專利名稱：一種使用六色單元封裝led的lcd背光系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體光源的背光系統(tǒng)，具體涉及使用六色單元封裝LED并使用勻光器的LCD背光光源，其制備方法和用途。
背景技術：
隨著超高亮LED的技術逐漸成熟，價格不斷下降，因其采用三基色發(fā)光、色還原性好、耗電量低，再加上壽命長、短小輕薄、環(huán)保等優(yōu)勢，它已逐漸取代CCFL背光源，在液晶顯示領域顯示出了巨大的潛力。
由于亮度低，以往的LED作為背光源的使用只能限制在小型顯示器上。隨著半導體技術的快速發(fā)展，加上封裝設計的新概念，LED的亮度和效率得以顯著提高，LED背光源的應用范圍更加廣泛。
LED是一種引人注目的LCD背光源選擇，尤其是在以紅、綠、藍LED構成白色時，能夠改進顯示屏前的顏色與亮度性能。如果以三原色LED作為LCD背光源，可以通過設計得到有三個光譜成份圍繞其主波長；并能通過LCD屏亞象素消除其在峰值光譜外的所有光譜，因而在擴大色再現(xiàn)率時，還能實現(xiàn)高亮度，因而在這方面比CCFL更優(yōu)越。
由于多媒體、電視以及圖表藝術等對白場顯示的色溫要求是不同的，這就需要視情況調節(jié)白場的色溫；但是以CCFL為背光源的LCD難以控制其背光源的光譜分布，而為了得到對白場色溫的良好控制，就得犧牲LCD的色再現(xiàn)性灰度動態(tài)范圍。但LED能夠通過分別暗化每種顏色LED的亮度來控制白場的色溫，因而無疑在這方面要勝CCFL一籌。
大尺寸LCD屏幕的使用壽命一般為5～6萬小時，而目前CCFL背光源的壽命一般只有2萬小時。LED產品的理論壽命為10萬小時，考慮其他因素，實際使用壽命為5～6萬小時，這就與LCD顯示屏的要求相匹配。
到目前為止，世界上用LED背光源做大尺寸液晶顯示的企業(yè)屈指可數。而我國的LED背光源大尺寸液晶顯示方面還是一片空白。
作為背光源，LED可大致分為三類白色、單色和多色。
使用白色LED背光時，電路相對簡單。但是由于其發(fā)出白光的原理是芯片發(fā)出的藍光一部分通過媒介轉變?yōu)辄S光；藍光和黃光混和就產生了白光，色坐標(白點)取決于藍光和黃光的比例。顯示屏的色階受到限制，并且白場色溫固定，與CCFL相同。
使用單色LED的RGB背光也表現(xiàn)出了特別的缺點由于各顏色交互排列，就需要附加混色所需的空間，產生均勻的混和光。該混色區(qū)的大小取決于兩個同色LED之間的距離和它們的發(fā)射角。對于帶有導光板的模塊，導光板的表面必須增大；而對于反射箱結構，則厚度必須增大。
相比之下，多色LED和白色LED的混色是發(fā)生在其封裝結構中，因此，對光的發(fā)射特性進行補償所需的空間就小得多。
總體來說，三類LED中，多色LED是彩色顯示背光的最佳選擇。
為了進一步擴大色彩表現(xiàn)范圍，不局限于以往的R(紅)、綠(G)、B(藍)3原色，通過追加新的色彩可以實現(xiàn)多色化，使LCD屏幕具有更寬廣的色域。
由于LED是點光源，輻射圖樣是圓錐形，因此LED背光的關鍵是獲得一個均勻照亮的表面。目前LED背光系統(tǒng)的主流是采用單色LED光源+導光板的側光式LED背光源。
導光板是提高顏色均勻性的有效方法，但是由于光在板中傳播的過程中有損失，它對光的利用率比較低。如果目標是電視機，其亮度至少應達到400～500cd/m2。因而為了得到高亮度，用LED在LCD屏幕后直接照明的方案優(yōu)于使用導光板的方案。
中國專利200410048713.3提供一種背光源組合及具有該背光源組合體的液晶顯示器，是側光式背光源，且未指定所使用的光源；專利03106671.2所述的背光源設置在被照射體的背面?zhèn)?，其光源由綠色、藍綠色、藍色、橙色、紅色、黃綠色中的任一種顏色的發(fā)光二極管構成，并且其液晶顯示裝置是黑白顯示型；中國專利02152111.5所述的背光源是使用多個發(fā)光二極管的側光式背光源，并且未提出使用多色LED作為光源。還有CN1558284，CN1383501以及JP8-211361，這些背光組件或系統(tǒng)使用的LED都是將單色芯片按照一定規(guī)律排列，然后進行混光來得到白光。這種方法的缺點是需要一定尺寸的距離來混光，否則不能得到比較均勻的白光。本發(fā)明人的另一個專利申請，申請?zhí)枮?00510034629.9，申請日為2005年5月20日，該專利提供一種使用三基色(RGB)封裝LED的LCD背光系統(tǒng)，將紅、綠、藍三基色的LED芯片封裝在一個單元器件內，然后將該單元器件排列形成光源，并使用勻光器。這就是說，現(xiàn)有技術的背光系統(tǒng)中，沒有一個使用六色LED在一個單元中的器件；也沒有同時使用光的折射和衍射的勻光器。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種使用六色(R1、R2、G1、G2、B1、B2)封裝LED的LCD背光系統(tǒng)。本發(fā)明的背光系統(tǒng)包括光源模塊、反射箱和勻光器，其中所述光源模塊包括多個光源器件，每個光源器件由六色的LED芯片構成，將六色的LED芯片封裝在一個單元器件內，然后將該單元器件排列形成光源。
本發(fā)明另一個目的是提供一種六色單元封裝LED的背光系統(tǒng)，其中每個LED光源的六種顏色芯片可以獨立驅動控制，以便各顏色光線在單元封裝的結構中初步混光后達到要求的色溫和亮度再發(fā)射到背光系統(tǒng)，從而實現(xiàn)LCD背光系統(tǒng)的高顯色指數和高亮度。并且每個LED光源里封裝的六色芯片在額定工作電流時，峰值波長可以選擇的范圍分別是410～420nm、425～435nm、500～520nm、530～550nm、605～618nm、620～230nm。還可根據不同的設計方案和使用需要來確定各顏色芯片的光學/電氣特性(如光通量、光強及驅動電流、電壓等)之間的匹配；LED光源的封裝結構(包括電氣結構、光學結構、機械結構)也根據不同的設計方案和使用需要來確定。
本發(fā)明再一個目的是提供一種背光系統(tǒng)，其中使用勻光器，包括折衍混和導光板，安置在反射箱開口的一面，從而在光的射出表面得到均勻的光。所述折衍混和導光扳基體本身是光折射元件，其表面有微小階梯陣列結構，從而構成得到光衍射的微光學陣列。
目前的由多個RGB單色LED進行混光的背光源系統(tǒng)，需要各個LED的光通量等性能嚴格匹配，并且對混光、導光系統(tǒng)要求高，很容易出現(xiàn)混光不均勻、色溫偏差等缺陷。
而使用六色LED背光源與使用R(紅)、綠(G)、B(藍)3原色相比，讓液晶面板有更大的色彩表現(xiàn)范圍。
使用六色單元封裝LED光源的LCD背光系統(tǒng)是直接背光結構，即六色單元封裝的LED光源排列后，使光線直接照射液晶面板的后表面。背光系統(tǒng)的結構包括光源模塊1、反射箱2和勻光器3。光源模塊由若干個上述的六色單元封裝LED光源11按一定規(guī)律、一定間距排列在同一個平面上，這些LED光源形成一個光軸方向相互平行的發(fā)光點陣。所述一定規(guī)律和間距是指按照用戶要求來選擇的，實際上是沒有嚴格限制的。在一個優(yōu)選實施方案中，放置光源模塊使發(fā)光點陣位于反射箱2內，點陣發(fā)出的光線在反射箱內反射混和。通過間距規(guī)則的LED點陣排列和具有相應深度的反射箱實現(xiàn)顯示表面上的均勻光照。反射箱的深度主要取決于LED的間距和發(fā)射角。要得到更進一步的均勻化光，可用不同的散射層或特殊增亮膜(BEF)，這些都是市場有售的產品，也是本領域技術人員所熟知的。如果對不同的膜加以合適的組合，可以減少反射箱的深度。直接背光主要應用在需要高亮度(＞500cd/m2)、中等尺寸和空間有限的系統(tǒng)中。
采用直接LED背光方案，顏色的均勻性仍然是關鍵問題。通常，LED排列緊密有利于混色，但是排列的越緊密，熱源就越集中，需要復雜的散熱結構。如果LED間距大一些，對散熱就有利的多，但是顏色不均勻又成為問題。通過合適的設計在顏色和熱量之間達到一個平衡。本發(fā)明采用六色單元封裝LED并采用勻光器就很好地解決了這個問題。單元封裝使得盡早混光，大大減少混光距離。現(xiàn)有技術僅僅是將單色LED按照規(guī)律排列，是一種整體混光，則混光距離很大。就混光距離而言，同現(xiàn)有技術相比，在混光結構相同的情況下，本發(fā)明可縮短3.5倍；如果現(xiàn)有技術混光需要28mm，本發(fā)明僅僅需要8mm。這對減小成品儀器的厚度意義重大。另外，由于使用了勻光器，不但得到更加均勻的光，而且保證了色溫。況且每個LED芯片可單獨控制，使得顏色不失真。
本發(fā)明的勻光器是一種二元光學元件(Binary Optical Elements，簡寫B(tài)OE)，它是一種位相型的衍射光學元件；以光的衍射效應為基本工作原理，采用對光學波面的分析來設計衍射位相輪廓的元件。二元光學的基本原理，就是從波動光學的觀點出發(fā)，根據光學波面要求用計算機設計成一個二元顯微浮雕結構，其圖形尺寸小于光的波長，然后再利用微細加工枝術，在介質或金屬基底上刻蝕成器件。目前制作二元光學元件的方法主要有微電子工藝中的刻蝕法、鍍膜法，高精度鉆石車床程序控制切削法等。其中微電子工藝技術中的刻蝕法是目前采用的主要手段。由于實際制作出的位相輪廓是以2為量化倍數，與理想的連續(xù)位相輪廓的臺階形狀近似，故被稱為“二元光學元件”。關于勻光器的原理和構造可見本發(fā)明人的另一個專利申請，申請?zhí)枮?00510034628.4，2005年5月20日提交，名稱是“一種使用勻光器的LED光源”，其內容本文結合引用。


圖1是本發(fā)明LCD背光系統(tǒng)的一個實施例的結構示意圖。
圖2是本發(fā)明六色單元封裝的LED光源的結構示意圖。
圖3是本發(fā)明六色單元封裝的LED光源的俯視平面圖。
圖4是LCD背光系統(tǒng)的光源模塊的示意圖。
圖5是LCD背光系統(tǒng)的反射箱的示意圖。
圖6是本發(fā)明LCD背光系統(tǒng)另一實施例的結構示意圖。
圖7是本發(fā)明LCD背光系統(tǒng)中折衍混和導光板的原理示意圖。
圖8是帶有若干凹槽的折衍混和導光板的示意圖。
圖9、10、11是本發(fā)明LCD背光系統(tǒng)另幾個實施例的結構示意圖。
具體實施例方式
下面參照附圖結合實施例進一步詳述本發(fā)明。
實施例一請參閱圖1，背光系統(tǒng)從下到上的組成結構是光源模塊1、反射箱2和散射層31。
請參閱圖2和圖3，六色單元封裝的LED光源11，每個LED里封裝的R1、R2、G1、G2、B1、B2六色芯片111、112、113、114、115和116在額定工作電流20mA時，峰值波長分別是410nm、430nm、510nm、540nm、615nm、625nm；LED采用貼片安裝(SMT)的形式，為12引線的封裝結構，每2個引線獨立控制一個芯片。光的出射角度(FWMH)為120°。
請參閱圖4，將若干個上述的六色單元封裝的LED用貼片安裝工藝焊接到一個鋁基PCB 12上，該鋁基PCB已按照LED的排列設計好了相應的電路，并負責LED光源驅動電源的輸入和反饋信號(溫度、顏色等)的輸出。選用鋁基PCB是因為它的熱傳導性優(yōu)于一般的PCB，更加有利于LED的散熱。根據LCD屏幕的尺寸及光學需要設定LED合適的排列方式和間距。同時要考慮平衡顏色均勻的需要和散熱的需要。
例如，對于15英寸的LCD屏幕，屏幕對角線長度為381mm，屏幕高寬比為3∶4，其高、寬分別為229mm和306mm，設定LED平行排列，行、列間隔均為18mm，發(fā)光點陣尺寸是234mm×306mm，LED光源數量是14×18＝252個；對于17英寸的LCD屏幕，屏幕對角線長度為443mm，屏幕高寬比為3∶4，其高、寬分別為271mm和338mm，設定LED平行排列，行、列間隔均為18mm，發(fā)光點陣尺寸是270mm×342mm，LED光源數量是16×20＝320個；本例中，LED在鋁基PCB上平行排列，行、列間隔為18mm。為了加強散熱，鋁基PCB背面可連接散熱器。
以上完成了LCD背光系統(tǒng)的光源模塊1。
反射箱2是一個方形的箱體，如圖5所示。反射箱的上方開口，底部開有若干小孔21，與鋁基PCB上的LED光源的位置相對應。反射箱內壁是光滑的反射面，減少光線在其中的損失。反射箱的深度主要取決于LED的間距和發(fā)射角。初步估算一個使用無透鏡SMT-LED的反射箱的深度時，一般采用LED間距的1.5～2倍。這個深度可以產生良好均勻性的光照。因此本實施例中反射箱的深度設定為27mm。
在反射箱開口的一面，安裝有一個散射層31。該散射層的作用是將照射到入射表面311上的光線進行擴散，從而在光的射出表面312得到較為均勻的光。
以上所述的背光系統(tǒng)工作時，光源模塊中六色單元封裝的LED陣列由驅動電路按顯示需要提供合適的電流，發(fā)出的混和光線進入反射箱，在反射箱中進行反射并進一步混和，然后照射到散射層的入射表面上，經過擴散，從射出面得到均勻的色溫合適的光線，從而給LCD屏幕提供理想的背光照明。
上述的背光系統(tǒng)中，由于光源使用的是六色單元封裝的LED，混色是發(fā)生在其封裝結構中，再經過反射箱的反射混和，對光的發(fā)射特性進行補償后經過散射層擴散，已能夠滿足LCD背光的需要，而不再需要利用導光板進行混光，減少了光損失，并使LCD背光系統(tǒng)的結構大為簡化，成本大大降低。
要得到更進一步的均勻化光，可用不同的散射層或特殊增亮膜(BEF)。對不同的膜加以合適的組合，可以減少反射箱的深度。將在以下的實施例中說明。
實施例二請參閱圖6，背光系統(tǒng)從下到上的組成結構是光源模塊1、反射箱2和折衍混和導光板32。
LCD背光系統(tǒng)的光源模塊與實施例一相同。
在反射箱開口的一面，安裝有一個折衍混和導光板32。該導光板的作用是將照射到入射表面321上的光線進行混和并擴散，從而在光的射出表面322得到較為均勻的光。
折衍混和系統(tǒng)是由衍射光學器件與傳統(tǒng)的折射光學器件組合而成，即片基表面做成衍射光學器件32a，而片基本身做成折射光學元件32b。具體來說，導光板本身是折射元件，在導光板的光出射表面精心設計一些微光學陣列結構，如圖7所示。單元孔徑尺寸為微米量級，從而在導光板表面擁有了衍射元件，利用折射和衍射兩種光學作用在色散上的相反效果(阿貝數負向)，可以有效地消除色差，擴寬色域，提高色再現(xiàn)性。
折衍混和系統(tǒng)同時利用了光的折射和衍射兩種特性；具有獨特的色散性質、良好的熱性能及單色像差校正能力；在光學設計中增加設計的自由度；多功能集成、減小體積和降低成本；衍射光學透鏡獨特的色散特性可用于消色差。
上述的背光系統(tǒng)中，由于使用了折衍混和導光板，使光線的混和效果加強，減少了光線混和所需的空間，因此可以減小反射箱的深度，從而使LCD背光系統(tǒng)的厚度減小。
實施例三基本按照與實施例二相同的結構，不同的是折衍混和導光板32的入射表面321上開有若干凹槽3211，如圖8所示。凹槽的位置與形狀與光源模塊中鋁基PCB上的LED光源的位置和形狀相對應，作用是收集LED發(fā)出的光線。
安裝后，光源模塊上的LED直接嵌入折衍混和導光板入射表面321上的凹槽3211，LED發(fā)出的光線通過凹槽進入導光板，在導光板內進行混和并擴散，然后從導光板的射出面322得到均勻的色溫合適的光線。
由于LED直接嵌入導光板的入射表面上的凹槽，使LED發(fā)出的光線全部進入導光板，最大限度的避免了光損失。
該結構不需要在光源模塊的上方留出對光的發(fā)射特性進行補償所需的空間，直接由折衍混和導光板進行混光，進一步減小了LCD背光系統(tǒng)的厚度。
實施例四基本按照與實施例二相同的結構，不同的是折衍混和導光板32的射出面322上還有一層特殊增亮膜(BEF)33，如圖9所示。該增亮膜可以增加射出光線的亮度并改善其均勻性，從而使照射到LCD屏幕的光線更加理想。
實施例五基本按照與實施例一相同的結構，不同的是散射層31的射出面312上還有一層特殊增亮膜(BEF)33，如圖10所示。該增亮膜可以增加射出光線的亮度并改善其均勻性，從而使照射到LCD屏幕的光線更加理想。
實施例六參閱圖11，基本按照與實施例一相同的結構，不同的是反射箱的底部不開口，而光源模塊位于反射箱內的底部平面上，光源模塊的上方另加一塊隔板4，該隔板上開有若干小孔，與鋁基PCB上的LED光源的位置相對應。隔板的表面光滑的反射面，減少光線反射的損失。該結構的優(yōu)點是可以減少光的泄漏。
實施例七基本按照與實施例一相同的結構，不同的是光源模塊中每個六色單元封裝的LED光源的上方均有一個利用二元光學系統(tǒng)原理的透鏡(勻光器)，根據實際需要設計該透鏡的光學結構，可以得到特定的比較均勻的輻射圖樣，使后續(xù)的光學設計大大簡化。
以上詳細敘述了本發(fā)明的光源及背光結構，顯然，本領域技術人員可作許多改良和變換而不背離本發(fā)明的精神范圍。例如，可將形狀改變?yōu)榫匦危瑘A形，橢圓形等。
權利要求
1.一種使用六色(R1、R2、G1、G2、B1、B2)單元封裝LED的LCD背光系統(tǒng)，包括光源模塊、反射箱和勻光器；其特征在于所述反射箱是一個方形的箱體，反射箱的上方開口，底部開有若干小孔，所述光源模塊中LED光源的位置相對應，反射箱內壁是光滑的反射面；所述光源模塊包括多個光源器件，每個光源器件由六種顏色的LED芯片構成，將六色的LED芯片封裝在一個單元器件內，然后將該單元器件排列形成光源；所述勻光器包括折衍混和導光板，安置在反射箱開口的一面，勻光器的折衍混和導光板的入射表面上開有若干凹槽，凹槽的位置和形狀與鋁基PCB上的LED光源的位置和形狀相對應。
2.根據權利要求1的背光系統(tǒng)，其特征在于每個LED光源的六種顏色芯片可以獨立驅動控制，以便各顏色光線在單元封裝的結構中初步混光后達到要求的色溫和亮度再發(fā)射到背光系統(tǒng)。
3.根據權利要求1的背光系統(tǒng)，其特征在于每個LED光源里封裝的六色芯片在額定工作電流時，峰值波長可以選擇的范圍分別是410～420nm、425～435nm、500～520nm、530～550nm、605～618nm、620～230nm。
4.根據權利要求1的背光系統(tǒng)，其特征在于所述模塊中六色單元封裝的LED光源排列后使光線直接照射液晶面板的后表面。
5.根據權利要求4的背光系統(tǒng)，其特征在于所述模塊中排列六色單元封裝LED光源，使得這些LED光源形成一個光軸方向相互平行的發(fā)光點陣。
6.根據權利要求1的背光系統(tǒng)，其特征在于放置所述光源模塊使發(fā)光點陣位于反射箱內，點陣發(fā)出的光線在反射箱內反射混和。
7.根據權利要求6的背光系統(tǒng)，其特征在于六色單元封裝的LED連接到鋁基PCB上，該鋁基PCB上具有相應的電路。
8.根據權利要求7的LCD背光系統(tǒng)，其特征在于所述PCB背面連接散熱器。
9.根據權利要求1的背光系統(tǒng)，其特征在于所述反射箱的深度范圍是所述單元封裝LED光源之間間距的1.5～2倍。
10.根據權利要求9的背光系統(tǒng)，其特征在于所述反射箱開口的有散射層或增亮膜或散射層和增亮膜。
11.根據權利要求9的背光系統(tǒng)，其特征在于所述折衍混和導光扳基體本身是光折射元件，其表面有微小階梯陣列結構，從而構成得到光衍射的微光學陣列。
12.根據權利要求11的背光系統(tǒng)，其特征在于所述微小階梯陣列結構的單元孔徑尺寸為微米量級。
13.根據權利要求1的背光系統(tǒng)，其特征在于勻光器的折衍混和導光板的入射表面上開有若干凹槽，凹槽的位置和形狀與鋁基PCB上的LED光源的位置和形狀相對應，從而使LED發(fā)出的光線直接通過凹槽進入導光板，在導光板內進行混和并擴散，然后從導光板的射出面得到色溫合適的均勻光。
14.根據權利要求1的背光系統(tǒng)，其特征在于反射箱的底部不開口，而光源模塊位于反射箱內的底部平面上，光源模塊的上方另加一塊隔板，該隔板上開有若干小孔，與鋁基PCB上的LED光源的位置相對應。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用六色(R1、R2、G1、G2、B1、B2)單元封裝LED的LCD背光系統(tǒng)，包括光源模塊、反射箱和勻光器，其特征在于所述光源模塊包括多個光源器件，每個光源器件由六種顏色的LED芯片構成，將六色的LED芯片封裝在一個單元器件內，然后將該單元器件排列形成光源。其中每個LED光源的六種顏色芯片可以獨立驅動控制，以便各色光線在單元封裝的結構中初步混光后達到要求的色溫和亮度再發(fā)射到背光系統(tǒng)。勻光器包括折衍混和導光板，該導光扳基體本身是光折射元件，其表面有微小階梯陣列結構。要得到更進一步的均勻化光，可用不同的散射層或增亮膜。
文檔編號G02F1/13357GK1693968SQ20051003464
公開日2005年11月9日 申請日期2005年5月23日 優(yōu)先權日2005年5月23日
發(fā)明者李明遠, 陳迎春, 肖俊 申請人:深圳市中電淼浩固體光源有限公司