液晶顯示器由液晶盒和背光組件構成，背光源為液晶面板提供足夠亮度和高均勻性的照明，保證液晶顯示器的顯示質量。在大尺寸液晶產品中，常選用發(fā)展較成熟、表面亮度高的CCFL(冷陰極熒光燈管)背光源[1][2]，近年來，CCFL 因功耗高，壽命短，色域范圍窄(僅為NTSC 的75%左右)等缺點逐漸被人們所摒棄。LED(發(fā)光二極管)背光源由于具有節(jié)能環(huán)保、色域范圍廣、色彩表現(xiàn)能力強、壽命長等優(yōu)點迅速發(fā)展并占領市場，隨著LED 光效的不斷提升及其成本價格的降低，LED 背光源必將取代CCFL 背光源，成為市場的主流背光源[3][4]。本文在分析了LED 背光源的發(fā)展前景的基礎上，提出一種新型的側光式LED 背光源，可替代CCFL 背光源應用在大尺寸LCD 產品中，降低成本，提高顯示質量。
1 現(xiàn)有LED 背光源種類分析
LED 背光源的主要作用是將LED 點光源發(fā)出的光線轉化為發(fā)光均勻的面光源。根據(jù)光源在背光源系統(tǒng)中的分布位置的不同，分為側光式和直下式兩種[5]。
1.1 直下式LED 背光源
直下式LED 背光源的結構如圖1 所示，主要包括LED 光源陣列(排布如圖2 所示)、反射層、散射板、棱鏡膜等。該種LED 背光源的設計思想是將LED光源陣列及PCB 板置于背光模組的底部，LED 光源發(fā)出的光線通過底面和側面反射后，再通過表面的散射板、增亮膜后均勻射出。直下式LED 背光源需要多顆LED 光源，因此其功耗高，散熱問題嚴重，一般需要設計特殊的散熱裝置，因此，多數(shù)大尺寸液晶產品生產廠商放棄此種背光源的使用，轉而投入研發(fā)側光式LED 背光源。
1.2 側光式LED 背光源
側光式LED 背光源結構如圖3，主要包括光源、導光板、光源反射罩、棱鏡于發(fā)生全反射而向前傳播[7]，為了得到側面發(fā)光的目的，需要在導光管的一個側面加入微結構，破壞全反射條件，本文中將導光管的一側加入網(wǎng)點結構散射光線，得到了側發(fā)光的微細導光管。該新型背光源的工作原理是：LED 光源發(fā)出的光線耦合進入側發(fā)光微細導光管中，經(jīng)過多次折反射后從側面射出，轉化為與CCFL 出射方式相同的線光源，再入射到導光板中，并在導光板內完成由線光源到面光源的轉化，之后光線均勻、平行的投向下偏光片，然后透過液晶分子及上偏光片，最終成像。
2.2 微細導光管出光面網(wǎng)點排布方式：
背光源系統(tǒng)要求出光具有高均勻性，因此必須設計出光均勻的微細導光管。本方案中微細導光管出光面網(wǎng)點結構為圓形，當光線入射到散射網(wǎng)點結構上時發(fā)生散射，改變傳播方向，從出光面射出。由于光線散射后傳播路徑復雜，為了簡化模型，我們考慮網(wǎng)點半徑為常數(shù)時，導光管出光均勻性情況。
LED 光源可以發(fā)出各個角度的光線，所以假設光線耦合進入導光管后，各方向光線均等的存在，且其傳播狀態(tài)如圖5 所示。由全反射原理可知，只有那些入射角度小于全反射臨界角的光線可以從散射網(wǎng)點射出，這部分光線占所有達到網(wǎng)點上的光線比例可以計算得出。
選擇任意一個散射網(wǎng)點，網(wǎng)點上有來自各個方向的光線，而只有滿足入射角小于全反射臨界角的光線可以從出光面射出，即入射角滿足：
從模擬結果可以看出所設計的導光管亮度均勻性高于98%，符合背光源系統(tǒng)對光源的均勻性要求，其光能利用率約為70%，替代線光源CCFL 后，可實現(xiàn)高均勻性的照明。
此式表明了一個網(wǎng)格單元內，網(wǎng)點面積與平面面積的比值代表了在該網(wǎng)格中光線折射與反射的光通量關系。設網(wǎng)格長度d=1mm，即可計算得出導光管出光均勻時網(wǎng)點半徑r=0.21745mm。
2.3 新型側光式LED 背光源中導光管的設計實例
針對上述分析我們給出一個設計實例，其中微細導光管為直徑5mm 的圓柱體，不加光源和反射罩時長度為150mm，出光面為2mm(寬)×150mm(長)的長方形，導光管兩端為光入射端面，光源在導光管兩側對稱放置，導光管其余面為反射面，鍍有反射膜。為了使盡量多的光線在導光管的出光面射出，在光源端加反射罩?？紤]到導光管材料的吸收、漏光及透光率等因素，對所設計的導光管進行建模并賦予各種屬性，在光學軟件TracePro 中進行大量的模擬分析得到其出光面的照度及照度曲線圖如下：
3 總結
本文在分析現(xiàn)有LED 背光源的優(yōu)缺點的基礎上，提出了一種新型的側光式LED 背光源，該新型背光源采用少數(shù)幾個LED 實現(xiàn)高均勻性的照明，結構緊湊，散熱好，是一種性能優(yōu)越的新型側光式LED背光源，具有一定的應用價值和良好的發(fā)展前景。
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