●文/北京京东方显示技术有限公司李智 布占场 颜凯 鹿堃 王飞

　　摘要：本文阐述了侧边入光式LED背光源光能利用率影响的因素。从背光源结构，散热和驱动方式三个方面阐述如何使背光源的光能得到最大化利用即光能损失降到最低。重点分析了大尺寸TV用背光源。通过光学模拟，给出了结论。散热性方面利用积分球测试不同散热条件下的光通量变化情况。最后阐述了窄边框设计的新特点。

　　关键词：发光二极管，背光源，光效，散热

　　前言

　　LCD（Liquid Crystal Display）作为目前主流显示技术，经过20几年的发展，已经深入到社会的各个领域。尺寸从小到几英寸，大到几十甚至上百英寸。技术也在不断发展。LCD的显示面板因为本身不发光，需要靠额外的光源与之匹配达到最佳显示效果，这种光源就是所说的背光源。

　　早期的背光源器件所用的光源以CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp）为主，CCFL制作工艺相对简单，设计难度小。但是因为CCFL本身含有有毒元素Hg，另外驱动电压高，使得使用受到局限。另外一种背光源光学器件LED（light emitting diode）因为驱动电压低，绿色无污染，目前正在广泛取代CCFL光源。

　　LED作为液晶显示的光源，有其自身的特点：近似点发光，有一定发光角度，色域高，驱动电压低，相应时间短等。因此，用LED做光源的LCD背光源也有自己的设计特点。

　　近些年，由于电子产品增多，能源消耗逐渐增大，控制能源消耗越来越被人们重视，LCD作为电子产品之一，节约能耗逐渐成为产品设计的重点，而节约能耗的同时，又要保证显示效果不能有太大影响，而能耗限制了光源的输出，因此，怎样合理的设计背光源，使光能最充分利用，是目前LCD研发工程师的工作重点之一。

　　LED背光源按照光源位置可以分为侧入式和直下式两种。直下式背光源的光能利用率主要取决于所选择的光学部品特性。设计时，可以选择透过率较高的扩散板和光学膜材，并合理安排LED间距和混光距离。侧入式背光源需将横向传播的光线变成向上传播的光线，通过导光板（LGP）和光学膜材的作用，这期间，背光源部品之间的结构关系决定了光线转换时有多少光线损失掉，对背光源结构设计要求高。本文以LED作为光源，以侧入式背光源作为模型，从几个方面分析了如何使LED的光能合理利用，进而提高背光源亮度。

　　1、实验过程及结论

　　1.1 模型建立

　　本文以46寸侧入式LED背光源作为实验样品，进行实际验证。产品结构如下图：

　　LED光源在背光源的左右两边，还包括底反射片，导光板和光学膜片。胶框起到固定这些光学部品的作用，同时也影响光能利用。

　　1.2 影响因素的光学模拟

　　LED发出的光强近似为高斯分布。光源需要被LGP接收，同时底反和光学sheet也起到阻挡或传播光线的作用。和LED发光面平行的入光面结构直接影响了入光效率。本文对这几者之间的相对位置与入光效率的关系做一深入分析。

　　1.3 LED与LGP的间隙

　　设置好LED的发光方式为高斯发光，设LED发出的光为100%，在LGP与LED发光面平行的表面上设置接收器。接收到LED发出的光为x。改变LED与LGP的间距在0.6mm到1.2mm之间变化。则接收器接收到的光占发出的光的比例曲线如下图。显然，LED离LGP越远，入光效率越低。理论上，零间隙会达到最大入光效率，但实际产品不可能做到，因为考虑到加工公差和受热膨胀，会预留出一定间隙。

　　1.4 LED上下位置

　　接收器位置不变，改变LED上下位置，做类似的模拟。LED在LGP中心位置时入光比例达到最高。因此在背光源设计时尽量让LED对准LGP中心，同时为了不让LED偏出最佳入光位置，可以设计一些定位装置，尤其是大尺寸背光源，如果背光源平整度不够导致变形，可能产生局部入光效率低，直接导致LCM的亮度低。

　　1.5 底反与LGP横向段位差关系

　　背光源中，底反的作用是将LED向下出射的光或LGP向下出射的光反射回光学系统中被重新利用。设底反与LGP横向段位差为变量，底反长于LGP为负，反之为正。模拟结果看，底反长于LGP时入光效率高。

　　1.6 光学膜材与LGP的位置关系

　　LGP的上表面一般是镜面。理论上，光线在LGP中会产生全反射，加盖光学膜之后光线才能从上表面射出（此时没有下表面网点），因此，为了防止光线过早从上表面射出，膜材需要在LGP后面。

　　下图模拟了光学sheet在不同位置时，背光源上表面入光侧的光学效果。a）sheet长于LGP1mm，b）sheet与LGP等长，c）sheet比LGP短1mm。

　　从光线追迹情况看，sheet长于LGP时，LED上方的光线会被导出，导致边缘光线过强，产生亮线或亮带（上图a和b）。

　　1.7 使用条件对光效的影响

　　1.8 LED驱动电流

　　LED为电流驱动元器件，需要在一定电流下工作。一般LED有正常工作电流范围。为了充分提高LED的亮度，设计人员通常将LED电流设定在可接受范围内的较大值。下图实测了几种LED的光通量随正向电流变化曲线。可以看出，LED的光通量基本上随正向电流的增大而增大。

　　如果以发光效率（lm/W）和电流的关系比较，发现随电流增大，发光效率降低。这是因为电流较小时，发光中心吸收能量以后，可激发的电子多，跃迁回到基态以后一部分能量以光辐射形式发射出来。随电流增大，可激发的电子数趋于饱和，发光效率降低。实验测试了改变LED电流时发光效率的变化。

　　1.9 LED工作温度

　　LED发光效率与工作温度有直接关系。因为随着温度的升高，