CN100523949C - 背光单元和用于该背光单元的光源 - Google Patents
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Abstract
提供一种背光单元，包括：基底；多个发光二极管，布置在基底上多边形的顶点处，或并排地布置在基底上；多个透镜，被结合到所述发光二极管，用于在预定方向上引导从发光二极管发射的光。所述发光二极管包括能够彼此协作的至少三个发光二极管，以形成白光。所述透镜的每一个具有非对称照射特性，以便所述透镜允许光照射在预定的目标区域上并彼此均匀地混合。所述透镜被设计并定位，以使光以接近于矩形的椭圆形状向着背光单元的顶部照射。
Description
技术领域
本发明涉及一种背光单元和用于该背光单元的发光二极管透镜，更具体地讲，涉及一种能够有效地混合从红光、绿光和蓝光发光二极管发射的光的背光单元及用于该背光单元的发光二极管透镜。
背景技术
作为典型的显示装置之一，阴极射线管(CRT)已被广泛用在电视机或计算机显示器中，但是由于其重量较重及固有的庞大特性，CRT未能适应近来电子设备小型化和重量轻的趋势。
因此，已开发出各种技术，以努力以新显示装置来代替阴极射线管，这些新显示装置的例子包括利用电场光学效应的液晶显示器(LCD)、利用等离子体放电的等离子体显示面板(PDP)以及利用场致发光效应的场致发光显示器(ELD)。
在这些装置中，随着液晶材料的改善以及精细像素加工技术的发展，以重量轻且薄的构造及低电驱动为特征的液晶显示器的应用范围快速扩展，广泛用于家用电视机、台式计算机显示器、笔记本计算机显示器、大尺寸平板电视机等。
为了显示图像，多数液晶显示器需要使用单独的背光单元，该背光单元用作调节入射光的量的平光(light-flatting)元件。
如图1中所示，典型的液晶显示器中使用的液晶显示模块1包括：液晶显示面板2，充满了液晶；偏振板4a和4b，用于使被引导向液晶显示面板2的上表面和下表面的光偏振；背光单元6，用于向液晶显示面板2提供均匀光；主支撑件8a，用于保持液晶显示模块1的外部构造；和顶罩8b。
与阴极射线管或等离子体显示面板不同，液晶显示面板2本身不发光，而仅改变液晶的取向或排列。因此需要在液晶显示面板2的后面提供背光单元6，用于将光均匀地面照射在信息显示表面上。
就这一点，根据光源的位置，背光单元6被分为边光型和直射型。如图2A所示，边光型背光单元包括用于将光进行面照射的布置在导光板14一侧的光源12。相反，直射型背光单元又分为：点型背光单元，其中，多个点状光源16a被安装在基底30上，如图2B所示；和线型背光单元，其中，多个线光源16b被安装在基底30上，如图2C所示。在这样的直射型背光单元中，光源基本均匀地分布在基底的整个表面上。
传统使用的光源的例子包括场致发光(EL)元件、冷阴极荧光灯(CCFL)和热阴极荧光灯(HCFL)。近几年，开始广泛使用发光二极管(LED)，发光二极管具有宽的颜色再现域，并且环保。
已进行研究以开发将发光二极管用作背光单元中的光源的方法。该研究的主题包括利用蓝色发光二极管和钇铝石榴石(YAG)荧光体的方法、与红色、绿色和蓝色荧光体结合地使用紫外发光二极管的方法、以及利用红光、绿光和蓝光发光二极管以混合从这些发光二极管产生的光的方法。
所述利用蓝色发光二极管和钇铝石榴石(YAG)荧光体的方法的缺点在于：这样生成的光源表现红色的能力降低，并且发光效率较低。类似的，所述与红色、绿色和蓝色荧光体结合地使用紫外发光二极管的方法的缺点在于：难以开发荧光体，并且所得光源的热特性恶化。
归因于从各个发光二极管发射的红光、绿光和蓝光的增加的强度，所述利用红光、绿光和蓝光发光二极管的方法可有效设计光源使其具有加宽的颜色再现范围。然而，该方法的问题在于：难以为白色面光源组成二极管的结合。
同时，随着近来追求大尺寸和高图像质量显示装置的趋势，对能够通过局部变暗(local dimming)方法和场序(field sequential)方法驱动屏幕的液晶显示器存在需求。此外，为了保证改善的颜色再现特性，独立地使用红色、绿色和蓝色发光二极管并通过混合来自各个发光二极管的光来获得白色光的方法正受到关注。
此外，为了满足对高亮度和增加的色温(color temperature)的需求，已开发出用于会聚从发光二极管发射的光的透镜、半导体芯片和二极管材料。
具体地讲，已开发模制技术，该技术包括步骤：将发光二极管安装在具有薄膜图案的基底的顶面上；通过使用环氧、丙稀酸或硅树脂来在发光二极管上形成模制部分；以及将透镜放置在模制部分的表面上，以增加亮度。近年来，开发集中在透镜与模制部分一体地形成的高通量透镜(high flux lens)方面。
例如，第2002/0190262号美国专利公开了一种发光装置，该发光装置包括：具有开口的树脂部分；布置在树脂部分的开口内侧的第一半导体发光元件和半导体装置；以及硅树脂，设置在开口内，用于覆盖所述第一半导体发光元件和半导体装置，其中，所述开口具有接近于椭圆或圆的形状，从而形成透镜。
然而，这样的透镜缺乏补偿随安装在印刷电路板上的红光、绿光和蓝光发光二极管的位置而变化的光通量的差异的能力，因此难以获得均匀的白光。随着液晶显示器的尺寸增大，应该使用更多数量的发光二极管，在这种情况下，更难以将光混合成均匀的白光。
作为这一问题的解决方法，通常建议会聚从各个发光二极管发射的光或以侧向发光的形式将光扩散。然而，由于没有考虑依赖于各个发光二极管的位置的特性差异，这些方法也难以获得均匀的白光。
此外，为了使背光单元采用例如将在未来得以应用的局部变暗技术来使液晶显示屏上的选择的部分对用户可见，必须能够选择性地打开或关闭整个照射范围的期望的部分区域。然而，传统的透镜方法和光会聚方法在执行屏幕的部分区域的打开或关闭方面具有技术局限性。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种背光单元和用于该背光单元的光源，该背光单元可通过调节各发光二极管的光照射角度来允许从布置在背光单元中的多个发光二极管发射的光在预定方向上被引导，从而可生成均匀的白光。
本发明的另一目的在于提供一种背光单元和用于该背光单元的发光二极管透镜，该背光单元可允许多个发光二极管将光非对称地照射在接近于矩形的椭圆区域上，从而可执行局部变暗(local dimming)操作。
根据本发明的一方面，提供一种背光单元，包括：基底；多个发光二极管，以彼此间隔开的关系布置在基底上，用于发射光；多个透镜，被结合到所述发光二极管，用于使从发光二极管发射的光向着预定目标区域照射，其中，所述透镜的每一个具有非对称照射特性，以便所述透镜允许光彼此均匀地混合，从而形成白光。
根据本发明的另一方面，提供一种用于背光单元的光源，包括：一组发光二极管，用于发射红光、绿光和蓝光；和一组透镜，被结合到所述发光二极管，用于在预定方向上引导从发光二极管发射的光，其中，所述透镜的每一个具有非对称照射特性，以便所述透镜允许光彼此均匀地混合，从而形成白光，并且其中，通过所述透镜的光以接近于矩形的椭圆形状向着背光单元的顶部照射。
根据本发明，所述背光单元允许被结合到布置在多边形的顶点处或并排布置的发光二极管的透镜将光非对称地照射在接近于矩形的椭圆区域上，从而可容易地在例如无滤色器的液晶显示装置中执行局部变暗操作，同时通过将红光、绿光和蓝光照射在扩散板的同一区域中来形成均匀白光。
附图说明
通过下面结合附图对本发明优选实施例进行描述，本发明的上述和其他目的和特点将变得清楚，其中：
图1示出现有技术的液晶显示模块的示例性构造；
图2A至图2C是示出一些类型的典型背光单元的透视图；
图3是示出根据本发明一个实施例的背光单元中布置在三角形的顶点处或并排布置的红光、绿光和蓝光发光二极管的光照射角度的正视图；
图4是具有并排布置的发光二极管的图3中所示的背光单元的透视图；
图5A至图5C示出如图4中所示的各发光二极管的光照射角度；
图6A至图6H是示出根据本发明一个实施例的各种透镜的正视图；
图7A和图7B是示出根据本发明另一实施例的透镜的正视图；
图8A和图8B是示出根据本发明另一实施例的透镜的正视图；
图9是具有布置在三角形的顶点处的发光二极管的图3中所示的背光单元的透视图；
图10A至图10C示出如图9中所示的各发光二极管的光照射角度；
图11是示出根据本发明另一实施例的在背光单元中布置在矩形的顶点处的红光、绿光和蓝光发光二极管的光照射角度的正视图；
图12是图11中所示的背光单元的透视图；
图13A至图13D示出如图12所示的各发光二极管的光照射角度；
图14A和图14B是示出表现出椭圆照射特性的透镜的平面图和正视图；
图15是表示图14中所示的透镜的照射特性的曲线图；
图16是表示没有透镜的发光二极管的方向特性的曲线图；
图17是表示当典型的侧向发射器型透镜与发光二极管结合时发光二极管的方向特性的曲线图；
图18是表示当本发明的透镜与发光二极管结合时发光二极管的方向特性的曲线图；和
图19A和图19B是示出将椭圆照射图案改变为近似矩形照射图案的方法的示意图。
具体实施方式
下面，将参照附图详细地描述本发明的优选实施例。
图3示出根据本发明一个实施例的布置在背光单元中的红光、绿光和蓝光发光二极管的光照射角度。图4和图5示出当发光二极管并排布置时其光照射角度。图6至图8是示出根据本发明某些实施例的透镜的正视图。图9和图10示出当发光二极管布置在三角形的顶点处时其光照射角度。
如图3所示，根据本发明的背光单元100包括：基底30，电路图案(未示出)形成于其上；多个发光二极管42、44和46，以彼此间隔开的关系布置在基底30上(图3中示出的每组为三个的两组二极管仅出于示意性目的)；扩散板60，布置在发光二极管42、44和46上方；以及多个透镜52、54和56，其每一个以一对一关系结合到发光二极管42、44和46，用于使从发光二极管42、44和46发射的红光、绿光和蓝光照射到扩散板60上。
基底30用于支撑发光二极管42、44和46，并用于将由发光二极管42、44和46产生的热消散到外部。
两组发光二极管42、44和46以大致相等的间距安装在基底30上。每一组发光二极管42、44和46包括红光发光二极管42、绿光发光二极管44和蓝光发光二极管46。透镜52、54和56分别结合到发光二极管42、44和46中的相应一个。透镜52、54和56用于会聚或扩散从发光二极管42、44和46发射的光，并具有取决于其光会聚或扩散特性的不同形状。
透镜52、54和56通常为圆形，但也可具有矩形板形状。此外，透镜52、54和56被设计为球面或非球面形状，以使透镜52、54和56可控制从发光二极管42、44和46垂直向上发射的光的量，从而避免出现任何热点(hot spot)。
就这一点，发光二极管42、44和46最好如图4中所示以相等的间隔并排布置，或者布置在例如三角形(见图9)或矩形(见图12)的多边形的顶点处。
分别从红光发光二极管42、绿光发光二极管44和蓝光发光二极管46发射的红光LR、绿光LG和蓝光LB照射在同一个目标区域A1上，在目标区域A1，红光LR、绿光LG和蓝光LB彼此混合以形成白光。
尽管如图3中所示，红光LR、绿光LG和蓝光LB最好应该照射在同一个目标区域A1上，但是红光LR、绿光LG和蓝光LB也可照射在彼此轻微偏离的区域上。即使光照射区域彼此有些不同，但是在形成白光方面不会有问题，因为绝大部分发光二极管42、44和46的光将重叠。
为了保证红光、绿光和蓝光照射在目标区域A1上，如图5A所示，用于红光发光二极管42的透镜52向右倾斜，以使红光LR向着扩散板60的目标区域A1偏斜。如图5B所示，用于绿光发光二极管44的透镜54保持恰好垂直，以将绿光LG照射向扩散板60的目标区域A1。如图5C所示，用于蓝光发光二极管46的透镜56向左倾斜，以使蓝光LB向着扩散板60的目标区域A1偏斜。因此，在目标区域A1中形成白光，然后通过扩散板60向上投射所述白光。
换言之，根据红光发光二极管42、绿光发光二极管44和蓝光发光二极管46的布置，红光LR、绿光LG和蓝光LB的照射角度应该被适当调整，以在目标区域A1处形成白光。
因此，如图6A至图6H所示，根据本发明，在透镜52、54和56中的每一个的与发光二极管42、44和46接触的表面上形成非对称凹陷58，从而保证从发光二极管42、44和46发射的光的照射角度可以在垂直或水平方向上非对称地偏斜。透镜52、54和56的每一个具有非对称照射特性，从而允许光彼此均匀地混合以便形成白光，并允许通过这些透镜的光以接近于矩形的椭圆形状向着背光单元的顶部照射。
尽管示出透镜52、54和56的每一个具有单个非对称凹陷58，但是只要需要，可在各个透镜52、54和56上形成两个或更多非对称凹陷58。
此外，如图7所示，透镜52、54和56可以是近似平面的，并且可在与发光二极管42、44和46接触的表面上具有多个倾斜的凸起59，从而保证从发光二极管42、44和46发射的光的照射角度可在垂直或水平方向上偏斜。这样的非对称照射特性使光能够以接近于矩形的椭圆形状向着背光单元的顶部照射。类似地，如图8所示，可通过分别改变透镜52、54和56的凸的顶面的倾斜度来在垂直或水平方向上使从发光二极管42、44和46发射的光的照射角度非对称偏斜。这样的非对称照射特性使光能够以接近于矩形的椭圆形状向着背光单元的顶部照射。
可选地，尽管图中未示出，但是也可在球面或非球面透镜上形成多个倾斜的凸起，并且同样地，可在平面透镜上形成非对称凹陷。
透镜52、54和56由高分子材料，如玻璃、石英、环氧树脂、硅树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等制成。荧光材料可均匀地分散在透镜52、54和56中，以改变从发光二极管42、44和46发射的光的颜色。
在如图3、图9和图10A至图10C中所示发光二极管42、44和46布置在三角形的顶点处的情形下，如图10A所示，最左侧的用于红光发光二极管42的透镜52向右倾斜以使红光LR向着扩散板60的目标区域A1偏斜。类似地，如图10B和图10C所示，后侧的透镜54及最右侧的透镜56倾斜，以使绿光LG和蓝光LB向着扩散板60的目标区域A1偏斜。因此，在目标区域A1处形成白光，然后通过扩散板60向上投射所述白光。图11和图12示出根据本发明另一实施例的在背光单元中布置在矩形的顶点处的四个例如红光、绿光、蓝光和绿光发光二极管的光照射角度。图13A至图13D示出各发光二极管的光照射角度。
参照图13A，左前方的用于红光发光二极管42的透镜52向右并向后倾斜，以使红光LR向着扩散板60的目标区域A1偏斜。类似地，如图13B、图13C和13D所示，左后方的透镜54、右后方的透镜57和右前方的透镜56倾斜，以便使绿光LG、绿光LG和蓝光LB向着扩散板60的目标区域A1偏斜。因此，在目标区域A1处形成白光，然后通过扩散板60向上投射所述白光。
图14A和图14B示出表现出椭圆照射特性而不是圆照射特性的透镜。椭圆照射透镜70具有平面形状，并设置有多个沿一个方向延伸的平行凹槽72。这使透镜70能够改变从其照射的光的照射方向。
图15示出透镜70的照射特性。具有凹槽的平面透镜70的使用可使光非对称偏斜，这构成本发明的一个主要特点。可供选择地，通过使用图中未示出的具有凹槽的凸透镜，可获得椭圆方向性。
图16、图17和图18分别示出没有透镜的发光二极管的方向特性、具有典型的侧向发射器型透镜的发光二极管的方向特性、以及设置有本发明的透镜的发光二极管的方向特性。在图16至图18中，实线表示发光二极管的垂直方向特性，而虚线表示发光二极管的水平方向特性。
可从图16中看出，在发光二极管没有透镜的情况下，光表现出所谓的Lambersian方向性，因此光均匀分布，而没有在特定方向上被扩展。在结合发光二极管和典型的侧向发射器型透镜的情况下，如图17所示，在中心区域光减少，而在横向上光被扩展。在发光二极管具有本发明的透镜的情况下，如图18所示，光显示出非对称方向性。为了使光照射在近似矩形区域上，垂直方向性和水平方向性应该如图18所示彼此不同，而与图16和图17中所示的情形不同，在图16和图17中，垂直方向性和水平方向性基本相同。在这种情形下，应该理解，取决于参考点或观察者的位置，可以观察到不同的非对称方向性。
图19A和图19B是示出将椭圆照射图案改变为近似矩形照射图案的方法的示意图。参照图19A，矩形的外接椭圆中的左侧区域、右侧区域、顶部区域和底部区域的光被会聚，以使所述光以近似矩形图案照射。再参照图19B，矩形的内切椭圆的外侧的四个顶点区域的光被扩展，以使所述光以近似矩形图案照射。使用适当设计的透镜可实现这样的光照射图案的改变。
现在，将描述根据本发明的背光单元以及用于该背光单元的透镜的实际例子。
准备输出功率为1W的红色、绿色和蓝色发光二极管，其中，红光发光二极管的中心波长为627nm，绿光发光二极管的中心波长为530nm，蓝光发光二极管的中心波长为455nm。每一发光二极管都是中心波长取决于驱动电流和热特性而在5％范围内变化的类型。发光二极管的驱动电流为200mA。
这样准备的发光二极管被分组为多个二极管组。每一二极管组的红光、绿光和蓝光发光二极管安装在基底上三角形的顶点处。
使用硅树脂来准备透镜。一些透镜被设计为非球面形状。以这样的方式将这样准备的透镜结合到发光二极管中的相应一个，即这些透镜可使从发光二极管发射的光向着扩散板的预定的目标区域偏斜。
随后，从发光二极管发射的光被照射到扩散板的目标区域上，结果，在扩散板处形成了具有85％颜色偏差(color deviation)的白光。
以相同的方式对所述二极管组重复地进行照射测试。已确认均匀的白光被形成并被投射到扩散板的整个表面上。
如前所述，本发明提供的有益效果在于：背光单元可允许布置在多边形的顶点处或者并排布置的发光二极管的透镜将光非对称地照射在接近于矩形的椭圆区域上，从而可容易地在例如无滤色器的液晶显示装置中执行局部变暗操作，同时通过将红光、绿光和蓝光照射在扩散板的同一区域中来形成均匀的白光。
尽管已参照优选实施例显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下，可进行各种改变和修改。
Claims (15)
1、一种背光单元，包括：
基底；
多个发光二极管，以彼此间隔开的关系布置在基底上，用于发射光；
多个透镜，所述透镜的每一个被结合到相应的发光二极管，用于使从相应的发光二极管发射的光向着预定目标区域照射，
其中，所述透镜的每一个具有非对称照射特性，以便所述透镜允许光彼此均匀地混合，从而形成白光，通过所述透镜的光以接近于矩形的椭圆形状向着背光单元的顶部照射。
2、如权利要求1所述的背光单元，其中，所述透镜具有取决于发光二极管的位置的不同形状。
3、如权利要求1所述的背光单元，其中，发光二极管被布置在基底上多边形的顶点。
4、如权利要求1所述的背光单元，其中，发光二极管彼此并排地布置。
5、如权利要求1所述的背光单元，其中，所述透镜包括球面透镜。
6、如权利要求1所述的背光单元，其中，所述透镜包括非球面透镜。
7、如权利要求5所述的背光单元，其中，所述透镜的每一个具有形成在该透镜的与各自的发光二极管接触的表面上的至少一个非对称凹陷。
8、如权利要求6所述的背光单元，其中，所述透镜的每一个具有形成在该透镜的与各自的发光二极管接触的表面上的多个倾斜的凸起。
9、如权利要求6所述的背光单元，其中，所述透镜的每一个具有非对称形状的凸的顶面。
10、如权利要求1至9中的任一个所述的背光单元，其中，所述透镜包含荧光材料。
11、一种用于背光单元的光源，包括：
一组发光二极管，用于发射红光、绿光和蓝光；和
一组透镜，所述透镜的每一个被结合到相应的发光二极管，用于在预定方向上引导从相应的发光二极管发射的光，
其中，所述透镜的每一个具有非对称照射特性，以便所述透镜允许光彼此均匀地混合，从而形成白光，
其中，通过所述透镜的光以接近于矩形的椭圆形状向着背光单元的顶部照射。
12、如权利要求11所述的光源，其中，所述透镜的每一个具有形成在该透镜的与各自的发光二极管接触的表面上的至少一个非对称凹陷。
13、如权利要求11所述的光源，其中，所述透镜的每一个具有形成在该透镜的与各自的发光二极管接触的表面上的多个倾斜的凸起。
14、如权利要求11所述的光源，其中，所述透镜的每一个具有非对称形状的凸的顶面。
15、如权利要求11至14中的任一个所述的光源，其中，所述透镜包含荧光材料。
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