中心議題：
- 液晶電視的LED背光設計
- 液晶電視的LED樣品測試結果分析
解決方案：
- 膜材的篩選
- 與LED相關間距的設計
1 引言
如何實現(xiàn)低功耗是LED背光的主要研究方向之一。LED背光主要由Back Cover、LGP、膜材、Mold Frame、LED Bar、Bezel和Panel等組成，其能耗主要體現(xiàn)在LED Bar上。通過合理設計背光結構，挑選適合的膜材搭配，減少LED數(shù)量，提高LED的利用效率，可以大幅降低LED背光的功耗。本文設計了一款118cm（47in）LE背光源，通過對背光結構的設計和膜材的篩選，在保證背光亮度和均一度等光學特性的前提下，減少了LED的數(shù)量，將背光的功耗控制在了較低水平。
2 LED背光設計
LED背光目前主要分為兩種：直下式和側光式。所謂直下式就是在背光的整個背面全部設計LED燈，通常應用于大尺寸的背光，其優(yōu)點是亮度和均勻性好，缺點是使用的LED數(shù)量較多，發(fā)熱現(xiàn)象明顯；側光式是在背光的邊緣處設計LED燈，通常應用于小尺寸的背光，優(yōu)點是使用的LED數(shù)量少，散熱也較好。但隨著LED亮度的提高和背光結構的優(yōu)化，大尺寸LED背光的發(fā)展趨勢將從直下式逐漸轉變?yōu)樗倪厒裙馐剑俚絻蛇厒裙馐剑詈髮l(fā)展成為一邊側光式。雖然直下式背光的亮度和均一度都好于側光式，但是側光式背光的功耗要遠遠小于直下式。本文設計的118cm（47in）LED背光為上下兩邊側光式，上下兩邊各有兩條LED Bar，每條LED Bar上有60顆5630－LED，其結構如圖1所示（文中Panel透過率設置為恒量）。5630－LED的亮度在2010年1月是571m/W，2010年3季度已經(jīng)提升到70～751 m／W，預計2011年3季度將提升到83～851m／W。隨著LED發(fā)光效率的提高，能耗將進一步下降。
圖1 側光式LED Bar結構圖
2.1 膜材篩選
膜材的選擇直接決定了LED背光的性能。
為了使用盡可能少的LED而又保持良好的光學特性，本文設計的LED背光選用了1層擴散膜、2層棱鏡膜和1層雙層增亮膜（DBEF），膜材參數(shù)如表1所示。擴散膜可以改變LGP出射的光路，讓射出的光更加均勻；還可以隱藏LGP 上的dot，使從正面看不到散射點的影子，擴大視野角，提升輝度。棱鏡膜即增亮片，主要利用全反射和折射定律，將分散的光集中于一定角度范圍內出射，從而提高該范圍內的亮度。DBEF 是本文LED背光模組的關鍵膜材，可以使整個模組的亮度提升一倍，其工作原理如圖2所示。DBEF可以將不能通過下偏光片的光線反射回背光，經(jīng)背光的二次反射，部分光線又可以通過DBEF和下偏光片出射。經(jīng)過多次回收和利用，光的透過率得以大幅提高。
表1 膜材參數(shù)
圖2 DBEF工作原理示意圖[page]
2.2 與LED相關間距的設計
對背光的合理設計可以提高LED的利用效率。影響LED利用效率的結構參數(shù)主要有3個：LED之間的距離；LED發(fā)光面到LGP入光面之間的距離；LED發(fā)光面和LGP入光面兩者的垂直距離。如圖3所示。只有將三者綜合考慮才能最大化LED的利用效率，從而降低功耗。
圖3 LED相關間距示意圖
2.2.1 LED間距
由于LED是端面發(fā)光，圖4所示為LED端面發(fā)光示意圖，整個LED Bar是不連續(xù)的光源，因此，當LED之間的距離過大時，亮度會下降，并且可能產生明暗相間的Hot Spot現(xiàn)象；當LED之間的距離過近時，雖然亮度得到較大的提高，但需要LED的數(shù)量也會增加，導致LED的低利用效率和背光的高功耗。圖5是試驗得到的LED亮度分布曲線，從圖中可以看到，隨著LED距離的增大，亮度下降；在LED之間的距離d＞4.35 mm時，還會出現(xiàn)Hot Spot現(xiàn)象，曲線波動越大說明Hot Spot越明顯。同時LED Bar的總長度應該小于LGP（1067×604.），所以為了保證LED的亮度以及避免Hot Spot現(xiàn)象，取LED之間的距離d＝3.35mm。
圖4 LED端面發(fā)光示意圖
圖5 LED之間距離與亮度分布曲線[page]
2.2.2 LED發(fā)光面到LGP入光面的距離
理論上LED的發(fā)光面到LGP的入光面之間的距離越小越好，這樣可以充分利用LED所發(fā)出的光；但在實際情況中，由于加工精度、不易組裝等問題，不可能達到零間距。對LED 發(fā)光面到LGP入光面的距離進行試驗，得到LED-LGP之間距離與入射效率的擬合曲線，如圖6所示。可以看出，入射效率隨LED和LGP之間的距離增大而減小，在距離小于0.8 mm時，入射效率降低比較緩慢且在95％以上。因此，考慮到實際加工精度和裝配因素，取LED發(fā)光面到LGP入光面的距離為0.8 mm。
圖6 LED＆LGP距離的入射效率分布曲線
2.2.3 LED發(fā)光面和LGP入光面的垂直距離
LED發(fā)光面和LGP入光面兩者之間的垂直距離通常會被忽略，但如果兩者之間的距離過大，也會嚴重影響入射效率。通過試驗發(fā)現(xiàn)，兩者之間的距離在±0.2mm范圍內時，入射效率變化緩慢，且保持在95％左右，所以控制LED發(fā)光面和LGP入光面的垂直距離在±0.2mm范圍內即可。
圖7所示為兩者之間的距離與入射效率的關系。
圖7 LED＆LGP垂直距離的入射效率分布曲線
3 LED樣品測試結果
根據(jù)上述關鍵設計參數(shù)和膜材的選取進行樣品制作。圖8所示為118cm（47in）LED背光源的實物圖將樣品與同類產品進行了比較，具體測試結果如表2所示。
本文中設計的樣品在保證了光學性能的前提下，實現(xiàn)了低功耗的目標，達到了《平板電視能效限定值及能效等級》中規(guī)定的一級能耗，產品的厚度和色域也具有一定的優(yōu)勢。
圖8 118cm（47in）LED背光源
表2 樣品測試結果
4 結論
設計了一款118cm（47in）LED背光，選用1層擴散膜、2層棱鏡膜和1層DBEF組成背光模組。
根據(jù)試驗對影響LED利用效率的相關尺寸進行了優(yōu)化：LED與LED之間的距離d＝3.35mm，LED發(fā)光面到LGP入光面的距離為0.8mm，控制LED發(fā)光面和LGP入光面水平中心的距離為±0.2mm。在保證背光光學特性的前提下，盡可能減少了LED的數(shù)量，實現(xiàn)了背光的低功耗。
