CN102537784A

CN102537784A - 用于液晶投影显示***的低功率极高亮度led背光光源

Info

Publication number: CN102537784A
Application number: CN201110416155XA
Authority: CN
Inventors: 吴金华; 张小芸; 陈建军; 洪乙又; 杨洪宝
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明是一种用于液晶投影显示***的低功率极高亮度LED背光光源，包括如下配置方法，a、采用高效发光二极管LED阵列及聚光反射碗阵列排布方式；b、发光二极管LED可以是一到三个不同颜色红、绿、蓝，至少有绿色的发光二极管LED或LED芯片组成的LED发光单元；c、采用高效发光二极管LED芯片；d、采用铝基、铜基或导热陶瓷基材背光电路板；e、LED单芯片额定0.5W以上，低功率工作的方式，充分提高LED的发光效率；f、在液晶显示屏和LED发光单元之间的光学增亮膜紧贴液晶显示屏。本发明具有以下优点：设计周期短、关键光学元件反射板加工成本低，可用于制造各种液晶投影平视显示***背光光源。寿命长，安装维修方便。

Description

用于液晶投影显示***的低功率极高亮度LED背光光源

技术领域

本发明涉及的是一种用于液晶投影显示***的极高亮度LED背光光源。属于照明用光源和光学技术领域。

背景技术

目前，传统用于投影显示***都是用高亮度像素管作为高亮度显示像源，有关光路见图1；高亮度像素管是一种阴极射线管（CRT），由于CRT形式的电视机、监视器等彩色显示***已经被以液晶、等离子显示PDP等平板显示***代替，CRT相关行业在今天已经逐步消失，因此高亮度像素管也将逐步被极高亮度的液晶显示像源代替；投影显示光学***将显示像源的显示画面经过投影***放大视场角，并经半反半透镜反射到观察者的眼睛，在无穷远处成虚像。对应高亮度像素管的显示发光视场角一般大于±30°即可。为了能同时清晰的看到仓外的环境状况，半反半透镜的透过率远大于反射率，一般透过率为80%，反射率在20%左右，因此有接近80%的光线被透过损失；在强阳光环境下，为了清楚的观测显示图象，经过半反半透镜反射的显示图象亮度要大于6000 cd/m²，对应高亮度像素管的显示亮度要达到30000 cd/m²以上。这个亮度指标相对一般的高亮度液晶显示器在1000～1500 cd/m²的高亮度而言，高了20～30倍，所以称为极高亮度；为了提高在高亮度环境下投影显示的对比度及分辨能力，高亮度CRT像素管一般采用绿色荧光粉，只发出绿色光谱，只有在近期的投影显示***有彩色的显示能力，对亮度的要求也更高。用液晶显示代替高亮度CRT像素管早在10多年之前就有人开始研究，关键技术问题是定制的有特殊要求的液晶屏及具有极高亮度的背光。一般的液晶或LCOS、DLP等投影显示***采用金卤灯、高压氙灯作为光源，这些光源发光效率较高（达到100Lm/W），但其发出的光谱包含大量的热红外及绿色以外的其他可见光，要达到投影显示***的高亮度特定光谱、低重量、小体积要求有很大的困难。

随着LED技术的发展，发光的效率逐步提高，白色LED的发光效率已经大于100Lm/W，绿色LED的发光效率已经达到90Lm/W，而且LED发出的光谱极少含有热红外光谱，对绿色LED而言，发出的绿色光谱与传统的高亮度像素管光谱接近，可以完全替代；因此采用单色液晶显示屏（透过率相对彩色液晶显示屏高2-3倍）、以绿色LED 为核心，在需要的情况下可以增加红色、蓝色LED，通过RGB彩色背光同步工作，分场显示的不同颜色的画面，利用人眼视觉停留的特性形成彩色图象显示。

发明内容

本发明提出的是一种用于液晶投影显示***的低功率极高亮度LED背光光源，其目的旨在克服现有技术所存在的配置复杂、功率大、成本高等缺陷，满足投影显示***要求，可替代传统高亮度像素管，具有功率低、亮度高等特点。

本发明的技术解决方案: 一种用于液晶投影显示***的低功率极高亮度LED背光光源，其配置方法包括：

a、采用高效发光二极管LED阵列及聚光反射碗阵列排布方式，具备小角度发光特性；

b、发光二极管LED可以是一到三个不同颜色红、绿、蓝，至少有绿色的发光二极管LED或LED芯片组成的LED发光单元，根据显示图像色彩的需要，配合与显示图像行场同步LED驱动电路，发出不同颜色的极高亮度背光；

c、采用高效发光二极管LED芯片，根据每个LED发光单元中的芯片数量、排布图形设计反射碗的形状，LED芯片的发光点或面与反射碗的反射抛物面焦面基本重合；反射碗的反射面形状具有定角度聚光特性外，并最大限度的提高液晶显示像面光线亮度的均匀性；多个反射碗组成的反射碗阵列集中在反射板上，反射板的反射碗表面及外表面作抛光镀膜处理；

d、采用铝基、铜基或导热陶瓷基材背光电路板，焊接光二极管LED或绑定LED芯片，有更大面积的金属散热壳体与热陶瓷基材背光电路板低热阻装配接触散热；

e、LED单芯片额定0.5W以上，低功率工作的方式，充分提高LED的发光效率；

f、在液晶显示屏和LED发光单元之间的光学增亮膜紧贴液晶显示屏，在保证光源的发光均匀性基础上，提高液晶显示***的显示亮度，以上在较小功率密度下满足特定亮度及均匀性要求的光源即是本发明的用于液晶投影显示***的低功率极高亮度LED背光光源。

本发明具有以下优点：设计周期短、关键光学元件反射板加工成本低的优点，可用于制造各种液晶投影平视显示***背光光源。寿命长，安装维修方便。

附图说明

附图1是投影显示***的光路示意图。

附图2 是近似朗伯分布的LED亮度角度分布曲线图。

附图3是工作电流相对亮度的关系图。

附图4 是工作电流与LED管压降的关系图。

附图5 是LED芯片的结温与发光效率的关系图。

附图6是本发明基本光路结构示意图。

附图7是针对一颗到三颗LED的芯片数量设计的对应反射碗底部开口图。

附图8是反射碗抛物线剖面形状，LED发光面与抛物线的焦点近似重合，抛物线的开口角与最终产品要求的视场角一致（如60°）图。

附图9是针对不同的LED排布阵列对应不同的反射碗出光口形状设计图。

其中图9a是LED矩阵排列时，出光口圆形方式图；9b是LED矩阵排列时，出光口圆形方式图；9c是LED三角形（蜂窝形）排列时，出光口六边形方式图；9d是LED三角形排列时，出光口圆形方式图。

附图10是基本光路结构中的背光灯腔的高度、反射板的厚度图。

附图中的1是散热壳体、 2是导热陶瓷基材背光电路板、3是LED发光单元、4是反射碗（反射板）、5是灯腔、6 是光学增亮膜、7是单色液晶显示屏。

具体实施方式

对照图2，在球面角±30°范围外的光线能量（阴影部分）占总光通量的比例约70%左右，用公式（1）计算可以得出，在Φ为光通量不变的情况下，如果将近似朗伯分布（相当于θ为120°）的LED光线聚焦到±30°范围内（相当于θ为60°），此时正面0度角的光强I理论上可以增加到原来亮度的3.73倍。所以增加反射碗可以大大的增加背光的亮度；或者说要达到同样的背光亮度，功率可以下降到原来的30%以下；

公式（1）中，Φ为光通量（单位Lm），I为0度角的光强（单位cd）。θ为2θ1/2角，即通常所说的LED半亮度角。

对照图3、图4， LED的功率（功率=电流×电压）与相对亮度不成正比，电流增加，亮度没有同比例增加，并且随着电流的增加，对应管压降有较大比例增加。即低功率下发光效率要大得多，提升工作电流后发光效率在下降；如对额定电流为200mA的某型号绿色LED，发光效率为90 Lm/W ，在工作电流为50mA时发光效率为110Lm/W，提高20.2%。

对照附图5，LED芯片的结温（Junction Temperature）增加，发光效率下降（其中的绿色LED效率下降更为显著），LED焊接或直接绑定在铝基、铜基或导热陶瓷基材背光电路板上，并用有更大面积的金属散热结构与背光电路板低热阻装配接触散热；所以从结温/相对亮度角度考虑， LED降额使用可以降低芯片结温，也相应提高了发光效率。通过聚光碗阵列的方式，最大亮度达到40万cd/m²的亮度，发光半亮度角度2θ_1/2达到60度，而驱动功率小于2W/inch²。

对照附图6，基本光路结构包括散热壳体1、导热陶瓷基材背光电路板2、LED发光单元3、反射碗或反射板4、灯腔5、光学增亮膜6 、单色液晶显示屏7，其中导热陶瓷基材背光电路板2安装在散热壳体1上，在导热陶瓷基材背光电路板2上间隔安装LED发光单元3、反射碗或反射板4，反射碗或反射板4与单色液晶显示屏7间是灯腔5，光学增亮膜6 紧贴在单色液晶显示屏7上。

所述的LED发光单元3由一到三个不同颜色红、绿、蓝，至少有一个绿色的LED或LED芯片组成，绿管在90Lm/W，红管在55Lm/W，蓝管在25Lm/W以上；

本发明的配置方法包括：

b、发光二极管LED可以是一到三个不同颜色红、绿、蓝，至少有绿色的发光二极管LED或LED芯片组成的LED发光单元3，根据显示图像色彩的需要，配合与显示图像行场同步LED驱动电路，发出不同颜色的极高亮度背光；

c、采用高效发光二极管LED芯片，根据每个LED发光单元3中的芯片数量、排布图形设计反射碗的形状，LED芯片的发光点或面与反射碗4的反射抛物面焦面基本重合；反射碗的反射面形状具有定角度聚光特性外，并最大限度的提高液晶显示像面光线亮度的均匀性；多个反射碗组成的反射碗阵列集中在反射板上，反射板的反射碗表面及外表面作抛光镀膜处理；

d、采用铝基、铜基或导热陶瓷基材背光电路板2，焊接光二极管LED或绑定LED芯片，有更大面积的金属散热壳体1与热陶瓷基材背光电路板2低热阻装配接触散热；

f、在液晶显示屏7和LED发光单元3之间的光学增亮膜紧贴液晶显示屏，在保证光源的发光均匀性基础上，提高液晶显示***的显示亮度，以上在较小功率密度下满足特定亮度及均匀性要求的光源即是本发明的用于液晶投影显示***的低功率极高亮度LED背光光源。

导热陶瓷基材背光电路板2上安装有若干个由彩色LED发光单元3组成的LED光源，紧贴背光电路板安装对应阵列的有多个反射碗组成阵列的反射板；反射板与液晶显示屏7之间的灯控5的高度H应保证混色充分、显示亮度均匀， LED发光单元3阵列的数量由液晶显示屏7大小、液晶屏光线透过率及亮度要求、每个LED发光单元3的单组发光亮度决定。

在LED发光单元3阵列上安装有对应反射碗阵列的反射板；LED排列方式可以是矩阵排列、等腰三角形排列，对应反射碗出光口的形状为圆形、矩形或正六边形。

LED发光单元3有多于一个的分立的不同颜色的LED或LED芯片，每个单元的LED或LED芯片共用一个外置反射碗聚光，可以发出有角度范围分布的光线，并根据显示图像色彩的需要，配合与显示图像行场同步LED驱动电路，发出不同颜色的极高亮度背光，可以显示绿色、红色、蓝色及其混合颜色的图像。

灯腔高度H及LED数量设计计算，为提高、保证背光出光的混色充分、亮度和均匀性，反射板与单色液晶显示屏7之间的距离灯腔高度H与LED排布间距L1、L2协调设计，灯腔高度H为2-3倍的LED排布间距L1或L2，这里LED排布间距L1、LED排布间距L2一般相等，LED排布间距L1、LED排布间距L2与单色液晶显示屏7的面积和LED数量相关计算，即在对应的液晶屏显示范围内按一定的规率排布X个LED单元，LED排布间距L1、LED排布间距L2自然确定；LED发光单元3阵列的数量由要求的单色液晶显示屏7大小、液晶显示屏光线透过率及亮度要求、每个LED发光单元3的单组发光亮度决定，计算方法如下：

设LED发光单元3阵列的数量为X；

LED发光单元3发光亮度为Φ（Lm，可从LED产品手册中查到，按额定指标的1/5-1/3计算）；根据公式1计算出单LED的光强I；

如Φ=15Lm（某款LED绿管电流在50mA时），θ=60°，I=17.8 cd

液晶显示屏光线透过率为δ（一般单色液晶显示屏10%～20%），面积为A，出屏亮度为B（本发明要求 B≥30000 cd/m²）；

光学膜效率为ρ，如采用低雾度偏光增亮膜，ρ约为0.75；

反射碗表面反射率k，灯腔光利用效率f；

X=B×A÷（I×δ×ρ×k×f）（1）

LED排列可以是矩阵或正方形排列、等腰三角形排列，对应反射碗出光口的形状即为对应的圆形、矩形或正六边形。针对不同的LED芯片排列图形（如图7所示），反射面的形状是呈抛物面形态从反射碗底部开口图形平滑过渡到出光口的形状（如图9）。其中反射面对底部形状和出光口的形状都是圆形的情况最简单，设计、加工成本都低得多；但出光口为矩形或六边形的反射碗出光均匀性相对好一些。

LED的热设计对提高LED的发光效率和保证提高LED工作寿命，非常重要，选择低热阻的铝基、铜基电路板（陶瓷基板的价格很高，此处不合适使用），低热阻的导热粘接材料，低热阻的将LED芯片的热量通过管壳传到电路板（如果是绑定，就通过粘接材料直接传到电路板上）；电路板的热量通过粘接材料传导到外部散热结构，外部散热结构的可以传导到其他散热结构上，或通过风冷的方法把热量散到空气中；总之必须对背光***充分散热，保证LED的结温温升低于20～30℃，即环境温度在35℃时，结温低于65℃，此时LED的工作寿命可以达到5～10万小时，发光效率下降不到5%。

射板的设计、加工，如图8，反射板的反射碗深度h，与背光半亮度角、LED芯片排布所占尺寸大小及反射碗直径有关，反射碗的直径与LED阵列排布间距L1、LED阵列排布间距L2尺寸D接近，如LED阵列排布间距L1、LED阵列排布间距L2=5.3，则D=5.0；针对不同的LED芯片排列图形（如图7所示），反射碗的形状是呈抛物面形态从反射碗底部开口图形平滑过渡到出光口的形状（如图9）；反射板可以采用金属材料，精密自动化设备加工而成；反射板的反射碗表面及外表面抛光镀膜或其他方式的表面处理，达到反射率90%以上水平；当显示内容需要彩色时，可以绿色LED 为核心，增加红色、蓝色LED，通过RGB彩色背光与显示信号同步工作，分场显示的不同颜色的画面，利用人眼视觉停留的特性形成彩色图象显示。对选定的LED设计与液晶显示图像行场同步的驱动电路，并控制其亮度比例，实现宽范围调亮等具体电路本发明不予详述。

本发明未详述部分可参照相关设计手册和标准加以确定。

Claims

1.一种用于液晶投影显示***的低功率极高亮度LED背光光源，其特征是包括如下配置方法：

b、发光二极管LED是一到三个不同颜色红、绿、蓝，至少有绿色的发光二极管LED或LED芯片组成的LED发光单元，根据显示图像色彩的需要，配合与显示图像行场同步LED驱动电路，发出不同颜色的极高亮度背光；

c、采用高效发光二极管LED芯片，根据每个LED发光单元中的芯片数量、排布图形设计反射碗的形状，LED芯片的发光点或面与反射的反射抛物面焦面基本重合；反射碗的反射面形状具有定角度聚光特性外，并最大限度的提高液晶显示像面光线亮度的均匀性；多个反射碗组成的反射碗阵列集中在反射板上，反射板的反射碗表面及外表面作抛光镀膜处理；

2.根据权利要求1所述的一种用于液晶投影显示***的低功率极高亮度LED背光光源，其特征是导热陶瓷基材背光电路板上安装有若干个由彩色LED发光单元组成的LED光源，紧贴背光电路板安装对应阵列的有多个反射碗组成阵列的反射板；反射板与液晶显示屏之间的灯控的高度（H）应保证混色充分、显示亮度均匀， LED发光单元阵列的数量由液晶显示屏大小、液晶屏光线透过率及亮度要求以及每个LED发光单元的单组发光亮度决定。

3.根据权利要求2所述的液晶投影显示***的低功率极高亮度LED背光光源，其特征是在LED发光单元阵列上安装有对应反射碗阵列的反射板；LED排列方式可以是矩阵排列、等腰三角形排列，对应反射碗出光口的形状为圆形、矩形或正六边形。

4.根据权利要求2所述的液晶投影显示***的低功率极高亮度LED背光光源，其特征是LED发光单元有多于一个的分立的不同颜色的LED或LED芯片，每个单元的LED或LED芯片共用一个外置反射碗聚光，可以发出有角度范围分布的光线，并根据显示图像色彩的需要，配合与显示图像行场同步LED驱动电路，发出不同颜色的极高亮度背光，可以显示绿色、红色、蓝色及其混合颜色的图像。

5.根据权利要求2所述的液晶投影显示***的低功率极高亮度LED背光光源，其特征是导热陶瓷基材背光电路板安装在散热壳体上，在导热陶瓷基材背光电路板上间隔安装LED发光单元、反射碗或反射板，反射碗或反射板4与单色液晶显示屏间是灯腔，光学增亮膜紧贴在单色液晶显示屏上。