中空式平板照明装置的制作方法

专利名称：中空式平板照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有用于发出亮度均匀的光的表面的中空式平板照明装置，诸如用于LCD (液晶显示器)的背光单元。
技术背景用于LCD的背光单元正在从使用冷阴极放电灯向采用LED (发 光二极管)替代。这是因为LED不包含有害的汞，并且因此适于作为 环保光源。另外，最近的LED已经大大提高了发光效率以显著地减少 电力消耗。具有LED的背光单元已主要用于诸如便携式电话和移动终 端等小型设备。然而，近来，它们频繁地用于大的LCD，诸如20英 寸大小或更大的液晶监视器和液晶电视。大的LCD需要亮的背光单元，并且因此，侧光式背光单元不适 合大的LCD，因为侧光式背光单元已主要用于小尺寸单元。侧光式背 光单元将光源设置在导光板的侧面上，发出从光源到导光板的侧面的 光，通过导光板引导、散射并反射光，并且从导光板的发光表面发光。 同时，广泛地用于大LCD的背光单元将LED光源恰好设置在发光表 面下方。在日本待审定专利公开No. 2005-316337中公开了这种背光 单元的示例。如果由许多LED组成的光源太靠近发光表面，则具有恰好在发光 表面下方的LED光源的背光单元使得亮度和色彩不均匀，从而恶化显 示质量。当光源采用每个LED 1瓦或更大的高功率LED以增大量度 时，亮度和色彩不均匀性变得更显著。为了减小亮度和色彩不均匀性， 延长LED与发光表面之间的距离是不可接受的，因为这与对LCD单 元的当前需要减薄LCD单元相反地增大了 LCD单元的厚度。在曰本待审定专利公开No.平08- 171806中公开了一种侧光中
空式背光单元，该背光单元可以减小其厚度并扩大其表面尺寸。这种 背光单元包括外壳、漫反射部件和气隙，外壳中容纳能够从其一个侧 面发光的长光源，漫反射部件设置成从其邻近光源的一端向上到其相 对端倾斜，气隙形成在背光单元的上侧上，用于通过漫反射部件向上 导向反射光。该背光单元还包括设置在外壳的上侧上的光散射层和设 置成与长光源的发光侧相邻的长凸透镜。然而，由于长凸透镜的聚光 特征，该传统的背光单元倾向于将从长光源发出的光在漫反射部件上 聚集成一条直线，使得难以实现发光表面上光分布的均勻性，尤其是 对于具有宽发光面的背光单元。而且，在日本待审定专利公开No. 2006 - 106212中公开的中空侧 光式背光单元也是公知的。然而，由于该传统背光单元使用小数量的 LED作为光源，因此它无法发出背光所需的大量白光。这是本发明所 要解决的另一个技术问题。发明内容本发明的目的是提供一种中空侧光式平板照明装置，该平板照明 装置能够保证紧凑性并提供明亮并且均匀的光。在该说明书中，"侧光式照明装置"意味着这种类型的照明装置， 即，将光源设置在发光表面的后侧，从光源平行于发光表面发光，并 且向发光表面折射、反射并散射光。为了实现该目的，本发明的第一方面提供一种中空式平板照明装 置，该中空式平板照明装置具有布置在中空外壳的底部处的反射器； 布置在与反射器相对的外壳的顶部处的发光表面部件；限定在外壳中 反射器与发光表面部件之间的导光空间；具有布置在配线板上的LED 的阵列的LED光源，该LED光源布置成邻近导光空间，并且构造成 将光照射到导光空间中；以及沿平行于LED的阵列的LED光源的发 光侧布置的平行光管，该平行光管构造成在外壳的厚度方向上会聚来 自LED光源的光，以便使光平行于LED的光轴传播。平行光管包括 入射光折射部分，该入射光折射部分在来自LED光源的光穿过该入射 光折射部分进入平行光管时折射来自LED光源的光；全反射部分，该 全反射部分全反射从平行光管的内部照射到全反射部分上的光；以及 出射光折射部分，该出射光折射部分朝向导光空间折射来自平行光管 内部的出射光。根据基于第一方面的本发明的第二方面，反射器由高光反射率和 散射率的材料制成。根据基于以上方面的本发明的第三方面，发光表面部件由传递并 散射来自导光空间的光的透光和散射材料制成。根据基于以上方面的本发明的第四方面，LED光源中的LED是 红色LED和蓝色LED,并且中空式平板照明装置还包括波长变换片， 该波长变换片布置在发光表面部件下方的导光空间中，并且构造成将 来自蓝色LED的蓝光变换成绿光。根据本发明的这些方面的中空式平板照明装置，平行光管布置在 LED光源的输出侧上，以有效地校准来自LED光源的光，并将校准 后的光导向到导光空间中，从而使发光表面部件可均匀地发光。来自 发光表面部件的光明亮并且均匀，因此，适合作为大LCD的背光单 元。


图l是示出根据本发明的第一实施例的背光单元的分解透视图；图2是示出根据第一实施例的背光单元的截面困；图3是示出布置在根据第一实施例的背光单元中的平行光管的部分切割透视图；图4是示出图3所示的平行光管的聚光特征的截面图；图5A是示出根据第一实施例的背光单元的平面图；图5B是示出根据第一实施例的背光单元的亮度分布的曲线图；图6是示出布置在根据本发明的第二实施例的背光单元中的平行光管的部分切割透视图；图7是示出图6所示的平行光管的光散射特征的截面图8是示出布置在根据本发明的第三实施例的背光单元中的平行光管的部分切割透视图；图9是示出在图8所示的平行光管的端面处的光的路径 (behaviors)的截面图；图IO是示出根据本发明的第四实施例的背光单元的分解透视图；图ll是示出根据第四实施例的背光单元的截面图；和图12A到12D是示出可用于根据第四实施例的背光单元的波长变换片的示例的截面图。
具体实施方式
将参照

本发明的实施例。 第一实施例图1和2示出根据本发明的第一实施例的中空式平板照明装置， 其用作LCD的背光单元。背光单元具有外壳l。在外壳l的底部处， 布置有反射器2。反射器2具有与外壳1的侧面平行地延伸的中心脊 部。反射器2从脊部向外壳1的每个侧面逐渐下降。在外壳l的顶部 处，布置有发光表面部件3。发光表面部件3覆盖有前框架4，该前框 架固定到外壳1上以形成第一实施例的背光单元。在外壳1中反射器 2与发光表面部件3之间的空间限定了导光空间10。反射器2由基板和基板上的高反光率和散射率的材料构成，基板 由树脂或金属制成。高反射率和散射率的材料例如是白色PET膜或白 色墨水层。反射器2成形为具有与发光表面部件3不同的距离，从而 使发光表面部件3可具有均勻的亮度分布。高反光率和散射率材料可 以是覆盖有透光和散射材料的镜面反射铝膜。发光表面部件3至少具有透光和散射片3A。发光表面部件也可具 有诸如散射片3B和3C以及透镜片3D的其它光学片。借助该结构，射器2反:的光:即，;光表面部件3用于消除^^的亮度上的不均匀性，并提供均匀的光。
外壳1由诸如具有高导热性的铝合金的金属制成。沿平行于反射器2的脊部的外壳1的每个侧面，布置有用作LED光源的LED条5。 LED条5包括配线基板6和布置在配线基板6上的LED 7。配线基板 6具有安装到外壳1的侧面的宽度。LED 7在配线基板6上布置成单 行或多行。配线基板6由具有高导热性的材料制成，例如，诸如铝和 铝合金的金属，或诸如氮化铝的陶资。配线基板6用螺钉、粘合剂或 类似物固定到外壳1的侧面上。优选的是在配线基板6与外壳1的侧 面之间插入每个都具有高导热性的双面带、薄片或油脂。LED7可包 括红色、绿色和蓝色LED，它们的数量选择成产生所需白色度的光。 LED 7可以是蓝色LED与黄色荧光材料的组合，以产生所需白色度 的光。在LED条5的发光侧与导光空间10之间设有细长形状的平行光 管9。平行光管9具有凹槽8以遮盖LED 7的行并接收从LED 7发出 的入射光。平行光管9是用于导向光进入导光空间10的光学元件，并且其具 有用于从LED条5上的LED 7发出的光的入射的凹槽8、弯曲的并 且连接到凹槽8的壁的上端和下端的全反射表面和由多个曲面形成的 发光表面。借助该结构，平行光管9可在导光空间IO的厚度方向上会 聚来自LED 7的光，并且使光进入导光空间10。例如，平行光管9 由诸如丙烯和聚碳酸酯的透明树脂或玻璃制成。如图3和4所示，平行光管9的凹槽8面对LED7的行。凹槽8 的壁由入射面InA和入射面InBl和InB2构成，入射面InA具有凸起 的形状以将在围绕LED7的光轴的窄角度内发出的光导向到平行光管 9的体部中，入射面InBl和InB2每个都是平的，以将在围绕LED7 的光轴的宽角度内发出的光导向到平行光管9的体部中。在图3和4 中，平行光管9的上和下侧面是弯曲以全反射从平行光管体部的内侧 进入这些面的光的全反射面TIR1和TIR2。平行光管9的出射面包括 用于来自入射面InA的光的凸出射面ExA和用于经由全反射面TIR1 和TIR2来自入射面InBl和InB2的光的凹出射面ExBl和ExB2。如
图4所示，平行光管9在导光空间IO的厚度方向上会聚来自LED 7 的光，并且使光进入导光空间10。更具体地，从LED7到入射面InA 的入射光RYA通过凸入射面InA和出射面ExA折射，并且在导光空 间10的厚度方向上被会聚。通过入射面InBl和InB2进入平行光管9 的体部的光RYB1和RYB2通过入射面InBl和InB2折射，通过全反 射面TIR1和TIR2全反射，通过出射面ExBl和ExB2再次折射，并 且在导光空间IO的厚度方向上会聚。从平行光管9发出到导光空间10中的光RYA、 RYB1和RYB2 通过具有优化的形状的反射器2朝向发光表面部件3反射，该发光表 面部件将光发射到外侧。来自发光表面部件3的光明亮并且均匀。借助平行光管9,根据第一实施例的背光单元可在80%或更高的 光使用效能下将从LED 7发出的宽范围的光会聚到窄范围内，以由此 使导光空间10中的反射损失最小，并提高大于传统中空式背光单元的 亮度。传统中空式背光单元试图通过将导光空间中的反射器设置成具 有镜面反射率或接近镜面反射率而尽可能远离光源发光，从而造成发 光表面上的局部亮线。另一方面，根据本发明的第一实施例的背光单 元可高度会聚来自光源的光，即使反射器是散射性的，也能保证光的 高亮度和均匀性。因此，根据第一实施例的背光单元可防止局部亮线。图5A示出根据本发明的第一实施例的背光单元30。在布置在背 光单元30的相对侧(图5A中的上侧和下侧)上的LED光源5之间 示出亮度分布测量线31。亮度分布测量线31垂直于LED光源5，即， 垂直于LED7的行，并且平行于LED7的光轴。图5B示出沿亮度分 布测量线31测量的背光单元30的亮度分布。第二实施例将参照图6和7说明根据本发明的第二实施例的背光单元。笫二 实施例的背光单元的特征在于图6和7所示的平行光管9A。平行光管 9A具有与图1和2所示的第一实施例的平行光管9相同的形状。平行 光管9A与平行光管9的区别在于，平行光管9A的凹槽8A具有每个 都具有棱镜的入射面InA、 InBl和InB2。根据第二实施例的背光单
元的其它部分与根据图1和2所示的第一实施例的背光单元的其它部 分相同。在图7中，来自LED条5上的LED7的光通过平行光管9A的凹 槽8A的入射面InA、 InBl和InB2进入平行光管9A的内部。这些入 射面上的棱镜有效地散射了穿过平行光管9A的体部的入射光。散射 的光从平行光管9A的出射面ExA、ExBl和ExB2出射到导光空间10 中。与第一实施例相同，从平行光管9A出射到导光空间10中的光通 过具有优化的反射形状的反射器2朝向发光表面部件3反射，该发光 表面部件提供明亮并且均匀的光。根据第二实施例，平行光管9A的凹槽8A的入射面InA、 Inm 和InB2每个都具有棱镜。或者，入射面InA、 InBl和InB2中的任意 一个或两个可具有棱镜。该构造也可提供改善的光散射效果。第三实施例将参照图8和9说明根据本发明的第三实施例的背光单元。第三 实施例的背光单元的特征在于图8和9所示的平行光管9B。平行光管 9B具有与图1和2所示的第一实施例的平行光管9相同的形状。平行 光管9B与平行光管9的区别在于，平行光管9B的凹槽8B的每个端 部终止成具有端面以形成端部入射面InC。另外，每个端部设有全反 射端面TIR3。根据第三实施例的背光单元的其它部分与根据图l和2 所示的第一实施例的背光单元的其它部分相同。在图9中，来自LED条5上的LED7的光入射到平行光管9B的 凹槽8B的入射面InA、 InBl和InB2上。同时，光入射到平行光管 9B的每个端部处的入射面InC上。在平行光管9B内部，入射光被折 射并全反射，通过出射面ExA、 ExBl和ExB2有效地会聚，并且出射 到导光空间10中。在图9所示的平行光管9B的每个端部处，来自 LED 7的光入射到入射面InC，通过全反射面TIR3全反射，并且通 过出射面ExA、 ExBl和ExB2出射到导光空间10中。通过这种方式，根据第三实施例的背光单元可抑制当来自LED条 5的端部处的LED 7的光照射到外壳1的侧壁时可能出现的反射和吸
收损失。与第二实施例相同，第三实施例可使凹槽8B的一个或多个侧壁 设有棱镜，以改善入射到平行光管9B的光的散射。 第四实施例将参照图10到12说明根据本发明的第四实施例的背光单元。第 四实施例的特征在于LED条5的构造和波长变换片130。波长变换片 130布置在发光表面部件3下方的导光空间2中。第四实施例的其它 部分与图l和2所示的第一实施例的其它部分相同。在图10和11中，根据第四实施例的LED条5包括配线基板6 和布置在配线基板6上的LED。LED包括发出蓝光的蓝色LED 7B和 发出红光的红色LED 7R。蓝色和红色LED 7B和7R交替布置在配线 基板6上。第四实施例没有采用绿色LED。为了从蓝、红和绿光产生 白光，第四实施例将波长变换片130布置在发光表面部件3下方的导 光空间10中。蓝色和红色LED 7B和7R在数量或亮度上设置成2:1的比例，并 且安装在配线基板6上。LED可以是表面发光型或端面发光型。LED 安装在配线基板6上，以便使来自LED的光进入平行光管9的凹槽8。来自红色LED 7R的光优选地具有在5卯到670纳米的范围内的 峰值波长。这种LED可通过使用例如InGaAIP基的化合物半导体生 产。根据应用情况，调整红色LED7R的InGaAIP活性层的成分，以 获得最优的峰值波长。来自蓝色LED 7B的光优选地具有在420到480 纳米范围内的峰值波长。这种LED可使用例如InGaAIN基的化合物 发光半导体生产。根据应用情况，调整蓝色LED7B的InGaAIN活性 层的成分，以获得最优的峰值波长。波长变换片130由树脂中的分散的荧光材料制成，并通过将树脂 形成为薄片制成。波长变换片130可通过用荧光材料涂敷透明膜的表 面制成。分散或包含在波长变换片130中的荧光材料选择成吸收从蓝色 LED 7B发出的蓝光并发出绿光。绿光优选地具有520到560纳米范
围内的峰值波长。荧光材料可以是具有铜和铝的添加剂的ZnS，或具 有铕和锰的添加剂的(Ba.Mg) A11()017。图12A到12D是示出波长变换片130的示例的截面图。在图12A 中，基体膜130c由树脂制成，并且荧光层130f覆盖在基础膜130c上， 以形成波长变换片130。在图12B中，树脂基体包含分散的荧光材料， 以形成波长变换片130。在图12C中， 一层半透明膜130c层叠在另一 层半透明膜130c上，并且在半透明膜130c之间插有涂有荧光材料(或 分散有荧光材料)的层130s，以形成波长变换片130。波长变换片130 可具有不形成为一体的结构。在图12D中，每个都包含荧光材料的膜 130s彼此层叠，以形成波长变换片130。波长变换片130可以与发光 表面部件3分离或与其形成一体。第四实施例可通过调节包含在波长变换片130中的荧光材料的种 类和成分调节绿光的波长。当第四实施例的背光单元用于LCD时， 包含在波长变换片130中的荧光材料的种类和成分可适当地选择成使 发出的光与LCD的缘色过滤器的光传递特征相匹配。这消除了对采 用低效率绿色LED的需求，并且因此降低了 LCD的成本，提高了 LCD的亮度和色彩再现性，第四实施例不是从LED条5发出绿光，而是从发光表面部件3 附近的波长变换片130发出绿光。第四实施例没有采用绿色LED,因 此没有由绿色LED之间的特征差别引起的问题。第四实施例的波长变 换片130由蓝光激发，该蓝光由于反射器2而是均匀的。因此，第四 实施例不需要调节包含在波长变换片130中的波长变换荧光材料的浓 度分布以使发光表面部件3发出亮度分布均勻的绿光。对于第四实施 例，仅需要实现通过波长变换片130的波长变换荧光材料的均匀浓度， 从而使绿光的亮度变成蓝光亮度的五倍或更大。那么发光表面部件3 将发出适合于人的可见度的白光。第四实施例可单独地控制施加到红色LED 7R的电流，以使红光 的亮度大约是绿光亮度的五分之一。类似地，蓝光与红光的亮度比例 也是可控的，并且因此，可在一定范围内调节色温。其结果是与将红
色、绿色和蓝色LED布置在RGGB阵列中的相关技术相比，简化了 控制电路。根据相关技术，有白色LED组件(package )。白色LED组件通 过将红色和蓝色LED和吸收蓝光并发出绿光的荧光材料密封在一个 组件中而制成。 一旦完成白色LED组件，组件的绿色与蓝色的亮度比 例就是固定的，并且再也不能调节。基本不可能使通过组件的荧光材 料的分布和浓度相等，因此，绿色与蓝色的亮度比例从组件到组件变 化。在制造的白色LED组件中，仅有某些可满足所要求的5:1的绿色 与蓝色的亮度比例。因此，相关技术必须从制造的组件中选择满足要 求的亮度比例的可接受的组件，因此，相关技术的可接受的组件产品 的产量低。另一方面，第四实施例单独地生产蓝色LED 7B和包含荧光材料 的波长变换片130，因此，可以使它们选择性地组装到一起。即，第 四实施例可容易地调节绿光与蓝光的亮度比例。例如，制备具有不同 量的绿色荧光材料的波长变换片130,根据从发光表面部件3发出的 绿光的亮度选择它们中的一个。借此，可将绿光与蓝光的亮度比例调 节成最优的一个。如果波长变换片130具有图12D所示的包含多个含有荧光材料的 膜的层叠结构，则荧光材料的量易于调节。即，根据从蓝色LED 7B 发出的蓝光的亮度和所要求的蓝色与绿色的亮度比例，可层叠所需数 量的薄片以实现要求的亮度比例。虽然以上提出的实施例涉及背光单元，但本发、明的平板照明装置 也适用于诸如平天花板或墙壁照明、信号照明、街道照明和其它方面 的通用照明装置，而不背离以下权利要求书的范围。
权利要求
1.一种中空式平板照明装置，包括布置在中空外壳的底部处的反射器；布置在与反射器相对的外壳的顶部处的发光表面部件；限定在外壳中反射器与发光表面部件之间的导光空间；具有布置在配线板上的LED行的LED光源，该LED光源布置成邻近导光空间，并且构造成将光照射到导光空间中；以及沿平行于LED行的LED光源的发光侧布置的平行光管，该平行光管构造成在外壳的厚度方向上会聚来自LED光源的光，以便使光平行于LED的光轴传播，平行光管包括入射光折射部分，该入射光折射部分在来自LED光源的光穿过该入射光折射部分进入平行光管时折射来自LED光源的光；全反射部分，该全反射部分全反射从平行光管的内部照射到全反射部分上的光；以及出射光折射部分，该出射光折射部分朝向导光空间折射来自平行光管内部的出射光。
2. 根据权利要求l所述的中空式平板照明装置，其特征在于，反 射器由高光反射率和散射率的材料制成。
3. 根据权利要求1或2所述的中空式平板照明装置，其特征在于，成。
4.根据权利要求1或2所述的中空式平板照明装置，其特征在于， LED光源中的LED是红色LED和蓝色LED;并且中空式平板照明装置还包括波长变换片，该波长变换片布置在发 光表面部件下方的导光空间中，并且构造成将来自蓝色LED的蓝光变 换成绿光。
全文摘要
一种用作背光单元的中空式平板照明装置，包括外壳(1)、布置在外壳的底部处的反射器(2)和布置在外壳的顶部处的发光表面部件(3)。在反射器与发光表面部件之间限定有导光空间(10)。邻近导光空间，有LED光源(5)，该LED光源具有配线基板(6)和布置在配线基板上的LED(7)的阵列。在LED光源的发光侧上，有一平行光管(9)，以在外壳的厚度方向上会聚来自LED光源的光，并使光平行于LED的光轴传播。平行光管具有功能性部分(InA、InB1和InB2)，以折射来自LED阵列的光，导向折射光通过平行光管的体部，并将光照射到导光空间中，平行光管还具有功能性部分(TIR1和TIR2)以全反射进入平行光管的光并将光照射到导光空间中。通过该构造，中空式平板照明装置紧凑，并且可提供明亮并且均匀的光。
文档编号F21Y101/02GK101118043SQ200710139948
公开日2008年2月6日 申请日期2007年8月3日 优先权日2006年8月3日
发明者川崎要二, 木下顺一 申请人:哈利盛东芝照明株式会社