LED背光源设计参考

LED背光源设计参考 LED背光模组的结构的发展 1、背景和目的 LED背光源的市场占有率迅速扩大。目前，LED背光模组的技术正在发展，LED背光模组的结构正在发展。 据亿光透露，三星公司打算进一步把直下式LED背光液晶电视的厚度继续往下做薄，当然，还需要克服很多技术困难，另外，结合侧光式LED背光与直下式LED背光的技术也有机会推出(侧光式LED背光液晶电视走俏 超薄设计是动因)。 海信认为，首先是直下式占据LED高端，而侧入式占据LED低端;接着侧入式逐渐取代CCFL背光，而直下式又逐渐取代侧入式(“第4届中国国际新光源&新能源照明论坛”)。 日本Techno System Research的林秀介在 “第7届TSR研讨会2010”上，介绍了高速增长的LED背光液晶电视的下一个发展趋势(大势所趋的LED背光液晶电视的下一个发展趋势)。据介绍，许多面板厂商 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 削减导光板而非单边配备LED,以降低成本。直下型方式为了减少LED的使用个数，一般使用镜头盖(Lens Cap)。通过镜头盖的改良，可将背光单元的厚度“减薄至1.5cm”. 因此，正在下面几方面进行研发: 第一，对现有的侧入式背光模组进行改进。 第二，对现有的直下式背光模组进行改进。 第三，设计和开发同时具有直下式和侧入式背光模组的主要优点而没有二者的主要缺点的新型的背光模组。侧入式背光模组的主要缺点是直下式背光模组的主要优点，直下式背光模组的主要缺点是侧入式背光模组的主要优点。二者具有很强的互补性。 “中国电子报”对背光模组的重要部件，如导光板、扩散板、反射板、光源的专利分别进行了统计。截至2009年3月31日，TFT-LCD背光模组技术领域的中国专利申请共计2381件。其中，发明专利申请数量为1885件，实用新型专利申请数量为466件。 2、侧入式LED背光模组 侧入式背光模组的主要缺点是:(1)LED封装与导光板的耦合效率(coupling efficiency)还可以提高;(2)应用于大尺寸时具有挑战性;(3)不能进行局域控制(local dimming)。 2.0、传统的侧入式LED背光模组 传统的侧入式LED背光模组的结构包括，LED光源设置在导光板的侧面，导光板的底面上形成网点。LED封装发出的光耦合进入导光板，通过反射片和网点的反射和散射，向液晶屏方向传播。 对于传统的侧入式LED背光模组，LED芯片发出的光不能全部进入导光板，一方面，一部分光(大角度的光，约20%-30%,取决于封装结构)由于全内反射而不能从LED封装的出光表面射出。另一方面，即使已经从LED封装出光表面射出的光，一部分光由于导光板入光表面的反射，而不能进入导光板，如图1所示。LED封装和导光板之间的耦合方式和效率需要进一步提高。 图1 截面图 2.1、提高LED封装与导光板之间的耦合效率 为了使得LED芯片发出的光全部进入导光板，采用透明胶210把LED封装102的出光表面粘在导光板的入光表面，见图2.由于LED封装的硅胶、透明胶、导光板的折射系数基本上相同，因此，在LED封装的出光表面处基本上没有全内反射，在导光板入光表面处也基本上没有反射，LED芯片发出的光基本上全部进入导光板，耦合效率提高，基本达到100%.另外，由于没有全内反射，LED芯片发出的大角度的光也进入导光板，易于达到亮度的均匀性。 图2 截面图 优势:(1) LED封装和导光板之间的耦合效率提高。 (2)LED封装的出光效率(extraction efficiency)提高约20%-30%. (3)每个LED封装产生的热量减少约8% - 13%. (4)保证同样亮度的情况下，所用的LED封装的数量约减少16%-23%,降低成本。 (5)LED背光模组产生的总热量约减少23% - 33%. (6)能量消耗约减少16%-23%. (7)LED封装的出光角度加大。 2.2、适用于大尺寸电视的带V型槽的导光板 带有V型槽的导光板的侧入式LED背光模组使得LED背光源应用于任意大尺寸的显示屏，而无需采用更高亮度的LED芯片。 导光板401的顶部的中间部位形成V型槽402,并在导光板的底部与V型槽对应的位置设置LED光源408b.使得LED光源发出的光425向上传播时，被V型槽402全内反射，从而向导光板侧面传播，见图3a和3b.LED光源粘在导光板的底部，增加光取出效率。 图3a顶视图 图3b截面图 图3c展示V型槽402a、402b和402c成十字形设置的实施例，可以用于大尺寸的背光源。 图3c顶视图 图3d展示图3c的实施例的示意图。 图3d示意图 优势:(1)适用于任意大尺寸的显示屏。 (2) 薄型化。SMD形式的LED封装的厚度可以做到0.7mm,PCB厚度可以做到1mm,因此，LED背光模组的厚度只比传统的侧 入式LED背光模组的厚度增加1.7mm. (3)LED封装的光取出效率高。 (4)散热较好。 (5)LED封装的出光角度加大。 2.3、减少使用LED封装数量的无导光板的侧入式LED背光模组 没有导光板的侧入式LED背光模组的一个实施例:在一侧设置LED光源205,与其相对的是侧反光片204b,在主反光片204a和侧 反光片204b上形成网点203,调整网点的结构和分布，使得亮度分布均匀，图4a. 图4a截面图 图4b展示在两侧设置LED光源405a和405b,且倾斜成一角度409.网点403形成在主反光片404上。 图4b截面图 优势:(1)没有导光板以及光在导光板中的衰减，因此，减少使用的LED封装的数量。 2)减少产生的热量。 ( 3)减低成本。 ( (4)减轻重量。 3、直下式LED背光模组 直下式LED背光模组的主要缺点之一是:与侧入式LED背光模组相比较，厚度较大。 3.0、传统的直下式LED背光模组: LED光源352发出的光直接向上传播，为得到光分布的均匀性(或RGB混光均匀性)，与液晶屏平面垂直方向的光程(或 RGB混光距离)较大，即，直下式LED背光源较厚，图5 图5截面图 3.1、薄型的带有反射镜的直下式LED背光模组 带有反射镜的直下式LED背光模组的一个实施例:在每一个LED封装203上方处设置反射镜208a,LED封装发出的光被反射镜 208a反射向反光片204c及其上的网点207,被反射和散射后，向液晶屏方向传播，见图6a. 图6a截面图 反射镜208a/308a面对LED光源203的表面具有微结构308b,反射镜208a/308a的设置是从一组设置中选出，该组设置包括，但不限于，图6b展示的结构。 图6b截面图 优势:(1)比较薄。 (2)LED背光模组可以区域控制。 3.2、薄型的带有网点的直下式LED背光模组 反光片上带有网点的直下式LED背光模组的一个实施例:设置LED封装203,使得LED封装发出的光向水平方向传播，被反光片204c、204a、204b及其上的网点208反射和散射，向液晶屏205方向传播。使得与液晶屏垂直方向的光程(或RGB的混光距离)的一部分变成与液晶屏平行方向的光程(或RGB的混光距离)，见图7. 图7截面图 优势:(1)比较薄。 (2)LED背光模组可以区域控制。 3.3、薄型的带有反光结构的直下式LED背光模组 带有反光结构的直下式LED背光模组的一个实施例:设置LED封装203,使得LED封装发出的光向水平方向传播，被反射镜207a和207b、反光片204a/204b/204c、网点208反射和散射，向液晶屏方向传播。使得与液晶屏垂直方向的光程(或RGB的混光距离)的一部分变成与液晶屏平行方向的光程(或RGB的混光距离)，见图8a.反射镜组成阵列。 图8a截面图 反射镜的设置207/307包括，但不限于，圆弧(图8a)、圆形、四方形、六边形，等。每个反射镜307的设置内包括至少一个LED封装303,每个LED封装303包括至少一个LED芯片，见图8b. 图8b顶视图 反射镜307/407/507的反射面209/409/511/512的设置是从一组设置中选出，该组设置包括，但不限于，图8c所示的结构。 LED封装203/303/603的设置是从一组设置中选出，该组设置包括，但不限于，图8d所示的设置。 图8d截面图 优势:(1)比较薄。 (2)LED背光模组可以区域控制。 4、侧入和直下混合式LED背光模组 设计和开发同时具有直下式和侧入式背光模组的主要优点而没有二者的主要缺点的新型的LED背光模组。例如，在直下式背光模组中采用导光板，使得，LED背光模组既可以区域控制，又比较薄。一个LED电视包括一个或多个下面展示的侧入和直下混合式LED背光模组。 4.1、导光板底部形成反射倒锥体阵列的侧入和直下混合式LED背光模组 侧入和直下混合式LED背光模组的一个实施例:导光板201底部形成带有反射面202f的倒锥体阵列202,LED封装设置在与每个倒锥体对应的位置，LED封装发出的光被倒锥体的反射面反射向导光板侧面传播，被导光板底部的反光片和网点反射和散射后，向液晶屏方向传播，见图9a和9b. 图9a示意图:从下向上看 倒锥体具有不同的形状，图9b. 图9b截面图 优势:(1)比较薄。 (2)LED背光模组可以区域控制。 4.2、导光板底部形成倒V型槽阵列的侧入和直下混合式LED背光模组 侧入和直下混合式LED背光模组的一个实施例:导光板底部形成倒V型槽阵列502,LED封装508设置在与每个V型槽对应的位 置，LED封装发出的光被V型槽的侧面503折射，向导光板501侧面传播，被反光片和网点504反射和散射后，向液晶屏方向传播。 见图10a和10b.LED封装508的出光表面被粗化521,出光效率较高。 图10a示意图:从下向上看 图10b截面图 优势:(1)比较薄。 (2)LED背光模组区域控制。 4.3、导光板顶部形成凹槽阵列的侧入和直下混合式LED背光模组 侧入和直下混合式LED背光模组的一个实施例:导光板301顶部形成凹槽阵列302,LED封装304设置在与每个凹槽对应的位置，LED封装发出的光320被凹槽侧边全内反射，向导光板侧面传播，被反光片和网点反射和散射后，向液晶屏方向传播，见图11a和图11b.LED封装的出光表面被透明胶303粘在导光板301底部，出光效率较高，产生较少热量。 图11a示意图:从上向下看 图11b截面图 导光板顶部凹槽602的侧面的形状包括曲线603q(图11c)和折线603t(图11d)。 图11c截面图 图11d截面图 优势:(1)LED背光模组区域控制。 (2)比较薄。 (3)LED封装的出光效率(extraction efficiency)提高。 (4)全部利用LED芯片发出的光，每个LED封装产生较少的热量。 (5)减少所用的LED封装的数量，进一步减少产生的热量。 (6)能量消耗降低。 (6)散热优良。 (7)LED封装的出光角度加大。 (8) LED封装和导光板之间的耦合效率提高 可提高液晶电视LED背光效率的技术 LED相对于CCFL的最大缺点是发光效率低,CCFL通常在80~100流明/瓦,而LED的发光效率只有60,80流明/瓦。但由于CCFL是圆柱形,它所发出的光是无方向性的。当它放在LCD屏幕下方时,尽管采用半圆形反光镜,可以认为仍然有相当多的一部分光被浪费掉了。而LED通常采用侧光辐射,它的光可以比较有效地利用。因此从总体来看,它的效率仍然比CCFL要高,而且LED的发光效率还在逐年提高。 过去都是采用白色LED作为背光,为得到更好的色域表现能力,改为采用RGB三色的LED来混合成白色,但是这样做需要更多的LED。而且由于本来就需要显示彩色,完全没有必要先将RGB的彩色混成白色,再用RGB滤色片滤出彩色。为此三星公司推出了一种无滤色片的RGB场顺序 LED背光技术。 用场顺序方法除去滤色片 但是,想要直接用RGB的LED来取代滤色片看上去好像很简单,其实是不可能的。因为滤色片是把每一个像素都分成三种不同颜色的子像素,如果直接用三种颜色的LED来取代滤色片,就必须采用小到和子像素尺寸一样大的LED来照射每一个子像素,才不会使红光照到绿光的子像素上。这样,LED的个数就要几百万个之多。为维持像素数不变,唯一的方法是重复使用这些像素,也就是采用时分复用制。这样只要顺序地发射出红光、绿光、蓝光,同时控制每个像素的薄膜晶体管(TFT),使其相应地按照该像素在这种颜色时所应当具有的的强度来开启液晶光阀。但是,要顺序地发出红、绿、蓝三种颜色,并能形成一个彩色的视频图象,就必须利用人眼的视觉残留作用。只要这三种颜色顺序重复的周期小于人眼的视觉残留时间,就可以在人们的大脑中形成一个彩色的图象。视觉残留时间实际上就是电视的场频周期, 在PAL制中为五十分之一秒。这也就要求在五十分之一秒的时间内必须完成红、绿、蓝三个图象的显示。因此,这种方式被称为“场顺序”体制,也有人称之为“色顺序”体制。它的工作时序如图1所示。 图1:场顺序的工作时序。 场顺序实际上就是让液晶屏顺序地发出三种不同颜色的图象,然后靠人脑来合成彩色图象。从人眼感受到的效果来看是完全一样的。虽然在硬件实现上产生了极大的差异,但它却带来了很多优点。 首先,这种方法省去了彩色滤色片,而滤色片是光能的主要吸收者,它会损失光能70,以上。图2表明了光能从光源出发以后所受到的损失。 2 图:从背光源出发的光能的损失。 拿掉滤色片以后,不但能免除了滤色片70,的光能损失,而且还可以节省滤色片的成本。滤色片的成本在总成本中占19,,是相当可观的一部分(见图3)。实际上,省去滤色片以后,还可以提高成品率,减少生产时间,这些无形的改进都十分重要。 图3:背光板的成本 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。 其中背光源的25,成本是基于CCFL的数据,如果采用LED作为背光源,它所占的成本将大大超过这个比例,大约要占到50,的成本。采用场顺序制以后,拿掉了滤色片就相当于发光效率提高了70,,这是非常可观的。这意味着LED的数量可以减少70,,LED的成本就可以减少70,。而且LED数量减少70,以后,其发热量可以减少70,,耗电也可以减少70,。 不仅如此,采用场顺序以后,由于不需要再把每一个像素分为三个子像素,薄膜晶体管TFT也可以减少三倍,因此相当于像素面积加大了三倍;或者说,如果保持像素面积不变,在相同的屏幕尺寸下,可以将分辨率提高三倍(见图4)。 4 图:场顺序不需要把每个像素分成三个子像素。 由此可见,采用场顺序后所带来的好处是不计其数的。 场顺序的主要问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 是要求液晶的响应时间要快。尤其是如果采用了100Hz或120Hz的场频,就要求其响应时间小于3ms甚至更短。最近的研究成果表明,采用掺入金属纳米的方法,可以把液晶的响应时间缩短到500微秒。 不过,也只有采用场顺序以后才能使得LED背光实现商业化,也才能够真正和CCLF竞争。 三星公司在06年推出了几款采用场顺序的LED背光液晶电视机。其中一款为40寸的LE40M91,它的分辨率为1 2366×768,色域达到110,,对比度可达10,000:1,亮度可达450cd/m,场频为100Hz,背光系统的功耗比CCFL降低了70,。背光板的寿命提高一倍以上,更重要的是不含汞,符合RoHS 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。它的售价为3,000美元。 区域亮度控制 采用LED背光时,过去存在一个如何使屏幕的亮度均匀的问题,通过采用区域亮度控制不但能够解决亮度均匀的问题,而且还可进一步降低背光功耗。这是因为实际的图像在每个具体部位的亮度是不一样的,可能有的区域较亮、有的区域较暗,所以完全没有必要在整个屏幕采用均匀亮度的背光,可以采用根据图象 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 决定的区域亮度控制。实现方法是:将整个屏幕分隔为例如20个等份,根据图象内容测出其最高亮度,确决该区域所需的背光亮度,然后对该区域的背 光LED亮度利用PWM技术进行实时控制,从而实现节能的目的。在采用背光的区域亮度控制以后,该区域的图象信号也应加以相应的补偿,以免产生亮度失真。 显然,CCFL背光是不可能实现这种区域亮度控制的,一方面是因为CCFL的形状是长条形,根本无法按屏幕分成20个等份的区域;另一方面则是因为它的亮度也不可能按照图象的内容进行快速调整。不过,在采用LED作为区域亮度控制时,只能采用直下式背光,而不能采用侧射式。 在2006年SID会议上,台湾交通大学提出了一种整体上是直下式,而单个来看却是采用侧射式的LED,从而提高了其光线利用率,减少了所需LED数目并提高了效率。这种技术主要是采用侧射式LED搭配以六角形导光单元(见图5)。 图5:采用侧射式LED和六角形导光单元的“直下式”LED导光系统。 由图中可见,在270×480mm的面积里,一共需要R、G、B各14颗,总共42颗侧射式LED(图6)。 图6:侧射式LED的方向性图。 对于32寸的屏幕,其面积比上述面积大2.22倍,所以大约需要93颗LED,这一数量远远少于一般的直下式背光系统。但因为采用六角形的结构,所以只能采用RGB,而无法采用RGGB。这要求绿色的LED要有足够大的光输出。 最近三星公司推出了70英寸的LED背光液晶电视PAVV LED 70(LA70F91BD),它实现了上下左右180度的视角,采用了120Hz驱动,使影像响应时间提高到8ms。并且采用了三星公司的LED智能光源技术(Smart Lighting),即区域亮度控制(Local Dimming)。它把整个屏幕分为192个区域。根据输入的图象的内容来分别调节各个区域 2的亮度,从而显著地提高了画面的对比度和色彩表现能力。其分辨率为1920×1080,亮度600cd/m,对比度达到2,000:1,动态对比度达到50万:1,可以显示10亿7,000万种颜色。而且耗电量也降低了50,,延长了液晶屏的寿命。而且,通过高速影像模式(LED扫描),能够实现图像无抖动无残像的影像画质。产品厚度控制在149mm。 韩国LG公司称这种技术为AFLC(Area Focused Luminance Control,即区域聚焦亮度控制)技术,而日本的NEC称之为AGCPS(Auto Gama Control and Power Saving, 即自动伽码控制和功耗控制),采用这种技术以后,功耗还可以减少一半。 因此,如果把场顺序和区域背光相结合,就有可能把整个背光系统的功耗降低到CCFL的一半以下。这是非常惊人的功耗节省。 本文小结 采用LED作为液晶电视的背光已经是不可逆转的潮流。根据Insight Media 在2006年作出的估计,用LED背光的LCD TV将在2010年超过CCFL背光的液晶电视机。估计的绝对数字远远偏小,但是相对值还是可信的。 LED背光看上去好像没有什么太复杂的技术,只要把LED点亮就可以。但如果要应用到液晶电视中就涉及很多非常复杂的技术。这种技术是生产背光板的企业所不能单独完成的,而必须由生产液晶电视机的企业、生产背光板的企业和生产LED驱动芯片的企业三方紧密合作才有可能完成。如果不尽早起步,我们又将远远落后于日本和韩国,甚至会再一次面临缴纳巨额专利费的困境。“中国是家电生产的大国,但是不是家电生产的强国。”我们必须彻底改变这个状况～唯一的方法就是加大研发投入。美国的很多企业都将营业收入的20,以上用于研发。希望将来政府也要鼓励和支持企业加大研发的投入,这才是中国企业的出路。 作者: 美国PAM公司 茅于海