用LED实现高亮度超薄型背光源的设计方法

　　0 引言

　　直下式结构的LED背光源具有更高的色彩还原、省电、寿命长、抗震动性,在低温环境中工作不受影响。由于LED具有这些优势,越来越多的厂商已着手研制大尺寸的直下式LED背光源。但由于直下式厚度相对侧入式较厚,因此在中小型LCD 液晶显示系统中侧入式所占市场比重大于直下式结构。

　　近年来, 三星在韩国推出了一款52 英寸全高清LED 液晶电视“PAVV-LED 52”。此次发布的52 英寸全高清LED 背光液晶电视,采用了只降低黑暗图像部分的背光亮度、由三星自主研发的“变色龙LED 背光(Chameleon LED Backlight)”技术。动态对比度达到50 万:1,耗电量最多可降低50%。而且,通过高速影像模式,能够实现图像抖动及残像少、色彩鲜明的影像画质。由此看来,LED 背光源性能完全超越CCFL 背光源已经成为可能。国际著名的公司如索尼、三星、安华高科技(安捷伦)、欧司朗、欧姆龙、Cree 等纷纷推出了LED 背光类的产品。

　　1 LED 背光源的设计方法

　　1.1 系统概述

　　以对角线长度为15 英寸,即长、宽、高分别为89.44mm、67.08mm、5mm 的背光模组为例, 设计要求的亮度通过液晶显示屏后要达到1,200cd/m2,亮度均匀性达到85%以上,功率小于50W;工作温度为-40°C~60°C,亮度可调,且调节范围宽调节精度高。

　　在满足以上要求的同时,为了使背光模块能够更好地工作,系统设计应包括过压保护、高温保护等功能模块。下面以上述要求为目标,给出我们的LED 背光设计方案以及根据最后的性能测试结果对用大功率白光LED 实现高亮度背光设计中将会遇到的问题进行阐述分析,并提出解决的办法。

　　1.2 直下式LED背光源结构

　　LED背光源的工艺过程是将LED点光源转化为发光均匀的面光源。根据光源分布位置的不同, 分为侧光式和直下式两种。为了实现高亮度均匀性的背光模组的设计,首先要选定构成背光模组的系统结构形式。本文采用直下式结构。

　　侧光式LED背光源应用在大中尺寸的LCD上时, 导光板重量和成本会随着尺寸增加而增加, 并且发光均匀性和发光亮度不理想,而直下式LED 背光源表现则比较好。直下式背光源工艺相对简单,不需要导光板,是将光源(LED 晶片阵列)及PCB置于背光源底部,光线从LED 射出后,经过散射膜散射,得到均匀性较好的散射光,再通过两片棱镜膜(分别为水平方向和垂直方向BEF1 和BEF2)将散射光集中在垂直于膜的方向以一定的发射角度出射。为了更好地利用光能,提高整体效率,我们在底板LED 灯表面加了一层反射膜,实验证明,反射膜的存在使得亮度、效率提高了近20%。同时在底部光源上涂布一层含有散射剂的导光胶,导光胶厚度视腔体高度和导光胶特性而定,主要起两点作用:①提高亮度均匀性;②保护LED 晶片,提高可靠性。背光源的厚度由反射膜与散射板之间的腔体高度决定。理论上在符合安装要求及发光亮度的前提下,腔体高度越大,光线从散射板射出的均匀性越好。直下式LED 背光源的结构见图1。直下式背光源技术关键是控制亮度均匀性,提高发光效率。散射膜与LED 光源之间须预留一定的空间,提高亮度均匀性,故直下式背光源的厚度相对较厚。因光源数量多,发光亮度和功耗均大于侧光式背光源。LED管芯工作状态下释放出的热能集中在腔体内,在大面积、高亮度的LED背光产品设计时,应考虑模块散热装置。

　　图1 光学系统结构控制示意图

　　1.3 光学设计模拟

　　我们采用Lumileds 生产的白光LED, 典型电流为700mA,额定功率为3W, 发光强度为80lm,发散角度为120°并对其光电特性进行了均匀性筛选, 选用其中匹配性较好的LED 作为系统光源。

　　大功率LED 在典型电流工作时会发出大量的热能,容易产生高温,对液晶显示器产生影响,为此,我们将其降额使用,增加灯的数量,减小工作电流,这样一来,缓解了高温问题,而多数的灯也可以在均匀性上达到更好的效果。

　　综合以上因素, 我们在背光板有效区域内排布了64 颗灯,每8 颗灯串联在一起作为一组,64 颗灯共分为了8 组,然后并联在一起。追踪大约1000,000 条光线,分析结果显示导光板上表面共射出52 流明的总光通量, 且照度分布均匀性大于80%,基本满足背光系统要求。如下图所示:下面是利用Light Tools 光学模拟软件的背光模拟(图3)及背光板亮度分布(图4):

　　图3 背光模拟图

　　图4 背光亮度分布图

　　对于从光学膜到背光板之间的距离(即背光腔的高度),我们做了一些实验,结果表明:在LED 灯排布间距为15mm 时,采用“LSD 散射膜+BEF 垂直+BEF 平行”的光学膜组合时,背光腔高度为18mm,看不到LED 灯的灯影,亮度均匀性很好。通过模拟计算得出均匀度为87%,由图示可知,符合设计要求。

　　2 直下式LED 背光源与侧入式LED

　　背光源特点比较

　　目前首先是直下式占据LED 高端, 而侧入式占据LED 低端; 直下式又逐渐取代侧入式, 中小尺寸的彩色LCD (如手机、MP3、PSP 等)一般选用侧入式LED背光源。因为一颗LED 的造价和CCFL 冷阴极相差不多,但是由于LED 的体积较小,在背光系统中,需要根据屏幕大小等间距的分布多个LED,其造价就相对可观了, 因此侧入式LED 背光源可以使用较少颗的LED 蕊片,节省成本,其二是能够打造比较轻薄的机身,让LED TV 液晶面板的后方不需要配置LED 模块,而是放置在侧边,可减少屏幕整体的厚度,打造出较直下式LED背光液晶电视更薄的机种来,但由于LED侧入式排列的结构缺陷,使得背光源在亮度均匀性及照度方面都受到影响,尤其是对军工、航空项目上应用到的精密仪器时,更需要高亮度、均匀性、相对可靠性好的背光源。使用直下式的好处是LED背光源液晶显示器采用矩阵排列方式,以串并联的方式结合发光, 能够分别设置不同的背光源模块权责区域,理论上也可以做到每一颗LED独立发光控制亮度,但线路与设计成本不易,实际上都是在屏幕的背光源设定多个区域,让这些区域能够独立调整明暗度。不仅再出光率上效率逐步提高,在受震动。冲击下有很好的保障结构设置,不会让使用受到较大的影响。直下式LED与侧入式LED背光源各项技术指标的比较见表1。

　　表1 直下式LED 背光源与侧入式LED 背光源特性对比

　　3 LED 直下式结构背光模组的应用前景

　　目前从发光效率和成本问题上,以冷阴极管(CCFL)为背光源的背光系统其性能明显优于以LED 为背光源的背光系统。一颗LED 本身的价格不比一根CCFL 冷阴极管高,但由于其体积较小,发光功率低的限制,在一个背光模组中需要多个LED 串并联成等间距的结构来进行发光,其造价就相当可观,这是至今为止阻碍该结构成为大型显示器的背光源发展的关键因素。但随着高科技的迅猛发展,LED 产业的发展极其迅速,发光效率提升也相当之快。目前,LED 背光源对于对角线为18cm 以下的中小型显示面板价格占优势, 而在大尺寸范围价格则是CCFL 背光源的4~5 倍, 预计随着产业规模化的扩大和技术工艺的逐步成熟,LED 造价成本问题也会得到相应解决。

　　这种以等间距的LED 直下式结构的超薄型背光源产品是一种新型的投影显示技术, 它比传统的投影背光系统具有重量轻、厚度薄、功耗低、亮度均匀性好、外形美观等优点。同时又可被广泛应用于大中型尺寸液晶面板市场和小型尺寸手机屏面板及现代公共场合广告媒介灯箱。它是由多学科综合技术而形成的属于高技术范畴的产品。目前这项研制工作在国内处于领先水平,具有广阔的应用前景和较好经济效益。

　　4 结论

　　直下式LED 背光系统作为一种新型的背光源,拥有无汞环保,寿命长、环境适应性强、亮度调节范围大,对比度大,亮度均匀性好,动态画面连续感强等特点。经过理论的分析和论证,指出直下式LED 背光源是未来大型尺寸LCD 背光的发展方向和趋势,并且据亿光透露,三星公司打算进一步把直下式LED背光液晶电视的厚度继续往下做薄,为课题的继续研究提供了理论基础。

编辑：Cedar