使用LED邊緣光源技術(shù)優(yōu)化背光系統(tǒng)

經(jīng)過優(yōu)化，有著優(yōu)異發(fā)光效率的背光單元的系統(tǒng)設(shè)計使LED技術(shù)的優(yōu)點發(fā)揮到了極致。這些優(yōu)點的意義非常重大，使得LED正飛快地朝著更薄和更高效的方向發(fā)展。

這些優(yōu)點使手持設(shè)備的體積更小和更薄，并具有更高效率的LCD、鍵盤和觸摸屏，以及具有背光的超薄鍵盤的薄型便攜和桌面計算機LCD。最新的設(shè)計可以通過更少的LED器件，提供幾乎在任何顏色背景下的高亮度和發(fā)光的一致性。生產(chǎn)成本更低、更薄、更輕的背光單元包括小于0.6mm厚的背光組件，并使用薄至0.25mm的導(dǎo)光體已經(jīng)成為事實，如圖1所示。背光單元的厚度已經(jīng)達到了場致發(fā)光背光的厚度，并具有當(dāng)今先進LED所具有的優(yōu)異發(fā)光特性和其他所有優(yōu)點。

圖1 背光單元已經(jīng)達到了令人驚異的厚度，并具有發(fā)光一致性和高亮度的特點

LED已經(jīng)遠遠超出了它最初應(yīng)用的便攜/手持領(lǐng)域，并成為各種消費類、工業(yè)、汽車和醫(yī)療顯示設(shè)備等中等尺寸LCD（對角線3.5〜7英寸）背光的標準，以及用在筆記本電腦、桌面顯示器、平板電視等中大尺寸LCD中。現(xiàn)如今，這些設(shè)備的設(shè)計者和生產(chǎn)商對LED背光的進步起到了推動的作用，更寬的彩色光譜、更長的壽命、直流供電、不需要變極器、更低的功率消耗、更高的設(shè)計靈活性、很小的外圍尺寸和更低的成本都是LED背光的優(yōu)點。當(dāng)然，LED的制造過程也不含有汞元素，并一直作為“綠色”環(huán)保的背光光源。

新型解決方案的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)超出了顯示器背光的范圍，例如，用于通道出口指示牌和各種信息提示牌的邊緣光源導(dǎo)光單元，以及用于桌面臺燈和熒光燈等向下照明的邊緣光源。新的設(shè)計方法，如邊緣光源和平板光源正使這種優(yōu)勢得到更大的發(fā)展。

邊緣光源LED背光
邊緣光源使用側(cè)面點亮的高效率LED器件，這樣的LED器件可以使光聚焦到高性能、非常薄的導(dǎo)光體上。有許多種利用發(fā)光技術(shù)的領(lǐng)域：印刷、蝕刻（使用化學(xué)、激光或其他手段）、V形開槽和顯微鏡透鏡等，每個各領(lǐng)域都可以被提供針對特定應(yīng)用的優(yōu)化解決方案，如表1所示。

由于LED器件位于導(dǎo)光體的邊緣，這種安裝方式也帶來了很多優(yōu)點，包括更好的光學(xué)控制，特別是色彩和多個LED器件發(fā)光的一致性，以及在所有等級上發(fā)光參數(shù)更好的復(fù)現(xiàn)性，并降低了功率消耗，而且?guī)缀跏亲畋〉腖ED發(fā)光解決方案。

邊緣光源背光允許多種顏色的光在導(dǎo)光體內(nèi)混合。這不僅排除了LED之間的發(fā)光偏差（這種偏差在直接發(fā)光方式中是最常見的），而且使邊緣光源導(dǎo)光體非常適合當(dāng)今的多功能顯示設(shè)備，允許設(shè)計者使用更少的LED器件和降低成本。

為了維持優(yōu)化的效率，導(dǎo)光體的厚度應(yīng)該和LED的光輸出截面相匹配。當(dāng)LED器件的發(fā)光截面很窄時，邊緣發(fā)光導(dǎo)光體的厚度將不斷降低。然而，以非常薄的厚度制造高效率的導(dǎo)光體需要制造和光學(xué)領(lǐng)域中的先進技術(shù)。

使用透鏡陣列建模設(shè)計導(dǎo)光體
用于增強發(fā)光一致性的關(guān)鍵技術(shù)是透鏡陣列，如圖2所示。透鏡陣列具有將光重新分布的特征，它們位于導(dǎo)光體的光輸入邊緣（LED器件的前面）。這些陣列增加了導(dǎo)光體內(nèi)光線射出的角度，使用更少量的光源就能提供視覺外觀的一致性，而且減少了當(dāng)靠近LED器件觀看時所產(chǎn)生的像素過大的現(xiàn)象。使用透鏡陣列允許降低所用LED器件的數(shù)量，但同樣能夠達到發(fā)光均勻的背光。這就降低了成本、節(jié)省了空間體積、減少了器件數(shù)量和功率消耗。

圖2 使用透鏡陣列的配置降低了LED的數(shù)量并同樣能夠達到發(fā)光的一致性

對于圖3中的例子，所用的是兩個側(cè)面發(fā)光高亮度LED器件，并使用經(jīng)過優(yōu)化的邊緣光源導(dǎo)光體進行光耦合。之后，為了確定系統(tǒng)中的自然光譜進行了基線光學(xué)建模。建模完成后，一個經(jīng)過定制的光學(xué)透鏡陣列被增加進來，以改善從LED器件發(fā)出的可以利用的光，并且將光的出射范圍擴展到比LED器件制造商原始設(shè)計更廣的地步。

圖3 通過使用定制的光學(xué)透鏡，原始設(shè)計中光的自然光譜（上）得到了增強，并可以提供更加廣泛的光譜（下）

背光的應(yīng)用
便攜計算機廣泛使用了邊緣白色磷光LED器件發(fā)光的背光系統(tǒng)。對于這樣的應(yīng)用，一個藍色LED裝在黃色磷光體中就可以轉(zhuǎn)換成可見的白色光。白色LED仍然比CCFL具有更寬的彩色光譜（大約75%，而CCFL大約為70%～80%），而且還具有很低的功率消耗。

通常情況下，這種背光光源的厚度有2～3mm，然而，利用LED器件和導(dǎo)光體技術(shù)的優(yōu)點，薄至0.4～0.6mm的背光光源已經(jīng)生產(chǎn)出來了，用于減少這些設(shè)備的總體重量和厚度。

新型更薄的基于LED的背光光源也在便攜設(shè)備的鍵盤中得到應(yīng)用，它可以帶來更加優(yōu)化的亮度和發(fā)光一致性，以及使用更少的LED器件。因此，降低了背光光源的成本和功率消耗。這種背光設(shè)計利用微透鏡分光技術(shù)和光學(xué)工程來增加光通過鍵盤按鍵的效率，并通過增加多個發(fā)光性能相同的發(fā)光體來增加亮度。

顯示領(lǐng)域之外的應(yīng)用
邊緣光源的優(yōu)勢是不會對背光LCD或者鍵盤產(chǎn)生任何限制的。與導(dǎo)光體對接在一起形成的邊緣光源系統(tǒng)提供了極大的設(shè)計靈活性，可以用于各種發(fā)光技術(shù)和在通常發(fā)光應(yīng)用中加工成各種各樣的形狀和尺寸，例如，通道出口指示牌、屋頂照明燈、櫥柜內(nèi)部照明、裝飾燈、書桌臺燈、電冰箱照明，以及櫥柜照明（如藥品柜）等。

圖4中的邊緣光源平板顯示了一個發(fā)光薄板用間接光源產(chǎn)生的漫射光，具有厚度非常薄、發(fā)光效率又比較高的特點。這種類型的平板可以在各種應(yīng)用中定制，如向下照明的熒光燈凹槽、櫥柜內(nèi)照明、辦公桌照明和電冰箱內(nèi)部照明等。發(fā)光平板可以通過平鋪的方式擴大照明面積，或者直接加工成各種大尺寸的，以便使用一塊導(dǎo)光單元就能照亮超過對角線60英寸的面積，而厚度卻非常薄。

圖4 發(fā)光薄板可以使用0.2英寸厚的邊緣光源導(dǎo)光體

在發(fā)光效率方面的這些新優(yōu)點和批量生產(chǎn)能力，以及透鏡陣列和光學(xué)建模技術(shù)，正用于提高當(dāng)今LED器件的發(fā)光效率，實現(xiàn)了從小型（對角線0.24英寸）到大型（對角線60英寸）顯示設(shè)備的邊緣光源導(dǎo)光單元。這些導(dǎo)光單元隨著技術(shù)的發(fā)展不斷降低厚度，而且需要更少的LED器件就能適合寬范圍的應(yīng)用，從顯示器的背光到通用的照明設(shè)備。