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LightTools 在LED背光设计中的应用-北大深圳研究院.doc

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上传者: lifp 2011-10-10 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《LightTools 在LED背光设计中的应用-北大深圳研究院doc》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含LightTools在LED背光设计中的应用金鹏叶浩北京大学深圳研究生院莎益博设计系统商贸(上海)有限公司摘要:在背光的设计中一个主要的目标和挑战是符等。

LightTools在LED背光设计中的应用金鹏叶浩北京大学深圳研究生院莎益博设计系统商贸(上海)有限公司摘要:在背光的设计中一个主要的目标和挑战是保证在垂直于光的传播方向上提升光的利用效率。在背光模组中是通过导光板来实现这一过程的设计的关键就在于找到一种合理的网点分布以获得均匀的亮度分布。利用光学软件模拟可以自动优化这一过程从而简化设计流程。关键词:背光模组导光板LightTools自动优化中图分类号:文献标识码:TheapplicationofLightToolsinLEDbacklightsdesign(PengJinShenzhenGraduateSchool,PekingUniversityHaoYeCybernetCAESystems(Shanghai)Co,Ltd)Abstract:Inthebacklightdesign,amajorgoalandchallengeistoensurethatlightefficiencyhasbeenenhancedinthedirectionthatisperpendiculartothepropagationdirectionoflightInthebacklightmodule,thisprocessisachievedthroughthelightguideplatesthekeyofthedesignistofindareasonabledistributionofnodestoobtainuniformbrightnessdistributionOpticalsoftwarecanautomaticallyoptimizeandsimplifythisdesignprocessKeywords:backlightmodulelightguideplateLightToolsautomaticoptimization引言近年来液晶显示器(LCD)获得迅速发展并逐渐以主流产品出现在显示市场相应的作为LCD显示的核心技术之一的背光源技术也得到了很大的发展【】。目前所采用的背光源有卤钨灯、电致发光(ELD)、冷阴极荧光灯(CCFL)、阴极发射灯(CLL)和LED灯等。每一种背光源技术在特定的应用环境中都有各自的优缺点【】其中LED技术因其长寿命、高效率、响应速度快、低维护和低功耗等优势使得LED已逐渐取代CCFL大量应用于中、小尺寸面板背光源并正在向Monitor、NB、LCDTV等大尺寸面板背光领域迈进。此外由于LED体积更小允许LCD背光模块实现更薄并且LED的色彩饱和度可以达到接近远优于CCFL一般~的表现水准因此即使目前LED应用在大尺寸LCDTV的成本仍高于CCFL而且还存在着一些诸如白光一致性问题、RGBLED色移等难题【】需要解决但是在高色彩饱和、高寿命以及符合环保规范的优势下市场对未来LED取代CCFL成为大尺寸面板背光源的主流应用仍持高度期待。随着市场竞争的日趋激烈设计出好的背光产品对厂家来讲就至关重要。导光板作为侧光式背光模组的关键部件其所占的成本比较高因此对导光板的结构进行设计和优化具有重要意义。光学设计软件的逐步完善使很多设计变为可能从而有利于增进设计的效率加快产品的上市时间让产品拥有无比的竞争优势。本文利用光学设计软件LightTools介绍了背光设计技术所面临的主要挑战和应用期望能够对背光的设计起到参考作用。LED背光模组构成LED背光系统主要包括:LED光源、导光板、增光片、反射片、扩散板、棱镜片、框架等其结构如下图所示。图侧光式背光模组结构示意图背光系统作为LCD面板的主要组件约占面板材料总成本的~【】并且随着背光面板尺寸的变大背光模组占面板成本的比例也会随之明显增加。导光板是背光模组中的关键组件导光板的作用是改变LED入射光的方向通过内部微结构的设计破坏原有的全反射使光线在其中发生反射与折射达到出射时的均匀亮度反射片可以将从导光板下表面透出的光线反射回导光板中提高光能的利用率扩散膜的作用在于柔和光线分布尽量减小亮暗区的差异使光的分布更加均匀棱镜片则是将散射的光束会聚通常还贴有增光膜以提高视角范围内的正面亮度故又称增光片。目前LCD背光模组主要有侧光式结构和直下式结构。侧光式结构如上图所示将光源置于模组的边缘通过导光板将光均匀的导出并由扩散膜和棱镜片将光线汇聚在选择的视角范围内。一般适用于寸以下的背光模组如手机、MP、车载面板等具有轻薄化的特点但光能利用效率不高。在较大尺寸下侧光式背光源的发光均匀性和发光亮度都受到限制导光板的重量和成本也随尺寸的增大而有很大的增加。直下式背光源相对来讲工艺简单不需要导光板其技术关键在于色彩和亮度均匀性是目前大尺寸LCDTV背光源研究开发的主流。其结构如下图所示从LED发出的光经过底面和侧面反射在通过表面的扩散板和光学模组均匀射出。图直下式背光模组结构示意图背光设计技术的主要挑战在背光的设计中一个主要的目标和挑战是保证在垂直光的传播方向上提升光的利用效率如下图所示。图光线传输示意图在背光模组中是通过导光板来实现这一过程的。目前导光板多采用透光性好、可塑性好、强度较高的工程材料主要是聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA俗称亚克力或有机玻璃)它们具有良好的光学特性且白光穿透能力高。作为关键组件导光板的加工工艺受到众多厂商的重视。目前主要有两种制作方法【】:一是印刷法即用高反射率且不吸光的材料(含TiO的光学油墨)在导光板表面印刷众多大小不一的微小凸点但此种方法合格率低另一种是非印刷法该法先将网点蚀刻在高强度的钢板上然后利用注塑工艺直接冲压出一体化的导光板。入射光在导光板的传导过程中若碰到散光点就会形成各个角度的漫反射光光能量的传播是随导光板的长度变化的因此为保证出射光的均匀出光的效率要随导光板长度的增加而增加如下图所示。漫反射光的强弱与该位置的入射光强度成正比与散射点的面积成正比。因此在入射光传播过程中由于漫反射作用使得入射光的强度在逐渐减弱因此为了保证导光板两边出光能够均匀靠近光源这端的散射点的直径要小一些而在另一端的直径则要大一些如图所示。图设计目标:照度、亮度均匀性图导光板网点示意图改变光提取效率的方法有多种:可以通过改变导光板上网点的密度、网点大小以及网点的排布间距等方式。导光板底面的具体网点分布与LED的实际配光曲线有关与背光板的具体尺寸也有关设计的关键就在于找到一种合理的网点分布以获得均匀的亮度分布。关于网点分布的理论『』比较典型的有超均匀分布理论、斥力缓和法以及在这两种方法基础上发展起来的动态均匀分布理论。这种方法为了克服摩尔条纹先将整个面板分成几个合适的小的区块然后对每个小的区块的网点数进行反复优化然后再利用分子斥力调整密度差值较大处即可。动态分子法进一步发展了这种理论它提出了划分单元格和截止半径的概念每个单元格中的网点密度单独确定截止半径的存在可以有效地防止网点密度过密过稀的问题以此获得整个板面照度辉度值的均匀。可以按照上述方法利用光学软件进行建模设置不同的网点参数网点参数可以是大小或密度变化的二维或三维网点。为提供最好的均匀性可显示网点的密度变化为避免产生莫尔条纹每个区域网点的密度是不一样的。然后利用蒙特卡罗随机光线追踪的方法进行光度计算和模拟并对追踪结果进行分析以确定将导光板分割的单元数目然后通过对输出的照度分布图形进行的分析通过不断反复调整网点参数进行优化可以得到最终最佳的亮度和均匀性。如下图所示从开始的时候进行次评价函数的计算优化得到合适的目标样本。在LighTools里面还提供了一个特别的网点优化工具叫做BPO(BacklightPatternOptimization),它是由ORA专门开发的对手机和仪器仪表盘背光进行网点设计的优化工具它可以实现对上述网点设计的自动优化。BPO通过改变网点的间距和大小来实现设计的要求网点优化可以是维的平面网点也可以是维的网点。图印刷式导光板网点的自动优化另外在背光的设计里对LED的选型也很重要。因为LED外形结构决定着LED诸如发光强度、半强度角等光学参数而LED灯的光场分布类型对背光源的色彩和亮度均匀性起着重要作用。对于小尺寸背光源应选择出光面为边发射型的LED可以使光线更为均匀的进入导光板可节约LED的个数。对于大尺寸的LED背光源应选择出光面为朗伯型的LED发光强度高以保证背光源的亮度。但是由于光源的光场分布不同会造成不同的出光效果比如边发射型LED由于其中间光强偏低易造成暗斑影响背光源的均匀性。这都需要我们用光学软件来实现模拟和分析以找到一种光场分布更适合于背光源均匀性要求的LED光源。​ 结语随着LED发光效率的提高和成本的逐渐下降其在背光领域的应用越来越得到业界的关注和研究。相信不久LED背光源照明的LCD产品将越来越多进入普通家庭给更多的人们带来全新的色彩感受。参考文献​ 赛迪顾问股份有限公司年中国中小尺寸液晶面板产业发展研究年度报告中华显示网​ 高鸿锦LCD相关原材料产业发展态势(下)现代显示:​ 晓歌对比解析CCFL与LED背光源实用影音技术:​ 孙智慧等一种新的用于直下式LCD背光源的LED:​ LED背光模组产业现状及未来发展趋势中华液晶网​ 吴桔生等导光板散射点的初步设计现代显示:​ IAmidror,TheTheoryoftheMoire’PhenomenonDordrechtTheNetherlandsKluwerAcademicchap..​ TIdeHMizutaHNumata,Y:TaimM.SuzukiM.NoguchiandY.Kastu.DotpattemgenerationtechniqueusingmoleculardynamicsJ.J.Opt.Soe.Am():

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