CN1858637A - 实现均匀光分布的发光装置及采用该发光装置的背光单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现均匀光分布的发光装置以及具有这种发光装置的背光单元。发光装置包括：光反射元件，该光反射元件具有光反射表面，光线由该光反射表面反射；光透射元件，该光透射元件形成在光反射元件的光反射表面上，并具有发光表面；以及点光源，该点光源向光透射元件发光。从点光源入射的光线通过其发出的光透射元件的发光表面包括：平的直接发光表面，该直接发光表面面对点光源，并且将电光源发出的光线直接透射到光透射元件的外侧；以及弯曲的全反射表面，该全反射表面围绕直接所述发光表面形成，并将点光源发出的光线全反射向光反射元件，并将光反射元件反射的光线透射到光透射元件的外侧。

Description

实现均匀光分布的发光装置及
采用该发光装置的背光单元
技术领域
本发明涉及一种用于实现均匀光分布的发光装置以及采用这种发光装置的背光单元，并尤其是，涉及一种仅对特定区域均匀发光的发光装置以及采用这种发光装置的直接照明型背光单元。
背景技术
液晶显示器(LCD)、一种平板显示器，是一种不发光的显示器，它不能自身发光，而是接收外界光线来形成图像。在这种情况下，背光单元安装在LCD的后侧以发光。冷阴极荧光灯(CCFL)以及主要用作LCD背光单元的光源。最近，已经研制了利用如发光二极管(LED)的点光源取代CCFL的背光单元。利用如LED的点光源的背光单元与利用CCFL的背光单元相比具有更高的色域。而且，当点光源以二维布置时，背光单元可以与LCD的扫描时间相同步地依次点亮光源，由此有效避免了在LCD中从一个图像转变到另一个图像时导致余象的运动模糊。
可以与LCD扫描时间同步地点亮光源(如LED)的背光单元可以构造成从一个LED输出的光线只均匀地照射到预定区域，而不扩散到其他区域。例如，当多个LED以二维布置时，一个LED必须仅均匀地向背光单元正上方的区域发光，而不能向其他区域发光。为此目的，需要一种用于从LED仅向特定区域均匀发光的发光装置。
图1A是传统发光装置1的截面图。参照图1A，传统发光装置1由透明树脂2形成，且LED装置3嵌入透明树脂2内。反射镜4附着到拱形透明树脂2的底面上。透明树脂2的顶面具有凸透镜形状的突出表面，该突出表面形成在中心部分。围绕透明树脂2的顶面的中心部分形成环形平面。中心突出的表面是直接发光表面，从LED装置3发出的光线直接从该表面发出，而圆周的平面是全反射面，从LED装置3发出的光线通过该平面全反射。
参照图1A，从LED装置3发出的光线的一部分通过直接发光表面5直接向上垂直发出。从LED装置3发出的光线的剩余部分被平的全反射表面6全反射，并然后被反射镜4反射，以垂直发出。在这种结构中，形成一个不发光的间歇不发光区域。图1B是示出发光装置1发出的光线分布的曲线。最亮的光线通过直接发光表面5发出，而不发出光线的不发光区域围绕直接发光表面5同心地形成。
图2A是解决该问题的传统发光装置的改进示例的剖面图。参照图2A，发光装置28由透明树脂12形成，而LED装置13嵌入到该透明树脂12中。发光装置28的底面分成三个反射镜29a到29c，且发光装置28的顶面是平的，且围绕该顶面的中心部分形成环形沟槽26。中心反射镜29a具有半球形状，而其他反射镜29b和29c为带有弯曲表面的环形。发光装置28的顶面的中心部分是直接发光表面15，光线通过该表面直接发出，围绕沟槽26形成的部分是全反射光线的全反射表面16。
在这种结构中，从LED装置13发出的光线的一部分穿过中心直接发光表面15，以直接向上垂直发射。从LED装置13发出的光线的另一部分被形成在直接发光表面15和沟槽26之间的壁面全反射，然后被第二反射镜29b反射，而垂直向上发出。从LED装置13发出的光线的另一部分被沟槽26全反射，并然后被第二反射镜29b以垂直发出，或者被全反射表面16全反射，并然后被第三反射镜29c反射，以垂直发出。同时，从LED装置13水平发出的少量光线被第一反射镜29a反射，并然后透射过直接发光表面15而发出。
但是，这种改进的发光装置28也具有这样的问题，即：光线不通过某些区域发出。例如，没有光线或少量光线通过反射镜的边缘部分，即，图2A中由虚线的圆标记的部分，结果，产生由图2B中斜线标记的同心圆形状的不发光区域。而且，光量从图2A的发光装置28的中心向边缘减少。于是，当发光装置28被切割成矩形，来实现其中以二维方式排列光源的背光单元时，由斜线标记的发光装置28的角落区域比其他部分暗。
发明内容
本发明提供了一种在特定区域内均匀发光的发光装置。
本发明还提供了一种利用这种发光装置的背光单元，该发光装置根据液晶显示器的扫描时间依次点亮光源。
根据本发明的一个方面，提供了一种发光装置，该发光装置包括：光反射元件，该光反射元件具有光反射表面，光线由该光反射表面反射；光透射元件，该光透射元件形成在光反射元件的光反射表面上，并具有发光表面；以及点光源，该点光源向光透射元件发光，其中，从点光源入射的光线通过其发出的光透射元件的发光表面包括：平的直接发光表面，该直接发光表面面对点光源，并将从点光源发出的光线直接透射到光透射元件的外侧；以及弯曲的全反射表面，该全反射表面围绕直接发光表面形成，并且将点光源发出的光线全反射到光反射元件，并将被光反射元件反射的光线透射到光透射元件的外侧。
光反射元件的光反射表面可以是倾斜的，以将从点光源直接入射的光线和被全反射表面全反射的并从全反射表面入射的光线反射向全反射表面。光反射元件的每个光反射表面可以具有矩形横截面，其宽度向上增加。光反射元件可以具有矩形的平的底面。
全反射表面可以具有随着远离直接发光表面而增大的高度。全反射表面可以具有随着远离直接发光表面而增大的曲率半径。直接发光表面为圆形，并且全反射表面的圆周具有矩形横截面。
点光源可以设置在光反射表面的中心，并由光透射元件的下部所围绕。点光源可以是激光二极管或发光二极管。
根据本发明的另一方面，提供了一种背光单元，其包括：基底；以及多个发光装置，该发光装置以二维阵列排列在基底上，其中，每个发光装置包括：光反射元件，该光反射元件具有光反射表面，光线由该光反射表面反射；点光源，该点光源设置在光反射元件的光反射表面的中心并发出光线；以及光透射元件，该光透射元件形成在光反射元件的光反射表面和点光源上，并且具有发光表面，从点光源入射的光线通过该发光表面发出，其中，光透射元件的发光表面包括：平的直接发光表面，该直接发光表面面对点光源，并且将点光源发出的光线直接透射到光透射元件的外侧；以及弯曲的全反射表面，该全反射表面围绕直接发光表面形成，并且将点光源发出的光线全反射向光反射元件，并且将光反射元件反射的光线透射到光透射元件的外侧。
所述背光单元还包括散射板，以均匀散射从发光装置发出的光线。
以二维阵列布置的所述多个发光装置形成以预定时间间隔依次发光的多条线。
所述背光单元还包括多个间隔壁，该间隔壁形成在基底上，并将所述布置成二维阵列的多个发光装置中的形成一条线的发光装置所发出的光线与形成另一条线的发光装置所发出的光线分隔开。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其他特征和优点将变得更清楚，图中：
图1A是传统发光装置的剖面图；
图1B是示出由图1A的传统发光装置发出的光线分布的曲线；
图2A是另一传统发光装置的剖面图；
图2B是示出在图2A的传统发光装置中产生的黑暗区域的俯视图；
图3A到3C示出根据本发明一个实施例的发光装置；
图4A和4B示出从图3A到3C的发光装置发出的光线通过其发出的路径；
图5示出从图3A到3C的发光装置所发出的光线分布的模拟结果；
图6A和6B示出根据本发明一个实施例的背光单元；以及
图7是根据本发明另一实施例的背光单元。
具体实施方式
将参照附图更全面描述本发明，附图中示出本发明的示例性实施例。
图3A到图3C示出根据本发明一个示例性实施例的发光装置，图3A是发光装置的光反射元件的透视图，图3B是发光装置的光透射元件的透视图，而图3C是发光装置的垂直剖面图。
参照图3A，发光装置30包括光反射元件31，该光反射元件31具有倾斜的光反射表面。四个倾斜的光反射表面中的每一个具有矩形横截面，其宽度向上增大。而且，光反射元件31可以具有矩形的平的底面。于是，光反射元件31看上去象是一个顶点水平切去的倒置金字塔。
参照图3B，发光装置30包括光透射元件35，该光透射元件具有底面和与光反射元件31的反射表面相似的侧表面。例如，光透射元件35可以由透明树脂制成，如乳化聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。在本实施例中，光透射元件35的顶面分成两个部分，即，形成在中心部分的平的圆形的直接发光表面33和围绕直接发光表面33形成的弯曲的全反射表面32。全反射表面32的圆周具有矩形横截面，其高度向外增大。于是，光透射元件35的顶面具有中空形状，它的高度向内减小，且在直接发光表面33处最低。
参照图3C，发光装置30包括：光反射元件31，该光反射元件31具有光反射表面，光线由该光反射表面反射；光透射元件35，该光透射元件35形成在光反射元件31的光反射表面上；以及点光源34，该点光源向光透射元件35发光。点光源34设置在光反射元件31的内部光反射表面的中心处，并且由光透射元件35的下部围绕。于是，从点光源34发出的光线入射到光透射元件35的下部上，并通过光透射元件35的顶面发出。点光源34可以是发光元件，如激光二极管(LD)或发光二极管(LED)。
图4A和4B示出从发光装置30发出的光线通过其发出的路径。图4A示出从点光源34发出的兰伯特光线由发光装置30从光透射元件35均匀发出。图4B示出在发光装置30中发出的光线所通过的三条路径。
参照图4B，在从点光源34发出的光线中，入射到直接发光表面33上的光线L1直接发射到光透射元件35的外侧。如果直接发光表面33过大，则光线会在直接发光表面33的边缘处全反射。于是，直接发光表面33应该形成为使得从点光源34入射到直接发光表面33边缘处的光线的入射角小于临界角。直接发光表面33的尺寸可以通过直接发光表面33与点光源34的距离以及光透射元件35的折射率来确定。
同时，由于从点光源34发出的光线是兰伯特光线，其在大面积上散射，从点光源34发出的一部分光线入射到全反射表面32和光反射元件31的光反射表面上。由于光线L2以大于临界角的角度入射到全反射表面32上，光线L2被全反射表面32全反射，而指向光反射元件31的光反射表面，然后被光反射元件31的光反射表面反射而指向全反射表面32。再次，由于被光反射元件31的光反射表面所反射的光线以小于临界角的角度入射到全反射表面32上，因此，光线发射到光透射元件35的外侧。而且，从点光源34以相对大的角度发出的光线L3向光反射元件31传播，并被光反射元件31的光反射表面反射，而入射到全反射表面32上。如上所述，由于被光反射元件31的光反射表面所反射的光线以小于临界角的角度入射到全反射表满32上，因此，光线可以直接发射到光透射元件35的外侧，而不全反射。
参照图4A，从点光源34发出的兰伯特光线通过发光装置30均匀地从光透射元件35射出。从点光源34发出的兰伯特光线在中心部分处亮度最高，并向外减小。最亮的中心光线直接通过直接发光表面33发射到光透射元件35的外侧。在此，由于外侧的折射率小于光透射元件35的折射率，发散角在外侧稍微增大。围绕中心光线的昏暗光线被全反射表面32全反射，被光反射元件31的光反射表面反射，并通过全反射表面32反射到光透射元件35的外侧。如图4A所示，大部分被反射并发出的光线围绕直接发出的光线指向。而且，从点光源34以最大角度发出的那部分光线具有最低的强度，使得它被光反射元件31的光反射表面反射，并通过全反射表面32发射到光透射元件31的外侧。以最大角度从点光源34发出、被光反射元件31反射、并然后发射到光透射元件35的外侧的光线也围绕直接发出的光线指向，以便与被全反射表面31全反射、由光反射元件31反射、并通过全反射表面31发出的光线相结合，由此增加强度。于是，从光透射元件35发出的光线具有均匀的强度，而没有暗区。此外，光线从光透射元件35向上发出，而不扩散到光透射元件35的边缘部分上。因此，光线可以均匀地发射到光透射元件35之上的特定区域。
为了使发射到光透射元件35的边缘部分的光线具有均匀的高强度，需要比现有技术中所用的光线更大量的光线发射到光透射元件35的边缘部分，以使之被全反射。为此目的，全反射表面32具有弯曲形状，全反射表面32的曲率半径随着远离直接发光表面33而增大。
图5示出从发光装置30发出的光线分布的模拟结果。方盒40的内部是发光装置30之上的一部分，而方盒40的外部是发光装置30的附近。参照图5，虽然发光装置30之上的部分具有均匀的高强度光线，而光线几乎不扩散到发光装置30的附近。
采用该发光装置30的背光单元可以根据液晶显示器(LCD)的扫描时间依次发出光线，而光线不会扩散到附近。图6A和6B示出根据本发明一个示例性实施例的采用这种发光装置30的背光单元40。图6A是背光单元40的剖面图，而图6B示出以二维阵列布置在背光单元40内的发光装置30。
参照图6A和6B，布置成二维阵列的多个发光装置40安装到基底41上，而散射板45安装在发光装置30上以均匀地散射从发光装置30发出的光线。在此，每个发光装置30具有与图3A到3C所示的发光装置30相同的结构。即，光透射元件35形成在光反射元件31上，光反射元件31具有倾斜的光反射表面，每个光反射表面具有矩形横截面，而点光源34，如LD或LED，设置在光反射元件31的中心部分处。从点光源34发出的光线经过其发出的光透射元件35的发光表面包括直接发光表面33和弯曲的全反射表面32，其中，从点光源34发出的光线通过所述直接发光表面33直接透射到光透射元件35的外侧，而从点光源34发出的光线被全反射表面32全反射到光反射元件31。
参照图6B，布置成二维阵列的多个发光装置30形成多个平行线30a、30b、30c…。在这个背光单元40中，形成一条线的发光装置可以同时点亮和熄灭，并可以根据LCD(未示出)的扫描时间以预定间隔依次发光。例如，形成第一条线30a的发光装置3可以同时点亮，以发光预定的时间段，并然后熄灭。随后，形成第二条线30b的发光装置可以同时点亮，以发光预定时间段，并然后熄灭。于是，可以有效防止传统LCD中的运动模糊等的严重问题。
如上所述，利用发光装置30，光线几乎不扩散到相邻线。为了可靠防止光线不扩散到相邻线，如图6A和6B所示的背光单元40可以还包括分隔壁，该分隔壁各自安装在相邻的线之间。图7是根据本发明另一实施例的背光单元的剖面图。参照图7，在布置成二维阵列的发光装置中，为了将从形成一条线的发光装置发出的光线与形成另一条线的发光装置所发出的光线分隔开，可以在基底41上安装多个分隔壁。例如，参照图6B，多个平行的分隔壁46可以形成在第一条线30a和第二条线30b之间以及第二条线30b和第三条线30c之间。分隔壁46可以可靠防止从第一条线30a发出的光线扩散到第二条线30b。
如上所述，根据本发明的发光装置可以均匀发光，而不产生暗区。于是，发光装置可以在预定区域内均匀发光。
此外，采用这种均匀发光的发光装置的背光单元可以根据LCD的扫描时间依次发光，而光线不会扩散到相邻线。于是，根据本发明的背光单元可以有效避免作为传统LCD中的严重问题的运动模糊。
虽然已经参照本发明的特定实施例特别图示和描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解到在不背离如所附权利要求书限定的本发明的精髓和范围前提下可以在各实施例中作出形式和细节的变化。

Claims (20)

1.一种发光装置，包括：
光反射元件，该光反射元件具有光反射表面，光线由该光反射表面反射；
光透射元件，该光透射元件形成在光反射元件的光反射表面上，并具有发光表面；以及
点光源，该点光源向光透射元件发光，
其中，从点光源入射的光线通过其发出的光透射元件的发光表面包括：
平的直接发光表面，该直接发光表面面对点光源，并且将电光源发出的光线直接透射到光透射元件的外侧；以及
弯曲的全反射表面，该全反射表面围绕直接所述发光表面形成，并将点光源发出的光线全反射向光反射元件，并将光反射元件反射的光线透射到光透射元件的外侧。
2.如权利要求1所述的发光装置，其中，光反射元件的光反射表面倾斜，以将从电光源直接入射的光线和由全反射表面全反射并从全反射表面入射的光线反射向全反射表面。
3.如权利要求2所述的发光装置，其中，光反射元件的每个光反射表面具有矩形横截面，其宽度向上增大。
4.如权利要求3所述的发光装置，其中，光反射元件具有矩形的平的底面。
5.如权利要求2所述的发光装置，其中，全反射表面的高度随着远离直接发光表面而增大。
6.如权利要求5所述的发光装置，其中，全反射表面的曲率半径随着远离直接发光表面而增大。
7.如权利要求5所述的发光装置，其中，直接发光表面具有圆形形状，并且全反射表面的周边具有矩形横截面。
8.如权利要求5所述的发光装置，其中，点光源设置在光反射表面的中心，并由光透射元件的下部围绕。
9.如权利要求8所述的发光装置，其中，点光源是激光二极管或发光二极管。
10.一种背光单元，包括：
基底，以及
多个发光装置，所述多个发光装置以二维阵列布置在该基底上，
其中，每个发光装置包括：
光反射元件，该光反射元件具有光反射表面，光线由该光反射表面反射；
点光源，该点光源设置在光反射元件的光反射表面的中心，并发光；以及
光透射元件，该光透射元件形成在光反射元件的光反射表面和点光源上，并具有发光表面，从点光源入射的光线从该发光表面发出，
其中，光透射元件的发光表面包括：
直接发光表面，该直接发光表面面对点光源，并且将点光源发出的光线直接透射到光透射元件的外侧；以及
弯曲的全反射表面，该全反射表面围绕直接发光表面形成，并且将点光源发出的光线全反射到光反射元件并将光反射元件反射的光线透射到光透射元件的外侧。
11.如权利要求10所述的背光单元，其中，光反射元件的光反射表面倾斜，以将从电光源直接入射的光线和由全反射表面全反射并从全反射表面入射的管线反射到全反射表面。
12.如权利要求11所述的背光单元，其中，光反射元件的每个光反射表面具有矩形横截面，该横截面的宽度向上增大。
13.如权利要求12所述的背光单元，其中，光反射元件具有矩形的平的底面。
14.如权利要求11所述的背光单元，其中，全反射表面的高度随着远离直接发光表面而增加。
15.如权利要求14所述的背光单元，其中，全反射表面的曲率半径随着远离直接发光表面而增大。
16.如权利要求14所述的背光单元，其中，直接发光表面为圆形，全反射表面的外周具有矩形横截面。
17.如权利要求14所述的背光单元，其中，点光源是激光二极管或发光二极管。
18.如权利要求14所述的背光单元，还包括散射板，以均匀地散射从发光装置发出的光线。
19.如权利要求14所述的背光单元，其中，以二维阵列形式布置的多个发光装置形成多条线，所述多条线以预定时间间隔依次发光。
20.如权利要求18所述的背光单元，还包括多个分隔壁，所述分隔壁形成在基底上，并将以二维阵列布置的多个发光装置中的形成一条线的发光装置发出的光线与形成另一条线的发光装置发出的光线分隔开。
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