一个超薄直下式电视背光源方案论文_龚丹雷

龚丹雷

佛山市国星光电股份有限公司

摘要:本文运用非成像光学原理对3030LED进行二次光学设计,并采用该器件开发一款混光距离为5mm的直下式灯条背光源,实现了电视显示模组的轻薄化和背光区域调节。

关键词:一个超薄直下式电视背光源方案

1.前言

LCD液晶显示屏为非自发光的显示设备,必须外接背光源才能显示内容。背光源模组通常由光源、反射膜、扩散板、棱镜片等组成。光源的质量直接影响电视的显示品质,目前常用光源分为LED直下式灯条和侧入式灯条。直下式灯条背光源的结构如图1所示,透镜将LED出光进一步发散,光学膜片和扩散板将光均匀分布,然后将光导向液晶显示屏。

高端电视的发展趋势之一是轻薄化和带背光区域控制。通常直下式灯条所用透镜的高度大于5mm,而且需要一定的混光距离(OD)才能在目标照射面上形成均匀的光斑。混光距离10mm对于带透镜的直下式灯条背光源已经要求很高,所以开发混光距离为5mm的直下式

灯条背光源存在很大的技术难度。

2.不用透镜的直下式电视背光源方案设计

对于直下式灯条背光源,去掉透镜能有效减少背光模组的厚度,而且可以省掉透镜开发和贴装等工作。但一般3030 LED的发光角度大约为110~120°,光强分布如图2所示,如果采用这些LED开发不带透镜的OD 5mm背光源,LED点阵的间距会很小,背光模组需要采用很多的灯条和LED,导致产品成本很高。

不带透镜的超薄直下式电视背光源方案的设计思路是运用非成像光学原理对LED发光面进行二次光学设计,改变LED的光强分布,使LED正上方的亮度减弱,光斑亮度逐步向外提升;在混光距离为5mm时,LED的亮度既满足电视机的亮度要求,光斑又最大化,使背光源具有优良的性价比。

本文采用3030发光二极管进行新光源设计。对3030 LED的荧光胶层进行二次光学设计,该胶体能起到光学透镜作用,将LED的出光按设计要求进行发散。先通过光学建模和模拟,确定荧光胶的材质和外形,实现对LED芯片出光的合理能量分配,从而使OD 5mm时3030器件的光斑不但大而且光能量分布均匀[1,2]。根据仿真模拟结果,采用注胶工艺在3030上封装带光学结构的荧光胶层,然后进行样品测量和调试。

3030 LED光学荧光胶层的光学设计和模拟,如图3、图4构建的坐标系,在这坐标系上建立类似矢量球坐标关系。光源位于坐标原点,用单位矢量Out方向,由p指向点t,用单位矢量In,方向由原点指向点p;待照射面记为T,用t(x,y,z)表示面上点坐标;自由曲面用P表示,p(θ,φ,p(θ,φ))表示其上点坐标;定义入射点单位法矢量N,原点到p的矢

量称P,θ和φ是求坐标的角度参数。

通过注胶模具,在3030器件上封装相应的胶体外形,胶体是中间凹陷和外围圆形结构,

如图6所示。这种结构可以减弱LED正上方的亮度,发光角度变大,提高了器件发光的均匀性。测量该器件的光强分布,如图7所示,可看到器件的中间光强降低了,光强随着发光角度变大而增大,而且增强了侧面出光,可有效消除LED与LED之间的暗纹。新设计3030的光强分布跟普通3030搭配透镜的光强分布相似,达到设计要求。

本文以OD5、LED间距为20mm 的32寸直下式灯条背光模组为例,通过Solidworks构建新设计3030 LED实体模型,设定光源光线数1000000条,将模型导入Tracepro进行光学分析。如图8所示,采用光学荧光胶层结构的LED出光角度变大,整机光分布均匀,亮度均匀性可达到88%,符合OD 5mm直下式背光模组的技术要求。若果采用不带光学荧光胶层的3030开发以上32寸灯条背光模组,由于LED发光角度不够大,亮度集中在LED正上方,模组颗粒感明显,如图9所示。通过测量验证,带光学胶层结构的3030方案适用于OD 5mm的背光源模组,不但能有效缩小电视机的厚度,而且光均匀性也比传统LED搭配透镜方案要好。采用新结构器件无需外加光学透镜,简化了直下式灯条的开发和生产。

3.结论

本文运用非成像光学原理设计了一款超小混光距离的3030 LED,并采用该器件开发OD 5mm的直下式背光源,实现电视显示模组的轻薄化,而且去掉光学透镜,节省了成本。本背光源方案的LED点阵间距大小适中,配置Local dimming区域调光技术,可为高清电视提供优质背光光源。

参考文献

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[4] 宋继东. 基于自由曲面的大功率LED照明配光设计[D]. 浙江大学,2010,2:24-28.

物理学报,1995,44(5):708-714.

论文作者:龚丹雷

论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期

论文发表时间:2019/11/26

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