一种光源倒置且使用自由曲面反射器的LED背光结构 【技术领域】
本发明涉及一种背光系统，特别涉及了一种光源倒置且使用自由曲面反射器的LED背光结构。
技术背景
近年来，平板显示器的市场随着消费电子产品的发展越来越大，其中，液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)占平板显示的份额接近90％。液晶显示器作为一种被动发光器件，本身不会发光，对于透射型液晶显示器，必须依靠背光光源将光线穿过显示面板，展现图形图像。冷阴极管(Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL)和发光二极管(Light Emitting Diodes，LED)是目前液晶背光的两种主要技术。LED背光主要优势在于：色彩还原性好、低能耗、超长寿命、响应速度快、更好的电学光学控制性能、材料无环境公害、整体产品更轻薄、不含易碎部件等等。从长远来看，高显色性的白光LED或者RGB三基色LED背光是液晶显示背光技术中最有前途的。
LED背光根据其光学结构分为Edge Lighting(侧下式)和DirectLighting(直下式)两种。侧下式的光源布置在LCD面板侧面，通过Light Guide Plate(导光板)将光线均匀分布到面板上，直下式的光源直接布置在液晶面板下方，不需要导光板。一般来说，侧下式LED背光整体厚度更薄，适用于中小尺寸显示器；直下式LED背光光线均匀度高，不受显示器尺寸制约，易于实现动态区域对比度控制。
在侧下式LED背光中，LED出射的光线耦合到导光板的过程中会发生光能量损耗，导光板将水平方向入射的光线转向到LCD面板方向的过程中，也存在能量损耗，耦合效率和导光效率共同制约了侧下式背光的整体光效，一般来说，实际的侧下式背光系统的整体光效不高于75％，限制了LED背光节能优势的发挥；而且目前导光板的导光面积有一定限制，单块导光板的导光面积一般小于30英寸对角线，超大尺寸显示器要使用多块导光板，增加了光学设计的难度和系统的复杂度。
在直下式LED背光中，一种技术方案如美国专利US6607286和US6679621所述，使用了侧面发光LED(Side Emitter LED)，LED出射的光能量集中在水平方向±20°的范围内。在这种基于侧面发光LED的背光系统中，背光腔的内壁涂覆以高反射率材料，LED发出的光线在背光腔内反复反射，最终在面板处形成均匀的光能量分布。这种背光结构虽然均匀度高，但是光线在反复反射的过程中损失了很多能量，整体光效偏低。另一种技术方案是将LED在面板下方分布式排布，由于LED出光能量的空间角度分布一般集中在轴线方向，LED需要与LCD面板相距一定距离，才能保证目标面照度均匀，一般来说，分布式LED直下式背光的厚度要大于侧下式LED背光。
为了减小分布式LED直下式背光的厚度，一种技术方案是增加分布式排布LED的排布密度，可以在一定程度上减小系统厚度，但是这种技术方案会导致LED的数目急剧增加，22寸面板使用LED的数目已超过1000颗，会带来光源一致性、可靠性、电源驱动等一系列问题；另一种方法是使用二次透镜增大LED出光角度，同样可以减小系统厚度，目前已有经过精密光学设计的自由曲面透镜应用到LED背光之中，但是使用二次透镜改变光线出射方向时，由于全内反射的存在，光线出射角度并不能增大太多，则背光系统厚度减小的程度也有限，相比侧下式背光还有一定差距。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是，提供了一种光源出光角度大，整体背光系统的厚度小，整体光效高的光源倒置且使用自由曲面反射器的LED背光结构。
为解决上述问题，本发明的一种光源倒置且使用自由曲面反射器的LED背光结构，包括背光腔和LED光源，其特征在于：所述背光腔底部为自由曲面反射面，背光腔由其反射内壁和底部的自由曲面反射面及置于其顶部的扩散膜共同构成一个封闭的腔体，在扩散膜的上面设有增亮膜等光学膜层及LCD面板；所述LED光源通过光源支撑架固定在背光腔内，处于扩散膜、增亮膜等光学膜层及LCD面板的下方和背光腔底部自由曲面反射面的轴线正上方，且光线出射方向与LCD面板相背离。
所述的LED光源为一个背光单元(BLU)或多个背光单元，多个背光单元的排布方式可为线性、环形，但多个背光单元的排布方式不限于以上形式；一个或多个背光单元发出的光线都能通过该自由曲面反射面的反射在背光腔顶面形成均匀照度分布。
所述背光单元所发射光线的光谱应满足液晶面板所需背光的要求，可为白光LED或三基色(RGB)LED；若使用白光LED，则每一颗白光LED构成一个背光单元；若采用三基色(RGB)LED，则由一颗红色，一颗蓝色，两颗绿色共四颗LED构成一个背光单元，但一个背光单元内不同波长LED的组成方式不限于以上形式；LED(包括白光LED和三基色LED)的封装形式可为不含二次透镜的表面贴片封装或其他封装形式，出光配光类型可为近似朗伯型。
在所述背光腔的底部自由曲面反射面和反射内壁都涂以高反射率材料，反射率大于70％。
所述光源支撑架同时为LED光源提供散热，电源引入等作用，其为单根金属条或双根金属条等形式，但不得影响最终照明效果。
所述的自由曲面反射面在整体背光结构中为一个独立单元或多个自由曲面反射面单元的阵列排布；若为多个自由曲面反射面单元的阵列排布，每个自由曲面反射面单元对应于一个独立的封闭地背光子腔，在背光子腔内通过光源支撑架固定有LED光源，多个封闭的独立的背光子腔紧密阵列排布构成整体背光腔，或由阵列排布的多个自由曲面反射面单元连接后对应于一个整体的封闭的背光腔。
为了实现在扩散膜、增亮膜等光学膜层的底部形成均匀照度分布，自由曲面反射面与LCD面板相对，则LED光源出射的大部分光线可直接到达该自由曲面反射面，该反射面精确控制光线反射方向，使得LED出射的大部分光线通过反射作用到达背光腔顶部，形成均匀照度分布；背光腔的反射内壁将少部分没有直接到达背光腔顶部的光线也反射到背光腔顶部，以提高背光腔顶面的照度均匀度。
最终，背光腔顶部的扩散膜、增亮膜等光学膜层，将均匀照度分布转化为所需的亮度分布。
采用本发明的一种光源倒置且使用自由曲面反射器的LED背光结构，具有光源出光角度大，整体背光系统的厚度小，整体光效高的优点。
【附图说明】
图1为本发明的第一种具体实施方式的结构示意图。
图2为图1沿A-A方向的剖视图。
图3为本发明的第二种具体实施方式的结构示意图。
图4为图3沿A-A方向的剖视图。
图5为本发明的第三种具体实施方式的结构示意图。
图6为图5沿A-A方向的剖视图。
图7为本发明的第四种具体实施方式的结构示意图。
图8为图7沿A-A方向的剖视图。
图9为本发明的第五种具体实施方式的结构示意图。
图10为图9沿A-A方向的剖视图。
图11为本发明的第六种具体实施方式的结构示意图。
图12为图11沿A-A方向的剖视图。
【具体实施方式】
下面结合附图进一步说明本发明的实施例：
实施例1
如图1和图2所示，一种光源倒置且使用自由曲面反射器的LED背光结构，包括背光腔4和LED光源1，所述背光腔4底部为一个自由曲面反射面2，背光腔4由其反射内壁和底部的自由曲面反射面2及置于其顶部的扩散膜5共同构成一个封闭的腔体，在扩散膜5的上面设有第一增亮膜61、第二增亮膜62及LCD面板；所述LED光源1通过光源支撑架3固定在背光腔4内，处于扩散膜5、第一增亮膜61、第二增亮膜62及LCD面板的下方和背光腔4底部自由曲面反射面2的轴线上方，且光线出射方向与LCD面板相背离。
在所述背光腔4的底部自由曲面反射面2和反射内壁都涂以高反射率材料，反射率大于70％。
所述LED光源1为一个背光单元，背光单元为一颗白光LED；光源支撑架3为单根金属条，其固定连接在背光腔4的反射内壁上。
自由曲面反射面2精确控制白光LED发出的光线的反射方向，在背光腔4的顶部形成均匀照度分布；背光腔4的反射内壁也具有高反射率，通过反射没有直接达到反射腔顶部的光线以提高目标面均匀度；最终，背光腔4顶部的扩散膜5、第一增亮膜61、第二增亮膜62将均匀照度分布转化为所需的亮度分布。
实施例2
如图3、图4所示，一种光源倒置且使用自由曲面反射器的LED背光结构，包括背光腔4、LED光源1、光源支撑架3、扩散膜5、第一增亮膜61和第二增亮膜62，整体结构与实施例1相似，主要区别为：本实施例中的光源支撑架3为双根金属条，其固定连接在背光腔4上。
实施例3
如图5、图6所示，一种光源倒置且使用自由曲面反射器的LED背光结构，包括背光腔4、LED光源1、光源支撑架3、扩散膜5、第一增亮膜61和第二增亮膜62，整体结构与实施例1相似，主要区别为：
本实施例的LED光源1为一组线型排布的背光单元，每个背光单元为一颗白光LED，各白光LED分别固定在光源支撑架3上，光源支撑架3为双根金属条。
实施例4
如图7、图8所示，一种光源倒置且使用自由曲面反射器的LED背光结构，包括背光腔4、LED光源1、光源支撑架3、扩散膜5、第一增亮膜61和第二增亮膜62，整体结构与实施例1相似，主要区别为：
所述LED光源1为一组线型排布的背光单元，每个背光单元由三基色(RGB)LED组成，即由一颗红色LED11，一颗蓝色LED12，两颗绿色LED13共四颗LED构成。
实施例5
如图9和图10所示，一种光源倒置且使用自由曲面反射器的LED背光结构，包括背光腔4、LED光源1、光源支撑架3、扩散膜5、第一增亮膜61和第二增亮膜62，所述的背光腔4由2×3阵列排布的背光子腔41构成。
每个背光子腔41均为一封闭的腔体，其由反射内壁和底部的自由曲面反射面单元21以及置于背光腔4顶部的扩散膜5共同界定，在扩散膜5的上面设有第一层增亮膜61和第二层增亮膜62及LCD面板，其中自由曲面反射面单元21和背光子腔41的反射内壁的反射率大于70％。
每个背光子腔41的内部结构与实施例1相似，陆个背光子腔41成2×3阵列排布，陆个均匀照度分布的区域组合，在背光腔4顶面形成均匀照度分布，扩散膜5、第一增亮膜61、第二增亮膜62置于背光腔4之上，将均匀照度分布转化为所需的亮度分布。
实施例6
如图11和图12所示，一种光源倒置且使用自由曲面反射器的LED背光结构，包括背光腔4、LED光源1、光源支撑架3、扩散膜5、第一增亮膜61和第二增亮膜62，所述的背光腔4由2×1阵列排布的背光子腔41构成。
每个背光子腔41均为一封闭的腔体，其由反射内壁和底部的自由曲面反射面单元21以及置于背光腔4顶部的扩散膜5共同界定，在扩散膜5的上面设有第一层增亮膜61和第二层增亮膜62及LCD面板，其中自由曲面反射面单元21和背光子腔41的反射内壁的反射率大于70％。
每个背光子腔41的内部结构与实施例3相似，即每个背光子腔41内的LED光源1为一组线型排布的背光单元，每个背光单元为一颗白光LED，各白光LED分别固定在光源支撑架3上，光源支撑架3为双根金属条。两个背光子腔41成2×1阵列排布，两个均匀照度分布的区域组合，在背光腔4顶面形成均匀照度分布，扩散膜5、第一增亮膜61、第二增亮膜62置于背光腔4之上，将均匀照度分布转化为所需的亮度分布。