CN100561307C - 具有多个相邻交叠的光导板的发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有多个相邻交叠的光导板的发光装置。在一个实施例中，发光装置包括多个相邻交叠的由基本透明材料形成的光导板，和多个光源。所述光导板中的每个具有i)第一和第二端部，ii)光被发射通过其的一个或多个基本透明表面，和iii)一个或多个反射表面用以在所述光导板内重导向光。在第一和第二光导板相邻处，所述第一光导板的所述第一端部A)下挂所述第二光导板的第二端部，且B)定位为与所述装置的主发光侧相对。所述多个光源光学地耦合到所述光导板的所述第一端部以照明所述光导板的内部。

Description

具有多个相邻交叠的光导板的发光装置
技术领域
本发明涉及具有多个相邻交叠的光导板(light-guide plates)的发光装置。
背景技术
透射液晶显示屏(LCD)是需要背光来提供其照明的一种装置。通常，背光包括具有透明侧、反射侧、和多个边缘的大体平面的光导(light-guide)。来自一个或多个光源的光被投射使得其进入光导的边缘中的一个或多个，从光导的反射侧反射离开，并被发射通过光导的透明侧。光源可以采取包括冷阴极荧光灯(CCFL)或发光二极管(LED)阵列的那些光源的各种形式。
在一些情况下，背光的光导是通过例如与光导的边缘中的一个或多个相邻定位的一个或多个CCFL或者LED阵列的边光式(edge-lit)。在题为“LED背光”的美国专利申请公开2002/0175632 A1和题为“显示设备的背光单元和使用其的液晶显示设备”的美国专利申请公开2004/0130884A1中更详细公开了示例性的边光式光导。
在其他情况下，背光的光导是通过例如定位在光导的反射侧之下的一个或多个CCFL或者LED阵列的底光式(bottom-lit)。一个或多个光源将光投射到定位在主光导之下的第二光导中。从该第二光导出射的光接着反射回并进入主光导的一个或多个边缘中。在题为“用于液晶显示屏的背光设备和制造其的方法”的美国专利申请公开2004/0061814 A1中更详细公开了示例性的底光式光导。
发明内容
在一个实施例中，发光装置包括多个相邻交叠的光导板和多个光源。所述多个相邻交叠的光导板由基本透明材料形成，每个所述光导板具有i)第一和第二端部，ii)光可以通过其发射的一个或多个基本透明表面，和iii)一个或多个反射表面来在所述光导板内重导向光。在第一和第二光导板相邻处，所述第一光导板的所述第一端部A)下挂所述第二光导板的第二端部，且B)定位为与所述装置的主发光侧相对。所述多个光源光学地耦合到所述光导板的所述第一端部以照明所述光导板的内部。
还公开了其他实施例。
附图说明
附图中图示了本发明的说明性实施例，其中：
图1图示了液晶显示屏的正视图；
图2图示了图1所示的背光的俯视图；
图3图示了图1所示的光导板之一的分解图；
图4和图5图示了图1所示的基底的可选构造；
图6图示了形成图1-3所示的光源之一的LED的阵列；
图7和图8图示了椭圆形LED的可选方案视图；
图9和图10图示了对图7和图8所示的椭圆形LED的长轴和短轴的照明强度的曲线图；
图11-16图示了各种LED安装构造；
图17和图18图示了安装在衬底上的多个LED芯片的可选方案视图；和
图19图示了用于将由光源发射的光耦合到光导板中的可选布置，其中光调节器插入在光源和光导板之间。
具体实施方式
图1图示了液晶显示屏(LCD)100的正视图。LCD 100包括具有多个LCD元件的LCD面板102、和定位在LCD面板102之后以将光投射通过LCD面板102的背光104。可选的，LCD 100可以包括定位在LCD面板102和背光104之间的一个或多个光调节器106、108、110。光调节器可以包括一个或多个漫射层(例如，漫射器106)、一个或多个棱镜层(例如，亮度增强膜(BEF)108)、和/或一个或多个光偏振层(例如，双亮度增强膜(DBEF)110)。这些光调节器层106、108、110可以采取定位在LCD面板102和背光104之间或应用到其一个或两者上的元件、片或膜的形式。
如图1和2所示，背光104包括多个相邻交叠的光导板112、114、116，其每个都由基本透明的材料形成。可以用于形成光导板112、114、116的透明材料的示例包括但不限于：玻璃、丙烯酸纤维(例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))和聚碳酸酯。
光导板112、114、116中的每个都具有第一和第二端部118、120，光(λ)发射通过其的一个或多个基本透明表面122，和在光导板112内重定向光的一个或多个反射表面124、126。优选地，每个光导板114的反射表面128、130都包括与光导板114的主发光表面132大体相对的第一反射表面128，和挂在相邻的光导板112下并与其邻接的第二反射表面130。
如图3最佳地示出的，在第一光导板114和第二光导板112相邻处，第一光导板114的第一端部134：1)下挂第二光导板112的第二端部120，且2)定位为与背光104的主发光侧122、132相对。
光导板112的竖直表面136、138可以是透明的或反射性的。优选地，相邻光导板112、114的竖直的邻接表面138、140是透明的，使得光可以从一个光导板112传播到另一个光导板114。不过，这些相邻的竖直表面138、140可以可选地是反射性的。界定背光104周界的竖直表面142、144、146优选地是反射性的使得光不会从背光104的周界散逸。不过，这些周界表面142、144、146可以可选地是透明的。
背光104还包括多个光源148、150、152，其光学地耦合至光导板112、114、116的第一端118、134以直接和间接地照明光导板112、114、116的内部。
在图1-3所示的背光104中，光导板112、114、116组装在基底154上(或由基底154支撑)。如所示的，基底154可以通过由平面部件156和台阶部件158组成的多个交叠的部件来组装。图4图示了基底的可选实施例，其中基底400由多个相似部件402a、402b组装。图5图示了基底的第二可选实施例，其中基底500形成为整件。
可以使用包括例如铝之类的金属的各种材料形成用于背光104的基底154。优选地，选择基底的材料来给予基底基本刚性并导热的结构。这样，基底154可以不仅为光导板112、114、116提供支撑，还可以帮助消散作为光导板112、114、116被光照的结果所产生的热量。如果需要附加的热耗散元件(例如，散热器160、162、164)，他们可以耦合到基底154的平面和台阶部件156、158之一或两者。
除了组装在基底154上，光导板112、114、116可以在其邻接边缘138、140处通过接合材料连接。可选地，光导板112、114、116可以在其邻接边缘138、140处互相接合来代替将其组装在基底154上。
如果所期望的是光从一个光导板112传播到另一个光导板114，那么可以选择基本透明的接合材料，使得光导板112、114、116和其接合材料形成基本连续的发光表面122、132。可选地，相邻光导板112、114的邻接边缘138、140可以通过设有反射表面的该边缘之一或两者的方式(或例如，通过在邻接边缘138、140之间插入反射元件或膜)光学地隔离。如果被一个或多个反射表面隔离，那么可以减轻在相邻光导板112、114之间的光学串扰。
光导板112、114、116可以是各种形状和尺寸的。优选地，光导板114的下挂表面130、166、168(即，挂在相邻光导板112下的那些表面)是反射性的。此外，光导板的下挂端134的高度和宽度被选择为使得由光源150发射的光线以超过光导板114的介质与透明表面132所曝露到其的介质(例如，空气)之间的反射临界角的角度θ1入射在光导板的透明表面132上。例如，反射临界角对于无色玻璃-空气界面是大约32°，而对于硅树脂-空气界面是大约45°。
出于进一步解释的目的，考虑其中对于光导板112、114、116的反射临界角是大约32°的情况。在此情况下，光导板的下挂端134的高度和宽度可以选择为使得由光源150发射的光线入射透明表面132的最大角θ1是32°。这样，对于直接从光源150发射的光，在光导板114内存在完全内反射。因为该完全内反射，由光源150发射的全部光应当在折射通过透明表面132之前反射离开反射表面128。这样，通过1)光导板114的材料和2)反射表面132的特性，光可以被更好地散播和/或颜色混合。在大多数情况下，更好的光散播和/或颜色混合使背光104能够提供颜色更均匀和亮度更高的背光。
为帮助在光导板112内将光散播或颜色混合，其反射表面124、126可以采取各种形式。例如，其反射表面124、126可以是漫反射表面、镜反射表面、偏振反射表面、或其某种组合。不同的反射表面，例如光导的第一反射表面124和第二反射表面126可以采取不同的形式。
在一个实施例中，漫反射表面可以采取均匀的漫射表面(即，在该表面的任何点提供基本上相同的漫射性的漫射表面)。在另一个实施例中，漫反射表面可以采取点图形(dot pattern)的漫反射表面的形式。在后者的情况下，为了将漏逸通过点图案的光导引回到光导板112中，可以在点图形之下定位镜反射层。例如，镜反射层可以采取插入在光导板112、114、116和基底154之间的镜面片的形式。可选地，镜反射层可以采取施加到光导板112、114、116或基底154的镜面涂层或膜的形式。
如图3所示，每个光导板112的主透明表面122和反射表面124都可以形成角度θ2。在背光104的一个实施例中，角度θ2在0°和20°之间。
如图1所示，光导板112、114、116的主透明表面122、132可以邻接以形成基本连续的发光区域。但是，它们不必形成连续的发光区域，而可以替代地形成弯曲的或有纹理的发光区域。在一些情况下，主透明表面122、132的形状(或其上的涂层)可以帮助进一步混合、漫射或偏振发自背光104的光。同样，光导板112的其他表面124、126、136、138，无论透明或反射性的，都可以是弯曲的或是平面和弯曲的组合。
背光104的光源148、150、152可以采取各种形式，其形式可以是单独使用或与其他形式组合使用。在一个实施例中，光源148、150、152可以采取发光二极管(LED)的阵列600的形式。参见图6。阵列600的各个LED(例如，602、604)可以是相同或不同的颜色。例如，阵列600中的全部LED 602、604可以发射白光。或者，LED阵列600可以包括多种不同颜色的LED 602、604，其每个发射例如红色、绿色或蓝色光。当LED阵列600包括不同颜色的LED 602、604时，可以调整不同颜色LED602、604的驱动信号来控制由LED阵列600所发射的混合光的颜色值(color point)。
在一个LED的有用组合中，不同颜色的LED可以发射在450和490纳米(nm)之间(蓝光)、在510和550nm之间(绿光)、以及在610和650nm之间(红光)的占主导的光波长。在另一个LED的有用组合中，不同颜色的LED可以发射在450和480纳米之间(蓝光)、在480和520nm之间(蓝绿光)、在520和550nm之间(绿光)、以及在610和650nm之间(红光)的占主导的光波长。
在一个实施例中，LED的照明强度空间分布可以是绕LED的光轴旋转对称的。这是典型的具有圆水平横截面的LED。可选地，如图7-10所示，LED 700可以具有不同的长轴和短轴在其照明强度空间分布中的椭圆形的照明强度空间分布。例如，见对于图7和8所示的椭圆形的LED的长轴和短轴的照明强度的曲线图(图9及10)。具有椭圆形照明强度空间分布的LED 700是很有用的，因为LED的长轴可以基本水平地定向到背光104的相当薄的平面，且LED的短轴可以基本竖直地定向到背光104的平面，从而使LED 700能够照明光导板112的更宽的“一条”并减轻作为LED间隔结果的照明条带影响。具有椭圆形的照明强度空间分布的LED有时还可以减少必须设置在阵列600中的LED的数量。
通过实验已经发现，对于具有浅的深度及相对较大宽度的背光(例如，LCD电视背光)而言，有利的是将由交叠的光导板112、114、116组成的背光104与具有在其短轴上20°和90°之间并在其长轴上60°和180°之间视角的照明空间强度分布的椭圆形的LED 700装配。
背光104的光源148、150、152可以采取多种形式。例如，光源148可以采取安装在其上具有电连接608、610的衬底606上的LED 602、604的阵列600的形式(例如，如图6所示)。此LED衬底606可以安装在光导板112中的一个和支撑光导板112、114、116的基底154之间(例如，通过首先将LED衬底606安装到光导板112，或通过首先将LED衬底606安装到基底154)。
在一个实施例中，其上安装LED 602、604的衬底606可以是柔性印刷电路(FPC)。在另一个实施例中，其上安装LED 602、604的衬底606可以是金属芯印刷电路板(MCPCB)。在后者的情况下，MCPCB可以不仅用作LED衬底606，还可用作其上组装光导板112、114、116的基底154的一部分。另外，诸如FPC之类的衬底606可以以其间插入电介质而安装到(或邻接到)铝基底。
LED 602、604可以用各种方式安装到衬底606，包括使用通孔或表面安装方法。图11图示了示例性通孔LED 1100到衬底1102的安装。图12和13图示了两个不同的表面安装LED 1200、1300到衬底1202、1302的安装(第一LED 1200在其下侧上包括一对垫1204、1206，且第二LED1300包括包覆至LED封装的边缘下的触头1304、1306)。注意，对图11-13所示的LED 1100、1200、1300中的每个，LED的光轴都垂直于衬底1102、1202、1302延伸。
图14图示了直角通孔LED 1400到衬底1402的安装。如所示的，LED 1400可以安装为使得LED 1400突出于其上安装LED 1400的衬底1402的边缘，其在一些情况下可以允许LED 1400安装得更靠近光导板112(或延伸到其中)。图15和16图示了各种直角表面安装LED 1500、1600到衬底1502、1602的安装。注意，对图14-16所示的LED 1400、1500、1600中的每个，LED的光轴与衬底1402、1502、1602平行地延伸。
虽然图6所示的LED阵列600仅包括单排LED 602、604，但是LED阵列600可以可选地包括多排LED，其排形成为平行的行或不同排的LED形成为锯齿形或其他图形，来如所期望地对形成阵列600的给定的一种或多种类型的LED实现均匀(或不均匀)的光强度和颜色分布。
图17和18图示了将封装的LED 602、604安装在衬底606上的可选方案。如所示的，多个LED芯片1700、1702可以附装到衬底1704，且可以使用表面安装和/或接合导线1800来将LED芯片1700、1702电耦合到在衬底1704上的迹线或垫。密封件1706可以放置在LED芯片1700、1702之上以保护它们并形成透镜。可以使用各种制造方法放置密封件1706，例如：顶包覆(glob-top)、模制、铸造、或真空印刷的密封件。在一个实施例中，其上安装LED芯片1700、1702的衬底1704可以是柔性印刷电路(FPC)。在另一个实施例中，其上安装LED芯片1700、1702的衬底1704可以是金属芯印刷电路板(MCPCB)。在后者的情况下，MCPCB可以不仅用作LED芯片衬底1704，还可用作其上组装光导板112、114、116的基底154的一部分。另外，诸如FPC之类的衬底1704以以其间插入电介质1708而安装到(或邻接到)铝基底。
在一个实施例中，LED 602、604或LED芯片1700、1702的阵列邻接到基本垂直于其主反射表面128的光导板表面166(例如，安装到光导板114的下挂的竖直边缘166)。见图3，可选地或者附加地，LED 1400、1500、1600的阵列可以邻接到光导板的主反射表面168，或邻接到下挂并邻接相邻光导112的其反射表面130。但是，优选地，全部光源150都定位在光导板114、116的下挂区域中(或者，在未在一个端部处交叠的光导板112的情况下，定位在类似区域118中)。
如前所述，一个或多个热耗散元件160、162、164可以耦合到背光104。例如，热耗散元件160、162、164可以附装在光源148、150、152附近，或在光导板112、114、116的主反射表面124、128之下。在图1-3中，热耗散元件160、162、164耦合到其上组装有光导板112、114、116的基底154。但是，在不存在基底154时，热耗散元件160、162、164可以直接耦合到其上安装有光源148、150、154的一个或多个衬底606，或耦合到光导板112、114、116的主反射表面124、128。
热耗散元件160、162、164可以通过对流和辐射将热传导远离背光104。在一些实施例中，热耗散元件160、162、164可以包括多个由空气缝隙170分离的肋片。如果肋片被定向为使得其间的缝隙基本与当LCD100和背光104在使用时的重力方向对准，那么热空气可以在空气缝隙170中上升并将冷空气从空气缝隙170的底部提升。
在一些实施例中，背光104可以包括施加到或定位邻近背光104的外边缘142、144、146的反射元件、膜或涂层。参见图2。这样，可以防止光线折射通过背光104的外边缘142、144、146，或光线可以反射回到背光104中。例如，反射元件、膜或涂层可以是光漫射的或镜面的。
图19图示了用于将由光源1902发射的光耦合到光导板1904中的可选布置1900。该布置与图1-3中所示的不同在于光源1902与光导板1904间隔开，且一个或多个光调节器1906插入在其间。例如，光调节器1906可以包括多个光漫射层(例如，元件、片或膜)、多个棱镜层、和/或多个全息光漫射层。在一些情况下，光调节器可以有利地用于将由不同颜色LED发射的光预混合。
虽然已经在关于背光的上下文中描述了图1-3和19所示的装置，但是其可以用在需要发光装置的各种应用中。例如，可以类似于背光104组装的氛围光(mood light)或平铺光(tiled light)源。
取决于其构造，背光104可以提供超过其他背光可选方案的多种优点。例如，与一些背光相比，背光104提供附加的表面用于将光入射到背光中(且该附加表面分布越过背光的表面)。此外，假定光可以从背光104内部的位置，而不只是从其周界入射到背光中，那么用于光照背光的光源148、150、152有时可以采取诸如每个产生小于200毫瓦(mW)的低功率LED的形式。这可以不仅降低光源148、150、152的成本，还可以1)降低背光表面的每平方面积的功率消耗，2)减少背光产生的热，3)提高光源的效率，和4)增加显示系统中任何有机的或聚合的部件的寿命。
低功率光源也趋向于具有更小的形状因子(form-factors)，从而使得能以更精确的中心对中心间距将它们定位。在依赖于将不同颜色光(例如，红色、绿色和蓝色光)混合的背光中，将它们定位得更靠近彼此的性能提高了它们的光在从背光的发光表面折射之前更彻底混合的可能性。
在一些实施例中，背光104的较低的功率消耗和发热将使得其能够构造有更小的热耗散元件或不具有热耗散元件，从而减小了实现背光所需的空间体积。
在一些实施例中，背光104也可以减少光线在折射到与背光相邻的介质(例如，空气)中之前传播的路径的长度。通常，更短长度的路径将减少转换成热并接着被背光104吸收的光的量。

Claims (33)

1.一种发光装置，包括：
多个相邻交叠的由基本透明材料形成的光导板，其中所述光导板中的每个都具有i)第一和第二端部，ii)光被发射通过其的一个或多个基本透明表面，和iii)一个或多个反射表面用以在所述光导板内重导向光；其中，在第一和第二光导板相邻处，所述第一光导板的所述第一端部A)下挂所述第二光导板的所述第二端部，且B)定位为与所述装置的主发光侧相对；和
多个光源，其光学地耦合到所述光导板的所述第一端部以照明所述光导板的内部，其中每个光导板都包括与所述装置的所述主发光侧基本相对的第一反射表面；和
下挂并邻接相邻的光导板的第二反射表面，
其中每个光源都包括多个发光二极管，
其中发光二极管中的一些具有椭圆形照明强度空间分布，在其照明强度空间分布中具有不同的长轴和短轴，并且
其中所述照明强度空间分布的短轴与所述第一反射表面基本垂直地定向，且其中所述照明强度空间分布的长轴与所述第一反射表面基本平行地定向。
2.如权利要求1所述的发光装置，其中所述第一反射表面是漫反射表面。
3.如权利要求2所述的发光装置，其中所述漫反射表面包括点图形的漫反射表面。
4.如权利要求3所述的发光装置，还包括定位在所述点图形的漫反射表面之下的镜反射层。
5.如权利要求2所述的发光装置，其中所述漫反射表面中的至少一个是均匀漫射表面。
6.如权利要求1所述的发光装置，其中所述第一反射表面是镜反射表面。
7.如权利要求1所述的发光装置，其中所述第一反射表面是偏振反射表面。
8.如权利要求1所述的发光装置，其中所述发光二极管包括不同颜色的发光二极管。
9.如权利要求1所述的发光装置，其中所述发光二极管之一具有绕其光轴旋转对称的照明强度空间分布。
10.如权利要求1所述的发光装置，其中光学地耦合到共同的光导板的所述发光二极管包括形成在共同衬底上的多个发光二极管芯片，由密封件覆盖所述发光二极管芯片。
11.如权利要求1所述的发光装置，其中光学地耦合到共同的光导板的所述发光二极管安装在与所述发光二极管的光轴平行的衬底上。
12.如权利要求1所述的发光装置，其中光学地耦合到共同的光导板的所述发光二极管安装在与所述发光二极管的光轴垂直的衬底上。
13.如权利要求1所述的发光装置，其中所述光源邻接到与所述第一反射表面基本垂直的光导板表面。
14.如权利要求1所述的发光装置，其中所述光源邻接到所述第一反射表面。
15.如权利要求1所述的发光装置，其中所述光源邻接到所述第二反射表面。
16.如权利要求1所述的发光装置，其中所述第一反射表面与所述主发光表面形成在0°和20°之间的角度。
17.如权利要求1所述的发光装置，其中在所述光导板的所述第一端部处，所述光源安装在至少一些光导板的两个或更多表面上。
18.如权利要求1所述的发光装置，还包括：
其上安装所述光导板的基底；和
耦合到所述基底的一个或多个热耗散元件。
19.如权利要求1所述的发光装置，还包括多个耦合到所述光源的热耗散元件。
20.如权利要求1所述的发光装置，还包括定位在所述光源和所述光导板的所述第一端部之间的光调节器。
21.如权利要求20所述的发光装置，其中所述光调节器的至少一个是光漫射层。
22.如权利要求20所述的发光装置，其中所述光调节器的至少一个是棱镜层。
23.如权利要求20所述的发光装置，其中所述光调节器的至少一个包括全息光漫射层。
24.如权利要求1所述的发光装置，还包括连接所述光导板的基本透明接合材料。
25.如权利要求1所述的发光装置，还包括其上组装所述光导板的基本刚性并导热的基底。
26.如权利要求25所述的发光装置，其中所述基本刚性并导热的基底包括多个交叠的部件。
27.如权利要求26所述的发光装置，其中所述基本刚性并导热的基底的所述交叠的部件包括平面部件和台阶部件。
28.如权利要求25所述的发光装置，还包括耦合到所述基本刚性并导热的基底的与所述基底的其上组装所述光导板的一侧相对的一侧的一个或多个热耗散元件。
29.一种液晶显示屏，包括：
具有多个LCD元件的液晶显示屏面板；
定位在所述显示屏面板之后的背光，所述背光包括：
多个相邻交叠的由基本透明材料形成的光导板，其中所述光导板中的每个都具有i)第一和第二端部，ii)光被发射通过其的一个或多个基本透明的表面，和iii)一个或多个反射表面用以在所述光导板内重导向光；其中，在第一和第二光导板相邻处，所述第一光导板的所述第一端部A)下挂所述第二光导板的所述第二端部，且B)定位为与所述装置的主发光侧相对；和
多个光源，其光学地耦合到所述光导板的所述第一端部以照明所述光导板的内部，
其中每个光导板都包括与所述装置的所述主发光侧基本相对的第一反射表面；和
下挂并邻接相邻的光导板的第二反射表面，
其中每个光源都包括多个发光二极管，
其中发光二极管中的一些具有椭圆形照明强度空间分布，在其照明强度空间分布中具有不同的长轴和短轴，并且
其中所述照明强度空间分布的短轴与所述第一反射表面基本垂直地定向，且其中所述照明强度空间分布的长轴与所述第一反射表面基本平行地定向。
30.如权利要求29所述的LCD，还包括光调节器，定位在所述背光和所述LCD面板之间。
31.如权利要求30所述的LCD，其中所述光调节器包括一个或多个光漫射层。
32.如权利要求30所述的LCD，其中所述光调节器包括一个或多个棱镜层。
33.如权利要求30所述的LCD，其中所述光调节器包括一个或多个光偏振层。
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