led背光模组匀照明的设计研究.pdf
潘道明
[摘 要]随着人们对图像的质量、尺寸、临场效果的要求提升，大尺寸的LED液晶电视越来越多的成为消费者首选。但是传统LED无法实现直下式背光产品的超薄化设计，针对这种情况，本文提出在传统LED表面增加大出光角的透镜，经过二次光学处理，增大LED的出光角度，从而改变传统直下式LED背光受制于出光角影响，合理选择灯珠、设计匹配的透镜加上适当的光学器件组成直下式背光源，将LED这种点光源转化成均匀的面光源，同时保证必要的光能利用率和均匀性。很好地解决了无法实现节能超薄的弊端。
[关键词]二次光学设计；直下式；背光透镜；大角度背光系统
中图分类号：G575 文献标识码：A 文章編号：1009-914X（2017）48-0297-01
随着LED液晶电视市场的迅速扩大，消费者对LED液晶电视的要求也越来越高，无论是从画质体验上，还是从外观设计上，都要求LED液晶电视厂商不断有新突破。LED背光模组主要分为侧光式与直下式两种，侧光式LED背光的优势是轻薄化，但是画质不能达到理想效果，而直下式LED背光则可以利用其自身优势，通过区域动态控制来实现画质的优化，但是，目前的液晶LED直下式背光模组中仍然存在许多技术性的问题，其一便是厚度较大。针对这一技术问题，本文提出通过最大范围减少直下式LED背光混光距离，实现背光模组超薄化设计。
1 传统直下式LED背光源的技术设计缺陷
在传统直下式LED中，背光所用LED发光透镜是一次性光学设计。受设计空间限制，透镜的光线分布在士60°的立体角内，辐射角一般符合120°的郎伯体分布。因此，就传统LED直下式LED背光源，首先要考虑背光源节能降耗，这就要尽可能减少LED灯发光体颗数。可是如果减少了LED灯发光体的颗数又很难避免LED灯影的存在。在大尺寸超薄直下式LED背光模组设计时，若要实现超薄化设计，在混光距离一定的情况下，搭配普通膜片架构，需要使用很多颗LED密集排布才能实现超薄化设计，但是LED颗数的增加，会导致LED背光模组功耗升高，同时也会造成成本的上升。新的背光设计的要求应该是既美观又能减少能耗。这就要跳出传统设计的束缚，考虑新的设计思路。
2 常用解决LED灯影方法及不足
常用的解决LED灯影现象的方法大体有以下几种：
（1）使用高雾度的光学膜片对灯影进行遮盖：在传统的直下式LED背光设计中，针对所出现的轻微LED灯影现象，可以选择使用高烟雾扩散而不是普通的扩散片，也可以选择使用两种普通扩散板进行覆盖。如果LED灯仍未被覆盖，则考虑两张高雾度扩散片，或者将交叉BEF加上一层DBEF，可以有效消除LED灯影现象。
缺点：使用高雾扩散片会减少LED背光亮度，增加LED的亮度损失。虽然DBEF对LED灯影有显著影响，但成本较高，在某些方案下，即使是DBEF也不能被有效覆盖，仍然会有轻微灯影存在。
（2）对LED增加二次光学设计：在超薄直下式LED背光设计中，为减小混光距离，通过透镜的二次光学设计，透镜可装配在LED光源装置中，采用上述透镜结构，LED发出的光从透镜底面进入时，大量的光线射入第一凹部的表面上，光线首先在通过凹部表面时发生折射，其后从透镜的上表面射出时，再度发生折射。通过两次折射，可以使得LED发射的光线较大幅度地扩散，而在多个LED光源装置应用到背光模组中时，仅需要较小的距离就可以使多个LED光源装置产生良好的混光效果，即对模组的厚度要求变小，有利于模组的超薄化设计。
缺点：利用二次透镜方式，虽然可以实现直下式LED背光的较薄化设计，但二次透镜的设计开模成本昂贵，组装生产工艺更为复杂。
3 改进的直下式背光
从以上的叙述中可以看出，要想设计出既薄又节能的直下式背光，关键得从LED方面入手。必须借助先进的设计来改善的直下式背光模组现状，本文正是基于此方面提出的方案设计。
（1）增加LED光出光角设计。由于现有的传统出光角比较小（120°郎伯体分布），不适合做超薄型直下式LED背光。可以考虑让传统LED的出光角增大，为了达到这个目标，本文提出了一种可以使LED发出的光发散增加出光角的透镜。当LED射出的光线在法线的下侧时，折射光线就会向下偏转，即光会发散。基于这个想法，考虑可以把透镜的内表面设计成一个锥形面。而这个锥形面的顶角在一定范围内情况下，可以使LED发出的光线完全散射。经过研究发现，当顶角A小于出光角时，发出的光线绝大部分会发散。如果得出光角为±60°，则就可以取在0°～60°。然后把透镜的外轮廓做成半径比较大的圆弧状，使圆弧上每一点的出射光线都能相对入射光线向下偏转，即光从介质出来的时候也会发散。光线进入透镜和穿出透镜两次发散，使普通的出光角大大增加。
（2）背光设计：把以上提到的新型LED应用到的直下式背光模组中，按照光从介质传出光路进行排列。这种方式的背光有诸多优点增加光利用率，减小LED颗数，降低LED背光模组功耗并减少直下式背光混光距离，实现背光超薄化设计。
4 结论
本文提出的方法——使用大出光角度LED作为背光源，搭配纵横交叉微结构扩散板的新型光学架构，实现了LED背光模组的超薄化设计；若采用多颗LED密排的方式，则会进一步减小混光距离，达到混光距离小于1cm的超薄化设计。LED颗数增多以后，为降低系统成本，可以相应降低单颗LED的功率，从而在背光整体成本变化不大的基础上实现超薄的直下式LED背光液晶电视。
参考文献
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