側導光LED背光源的設計

　　一、引言

　　隨著(zhù)人類(lèi)社會(huì )進(jìn)人到知識經(jīng)濟時(shí)代，信息和知識傳播實(shí)現實(shí)時(shí)化，用以實(shí)現信息交流的終端設備顯示技術(shù)發(fā)展迅速，作為顯示技術(shù)之一的LCD顯示器隨之發(fā)展很快，由于LCD具有自身不發(fā)光的缺點(diǎn)，所以在大多應用場(chǎng)合要求配套背光源。所采用的背光源有白熾燈球、冷陰極熒光管、EL片和LED燈等。每一種背光源技術(shù)在特定的應用環(huán)境中都有各自?xún)?yōu)異的特點(diǎn)。其中LED技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)備受人們的青睞。其優(yōu)點(diǎn):長(cháng)壽命、高效率、低維護和低功耗;體積小，允許LCD背光模塊薄，減少LCD顯示器與驅動(dòng)電路之間的連接成本;低電壓驅動(dòng)，可用5-12VDC直接驅動(dòng)，且轉換時(shí)間很快，允許脈寬調制亮度，能夠通過(guò)單獨脈沖控制紅、綠、藍LED燈亮暗，可以除去全色LCD顯示器面板背后的紅綠藍過(guò)濾器等。

　　LED背光源在近幾年迅速發(fā)展，從早期的底面出光方式發(fā)展到側導光方式。側導光LED背光源比底面出光LED背光源具有成本低、功耗低、厚度薄等優(yōu)點(diǎn)。尤其隨著(zhù)LED技術(shù)的發(fā)展，出現了AIInGaP四元系材料和GaN基材料，實(shí)現了LED超高亮度和全色化，使得側導光LED背光源可利用較少的LED個(gè)數達到所需的發(fā)光亮度和顏色的要求成為可能，發(fā)揮出令人滿(mǎn)意的效果，LED技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了側導光LED背光源的迅速發(fā)展。下面介紹一下這一最新發(fā)展的側導光LED背光源的原理及設計要點(diǎn)。

　　二、側導光LED背光源的結構

　　側導光LED背光源的結構如圖1所示。它是由LED組件、導光板、散射膜、反光紙、邊緣反光膠帶等組成的。

圈1 側導光LED背光源結構示愈圖

　　在背光源組件中，導光板是關(guān)鍵的光學(xué)元件，它是一塊透明的塑料聚甲基丙烯甲脂(PMMA)材料，底面涂上白色反射點(diǎn)或注塑成小凸點(diǎn)，邊緣涂上白色反射材料或覆蓋一張鏡面反射金屬膠帶。散射膜是一張半透明的PC材料，起到降低亮度，提高均勻性的作用。反光紙是一張光滑白色的紙片，起到光反射、減少光線(xiàn)泄漏的作用。

　　三、側導光LED背光源的基本原理

　　側導 光 L ED背光源的基本原理是利用光全反射原理以有效地傳輸光，并將線(xiàn)光源轉變?yōu)槊婀庠?。光全反射原?當光線(xiàn)從折射率高的介質(zhì)向折射率低的介質(zhì)(如塑料到空氣)折射時(shí)，被折射的光以比人射光線(xiàn)較斜的角度發(fā)射，當人射角大于某一角度時(shí)，光線(xiàn)不能折射人空氣中而全部發(fā)生向內反射的現象，稱(chēng)為全反射或內反射，當折射角等于90“時(shí)的人射角稱(chēng)為臨界角。其原理如圖2所示。

圖2 光線(xiàn)全反原理

　　根據光 折射定律及公式n-1,Sinθ,=n2Sinθ2,可推出臨界角θc=Sin-1(n 2,Sin90°/n2)=Sin-1(n2/n1)，已知n2=1(空氣),n1=1.491(導光板塑料PMMA材料)，得θc=Sin -10.6707=41.8°，即當導光板內部的人射光線(xiàn)大于41.8°時(shí)，會(huì )發(fā)生全反射現象，這時(shí)光線(xiàn)會(huì )沿著(zhù)導光板方向從一邊傳輸到另一邊，對于PMMA材料的導光板，其透光率高達92%,霧度很小，具有很小的光吸收性，光可以沿著(zhù)板材傳遞很長(cháng)距離而衰減很小。而導光板的目的是使光線(xiàn)從表面折射出去形成一個(gè)光亮均勻的面光源。因此導光板的技術(shù)原理一方面是利用光全反射原理進(jìn)行光的傳輸，另一方面是反其道而用之，破壞光全反射的條件，干擾光的全內反射光學(xué)要素，改變光線(xiàn)的光路，使光線(xiàn)從導光板的表面引出，形成面光源成為背光板。具體設計是在導光板的底面印刷白色網(wǎng)點(diǎn)或注塑成小凸點(diǎn)，使光線(xiàn)在點(diǎn)上產(chǎn)生漫反射，一部分光線(xiàn)以小于臨界角的角度人射到導光板的上面并折射出去，一部分光線(xiàn)發(fā)生全反射回到導光板內，這些光線(xiàn)在導光板的上邊緣發(fā)生全反射又回到底面的點(diǎn)上。這個(gè)過(guò)程不斷重復發(fā)生，直到光線(xiàn)有的從表面折射出去，有的被導光板吸收，有的損失在某一界面上，從表面折射出去的光線(xiàn)為人眼所見(jiàn)，這一部分光線(xiàn)真正為導光板成為背光板做出貢獻，是儀器測到背光源的亮度。

　　四、側導光LED背光源的設計要點(diǎn)

　　側導光LED背光源結構設計和材料選用，直接影響背光源的亮度及均勻性。在設計中，既要考慮成本因素，又要兼顧背光源的亮度及均勻性符合用戶(hù)的要求。下面簡(jiǎn)要介紹一下背光源的設計方法供參考。

　　1、散光點(diǎn)的大小和分布的設計

　　目前采用的導光板大多數采用開(kāi)模注塑而成，散光點(diǎn)的大小和分布主要由模具制造商設計并通過(guò)多次試驗調整方案，最終確定模具結構。散光點(diǎn)的大小和分布的設計與計算較復雜，還沒(méi)有形成完整、成熟的理論。根據光度學(xué)公式如下:

　　其中: E-光照度;φ-光通量;S-接收面積;I-發(fā)射光的強度;θ-發(fā)射光方向與接收面的法線(xiàn)之間的夾角;I-接收面離LED光源的距離;Io-LED的法向強度;r-接收面積的半徑;D一導光板的厚度。

　　根據公式(1)一照度的距離平方反比定律可知，越靠近人射端，散光點(diǎn)所受到的光照度越強。從圖3所示，散光點(diǎn)所受到的光線(xiàn)除了一次直射光線(xiàn)外，還有多次反射光線(xiàn)，同理可得，越靠近人射端，散光點(diǎn)所受到的反射光照度越強，因此各個(gè)散光點(diǎn)的光照度不相同。為簡(jiǎn)便設計，散光點(diǎn)分布是沿人射光方向陣列排列，