侧导光LED背光源的设计

　　一 、引 言

　　随着人类社会进人到知识经济时代，信息和知识传播实现实时化，用以实现信息交流的终端设备显示技术发展迅速，作为显示技术之一的LCD显示器随之发展很快，由于LCD具有自身不发光的缺点，所以在大多应用场合要求配套背光源。所采用的背光源有白炽灯球、冷阴极荧光管、EL片和LED灯等。每一种背光源技术在特定的应用环境中都有各自优异的特点。其中LED技术所具有的优点备受人们的青睐。其优点:长寿命、高效率、低维护和低功耗;体积小，允许LCD背光模块薄，减少LCD显示器与驱动电路之间的连接成本;低电压驱动，可用5-12VDC直接驱动，且转换时间很快，允许脉宽调制亮度，能够通过单独脉冲控制红、绿、蓝LED灯亮暗，可以除去全色LCD显示器面板背后的红绿蓝过滤器等。

　　LED背光源在近几年迅速发展，从早期的底面出光方式发展到侧导光方式。侧导光LED背光源比底面出光LED背光源具有成本低、功耗低、厚度薄等优点。尤其随着LED技术的发展，出现了AIInGaP四元系材料和GaN基材料，实现了LED超高亮度和全色化，使得侧导光LED背光源可利用较少的LED个数达到所需的发光亮度和颜色的要求成为可能，发挥出令人满意的效果，LED技术的发展推动了侧导光LED背光源的迅速发展。下面介绍一下这一最新发展的侧导光LED背光源的原理及设计要点。

　　二 、侧导光LED背光源的结构

　　侧导光LED背光源的结构如图1所示。它是由LED组件、导光板、散射膜、反光纸、边缘反光胶带等组成的。

　　圈1 侧导光LED背光源结构示愈图

　　在背光源组件中，导光板是关键的光学元件，它是一块透明的塑料聚甲基丙烯甲脂(PMMA)材料，底面涂上白色反射点或注塑成小凸点，边缘涂上白色反射材料或覆盖一张镜面反射金属胶带。散射膜是一张半透明的PC材料，起到降低亮度，提高均匀性的作用。反光纸是一张光滑白色的纸片，起到光反射、减少光线泄漏的作用。

　　三 、侧导光LED背光源的基本原理

　　侧导 光 L ED背光源的基本原理是利用光全反射原理以有效地传输光，并将线光源转变为面光源。光全反射原理:当光线从折射率高的介质向折射率低的介质(如塑料到空气)折射时，被折射的光以比人射光线较斜的角度发射，当人射角大于某一角度时，光线不能折射人空气中而全部发生向内反射的现象，称为全反射或内反射，当折射角等于90“时的人射角称为临界角。其原理如图2所示。

　　图2 光线全反原理

　　根据光 折射定律及公式n-1,Sinθ,=n2Sinθ2,可推出临界角θc=Sin-1(n 2,Sin90°/n2)=Sin-1(n2/n1)，已知n2=1(空气),n1=1.491(导光板塑料PMMA材料)，得θc=Sin -10.6707=41.8°，即当导光板内部的人射光线大于41.8°时，会发生全反射现象，这时光线会沿着导光板方向从一边传输到另一边，对于PMMA材料的导光板，其透光率高达92%,雾度很小，具有很小的光吸收性，光可以沿着板材传递很长距离而衰减很小。而导光板的目的是使光线从表面折射出去形成一个光亮均匀的面光源。因此导光板的技术原理一方面是利用光全反射原理进行光的传输，另一方面是反其道而用之，破坏光全反射的条件，干扰光的全内反射光学要素，改变光线的光路，使光线从导光板的表面引出，形成面光源成为背光板。具体设计是在导光板的底面印刷白色网点或注塑成小凸点，使光线在点上产生漫反射，一部分光线以小于临界角的角度人射到导光板的上面并折射出去，一部分光线发生全反射回到导光板内，这些光线在导光板的上边缘发生全反射又回到底面的点上。这个过程不断重复发生，直到光线有的从表面折射出去，有的被导光板吸收，有的损失在某一界面上，从表面折射出去的光线为人眼所见，这一部分光线真正为导光板成为背光板做出贡献，是仪器测到背光源的亮度。

　　四 、侧导光LED背光源的设计要点

　　侧导光LED背光源结构设计和材料选用，直接影响背光源的亮度及均匀性。在设计中，既要考虑成本因素，又要兼顾背光源的亮度及均匀性符合用户的要求。下面简要介绍一下背光源的设计方法供参考。

　　1、 散光点的大小和分布的设计

　　目前采用的导光板大多数采用开模注塑而成，散光点的大小和分布主要由模具制造商设计并通过多次试验调整方案，最终确定模具结构。散光点的大小和分布的设计与计算较复杂，还没有形成完整、成熟的理论。根据光度学公式如下:

　　(1)

(2)

　　         (3)

　　其中: E-光照度;φ-光通量;S-接收面积;I-发射光的强度;θ-发射光方向与接收面的法线之间的夹角;I-接收面离LED光源的距离;Io-LED的法向强度;r-接收面积的半径;D一导光板的厚度。

　　根据公式(1)一照度的距离平方反比定律可知，越靠近人射端，散光点所受到的光照度越强。从图3所示，散光点所受到的光线除了一次直射光线外，还有多次反射光线，同理可得，越靠近人射端，散光点所受到的反射光照度越强，因此各个散光点的光照度不相同。为简便设计，散光点分布是沿人射光方向阵列排列，散光点半径沿人射光方向均匀增大。据介绍，最大点的半径r-根据点间距确定，点间距越小，r-亦越小;点间距越大，rmax亦越大。最小点的半径r-的计算如下:在理想状态下，背光源要求表面亮度均匀，即每个散光点向正面反射时的光通量dip相等，即dcp=l/n., n为人射光方向上散光点的数量，则n=W/C，其中W为导光板宽度，C为散光点间距，根据公式(2)(3)计算最小的半径Rmin。

　　图3 散光点的大小分布与光强度关系示意图

　　2、导光板凹形入射面设计

　　导光板的人口设计成凹形面，可以更好地进行光通祸合，如图4所示。对于大多数LED灯，表面出射的光是发散的。凹面使得光线以最小的折射度进人导光板内，接着导光板边缘的弧面将光线反射成一条窄小的光束。这样，就有更多的光线全反射回到导光板内，而不是折射到塑料和空气界面上。从而减少LED光损失，提高背光源的亮度。

　　图4 凹形入射面光反射示意图

　　图5 契形导光板内光反射示意图

　　3、契形导光板设计

　　对于小尺寸LED显示器(小于50mmx100mm)，使用扁平导光板。对于较大尺寸LED显示器，则采用契形导光板，如图5所示，契形边改变导光板内全反射光线的角度，减少底面反射光的角度，一方面减少光线反射到导光板表面的人射角，使得折射出光线更加接近法线方向，另一方面使得原来因反射光的角度过大而不能从导光板表面折射出去的这部分光线可以在导光板表面折射出去，从而提高LED光利用率、提高背光源的亮度。

　　4、选用合适的LED外形结构

　　LED外形结构决定着LED光学参数的分布特性，具体地说，它影响着LED的发光强度样，一般来说，出光面为凸型的LED，发光强度高，半强度角小，光线集中;出光面为平面的LED，发光强度低，半强度角大，光线分散。对于小尺寸LED背光源，应选择出光面为平面的LED，可以使光线均匀地进人导光板，对于大尺寸LED背光源，应选择出光面为凸型的LED，发光强度高，以保证背光源的亮度。同时LED的大小应该考虑，LED的厚度小于导光板的厚度，使LED发出的光尽可能全部地进人导光板内。

　　5、消除LED入射区的亮线

　　LED与导光板在侧面组装时，光线进人导光板后会出现沿LED方向的一条亮线，影响背光源的亮度均匀性。消除此现象有两种方法:一种是采用黑色涂盖法或盖上一层遮光纸，吸收光线。另一种是空白过渡法，即底面没有印刷白色网点或注塑小凸点。应用全反射原理，在空白过渡区，光线反射回导光板内。这种空白过渡区须经实验确定。

　　6、选用合适的散射膜和反光纸

　　散射膜提高均匀性，但降低亮度;反光纸提高LED光能利用率，减少光能泄露，提高亮度，因此对于这两种光学膜片的反射率和透过率有较高的要求，应选择合适的反射率和透过率，以兼顾亮度和均匀性，达到满意的效果。

　　五 、结语

　　随着需求多样化，用户对侧导光LED背光源的大小、形状、发光颜色、亮度的均匀性等要求很多，这给材料的设计提出更高的要求。在实际设计中应结合光学原理，多做试验，积累经验，才能设计出优异性价比的背光源。

编辑：Cedar