CN113284415B - 一种高均匀性背光源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高均匀性背光源，包括若干呈阵列分布在基板上的LED光源，其特征在于：在基板上设置一顶面为平面的高折射率透明介质层，该高折射率透明介质层覆盖住所有LED光源；在高折射率透明介质层上表面设置低折射率透明介质层，该低折射率透明介质层位于至少两个相邻LED光源之间的正上方区域，且低折射率透明介质层直接设置与高折射率透明介质层上表面。本发明优点是：通过在高折射率透明介质层上表面特定区域设置折射率小于高折射率透明介质层折射率0.05或以上的低折射率透明介质层，对相邻LED芯片之间正上方的区域进行增透，提升该区域的光强，并结合LED芯片正上方的遮光介质层达到出光均匀一致的效果。

Description

一种高均匀性背光源
技术领域
本发明涉及一种光源，特别涉及一种高均匀性背光源。
背景技术
众所周知，现有的光源，大部分是点光源，从点光源到面光源，就出现了不均匀的发光源，有的已经雾化，牺牲了亮度，出光率降低，对均匀性有改观，虽然现有的扩散板种类繁多，但没有彻底解决光的均匀一致性问题。随着生活水平提高，人们对光文化的需求也越来越高，人们要求出射的光均匀一致，出光效率要高，且越薄越好，这成为LED业界关注的焦点。
现有的扩散板的出光结构在使用时存在一定的弊端，当点光源点亮后，扩散板经过扩散后得到的光仍然不能达到高度的均匀出光，出现混光不一致，有亮区和暗区存在，在使用时带来了一定的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种均匀度高的高均匀性背光源。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种高均匀性背光源，包括若干呈阵列分布在基板上的LED光源，其创新点在于：在基板上设置一顶面为平面的高折射率透明介质层，该高折射率透明介质层覆盖住所有LED光源；在高折射率透明介质层上表面设置低折射率透明介质层，该低折射率透明介质层位于至少两个相邻LED光源之间的正上方区域，所述低折射率透明介质层的折射率小于高折射率透明介质层的折射率0.05或以上，且低折射率透明介质层直接设置与高折射率透明介质层上表面，低折射率透明介质层与高折射率透明介质层之间不存在间隙。
优选的，所述高折射率透明介质层上表面设置遮光介质层，该遮光介质层位于LED光源正上方。
优选的，所述高折射率透明介质层的折射率大于1.5，所述低折射率透明介质层的折射率小于1.45。
优选的，还包括扩散膜层，所述扩散膜层设置在高折射率透明介质层正上方，且扩散膜层与高折射率透明介质层之间存在空气层或空气隙。
优选的，所述扩散膜层的下表面具有凹凸不平的微结构，且微结构占扩散膜层总面积的10～100％，扩散膜层下表面微结构紧贴高折射率透明介质层与低折射率透明介质层上表面形成空气隙。
优选的，限定低折射率透明介质层的折射率为n2，高折射率透明介质层的折射率为n3，空气层或空气隙的折射率为n1，λ为LED光源的发光波长；
若θ＜arcsin(n2/n3)，则所述低折射率透明介质层为第一回转体结构，该第一回转体结构的下表面与高折射率透明介质层齐平，且第一回转体结构的上表面自中心向边缘高度逐渐增加；
若θ＞arcsin(n2/n3)，则所述低折射率透明介质层为第二回转体结构，该第二回转体结构的中心为空心的半球体，半球体的外围下表面与高折射率透明介质层齐平，半球体的外围上表面自中心向外高度逐渐增加。
优选的，限定以低折射率透明介质层的下表面为x轴，取过低折射率透明介质层的下表面中心点垂直于x轴的直线为y轴，建立平面直角坐标系，设与低折射率透明介质层相邻的LED光源坐标为(a，b)，LED光源的强度为E，LED光源发出的光线至相邻低折射率透明介质层底面中心的光线入射角为θ，低折射率透明介质层的下表面正半轴的长度为L；
在所述平面直角坐标系中，第一回转体结构的上表面满足以下方程：
右半方程为：
Figure BDA0003050052660000031
左半方程为：
Figure BDA0003050052660000032
k为自然数。
优选的，限定以低折射率透明介质层的下表面为x轴，取过低折射率透明介质层的下表面中心点垂直于x轴的直线为y轴，建立平面直角坐标系，设与低折射率透明介质层相邻的LED光源坐标为(a，b)，LED光源的强度为E，LED光源发出的光线至相邻低折射率透明介质层底面中心的光线入射角为θ，LED光源发出的光线至相邻低折射率透明介质层底面空心半球体下边沿的光线入射角为θmax，低折射率透明介质层的下表面正半轴的长度为L；
在所述平面直角坐标系中，第二回转体结构的空心半球体的上表面圆弧R与内表面圆弧r的圆心均为
Figure BDA0003050052660000033
空心半球体的上表面圆弧R满足方程：
Figure BDA0003050052660000034
Figure BDA0003050052660000035
Figure BDA0003050052660000036
且θmax＝arcsin(n2/n3)；
空心半球体的内表面圆弧R满足方程：
Figure BDA0003050052660000037
Figure BDA0003050052660000041
Figure BDA0003050052660000042
且θmax＝arcsin(n2/n3)；
半球体的外围上表面满足方程：
Figure BDA0003050052660000043
本发明的优点在于：
通过在高折射率透明介质层上表面特定区域设置折射率小于高折射率透明介质层折射率0.05或以上的低折射率透明介质层，对相邻LED芯片之间正上方的区域进行增透，提升该区域的光强，并结合LED芯片正上方的遮光介质层达到出光均匀一致的效果。通过在不同位置采用、不同厚度的增透结构的设置，可以对暗区实现针对性补光，从而调整整个出光面的均匀性。
通过空气层或空气隙更低的折射率，结合不同回转体形式的低折射率透明介质层，使得光线在该区域得到不同的增透效果，进一步改善光强不均，大幅提升出光均匀度。
附图说明
图1为本发明高均匀性背光源结构示意图。
图2为本发明中第一种低折射率透明介质层结构示意图。
图3为本发明中第二种低折射率透明介质层结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的高均匀性背光源，包括若干呈阵列分布在基板1上的LED光源2，在基板1上设置一顶面为平面的高折射率透明介质层3，该高折射率透明介质层3覆盖住所有LED光源2；在高折射率透明介质层3上表面设置低折射率透明介质层4，该低折射率透明介质层4位于至少两个相邻LED光源2之间的正上方区域，即位于各相邻LED光源2组成的阵列中心。
低折射率透明介质层的折射率小于高折射率透明介质层的折射率0.05或以上，本实施例中，为保证光线的出射以及选材、加工工艺，优选的，高折射率透明介质层3的折射率大于1.5，低折射率透明介质层4的折射率小于1.45。且低折射率透明介质层4直接设置与高折射率透明介质层3上表面，低折射率透明介质层4与高折射率透明介质层3之间不存在间隙。
为降低LED光源正上方的光强，使得各位置光强尽量一致的目的，在高折射率透明介质层3上表面设置遮光介质层5，该遮光介质层5位于LED光源2正上方。
在高折射率透明介质层3的正上方设置有扩散膜6，且扩散膜层与高折射率透明介质层之间存在空气层或空气隙7。扩散膜层的下表面具有凹凸不平的微结构，且微结构通常占扩散膜层总面积的10～100％，扩散膜层下表面微结构紧贴高折射率透明介质层与低折射率透明介质层上表面形成空气隙7。
本发明中，针对各LED芯片2的间距，以及LED芯片2距离高折射率透明介质层3顶面的不同距离，低折射率透明介质层4采用优化结构：
限定低折射率透明介质层4的折射率为n2，高折射率透明介质层3的折射率为n3，空气层或空气隙的折射率为n1，λ为LED光源2的发光波长；
若θ＜arcsin(n2/n3)，即θ＜全反射临界角，则如图2所示，低折射率透明介质层4为第一回转体结构，该第一回转体结构的下表面与高折射率透明介质层齐平，且第一回转体结构的上表面自中心向边缘高度逐渐增加；
其中，限定以低折射率透明介质层的下表面为x轴，取过低折射率透明介质层的下表面中心点垂直于x轴的直线为y轴，建立平面直角坐标系，设与低折射率透明介质层相邻的LED光源坐标为(a，b)，LED光源的强度为E，LED光源发出的光线至相邻低折射率透明介质层底面中心的光线入射角为θ，低折射率透明介质层的下表面正半轴的长度为L；
由于在理想的增透作用下，低折射率透明介质层的折射率n2应满足
Figure BDA0003050052660000061
其厚度应满足
Figure BDA0003050052660000062
k为自然数；
而将L平均分成k等份，k为上述自然数，则每等份的x轴坐标可由:
Figure BDA0003050052660000063
表示，则低折射率透明介质层上的入射光线的光程可由
Figure BDA0003050052660000064
表示，已知光强的损耗与其光程的平方成正比，所以低折射率透明介质层正半轴各点的照度E0可由
Figure BDA0003050052660000065
表示。此时照度E0(对应于x)与所在点对应的膜厚度d(对应于y)近似满足线性关系，将已知点
Figure BDA0003050052660000066
Figure BDA0003050052660000067
带入得到：
在平面直角坐标系中，第一回转体结构的上表面满足以下方程：
右半方程为：
Figure BDA0003050052660000068
左半方程为：
Figure BDA0003050052660000069
k为自然数，在实际设计中，k取值在20～100之间。需要注意的是，规定在暗区中心位置的照度为相对最低基准值，数值上取“0”。
实施例：芯片为蓝光芯片，发光波长为447nm，芯片距离遮光介质的垂直高度为6mm，芯片之间的横向间距为11mm，低折射率透明介质层的投影直径为1mm，遮光介质层的投影直径为1mm，扩散片为常规显示器扩散片；高折射率透明介质层的折射率为1.54，低折射率透明介质层的折射率为1.43，其全反射临界角为68.21°，此时光源与暗区中心的连线的入射角θ＜全反射临界角，采用第一种构型。本实施例中，低折射率透明介质层的上表面倾斜角度为32°。经过测试，采用该结构的高均匀性背光源出光面的整体均匀性可以达到96.37％。
下表为本实施例采用第一种构型的背光源均匀度测试表：
Figure BDA0003050052660000071
作为低折射率透明介质层4的另一种优化结构：
若θ＞arcsin(n2/n3)，即θ＞全反射临界角，则如图3所示，低折射率透明介质层4为第二回转体结构，该第二回转体结构的中心为空心的半球体，半球体的外围下表面与高折射率透明介质层齐平，半球体的外围上表面自中心向外高度逐渐增加。
其中，限定以低折射率透明介质层的下表面为x轴，取过低折射率透明介质层的下表面中心点垂直于x轴的直线为y轴，建立平面直角坐标系，设与低折射率透明介质层相邻的LED光源坐标为(a，b)，LED光源的强度为E，LED光源发出的光线至相邻低折射率透明介质层底面中心的光线入射角为θ，LED光源发出的光线至相邻低折射率透明介质层底面空心半球体下边沿的光线入射角为θmax，低折射率透明介质层的下表面正半轴的长度为L；
低折射率透明介质层4入射光线入射角大于θmax的部分为半球形的圆弧，圆弧的厚度优选为
Figure BDA0003050052660000081
且在平面直角坐标系中，第二回转体结构的空心半球体的上表面圆弧R与内表面圆弧r的圆心均为
Figure BDA0003050052660000082
空心半球体的上表面圆弧R满足以下方程：R＝btanθ-btanθmax，空心半球体的下表面圆弧r满足以下方程：
Figure BDA0003050052660000083
得到：
空心半球体的上表面圆弧R满足方程：
Figure BDA0003050052660000084
Figure BDA0003050052660000085
Figure BDA0003050052660000086
且θmax＝arcsin(n2/n3)；
空心半球体的内表面圆弧R满足方程：
Figure BDA0003050052660000087
Figure BDA0003050052660000088
Figure BDA0003050052660000089
且θmax＝arcsin(n2/n3)；
半球体的外围上表面满足方程：
Figure BDA00030500526600000810
k为自然数，通常，在实际设计中，k取值在20～100之间。
实施例：芯片为蓝光芯片，发光波长为448nm，芯片距离遮光介质的垂直高度为6mm，芯片之间的横向间距为12mm，低折射率透明介质层的投影直径为2mm，遮光介质层的投影直径为1mm，扩散片为常规显示器扩散片；高折射率透明介质层的折射率为1.54，低折射率透明介质层的折射率为1.43，其全反射临界角为68.21°，此时光源与暗区中心的连线的入射角θ＞全反射临界角，采用第二种构型。本实施例中，此时低折射率透明介质层与水平面的夹角为22度，采用该结构的高均匀性背光源出光面的整体均匀性可以达到97.51％。
下表为本实施例采用第二种构型的背光源均匀度测试表：
标号 X坐标 Y坐标 L Tc u′ v′ X Y Z λd duv
1 0 0 11551.2 6970 0.1923 0.4601 9055 9626 11620 496 0.005
2 1 0 11586.8 6972 0.1921 0.4602 9031 9614 11590 496 0.005
3 2 0 11597.6 6972 0.1924 0.46 9033 9598 11600 496 0.005
4 3 0 11410.4 6949 0.1923 0.4605 9013 9592 11530 496 0.005
12 0 1 11309.2 6969 0.1926 0.4599 9036 9591 11600 496 0.004
13 1 1 11530.8 6987 0.1924 0.4597 9050 9609 11650 495 0.004
14 2 1 11514 6979 0.1923 0.4599 9030 9595 11610 495 0.005
15 3 1 11527.2 6963 0.1923 0.4602 9031 9606 11580 496 0.005
23 0 2 11333.2 6955 0.1925 0.4601 9049 9611 11590 496 0.005
24 1 2 11557.2 7018 0.1926 0.459 9091 9631 11760 495 0.004
25 2 2 11475.2 6986 0.1924 0.4597 9084 9646 11690 495 0.004
26 3 2 11552.4 6973 0.1922 0.4602 9045 9627 11610 496 0.005
34 0 3 11508 6940 0.1925 0.4604 9020 9590 11530 496 0.005
35 1 3 11503.2 6956 0.1926 0.4601 9028 9586 11570 496 0.004
36 2 3 11514 6950 0.1926 0.4601 9037 9595 11570 496 0.004
37 3 3 11536.8 6935 0.1926 0.4605 9046 9614 11550 496 0.005
最大值 11597.6 7018 0.1926 0.4605
最小值 11309.2 6935 0.1921 0.459
平均值 11500.45 6967 0.19 0.46
均匀度 97.51％
最大-最小 288.4 83 0.0005 0.0015
采用上述两种优选结构的低折射率透明介质层对其下方入射光线来进行增透时，可使得光线在该区域得到不同的增透效果，进一步改善光强不均，大幅提升出光均匀度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种高均匀性背光源，包括若干呈阵列分布在基板上的LED光源，其特征在于：
在基板上设置一顶面为平面的高折射率透明介质层，该高折射率透明介质层覆盖住所有LED光源；
在高折射率透明介质层上表面设置低折射率透明介质层，该低折射率透明介质层位于至少两个相邻LED光源之间的正上方区域，所述低折射率透明介质层的折射率小于高折射率透明介质层的折射率0 .05或以上，且低折射率透明介质层直接设置与高折射率透明介质层上表面，低折射率透明介质层与高折射率透明介质层之间不存在间隙；
限定低折射率透明介质层的折射率为n2，高折射率透明介质层的折射率为n3，空气层或空气隙的折射率为n1，λ为LED光源的发光波长；
若θ＜arcsin(n2/n3)则所述低折射率透明介质层为第一回转体结构，该第一回转体结构的下表面与高折射率透明介质层齐平，且第一回转体结构的上表面自中心向边缘高度逐渐增加；
若θ＞arcsin(n2/n3)，则所述低折射率透明介质层为第二回转体结构，该第二回转体结构的中心为空心的半球体，半球体的外围下表面与高折射率透明介质层齐平，半球体的外围上表面自中心向外高度逐渐增加；
低折射率透明介质层厚度应满足
Figure 971046DEST_PATH_IMAGE001
，k为自然数。
2.根据权利要求1所述的高均匀性背光源，其特征在于：所述高折射率透明介质层上表面设置遮光介质层，该遮光介质层位于LED光源正上方。
3.根据权利要求1所述的高均匀性背光源，其特征在于：所述高折射率透明介质层的折射率大于1 .5，所述低折射率透明介质层的折射率小于1 .45。
4.根据权利要求1所述的高均匀性背光源，其特征在于：还包括扩散膜层，所述扩散膜层设置在高折射率透明介质层正上方，且扩散膜层与高折射率透明介质层之间存在空气层或空气隙。
5.根据权利要求4所述的高均匀性背光源，其特征在于：所述扩散膜层的下表面具有凹凸不平的微结构，且微结构占扩散膜层总面积的10～100％，扩散膜层下表面微结构紧贴高折射率透明介质层与低折射率透明介质层上表面形成空气隙。
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