CN102330923A - Led灯管、背光模组及显示器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及显示器件技术领域，提供了一种LED灯管、背光模组及显示器件。LED灯管包括：多个LED，所述多个LED在所述灯管中排列成一直线；其中，所述灯管为柱状结构，其外表面形成有微棱镜阵列。在本发明的方案中，柱状灯管和灯管表面的微棱镜结构实现了光线的双重汇聚，使得LED发出的光向中间集中，保证了主要照射区域的光线亮度，提高了LED的发光效率，从而使器件具有较佳的显示效果。此外，由于发光效率高，采用小功率LED亦能保证有较高的亮度，使得器件发热量减小，减轻光衰现象的产生并可降低能耗，器件性能显著提高。

Description

LED灯管、背光模组及显示器件

技术领域

本发明涉及显示器件技术领域，特别涉及一种LED灯管、背光模组及显示器件。

背景技术

目前占据市场主流地位的液晶显示器件，如液晶电视、液晶显示器、液晶屏等，由于液晶面板本身不能发光，需要背光模组提供亮度较高、分布均匀的光源来使液晶面板正常显示影像，因而背光源是液晶显示器件中不可缺少的组成部分。

传统液晶显示器件中的背光光源都是冷阴极荧光灯(CCFL，Cold CathodeFluorescent Lamp)，CCFL属于低压水银放电灯，是在玻璃管内壁涂有一层荧光体，并在荧光灯内部封入少量不活性气体及微量的水银。当电源加入、放电开始，由两端直接加入高压，使管内水银释放电子与气体原子相互撞击产生紫外线，经由紫外线碰到管壁荧光体转换为可视光。由于冷阴极荧光灯在阴极管中加入水银，可以得到相当不错的发光辉度及效率，所以除了可携式小尺寸面板外，体型稍大的液晶显示器件，包含液晶显示器及液晶电视等，都采用了CCFL作为背光源。但是因为CCFL中加有水银，使得目前的CCFL灯管同时也面对着许多技术困难和必须解决的问题，比如黑化、暗黑启动、低温启动、环保问题等。此外，由于CCFL是密闭光管性的气体放电式电子照明，光管对外力的抗受性有限，当受到较大的冲撞时极易使光管破裂，进而造成照明失效。

相对地，LED(Light Emitting Diode，发光二极管)光源则无上述顾虑，由于LED具有宽色域、响应快、环保、无黑化现象、使用温度范围广、低电压、耐重击、抗震性好和长寿命等优点，已开始逐渐代替CCFL成为新型的液晶显示器件背光源，在大尺寸液晶显示器件中，其背光源越来越多地采用了LED光源。

但是，在实现本发明过程中，发明人发现LED背光源在现有技术中的应用时至少存在如下问题：现有技术中，LED背光源通常是采用LED灯封装成的LED灯条或者是由多个LED灯组成阵列来提供光照，由于LED灯的标准出光角度是120°，光线较为分散，实际使用中向正前方发出的光占总体光强的比例有限。而液晶面板的背光源不同于普通照明光源，在垂直于液晶屏幕方向上发出的光对显示效果的影响最大。现有技术中的LED灯作为液晶面板的背光源时，向其他方向分散的光照过多，发光效率不高；为保证在垂直于液晶屏幕方向上获得的光照足够强，只能提高LED灯的功率。但随着LED灯功率的提高，显示器件的能耗明显上升，给系统的稳定性和散热问题都带来了很大的影响。此外，随着使用温度的升高，LED灯的光衰现象会愈发明显，散热不良会导致LED灯发光效率的进一步下降。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述缺点，本发明为了解决现有技术中LED背光源发光效率不高的问题，提供了一种LED灯管、背光模组及显示器件，采用带有微棱镜阵列的柱状灯管，提高了主要照射区域的光照强度，改进了LED背光的发光效率，获得了更好的显示效果。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种LED灯管，所述灯管包括：多个LED，所述多个LED在所述灯管中排列成一直线；其中，所述灯管为柱状结构，其外表面形成有微棱镜阵列。

另一方面，本发明还同时提供了一种LED背光模组，所述背光模组包括：至少一根如上所述的LED灯管。

再一方面，本发明还同时提供了一种显示器件，所述显示器件包括：液晶面板以及如上所述的LED背光模组。

(三)有益效果

在本发明的上述技术方案中，由于采用柱状灯管和灯管表面的微棱镜结构实现了光线的双重汇聚，使得LED发出的光向中间集中，保证了主要照射区域的光线亮度，提高了LED的发光效率，从而使器件具有较佳的显示效果。

附图说明

图1为本发明实施例中LED灯管的整体外形结构示意图；

图2为本发明的一个实施例中LED灯管的封装结构横截面示意图；

图3A和图3B为本发明实施例中微棱镜阵列放大后的结构示意图；

图4为本发明的另一个实施例中LED灯管的封装结构横截面示意图；

图5为本发明的再一个实施例中LED灯管的封装结构示意图；

图6为本发明实施例中色温为6500K时三基色LED光谱的能量图；

图7为本发明实施例中色温为6500K时的光谱相对密度和色坐标。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例中首先提出一种LED灯管，在一根具有微棱镜结构的灯管中封装有多个LED 2，所述多个LED在灯管1中排列成一直线。其中，微棱镜结构是一种具有微小棱镜的表面结构，如图1所示，在本发明的实施例中，LED灯管1为柱状结构，外表面还形成有微棱镜阵列，作用是通过灯管的柱状结构和灯管上制成的微棱镜结构的双重汇聚作用，来改变光线出射角度，从而把LED2向四处发散的光汇聚，尽量改变光的前进方向，使光线向中间集中，提高主要照射区域的光线亮度。

实施例1

在图2所示的本发明的实施例1中，LED灯管1为圆柱状结构，其横截面为圆形，在图2所示的封装结构中，LED 2的安装位置在圆柱状灯管的中心线附近，在LED 2的主要照射区域灯管由透明材料制成，其外表面还形成有微棱镜阵列。在本发明的实施例中，微棱镜阵列是由多个微小的棱镜结构紧密排列形成的微结构，通常肉眼无法明显识别微棱镜的具体结构，仅通过手指触摸可以感觉到凹凸感，优选地，微棱镜结构的厚度为150-230μm。在图3A及图3B所示的微棱镜阵列的放大图中(放大图中，灯管表面实际应为弧面，只是经充分放大后弧度已不产生实质影响，图3A及图3B中以近似于平面的方式进行说明)，微棱镜可以为三角形棱镜4或圆形棱镜4′结构，通过微棱镜的折射现象，使射向主要照射区域的发散的光线进一步汇聚。因而在本发明更优选的实施例中，在灯管中封装的是小功率LED(相对于常见的背光源用大功率LED而言，通常指功率不超过1W的LED，甚至是功率不超过0.5W的LED)，通过降低LED的功率减小发热量，避免了因温度升高而产生的光衰现象，使得LED在工作过程中始终有较高的发光效率；同时使产品能耗减少，更加经济环保。

在图2所示的本发明的实施例1中，更进一步地，在LED 2的侧方及后方，灯管内壁贴有至少一个反射片3或由不透明物质形成的至少一个光滑平面3。通过反射片或光滑平面的设置，将LED 2向侧方或后方射出的光线反射回前方，从而在不增大LED功率的情况下使主要照射区域的光线亮度增强。

此外，如图3A及图3B所示的光线经过微棱镜的情形，一些特定角度的光线在微棱镜表面还会形成反射现象，这部分的反射光经过LED侧方或后方的反射片(或光滑平面)的再次反射又会对主要照射区域形成照射，通过这种重复反射方式，进一步减少了反射光的损耗，充分提高了光线的利用率，使得小功率LED发出的光线也能满足显示器件的亮度要求。

实施例2

在图4所示的本发明的实施例2中，LED灯管1为半圆柱状结构，其横截面为半圆形，在图4所示的封装结构中，LED 2的安装位置在半圆柱状灯管的圆心线附近，灯管的弧面(即LED的主要照射区域)由透明材料制成，其外表面还形成有微棱镜阵列；而在灯管的平面部分(即LED的后方)，灯管内壁贴有反射片3或是由不透明物质形成了光滑平面3。在图4所示的本发明的实施例2中，除了封装结构与实施例1略有区别之外，反射片(或平滑表面)3以及微棱镜阵列的使用方式与实施例1并无本质区别。

实施例3

除了使用白光LED外，本发明的LED灯管还可以采用RGB(红绿蓝)三基色LED作为光源，在图5所示的本发明的实施例3的LED灯管的封装结构中，将多个小功率RGB三基色LED在灯管中按照固定的颜色次序排列成一直线，通过三基色LED发出的不同颜色光线的混光，最终得到白光的照射效果。由于本发明的实施例中光线在LED灯管中会进行多次重复反射，可以充分进行混光，更有利于白光的产生，使得本发明中RGB三基色LED的混光效果可以明显超出普通三基色LED混光的效果，因而并不逊色于白光LED的发光效果。

在本发明的实施例中，采用RGB三基色LED相对于白光LED还具有以下优势：传统的白光LED一般通过蓝光芯片激发YAG荧光粉得到白光的效果，这种方式中一般缺少红光的成分，白光的效果并不理想，通常只能达到NTSC(National Television Standards Committee，美国国家电视标准委员会)提出的规范中的75％的程度；而采用三基色LED混合后得到的白光，光谱成分均匀，白光效果好。此外，由于液晶面板的彩色滤光片中也是将一个像素单元区分为R、G、B三个子像素单元，RGB三基色LED正好可以与彩色滤光片的颜色相配合，使得液晶面板的最终显示效果明显强于白光光源的效果。采用本发明的实施方式，混合后的光效可以达到NTSC提出的规范中的95％以上的程度。

更进一步地，以图5所示的封装结构对本发明的实施例做详细说明。在本发明的各实施例中，LED灯管通过两端的引线管脚5连接电源和/或控制信号，多根上述的灯管构成液晶面板的背光模组，考虑到面板面积，灯管的长度和直径需要结合面板中一组背光模组需要的灯管数来决定。在本发明一个优选的实施例中，尽量选用细长的LED灯封装形式，比如7020或8019(表明LED外形封装尺寸的编号，7020指封装尺寸是7.0×2.0mm，8019指封装尺寸是8.0×1.9mm)规格的LED灯。

在本发明的实施例中，由上述的LED灯管组成侧入式或直下式背光模组为液晶面板提供背光源，由于本发明实施例中的LED灯管发光效率高，能大幅提升主要照射区域的光亮强度，从而提高液晶面板的显示亮度，使显示器件能获得更好的显示效果。此外，由于本发明实施例中采用小功率LED即可达到较佳的光照效果，也可有效降低背光模组的发热量和显示器件的能耗，使液晶面板及显示器件工作状态更加稳定，也减少了光衰现象的发生，显著提高了器件性能，延长了设备使用寿命。

具体地，当组成侧入式背光模组时，可以将LED灯管安装在液晶面板的侧边形成单长边或双长边背光模组。考虑到直下式背光模组的优势(侧入式为了保证光照均匀分散，需要使用导光板，而导光板会带来一定的光折损，让背光亮度受限，面板越大亮度越低；为弥补亮度损失，侧入式通常又会使用增亮膜。这些设置使得侧入式结构复杂、成本较高，无法有效地应用于大尺寸液晶面板中)，本发明更优选的实施例中，由多根LED灯管组成矩阵式排列(根据面板的尺寸来选择灯管的行数M和每行灯管中LED的数目N，从而使全部LED形成M×N的矩阵提供光源；当然，一行中也可采用多根灯管来一起提供N个LED)来形成直下式背光模组，从液晶面板的背部提供具有高发光效率的背光照明。

此外，在本发明的实施例中，还可以进行RGB三基色LED的颜色匹配，使得混光后的光为特定色温。颜色匹配目的是匹配特定色温的光，也就是在所选择的红绿蓝型号的LED光源达到所需亮度时，混合光为选定色温的光，此时为达到平衡。大量实验数据表明，LED的光谱功率分布可以用高斯分布函数拟合，有

$S\left(\mathrm{\λ}\right)=p\frac{1}{\mathrm{\δ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_p}{\mathrm{\δ}}\right)}^2]---\left(1\right)$

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_p^2\mathrm{\ΔE}}{2\mathrm{hc}\sqrt{2\ln 2}}---\left(2\right)$

其中，S(λ)为波长λ的函数，表示拟合特定色温的光的功率分布函数；p为光输出功率，单位W；λ_p表示输出功率为p时光的波长，图6显示了在色温6500K时，三基色LED光谱的能量图；ΔE＝1.8KT，表示理想半高宽度(LED的一项技术参数，实际值会由于材料的不同产生细微差异)；h为普朗克常数(6.6261×10^-23J/s)；c为真空中的光速(3×10^-8m/s)；k为波尔兹曼常数(1.3807×10^-23J/K)。

根据本发明实施例的参数要求，选择合适发光类型三基色LED。由于LED在出厂时已知峰值波长、半高宽度、额定光通量等等一系列参数，需要根据这些参数，由LED的光谱功率分布，求出相应的色坐标。具体地，根据上述参数求出公式(1)中的S(λ)，分别代入下式中的色坐标的三个中间参数X、Y、Z：

$X=K{\∫}_{380}^{780}S\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{X}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}=K\underset{380}{\overset{780}{\mathrm{\Σ}}}s\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{x}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ\λ}$

$Y=K{\∫}_{380}^{780}S\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}=K\underset{380}{\overset{780}{\mathrm{\Σ}}}s\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ\λ}$

$Z=K{\∫}_{380}^{780}S\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{z}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}=K\underset{380}{\overset{780}{\mathrm{\Σ}}}s\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{z}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ\λ}$

其中，

是已知的CIE 1931标准色度的观察者颜色匹配函数；Δλ是为了简化计算所取的微分(dλ)近似值，所取的间隔值一般为5nm或者10nm。

根据上面求出的色坐标的三个中间参数X、Y、Z计算的到相应色温下的色坐标值(x，y)：

$x=\frac{X}{X+Y+Z},$ $y=\frac{Y}{X+Y+Z}.$

图7展示了色温为6500K时的光谱相对密度和色坐标，由图7可以看出(由上述计算式可以知道，色坐标仅仅是一种比值关系，其仅有数值没有表示单位)，在本发明的实施例中，对比同等色温时，三基色LED相对于蓝光激发YAG荧光粉的白光LED，具有更好的符合NTSC规范的效果。

采用本发明上述实施例的方式，具有以下明显的有益效果：

1.柱状灯管和灯管表面的微棱镜结构实现了光线的双重汇聚，使得LED发出的光向中间集中，提高了主要照射区域的光线亮度；

2.由于采用小功率LED，使用过程中热量较少，温度上升不明显，避免了因温度升高而产生的光衰现象，使得器件在工作过程中始终有较高的发光效率；

3.反射片或可反射的光滑表面的设置使得射向其他方向的光线损失进一步降低，使得小功率LED发出的光可以得到充分的利用，在不增大LED功率的情况下使主要照射区域的光线亮度增强；

4.微棱镜结构的折射和/或反射作用使得光线集中且能得到充分利用，提高了光线的利用率；

5.采用三基色LED可以进一步获得更好的发光效果；

6.微棱镜结构和反射片(或光滑平面的反射)之间的重复反射作用可以使得三基色LED的混光更为均匀；

7.结构简单、易于实现，可以根据液晶面板和/或显示器件的尺寸需求来设计背光模组，在背光模组中根据具体需要选用不同数目、长度和粗细的LED灯管提供背光源。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的实际保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种LED灯管，其特征在于，所述灯管包括：

多个LED，所述多个LED在所述灯管中排列成一直线；其中，所述灯管为柱状结构，其外表面形成有微棱镜阵列。

2.根据权利要求1所述的灯管，其特征在于，所述柱状结构为圆柱状结构或半圆柱状结构。

3.根据权利要求1所述的灯管，其特征在于，在所述LED的侧方和/或后方的所述灯管的内壁上，贴有至少一个反射片、或是由不透明物质形成的至少一个光滑平面。

4.根据权利要求1所述的灯管，其特征在于，所述微棱镜阵列包括多个紧密排列的微小的棱镜结构。

5.根据权利要求4所述的灯管，其特征在于，所述棱镜结构为三角形棱镜或圆形棱镜。

6.根据权利要求4或5所述的灯管，其特征在于，所述微棱镜阵列的厚度为150-230μm。

7.根据权利要求1所述的灯管，其特征在于，所述多个LED为多个白光LED或多个RGB三基色LED。

8.根据权利要求1所述的灯管，其特征在于，所述多个LED为多个小功率LED。

9.一种LED背光模组，其特征在于，所述背光模组包括：至少一根如权利要求1-8任一项所述的LED灯管。

10.一种显示器件，其特征在于，所述显示器件包括：液晶面板以及如权利要求9所述的LED背光模组。

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