用于LCD背光模块的LED光源转成线光源设计研究
黄显川1?叶志庭2
(1清云科技大学电机工程系,桃园320;2胜华科技股份有限公司,台中233)
摘要将液晶显示器背光模块的导光板向前延伸5mm,利用该区设计一扩光区使得LED点光源经过该区可获得两次的扩光效果,达到将点光源转成近似冷阴极管(CCFL)的线光源效果,并以3in液晶显示器面板进行模拟,模拟结果表明导光板的出光均匀度可以达85%以上。
关键词液晶显示器;导光板;冷阴极荧光管
1?引言
小尺寸液晶显示器背光模块受空间的限制,为避免使用高压等因素,选用发光二极管为光源。由于发光二极管发出的光有一定的扩散角度,如果直接将其导入导光板会使背光模块不易达到均匀出光,其中以发光二极管发光的扩散角度区内呈现亮带及边缘呈现暗带为其最常见的问题。
目前解决该问题的方式是将导光板上的扩散网点设计成以发光二极管为中心呈同心圆方式布置[1],或者利用光学透镜将发光二极管的发光角度扩大[2],还可以另外增加一组光学组件使多个LED所发出的光经过该组件转成近似线光源的特性[3-5]。
然而从经济实用的角度,同心圆方式的扩散网点除了增加网点设计的难度外还增加了生产成本。将LED的点光源经外加的光学组件转成近似冷阴极管(CCFL)的线光源是个不错的构想,转成线光源后即可以使用传统矩阵式的扩散网点来设计导光板,降低了设计导光板的难度,但也多出了一组光学组件,增加了组装难度及成本。
近年来,小型液晶面板逐渐朝向轻薄化设计,导光板的厚度也减小至0.8mm左右,在导光板前加光学组件将LED的点光源转成线光源增加了设计和组装的难度。因此,我们提出将LED点光源转成线光源的光学组件放入导光板一起设计的概念,也就是将点光源转成线光源的光学设计与导光板设计合而为一。
将导光板向外延伸5mm,利用这块区域进行设计以达到将点光源转成线光源的效果,在导光板前5mm区段设计两排半圆形平凸孔进行两次扩光作用来达到均匀线光源输出的效果。这种设计可兼顾传统以线光源为主的导光板使用矩阵式扩散网点设计的方便性及使用LED光源的优点,也不会增加组装的困难度。
2?结构设计
以3in导光板及4个LED为例来进行结构分析及设计,背光系统导光板结构如图1所示。
利用光在前进时介质的改变使得光前进的方向也会有所改变的原理设计扩光区,采用凿孔方式来改变介质。首先将导光板向外延伸5mm,在LED入光处设计一个半圆形平凸孔做第一次的扩光作用,并在该区中设计另一个半圆形平凸孔作为第二次的扩光作用,结构设计如图2所示。
由光学原理知,半圆柱型结构的孔有扩光作用,平凸孔结构不仅结构简单而且可减少入射光经过扩光区被反射的情形,为了避免凿孔造成严重的漏光,设计时将导光板底部的反射片延伸至5mm的扩光区,同时在5mm扩光区的顶部增加一个反射片。此扩光区是与导光板同时设计合而为一的,所以不会增加导光板设计及组装的难度。
3?理论推导
以图2所示的结构来分析,3in导光板宽度约为46mm,也就是每个LED经5mm扩光区其发光范围必须涵盖12mm;一般导光板材质为PM-MA,其折射率约为1.49,若LED入光处为平板不做任何设计,则无法达到涵盖11mm的范围。我们选择半强度角为55?的LED为光源,首先于LED入光处设计一个半圆形平凸孔,其半径r为0.4mm,将LED置于孔的中心位置,让LED发出的光经此半圆形平凸孔可以涵盖12mm的范围,但经第一次扩光区后的光能量依然呈现集中且分布不均的现象,于是我们在扩光区中间再进行第二次扩光,让经第二次扩光作用后的光离开扩光区时也可涵盖12mm的范围。因此进入导光板的光是经两次扩光作用相互迭成,形成极为近似CCFL的线性光源。扩光区结构设计理念如图3所示。
下面分析第二个半圆形平凸孔的设计。假设第二个半圆形平凸孔半径为r,平凸孔圆心与LED发光点距离为d,若LED以?1i的角度发光,其接触第二个半圆形平凸孔的位置为(x0,y0),而离开平凸孔的位置为(x1,y1),其光路径如图4所示。这里以D表示扩光区的宽度,Y表示离开扩光区时的横向宽度。
假设第二半圆形平凸孔的圆心坐标为(0,0),LED发光接触第二个半圆形平凸孔的横向宽度y0,可由1i及d求得:
y0=(-d)tan1i(1)
光进入第二个半圆形平凸孔的折射角度为1t,可由Snell关系得知sin1i=n1sin1i/n0,假设LED光线离开第二个半圆形平凸孔的位置为(x1,y1),其与(x0,y0)的三角关系为tan1i=(y1-y0)/x1,且(x1,y1)与半圆形平凸孔的半径关系为r=(x1)2+(y1)2,则
y1=y0+(y0)2-[(rtan1t)2(1+tan1t)][1+(tan1t)2](2)
光离开时与圆心的夹角2H可由tan2H=y1/x1得知,光离开第二个半圆形平凸孔点再进入扩光区之入射角度2i为
2i=2H-1t(3)
光离开第二个半圆形平凸孔的折射角度2t可由Snell关系得知:sin2t=(n0/n1)-sin2i,所以真正通过第二个半圆形平凸孔再进入扩光区与LED发光轴的有效角度为2=2H-2t,最后离开扩光区时横向宽度
Y=(D+d-x1)tan2+y1(4)
显然最后离开扩光区时横向宽度Y会受到D、d及第二半圆形平凸孔的大小所影响,我们将针对第二排半圆形平凸孔的特性进行模拟分析,以便获得最佳的效果。
4?模拟结果
LED光源采用Nichia公司型号为NSCW020T的发光二极管4个,功率各为0.12W,导光板尺寸为66.5mm0.8mm41mm,LED光源与导光板表面的间距为0.1mm。第二排平凸孔半径大小与位置的关系可以直接以数值来进行模拟,第二平凸孔半径大小由0.8mm改变至2.0mm,而位置由导光板距离入光处由1.0mm改变至3.0mm,进行亮度平均差异[(IMAX-IMIN)/IAVG]的数值模拟分析,其亮度平均差异值结果如图5所示。由图5可知,当第二扩光平凸孔其半径大小为1.1mm,且位置距z方向距离为1.5mm时,其亮度平均差异值为最小,其发光特性最接近性线光源,因此选择半径大小为1.1mm且位置在1.5mm时设计第二扩光平凸孔。
通过Tracepro模拟LED光经过导光板前端5mm的扩光作用区后其光能量的分布情形如图6所示。由图6可知,LED光输出的线性均匀度已达89%以上,极近似CCFL的出光特性。
接着进行导光板背光系统的仿真,我们以均匀网点来模拟本文设计的LED线光源与CCFL光源的光分布情形作比较,网点采用0.2mm2方形网区分布,网点半径为0.05mm,深度为0.02mm,表面特性为diffusewhite。LED线光源与CCFL模拟结果如图7、8所示,可见LED点光源经由导光板前的5mm光学转换区所得之线光源特性与CCFL之线光源出光特性极为相似。
最后调整LED转线光源导光板的网点大小使导光板均匀出光,固定网点间距为0.2mm2,网点深度固定为0.02mm,采用改变网点半径方式作调整,将导光板前端至后端划分为7区,网点半径范围为0.025~0.21mm,其值如表1所示。
导光板出光模拟结果如图9所示。依照一般液晶显示器亮度的9点标准量测法来量测,如图10所示。结果如表2所示,均齐度为86.4%,而Pmin亮度为85.7W/m2。表明本文的设计可得到良好的效果。
5?结?论
通过导光板前端5mm平凸孔结构的扩光作用,成功地将LED的点光源转成线光源,模拟结果证明我们的设计简洁且导光板也有不错的出光均齐度表现。导光板则可以方便运用传统以CCFL为主的网点设计方式,一则可以避免同心圆网点设计的困难及专利问题,二则可省去外加光学组件的困扰、降低制造成本及组装的困难度。