，用于调整由顶角为30°的锥形全反射面31产生的360°激光束的能量在透光塑料质激光背光源合色匀场器件3的全透射面36的分布。三个全反射面32互为夹角结构，用于调整由顶角为30°的锥形全反射面31产生的360°激光束的能量在透光塑料质激光背光源合色匀场器件3的全透射面36的分布。全反射面32上还可存在激光光束所对应高反射膜。全反射面32的结构还包括微反射结构，或分段式反射结构。每个锥形反射面31对应中心波长位于400～490nm、510～560nm、610～670nm红绿蓝三基色激光合色而成的白色激光束。

本发明的光路如附图2所示，锥形反射面31存在于透光塑料质的激光背光源合色匀场器件中，位于三个边上长*厚位置的全反射面32,带有微光学透射结构的全透射面36。虚线为透光塑料质的激光背光源合色匀场器件3的横向中心线，图中横向中心线靠近全透射面36一侧为前向，远离全透射面36一侧为后向。空心全箭头线为后向非全反射角度光在全反射面32的反射光路；空心半箭头线为后向全反射角度光在全反射面32的反射光路；实心半箭头线为前向全反射角度光在全出射面36的出射光路；实心全箭头线为后向侧面全反射角度光在全反射面32的反射光路。其中，全反射面32可由高反射面替代，高反射面通过在表面贴附或镀有激光高反介质材料形成。本实施例借以以上光路说明360°环形激光束在激光背光源合色匀场器件3中的反射与出射现象。

如附图3所示，该实施例中激光器1发出的激光束经过光学器件2整形后变为发散角均一的激光束，发散角均一的激光束照射到锥形反射面31上形成360°空间扩束。被360°扩束后的线型激光束(图中黑色箭头线表示锥形反射面靠近散射体6的180°扇区的激光束，空心箭头线表示锥形反射面远离散射体6的180°扇区的激光束)。远离散射体6的180°扇区的激光束经过合色匀场器件3上设置的后向全反射面32全反射后改变传播方向，向散射体6的方向传播。线型激光束经过散射体6的散射形成一个空间160°均匀发散的激光背光源。

如附图4和5所示，该实施例中激光器1发出的激光束耦合入带有90°圆锥形光波导5扩束后成为360°环形激光束，环形激光束在激光背光源合色匀场器件3中传播。顶角为90°的圆形中空锥形面51为透光陶瓷材质，采用压模制造。带有90°圆锥形反射面光波导5的一端嵌入激光器热沉9安装孔，另一端插入激光背光源合色匀场器件中的通孔内，并与液晶显示器边框结构10相互连接实现定位。后向全反射面32将360°环形激光束中远离导光板4的后向激光束向折返面32进行反射。折返面32将垂直于导光板4中长*宽的激光束转折90°后由与散射体6相叠加/连接的全透射面出射激光背光源合色匀场器件3(全透射面与散射体6重合，图中未标注)。出射激光背光源合色匀场器件3的激光束经过散射体6的扩束后，被耦合入带有散射功能及全反射功能的导光板4中形成面光源。导光板4与液晶显示器壳体11之间存在满反射膜。导光板4上存在微棱镜结构用于匀光聚光。在导光板4远离液晶显示器壳体11的一侧还存在匀光片棱镜片组合7。匀光片棱镜片组合7远离导光板4的一侧为液晶显示屏8。液晶显示屏8、匀光片棱镜片组合7、导光板4与液晶显示器边框结构10相接触。此处的激光器1为半导体激光器、全固态激光器，发射的激光中心波长处于400～12000nm之间，且发出的光能够产生空间相干。多种不同中心波长的激光器1对应多个带有90°圆锥形光波导5。多种不同中心波长的激光器1合束后对应一个带有90°圆锥形光波导5。导光板4上的散射、漫射功能依靠油墨印刷漫反射、机械刻蚀、化学刻蚀、模压、激光产生的点/线/面完成。匀光片棱镜片片组合7可被替换成为带有受激发射荧光的材料片与棱镜结构和散射结构的光学片材组合。一个激光背光源合色匀场器件3可与多个带有90°圆锥形光波导5相连接。一块导光板4可与多个激光背光源合色匀场器件3相对应。一个激光背光源合色匀场器件3可与多个导光板4相对应。

如附图6所示，光学器件为导光板3，以180°扇形光束为例。图中斜线填充区为“小于360°分布且大于激光束扩束前中心点为顶角点与光学器件面的入射面形成的三角形的顶角的角度”时的可入射激光的在导光板3入射面上的光入射面；黑色区域为扇形光束超出“激光束扩束前中心点为顶角点与光学器件面的入射面形成的三角形的顶角的角度”的激光光束分布。

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。