一种新型侧光式白光LED背光源的设计

液晶显示器由液晶盒和背光组件构成，背光源为液晶面板提供足够亮度和高均匀性的照明，保证液晶显示器的显示质量。在大尺寸液晶产品中，常选用发展较成熟、表面亮度高的CCFL(冷阴极荧光灯管)背光源[1][2]，近年来，CCFL 因功耗高，寿命短，色域范围窄(仅为NTSC 的75%左右)等缺点逐渐被人们所摒弃。LED(发光二极管)背光源由于具有节能环保、色域范围广、色彩表现能力强、寿命长等优点迅速发展并占领市场，随着LED 光效的不断提升及其成本价格的降低，LED 背光源必将取代CCFL 背光源，成为市场的主流背光源[3][4]。本文在分析了LED 背光源的发展前景的基础上，提出一种新型的侧光式LED 背光源，可替代CCFL 背光源应用在大尺寸LCD 产品中，降低成本，提高显示质量。

1　现有LED 背光源种类分析

LED 背光源的主要作用是将LED 点光源发出的光线转化为发光均匀的面光源。根据光源在背光源系统中的分布位置的不同，分为侧光式和直下式两种[5]。

1.1　直下式LED 背光源

直下式LED 背光源的结构如图1 所示，主要包括LED 光源阵列(排布如图2 所示)、反射层、散射板、棱镜膜等。该种LED 背光源的设计思想是将LED光源阵列及PCB 板置于背光模组的底部，LED 光源发出的光线通过底面和侧面反射后，再通过表面的散射板、增亮膜后均匀射出。直下式LED 背光源需要多颗LED 光源，因此其功耗高，散热问题严重，一般需要设计特殊的散热装置，因此，多数大尺寸液晶产品生产厂商放弃此种背光源的使用，转而投入研发侧光式LED 背光源。

1.2　侧光式LED 背光源

侧光式LED 背光源结构如图3，主要包括光源、导光板、光源反射罩、棱镜于发生全反射而向前传播[7]，为了得到侧面发光的目的，需要在导光管的一个侧面加入微结构，破坏全反射条件，本文中将导光管的一侧加入网点结构散射光线，得到了侧发光的微细导光管。该新型背光源的工作原理是：LED 光源发出的光线耦合进入侧发光微细导光管中，经过多次折反射后从侧面射出，转化为与CCFL 出射方式相同的线光源，再入射到导光板中，并在导光板内完成由线光源到面光源的转化，之后光线均匀、平行的投向下偏光片，然后透过液晶分子及上偏光片，最终成像。

2.2　微细导光管出光面网点排布方式：

背光源系统要求出光具有高均匀性，因此必须设计出光均匀的微细导光管。本方案中微细导光管出光面网点结构为圆形，当光线入射到散射网点结构上时发生散射，改变传播方向，从出光面射出。由于光线散射后传播路径复杂，为了简化模型，我们考虑网点半径为常数时，导光管出光均匀性情况。

LED 光源可以发出各个角度的光线，所以假设光线耦合进入导光管后，各方向光线均等的存在，且其传播状态如图5 所示。由全反射原理可知，只有那些入射角度小于全反射临界角的光线可以从散射网点射出，这部分光线占所有达到网点上的光线比例可以计算得出。

选择任意一个散射网点，网点上有来自各个方向的光线，而只有满足入射角小于全反射临界角的光线可以从出光面射出，即入射角满足：

从模拟结果可以看出所设计的导光管亮度均匀性高于98%，符合背光源系统对光源的均匀性要求，其光能利用率约为70%，替代线光源CCFL 后，可实现高均匀性的照明。

此式表明了一个网格单元内，网点面积与平面面积的比值代表了在该网格中光线折射与反射的光通量关系。设网格长度d=1mm，即可计算得出导光管出光均匀时网点半径r=0.21745mm。

2.3　新型侧光式LED 背光源中导光管的设计实例

针对上述分析我们给出一个设计实例，其中微细导光管为直径5mm 的圆柱体，不加光源和反射罩时长度为150mm，出光面为2mm(宽)×150mm(长)的长方形，导光管两端为光入射端面，光源在导光管两侧对称放置，导光管其余面为反射面，镀有反射膜。为了使尽量多的光线在导光管的出光面射出，在光源端加反射罩。考虑到导光管材料的吸收、漏光及透光率等因素，对所设计的导光管进行建模并赋予各种属性，在光学软件TracePro 中进行大量的模拟分析得到其出光面的照度及照度曲线图如下：

3　总结

本文在分析现有LED 背光源的优缺点的基础上，提出了一种新型的侧光式LED 背光源，该新型背光源采用少数几个LED 实现高均匀性的照明，结构紧凑，散热好，是一种性能优越的新型侧光式LED背光源，具有一定的应用价值和良好的发展前景。