LED背光應用技術(shù)綜述

　　LED用于LCD背光照明分為主要用于中、小型設備的edge lighting和用于大面積設備，如LCD-TV的direct lighting。

　　1、Edge Lighting

　　Edge lighting的基本結構如圖1所示

圖1

　　LED發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)由導光板(Light Guide Plate)的光學(xué)作用向上出射成面光源，再經(jīng)由擴散板（Diffuser Plate）、增光膜（BEF）在LCD面板處形成亮度與顏色均勻分布的光斑。

　　擴散板可以增加光線(xiàn)分布的均勻性，增光膜可以將光線(xiàn)集中到正面一定角度內，提高正面輝度，但過(guò)度使用擴散板、增光膜會(huì )增加光線(xiàn)損耗，降低總體光效，而且擴散板、增光膜已被專(zhuān)利壟斷，成本較高，所以，通過(guò)光學(xué)設計增加導光板直接出光的均勻度是側下式背光設計的重點(diǎn)。

　　前端的光學(xué)設計主要分為：（1）LED光線(xiàn)耦合到導光板內的設計（2）導光板的光學(xué)結構設計

　　1.1 LED與導光板的光線(xiàn)耦合

　?。?）直接耦合

　　結構示意圖如圖2所示，一般來(lái)說(shuō)，直接耦合可以提高LED出光進(jìn)入導光板的效率，結構簡(jiǎn)單，但同時(shí)，在進(jìn)入導光板前RGB三色光線(xiàn)未充分混合，可能導致最終出光的顏色均勻性不好，尤其對于光線(xiàn)在導光板內光程較短的結構。

圖2

　?。?）間接耦合

　　結構示意圖如圖3所示。間接耦合的優(yōu)點(diǎn)有二：（1）在光線(xiàn)進(jìn)入導光板之前進(jìn)行散射、霧化，提高均勻性（2）充分混色

圖3

　　LED用于LCD背光照明分為主要用于中、小型設備的edge lighting和用于大面積設備，如LCD-TV的direct lighting。

　　1、Edge Lighting

　　Edge lighting的基本結構如圖1所示

圖1

　　LED發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)由導光板(Light Guide Plate)的光學(xué)作用向上出射成面光源，再經(jīng)由擴散板（Diffuser Plate）、增光膜（BEF）在LCD面板處形成亮度與顏色均勻分布的光斑。

　　擴散板可以增加光線(xiàn)分布的均勻性，增光膜可以將光線(xiàn)集中到正面一定角度內，提高正面輝度，但過(guò)度使用擴散板、增光膜會(huì )增加光線(xiàn)損耗，降低總體光效，而且擴散板、增光膜已被專(zhuān)利壟斷，成本較高，所以，通過(guò)光學(xué)設計增加導光板直接出光的均勻度是側下式背光設計的重點(diǎn)。

　　前端的光學(xué)設計主要分為：（1）LED光線(xiàn)耦合到導光板內的設計（2）導光板的光學(xué)結構設計

　　1.1 LED與導光板的光線(xiàn)耦合

　?。?）直接耦合

　　結構示意圖如圖2所示，一般來(lái)說(shuō)，直接耦合可以提高LED出光進(jìn)入導光板的效率，結構簡(jiǎn)單，但同時(shí)，在進(jìn)入導光板前RGB三色光線(xiàn)未充分混合，可能導致最終出光的顏色均勻性不好，尤其對于光線(xiàn)在導光板內光程較短的結構。

圖2

　?。?）間接耦合

　　結構示意圖如圖3所示。間接耦合的優(yōu)點(diǎn)有二：（1）在光線(xiàn)進(jìn)入導光板之前進(jìn)行散射、霧化，提高均勻性（2）充分混色

圖3

　　Lumileds的一種具體的間接耦合結構如圖4所示：

圖4

　　圖中③為混色波導，②④為耦合透鏡，其結構為圓錐曲面，以減小兩次耦合過(guò)程中的光損失。實(shí)物圖如圖5所示。

圖5

　?。?）使用自由曲面反射鏡的耦合結構

　　為充分提高LED光線(xiàn)在進(jìn)入導光板前的均勻性，一些設計運用了自由曲面反射鏡，如圖6所示。

圖6

　　圖中紅色為LED光源，常規的側下式光源排布為一LED陣列，應用了自由曲面反射鏡后，LED光源可以只排布在LED Uniform Light guide的兩側甚至一側。圖7示意了一種LED uniform lightguide的具體形式

圖7

　　應用自由曲面的耦合設計可以提高進(jìn)入導光板的光線(xiàn)的均勻性，同時(shí)減小系統體積。

　　1.2 導光板結構設計

　　1.2.1 導光板底部結構

　　導光板通過(guò)底部的結構將側面入射的光線(xiàn)反射到正面出光，從CCFL光源到LED光源，導光板有多種光學(xué)結構，舉例說(shuō)明：

　?。?）網(wǎng)點(diǎn)印刷結構。通過(guò)在導光板底部印刷的散射網(wǎng)點(diǎn)改變側邊入射光線(xiàn)的方向，網(wǎng)點(diǎn)的分布依據一定的分布理論，一般來(lái)說(shuō)，離光源越遠，網(wǎng)點(diǎn)分布越密。

　?。?）微棱鏡結構

　?。?）V型槽結構。如圖8所示，應用邊界光線(xiàn)條件，每個(gè)V型槽與目標面的區域一一對應。

圖8

　?。?）漸變折射率聚合物材料。應用漸變折射率材料作用光波導反射光線(xiàn)，可做到導光板一次成型。

　　1.2.2 導光板外形設計

　　除了底部結構，導光板外形也可以有多種結構，如圖9的楔形結構，甚至圖10 的非球面曲面結構。

圖9

圖10

　　側下式背光設計應綜合運用以上各種結構，以提高光效，照度均勻度和顏色均勻度。

　　2 Direct Lighting

　　直下式相比于側下式結構簡(jiǎn)單，沒(méi)有導光板，可以在大尺寸背光源上得到很好的照度均勻度，但同時(shí)由于混光距離短，顏色均勻度不易控制；而且直下式的厚度一般來(lái)說(shuō)大于側下式，總體光效也不如側下式，耗用的LED總數要多一些，在中小尺寸設備中，直下式的優(yōu)勢不明顯。

　　直下式背光的基本結構如圖11所示

圖11

　?。?）若把LED視為點(diǎn)光源，從圖12可以得出目標面均勻照度的條件為L(cháng)ED的發(fā)光強度

圖12

　　即尋找一種上述配光的LED。一種比較簡(jiǎn)單的思路是使用與上述配光相近的蝙蝠翼配光的LED，然后調節h與反射腔壁的參數，模擬目標面的照度、顏色分布。目前國內已有人做過(guò)上述工作，理論均勻度尚未達到85%。

　?。?）Lumileds的背光產(chǎn)品

　　這是市面上最常見(jiàn)的LED直下式背光模組，如圖13所示，在腔體底部放置兩個(gè)RGB LED陣列，頂部放置擴散板、BEF等光學(xué)膜。

圖13

　　每個(gè)LED陣列采用G-B-R-G的的排布，如圖14所示，兩列共24個(gè)單元陣列。

圖1