●文/北京京東方顯示技術有限公司李智 布占場 顏凱 鹿堃 王飛
摘要：本文闡述了側邊入光式LED背光源光能利用率影響的因素。從背光源結構，散熱和驅動方式三個方面闡述如何使背光源的光能得到最大化利用即光能損失降到最低。重點分析了大尺寸TV用背光源。通過光學模擬，給出了結論。散熱性方面利用積分球測試不同散熱條件下的光通量變化情況。最后闡述了窄邊框設計的新特點。
關鍵詞：發光二極管，背光源，光效，散熱
前言
LCD（Liquid Crystal Display）作為目前主流顯示技術，經過20幾年的發展，已經深入到社會的各個領域。尺寸從小到幾英寸，大到幾十甚至上百英寸。技術也在不斷發展。LCD的顯示面板因為本身不發光，需要靠額外的光源與之匹配達到最佳顯示效果，這種光源就是所說的背光源。
早期的背光源器件所用的光源以CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp）為主，CCFL制作工藝相對簡單，設計難度小。但是因為CCFL本身含有有毒元素Hg，另外驅動電壓高，使得使用受到局限。另外一種背光源光學器件LED（light emitting diode）因為驅動電壓低，綠色無污染，目前正在廣泛取代CCFL光源。
LED作為液晶顯示的光源，有其自身的特點：近似點發光，有一定發光角度，色域高，驅動電壓低，相應時間短等。因此，用LED做光源的LCD背光源也有自己的設計特點。
近些年，由于電子產品增多，能源消耗逐漸增大，控制能源消耗越來越被人們重視，LCD作為電子產品之一，節約能耗逐漸成為產品設計的重點，而節約能耗的同時，又要保證顯示效果不能有太大影響，而能耗限制了光源的輸出，因此，怎樣合理的設計背光源，使光能最充分利用，是目前LCD研發工程師的工作重點之一。
LED背光源按照光源位置可以分為側入式和直下式兩種。直下式背光源的光能利用率主要取決于所選擇的光學部品特性。設計時，可以選擇透過率較高的擴散板和光學膜材，并合理安排LED間距和混光距離。側入式背光源需將橫向傳播的光線變成向上傳播的光線，通過導光板（LGP）和光學膜材的作用，這期間，背光源部品之間的結構關系決定了光線轉換時有多少光線損失掉，對背光源結構設計要求高。本文以LED作為光源，以側入式背光源作為模型，從幾個方面分析了如何使LED的光能合理利用，進而提高背光源亮度。
1、實驗過程及結論
1.1 模型建立
本文以46寸側入式LED背光源作為實驗樣品，進行實際驗證。產品結構如下圖：
LED光源在背光源的左右兩邊，還包括底反射片，導光板和光學膜片。膠框起到固定這些光學部品的作用，同時也影響光能利用。
1.2 影響因素的光學模擬
LED發出的光強近似為高斯分布。光源需要被LGP接收，同時底反和光學sheet也起到阻擋或傳播光線的作用。和LED發光面平行的入光面結構直接影響了入光效率。本文對這幾者之間的相對位置與入光效率的關系做一深入分析。
1.3 LED與LGP的間隙
設置好LED的發光方式為高斯發光，設LED發出的光為100%，在LGP與LED發光面平行的表面上設置接收器。接收到LED發出的光為x。改變LED與LGP的間距在0.6mm到1.2mm之間變化。則接收器接收到的光占發出的光的比例曲線如下圖。顯然，LED離LGP越遠，入光效率越低。理論上，零間隙會達到最大入光效率，但實際產品不可能做到，因為考慮到加工公差和受熱膨脹，會預留出一定間隙。
1.4 LED上下位置
接收器位置不變，改變LED上下位置，做類似的模擬。LED在LGP中心位置時入光比例達到最高。因此在背光源設計時盡量讓LED對準LGP中心，同時為了不讓LED偏出最佳入光位置，可以設計一些定位裝置，尤其是大尺寸背光源，如果背光源平整度不夠導致變形，可能產生局部入光效率低，直接導致LCM的亮度低。
1.5 底反與LGP橫向段位差關系
背光源中，底反的作用是將LED向下出射的光或LGP向下出射的光反射回光學系統中被重新利用。設底反與LGP橫向段位差為變量，底反長于LGP為負，反之為正。模擬結果看，底反長于LGP時入光效率高。
1.6 光學膜材與LGP的位置關系
LGP的上表面一般是鏡面。理論上，光線在LGP中會產生全反射，加蓋光學膜之后光線才能從上表面射出（此時沒有下表面網點），因此，為了防止光線過早從上表面射出，膜材需要在LGP后面。
下圖模擬了光學sheet在不同位置時，背光源上表面入光側的光學效果。a）sheet長于LGP1mm，b）sheet與LGP等長，c）sheet比LGP短1mm。
從光線追跡情況看，sheet長于LGP時，LED上方的光線會被導出，導致邊緣光線過強，產生亮線或亮帶（上圖a和b）。
1.7 使用條件對光效的影響
1.8 LED驅動電流
LED為電流驅動元器件，需要在一定電流下工作。一般LED有正常工作電流范圍。為了充分提高LED的亮度，設計人員通常將LED電流設定在可接受范圍內的較大值。下圖實測了幾種LED的光通量隨正向電流變化曲線。可以看出，LED的光通量基本上隨正向電流的增大而增大。
如果以發光效率（lm/W）和電流的關系比較，發現隨電流增大，發光效率降低。這是因為電流較小時，發光中心吸收能量以后，可激發的電子多，躍遷回到基態以后一部分能量以光輻射形式發射出來。隨電流增大，可激發的電子數趨于飽和，發光效率降低。實驗測試了改變LED電流時發光效率的變化。
1.9 LED工作溫度
LED發光效率與工作溫度有直接關系。因為隨著溫度的升高，
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