一種改善亮度均勻性的背光設計方案

A Backlight Design Scheme for Improving Brightness Uniformity

　　柏祥

（康佳集團股份有限公司，廣東 深圳 518057）

　　摘要：亮度均勻性是LED背光的LCD液晶電視產(chǎn)品經(jīng)常面對的問(wèn)題，也是用戶(hù)比較關(guān)注的問(wèn)題之一，本文結合實(shí)際工作介紹了一種改善亮度均勻性的LCD液晶電視背光設計方案及各個(gè)部分的作用，其中主要的特點(diǎn)在于異形燈條的設計。
　　關(guān)鍵詞：LCD；LED；DLED；OD；反射片；燈條；擴散板；BEF；DBEF；擴散片；亮度均勻性

　　0 引言

       隨著(zhù)LED的應用普及，目前LCD液晶電視的背光源幾乎全部是LED，而背光方案又以直下式背光方案DLED為主流，因為其設計方便、價(jià)格低廉而得到廣泛應用。
　　本文介紹了一種針對較為特殊的外銷(xiāo)客戶(hù)而量身定做的一種背光設計方案，主要特點(diǎn)在于異形燈條的設計。
　　1 液晶電視背光方案結構

       如圖1所示為32寸LCD液晶電視的背光方案及前、中、后殼結構示意圖，背光部分從后向前依次為反射片、燈條、擴散板、增亮片、擴散片。
　　下面分別介紹它們的作用：

       （1）燈條的作用是提供光源，采用2×6方案，即兩根燈條，每個(gè)燈條上面有6個(gè)LED燈珠及透鏡，透鏡的作用是打散LED燈珠發(fā)出的光線(xiàn)。LED燈珠選用2 W的規格，壽命可達50000 h以上，電流為600 mA，燈條總功率為24 W。
　?。?）反射片的工作原理如圖2、圖3所示：把 向 模 組 底 面 傳 播 的 光 線(xiàn) 反 射 回 正 面 ， 充 分 利用 L E D 發(fā) 出 的 光 。 基 材 一 般 為 P E T 、 聚 碳 酸 酯（polycarbonate）等，厚度約為0.15 mm。 TiO2的折射率很高（n=2.62），把TiO2混合PET或者聚碳酸酯（polycarbonate）等光學(xué)上透明度高的樹(shù)脂，經(jīng)過(guò)微細發(fā)泡而形成反射片。泡的直徑有數微米左右，泡越維細、密度越高，反射率就越高。泡是折射率約1.00的素材，與透明樹(shù)脂之間形成良好的屈折率界面。從擴散板折射過(guò)來(lái)的光線(xiàn)，進(jìn)入反射片后，通過(guò)復雜的折射動(dòng)作，使絕大部分的光線(xiàn)再次返回到擴散板中。對應不同混光距離和配合不同功率的DLED直下式一體機，需要總結出反射片四角的折角大小。
　?。?）擴散板的工作原理如圖4、圖5所示，作用是將LED燈發(fā)出的光線(xiàn)打散，提高均勻度；掩飾燈影及支架印，避免造成某些地方過(guò)亮或者過(guò)暗的情況；同時(shí)還有支撐其他光學(xué)膜片的作用。工作原理是利用光線(xiàn)在行進(jìn)途中遇到兩個(gè)折射率相異的介質(zhì)時(shí)，發(fā)生折射、反射與散射的物理現象，通過(guò)在PMMA、PC、PS、PP等基材（一般厚度為1.0 mm）基礎中添加無(wú)機或有機光擴散劑、或者通過(guò)基材表面的微特征結構的陣列排列人為調整光線(xiàn)，使光線(xiàn)發(fā)生不同方向的折射、反射與散射，從而改變光的行進(jìn)路線(xiàn)，實(shí)現入射光充分散射以此產(chǎn)生光線(xiàn)擴散的效果。另外微結構擴散板在擴散板的上表面帶有微結構，可提升一定的光強度。且光源的排放距離與光源到擴散板之間的距離OD比值影響光源由點(diǎn)光源到面光源的均勻化效果。

　?。?）增亮片的作用是在于把較大傳播方向的光線(xiàn)集中到正面較小的角度內，提高正面光的強度。工作原理如圖6所示，基本的增亮片實(shí)質(zhì)是一個(gè)棱鏡片（BEF），使光折射、反射、集光之后達到增亮的目的。
　　BEF結構如圖7所示，在PET基材（厚度約0.25mm）形成精密的丙烯樹(shù)脂棱鏡結構，尺寸約30μm，下面為防粘結涂層。此膜片特點(diǎn)：棱鏡打圓角耐刮性強，靜電較弱，背面帶紫外光涂層，上下表面均無(wú)需保護膜，霧度可由背面涂層調整。實(shí)際材料圖如圖8所示。
　　還有一種更高效的增亮片如圖9所示：DBEF。
　　DBEF是一種反射型偏光增亮片，通過(guò)選擇性反射背光系統的光線(xiàn)，使其不被LCD的下偏光片所吸收，使部分光線(xiàn)得以重新利用，因此亮度增加約50%。

      （5）擴散片工作原理是利用光在經(jīng)過(guò)擴散片時(shí)會(huì )不斷地在折射率相異的兩介質(zhì)中穿過(guò)，同時(shí)發(fā)生折射、反射與散射的現象，如此將光線(xiàn)打散，達到模糊光源，使光線(xiàn)均勻的效果。 如圖10、圖11所示，基材一般為PET，上面為擴散層，下面為防粘結涂層。
　　本背光方案在LCD面板透過(guò)率為6.2%的情況下實(shí)現250 nits的亮度，通常情況下燈條的設計如圖12所示，燈條及燈珠基本上是等間距分布，這樣設計簡(jiǎn)單、易生產(chǎn)，特別對于燈條PCB的利用率高，從而降低了成本。另外，燈條的燈珠相對集中在中心區域是為了保證中心部分的亮度能夠滿(mǎn)足要求，且大部分人對中間部分的亮度比較關(guān)注，這樣設計既滿(mǎn)足了標準及觀(guān)看的要求又能照顧到較低的成本。

　　2 亮度均勻性測試

       普通9點(diǎn)亮度均勻性為70%左右，測試方法如圖13所示：周?chē)鷾y試點(diǎn)的分布遵循1/9高度和寬度的原則，圓圈表示亮度儀器探頭測試的范圍，分別測試P0~P8的亮度L0~L8。
　　則亮度均勻性為，i為1到8的任何一個(gè)數。每個(gè)Pi都要大于或者等于70%才算是合格。
　　但是針對部分特殊的客戶(hù)，要求亮度均勻性很高，不僅測試上面所述的9點(diǎn)均勻性，還測試邊角均勻性，測試方法如圖14所示：邊角亮度均勻性為Pi=Li/L0×100%，i為1到4的任何一個(gè)數。雖然這個(gè)指標只要求50%即可以滿(mǎn)足，但是正常的等距直線(xiàn)燈條設計則不能滿(mǎn)足要求。一般情況下，畫(huà)面中心部分最亮，也是測試最大亮度的地方，越靠近邊角越暗，四角則是最暗。
　　3 異形燈條設計方案

       針對上述四角偏暗的問(wèn)題，我們采取了異形燈條的方案，如圖15所示：在燈條的兩端向角落傾斜，是最邊緣的4個(gè)燈珠更加靠近四角，從而提升的四角的亮度。根據測試四角的亮度可以提升30%左右，而中心亮度不變。這樣設計的好處是標準化得到最大的保證，不改結構尺寸及其他物料，只改燈條PCB形狀就可以實(shí)現兩種方式的轉換。唯一的缺點(diǎn)是PCB板材利用率稍微下降，導致成本稍微上升一點(diǎn)，但是能夠滿(mǎn)足客戶(hù)的特殊要求。
　　參考文獻：
       [1]SJT 11343-2015 數字電視液晶顯示器通用規范.
       [2]SJT 11348-2016 數字電視平板顯示器測量方法.
       [3]許林, 朱瑩瑩, 劉明. 一種直下式LED背光液晶電視設計[J]. 通信與廣播電視, 2013(1):33-43.
       [4]張益民, 吳慶富. TFT-LCD背光模組光學(xué)膜關(guān)鍵件的開(kāi)發(fā)研究[J]. 現代顯示, 2010(4):49-54.
       作者簡(jiǎn)介：
       柏祥，學(xué)士，高級工程師，多媒體研發(fā)中心外協(xié)設計所所長(cháng)、高級產(chǎn)品設計師。
       康佳集團2002年度多媒體研發(fā)中心先進(jìn)工作者
       康佳集團2003年度優(yōu)秀科技工作者
       康佳集團2004年度優(yōu)秀團隊：LCD4400項目組（項目經(jīng)理）
       康佳集團2008年度彩電事業(yè)部?jì)?yōu)秀彩電人
       康佳BT4390W型背投影彩色電視機通過(guò)2004年度信息產(chǎn)業(yè)部鑒定達國際同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平（信號處理部分的主設計師）

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第84頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處