隨著人類社會(huì)進(jìn)入知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，信息和知識(shí)傳播實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，用于實(shí)現(xiàn)信息交流的終端設(shè)備顯示技術(shù)發(fā)展迅速，液晶顯示作為顯示技術(shù)之一，發(fā)展迅速。因?yàn)長(zhǎng)CD本身有不發(fā)光的缺點(diǎn)，所以大多數(shù)應(yīng)用都需要配套背光源。

使用的背光源包括白熾燈泡、冷陰極熒光管、 EL片和LED燈等。每種背光源技術(shù)在特定的應(yīng)用環(huán)境中都有其優(yōu)秀的特性。其中，LED技術(shù)的優(yōu)勢(shì)受到人們的青睞。

優(yōu)點(diǎn)：長(zhǎng)壽命、高效率、低維護(hù)和低功耗；體積小，使液晶背光模塊變薄，降低了液晶顯示器與驅(qū)動(dòng)電路之間的連接成本；低電壓驅(qū)動(dòng)，可用5-12VDC直驅(qū)，切換時(shí)間快，允許脈寬調(diào)制亮度，能夠單獨(dú)脈沖控制紅、綠、藍(lán)LED燈的亮度，去掉了全彩LCD顯示器面板后面的紅、綠、藍(lán)三色濾光片等。

一、簡(jiǎn)介

LED背光源近年來(lái)發(fā)展迅速，從早期的底部發(fā)光模式發(fā)展到側(cè)面導(dǎo)光模式。與底部發(fā)光的LED背光源相比，側(cè)面導(dǎo)光的LED背光源具有成本更低、功耗更低、厚度更薄等優(yōu)點(diǎn)。

特別是隨著LED技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了AIInGaP四元系材料和GaN基材料，實(shí)現(xiàn)了LED超高亮度和全色化，使得側(cè)導(dǎo)式LED背光源可以用少量的LED達(dá)到所需的發(fā)光亮度和顏色，取得了令人滿意的效果。LED技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了側(cè)導(dǎo)式LED背光源的快速發(fā)展。下面介紹這種新開(kāi)發(fā)的側(cè)導(dǎo)光LED背光源的原理和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

二、側(cè)導(dǎo)光LED背光源結(jié)構(gòu)

由LED模組、導(dǎo)光板、散射膜、反光紙、邊緣反光膠帶等組成。

在背光源模組中，導(dǎo)光板是關(guān)鍵的光學(xué)元件，它是一種透明的塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，底面涂有白色反射點(diǎn)或注塑成小凸點(diǎn)，邊緣涂有白色反射材料或覆蓋有鏡面反射金屬膠帶。

散射膜是一種半透明的PC材料，可以降低亮度，提高均勻性的作用。反光紙是一張光滑的白色紙，可以起到光反射，減少光線泄漏的作用。

三、側(cè)導(dǎo)光LED背光源的基本原理

側(cè)導(dǎo)光LED背光源的基本原理是利用光全反射原理有效地傳輸光，將線光源轉(zhuǎn)化為面光源。光全反射原理：當(dāng)光線從高折射率介質(zhì)折射到低折射率介質(zhì)(如塑料到空氣)時(shí)，被折射光以比人射光線更傾斜的角度發(fā)射，當(dāng)人體光線的角度大于一定角度時(shí)，光線無(wú)法折射到人體空氣中而全部向內(nèi)反射的現(xiàn)象稱為全反射或內(nèi)反射，當(dāng)折射角等于90°時(shí)，人體光線的角度稱為臨界角。

根據(jù)光折射定律和公式n-1，Sinθ，=n2Sinθ2，可以推導(dǎo)出臨界角θc=Sin-1 (n2，sin90°/n2)=Sin-1 (n2/n1)。已知n2=1(空氣)，n1=1.491(導(dǎo)光板塑料的PMMA材料)，得θc=Sin -10.6707=41.8°，即當(dāng)導(dǎo)光板內(nèi)部的人射光線大于41.8°時(shí)，將發(fā)生全反射現(xiàn)象，然后光線將沿著導(dǎo)光板的方向從一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)。對(duì)于PMMA制成的導(dǎo)光板，透光率高達(dá)92%，霧度很小，光吸收性很少，光可以沿著板材長(zhǎng)距離傳輸，衰減很小。

而導(dǎo)光板的目的是折射來(lái)自表面的光，以形成明亮且均勻的表面光源。因此，導(dǎo)光板的技術(shù)原理一方面是利用光的全反射原理進(jìn)行光的傳輸，另一方面是反方向使用，破壞光全反射的條件，干擾光的全內(nèi)反射光學(xué)要素，改變光線的光路，將光線從導(dǎo)光板表面引出，從而形成面光源作為背光板。

具體設(shè)計(jì)是在導(dǎo)光板的底面印刷白點(diǎn)或者通過(guò)注塑成型小凸起，使得光線在點(diǎn)處漫反射，一部分光線以小于臨界角的角度投射到導(dǎo)光板上并折射出去，一部分光線全反射并返回到導(dǎo)光板，這些光線在導(dǎo)光板的上邊緣全反射，然后返回到底面的點(diǎn)上。

重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到一些光線從表面折射，一些被導(dǎo)光板吸收，一些在某個(gè)界面上丟失，從表面折射出來(lái)的光線是人眼可見(jiàn)的，這部分光線確實(shí)有助于導(dǎo)光板成為背光板，也就是儀器測(cè)到背光源的亮度。

四、側(cè)導(dǎo)光LED背光源的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

側(cè)導(dǎo)光LED背光源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇直接影響背光源的亮度和均勻性。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們不僅要考慮成本因素，還要考慮背光源的亮度和均勻性，以滿足用戶的要求。下面簡(jiǎn)單介紹一下背光源的設(shè)計(jì)方法。

1、散光點(diǎn)的大小和分布的設(shè)計(jì)

目前使用的導(dǎo)光板大多采用開(kāi)模注塑制作，散光點(diǎn)的大小和分布主要由模具廠家設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和調(diào)整確定模具結(jié)構(gòu)。像散光點(diǎn)的大小和分布的設(shè)計(jì)與計(jì)算比較復(fù)雜，尚未形成完整的、成熟的理論。根據(jù)光度學(xué)公式如下：

E=dφ/ds=Icosθ/I2     （1）

dφ=Isinθcosθπr2/I2   （2）

I=D/(2cosθ)               （3）

其中： E——光照度；φ——光通量；S——接收面積；I——發(fā)射光的強(qiáng)度；θ——發(fā)射光方向和接收面的法線之間的夾角；I——接收面與LED光源之間的距離；Io——LED的正常強(qiáng)度；r——接收區(qū)域的半徑；D——導(dǎo)光板的厚度。

根據(jù)公式(1)——距離光照度平方反比定律，越靠近人射端，散光點(diǎn)接收到的光照度越強(qiáng)。散光點(diǎn)接收的光線不僅有一條直射光線，還有多條反射光線，同樣，越靠近人射端，散光點(diǎn)接收到的反射光照度越強(qiáng)，因此每個(gè)散光點(diǎn)的光照度也不同。

對(duì)于簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，散光點(diǎn)的分布是沿著人射光方向陳列排列的，散光點(diǎn)的半徑沿著人射光方向均勻增加。根據(jù)介紹，大點(diǎn)的半徑r——根據(jù)點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離來(lái)確定的，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離越小，r——越小。點(diǎn)之間的距離越大，rmax越大。小點(diǎn)的半徑r——計(jì)算如下：在理想狀態(tài)下，背光源要求表面亮度均勻，即每個(gè)散射點(diǎn)反射到正面時(shí)的光通量dip相等，即DCP=l/n，如果n是人射光方向的散光點(diǎn)個(gè)數(shù)，那么n=W/C，其中W是導(dǎo)光板的寬度，C是散光點(diǎn)之間的距離，根據(jù)公式(2)和(3)計(jì)算最小半徑Rmin。

2、導(dǎo)光板凹面入射面設(shè)計(jì)

導(dǎo)光板的人口設(shè)計(jì)為凹面，可以讓光通禍合進(jìn)行得更好。對(duì)于大多數(shù)LED燈，從表面發(fā)出的光是發(fā)散的。凹面光以最小折射率進(jìn)入導(dǎo)光板內(nèi)，然后導(dǎo)光板邊緣的曲面將光線反射成窄光束。

這樣，更多的光線全反射回導(dǎo)光板，而不是折射到塑料和空氣之間的界面。從而降低LED光損耗，提高背光源的亮度。

3、契形導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)

小型LED顯示器(小于50毫米X100毫米)應(yīng)使用扁平導(dǎo)光板。對(duì)于大尺寸的LED顯示器，使用契形導(dǎo)光板。契形邊緣改變了光板在導(dǎo)光板中的全反射光線的角度，并減小了底面上反射光的角度，一方面減小了導(dǎo)光板表面反射光的入射角，使折射光更接近法線方向；另一方面，它使這部分因反射光角度過(guò)大而無(wú)法從導(dǎo)光板表面折射的光在導(dǎo)光板表面折射出去，從而提高了LED光利用率、提高了背光源的亮度。

4、選擇合適的LED造型結(jié)構(gòu)

LED的外觀結(jié)構(gòu)決定了LED光學(xué)參數(shù)的分布特性。具體來(lái)說(shuō)，就是影響LED的發(fā)光強(qiáng)度，一般來(lái)說(shuō)，發(fā)光面凸起的LED發(fā)光強(qiáng)度高，半強(qiáng)度角小，光線集中。發(fā)光面平坦的LED發(fā)光強(qiáng)度低，半強(qiáng)度角大，散射光多。

對(duì)于小尺寸的LED背光源，應(yīng)選擇平板LED，使光線均勻進(jìn)入導(dǎo)光板；對(duì)于大尺寸的LED背光源，應(yīng)選用凸形LED，發(fā)光強(qiáng)度高，這樣才能保證背光源的亮度。同時(shí)要考慮LED的尺寸，LED的厚度要小于導(dǎo)光板的厚度，這樣LED發(fā)出的光才能盡可能進(jìn)入導(dǎo)光板。

5、消除LED入射區(qū)域的亮線

側(cè)面裝配LED與導(dǎo)光板時(shí)，光線進(jìn)入導(dǎo)光板后會(huì)出現(xiàn)一條沿LED方向的亮線，會(huì)影響背光源的亮度均勻性。消除這種現(xiàn)象有兩種方法：一種是用黑色涂料或覆蓋一層遮光紙來(lái)吸收光線。

另一種是空白過(guò)渡法，即底面不印刷白色網(wǎng)點(diǎn)，不注塑小凸點(diǎn)。利用全反射原理，光在空白過(guò)渡區(qū)被反射回導(dǎo)光板。這種空白過(guò)渡帶必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。

6、選擇合適的散射膜和反光紙

散射膜提高了均勻性，但降低了亮度。反光紙可以提高LED光能的利用率，減少光能泄漏，提高亮度。因此，對(duì)這兩種光學(xué)薄膜的反射率和透過(guò)率都有很高的要求。應(yīng)選擇合適的反射率和透射率，以兼顧亮度和均勻性，并獲得令人滿意的結(jié)果。

五、結(jié)論

隨著需求的多樣化，用戶對(duì)側(cè)導(dǎo)光LED背光源的尺寸、形狀、發(fā)光顏色、亮度均勻性等有了很多要求，這對(duì)材料設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要結(jié)合光學(xué)原理，多做實(shí)驗(yàn)，積累經(jīng)驗(yàn)，才能設(shè)計(jì)出性價(jià)比優(yōu)異的背光源。