（物理电子学专业论文）反射补偿方式led背光模组的设计与制作.pdf

摘要 摘要 液晶显示器因质量轻、厚度薄等诸多优点而愈加得到人们的青睐。开发亮度高、均匀性 好、色饱和度高的背光模组对进一步提高液晶显示器的性能具有重要作用。本论文将介绍一 种用于中尺寸液晶显示器的采用发光二极管( l e d ) 作发光源的反射补偿方式l e d 背光模组 的设计及制作。 论文首先介绍并分析了l e d 背光的现有技术及其优缺点，并在此基础上给出了论文所设 计背光方式的介绍，该方式具有以下优点：结构简单，开发制作成本低，光能利用率高，散 热容易，亮度高，亮度均匀性好。 随后各章节分别介绍了结构中各主要部件及其主要参数的选择与设计依据： 首先根据光学原理的推导和计算机软件的计算，得出使亮度优化分布的，、d 和k 的优 化设计值，其中，为l e d 排列矩阵的节距，d 为背光腔体的高度，k 为反射膜的偏移距离。 其次，按照l e d 的发光光谱应与液晶显示器滤色片性能相匹配的要求，论文给出l e d 的选择条件，通过选择合适的l e d 达到更好的匹配来提高显示屏高亮度，并减小色彩偏离。 接着，论文给出背光驱动电路的设计方案，该驱动电路采用恒压驱动方式，电路稳定， 成本低，无干扰。 随后，论文介绍完整的l e d 背光模组制作过程，并依此制作出1 5 英寸l e d 背光样品。 最后，介绍了该背光模组的测试结果，其中心亮度为8 5 2 0 c d m 2 ，均匀性值为6 3 ，结 果表明，该l e d 模组通过合理利用反射光以补偿背光模组亮度分布的不均匀状况，在不降低 光能利用率的前提下改善了背光模组的亮度均匀性能，并使光能得到更加有效的利用。 关键词：背光、发光二极管、光学设计 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t l c dd i s p l a yb r o a d l ya p p l i e st om a n yf i e l d sb e c a u s ei th a sal o to fm e r i t ss u c h a st h es m a l lw e i g h ta n dt h el o wt h i c k n e s s t h ed e v e l o p m e n to ft h eb a c k l i g h t sw h i c h h a st h eh i g h e rb r i g h t n e s sa n dt h eb e t t e ru n i f o r m i t yp l a y st h ei m p o r t a n tr o l et o i m p r o v et h ef u n c t i o no ft h el c dd i s p l a y t h ed e s i g no fan e wb a c k l i g h t su s i n gt h e l i g h t e m i t t i n gd i o d e ( l e d ) a st h eg l o w i n gs o u r c ew h i c hi su s e di nm i dd i m e n s i o nl c d d i s p l a yi si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s u s i n gt h ec o m p e n s a t i n go ft h er e f l e c t e dl i g h t t h en e wb a c k li g h t sh a st h eg o o db r i g h t n e s su n i f o r m i t y t h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h el e db a c k l i g h td e s i g n e df i r s ti sp r e s e n t e da n da n a l y z e d i nt h i sp a p e r t h iss t r u c t u r e h a ss o m em e r i t ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t o fd e v e l o p i n ga n df a b r i c a t i n g , h i g he f f i c i e n c yo fi i g h te n e r g yu t i l i z a t i o n ，g o o d h e a td i s s i p a t i o np e r f o r m a n c e ，h i g hb r i g h t n e s sa n dg o o du n i f o r m i t y t h ec h a p t e r sa n ds e c t i o n si nt h i sp a p e ri n t r o d u c et h ed e s i g np r o c e s so ft h em a i n p a r a m e t e r si nt h es t r u c t u r er e s p e c t i v e l y f i r s t l y ，d u et o t h eo p t i c st h e o r yi n f e r r i n ga n d t h ec o m p u t e rs o f t w a r e c a l c u l a t i n g ，t h ed e s i g no ft h e 五t h eda n d t h eki so p t i m i z e d t h e1i st h ep i t c h o ft h el e dm a t r i x t h edi st h ea l t i t u d eo ft h ec a v i t yb o d yo ft h eb a c k l i g h t i n g t h e 詹i st h ed i s t a n c eb e t w e e nt h er e f l e c t i n gf i l ma n dt h el e d 。 s e c o n d l y ，t h es u i t a b l el e d sa r ec h o s e nt os a t i s f yt h em a t c h i n gr e q u e s tb e t w e e n t h el u m i n e s c e n c es p e c t r u mo fl e da n dt h el c dd i s p l a yc o l o rf i l t e r t h em a t c h i n gc a n i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h el c l ) d i s p l a y t h i r d l y ，t h ed e s i g np l a no ft h ed r i v i n gc i r c u i tw i t ht h eb a c k l i g h t i n gi sa l s o p r e s e n t e d t h i sd r i v i n gc i r c u i ti sf a b i r c a t e d ，w h i c hi ss t a b l e ，l o wc o s t ，n o d i s t u r b a n c e f i n a l l y ，as i m p l ya n dc a p a b l ef a b r i c a t i n gs c h e m e f o r l e db a c k li g h t si s p r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h i ss c h e m e ，a1 5 ”l e db a c k l i g h ts a m p l ei sf a b r i c a t e d a c e n t e rb r i g h t n e s so f8 5 2 0c d m 2a n dau n i f o r m i t yo f6 3 i so b a t i n e di nt h i ss a m p l e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tu s i n gt h e c o m p e n s a t i n go ft h er e f l e c t e dl i g h tt h e b a c k l i g h t sh a st h eh i g hb r i g h t n e s sa n dt h eg o o db r i g h t n e s su n i f o r m i t y k e y w o r d s ：b a c k i i g h t s ，i i g h t e m i t t i n gd i o d e ，o p t i c sd e s i g n l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：湃，? 灵 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：盟至墨导师签名：形匆豸 7 一 v 第一章背光模m h 兜背景与目的 第一章背光模组研究背景与目的 1 1 研究背景 液晶显示器( l c d ) 是现代平板显示的主流产品，r 泛的应用于手机、个人数字助理( p d a ) 、 监视器、家庭电视等各个方【自，主要是囡为它具有质量轻、厚度薄、驱动电压低以及显示图 象质量高等诸多优点。1 。 渡晶显示器七要由液晶面板、驱动电路和背光三大部分组成( 酬卜1 ) 。液品面板，也 就是液晶显示器屏幕，是实现显示功能的核心部件，但是液晶面板车身不会发光，需要借助 外界光源实现显示功能。背光就是提供液晶显示所需光源的部件。驱动电路是根据显示的需 墨提供培液晶面板及背光以不同的电压或电流信号，咀实现显示功能。所以，液品晟示器的 工作过程世：根据驱动电路的控制，不同的电压被加在液晶面板上，使泄品分于产生扭转， 从而控制对背光的光线透过性能的不同，选到显示的目的( 图卜2 ) 。 从成本r 看( 斟卜3 ) ，背光组件大约占液晶显示器总成本的1 6 “，是第三大组件：从 功能上再，液品显示所需的光线都巾背j t 提供，闻此背光的亮度、色度及均匀性等性能都直 接影响肴液晶显示器的亮度、色饱和度和显示质_ 壹锋诸多忡能所以背光士儿件足液晶显示器 的至芙重要的部件之一。 褂1 圈卜3 液晶显示器成奉图 根据液品显示器尺寸和应川场台的不阿，背光所川的光源主要有电致发光器件( e l ) 东南大学硕士学位论文 冷阴极荧光灯管( c c f l ) 、发光二极管( l e d ) 、场致发光器件( f e d ) 等不同类型的发光器件。 现阶段，7 英寸以下小尺寸液晶显示器的背光多采用led 作光源，这是由于l e d 具有轻、 薄、小及省电的优势，所以在小尺寸的背光市场中具有近乎独占的市场地位。7 英寸以上中 大尺寸液晶显示器目前基本都采用发光效率高的冷阴极荧光灯管( c c f l ) 作为背光光源。它技 术成熟，成本低，目前在中大尺寸背光市场中占据绝对优势地位。 led 用作液晶显示器背光光源主要具有如下优点： ( 1 ) 不含汞，符合环保要求；l e d 属于半导体发光器件，制作过程及发光过程都不需 要使用汞等有害物质。( 2 ) 体积小，固体封装，耐压耐震：l e d 属于半导体发光，如氮化物 蓝光l e d ，目前晶粒最小尺寸可以达n o 8 m m ，甚至到瓦级的产品其尺寸规格也只有4 m m 左右，封装后最大尺寸也在1 厘米以内，因此体积远小于目前的c c f l ，并且l e d 采用固体封装， 产品远比c c f l 更具有耐压性和耐震性。( 3 ) 寿命长，可达l o 万小时以上：l e d 目前理论上产 品寿命约为1 0 万小时。较目前c c f l 产品的寿命5 万小时约增加一倍。( 4 ) 低电压，不需使用 逆变器：目前一般的l e d 驱动电压范围在1 4 v - - - , 3 6 v 之间，不需使用逆变器将低电压转化 为高电压，使驱动电路简化而安全，且使用时可串联电阻，而耗电量极小。( 5 ) 色彩饱和 度高：随着材料和工艺的进步，r g b 三基色led 都表现出很高的色彩饱和度，尤其在鲜红 和深绿的表现力更具优势。( 6 ) 响应速度快：led 响应速度快，可以达- n n s 量级。 led 用于小尺寸液晶显示器背光已充分体现出以上诸多优点，并且随着led 性能的 快速提升，价格的不断下跌，人们开始尝试将led 应用于中大尺寸液晶显示器背光中d m l 。 20 04 年l1 月，sony 率先将led 应用于中大尺寸液晶显示器的背光技术成品化， 推出了全球首创的使用led 作为背光的一款23 英寸液晶显示器和一款46 英寸的液晶 电视 qualia0 05 。尽管这两款产品都存在功耗高、发热量大和价格高昂等缺陷， 但led 在显示质量方面的优势得到了充分体现，它采用r gb 三色白光技术，可以显示的 色彩与ntsc 规格相比色彩表现范围达到了105 ，大约是当时液晶电视的1 5 倍， 即使与p d p 电视相比也具明显优势。2o05 年5 月举行的sid 20 05 ( 2o05 显 示信息学会) 会议上，lg 一飞利浦、三星电子等都展出了他们各自的led 背光液晶显示 器。其中l g - 飞利浦还首次提出将led 与ccfl 混用各取所长的背光解决方案，通过这 样的设计不仅成功地降低了led 背光的功耗问题，还将液晶显示器的对比度提升到了 1 0 0 0 0 ：1 。l e d 应用于中大尺寸液晶显示器背光在迅速的发展，很多厂家断言，l e d 将在1 0 年内完全取代c c f l 在背光中的地位。 led 应用于中大尺寸液晶显示器背光处在迅速的发展与提高阶段，因此仍然存在一些 2 第一章背光模组研究背景与目的 问题有待解决，如：( 1 ) 发光效率低，目前普通的led 发光效率约为3 0l m w 5 0 1 m w ， 而c c f l 约为6 01 m w 8 5 l m w 。( 2 ) 散热问题：l e d 对于工作环境中的温度相当敏感，且l e d 在发光的过程中，自身的温度达1 0 0 1 2 ，若散热问题不妥善解决，会造成l e d 发光波长的漂移 以及l e d 寿命的大幅度缩短。( 3 ) 单价成本高：目前，l e d 背光的成本约为同尺寸c c f l 背光 成本的2 , - 一3 倍，所以成本高是制约led 用于中大尺寸液晶显示器背光的最大瓶颈。 1 2 研究方向与目的 尽管led 应用于中大尺寸液晶显示器背光还存在一定的缺点，但它的诸多优势激励国 内外众多厂家不断投入人力物力进行研究与开发，使得led 应用于中大尺寸液晶显示器背 光的优点得到进一步彰显，而缺点与问题则得到改善甚至解决，从而不断有性能越来越好的 使用led 背光的液晶显示器样品甚至产品面世。但是，目前l e d 用于中大尺寸液晶显示器 的技术大多掌握在日本、韩国及台湾少数大商家的手中，我国大陆地区的投入较少，起步较 晚，因此这方面的研究较少，还处于起步阶段，需要更多的努力与提高，在这种情况下，在 国内研究将led 应用于中尺寸液晶显示器背光是符合需要的。 本论文主要研究将led 应用于中尺寸液晶显示器背光，提出一种亮度高且亮度均匀的 反射补偿方式led 背光模组的设计方案，该设计开发成本低，且结构简单，制作成本低， 它能有效提高光的利用率从而降低功耗及成本，其次，本论文还将依据设计进行实体制作与 验证。 1 3 研究内容 课题首先搜集整理国内外技术文献，综合并分析现有技术的工作原理及优缺点，并在 此基础上提出反射补偿方式l e d 背光模组的设计方案。 论文根据光学原理的推导和计算机软件的计算，得出使亮度优化分布的，、d 和k 的优 化设计值，其中为l e d 排列矩阵的节距，d 为背光腔体的高度，k 为反射膜的偏移距离。 由此优化的，、d 和七值可以制作出亮度均匀性能好且厚度薄的背光模组。 论文通过对l e d 的发光光谱与液晶显示器滤色片性能的匹配性能研究分析，给出l e d 的选择条件。并通过对l e d 的电学性能的研究给出采用恒压驱动方式的l e d 电路驱动设计。 最后，论文根据各部件的设计制作出完整的l e d 背光模组样品，并对样品进行测试。 3 东南大学硕士学位论文 第二章反射补偿型l e d 背光模组的方案研究与结构设计 2 1 现有背光技术分析 ( 一) 结构现状 背光结构多种多样，每个厂家都会根据自己的研究开发设计各种不同结构的背光，各种 不同的背光结构都可以按光源所在的位置分为直下式背光和侧边式背光两种结构类型。 顾名思义，侧边式背光是把光源设置在背光侧边，如专利u s 6 6 7 2 7 3 4 哺1 、u s 6 9 4 8 8 4 2 1 、 u s 7 2 1 3 9 6 0 盯1 、u s 7 1 3 9 0 4 8 叫中讲述的背光都属于侧边式背光，u s 6 6 7 2 7 3 4 是双侧光源侧背光， 导光板的两侧都设置l e d 光源。u s 6 9 4 8 4 2 是单侧光源侧背光，光源发出的光线从导光板的一 侧射入导光板。u s 7 2 1 3 9 6 0 的光源虽然在导光板的下方，但是光源发出的光经耦合器及反射 镜传输后仍然从导光板的侧边进入导光板传播，因此也属于侧边式背光。u s 7 1 3 9 0 4 8 是将光 源陷进导光板以减少光能损耗的侧边式背光。 u s 7 2 1 3 9 6 0 u s 6 9 4 8 8 4 2 ，塑。翌， 2 图2 - i 侧边式背光专利 4 u s 7 1 3 9 0 4 8 第一帝反射补偿型l e d 背光模a 【的方案w 究与结构世“ 直下式背光足把光源设置在背光底部，如专利u s 7 1 9 5 3 6 4 中提到的背光就属丁直下式背 光，光源按照一定的规m 0 排布在7 光的底部。 萄： 暌片群” 反光争。光板反射点 目2 3 侧边式背光结构图斟2 4侧边式背光剖面图 例边式背光的结构可以概括为为如圈23 所示的结构图，其削面圈如蚓24 所示。 侧边式背光是把光源设置在部件侧边光源发出的光射向导光板，经导光扳导光后将光 线均匀的射向扩散片，经桂镜片、偏光增亮片等光学功能膜片后射出出光面。光线再由出光 面射向液品而扳给而板提供所需的光源。 导光板是底部涂有密度不同的散射点的透明材料，通过控制散射点的面积及密度可以控 制出射光的多寡，从而调节整个出光面的出光均匀性。 扩散片、棱镜片、偏光增亮片等光学膜片都是一层很薄的膜片，因此，侧边式背光可以 逋过把导光扳作的 鲢薄，以实现背光源的薄型化，如专利u s 7 1 8 6 0 1 3 就是一种通过导光板的 特殊设计实现背光薄型化的方法。 另一方面，由下光源只能设置在侧边很小的牢问内，固此可设置光溉的数量受到限制， h 难实现高亮度和面积大型化，且光线经耦台进入导光板时损失较凡”1 ，降低丁光能的利用 率。 东南大学删+ 位论文 u s 7 1 8 6 0 1 3 圉2 5m l 边式背光的背光薄型化专利 偈光增亮 棱镜片 扩散片 鼻 h 2f ；直f 式 光结构图 - 哺瓣蹲 海皤糍：偏光增亮j 姆踌强唰妇墨i 能蛔獬船_ 棱谴片 台台盆垒台垒盒叁垒：蛰：台台筌扩散片 。7 反射片 直下式背光的结构可以概括为如图2 6 所，下的结构幽其削面吲如目2 7 所示。直f c 背光将光源设置拒部件正r 方，光源发出的光可以直接射向扩散片经扩敞片、棱镜h 、偏 光增亮片等光学膜片直_ | 妾射出出光面，这样可以省上导光扳的使崩，减少光线的损火， 是 需要足够 的灯腔空问咀实现山光的均匀性。另一种情况u r 以和侧边式背光一样，在扩款 片的下方也设置导光板，光搏发出的光经导光扳将光线均匀后射向扩散片等光学膜片，然后 从出光面射出。这样可以对通过导光板的有效设计达到均匀光线的目的，从而减小灯腔空问 降低背光厚度，如专利u s 7 1 9 5 3 6 4 所述的结构。和侧边式背光的问题一样由于导光板透过 率偏低，光能损失人冈此会使背光敏率降低。 蔓霞囊) ，。：0 。，i0 二 l j s7 1 9 5 3 6 4 目28 直f 式背光的背光薄型化专利 第二章反射补偿型l e d 背光模组的方案研究与结构设计 直下式背光将光源设置在背光的底部，这样，光源放置空间就不受任何限制，因此轻松 实现高亮度及面积大型化。 ( 二) 光源现状 1 ) 按l e d 的发光颜色分可以分为单色l e d 和白色l e d 根据不同的使用需要，有多种不同颜色的单色l e d ，一般用于背光光源的目前基本仍然 选择r g b = 基色l e d 。三基色l e d 按不同的规则排列成l e d 矩阵，目前主要的排列规则有r g b 直 线排列，r g b 三角形排列，r g b g 直线排列等多种形式，如图2 - 9 所示。每种排列都是为了使单 色l e d 更好的混合成均匀无色彩偏离的的白光以提供给l c d 实现显示功能。 r g b 直线排列r g b 三角形排列 r g b g 直线排列 图2 - 9 不同的三基色排列方式 所以，由于l c d 显示的需要，r g b 单色l e d 用于l c d 背光，需要将r g b - _ 三基色充分混光，合 成白色，才可以满足显示的需要。目前的混光方式主要有两种：一种是在导光板中混光，如 图2 一1 0 所示，另一种则是直接在灯腔中混光，这样就需要有较大的灯腔空间，如图2 1 l 所示。 图2 - 1 0 导光板内混光图2 - 1 1 背光结构中混光 单色led 用于液晶显示器背光是当前l e d 背光的主流方式，因为用三基色led 管作 7 d d d 东南大学硕士学位论文 背光光源，由于单色l e d 管具有较高的色纯度，因而可使液晶显示器具有很好的颜色再现能 力，如当前的使用三基色led 背光的液晶显示器已能实现100 的a d o b er g b 和n t s c 色 度。但是三基色光要在背光结构通过多次反射与折射混合成白色光然后出射，这样便增加了 光的损耗，降低了光能利用率。 另一种情况，当液晶显示器不使用彩色滤色器，而采用场序液晶驱动时，则r g b 三色l e d 发出的光就不再需要混光过程了。场序方式是指把时间错开并依次打开r 、g 、b 三色l e d 背照 灯来显示色彩的方式n 们。它可以省去彩色滤色器的使用，从成本降低方面以及通过提高透过 率节省耗电量方面都前景看好。由于不需像普通液晶面板那样将1 个像素分割成3 个子像素， 因此易于提高精细度。另一个优点是由于能直接看见l e d 发光的光线，所以色彩表现性能更 高。但是由于采用时间混色方式，原来的一场被分为三个子场，所以扫描频率需增a n - 倍以 上，由于液晶固有的响应速度慢的缺点，所以人眼会感觉到闪烁，长时间观看会使观察者产 生视疲劳。 白光l e d 用于l c d 背光，不存在混光的问题，可以直接象c c f l 那样用于背光结构中。但是， 白光l e d 不如单色l e d 色饱和度高，如果单纯追求高显示质量，则不宜选择白光l e d 。如果综 合考虑器件厚度，结构简单易行等因素，白光l e d 也是主要选择之一。 2 ) 按l e d 的功率及发光亮度可以分为大功率l e d 和小功率l e d 大功率l e d 亮度大，用于背光结构时耦合产生的损失较小，光利用率得到提高n 小啪。且 用大功率l e d 可减少灯管使用量，降低成本，但是大功率l e d 亮度集中，要转变为均匀的面亮 度输出，需要增加混光空间或者使用导光板进行导光转换，这会使背光结构增厚，并且导光 板的使用也会增加背光的成本及设计难度。此外，高功率管发热集中，管芯热量不易散去， 会造成l e d 的发光色坐标和发光强度随温度的升高而产生漂移，因此造成背光的亮度及色度 的不均匀。严重散热不利时，甚至容易烧毁芯片n 钔。小功率l e d 由于发光亮度低，现阶段多 被应用在小尺寸的背光上。小功率l e d 发光亮度低，达到相同的背光亮度所需的个数多，因 此，可以将l e d 分散分布在结构中，这样降低了亮度的集中程度，使得到均匀的面亮度输出 容易化。此外，小功率l e d 由于功率低，发热小，且l e d 的分散分布使热量同时分散分布，有 利于更好的散热。所以，将l e d 应用于中尺寸背光也是一种很好的选择。 3 ) 按l e d 的发光位置可分为项发光l e d 、侧发光l e d 及顶部和侧部都发光的l e d 按l e d 的发光位置可分为项发光l e d 、侧发光l e d 及项部和侧部都发光的l e d ，如图2 1 2 所示。从l e d 侧部发出的光射向背光腔体的四壁，经腔体四壁及底部多次反射后从出光面射 出，这样有利于光线的均匀出射。如图2 1 1 所示。从l e d 项部发出的光直接射向出光面，这 8 第二目舯 型l e d 背光模组的方案研究结相 柞存易导致l e d 正上方的瓦域完度 ，而波有fe 0 的耳域亮度小。所以人们想出很多办法使出 光均匀，如专利c n17 3 1 2 5 4 a ，祚i e dj rf j 方设置具有发光槽的导光扳，将反光博设置往导光 板的上表面并且该反光槽具有倒嘲锥形，在这样的结构中，来自l e d 龃盛向上传输的光经过 全内反射，进行充分反射并随后被重新利用，从而使背光源的光丹布的更加均匀，如图21 3 所示。 墨 蕊 b 顶发光ie dc 顶郎和侧部都发光l e d 翻21 2l e d 发光值铨 幽21 3l e d 顶部的匀光 2 2 设计方案研究 光源p 奉论文采用小功率顶茬光白色l e d 作为背光光源。小功率l e d 亮度可以分散分布在 背光结构中，容易达到亮度的均匀分布日小功率l e d 艘热晕小，热量均匀的分散在p c b 饭上， 容易被艘热扳 毅肄。 圈21 4 碗发光i ，e d 背光光路图 睡 东南尢学硕学位论立 顶发光a ，使光线直接传输至光学膜片从而减少r j 蕊过光在结构腔体中的多次反射与折 射从而达到匀光目的所造成的光能损耗，有效的提高了光的利用率( 图2 1 4 ) 。 白色l e d 可省去混光空间，使背光结构变薄。 结构选择上本论文采用直f 式背光结构，这样，有足够的空间社箭【e d ，容易达到高亮 度及人面积化。 本皓文通过在背光腔体的底面盐侧面设置具有特殊结构及性能的反光膜以提高背光模 组的亮度均匀性。该反光膜将扩散膜上反射的光线及l e d 射向侧面的光线重新优化利用，以 补偿l e d 背光出光口的亮度分布不均匀情况，这样既提高了背光的亮度分布均匀性，又没有 增加光能的损耗且有效的提高了光能的利用效率，本论文称之为反射补偿型l e d 背光结构。 下面一节将具体介绍本论文背光结构特点。 23 直下式l e d 背光结构 图21 5 是丰隆文所醴汁的直f 式l e d 什光的基本结构阁，图2 1 6 是该直r 式【f d ? 光的剖 面酗，如图所示，在背光结托j 中，l e d 发光源、反射片、打敖片、棱镜片、偏兜增亮片等都 是基丰的光学l 什，达剑发光，匀光等光学作川，灯腔、散热板、上f 层破璃、p c b t l 路扳 等邢是蛙本的鲇构部件，起支撑、敞热域f h 、光线并作川。f 而将分别对各自的作用及世训 特点作初步介纠。 霹 蚓2 一1 5 直f 式le d 背光源的基本结构目 偏光罐先片 m ：平棱镜片 - 垂直撞境片 扩散h i 芝2 ：基j 幽21 6 直下式l e d 背光源的9 0 面图 第二章反射补偿型l e d 背光模组的方案研究与结构设计 ( 一) 反射片 反射片又叫反光片，是安装在背光腔体底面及侧面实现对光线的反射功能的光学膜片， 反射片分为镜面反射型反射片和扩散反射型反射片两种( 图2 - 1 7 所示) ，本论文采用镜面反 射型反射片。 通过调节侧面反射片的安装位置，可以改变光线从出光口射出的位置，从而有效的改善 背光边缘偏暗的亮度分布缺陷。通过将背光底面反射片设计成具有特殊斜面结构的反光面， 可以改变反射光的传输方向，从而改变光线从出光口射出的位置，这样可以补偿背光亮度分 布的不均匀状况。所以反射片不仅能将经扩散片反射的光束及l e d 射向背光侧面的光束重新 反射回背光出光口以被利用，增加光能回收利用率，而且通过对反射片的设置位置及形状结 构的优化设计可以实现对反射光线的控制，补偿背光出光口的亮度暗区，从而还可以提高背 光的亮度均匀性能。具体的优化设计原理及模拟将在后一章节详细讨论。 镜面反射型反光片扩散反射型反光片 图2 - 1 7 反光片 反射片的性能参数主要包括：( 1 ) 反射率；( 2 ) 热缩率等。反射率是指反射光通量与入 射光通量的比值，它反映出反射片回收利用光线能力的优劣，当前反射片所标称的反射率一 般在6 0 5 9 5 之间。热缩率是指经热风高温到某一温度后，再回到室温后的收缩率，它反映 膜片的高低温性能。 ( 二) 扩散片 扩散片是通过对光线的扩散功能将透射的光线扩散成均匀的面光源以给液晶显示器提 供一个均匀的面光源。 扩散片是将一些微小的扩散粒子加入到具有高透光性的基材膜片中( 般用p e l i 或p c 基 材) ，如图2 - 1 8 所示。 图2 一1 9 示出扩散片对光线的扩散效果图，微小粒子分散在基材树脂层之间，所以光线在 l l 东南 学硬l 学位论文 经过扩散层时会不断的在两个折射率相异的介质中穿过，在此同时光线就会发生许多折射、 反射与散射的现盈，如此便造成了光学扩散的效果。 扩散片应主要考虑以下的基本性能参数：( 1 ) 全光线透过率：( 2 ) 耐紫外光性能：( 3 ) 雾度( i i a z e ) ；( 4 ) 抗刮、耐磨性：( 5 ) 耐候性( 高温、低温、高湿、老化) ：( 6 ) 增光效果。 扩散粒子 鹈圆魏影 - _ 基材 刚21 8 扩散， 的组成 ( 三) 棱镜片 棱镜片是利用类似三棱镜的原理， 内，以增加光的利用率， 霞 图21 9 扩敞片扩散原理图 将原本散乱的光线集中至l e 视方向一定的衔度范丽 光从扩敞片射出后，其光的指向性特川差这样止视方向光的利用率非常低。园此必 颁使用棱镜片米修正光的方向。棱镜片借由对光的折射与反射米达到会聚光线，提高正面亮 度的日的，从而增加光线自扩散片射出后的使用效率，能使背光横组的整体亮度提高4 0 咀 上。 棱镜片的材料为多元脂( p o l y e s t e r ) 或聚碳酸脂( p o l y e s t e r ) ，其表面结构多为棱形 ( p r ls ms h e e l ，所以称为棱镜片) 。目前跨国公列3 m 为全球独家供应商，拥有多项相戈专利。 本论立采用两片3 m 公司的棱镜片，彼此方向相互垂卣将光线集中增加亮度。圈2 2 0 示出棱镜片的结构示意翻，图2 2 1 的光学示意凹可看出它的集光原理。 丫 图22 0 棱镜片的结构示意图 幽2 2 1 棱镜片的集光原理图 蚓22 2 为棱镜片的集光效果嘲，其中曲线h l 和h 2 为来瀑畦镜片时再角度的相对亮度 第= 幸反射补偿型l e d 背光碴m 的方案研究瓣构设* 值，曲线h 3 为添加棱镜片后备角腔的相对亮应值 圈2 2 2 棱镜片的集光效果图 丰论文采用棱形角度为9 0 度的棱镜片，有时也可以根据背光厚度及视角的不同要求而 选掸小同的桂彤角度。 ( 四) 偏光增亮片 杠现有的液品显示面板中，托显示原理决定它对背光发山的自然光，将过滤掉s 光即平 行光而倪允许咣即垂直光通过，并利川这单一的偏振光来照叫液品显不面板以选到显示信 息的u 的。 在液品显示面板设计中会址光线进入液晶面板前先经过一偏光片，此偏光片会吸收掉 某一偏光打向的能鲑，此，背光模组产生的非偏振光庄通过搏一片偏振片时，有半咀上 的能培会被吸收掉，使得光的使川效率变等。 为丁解班这个问题本设计将采川偏光增亮以提高光的利用率降低液晶显示器的耗 电屠。 偏光增亮片，也叫偏光转换片，它的作用是使光线作偏振志的转换。其原理是利用反射 片将u i 通过与不可通过液晶显示面板的第屡偏光片的光分离，然后利用反射片将反射同米 的光转换成可通过的偏光，达到提高亮度的目的( 幽22 3 ) 。 疆票 秉用觥转换r 背光显 黔争耪偏光片7 盛l 钮 二， 3 嘲2 2 ：j 偏光增亮h 的作用 东南大学碘l 学位论女 利用偏光增亮片米提高亮度，跟使用棱镜片的方法比起来，除了正面亮度得到提升外， 大视角方向的亮度也同时得到提升，此为偏光增亮片的另一个优点。偏光增亮片能将液晶屏 的亮度提商3 0 以p 。 ( 血) 发光极管 发光一极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ；l e d ) 是半导体材料制成的组件”“，是种| 占| 志光 游，u r 将电能转换为光，其发光原理是在顺偏之二极管口n 接台面处，自由电子与空穴发 生复合作用( r e c o m b i n a t i o n ) ，阿自由电子由能量较高的导带掉到能最较低的价特时，释放 山能量而发出可见光、红外光和紫外光的半导体发光器件，其发光原理如翻22 4 所示。 ! = ；= 厂。 严 a ) 平衢d n 结 4 罟十 一1 = 二i 一“ 善乒守f 空a 谁 b ) 正偏压注入发光 h 2 2 4 笈光般管的裴光腺霉 u 前，实川化的化台物半导体发光材料是以i v 族元素的材料为主要的发光材料。 由丁化合物半导体外延成艮洼术和发光器件制造上艺技术的急迪拉展，使艘光二极管的 光电转换教率不断增高，发光范围遍及红色到蓝色的可见光，甚至可以发出红外光和紫外光。 各种不同村质的发光二极管的发光范围如尉2 2 5 所不，具体的发光波k 见表2 1 所示。 n 色l e d 足将黄色钇锅石榴石荧光粉( y a g 添加c e 的钇、铝 】榴石) 和高亮度的i n g 洲 蓝色l e d 组合在一起而成的。 “圈酸潞幽圈函掣“眦 鞭l l 朝一l 图22 5l e d 材质与发光范1 嗣嘲 第二章反射补偿型l e d 背光模组的方案研究与结构设计 囊礁蟪馕竣蕊柚， 麓子效率摄感箍壤l t # k t w磁色 i n g i n4 硒3 j 3 6 接 s i c4 7 0o 。o 。0 4 蓝 猁s 4 5 9i j l ，7 蓝 蕊 g 烈幸9 0舷to mj i 五m 瓢s l z姐 l 绿 h g 妒5 1 4始z 0 绿 g 心 5 钉瓴l 0 - 6 绿 a i l - o p 5 7 囊l 。o细黄绿 a l 抽0 啼s l i6 0 拍 黄 橙a 强j p锄柚 2 0 a l t ? a t 觚终l 曲 红 g 坩铷略啦氛i s红 表2 - 1 不同材质l e d 的发光波长 自从开发成功以来，白色l e d 的发光效率不断的提高。从开发初期的5 1 m w ，至i j l 9 9 9 年达 到相当于白炽灯的光效1 5i m w ，后来又提高到相当于卤钨灯的光效2 51 m w ，现在光效可达 n s o - 7 0i m w 。 l e d 是背光模组发光源，它的发光强度及发光光谱等光学性能决定t l e d 背光的亮度及色 坐标等光电指标。l e d 光源的位置分布决定着背光模组的亮度均匀性能指标。因此l e d 的发光 强度及发光光谱等性能参数是背光设计时进行l e d 选择的重要依据。而l e d 光源的位置分布则 是进行背光光学设计的主要内容，位置分布的优劣决定着背光亮度均匀性的好坏。本论文的 l e d 光源位置分布的优化设计与模拟在下一章详述。 ( 六) 灯腔 灯腔是组成背光腔体的主要结构之一，它的作用是支撑背光出光口的光学功能膜片及背 光侧面的反射片，且避免光线从腔体侧面外漏，使光线最大限度的从出光口出射。 ( 七) 上下层玻璃 本论文所采用的光学功能膜片都是很薄的一层硬度很小的膜片，若将其直接安装在灯 腔上开口面，由于灯腔是中空的开口结构，中心没有支撑光学功能膜片的实体，则因为自重 会产生膜片的形变，造成液晶显示图像的扭曲，因此本论文采用两层光玻璃将光学膜片夹在 其中，这样可以有效的阻止光学膜片的形变。 l s 东南大学硕士学位论文 ( 八) 散热板及p c b 电路板 p c b 电路板是用以支撑l e d 并给l e d 提供所需电压及电流的部件。散热板是支撑p c b 板并协 助其有效散热的部件。本论文采用金属材料以利于散热。 2 4 小结 本章在对l e d 背光现有技术搜集整理的基础上，详细分析了各种结构与方案的优点与劣 势，在此基础上给出了本论文的方案选择，并详细介绍了所设计方案的基本结构及各部件的 功能，它们是实现优良的背光性能的基础，下面章节将具体讨论实现一定性能指标的研究与 设计。 1 6 第三章背光模组亮度分布优化设计 第三章背光模组亮度分布优化设计 3 1 光度学基础 3 1 1 光通量与发光强度 在光度学中“町，光通量西是指能够被入的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大 小的度量，单位是l m ( 流明) 。 一般来讲，对于光源是说光源发出的光通量是多少；对于接受面是说它接受到的光通量 是多少；对于一束光是说这柬光传播的光通量是多少。 光源向各个方向所发出的光通量一般是不一样的，于是定义了发光强度来描述光源在某 一指定方向上发出光通量的多少。某一方向的发光强度定义为在此指定方向上的一个小立体 角元内所包含的光通量与这个小立体角元的比值，公式表示为： 一d 1 = 一 d q ( 3 1 ) 式中：j 为发光强度，艘为立体角元，揶为这个立体角元所包含的光通量。发光强 度的单位是c d ( 坎德拉) 。 由上式可见，发光强度，描述了光源在某一方向上发光的强弱，它考虑了光源发光的方 向性，发光强度与光通量的另一个关系式为： = l 尉n ( 3 2 ) l 3 1 2 照度 ( 一) 照度 当一定数量的光通量照射到一个接收面时，照度被用来描述接收面被照明程度的大小。 照度定义为受照射面单位面积上接受的光通量，公式表示为： 。揶 丘= 一 以 ( 3 3 ) 照度的单位为1 x ，当l l m 的光通量均匀地照射到1 m 2 的照射面上时，这个面上的照度就 是l l x ，即l l x = l l m m z 。 ( 二) 照度的距离平方反比定律 图3 一l 立体角元与面元的关系 1 7 东南大学硕士学位论文 由图3 - 1 所示，从点p 向垂直面元谢所张开的立体角元为加，则 搋= 幽尺2 ( 3 4 ) 代入( 3 1 ) 得。 ，= 纂一等= r 2 塑d a i ，= = ，f一 动q剃 r 2 将( 3 5 ) 代入( 3 3 ) 得： e ：吾 r 2 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 这就是照度的距离平方反比定律。它表明一个点光源在距离它月处的平面上产生的照 度，与光源在该光线投射方向的发光强度成正比，与距离平方成反比。此处被照射的平面需 垂直于光线投射方向，若被照射面与光线投射方向夹角成护角，则距离平方反比定律写为： e ：吾c o s 9 r ( 3 7 ) 所以，以相同发光强度的光源照射同一距离的平面，斜入射时得到的照度是正入射时的 c o s 0 倍。 3 1 3 亮度 ( 一) 亮度 亮度l 定义为单位面积上的发光强度，公式表示为： 三：堕 d a ( 3 8 ) 亮度的单位为c d m 2 ( 坎德拉每平方米) ，有时也称之为n i t ( 尼特) 。 上式中的面积指一个面在观察方向的投影面积，若这个面与观察方向所成角为口，则亮 度公式改为： 三： 塑 d a c o s 6 ( 3 9 ) 这是亮度更通用的表达式，即亮度是指发光面在某一方向单位面积单位立体角内的光通 1 8 一目一s竺淼 l l 或 三 第三章背光模组亮度分布优化设计 量。所以，亮度不仅可以描述一个发光面，还可以描述光路中任意一个截面。如描述一束光， 光束的亮度等于这个光束所包含的光通量除以这束光的截面积和它的立体角。 ( 二) 朗伯光源 如果一个面积为a 的均匀发光面，在某一方向上的亮度为三( 口) ，由上式( 3 9 ) 知它在 该方向上的发光强度，( t 为： ，( d = l ( o ) a c o s 8 ( 3 11 ) 式中矽为发光面与所指定方向的夹角，称为方向角。 若面光源的亮度在各个方向上都相等，即l ( 口) = 虏常数，则( 3 1 1 ) 式变为： ，( p ) = l ( o ) a c o s 0 ( 3 12 ) 令i ( 0 ) 为这个面光源法线方向的发光强度，则4 l = ，( o ) ，所以( 3 1 2 ) 式变为： ，( d = i ( 0 ) c o s o ( 3 13 ) 上式表明，一个亮度在各个方向都相等的发光面，在某个方向上的发光强