專利名稱：實現(xiàn)均勻光分布的發(fā)光裝置及采用該發(fā)光裝置的背光單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于實現(xiàn)均勻光分布的發(fā)光裝置以及采用這種發(fā)光裝置的背光單元，并尤其是，涉及一種僅對特定區(qū)域均勻發(fā)光的發(fā)光裝置以及采用這種發(fā)光裝置的直接照明型背光單元。
背景技術(shù)：
液晶顯示器(LCD)、一種平板顯示器，是一種不發(fā)光的顯示器，它不能自身發(fā)光，而是接收外界光線來形成圖像。在這種情況下，背光單元安裝在LCD的后側(cè)以發(fā)光。冷陰極熒光燈(CCFL)以及主要用作LCD背光單元的光源。最近，已經(jīng)研制了利用如發(fā)光二極管(LED)的點光源取代CCFL的背光單元。利用如LED的點光源的背光單元與利用CCFL的背光單元相比具有更高的色域。而且，當點光源以二維布置時，背光單元可以與LCD的掃描時間相同步地依次點亮光源，由此有效避免了在LCD中從一個圖像轉(zhuǎn)變到另一個圖像時導(dǎo)致余象的運動模糊。
可以與LCD掃描時間同步地點亮光源(如LED)的背光單元可以構(gòu)造成從一個LED輸出的光線只均勻地照射到預(yù)定區(qū)域，而不擴散到其他區(qū)域。例如，當多個LED以二維布置時，一個LED必須僅均勻地向背光單元正上方的區(qū)域發(fā)光，而不能向其他區(qū)域發(fā)光。為此目的，需要一種用于從LED僅向特定區(qū)域均勻發(fā)光的發(fā)光裝置。
圖1A是傳統(tǒng)發(fā)光裝置1的截面圖。參照圖1A，傳統(tǒng)發(fā)光裝置1由透明樹脂2形成，且LED裝置3嵌入透明樹脂2內(nèi)。反射鏡4附著到拱形透明樹脂2的底面上。透明樹脂2的頂面具有凸透鏡形狀的突出表面，該突出表面形成在中心部分。圍繞透明樹脂2的頂面的中心部分形成環(huán)形平面。中心突出的表面是直接發(fā)光表面，從LED裝置3發(fā)出的光線直接從該表面發(fā)出，而圓周的平面是全反射面，從LED裝置3發(fā)出的光線通過該平面全反射。
參照圖1A，從LED裝置3發(fā)出的光線的一部分通過直接發(fā)光表面5直接向上垂直發(fā)出。從LED裝置3發(fā)出的光線的剩余部分被平的全反射表面6全反射，并然后被反射鏡4反射，以垂直發(fā)出。在這種結(jié)構(gòu)中，形成一個不發(fā)光的間歇不發(fā)光區(qū)域。圖1B是示出發(fā)光裝置1發(fā)出的光線分布的曲線。最亮的光線通過直接發(fā)光表面5發(fā)出，而不發(fā)出光線的不發(fā)光區(qū)域圍繞直接發(fā)光表面5同心地形成。
圖2A是解決該問題的傳統(tǒng)發(fā)光裝置的改進示例的剖面圖。參照圖2A，發(fā)光裝置28由透明樹脂12形成，而LED裝置13嵌入到該透明樹脂12中。發(fā)光裝置28的底面分成三個反射鏡29a到29c，且發(fā)光裝置28的頂面是平的，且圍繞該頂面的中心部分形成環(huán)形溝槽26。中心反射鏡29a具有半球形狀，而其他反射鏡29b和29c為帶有彎曲表面的環(huán)形。發(fā)光裝置28的頂面的中心部分是直接發(fā)光表面15，光線通過該表面直接發(fā)出，圍繞溝槽26形成的部分是全反射光線的全反射表面16。
在這種結(jié)構(gòu)中，從LED裝置13發(fā)出的光線的一部分穿過中心直接發(fā)光表面15，以直接向上垂直發(fā)射。從LED裝置13發(fā)出的光線的另一部分被形成在直接發(fā)光表面15和溝槽26之間的壁面全反射，然后被第二反射鏡29b反射，而垂直向上發(fā)出。從LED裝置13發(fā)出的光線的另一部分被溝槽26全反射，并然后被第二反射鏡29b以垂直發(fā)出，或者被全反射表面16全反射，并然后被第三反射鏡29c反射，以垂直發(fā)出。同時，從LED裝置13水平發(fā)出的少量光線被第一反射鏡29a反射，并然后透射過直接發(fā)光表面15而發(fā)出。
但是，這種改進的發(fā)光裝置28也具有這樣的問題，即光線不通過某些區(qū)域發(fā)出。例如，沒有光線或少量光線通過反射鏡的邊緣部分，即，圖2A中由虛線的圓標記的部分，結(jié)果，產(chǎn)生由圖2B中斜線標記的同心圓形狀的不發(fā)光區(qū)域。而且，光量從圖2A的發(fā)光裝置28的中心向邊緣減少。于是，當發(fā)光裝置28被切割成矩形，來實現(xiàn)其中以二維方式排列光源的背光單元時，由斜線標記的發(fā)光裝置28的角落區(qū)域比其他部分暗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種在特定區(qū)域內(nèi)均勻發(fā)光的發(fā)光裝置。
本發(fā)明還提供了一種利用這種發(fā)光裝置的背光單元，該發(fā)光裝置根據(jù)液晶顯示器的掃描時間依次點亮光源。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種發(fā)光裝置，該發(fā)光裝置包括光反射元件，該光反射元件具有光反射表面，光線由該光反射表面反射；光透射元件，該光透射元件形成在光反射元件的光反射表面上，并具有發(fā)光表面；以及點光源，該點光源向光透射元件發(fā)光，其中，從點光源入射的光線通過其發(fā)出的光透射元件的發(fā)光表面包括平的直接發(fā)光表面，該直接發(fā)光表面面對點光源，并將從點光源發(fā)出的光線直接透射到光透射元件的外側(cè)；以及彎曲的全反射表面，該全反射表面圍繞直接發(fā)光表面形成，并且將點光源發(fā)出的光線全反射到光反射元件，并將被光反射元件反射的光線透射到光透射元件的外側(cè)。
光反射元件的光反射表面可以是傾斜的，以將從點光源直接入射的光線和被全反射表面全反射的并從全反射表面入射的光線反射向全反射表面。光反射元件的每個光反射表面可以具有矩形橫截面，其寬度向上增加。光反射元件可以具有矩形的平的底面。
全反射表面可以具有隨著遠離直接發(fā)光表面而增大的高度。全反射表面可以具有隨著遠離直接發(fā)光表面而增大的曲率半徑。直接發(fā)光表面為圓形，并且全反射表面的圓周具有矩形橫截面。
點光源可以設(shè)置在光反射表面的中心，并由光透射元件的下部所圍繞。點光源可以是激光二極管或發(fā)光二極管。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種背光單元，其包括基底；以及多個發(fā)光裝置，該發(fā)光裝置以二維陣列排列在基底上，其中，每個發(fā)光裝置包括光反射元件，該光反射元件具有光反射表面，光線由該光反射表面反射；點光源，該點光源設(shè)置在光反射元件的光反射表面的中心并發(fā)出光線；以及光透射元件，該光透射元件形成在光反射元件的光反射表面和點光源上，并且具有發(fā)光表面，從點光源入射的光線通過該發(fā)光表面發(fā)出，其中，光透射元件的發(fā)光表面包括平的直接發(fā)光表面，該直接發(fā)光表面面對點光源，并且將點光源發(fā)出的光線直接透射到光透射元件的外側(cè)；以及彎曲的全反射表面，該全反射表面圍繞直接發(fā)光表面形成，并且將點光源發(fā)出的光線全反射向光反射元件，并且將光反射元件反射的光線透射到光透射元件的外側(cè)。
所述背光單元還包括散射板，以均勻散射從發(fā)光裝置發(fā)出的光線。
以二維陣列布置的所述多個發(fā)光裝置形成以預(yù)定時間間隔依次發(fā)光的多條線。
所述背光單元還包括多個間隔壁，該間隔壁形成在基底上，并將所述布置成二維陣列的多個發(fā)光裝置中的形成一條線的發(fā)光裝置所發(fā)出的光線與形成另一條線的發(fā)光裝置所發(fā)出的光線分隔開。


通過參照附圖詳細描述本發(fā)明的示例性實施例，本發(fā)明的上述和其他特征和優(yōu)點將變得更清楚，圖中圖1A是傳統(tǒng)發(fā)光裝置的剖面圖；圖1B是示出由圖1A的傳統(tǒng)發(fā)光裝置發(fā)出的光線分布的曲線；圖2A是另一傳統(tǒng)發(fā)光裝置的剖面圖；圖2B是示出在圖2A的傳統(tǒng)發(fā)光裝置中產(chǎn)生的黑暗區(qū)域的俯視圖；圖3A到3C示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的發(fā)光裝置；圖4A和4B示出從圖3A到3C的發(fā)光裝置發(fā)出的光線通過其發(fā)出的路徑；圖5示出從圖3A到3C的發(fā)光裝置所發(fā)出的光線分布的模擬結(jié)果；圖6A和6B示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的背光單元；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的背光單元。
具體實施例方式
將參照附圖更全面描述本發(fā)明，附圖中示出本發(fā)明的示例性實施例。
圖3A到圖3C示出根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施例的發(fā)光裝置，圖3A是發(fā)光裝置的光反射元件的透視圖，圖3B是發(fā)光裝置的光透射元件的透視圖，而圖3C是發(fā)光裝置的垂直剖面圖。
參照圖3A，發(fā)光裝置30包括光反射元件31，該光反射元件31具有傾斜的光反射表面。四個傾斜的光反射表面中的每一個具有矩形橫截面，其寬度向上增大。而且，光反射元件31可以具有矩形的平的底面。于是，光反射元件31看上去象是一個頂點水平切去的倒置金字塔。
參照圖3B，發(fā)光裝置30包括光透射元件35，該光透射元件具有底面和與光反射元件31的反射表面相似的側(cè)表面。例如，光透射元件35可以由透明樹脂制成，如乳化聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。在本實施例中，光透射元件35的頂面分成兩個部分，即，形成在中心部分的平的圓形的直接發(fā)光表面33和圍繞直接發(fā)光表面33形成的彎曲的全反射表面32。全反射表面32的圓周具有矩形橫截面，其高度向外增大。于是，光透射元件35的頂面具有中空形狀，它的高度向內(nèi)減小，且在直接發(fā)光表面33處最低。
參照圖3C，發(fā)光裝置30包括光反射元件31，該光反射元件31具有光反射表面，光線由該光反射表面反射；光透射元件35，該光透射元件35形成在光反射元件31的光反射表面上；以及點光源34，該點光源向光透射元件35發(fā)光。點光源34設(shè)置在光反射元件31的內(nèi)部光反射表面的中心處，并且由光透射元件35的下部圍繞。于是，從點光源34發(fā)出的光線入射到光透射元件35的下部上，并通過光透射元件35的頂面發(fā)出。點光源34可以是發(fā)光元件，如激光二極管(LD)或發(fā)光二極管(LED)。
圖4A和4B示出從發(fā)光裝置30發(fā)出的光線通過其發(fā)出的路徑。圖4A示出從點光源34發(fā)出的蘭伯特光線由發(fā)光裝置30從光透射元件35均勻發(fā)出。圖4B示出在發(fā)光裝置30中發(fā)出的光線所通過的三條路徑。
參照圖4B，在從點光源34發(fā)出的光線中，入射到直接發(fā)光表面33上的光線L1直接發(fā)射到光透射元件35的外側(cè)。如果直接發(fā)光表面33過大，則光線會在直接發(fā)光表面33的邊緣處全反射。于是，直接發(fā)光表面33應(yīng)該形成為使得從點光源34入射到直接發(fā)光表面33邊緣處的光線的入射角小于臨界角。直接發(fā)光表面33的尺寸可以通過直接發(fā)光表面33與點光源34的距離以及光透射元件35的折射率來確定。
同時，由于從點光源34發(fā)出的光線是蘭伯特光線，其在大面積上散射，從點光源34發(fā)出的一部分光線入射到全反射表面32和光反射元件31的光反射表面上。由于光線L2以大于臨界角的角度入射到全反射表面32上，光線L2被全反射表面32全反射，而指向光反射元件31的光反射表面，然后被光反射元件31的光反射表面反射而指向全反射表面32。再次，由于被光反射元件31的光反射表面所反射的光線以小于臨界角的角度入射到全反射表面32上，因此，光線發(fā)射到光透射元件35的外側(cè)。而且，從點光源34以相對大的角度發(fā)出的光線L3向光反射元件31傳播，并被光反射元件31的光反射表面反射，而入射到全反射表面32上。如上所述，由于被光反射元件31的光反射表面所反射的光線以小于臨界角的角度入射到全反射表滿32上，因此，光線可以直接發(fā)射到光透射元件35的外側(cè)，而不全反射。
參照圖4A，從點光源34發(fā)出的蘭伯特光線通過發(fā)光裝置30均勻地從光透射元件35射出。從點光源34發(fā)出的蘭伯特光線在中心部分處亮度最高，并向外減小。最亮的中心光線直接通過直接發(fā)光表面33發(fā)射到光透射元件35的外側(cè)。在此，由于外側(cè)的折射率小于光透射元件35的折射率，發(fā)散角在外側(cè)稍微增大。圍繞中心光線的昏暗光線被全反射表面32全反射，被光反射元件31的光反射表面反射，并通過全反射表面32反射到光透射元件35的外側(cè)。如圖4A所示，大部分被反射并發(fā)出的光線圍繞直接發(fā)出的光線指向。而且，從點光源34以最大角度發(fā)出的那部分光線具有最低的強度，使得它被光反射元件31的光反射表面反射，并通過全反射表面32發(fā)射到光透射元件31的外側(cè)。以最大角度從點光源34發(fā)出、被光反射元件31反射、并然后發(fā)射到光透射元件35的外側(cè)的光線也圍繞直接發(fā)出的光線指向，以便與被全反射表面31全反射、由光反射元件31反射、并通過全反射表面31發(fā)出的光線相結(jié)合，由此增加強度。于是，從光透射元件35發(fā)出的光線具有均勻的強度，而沒有暗區(qū)。此外，光線從光透射元件35向上發(fā)出，而不擴散到光透射元件35的邊緣部分上。因此，光線可以均勻地發(fā)射到光透射元件35之上的特定區(qū)域。
為了使發(fā)射到光透射元件35的邊緣部分的光線具有均勻的高強度，需要比現(xiàn)有技術(shù)中所用的光線更大量的光線發(fā)射到光透射元件35的邊緣部分，以使之被全反射。為此目的，全反射表面32具有彎曲形狀，全反射表面32的曲率半徑隨著遠離直接發(fā)光表面33而增大。
圖5示出從發(fā)光裝置30發(fā)出的光線分布的模擬結(jié)果。方盒40的內(nèi)部是發(fā)光裝置30之上的一部分，而方盒40的外部是發(fā)光裝置30的附近。參照圖5，雖然發(fā)光裝置30之上的部分具有均勻的高強度光線，而光線幾乎不擴散到發(fā)光裝置30的附近。
采用該發(fā)光裝置30的背光單元可以根據(jù)液晶顯示器(LCD)的掃描時間依次發(fā)出光線，而光線不會擴散到附近。圖6A和6B示出根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施例的采用這種發(fā)光裝置30的背光單元40。圖6A是背光單元40的剖面圖，而圖6B示出以二維陣列布置在背光單元40內(nèi)的發(fā)光裝置30。
參照圖6A和6B，布置成二維陣列的多個發(fā)光裝置40安裝到基底41上，而散射板45安裝在發(fā)光裝置30上以均勻地散射從發(fā)光裝置30發(fā)出的光線。在此，每個發(fā)光裝置30具有與圖3A到3C所示的發(fā)光裝置30相同的結(jié)構(gòu)。即，光透射元件35形成在光反射元件31上，光反射元件31具有傾斜的光反射表面，每個光反射表面具有矩形橫截面，而點光源34，如LD或LED，設(shè)置在光反射元件31的中心部分處。從點光源34發(fā)出的光線經(jīng)過其發(fā)出的光透射元件35的發(fā)光表面包括直接發(fā)光表面33和彎曲的全反射表面32，其中，從點光源34發(fā)出的光線通過所述直接發(fā)光表面33直接透射到光透射元件35的外側(cè)，而從點光源34發(fā)出的光線被全反射表面32全反射到光反射元件31。
參照圖6B，布置成二維陣列的多個發(fā)光裝置30形成多個平行線30a、30b、30c…。在這個背光單元40中，形成一條線的發(fā)光裝置可以同時點亮和熄滅，并可以根據(jù)LCD(未示出)的掃描時間以預(yù)定間隔依次發(fā)光。例如，形成第一條線30a的發(fā)光裝置3可以同時點亮，以發(fā)光預(yù)定的時間段，并然后熄滅。隨后，形成第二條線30b的發(fā)光裝置可以同時點亮，以發(fā)光預(yù)定時間段，并然后熄滅。于是，可以有效防止傳統(tǒng)LCD中的運動模糊等的嚴重問題。
如上所述，利用發(fā)光裝置30，光線幾乎不擴散到相鄰線。為了可靠防止光線不擴散到相鄰線，如圖6A和6B所示的背光單元40可以還包括分隔壁，該分隔壁各自安裝在相鄰的線之間。圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的背光單元的剖面圖。參照圖7，在布置成二維陣列的發(fā)光裝置中，為了將從形成一條線的發(fā)光裝置發(fā)出的光線與形成另一條線的發(fā)光裝置所發(fā)出的光線分隔開，可以在基底41上安裝多個分隔壁。例如，參照圖6B，多個平行的分隔壁46可以形成在第一條線30a和第二條線30b之間以及第二條線30b和第三條線30c之間。分隔壁46可以可靠防止從第一條線30a發(fā)出的光線擴散到第二條線30b。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光裝置可以均勻發(fā)光，而不產(chǎn)生暗區(qū)。于是，發(fā)光裝置可以在預(yù)定區(qū)域內(nèi)均勻發(fā)光。
此外，采用這種均勻發(fā)光的發(fā)光裝置的背光單元可以根據(jù)LCD的掃描時間依次發(fā)光，而光線不會擴散到相鄰線。于是，根據(jù)本發(fā)明的背光單元可以有效避免作為傳統(tǒng)LCD中的嚴重問題的運動模糊。
雖然已經(jīng)參照本發(fā)明的特定實施例特別圖示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解到在不背離如所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精髓和范圍前提下可以在各實施例中作出形式和細節(jié)的變化。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光裝置，包括光反射元件，該光反射元件具有光反射表面，光線由該光反射表面反射；光透射元件，該光透射元件形成在光反射元件的光反射表面上，并具有發(fā)光表面；以及點光源，該點光源向光透射元件發(fā)光，其中，從點光源入射的光線通過其發(fā)出的光透射元件的發(fā)光表面包括平的直接發(fā)光表面，該直接發(fā)光表面面對點光源，并且將電光源發(fā)出的光線直接透射到光透射元件的外側(cè)；以及彎曲的全反射表面，該全反射表面圍繞直接所述發(fā)光表面形成，并將點光源發(fā)出的光線全反射向光反射元件，并將光反射元件反射的光線透射到光透射元件的外側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其中，光反射元件的光反射表面傾斜，以將從電光源直接入射的光線和由全反射表面全反射并從全反射表面入射的光線反射向全反射表面。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)光裝置，其中，光反射元件的每個光反射表面具有矩形橫截面，其寬度向上增大。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)光裝置，其中，光反射元件具有矩形的平的底面。
5.如權(quán)利要求2所述的發(fā)光裝置，其中，全反射表面的高度隨著遠離直接發(fā)光表面而增大。
6.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光裝置，其中，全反射表面的曲率半徑隨著遠離直接發(fā)光表面而增大。
7.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光裝置，其中，直接發(fā)光表面具有圓形形狀，并且全反射表面的周邊具有矩形橫截面。
8.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光裝置，其中，點光源設(shè)置在光反射表面的中心，并由光透射元件的下部圍繞。
9.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光裝置，其中，點光源是激光二極管或發(fā)光二極管。
10.一種背光單元，包括基底，以及多個發(fā)光裝置，所述多個發(fā)光裝置以二維陣列布置在該基底上，其中，每個發(fā)光裝置包括光反射元件，該光反射元件具有光反射表面，光線由該光反射表面反射；點光源，該點光源設(shè)置在光反射元件的光反射表面的中心，并發(fā)光；以及光透射元件，該光透射元件形成在光反射元件的光反射表面和點光源上，并具有發(fā)光表面，從點光源入射的光線從該發(fā)光表面發(fā)出，其中，光透射元件的發(fā)光表面包括直接發(fā)光表面，該直接發(fā)光表面面對點光源，并且將點光源發(fā)出的光線直接透射到光透射元件的外側(cè)；以及彎曲的全反射表面，該全反射表面圍繞直接發(fā)光表面形成，并且將點光源發(fā)出的光線全反射到光反射元件并將光反射元件反射的光線透射到光透射元件的外側(cè)。
11.如權(quán)利要求10所述的背光單元，其中，光反射元件的光反射表面傾斜，以將從電光源直接入射的光線和由全反射表面全反射并從全反射表面入射的管線反射到全反射表面。
12.如權(quán)利要求11所述的背光單元，其中，光反射元件的每個光反射表面具有矩形橫截面，該橫截面的寬度向上增大。
13.如權(quán)利要求12所述的背光單元，其中，光反射元件具有矩形的平的底面。
14.如權(quán)利要求11所述的背光單元，其中，全反射表面的高度隨著遠離直接發(fā)光表面而增加。
15.如權(quán)利要求14所述的背光單元，其中，全反射表面的曲率半徑隨著遠離直接發(fā)光表面而增大。
16.如權(quán)利要求14所述的背光單元，其中，直接發(fā)光表面為圓形，全反射表面的外周具有矩形橫截面。
17.如權(quán)利要求14所述的背光單元，其中，點光源是激光二極管或發(fā)光二極管。
18.如權(quán)利要求14所述的背光單元，還包括散射板，以均勻地散射從發(fā)光裝置發(fā)出的光線。
19.如權(quán)利要求14所述的背光單元，其中，以二維陣列形式布置的多個發(fā)光裝置形成多條線，所述多條線以預(yù)定時間間隔依次發(fā)光。
20.如權(quán)利要求18所述的背光單元，還包括多個分隔壁，所述分隔壁形成在基底上，并將以二維陣列布置的多個發(fā)光裝置中的形成一條線的發(fā)光裝置發(fā)出的光線與形成另一條線的發(fā)光裝置發(fā)出的光線分隔開。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)均勻光分布的發(fā)光裝置以及具有這種發(fā)光裝置的背光單元。發(fā)光裝置包括光反射元件，該光反射元件具有光反射表面，光線由該光反射表面反射；光透射元件，該光透射元件形成在光反射元件的光反射表面上，并具有發(fā)光表面；以及點光源，該點光源向光透射元件發(fā)光。從點光源入射的光線通過其發(fā)出的光透射元件的發(fā)光表面包括平的直接發(fā)光表面，該直接發(fā)光表面面對點光源，并且將電光源發(fā)出的光線直接透射到光透射元件的外側(cè)；以及彎曲的全反射表面，該全反射表面圍繞直接所述發(fā)光表面形成，并將點光源發(fā)出的光線全反射向光反射元件，并將光反射元件反射的光線透射到光透射元件的外側(cè)。
文檔編號G09F9/00GK1858637SQ20061007383
公開日2006年11月8日 申請日期2006年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月4日
發(fā)明者盧知煥, 王種敏 申請人:三星電子株式會社