CN1688028A - 基于发光二极管的面光源模块 - Google Patents
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Abstract
基于发光二极管的面光源模块属于发光二极管封装和应用技术领域,其特征在于,它包含发光二极管和一块把从发光二极管发出的光扩散至一个出射主面出射的导光板,在该出射主面上水平分布有若干个凸出于出射主面且以近似圆弧状延伸的光出射引导结构,所述的圆弧是任意一种直线或曲线,它是以发光二极管光源在出射主面上的投影点为近似中心的。液晶显示器中面对液晶层的主面,或照明装置中用于照明的平面都是所述的出射主面。本发明的二次封装效率达到80%,比现在产品的最高水平还高30%以上;面光源最亮点光强与最弱点光强之比为1.2,实现了均匀出光。它用于制造出光均匀且出光面积大、显色指数高的面光源装置。
Description
发明领域
本发明涉及一种基于发光二极管的面光源模块,属于发光二极管封装和应用技术领域。本发明适用于例如个人计算机、车辆导航系统、手持电话等设备上安装的液晶显示装置的背光源,也适用于普通的室内照明用灯具。
背景技术
到目前为止,液晶显示装置所使用的背光源主要是以棒状荧光灯(冷阴极管)作为一次光源的,其光路图如图1所示,散射机制层11分布于与出射主面相对的主面上,其作用是改变原有光路而使光经反射从出射主面12出射。而由于冷阴极荧光灯管的显色指数(CRI)较低,所以以其作为一次光源的背光源就不可避免的具有显色性较差的原理性缺陷;进而以这种光源作为背光源的液晶显示装置在色彩表现力上就存在明显的不足。
发光二极管的出现使这个问题的解决成为可能。由于使用三基色(RGB)发光二极管生成的白光具有优良的显色指数(CRI),因此克服了液晶现实装置在色彩表现力上的不足。同时,发光二极管还具有低压操作、无污染(不含汞)的优点。
然而,现在已经出现的基于发光二极管的面光源器件的能量利用率仍然比较低。一方面是由于发光二极管制造技术本身还在不断发展,其功率效率(Wall-Plug Efficiency)尚有很大的提升空间;另一方面将发光二极管封装成实用的面光源器件的二次封装效率(简称二次效率)还比较低,而导光板的导光效率低是一个重要原因。导光板的导光效率定义为从导光板出光主面出射的总有效光通量占耦合进入导光板的总光通量的百分比。根据美国的Lumileds Lighting公司技术发布文档TP29中披露的数据,该公司的一种基于大功率发光二极管的面光源设计的二次效率最好为50%,其中导光板的导光效率约为60%。
导光效率主要决定于导光板的总体结构和散射机制层的散射原理和构造。美国专利U.S.Pat.No.5396350中提到传统的导光板的导光效率只有10%~20%。在这份专利和其他几份专利U.S.Pat.No.5461547,U.S.Pat.No.5359691,U.S.Pat.No.5854872中,分别提出了不同的导光板以及其散射机制层结构,并对导光板出射光的方向性和导光效率作出了不同程度上的改进。然而,根据学术期刊APPLIED PHYSICS LETTERS上第83期的文献《Highly-efficientbacklight for liquid crystal display having no optical films》,现有的导光板的导光效率的最高水平只能够达到60%,其散射机制层为反射微棱镜阵列。这种导光板的无效出光更少,而且对有效出光的出光角度实现了更好的控制;但是它仍存在导光效率不高且制作困难、成本高等问题。
综上所述,现有的针对冷阴极荧光灯管一次光源设计的导光板,都是在导光板与出射主面相对的主面上排布某种散射机制层,利用光线入射到散射单元改变原有的反射路径而从出射主面出射。尽管通过优化设计散射机制层和散射单元可以最大化导光效率,但由于光线不可避免的会从与出射主面相对的主面透射出射而成为无效出射光,因此其导光效率存在一个原理性的上限而不能达到更高。现在已经出现的基于发光二极管的面光源装置,比如中国发明专利申请03101472.0和中国实用新型专利01267387.0中披露的面光源结构,其原理也和上述原理相似,因此难以突破上述的原理性导光效率上限。
基于此,本发明提出一种新的导光板结构以及在此基础上的一种基于发光二极管的面光源模块。它突破了上述的导光板导光效率的原理性上限,使实现更高效率的面光源成为可能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于发光二极管的面光源模块,它能够将发光二极管芯片近似点光源发出的光高效率的转化为一个均匀的面光源的出射光。
本发明的特征在于:
所述的导光板的出射主面上水平分布有若干个凸出于所述的出射主面的且以近似圆弧状延伸的光出射引导结构;所述的近似圆弧指的是任意一种直线或曲线,它是以所述的发光二极管光源在所述出射主面上的投影点为近似中心的;所述的出射主面指的是有效光所出射的平面。
所述的发光二极管光源是包含着一枚或若干枚发光二极管芯片的。
所述的出射主面,对于液晶显示装置的背光源来说,指的是面对液晶层的主面。
所述的出射主面,对于照明装置来说,出射主面指的是用于照明的平面。
所述的近似圆弧具有下述特征:从发光二极管光源到所述的直线或曲线上的任意一点的连线,与所述的直线或曲线在所述任意一点的切线的夹角为不小于60度的锐角。
在所述导光板中传播的光是在入射到所述的光出射引导结构中的某一个光出射引导结构后,在所述的光出射引导结构的界面发生透射或一系列的反射和透射,最终由所述的出射主面出射的。
所述的出射主面内的任意一个光出射引导结构的任意一个纵剖面的形状在几何上是全等的。
M个所述的面积各为S的出射主面构成了M个面光源模块,把它们在水平方向二维拼接后,形成一个面积为M×S的大面积面光源。
把所述的一个或若干个面光源模块在水平方向二维拼接后构成一个面光源装置。
通过软件模拟上述的基于发光二极管的面光源模块,分析得到二次封装效率达到80%,比现有产品的效率的最高水平高30%以上;面光源最亮点光强与面光源最暗点光强的比为1.2,实现了均匀出光。
从以上分析可以看出,本发明不仅适用于基于发光二极管的一次光源,它同样适用于基于小功率发光二极管(工作电流约为20mA)和其它线度远小于导光板线度的光源。因此:
本发明的另一个目的是提供一种基于近似点光源的一次光源的导光板,它能够将一次光源发出的光高效率的转化为一个均匀的面光源的出射光。
这里的线度指的是能够衡量目标物体大小的有效长度,对于正方形为其边长,对于圆形则为其直径等等。而上述的光源线度远小于导光板线度指的是光源线度小于导光板线度的十分之一。若光源和导光板线度满足这样的条件,则完全类似于基于发光二极管的面光源模块的分析,得到的新的面光源模块同样可以实现高效率的均匀出光。
本发明的另一个目的是提供一种液晶显示装置,其背光源核心发光部分使用一个或多个上述的基于发光二极管的面光源模块构成。
如前所述,由于导光效率的大幅提升,这种新型液晶显示装置的耗电量与传统的液晶显示装置相近,但同时由于使用一次光源的不同,新型液晶显示装置在色彩表现力上比传统的液晶显示装置有较大的提高。
本发明的另一个目的是提供一种室内照明灯具,其核心发光部分使用一个或多个上述的基于发光二极管的面光源模块构成。
在室内普通照明领域,荧光灯能量利用率高(>70lm/W),但其色温(CCT)较低(即冷色调),显色指数较差;白炽灯具有暖色调和理想的显色指数(CRI),但能量利用率低(<15lm/W),能量浪费严重,而且寿命较短。本发明提供的这种新型的室内照明灯具在能量利用率上高于白炽灯,同时可以得到暖色调和高于荧光灯的显色指数(CRI)的出射光。而且,这种新型面光源还具有无污染(不含汞)、长寿命、更好的家居装饰效果等特点,这是无需再解释的。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是传统的基于棒状荧光灯(冷阴极管)的背光源的光路示意图。
图2a是基于发光二极管的面光源模块的正视图。
图2b是基于发光二极管的面光源模块的俯视图。
图2c是基于发光二极管的面光源模块的三维视图。
图3a是一种光出射引导结构的三维视图。
图3b是一种光出射引导结构的纵剖面图以及光线入射到其上的光路示意图。
图4是基于发光二极管的面光源模块的光路示意图。
图5是半圆形纵剖面的光出射引导结构的光路示意图。
图6是带有直线段状的光出射引导结构的面光源模块的俯视图。
图7是使用两个一次点光源的面光源模块的俯视图。
图8是多个基于发光二极管的面光源模块水平二维拼接得到大面积面光源的示意图。
具体实施方式
本发明是这样实现的:
该模块包含一个或多个发光二极管光源31和一块将从该发光二极管光源31发出的光扩散至一个出射主面34并出射的导光板35;导光板35的出射主面34分布有若干以所述发光二极管光源31在出射主面34上的投影点为近似中心点的凸出的水平方向以近似圆弧状延伸的光出射引导结构33。图2a和图2b分别是这种基于发光二极管31的面光源模块的正视图和俯视图,图2c是其三维视图,其中图2a所示的光出射引导结构34由于其线度比导光板35线度低3个数量级,因此在图2a中没有显示其具体结构,其具体结构见图2c。
图2a、3b和3c中只使用一个发光二极管光源31作为一次点光源,只是为了方便说明和举例,并不限制使用多个一次点光源的可能性。所述的发光二极管光源31包含一枚或若干枚发光二极管芯片。从它发出的光线经过全反射耦合进入导光板35内传播。
所述的光出射引导结构33分布于导光板35的出射主面34。这里的出射主面34指的是有效光所出射的平面。对于液晶显示装置的背光源来说,出射主面34指的是面对液晶层的主面;对于照明装置来说,出射主面34指的是用于照明的平面。
所述的光出射引导结构33在出射主面34上以近似圆弧状延伸,该圆弧以发光二极管光源31在出射主面34上的投影点为近似中心。这里的近似圆弧状指的是任意一种直线或曲线,它具有如下的特征:从发光二极管光源31到该直线或曲线上的任意一点A的连线,与该直线或曲线在该点A的切线的夹角(锐角)不小于60度(角度制)。
由于发光二极管光源31的线度远小于导光板线度,因此可以近似看作是点光源。如图2b,由几何光学可知,由于光出射引导结构33在导光板出射主面34上以近似圆弧状延伸,如前所述,由光源出射的光线的方向与光线入射到光出射引导结构33的入射点在出射主面34内的切线方向的夹角不小于60度(角度制),也就是说,每条光线都可以按照近似垂直入射到光出射引导结构33来分析;其光路亦可简化为在光出射引导结构33的纵剖面上的二维光路,如图3b所示。
图3a为一种光出射引导结构33的三维视图。任意一个光出射引导结构33的任意一个纵剖面的形状在几何上全等且关于对称轴48对称。光出射引导结构33凸出于出射主面34,具有两个垂直于出射主面的曲面42和43和两个分别与42和43相交并成一定夹角的曲面44和45;在光出射引导结构33的任意一个纵剖面上,所述的曲面42和43所对应的直线互相平行,所述的两个曲面44和45对应的直线构成该纵剖面顶部的峰46。
由图3b可以看到,没有入射到光出射引导结构33的光47继续在导光板35中传播;而入射到光出射引导结构33的光全部透射而从出射主面34出射而成为有效出射光,而没有无效输出光,这样就在原理上突破了现有的导光板模块的导光效率上限,实现了高效率的面光源。
通过设计光出射引导结构33在出光主面34内的面分布函数和设计导光板35下表面边界39形状,可以得到均匀的面光源。为了防止一次光源上方的反射坑36出射光强过强,可以考虑在反射坑36表面镀半透膜。
该模块在俯视方向上的投影具有易于水平拼接的形状。如图2b的正六边形只是可以采用的形状之一,这里只是为了方便说明和举例,并不限制采用其它形状的可能性。
以下具体说明本发明的几个具体实施例。在以下的说明中,导光板35的材料认为是光学级PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂),其折射率n为1.49。这一点是任意的和因为说明方便起见,而决不限制可能的设计材料选择的一般性。
实施例1是如图4所示的基于发光二极管31的面光源模块。实施例1中使用一个一次光源,它的核心部分为单枚发光二极管芯片,光源至于面光源模块的几何中心。实施例1中的光出射引导结构33在出射主面34上的投影为以一次光源在出射主面34上的投影点为中心的圆弧。
光线在PMMA-空气界面发生全反射的临界条件是:
当光线的入射角θi满足
θi≥θic时,光现在PMMA-空气界面发生全反射,以下称这个条件为全反射条件。
如图4所示,一次光源发出的光根据与光源发光平面法向夹角α分为四个部分:通过设计反射坑36的坑壁曲面形状可以使0≤α<α1的部分光入射到反射坑36表面后满足全反射条件而发生全反射进入导光板35且在导光板35表面满足全反射条件而传播;α1≤α<α2的部分光直接入射到导光板35且满足全反射条件而传播;α2≤α<α3的部分光入射到曲面37并满足全反射条件发生全反射进入导光板35传播;α3≤α≤90°的部分光则在曲面38不满足全反射条件而出射,可以看作是损耗光,但由于一次光源在这个角度以内的光强很小,因此这种损耗很小。总而言之,一次光源发出的光可以高效率的耦合进入导光板35并在其中满足全反射条件而传播;同时,在导光板35中传播的光都必须满足全发射条件,即有θi≥θic。
导光板出射主面34按照一定的面分布率函数分布有多个凸出于出射主面34的光出射引导结构33,这些光出射引导结构33以圆弧状延伸,该圆弧以一次光源在出射主面34上的投影点为近似中心;出射主面34和分布于其上的光出射引导结构33的俯视图如图2b所示。在本实施例中,光出射引导结构33在圆弧径向方向上的宽度为50μm,相邻两个光出射引导结构33在圆弧径向方向上的最小间距为100μm。光出射引导结构33凸出于出射主面34,具有两个垂直于出射主面34的曲面42和43和两个分别与42和43相交并成一定夹角的曲面44和45;光出射引导结构33的任意一个纵剖面为关于对称轴48对称,所述的曲面42和43所对应的直线互相平行,所述的两个曲面44和45对应的直线构成该纵剖面顶部的峰46。图3为其任意一个纵剖面图及局部的光路示意图。对应直线相平行的两曲面42和43高25μm,其上的曲面所对应的直线构成该剖面图顶部峰46,夹角为110度(角度制)。可以看到,没有入射到光出射引导结构33的光线47并不受其影响而继续在导光板内传播;入射到光出射引导结构33的光在界面处由于满足θi≥θic,因此不满足光出射引导结构33的边界的全反射条件而透射或经过一系列的反射和透射而从出射主面34出射。因为几乎没有从导光板下表面32出射的无效出射光,因此导光板35总的导光效率能够达到80%。那么,局部的出射光强与该局部的导光板35内光场强度成正比,也和该局部的光出射引导结构33的分布密度成正比,即:
Pr∝ρr·Ir
其中,Pr为某一局部r的光出射强度,ρr为该局部的光出射引导结构33的分布密度,Ir为该局部的导光板35内部光场强度。考虑到由于光的出射而引起的导光板35内部光场强度Ir的衰减,ρr应随着光的传播方向有所增大。那么,通过合理设计各个局部的ρr,也就是设计光出射引导结构33的面分布率函数,就可以得到均匀的出射光分布。
在本实施例中,导光板下表面32为出射主面34相对的表面,下表面32的边界翘起与下表面成一定角度β,形成的平面为39。它的作用是使增强靠近边界处的出光光强,从图4的光路中可以明显看出,不需再作解释。在本实施例中,β为30度(角度制),平面39外侧表面贴有反射膜。在边界附近之外的其余部分,出射主面34和下表面32是互相平行的,这保证了光在导光板35内传播只要不入射到光出射引导结构33就始终满足全反射条件继续传播,不会有泄漏损耗。
实施例2的基于发光二极管的面光源模块,它与实施例1的不同之处在于其光出射引导结构33的纵剖面形状不同,这里重点说明不同的部分,对相同的部分省略重复说明。
实施例2的光出射引导结构33的纵剖面形状和局部的光路如图5所示。可以看到,局部入射到光出射引导结构61的光在界面处不满足全反射条件而从出射主面34出射。同样,因为几乎没有从导光板下表面32出射的无效出射光,导光板35总的导光效率能够达到与实施例1相近的水平,但是在光出射角度分布上于实施例1略有不同。
实施例3的基于发光二极管31的面光源模块,与实施例1的不同之处在于其光出射引导结构33在出射主面上的具体投影形状不同。这里重点说明不同的部分,对相同的部分省略重复说明。
实施例3的面光源模块的俯视图如图6所示。其光出射引导结构71在出射主面34上的投影为直线段,但仍满足以一次点光源在出射主面34上的投影点为近似圆心的近似圆弧的条件,即从一次点光源31到该光出射引导结构33上的任意一点A的连线72,与该直线或曲线在该点A的切线73的夹角(锐角)不小于60度(角度制)。
由于光出射引导结构33为近似以一次点光源在出射主面34上的投影点为近似的圆弧,其光路仍可近似为二维光路,因此其光路分析与实施例1相近,不再作重复说明;其效率与
实施例1相近。
实施例4为使用两个一次点光源31的面光源模块,其俯视图如图7所示。其光出射引导结构33分别以两个一次点光源31为中心分布,其纵剖面形状与实施例1相同。实施例3可以看作是实施例1的扩展,其光路分析与实施例1相近,不再作重复说明。
实施例5为M个如实施例1的基于发光二极管31的面光源模块91水平二维拼接而成的大面积面光源,若实施例1中的面光源模块的发光面积为S,则该拼接而成的面光源的发光面积为M×S。图8为实施例3的三维视图。
可以以其它形式实现本发明而不离开本发明的精神和范围或基本特征,当前公开的例子仅是其优选的实施例。
Claims (9)
1.基于发光二极管的面光源模块,该模块包含一个或多个发光二极管光源和一块将从该发光二极管光源发出的光扩散至一个出射主面并出射的导光板,其特征在于:
所述的导光板的出射主面上水平分布有若干个凸出于所述的出射主面的且以近似圆弧状延伸的光出射引导结构;所述的近似圆弧指的是任意一种直线或曲线,它是以所述的发光二极管光源在所述出射主面上的投影点为近似中心的;所述的出射主面指的是有效光所出射的平面。
2.根据权利要求1所述的基于发光二极管的面光源模块,其特征在于,所述的发光二极管光源是包含着一枚或若干枚发光二极管芯片的。
3.根据权利要求1所述的基于发光二极管的面光源模块,其特征在于,所述的出射主面,对于液晶显示装置的背光源来说,指的是面对液晶层的主面。
4.根据权利要求1所述的基于发光二极管的面光源模块,其特征在于,所述的出射主面,对于照明装置来说,出射主面指的是用于照明的平面。
5.根据权利要求1所述的基于发光二极管的面光源模块,其特征在于,所述的近似圆弧具有下述特征:从发光二极管光源到所述的直线或曲线上的任意一点的连线,与所述的直线或曲线在所述任意一点的切线的夹角为不小于60度的锐角。
6.根据权利要求1所述的基于发光二极管的面光源模块,其特征在于,在所述导光板中传播的光是在入射到所述的光出射引导结构中的某一个光出射引导结构后,在所述的光出射引导结构的界面发生透射或一系列的反射和透射,最终由所述的出射主面出射的。
7.根据权利要求1所述的基于发光二极管的面光源模块,其特征在于,所述的出射主面内的任意一个光出射引导结构的任意一个纵剖面的形状在几何上是全等的。
8.根据权利要求1所述的基于发光二极管的面光源模块,其特征在于:M个所述的面积各为S的出射主面构成了M个面光源模块,把它们在水平方向二维拼接后,形成一个面积为M×S的大面积面光源。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的基于发光二极管的面光源模块,其特征在于,把所述的一个或若干个面光源模块在水平方向二维拼接后构成一个面光源装置。
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