大尺寸直下式LED 液晶電視背光模組設(shè)計(jì)原理

何勝斌，佟小龍

(深圳市兆馳股份有限公司，廣東 深圳 518026)

電視作為最重要的消費(fèi)電子產(chǎn)品之一，經(jīng)歷了從CRT TV 到LCD TV 再到今天的LED TV。所謂的LCD TV 和LED TV，指的是背光源是LCD 燈管還是LED 燈珠組成。隨著LED 技術(shù)的發(fā)展和LED 芯片的不斷成熟，加上節(jié)能、環(huán)保，目前市面上主流銷售的基本上是LED TV。

液晶屏是通過(guò)薄膜晶體管驅(qū)動(dòng)電極來(lái)顯示圖象［1］，但是其是被動(dòng)器件，需要安置一定的發(fā)光部件，使光透過(guò)液晶屏。這個(gè)一定的部件稱為背光源，由發(fā)光源和光學(xué)輔助器件一起來(lái)完成，其作用是將LED 點(diǎn)光源轉(zhuǎn)化為發(fā)光均勻的面光源。本文重點(diǎn)研究直下式結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析各部分部件，找出高亮度、高均勻性的大尺寸直下式電視的設(shè)計(jì)方法。

1 LED 液晶電視的背光分類

LED 液晶電視依據(jù)光源器件放置的方式可以分為直下式和側(cè)光式兩種背光源。直下式背光源:把LED 光源直接放在液晶屏的下面，LED 燈珠發(fā)出的光經(jīng)過(guò)一段空間距離到達(dá)擴(kuò)散板，擴(kuò)散板把光擴(kuò)散再經(jīng)過(guò)復(fù)合膜片增亮后，成為面光源到達(dá)液晶屏;側(cè)光式背光源:在機(jī)器側(cè)邊放置LED 燈珠，發(fā)出的光耦合到導(dǎo)光板，轉(zhuǎn)為面光源，再經(jīng)過(guò)復(fù)合膜片增亮后，成為面光源到達(dá)液晶屏。中、大尺寸的液晶電視［2］使用側(cè)光式背光源時(shí)，導(dǎo)光板的成本和尺寸、重量成正比關(guān)系，而且面光源的均勻性和到達(dá)液晶屏的亮度等指標(biāo)會(huì)下降，工藝復(fù)雜;而直下式LED 背光源由于是直接光源向上，經(jīng)過(guò)光學(xué)輔助器件的擴(kuò)散和混合，到達(dá)液晶屏的面光源均勻性較好，并且工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。

對(duì)于側(cè)光式LED 背光模組，由于燈條和導(dǎo)光板之間耦合效率的問(wèn)題，LED 芯片發(fā)出的光不能全部進(jìn)入導(dǎo)光板，一般在80%左右，因此光損較大，而直下式在這方面由于光路直接，明顯效果好;

由于背光源在液晶屏下面排布，因此可以把排布的燈珠按功能區(qū)域進(jìn)行矩陣分割，不同的區(qū)域分別控制發(fā)光與否和電流，進(jìn)而獨(dú)立調(diào)整各區(qū)域的明暗度，這樣在能效方面和暗場(chǎng)畫面尤其表現(xiàn)優(yōu)秀。

隨著光學(xué)透鏡的不斷改良，直下腔體(混光距離)也越來(lái)越薄，各大電視廠商及科研機(jī)構(gòu)在持續(xù)投入研究和創(chuàng)新，尤其在性價(jià)比更高的直下式大尺寸LED 電視。

2 確認(rèn)設(shè)計(jì)指標(biāo)

設(shè)計(jì)任務(wù)選定42 寸直下式LED 液晶電視機(jī)為第一款設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目過(guò)程中積累經(jīng)驗(yàn)。液晶屏采用的是奇美V420H2-P01，透過(guò)率為5.0%，關(guān)鍵指標(biāo)要求:中心輝度≥350 nit，亮度均勻性≥75%，可視角上下≥75 度，左右≥80 度;厚度類同于側(cè)光式液晶電視機(jī)的整機(jī)厚度，整機(jī)厚度≤76 mm，這點(diǎn)很關(guān)鍵，市場(chǎng)推出的時(shí)候，給用戶不會(huì)造成太厚的印象;其余按國(guó)標(biāo)，成本為重要考慮。設(shè)計(jì)中分別對(duì)結(jié)構(gòu)和光學(xué)進(jìn)行重點(diǎn)突破:

2.1 直下式背光模組的結(jié)構(gòu)

由于要兼顧整機(jī)厚度和散熱、成本，設(shè)計(jì)中大膽直接采用模組的鐵背板當(dāng)成整機(jī)的后背板，在四周按照120 度的視角進(jìn)行折邊，見(jiàn)圖1，這樣給消費(fèi)者感覺(jué)依然很薄。

圖1 下式背光模組的結(jié)構(gòu)示意圖

在大框架確認(rèn)后，確定的直下式超薄模組剖面示意圖見(jiàn)圖1，包括如下器件:背光驅(qū)動(dòng)板、LED 燈條及散熱裝置、各種膜片、擴(kuò)散板、前框、中框和后背板。

從圖1 的設(shè)計(jì)圖紙中可以看出，直下式背光源其實(shí)可以理解為腔體結(jié)構(gòu)，混光距離實(shí)際上是由燈條到擴(kuò)射板之間的高度決定。LED 發(fā)出的光，到擴(kuò)散板的距離越大，光學(xué)在空間混合的越均勻，但是距離越大，會(huì)導(dǎo)致亮度下降，結(jié)合到整機(jī)要設(shè)計(jì)的厚度這個(gè)前提，計(jì)算減去解碼板的高度和其他部品料厚后，我們確定混光距離為31 mm。

考慮到大尺寸的注塑問(wèn)題，中框設(shè)計(jì)成分段式，后背板里面用鐵條加強(qiáng)強(qiáng)度，燈條所用的板材采用鋁基板，能快速散熱，并貼裝在鐵后背板上，在背板的靠中間處燈條控制線引出到后背板反面上的解碼板上，優(yōu)化整機(jī)走線工藝。

2.2 直下式背光模組光學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

直下式背光源設(shè)計(jì)時(shí)，首先以液晶電視所用液晶屏的尺寸為前提，選用白光LED 燈珠，圍繞著液晶屏正確顯示圖像為中心，綜合考慮光學(xué)設(shè)計(jì)和電路［3］設(shè)計(jì)的要求，技術(shù)關(guān)鍵是控制亮度均勻性，提高發(fā)光效率和減少燈影。

2.2.1 燈珠選用

典型LED 燈珠發(fā)光各點(diǎn)照度示意圖如圖2。

圖2 LED 燈珠發(fā)光各點(diǎn)照度示意圖

從上圖可以得到A 點(diǎn)的照度為E=I(θ)cos3θ/h2，從公式可以看出，A 點(diǎn)的照度(正比于光通量)和距離的平方成反比，和角度的余弦的三次方成正比。

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，均勻性測(cè)試是按照九點(diǎn)測(cè)試的方法進(jìn)行的，即將整個(gè)電視顯示屏幕均勻分為九等份，全白場(chǎng)信號(hào)下，將規(guī)定九個(gè)點(diǎn)的最小亮度值除以最大值然后百分比。要使整機(jī)在均勻性達(dá)標(biāo)，需要根據(jù)圖2 表達(dá)的公式對(duì)九個(gè)點(diǎn)的照度進(jìn)行計(jì)算，而一般屏最大亮度是在九點(diǎn)的中心點(diǎn)，因此這個(gè)公式是選定LED 燈亮度和數(shù)量的基礎(chǔ)之一。

在正常發(fā)光狀態(tài)下，LED 的亮度正比于其功率，隨著LED 技術(shù)的發(fā)展和封裝技術(shù)的推進(jìn)，目前大功率的LED 燈珠技術(shù)日漸成熟。

均勻性的另一個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是需要配合LED 的發(fā)光曲線來(lái)選定匹配的燈罩。因?yàn)長(zhǎng)ED 芯片(chip)理論上是360 度發(fā)光，但是實(shí)際上LED 燈珠的結(jié)構(gòu)是芯片放置在LED 支架上得以固定，因此能從表面出的光一般在120 度左右。燈罩是使發(fā)出光的角度變得更大，并充分在混光空間里面進(jìn)行混合，提高均勻性和減少燈影。

設(shè)計(jì)之初，我們就要充分考慮到光通量的需求量，進(jìn)行理論計(jì)算。經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，選定了3528 尺寸的燈珠做為基礎(chǔ):3528，封裝尺寸:3.5(L)* 2.8(W)* 0.8T(mm)，發(fā)光角度120°最大正向電流350 mA，工作溫度范圍－40 度～+100 度，典型電流值320 mA 情況下，光通量為100 lm，VF 3.0 V～3.3 V。其優(yōu)點(diǎn)是功率［4］和光通量處于比較好靈活配置的數(shù)據(jù)，封裝尺寸對(duì)透鏡的設(shè)計(jì)有利。

單燈珠經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)方LED622 儀器對(duì)其測(cè)試，數(shù)據(jù)如下圖3。

圖3 LED 燈珠發(fā)光光學(xué)參數(shù)

2.2.2 匹配透鏡的設(shè)計(jì)

透鏡的作用是把LED 發(fā)出的光，繼續(xù)打散，擴(kuò)大角度，壓低燈珠中心點(diǎn)亮度，使光均勻并處理燈影的出現(xiàn)。

透鏡由光學(xué)級(jí)PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱:亞克力)注塑而成，PMMA 的特性:透光率高，3 mm 厚度時(shí)，穿透率可達(dá)93%左右。

經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算和軟件模擬，根據(jù)圖2 公式，要滿足均勻性九點(diǎn)≥75%和亮度指標(biāo)≥350 nit，單LED 加上透鏡后的光學(xué)指標(biāo)要求必須達(dá)到150 度以上發(fā)光角度，用單燈間距76 mm 數(shù)目15 顆LED 的燈條，42 寸腔體里面平行放置4 根LED 燈條，燈條與燈條之間間距100 mm，效果最佳，燈影完全看不到。

實(shí)際設(shè)計(jì)出的透鏡如圖4，圖5。

圖4 透鏡正面效果圖

圖5 透鏡反面效果圖

透鏡周邊的三個(gè)PIN 腳用來(lái)固定透鏡到PCB 板上，防止透鏡松動(dòng)，光學(xué)特性要求透鏡和LED 燈珠配合精度非常高;透鏡的正面中間凹下，起到壓制中心點(diǎn)LED 發(fā)光亮度的作用，在反面可以看到配合光打散的紋路并且向外不等間距擴(kuò)散。單LED 燈加上透鏡經(jīng)過(guò)測(cè)試出來(lái)的光學(xué)曲線如第78 頁(yè)圖6。

圖6 LED 燈珠加透鏡后發(fā)光光學(xué)參數(shù)

從圖6 中可以看出，LED 燈加上燈罩后發(fā)光角度增大到155 度;同時(shí)，經(jīng)過(guò)透鏡的中心亮度降低，達(dá)到1/5 以上的比值，配合LED 本身的發(fā)光曲線，起到發(fā)光均勻的效果。

用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件LightTools 對(duì)初始整體設(shè)計(jì)進(jìn)行光學(xué)模擬，追蹤光線，得出的結(jié)果是擴(kuò)散板表面共射出55 流明的總光通量，亮度、九點(diǎn)均勻性等指標(biāo)光學(xué)軟件顯示能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 其他光學(xué)器件

其他光學(xué)器件包括白色反射片、擴(kuò)散板、擴(kuò)散片和棱鏡膜，綜合成本沒(méi)有用到3M 公司的D-BEF。

3.1 白色反射片

采用的基材一般是聚脂薄膜(PET)，白色，放置于鐵后背板的底部，把光線反射回?cái)U(kuò)散板，增加光線的利用率。要求選用的材料反射率在97%以上，同時(shí)設(shè)計(jì)的時(shí)候要注意跟形后背板，尤其是處理邊角的暗影。

3.2 擴(kuò)散板

主要材料用的是LPPS，白色，生產(chǎn)的時(shí)候在樹脂層之間加入擴(kuò)散微粒子，因此擴(kuò)散板里面會(huì)有兩個(gè)折射率相異的介質(zhì)，光線通過(guò)的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生許多反射、折射、與散射的現(xiàn)象，達(dá)到把光擴(kuò)散的要求，擴(kuò)散板還能對(duì)直下式模組的燈影起到遮蔽的作用。

3.3 擴(kuò)散片

采用的基材一般是PET +PMMA，作用是使光擴(kuò)散，使光盡量散開(kāi)。在模組結(jié)構(gòu)中，下擴(kuò)放在擴(kuò)散板上面，上擴(kuò)放在所有膜片之上，霧度低，同時(shí)起保護(hù)棱鏡片不被刮傷的作用。

3.4 棱鏡膜

采用的基材一般是PET，表面是高度為20 μm～50 μm左右的微棱鏡結(jié)構(gòu)。其作用是讓經(jīng)過(guò)擴(kuò)散板(片)的光，在棱鏡膜集中在法線70 度范圍內(nèi)出光(全發(fā)射定律)，大于70 度射出的光又被反射回去，循環(huán)作用，最終匯聚在正視方向出射。棱鏡膜一般分為H 和V 兩種結(jié)構(gòu)，搭配使用可以使正面的發(fā)光亮度增加40%以上。

4 運(yùn)用設(shè)計(jì)

運(yùn)用以上設(shè)計(jì)原理，通過(guò)反復(fù)計(jì)算，產(chǎn)品最終用的是下擴(kuò)+V 聚+H 聚復(fù)合膜，1.5T 的擴(kuò)散板，4 ×15 顆3528 的LED 燈條(透鏡加燈珠)。連續(xù)監(jiān)控生產(chǎn)車間的測(cè)試數(shù)據(jù)，所有的指標(biāo)如色坐標(biāo)、視角、亮度、九點(diǎn)均勻性、畫質(zhì)等都符合設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品已經(jīng)成功上市。

5 總結(jié)

通過(guò)分析背光模組的各個(gè)結(jié)構(gòu)部品，運(yùn)用光學(xué)公式，熟悉光學(xué)部品的性能，加上相關(guān)軟件、公式的運(yùn)用，是一般的設(shè)計(jì)原則，熟練的運(yùn)用和不斷的實(shí)驗(yàn)，才能設(shè)計(jì)出性價(jià)比優(yōu)的產(chǎn)品。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得液晶電視的品質(zhì)、成本在不斷地發(fā)展和推進(jìn)，追求更清晰的圖像，更節(jié)能、環(huán)保的電視，促使對(duì)背光模組的設(shè)計(jì)改進(jìn)和創(chuàng)新不斷地進(jìn)行下去。

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