CN209765923U - 一种具有补偿结构的背光源 - Google Patents

Abstract

本实用新型具有补偿结构的背光源，所述的背光源包括一基板、LED光源、反射结构、光传导层，所述基板上表面设置有若干LED光源，在各LED光源的外围均设置有环绕的反射结构；所述基板的上表面还设置有光传导层，所述LED光源和反射结构均位于光传导层内。本实用新型的优点在于：本实用新型提出的在LED矩阵四周加上反射结构后，可以在LED光源四周大角度范围内将光收集、反射、汇聚，可有效利用光源反射的部分光来补偿背光模组出光层出光，使出光层的亮度分布更加均匀；这种反射光补偿的方法不仅解决了背光源出光层的亮度不均的问题，而且避免了反射光的损失，提高了亮度与整体的显示效果。

Description

一种具有补偿结构的背光源

技术领域

本实用新型属于半导体封装技术领域，特别涉及一种具有补偿结构的背光源。

背景技术

随着光电技术的不断突破，高性能的半导体LED器件在商业、军工及民用等各领域被广泛应用。与此同时，LED器件在材料、芯片工艺、封装技术等方面也在不断提高，尤其是倒装芯片的成熟化与封装技术的多样化，芯片级封装CSP技术应运而生。所谓CSP光源通常采用封装层包裹住倒装芯片结构，免除了传统LED光源的大部分封装步骤和结构，可使得封装体尺寸大大减小。

芯片级封装LED芯片因具备其体积小，厚度轻薄，可载高功率，尺寸设计灵活性强等优势而被广泛应用到背光源领域。现阶段，背光模组可分为侧入式和直下式两种。直下式背光源工艺简单，不需要导光板，LED阵列置于背光模组底部，从LED发出的光经过底面和侧面反射，再通过表面的扩散板和光学模组均匀射出。

传统直下式背光模组通常在LED灯珠上方安装透镜，使LED灯珠发出的光经透镜后，均匀的照射到扩散板上。LED灯珠的光型和透镜大小及出光效果，增加了直下式背光模组的厚度，且由于透镜对相邻的LED灯珠发出的光经透镜照射到扩散板上的区域存在重叠，无法实现优秀的混光效果，也无法实现高动态范围的区域消光效果。

当前，直下式背光模组通常采用CSP封装的LED作为背光源。然而，现有技术CSP光源的白胶阻挡了发光芯片的侧面出光，光源亮度降低；同时，由于白胶阻挡了发光芯片的侧面出光，导致发生出光经多次反射、折射，此过程光转变成热，致使发热量大大增加，降低了光源可靠性、安全性，并且光源寿命缩短。与此同时，直下式背光模组的出光面上存在明暗区域明显，出光不均匀的问题。

下面以直下式LED矩阵背光源为例，为了解决其混光的利用率的问题，通常采用传统平面形反射面结构，即在LED矩阵平面之间设置有反射层补偿结构，从而在一定程度上提高了光能的利用率。理论上分析可知，当LED矩阵发出的光照射向出光平面上时，设出光面的透过率为ρ，在非理想状况下，ρ<l，所以，当照射到平面的光能为Φ时，ρ*Φ的光能被透射，而(1-ρ)*Φ的光能被反射回LED矩阵平面。

图1为传统的平面形反射面，即在LED矩阵平面正下方设置一层平面形反射面，用来将从出光面上反射至LED矩阵平面的光线反射回出光平面A以重新利用。如图1所示，a点处LED发出的光线射向出光平面A经出光平面A反射后重新射向LED矩阵平面，这样就相当子a’处有一个相同的LED发出的光线射向LED矩阵平面下方的反射面，其中a’点为关于出光平面A对称的像点。射向反射面的光线被反射面反射又重新射向出光平面A，这样就相当于a”处有一个同样的LED发出的光线射向出光平面A，其中a”点为a’点关于平面反射面的像点。

由出光平面A的亮度分布情况可以知道，如图中LED光源的正上方出光平面上的0处的光线较密集，亮度较大，而处于光源与光源中间对应于出光面A上的位置如图中B处的光线较稀疏，亮度较小。因此，0处的亮度高于B处的亮度。而a”点也在O点处的正下方，这样，反射光的叠加以后，会使0处的亮度更加大于B处的亮度，亮度不均更加明显。因此，采用平面反射面结构只能将反射光重新利用，一定程度上可提高光能的利用率，而该方法不能有效解决出光面亮度分布不均匀的问题。

还有一种是在光源外围设置反射杯或反射碗的方式，该方式能够将光源侧面或底部的特定区域内的光反射至出光面，虽然在一定程度上能够增加光的利用率，改善了局部暗区的缺陷，但是依然无法完全解决出光均匀性的问题。

背光模组的亮度与亮度均匀性目前是一对相互矛盾的参数指标，因为要达到较好的亮度分布均匀性能，目前通常是通过在光源发出的光传输向背光模组出光面的过程中设置各种均匀出光装置(例如均化板、扩散膜等)，这样，虽然达到了均匀出光的目的，但同时也由于光线在均匀出光装置中的多次反射与折射而造成了光能的损耗，因此在提高了亮度均匀性能的同时也降低了背光模组的整体亮度。

因此，如何解决背光源的混光均匀一致的问题且可提高背光模组的区域消光性能是业界关注的重点。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种具有补偿结构的背光源，能够通过采用反射光补偿结构设计，利用反射光以补偿背光模组亮度分布不均的情况，可解决背光源出光面的亮度不均的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：一种具有补偿结构的背光源，其创新点在于：所述的背光源包括一基板、LED光源、反射结构、光传导层，

所述基板上表面设置有若干LED光源，在各LED光源的外围均设置有环绕的反射结构；所述基板的上表面还设置有光传导层，所述LED光源和反射结构均位于光传导层内；

所述反射结构的反射面曲面满足以下条件：

限定基板整体为水平方向，光传导层上表面为出光面，各LED光源在光传导层出光面上的形成有若干相对暗区；

设定反射面的曲面方程为：y＝f(θ,h,H,D,θ₁,θ₂)，其中，

θ为LED光源的出射光线与LED光源的竖直方向形成的夹角，

h为反射结构的反射面最上端距基板上表面的垂直距离，即反射面的高度，

H为出光面与基板之间的高度，

D为两相邻LED光源之间的中心距，

所述各LED光源中，距某一相对暗区最近的一LED光源为参照光源，该相对暗区相对参照光源的远端边界与参照光源的连线记作L1，该相对暗区相对参照物的近端边界与参照光源的连线记作L2，θ₁为L1与LED光源的竖直方向形成的夹角；θ₂为L2与LED光源的竖直方向形成的夹角；

该反射面的曲面方程具有一阶导数y′和二阶导数y″，那么该反射面上的任意一点的曲率设为K，且数值上满足：所述且满足如下关系：

所述反射面的曲面在其高度方向上，曲面上任意一点距参照光源中心的距离自上而下依次减小；

所述反射面的曲面在其高度方向上，曲率K自上而下逐渐减小，即数值上反射面的曲面由上至下其曲率K与θ满足的数学关系为：

进一步地，限定反射面的曲面在其高度方向上，自上而下依次等分为上段、中段和下段，曲面方程中上段曲面的平均曲率为K₁，曲面方程中中段曲面的平均曲率为K₂，曲面方程中下段曲面的平均曲率为K₃，且满足K₂>K₁，K₂>K₃，|K₁-K₂|<0.3，|K₃-K₂|<0.3，|K₁-K₂|<0.1。

进一步地，所述反射结构的反射面为白墙或带有金属涂层。

进一步地，所述的LED光源为单面出光、四面出光或五面出光的任意一种LED光源。

进一步地，所述的光传导层为硅胶、空气、环氧树脂或PE中的任意一种。

本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型提出的在LED矩阵四周加上反射结构后，可以在LED光源四周大角度范围内将光收集、反射、汇聚，即右侧反射结构收集LED光源右侧出射光线位于反射结构弧面内的出射光，汇聚反射到LED光源左侧相对照射范围内的暗区，实现该暗区的补光，可有效利用光源反射的部分光来补偿背光模组出光层出光，使出光层的亮度分布更加均匀；这种反射光补偿的方法不仅解决了背光源出光层的亮度不均的问题，而且避免了反射光的损失，提高了亮度与整体的显示效果。

(2)采用本实用新型的反射结构后，可以在保持背光源显示模组厚度不变的情况下，增大LED光源排列间距，从而减少了LED光源的使用量，有效地降低了背光源的生产与制造成本；

(3)本实用新型的背光源光补偿技术方案可实现区域消光，提高动态显示范围，进一步提升显示性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为传统的LED光源平面反射面结构。

图2为典型五面出光的LED光强分布图。

图3为本实用新型具有补偿结构的背光源的结构示意图。

图4为图3中反射杯的反射补光原理示意图。

图5为本实用新型五面出光CSP光源的出光角度测试图。

图6为本实用新型大角度CSP光源的出光角度测试图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本实施例具有补偿结构的背光源，如图3所示，该背光源包括一基板1、LED光源2、反射结构和光传导层4。

基板1上表面设置有若干LED光源2，在各LED光源2的外围均设置有环绕的反射结构；基板1的上表面还设置有光传导层4，且LED光源2和反射结构均位于光传导层4内。本实施例中，反射结构的反射面3为白墙或带有金属涂层。LED光源2为单面出光、四面出光或五面出光的任意一种LED光源。光传导层4为硅胶、空气、环氧树脂或PE中的任意一种。

本实用新型中，反射结构的反射面3曲面满足以下条件：

限定基板1整体为水平方向，光传导层4上表面为出光面，各LED光源2在光传导层4出光面上的形成有若干相对暗区；

设定反射面的曲面方程为：y＝f(θ,h,H,D,θ₁,θ₂)，其中，

θ为LED光源2的出射光线与LED光源2的竖直方向形成的夹角，

h为反射结构的反射面3最上端距基板1上表面的垂直距离，即反射面的高度，

H为出光面与基板1之间的高度，

D为两相邻LED光源2之间的中心距，

各LED光源2中，距某一相对暗区最近的一LED光源2为参照光源，该相对暗区相对参照光源的远端边界与参照光源的连线记作L1，该相对暗区相对参照物的近端边界与参照光源的连线记作L2，θ₁为L1与LED光源2的竖直方向形成的夹角；θ₂为L2与LED光源的竖直方向形成的夹角；

该反射面的曲面方程具有一阶导数y′和二阶导数y″，那么该反射面上的任意一点的曲率设为K，且数值上满足：所述且满足如下关系：

反射面3的曲面在其高度方向上，曲面上任意一点距参照光源中心的距离自上而下依次减小；反射面3的曲面在其高度方向上，曲率K自上而下逐渐减小，即数值上反射面的曲面由上至下其曲率K与θ满足的数学关系为：

本实施例中，限定反射面3的曲面在其高度方向上，自上而下依次等分为上段、中段和下段，曲面方程中上段曲面的平均曲率为K₁，曲面方程中中段曲面的平均曲率为K₂，曲面方程中下段曲面的平均曲率为K₃，且满足K₂>K₁，K₂>K₃，|K₁-K₂|<0.3，|K₃-K₂|<0.3，|K₁-K₂|<0.1。

对于具有一定光学距离和LED芯片分布的背光源来说，其LED选定后，其光源的光型也就确定了。根据其光型分布数学关系可以用函数f(θ)来描述。单颗LED光源在出光面的光强可以简单描述为：I(θ)＝I(0)*cos²θ/R³，其中θ为所指定的方向与光轴方向的夹角，R为出光面上的点与点光源之间的距离。而背光源出光面上任意一点的光强是基板上多颗LED光源在出光面上的叠加的结果。数学上可以简单描述为：I∝∑I(0)*cos²θ/R³。而多颗LED光源叠加后的背光源出光面上会有亮区和暗区存在。而一般情况下，出光面的不均匀度要低于10％，视觉上才会不容易察觉，呈现更好的显示效果。

例如：由LED光源的发光特性可知，典型的单个五面出光LED的光强空间分布具有符合余弦分布的朗伯光源特性，如图2所示，即：发光强度I与cosθ成比例关系，由图中可以看出在±70°视角范围内的发光强度，基本符合系数为1的余弦分布，即，I(θ)＝I(0)*cosθ，式中θ为所指定的方向与光轴方向的夹角，I(θ)为所指定方向的发光强度，I(0)为光轴方向的发光强度。随角度分布规律的表达式，即光强分布函数可知，随着LED的光强大小从中心向两边迅速下降。在出光面上如果对θ为20-40度范围内的暗区域进行合理补光，可实现出光面的均匀一致，同时也可以实现光的高效利用。

但是，在暗区所处的二维平面内，光强分布是不同的，即暗区的暗度分布不均。从光强补偿的角度来说，部分区域需要补充多一些光强，部分区域补充光强较少。传统的弧形反射结构，无法实现对不同区域进行针对性光强补偿，即无法实现补光后整体均匀一致。

本实用新型中：

具体反射补偿方法为：在LED光源的四周设置有具有弧形型线的反射结构，如图4所示，该反射结构的反射面将LED光源四周θ在45-90度内的(θ为所指定的方向与光轴方向的夹角)光收集后，将其反射聚焦到该LED光源四周θ在20-40度照射范围内的暗区域进行补光。具体补光原理可以以背光源结构的截面为例加以解释，即：右侧反射结构收集LED光源右侧θ在45-90度内的光，汇聚反射到LED光源左侧θ在20-40度照射范围内的暗区，实现该暗区的补光。

当背光源的出光面与LED光源之间的高度H确定的情况下，对于特定的LED光源，其在出光面上暗区，即需要补光的区域也即确定了，分别对应于与竖直方向夹角为θ₁-θ₂之间的区域(选取的标准为该区域的光强与出光面平均光强相差10％以上)。

基板1上表面设置有若干LED光源2，在各LED光源2的外围均设置有环绕的反射结构；基板1的上表面还设置有光传导层4，且LED光源2和反射结构均位于光传导层4内；限定基板1整体为水平方向，光传导层4上表面为出光面，各LED光源2在光传导层4出光面上的形成有若干相对暗区。

实施例2

本实施例具有补偿结构的背光源，具体结构与实施例1相同，具体地，LED光源2为五面出光CSP光源，如图5所示，大角度(160°)五面发光CSP的第一代直下式面板灯，其厚度为15-25mm。成本更低，光效更高，功率及流明是传统面板灯的2-3倍。

实施例3

本实施例具有补偿结构的背光源，具体结构与实施例1相同，具体地，LED光源2为大角度CSP光源，如图6所示，大角度CSP的第二代直下式面板灯厚度为5-8mm和传统的侧入式面板灯厚度相当，成本更低，更轻薄，流明值更高。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征以及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型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实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型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实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种具有补偿结构的背光源，其特征在于：所述的背光源包括一基板、LED光源、反射结构、光传导层，

所述基板上表面设置有若干LED光源，在各LED光源的外围均设置有环绕的反射结构；所述基板的上表面还设置有光传导层，所述LED光源和反射结构均位于光传导层内；

所述反射结构的反射面曲面满足以下条件：

限定基板整体为水平方向，光传导层上表面为出光面，各LED光源在光传导层出光面上的形成有若干相对暗区；

设定反射面的曲面方程为：y＝f(θ,h,H,D,θ₁,θ₂)，其中，

θ为LED光源的出射光线与LED光源的竖直方向形成的夹角，

h为反射结构的反射面最上端距基板上表面的垂直距离，即反射面的高度，

H为出光面与基板之间的高度，

D为两相邻LED光源之间的中心距，

所述各LED光源中，距某一相对暗区最近的一LED光源为参照光源，该相对暗区相对参照光源的远端边界与参照光源的连线记作L1，该相对暗区相对参照物的近端边界与参照光源的连线记作L2，θ₁为L1与LED光源的竖直方向形成的夹角；θ₂为L2与LED光源的竖直方向形成的夹角；

该反射面的曲面方程具有一阶导数y′和二阶导数y″，那么该反射面上的任意一点的曲率设为K，且数值上满足：所述且满足如下关系：

所述反射面的曲面在其高度方向上，曲面上任意一点距参照光源中心的距离自上而下依次减小；

所述反射面的曲面在其高度方向上，曲率K自上而下逐渐减小，即数值上反射面的曲面由上至下其曲率K与θ满足的数学关系为：

2.根据权利要求1所述的具有补偿结构的背光源，其特征在于：限定反射面的曲面在其高度方向上，自上而下依次等分为上段、中段和下段，曲面方程中上段曲面的平均曲率为K₁，曲面方程中中段曲面的平均曲率为K₂，曲面方程中下段曲面的平均曲率为K₃，且满足K₂>K₁，K₂>K₃，|K₁-K₂|<0.3，|K₃-K₂|<0.3，|K₁-K₂|<0.1。

3.根据权利要求1所述的具有补偿结构的背光源，其特征在于：所述反射结构的反射面为白墙或带有金属涂层。

4.根据权利要求1所述的具有补偿结构的背光源，其特征在于：所述的LED光源为单面出光、四面出光或五面出光的任意一种LED光源。

5.根据权利要求1所述的具有补偿结构的背光源，其特征在于：所述的光传导层为硅胶、空气、环氧树脂或PE中的任意一种。