LCD背光源设计电子版本

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LCD背光源设计LCD背光源设计摘要LCD和我们的日常生活的联系越来越紧密。众所周知，液晶自身是不能发光的，它需要借助背光源才能达到显示的功能。高精细LCD，必须有高性能的背光技术与之配合。因此设计一个高亮度、大视角并且稳定、均匀出光的背光源非常重要。在产品开发初期，用实物搭建会造成不必要的浪费。目前的工程设计大多先采用模拟设计的方式建立模型。TracePro是一套能进行常规光学分析、设计照明系统、分析辐射度和亮度的软件。它是一个结合真实固体模型、强大光学分析功能、信息转换能力强及易上手的使用界面的仿真

2、软件，它可以将真实立体模型及光学分析紧紧结合起来。本论文主要介绍背光源组成结构，并基于TracePro软件模拟设计直下式背光源，并分析该设计的合理性。关键词：LCD；背光源；CCFL；TraceProDesignofLCDBacklightingUnitAbstractWithLCDdisplayandourdailylifearemoreandmoreclose.Asisknowntoall,LCDitselfisnotshine,itneedssomebacklightcanachievedisplayfunction.HighfineLCD,musthavehightechnologya

3、ndthecoordination.BacklightingTherefore,alargedesign,highbrightness,uniformandstableAnglefromlightbacklightisveryimportant.Earlyintheproductdevelopment,withrealstructureswillcauseunnecessarywaste.Atfirsttheengineeringdesignaredesignedbysimulationmodel.TraceProisasetofconventionalopticalanalysis,cand

4、esign,lightingsystemandbrightnessofradiation.Itisacombinationofrealsolidmodel,strongopticalanalysisfunction,convertinginformationabilityandaccessibleusingthesimulationsoftwareinterface,whichcanberealthree-dimensionalmodelsandopticalanalysiscombinedtightly.Thisarticlemainlyintroducesstructure,andtheb

5、acklightTraceProsoftwaresimulationdesignbasedonstraightdowntypeilluminant,andanalyzesthebacktherationalityofthedesign.KeyWords:LCD：BacklightingUnit；CCFL；TracePro目录TOCo1-2hzuHYPERLINKl_Toc2632593501绪论PAGEREF_Toc263259350h1HYPERLINKl_Toc2632593511.1引言PAGEREF_Toc263259351h1HYPERLINKl_Toc2632593521.2国内外

6、研究现状及发展趋势PAGEREF_Toc263259352h1HYPERLINKl_Toc2632593531.3本论文的背景及目的PAGEREF_Toc263259353h4HYPERLINKl_Toc2632593542CCFL背光源研究PAGEREF_Toc263259354h5HYPERLINKl_Toc2632593552.1引言PAGEREF_Toc263259355h5HYPERLINKl_Toc2632593562.2BLU的元器件介绍PAGEREF_Toc263259356h5HYPERLINKl_Toc2632593572.3小结PAGEREF_Toc263259357h1

7、2HYPERLINKl_Toc2632593583光源设计软件TracePro简介PAGEREF_Toc263259358h13HYPERLINKl_Toc2632593593.1TracePro简介PAGEREF_Toc263259359h13HYPERLINKl_Toc2632593603.2TracePro操作流程PAGEREF_Toc263259360h14HYPERLINKl_Toc2632593614基于TracePro软件的LCD背光源模拟设计PAGEREF_Toc263259361h28HYPERLINKl_Toc2632593624.1背光模组整体尺寸的确定PAGEREF_T

8、oc263259362h28HYPERLINKl_Toc2632593634.2CCFL及反射背板的模拟设计PAGEREF_Toc263259363h28HYPERLINKl_Toc2632593644.3扩散板和扩散片的应用PAGEREF_Toc263259364h32HYPERLINKl_Toc2632593654.4棱镜片的设计与应用PAGEREF_Toc263259365h34HYPERLINKl_Toc2632593664.5设计小结PAGEREF_Toc263259366h35HYPERLINKl_Toc2632593675总结PAGEREF_Toc263259367h36HYPE

9、RLINKl_Toc263259368致谢PAGEREF_Toc263259368h38HYPERLINKl_Toc263259369参考文献PAGEREF_Toc263259369h391绪论1.1引言LCD（LiquidCrystalDisplay），中文是液态晶体显示器，简称为液晶显示器。早在19世纪末，奥地利植物学家就发现了液晶，即液态的晶体，也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性1。到20世纪60年代，人们发现给液晶充电会改变它的分子排列，继而造成光线的扭曲或折射。这种在电场的作用下，液晶分子的排列会产生变化，从而影响到它的光学性质，这种现象叫做液晶的电光效应

10、。人们也因此引发了发明液晶显示设备的念头。世界上第一台液晶显示设备出现在20世纪70年代初，被称之为扭曲向列液晶显示器TN-LCD（TwistedNematic-LiquidCrystalDisplay）。尽管是单色显示，它仍被推广到了电子表、计算器等领域。近年来液晶显示器发展迅速，与传统的阴极射线管CRT（CathodeRayTube）显示器相比，LCD不但体积小，厚度薄，重量轻、耗能少、工作电压低并能直接与互补金属氧化物半导体CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）集成电路匹配。由于优点众多，LCD从1998年开始进入台式机应用领域。逐步取代笨重

11、的CRT显示器，目前已成为主流的显示设备。众所周知，由于液晶分子不能自己发光，所以，液晶显示器需要靠外界光源辅助发光。背光源作为液晶显示器最重要的内部组件之一，其技术的进步一直是支撑整个液晶显示产业迅速发展的重要动力。近年来，随着更多光源技术的出现，这一领域呈现出众多的新特点新规律，众厂商也先后推出多种采用新型背光源技术的液晶产品2。背光源的发展可以追朔到二战时期，当时用超小型钨丝灯作为飞机仪表的背光源，这是背光源发展的初始阶段。进入60年代，出现了粉末电致发光的背光源，80年代研制出半导体发光二极管背光源LED-BLU(LightEmittingDiode-BacklightingUnit)

12、。之后，随着液晶显示器等非自主发光器件的发展，需要大尺寸、长寿命的背光源模组提供光，冷阴极荧光灯背光源CCFL-BLU（ColdCathodeFluorescentLamp-BacklightingUnit）应运而生。目前在LCD背光源中广泛运用的光源为CCFL和LED。TV(Television)、笔记本电脑、手机、便携式数字多功能光盘DVD(DigitalVersatileDisc)播放器、数码相机、摄像机和个人数码助理PDA(PersonalDigitalAssistant)是推动LCD背光源需求的主要动力，同时，这类产品在汽车导航系统中的应用正在增长。在大、中尺寸的LCD显示屏应用中，

13、LED和CCFL背光一直在相互竞争。目前看来，大尺寸LCD厂商多采用CCFL背光，小尺寸显示屏则主要使用LED背光。1.2国内外研究现状及发展趋势2LCD是目前平板显示领域中成熟度最高、发展最快、应用面最广、市场价值最大的一项技术，涉及半导体、光学、微电子、化学材料、精密机械等众多高科技领域。其制造产业，历经20年的快速发展，目前已成为一个规模庞大的新兴高科技产业。目前可达到300-400cd/m2的亮度和17ms的响应速度；尺寸跨度从0.5寸的手表用液晶芯片至到65寸的液晶电视；分辨率从早期的VGA(640 x480)发展到现在的QUXGA(32002400)。到2010年，LCD面板繁荣再

14、现，产值增长18.7%，达764亿美金，特别是HYPERLINK/TECHTERM/ART/LCD+TV.HTMLCD-TV持续发烧，年增长20%，挑战1.5亿台。目前产业基地主要集中于日本、韩国和我国的台湾地区。1.2.1国外研究现状345日本是世界上LCD产业最发达的国家，也是全球最大的液晶显示器模块生产基地之一。全球十大LCD厂家日本占其七，其中SHARP公司占据了全球LCD市场相当可观的份额。2000年，日本TFT-LCD的产值已超过110亿美元，大多数著名的制造商在邻近的国家和地区都设有海外工厂。日立等六大日本电子厂家联合出资设立了“液晶高端技术开发中心”，其工作目标有两个：一是开发

15、节能型生产技术，减少装置的制造工序，力争将制造过程中的电力消耗减少50；二是开发超薄和耗电少的液晶显示装置。在制造液晶显示装置方面，日本占有一定优势目前日本在LCD的技术和产业化规模方面总体上居世界领先地位，索尼、三洋和爱普生公司都已生产出分辨率达到1366768或者1280720的LCD前投影机，索尼、Zenith和松下公司也都生产出5060英寸的LCD背投电视。但由于韩国的生产成本低廉，日本产品的国际竞争力近年来相对地削弱了，迫使他们不得不调整产业政策，转向中小面板领域发展。日本厂家设立新的研发机构，目的就在于组成联合阵线，以新的技术和产品夺回失去的国际市场份额。韩国LCD生产企业以三星、

16、LG和现代为代表的发展极其迅速，拥有自主的知识产权已成为韩国厂商核心竞争优势的一个重要组成部分。其发展战略是建立国际上最高水平的液晶显示器产业，不惜巨资引进先迸的设备和技术，力图在短时期内建立先进的产业基地。为打破日本的垄断，他们从1997年开始相继投入20多亿美元，兴建TFT-LCD工厂，并且年增长率高达1386，2000年产值已超过58亿美元。在大尺寸LCD方面，LG、Philips和三星仅2000年就投入20亿美元建第五代生产线。据市场调查机构DisplaySearch表示，三星电子和LG电子2009年第三季度在全球液晶电视市场上的合计占有率为33.4%，大幅领先占有率仅为17.4%的日

17、本企业（索尼、夏普）。日本企业原地踏步的同时，韩国企业的占有率比第二季度增加了2.8个百分点。美国曾经是LCD技术的发源地，但是目前其LCD产业谈不上规模，无法与日韩相比。其他欧洲国家LCD的产业规模也不大。这并不是欧美国家缺乏资金和技术，而是他们认为自己做LCD模块不如买日韩的成品划算。在背光源系统开发方面，美国的3M公司(MinnesotaMiningandManufacturingCorporation)发展卓著，它是世界著名的产品多元化跨国企业。其利用创新的显示增强薄膜技术开发的光学增亮膜系列产品，满足了手持产品彩色显示屏的增光需求。在显示屏的背光源中采用新技术，包括微复制棱镜薄膜、多

18、层反射型偏光片、精密涂布和各种薪型材料，显著增强了背光照明的亮度，提高了显示均匀性。1.2.2国内研究现状6在我国，台湾省的LCD产业发展最快，它也是全球液晶显示器的重要生产基地。当地的液晶显示器公司和它们的海外生产线现已几乎占全球液晶显示器模块营业额的30。2000年台湾的LCD总产值已超过27亿美元，排名世界第三。2009年中小尺寸薄膜场效应晶体管液晶电视TFT-LCD（ThinFilmTransistor-LiquidCrystalDisplay）出货量季增长率达40.5%，创2007年第3季以来新高，总出货量更创史上新高6。其主要液晶显示器厂商有元太、联友、瀚宇、达基、奇美、广辉、统宝

19、、中华映管及南亚等。主要海外市场为美国、欧洲和东南亚。台湾的崛起，除利用了市场机遇外，政府的大力扶持、相对完备的电子产业体系以及先进的半导体制造能力等因素都不可忽视。我国大陆的液晶显示器产业在时间上基本与世界保持同步，时滞不是很明显。通过政府的产业政策引进生产线和投资，我国的液晶显示业已经形成，但发展根基不够牢靠，其中的深圳天马、无锡夏普、广电电子、上海海晶、鞍山三特、汕头超声、吉林紫晶、京东方等是我国处于领先优势的液晶企业。2004年以来，我国的LCD出口保持持续快速地增长。目前为世界最大的LCD生产国。现阶段我国的LCD显示产业处于一个机遇与挑战并存的关键时期，作为全球最大的消费类电子市场

20、，处于尽可能的接近客户及降低成本的考虑，整个面板制造产业尤其是低端的PC类面板向大陆转移的趋势不会改变。如何以国际产业结构调整为契机，在未来发展空间已完全打开的局面下，打造以自主知识产权为基础的核心竞争力，摸索出一条适合自身的产业发展壮大的可行之路，是目前我国大陆厂商需要理性思考的问题。我国LCD背光组件的生产厂家主要集中在广东，很多塑胶厂想进入这个行业，但成功的并不多。最大原因在于他们不具备高精细加工技术与设备和开发设计人才。就拿导光板而言，目前该产品基本由日本和韩国所垄断，国内的日资背光源企业导光板均100来自日本国内，国内基本还没有厂家生产导光板和日本背光源企业直接配合。福建上润光电技术

21、有限公司有着深厚的钟表、仪表产品的精密加工基础，其具有高精密细加工设备及技术人才基础。上润着力开发彩屏液晶用背光模组的设计、加工与装配工艺，其开发的双面V槽导光板设计与加工技术已拥有自主知识产权7。1.2.3发展趋势8高亮度一般液晶显示器的背光模组大都是采端面照光的方式，由导光板、扩散膜、反射膜及冷阴极管等所构成的。笔记本用显示器特性上要求轻薄、低耗电，但对视角要求并不十分严格。上述背光模组由于扩散膜的作用，出射指向性非常差，对大部分时候只需从正面看的小型液晶而言，光的使用效率并不高。因此，如果在扩散膜上加上具有聚光作用的棱镜膜，则可增加出射光的方向性，达到提高币面亮度的目的。一体化对背光模组

22、制造商而言，降低成本的方法不外乎将模组构造简化，采用所谓一体化的设计，比如将扩散膜、棱镜膜等的功能整合到导光板之中。尺寸多元化及轻便化随着国际IT行业迅速发展，使得相关LCD行业不断推陈出新，LCD产品尺寸朝多元化和轻便化方高发展，背光源作为LCD产品的核心组件之一势必配合此发展趋势，致力于产品的多元化和轻便化。1998-2007年的全球背光模组应用分布，如图1-1所示。图1-11998-2007年的全球背光模组应用分布状况图1.3本论文的背景及目的本文作者已签约宁波奇美电子有限公司，该公司是专业生产TFTLCD（ThinFilmTransistorLiquidCrystalDisplay薄膜

23、液晶显示屏）的后段模块（LCM），本人毕业后主要从事背光模组的设计工作。本选题紧密结合今后的工作，所以是非常有实际意义的。在毕业设计期间，本人又在宁波奇美电子有限公司参加了两个月的实习，因而获得了背光源生产的实际知识，对完成毕业设计和本文的撰写有极大的帮助。本论文要完成的任务是：（1）LCD背光源相关知识介绍；（2）光源设计软件TracePro简介；（3）基于TracePro软件的直下式背光源模拟设计；（4）全文总结。2CCFL背光源研究2.1引言作为背光源模块的光源，LED因为有着一些CCFL无法达到的优点，所以其市场潜在着无限商机。但考虑到成本问题，目前无法降低到普通用户能接受的水平。所以

24、CCFL在中低档产品中还在广泛地运用。以下的介绍和设计都是基于CCFL的。目前在LCD面板中常用的BLU，按光源设置位置来分，可分为侧光式和直下式。直下式BLU一般用在大型TV上，从下到上的结构依次是金属背板、反射片、CCFL灯管组、扩散板、下扩散片、上扩散片、增亮膜。上扩散片与增量膜的位子不固定6。图2-1直下式背光源结构图侧光式一般用在Notebook、Moniter、小型TV上。从下到上的结构依次是：金属背框、反光片、CCFL灯管、导光板、下扩散片、增光片（Notebook：水平方向及垂直方向各一张，Monitor和TV：单张水平）、上扩散片。图2-2双灯管侧光式背光源结构图2.2BLU

25、的元器件介绍2.2.1CCFLCCFL灯管内部含有稀有气体Ar或Ar+Ne,还有少量的Hg蒸气，灯内压强通常在220kPa之间。当灯管于电极两端加上足够高的电压后，将会产生气体放电，导致形成电离和激发的分子。被激起的分子，当它回到基态时就会产生紫外线辐射(主要波长为253.7nm与185nm)，并被释放出来。荧光体因吸收这个波长的紫外线，将紫外线的能量变换为可视光线而造成发光9。图2-3是CCFL的结构原理图。图2-3CCFL的结构原理图CCFL的制作流程如下。玻璃管裁切玻管洗净、干燥玻璃内部废气清除玻管端面烧钝荧光体涂布烧成涂布玻管选别荧光体剥除电极固定电极封止置放活性金属块排气封合活性金属

26、析出封止切断活性金属扩散点灯选别特性检查点灯检查入库出货。2.2.2反射片（Reflectorfilm）反射板功能是将未被散射的光源反射再进入光传导区内，其本身对光源亦稍微有散射的效应；在侧光式大型的背光模块，为降低灯管入光处的辉线效应，常在反射板对应灯管入光处做消光设计，得到较佳的外观效果及均一性。图2-4是反射片的工作原理图。图2-4反射片的工作原理图常用的反射片由PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)和TiO2(二氧化钛)组成7，一般的加工结构如图2-5所示。图2-5反射片的加工结构图图中E60L：发泡性PET+TiO2，为Toray专利，ALorWhitecoating:高反射层,于里面增加反

27、射层以防止光源由底层射出、使反射效率提高。2.2.3导光板LGP（LightGuidePlate）导光板在背光内将点光源或线光源转换成面光源，它运用了折射、透射与全反射的原理。利用全反射原理将靠近LGP一端的光线传送到另一端。当光线射到导光点时，光线被打散，不满足全反射条件的光线折射出LGP。部分从LGP反面射出的光线通过反射片的作用反射回导光板。图2-6是导光板结构原理图。图2-6导光板结构原理图常见的导光板外形上分为平板状和楔形状，分别如图2-7所示。平板状导光板用在双灯管背光源中，两根灯管放在导光板两端，所以其背面网点是中间大两端小。楔形状导光板用在单灯管背光源中，灯管放在楔形板底部端，

28、靠近灯管的网点小，远离灯光的网点大，导光板网点分布图如图2-8所示。图2-7导光板截面图图2-8单灯管和双灯管导光板的背面网点分布图导光板材质的物理特性有如下几个方面的要求。高折射率；高全光透过率；高耐热变形温度；高表面硬度；低吸水率；低热膨胀率。导光板有印刷式和非印刷式两种形成方式10。印刷式的工艺流程如图2-9所示。图2-9印刷式制程图非印刷式工艺流程如图2-10所示。图2-10非印刷式制程图2.2.4扩散板（DiffuserPlate）1112扩散片的主要功能是将光线均匀化，避免产生LampMura（mura本来是一个日本字，是指显示器亮度不均匀,造成各种痕迹的现象）。支撑BLU的膜材料

29、。扩散板大多使用在直下式BLU上，主要应用于光源均匀扩散的产品中,具有耐热性、尺寸安定性、机械的强度、耐燃性等良好性能，并有高光线透过率，使光线通过它扩散效果达到最佳状态。图2-11扩散板原理图制造扩散板的材料常用的有PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，又称压克力)系对色度、黄化之影响较小，但容易吸湿且薄板强度较差。PC(聚碳酸酯)系薄板强度及尺寸较稳定，但对色度、黄化之影响较大。GLASS(玻璃)系为目前最佳设计，但成本最高。2.2.5扩散片（DiffuserFilm）1112扩散片有以下几个方面的作用。扩散片将光源均匀化(将并列的灯源作均匀化呈现)遮蔽效果(遮蔽导光板印刷网点或灯管黑影)；增加辉度

30、(提高亮度)；光线整理(改变光源的行径路线)；改善视角(往往取决于上扩散片的功能)。扩散片将穿透过去的光源产生穿透折射及散射，以达到光均匀化处理的目的，如图2-12所示。图2-12扩散片的扩散原理图扩散片用在增光片下方时为下扩散片，下扩的主要功能是集光、遮蔽网点或线光源；用在增光片上方是为上扩散片，上扩的主要功能是高光穿透能力、保护增光片、改善视角、增加光源柔和性。扩散片的物理特性主要有以下几点。全光线透过率：光能量的传达率；平行光透过率：出射光的分布中央偏在率；扩散透过率：出射光的分布中央不偏在率；色变化：颜色的变化，色度坐标X、Y的变化；雾度：(扩散光量/全光线透过量)100%。图2-13

31、是雾度概念示意图。图2-13雾度概念示意图扩散片的制造工艺是以PET为基材，将PET材料注塑成型成薄片状，再在表面涂布高品质的树脂材料，使其具有良好的扩散和透射功能。主要厂商有Tsujiden、Keiwa、Kimoto、SKC、宣茂、惠和等几大公司。图2-14是扩散片的结构图，从图中可以看出扩散片由光扩散面、PET树脂、密着防止层三部分组成。这三部分的作用分述如下。光扩散面：将光线打散，起到均匀化的作用。PET树脂：作为基材。密着防止层：防止静电吸附。图2-14扩散片的结构图2.2.6增亮膜13当背光模块所能提供的辉度不足时，则会在背光模块中放置增亮膜，常见的增亮膜包含有棱镜片BEF(Brig

32、htnessEnhancementFilm)、偏光反射片DBEF（DualBrightnessEnhancementFilm）等，现分述如下。BEF的工作原理如图2-15所示。利用棱镜，将来自扩散片的光集中产生聚光效果，以提高面板正面的光线辉度。一般都放在上下扩散片之间。棱镜膜由基层和棱镜层组成，两层的材料分别是PET和PMMA。图2-15BEF的原理图DBEF的工作原理如图2-16所示。DBEF是偏光反射片，将光线偏极化后，回收光线再利用，作为增加亮度之用。P光可以直接透过DBEF，但绝大部分S光会被DBEF反射回背光源，经过背光源各层材料后，S光被消偏振，成为全偏振光（P光S光）后重新出射

33、背光源，被循环加以利用。所以，DBEF是利用原先被传统吸收型偏光片吸收的50光线来增加亮度的，而且是全视角、全方位的增加。与棱镜膜的增亮方式相比，DBEF在增亮的同时，对视角没有影响，一般都放在扩散片上面。图2-16DBEF的工作原理图制造流程图如图2-17所示。图2-17增亮膜制造流程图典型产品如表2-1所示。表2-1光耀的产品表产品名称产品型号产品说明上合一棱镜片KL26series采用双涂设计，整合上扩散片与棱镜片功能雾化棱镜片KL58series棱镜波谷微结构设计，提供产品带有扩散，遮瑕之效果NormalBEFKL66series具有高低差棱镜设计，可避免Wet-out现象HighGa

34、inBEFKL77series高折射率UV胶配方，进而提高辉度增益效果零度裁切棱镜片KL88series不同棱镜高度，闲距设计，可改善棱镜结构与面板之干涉Moire现象2.3小结背光模块是液晶显示器中可或缺的组件之一，而组成模块的光学元器件的导光板、扩散板及各种膜材料是左右整体光源使用效高低的重要因素，所以如何获得导光板、扩散板及各种膜材料的最佳化结构设计，是所有相关人员努的方向。3光源设计软件TracePro简介14153.1TracePro简介16TracePro是美国LambdaResearchCo所开发的一套光学仿真软件，是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光学仿真

35、软件。与其它的光学设计软件相比，TracePro既具有真实立体模型的建模方法，又兼具强大的光学分析功能。尤为可贵的是，它是第一套以符合工业标准的ACIS(立体模型绘图软件)技术为核心的光学软件。到目前为止，LambdaResearchCo.已经推出TTracePro的四种版本，如下所述。Rc：只能模拟反射式照明系统；Lc：可以分析较少量组件数与光源数的发光及照明系统；Standard：标准配置，可分析大部分照明及光学系统；Expert：增加RepTile（鳞甲）功能，方便设计多且重复的物件(Object)，如菲涅耳透镜（FresnelLens）。其中，RepTile是TracePro的一个特别

36、算法，能定义数千甚至数百万表面的特性。此算法能很快的定义表面任一区域，从点、到棱镜、到Fresnel等结构，来漫射、反射或折射进入的光线。Reptile的独特性能在于当光线切入表面时，所计算的是“动态(oNthefly)”表面；而正因为所刨造的是动态的表面，所以RepTile的几何架构并不会存成CAD表面的形式。这样可以节省大量档案空间以及处理光线与数百万表面相切的时间。使得TracePro得以数分钟而非数天的时间来分析背光系统。TracePro具有广泛的应用领域能模拟所有的类型的显示系统、照明系统，从背光到前光、光管、光纤以及LCD投影系统，目前广泛应用于汽车照明系统（前头等、尾灯、内部及仪

37、表照明）、望远镜、照相机、红外线成像系统、导光管、投影显示系统、背光源系统等。设计一个照明系统，首要任务是建立一个实体模型，TracePro跟3D实体模型的兼容性非常的高，可以将AutoCAD、MechanicalDesktop、CADKEY等机械制图软件设计的模型直接导入，也可从非ACIS内核的光学设计程序（OSLO、ZEMAX、CodeV等）导入光学镜头。除此之外，你也可以自己创建一立体模型，TracePro自带的建模功能，可以建立块，柱，锥，球面和薄板，也允许你建立在光机一体机中常见的光学元件，如菲涅耳透镜（Fresnellens），反射体（reflector），灯管（tube）等。一些

38、非规则的复杂模型，可通过布尔运算建立，布尔运算包含：相交，相减，联合。通过Sweep（填充延伸）和Revolve（旋转）命令对可以模型进行修改。不仅如此，TracePro还具有强大的物件(Object)编辑功能，移动、选装、缩放、剪切、复制、粘贴、插入等操作都非常方便直观，操作风格与Windows基本相同。作为光学仿真软件，实际物体与仿真结果中的光线的分布与光强一致或基本相同，才有实际意义。TracePro用“普适光线追迹”技术来追迹光线，这种技术允许你引入光线到一个模型，而在物件和表面相交处并没有引起额外的损失。在每个交点，个体光线遵从吸收、反射、折射、衍射和散射定律。符合实际的光路走向，使

39、所设计的模型都能正确的分析出来。TracePro同时还具有强大的光学分析功能。分析菜单提供多种方法来显示光线追迹数据。DisplayingRays（显示光线）和RaySorting（选择光线），让你观察数据是否是你期待的结果。IrradianceMaps（光照分析图）、RayTables（入射光线表格）和PolarizationMaps（光偏正分析图）提供每一个表面的模拟结果。CandelaPlots（光强分布图）显示模型中光线数据的角度分配。VolumeFluxViewer（光通量）能够观察模型内部的流量分布。ReportsMenu（报告菜单）帮助你完成分析光线数据和模型的多种报告形式。To

40、ols(工具)菜单包括附加的功能来帮助你完成光线追迹结果。3.2TracePro操作流程3.2.1建立直下式背光源模型1617直下式背光源如前文介绍，由反射片、灯光组、扩散板、扩散片、增光片等组成，在本设计中，我先用TracePro模拟设计BLU的各个组成部分，再将各个部分搭建在一起。当然你也可以在同一文档中搭建BLU的元件，我采用分散设计，最终搭建的方法是为了方便进行后面的分析比较。打开TracePro，点击桌面TracePro快捷方式或使用开始程序TracePro。创建反射背板。从“插入”下拉菜单中，选择“插入基本几何体”命令。选择“薄板”模型，输入四点坐标（-442.8,229.075,

41、0）（-442.8,249.075,20）（-442.8，-249.075,20）（-442.8，-229.075,0）。点击“插入”，创建薄板1。图3-1创建薄板选择薄板的表面0，点击右键选择“填充延伸”选项。输入长度=885.6，角度=0；选择自定义拉伸方向（1,0,0）。所得结果如图所示。图3-2表面拉伸定义反射面板表面属性。选择薄板面0、1、3、4、5，点击右键选择“属性”项，在表面选项卡中，选择PerfectMirror，点击应用。图3-3设置表面属性将薄板1重命名为反射背板，这样反射背板就创建完成。创建灯管组从“插入”下拉菜单中，选择“插入基本几何体”命令。选择“圆柱/圆锥”模型，

42、选择圆柱选项，主半径=2，长度=880，底部位置（-442.8,225,4），底部转向（0,90,0），点击“插入”，创建圆柱1。图3-4插入圆柱新增灯管表面属性。选择圆柱1的表面0，点击右键选择“属性”项，在表面选项卡中，选择FluorWhie，点击应用。新增表面光源属性到灯管。在应用特性对话框中选择“表面光源”选项卡。选择光源形式为光通量，光通量=30流明，总光线数=1000，场角分布为Lambertian发光场型。点击“应用”，表面光源创建完成。图3-5创建表面光源将圆柱1重命名为CCFL，这样单灯管就创建完成。40寸TV的背光源用到16根CCFL，接下来创建灯管组。选择CCFL，点击右

43、键，选择“移动”选项，点击“相对移动”，输入中心位置（0，-30,0），点击复制。重复复制15次，16根灯管就创建完成，结果如图所示。图3-6运用位移复制功能创建灯管组创建扩散板从“插入”下拉菜单中，选择“插入基本几何体”命令选择“方块”模型，输入X=885.6，Y=498.15，Z=2，中心位置（0,0,21.1），点击插入，创建方块1。图3-7插入方块设置方块1的材料、表面属性。实际生产中扩散板所用的是散射材料，现在我们要模拟这一散射材料的属性。新增散射的表面属性。点击定义编辑材质表面材质，进入表面材质编辑器。图3-8进入表面材质编辑对话框的路径在表面材质编辑器中，点击新增特性，在弹出对话

44、框中输入表面特性名称：LambertianDiffuser,散射模型选择Abg函数，温度=300，波长=0.5，点击确定。图3-9编辑表面属性将吸收率改为0，在求解下拉菜单中选择BTDF（双向穿透式散射函数），BTDF是一种表面穿透式散射函数，其值受A、B、g三个系数来决定。设置完成后，点击保存即可，这样新增的这个表面属性就在TracePro的数据库中。图3-10编辑好的散射表面属性应用新增的散射表面属性，创建漫射体。选择方块1的表面1（方块1的内面），应用新增的散射表面属性。方法跟前面的设置表面属性的相同，这里不再重复。将方块1的材料属性设置为PlasticAcrylic，表面0的面属性为P

45、erfectTransmitter。将方块1重命名为扩散板，这样扩散板就创建完成。创建扩散片从“插入”下拉菜单中，选择“插入基本几何体”命令。选择“方块”模型，输入X=885.6，Y=498.15，Z=0.23，中心位置（0,0,22.315），点击插入，创建方块1。将方块1的表面0设置为PerfectTransmitter，表面1设置为LambertianDiffuser。将方块1重命名为下扩，这样下扩散片就创建完成。图3-11创建完成的下扩散片上扩散片的创建方法与下扩散片的创建方法类似。创建增光片18创建增光片要用到TracePro的Expert版本中的Reptile(鳞甲)功能。选择主菜

46、单中的点击定义编辑材质鳞甲材质，进入鳞甲材质编辑器。图3-12进入鳞甲材质编辑器的路径点击新增特性，鳞甲特性名称：BEF90-50,变化方式为常数，几何形状为Prism,砖格排法为Rectangle。点击确定。Y(0)和Y（1）角度都为45，X（0）和X（1）角度都为80。设置完成后，点击保存即可，这样新增的这个鳞甲属性就在TracePro的数据库中。图3-13鳞甲材质编辑对话框从“插入”下拉菜单中，选择“插入基本几何体”命令。选择“方块”模型，输入X=885.6，Y=498.15，Z=0.4，中心位置（0,0,22.73），点击插入，创建方块1。将方块1的表面0和表面1的面属性都设置为Per

47、fectTransmitter。将方块1的材料属性设置为PlasticAcrylic。在表面0上运用鳞甲功能。选择方块1的表面0，点击右键选择“属性”项，在鳞甲选项卡中，选择VikuitiBEF90-50，表面属性为PerfectTransmitter，边界范围为885*498，边界中心（0.，0,22.93），鳞甲原点（0.，0,22.93），鳞甲指上向量（0,1,0），边界指上向量（0,1,0），点击应用，这样鳞甲属性已经运用到方块1的表面0上。图3-14运用鳞甲材质属性图3-15运用鳞甲材质的表面的效果图将方块1重命名为lens，这样下增光片就创建完成。创建观察屏从“插入”下拉菜单中，选

48、择“插入基本几何体”命令。选择“方块”模型，输入X=885.6，Y=498.15，Z=1，中心位置（0,0,25），点击插入，创建方块1。将方块1的表面1的面属性都设置为PerfectAbsorber。将方块1重命名为观察屏，这样观察屏就创建完成。BLU元件组合在TracePro中新建一个文档，将反射背板、灯管组、扩散板、扩散片、增光片依次复制到新建的文档中，将该文档以“BLU模拟设计”为名保存。图3-16BLU模拟设计图到此为止整个背光源模型已经建立完成。3.3.2初始设定光线追迹选项设置在主菜单中选择分析光线追迹选项，进入光线追迹选项对话框。点击“选项”，在辐射单位的下拉菜单中选择光度学，

49、点击应用，也可以把这已选择设为默认值。图3-17光线追迹选项对话框点击“波长”，在种类下拉菜单中选择不连续波长，默认波长为0.5461um,我们插入另外两个波长，0.7um和0.4358um，根据RGB三色原理模拟白光，点击应用。图3-18光线追迹选项对话框点击“门槛数值”，在光通量门槛数中，设置0.005，点击应用。图3-19光线追迹选项对话框辐照度/光照度选项设置在主菜单中选择分析辐照度/光照度选项，进入辐照度/光照度选项对话框。在分析项目的下拉菜单中选择辐照度，在描绘光线的下拉菜单中选择吸收，勾选平滑化、梯度显示和剖面曲线，图示计数为20，分辨率为128*128，对称选无，图像颜色为黑底

50、彩色显示彩虹，法线向量为（0,0,1），指上向量为（0,1,0），点击应用。图3-20辐照度/光照度分析选项对话框CandelaPlots选项设置在主菜单中选择分析CandelaPlots选项，进入CandelaPlots选项对话框。点击“方位与光线”，法线向量为（0,0,1），指上向量为（0,1,0），光线选择：使用所选平面或初射平面的入射光线，对称选无，点击应用。图3-21坎德拉分析图对话框点击PolarIso-candela(极坐标式的烛光图)，勾选平滑度，值为25，角度间距为90度，勾选自动决定间，勾选数目，值为10，点击应用。点击Candela分布，勾选平滑度，值为25，水平方向角度

51、数目为4，勾选照明灯具格式，照明灯具绘图宽度为180，角度间距为90度，点击应用。3.3.3光线追迹TracePro允许您选择不同的模式来保存追迹中的光线。在分析菜单（Analysismenu）底部选择其中一种模式即可，可以是分析模式（AnalysisMode）或是模拟模式（SimulationMode）。这可以让您调和信息的利用量和内存的占用量之间的平衡。分析模式产生更多的光线数据，但同时也占用更多内存容量；而模拟模式产生更少的数据但占用更少的内存，如果选择模拟模式，在追迹前必须指定一个出射表面，以便在追迹完后可以看到照度图。由于我的计算机的虚拟内存不足，无法完成在分析模式下的16000条光

52、线的追迹，所以我采用模拟模式对本设计进行光路追迹。选择方式。在主菜单下选择分析仿真模式。图3-22选择仿真模式路径将观察面的表面1设置为光出射面。选择观察面的表面1，点击右键选择“属性”项，在应用特性对话框中，选择光出射面选项卡，勾选光出射面，点击应用。图3-23光出射面设置对话框光线追迹。在主菜单中选择分析开始光线追迹或点击。图3-24光线追迹进度对话框3.3.4分析光照图当要显示光照图时，必须选取一个表面，使得光照图有图表的数据。点击主菜单分析辐照度/光照度分析图或点击，显示光出射面的光照度图。图3-25BLU光照图光强图（CandelaPlots）点击主菜单分析CandelaPloteP

53、olarIso-candelaPlots(极坐标式的烛光图)或点击，显示极坐标式的烛光图。图3-26BLU极坐标式光强分布图4基于TracePro软件的LCD背光源模拟设计18194.1背光模组整体尺寸的确定本文模拟设计40寸的液晶电视的背光源。因为大尺寸显示屏对亮度的要求比较高，所以对于大尺寸显示器用背光源目前大多数产品还是沿用了CCFL-直下式背光源技术。40寸是指电视屏幕实际显示区域的对角线长度，即实际显示区域为885.6(H)mmx498.15(V)mm，1寸=2.54厘米。这里，模拟设计的背光源外形尺寸选定为885.6(H)mmx498.15(V)mm。图4-1为直下式背光源（BLU

54、）的结构图，表4-1为BLU元器件数据。图4-1直下式背光源(BLU)结构图表4-1BLU元器件数据表NOPartHeightorAngle1HousingBark1mm2ReflectorFilm0.2mm3DiffuserPlate2mm4DiffuserFilm(down)0.23mm5BEF0.4mm6DiffuserFilm(up)0.14mmB20mmC4mmD34.075mmE454.2CCFL及反射背板的模拟设计为了配合背光模组的长宽尺寸，我们设定CCFL的内径为2mm，有效发光长度为880mm，灯管表面光通量为100lm。模拟设计设置16根CCFL来满足40寸TV的高亮度要求

55、。图4-2是16跟并排的CCFL的3D图。图4-2CCFL灯光组3D图利用TracePro对灯管组进行光路追迹，图4-3是灯管组的光路图。本次模拟每根灯管的追迹光线为10000条，图中显示的是1%的光线。图4-3CCFL灯管组光路图为了更好地了解灯管的发光特性利用TracePro软件给出了灯管在水平和竖直两个方向上的配光曲线，如图4-4和图4-5所示。从曲线中不难看出，灯管组水平方向的最高发光强度为176.57cd,竖直方向的最高发光强度为平均发光强度199.67cd，且竖直方向发光区域较散。图4-4灯管组水平方向发光强度分布图图4-5灯管组竖直方向发光强度分布图由于灯管组是向整个空间发光，导

56、致由灯管组发出的很大一部分光线根本无法直接进入到扩散板中。要提高灯管组光线的利用率必须要为灯管组设置一个反射背板。外框选用AL（铝）、SECC（电解亚铅镀锌钢板）等材质，其内侧面反射面，在TracePro中面属性设置为PerfectMirror(镜面反射，零吸收，零散射)，当然这是理想化的设置，但对模拟设计的结果分析影响不大。图4-6为反射背板加灯管组的3D图。图4-6反射背板组合灯管组的3D图重新对这个组合进行光路分析，从图4-7，我们可以很直观地观察到反射背板对灯管组光线的有效收敛和集中。图4-7反射背板组合灯管组的光路图从TracePro给出的配光曲线图（图4-8和图4-9）上可以看到，

57、反射背板的的应用使灯管组水平方向最大的发光强度提高到295.54cd，竖直方向最大的发光强度提高到416.76cd。出光区域也得到了有效的收敛和集中。图4-8反射背板组合灯管组水平方向发光强度分布图图4-9反射背板组合灯管组水平方向发光强度分布图4.3扩散板和扩散片的应用扩散板材质是具有一定厚度和强度的散射材料，在第二章中介绍过扩散板其中一个作用是避免产生LampMura，图4-10是TracePro模拟下的LampMura现象。图4-10TracePro模拟下的LampMura现象图此次模拟以理想化亚克力材质扩散板为原型，其折射率为1.49，吸收率为0，透射率为了。将扩散板的内表面设置为散射

58、属性来模拟扩散板的扩散作用。将未加扩散板和加上扩散板的背光源光照图进行比较，可以明显地看出加上扩散板后，光线的均匀性更好，从而可以有效减轻LampMura现象。图4-11未加扩散板时出光面的照度图图4-12加扩散板后出光面的照度图扩散片除了使光线更加均匀化外，还可以提高亮度，上扩散片还有保护增光片的作用。图4-13是扩散片对光线的作用。图4-13扩散片对光线的作用图经过扩散片进一步改善后，背光源出光面更加均匀。水平发光强度最大值提高到502.47cd,竖直发光强度最大值提高到516.95cd,图4-14加扩散板和扩散片后出光面的照度图4.4棱镜片的设计与应用在设计棱镜片时，3M公司的BEF和D

59、BEF系列是当之无愧的首选产品。所不同的是应用BEF在一定范围内能使光线更加集中但光线利用率不会有提高，而应用DBEF不仅能集光还能在一定程度上提高光线利用率。在本设计中，上下两片棱镜片均采用了3M公司的BEF90/50棱镜片为原型建模并成90度交叉放置即CrossedBEFlI90/50这种设计对亮度的增益情况和视角效果见图4-15和图4-16。图4-15水平方向上棱镜片选用与发光强度关系曲线图图4-16竖直方向上棱镜片选用与发光强度关系曲线图4.5设计小结完成以上步骤直下式背光源模拟设计基本完成，据软件输出结果分析对照设计初的性能预期，对此次的模拟设计作出如下小结：（1）满足了低成本的设计

60、要求，减少设计初期不必要的实物浪费。（2）水平和竖直方向的视角均可达到45度，达到设计初的预期要求。但对TV而言对水平视角的要求会更高一些，一般要达到60度。（3）从出光面的光照度图可以评估所模拟背光源的发光均匀性较好，达到设计初的预期要求。（4）根据发光强度图可以看到经过下扩散片和棱镜片的作用，背光源的发光强度明显增大。总的来说，此次设计还是成功的，但因为大多数选取了理想化的数据，模拟的结果只能为定性分析背光源提供依据。5总结在液晶显示这个行业中，掌握了液晶面板的量产技术，就意味着将掌握显示行业的话语权。背光模块作为液晶面板的重要组成零件，提高它的量产技术就意味着推动了液晶面板的发展。但遗憾