使用面发射（LED）光源进行均匀照明的背光源装置

摘要

一种适用于液晶显示(LCD)(22)的背光灯的直接观看的照明装置(24)，包括(按照此顺序)：面发光源阵列(LED)(14)，它具有一角度发光强度分布；光束扩展光学元件阵列(28)；菲涅耳透镜阵列(32)，用于减小光束发散；以及(任选的)漫射器(38)。光束扩展光学元件的折射特性(凸的和凹的)使得在照明平面处(LCD位于该处)发光通量基本上恒定。因此，光束扩展光学元件将更多的光折射到更高的光束角度中，从而补偿这些源的发光强度的相应下降。菲涅耳透镜的薄片减小光束的发散，并且将它们引导至漫射器。(较弱的)漫射器用于添加进一步的光束发散以适于各种应用，而不是自身产生亮度的均匀性。该装置允许更纤细的设计，从而不需要具有高雾度(＞90％)的强漫射器。

说明书

技术领域

本申请一般涉及背光照明装置，更特别地涉及一种使用发光二极管(LED)装置的背光装置。

背景技术

透射液晶装置(LED)和其它类型的显示装置需要某种类型的背光照明光源。背光照明市场基本上有三项照明技术：电致发光灯(EL)、冷阴极荧光灯(CCFL)和发光二极管(LED)。至今，由于提供了高效和可靠的光源，CCFL技术在便携式电脑和便携式显示器市场中占了大部分。CCFL特别适用于边缘照明应用，在该应用中，这些线光源直接发光进入导光板或层的一边，该导光板或层将光扩展到它的输出表面上。然而，CCFL固有的缺陷限制了其预期的增长。例如，CCFL灯包括水银和一些易碎物。CCFL只在尺寸限定的范围内是可以获得且实用的，这在非常小的显示器和更大的显示器中限制了它们的应用，例如那些优选用于电视显示的。而且，CCFL在背光单元中产生不需要的热，潜在地扭曲或者在其它方面损坏位于显示模块中的一个或多个光学层组件。

LED背光照明相对这些其它技术有固有的优点，LED机械地耐用和只需要低DC电压电源。合适类型的LED可以特别明亮，相对高效率，和具有固有的长寿命。LED由于窄的光谱特性从而具有大的色域优点和容许颜色的更易操作，可以获得多样的颜色。而且LED也能配置在边缘照明装置里，他们相对于用于直接观看照明装置的其它技术也具有优点，其中在面上分开间隔的光源装置提供需要的背光光源。

许多直接观看LED背光照明技术方案已经商业化了，包括三星公司的(Samsung)使用在LNR460D LCD平面屏HDTV中的装置。专利文献描述的许多LED背光装置和改进，例如：

Deloy等的美国专利号6,789,921名为“双模式液晶显示背光照明方法和装置”，描述了一种LED背光照明装置，使用了包括热降低补偿的多个二维LED阵列；

Holman等的美国专利号6,871,982名为“高密度照明系统”，描述了一种背光装置，具有位于反射腔内部且具有支撑棱镜层的LED阵列；

Boyd等的美国专利号6,568,822名为“线性照明系统”，描述了一种照明光源，使用LED改变均匀性，每个LED部分地密封在一棱镜单元的锯齿状输入表面；

Feldman等的美国专利号6,666,567名为“具有凸起的LED结构的光源的方法和装置”，描述了一种LED背光源，将LED装置设置于一反射面上提供附加照明以及提供扩展来自LED光的支撑光学器件；和

Paolini等的欧洲专利申请公开号EP1 256 835名为“彩色LCD的背光灯”，描述了一种LED背光装置，其中，来自边缘布置的LED的光通过光导里的结构改变方向而向外。

当上面列出的方案的每一个都声称采用了至少一些改善使用LED光源的背光照明性能的措施时，但是这些方案的每一个都具有缺陷并仍然存在相当大的改善的空间。为了在一个更宽阔的区域扩展照明以及以适当的方向性引导光朝向背光显示器，实现从点光源到一区域的均匀性是一个复杂的问题，而且需要多个光学组件的相互作用。为了扩展以及使点光源LED照明适用于背光显示器，需要光学组件的一些组合。

虽然LED背光装置已经受到了相当大的注意，但是仍然具有许多的缺点。因为LED本质上为点光源，LED直视背光照明需要高性能的漫射元件来漫射光到板的表面区域和当需要时重复利用光，这增加了LED背光灯的厚度和费用。来自LED自身的热也是一个问题。从这些光源发出的热可导致在LCD中的均匀性失常。许多传统系统的全部差的光分布造成其它照明的非均匀。

因此，直视LED背光照明装置具有优点，显示出改善的均匀性和效率、低费用和更薄的空间外形。

发明内容

本发明提供一种提供照明的照明装置，包括：

a)一面发射光源阵列，其中每个面发射光源发出源照明光束，以光束角θ到照明平面；

b)一相应于所述面发射光源阵列的光束扩展光学元件阵列，其中，通过每个光束扩展光学元件所述源照明光束的折射实质上满足一分布函数：

dy/dθ＝f(θ)

其中y是从所述光束扩展光学元件的光轴沿着所述照明平面的径向距离，

dy是所述径向距离的任意小的增量，

dθ是相应于dy的光束角的角度增量，和

f(θ)是所述光源的角度分布的分布函数，

这样，每一光束扩展光学元件调节来自相应面发射光源的源照明光束的发光强度，以提供射向照明平面的均匀照明光束；

和，

c)一光束发散减小的透镜元件阵列，其中，每个光束发散减小的透镜元件减小相应的均匀照明光束的角度发散，从而提供具有改善的均匀性和减小的光束发散的照明。

本发明也提供一个显示装置，包括：

a)一面发射光源阵列，其中每个面发射光源发出源照明光束，以光束角θ到照明平面；

b)一相应于所述面发射光源阵列的光束扩展光学元件阵列，其中，通过每个光束扩展光学元件所述源照明光束的折射实质上满足一分布函数：

dy/dθ＝f(θ)

其中y是从所述光束扩展光学元件的光轴沿着所述照明平面的径向距离，

dy是所述径向距离的任意小的增量，

dθ是相应于dy的光束角的角度增量，和

f(θ)是所述光源的角度分布的分布函数，

这样，每一光束扩展光学元件调节来自相应面发射光源的源照明光束的发光强度，以提供射向照明平面的均匀照明光束；

和，

c)一光束发散减小的透镜元件阵列，其中，每个光束发散减小的透镜元件减小相应的均匀照明光束的角度发散，从而提供具有改善的均匀性和减小的光束发散的照明。

d)一液晶光调制器，用来调制具有减小的光束发散的所述照明光束以提供带有图像的光束；和

e)一观看角度控制膜，与所述液晶光调制器空间分离，用来扩大所述带有图像的光束的观看角度。

本发明还提供一用来提供照明的照明组件，包括：

a)多个面发射光源，其中，每个面发射光源提供一源照明光束；

b)多个光束扩展光学元件，其中，每个光束扩展光学元件调节来自相应面发射光源的源照明光束的发光强度以提供均匀的照明光束；

c)多个光束发散减小的透镜元件，其中每个光束发散减小的透镜元件改变所述均匀的照明光束到观看方向以提供具有减小角度发散的照明光束；和

d)观看角度控制膜，与所述光束发散减小的透镜元件空间分离，用来扩大具有减小角度发散的照明光束的观看角度。

本发明还提供一显示装置，包括：

a)多个面发射光源，其中，每个面发射光源提供一源照明光束；

b)多个光束扩展光学元件，其中，每个光束扩展光学元件调节来自相应面发射光源的源照明光束的发光强度以提供均匀的照明光束；

c)多个减小光束发散的透镜元件，其中每个光束发散减小的透镜元件改变所述均匀的照明光束到观看方向以提供具有减小角度发散的照明光束；和

d)液晶光调制器，用来调制具有减小的光束发散的所述照明光束以提供带有图像的光束；

e)观看角度控制膜，与所述液晶光调制器空间分离，用来扩大所述带有图像的光束的所述观看角度。

本申请使用一分开布置的的LED的装置或其它面发射光源。它提供一LED背光照明，在观看角度范围内具有更均匀的照明而不需要一强的漫射元件。它也提供一有效的背光装置，能以更低成本制造，并具有较薄的空间外形。

通过阅读下面更详细的描述，结合其中示出和表述本发明的示意性实施例的的附图，本发明的这些以及其它目标、特征和优点对于本领域的技术人员来说是明显的。

附图说明

虽然详细的描述包括特别指出和明显提出本发明主题的权利要求，但结合附图从后面的描述中更容易理解本发明。

图1是传统直视LED背光灯的横截面的侧视图；

图2是根据本发明一个实施例的LED背光灯横截面的侧视图；

图3是光束扩展光学元件的关键几何关系的示意图；

图4是按照本发明的一个实施例的光束扩展光学元件的侧视图；

图5A和5B是照明光束形状对照明强度影响的曲线图；

图6A是根据本发明显示装置如何提供均匀空间照明的截面图；

图6B是根据本发明或相当的实例在没有菲涅耳透镜下光调节作用的横截面的示意图；和

图7是在一实施例中LED光源和支撑组件的可能的蜂巢型配置的平面图。

具体实施方式

这里的描述把注意力特别贯注于按照本发明的装置的构成部分，或更直接地与该装置共同协作的元件。可以理解的是并非特定的说明或描述元件可以采取本领域技术人员熟知的不同的形式。

如图1所示，为了描述而以简化的横截面图的形式示出，使用LED背光灯12照明LC装置22的传统LCD显示器10的部分装置。多个LED14沿表面16配置，每个提供一源照明光束18。折射元件20，典型的是透镜，扩展所述源照明光束。漫射器30有助于提供进一步的角度扩展和最小化更高亮度的“热点”。

作为第一近似，LED14看作一朗伯(Lambertian)源或者点光源，在宽角度范围发送源照明光束18。然而，LED14的空间亮度分布一般不均匀。因此，需要折射元件20和漫射器30校正不均匀的亮度分布。在图1中的传统装置，漫射器30作为均匀器。为了补偿LED14的不均匀亮度分布，漫射器30必须相对地厚且被合适地设计以实现此功能。典型地需要一个雾度(haze value)大约大于90％的强漫射元件。

一种建议的改善亮度均匀性的途径是优化折射元件20的形状。例如，Boyd等的美国专利号6,568,822题为“线性照明光源”的专利披露了具有复合曲面的透镜，其中透镜被刻槽以便它实质上覆盖LED，合适地扩展光束用于背光照明使用，这改善了亮度在漫射器30上的均匀性。虽然该方案可以帮助改善照明均匀性，但还需要雾度超过90％的强漫射器30来确保可接受的均匀性。由于这样的高雾度，当光穿过漫射器30和从表面16反射出去时，漫射器30通过多次散射光来提供均匀光。值得注意的是，伴随着每次散射和反射存在光损失，该光散射可使光脱离预想的路径和离开末端的使用者，因此，散射降低了从光源14传输到末端使用者的光的效率。

为了改善照明均匀性和光效率，本发明的装置和方法进一步调节照明光束，在其入射到漫射器30上之前提供改变方向和角度减小的措施。如图2所示，同样在横截面，背光灯24装置设计成改进照明装置50中的照明均匀性。LED14沿反射面26配置。每个LED14具有相应的光束扩展光学元件28，该光束扩展光学元件28作为一个照明均匀器，在一个宽角度范围内提供扩展照明光束34。菲涅耳透镜元件32，一种光束发散减小的透镜部件的优选类型，优点在于它的薄的外形，然后对扩展照明光束34提供一定程度上光束发散的减小，因此提供减小发散的照明光束36。漫射器38设置在减小发散的照明光束36的路径上，作为一种观看角度控制膜或物品来扩展观看角度，从而给LC装置22或其它组件提供均匀的背光照明40。LC装置22调制均匀的背光照明40以形成调制的图像光束54。

作为本申请中所使用的词语，“减小发散”光束具有至少一些通过菲涅耳透镜元件32产生的减小角度发散的措施。对于大多数背光照明应用中，照明光束并不需要准直。期望的发散减小最小至少大约+/-5％。所允许的角度发散程度可在一个范围内变化，取决于光源的尺寸和菲涅耳透镜元件32的焦距。选择漫射器38以提供适合不同应用的光束发散。

基于亮度和照度的分析优化本发明。照度根据表面单位面积上入射的光通量给出。亮度或光亮度，根据单位投影面积的单位立体角的辐射的光通量给出，如投影到垂直于传播方向的平面上。如果光源是朗伯(Lambertian)，它的发光强度具有cosθ的下降，其中θ是光束相对于法线的偏移角。它的照度，同时，具有cos⁴θ的下降。

关于图3，光束扩展光学元件28的设计是用来使LED14的照度在照明平面P_i上一特定二维区域上更接近常数，这意味着满足下面的公式，其中几乎一样是可能的：

dФ/dy＝常数             (1)

其中Φ是光通量，y是在照明区域上离光轴的距离，如图3所示。在图3中线z表示光轴。

一个朗伯(Lambertian)光源的发光强度表示为一个分布函数：

f(θ)＝dФ/dθ＝cos(θ)          (2)

其中θ是从光源发射的光束的角度的测量值。为了获得均匀光照明，要求光束扩展光学元件将公式(2)转换为公式(1)。由于光通量在任何光学系统中是守恒的，相对地直接得到为均匀照明使用朗伯(Lambertian)光源的扩展光学元件应该满足的条件，为：

dy/dθ＝cos(θ)            (3)

还是参照图3，假设一光束以θ角入射到光束扩展光学元件上。从光学扩展光学元件，光束入射到照明平面Pi的位置y上。当入射角以一增量dθ变化，相应的y的变量是dy，应该与cos(θ)成比例。换句话说，当光束角θ增加时，区域dy中的光通量以cos(θ)增长。简单的提出，这个条件要求光学元件传输更多的光到高角度以补偿在照度中的余弦下降。

在光束扩展光学元件后也可以导出光束的发光强度。该光束扩展光学元件产生均匀照明以满足下面的关系：

其中dl是dy的对向区域，那么

dy＝dl/cos(θ)              (5)

相应于dl的对向立体角是：

$\mathrm{d\Omega }=\frac{\mathrm{dl}}{r^2}=\frac{\mathrm{dl}}{{(z/\cos \left(\theta \right))}^2}{\cos }^2\left(\theta \right)\frac{\mathrm{dl}}{z^2}---\left(6\right)$

通过转换公式(6)，可以得到下面的公式：

$\mathrm{dl}=z^2\frac{\mathrm{d\Omega }}{{\cos }^2\left(\theta \right)}---\left(7\right)$

将公式(7)带入公式(4)和使用公式(5)得到

因此，使用公式(6)，发光强度变成(9)：

虽然这些推导假设了一个朗伯(Lambertian)光源，同样的理论可以更普遍地应用于其它类型的光源。在普通情况下，光源可以考虑成具有角度分布：

dФ/dθ＝f(θ)            (10)

下面相同的推导过程，公式(3)可以扩展为更普遍地形式，

dy/dθ＝f(θ)         (11)

公式(11)是公式(3)的概括形式。使用这一分析，在使用LED光源的照明系统中光束整形光学元件的目标是满足上面的方程(11)，假设一特殊的分布函数f(θ)。上面描述的例子中，角度分布函数f(θ)遵循余弦性质。其它可能的角度分布函数可以是指数函数或三角函数，例如cos²(θ)。无论角度分布函数f(θ)是什么，光束整形光学元件应该以这样的方式补偿，在照明平面的光通量保持基本的均匀。综上，通过光束整形光学元件提供的照明均匀性应该在～90％内。

图4示出，在横截面外形中，在一个实施例中光束扩展光学元件28的形状。这里，光束扩展光学元件28是一具有凸和凹曲率的透镜。光束扩展光学元件28在透镜元件中心具有凹部分48，也就是，相对接近于光轴O，和凸形外部分52。(图4中，凹部分48具有非常小的凹曲率)。

图5A示出了在被光束扩展光学元件28限制前，来自LED14的光的发光强度的曲线44。图5B示出了一个发光强度曲线46，覆盖一角度范围大约垂直(0度)于从光束扩展光学元件28提供的扩展照明光束34(图2)。曲线46的改进形状显示发光强度与(cos³θ)^-1成比例，这如所期望的一样。

图6A所示，以理想的形式，显示装置50如何提供基本均匀的空间亮度。这里，LED 14提供光至具有上述光束扩展功能的光束扩展光学元件28。菲涅耳透镜元件32然后提供光束发散减小和传输有调节的照明至漫射器38，典型的是一个层，以控制观看角度。这种设置为到达LC装置22的照明提供了均匀的空间亮度。在这一系统中，通过漫射器38的光的角度扩展使用用来增宽观看角度，而不是像传统的设计中用来提供均匀性。从而，在用户模式式中该漫射器38被选择以满足显示模块的特殊观看角度需求。在图2和图6A所示实施例中，漫射器38在照明路径上。在变形的实施例中，漫射器38可以被设置在调制光的路径上，也就是说，在光调制元件和观看者之间。在一实施例中，满射器38为LC显示装置增加观看角度至少大约+/-10度。

本发明的装置和方法为每一个LED14提供了一相应的光束扩展光学元件28和菲涅耳透镜元件32。用于多个LED14的菲涅耳透镜元件32可以被设置成一个阵列，因此，在一实施例中，一个单层具有多个菲涅耳透镜元件的一个阵列，有适当的尺寸以及彼此之间基于LED14的间距间隔。在每一个独立的菲涅耳透镜元件32与其相应的LED14之间需要某些对准装置。漫射器38可以是一层或板，也可以比传统的LED背光照明中，例如图1中所示的背光照明24，所需的相应的漫射元件薄的多，。

如果没有菲涅耳透镜元件32提供的光束扩散减小，由于入射光束的方向性观看者感觉到的照明会不均匀。图6B图示性地显示了这种情况。光线41在接近法线方向对于观看者是很容易可见的。相比较光线42在一离轴角度传播而且在被漫射器38作用后仍不传播进眼睛。没有这些光束扩散减小，照明的一部分可能会远离所期望的观看角度传播，导致照度大大减弱。防止这种情况发生的一种方式是使用一很强的漫射器，具有高于90％的雾度；然而，这种高扩散光学组件显示出高的吸收性和背面反射，导致低的光效率。在本发明中，菲涅耳透镜元件32(图2和6A中所示)通过光束扩散减小排除了对强漫射器的需要，不管入射角如何改变入射光束的方向至更接近法线方向。为了使照明在到达LC装置22前在一个窄角度范围传播，只需要一个雾度低于90％的弱漫射器。

LED14和它们的支撑组件可以矩形模式的排和列或其它合适的模式沿反射面26设置。例如，图7所示的平面图显示了一个蜂巢模式，其中每一个单元54都以紧密的封装模式设置。每个单元54可以包含一个具有一相应的光束扩展光学元件28和菲涅耳元件32的LED14。组件以这种方式封装，使用六边形的蜂巢单元54，优化由LED14提供的照明平面中的组件设置。

加工制造

在一实施例中，在显示装置50(图2和6A)中使用的光束整形和调节组件以预定的组件间距制造，也就是说，例如，LED14和它们相应的光束扩展光学元件28均匀地空间地布置。菲涅耳透镜32作为一单层的部分被模制，单个透镜为了与LED14对准适当地空间分开。

光束扩展光学元件28可以由传统的光学材料形成。当使用非球面形状，普遍优选使用光学塑料制造。因为这些组件是作为照明系统(而不是成像系统)的部分，制造公差不需要严格。

通过特别参考某些优选的实施例，本发明获得了详细的描述，但是可以理解的是，本领域普通技术人员在不脱离本发明范围的可实现的变化和修改，也在如上所述的本发明的范围，以及从属权利要求记载之内。例如，虽然使用了LED14，但作为点光源的其它类型的面发射光源也可以使用。也可以使用反射型光束扩展光学元件28，LED14或其它面发射光源可以是多色光源，如白光光源，或者可以是单色的。菲涅耳透镜元件32的优点是它的薄尺寸，一些薄准直透镜元件的变形型可以被替换以提供菲涅耳透镜元件32的准直作用。

因此，这里提供一装置和方法，用于LED背光照明装置和使用该装置的显示器。

部件列表

10.LCD显示器

12.背光灯

14.LED

16.面

18.源照明光束

20.折射元件

22.LC装置

24.背光灯

26 反射表面

28.光束扩展光学元件

30.漫射器

32.菲涅耳透镜元件

34.扩展照明光束

36.基本准直的照明光束

38.漫射器

40.均匀化的背光照明

41，42.光线

44.曲线图

46.曲线图

48.凹部分

50.显示装置

52.外部分

54.图像调制后的光束

P_i照明平面