LED背光应用技术综述

　　LED用于LCD背光照明分为主要用于中、小型设备的edge lighting和用于大面积设备，如LCD-TV的direct lighting。

　　1、Edge Lighting

　　Edge lighting的基本结构如图1所示

图1

　　LED发出的光线经由导光板(Light Guide Plate)的光学作用向上出射成面光源，再经由扩散板（Diffuser Plate）、增光膜（BEF）在LCD面板处形成亮度与颜色均匀分布的光斑。

　　扩散板可以增加光线分布的均匀性，增光膜可以将光线集中到正面一定角度内，提高正面辉度，但过度使用扩散板、增光膜会增加光线损耗，降低总体光效，而且扩散板、增光膜已被专利垄断，成本较高，所以，通过光学设计增加导光板直接出光的均匀度是侧下式背光设计的重点。

　　前端的光学设计主要分为：（1）LED光线耦合到导光板内的设计（2）导光板的光学结构设计

　　1.1 LED与导光板的光线耦合

　　（1）直接耦合

　　结构示意图如图2所示，一般来说，直接耦合可以提高LED出光进入导光板的效率，结构简单，但同时，在进入导光板前RGB三色光线未充分混合，可能导致最终出光的颜色均匀性不好，尤其对于光线在导光板内光程较短的结构。

图2

　　（2）间接耦合

　　结构示意图如图3所示。间接耦合的优点有二：（1）在光线进入导光板之前进行散射、雾化，提高均匀性（2）充分混色

图3

　　LED用于LCD背光照明分为主要用于中、小型设备的edge lighting和用于大面积设备，如LCD-TV的direct lighting。

　　1、Edge Lighting

　　Edge lighting的基本结构如图1所示

图1

　　LED发出的光线经由导光板(Light Guide Plate)的光学作用向上出射成面光源，再经由扩散板（Diffuser Plate）、增光膜（BEF）在LCD面板处形成亮度与颜色均匀分布的光斑。

　　扩散板可以增加光线分布的均匀性，增光膜可以将光线集中到正面一定角度内，提高正面辉度，但过度使用扩散板、增光膜会增加光线损耗，降低总体光效，而且扩散板、增光膜已被专利垄断，成本较高，所以，通过光学设计增加导光板直接出光的均匀度是侧下式背光设计的重点。

　　前端的光学设计主要分为：（1）LED光线耦合到导光板内的设计（2）导光板的光学结构设计

　　1.1 LED与导光板的光线耦合

　　（1）直接耦合

　　结构示意图如图2所示，一般来说，直接耦合可以提高LED出光进入导光板的效率，结构简单，但同时，在进入导光板前RGB三色光线未充分混合，可能导致最终出光的颜色均匀性不好，尤其对于光线在导光板内光程较短的结构。

图2

　　（2）间接耦合

　　结构示意图如图3所示。间接耦合的优点有二：（1）在光线进入导光板之前进行散射、雾化，提高均匀性（2）充分混色

图3

　　Lumileds的一种具体的间接耦合结构如图4所示：

图4

　　图中③为混色波导，②④为耦合透镜，其结构为圆锥曲面，以减小两次耦合过程中的光损失。实物图如图5所示。

图5

　　（3）使用自由曲面反射镜的耦合结构

　　为充分提高LED光线在进入导光板前的均匀性，一些设计运用了自由曲面反射镜，如图6所示。

图6

　　图中红色为LED光源，常规的侧下式光源排布为一LED阵列，应用了自由曲面反射镜后，LED光源可以只排布在LED Uniform Light guide的两侧甚至一侧。图7示意了一种LED uniform lightguide的具体形式

图7

　　应用自由曲面的耦合设计可以提高进入导光板的光线的均匀性，同时减小系统体积。

　　1.2 导光板结构设计

　　1.2.1 导光板底部结构

　　导光板通过底部的结构将侧面入射的光线反射到正面出光，从CCFL光源到LED光源，导光板有多种光学结构，举例说明：

　　（1）网点印刷结构。通过在导光板底部印刷的散射网点改变侧边入射光线的方向，网点的分布依据一定的分布理论，一般来说，离光源越远，网点分布越密。

　　（2）微棱镜结构

　　（3）V型槽结构。如图8所示，应用边界光线条件，每个V型槽与目标面的区域一一对应。

图8

　　（4）渐变折射率聚合物材料。应用渐变折射率材料作用光波导反射光线，可做到导光板一次成型。

　　1.2.2 导光板外形设计

　　除了底部结构，导光板外形也可以有多种结构，如图9的楔形结构，甚至图10 的非球面曲面结构。

图9

 
图10

　　侧下式背光设计应综合运用以上各种结构，以提高光效，照度均匀度和颜色均匀度。

　　2 Direct Lighting

　　直下式相比于侧下式结构简单，没有导光板，可以在大尺寸背光源上得到很好的照度均匀度，但同时由于混光距离短，颜色均匀度不易控制；而且直下式的厚度一般来说大于侧下式，总体光效也不如侧下式，耗用的LED总数要多一些，在中小尺寸设备中，直下式的优势不明显。

　　直下式背光的基本结构如图11所示

图11

　　（1）若把LED视为点光源，从图12可以得出目标面均匀照度的条件为LED的发光强度 

图12

　　即寻找一种上述配光的LED。一种比较简单的思路是使用与上述配光相近的蝙蝠翼配光的LED，然后调节h与反射腔壁的参数，模拟目标面的照度、颜色分布。目前国内已有人做过上述工作，理论均匀度尚未达到85%。

　　（2）Lumileds的背光产品

　　这是市面上最常见的LED直下式背光模组，如图13所示，在腔体底部放置两个RGB LED阵列，顶部放置扩散板、BEF等光学膜。

图13

　　每个LED阵列采用G-B-R-G的的排布，如图14所示，两列共24个单元阵列。

图14

　　单颗LED采用Lumileds为直下式LED背光源新设计的侧边出光结构，相比蝙蝠翼配光水平方向出光的比例更高。单颗LED示意图和光强空间分布分别如图15和图16所示。

图15

 
图16

　　对于这种结构，台湾大学做过逆向模拟，未加扩散板、增光膜的时候照度、色彩均匀度都有不错的表现，但仍存在灯影现象。

　　（3）优化的Lumileds背光结构

　　台湾大学在Lumileds背光产品的基础上做出了优化，如将两列LED改为三列，在反射腔底部做出V型槽结构减小灯影等，基本思路与Lumileds产品大体一致。

　　（4）微透镜结构

　　在LED光源前整体放置一微透镜阵列改变配光，如图17所示，虚线为放置微透镜阵列前的配光曲线，实线为放置微透镜阵列后的。相比于改变单个LED的配光，整体放置微透镜阵列对光线的控制力度减弱，且有可能增加背光板的厚度。GLT公司已为微透镜阵列技术申请专利。

图17

　　（5）使用ASP的背光源

　　可以使用我们自己的ASP LED光源，照度均匀度和总体光效预期可以达到很好的水平，重点问题是颜色均匀性和整体厚度。

　　目前计划是先逆向模拟已有的几种直下式LED背光源，发现他们的问题所在，然后使用ASP光源设计一种背光结构，颜色均匀性若不能达到要求可以考虑引入一种针对直下式的混光波导。