側(cè)導(dǎo)光LED背光源的設(shè)計(jì)

　　一、引言

　　隨著人類社會(huì)進(jìn)人到知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，信息和知識(shí)傳播實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化，用以實(shí)現(xiàn)信息交流的終端設(shè)備顯示技術(shù)發(fā)展迅速，作為顯示技術(shù)之一的LCD顯示器隨之發(fā)展很快，由于LCD具有自身不發(fā)光的缺點(diǎn)，所以在大多應(yīng)用場(chǎng)合要求配套背光源。所采用的背光源有白熾燈球、冷陰極熒光管、EL片和LED燈等。每一種背光源技術(shù)在特定的應(yīng)用環(huán)境中都有各自優(yōu)異的特點(diǎn)。其中LED技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)備受人們的青睞。其優(yōu)點(diǎn):長(zhǎng)壽命、高效率、低維護(hù)和低功耗;體積小，允許LCD背光模塊薄，減少LCD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直接驅(qū)動(dòng)，且轉(zhuǎn)換時(shí)間很快，允許脈寬調(diào)制亮度，能夠通過(guò)單獨(dú)脈沖控制紅、綠、藍(lán)LED燈亮暗，可以除去全色LCD顯示器面板背后的紅綠藍(lán)過(guò)濾器等。

　　LED背光源在近幾年迅速發(fā)展，從早期的底面出光方式發(fā)展到側(cè)導(dǎo)光方式。側(cè)導(dǎo)光LED背光源比底面出光LED背光源具有成本低、功耗低、厚度薄等優(yōu)點(diǎn)。尤其隨著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)光LED背光源可利用較少的LED個(gè)數(shù)達(dá)到所需的發(fā)光亮度和顏色的要求成為可能，發(fā)揮出令人滿意的效果，LED技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了側(cè)導(dǎo)光LED背光源的迅速發(fā)展。下面介紹一下這一最新發(fā)展的側(cè)導(dǎo)光LED背光源的原理及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

　　二、側(cè)導(dǎo)光LED背光源的結(jié)構(gòu)

　　側(cè)導(dǎo)光LED背光源的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是由LED組件、導(dǎo)光板、散射膜、反光紙、邊緣反光膠帶等組成的。

圈1 側(cè)導(dǎo)光LED背光源結(jié)構(gòu)示愈圖

　　在背光源組件中，導(dǎo)光板是關(guān)鍵的光學(xué)元件，它是一塊透明的塑料聚甲基丙烯甲脂(PMMA)材料，底面涂上白色反射點(diǎn)或注塑成小凸點(diǎn)，邊緣涂上白色反射材料或覆蓋一張鏡面反射金屬膠帶。散射膜是一張半透明的PC材料，起到降低亮度，提高均勻性的作用。反光紙是一張光滑白色的紙片，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 L ED背光源的基本原理是利用光全反射原理以有效地傳輸光，并將線光源轉(zhuǎn)變?yōu)槊婀庠?。光全反射原?當(dāng)光線從折射率高的介質(zhì)向折射率低的介質(zhì)(如塑料到空氣)折射時(shí)，被折射的光以比人射光線較斜的角度發(fā)射，當(dāng)人射角大于某一角度時(shí)，光線不能折射人空氣中而全部發(fā)生向內(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)的人射角稱為臨界角。其原理如圖2所示。

圖2 光線全反原理

　　根據(jù)光 折射定律及公式n-1,Sinθ,=n2Sinθ2,可推出臨界角θc=Sin-1(n 2,Sin90°/n2)=Sin-1(n2/n1)，已知n2=1(空氣),n1=1.491(導(dǎo)光板塑料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)，會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，這時(shí)光線會(huì)沿著導(dǎo)光板方向從一邊傳輸?shù)搅硪贿?，?duì)于PMMA材料的導(dǎo)光板，其透光率高達(dá)92%,霧度很小，具有很小的光吸收性，光可以沿著板材傳遞很長(zhǎng)距離而衰減很小。而導(dǎo)光板的目的是使光線從表面折射出去形成一個(gè)光亮均勻的面光源。因此導(dǎo)光板的技術(shù)原理一方面是利用光全反射原理進(jìn)行光的傳輸，另一方面是反其道而用之，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，使光線從導(dǎo)光板的表面引出，形成面光源成為背光板。具體設(shè)計(jì)是在導(dǎo)光板的底面印刷白色網(wǎng)點(diǎn)或注塑成小凸點(diǎn)，使光線在點(diǎn)上產(chǎn)生漫反射，一部分光線以小于臨界角的角度人射到導(dǎo)光板的上面并折射出去，一部分光線發(fā)生全反射回到導(dǎo)光板內(nèi)，這些光線在導(dǎo)光板的上邊緣發(fā)生全反射又回到底面的點(diǎn)上。這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)發(fā)生，直到光線有的從表面折射出去，有的被導(dǎo)光板吸收，有的損失在某一界面上，從表面折射出去的光線為人眼所見(jiàn)，這一部分光線真正為導(dǎo)光板成為背光板做出貢獻(xiàn)，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)和材料選用，直接影響背光源的亮度及均勻性。在設(shè)計(jì)中，既要考慮成本因素，又要兼顧背光源的亮度及均勻性符合用戶的要求。下面簡(jiǎn)要介紹一下背光源的設(shè)計(jì)方法供參考。

　　1、散光點(diǎn)的大小和分布的設(shè)計(jì)

　　目前采用的導(dǎo)光板大多數(shù)采用開(kāi)模注塑而成，散光點(diǎn)的大小和分布主要由模具制造商設(shè)計(jì)并通過(guò)多次試驗(yàn)調(diào)整方案，最終確定模具結(jié)構(gòu)。散光點(diǎn)的大小和分布的設(shè)計(jì)與計(jì)算較復(fù)雜，還沒(méi)有形成完整、成熟的理論。根據(jù)光度學(xué)公式如下:

　　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)射光方向與接收面的法線之間的夾角;I-接收面離LED光源的距離;Io-LED的法向強(qiáng)度;r-接收面積的半徑;D一導(dǎo)光板的厚度。

　　根據(jù)公式(1)一照度的距離平方反比定律可知，越靠近人射端，散光點(diǎn)所受到的光照度越強(qiáng)。從圖3所示，散光點(diǎn)所受到的光線除了一次直射光線外，還有多次反射光線，同理可得，越靠近人射端，散光點(diǎn)所受到的反射光照度越強(qiáng)，因此各個(gè)散光點(diǎn)的光照度不相同。為簡(jiǎn)便設(shè)計(jì)，散光點(diǎn)分布是沿人射光方向陣列排列，