CN101581420B - 渐变间距led排列构成的直下式背光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渐变间距LED排列构成的直下式背光源，包括有背光腔，背光腔正面为光学膜组，背光腔背面为LED固定板，在LED固定板上安装LED灯，从LED固定板的列、行方向中心线往左、右和上、下方向，相邻LED灯的间距均逐渐变小。设计时根据LED的发光特性、背光腔有效高度、扩散膜/板漫射能力以及混光均匀性的要求可以确定行、列方向上相邻LED灯的最大间距，而间距渐变的方式可以采用简单的某种或几种函数来实现设计或计算仿真，LED排布时需考虑驱动电路的需要，这种设计配合光学膜组可以获得光学均匀性优异的LED背光。

Description

渐变间距LED排列构成的直下式背光源

技术领域

本发明涉及液晶显示用LED背光模组，特别是利用一种渐变间距的LED排列方式设计新型直下式LED背光源。

背景技术

液晶显示器对亮度均匀性和颜色均匀性通常要求较高，特别是工业液晶显示、医学液晶显示、航空多功能液晶显示器对这两种光学均匀性要求更高，甚至分别对昼夜模式的亮度均匀性提出要求，例如机载液晶显示昼模式亮度均匀性要求达到20-25％以内，夜模式亮度均匀性要求达到30-40％以内。常规的直下式LED背光设计通常根据LCD亮度、色度及其均匀性要求先进行理论计算确定所需LED灯的数目，结合LCD结构的要求特别是背光腔高度的限制，设计或者选择正确的光学膜组组合，最终确定相邻LED灯的间距，通常采用等间距行列排布的方式构成LED阵列，可以通过计算或者光线追迹的方式来模拟光学均匀性，从而完成直下式LED背光源的设计。

亮度均匀性(Luminance Uniformity，简称LU)一般采用5(2X2+1)点或9(3X3)点测试法，即将液晶显示屏划分为5块、9块相等面积的区域，记录每个区域中心点垂直于LCD方向的亮度，一般取亮度最大值和最小值按照LU＝(L_max-L_min)/(L_max+L_min)或者LU＝(L_max-L_min)/L_max计算亮度均匀性。颜色均匀性(Color Uniformity，简称CU)则取液晶显示屏中央垂直于LCD方向的色坐标作为参考点(u₀’，v₀’)，计算其它区域中心的色坐标(u’，v’)离中心色坐标点的距离，也即 $r=\sqrt{{(u-u_0^{\′})}^2+{(v-v_0^{\′})}^2},$ 以该距离衡量颜色均匀性的优劣。航空显示领域分别对纯白色、红色、绿色、蓝色的均匀性提出较高要求，r一般要求不超过0.03。

传统的直下式LED背光源设计，即LED采用等间距排列的方式虽然可以通过同步缩小行或列相邻LED灯间距、扩散膜/板(或称漫射膜)等方式来获得较好的亮度和颜色均匀性，但是通常都以牺牲亮度、增大背光功耗为代价，这是由于扩散膜/板扩散效果和其轴向通过率往往相矛盾，即漫射效果好、轴向透过率就较低，漫射效果差、轴向透过率较高。对于工业和航空应用的高亮度液晶显示器而言，亮度通常高达686～1000cd/m²，尽管常规的9点测试结果表明亮度和颜色测试均匀性在要求范围内，但如果采用25点(5X5)测试就会发现高亮度时液晶显示屏边缘和中间的亮度相差较大达到200cd/m²以上(中间通常亮度高、边缘低)，而较低亮度(＜30cd/m²)时观察液晶屏时会发现屏幕上不同区域明暗程度差异较大、甚至色差明显(r＞0.03)，影响在阳光直射或者暗环境下的正常使用，表现为不能全部看清楚显示信息。因此常规的直下式LED背光设计思想不利于获得良好的光学均匀性效果，需要加以改进。

本发明所阐述的方法及在直下LED背光设计的应用可以获得更好的亮度均匀性和颜色均匀性，而利用渐变间距的LED排列方式来设计LED背光目前尚未见到公开报道。

发明内容

传统直下式LED背光源设计思想存在局限性，即为增加漫射获得较好的亮度均匀性和颜色均匀性却增大背光功耗，而且在高亮度和较低亮度时液晶显示屏上不同区域实际亮度差异较大、人眼可明显察觉的色彩差异，超出实际使用的许可范围。本发明的目的是针对这种局限，发明一种渐变间距LED排列构成的直下式背光源，LCD整体光学均匀性的改善大有裨益。

本发明的技术方案是：

一种渐变间距LED排列构成的直下式背光源，包括有背光腔，背光腔正面为光学膜组，背光腔背面为LED固定板，其特征在于：在LED固定板上安装LED灯，从LED固定板的列、行方向中心线往左、右和上、下方向，相邻LED灯的间距均逐渐变小。

所述的渐变间距LED排列构成的直下式背光源，其特征在于所述的LED灯是白光LED灯，或者是由红绿蓝单色LED灯构成的可以混成白光的LED灯组。

所述的渐变间距LED排列构成的直下式背光源，其特征在于所述的从LED固定板的列方向中心线往左、右方向，各个相邻LED灯之间间距的差dx是相等的；所述的LED固定板的行方向中心线往上、下方向，各相邻LED灯之间间距的差dy是相等的；所述的dx与dy相等或不相等。

所述的渐变间距LED排列构成的直下式背光源，其特征在于所述的dx与dy取0.05～0.1mm，而行、列方向相邻LED灯之间的间距最大值和最小值相差不超过0.5～2mm。

设计要求：

(1)、依据LCD光度和色度要求先计算LED灯总数、每行或每列灯数，相对于等间距的方案数目均保持不变；

(2)、以液晶显示屏有效显示区域的行、列中心线作为对称轴，对构成直下式背光LED阵列的行方向而言，从列中心线至左右两个边缘相邻两个LED间距均逐渐变小，列方向上从行中心线至上下边缘LED间距逐渐变小；

(3)、每行或每列LED灯的数目需考虑LED驱动电路的需要，仍采用串并联的方式，但保证每个串联支路灯的个数尽可能相等，以方便利用PWM恒流或恒压等常见方式来设计驱动电路；

(4)、根据LED的发光特性特别是发射角2θ_1/2大小、背光腔的有效高度、扩散膜/板漫射能力的限制，根据混光均匀性的要求确定行、列方向(或入光侧边)上相邻LED灯的最大间距，渐变后的最小间距自然符合混光要求，间距渐变的方式可以采用简单的某种或几种函数来进行设计或计算仿真；

(5)、行/列方向上最边缘的LED灯中心离有效显示区域的边界距离分别小于行/列方向上最小LED灯间距的一半。

本发明的优点：

具有成本低、设计制作周期短、应用范围较广、可靠性高、易实现、依据需要可灵活选择不同的设计方案等优点，改变传统的设计思想，能够显著改善高亮度、低亮度两种模式下LCD屏中间与四周的亮度差异、色差(特别是彩色LED背光源)，改善液晶显示器(LCD)有效显示范围内的亮度均匀性和颜色均匀性，配合光学膜组、选择合理的混光距离可以实现整个显示区域内光学均匀性良好，特别适用于设计和制作对光学均匀性要求高的工业液晶显示、医疗液晶显示、航空液晶显示等所需的特种背光源，也可以用于普通要求的LED背光源。

附图说明

图1渐变间距LED背光结构示意图。

图2是背光腔有效高度和LED中心间距示意图。

图3是已有技术中等间距LED M*N排列示意图。

图4是渐变间距LED M*N排列示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。

一种渐变间距LED排列构成的直下式背光源(如图1所示)，包括有背光腔1，背光腔1正面为光学膜组2，背光腔1背面为LED固定板3，在LED固定板3上安装LED灯4，从LED固定板的列、行方向中心线往左、右和上、下方向，相邻LED灯的间距均逐渐变小，相邻间距级差相等。

依据LCD亮度、有效显示面积、液晶屏组件透过率、光学膜组增亮因子等很容易估算出所需LED灯阵列的光通量(可查阅相关论文或专著，在此略去计算方法)，然后除以每颗灯的光通量可初步估算出所需LED灯总数，再考虑5-10％的设计余量就可以确定LED的总数。根据LCD有效显示区域5的长宽比例，可以按比例分配每行/列的灯数。由LED的发射角2θ_1/2大小、背光腔高度限制可以计算出相邻LED灯间距的要求，例如2θ_1/2＝120°，相邻LED灯间距L最好不大于灯腔高度的0.77倍(混色灯间距应适当减小)，此处背光腔有效高度特指LED灯4发光面至光学膜组2的距离H(见图2)。有效显示区域5的长宽分别除以灯数便可以得到传统直下式等间距设计方案下的每行/列相邻两颗或组LED灯之间的距离(见图3，M*N阵列，横向和纵向相邻LED中心间距分别为Lx、Ly)，LED布局时不仅要考虑灯间距的限制，而且还需考虑到前文技术方案中提到的驱动电路需要。

至于LED背光颜色的设计过程，可以简要概括为根据实验确定LED灯颜色和LCD颜色间的偏差关系，反推计算出达到LCD色坐标所需LED的大致颜色范围，选择正确的LED灯或组来实现所需颜色。

(1)在上述设计和计算基础上可以进一步优化得到渐变间距LED排列，本发明的具体实施例已经依据光线追迹和实验结果进行验证，实施例中LED灯间距渐变的方式均取等差数列。如图4所示，MXN渐变间距LED阵列(每行M个LED，每列N个LED)，该阵列和光学膜组、背光腔共同构成LED背光模组(见图1)。左上角第一颗LED记为LED₁₁，第一行记为LED_1M，右下角最后一颗LED记为LED_NM，以此类推。列方向渐变间距大小为dx，以第一行为例，离中心线最远的LED₁₁和LED₁₂、LED_1M-1和LED_1M之间的中心间距均为L_x0，LED₁₂和LED₁₃、LED_1M-2和LED_1M-1之间的距离增加为L_x0+dx，依次类推，相邻两个LED灯中心间距逐渐增加dx，关于中心线呈轴对称。类似地，行方向渐变间距大小为dy，以第一列为例，离中心线最远的LED₁₁和LED₂₁、LED_M-11和LED_M1之间的中心间距均为L_y0，LED₂₁和LED₃₁、LED_M-21和LED_M-11之间的距离增加为L_y0+dy，依次类推，相邻两个LED灯中心间距逐渐增加dy，关于中心线呈轴对称。处于同一行但不同列的LED灯，仅在行方向保持渐变；处于同一列但不同行的LED的灯，仅在列方向保持渐变，dx和dy相等或不等。按照等差数列变化的特点，可以很容易确定出具体的相邻两颗LED灯的间距。对于中小尺寸(15”以下)的背光dx和dy一般取0.05～0.1mm，而行、列方向相邻LED灯之间的间距最大值和最小值相差不超过0.5～2mm，准确数值取决于具体的背光尺寸和亮度、颜色均匀性要求。而对于大尺寸背光(17”及以上)，dx和dy可以相应增大，依据实验或光线追迹结果确定。行/列方向上最边缘的LED灯中心离有效显示区域的边界距离分别小于行/列方向上最小LED灯间距的一半，即a＜L_x0/2，b＜L_y0/2(见图4)。

基于上述设计，配合光学膜组可以获得光学均匀性良好的直下式LED背光源。实验表明采用渐变间距设计的LCD亮度均匀性(5X5点)可以达到8～10％(传统直下式高亮度背光通常只能达到15～20％的均匀性)，屏中心亮度高达1000cd/m²时屏幕最亮和最暗的亮度差异只有不到100cd/m²，较低亮度时屏幕不同区域无明显的亮暗差别现象出现；颜色均匀性的差异也由传统设计的r＝0.025～0.03明显改善至r＝0.015～0.02，对于彩色LED背光而言颜色均匀性的改善更为显著。

Claims (2)

1.一种渐变间距LED排列构成的直下式背光源，包括有背光腔，背光腔正面为光学膜组，背光腔背面为LED固定板，其特征在于：在LED固定板上安装LED灯，从LED固定板的列、行方向中心线往左、右和上、下方向，相邻LED灯的间距均逐渐变小；所述的LED灯是白光LED灯，或者是由红绿蓝单色LED灯构成的可以混成白光的LED灯组；所述的从LED固定板的列方向中心线往左、右方向，各个相邻LED灯之间间距的差dx是相等的；所述的LED固定板的行方向中心线往上、下方向，各相邻LED灯之间间距的差dy是相等的；所述的dx与dy相等或不相等。

2.根据权利要求1所述的渐变间距LED排列构成的直下式背光源，其特征在于：所述的dx与dy取0.05～0.1mm，而行、列方向相邻LED灯之间的间距最大值和最小值相差不超过0.5～2mm。

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