專利名稱：直下式背光系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種背光系統，尤其是一種直下式背光系統。
背景技術：
近年來，平板顯示器的市場隨著消費電子產品的發展越來越大，其中，液晶顯示器 (Liquid Crystal Display,LCD)占平板顯示的份額接近90% 。液晶顯示器作為一種被動發 光器件，本身不會發光，對于透射型液晶顯示器，必須依靠背光光源將光線穿過顯示面板， 展現圖形圖像。冷陰極管(Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL)和發光二極管(Light Emitting Diodes, LED)是目前液晶背光的兩種主要技術。LED背光主要優勢在于色彩還 原性好、低能耗、超長壽命、響應速度快、材料無環境公害、更好的電學光學控制性能等等， 尤其是使用了紅綠藍三基色LED后，其色彩還原性，可做到NTSC標準的105%以上，遠遠高 于CCFL背光的70%左右。從長遠來看，RGB三基色LED背光是液晶顯示背光技術中最有前 途的。 LED背光根據其光學結構分為側下式和直下式兩種。側下式的光源布置在面板側 面，通過導光板將光線分布到面板上，直下式的光源直接布置在液晶面板下方。 一般來說， 側下式LED背光總體效率高，背光板厚度較薄；直下式LED背光光線均勻度高，易于實現動 態區域對比度控制。 LED直接出光的光能量分布為朗伯型，光能量集中在軸向小角度內，直接將這種配 光的LED放置在面板下方很難實現面板上的均勻照明。目前的直下式LED背光多是基于側 面發光LED (Side EmitterLED)，詳見美國專利US6607286和US6679621,其出射的光能量集 中在水平方向±20°的范圍內。在這種基于側面發光LED的背光系統中，背光腔的內壁涂 覆以高反射率材料，LED發出的光線在背光腔內反復反射，最終在面板處形成照度色度都均 勻的光能量分布。這種背光結構的優點是均勻度高，缺點是光線在反復的反射過程損失了 很多能量，整體效率偏低，而且單顆LED并不直接對應面板上的某一區域，很難實現動態區 域對比度控制。 為了克服基于側面發光LED的背光系統的缺點，中國發明專利CN200710179030. 3
提出了將自由曲面表面的二次光學透鏡運用到背光源中，在這種方法中，每顆LED外部安 裝一個二次光學自由曲面透鏡，透鏡將LED封裝模塊發出的光束進行重新控制，每顆LED出 射的光線在面板處形成一定形狀的光斑，帶有二次光學透鏡的LED按一定規則排列，就可 在面板上形成大范圍均勻白光照明。這種方法提高了光能利用率，而且每顆LED對應面板 上的一塊區域，可以實現動態區域對比度控制。 雖然采用透鏡控制方法可以改進基于側面出光LED的背光系統的缺點，但外部安 裝的透鏡仍屬于二次光學系統，光學界面多，光能損耗仍偏高，LED模塊體積大，從而增加背 光板的厚度。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種無需安裝其他二次光學器件、提高背光 源整體光效、減小LED模塊體積、有利于減小背光板的厚度、實現超薄液晶顯示的基于LED 封裝的直下式背光系統。 為解決上述問題，本實用新型的直下式背光系統，包括背光源，背光腔體，擴散板、
增亮膜等光學膜層。 背光源是一種將LED背光中的LED光源用自由曲面透鏡進行模塊封裝的結構。具 體說就是一種將LED 二次光學系統與一次光學系統集成的新型LED封裝結構和方法用于 LED背光系統的方法。在LED模塊封裝時，采用自由曲面透鏡，直接對LED芯片進行封裝，得 到應用導向型(A卯lication Specific) LED模塊即背光源，使單個背光源出射的光斑就能 滿足不同尺寸厚度對背光源的要求。其包括發光二極管芯片、封裝管殼、封裝膠體和自由曲 面透鏡。發光二極管芯片貼裝在封裝管殼內，芯片電極與封裝管殼內電路層相連，且發光二 極管芯片被封裝膠體封裝；封裝膠體為填充膠體或熒光粉膠或填充膠體與熒光粉膠的混合 體；自由曲面透鏡可采用模具或精密加工方法制造，其出光面與入光面中至少有一表面為 自由曲面，由基面、入光面、出光面共同界定透鏡本體；所述自由曲面透鏡也可采用封裝膠 體灌注或自流成形方法制造，其出光面為自由曲面，由封裝管殼上表面與出光面共同界定 自由曲面透鏡本體；出光面自由曲面為連續自由曲面或非連續自由曲面；自由曲面透鏡為 單透鏡或多個透鏡組合或透鏡陣列；自由曲面透鏡用于提高發光二級器件的封裝效率，控 制光束出射方向，得到滿足不同照明應用需求的光能量分布，包括對稱或非對稱矩形光斑 或圓形光斑或橢圓形光斑或腰果形光斑，但不限于上述幾種光斑形狀。所述自由曲面透鏡 材料為對300nm 800nm波長光具有高透光率的有機或無機材料，包括聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)或聚碳酸酯(PC)或玻璃或環氧樹脂或硅膠或納米陶瓷，但不限于上述幾種材料，折 射率范圍為1. 3 3. 5 ;這種封裝結構和封裝方法適用于單芯片或多芯片封裝模塊，多芯片 中芯片的分布可以是陣列式或其他規則分布的形式。 作為本實用新型的直下式背光系統，可使用RGB三基色LED的背光源，則組合有 紅、藍、綠三種不同波長的背光源，每兩顆綠色、一顆紅色、一顆藍色共四顆LED的背光源緊 湊排列在一起構成一個背光單元(BLU)，但每組BLU中不同波長LED的背光源的構成不限于 上述方式；也可使用白光LED的背光源，則每一顆LED的背光源構成一個BLU ;所有的背光 單元在背光腔體底部規則排列，每組BLU發出的光線大部分直接到達腔體頂部，在腔體頂 部形成一規則近白色光斑，各個光斑通過拼合、疊加，實現大范圍的均勻照度均勻色度白色 照明。 本實用新型中所述的背光腔體內壁由高反射率材料構成，少部分由背光源發出的 沒有直接到達腔體頂部的光線通過內壁的反射到達腔體頂部；背光腔體內壁形狀為規則長 方體，或者是側壁與底面一定夾角的六面體，又或者是底面帶有凹槽的長方體，但背光腔體 內壁外形不限于上述結構；在背光腔體頂部有擴散板、增亮膜等光學膜層，用于將均勻照度 分布轉化為所需的亮度分布。 本實用新型所述的直下式背光系統可以使用由同一種自由曲面表征的透鏡封裝 的背光源，也可以使用多種自由曲面表征的透鏡封裝的背光源。 本實用新型將直下式LED背光中的LED光源用自由曲面透鏡進行模塊封裝，相比基于側面發光LED的背光系統，整體光能利用率大大提高；而相比于使用二次光學透鏡LED 的方法，在保證背光源光學性能的基礎上，不僅進一步減少了光學界面的光能損耗和吸收 損耗，減小了 LED模塊的體積，而且提高了 LED模塊對不同尺寸厚度的背光系統的兼容性。
圖11是本實用新型直下式背光系統的背光源的第一種結構形式。圖12是本實用新型直下式背光系統的背光源的第二種結構形式。圖13是本實用新型直下式背光系統的背光源的第三種結構形式。圖2是本實用新型直下式背光系統第一種結構形式。圖3是本實用新型直下式背光系統第二種結構形式。圖4是本實用新型直下式背光系統第三種結構形式。圖5是本實用新型直下式背光系統第四種結構形式。圖6是本實用新型直下式背光系統第五種結構形式。附圖標記說明11封裝管殼、12發光二極管芯片、13熒光粉膠、14封裝膠體、15自由曲面透鏡、16自由曲面透鏡注膠孔、17自由曲面透鏡注膠通道、18自由曲面透鏡與封裝 管殼固定結構、19封裝管殼與自由曲面透鏡固定槽、2背光腔體、21背光腔體內壁、3擴散 板、41增亮膜、42雙層增亮膜
具體實施方式
以下結合附圖進一步說明本實用新型的實施例 實施例1 如圖2所示， 一種直下式背光系統，包括背光源1、背光腔體2、擴散板3、增亮膜41 和雙層增亮膜42，其中背光源1如圖11所示，包括封裝管殼11、發光二極管芯片12、熒光粉 膠13、封裝膠體14和自由曲面透鏡15。封裝管殼ll為陶瓷基板。發光二極管芯片12通 過銀漿或焊料或其他粘結材料固定在封裝管殼11上，并通過打金線或其他電極互連方式 完成發光二極管芯片12與封裝管殼11之間的電互連。熒光粉膠13包裹發光二極管芯片 12。用模具制造或精密加工得到自由曲面透鏡15，其基面為一平面，入光面為一球面，出光 面為一連續自由曲面。自由曲面透鏡15通過固定結構18與封裝管殼11上固定槽19，固定 于封裝管殼11上，固定結構18與固定槽19為自然接觸或為粘結劑粘接。封裝膠體14從 自由曲面透鏡15上的注膠孔(16)，通過自由曲面透鏡15上的注膠通道17充滿由封裝管殼 上表面、芯片上表面與透鏡基面、入光面所包圍的腔體中。 本實施例中背光源1的發光二極管芯片12為白光LED，數個背光源1放置在背光 腔體2的底部，每個背光源1發出的光線在擴散板3底面處形成一定形狀的規則白色光斑， 背光腔體內壁21為涂覆高反射率材料的長方體形狀，擴散板3、增亮膜41和雙層增亮膜42 放置在背光腔體2的頂部。 實施例2 如圖3所示， 一種直下式背光系統，整體結構與實施例1相似，主要區別為本實施 例中使用RGB三基色LED的背光源1，則組合有紅、藍、綠三種不同波長的背光源l，每兩顆 綠色、一顆紅色、一顆藍色共四顆LED的背光源1緊湊排列在一起構成一個背光單元(BLU)，每組BLU發出的光線在擴散板3底面處形成一定形狀的規則白色光斑，背光腔體內壁21為涂覆高反射率材料的長方體形狀，擴散板3、增亮膜41和雙層增亮膜42放置在背光腔體2的頂部。 實施例3 如圖4所示，一種直下式背光系統，主要包括背光源1、背光腔體2、擴散板3、增亮膜41和雙層增亮膜42，其中背光源1如圖12所示，主要包括封裝管殼11、發光二極管芯片12、熒光粉膠13、自由曲面透鏡即封裝膠體14。封裝管殼ll為陶瓷基板。發光二極管芯片12通過銀槳或焊料或其他粘結材料固定在封裝管殼11上，并通過打金線或其他電極互連方式完成發光二極管芯片12與封裝管殼11之間的電互連。熒光粉膠13包裹發光二極管芯片12。封裝膠體14上表面是一連續自由曲面，為該發光二極管器件的出光面。封裝膠體14通過封裝管殼11上固定槽19，固定于封裝管殼11上；封裝膠體14上表面、封裝管殼11上表面與熒光粉膠13上表面共同界定自由曲面透鏡本體。 本實施例中背光源1的發光二極管12為白光LED，數個背光源1放置在背光腔體2的底部，每個背光源1發出的光線在擴散板3底面處形成一定形狀的規則白色光斑，背光腔體內壁21為涂覆高反射率材料的長方體形狀，擴散板3、增亮膜41和雙層增亮膜42放置在背光腔體2的頂部。[0032] 實施例4 如圖5所示， 一種直下式背光系統，整體結構與實施例3相似，主要區別為本實施例中使用RGB三基色LED的背光源1，則組合有紅、藍、綠三種不同波長的背光源l，每兩顆綠色、一顆紅色、一顆藍色共四顆LED的背光源1緊湊排列在一起構成一個背光單元(BLU)，每組BLU發出的光線在擴散板3底面處形成一定形狀的規則白色光斑，背光腔體內壁21為涂覆高反射率材料的長方體形狀，擴散板3、增亮膜41和雙層增亮膜42放置在背光腔體2的頂部。 實施例5 如圖6所示， 一種直下式背光系統，整體結構與實施例4相似，主要區別為本實施例中背光腔體2內壁21為涂覆以高反射率材料、剖面為梯形的六面體形狀。
權利要求一種直下式背光系統，包括背光源(1)、背光腔體(2)，其特征在于所述的背光源(1)是一種將LED背光中的LED光源用應用導向型自由曲面透鏡進行模塊封裝的結構。
2. 根據權利要求1所述的直下式背光系統，其特征在于所述的背光源(1)是由封裝管殼(11)、發光二極管芯片(12)、熒光粉膠(13)、封裝膠體(14)和自由曲面透鏡(15)組成，發光二極管芯片(12)貼裝在封裝管殼(11)內，其電極與封裝管殼(11)內電路層相連；包裹著發光二極管芯片(12)的熒光粉膠(13)被封裝膠體(14)封裝；自由曲面透鏡(15)通過固定結構(18)與封裝管殼(11)上固定槽(19)，固定于封裝管殼(11)上。
3. 根據權利要求2所述的直下式背光系統，其特征在于所述封裝管殼(11)是陶瓷管殼或金屬管殼或帶金屬基座的塑料管殼；封裝管殼(11)是平板型或是帶反光杯的結構。
4. 根據權利要求2所述的直下式背光系統，其特征在于所述封裝膠體(14)為填充膠體或熒光粉膠或填充膠體與熒光粉膠的混合體，材料為環氧樹脂或硅膠。
5. 根據權利要求2所述的直下式背光系統，其特征在于所述自由曲面透鏡(15)為單透鏡或多個透鏡組合或透鏡陣列。
6. 根據權利要求2或5所述的直下式背光系統，其特征在于所述自由曲面透鏡(15)可以采用模具或精密加工方法制造，則其出光面與入光面中至少有一表面為自由曲面；所述自由曲面透鏡(15)也可以采用封裝膠體灌注或自流成形方法制造，則其出光面為自由曲面。
7. 根據權利要求6所述的直下式背光系統，其特征在于所述采用模具或精密加工方法制造的自由曲面透鏡(15)具有一基面，基面是一平面或一球面或一自由曲面；基面中央設有入光面，入光面是一凹面；出光面是一連續或非連續自由曲面；基面、入光面、出光面共同界定透鏡本體；所述采用封裝膠體灌注或自流成形方法制造的自由曲面透鏡(15)具有一出光面，出光面是一連續或非連續自由曲面；封裝管殼(11)上表面與出光面共同界定透鏡本體。
8. 根據權利要求5所述的直下式背光系統，其特征在于所述由多個透鏡組合成的自由曲面透鏡(15)，組合透鏡至少有兩種透鏡曲面形狀。
9. 根據權利要求2或5所述的直下式背光系統，其特征在于所述自由曲面透鏡(15)材料為對300nm 800nm波長光具有高透光率的有機或無機材料，包括聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚碳酸酯PC或玻璃或環氧樹脂或硅膠或納米陶瓷，材料折射率范圍為1. 3 3. 5。
10. 根據權利要求1或2所述的直下式背光系統，其特征在于所述的背光源(1)為單個發光二極管芯片(12)或多個發光二極管芯片(12)封裝，多芯片封裝中芯片的分布為陣列式。
11. 根據權利要求l所述的直下式背光系統，其特征在于所述的背光源(1)可使用RGB三基色LED，則組合有紅、藍、綠三種不同波長的背光源(1)，每兩顆綠色、一顆紅色、一顆藍色共四顆背光源(1)緊湊排列在一起構成一個背光單元BLU;也可使用白光LED，則每一顆背光源(1)構成一個BLU。
12. 根據權利要求1所述的直下式背光系統，其特征在于所述的背光源(1)在腔體底部規則排列。
13. 根據權利要求l所述的直下式背光系統，其特征在于背光腔體(2)內壁由高反射率材料構成。
14. 根據權利要求1或13所述的直下式背光系統，其特征在于所述的背光腔體(2)內壁形狀為規則長方體，或者是側壁與底面一定夾角的六面體，又或者是底面帶有凹槽的長方體。
15. 根據權利要求2所述的直下式背光系統，其特征在于所述的自由曲面透鏡(15)在整個背光系統可以是同一種自由曲面表征的透鏡，也可以是多種自由曲面表征的透鏡。
16. 根據權利要求1所述的直下式背光系統，其特征在于在所述的背光腔體(2)頂部有擴散板(3)、增亮膜(41)等光學膜層。
專利摘要本實用新型公開了一種直下式背光系統，其包括背光源(1)、背光腔體(2)、擴散板(3)和增亮膜(41)等光學膜層。背光源(1)是一種將LED背光中的LED光源用自由曲面透鏡進行模塊封裝的結構，其包括發光二極管芯片(12)、封裝管殼(11)、封裝膠體(14)和自由曲面透鏡(15)。本實用新型的直下式背光系統基于LED封裝，可不經過二次光學設計直接應用于不同厚度不同面積的背光照明，對各種液晶面板有很好的兼容性，且出光效率高，非常適合平板顯示的節能要求。
文檔編號F21V5/04GK201526868SQ20092006198
公開日2010年7月14日 申請日期2009年8月7日 優先權日2009年8月7日
發明者劉勝, 王愷, 秦宗, 羅小兵, 金春曉, 陳飛 申請人:廣東昭信光電科技有限公司