隨著人類社會進入知識經(jīng)濟時代，信息和知識傳播實時實現(xiàn)，用于實現(xiàn)信息交流的終端設備顯示技術發(fā)展迅速，液晶顯示作為顯示技術之一，發(fā)展迅速。因為LCD本身有不發(fā)光的缺點，所以大多數(shù)應用都需要配套背光源。

使用的背光源包括白熾燈泡、冷陰極熒光管、 EL片和LED燈等。每種背光源技術在特定的應用環(huán)境中都有其優(yōu)秀的特性。其中，LED技術的優(yōu)勢受到人們的青睞。

優(yōu)點：長壽命、高效率、低維護和低功耗；體積小，使液晶背光模塊變薄，降低了液晶顯示器與驅動電路之間的連接成本；低電壓驅動，可用5-12VDC直驅，切換時間快，允許脈寬調制亮度，能夠單獨脈沖控制紅、綠、藍LED燈的亮度，去掉了全彩LCD顯示器面板后面的紅、綠、藍三色濾光片等。

一、簡介

LED背光源近年來發(fā)展迅速，從早期的底部發(fā)光模式發(fā)展到側面導光模式。與底部發(fā)光的LED背光源相比，側面導光的LED背光源具有成本更低、功耗更低、厚度更薄等優(yōu)點。

特別是隨著LED技術的發(fā)展，出現(xiàn)了AIInGaP四元系材料和GaN基材料，實現(xiàn)了LED超高亮度和全色化，使得側導式LED背光源可以用少量的LED達到所需的發(fā)光亮度和顏色，取得了令人滿意的效果。LED技術的發(fā)展促進了側導式LED背光源的快速發(fā)展。下面介紹這種新開發(fā)的側導光LED背光源的原理和設計要點。

二、側導光LED背光源結構

由LED模組、導光板、散射膜、反光紙、邊緣反光膠帶等組成。

在背光源模組中，導光板是關鍵的光學元件，它是一種透明的塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，底面涂有白色反射點或注塑成小凸點，邊緣涂有白色反射材料或覆蓋有鏡面反射金屬膠帶。

散射膜是一種半透明的PC材料，可以降低亮度，提高均勻性的作用。反光紙是一張光滑的白色紙，可以起到光反射，減少光線泄漏的作用。

三、側導光LED背光源的基本原理

側導光LED背光源的基本原理是利用光全反射原理有效地傳輸光，將線光源轉化為面光源。光全反射原理：當光線從高折射率介質折射到低折射率介質(如塑料到空氣)時，被折射光以比人射光線更傾斜的角度發(fā)射，當人體光線的角度大于一定角度時，光線無法折射到人體空氣中而全部向內反射的現(xiàn)象稱為全反射或內反射，當折射角等于90°時，人體光線的角度稱為臨界角。

根據(jù)光折射定律和公式n-1，Sinθ，=n2Sinθ2，可以推導出臨界角θc=Sin-1 (n2，sin90°/n2)=Sin-1 (n2/n1)。已知n2=1(空氣)，n1=1.491(導光板塑料的PMMA材料)，得θc=Sin -10.6707=41.8°，即當導光板內部的人射光線大于41.8°時，將發(fā)生全反射現(xiàn)象，然后光線將沿著導光板的方向從一側傳輸?shù)搅硪粋?。對于PMMA制成的導光板，透光率高達92%，霧度很小，光吸收性很少，光可以沿著板材長距離傳輸，衰減很小。

而導光板的目的是折射來自表面的光，以形成明亮且均勻的表面光源。因此，導光板的技術原理一方面是利用光的全反射原理進行光的傳輸，另一方面是反方向使用，破壞光全反射的條件，干擾光的全內反射光學要素，改變光線的光路，將光線從導光板表面引出，從而形成面光源作為背光板。

具體設計是在導光板的底面印刷白點或者通過注塑成型小凸起，使得光線在點處漫反射，一部分光線以小于臨界角的角度投射到導光板上并折射出去，一部分光線全反射并返回到導光板，這些光線在導光板的上邊緣全反射，然后返回到底面的點上。

重復這個過程，直到一些光線從表面折射，一些被導光板吸收，一些在某個界面上丟失，從表面折射出來的光線是人眼可見的，這部分光線確實有助于導光板成為背光板，也就是儀器測到背光源的亮度。

四、側導光LED背光源的設計要點

側導光LED背光源結構設計和材料選擇直接影響背光源的亮度和均勻性。在設計時，我們不僅要考慮成本因素，還要考慮背光源的亮度和均勻性，以滿足用戶的要求。下面簡單介紹一下背光源的設計方法。

1、散光點的大小和分布的設計

目前使用的導光板大多采用開模注塑制作，散光點的大小和分布主要由模具廠家設計，經(jīng)過多次實驗和調整確定模具結構。像散光點的大小和分布的設計與計算比較復雜，尚未形成完整的、成熟的理論。根據(jù)光度學公式如下：

E=dφ/ds=Icosθ/I2     （1）

dφ=Isinθcosθπr2/I2   （2）

I=D/(2cosθ)               （3）

其中： E——光照度；φ——光通量；S——接收面積；I——發(fā)射光的強度；θ——發(fā)射光方向和接收面的法線之間的夾角；I——接收面與LED光源之間的距離；Io——LED的正常強度；r——接收區(qū)域的半徑；D——導光板的厚度。

根據(jù)公式(1)——距離光照度平方反比定律，越靠近人射端，散光點接收到的光照度越強。散光點接收的光線不僅有一條直射光線，還有多條反射光線，同樣，越靠近人射端，散光點接收到的反射光照度越強，因此每個散光點的光照度也不同。

對于簡單的設計，散光點的分布是沿著人射光方向陳列排列的，散光點的半徑沿著人射光方向均勻增加。根據(jù)介紹，大點的半徑r——根據(jù)點與點之間的距離來確定的，點與點之間的距離越小，r——越小。點之間的距離越大，rmax越大。小點的半徑r——計算如下：在理想狀態(tài)下，背光源要求表面亮度均勻，即每個散射點反射到正面時的光通量dip相等，即DCP=l/n，如果n是人射光方向的散光點個數(shù)，那么n=W/C，其中W是導光板的寬度，C是散光點之間的距離，根據(jù)公式(2)和(3)計算最小半徑Rmin。

2、導光板凹面入射面設計

導光板的人口設計為凹面，可以讓光通禍合進行得更好。對于大多數(shù)LED燈，從表面發(fā)出的光是發(fā)散的。凹面光以最小折射率進入導光板內，然后導光板邊緣的曲面將光線反射成窄光束。

這樣，更多的光線全反射回導光板，而不是折射到塑料和空氣之間的界面。從而降低LED光損耗，提高背光源的亮度。

3、契形導光板的設計

小型LED顯示器(小于50毫米X100毫米)應使用扁平導光板。對于大尺寸的LED顯示器，使用契形導光板。契形邊緣改變了光板在導光板中的全反射光線的角度，并減小了底面上反射光的角度，一方面減小了導光板表面反射光的入射角，使折射光更接近法線方向；另一方面，它使這部分因反射光角度過大而無法從導光板表面折射的光在導光板表面折射出去，從而提高了LED光利用率、提高了背光源的亮度。

4、選擇合適的LED造型結構

LED的外觀結構決定了LED光學參數(shù)的分布特性。具體來說，就是影響LED的發(fā)光強度，一般來說，發(fā)光面凸起的LED發(fā)光強度高，半強度角小，光線集中。發(fā)光面平坦的LED發(fā)光強度低，半強度角大，散射光多。

對于小尺寸的LED背光源，應選擇平板LED，使光線均勻進入導光板；對于大尺寸的LED背光源，應選用凸形LED，發(fā)光強度高，這樣才能保證背光源的亮度。同時要考慮LED的尺寸，LED的厚度要小于導光板的厚度，這樣LED發(fā)出的光才能盡可能進入導光板。

5、消除LED入射區(qū)域的亮線

側面裝配LED與導光板時，光線進入導光板后會出現(xiàn)一條沿LED方向的亮線，會影響背光源的亮度均勻性。消除這種現(xiàn)象有兩種方法：一種是用黑色涂料或覆蓋一層遮光紙來吸收光線。

另一種是空白過渡法，即底面不印刷白色網(wǎng)點，不注塑小凸點。利用全反射原理，光在空白過渡區(qū)被反射回導光板。這種空白過渡帶必須通過實驗來確定。

6、選擇合適的散射膜和反光紙

散射膜提高了均勻性，但降低了亮度。反光紙可以提高LED光能的利用率，減少光能泄漏，提高亮度。因此，對這兩種光學薄膜的反射率和透過率都有很高的要求。應選擇合適的反射率和透射率，以兼顧亮度和均勻性，并獲得令人滿意的結果。

五、結論

隨著需求的多樣化，用戶對側導光LED背光源的尺寸、形狀、發(fā)光顏色、亮度均勻性等有了很多要求，這對材料設計提出了更高的要求。在實際設計中，要結合光學原理，多做實驗，積累經(jīng)驗，才能設計出性價比優(yōu)異的背光源。