CN101430072B

CN101430072B - 一种拼装而成的均匀面光源

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Publication number: CN101430072B
Application number: CN2008101800545A
Authority: CN
Inventors: 罗毅; 钱可元; 杨毅; 韩彦军
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2026-01-19
Also published as: CN101430072A

Abstract

一种拼装而成的均匀面光源属于发光二极管封装和应用技术领域。其特征在于，它是由多块基于发光二极管的面光源模块水平拼装而成的面光源，所述每一块面光源模块含有，发光二极管光源，和使所述发光二极管光源发出的光经过折射和/或反射后，在出射平面上产生近似均匀的照度，并且出射的方向与光的中轴平行的匀光—准直光学机构。准直机构是一块准直面板，其中心为一凸透镜，四周为一组截面为全等三角形的棱镜，该棱镜在中轴线正交的平面上的投影为一组同心圆。本发明可以在兼顾高效率的前提下获得良好的出光均匀性，在个人计算机、车辆导航系统、手持电话等设备中安装的液晶显示装置的背光源，以及普通的室内照明用灯具等应用方面具有广阔的前景。

Description

一种拼装而成的均匀面光源

本申请是分案申请，原申请的申请号为200610002143.1，申请日为2006年1月19日，发明名称为“一种拼装而成的均匀面光源”。

技术领域

本发明涉及一种拼装而成的基于发光二极管的均匀面光源，属于发光二极管封装和应用技术领域。本发明适用于例如个人计算机、车辆导航系统、手持电话等设备中安装的液晶显示装置的背光源，也适用于普通的室内照明用灯具。

背景技术

目前，得到广泛应用的基于发光二极管(LED)的面光源主要有两种形式：侧壁耦合形式(side-light-type)和直射耦合形式(directly-under-light)。

侧壁耦合形式指的是使用某种机制将发光二极管发出的光从侧面耦合进入导光板，从而形成均匀的面光源。光在导光板中的传输过程中会由于出射和材料损耗而逐渐减弱，因此这种形式的面光源不能作得很大，否则其均匀性将不能得到保证。这种形式的面光源主要被应用于手机、掌上电脑的LCD背光。同时，高质量的导光板的制作工艺相当复杂，且其最高效率为60％左右，因而成为整个系统效率的瓶颈。根据美国的Lumileds Lighting公司技术发布文档TP29中披露的数据，该公司的一种基于大功率发光二极管的采用侧壁耦合形式的面光源的效率为50％，其中导光板的导光效率约为60％。

直射耦合形式指的是将发光二极管阵列直接放置于发光面下方，采取直射的方式发光。这种形式的面光源的尺寸不受限制，在大屏幕显示领域得到了广泛的应用。然而，这种机制也就使发光面难以实现良好的均匀性，容易出现亮斑、暗斑，甚至使发光点在屏幕上成像。一般解决的方案是使用一层或多层散光膜(diffuser sheet)或散光体(bulk diffuser)使其均匀化，并掩盖光点成像。但这会造成光的散射吸收，进而使整个系统的效率降低；这种现象在使用多层散光膜时更为严重。

针对这种情况，美国专利US 20040080938A1提出使用反射杯和美国3M公司的产品BEF膜共同形成一个系统实现直射耦合形式的均匀发光，然而该方案会在出光平面形成LED光源的虚像，进而仍难以在高效率的前提下实现均匀发光；同时根据我们的实验结果，在这种情况下使用BEF膜会使系统效率降低至60％。

美国专利US20050013131A1和中国实用新型专利03264908.8分别提到在光源正上方盖反射板来实现均匀出光的目的，但从前者披露的模拟结果来看，其均匀性有所改善，但仍不小于40％。同时，这种方法光在出射后主要集中在与出光平面法线夹角比较大的方向上，并不利于实用。

综上所述，现有的面光源难以解决均匀性和效率难以兼得的矛盾，尤其是对于应用于大面积面光源的直射耦合方式来说，均匀性只能通过牺牲效率来获得。基于此，本发明提出一种使用直射耦合方式的面光源结构，可以在高效率的前提下获得良好出光均匀性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于发光二极管的由面光源模块拼装而成的面光源，它具有比较高的能量效率，同时出光的均匀性良好。其原因在于本发明是采用逐条控制光线的方法来实现均匀发光的，而不是采用传统的散射的方法，因此能够使每条光线都投射到有效区域内，而且能够尽可能的缩短光程以降低材料吸收。

本发明的特征在于：它是由多块基于发光二极管的面光源模块水平拼装而成的面光源，所述每一块面光源模块含有，发光二极管光源，和使所述发光二极管光源发出的光经过折射和/或反射后，在出射平面上产生近似均匀的照度，并且出射的方向与光的中轴平行的匀光—准直光学机构。

所述匀光—准直光学机构含有匀光机构和准直机构。

所述匀光机构是一块碟型的匀光透镜，该碟型匀光透镜的下表面是一个可罩住光源的圆柱型空腔，上表面是水平表面；光从所述碟型匀光透镜的下表面入射，经过下表面的折射和侧面的反射后，从上表面出射，均匀的照射在出射面上。

所述匀光机构是一块半反射板，和放置与光源侧面的全反射面，一部分光经过该半反射板透射后均匀照射在出射面上，另一部分光经过该所述全反射面反射后均匀照射在出射面上。

所述准直机构是一块准直面板，其中心为一凸透镜，四周为一组截面为全等三角形的棱镜，该棱镜在中轴线正交的平面上的投影为一组同心圆。

所述准直机构是菲涅耳透镜，匀光机构位于所述菲涅耳透镜的焦点位置或焦点位置附近。

所述准直机构是正交放置的柱面镜组和非球柱面镜组，匀光透镜位于所述柱面镜组或非球柱面镜组的焦点位置或焦点位置附近。

所述准直机构为两片BEF膜，该两片BEF膜正交放置。

所述匀光—准直光学机构是一块一体的匀光—准直透镜，所述发光二极管光源发出的光经过该匀光—准直透镜入射面的折射后均匀照射在该匀光—准直透镜的出射面上，所述匀光—准直透镜的出射面使得出射的光线得到准直，所述发光二极管光源封装在一个透镜里。

所述匀光—准直光学机构是一块倒凹型的匀光—准直透镜，其内表面为圆柱型，其外表面的中部为半球型，四周是斜槽型，所述发光二极管光源发出的光入射倒该倒凹型的匀光—准直透镜的圆柱型内表面，经过该内表面折射后，均匀的入射倒外表面上，经过外表面的再次折射得到准直。

所述发光二极管被封装在一个透镜里。

所述面光源模块的形状为正多边形。

试验证明，本发明提出的面光源能够使得光的出射均匀且效率高，达到了预期的目的。

附图说明

图1是一个基于发光二极管的面光源模块的系统功能模块示意图。

图2是实施例1使用的面光源模块的剖视图和光路图。

图3是实施例1的面光源模块拼装而成的面光源的立体视图。

图4是实施例1的近场照度分布模拟示意图。

图5是实施例1的远场亮度分布模拟示意图。

图6是实施例2使用的面光源模块的剖视图和光路图。

图7是实施例3的俯视图。

图8是实施例3的面光源模块的剖视图和光路图。

图9是实施例3的面光源模块中的准直机构的俯视图。

图10是实施例4的使用菲涅耳透镜的作为准直机构的面光源模块的剖视图和光路图。

图11是实施例5的使用柱面镜组或非球柱面镜组作为准直机构的面光源模块的剖视图。

图12是实施例6的使用3M公司的产品BEF膜作为准直机构的面光源模块的剖视图。

图13是实施例7的使用半反射板、反射底面和反射侧壁形成一个系统作为匀光机构的面光源模块的剖视图和光路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明是这样实现的：

图1是一个面光源模块的系统功能模块示意图。1是匀光机构，其中封装了一枚或多枚LED光源。

由于LED是朗伯光源，因此从LED光源中发出的光线在空间形成的亮度分布可以表示为：

I(θ)＝I₀·cosθ

其中I(θ)为空间亮度；θ为观察方向与LED光轴的夹角；I₀为中心亮度。

如果不经过光学系统的处理，那么这种空间亮度分布在面光源模块的光出射平面3上形成的照度分布可以用以下表达式表达：

L (r) = \frac{I_{0} \cdot h^{2}}{{(h^{2} + r^{2})}^{2}}

其中L(r)为照度值，r为光出射平面3上的考察点的半径，h为LED光源到光出射平面的垂直距离。

可以看出其照度值沿径向方向迅速衰减，不可能实现均匀。

因此，匀光机构的作用是将由发光二极管光源发出的光重新定向，使其在面光源模块的光出射平面3上产生近似均匀的照度，即使光均匀的分布在所述的光出射平面3上。

2是准直机构，其作用是将照射在其上的经过匀光的光线重新定向，从而使光集中在与中轴4平行的光出射方向附近，从而保证了面光源在照明方向上的亮度。

上述匀光机构和准直机构不一定是分开的两个机构，只要能够达到利用光学元件进行匀光和准直即可。

以下具体说明本发明的几个具体实施例。

实施例1

实施例1的基于发光二极管的拼装而成的面光源，其面光源模块包含一个匀光—准直机构，即匀光—准直透镜91，如图2所示。在该实施例中，匀光机构和准直机构是一体的，即使用该匀光—准直透镜91代替了匀光机构和准直机构的作用。

图2是这种面光源模块的剖面图和光路图。发光二极管光源93使用透镜92封装。从发光二极管光源93中发出的光线经透镜92折射一次后，入射到匀光—准直透镜91。曲面94使与中轴90夹角比较小的光线均匀分布在球面95上，并经过球面95准直出射；曲面96、97的作用是使光均匀分布在上表面98以及阶梯状截面的曲面99。入射到曲面98的光与中轴90的夹角小于10度，而入射到阶梯状截面的曲面99的光与中轴90夹角较大，经过曲面99折射后得到准直。最终的总效果是使光线在出射平面100上均匀分布且出射角度与中轴的夹角小于10度，即得到基本准直。图中的出射平面100是一个为了方便叙述而构造的平面，在实际应用中，出射平面100可以是一块透明面板，也可以是散射膜和散射体，也可以不是任何实体。在本实施例中只使用了一个发光二极管光源93，只是为了说明方便，并不限制使用多枚发光二极管光源的可能性。

图3是由这种面光源模块拼装而成的面光源的立体视图，110是一个面光源模块，其俯视图为正六边形。7个面光源模块水平拼装组成一个大面积的面光源。使用7块相同的正六边形面光源模块只是为了说明方便，并不是对面光源模块的数量和形状的限制。

图4是本实施例在出光平面上的照度模拟图，可以看到其均匀性大于80％，图5是本实施例的远场亮度图，可以看到其准直效果很好，发散半角小于5度。

实施例2

实施例2的基于发光二极管的拼装而成的面光源，其面光源模块是另外一种匀光—准直机构，即匀光—准直透镜组120和122，如图6所示。这里匀光—准直透镜组120和122代替了匀光机构和准直机构的作用。从发光二极管光源121发出的光线经透镜组120和122的表面的一系列折射和反射，均匀而且基本准直的照射到光出射平面123上。这个匀光—准直机构与实施例1具有不同的形态，但是工作原理是相似的，这里不再作赘述。

实施例2的基于发光二极管的由面光源模块拼装而成的面光源，其俯视图如图7所示。9是一个面光源模块，其俯视图为正六边形。7个面光源模块水平拼装组成一个大面积的面光源。使用7块相同的正六边形面光源模块只是为了说明方便，并不是对面光源模块的数量和形状的限制。

实施例3

图8为实施例3的面光源模块的剖面图以及光路图。

匀光机构使用一个匀光透镜23来实现。球面透镜22的作用是封装LED光源20。匀光透镜23的作用是将由发光二极管光源20发出的光经球透镜22折射后，再重新定向，在匀光透镜23中经过折射或一系列的折射和全反射，使其在面光源模块的光出射平面12上产生近似均匀的照度，即使光均匀的分布在所述的光出射平面12上。在本实施例中只使用了一个发光二极管光源20，只是为了说明方便，并不限制使用多枚发光二极管光源的可能性。

准直机构是一块准直面板24，其上表面即为整个面光源模块光出射平面12。中心的曲面25的截面曲线为一段圆弧，其圆心在模块的中轴13上；26为一组棱镜，其截面为一组全等的三角形，其在与轴线13正交的平面上的投影为一组同心圆，中心在光出射平面12的几何中心14，也就是发光二极管光源20在光出射平面12的投影位置，如图9所示。由于其截面为一组全等的三角形，下面仅以其中一个为例说明其具体参数和工作原理。面27在截面上对应的直线与中轴13的夹角为10度，面28在截面上对应的直线与中轴的夹角为30度。如图8所示，光线41在曲面25发生折射而得到一定程度的准直；光线42入射到曲面27发生折射，然后入射到曲面28发生全反射而得到准直出射。最终使光集中在沿中轴13方向的附近，从而保证了面光源照明方向上的亮度。

系统侧壁29和底面30都是反光层。其具体实现可以使用贴反射膜或蒸发反射膜的方法，或者其它方法，本发明并不做限制。反光层29、30的目的是利用从匀光透镜23发出的并没有射到准直机构24的光，使之得以出射，以提高系统效率。

实施例4

实施例4的基于发光二极管的拼装而成的面光源，与实施例3的不同之处在于其面光源模块使用了不同的准直机构，这里重点说明不同的部分，对相同的部分省略重复说明。

如图10所示，本实施例中使用的准直机构为菲涅耳(Fresnel)透镜51，其作用相当于一个球面镜，将匀光透镜23放置于菲涅耳透镜的焦点上或焦点附近，经过匀光的光线将得到一定程度的准直，保证面光源在照明方向上的亮度，进而实现均匀面光源。

实施例5

实施例5的基于发光二极管的拼装而成的面光源，与实施例3和实施例4的不同之处在于其面光源模块使用了第三种不同的准直机构，这里重点说明不同的部分，对相同的部分省略重复说明。

如图11所示，本实施例中使用的准直机构为正交放置的柱面镜组和非球柱面镜组，图中61是非球柱面镜组，62是柱面镜组，二者位置可互换，其作用类似于一个球面镜，将匀光透镜23放置于柱面镜组或非球柱面镜组的焦点上或焦点附近，经过匀光的光线将得到一定程度的准直，保证面光源在照明方向上的亮度，进而实现均匀面光源。

实施例6

实施例6的基于发光二极管的拼装而成的面光源，与实施例3、实施例4和实施例5的不同之处在于其面光源模块使用了第四种不同的准直机构，这里重点说明不同的部分，对相同的部分省略重复说明。

如图12所示，本实施例中使用的准直机构为美国3M公司的产品BEF膜(Brightnessenhancement film)71，其微观上是一组密排的棱镜。将两片BEF膜正交放置，可以起到将与中轴夹角比较大的光线准直的作用，因此在一定程度上提高了面光源在照明方向上的亮度，进而实现均匀面光源。

实施例7

实施例7的基于发光二极管的拼装而成的面光源，与实施例3的不同之处在于其面光源模块使用了不同的匀光机构，这里重点说明不同的部分，对相同的部分省略重复说明。

如图13所示，本实施例中使用的匀光机构为半反射板81，当光线入射到其上时，有一定比例的光得到透射，其余的光则得到反射，其投射比例可以在制作加工半反射板时根据需要确定。如图13，中心比较强的光线入射到半反射板81上，一部分透射而在光出射表面82形成照度，其余反射至底面反射层83并再次发生反射，至光出射表面82形成照度，因此，设计合理的半反射板81透射比率和曲面形状，可以使光线均匀的投射到光出射表面82，并通过准直机构而形成均匀面光源。

实施例8

实施例8的基于发光二极管的拼装而成的面光源，其面光源模块的匀光机构使用半反射板，准直机构使用菲涅耳透镜，其各部分原理已经介绍清楚，故不再重复说明。

实施例8

实施例9的基于发光二极管的拼装而成的面光源，其面光源模块的匀光机构使用半反射板，准直机构使用柱面镜组或非球柱面镜组，其各部分原理已经介绍清楚，故不再重复说明。

实施例10

实施例10的基于发光二极管的拼装而成的面光源，其面光源模块的匀光机构使用半反射板，准直机构使用BEF膜，其各部分原理已经介绍清楚，故不再重复说明。

可以以其它形式实现本发明而不离开本发明的精神和范围或基本特征，当前公开的例子仅是其优选的实施例。

Claims

1.一种拼装而成的均匀面光源，其特征在于，它是由多块基于发光二极管的面光源模块水平拼装而成的面光源，所述每一块面光源模块含有，发光二极管光源，和使所述发光二极管光源发出的光经过折射和/或反射后，在出射平面上产生近似均匀的照度，并且出射的方向与光的中轴平行的匀光-准直光学机构；所述匀光-准直光学机构含有匀光机构和准直机构；所述匀光机构是一块半反射板，和放置于光源侧面的全反射面，一部分光经过该半反射板透射后均匀照射在出射面上，另一部分光经过该所述全反射面反射后均匀照射在出射面上；所述准直机构是一块准直面板，其中心为一凸透镜，四周为一组截面为全等三角形的棱镜，该棱镜在中轴线正交的平面上的投影为一组同心圆。

2.如权利要求1所述的一种拼装而成的均匀面光源，其特征在于，所述发光二极管被封装在一个透镜里。

3.如权利要求1所述的拼装而成的均匀面光源，其特征在于，所述面光源模块的形状为正多边形。

4.一种拼装而成的均匀面光源，其特征在于，它是由多块基于发光二极管的面光源模块水平拼装而成的面光源，所述每一块面光源模块含有，发光二极管光源，和使所述发光二极管光源发出的光经过折射和/或反射后，在出射平面上产生近似均匀的照度，并且出射的方向与光的中轴平行的匀光-准直光学机构；所述匀光-准直光学机构含有匀光机构和准直机构；所述匀光机构是一块半反射板，和放置于光源侧面的全反射面，一部分光经过该半反射板透射后均匀照射在出射面上，另一部分光经过该所述全反射面反射后均匀照射在出射面上；所述准直机构为两片BEF膜，该两片BEF膜正交放置。

5.如权利要求4所述的一种拼装而成的均匀面光源，其特征在于，所述发光二极管被封装在一个透镜里。

6.如权利要求4所述的一种拼装而成的均匀面光源，其特征在于，所述面光源模块的形状为正多边形。