一種改善亮度均勻性的背光設計方案

A Backlight Design Scheme for Improving Brightness Uniformity

　　柏祥

（康佳集團股份有限公司，廣東 深圳 518057）

　　摘要：亮度均勻性是LED背光的LCD液晶電視產品經常面對的問題，也是用戶比較關注的問題之一，本文結合實際工作介紹了一種改善亮度均勻性的LCD液晶電視背光設計方案及各個部分的作用，其中主要的特點在于異形燈條的設計。
　　關鍵詞：LCD；LED；DLED；OD；反射片；燈條；擴散板；BEF；DBEF；擴散片；亮度均勻性

　　0 引言

       隨著LED的應用普及，目前LCD液晶電視的背光源幾乎全部是LED，而背光方案又以直下式背光方案DLED為主流，因為其設計方便、價格低廉而得到廣泛應用。
　　本文介紹了一種針對較為特殊的外銷客戶而量身定做的一種背光設計方案，主要特點在于異形燈條的設計。
　　1 液晶電視背光方案結構

       如圖1所示為32寸LCD液晶電視的背光方案及前、中、后殼結構示意圖，背光部分從后向前依次為反射片、燈條、擴散板、增亮片、擴散片。
　　下面分別介紹它們的作用：

       （1）燈條的作用是提供光源，采用2×6方案，即兩根燈條，每個燈條上面有6個LED燈珠及透鏡，透鏡的作用是打散LED燈珠發出的光線。LED燈珠選用2 W的規格，壽命可達50000 h以上，電流為600 mA，燈條總功率為24 W。
　　（2）反射片的工作原理如圖2、圖3所示：把 向 模 組 底 面 傳 播 的 光 線 反 射 回 正 面 ， 充 分 利用 L E D 發 出 的 光 。 基 材 一 般 為 P E T 、 聚 碳 酸 酯（polycarbonate）等，厚度約為0.15 mm。 TiO2的折射率很高（n=2.62），把TiO2混合PET或者聚碳酸酯（polycarbonate）等光學上透明度高的樹脂，經過微細發泡而形成反射片。泡的直徑有數微米左右，泡越維細、密度越高，反射率就越高。泡是折射率約1.00的素材，與透明樹脂之間形成良好的屈折率界面。從擴散板折射過來的光線，進入反射片后，通過復雜的折射動作，使絕大部分的光線再次返回到擴散板中。對應不同混光距離和配合不同功率的DLED直下式一體機，需要總結出反射片四角的折角大小。
　　（3）擴散板的工作原理如圖4、圖5所示，作用是將LED燈發出的光線打散，提高均勻度；掩飾燈影及支架印，避免造成某些地方過亮或者過暗的情況；同時還有支撐其他光學膜片的作用。工作原理是利用光線在行進途中遇到兩個折射率相異的介質時，發生折射、反射與散射的物理現象，通過在PMMA、PC、PS、PP等基材（一般厚度為1.0 mm）基礎中添加無機或有機光擴散劑、或者通過基材表面的微特征結構的陣列排列人為調整光線，使光線發生不同方向的折射、反射與散射，從而改變光的行進路線，實現入射光充分散射以此產生光線擴散的效果。另外微結構擴散板在擴散板的上表面帶有微結構，可提升一定的光強度。且光源的排放距離與光源到擴散板之間的距離OD比值影響光源由點光源到面光源的均勻化效果。

　　（4）增亮片的作用是在于把較大傳播方向的光線集中到正面較小的角度內，提高正面光的強度。工作原理如圖6所示，基本的增亮片實質是一個棱鏡片（BEF），使光折射、反射、集光之后達到增亮的目的。
　　BEF結構如圖7所示，在PET基材（厚度約0.25mm）形成精密的丙烯樹脂棱鏡結構，尺寸約30μm，下面為防粘結涂層。此膜片特點：棱鏡打圓角耐刮性強，靜電較弱，背面帶紫外光涂層，上下表面均無需保護膜，霧度可由背面涂層調整。實際材料圖如圖8所示。
　　還有一種更高效的增亮片如圖9所示：DBEF。
　　DBEF是一種反射型偏光增亮片，通過選擇性反射背光系統的光線，使其不被LCD的下偏光片所吸收，使部分光線得以重新利用，因此亮度增加約50%。

      （5）擴散片工作原理是利用光在經過擴散片時會不斷地在折射率相異的兩介質中穿過，同時發生折射、反射與散射的現象，如此將光線打散，達到模糊光源，使光線均勻的效果。 如圖10、圖11所示，基材一般為PET，上面為擴散層，下面為防粘結涂層。
　　本背光方案在LCD面板透過率為6.2%的情況下實現250 nits的亮度，通常情況下燈條的設計如圖12所示，燈條及燈珠基本上是等間距分布，這樣設計簡單、易生產，特別對于燈條PCB的利用率高，從而降低了成本。另外，燈條的燈珠相對集中在中心區域是為了保證中心部分的亮度能夠滿足要求，且大部分人對中間部分的亮度比較關注，這樣設計既滿足了標準及觀看的要求又能照顧到較低的成本。

　　2 亮度均勻性測試

       普通9點亮度均勻性為70%左右，測試方法如圖13所示：周圍測試點的分布遵循1/9高度和寬度的原則，圓圈表示亮度儀器探頭測試的范圍，分別測試P0~P8的亮度L0~L8。
　　則亮度均勻性為，i為1到8的任何一個數。每個Pi都要大于或者等于70%才算是合格。
　　但是針對部分特殊的客戶，要求亮度均勻性很高，不僅測試上面所述的9點均勻性，還測試邊角均勻性，測試方法如圖14所示：邊角亮度均勻性為Pi=Li/L0×100%，i為1到4的任何一個數。雖然這個指標只要求50%即可以滿足，但是正常的等距直線燈條設計則不能滿足要求。一般情況下，畫面中心部分最亮，也是測試最大亮度的地方，越靠近邊角越暗，四角則是最暗。
　　3 異形燈條設計方案

       針對上述四角偏暗的問題，我們采取了異形燈條的方案，如圖15所示：在燈條的兩端向角落傾斜，是最邊緣的4個燈珠更加靠近四角，從而提升的四角的亮度。根據測試四角的亮度可以提升30%左右，而中心亮度不變。這樣設計的好處是標準化得到最大的保證，不改結構尺寸及其他物料，只改燈條PCB形狀就可以實現兩種方式的轉換。唯一的缺點是PCB板材利用率稍微下降，導致成本稍微上升一點，但是能夠滿足客戶的特殊要求。
　　參考文獻：
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       [2]SJT 11348-2016 數字電視平板顯示器測量方法.
       [3]許林, 朱瑩瑩, 劉明. 一種直下式LED背光液晶電視設計[J]. 通信與廣播電視, 2013(1):33-43.
       [4]張益民, 吳慶富. TFT-LCD背光模組光學膜關鍵件的開發研究[J]. 現代顯示, 2010(4):49-54.
       作者簡介：
       柏祥，學士，高級工程師，多媒體研發中心外協設計所所長、高級產品設計師。
       康佳集團2002年度多媒體研發中心先進工作者
       康佳集團2003年度優秀科技工作者
       康佳集團2004年度優秀團隊：LCD4400項目組（項目經理）
       康佳集團2008年度彩電事業部優秀彩電人
       康佳BT4390W型背投影彩色電視機通過2004年度信息產業部鑒定達國際同類產品的先進水平（信號處理部分的主設計師）

本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第4期第84頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處