中心議題：
- 液晶電視的LED背光設計
- 液晶電視的LED樣品測試結果分析
解決方案：
- 膜材的篩選
- 與LED相關間距的設計
1 引言
如何實現低功耗是LED背光的主要研究方向之一。LED背光主要由Back Cover、LGP、膜材、Mold Frame、LED Bar、Bezel和Panel等組成，其能耗主要體現在LED Bar上。通過合理設計背光結構，挑選適合的膜材搭配，減少LED數量，提高LED的利用效率，可以大幅降低LED背光的功耗。本文設計了一款118cm（47in）LE背光源，通過對背光結構的設計和膜材的篩選，在保證背光亮度和均一度等光學特性的前提下，減少了LED的數量，將背光的功耗控制在了較低水平。
2 LED背光設計
LED背光目前主要分為兩種：直下式和側光式。所謂直下式就是在背光的整個背面全部設計LED燈，通常應用于大尺寸的背光，其優點是亮度和均勻性好，缺點是使用的LED數量較多，發熱現象明顯；側光式是在背光的邊緣處設計LED燈，通常應用于小尺寸的背光，優點是使用的LED數量少，散熱也較好。但隨著LED亮度的提高和背光結構的優化，大尺寸LED背光的發展趨勢將從直下式逐漸轉變為四邊側光式，再到兩邊側光式，最后將發展成為一邊側光式。雖然直下式背光的亮度和均一度都好于側光式，但是側光式背光的功耗要遠遠小于直下式。本文設計的118cm（47in）LED背光為上下兩邊側光式，上下兩邊各有兩條LED Bar，每條LED Bar上有60顆5630－LED，其結構如圖1所示（文中Panel透過率設置為恒量）。5630－LED的亮度在2010年1月是571m/W，2010年3季度已經提升到70～751 m／W，預計2011年3季度將提升到83～851m／W。隨著LED發光效率的提高，能耗將進一步下降。
圖1 側光式LED Bar結構圖
2.1 膜材篩選
膜材的選擇直接決定了LED背光的性能。
為了使用盡可能少的LED而又保持良好的光學特性，本文設計的LED背光選用了1層擴散膜、2層棱鏡膜和1層雙層增亮膜（DBEF），膜材參數如表1所示。擴散膜可以改變LGP出射的光路，讓射出的光更加均勻；還可以隱藏LGP 上的dot，使從正面看不到散射點的影子，擴大視野角，提升輝度。棱鏡膜即增亮片，主要利用全反射和折射定律，將分散的光集中于一定角度范圍內出射，從而提高該范圍內的亮度。DBEF 是本文LED背光模組的關鍵膜材，可以使整個模組的亮度提升一倍，其工作原理如圖2所示。DBEF可以將不能通過下偏光片的光線反射回背光，經背光的二次反射，部分光線又可以通過DBEF和下偏光片出射。經過多次回收和利用，光的透過率得以大幅提高。
表1 膜材參數
圖2 DBEF工作原理示意圖[page]
2.2 與LED相關間距的設計
對背光的合理設計可以提高LED的利用效率。影響LED利用效率的結構參數主要有3個：LED之間的距離；LED發光面到LGP入光面之間的距離；LED發光面和LGP入光面兩者的垂直距離。如圖3所示。只有將三者綜合考慮才能最大化LED的利用效率，從而降低功耗。
圖3 LED相關間距示意圖
2.2.1 LED間距
由于LED是端面發光，圖4所示為LED端面發光示意圖，整個LED Bar是不連續的光源，因此，當LED之間的距離過大時，亮度會下降，并且可能產生明暗相間的Hot Spot現象；當LED之間的距離過近時，雖然亮度得到較大的提高，但需要LED的數量也會增加，導致LED的低利用效率和背光的高功耗。圖5是試驗得到的LED亮度分布曲線，從圖中可以看到，隨著LED距離的增大，亮度下降；在LED之間的距離d＞4.35 mm時，還會出現Hot Spot現象，曲線波動越大說明Hot Spot越明顯。同時LED Bar的總長度應該小于LGP（1067×604.），所以為了保證LED的亮度以及避免Hot Spot現象，取LED之間的距離d＝3.35mm。
圖4 LED端面發光示意圖
圖5 LED之間距離與亮度分布曲線[page]
2.2.2 LED發光面到LGP入光面的距離
理論上LED的發光面到LGP的入光面之間的距離越小越好，這樣可以充分利用LED所發出的光；但在實際情況中，由于加工精度、不易組裝等問題，不可能達到零間距。對LED 發光面到LGP入光面的距離進行試驗，得到LED-LGP之間距離與入射效率的擬合曲線，如圖6所示。可以看出，入射效率隨LED和LGP之間的距離增大而減小，在距離小于0.8 mm時，入射效率降低比較緩慢且在95％以上。因此，考慮到實際加工精度和裝配因素，取LED發光面到LGP入光面的距離為0.8 mm。
圖6 LED＆LGP距離的入射效率分布曲線
2.2.3 LED發光面和LGP入光面的垂直距離
LED發光面和LGP入光面兩者之間的垂直距離通常會被忽略，但如果兩者之間的距離過大，也會嚴重影響入射效率。通過試驗發現，兩者之間的距離在±0.2mm范圍內時，入射效率變化緩慢，且保持在95％左右，所以控制LED發光面和LGP入光面的垂直距離在±0.2mm范圍內即可。
圖7所示為兩者之間的距離與入射效率的關系。
圖7 LED＆LGP垂直距離的入射效率分布曲線
3 LED樣品測試結果
根據上述關鍵設計參數和膜材的選取進行樣品制作。圖8所示為118cm（47in）LED背光源的實物圖將樣品與同類產品進行了比較，具體測試結果如表2所示。
本文中設計的樣品在保證了光學性能的前提下，實現了低功耗的目標，達到了《平板電視能效限定值及能效等級》中規定的一級能耗，產品的厚度和色域也具有一定的優勢。
圖8 118cm（47in）LED背光源
表2 樣品測試結果
4 結論
設計了一款118cm（47in）LED背光，選用1層擴散膜、2層棱鏡膜和1層DBEF組成背光模組。
根據試驗對影響LED利用效率的相關尺寸進行了優化：LED與LED之間的距離d＝3.35mm，LED發光面到LGP入光面的距離為0.8mm，控制LED發光面和LGP入光面水平中心的距離為±0.2mm。在保證背光光學特性的前提下，盡可能減少了LED的數量，實現了背光的低功耗。
