LED背光技術(shù)綜述

作者：時(shí)間：2013-07-08 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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led用于LCD背光照明分為主要用于中、小型設(shè)備的edge lighting和用于大面積設(shè)備，如LCD-TV的direct lighting。

　　1、Edge Lighting

　　Edge lighting的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示

　圖1

　　LED發(fā)出的光線經(jīng)由導(dǎo)光板(Light Guide Plate)的光學(xué)作用向上出射成面光源，再經(jīng)由擴(kuò)散板（Diffuser Plate）、增光膜（BEF）在LCD面板處形成亮度與顏色均勻分布的光斑。

　　擴(kuò)散板可以增加光線分布的均勻性，增光膜可以將光線集中到正面一定角度內(nèi)，提高正面輝度，但過(guò)度使用擴(kuò)散板、增光膜會(huì)增加光線損耗，降低總體光效，而且擴(kuò)散板、增光膜已被專(zhuān)利壟斷，成本較高，所以，通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)增加導(dǎo)光板直接出光的均勻度是側(cè)下式背光設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

　　前端的光學(xué)設(shè)計(jì)主要分為：（1）LED光線耦合到導(dǎo)光板內(nèi)的設(shè)計(jì)（2）導(dǎo)光板的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1 LED與導(dǎo)光板的光線耦合

　?。?）直接耦合

　　結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，一般來(lái)說(shuō)，直接耦合可以提高LED出光進(jìn)入導(dǎo)光板的效率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但同時(shí)，在進(jìn)入導(dǎo)光板前RGB三色光線未充分混合，可能導(dǎo)致最終出光的顏色均勻性不好，尤其對(duì)于光線在導(dǎo)光板內(nèi)光程較短的結(jié)構(gòu)。

圖2

　?。?）間接耦合

　　結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。間接耦合的優(yōu)點(diǎn)有二：（1）在光線進(jìn)入導(dǎo)光板之前進(jìn)行散射、霧化，提高均勻性（2）充分混色

圖3

　　Lumileds的一種具體的間接耦合結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4

　　圖中③為混色波導(dǎo)，②④為耦合透鏡，其結(jié)構(gòu)為圓錐曲面，以減小兩次耦合過(guò)程中的光損失。實(shí)物圖如圖5所示。

圖5

　?。?）使用自由曲面反射鏡的耦合結(jié)構(gòu)

　　為充分提高LED光線在進(jìn)入導(dǎo)光板前的均勻性，一些設(shè)計(jì)運(yùn)用了自由曲面反射鏡，如圖6所示。

圖6

　　圖中紅色為LED光源，常規(guī)的側(cè)下式光源排布為一LED陣列，應(yīng)用了自由曲面反射鏡后，LED光源可以只排布在LED Uniform. Light guide的兩側(cè)甚至一側(cè)。圖7示意了一種LED uniform. lightguide的具體形式

圖7

　　應(yīng)用自由曲面的耦合設(shè)計(jì)可以提高進(jìn)入導(dǎo)光板的光線的均勻性，同時(shí)減小系統(tǒng)體積。

　　1.2 導(dǎo)光板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.2.1 導(dǎo)光板底部結(jié)構(gòu)

　　導(dǎo)光板通過(guò)底部的結(jié)構(gòu)將側(cè)面入射的光線反射到正面出光，從CCFL光源到LED光源，導(dǎo)光板有多種光學(xué)結(jié)構(gòu)，舉例說(shuō)明：

　　（1）網(wǎng)點(diǎn)印刷結(jié)構(gòu)。通過(guò)在導(dǎo)光板底部印刷的散射網(wǎng)點(diǎn)改變側(cè)邊入射光線的方向，網(wǎng)點(diǎn)的分布依據(jù)一定的分布理論，一般來(lái)說(shuō)，離光源越遠(yuǎn)，網(wǎng)點(diǎn)分布越密。

　?。?）微棱鏡結(jié)構(gòu)

　?。?）V型槽結(jié)構(gòu)。如圖8所示，應(yīng)用邊界光線條件，每個(gè)V型槽與目標(biāo)面的區(qū)域一一對(duì)應(yīng)。

圖8

　?。?）漸變折射率聚合物材料。應(yīng)用漸變折射率材料作用光波導(dǎo)反射光線，可做到導(dǎo)光板一次成型。

　　1.2.2 導(dǎo)光板外形設(shè)計(jì)

　　除了底部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)光板外形也可以有多種結(jié)構(gòu)，如圖9的楔形結(jié)構(gòu)，甚至圖10 的非球面曲面結(jié)構(gòu)。

圖9

圖10

　　側(cè)下式背光設(shè)計(jì)應(yīng)綜合運(yùn)用以上各種結(jié)構(gòu)，以提高光效，照度均勻度和顏色均勻度。

　　2 Direct Lighting

　　直下式相比于側(cè)下式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有導(dǎo)光板，可以在大尺寸背光源上得到很好的照度均勻度，但同時(shí)由于混光距離短，顏色均勻度不易控制；而且直下式的厚度一般來(lái)說(shuō)大于側(cè)下式，總體光效也不如側(cè)下式，耗用的LED總數(shù)要多一些，在中小尺寸設(shè)備中，直下式的優(yōu)勢(shì)不明顯。

　　直下式背光的基本結(jié)構(gòu)如圖11所示

　圖11

　　（1）若把LED視為點(diǎn)光源，從圖12可以得出目標(biāo)面均勻照度的條件為L(zhǎng)ED的發(fā)光強(qiáng)度

圖12

　　即尋找一種上述配光的LED。一種比較簡(jiǎn)單的思路是使用與上述配光相近的蝙蝠翼配光的LED，然后調(diào)節(jié)h與反射腔壁的參數(shù)，模擬目標(biāo)面的照度、顏色分布。目前國(guó)內(nèi)已有人做過(guò)上述工作，理論均勻度尚未達(dá)到85%。

　?。?）Lumileds的背光產(chǎn)品

　　這是市面上最常見(jiàn)的LED直下式背光模組，如圖13所示，在腔體底部放置兩個(gè)RGB LED陣列，頂部放置擴(kuò)散板、BEF等光學(xué)膜。

　圖13

　　每個(gè)LED陣列采用G-B-R-G的的排布，如圖14所示，兩列共24個(gè)單元陣列。

　圖14

　　單顆LED采用Lumileds為直下式LED背光源新設(shè)計(jì)的側(cè)邊出光結(jié)構(gòu)，相比蝙蝠翼配光水平方向出光的比例更高。單顆LED示意圖和光強(qiáng)空間分布分別如圖15和圖16所示。

圖15

圖16

　　對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，臺(tái)灣大學(xué)做過(guò)逆向模擬，未加擴(kuò)散板、增光膜的時(shí)候照度、色彩均勻度都有不錯(cuò)的表現(xiàn)，但仍存在燈影現(xiàn)象。

　?。?）優(yōu)化的Lumileds背光結(jié)構(gòu)

　　臺(tái)灣大學(xué)在Lumileds背光產(chǎn)品的基礎(chǔ)上做出了優(yōu)化，如將兩列LED改為三列，在反射腔底部做出V型槽結(jié)構(gòu)減小燈影等，基本思路與Lumileds產(chǎn)品大體一致。

　　（4）微透鏡結(jié)構(gòu)

　　在LED光源前整體放置一微透鏡陣列改變配光，如圖17所示，虛線為放置微透鏡陣列前的配光曲線，實(shí)線為放置微透鏡陣列后的。相比于改變單個(gè)LED的配光，整體放置微透鏡陣列對(duì)光線的控制力度減弱，且有可能增加背光板的厚度。GLT公司已為微透鏡陣列技術(shù)申請(qǐng)專(zhuān)利。