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　　LED背光源在LCD上的应用：

　　1前 言

　　在目前的平板显示(FED)器件中LCD显示器件据主流地位，而在现有的LCD器件中，大多数是透射型的
。对于这些透射型的LCD器件来说，背光源是它们不可缺少的组成部分。

　　在LCD背光源中，虽然冷阴极荧光灯(CCFL)目前占据着统治地位
，但LED具有宽色域、白点可调、高调光率及长寿命等优点，故近来被开发为新型的LCD背光源，井已在一些台式LCD监视器以及LCD电视中得到应用。

　　LCD用LED背光源(以下简称为LED背光源)是一种新型的背光源技术，其种类很多
，但是在LCD器件中尚未得到普遍应用
，因为还有技术问题或成本方面的问题有待于解决
。对于一些较为实用的LED背光源，本文将在后面的段落中加以介绍。

　　2 静态照明LCD背光源

　　提高光效
，从而提高屏输出光与光源输出光的比例是改进LCD背光源的一个重要途径
。静态照明LCD背光源便是其中的一种
，其主要原理是使LCD的每个亚象素只通过与其相应的色元件进行照明(图1)
，从而省去了滤色器，提高了光效。

　　2.1 结 构

　　在具有静态照明背光源的LCD中，像素层下面装有一微透镜阵列，并且使每一个像素下均对应一个微透镜
。这里采用的背光源照明系统是三原色直视背光源
，每种颜色的光源均在与之对应的亚象素上成像，井经由投影透镜投射在显示屏上
。

　　为了在显示屏上取得足够的亮度，并且提高显示的均匀度：在本LCD器件中采用了光折射元件与总内部反射器(TIR)楔形光导板，光导板内具有合适的折射层
。

　　静态照明背光源通常采用红绿蓝三根CCFL。最近研发的静态背光照明LCD采用了LED作为其背光源
。

　　2.3 静态照明的LCD背光源特性

　　在具有静态背光源LCD器件中，由TIR楔形光导管输出的光分布角为70°～90°。使用这种背光源消除了因滤色层造成的光损失(省去了滤色层之故)，而使器件的透射率达到了传统LCD的三倍。同时，这种背光源又能使器件的结构得到简化
，并且能够降低功耗。

　　为了进一步减少光源的光损失，改进光的分布角度消除因使用汞产生的环境污染问题，以LED取代CCFL作为器件的背光源成了静态照明LCD背光源的发展趋势。目前已在33cm对角线的XGA级分辨率的LCD器件中成功地采用了LED静态照明背光源
。因这种器件的功耗大大降低了，故非常适合作高亮度的应用
。

　　3 反馈型LED背光源

　　采用红绿蓝色光的LED作为LCD背光源可以获得优异的色质，降低功耗，避免使用汞造成的环境污染，需要控制白光的色温
，以取得足够长的寿命。

　　最近开发了一种以红绿蓝光LED为光源
，采用了色传感器与反馈控制器的反馈式LCD背光源。利用这种背光源，现已取得了《0.02的色稳定性与持续的亮度稳定性，并且还可以利用其任意控制器件的白色点与亮度。

　　3.1 结 构

　　反馈式LED背光源系统是由四个主要的功能模块组成
，它们是具有滤色层的传感器，反馈控制器，脉宽调制(PWM)LED驱动器以及红绿蓝lux-eonTM型LED光源阵列元件。

　　3.1.1LED光源

　　此处的LED光源所使用的LED为luxeon式氮化铟镓(InGaN)的蓝光管与绿光管以及磷化铝铟镓的(AllnGaP)红光管，它们都是大功率高效型的。图5是这些LED背光源的发射光谱线性能
，图6是在其温度为85℃时的典型寿命性能。这种背光源具有很低的动态电阻
，以PWM恒定电流驱动，光源的光输出正比于PWM的脉宽
。这种光源具有色域宽
，色品度可调及环保的优点
。

　　3.1.2 传感器

　　这里使用的传感器是由具有滤色层的三只装在一个元件中的光电二极管及其具有互相阻抗放大的印刷电路板组成。传感器的滤色层具有CIE193lXyzCMFs近似值
。利用这种传感器
，可以获取测量辐射功率的输出电压。在将所获取的电压馈送到控制器之前
，该电压会被系统平均化
。

　　3.l.3 LuxeonTM型驱动器

　　这种驱动器是一个能升降输入电压的开关电源。它是由一个开关式电压——电流放大器以及必要的电路组成
，能够对用于LCD系统的600Hz高频PWM进行预处理
。为了不引起过量的电磁干扰
、功率损失与抬高成本，本驱动器上无反馈回路
。

　　3.1.4 反馈控制器

　　反馈控制器由三部分组成，即色控制器、占空因数控制器与光强度控制器。色控制器具有一灵敏集成阵列

，用于补偿来自传感器的输出误差
，从而保持了输出色度的恒定

。光强度控制器的核心为一敏感矩阵
，该矩阵具有把传感器输出向LED电流占空因素转换的功能
，并使输出亮度与温度的关系以及色度在任何时候都保持不变，这可以从测量中得到
。

　　3.2 特 性

　　采用反馈型LED背光源
，可使LED器件在25℃～70℃的温度范围中
，取得《0.003A△u’v’的色漂移
，并可以得到可接受的色稳定性：在处理光反馈信号时
，不需要有大的预处理功率
。此外


，如前文所述，这样做还有色域与环境保护的好处。

　　4 新型光导板结合式LED背光源

　　如果在LCD背光源系统中采用高亮度红绿蓝光LED就需要有混色装置
，以在光源的光到达LCD板前进行混色。在传统的LCD背光源中，混色是以独立于光轴抽取结构(白色涂层或微透镜)的光导极中进行的。为了照亮整个显示区，就得采用两块光导板，这会使背光源变得又重又厚，并且还会产生光导板的亮度与色度难以匹配等缺点。

　　为了克服上述缺点
，荷兰近来开发一种新的LED背光源，它将分离的混色光导板与传统的光抽光导板结合在一起。

　　4.1 结合式LED背光源的结构与工作原理

　　背光源是由LED光源①
、第一椭圆镜面②
、混色光导板③、第二椭圆镜面④

、反射膜⑤、主光导板⑥
、校准与偏振控制膜⑦、框架⑧与散热片⑨组成
。这些部分在图7与图8中
，均以上述编号表示。

　　工作时，由LED光源①发出的光经第一椭圆②作90°的反射，耦合人混色光导板③
，光经混色光导板混合成相应的白光后，再被耦合入第二椭圆④作90°反射，进入主光导极⑥。主光导板具有屏象素图案
，该图案是为LED光源的光分布而作了优化的。来自第二椭圆镜面的光经主光导板射向LCD板
。

　　为了进一步改进色均匀度，在主光导板的光进入一边还配备了一条微棱镜
，它的作用是增加光的角分布，从而改进光色的混合。

　　在椭圆镜面上制以高反射率的铝膜
，并采用了高反射率的线条，以提高反射率。椭圆镜面使LED所发光的光学轴作了相对于光导平面90°的旋转，因而使本背光源的结构变得更加紧凑
。

　　4.2性能与优点

　　本文中的光导板结合式LED背光源对角线为38cm，具有34只luxeomTM型LED，管子的节距为9mm
，驱动功率为45W。利用这种LED背光源，已取得了4300cd/m2的峰值亮度。

　　新型光导板结合LED背光源有以下几个优点：

　　●重量轻，厚度薄，坚固耐用;

　　●与现存的背光源技术与制造机制兼容;

　　●可以与各种光导板，甚至包括具有预制象素图案的平面屏以及具有微往面透镜结构的楔形光导板结合;

　　●适用屏的尺寸范围较大(25.4cm-5lcm)，而LED的节距与光导板的长度却可以保持不变;

　　●其每个LED的输出光通可以稳定地增加，从而可以在不增加LED数量与减少LED节距的情况下达到给定的亮度;

　　●可以通过加长光导板长度，较容易地改进混色性能。

　　5 高亮度直接型LED背光源

　　本LED背光源是一种边光式背光源。作为边光式背光源
，它具有以下三个特点

：

　　●其发光面可以沿其光学轴作360°发射;

　　●可以用较薄的镜片覆盖较大的面积;

　　●可以用简单的结构进行混色。

　　先前的边光LCD用背光源存在着以下一些缺点：

　　●因为光导板是用丙烯酸制作的

，因而用于大尺寸的LCD电视(LCD—TV)时
，会使其重量加大，并使成本增加;

　　●抑制与吸收紫外线;

　　●在用于彩色显示时，难以将大功率红绿蓝LED用在直接背光源中。

　　为了解决上述问题并提高LED背光源的性能。美国与日本
、荷兰以及马来西亚合作
，研发了一种新颖的高亮度直接型边光式LCD-TV用LED背光源。在这种背光源中
，不用光导板，而是通过在LCD板后面的空腔中放置LED阵列代替之。采用这种LED背光源
，可以做到在保持良好的光效时
，能够较好地控制亮度与颜色的均匀性。

　　5.1 结构与工作原理

　　高亮度直接LED背光源是由以下几部分组成的：

　　(1)安装在金属芯印刷电路板上的两条由48只LED组成的线式阵列;

　　(2)装有上述LED阵列的金属盒，在盒的内表面涂有一层扩散反射膜，移动该膜后面的LED非发光面
，可以减少对光线的再吸收，从而取得高光效;

　　(3)位于LED阵列上方的换向器
，其作用是防止LED在朝向屏的路径上脱离轴光线。换向器可以做得很小
，例如6mm，以阻止屏蔽对LCD屏的影响
，因为这种影响会波及到LCD的亮度。由于换向器的尺寸有所不同
，故它对发自LED的光有6%～40%的影响
。同时
，如果将换向器做得很小，便可使LED阵列置于一普通而简明的空腔内
。只要调节换向器，便可取得所需的高亮度特性;

　　(4)在上述金属盒内表面涂扩散发射膜
，该膜可以取得30%～40%的反射率;

　　(5)位于LCD之间的亮度增强膜，用以增加屏的亮度;

　　(6)位于LCD板后面的朗伯反射空腔，其侧壁为镜面。由LED阵列发射的光，有80%是在垂直于光轴±20°以内，在36O°方位上被射入反射腔内的。当光线有效地进入背光源孔时，其自由路径达到最大化，而在采取了适当的LED节距时，就可于紧靠LED阵列正上方的各个方向上取得良好的混色。在LED正上方朝向屏区只有约5%的光。为了将LED正上方的色影响减到最小
，利用换向器使光线改向
，返回LED与朗伯空腔，使这部分光线的平均行程增加，因而产生了附加混色，降低了在LED正上方的色影响。

　　5.2 应用与特征

　　美
、日

、荷
、马四国开发的高亮度直接LED背光源是用于屏对角线为56cm之LCD-TV的，其尺寸为503mm&TImes;282mm。它具有两个由48只LED组成的边光阵列
，两阵列的间距为150mm，其中的LED间距为9mm
。所用的LED中，24只红光LED的总光通量为1039lm
，48只绿光LED的总光通量为2436lm，24只蓝光LED的总光通量为109lm。所有LED的驱动电流为350mA
。当室温下的白点色温为9000K时
，光效为33.2lm/W
。在不使用亮度增强膜时，此背光源可取得5000cd/m2以上的高亮度：若使用亮度增强膜，则可以取得10000cd/m2的亮度。当将这种LED背光源用于LCD板透射率为5%的LCD-TV时
，可使后者具有500cd/m2的亮度。这种背光源与采用了这种背光源的LCD-TV之性能见表1
。

　　6结束语

　　LCD-TV市场的迅速发展
，极大地刺激了LCD背光源的研究与开发
。由于LCD用的LED背光源具有寿命、色域、调率等性能及环保方面的优势

，因而成了倍受青睐的新一代LCD背光源，目前正在蓬勃地发展着。LED背光源的发展方向是功耗与成本更低
、光致更高、寿命更长、更亮与更薄更轻
。随着微机械、微电子及材料科技的进步，必将会有更多朝着上述发展方向的新型LCD用的LED背光源问世
。

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