一种改善亮度均匀性的背光设计方案

A Backlight Design Scheme for Improving Brightness Uniformity

　　柏祥

（康佳集团股份有限公司，广东 深圳 518057）

　　摘要：亮度均匀性是LED背光的LCD液晶电视产品经常面对的问题，也是用户比较关注的问题之一，本文结合实际工作介绍了一种改善亮度均匀性的LCD液晶电视背光设计方案及各个部分的作用，其中主要的特点在于异形灯条的设计。
　　关键词：LCD；LED；DLED；OD；反射片；灯条；扩散板；BEF；DBEF；扩散片；亮度均匀性

　　0 引言

       随着LED的应用普及，目前LCD液晶电视的背光源几乎全部是LED，而背光方案又以直下式背光方案DLED为主流，因为其设计方便、价格低廉而得到广泛应用。
　　本文介绍了一种针对较为特殊的外销客户而量身定做的一种背光设计方案，主要特点在于异形灯条的设计。
　　1 液晶电视背光方案结构

       如图1所示为32寸LCD液晶电视的背光方案及前、中、后壳结构示意图，背光部分从后向前依次为反射片、灯条、扩散板、增亮片、扩散片。
　　下面分别介绍它们的作用：

       （1）灯条的作用是提供光源，采用2×6方案，即两根灯条，每个灯条上面有6个LED灯珠及透镜，透镜的作用是打散LED灯珠发出的光线。LED灯珠选用2 W的规格，寿命可达50000 h以上，电流为600 mA，灯条总功率为24 W。
　　（2）反射片的工作原理如图2、图3所示：把 向 模 组 底 面 传 播 的 光 线 反 射 回 正 面 ， 充 分 利用 L E D 发 出 的 光 。 基 材 一 般 为 P E T 、 聚 碳 酸 酯（polycarbonate）等，厚度约为0.15 mm。 TiO2的折射率很高（n=2.62），把TiO2混合PET或者聚碳酸酯（polycarbonate）等光学上透明度高的树脂，经过微细发泡而形成反射片。泡的直径有数微米左右，泡越维细、密度越高，反射率就越高。泡是折射率约1.00的素材，与透明树脂之间形成良好的屈折率界面。从扩散板折射过来的光线，进入反射片后，通过复杂的折射动作，使绝大部分的光线再次返回到扩散板中。对应不同混光距离和配合不同功率的DLED直下式一体机，需要总结出反射片四角的折角大小。
　　（3）扩散板的工作原理如图4、图5所示，作用是将LED灯发出的光线打散，提高均匀度；掩饰灯影及支架印，避免造成某些地方过亮或者过暗的情况；同时还有支撑其他光学膜片的作用。工作原理是利用光线在行进途中遇到两个折射率相异的介质时，发生折射、反射与散射的物理现象，通过在PMMA、PC、PS、PP等基材（一般厚度为1.0 mm）基础中添加无机或有机光扩散剂、或者通过基材表面的微特征结构的阵列排列人为调整光线，使光线发生不同方向的折射、反射与散射，从而改变光的行进路线，实现入射光充分散射以此产生光线扩散的效果。另外微结构扩散板在扩散板的上表面带有微结构，可提升一定的光强度。且光源的排放距离与光源到扩散板之间的距离OD比值影响光源由点光源到面光源的均匀化效果。

　　（4）增亮片的作用是在于把较大传播方向的光线集中到正面较小的角度内，提高正面光的强度。工作原理如图6所示，基本的增亮片实质是一个棱镜片（BEF），使光折射、反射、集光之后达到增亮的目的。
　　BEF结构如图7所示，在PET基材（厚度约0.25mm）形成精密的丙烯树脂棱镜结构，尺寸约30μm，下面为防粘结涂层。此膜片特点：棱镜打圆角耐刮性强，静电较弱，背面带紫外光涂层，上下表面均无需保护膜，雾度可由背面涂层调整。实际材料图如图8所示。
　　还有一种更高效的增亮片如图9所示：DBEF。
　　DBEF是一种反射型偏光增亮片，通过选择性反射背光系统的光线，使其不被LCD的下偏光片所吸收，使部分光线得以重新利用，因此亮度增加约50%。

      （5）扩散片工作原理是利用光在经过扩散片时会不断地在折射率相异的两介质中穿过，同时发生折射、反射与散射的现象，如此将光线打散，达到模糊光源，使光线均匀的效果。 如图10、图11所示，基材一般为PET，上面为扩散层，下面为防粘结涂层。
　　本背光方案在LCD面板透过率为6.2%的情况下实现250 nits的亮度，通常情况下灯条的设计如图12所示，灯条及灯珠基本上是等间距分布，这样设计简单、易生产，特别对于灯条PCB的利用率高，从而降低了成本。另外，灯条的灯珠相对集中在中心区域是为了保证中心部分的亮度能够满足要求，且大部分人对中间部分的亮度比较关注，这样设计既满足了标准及观看的要求又能照顾到较低的成本。

　　2 亮度均匀性测试

       普通9点亮度均匀性为70%左右，测试方法如图13所示：周围测试点的分布遵循1/9高度和宽度的原则，圆圈表示亮度仪器探头测试的范围，分别测试P0~P8的亮度L0~L8。
　　则亮度均匀性为，i为1到8的任何一个数。每个Pi都要大于或者等于70%才算是合格。
　　但是针对部分特殊的客户，要求亮度均匀性很高，不仅测试上面所述的9点均匀性，还测试边角均匀性，测试方法如图14所示：边角亮度均匀性为Pi=Li/L0×100%，i为1到4的任何一个数。虽然这个指标只要求50%即可以满足，但是正常的等距直线灯条设计则不能满足要求。一般情况下，画面中心部分最亮，也是测试最大亮度的地方，越靠近边角越暗，四角则是最暗。
　　3 异形灯条设计方案

       针对上述四角偏暗的问题，我们采取了异形灯条的方案，如图15所示：在灯条的两端向角落倾斜，是最边缘的4个灯珠更加靠近四角，从而提升的四角的亮度。根据测试四角的亮度可以提升30%左右，而中心亮度不变。这样设计的好处是标准化得到最大的保证，不改结构尺寸及其他物料，只改灯条PCB形状就可以实现两种方式的转换。唯一的缺点是PCB板材利用率稍微下降，导致成本稍微上升一点，但是能够满足客户的特殊要求。
　　参考文献：
       [1]SJT 11343-2015 数字电视液晶显示器通用规范.
       [2]SJT 11348-2016 数字电视平板显示器测量方法.
       [3]许林, 朱莹莹, 刘明. 一种直下式LED背光液晶电视设计[J]. 通信与广播电视, 2013(1):33-43.
       [4]张益民, 吴庆富. TFT-LCD背光模组光学膜关键件的开发研究[J]. 现代显示, 2010(4):49-54.
       作者简介：
       柏祥，学士，高级工程师，多媒体研发中心外协设计所所长、高级产品设计师。
       康佳集团2002年度多媒体研发中心先进工作者
       康佳集团2003年度优秀科技工作者
       康佳集团2004年度优秀团队：LCD4400项目组（项目经理）
       康佳集团2008年度彩电事业部优秀彩电人
       康佳BT4390W型背投影彩色电视机通过2004年度信息产业部鉴定达国际同类产品的先进水平（信号处理部分的主设计师）

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第4期第84页，欢迎您写论文时引用，并注明出处