專利名稱：用于液晶投影顯示系統的低功率極高亮度led背光光源的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種用于液晶投影顯示系統的極高亮度LED背光光源。屬于照明用光源和光學技術領域。
背景技術：
目前，傳統用于投影顯示系統都是用高亮度像素管作為高亮度顯示像源，有關光路見圖1 ；高亮度像素管是一種陰極射線管(CRT)，由于CRT形式的電視機、監視器等彩色顯示系統已經被以液晶、等離子顯示PDP等平板顯示系統代替，CRT相關行業在今天已經逐步消失，因此高亮度像素管也將逐步被極高亮度的液晶顯示像源代替；投影顯示光學系統將顯示像源的顯示畫面經過投影系統放大視場角，并經半反半透鏡反射到觀察者的眼睛，在無窮遠處成虛像。對應高亮度像素管的顯示發光視場角一般大于士30°即可。為了能同時清晰的看到倉外的環境狀況，半反半透鏡的透過率遠大于反射率，一般透過率為80%，反射率在20%左右，因此有接近80%的光線被透過損失；在強陽光環境下，為了清楚的觀測顯示圖象，經過半反半透鏡反射的顯示圖象亮度要大于6000 cd/m2，對應高亮度像素管的顯示亮度要達到30000 cd/m2以上。這個亮度指標相對一般的高亮度液晶顯示器在1000 1500 cd/m2的高亮度而言，高了 20 30倍，所以稱為極高亮度；為了提高在高亮度環境下投影顯示的對比度及分辨能力，高亮度CRT像素管一般采用綠色熒光粉，只發出綠色光譜， 只有在近期的投影顯示系統有彩色的顯示能力，對亮度的要求也更高。用液晶顯示代替高亮度CRT像素管早在10多年之前就有人開始研究，關鍵技術問題是定制的有特殊要求的液晶屏及具有極高亮度的背光。一般的液晶或LC0S、DLP等投影顯示系統采用金鹵燈、高壓氙燈作為光源，這些光源發光效率較高(達到100Lm/W)，但其發出的光譜包含大量的熱紅外及綠色以外的其他可見光，要達到投影顯示系統的高亮度特定光譜、低重量、小體積要求有很大的困難。隨著LED技術的發展，發光的效率逐步提高，白色LED的發光效率已經大于IOOLm/ W,綠色LED的發光效率已經達到90Lm/W，而且LED發出的光譜極少含有熱紅外光譜，對綠色LED而言，發出的綠色光譜與傳統的高亮度像素管光譜接近，可以完全替代；因此采用單色液晶顯示屏(透過率相對彩色液晶顯示屏高2-3倍)、以綠色LED為核心，在需要的情況下可以增加紅色、藍色LED，通過RGB彩色背光同步工作，分場顯示的不同顏色的畫面，利用人眼視覺停留的特性形成彩色圖象顯示。
發明內容
本發明提出的是一種用于液晶投影顯示系統的低功率極高亮度LED背光光源，其目的旨在克服現有技術所存在的配置復雜、功率大、成本高等缺陷，滿足投影顯示系統要求，可替代傳統高亮度像素管，具有功率低、亮度高等特點。本發明的技術解決方案一種用于液晶投影顯示系統的低功率極高亮度LED背光光源，其配置方法包括a、采用高效發光二極管LED陣列及聚光反射碗陣列排布方式，具備小角度發光特性；
b、發光二極管LED可以是一到三個不同顏色紅、綠、藍，至少有綠色的發光二極管LED 或LED芯片組成的LED發光單元，根據顯示圖像色彩的需要，配合與顯示圖像行場同步LED 驅動電路，發出不同顏色的極高亮度背光；
c、采用高效發光二極管LED芯片，根據每個LED發光單元中的芯片數量、排布圖形設計反射碗的形狀，LED芯片的發光點或面與反射碗的反射拋物面焦面基本重合；反射碗的反射面形狀具有定角度聚光特性外，并最大限度的提高液晶顯示像面光線亮度的均勻性；多個反射碗組成的反射碗陣列集中在反射板上，反射板的反射碗表面及外表面作拋光鍍膜處理；
d、采用鋁基、銅基或導熱陶瓷基材背光電路板，焊接光二極管LED或綁定LED芯片，有更大面積的金屬散熱殼體與熱陶瓷基材背光電路板低熱阻裝配接觸散熱；
e、LED單芯片額定0.5W以上，低功率工作的方式，充分提高LED的發光效率；
f、在液晶顯示屏和LED發光單元之間的光學增亮膜緊貼液晶顯示屏，在保證光源的發光均勻性基礎上，提高液晶顯示系統的顯示亮度，以上在較小功率密度下滿足特定亮度及均勻性要求的光源即是本發明的用于液晶投影顯示系統的低功率極高亮度LED背光光源。本發明具有以下優點設計周期短、關鍵光學元件反射板加工成本低的優點，可用于制造各種液晶投影平視顯示系統背光光源。壽命長，安裝維修方便。
附圖1是投影顯示系統的光路示意圖。附圖2是近似朗伯分布的LED亮度角度分布曲線圖。附圖3是工作電流相對亮度的關系圖。附圖4是工作電流與LED管壓降的關系圖。附圖5是LED芯片的結溫與發光效率的關系圖。附圖6是本發明基本光路結構示意圖。附圖7是針對一顆到三顆LED的芯片數量設計的對應反射碗底部開口圖。附圖8是反射碗拋物線剖面形狀，LED發光面與拋物線的焦點近似重合，拋物線的開口角與最終產品要求的視場角一致(如60° )圖。附圖9是針對不同的LED排布陣列對應不同的反射碗出光口形狀設計圖。其中圖9a是LED矩陣排列時，出光口圓形方式圖；9b是LED矩陣排列時，出光口圓形方式圖；9c是LED三角形(蜂窩形)排列時，出光口六邊形方式圖；9d是LED三角形排列時，出光口圓形方式圖。附圖10是基本光路結構中的背光燈腔的高度、反射板的厚度圖。附圖中的1是散熱殼體、2是導熱陶瓷基材背光電路板、3是LED發光單元、4是反射碗(反射板)、5是燈腔、6是光學增亮膜、7是單色液晶顯示屏。
具體實施例方式對照圖2，在球面角士30°范圍外的光線能量(陰影部分)占總光通量的比例約 70%左右，用公式(1)計算可以得出，在Φ為光通量不變的情況下，如果將近似朗伯分布(相當于θ為120° )的LED光線聚焦到士30°范圍內(相當于θ為60° )，此時正面0度角的光強I理論上可以增加到原來亮度的3. 73倍。所以增加反射碗可以大大的增加背光的亮度；或者說要達到同樣的背光亮度，功率可以下降到原來的30%以下；
公式(1)中，Φ為光通量(單位Lm)，I為0度角的光強(單位Cd)。θ為2Θ 1/2角，即通常所說的LED半亮度角。對照圖3、圖4，LED的功率(功率=電流X電壓)與相對亮度不成正比，電流增加，亮度沒有同比例增加，并且隨著電流的增加，對應管壓降有較大比例增加。即低功率下發光效率要大得多，提升工作電流后發光效率在下降；如對額定電流為200mA的某型號綠色LED，發光效率為90 Lm/ff，在工作電流為50mA時發光效率為110Lm/W，提高20. m。對照附圖5，LED芯片的結溫(Junction Temperature)增加，發光效率下降(其中的綠色LED效率下降更為顯著)，LED焊接或直接綁定在鋁基、銅基或導熱陶瓷基材背光電路板上，并用有更大面積的金屬散熱結構與背光電路板低熱阻裝配接觸散熱；所以從結溫 /相對亮度角度考慮，LED降額使用可以降低芯片結溫，也相應提高了發光效率。通過聚光碗陣列的方式，最大亮度達到40萬cd/m2的亮度，發光半亮度角度2 θ 1/2達到60度，而驅動功率小于2W/inch2。對照附圖6，基本光路結構包括散熱殼體1、導熱陶瓷基材背光電路板2、LED發光單元3、反射碗或反射板4、燈腔5、光學增亮膜6、單色液晶顯示屏7，其中導熱陶瓷基材背光電路板2安裝在散熱殼體1上，在導熱陶瓷基材背光電路板2上間隔安裝LED發光單元 3、反射碗或反射板4，反射碗或反射板4與單色液晶顯示屏7間是燈腔5，光學增亮膜6緊貼在單色液晶顯示屏7上。所述的LED發光單元3由一到三個不同顏色紅、綠、藍，至少有一個綠色的LED或 LED芯片組成，綠管在90Lm/W，紅管在55Lm/W，藍管在25Lm/W以上；
本發明的配置方法包括
a、采用高效發光二極管LED陣列及聚光反射碗陣列排布方式，具備小角度發光特性；
b、發光二極管LED可以是一到三個不同顏色紅、綠、藍，至少有綠色的發光二極管LED 或LED芯片組成的LED發光單元3，根據顯示圖像色彩的需要，配合與顯示圖像行場同步 LED驅動電路，發出不同顏色的極高亮度背光；
c、采用高效發光二極管LED芯片，根據每個LED發光單元3中的芯片數量、排布圖形設計反射碗的形狀，LED芯片的發光點或面與反射碗4的反射拋物面焦面基本重合；反射碗的反射面形狀具有定角度聚光特性外，并最大限度的提高液晶顯示像面光線亮度的均勻性； 多個反射碗組成的反射碗陣列集中在反射板上，反射板的反射碗表面及外表面作拋光鍍膜處理；
d、采用鋁基、銅基或導熱陶瓷基材背光電路板2，焊接光二極管LED或綁定LED芯片，有更大面積的金屬散熱殼體1與熱陶瓷基材背光電路板2低熱阻裝配接觸散熱；
e、LED單芯片額定0.5W以上，低功率工作的方式，充分提高LED的發光效率；
f、在液晶顯示屏7和LED發光單元3之間的光學增亮膜緊貼液晶顯示屏，在保證光源的發光均勻性基礎上，提高液晶顯示系統的顯示亮度，以上在較小功率密度下滿足特定亮度及均勻性要求的光源即是本發明的用于液晶投影顯示系統的低功率極高亮度LED背光光源。導熱陶瓷基材背光電路板2上安裝有若干個由彩色LED發光單元3組成的LED光源，緊貼背光電路板安裝對應陣列的有多個反射碗組成陣列的反射板；反射板與液晶顯示屏7之間的燈控5的高度H應保證混色充分、顯示亮度均勻，LED發光單元3陣列的數量由液晶顯示屏7大小、液晶屏光線透過率及亮度要求、每個LED發光單元3的單組發光亮度決定。在LED發光單元3陣列上安裝有對應反射碗陣列的反射板；LED排列方式可以是矩陣排列、等腰三角形排列，對應反射碗出光口的形狀為圓形、矩形或正六邊形。LED發光單元3有多于一個的分立的不同顏色的LED或LED芯片，每個單元的LED 或LED芯片共用一個外置反射碗聚光，可以發出有角度范圍分布的光線，并根據顯示圖像色彩的需要，配合與顯示圖像行場同步LED驅動電路，發出不同顏色的極高亮度背光，可以顯示綠色、紅色、藍色及其混合顏色的圖像。燈腔高度H及LED數量設計計算，為提高、保證背光出光的混色充分、亮度和均勻性，反射板與單色液晶顯示屏7之間的距離燈腔高度H與LED排布間距L1、L2協調設計，燈腔高度H為2-3倍的LED排布間距Ll或L2，這里LED排布間距Li、LED排布間距L2 一般相等，LED排布間距L1、LED排布間距L2與單色液晶顯示屏7的面積和LED數量相關計算， 即在對應的液晶屏顯示范圍內按一定的規率排布X個LED單元，LED排布間距L1、LED排布間距L2自然確定；LED發光單元3陣列的數量由要求的單色液晶顯示屏7大小、液晶顯示屏光線透過率及亮度要求、每個LED發光單元3的單組發光亮度決定，計算方法如下
設LED發光單元3陣列的數量為X ；
LED發光單元3發光亮度為Φ (Lm，可從LED產品手冊中查到，按額定指標的1/5-1/3 計算)；根據公式1計算出單LED的光強I ；
如。=15Lm (某款 LED 綠管電流在 50mA 時)，θ =60°，1=17. 8 cd 液晶顯示屏光線透過率為S (—般單色液晶顯示屏10% 20%)，面積為A，出屏亮度為 B (本發明要求B彡30000 cd/m2)；
光學膜效率為P，如采用低霧度偏光增亮膜，P約為0. 75 ； 反射碗表面反射率k，燈腔光利用效率f ；
X=BXA+ (IX δ X ρ XkXf) (1) LED排列可以是矩陣或正方形排列、等腰三角形排列，對應反射碗出光口的形狀即為對應的圓形、矩形或正六邊形。針對不同的LED芯片排列圖形(如圖7所示)，反射面的形狀是呈拋物面形態從反射碗底部開口圖形平滑過渡到出光口的形狀(如圖9)。其中反射面對底部形狀和出光口的形狀都是圓形的情況最簡單，設計、加工成本都低得多；但出光口為矩形或六邊形的反射碗出光均勻性相對好一些。LED的熱設計對提高LED的發光效率和保證提高LED工作壽命，非常重要，選擇低熱阻的鋁基、銅基電路板(陶瓷基板的價格很高，此處不合適使用)，低熱阻的導熱粘接材料，低熱阻的將LED芯片的熱量通過管殼傳到電路板(如果是綁定，就通過粘接材料直接傳到電路板上)；電路板的熱量通過粘接材料傳導到外部散熱結構，外部散熱結構的可以傳導到其他散熱結構上，或通過風冷的方法把熱量散到空氣中；總之必須對背光系統充分散熱， 保證LED的結溫溫升低于20 30°C，即環境溫度在:35°C時，結溫低于65°C，此時LED的工作壽命可以達到5 10萬小時，發光效率下降不到5%。射板的設計、加工，如圖8，反射板的反射碗深度h，與背光半亮度角、LED芯片排布所占尺寸大小及反射碗直徑有關，反射碗的直徑與LED陣列排布間距L1、LED陣列排布間距 L2尺寸D接近，如LED陣列排布間距Li、LED陣列排布間距L2=5. 3，則D=5. 0 ；針對不同的 LED芯片排列圖形(如圖7所示)，反射碗的形狀是呈拋物面形態從反射碗底部開口圖形平滑過渡到出光口的形狀(如圖9)；反射板可以采用金屬材料，精密自動化設備加工而成；反射板的反射碗表面及外表面拋光鍍膜或其他方式的表面處理，達到反射率90%以上水平； 當顯示內容需要彩色時，可以綠色LED為核心，增加紅色、藍色LED，通過RGB彩色背光與顯示信號同步工作，分場顯示的不同顏色的畫面，利用人眼視覺停留的特性形成彩色圖象顯示。對選定的LED設計與液晶顯示圖像行場同步的驅動電路，并控制其亮度比例，實現寬范圍調亮等具體電路本發明不予詳述。本發明未詳述部分可參照相關設計手冊和標準加以確定。
權利要求
1.一種用于液晶投影顯示系統的低功率極高亮度LED背光光源，其特征是包括如下配置方法a、采用高效發光二極管LED陣列及聚光反射碗陣列排布方式，具備小角度發光特性；b、發光二極管LED是一到三個不同顏色紅、綠、藍，至少有綠色的發光二極管LED或LED 芯片組成的LED發光單元，根據顯示圖像色彩的需要，配合與顯示圖像行場同步LED驅動電路，發出不同顏色的極高亮度背光；c、采用高效發光二極管LED芯片，根據每個LED發光單元中的芯片數量、排布圖形設計反射碗的形狀，LED芯片的發光點或面與反射的反射拋物面焦面基本重合；反射碗的反射面形狀具有定角度聚光特性外，并最大限度的提高液晶顯示像面光線亮度的均勻性；多個反射碗組成的反射碗陣列集中在反射板上，反射板的反射碗表面及外表面作拋光鍍膜處理；d、采用鋁基、銅基或導熱陶瓷基材背光電路板2，焊接光二極管LED或綁定LED芯片，有更大面積的金屬散熱殼體1與熱陶瓷基材背光電路板2低熱阻裝配接觸散熱；e、LED單芯片額定0.5W以上，低功率工作的方式，充分提高LED的發光效率；f、在液晶顯示屏和LED發光單元之間的光學增亮膜緊貼液晶顯示屏，在保證光源的發光均勻性基礎上，提高液晶顯示系統的顯示亮度，以上在較小功率密度下滿足特定亮度及均勻性要求的光源即是本發明的用于液晶投影顯示系統的低功率極高亮度LED背光光源。
2.根據權利要求1所述的一種用于液晶投影顯示系統的低功率極高亮度LED背光光源，其特征是導熱陶瓷基材背光電路板上安裝有若干個由彩色LED發光單元組成的LED光源，緊貼背光電路板安裝對應陣列的有多個反射碗組成陣列的反射板；反射板與液晶顯示屏之間的燈控的高度(H)應保證混色充分、顯示亮度均勻，LED發光單元陣列的數量由液晶顯示屏大小、液晶屏光線透過率及亮度要求以及每個LED發光單元的單組發光亮度決定。
3.根據權利要求2所述的液晶投影顯示系統的低功率極高亮度LED背光光源，其特征是在LED發光單元陣列上安裝有對應反射碗陣列的反射板；LED排列方式可以是矩陣排列、 等腰三角形排列，對應反射碗出光口的形狀為圓形、矩形或正六邊形。
4.根據權利要求2所述的液晶投影顯示系統的低功率極高亮度LED背光光源，其特征是LED發光單元有多于一個的分立的不同顏色的LED或LED芯片，每個單元的LED或LED 芯片共用一個外置反射碗聚光，可以發出有角度范圍分布的光線，并根據顯示圖像色彩的需要，配合與顯示圖像行場同步LED驅動電路，發出不同顏色的極高亮度背光，可以顯示綠色、紅色、藍色及其混合顏色的圖像。
5.根據權利要求2所述的液晶投影顯示系統的低功率極高亮度LED背光光源，其特征是導熱陶瓷基材背光電路板安裝在散熱殼體上，在導熱陶瓷基材背光電路板上間隔安裝 LED發光單元、反射碗或反射板，反射碗或反射板4與單色液晶顯示屏間是燈腔，光學增亮膜緊貼在單色液晶顯示屏上。
全文摘要
本發明是一種用于液晶投影顯示系統的低功率極高亮度LED背光光源，包括如下配置方法，a、采用高效發光二極管LED陣列及聚光反射碗陣列排布方式；b、發光二極管LED可以是一到三個不同顏色紅、綠、藍，至少有綠色的發光二極管LED或LED芯片組成的LED發光單元；c、采用高效發光二極管LED芯片；d、采用鋁基、銅基或導熱陶瓷基材背光電路板；e、LED單芯片額定0.5W以上，低功率工作的方式，充分提高LED的發光效率；f、在液晶顯示屏和LED發光單元之間的光學增亮膜緊貼液晶顯示屏。本發明具有以下優點設計周期短、關鍵光學元件反射板加工成本低，可用于制造各種液晶投影平視顯示系統背光光源。壽命長，安裝維修方便。
文檔編號F21V7/22GK102537784SQ20111041615
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者吳金華, 張小蕓, 楊洪寶, 洪乙又, 陳建軍 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所