LED用于LCD背光照明的方式-基础电子

精品文档-下载后可编辑LED用于LCD背光照明的方式-基础电子LED正成为中、小型彩色显示器背光照明应用的主流器件，LED的选择是决定显示子系统设计性价比的关键因素。此外，LED驱动IC能与较低成本的LED协同工作，通过多种方法提升现有LED的性能。除亮度控制外，这些驱动IC还能实现的亮度匹配，允许使用一系列具备不同UF特性的LED。LED用于LCD背光照明主要有以下三种方式。

①简单的方法就是把LED直接安装在LCD散射膜的后面。可用多个封装的LED模块，它具有非常宽的光束角，以使轴向光均匀性较好：也可以采用未封装的管芯，一般用GaP-LED，若采用AlCaInP-LED、IS-AlGaAs-LED则可在小电流下工作，减小功耗。

②采用边缘光LCD背光照明的方式，即用一个透明或半透明的矩形塑料块作为导光体，将其直接安装在LCD散射膜的后面，在塑料块的后表面涂上白色反光材料，使LED光从塑料块的一个侧边射入，其余侧边涂以白色反光材料。

③将LED发出的光导入光纤束中，光纤束在散射膜后面构成ˉ个平坦的薄片，可以用不同的方法将光从薄片中取出作为LCD的背光照明。

采用LED作为背光照明的液晶显示器可用于移动电话、笔记本电脑。随着LED应用领域的拓展，市场将对超高亮度LED有更高的需求，这也给LED带来了更大的商机。虽然现在市场上出现了0LED产品，它的随意性和超薄性优于LED，但其易损坏，使用寿命不如LED，在色彩方面也不够丰富，因此LED仍是LCD背光源的选择。

采用LED作为背光光源的技术，是未来有希望替代传统冷阴极荧光管的技术。目前已经投入工程应用的LED可以提供红、绿、蓝、青、橙、琥珀、白等颜色，色域也非常宽广，能够达到NTSC色域的105％，这为液晶电视的色彩提升提供了保障。

在液晶电视上使用的LED作为背光源可以是白色，也可以是红、绿、蓝三基色，在高端产品中也可以应用多色LED背光来进一步提高色彩表现力，如三菱电机使用的六原色LED背光光源的液晶显示器。采用LED背光的液晶电视厚度大约为5cm，比传统的液晶电视薄。

早期的LED背光源亮度比冷荧光灯管稍差，能够达到的对比度也仅仅在普通水平。但随着LED新品的不断研发成功并进入实用化，2022年LO-Philips展示了使用LED背光源的超高对比度47英寸液晶电视，这款样品将黑色的光通量降低到了0.051m，对比度高达10000：1，所以影像的暗部能够更暗，亮部能够更亮，对比度由此得到了提高，可以和的等离子电视的对比度媲美。随着LED背光源技术的不断创新，现在已经可以将整个屏幕的LED分成若干区域，根据显示的影像信号，可单独控制每个区域的发光量。

LED背光源的另外一个优点是寿命长，使用寿命可达100000h，如果按每天开机5h计算，一台采用LED背光源的液晶电视可以使用将近55年。目前制约LED背光源发展的问题主要是成本，由于价格比冷荧光灯管光源高出许多，LED背光源只能在高端液晶电视中出现。与液晶电视相比，等离子电视在屏幕尺寸、响应时间、色域及可视角度等方面具有独特的优势，但其在像素的精细程度、功耗和使用寿命等方面则处于劣势。

2．静态LCD背光源

通过提高光效，从而提高显示屏输出光与光源输出光的比例是改进LCD背光源的一个重要途径。静态LCD背光源便是其中的一种，其主要原理是使LCD的每个亚像素只通过与其相应的色元件进行照明，从而省去了滤色器，提高了光效。在具有静态背光源的LCD中，像素层下面装有一微透镜阵列，并且每一个像素下均对应一个微透镜。采用的背光源照明系统是三原色直视背光源，每种颜色的光源均在与之对应的亚像素上成像，并经由投影透镜投射在显示屏上。

为了在显示屏上取得足够的亮度，并且提高显示的均匀度，在LCD器件中采用了光折射元件与总内部反射器（TIR）楔形光导板，光导板内具有合适的折射层。静态照明背光源通常采用红、绿、蓝三只CCFL，而近研发的静态背光照明LED采用了LED作为其背光源。

在具有静态背光源的LCD器件中，由TIR楔形光导管输出的光分布角为70°～90°。使用这种背光源消除了因滤色层造成的光损失（省去了滤色层之故），而使器件的透射率达到了传统LCD的三倍。同时，这种背光源又能使器件的结构得到简化，并且能够降低功耗。

为了进一步减少背光源的光损失，应改进光的分布角度。消除因使用汞产生的环境污染问题，以LED取代CCFL作为背光源是静态照明LCD背光源的发展趋势。目前已在JJCm对角线的XGA级分辨率的LCD器件中成功地采用了LED背光源。

3．反馈型LED背光源

将红、绿、蓝色光的LED作为LCD背光源可以获得优异的色质，降低功耗，避免使用汞造成的环境污染，但这需要控制白光的色温，以取得足够长的寿命。近开发了一种以红、绿、蓝光LED为光源，并采用了色传感器与反馈控制器的反馈式LCD背光源。利用这种背光源，现已取得了小于0.02的色稳定性与持续的亮度稳定性，并且还可以任意控制LED的白色点与亮度。

反馈式LED背光源系统是由四个主要的功能模块组成的，它们是具有滤色层的传感器、反馈控制器、脉宽调制（PWM）LED驱动器，以及红、绿、蓝lux-eonTM型LED光源阵列元件。

反馈式LED背光源所使用的蓝光LED与绿光LED，以及红光LED都是大功率高效型的。这种背光源具有很低的动态电阻，以PWM恒定电流驱动，光源的光输出正比于PWM的脉宽。这种背光源还具有色域宽，色品度可调及环保的优点。

具有滤色层的传感器是由具有滤色层的三只装在一个元件中的光电二极管及其具有互相阻抗放大的印制电路板组成的。传感器的滤色层具有CIE193lXyzCMFs近似值。利用这种传感器，可以获取测量辐射功率的输出电压。在将所获取的电压反馈到控制器之前，该电压会被系统平均化反馈控制器由三部分组成，即色控制器、占空因数控制器与光强度控制器。色控制器具有一灵敏集成阵列，用于补偿来自传感器的输出误差，从而保持了输出色度的恒定。光强度控制器的为一敏感矩阵，该矩阵具有把传感器输出给LED电流占空因数转换的功能，并可使输出亮度与温度的关系及色度在任何时候都保持不变，这可以从测量中得到。

采用反馈型LED背光源，可使LED器件在25℃～70℃的温度范围中取得（0.003A△u'v'的色漂移，并可以得到可接受的色稳定性，且在处理光反馈信号时，不需要有大的预处理功率。

4．新型光导板结合式LED背光源

如果在LCD背光源系统中采用高亮度红、绿、蓝光LED则需要有混色装置，以在光源发出的光到达LCD板前进行混色。在传统的LCD背光源中，混色是在独立于光轴抽取结构（白色涂层或微透镜）的光导板中进行的。为了照亮整个显示区，就得采用两块光导板，但这会使背光源变得又重又厚，并且还会产生光导板的亮度与色度难以匹配等缺点。

为了克服上述缺点，可采用新型光导板结合式LED背光源，它将分离的混色光导板与传统的光抽光导板结合在了一起。光导板结合式LED背光源是由LED背光源、椭圆镜面、混色光导板、第二椭圆镜面、反射膜、主光导板、校准与偏振控制膜、框架与散热片组成的。

光导板结合式LED背光源系统工作时，由LED光源发出的光经椭圆作90°的反射，耦合入混色光导板，光经混色光导板混合成相应的白光后，再被耦合人第二椭圆做90°反射，再进入主光导板。主光导板具有屏像素图案，该图案是为LED光源的光分布而作了优化的。来自第二椭圆镜面的光经主光导板射向LCD板。

为了进一步改进色均匀度，在主光导板的光进入的一边还配备了一条微棱镜，它的作用是增加光的角分布，从而改进光色的混合。在椭圆镜面上制以高反射率的铝膜，并采用了高反射率的线条9以提高反射率。椭圆镜面使LED所发光的光学轴做了相对于光导平面90°的旋转，因而使背光源的结构变得更加紧凑。光导板结合式LED背光源的对角线为38cm，具有34只luxeomTM-LED。LED的节距为9mm，驱动功率为45W。利用这种LED背光源，已取得了4300cd／m2的峰值亮度。新型光导板结合式LED背光源有以下几个优点。

①重量轻，厚度薄，坚固耐用。

②现存的背光源技术与制造技术兼容。

③可以与各种光导板，甚至包括具有预制像素图案的平面屏及具有透镜结构的楔形光导板结合。

④适用显示屏的尺寸范围较大（25.4～51cm），LED的节距与光导板的长度却可以保持不变。

⑤每个LED的输出光可以稳定地增加，从而可以在不增加LED数量与减少LED节距的情况下达到给定的亮度。

⑥可以通过加长光导板长度，较容易地改进混色性能。

5．高亮度直接型LED背光源

LED背光源是一种边光式背光源。作为边光式背光源，它具有以下特点。

①其发光面可以沿其光学轴做360°发射。

②可以用较薄的镜片覆盖较大的面积。

③可以用简单的结构进行混色。

①因为光导板是用丙烯酸制作的，因而用于大尺寸的LCD电视（LCDTV）时，会使其重量加大，并使成本增加。

②会抑制与吸收紫外线。

③在用于彩色显示时，难以将大功率红、绿、蓝LED用在直接背光源中。

为了解决上述缺点并提高LED背光源的性能，国外研发了一种新颖的采用LED作为背光源的高亮度直接型边光式LCDTV。在这种背光源中，不用光导板，而是通过在LCD板后面的空腔放置LED阵列。采用这种LED背光源，可以做到在保持良好的光效时，能够较好地控制亮度与颜色的均匀性。高亮度直接LED背光源是由以下几部分组成的。

①安装在金属芯印制电路板上的两条由48只LED组成的线式阵列。

②装有LED阵列的金属盒，在盒的内表面涂有一层扩散反射膜，移动该膜后面的LED非发光面，可以减少对光线的再吸收，从而取得高光效。

③位于LED阵列上方的换向器，其作用是防止LED在朝向屏的路径上脱离轴光线。换向器可以做得很小，如6mm，以阻止屏蔽对LCD屏的影响，因为这种影响会波及到LCD的亮度。由于换向器的尺寸有所不同，故它对发自LED的光有6％～40％的影响。同时，如果将换向器做得很小，便可将LED阵列置于一普通而简明的空腔内，此时只要调节换向器，便可取得所需的高亮度特性。

④在装有LED阵列的金属盒内表面涂扩散发射膜，该膜可以取得30％～40％的反射率。

⑤位于LCD之间的亮度增强膜，可以增加屏的亮度。

⑥位于LCD板后面的朗伯反射空腔，其侧壁为镜面。由LED阵列发射的光，有80％是在垂直于光轴±⒛°以内，在360°方位上被射入反射腔内的。当光线有效地进入背光源孔时，其自由路径达到了化，而在采取了适当的LED节距时，就可在紧靠LED阵列正上方的各个方向上取得良好的混色。在LCD正上方屏区只有约5％的光，为了将LCD正上方色的影响减到，可利用换向器使光线改向，返回LCD与朗伯空腔，使这部分光线的平均行程增加，因而产生了附加混色，降低了在LCD正上方对色的影响。

国外开发的高亮度直接型LED背光源用于屏对角线为56cm的LCDTV中时，其尺寸为503mm×282mm。它具有两个由48只LED组成的边光阵列，两阵列的间距为150mm，其中LED间距为9mm。所用的LED中，24只红光LED的总光通量为I0391m，48只绿光LED的总光通量为2436lm，24只蓝光LED的总光通量为109lm。所有LED的驱动电流为350mA。当室温下的白点色温为90