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直下式高亮度LED背光源的實現方案
添加時間:2017.05.14

直下式結構的LED背光源具有更高的色彩還原、省電、壽命長、抗震動性,在低溫環境中工作不受影響。由于led具有這些優勢,越來越多的廠商已著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比重大于直下式結構。
近年來,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、由三星自主研發的“變色龍LED背光(ChamELeonLEDBacklight)”技術。動態對比度達到50萬:1,耗電量最多可降低50%。而且,通過高速影像模式,能夠實現圖像抖動及殘像少、色彩鮮明的影像畫質。由此看來,LED背光源性能完全超越CCFL背光源已經成為可能。
1  LED背光源的設計方法
1.1 系統概述
以對角線長度為15英寸,即長、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。
在滿足以上要求的同時,為了使背光模塊能夠更好地工作,系統設計應包括過壓保護、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實現高亮度背光設計中將會遇到的問題進行闡述分析,并提出解決的辦法。
1.2 直下式LED背光源結構
LED背光源的工藝過程是將LED點光源轉化為發光均勻的面光源。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,導光板重量和成本會隨著尺寸增加而增加,并且發光均勻性和發光亮度不理想,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,光線從LED射出后,經過散射膜散射,得到均勻性較好的散射光,再通過兩片棱鏡膜(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,實驗證明,反射膜的存在使得亮度、效率提高了近20%。同時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光亮度的前提下,腔體高度越大,光線從散射板射出的均勻性越好。直下式LED背光源的結構見圖1。直下式背光源技術關鍵是控制亮度均勻性,提高發光效率。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,發光亮度和功耗均大于側光式背光源。LED管芯工作狀態下釋放出的熱能集中在腔體內,在大面積、高亮度的LED背光產品設計時,應考慮模塊散熱裝置。
圖1 光學系統結構控制示意圖
我們采用Lumileds生產的白光LED,典型電流為700mA,額定功率為3W,花紅微商官方網站發光強度為80lm,發散角度為120°并對其光電特性進行了均勻性篩選,選用其中匹配性較好的LED作為系統光源。
大功率LED在典型電流工作時會發出大量的熱能,容易產生高溫,對液晶顯示器產生影響,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,緩解了高溫問題,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顆燈串聯在一起作為一組,64顆燈共分為了8組,然后并聯在一起。追蹤大約1000,000條光線,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%,基本滿足背光系統要求。如下圖所示:下面是利用LightTools光學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
    對于從光學膜到背光板之間的距離(即背光腔的高度),我們做了一些實驗,結果表明:在LED燈排布間距為15mm時,采用“LSD散射膜+BEF垂直+BEF平行”的光學膜組合時,背光腔高度為18mm,看不到LED燈的燈影,亮度均勻性很好。通過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LED,其造價就相對可觀了,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,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,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,以串并聯的方式結合發光,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獨立發光控制亮度,但線路與設計成本不易,實際上都是在屏幕的背光源設定多個區域,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。沖擊下有很好的保障結構設置,不會讓使用受到較大的影響。直下式LED與側入式LED背光源各項技術指標的比較見表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
目前從發光效率和成本問題上,以冷陰極管(CCFL)為背光源的背光系統其性能明顯優于以LED為背光源的背光系統。一顆LED本身的價格不比一根CCFL冷陰極管高,但由于其體積較小,發光功率低的限制,在一個背光模組中需要多個LED串并聯成等間距的結構來進行發光,其造價就相當可觀,這是至今為止阻礙該結構成為大型顯示器的背光源發展的關鍵因素。但隨著高科技的迅猛發展,LED產業的發展極其迅速,發光效率提升也相當之快。目前,LED背光源對于對角線為18cm以下的中小型顯示面板價格占優勢,而在大尺寸范圍價格則是CCFL背光源的4~5倍,預計隨著產業規?;臄U大和技術工藝的逐步成熟,LED造價成本問題也會得到相應解決。
這種以等間距的LED直下式結構的超薄型背光源產品是一種新型的投影顯示技術,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、外形美觀等優點。同時又可被廣泛應用于大中型尺寸液晶面板市場和小型尺寸手機屏面板及現代公共場合廣告媒介燈箱。它是由多學科綜合技術而形成的屬于高技術范疇的產品。目前這項研制工作在國內處于領先水平,

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