CN1908762B - 用于lcd背光照明显示器的光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有光源、光管和光转换层的装置。光源包括阵列布置的多个LED管芯，每个LED发射具有激发波长的光，光源发射一定锥角内的光。光管定位成经过边缘表面接收所述锥角内的光，使得预定锥角内的光由顶面全内反射。光管具有以一角度对一些光进行重定向的构造，使得一些经过重定向的光经过顶面出射。光转换层位于顶面上方，并将激发波长的光转换为输出光谱中的光，所述输出光谱具有不同于激发波长的波长。可以设置显示层使其由来自光管的光照明。

Description

用于LCD背光照明显示器的光源
技术领域
本发明涉及用于LCD背光照明显示器的光源。
背景技术
液晶显示器(LCD)用于许多种计算机和诸如电视机的消费设备中。背光照明LCD是象素的阵列，其中每个象素作为开闭装置，使来自位于象素后面的光源的光通过或将其阻挡。通过给象素设置彩色滤波器，使每个象素透射或阻挡特定色彩的光，可以实现彩色显示器。来自每个象素的光强度由该象素处于可透过状态的时间来设定。
显示器通常由白光光源照明，该白光光源在显示器的整个背面提供均匀的光强度。基于荧光灯的照明光源特别有吸引力，因为其每一瓦时的功耗具有较高的光输出。但是，这样的光源需要高驱动电压，使其对于电池带动的设备更少的吸引力。
用于手持设备例如蜂窝电话和PDA的LCD显示器必需非常薄，因为显示器占据设备厚度的很大部分。基于荧光灯的光源对于这种薄显示器适用性较差。用于LCD阵列的背光照明系统通常在LCD阵列后面使用某种形式的光箱或光管。光从光箱的周边注入光箱。与邻近LCD阵列的表面相对的光箱表面具有对光进行散射的某种形式的散射性覆盖物，以使LCD的背面得到均匀照明。优选的光源是产生白光的线光源。线光源与光管的边缘对准。为了将光有效地耦合到光管中，线光源的厚度必需比光管的厚度小得多。
光源的厚度受到光箱厚度的限制。在用于膝上型计算机和手持设备例如光电检测器阵列和蜂窝电话的显示器中，显示器的厚度特别重要，因为显示器厚度限制了设备的总体厚度。这些便携式设备中的一些需要厚度小于10mm的光箱。随着光箱的厚度减小，基于荧光灯的解决方案逐渐难以实施，但仍然保持较高的功率转换效率。
结果，在这些应用中，人们对利用基于LED的光源有很大兴趣。LED具有相似的电效率和较长寿命。另外，所需的驱动电压也与大多数便携式设备上可用的电池功率相容。另外，LED光源中光发射器的尺寸远小于1mm。因此，由多个LED构成的线光源即使对于上述薄光管也可以提供较高的耦合效率。
显示器通常由LCD面板构成，该LCD面板由白光光源进行背光照明。面板包括象素阵列，其中每个象素包括使来自背光灯的光透射或将其阻挡的LCD光闸。每个象素对应于将要出现在所产生的图像中特定点处的特定色彩的光。因此，每个象素都包括带通滤波器来从由背光灯产生的白光中选择特定色彩的光。通常使用三种色彩，红色、蓝色和绿色。因此，具有N个图像点的图像需要3N个象素。
观察屏幕的人感受到的每个象素处的光强度由开闭装置开启的时间段确定，而不是通过对经过开闭装置的光强度进行改变来确定。考虑显示器上显示的运动图像。该图像包括顺序投影的一系列帧。每帧显示的时间段很短，以致眼睛只能度量在该时间段内来自每个象素的平均光强度。因此，开启时间两倍于相邻象素的象素，其亮度也表现为两倍，即使在象素开启的时间段期间离开每个象素的实际光强度相同。
用于对这样的显示器进行照明的LED光源通常由三种色彩的LED构成。通过调整经过LCD面板所用光源中每个LED的驱动电流，对LED的相对强度进行调整，其中所述LCD面板采用上述强度方案。光源通常由沿平行于光管边缘的直线相间排列的红色、蓝色和绿色LED构成以模拟白光线光源。
但是，LED受困于老化问题。随着LED的老化，必须增大经过LED的驱动电流以补偿LED的老化。由于不同色彩LED的老化效应不同，感知的显示器色彩将随着老化而偏移，除非改变驱动电流。在一种光源中，每个色带的光强度由相应的一组光电二极管测量。然后调整驱动条件以将光电二极管的输出维持在与光源的期望感知色彩相应的一组预定值。这种方法假定特定型号的所有的LED老化速率相同，并且指定型号的LED是串联驱动的。但是，即使在这些假设情况下，与监视操作相关的额外电路和检测器也是显示器成本中的重要因素。
发明内容
本发明包括一种具有光源、光管和光转换层的装置。光源包括阵列布置的多个LED管芯，每个LED发射具有激发波长的光，光源发射一定锥角内的光。光管包括具有顶面、底面和边缘表面的透明材料层。光管定位为经过边缘表面接收所述锥角内的光，使得预定锥角内的光由顶面全内反射。光管还包括以一角度对锥角内的光进行重定向的构造，使得一些经过重定向的光经过顶面出射。光转换层位于顶面上方，并将激发波长的光转换为输出光谱中的光，所述输出光谱具有不同于激发波长的波长。在一种实施例中，管芯布置成线性阵列。在一种实施例中，光转换层包括悬浮在透明介质中的荧光化合物颗粒。在一种实施例中，颗粒的最大截面尺寸小于激发波长。在一种实施例中，光转换层包括溶解在透明介质中的可溶荧光化合物。在一种实施例中，部分激发光从光转换层出射。在一种实施例中，该装置还包括光转换层上方的显示层，显示层由离开光转换层的光进行照明。在一种实施例中，显示层包括透明件。在一种实施例中，显示层包括LCD显示面板。
附图说明
图1是现有技术的光源10的俯视图；
图2是现有技术的光源10沿图1所示2-2线的剖视图；
图3是由荧光转换LED构成的光源的剖视图；
图4是根据本发明一种实施例的光源的局部剖视图；
图5是图4所示光源70的分解立体图。
具体实施方式
参考图1和图2可以更容易地理解本发明获得其优点的方式，图1和图2图示了用于照明LCD显示器16的现有技术光箱结构。图1是光源10的俯视图，图2是沿图1所示2-2线的光源10的剖视图。光源10使用LED11的阵列照明光管12。LED安装在电路板13上，电路板13安装在向LED提供功率的第二板15上。LED定位成为使经过透镜24离开每个LED顶部的光照明光管12的末端23。相对于表面21以小于临界角的角度进入光管12的光在光管12中来回反射，直到光由表面17上的颗粒22吸收或散射。以大于临界角的角度照射到表面21的散射光离开光管并照明LCD显示器16的背面。
光管中光的光谱成分由18所示的光电二极管阵列取样。阵列中的每个光电二极管包括波长滤波器以将到达该光电二极管的光限制在预定波长段内发光。如上所述，反馈控制器用光电二极管的输出来调整LED的电流或占空比。
已经提出的避免老化差异问题的一种方法是用荧光转换LED构成红色、蓝色和绿色LED。现在参考图3，它是由荧光转换LED构成的现有技术光源的剖视图。荧光转换LED 30包括安装在衬底32上的井33中的LED 31。井壁通常是反射性的，以收集离开LED侧面的光，并将该光重新导至向前的方向。来自LED 31的光用于照明发射适当色彩光的荧光层34。例如，可以用紫外发射LED照明发射红光的荧光层。通过改变荧光材料，可以用相同类型的LED产生其他色彩的光。如果所有的LED光源使用相同类型的紫外发射LED，即可基本消除上述老化差异问题，因为所有的LED将以相同速率老化，该速率与每个LED照射的具体荧光层无关。
尽管这样的结构减小了上述老化问题，但图3所示的设计仍然会产生其他问题。首先，光源的外观尺寸由LED所照明的荧光材料面积确定，而不是由LED表面上的光发射区域尺寸确定。因此，光源的尺寸比LED上的光发射区域大得多。
此外，荧光层向各个方向发射光。向后朝LED发射的光由井33的侧壁反射到向前的方向。这进一步增大了光源的外观尺寸，因为这样的光源由于反射壁产生的荧光层虚像而象是多层光源。
光源的物理尺寸增大使得更难将来自LED的所有光在正确的角度范围内照射到光管中，以确保入射光在光管侧壁的全内反射。注入效率降低使总光电转换转换效率降低，因此需要使用更高功率的LED。
另外，荧光转换层仅仅将来自LED的部分光转换到期望的色彩。除了激发荧光的理想谱线外，LED光还激发其他的吸收过程，这些吸收过程引起理想光谱区域之外的光谱区域的发射。这些非产出性的吸收行为降低了荧光材料总的光转换效率。
荧光层通常通过在透明基质如环氧树脂中散布荧光材料颗粒来构成。基质吸收来自LED的某些光。另外，荧光颗粒吸收来自LED的某些光而不将这些光转换为理想的波长。此外，荧光颗粒使LED的某些光以不被导入光管的角度散射。最后，如果荧光层较薄，则部分LED光未经转换就会离开并损失掉了。如果这个层的厚度足以吸收所有的入射光，则非产出性的吸收过程和散射造成的损耗都要增大。
现在参考图4，它是根据本发明一种实施例的光源的局部剖视图。在图4所示实施例中，光源70照明LCD面板50。光源70包括结合到光管73的紫外线光源80，所述光管73形成光混合箱用于照明光转换层60，光转换层60接着照明LCD面板50。光源70由填充有折射率匹配混合物的区域77连接到光管73。
光源70包括多个紫外发射LED，它们沿与附图平面正交的方向排成线性阵列。71处示出了通常的LED。沿垂直方向离开LED 71的光由反射器72反射到光管73中。反射器72的尺寸和截面形状选择为使基本上所有的从光管73的顶面74或底面75初次反射离开LED 71的光都以大于临界角θc的角度反射。另外，在衬底89上安装有管芯的衬底顶面还可以包括反射涂层以进一步改善对光的收集。因此，这部分光将反过来向光管73的底面75发生全内反射。照射到表面75上时，光或者以又一次大于临界角的角度反射，或者由表面75上的散射中心78散射。反射的光将由表面74再次进行全内反射并重新导向回表面75。散射光中以小于θc的角度照射到表面74的光将离开光管并照明光转换层60的底面。以大于θc的角度散射的任何光将继续被封闭在光管内。
光转换层60包括将紫外光转换为所期望的色彩谱线的光的许多荧光材料。在这种示例性实施例中，将荧光材料选择为提供红色、蓝色和绿色光谱范围内已知照明级的光。LCD面板包括每个象素处的滤波器以从适当谱线范围选择光。未由光转换层60转换的任何紫外光由反射器61反射回光管73中，反射器61反射紫外波长的光而使与荧光材料光谱区域相对应的可见波段的光通过。反射器61反射的光第二次经过光转换层60，因此，这部分光中的很大一部分由光转换层60进行了转换。任何其余的光都进入光管73，在该处再次由光管73的表面反射，直到被吸收或再次被反射到光转换层60中。
已知这样的反射器在垂直腔面发射半导体激光器领域中用作激光器的反射镜，因此此处将不对其进行详细讨论。为了此处所进行的讨论，知道下述内容就足够了：反射器由多个透明材料层构成，并使相邻层具有不同的折射率和厚度，折射率和厚度的选择使组合的堆叠形成上述的波长下的相干反射器。还应当注意，反射器61可以是可选的。
由散射中心78散射的一些光将被导向为以可能使光经过表面75离开的角度离开表面74。为了防止损失这样的光，光管73的底面可以涂有反射材料，也可以在光管73下方设置单独的反射器79。
通过使用带有反射表面的衬底89，可以进一步增加到达光管的光的量。离开管芯71的一些光将受到反射，使其照射到衬底。如果衬底的表面是反射性的，这样的光将被导入光管，从而提高光收集效率。
光转换层60通常包括一种或多种荧光材料。荧光材料的具体选择及其各自的浓度取决于光源照明的目标。对于LCD显示器的情况，红色、蓝色和绿色荧光材料是优选的。应当明白，LCD面板可以通过调整相应开闭装置的开启时间来校正荧光材料相对浓度的误差。因此，例如，如果红色的浓度偏低10％，则LCD面可以通过使所有红色象素开闭装置的开启时间加长10％来校正这种误差。此外，对于LCD显示器的情况，可以使用比较窄的输出光谱带。
另一方面，如果光源要用于消除具有较宽范围色彩的画面或者透明件，则选择的荧光材料必需提供宽得多的光谱范围。在此情况下，优选使用两倍于特定色温白炽光源的光谱输出的光源。
在一种实施例中，光转换层60是这样构成：通过在透明环氧树脂中混入适当的荧光材料，然后使用传统的旋涂技术用该混合物涂敷光管73表面以提供均匀的薄层。在旋涂得到期望的层厚之后，可以用紫外可凝固的环氧涂层使该涂层快速凝固。
光转换层也可以由多个子层构成，每个子层提供荧光材料中的一种。在此情况下，除了顶层之外的每个子层都必须使至少一些紫外光能够经过该层，从而为该层上方的层中的荧光材料提供激发照明。
还可以预先形成光转换层，然后将其粘合到光管表面。在光转换层具有若干个子层的情况下，各个子层可以分别粘合。这样的预制荧光层使设计者在组装光源时几乎无需额外的设备或制造技术就可以对荧光材料进行混合和匹配。
如上所述，荧光颗粒的散射容易降低光转换层的光转换效率。在一种实施例中，将光转换层中所用的荧光颗粒的尺寸选择为小于紫外光的波长。这样尺寸范围内的颗粒引起的散射小得多。具有此范围内的尺寸的颗粒在量子点荧光材料领域中是熟知的。另外，带有纳米或微米量级颗粒的传统荧光材料也是本领域已知的。
另外还有可溶有机荧光材料，它不受上述散射问题影响。共同在审的专利申请11/025,450中详细讨论了将这样的荧光材料用于LED光源中的光转换层，该申请通过引用而结合于此。由于可以单独合成光转换层并结合到光管，所以在根据本发明的光源中，这种有机荧光材料存在的材料相容性和温度限制问题都大大减小。
现在参考图5，它是图4所示光源70的分解立体图。如上所述，各个紫外LED 71排列成线性阵列。反射器72与衬底89之间的区域可以填充透明介质52以保护管芯。在图4和图5所示的实施例中，LED由55和56所示的两条迹线供电。迹线是衬底89的一部分。在此实施例中，各个管芯经过管芯底部的触点连接到迹线55，并通过引线键合连接到迹线56，各个管芯并联。但是，也可以采用利用其他连接方式的实施例。在另一种实施例中，各个管芯是串联的，每个管芯承受相同的电流。
本发明的上述实施例使用紫外LED照射荧光层。但是，也可以构建使用其他波长激发辐射的实施例。例如，有许多荧光材料将蓝光转换到更长的波长。在此情况下，部分未由光转换层转换的激发光形成了来自光源的部分照明。例如，可以用蓝光LED照明光转换层来构成白光光源，所述光转换层将部分蓝光转换为红光和绿光。在这样的光源中，省去了图4中61所示的可选反射器。最终光谱中使用的激发光的量一般取决于具体的应用和设计。在一种实施例中，至少10％的激发光未经转换就离开荧光层。
根据前述说明以及附图，本领域技术人员可以明白对本发明进行的各种改变。因此，本发明仅由权利要求的范围限定。

Claims (15)

1.一种用于照明的装置，包括：
光源，所述光源包括衬底、安装在所述衬底上并阵列布置的多个LED管芯以及对离开所述LED管芯的光进行反射的反射件，每个所述LED发射具有激发波长的光，所述衬底中安装所述LED管芯的顶面包括反射涂层，所述光源发射一定锥角内的光；
光管，所述光管包括具有顶面、底面和边缘表面的透明材料层，所述光管由填充有折射率匹配混合物的区域连接到所述光源，并定位成经过所述边缘表面接收所述锥角内的光，使所述锥角内的光由所述顶面全内反射，所述光管包括以一角度对一些所述锥角内的光进行重定向的构造，使得经过所述重定向的光中的一些经过所述顶面出射；
位于所述顶面上方的光转换层，所述光转换层将所述激发波长的光转换为具有输出光谱的光，所述输出光谱具有不同于所述激发波长的波长，所述光转换层包括悬浮在透明介质中的荧光化合物颗粒，所述颗粒的最大截面尺寸小于所述激发波长；以及
位于所述光转换层上方的反射器，用于将所述激发波长的光反射回所述光管中，同时使射出所述转换层的其他波长的光通过。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述管芯布置成线性阵列。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括位于所述底面下方的反射器，所述反射器对所述激发波长的光和具有所述输出光谱中波长的光进行反射。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光转换层包括溶解在透明介质中的可溶荧光化合物。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述激发波长小于490nm。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述激发波长在200nm和485nm之间。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，部分所述激发波长的光从所述光转换层出射，所述部分多于进入所述光转换层的所述激发波长的所述光 的10％。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括所述光转换层上方的显示层，所述显示层由离开所述光转换层的光照明。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述显示层包括透明件。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述输出光谱被人类观察者感知为白光。
11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述显示层包括LCD显示器，其中所述输出光谱包括红光、蓝光和绿光。
12.一种照明表面的方法，包括：
用光源发射一定锥角内的激发波长的光，所述光源包括衬底、安装在所述衬底上并阵列布置的多个LED管芯以及对离开所述LED管芯的光进行反射的反射件，每个所述LED发射所述激发波长的光，所述衬底中安装所述LED管芯的顶面包括反射涂层；
用所述光经过填充有折射率匹配混合物的区域照明光管的边缘表面，所述光管包括具有顶面、底面和所述边缘表面的透明材料层，使所述锥角内的光由所述顶面全内反射；
将一些由所述顶面反射的所述光重定向，使经过所述重定向的光经过所述顶面出射；
用光转换层将一些离开所述顶面的所述光转换为输出光谱中的光，所述输出光谱具有不同于所述激发波长的波长，所述光转换层包括悬浮在透明介质中的荧光化合物颗粒，所述颗粒的最大截面尺寸小于所述激发波长；
定位待被照明的所述表面，使所述输出光谱中的所述光照明所述表面；和
将可能到达待被照明的所述表面的所述激发波长的光在所述光到达待被照明的所述表面之前反射回所述光管中，同时使所述输出光谱中的所述光能够到达待被照明的所述表面。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括由布置为线性阵列的多个LED产生所述激发波长的光。 
14.根据权利要求12所述的方法，其中，通过照明位于所述光管上方的荧光层将所述激发波长的所述光转换为所述输出光谱的光。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括将离开所述光管的所述底面的光反射回所述光管中。 
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