LightTools在LED背光设计中的应用
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摘要:在背光的设计中,一个主要的目标和挑战是保证在垂直于光的传播方向上提升光的利用效率。在背光模组中是通过导光板来实现这一目标的,设计的关键就在于找到一种合理的网点分布以获得均匀的亮度分布。利用光学软件模拟可以自动优化这一过程从而简化设计流程。
关键词:背光模组;导光板;lighttools;自动优化
中图分类号:TN312+.8文献标识码:B
The Application of LightTools in led Backlights Design
JIN Peng1, YE Hao2
(1. Shenzhen Graduate School, Peking University, Shenzhen Guangdong 518055, China; 2. Cybernet CAE Systems (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200032, China)
Abstract: In the backlight design, a major goal and challenge is to ensure that light efficiency has been enhanced in the direction that is perpendicular to the propagation direction of light. In the backlight module, this process is achieved through the light guide plates. The key of the design is to find a reasonable distribution of nodes to obtain uniform brightness distribution. Optical software can automatically optimize and simplify this design process.
Keywords: backlight module; light guide plate; LightTools; automatic optimization
引言
近年来液晶显示器(LCD)获得迅速发展,并逐渐成为主流产品出现在显示市场,相应的,作为LCD显示核心技术之一的背光源技术也得到了很大的发展[1]。目前所采用的背光源有卤钨灯、电致发光(ELD)、冷阴极荧光灯(CCFL)、阴极发射灯(CLL)和LED灯等。
每一种背光源技术在特定的应用环境中都有各自的优缺点[2,3],其中LED技术因其长寿命、高效率、响应速度快、低维护和低功耗等优势,已逐渐取代CCFL大量应用于中、小尺寸面板背光源,并正在向Monitor、NoteBook、LCD TV等大尺寸面板背光领域迈进。此外,由于LED体积更小,允许LCD背光模块实现更薄,并且LED的色彩饱和度可以达到接近100%,远优于CCFL一般70～85%的表现水准。因此,即使目前LED应用在大尺寸LCD TV的成本仍高于CCFL,而且还存在着一些诸如白光一致性问题、RGB LED色移等难题[4]需要解决,但是在高色彩饱和、高寿命以及符合环保规范的优势下,市场对未来LED取代CCFL成为大尺寸面板背光源的主流应用,仍持高度期待。
随着市场竞争的日趋激烈,设计出好的背光产品对厂家来讲至关重要。导光板作为侧光式背光模组的关键部件,其所占的成本比较高,因此对导光板的结构进行设计和优化具有重要意义。光学设计软件的逐步完善,使很多设计变为可能,从而有利于增进设计的效率,加快产品的上市时间,让产品拥有无比的竞争优势。本文利用光学设计软件LightTools,介绍了背光设计技术所面临的主要挑战和应用,期望能够对背光的设计起到参考作用。
1LED背光模组构成
LED背光系统主要包括:LED光源、导光板、增光片、反射片、扩散板、棱镜片、框架等,其结构如图1所示。
背光系统作为LCD面板的主要组件,约占面板材料总成本的20～35%[5],并且随着背光面板尺寸的变大,背光模组占面板成本的比例也会随之明显增加。导光板是背光模组中的关键组件,导光板的作用是改变LED入射光的方向,通过内部微结构的设计,破坏原有的全反射,使光线在其中发生反射与折射,达到出射时的均匀亮度;反射片可以将从导光板下表面透出的光线反射回导光板中,提高光能的利用率;扩散板的作用在于柔和光线分布,尽量减小亮暗区的差异,使光的分布更加均匀;棱镜片则是将散射的光束会聚,通常还贴有增光膜,以提高视角范围内的正面亮度,故又称增光片。
目前,LCD背光模组主要有侧光式结构和直下式结构。侧光式结构如图1所示,将光源置于模组的边缘,通过导光板将光均匀地导出,并由扩散板和棱镜片将光线会聚在选择的视角范围内。一般适用于14in以下的背光模组,如手机、MP4、车载面板等,具有轻薄化的特点,但光能利用效率不高。在较大尺寸下,侧光式背光源的发光均匀性和发光亮度都受到限制,导光板的重量和成本也随尺寸的增大而有很大的增加。直下式背光源相对来讲工艺简单,不需要导光板,其技术关键在于色彩和亮度均匀性,是目前大尺寸LCD TV背光源研究开发的主流。其结构如图2所示,从LED发出的光经过底面和侧面反射,再通过表面的扩散板和光学模组均匀射出。
2背光设计技术的主要挑战
在背光的设计中,一个主要的目标和挑战是,保证在垂直光的传播方向上提升光的利用效率,如图3所示。
在背光模组中,是通过导光板来实现这一过程的。目前导光板多采用透光性好、可塑性好、强度较高的工程材料,主要是聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,俗称亚克力或有机玻璃),它们具有良好的光学特性,且白光穿透能力强。
作为关键组件,导光板的加工工艺受到众多厂商的重视。目前主要有两种制作方法[6]:一种是印刷法,即采用高反射率且不吸光的材料(含TiO2的光学油墨),在导光板表面印刷众多大小不一的微小凸点,但此种方法合格率低;另一种是非印刷法,该法先将网点蚀刻在高强度的钢板上,然后利用注塑工艺,直接冲压出一体化的导光板。
入射光在导光板的传导过程中,若碰到散光点,就会形成各个角度的漫反射光,光能量的传播是随导光板的长度变化的,因此为保证出射光的均匀,出光的效率要随导光板长度的增加而增加,如图4所示。漫反射光的强弱与该位置的入射光强度成正比,与散射点的面积成正比,在入射光传播过程中,由于漫反射作用使得入射光的强度在逐渐减弱,因此为了保证导光板两边出光能够均匀,靠近光源这端的散射点的直径要小一些,而在另一端的散射点直径则要大一些,如图5所示。
改变光提取效率的方法有多种,可以通过改变导光板上网点的密度、网点大小以及网点的排布间距等方式。导光板底面的具体网点分布与LED的实际配光曲线有关,与背光板的具体尺寸也有关,设计的关键就在于找到一种合理的网点分布以获得均匀的亮度分布。
关于网点分布的理论[7,8]比较典型的有超均匀分布理论和斥力缓和法,以及在这两种方法基础上发展起来的动态均匀分布理论。这种方法为了克服摩尔条纹,先将整个面板分成几个合适的小的区块,然后对每个小的区块的网点数进行反复优化,然后再利用分子斥力调整密度差值较大处即可。动态分子法进一步发展了这种理论,它提出了划分单元格和截止半径的概念,每个单元格中的网点密度单独确定,截止半径的存在可以有效地防止网点密度过密过稀的问题,以此获得整个板面照度辉度值的均匀。
可以按照上述方法,利用光学软件进行建模,设置不同的网点参数,网点参数可以是大小或密度变化的二维或三维网点。为提供最好的均匀性可显示网点的密度变化,为避免产生摩尔条纹,每个区域网点的密度是不一样的。然后利用蒙特卡罗随机光线追踪的方法进行光度计算和模拟,并对追踪结果进行分析,以确定将导光板分割的单元数目。然后,通过对输出的照度分布图形进行分析,通过不断反复调整网点参数进行优化,可以得到最终最佳的亮度和均匀性。如图6所示,从开始的时候进行6次评价函数的计算优化,得到合适的目标样本。
在LightTools里面还提供了一个特别的网点优化工具,叫做BPO(backlight pattern optimization),它是由ORA专门开发的对手机和仪器仪表盘背光进行网点设计的优化工具,它可以实现对上述网点设计的自动优化。BPO通过改变网点的间距和大小来实现设计的要求,网点优化可以是二维的平面网点,也可以是三维的网点。
另外,在背光的设计中,对LED的选型也很重要。因为LED外形结构决定着LED诸如发光强度、半强度角等光学参数,而LED灯的光场分布类型对背光源的色彩和亮度均匀性起着重要作用。对于小尺寸背光源,应选择出光面为边发射型的LED,可以使光线更为均匀地进入导光板,可节约LED的数量。对于大尺寸的LED背光源,应选择出光面为朗伯型的LED,发光强度高,以保证背光源的亮度。但是由于光源的光场分布不同会造成不同的出光效果,比如边发射型LED由于其中间光强偏低,易造成暗斑,影响背光源的均匀性。这都需要我们用光学软件来实现模拟和分析,以找到一种光场分布更适合于背光源均匀性要求的LED光源。
3结论
随着LED发光效率的提高和成本的逐渐下降,其在背光领域的应用越来越得到业界的关注和研究。相信不久,LED背光源照明的LCD产品将越来越多地进入普通家庭,给更多的人们带来全新的色彩感受。
参考文献
[1] 赛迪顾问股份有限公司. 2007-2008年中国中小尺寸液晶面板产业发展研究年度报告[R]. 中华显示网,2008.3.10.
[2] 高鸿锦. LCD相关原材料产业发展态势(下)[J]. 现代显示,2007,4:28-32.
[3] 晓歌. 对比解析CCFL与LED背光源[J]. 实用影音技术,2009,4:14-18.
[4] 孙智慧等. 一种新的用于直下式LCD背光源的LED[J]. 光学技术,2007,11:282-284.
[5] LED背光模组产业现状及未来发展趋势[R]. 中华液晶网.
[6] 吴桔生等. 导光板散射点的初步设计[J]. 现代显示,2007,4:36-39.
[7] I. Amidror. The Theory of the Moire' Phenomenon[C]. Dordrecht, The Netherlands, Kluwer Academic, 2000, chap. 3.
[8] T. Ide, H・Mizuta, H・Numata, Y: Taim, M. Suzuki, M. Noguchi, Y. Kastu. Dot pattem generation technique using molecular dynamics[J]. J. Opt. Soe. Am, 2000, 20(2): 248-255.
作者简介:金鹏(1970-),男,天津人,北京大学深圳研究生院副教授,物理学博士,从事半导体封装以及照明工程研究,E-mail:。