CN101639181A - 直下式背光系统 - Google Patents

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刘胜
秦宗
王恺
陈飞
罗小兵
金春晓
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本发明公开了一种直下式背光系统，其包括背光源(1)、背光腔体(2)、扩散板(3)和增亮膜(41)等光学膜层。背光源(1)是一种将LED背光中的LED光源用自由曲面透镜进行模块封装的结构，其包括发光二极管芯片(12)、封装管壳(11)、封装胶体(14)和自由曲面透镜(15)。本发明的直下式背光系统基于LED封装，可不经过二次光学设计直接应用于不同厚度不同面积的背光照明，对各种液晶面板有很好的兼容性，且出光效率高，非常适合平板显示的节能要求。

Description

直下式背光系统
技术领域
本发明涉及一种背光系统，尤其是一种直下式背光系统。
技术背景
近年来，平板显示器的市场随着消费电子产品的发展越来越大，其中，液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)占平板显示的份额接近90％。液晶显示器作为一种被动发光器件，本身不会发光，对于透射型液晶显示器，必须依靠背光光源将光线穿过显示面板，展现图形图像。冷阴极管(Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL)和发光二极管(Light Emitting Diodes，LED)是目前液晶背光的两种主要技术。LED背光主要优势在于：色彩还原性好、低能耗、超长寿命、响应速度快、材料无环境公害、更好的电学光学控制性能等等，尤其是使用了红绿蓝三基色LED后，其色彩还原性，可做到NTSC标准的105％以上，远远高于CCFL背光的70％左右。从长远来看，RGB三基色LED背光是液晶显示背光技术中最有前途的。
LED背光根据其光学结构分为侧下式和直下式两种。侧下式的光源布置在面板侧面，通过导光板将光线分布到面板上，直下式的光源直接布置在液晶面板下方。一般来说，侧下式LED背光总体效率高，背光板厚度较薄；直下式LED背光光线均匀度高，易于实现动态区域对比度控制。
LED直接出光的光能量分布为朗伯型，光能量集中在轴向小角度内，直接将这种配光的LED放置在面板下方很难实现面板上的均匀照明。目前的直下式LED背光多是基于侧面发光LED(Side EmitterLED)，详见美国专利US6607286和US6679621，其出射的光能量集中在水平方向±20°的范围内。在这种基于侧面发光LED的背光系统中，背光腔的内壁涂覆以高反射率材料，LED发出的光线在背光腔内反复反射，最终在面板处形成照度色度都均匀的光能量分布。这种背光结构的优点是均匀度高，缺点是光线在反复的反射过程损失了很多能量，整体效率偏低，而且单颗LED并不直接对应面板上的某一区域，很难实现动态区域对比度控制。
为了克服基于侧面发光LED的背光系统的缺点，中国发明专利CN200710179030.3提出了将自由曲面表面的二次光学透镜运用到背光源中，在这种方法中，每颗LED外部安装一个二次光学自由曲面透镜，透镜将LED封装模块发出的光束进行重新控制，每颗LED出射的光线在面板处形成一定形状的光斑，带有二次光学透镜的LED按一定规则排列，就可在面板上形成大范围均匀白光照明。这种方法提高了光能利用率，而且每颗LED对应面板上的一块区域，可以实现动态区域对比度控制。
虽然采用透镜控制方法可以改进基于侧面出光LED的背光系统的缺点，但外部安装的透镜仍属于二次光学系统，光学界面多，光能损耗仍偏高，LED模块体积大，从而增加背光板的厚度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无需安装其他二次光学器件、提高背光源整体光效、减小LED模块体积、有利于减小背光板的厚度、实现超薄液晶显示的基于LED封装的直下式背光系统。
为解决上述问题，本发明的直下式背光系统，包括背光源，背光腔体，扩散板、增亮膜等光学膜层。
背光源是一种将LED背光中的LED光源用自由曲面透镜进行模块封装的结构。具体说就是一种将LED二次光学系统与一次光学系统集成的新型LED封装结构和方法用于LED背光系统的方法。在LED模块封装时，采用自由曲面透镜，直接对LED芯片进行封装，得到应用导向型(Application Specific)LED模块即背光源，使单个背光源出射的光斑就能满足不同尺寸厚度对背光源的要求。其包括发光二极管芯片、封装管壳、封装胶体和自由曲面透镜。发光二极管芯片贴装在封装管壳内，芯片电极与封装管壳内电路层相连，且发光二极管芯片被封装胶体封装；封装胶体为填充胶体或荧光粉胶或填充胶体与荧光粉胶的混合体；自由曲面透镜可采用模具或精密加工方法制造，其出光面与入光面中至少有一表面为自由曲面，由基面、入光面、出光面共同界定透镜本体；所述自由曲面透镜也可采用封装胶体灌注或自流成形方法制造，其出光面为自由曲面，由封装管壳上表面与出光面共同界定自由曲面透镜本体；出光面自由曲面为连续自由曲面或非连续自由曲面；自由曲面透镜为单透镜或多个透镜组合或透镜阵列；自由曲面透镜用于提高发光二级器件的封装效率，控制光束出射方向，得到满足不同照明应用需求的光能量分布，包括对称或非对称矩形光斑或圆形光斑或椭圆形光斑或腰果形光斑，但不限于上述几种光斑形状。所述自由曲面透镜材料为对300nm～800nm波长光具有高透光率的有机或无机材料，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)或玻璃或环氧树脂或硅胶或纳米陶瓷，但不限于上述几种材料，折射率范围为1.3～3.5；这种封装结构和封装方法适用于单芯片或多芯片封装模块，多芯片中芯片的分布可以是阵列式或其他规则分布的形式。
作为本发明的直下式背光系统，可使用RGB三基色LED的背光源，则组合有红、蓝、绿三种不同波长的背光源，每两颗绿色、一颗红色、一颗蓝色共四颗LED的背光源紧凑排列在一起构成一个背光单元(BLU)，但每组BLU中不同波长LED的背光源的构成不限于上述方式；也可使用白光LED的背光源，则每一颗LED的背光源构成一个BLU；所有的背光单元在背光腔体底部规则排列，每组BLU发出的光线大部分直接到达腔体顶部，在腔体顶部形成一规则近白色光斑，各个光斑通过拼合、叠加，实现大范围的均匀照度均匀色度白色照明。
本发明中所述的背光腔体内壁由高反射率材料构成，少部分由背光源发出的没有直接到达腔体顶部的光线通过内壁的反射到达腔体顶部；背光腔体内壁形状为规则长方体，或者是侧壁与底面一定夹角的六面体，又或者是底面带有凹槽的长方体，但背光腔体内壁外形不限于上述结构；在背光腔体顶部有扩散板、增亮膜等光学膜层，用于将均匀照度分布转化为所需的亮度分布。
本发明所述的直下式背光系统可以使用由同一种自由曲面表征的透镜封装的背光源，也可以使用多种自由曲面表征的透镜封装的背光源。
本发明将直下式LED背光中的LED光源用自由曲面透镜进行模块封装，相比基于侧面发光LED的背光系统，整体光能利用率大大提高；而相比于使用二次光学透镜LED的方法，在保证背光源光学性能的基础上，不仅进一步减少了光学界面的光能损耗和吸收损耗，减小了LED模块的体积，而且提高了LED模块对不同尺寸厚度的背光系统的兼容性。
附图说明
图1A是本发明直下式背光系统的背光源的第一种结构形式。
图1B是本发明直下式背光系统的背光源的第二种结构形式。
图1C是本发明直下式背光系统的背光源的第三种结构形式。
图2是本发明直下式背光系统第一种结构形式。
图3是本发明直下式背光系统第二种结构形式。
图4是本发明直下式背光系统第三种结构形式。
图5是本发明直下式背光系统第四种结构形式。
图6是本发明直下式背光系统第五种结构形式。
附图标记说明：11封装管壳、12发光二极管芯片、13荧光粉胶、14封装胶体、15自由曲面透镜、16自由曲面透镜注胶孔、17自由曲面透镜注胶通道、18自由曲面透镜与封装管壳固定结构、19封装管壳与自由曲面透镜固定槽、2背光腔体、21背光腔体内壁、3扩散板、41增亮膜、42双层增亮膜
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例：
实施例1
如图2所示，一种直下式背光系统，包括背光源1、背光腔体2、扩散板3、增亮膜41和双层增亮膜42，其中背光源1如图1A所示，包括封装管壳11、发光二极管芯片12、荧光粉胶13、封装胶体14和自由曲面透镜15。封装管壳11为陶瓷基板。发光二极管芯片12通过银浆或焊料或其他粘结材料固定在封装管壳11上，并通过打金线或其他电极互连方式完成发光二极管芯片12与封装管壳11之间的电互连。荧光粉胶13包裹发光二极管芯片12。用模具制造或精密加工得到自由曲面透镜15，其基面为一平面，入光面为一球面，出光面为一连续自由曲面。自由曲面透镜15通过固定结构18与封装管壳11上固定槽19，固定于封装管壳11上，固定结构18与固定槽19为自然接触或为粘结剂粘接。封装胶体14从自由曲面透镜15上的注胶孔(16)，通过自由曲面透镜15上的注胶通道17充满由封装管壳上表面、芯片上表面与透镜基面、入光面所包围的腔体中。
本实施例中背光源1的发光二极管芯片12为白光LED，数个背光源1放置在背光腔体2的底部，每个背光源1发出的光线在扩散板3底面处形成一定形状的规则白色光斑，背光腔体内壁21为涂覆高反射率材料的长方体形状，扩散板3、增亮膜41和双层增亮膜42放置在背光腔体2的顶部。
实施例2
如图3所示，一种直下式背光系统，整体结构与实施例1相似，主要区别为：本实施例中使用RGB三基色LED的背光源1，则组合有红、蓝、绿三种不同波长的背光源1，每两颗绿色、一颗红色、一颗蓝色共四颗LED的背光源1紧凑排列在一起构成一个背光单元(BLU)，每组BLU发出的光线在扩散板3底面处形成一定形状的规则白色光斑，背光腔体内壁21为涂覆高反射率材料的长方体形状，扩散板3、增亮膜41和双层增亮膜42放置在背光腔体2的顶部。
实施例3
如图4所示，一种直下式背光系统，主要包括背光源1、背光腔体2、扩散板3、增亮膜41和双层增亮膜42，其中背光源1如图12所示，主要包括封装管壳11、发光二极管芯片12、荧光粉胶13、自由曲面透镜即封装胶体14。封装管壳11为陶瓷基板。发光二极管芯片12通过银浆或焊料或其他粘结材料固定在封装管壳11上，并通过打金线或其他电极互连方式完成发光二极管芯片12与封装管壳11之间的电互连。荧光粉胶13包裹发光二极管芯片12。封装胶体14上表面是一连续自由曲面，为该发光二极管器件的出光面。封装胶体14通过封装管壳11上固定槽19，固定于封装管壳11上；封装胶体14上表面、封装管壳11上表面与荧光粉胶13上表面共同界定自由曲面透镜本体。
本实施例中背光源1的发光二极管12为白光LED，数个背光源1放置在背光腔体2的底部，每个背光源1发出的光线在扩散板3底面处形成一定形状的规则白色光斑，背光腔体内壁21为涂覆高反射率材料的长方体形状，扩散板3、增亮膜41和双层增亮膜42放置在背光腔体2的顶部。
实施例4
如图5所示，一种直下式背光系统，整体结构与实施例3相似，主要区别为：本实施例中使用RGB三基色LED的背光源1，则组合有红、蓝、绿三种不同波长的背光源1，每两颗绿色、一颗红色、一颗蓝色共四颗LED的背光源1紧凑排列在一起构成一个背光单元(BLU)，每组BLU发出的光线在扩散板3底面处形成一定形状的规则白色光斑，背光腔体内壁21为涂覆高反射率材料的长方体形状，扩散板3、增亮膜41和双层增亮膜42放置在背光腔体2的顶部。
实施例5
如图6所示，一种直下式背光系统，整体结构与实施例4相似，主要区别为：本实施例中背光腔体2内壁21为涂覆以高反射率材料、剖面为梯形的六面体形状。

Claims (16)

1.一种直下式背光系统，包括背光源(1)、背光腔体(2)，其特征在于：所述的背光源(1)是一种将LED背光中的LED光源用自由曲面透镜进行模块封装的结构。
2.根据权利要求1所述的直下式背光系统，其特征在于：所述的背光源(1)是由封装管壳(11)、发光二极管芯片(12)、封装胶体(14)和自由曲面透镜(15)组成，发光二极管芯片(12)贴装在封装管壳(11)内，其电极与封装管壳(11)内电路层相连；发光二极管芯片(12)被封装胶体(14)封装；自由曲面透镜(15)通过固定结构(18)与封装管壳(11)上固定槽(19)，固定于封装管壳(11)上。
3.根据权利要求2所述的直下式背光系统，其特征在于：所述封装管壳(11)是陶瓷管壳或金属管壳或带金属基座的塑料管壳；封装管壳(11)是平板型或是带反光杯的结构。
4.根据权利要求2所述的直下式背光系统，其特征在于：所述封装胶体(14)为填充胶体或荧光粉胶或填充胶体与荧光粉胶的混合体，材料为环氧树脂或硅胶或其他对于300nm～800nm波长光具有高透光率的有机或无机材料。
5.根据权利要求2所述的直下式背光系统，其特征在于：所述自由曲面透镜(15)为单透镜或多个透镜组合或透镜阵列。
6.根据权利要求2或5所述的直下式背光系统，其特征在于：所述自由曲面透镜(15)可以采用模具或精密加工方法制造，则其出光面与入光面中至少有一表面为自由曲面；所述自由曲面透镜(15)也可以采用封装胶体灌注或自流成形方法制造，则其出光面为自由曲面。
7.根据权利要求6所述的直下式背光系统，其特征在于：所述采用模具或精密加工方法制造的自由曲面透镜(15)具有一基面，基面是一平面或一球面或一自由曲面；基面中央设有入光面，入光面是一凹面；出光面是一连续或非连续自由曲面；基面、入光面、出光面共同界定透镜本体；所述采用封装胶体灌注或自流成形方法制造的自由曲面透镜(15)具有一出光面，出光面是一连续或非连续自由曲面；封装管壳(11)上表面与出光面共同界定透镜本体。
8.根据权利要求5所述的直下式背光系统，其特征在于：所述由多个透镜组合成的自由曲面透镜(15)，组合透镜至少有两种透镜曲面形状。
9.根据权利要求2或5所述的直下式背光系统，应用其特征在于：所述自由曲面透镜(15)材料为对300nm～800nm波长光具有高透光率的有机或无机材料，包括聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚碳酸酯PC或玻璃或环氧树脂或硅胶或纳米陶瓷，但不限于上述几种材料；材料折射率范围为1.3～3.5。
10.根据权利要求1或2所述的直下式背光系统，其特征在于：所述的背光源(1)为单个发光二极管芯片(12)或多个发光二极管芯片(12)封装，多芯片封装中芯片的分布为阵列式或其他规则分布的形式。
11.根据权利要求1所述的直下式背光系统，其特征在于：所述的背光源(1)可使用RGB三基色LED，则组合有红、蓝、绿三种不同波长的背光源(1)，每两颗绿色、一颗红色、一颗蓝色共四颗背光源(1)紧凑排列在一起构成一个背光单元(BLU)，但每组BLU中不同波长背光源(1)的构成不限于上述方式；也可使用白光LED，则每一颗背光源(1)构成一个BLU。
12.根据权利要求1所述的直下式背光系统，其特征在于：所述的背光源(1)在背光腔体(2)底部规则排列。
13.根据权利要求1所述的直下式背光系统，其特征在于：背光腔体(2)内壁由高反射率材料构成。
14.根据权利要求1或13所述的直下式背光系统，其特征在于：所述的背光腔体(2)内壁形状为规则长方体，或者是侧壁与底面一定夹角的六面体，又或者是底面带有凹槽的长方体，但背光腔体内壁外形不限于上述结构。
15.根据权利要求2所述的直下式背光系统，其特征在于：所述的自由曲面透镜(15)在整个背光系统可以是同一种自由曲面表征的透镜，也可以是多种自由曲面表征的透镜。
16.根据权利要求1所述的直下式背光系统，其特征在于：在所述的背光腔体(2)顶部有扩散板(3)、增亮膜(41)等光学膜层。
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