CN102062355A - Led背光源的直下式导光板 - Google Patents

Abstract

本发明的LED背光源的直下式导光板具有扩散和导光双重功能，基本特征如下，直下式导光板的内部的顶部形成多个凹部，直下式导光板的底部上形成网点。采用直下式设置的LED封装所发的光通过底部进入直下式导光板，射到凹部的侧面，凹部的侧面改变了光的传播方向，使光在直下式导光板中沿与直下式导光板的出光表面平行的方向传播，网点把射到其上的光向直下式导光板的顶部反射。因此，称其为直下式导光板。采用向直下式导光板掺杂光散射粒子的方法，使得直下式导光板同时具有散射功能。采用直下式导光板的发光元件的同时具有直下式发光元件和侧光式发光元件的优点，而避免了它们各自的缺点。

Description

LED背光源的直下式导光板

技术领域

本发明揭示一种兼备LED背光源的侧光式发光元件的导光板和直下式发光元件的扩散板双方的优点而没有它们的缺点的LED背光源的直下式发光元件的直下式导光板，属于液晶显示技术领域

背景技术

LED已经广泛用于液晶显示的背光源装置，LED背光源的商业化形式主要有两种，一是LED背光源的侧光式(edge backlight)发光元件，一是LED背光源的直下式(direct backlight)发光元件。LED背光源的侧光式发光元件的主要缺点是不能进行光局域控制(local dimming)、较难适用于任意尺寸的背光源和散热较差。直下式发光元件的主要缺点是不易薄型化和采用较多的LED封装。

因此，需要一种既没有LED背光源的侧光式发光元件和直下式发光元件两者的主要缺点，又保持侧光式发光元件和直下式发光元件两者的主要优点(即，薄型化、采用较少的LED封装、光局域控制、散热好、适用于任意尺寸的背光源)的LED背光源的发光元件。

发明内容

本发明的LED背光源的直下式导光板具有导光功能，基本特征如下，导光板的内部的顶部形成多个倒锥体型的凹部，导光板的底部上形成网点(dot pattern)。采用直下式发光元件的方式设置LED封装与凹部相对应，LED封装所发的光通过底部进入导光板，射到凹部的侧面上，由于全内反射或凹部的侧面上的反射膜或凹部内的反射物体，改变了光的主要成分的传播方向，使其在导光板中沿与导光板的出光表面几乎平行的方向传播，网点把射到其上的光向导光板的顶部(出光表面)反射，具有导光板的功能。因此，称其为直下式导光板。优选的实施例：凹部的侧面改变了光的主要成分的传播方向，使其在导光板中沿与导光板的出光表面平行的方向传播。另外，通过应用光散射粒子，可以使得直下式导光板同时具有扩散的功能。其中，

(A)凹部的底面的形状是从一组形状中选出，该组形状包括，但不限于：(a)圆形(图2b中的202a)；(3)多边形；图中只展示三角形(图2b中的202g)、四边形(图2b中的202b)和六边形(图2b中的202c)，其它多边形没有在图中展示。

(B)凹部的侧面的截面的形状是从一组形状中选出，该组形状包括：(a)直线(图2c和图2d中的203a)；(b)曲线(图2e和图2f中的203b)；(c)折线(图2g中的203c)。凹部的侧面的截面的形状可以是其他形状(没有在图中展示)，只要凹部的侧面能把从直下式导光板的底部进入而射向顶部的光的主要成分在直下式导光板的内部导向直下式导光板的侧面即可，即，凹部的侧面改变了光的主要成分的传播方向，使其在导光板中沿与导光板的出光表面几乎平行的方向传播。

(C)凹部的分布是从一组分布中选出，该组分布包括，但不限于：周期性的多边形的顶点(包括，周期性的三角形的顶点和周期性的长方形的顶点)、非周期性分布。

(D)凹部的底面的最小线度大于等于LED封装的出光表面的最大线度。

(E)凹部中的设置是从一组设置中选出，该组设置包括：(1)凹部中无填充物；(2)凹部侧面上形成一层反射膜；(3)凹部内设置一个与凹部相同形状的反射物体，该反射物体的顶部与导光板的顶部相平或略低；(4)凹部内设置一个与凹部相同形状的反射物体，该反射物体的顶部低于导光板的顶部，在反射物体的顶部填充与导光板的折射系数相近的材料，该材料的顶部与导光板的顶部相平或略低。

(F)直下式导光板的设置是从一组设置中选出，该组设置包括：：(1)透明直下式导光板；(2)直下式导光板的内部掺杂光散射粒子(light-scattering particle)；(3)直下式导光板的顶部涂覆一层光散射粒子(diffusion particle)；(4)直下式导光板的内部掺杂光散射粒子并且顶部涂覆一层光散射粒子。

把上述(A)中任意一种凹部的底面的形状、上述(B)中任意一种凹部的侧面的截面的形状、上述(C)中任意一种凹部的分布、上述(D)中任意一种凹部的底面的最小线度；上述(E)中任意一种凹部中的设置、上述(F)中任意一种直下式导光板的设置组合在一起即构成本发明的LED背光源的直下式导光板的一个实施例。直下式导光板的不同设置决定了直下式导光板有两种类型，直下式导光板采用(D)(1)的设置时，不具有扩散功能。直下式导光板采用(D)(2)、(D)(3)、和(D)(4)的设置时，具有扩散功能(或称之为：扩散式-直下式导光板，scattering-type light-guide plate)。

本发明的目的和能达到的各项效果如下：

(1)采用本发明提供的LED背光源的直下式导光板，保持LED背光源的侧光式发光元件的优点，即，薄型化和采用较少的LED封装。

(2)采用本发明的LED背光源的直下式导光板，保持LED背光源的直下式发光元件的优点：光局域控制、散热好，并且适用于大尺寸的背光源，即，即使对于大尺寸背光源，也能提供充分的亮度和优异的亮度均匀性。

(3)采用本发明提供的LED背光源的直下式导光板，可以使用亮度较低的LED芯片。

(4)采用本发明提供的LED背光源的直下式导光板不易弯曲。

(5)采用本发明提供的LED背光源的直下式导光板，光的分布均匀。

(6)本发明提供的LED背光源的直下式导光板，易于批量生产。

本发明和它的特征及效益将在下面的详细描述中更好的展示。

附图说明

图1展示在先的LED背光源的发光元件。

图2展示本发明的LED背光源的直下式导光板的实施例。

图3展示LED面发光型(top view)封装的两个实施例。

图4展示LED背光源的灯板和灯条的实施例。

图5展示采用本发明的直下式导光板的LED背光源的发光元件的几个实施例的截面图。

具体实施例

虽然本发明的实施例将会在下面被描述，但下列各项描述只是说明本发明的原理，而不是局限本发明于下列各项实施例的描述。

注意：下列各项适用于本发明的LED背光源的直下式导光板的所有实施例：

(1)各个图中各部分的比例不代表实施例的各部分的真实比例。

(2)采用单个或多个直下式导光板组成的发光元件构成液晶显示器的LED背光源。

(3)图5中没有画出LED背光源的发光元件的其他部件，其他部件包括，集光片、偏光片、反射片、框架，等。

(4)在直下式导光板的内部的顶部形成凹部，凹部的侧面把从直下式导光板的底部进入而射向顶部的光的主要成分在直下式导光板的内部导向直下式导光板的侧面，即，入射光进入直下式导光板之后，射在在凹部的侧面上，在其作用下，光的主要成分在直下式导光板的内部沿与直下式导光板的出光表面几乎平行的方向传播。因此，直下式导光板具有导光板的功能。

(5)凹部的形状为倒锥体。

(6)凹部的高度小于或等于直下式导光板的厚度。

(7)凹部的底面的最小线度(例如，对于圆形底面，其最小线度为其直径；对于长方形底面，其最小线度为其短边的边长。)大于等于LED封装的出光表面的最大线度(例如，对于圆形出光表面，其最大线度为其直径；对于长方形出光表面，其最大线度为其对角线)。

(8)凹部的底面的形状是从一组形状中选出，该组形状包括，但不限于：(a)(a)圆形(图2b中的202a)；(b)多边形；图中只展示长方形(图2b中的202b)和正六边形(图2b中的202c)，其它正多边形没有展示。。

(9)凹部的侧面的截面的形状是从一组形状中选出，该组形状包括，但不限于：(a)直线(图2d中的203a)；(b)曲线(图2f中的203b)；(c)折线(图2g中的203c)；只要凹部的侧面能把大部分的从直下式导光板的底部进入而射向顶部的光在直下式导光板的内部转变成射向直下式导光板的侧面的光即可，即，只要使得入射光的主要成分进入直下式导光板之后，凹部的侧面改变了光的主要成分的传播方向，使其在导光板中沿与导光板的出光表面几乎平行的方向传播。

(10)凹部中的设置是从一组设置中选出，该组设置包括：(1)凹部中无填充物；(2)凹部侧面上形成一层反射膜；(3)凹部内设置一个与凹部相同形状的反射物体，该反射物体的顶部与导光板的顶部相平或略低；(4)凹部内设置一个与凹部相同形状的反射物体，该反射物体的顶部低于导光板的顶部，在反射物体的顶部的上方填充与导光板的折射系数相近的材料，该材料的顶部与导光板的顶部相平或略低。避免在反射物体的上方形成暗区。

(11)直下式导光板中的凹部的分布是从一组分布中选出，该组分布包括，但不限于，周期性的多边形的顶点(包括周期性的正六边形的顶点(未在图中展示)、周期性的正方形的顶点(图2a)、周期性的三角形的顶点(图2b))、非周期性分布(未在图中展示)。

(12)直下式导光板的设置是从一组设置中选出，该组设置包括：：(1)透明直下式导光板；(2)直下式导光板的内部掺杂光散射粒子；(3)直下式导光板的顶部涂覆一层光散射粒子；(4)直下式导光板的内部掺杂光散射粒子并且顶部涂覆一层光散射粒子。

(13)把上述(7)中任意一种凹部的底面的最小线度、(8)中任意一种凹部的底面的形状、上述(9)中任意一种凹部的侧面的形状、上述(10)中任意一种凹部中的设置、上述(11)中任意一种凹部的分布和上述(12)中任意一种直下式导光板的设置组合在一起即构成本发明的LED背光源的直下式导光板的一个实施例。

(14)直下式导光板的不同设置决定了直下式导光板有两种类型，当直下式导光板采用(11)(1)的设置时，不具有扩散功能。当直下式导光板采用(11)(2)、(11)(3)、和(11)(4)的设置时，具有扩散功能(也可称之为：扩散式-直下式导光板，以示区别)。

(15)光在扩散式-直下式导光板的内部传播时，同时受到散射和反射作用，而从直下式导光板的顶部射出。

(16)配合采用的LED封装，选择直下式导光板的凹部的高度和底面的尺寸，使得凹部的侧面改变了光的主要成分的传播方向，使其在导光板中沿与导光板的出光表面几乎平行的方向传播，，使得直下式导光板的出光均匀。

(17)适当的设置直下式导光板(扩散式-直下式导光板)的光散射比(optical diffusion ratio)、光透射率(total optical transmission)、凹部的特征及分布以及网点的形状和密度，以达到出射光的亮度均匀性。例如，光散射比可以选在5％至90％之间，光透射率可以选在40％至95％之间。例如，对于PMMA材料，当掺杂光散射粒子，使得光散射比约为45％时，其光透射率约为80％。

(18)适当的设置直下式导光板(非扩散式-直下式导光板)的凹部的特征及分布以及网点的形状和密度，以达到出射光的亮度均匀性。

(19)直下式导光板的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸脂(PC)、聚苯乙烯(PS)、MS(styrenemethacrylate)、MMA(methacrylacidmethyl)、环烯聚合物(COP)、环烯共聚物COC等。

(20)采用直下式导光板的发光元件的三个实施例(未在图中展示整体，只在图5中展示了部分电路板及其上的一个LED封装和部分直下式导光板及其上的一个凹部)，包括，直下式导光板和至少一个灯板，把它们组装在一起。灯板包括电路板和固定在其上的LED封装。灯板是从一组灯板中选出，该组灯板包括条型灯板和面型灯板。电路板是从一组电路板中选出，该组电路板包括条型电路板和面型电路板。面型灯板(图4a)(作为面光源)包括，一个面型电路板和固定在其上的不排列成一条直线的至少三个LED封装。条型灯板(图4b)(作为线光源)包括，一个条形电路板和固定在其上的排列成一条直线的LED封装。

(21)采用直下式导光板和多个条型灯板的LED背光源的发光元件重量较轻。

(22)采用直下式导光板和单个或多个面型灯板的LED背光源的发光元件散热效果好。

(23)对于包括多个灯板的发光元件，既可以各个灯板之间实行电连接，也可以各个灯板分别与外界电源实行电连接，或上述两种连接方式的组合。设置电路，使得可以对采用直下式导光板和灯板的LED背光源的发光元件进行光局域控制。

(24)采用的LED封装是从一组封装中选出，该组封装包括：包括LED面发光型封装、带有粗化表面的LED面发光型封装、带有透镜的LED封装。一个LED封装可以采用一个发单色光的芯片，也可以采用多个发单色光的芯片(组成RGB单个封装)。单色光的芯片包括红光、蓝光、绿光芯片。

(25)LED面发光型封装发白光。

(26)固定在电路板上的LED封装的出光表面可以接触到直下式导光板的底部，因此，采用直下式导光板和LED封装组成的LED背光源的发光元件的厚度为直下式导光板的厚度加LED封装的厚度，无需在直下式导光板和LED封装之间保留非常大的空间，实现了薄型化，并且可以实行光局域控制。

(27)直下式导光板的厚度取决于LED封装的出光表面的线度。

(28)在与凹部相对应的位置上，即，在与LED封装的相对应的位置上，对直下式导光板的底面进行粗化处理，减少入射光的反射。

图1展示在先的LED背光源的发光元件的示意图。

图1a展示在先的LED背光源的直下式发光元件的一个实施例的截面图。LED背光源的直下式发光元件包括，面型灯板和扩散板101a。其中，面型灯板包括面型电路板109和固定在其上的不在一条直线上的至少三个LED封装108。其缺点是，灯板和扩散板101a之间的空间124限制了LED背光源的直下式发光元件的薄型化，并且需采用较多的LED封装，使得成本高。其优点是散热好、可以进行光局部控制和适用于任何尺寸的LED背光源。

图1b展示在先的LED背光源的侧光式发光元件的一个实施例的截面图。LED背光源的侧光式发光元件包括，条型灯板和导光板101b。其中，条型灯板包括条型电路板110和固定在其上的至少一个LED封装108。其缺点是，散热较差、不能进行光局部控制和较难应用于大尺寸的LED背光源。其优点是LED背光源的侧光式发光元件的薄型化，并且采用较少的LED封装，使得成本较低。

图2展示本发明的LED背光源的直下式导光板的几个实施例。直下式导光板具有网点，但为了简化画图，在图2中的直下式导光板的几个实施例中，均没有画网点。

图2a和图2b展示本发明的LED背光源的直下式导光板的实施例的顶视图。在直下式导光板201的内部的顶部形成至少一个凹部202，其形状为倒锥体。图2a展示的直下式导光板201的凹部202分布在周期性的正方形的顶点。图2b展示的直下式导光板中的凹部202分布在周期性的三角形的顶点。将有LED封装与每一个凹部相配合，作为光源。

注意，(1)凹部202在直下式导光板上的分布可以是任何其他周期性分布或非周期性分布。(2)凹部202的底面的形状包括，但不限于，圆形(202a)和多边形(图2b中只展示三角形(202g)、四边形(202b)、六边形202c)。

图2c至图2n展示本发明的LED背光源的直下式导光板的实施例的截面图。直下式导光板201的特征在于，在直下式导光板201的内部的顶部形成倒锥体凹部202，在直下式导光板201的内部可能掺杂光散射粒子。

图2c展示直下式导光板201，其特征在于，在直下式导光板201的内部的顶部形成倒圆锥体型的凹部202，凹部202的侧面的截面203a为直线。直下式导光板201有顶部206和底部205。

图2d展示倒圆锥体的凹部202的实施例的示意图，图中，凹部202的底面的形状为圆形202a，圆形202a具有直径202d，凹部202具有高202e(从凹部202的顶点202f到底面202a)。

一个实施例，高202e与侧面的截面203a之间的夹角等于45。。

一个实施例，直径202d大于等于LED封装的出光面的最大尺寸(对于圆形出光面，其最大尺寸为圆形的直径。对于长方形出光面，其最大尺寸为对角线)。

图2e展示形成在直下式导光板201内部的顶部的凹部202q，其特征在于，凹部202q的侧面的截面203b为曲线。

图2f展示凹部202q的示意图，图中，凹部202q的底面的形状为圆形202a，其特征在于，凹部202q的侧面的截面203b为曲线。

图2g展示凹部202t的示意图，其特征在于，凹部202t的侧面的截面203c为折线，凹部202t的底面的形状可以任选。

注意，在以后的描述中，把所有不同的凹部统称为凹部202。

图2h展示形成在直下式导光板201内部的顶部的凹部202，其特征在于，凹部202的侧面上涂覆一反射膜207。

图2j展示在凹部202内设置一个与凹部相同形状的反射物体208，该反射物体的顶部208a与直下式导光板的顶部206相平或略低。

图2k展示在凹部202内设置一个与凹部相同形状的反射物体209，其顶部低于导光板的顶部，在反射物体209的顶部上方填充与直下式导光板201的折射系数相近的填充料210，填充料210的顶部210a与直下式导光板的顶部206相平或略低。因此，可以避免反射物体209上方的暗区。

图2m展示形成在直下式导光板201的设置，除凹部202的侧面之外，直下式导光板201的顶部涂覆一层散射粒子201a。

图2n展示内部掺杂光散射粒子的直下式导光板201b。

注意，在以后的描述中，把所有不同设置的直下式导光板统称为直下式导光板201。

图2p展示直下式导光板201的示意图。直下式导光板201的内部的顶部具有倒锥体凹部202，分布在长方形的四个顶点。

图3a展示LED封装308的一个实施例，包括，支架323，填充物322。

图3b展示LED封装308另的一个实施例，包括，支架323，填充物322，其特征在于，填充物322的出光表面具有粗化结构321。

图4展示面型灯板和条型灯板。固定在灯板上的LED封装的位置与直下式导光板上的凹部的分布相对应。

图4a展示面型灯板，包括，面型电路板409和固定在其上的不排列成一条直线的至少三个LED封装408。

图4b展示条型灯板，包括，条形电路板410和固定在其上的排列成一条直线的LED封装408。

图5展示采用直下式导光板和灯板组成的LED背光源的发光元件的实施例。

图5a展示采用直下式导光板和灯板(包括固定于其上的LED面发光封装)组成的LED背光源的发光元件的一个实施例。图5a展示直下式导光板501的只包括一个凹部502的部分和与其对应的电路板511的只包括一个LED面发光封装508的部分。直下式导光板501的底部505上形成网点504。LED面发光封装508的填充物522的出光表面的中心对应于凹部502的顶点502f。从LED面发光封装508的填充物522的出光表面发出的光线525从底部505进入直下式导光板501，凹部502的侧面503把光线525偏转，使其在直下式导光板501的内部沿与直下式导光板501的出光表面506几乎平行的方向传播，底部505上的网点504把光射向直下式导光板501的顶部506，并从顶部506射出。

在与凹部相对应的位置上，即，在与LED封装的相对应的位置上，直下式导光板的底面具有粗化结构526，减少入射光的反射。

对于掺杂光散射粒子的直下式导光板，部分光直接被散射出直下式导光板的顶部506，部分光被散射到直下式导光板底部的网点504，又被网点504反射出直下式导光板。掺杂光散射粒子的直下式导光板具有导光和扩散双重功能。

图5b和图5c展示采用直下式导光板和包括LED面发光封装的灯板组成的LED背光源的发光元件的另两个实施例。它们与图5a的实施例基本相同，唯一的不同是：图5b采用的是出光表面具有粗化结构521的LED面发光封装508，光效率更高。图5c采用的是有透镜526的LED封装508。

在组装时，可以使LED封装的出光表面紧贴直下式导光板的底部，使得LED背光源的发光元件达到：实现薄型化、实行光局域控制、散热效果好、采用较少LED封装、成本降低，另外，由于LED封装是设置在直下式导光板的下方，因此，适用于大尺寸的LED背光源。

上面的具体的描述并不限制本发明的范围，而只是提供一些本发明的具体化的例证。因此本发明的涵盖范围应该由权利要求和它们的合法等同物决定，而不是由上述具体化的详细描述和实施例决定。

Claims (10)

1.一种LED背光源的直下式导光板，包括一导光板；其特征在于，所述的导光板的内部的顶部具有至少一个凹部；所述的导光板的底面具有至少一个网点。

2.权利要求1的LED背光源的直下式导光板，其特征在于，所述的凹部的形状为倒锥体.

3.权利要求1的LED背光源的直下式导光板，其特征在于，所述的导光板的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸脂、聚苯乙烯、MS、MMA、环烯聚合物、环烯共聚物。

4.权利要求1的LED背光源的直下式导光板，其特征在于，所述的凹部的底面的形状是从一组形状中选出，该组形状包括，：(a)圆形；(2)多边形。

5.权利要求1的LED背光源的直下式导光板，其特征在于，所述的凹部的侧面的截面的形状是从一组形状中选出，该组形状包括：(a)直线；(b)曲线；(c)折线。

6.权利要求1的LED背光源的直下式导光板，其特征在于，凹部的高度小于所述的导光板的厚度。

7.权利要求1的LED背光源的直下式导光板，其特征在于，所述的凹部中的设置是从一组设置中选出，该组设置包括：(1)所述的凹部中无填充物；(2)所述的凹部的侧面上形成一层反射膜；(3)所述的凹部内设置一个与凹部相同形状的反射物体，所述的反射物体的顶部与所述的导光板的顶部相平；(4)凹部内设置一个与凹部相同形状的反射物体，所述的反射物体的顶部低于所述的导光板的顶部，在所述的反射物体的顶部的上方填充与所述的导光板的折射系数相近的材料。

8.权利要求1的LED背光源的直下式导光板，其特征在于，所述的凹部在所述的导光板中的分布是从一组分布中选出，该组分布包括，周期性的多边形的顶点、非周期性分布。

9.权利要求1的LED背光源的直下式导光板，其特征在于，所述的导光板的设置是从一组设置中选出，该组设置包括：透明导光板、所述的导光板的内部掺杂光散射粒子、所述的导光板的顶部涂覆一层光散射粒子、所述的导光板的内部掺杂光散射粒子并且顶部涂覆一层光散射粒子。

10.权利要求1的LED背光源的直下式导光板，其特征在于，在与所述的凹部相对应的位置上，所述的导光板的底面具有粗化结构。

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