LED背光技術綜述

　　1、Edge Lighting

　　Edge lighting的基本結構如圖1所示

　圖1

　　LED發出的光線經由導光板(Light Guide Plate)的光學作用向上出射成面光源，再經由擴散板（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分布的均勻性，增光膜可以將光線集中到正面一定角度內，提高正面輝度，但過度使用擴散板、增光膜會增加光線損耗，降低總體光效，而且擴散板、增光膜已被專利壟斷，成本較高，所以，通過光學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。

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

　　1.1 LED與導光板的光線耦合

　　（1）直接耦合

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

圖2

　　（2）間接耦合

　　結構示意圖如圖3所示。間接耦合的優點有二：（1）在光線進入導光板之前進行散射、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，以減小兩次耦合過程中的光損失。實物圖如圖5所示。

圖5

　　（3）使用自由曲面反射鏡的耦合結構

　　為充分提高LED光線在進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入導光板的光線的均勻性，同時減小系統體積。

　　1.2 導光板結構設計

　　1.2.1 導光板底部結構

　　導光板通過底部的結構將側面入射的光線反射到正面出光，從CCFL光源到LED光源，導光板有多種光學結構，舉例說明：

　　（1）網點印刷結構。通過在導光板底部印刷的散射網點改變側邊入射光線的方向，網點的分布依據一定的分布理論，一般來說，離光源越遠，網點分布越密。

　　（2）微棱鏡結構

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

圖8

　　（4）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，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單，沒有導光板，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說大于側下式，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，直下式的優勢不明顯。

　　直下式背光的基本結構如圖11所示

　圖11

　　（1）若把LED視為點光源，從圖12可以得出目標面均勻照度的條件為LED的發光強度

圖12

　　即尋找一種上述配光的LED。一種比較簡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上述工作，理論均勻度尚未達到85%。

　　（2）Lumileds的背光產品

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

　圖13

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

　圖14

　　單顆LED采用Lumileds為直下式LED背光源新設計的側邊出光結構，相比蝙蝠翼配光水平方向出光的比例更高。單顆LED示意圖和光強空間分布分別如圖15和圖16所示。

圖15

圖16

　　對于這種結構，臺灣大學做過逆向模擬，未加擴散板、增光膜的時候照度、色彩均勻度都有不錯的表現，但仍存在燈影現象。

　　（3）優化的Lumileds背光結構

　　臺灣大學在Lumileds背光產品的基礎上做出了優化，如將兩列LED改為三列，在反射腔底部做出V型槽結構減小燈影等，基本思路與Lumileds產品大體一致。

　　（4）微透鏡結構

　　在LED光源前整體放置一微透鏡陣列改變配光，如圖17所示，虛線為放置微透鏡陣列前的配光曲線，實線為放置微透鏡陣列后的。相比于改變單個LED的配光，整體放置微透鏡陣列對光線的控制力度減弱，且有可能增加背光板的厚度。GLT公司已為微透鏡陣列技術申請專利。

圖17

　　（5）使用ASP的背光源

　　可以使用我們自己的ASP LED光源，照度均勻度和總體光效預期可以達到很好的水平，重點問題是顏色均勻性和整體厚度。

　　目前計劃是先逆向模擬已有的幾種直下式LED背光源，發現他們的問題所在，然后使用ASP光源設計一種背光結構，顏色均勻性若不能達到要求可以考慮引入一種針對直下式的混光波導。