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直下式結構的LED背光源具有更高的色彩還原、省電、壽命長(cháng)、抗震動(dòng)性，在低溫環(huán)境中工作不受影響。由于led具有這些優(yōu)勢，越來(lái)越多的廠(chǎng)商已著(zhù)手研制大尺寸的直下式LED背光源。但由于直下式厚度相對側入式較厚，因此在中小型LCD液晶顯示系統中側入式所占市場(chǎng)比重大于直下式結構。
近年來(lái)，三星在韓國推出了一款52英寸全高清LED液晶電視“PAVV-LED52”。此次發(fā)布的52英寸全高清LED背光液晶電視，采用了只降低黑暗圖像部分的背光亮度、由三星自主研發(fā)的“變色龍LED背光（ChamELeonLEDBacklight）”技術(shù)。動(dòng)態(tài)對比度達到50萬(wàn)：1,耗電量最多可降低50%。而且，通過(guò)高速影像模式，能夠實(shí)現圖像抖動(dòng)及殘像少、色彩鮮明的影像畫(huà)質(zhì)。由此看來(lái)，LED背光源性能完全超越CCFL背光源已經(jīng)成為可能。
1  LED背光源的設計方法
1.1 系統概述
以對角線(xiàn)長(cháng)度為15英寸，即長(cháng)、寬、高分別為89.44mm、67.08mm、5mm的背光模組為例，設計要求的亮度通過(guò)液晶顯示屏后要達到1,200cd/m2,亮度均勻性達到85%以上，功率小于50W;工作溫度為-40°C~60°C,亮度可調，且調節范圍寬調節精度高。
在滿(mǎn)足以上要求的同時(shí)，為了使背光模塊能夠更好地工作，系統設計應包括過(guò)壓保護、高溫保護等功能模塊。下面以上述要求為目標，給出我們的LED背光設計方案以及根據最后的性能測試結果對用大功率白光LED實(shí)現高亮度背光設計中將會(huì )遇到的問(wèn)題進(jìn)行闡述分析，并提出解決的辦法。
1.2 直下式LED背光源結構
LED背光源的工藝過(guò)程是將LED點(diǎn)光源轉化為發(fā)光均勻的面光源。根據光源分布位置的不同，分為側光式和直下式兩種。為了實(shí)現高亮度均勻性的背光模組的設計，首先要選定構成背光模組的系統結構形式。本文采用直下式結構。
側光式LED背光源應用在大中尺寸的LCD上時(shí)，導光板重量和成本會(huì )隨著(zhù)尺寸增加而增加，并且發(fā)光均勻性和發(fā)光亮度不理想，而直下式LED背光源表現則比較好。直下式背光源工藝相對簡(jiǎn)單，不需要導光板，是將光源（LED晶片陣列）及PCB置于背光源底部，光線(xiàn)從LED射出后，經(jīng)過(guò)散射膜散射，得到均勻性較好的散射光，再通過(guò)兩片棱鏡膜（分別為水平方向和垂直方向BEF1和BEF2）將散射光集中在垂直于膜的方向以一定的發(fā)射角度出射。為了更好地利用光能，提高整體效率，我們在底板LED燈表面加了一層反射膜，實(shí)驗證明，反射膜的存在使得亮度、效率提高了近20%。同時(shí)在底部光源上涂布一層含有散射劑的導光膠，導光膠厚度視腔體高度和導光膠特性而定，主要起兩點(diǎn)作用：①提高亮度均勻性；②保護LED晶片，提高可靠性。
背光源的厚度由反射膜與散射板之間的腔體高度決定。理論上在符合安裝要求及發(fā)光亮度的前提下，腔體高度越大，光線(xiàn)從散射板射出的均勻性越好。直下式LED背光源的結構見(jiàn)圖1。直下式背光源技術(shù)關(guān)鍵是控制亮度均勻性，提高發(fā)光效率。散射膜與LED光源之間須預留一定的空間，提高亮度均勻性，故直下式背光源的厚度相對較厚。因光源數量多，發(fā)光亮度和功耗均大于側光式背光源。LED管芯工作狀態(tài)下釋放出的熱能集中在腔體內，在大面積、高亮度的LED背光產(chǎn)品設計時(shí)，應考慮模塊散熱裝置。
圖1 光學(xué)系統結構控制示意圖
我們采用Lumileds生產(chǎn)的白光LED,典型電流為700mA,額定功率為3W,花紅微商官方網(wǎng)站發(fā)光強度為80lm,發(fā)散角度為120°并對其光電特性進(jìn)行了均勻性篩選，選用其中匹配性較好的LED作為系統光源。
大功率LED在典型電流工作時(shí)會(huì )發(fā)出大量的熱能，容易產(chǎn)生高溫，對液晶顯示器產(chǎn)生影響，為此，我們將其降額使用，增加燈的數量，減小工作電流，這樣一來(lái)，緩解了高溫問(wèn)題，而多數的燈也可以在均勻性上達到更好的效果。
綜合以上因素，我們在背光板有效區域內排布了64顆燈，每8顆燈串聯(lián)在一起作為一組，64顆燈共分為了8組，然后并聯(lián)在一起。追蹤大約1000,000條光線(xiàn)，分析結果顯示導光板上表面共射出52流明的總光通量，且照度分布均勻性大于80%,基本滿(mǎn)足背光系統要求。如下圖所示：下面是利用LightTools光學(xué)模擬軟件的背光模擬（圖2）及背光板亮度分布（圖3）：
圖2 背光模擬圖
圖3 背光亮度分布圖
    對于從光學(xué)膜到背光板之間的距離（即背光腔的高度），我們做了一些實(shí)驗，結果表明：在LED燈排布間距為15mm時(shí)，采用“LSD散射膜+BEF垂直+BEF平行”的光學(xué)膜組合時(shí)，背光腔高度為18mm,看不到LED燈的燈影，亮度均勻性很好。通過(guò)模擬計算得出均勻度為87%,由圖示可知，符合設計要求。
光源特點(diǎn)比較：
目前首先是直下式占據LED高端，而側入式占據LED低端；直下式又逐漸取代側入式，中小尺寸的彩色LCD（如手機、MP3、PSP等）一般選用側入式LED背光源。因為一顆LED的造價(jià)和CCFL冷陰極相差不多，但是由于LED的體積較小，在背光系統中，需要根據屏幕大小等間距的分布多個(gè)LED,其造價(jià)就相對可觀(guān)了，因此側入式LED背光源可以使用較少顆的LED蕊片，節省成本，其二是能夠打造比較輕薄的機身，讓LEDTV液晶面板的后方不需要配置LED模塊，而是放置在側邊，可減少屏幕整體的厚度，打造出較直下式LED背光液晶電視更薄的機種來(lái)，但由于LED側入式排列的結構缺陷，使得背光源在亮度均勻性及照度方面都受到影響，尤其是對軍工、航空項目上應用到的精密儀器時(shí)，更需要高亮度、均勻性、相對可靠性好的背光源。使用直下式的好處是LED背光源液晶顯示器采用矩陣排列方式，以串并聯(lián)的方式結合發(fā)光，能夠分別設置不同的背光源模塊權責區域，理論上也可以做到每一顆LED獨立發(fā)光控制亮度，但線(xiàn)路與設計成本不易，實(shí)際上都是在屏幕的背光源設定多個(gè)區域，讓這些區域能夠獨立調整明暗度。不僅再出光率上效率逐步提高，在受震動(dòng)。沖擊下有很好的保障結構設置，不會(huì )讓使用受到較大的影響。直下式LED與側入式LED背光源各項技術(shù)指標的比較見(jiàn)表1.
表1 直下式LED背光源與側入式LED背光源特性對比
3  LED直下式結構背光模組的應用前景
目前從發(fā)光效率和成本問(wèn)題上，以冷陰極管（CCFL）為背光源的背光系統其性能明顯優(yōu)于以L(fǎng)ED為背光源的背光系統。一顆LED本身的價(jià)格不比一根CCFL冷陰極管高，但由于其體積較小，發(fā)光功率低的限制，在一個(gè)背光模組中需要多個(gè)LED串并聯(lián)成等間距的結構來(lái)進(jìn)行發(fā)光，其造價(jià)就相當可觀(guān)，這是至今為止阻礙該結構成為大型顯示器的背光源發(fā)展的關(guān)鍵因素。但隨著(zhù)高科技的迅猛發(fā)展，LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極其迅速，發(fā)光效率提升也相當之快。目前，LED背光源對于對角線(xiàn)為18cm以下的中小型顯示面板價(jià)格占優(yōu)勢，而在大尺寸范圍價(jià)格則是CCFL背光源的4~5倍，預計隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)規?；臄U大和技術(shù)工藝的逐步成熟，LED造價(jià)成本問(wèn)題也會(huì )得到相應解決。
這種以等間距的LED直下式結構的超薄型背光源產(chǎn)品是一種新型的投影顯示技術(shù)，它比傳統的投影背光系統具有重量輕、厚度薄、功耗低、亮度均勻性好、外形美觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)又可被廣泛應用于大中型尺寸液晶面板市場(chǎng)和小型尺寸手機屏面板及現代公共場(chǎng)合廣告媒介燈箱。它是由多學(xué)科綜合技術(shù)而形成的屬于高技術(shù)范疇的產(chǎn)品。目前這項研制工作在國內處于領(lǐng)先水平，