直下式高亮度LED背光源的實(shí)現(xiàn)方案

　　引言

　　直下式結(jié)構(gòu)的LED背光源具有更高的色彩還原、省電、壽命長、抗震動性，在低溫環(huán)境中工作不受影響。由于LED具有這些優(yōu)勢，越來越多的廠商已著手研制大尺寸的直下式LED背光源。但由于直下式厚度相對側(cè)入式較厚，因此在中小型LCD液晶顯示系統(tǒng)中側(cè)入式所占市場比重大于直下式結(jié)構(gòu)。

　　近年來，三星在韓國推出了一款52英寸全高清LED液晶電視“PAVV-LED52”。此次發(fā)布的52英寸全高清LED背光液晶電視，采用了只降低黑暗圖像部分的背光亮度、由三星自主研發(fā)的“變色龍LED背光（ChameleonLEDBacklight）”技術(shù)。動態(tài)對比度達(dá)到50萬：1,耗電量最多可降低50%。而且，通過高速影像模式，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像抖動及殘像少、色彩鮮明的影像畫質(zhì)。由此看來，LED背光源性能完全超越CCFL背光源已經(jīng)成為可能。

　　1 LED背光源的設(shè)計(jì)方法

　　1.1 系統(tǒng)概述

　　以對角線長度為15英寸，即長、寬、高分別為89.44mm、67.08mm、5mm的背光模組為例，設(shè)計(jì)要求的亮度通過液晶顯示屏后要達(dá)到1,200cd/m2,亮度均勻性達(dá)到85%以上，功率小于50W;工作溫度為-40°C~60°C,亮度可調(diào)，且調(diào)節(jié)范圍寬調(diào)節(jié)精度高。

　　在滿足以上要求的同時(shí)，為了使背光模塊能夠更好地工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)包括過壓保護(hù)、高溫保護(hù)等功能模塊。下面以上述要求為目標(biāo)，給出我們的LED背光設(shè)計(jì)方案以及根據(jù)最后的性能測試結(jié)果對用大功率白光LED實(shí)現(xiàn)高亮度背光設(shè)計(jì)中將會遇到的問題進(jìn)行闡述分析，并提出解決的辦法。

　　1.2 直下式LED背光源結(jié)構(gòu)

　　LED背光源的工藝過程是將LED點(diǎn)光源轉(zhuǎn)化為發(fā)光均勻的面光源。根據(jù)光源分布位置的不同，分為側(cè)光式和直下式兩種。為了實(shí)現(xiàn)高亮度均勻性的背光模組的設(shè)計(jì)，首先要選定構(gòu)成背光模組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。本文采用直下式結(jié)構(gòu)。

　　側(cè)光式LED背光源應(yīng)用在大中尺寸的LCD上時(shí)，導(dǎo)光板重量和成本會隨著尺寸增加而增加，并且發(fā)光均勻性和發(fā)光亮度不理想，而直下式LED背光源表現(xiàn)則比較好。直下式背光源工藝相對簡單，不需要導(dǎo)光板，是將光源（LED晶片陣列）及PCB置于背光源底部，光線從LED射出后，經(jīng)過散射膜散射，得到均勻性較好的散射光，再通過兩片棱鏡膜（分別為水平方向和垂直方向BEF1和BEF2）將散射光集中在垂直于膜的方向以一定的發(fā)射角度出射。為了更好地利用光能，提高整體效率，我們在底板LED燈表面加了一層反射膜，實(shí)驗(yàn)證明，反射膜的存在使得亮度、效率提高了近20%。同時(shí)在底部光源上涂布一層含有散射劑的導(dǎo)光膠，導(dǎo)光膠厚度視腔體高度和導(dǎo)光膠特性而定，主要起兩點(diǎn)作用：①提高亮度均勻性；②保護(hù)LED晶片，提高可靠性。

　　背光源的厚度由反射膜與散射板之間的腔體高度決定。理論上在符合安裝要求及發(fā)光亮度的前提下，腔體高度越大，光線從散射板射出的均勻性越好。直下式LED背光源的結(jié)構(gòu)見圖1。直下式背光源技術(shù)關(guān)鍵是控制亮度均勻性，提高發(fā)光效率。散射膜與LED光源之間須預(yù)留一定的空間，提高亮度均勻性，故直下式背光源的厚度相對較厚。因光源數(shù)量多，發(fā)光亮度和功耗均大于側(cè)光式背光源。LED管芯工作狀態(tài)下釋放出的熱能集中在腔體內(nèi)，在大面積、高亮度的LED背光產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮模塊散熱裝置。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制示意圖

　　我們采用Lumileds生產(chǎn)的白光LED,典型電流為700mA,額定功率為3W,發(fā)光強(qiáng)度為80lm,發(fā)散角度為120°并對其光電特性進(jìn)行了均勻性篩選，選用其中匹配性較好的LED作為系統(tǒng)光源。

　　大功率LED在典型電流工作時(shí)會發(fā)出大量的熱能，容易產(chǎn)生高溫，對液晶顯示器產(chǎn)生影響，為此，我們將其降額使用，增加燈的數(shù)量，減小工作電流，這樣一來，緩解了高溫問題，而多數(shù)的燈也可以在均勻性上達(dá)到更好的效果。

　　綜合以上因素，我們在背光板有效區(qū)域內(nèi)排布了64顆燈，每8顆燈串聯(lián)在一起作為一組，64顆燈共分為了8組，然后并聯(lián)在一起。追蹤大約1000,000條光線，分析結(jié)果顯示導(dǎo)光板上表面共射出52流明的總光通量，且照度分布均勻性大于80%,基本滿足背光系統(tǒng)要求。如下圖所示：下面是利用LightTools光學(xué)模擬軟件的背光模擬（圖2）及背光板亮度分布（圖3）：

圖2 背光模擬圖

圖3 背光亮度分布圖

　　對于從光學(xué)膜到背光板之間的距離（即背光腔的高度），我們做了一些實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在LED燈排布間距為15mm時(shí)，采用“LSD散射膜+BEF垂直+BEF平行”的光學(xué)膜組合時(shí)，背光腔高度為18mm,看不到LED燈的燈影，亮度均勻性很好。通過模擬計(jì)算得出均勻度為87%,由圖示可知，符合設(shè)計(jì)要求。

　　光源特點(diǎn)比較：

　　目前首先是直下式占據(jù)LED高端，而側(cè)入式占據(jù)LED低端；直下式又逐漸取代側(cè)入式，中小尺寸的彩色LCD（如手機(jī)、MP3、PSP等）一般選用側(cè)入式LED背光源。因?yàn)橐活wLED的造價(jià)和CCFL冷陰極相差不多，但是由于LED的體積較小，在背光系統(tǒng)中，需要根據(jù)屏幕大小等間距的分布多個(gè)LED,其造價(jià)就相對可觀了，因此側(cè)入式LED背光源可以使用較少顆的LED蕊片，節(jié)省成本，其二是能夠打造比較輕薄的機(jī)身，讓LEDTV液晶面板的后方不需要配置LED模塊，而是放置在側(cè)邊，可減少屏幕整體的厚度，打造出較直下式LED背光液晶電視更薄的機(jī)種來，但由于LED側(cè)入式排列的結(jié)構(gòu)缺陷，使得背光源在亮度均勻性及照度方面都受到影響，尤其是對軍工、航空項(xiàng)目上應(yīng)用到的精密儀器時(shí)，更需要高亮度、均勻性、相對可靠性好的背光源。使用直下式的好處是LED背光源液晶顯示器采用矩陣排列方式，以串并聯(lián)的方式結(jié)合發(fā)光，能夠分別設(shè)置不同的背光源模塊權(quán)責(zé)區(qū)域，理論上也可以做到每一顆LED獨(dú)立發(fā)光控制亮度，但線路與設(shè)計(jì)成本不易，實(shí)際上都是在屏幕的背光源設(shè)定多個(gè)區(qū)域，讓這些區(qū)域能夠獨(dú)立調(diào)整明暗度。不僅再出光率上效率逐步提高，在受震動。沖擊下有很好的保障結(jié)構(gòu)設(shè)置，不會讓使用受到較大的影響。直下式LED與側(cè)入式LED背光源各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的比較見表1.

表1 直下式LED背光源與側(cè)入式LED背光源特性對比

　　3 LED直下式結(jié)構(gòu)背光模組的應(yīng)用前景

　　目前從發(fā)光效率和成本問題上，以冷陰極管（CCFL）為背光源的背光系統(tǒng)其性能明顯優(yōu)于以LED為背光源的背光系統(tǒng)。一顆LED本身的價(jià)格不比一根CCFL冷陰極管高，但由于其體積較小，發(fā)光功率低的限制，在一個(gè)背光模組中需要多個(gè)LED串并聯(lián)成等間距的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行發(fā)光，其造價(jià)就相當(dāng)可觀，這是至今為止阻礙該結(jié)構(gòu)成為大型顯示器的背光源發(fā)展的關(guān)鍵因素。但隨著高科技的迅猛發(fā)展，LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極其迅速，發(fā)光效率提升也相當(dāng)之快。目前，LED背光源對于對角線為18cm以下的中小型顯示面板價(jià)格占優(yōu)勢，而在大尺寸范圍價(jià)格則是CCFL背光源的4~5倍，預(yù)計(jì)隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模化的擴(kuò)大和技術(shù)工藝的逐步成熟，LED造價(jià)成本問題也會得到相應(yīng)解決。

　　這種以等間距的LED直下式結(jié)構(gòu)的超薄型背光源產(chǎn)品是一種新型的投影顯示技術(shù)，它比傳統(tǒng)的投影背光系統(tǒng)具有重量輕、厚度薄、功耗低、亮度均勻性好、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)又可被廣泛應(yīng)用于大中型尺寸液晶面板市場和小型尺寸手機(jī)屏面板及現(xiàn)代公共場合廣告媒介燈箱。它是由多學(xué)科綜合技術(shù)而形成的屬于高技術(shù)范疇的產(chǎn)品。目前這項(xiàng)研制工作在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，具有廣闊的應(yīng)用前景和較好經(jīng)濟(jì)效益。

　　4 結(jié)論

　　直下式LED背光系統(tǒng)作為一種新型的背光源，擁有無汞環(huán)保，壽命長、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、亮度調(diào)節(jié)范圍大，對比度大，亮度均勻性好，動態(tài)畫面連續(xù)感強(qiáng)等特點(diǎn)。經(jīng)過理論的分析和論證，指出直下式LED背光源是未來大型尺寸LCD背光的發(fā)展方向和趨勢，并且據(jù)億光透露，三星公司打算進(jìn)一步把直下式LED背光液晶電視的厚度繼續(xù)往下做薄，為課題的繼續(xù)研究提供了理論基礎(chǔ)。