消费类电子产品需要LED背光源做得更细小更明亮

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摘要：无论是手机还是液晶电视，凡是以LED为背光源的消费类电子产品不断地追求越来越小的背光源的尺寸，以匹配日益变薄的显示器，而且要求LED背光系统制造商用更少数量的LED实现更佳的性能，而且把系统做得更纤细。本文探讨的就是如何在不牺牲亮度以及均匀性的前提上，用背光所需的最少的LED来实现“更薄”的目的。

关键词：LED背光；背光源单元；模型

中图分类号：TN312+.8

文献标识码：B

引言

当前，无论是纤巧的电话还是越来越薄的LCD电视，消费者要求产品的做得更加小巧。一方面LED继续向小至手持设备大到52inch甚至尺寸更大的液晶电视的背光源发展，另一方面，背光系统变得越来越小，特别是更薄，同时还需要提供更大面积的背光照明。

消费者对于性能的更多的追求，使得事情变得更加复杂，尤其是在移动电话和手持设备领域。手机工业对这一要求做了应答。随后，这些新特色不仅导致增大显示尺寸，而且使手机的厚度几乎达到了1inch，足足增加了0.6inch，这是根据2008年摩托罗拉RAZR得出的上述结论。

因此，背光源不仅需要可以在很大范围内发光，而且需要更薄、更光滑的外形。当然也不能牺牲相关性能：用于手机显示、液晶显示、键盘以及最新一代的笔记本电脑、台式电脑以及液晶电视背光照明的基于led的高度背光系统是目前的发展方向。

结合优化光提取效率与改进BLU设计光导性可以最大化先进LED技术的优点。这将意味着 LCD、手机键盘、其余手持产品、膝上、桌上PC、LCD电视等产品会更小巧更薄。它们采用超薄键盘式背光，可以提供纯色、高亮度、均匀的光源，并且采用较少的LED，需要更少的材料和制造成本。事实是背光源组件厚度小于1mm，所用的导光组件0.4mm，或者更薄，如图1所示。

其结果是BLU非常薄。现在一个用于手机上的2.8inch的LCD背光源的厚度为4mm，或者更薄，而且随着当今LED的持续发展和改进，可以提供很好的亮度、效率和成本条件。适当的材料、设备和工艺，包括光抽取效率的改进，使得可以设计出背光源厚度为0.4mm或者更薄的产品（0.3mm的背光源产品已经快要变成现实了）。

1 其发展不仅限于手持式

前面提到，LED的发展不仅限于已经广泛应用的便携式／手持式领域，已经开始向各种消费类、工业类、医学显示等中等尺寸（3.5-7inch）LCD发展，同时也向笔记本电脑、台式机显示器、平板电视等大尺寸LCD发展。如今，设计者和这些设备的制造商对LED背光源的改进相对以前起了巨大的推动作用：广色域、长寿命、无变极器的DC电源、低功耗、设计自由度大、形状因子小、低成本等。另外，LED的无汞结构和长寿命说明它是一个环保产品。新型BLU设计方法，如边缘发光，更加大了它的优点。

对于中等尺寸（3.5~7inch）LCD,设计者面临不同的LED背光源技术的选择。直接―LED―发光方法，作为所有LED―背光的选择，消除了噪声，不需要变极器，允许设备在电池供给下直接工作，给设计带来了很大的自由度。它采用在白色塑料板上表面贴装顶发光式非聚焦LED，且在LED上方10~20mm处放置一个厚的扩散板，如图2（a）所示。采用这种方法，其亮度特性非常好，直接发光的效率非常高，之所以亮度好，是因为它不需要光的弯曲（而边缘发光就需要）。但是，这种技术不利于调节光的均匀性，设计者只能增加越来越多的LED，来达到比较好的均匀性的背光源。

背光源表面均匀性依赖于LED数目，这样就会增加LED和扩散板之间的距离。面积越大需要的LED越多。另外，对于扩散板，设计者可以采用扩散和棱镜薄膜来维持均匀性，但是这样会增加厚度。例如，对于一个可视面积为0.62×2.5inch的LCD来说，可能需要36个LED。对于大尺寸显示，如LCD电视，直接发光的LED数目高达数千，这可能是项昂贵的花费。

一个优选方法是，采用间隔大一些、数量多一些、LED光输出量大一些的边缘发光LED背光源。但是，采用这种方法要想达到要求的亮度和均匀度是一个很大的挑战，而且需要很多光学专业的知识。边缘发光采用LED边缘发出光线，然后聚焦到高性能导光设备中。有如下几种边缘发光的光抽取技术：印刷的、刻蚀的（采用化学、激光、或者其余方法）、刻出V型凹槽和基于像素型，如表1所示。

印刷、化学、激光刻蚀是扩散光提取技术。光向各个方向散开（360°)。对于大部分应用亮度从低到中等，输出角度不能控制，不透明的点阻止了发散过来的很大一部分光，这部分光从基板反射回来，发射到顶层表面。V-凹槽可以获得高亮度，但是在二维（一边到另一边的均匀性）均匀性校正方面受限。镜面光抽取技术可以提供高亮度，在镜面学中从光学特征进行反射和传导，例如GLT's 微棱镜阵列。采用这种技术，可以进行二维均匀性校正，光学特征是透明的，正常反射和传输的百分比大概分别是60%和40%，从导光器中发出的光线的角度也

是可控的。

因为LED位于导光器的边缘，这种方法有如下优点：很好的光可控性（尤其对于颜色和均匀性）、光线管理薄膜层变少、LED数目少、在各种情况下可重复性好、功耗降低，有望成为最薄的LED背光源。

2 边缘发光测试

典型的直接发光的46inchLCD电视需要上千个LED,要想达到8，000 cd/m2的亮度需要背光源表面有2，000到4，000个LED。这项技术一般需要低功耗、低成本的LED芯片。

一个边缘发光技术的实例是将边缘发光与显微镜头和PhlatLight技术（"Phlat"是指Luminus器件研发的光格子芯片集）结合。用这个方法，46inch的LCD电视只需要八组PhlatLight 芯片集就可以发出上述亮度的光，每组包括3个LED芯片，一共需要24个LED，如图2（b）所示。

边缘发光要求LED放置在导光器的边缘而不是整个显示的后面。这种方法有如下优点：很好的光学可控性、减少了光线管理薄膜层、LED总数减少、具有降低功耗的潜力。采用这种方法，背光源厚度为0.4mm。

较薄导光器不断改进的关键动力是LED制造技术，包括更高亮度、更好颜色、更高效率、以及更小尺寸。为了维持最高效率，导光器厚度必须与LED高度匹配。随着LED不断变小、变矮，边缘发光的导光器的厚度也在减少。边缘发光LED导光器依靠全内反射（TIR）从导光器向下传播光线。但是，伴随导光器的减薄，其固有特性决定效率会减低，尤其是当导光器的面积尺寸增大的时侯。这些新的较薄导光器必须采用最新的先进光学光抽取技术，用来弥补上述影响。

这种问题的一个解决方法是基于像素的光学光抽取技术。我们前面提到显微镜头，这种方法中，光抽取器位于导光器的顶部或者底部，微光学单元可以在每个像素有效抽取光线。这项技术需要精确控制六个变量：

深度：在± 2 μm范围内可控，整个基板要求高度可控。

形状：反射表面的角度是可选择的，需要用户定制，使得光线从导光器发出。

密度：能够持续并且精准变化来使得亮度最大，两个方向的均匀性最优，能够在每平方英寸设计出180，000个不同形状。

随机化：可以减少任何出乎意料的视觉影响和方位确定。

顶部形状：显微镜头或者其余的光抽取器件可以安装在导光器的顶部，这样可以提高30%的亮度。

定位或者角度/旋转：光抽取部分可以是分布式的，也可以是阵列式的，可以与任何位置的光源最优化工作，即使光源在角落里。

这种方法有如下优点：增强了亮度（15,000 cd/m2或者更高）、色彩更鲜明、超薄、低功耗，以及由于元件比较少，所以形状因子变小。它使得光线更加紧密、连续，因为在导光器中光线已充分混合。工业设计者们非常欣赏这项灵活设计，因此他们把LED放置在导光器的一侧边缘，这样可以局部对热量进行管理，因此大大简化了。关键是光抽取效率，这可以理解为同样数目的LED可以发出更高的亮度，或者较少的LED就可以发出同样的亮度，又或者在较低功耗下就可以用同样数目的LED发出同样亮度的光。

边缘发光背光源可以在导光器内混合颜色。这不仅可以最小化LED与LED之间的背离，而且这种背离现象在直接发光方法中十分明显，使得边缘发光导光系统更加适合多功能显示。导光器技术可以最大效率的利用白色LED，于是设计者可以采用较少的LED，这样就降低了成本。

3 可选择背光发光

边缘发光也允许选择性发光。图3是一个双LED导光器，宽度为4.3inch，长度为4.5inch，厚度仅为0.8mm（或者更薄），它可以利用一个可编程的自动调温器在多个分离区域发出所要求发出的光。这些区域如下：主要的LCD区域3.5×3inch（对角线4.6inch）、字符区、单元顶部和侧面的定向标志区，以及顶部和底部的按钮，一共九个分离的区域。发光遍及直接背光的LCD、字符、键盘按钮周围的"光环"效果，这些非常精美、吸引人和多功能。

4 带有镜头阵列的光学模型

加强均匀性的关键技术是镜头阵列。位于导光器（在LED前面）边缘的镜头阵列具有光分布式特征，它们通过增加LED的输出角度分布，从而做到利用很少的光源就可以产生均匀的视觉显示，同时将热点降到最低，当LED太靠近可视区的时候会产生热点。镜头阵列的应用使得可以减少LED的数目，仍然能够满足背光源均匀性的要求。这种方法节约了成本、空间、元件和用电。

如图4（a）和图4（b）所示，一对双侧发光的高亮度LED与所选择的边缘发光的导光器共同最优化光耦合，然后采用带有镜头阵列的光学模型来改善光的分布情况。

我们采用一条基线来观察光的去向，光线发射跟踪软件创建了一个LED模型。导光器工具中我们设计了一个定制几何，这样可以更好的控制来自LED的光线，我们在LED前面增加定制光学阵列部分，这样使得光线传播比最初设计制造的要更加广泛。镜头阵列放置在导光器边缘的入口区域，如图5所示。

镜头阵列的形状可以根据应用来定制。设计它们，为的是折射光线，使得光线输出分布比一般的更广。例如,典型的边缘发光应用LED的发光，分布角度为100°~110°，透镜阵列可以再增加10°~20°。

5 PC显示

笔记本电脑已经从原来的CCFL背光源转到了白色荧光LED的边缘发光背光源。对于这一应用，设计者最初的典型选择是蓝色LED，用琥珀荧光浸透，可以将可见波长光转到白光。白光LED与CCFL的色谱百分比对比（LED大约为75%,CCFL为75%），但是功耗比较低。基于LED的背光源模型采用先进的RGB LED背光单元，每一个含有三片芯片，红、绿、蓝三片在一个封装里，可以提供大于100% NTSC (~140%)的颜色饱和度，超过了传统CCFL背光源的70% NTSC的色域，具有空前的高分辨率特性，而且比传统CCFL组件更薄。对于许多应用的台式显示器，例如广告、电视、、工业设计，RGB是理想选择，因为它可以提供卓越的颜色精度。除了可以提供逼真彩色外，现在的高效率边缘发光导光器可以使得单个LED发出的光覆盖更大面积。在低层，RGB LED受限，它们一般比较昂贵，因为很多转换区域需要混合三种颜色，RGB LED的应用会限制光学设计者设计的灵活性。

设计出新的超薄基于LED的背光源用在笔记本和台式机的键盘上，它们亮度最优，用很少的LED实现了背光分布均匀，减少了背光源的成本，如图6所示。

采用前面的自动温度调节器的例子，键盘有一个关键特性，键区发光可以有选择性，只点亮那些要求点亮的区域，增加了光的输出量和亮度，而且选择精准，只在那些需要的点发光。

6 LCD电视

直到最近，边缘发光LED导光器还没有足够的亮度和效率用在大屏幕和非常鲜明的显示中的背光。一个比较新的方法是结合显微镜头导光器和PhlatLight芯片集来提高效率，成本效率RGB边缘发光技术可以满足大屏幕电视的亮度和均匀性。

结合Luminus器件和Jabil电路，GLT已经研发出46inchLCD电视，其背光源由前面提到的八个被称作"刀片"的边缘发光导光器组成。镜头阵列放置在每个导光器的边缘，这样可以使光线均匀传播，微光学单元在每个像素有效抽取光线。

最近，一个46inch的"非刀片"背光源被研发出来了，它采用一片仅5mm厚的超薄导光器。整个背光源在一侧有126个RGW LED,然后采用光抽取技术。目前，背光源组件的厚度仅为9mm。RGW LED是由传统的白色荧光LED与附加的红色和绿色荧光结合，从而使得色域增加到~ 100% NTSC的标准。这种方法的亮度高达6，000 cd/m2，均匀性非常好，为85%，非常薄，而且其转换区域比较窄。

7 结论

先进的光抽取效率结合镜头阵列和光学模型技术，再利用高亮度LED不断增加的亮度，可以制造出大尺寸的边缘发光的导光器BLU，使得背光源越来越薄，LED数目越来越少。这样，制造商可以很好的满足当今用户所需要的超薄、高亮、多功能封装设备的要求。

作者简介：David DeAgazio是全球发光科技（GLT）的世界销售主管。 GLT创建于2000年，为最新一代平板显示开发基于LED的边缘发光技术。