一种内扩束激光显示用导光板的制作方法

1.本发明涉及一种内扩束激光显示用导光板，具体涉及一种长寿命高效的内扩束激光显示用导光板。


背景技术：

2.三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。
3.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。由于激光的光束质量太好，即空间方向性高发散角极小，激光一直被用于指示光、激光加工、激光投影。
4.若能将空间发散角极小的激光光源进行扩束，提升激光光源的整体利用率，将使激光光源可以用于液晶显示器背光。
5.对于led这种朗伯型发光体比较有代表性的扩束整形的技术方案如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，直射液晶显示屏会产生激光散斑噪声干扰影响会面质量，对锥形反射面进行遮挡则会影响导光板整体亮度；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，此方案无法对激光进行和光合色。
6.对于激光这种高斯型光源，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360
°
光束。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。
7.以上方案均为点光源扩束方案，方案中需要对点光源使用锥形镜等多个光学元件，这会造成光源成本增高。
8.若要减少液晶显示器中的激光背光的光学器件的使用，降低激光背光的成本是一个亟待解决的产业化问题。
9.若要减少光学器件在激光背光中的使用，就需要解决激光束对导光板再长时间使用过程中的激光灼伤问题，延长面光源关键部件导光板的寿命。


技术实现要素：

10.有鉴于此，本发明提供了一种内扩束激光显示用导光板，能够解决现有激光光源导光板的光学器件使用量大、结构复杂及激光损伤导光板的工程问题，使激光光源能够用于液晶显示器的背光源照明。
11.一种内扩束激光显示用导光板，所述导光板内部存在至少一个锥形反射面，一侧的表面存在容纳该锥形反射面的凸台，锥形反射面的底面存在于与所述凸台所在表面相对表面；所述锥形反射面、凸台和导光板为一体结构，所述导光板两侧的表面为出光面；激光束由凸台顶面入射，照射到锥形反射面上形成环形或扇形激光，环形或扇形激光在导光板的两个出光面之间进行全反射。
12.进一步的，“任一环形或扇形激光的分量与导光板中任意一个出光面上该激光分量与该激光分量对应的法线夹角a”和“任一环形或扇形激光的分量与导光板中任意一个侧面上该激光分量与该激光分量对应的法线夹角b”均满足全反射关系。
13.进一步的，任一环形或扇形激光光线只与导光板中任意一个出光面上该光线与对应的法线夹角a满足全反射关系时，在导光板的侧面上设置反射器件。
14.进一步的，所述导光板的侧面存在至少一种反光或吸光器件。
15.进一步的，环形或扇形激光由导光板上的非全反射结构透射出导光板，出射后的激光照射到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”或“受激发射荧光”、“偏振”的光学器件中，或具备以上光学功能的组合器件当中，产生均匀的激光照明光。
16.进一步的，所述导光板采用至少以一种中心波长位于150～12000nm的激光作为照明光源。
17.进一步的，所述照明光源使用风冷、液体冷却、半导体制冷及非强制冷却方式进行散热。
18.进一步的，所述导光板形成的激光面光源用于显示系统或照明系统。
19.有益效果：
20.1、本发明在导光板上设置用于容纳锥形反射面的凸台，在不增加导光板整体厚度前提下，使锥形反射面的锥度、直径参数大小不受导光板厚度制约，增大锥形反射面的受光面积，进而使入射激光束直径增大，以降低入射激光束的功率密度，减少导光板被激光束灼伤损坏的几率，延长了导光板的使用寿命。
21.2、本发明提出导光板结构，将激光束扩束、匀场、合色采用一体化设计解决了传统方案中需要大量光学器件、复杂的光学结构才能实现激光束扩束、光场能量匀化、合色的工程难题。
22.3、本发明取消了传统侧入式激光面光源需要在导光板及激光束之间加入散射体及扩束透镜，降低了散射光损耗30％以上，提升激光利用率，通过增设容纳锥形反射面的凸台，增加了锥形反射面的锥度，直径，进一步增大了激光束入射导光板的光斑直径，降低了激光照射的功率密度，解决了现有激光损伤导光板的工程问题，使激光光源能够用于液晶显示器的背光源照明。
23.4、本发明的锥形反射面上形成环形或扇形激光，环形激光分量与导光板中任意一个出光面上该激光分量与该激光分量对应的法线夹角a”和“任一环形激光分量与导光板中
任意一个侧面上该激光分量与该激光分量对应的法线夹角b”均满足全反射关系，能够提升激光在导光板中的光利用率。
附图说明
24.图1为本发明内扩束激光显示用导光板的外形结构示意图；
25.图2为本发明内扩束激光显示用导光板的内部结构示意图；
26.图3为本发明内扩束激光显示用导光板组成阵列的结构示意图；
27.图4为本发明内扩束激光显示用导光板的凸台内填充物结构示意图。
28.其中，1
‑
导光板、12
‑
非全反射结构、2
‑
凸台、21
‑
锥形反射面、22
‑
实心金属填充物、23
‑
微结构列阵、3
‑
激光器、4
‑
光学准直器件、41
‑
反射镜。
具体实施方式
29.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
30.本发明提供了一种内扩束激光显示用导光板，如图1所示，导光板1上存在三个凸台2，凸台2均位于导光板1一侧的表面上。
31.如图2所示，导光板1另一侧的表面上同样存在三个中空的锥形反射面21，该锥形反射面21的形状为圆锥形。凸台2的作用为容纳锥形反射面21，使锥形反射面21的锥度为1.25，导光板1非凸台2处的厚度为均匀的3mm。
32.此时，若以厚度为锥形反射面的高度，则圆锥形反射面21的最大直径为2.4mm即激光束光斑直径最大为2.4mm。以3.5w蓝色激光束为入射光，经过300小时以上的照射后，聚碳酸酯导光板1上的凸台2入射面产生损伤。
33.而将光束直径增加到4mm则300小时以上照射无损伤。
34.若按照4mm直径设计锥形反射面，则锥形反射面在锥角90
°
时，锥度为1，在锥度为1.25时锥形反射面21的高度变为5mm，高于导光板1的厚度。
35.为了圆锥形反射面21的高度及直径不受导光板1的厚度限制，以加大激光束的直径确保激光束的单位面积功率密度低于导光板的损伤阈值，提升导光板的寿命。在导光板1上设立一个凸台2用于包裹锥形反射面21。
36.初始激光束由激光器3射出，经过光学整形器件4准直。准直后的激光束经过反射镜41反射至凸台2。
37.激光束环经过凸台2照射锥形反射面21产生环形激光。锥形反射面21的直径7mm、锥度1.25。环型激光中任意分量与导光板1的任一出光面上该激光分量的法线夹角a，环型激光中任意分量与导光板1的任一厚度面上该激光分量的法线夹角b。
38.其中a≥arcsin(1/n)，b≥arcsin(1/n)，a b＝90
°
。
39.此时，环形激光中后向(远离液晶屏传播方向)180
°
激光，经过在厚度面上的全反射改变方向，向液晶屏方向传播。
40.导光板1内的激光在传播过程中照射导光板1上的非全反射结构12，形成漫反射或散射后出射导光板1。
41.在导光板1的两个出光面上附有/临近反射膜、棱镜膜、匀光膜、荧光膜等光学膜材或板材。
42.激光器3发射中心波长位于150～12000nm之间的激光，本实施例中，激光器3包含400～490nm的蓝光，500～560nm的绿光，600～690nm的红光，三基色激光在入射导光板1后合成均匀白色照明激光面光源。
43.三基色激光的输出能量受电子软件及电路硬件共同调控，实现强弱变化。
44.该方案中，三基色激光器使用气体冷却、液体冷却、热管、半导体制冷或自然散热方式对激光器进行散热。
45.本方案公开的激光面光源用于液晶显示器背光、灯具照明、投影显示等照明领域。
46.导光板1使用折射率大于1的透光塑料、折射率大于1的透光无机材料制成。
47.导光板1上的至少一个非全反射结构12采用激光打点、机械刻蚀、化学刻蚀、模具冲压/热压、油墨印刷制成点、线、面、凸起、凹陷或其他形状的可破坏全反射的结构，使激光出射导光板1与形成面光源。
48.锥形反射面21可存在采用激光打点、机械刻蚀、化学刻蚀、模具冲压/热压、油墨印刷制成点、线、面、凸起、凹陷或其他形状的可破坏全反射的结构用于均匀光场。
49.锥形反射面21的表面上镀有激光的高反射膜材，或使用高反射率的填充物进行填充变为实心反射体。
50.如附图3所示，将多个内扩束激光显示用导光板组成列阵形式可用于液晶显示器照明或灯具照明。
51.在导光板1的侧边还存在有反射器件，用于将激光反射回导光板1提升激光利用率。
52.如附图4所示，该实施例中的凸台2为圆锥台状，圆锥形反射面21内部填充实心金属填充物22，凸台2的端面上布置微结构列阵23。本实施例中，激光束不经过光学整形器件准直，直接由凸台2的顶部及侧面入射，利用凸台上的微结构列阵23对激光束中心部分的光的发散角进行角度调整，利用凸台2侧面对激光束边缘光进行发散角调整。可进一步减少激光束的准直器件的使用量，激光束由凸台2的顶面及侧面入射可进一步增大激光束的入射面积减小激光束在导光板1上的能量密度，完全消除激光束对导光板的损伤。使用金属填充物22可以消除锥形反射面21上的激光漏光或反射光的辉光。金属填充物22还可使用其他形式，如不透光的胶带、遮挡板代替。
53.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。