CN1316304C - 一种使用六色单元封装的led光源的lcd背光系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用六色(R1、R2、G1、G2、B1、B2)单元封装的LED光源的LCD背光系统，包括光源模块、反射箱和匀光器，其特征在于所述光源模块包括多个LED光源，每个LED光源由六种颜色的LED芯片构成，将六色的LED芯片封装在一个单元内，形成LED光源，然后将该LED光源排列形成发光点阵。其中每个LED光源的六种颜色LED芯片可以独立驱动控制，以便各色光线在单元封装的结构中初步混光后达到要求的色温和亮度再发射到背光系统。均光器包括折衍混和导光板，该导光扳基体本身是光折射元件，其表面有微小阶梯阵列结构。要得到更进一步的均匀化光，可用不同的散射层或增亮膜。

Description

一种使用六色单元封装的LED光源的LCD背光系统

技术领域

本发明涉及一种半导体光源的背光系统，具体涉及使用六色单元封装的LED光源并使用匀光器的LCD背光光源，其制备方法和用途。

技术背景

随着超高亮LED的技术逐渐成熟，价格不断下降，因其采用三基色发光、色还原性好、耗电量低，再加上寿命长、短小轻薄、环保等优势，它已逐渐取代CCFL背光源，在液晶显示领域显示出了巨大的潜力。

由于亮度低，以往的LED作为背光源的使用只能限制在小型显示器上。随着半导体技术的快速发展，加上封装设计的新概念，LED的亮度和效率得以显著提高，LED背光源的应用范围更加广泛。

LED是一种引人注目的LCD背光源选择，尤其是在以红、绿、蓝LED构成白色时，能够改进显示屏前的颜色与亮度性能。如果以三原色LED作为LCD背光源，可以通过设计得到有三个光谱成份围绕其主波长；并能通过LCD屏亚象素消除其在峰值光谱外的所有光谱，因而在扩大色再现率时，还能实现高亮度，因而在这方面比CCFL更优越。

由于多媒体、电视以及图表艺术等对白场显示的色温要求是不同的，这就需要视情况调节白场的色温；但是以CCFL为背光源的LCD难以控制其背光源的光谱分布，而为了得到对白场色温的良好控制，就得牺牲LCD的色再现性灰度动态范围。但LED能够通过分别暗化每种颜色LED的亮度来控制白场的色温，因而无疑在这方面要胜CCFL一筹。

大尺寸LCD屏幕的使用寿命一般为5～6万小时，而目前CCFL背光源的寿命一般只有2万小时。LED产品的理论寿命为10万小时，考虑其他因素，实际使用寿命为5～6万小时，这就与LCD显示屏的要求相匹配。

到目前为止，世界上用LED背光源做大尺寸液晶显示的企业屈指可数。而我国的LED背光源大尺寸液晶显示方面还是一片空白。

作为背光源，LED可大致分为三类：白色、单色和多色。

使用白色LED背光时，电路相对简单。但是由于其发出白光的原理是：芯片发出的蓝光一部分通过媒介转变为黄光；蓝光和黄光混和就产生了白光，色坐标(白点)取决于蓝光和黄光的比例。显示屏的色阶受到限制，并且白场色温固定，与CCFL相同。

使用单色LED的RGB背光也表现出了特别的缺点：由于各颜色交互排列，就需要附加混色所需的空间，产生均匀的混和光。该混色区的大小取决于两个同色LED之间的距离和它们的发射角。对于带有导光板的模块，导光板的表面必须增大；而对于反射箱结构，则厚度必须增大。

相比之下，多色LED和白色LED的混色是发生在其封装结构中，因此，对光的发射特性进行补偿所需的空间就小得多。

总体来说，三类LED中，多色LED是彩色显示背光的最佳选择。

为了进一步扩大色彩表现范围，不局限于以往的R(红)、绿(G)、B(蓝)3原色，通过追加新的色彩可以实现多色化，使LCD屏幕具有更宽广的色域。

由于LED是点光源，辐射图样是圆锥形，因此LED背光的关键是获得一个均匀照亮的表面。目前LED背光系统的主流是采用单色LED光源+导光板的侧光式LED背光源。

导光板是提高颜色均匀性的有效方法，但是由于光在板中传播的过程中有损失，它对光的利用率比较低。如果目标是电视机，其亮度至少应达到400～500cd/m²。因而为了得到高亮度，用LED在LCD屏幕后直接照明的方案优于使用导光板的方案。

中国专利200410048713.3提供一种背光源组合及具有该背光源组合体的液晶显示器，是侧光式背光源，且未指定所使用的光源；专利03106671.2所述的背光源设置在被照射体的背面侧，其光源由绿色、蓝绿色、蓝色、橙色、红色、黄绿色中的任一种颜色的发光二极管构成，并且其液晶显示装置是黑白显示型；中国专利02152111.5所述的背光源是使用多个发光二极管的侧光式背光源，并且未提出使用多色LED作为光源。还有CN1558284，CN1383501以及JP8-211361，这些背光组件或系统使用的LED都是将单色芯片按照一定规律排列，然后进行混光来得到白光。这种方法的缺点是需要一定尺寸的距离来混光，否则不能得到比较均匀的白光。本发明人的另一个专利申请，申请号为200510034629.9，申请日为2005年5月20日，该专利提供一种使用三基色(RGB)封装LED的LCD背光系统，将红、绿、蓝三基色的LED芯片封装在一个单元器件内，然后将该单元器件排列形成光源，并使用匀光器。这就是说，现有技术的背光系统中，没有一个使用六色LED在一个单元中的器件；也没有同时使用光的折射和衍射的匀光器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用六色(R1、R2、G1、G2、B1、B2)单元封装的LED光源的LCD背光系统。本发明的背光系统包括光源模块、反射箱和匀光器，其中所述光源模块包括多个LED光源，每个LED光源由六色的LED芯片构成，将六色的LED芯片封装在一个单元内，形成LED光源，然后将该LED光源排列形成发光点阵。

其中每个LED光源的六种颜色LED芯片可以独立驱动控制，以便各颜色光线在单元封装的结构中初步混光后达到要求的色温和亮度再发射到背光系统，从而实现LCD背光系统的高显色指数和高亮度。并且每个LED光源里封装的六色LED芯片在额定工作电流时，峰值波长可以选择的范围分别是：410～420nm、425～435nm、500～520nm、530～550nm、605～618nm、620～625nm。还可根据不同的设计方案和使用需要来确定各颜色芯片的光学/电气特性(如光通量、光强及驱动电流、电压等)之间的匹配；LED光源的封装结构(包括电气结构、光学结构、机械结构)也根据不同的设计方案和使用需要来确定。

本发明再一个目的是提供一种背光系统，其中使用匀光器，包括折衍混和导光板，安置在反射箱开口的一面，从而在光的射出表面得到均匀的光。所述折衍混和导光板基体本身是光折射元件，其表面有微小阶梯阵列结构，从而构成得到光衍射的微光学阵列。

目前的由多个RGB单色LED光源进行混光的背光源系统，需要各个LED的光通量等性能严格匹配，并且对混光、导光系统要求高，很容易出现混光不均匀、色温偏差等缺陷。

而使用六色LED背光源与使用R(红)、绿(G)、B(蓝)3原色相比，让液晶面板有更大的色彩表现范围。

使用六色单元封装的LED光源的LCD背光系统是直接背光结构，即光源模块中六色单元封装的LED光源排列后，使光线直接照射液晶面板的后表面。背光系统的结构包括光源模块1、反射箱2和匀光器3。光源模块由若干个上述的六色单元封装的LED光源11按一定规律、一定间距排列在同一个平面上，这些LED光源形成一个光轴相互平行的发光点阵。所述一定规律和间距是指按照用户要求来选择的，实际上是没有严格限制的。在一个优选实施方案中，放置光源模块使发光点阵位于反射箱2内，点阵发出的光线在反射箱内反射混和。通过间距规则的LED点阵排列和具有相应深度的反射箱实现显示表面上的均匀光照。反射箱的深度主要取决于LED光源的间距和发射角。要得到更进一步的均匀化光，可用不同的散射层或特殊增亮膜(BEF)，这些都是市场有售的产品，也是本领域技术人员所熟知的。如果对不同的膜加以合适的组合，可以减少反射箱的深度。直接背光主要应用在需要高亮度(＞500cd/m²)、中等尺寸和空间有限的系统中。

采用直接LED背光方案，颜色的均匀性仍然是关键问题。通常，LED排列紧密有利于混色，但是排列的越紧密，热源就越集中，需要复杂的散热结构。如果LED间距大一些，对散热就有利的多，但是颜色不均匀又成为问题。通过合适的设计在颜色和热量之间达到一个平衡。本发明采用六色单元封装的LED光源并采用匀光器就很好地解决了这个问题。单元封装使得尽早混光，大大减少混光距离。现有技术仅仅是将单色LED光源按照规律排列，是一种整体混光，则混光距离很大。就混光距离而言，同现有技术相比，在混光结构相同的情况下，本发明可缩短3.5倍；如果现有技术混光需要28mm，本发明仅仅需要8mm。这对减小成品仪器的厚度意义重大。另外，由于使用了匀光器，不但得到更加均匀的光，而且保证了色温。况且每个LED芯片可单独控制，使得颜色不失真。

本发明的匀光器是一种二元光学元件(Binary Optical Elements，简写BOE)，它是一种位相型的衍射光学元件；以光的衍射效应为基本工作原理，采用对光学波面的分析来设计衍射位相轮廓的元件。二元光学的基本原理，就是从波动光学的观点出发，根据光学波面要求用计算机设计成一个二元显微浮雕结构，其图形尺寸小于光的波长，然后再利用微细加工枝术，在介质或金属基底上刻蚀成器件。目前制作二元光学元件的方法主要有微电子工艺中的刻蚀法、镀膜法，高精度钻石车床程序控制切削法等。其中微电子工艺技术中的刻蚀法是目前采用的主要手段。由于实际制作出的位相轮廓是以2为量化倍数，与理想的连续位相轮廓的台阶形状近似，故被称为“二元光学元件”。关于匀光器的原理和构造可见本发明人的另一个专利申请，申请号为200510034628.4，2005年5月20日提交，名称是“一种使用匀光器的LED光源”，其内容本文结合引用。

附图说明

图1是本发明LCD背光系统的一个实施例的结构示意图。

图2是本发明六色单元封装的LED光源的结构示意图。

图3是本发明六色单元封装的LED光源的俯视平面图。

图4是LCD背光系统的光源模块的示意图。

图5是LCD背光系统的反射箱的示意图。

图6是本发明LCD背光系统另一实施例的结构示意图。

图7是本发明LCD背光系统中折衍混和导光板的原理示意图。

图8是带有若干凹槽的折衍混和导光板的示意图。

图9、10、11是本发明LCD背光系统另几个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图结合实施例进一步详述本发明。

实施例一

请参阅图1，背光系统从下到上的组成结构是：光源模块1、反射箱2和散射层31。

请参阅图2和图3，六色单元封装的LED光源11，每个LED里封装的R1、R2、G1、G2、B1、B2六色芯片111、112、113、114、115和116在额定工作电流20mA时，峰值波长分别是：410nm、430nm、510nm、540nm、615nm、625nm；LED采用贴片安装(SMT)的形式，为12引线的封装结构，每2个引线独立控制一个芯片。光的出射角度(FWMH)为120°。

请参阅图4，将若干个上述的六色单元封装的LED光源用贴片安装工艺焊接到一个铝基PCB 12上，该铝基PCB已按照LED光源的排列设计好了相应的电路，并负责LED光源驱动电源的输入和反馈信号(温度、颜色等)的输出。选用铝基PCB是因为它的热传导性优于一般的PCB，更加有利于LED的散热。根据LCD屏幕的尺寸及光学需要设定LED光源合适的排列方式和间距。同时要考虑平衡颜色均匀的需要和散热的需要。

例如，对于15英寸的LCD屏幕，屏幕对角线长度为381mm，屏幕高宽比为3∶4，其高、宽分别为229mm和306mm，设定LED光源平行排列，行、列间隔均为18mm，发光点阵尺寸是234mm×306mm，LED光源数量是14×18＝252个；对于17英寸的LCD屏幕，屏幕对角线长度为443mm，屏幕高宽比为3∶4，其高、宽分别为271mm和338mm，设定LED光源平行排列，行、列间隔均为18mm，发光点阵尺寸是270mm×342mm，LED光源数量是16×20＝320个。

本例中，LED光源在铝基PCB上平行排列，行、列间隔为18mm。为了加强散热，铝基PCB背面可连接散热器。

以上完成了LCD背光系统的光源模块1。

反射箱2是一个方形的箱体，如图5所示。反射箱的上方开口，底部用于放置光源模块，本例中反射箱底部开有若干小孔21，与铝基PCB上的LED光源的位置相对应。反射箱内壁是光滑的反射面，减少光线在其中的损失。反射箱的深度主要取决于LED光源的间距和发射角。初步估算一个使用无透镜SMT-LED的反射箱的深度时，一般采用LED光源间距的1.5～2倍。这个深度可以产生良好均匀性的光照。因此本实施例中反射箱的深度设定为27mm。

在反射箱开口的一面，安装有一个散射层31。该散射层的作用是将照射到入射表面311上的光线进行扩散，从而在光的射出表面312得到较为均匀的光。

以上所述的背光系统工作时，光源模块中六色单元封装的LED光源阵列由驱动电路按显示需要提供合适的电流，发出的混和光线进入反射箱，在反射箱中进行反射并进一步混和，然后照射到散射层的入射表面上，经过扩散，从射出面得到均匀的色温合适的光线，从而给LCD屏幕提供理想的背光照明。

上述的背光系统中，由于光源使用的是六色单元封装的LED光源，混色是发生在其封装结构中，再经过反射箱的反射混和，对光的发射特性进行补偿后经过散射层扩散，已能够满足LCD背光的需要，而不再需要利用导光板进行混光，减少了光损失，并使LCD背光系统的结构大为简化，成本大大降低。

要得到更进一步的均匀化光，可用不同的散射层或特殊增亮膜(BEF)。对不同的膜加以合适的组合，可以减少反射箱的深度。将在以下的实施例中说明。

实施例二

请参阅图6，背光系统从下到上的组成结构是：光源模块1、反射箱2和折衍混和导光板32。

LCD背光系统的光源模块与实施例一相同。

在反射箱开口的一面，安装有一个折衍混和导光板32。该导光板的作用是将照射到入射表面321上的光线进行混和并扩散，从而在光的射出表面322得到较为均匀的光。

折衍混和系统是由衍射光学器件与传统的折射光学器件组合而成，即片基表面做成衍射光学器件32a，而片基本身做成折射光学元件32b。具体来说，导光板本身是折射元件，在导光板的光出射表面精心设计一些微光学阵列结构，如图7所示。单元孔径尺寸为微米量级，从而在导光板表面拥有了衍射元件，利用折射和衍射两种光学作用在色散上的相反效果(阿贝数负向)，可以有效地消除色差，扩宽色域，提高色再现性。

折衍混和系统同时利用了光的折射和衍射两种特性；具有独特的色散性质、良好的热性能及单色像差校正能力；在光学设计中增加设计的自由度；多功能集成、减小体积和降低成本；衍射光学透镜独特的色散特性可用于消色差。

上述的背光系统中，由于使用了折衍混和导光板，使光线的混和效果加强，减少了光线混和所需的空间，因此可以减小反射箱的深度，从而使LCD背光系统的厚度减小。

实施例三

基本按照与实施例二相同的结构，不同的是折衍混和导光板32的入射表面321上开有若干凹槽3211，如图8所示。凹槽的位置与形状与光源模块中位于铝基PCB上的LED光源的位置和形状相对应，作用是收集LED发出的光线。

安装后，光源模块上的LED光源直接嵌入折衍混和导光板入射表面321上的凹槽3211，LED发出的光线直接通过凹槽进入导光板，在导光板内进行混和并扩散，然后从导光板的射出面322得到均匀的色温合适的光线。

由于LED光源直接嵌入导光板的入射表面上的凹槽，使LED发出的光线全部进入导光板，最大限度的避免了光损失。

该结构不需要在光源模块的上方留出对光的发射特性进行补偿所需的空间，直接由折衍混和导光板进行混光，进一步减小了LCD背光系统的厚度。

实施例四

基本按照与实施例二相同的结构，不同的是折衍混和导光板32的射出面322一侧还有一层特殊增亮膜(BEF)33，如图9所示。该增亮膜可以增加射出光线的亮度并改善其均匀性，从而使照射到LCD屏幕的光线更加理想。

实施例五

基本按照与实施例一相同的结构，不同的是散射层31的射出面312一侧还有一层特殊增亮膜(BEF)33，如图10所示。该增亮膜可以增加射出光线的亮度并改善其均匀性，从而使照射到LCD屏幕的光线更加理想。

实施例六

参阅图11，基本按照与实施例一相同的结构，不同的是反射箱的底部不开口，而光源模块位于反射箱内的底部平面上，光源模块的上方另加一块隔板4，该隔板上开有若干小孔，与光源模块中位于铝基PCB上的LED光源的位置相对应。隔板的表面光滑的反射面，减少光线反射的损失。该结构的优点是可以减少光的泄漏。

实施例七

基本按照与实施例一相同的结构，不同的是光源模块中每个六色单元封装的LED光源的上方均有一个利用二元光学系统原理的透镜(匀光器)，根据实际需要设计该透镜的光学结构，可以得到特定的比较均匀的辐射图样，使后续的光学设计大大简化。

以上详细叙述了本发明的光源及背光结构，显然，本领域技术人员可作许多改良和变换而不背离本发明的精神范围。例如，可将形状改变为矩形，圆形，椭圆形等。

Claims (13)

1.一种使用六色单元封装的LED光源的LCD背光系统，包括光源模块、反射箱和匀光器；其特征在于所述光源模块包括多个LED光源，每个LED光源由六种颜色的LED芯片构成，将六色的LED芯片封装在一个单元内，形成LED光源，将该LED光源排列形成发光点阵；所述反射箱是一个方形的箱体，反射箱的上方开口，底部用于放置光源模块，反射箱内壁是光滑的反射面；所述匀光器包括折衍混和导光板，安置在反射箱开口的一面。

2.根据权利要求1的背光系统，其特征在于每个LED光源的六种颜色LED芯片可以独立驱动控制，以便各颜色光线在单元封装的结构中初步混光后达到要求的色温和亮度再发射到背光系统。

3.根据权利要求1的背光系统，其特征在于每个LED光源里封装的六色LED芯片在额定工作电流时，峰值波长可以选择的范围分别是：410～420nm、425～435nm、500～520nm、530～550nm、605～618nm、620～625nm。

4.根据权利要求1的背光系统，其特征在于所述光源模块中六色单元封装的LED光源排列后，使光线直接照射液晶面板的后表面。

5.根据权利要求4的背光系统，其特征在于在所述光源模块中将多个六色单元封装的LED光源排列在同一平面上，形成一个光轴相互平行的发光点阵。

6.根据权利要求5的背光系统，其特征在于放置所述光源模块使发光点阵位于反射箱内，点阵发出的光线在反射箱内反射混和。

7.根据权利要求6的背光系统，其特征在于多个六色单元封装的LED光源安装在铝基PCB上，该铝基PCB上具有相应的电路。

8.根据权利要求7的背光系统，其特征在于所述PCB背面连接散热器。

9.根据权利要求1的背光系统，其特征在于所述反射箱的深度范围是所述LED光源之间间距的1.5～2倍。

10.根据权利要求1的背光系统，其特征在于所述导光板的射出面一侧有散射层或增亮膜或散射层和增亮膜。

11.根据权利要求1的背光系统，其特征在于折衍混和导光板基体本身是光折射元件，其表面有微小阶梯阵列结构，从而构成得到光衍射的微光学阵列。

12.根据权利要求11的背光系统，其特征在于所述微小阶梯阵列结构的单元孔径尺寸为微米量级。

13.根据权利要求1的背光系统，其特征在于匀光器的折衍混和导光板的入射表面上开有若干凹槽，凹槽的位置和形状与光源模块中的LED光源的位置和形状相对应，使LED光源直接嵌入凹槽中，从而使LED发出的光线直接通过凹槽进入导光板，在导光板内进行混和并扩散，然后从导光板的射出面得到色温合适的均匀光。

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