一種新型側(cè)光式白光LED背光源的設(shè)計

液晶顯示器由液晶盒和背光組件構(gòu)成，背光源為液晶面板提供足夠亮度和高均勻性的照明，保證液晶顯示器的顯示質(zhì)量。在大尺寸液晶產(chǎn)品中，常選用發(fā)展較成熟、表面亮度高的CCFL(冷陰極熒光燈管)背光源[1][2]，近年來，CCFL 因功耗高，壽命短，色域范圍窄(僅為NTSC 的75%左右)等缺點逐漸被人們所摒棄。LED(發(fā)光二極管)背光源由于具有節(jié)能環(huán)保、色域范圍廣、色彩表現(xiàn)能力強、壽命長等優(yōu)點迅速發(fā)展并占領(lǐng)市場，隨著LED 光效的不斷提升及其成本價格的降低，LED 背光源必將取代CCFL 背光源，成為市場的主流背光源[3][4]。本文在分析了LED 背光源的發(fā)展前景的基礎(chǔ)上，提出一種新型的側(cè)光式LED 背光源，可替代CCFL 背光源應(yīng)用在大尺寸LCD 產(chǎn)品中，降低成本，提高顯示質(zhì)量。

1　現(xiàn)有LED 背光源種類分析

LED 背光源的主要作用是將LED 點光源發(fā)出的光線轉(zhuǎn)化為發(fā)光均勻的面光源。根據(jù)光源在背光源系統(tǒng)中的分布位置的不同，分為側(cè)光式和直下式兩種[5]。

1.1　直下式LED 背光源

直下式LED 背光源的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括LED 光源陣列(排布如圖2 所示)、反射層、散射板、棱鏡膜等。該種LED 背光源的設(shè)計思想是將LED光源陣列及PCB 板置于背光模組的底部，LED 光源發(fā)出的光線通過底面和側(cè)面反射后，再通過表面的散射板、增亮膜后均勻射出。直下式LED 背光源需要多顆LED 光源，因此其功耗高，散熱問題嚴(yán)重，一般需要設(shè)計特殊的散熱裝置，因此，多數(shù)大尺寸液晶產(chǎn)品生產(chǎn)廠商放棄此種背光源的使用，轉(zhuǎn)而投入研發(fā)側(cè)光式LED 背光源。

1.2　側(cè)光式LED 背光源

側(cè)光式LED 背光源結(jié)構(gòu)如圖3，主要包括光源、導(dǎo)光板、光源反射罩、棱鏡于發(fā)生全反射而向前傳播[7]，為了得到側(cè)面發(fā)光的目的，需要在導(dǎo)光管的一個側(cè)面加入微結(jié)構(gòu)，破壞全反射條件，本文中將導(dǎo)光管的一側(cè)加入網(wǎng)點結(jié)構(gòu)散射光線，得到了側(cè)發(fā)光的微細導(dǎo)光管。該新型背光源的工作原理是：LED 光源發(fā)出的光線耦合進入側(cè)發(fā)光微細導(dǎo)光管中，經(jīng)過多次折反射后從側(cè)面射出，轉(zhuǎn)化為與CCFL 出射方式相同的線光源，再入射到導(dǎo)光板中，并在導(dǎo)光板內(nèi)完成由線光源到面光源的轉(zhuǎn)化，之后光線均勻、平行的投向下偏光片，然后透過液晶分子及上偏光片，最終成像。

2.2　微細導(dǎo)光管出光面網(wǎng)點排布方式：

背光源系統(tǒng)要求出光具有高均勻性，因此必須設(shè)計出光均勻的微細導(dǎo)光管。本方案中微細導(dǎo)光管出光面網(wǎng)點結(jié)構(gòu)為圓形，當(dāng)光線入射到散射網(wǎng)點結(jié)構(gòu)上時發(fā)生散射，改變傳播方向，從出光面射出。由于光線散射后傳播路徑復(fù)雜，為了簡化模型，我們考慮網(wǎng)點半徑為常數(shù)時，導(dǎo)光管出光均勻性情況。

LED 光源可以發(fā)出各個角度的光線，所以假設(shè)光線耦合進入導(dǎo)光管后，各方向光線均等的存在，且其傳播狀態(tài)如圖5 所示。由全反射原理可知，只有那些入射角度小于全反射臨界角的光線可以從散射網(wǎng)點射出，這部分光線占所有達到網(wǎng)點上的光線比例可以計算得出。

選擇任意一個散射網(wǎng)點，網(wǎng)點上有來自各個方向的光線，而只有滿足入射角小于全反射臨界角的光線可以從出光面射出，即入射角滿足：

從模擬結(jié)果可以看出所設(shè)計的導(dǎo)光管亮度均勻性高于98%，符合背光源系統(tǒng)對光源的均勻性要求，其光能利用率約為70%，替代線光源CCFL 后，可實現(xiàn)高均勻性的照明。

此式表明了一個網(wǎng)格單元內(nèi)，網(wǎng)點面積與平面面積的比值代表了在該網(wǎng)格中光線折射與反射的光通量關(guān)系。設(shè)網(wǎng)格長度d=1mm，即可計算得出導(dǎo)光管出光均勻時網(wǎng)點半徑r=0.21745mm。

2.3　新型側(cè)光式LED 背光源中導(dǎo)光管的設(shè)計實例

針對上述分析我們給出一個設(shè)計實例，其中微細導(dǎo)光管為直徑5mm 的圓柱體，不加光源和反射罩時長度為150mm，出光面為2mm(寬)×150mm(長)的長方形，導(dǎo)光管兩端為光入射端面，光源在導(dǎo)光管兩側(cè)對稱放置，導(dǎo)光管其余面為反射面，鍍有反射膜。為了使盡量多的光線在導(dǎo)光管的出光面射出，在光源端加反射罩?？紤]到導(dǎo)光管材料的吸收、漏光及透光率等因素，對所設(shè)計的導(dǎo)光管進行建模并賦予各種屬性，在光學(xué)軟件TracePro 中進行大量的模擬分析得到其出光面的照度及照度曲線圖如下：

3　總結(jié)

本文在分析現(xiàn)有LED 背光源的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的側(cè)光式LED 背光源，該新型背光源采用少數(shù)幾個LED 實現(xiàn)高均勻性的照明，結(jié)構(gòu)緊湊，散熱好，是一種性能優(yōu)越的新型側(cè)光式LED背光源，具有一定的應(yīng)用價值和良好的發(fā)展前景。