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l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 摘要 u d 背光源是国际、国内刚刚起步研究的一种新技术，也是国家8 6 3 重点 攻关课题，目前它主要应用在中大尺寸的液晶电视上，以达到拓展色域、提高动 态对比度和节能的目的。 论文阐述了液晶电视背光源的发展趋势及l e d 背光源在国际、国内的发展 现状，讨论了l e d 背光源较c c f l 背光源的技术优势，给出了l e d 的发光机理 和相关特性，论述了课题所必备的光学、热学、视觉和色度学等理论。 本文通过采用r o h m 公司的一款恒流源驱动芯片b d 9 2 0 2 e f s 来建立l e d 背光源的驱动模型，探索在研发中大尺寸l e d 背光源驱动过程中所遇到的问题 和需要解决的关键技术，为生产采用u d 背光的液晶电视做探索性和实验性的 工作。论文完成了4 2 英寸u d 液晶电视的l i 渺驱动电路的制作。 论文完成了背光模组的光学设计。论文通过光学计算预设l c d t v 白场光 度指标，结合对l c d 屏、光学膜及温度等影响因素的研究分析，完成了u d 背 光设计中单色l e d 光通量及其功耗的理论计算；软件仿真是在理论分析基础上 确定背光模组阵列单元间距和混光距离对亮度均匀性的影响。 将l e d 驱动和l e d 背光源装进整机，经过e m c 测试、老化试验、光学测 试等试验后，试验结果证实了l e d 液晶电视具有亮度均匀性好、对比度高、色 域宽、功耗低等优点。本论文的理论推导和样机的建立过程为在中大尺寸u d 背光源中的进一步研究开发和推广应用奠定了基础。 关键词：l e d 背光源；驱动控制电路；动态控制 t h er e s e a r c ho fl e d b a c l d i g h td r i v ea n do p t i c a ld e s i g n a b s r a c t t h et b e s i sd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n t 骶n do fl c dt vb a d d i 曲t 卸dl e d b a c l 【l i 曲t 骶n d sa n ds o u 赋si nt h ei n t e m a t i o n a la i l dd o m e s t i cd e v e i o p m e n to ft h e s t a t u sq u o ，t od i s c u s st h et e c h n o l o g ya d v a i l t a g e so fl e db a c k l i g h tv sc c f lb a c k l i g h t ， 酉v e nt b el e dl i g h t - e m i t t i n gm e c h a m s ma n dr e i a t e df e a t u r e s ，d i s c u s s e st h ei s s u ea n d w i l lp r e p a r a t i o no ft h eo p t i c a l ，m e 衄a 1 ，v i s u a la i l dc 0 1 0 rt h e o r i e s i nt h i sp a p e r t h r o u g ht h eu s eo fr o h m sc o n s t a i l tc u r r e n ts o u r c ed d v e ri c b d 9 2 0 2 e f st oc r e a t el e db a 瞄i g h td r i v e rm o d e l ，t of - m dt h ep r o b l e m sa n dk e y t e c h n o l o 舀e s ，w h i c hm a yb ee n c o u n t e r e di n 也ep r o c e s so ft h ed e v i s i n go ft h el e d b a c k l i g h tf o rl a r g e 以、d 一1 vw i t ht h ep o s s i b i l i t yt 0d oe x p l o r a t o r ya n de x p e r i r 嘲t a l w o r kf o rt h ep r o d u c t i o no f 【c dt v ，w h i c hi su s eo fl e db a c h i 曲t i n g t h et h e s i s c o m p l e t e dt h el e d 嘶v e r 血c u i to ft h e4 2 - i n c hl c d t v n et h e s i sc o m p l e t e dt h eo p t i c a ld e s i 伊o ft h eb a c h i 曲tm o d u l e s t h ef 0 皿e ri st o c a l c u l a t et h e 锄o u t0 ff l u xa n de n e 唱yf o re a c hc o l o rl e d ，c o n s i d e 血gt h ei n f l u e n c e o ft h el c d - p a n e l ，o p t i c a lf i l m s 孤dt e m p e r a t u r e ；t h el a t t e ri st 0d e t e 册i i l et h e i n n u e n c eo ft h ed i s t a n c e ，w 1 1 i c hb e t 、e e nl e da n do p t i c a lf i l m s 锄db e m e e nt h e l e d a n - a yu n i t s ，t ot h eb r i 曲t n e s su n i f o 加i t y i n o r d e rt 0o b t a i ns t a b l ea n de x a c t a m o u n tl i g h to u t p u t ，t h e s e sc o m p l e t e st h ed e s i g no ft h ec 概i to ft h eb a 啪i g h td r i v e a n do p t i c a ld e s i g n0 ft h eb a c k l i g h tm o d u l e p u t t e dt h el e dd r i v e ra n dl e d b a c 心i g h ti i l t 0m a c h i i l e ，a f t e re m ct e s t ，a 西n g t e s t ，o p t i c a lt e s t ，t h er e s u l t so ft h et e s tc o n f i m st h el c dt vw i t hl e db r i g l l t n e s s h a v et h ea d v a n t a g eo fu n i f o m i t y ，h i 曲c 0 n t r a s t ，w i d ec o l o rg 珊u t ，a i l d1 0 wp o w e r c o n s u m p t i o n 1 1 1t h i sp a p e r ，t h et h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n dt h ep r o c e s s0 fe s t a b l i s h i n ga p r o t o t y p el a yt h ef o u n d a t i o no ft h ef u r t h e rr e s e a r c h 柚dd e v e l o p m e n t 卸dp r o m o t i n g u s ei i lt h el a r g e s 讫el e d b a c l 【l i g h t k e yw o r d s ：l e db a c i d i g h t ；d v ea n dc o n t r o ic i r c u i t ；d y 的m i cc 仰t r o i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ! 逵! 翅遗直基丝益墨缱剔直盟的：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：张以功签字日期：珈7 年一占月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阕。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：琵以劢 导师签字： w pc 7 、d6 、 l 沙7 午。6 阂d 牛印 l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 1 前言 1 。1 课题背景 液晶显示器( l c d ) 在目前的平板显示中处于主流地位，它具有功耗低、重 量轻及厚度薄等优点，液晶显示器由于本身不能发光，靠调制外界光来达到显示 目的。背光源( b a c l 函曲t ) 是位于液晶显示器背后的一种光源，它的发光效果 将直接影响到液晶显示模块( l c m ) 的视觉效果【1 1 。 背光源最早产生于二战期间，用于军用设备上的仪表显示。6 0 一7 0 年代，出 现了粉末电致发光的背光源，8 0 年代人们研制出半导体l e d 背光源。之后，l c d 等非自主发光器件问世，需要大尺寸、长寿命的背光模组提供背光，伴随着薄膜 晶体管液晶显示器( - “d ) 技术的成熟，c c f l 应运而生。c c f l 具有管径 细( 现可达到1 8 m i n ) 、寿命长、亮度高、工作电流低等优点，并在目前u 背 光源中占据着统治地位【2 i 【3 j 【4 jf 卯，但c c f l 在其峰值光谱之外还会产生许多不需 要的光谱，引起亮度恶化，并影响l c d 的颜色再现。为此，需要开发新型l c d 背光源【5 】i6 1 ，而l e d 背光源是一个很好的选择。与c c f l 背光源相比，l e d 背 光源具有宽色域、高亮度、高动态范围、全固态、无铅化、高画质等突出优势， 因此l e d 背光技术是替代c c f l 背光技术的下一代液晶电视模组背光技术，已 经成为国际行业竞争的热点，因而市场前景巨大。但由于成本高和量产技术不成 熟等方面原因，目前主要在小尺寸显示上使用，l e d 背光源在中大尺寸液晶显 示设备的应用量虽然不大，但也正在悄悄的取代c c f l ，可望在未来成为中大尺 寸l c d 的主要背光源【7 1 。 日本的s o n y 公司2 0 0 4 年开始销售世界上第一台4 6 英寸的u d 背光液晶 电视( q u a i i a0 0 5 ) ，把液晶电视的色域范围扩展到了1 0 5 n r s c ，解决了l c d 色饱和度不够的致命缺点，打破了l e d 在l c d 背光源发展上由小尺寸循序发展 的状况，使l e d 在背光源市场上有了更快速而且多元化的发展。在美国波士顿 召开s d 2 0 0 5 ( 显示信息学会2 0 0 5 年会) 上，三星、l g 、飞利浦等公司都发布了 在l e d 背光领域的最新发展，加快了l e d 背光技术走上真正的实用化【8 l 【9 1 。 目前我国生产的l c d 电视大约占全球产量的半。这其中如果有3 0 采用 l e d 背光源，潜在市场需求在未来5 年将高达5 0 0 0 万台以上，销售额可达约1 0 0 l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 亿美元，利润1 5 亿美元左右。本课题的预期研究成果先进、实用性高，市场竞 争力较强，预计市场前景和经济效益都将十分可观。这种技术在国际国内都处于 刚刚起步的阶段，由于它广阔的技术优势和应用前景，也成为我国“十一五 期 间8 6 3 重点攻关课题。 1 2l 印背光源技术优势 l e d 背光源较传统的c c f l 背光源主要有以下技术优势【1 0 j 【1 1 j 【1 2 】【1 3 l ： 1 c c f l 作为背光源，色还原性差，色域范围只有7 5 n t s c ，而l e d 可 把色域范围扩展到1 0 5 n r s c ，基本可以重现观察到的自然场景。 2 l e d 使用的是6 2 4 v 的低压电源，十分安全，供电模块的设计也颇为 简单。 3 l e d 的使用寿命十万小时，既便每天使用1 0 小时，也可以连续使用2 7 年，且在漫长的时间内可维持出色的亮度，而不会在几年以后就出现诸如屏幕发 黄、变暗的问题。 4 高亮度，而且可以在寿命范围内实现稳定的亮度和色彩表现。 5 可以调整的背光白平衡，同时保证整体反差。当用户的视频源在计算机 和d v d 机间切换时，可以轻松在9 6 0 0 k 和6 5 0 0 k 间调整白平衡，而且不会牺 牲亮度和反差。 6 低动态场景的人工痕迹，不会牺牲亮度和寿命。因为传统c c f l 灯管的 闪烁发光频率较低，表现动态场景可能产生画面跳动。u d 背光可以灵活调整 发光频率，而且频率大大高于c c f l ，因此能完美地呈现运动画面。 7 亮度调整范围大。实现l e d 功率控制很容易，不像c c f l 的最低亮度 存在一个门槛。因此，无论在明亮的户外还是全黑的室内，用户都很容易把显示 设备的亮度调整到最悦目的状态。 8 使用温度范围广、低电压、耐冲击。因为采用了固态发光器件，l e d 背 光源没有娇气的部件，对环境的适应能力非常强。 9 低电磁辐射。u 光源没有任何射线产生，也没有水银之类的有毒物质， 可谓是绿色环保光源。 1 0 l c d 要不断的开关来显示影像，存在漏光，而c c f l 光源永远是开着 的，这就使得对比度比较差，并且产生残影的问题；l e d 可以解决这个问题， 2 l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 在区域控制方面做的很好。 1 1 液晶显示器件可以通过瞬间背光闪烁和扫描技术引，消除普通液晶显示 在显示快速移动物体时出现的拖尾模糊现象，画面质量将显著提升，u d 纳秒 量级的响应速度为上述技术的实现提供了坚实的保证。 1 3l 印背光源在显示领域的应用 由于l e d 的优良发光特性，l e d 元件不仅可以做成直接显示的设备，近年 来，l e d 也被逐渐引入到现有的平板显示技术中，特别是液晶显示技术，非常 有可能成为下个被l e d 所垄断的产业。l e d 背光源的色彩饱和度较佳，响应 时间极快，漏光效果较弱。如果通过增加对比、进行区域控制等手段，性能要大 大优于冷阴极荧光灯( c c f l ) 。而且冷阴极荧光灯含有汞等有害物质，l e d 相 较之下更具环保优势。l e d 已经在很多移动设备所使用的小尺寸面板中普及。 而笔记本电脑和液晶电视等大尺寸面板用背光源将是l e d 产业下一个重量级应 用。 目前l e d 技术在液晶领域的应用，主要是利用l e d 发光元件替代以前的 c c f l 荧光灯光源，作为液晶显示设备的背光源。而如果要再次细分的话，又可 以按照l e d 发出的光源色彩，分成白光l e d 背光源和r g b l e d 背光源两种f 1 4 j 。 1 3 1 自光u d 背光源技术 u m 在发展过程中的突破之一就是实现了可发出白色光的目标。在液晶显示 设备的成像原理中，背光源发出的白光，经过液态晶体层后，再通过刚g b 彩 色滤光膜，变成独立的原色。在这一过程中，决定最后液晶显示设备色彩的关键 并不是液态晶体层，而是背光源的发光质量。背光源的光谱中l v 每种原色 光的纯度越高，在最后才能还原出越纯正的原色，只有还原出纯正的刚g 仍三 原色，才能调配出纯正而且真实的色彩效果。 传统的c c f l 光源在发光质量上并不理想，因此还原不出非常纯正的色彩， 用色域范围来衡量的话，一般就在n t s c 的7 2 左右，即使是通过采用改进型 的c c f l 光源，也只能达到n t s c 的9 0 左右的色域范围，这就造成现实世界 中鲜艳、真实的色彩无法在液晶电视上还原，从而影响了图像质量。而通过采用 高发光质量的白色l e d 背光源，液晶电视的色域范围可以轻松达到n t s c 的 1 0 5 左右，对色彩效果提升作用明显。 3 l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 采用白光l e d 的另一个好处是可以有效降低液晶模组的厚度，在液晶显示 设备中，l e d 背光灯板的形状与尺寸会按照液晶面板的形状及尺寸不同而不同。 u d 背光灯板基本上是长方形或长条形的。它有侧部发光及底部发光两种基本 结构。侧部发光的结构主要用于侧光式背光源；而底部发光结构主要用于直下式 背光源。 u d 的另一优点一省电，也在应用时得到了青睐。对于笔记本等移动型产 品而言，使用l e d 可以提高整机的使用时间，从而提升了移动时的持久性。不 过对于电视机而言，现阶段使用u 背光并不能大幅度降低耗电量，主要是因 为电视对亮度的要求较高，为了满足亮度的需求，就要增加u d 元件的数量， 从而导致整体功率没有出现明显降低。不过，相信随着更高发光效率的l e d 元 件的出现，液晶电视将使用数量较少的l e d 元件就能实现高亮度显示，届时耗 电量将出现大幅的下降，真正实现节能。 1 3 2r g b l i d 背光源技术 由于r g b 三原色可以调配出自然界中任何一种色彩，因此除了白光l e d ， 在液晶显示领域，还有一种采用可以发出r g b 三种单色光的l e d 背光源技术。 r g b l e d 背光源，就是通过可以发出高纯度红色、绿色、蓝色光的u d 元 件，实现传统c c f l 光源不能达到的宽色域范围。目前主流的r g b l e d 背光源 已经可以达到1 0 5 的n r s c 色域范围，而且只要采用性能更加强大的l e d 器件， 目前已经可以实现1 2 0 以上的n ，：r s c 色域范围。这点对于以还原图像为主的电 视机而言，将是一个非常有效的提升画质的手段。可以预见的是，r g b l e d 将 在未来几年内成为液晶电视的一个重要发展突破方向。 除了更加良好的色域表现力，采用r g b l i d 光源还可以有效提升电视机的 对比度，实现更加精确的色阶和层次感更强的画面。由于整个背光源由众多微小 的l e d 发光单元组成，所以可以对其中每一个发光器件实现精确的亮度控制。 根据原始画面特点进行小区域内的发光亮度修正变成可能，例如在一幅明暗对比 强烈的画面中，暗部区域的l e d 背光可以完全关闭，而明亮区域的l e d 背光实 现高亮度输出，由此带来的对比度提升效果将是以往采用c c f l 光源的液晶电视 所不能企及的。 、 4 l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 利用l e d 可以快速关闭、分区域灵活控制、亮度可调的优点，不仅摆脱了 传统液晶电视暗部画面层次表现不良的缺点，表现出来的优美色彩效果，已经和 现有任一种液晶电视拉开了足够的距离。 1 4l 印背光模组简介 l e d 背光源的工艺过程是将l e d 点光源转化为发光均匀的面光源，根据光 源分布位置的不同分为边光式和直下式两种。 1 4 1 侧光式l e d 背光源 侧光式背光源中u d 分布在导光板侧面，其结构较紧凑。其中一种结构如 图1 1 所示。 氇d 一| 一 i导彳扳丁。 l羁 l ll 芬 l l i lll r c b 图1 1 侧光式u 、d 背光源结构 侧光式背光源是将线形或点状光源设置在经过特殊设计的导光板的侧边做 成的背光源。导光板原理是利用导光压克力板( p m m a ) 底的网点分布( p a t t e m ) 破坏光的干涉现象，将线光源均匀转换成面光源，其作用在于引导光的散射方向， 让光的分布更加均匀使从正面看不到反射点的影子，用来提高面板的亮度，并确 保面板亮度的均匀性，导光板的优良对背光影响甚大，导光板根据实际使用的需 要，又可做成双边式、三边式甚至四边式。侧光式背光可以做到很薄，但背光源 的光利用率较小，且越薄利用率越小，其技术核心是导光板的设计和制作，目前 主要有印刷形和射出成型形两种导光板形式，其它如射出成型加印刷，激光打点， 腐蚀等占很少比例，不适合批量生产原则。印刷形因为其成本低在过去较长时间 内成为主流技术，但合格品不高一直是其主要缺点，而目前l c d 产品要求更精 密的导光板结构，射出成型形导光板必然成为背光源发展主流，但相应的模具技 术难题只有少数大厂能够克服。2 0 0 9 年1 月8 日至1 1 日在拉斯维加斯举行的全 5 l 堇d 背光谭自 ”技术日究 球最大消费电子展美国( = e s 会上，三星展出了一款最薄处厚度仅为6 5 毫米的 l b d 背光液晶电视，索尼对外公开发售了一款9 9 毫米厚超薄l e d 背光液晶电 视。目前三星、囊尼等公司已经生产出了4 2 寸倒导光式l e d 背光液晶电视。随 着导光板技术的不断发展和成熟，侧导光式l e d 背光液晶电视可以真正适应液 晶显示器超薄的发展趋势。 1 42 直下式l e d 背光源 侧光式l e d 背光源应用在中大尺寸的l c d 上时，导光板重量和成本会随着 尺寸增加而增加，并且发光亮度和均匀性不很理想，同时侧光式l e d 背光液晶 电视因为采用导光板不能实现液晶电视的区域动态控制，只能实现简单的一维调 光，而直下式l e d 背光源表现则比较好，可以实现液晶电视的区域动态控制。 直下式背光源工艺相对简单，不需要导光板，是将光源( l e d 晶片阵列) 及p c b 置于背光源底部，光线从l e d 射出后，通过底部的反射片，再通过表面的扩散 板、增亮膜均匀地射出。背光源的厚度主要由反射膜与散射板之间的腔体高度决 定。理论上在符合安装要求及发光亮度的前提下，腔体高度越大，光线从散射板 射出的均匀性越好。直下式l e d 背光源的结构如图1 _ 2 所示。直下式背光源技 术的优点为高辉度、良好的出光视角、光利用效率高、结构简易化等。扩散片与 l e d 光源之间预留一定的空间，提高亮度均匀性，故直下式背光源也同时增加 了模组的厚度、重量、耗电量，因此光源数量、发光亮度和功耗均大于边光式背 光源。l e d 管芯在工作状态下释放出的热能集中在腔体内，在大面积、高亮度 的l e d 背光产品设计时，应考虑模块散热装置。 f = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = ：= 一 垒垒垒垒垒垒垒垒垒垒垒垒垒垒垒垒垒垒垒 曩l 二囊墼= 晕堑e ：晏堕土是墅主弼卜 图1 2 直下式l e d 背光源结构 u d 背光源驱动及光学设计技术研究 2l e d 发光机理及特性 2 1l e d 发光机理 u d 是一种固态的半导体发光器件，其实质性结构是半导体p n 结，在半 导体p n 结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子发光复合就是发光二 极管的发光机理。发光二极管的发光机理可以用p n 结的能带结构来做解释。 制作发光二极管的半导体材料是重掺杂的，热平衡状态下的n 区有很多迁移率 很高的电子，p 区有较多的迁移率较低的空穴，由于p n 结阻挡层的限制，在常 态下，二者不能发生自然复合；而当给p n 结加以正向电压时，由于外加电场 方向与势垒区的自建电场方向相反，因此势垒高度降低，势垒区宽度变窄，破坏 了p n 结的动态平衡，产生少数载流子的电子注入。空穴从p 区注入n 区，同 样电子从n 区注入到p 区。注入的少数载流子将同该区的多数载流子复合，不 断的将多余的能量以光的形式辐射出去。所发出光的颜色是由形成p n 结的材 料决定。 2 2l e d 特性 2 2 1 光谱特性 p n 结辐射光的波长决定于材料的禁带宽度e g ，即 a = 1 2 4 朋搴p 啦f 式( 2 1 ) 由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的发光二极管可发出不 同波长的光，不同材料的l e d 发光光谱如图2 1 所示。发光二极管所发出的光 虽然不是纯单色光，但是它的谱线宽度都比其它光源所发出光的谱线窄。例如， 砷化镓发光二极管的谱线宽度只有2 5 i 埘。因此，可以认为是单色光。 w a v e l e n g t h n m ) 图2 - 1u d 发光光谱分布 7 ido艮lejloo cio之_eim芷 l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 2 2 2 伏安特性 l e d 伏安特性与p n 结伏安特性相同，如图2 2 所示，包括正向死区、工作 区、反向死区和击穿区【1 5 1 。 i o f i f u s l i 层三二 i r 璩 r u j 芷向死区j 专1 1 71 r 1 r 一- 1 胜r 了 开启电压 图2 - 2 u d 伏安特性 当外加正向电压小于开启电压时，克服不了势垒电场，p n 结呈现较大的电 阻，正向电流很小。发光二极管的开启电压随所用材料的不同而不同。g a a s 为 1 v ，红色g a a s p 为1 2 v ，g a p 为1 8 v ，g a n 为2 5 v 。当外加电压超过开启电 压时，克服了势垒电场，使正向电流迅速增大，注入的空穴和电子大量复合而发 光，此时的电流与电压的关系可用下式表示： ，；驰x p 等一1 ) 式( 2 2 ) 式中，v a 为施加在p n 结上的正向电压；b 为系数，对于扩散电流其值为1 ，对 于空间电荷层内的复合电流其值为2 ；k 为玻尔兹曼常数，其值为1 3 8 1 0 2 3 焦 开；t 为绝对温度；1 0 为反向饱和电流，与载流子的浓度、扩散情况、温度等因 素有关，当p n 结制成以后，它是一个只与温度有关的系数，其单位为安培。 2 2 3l e d 光强度、光通量与电流的关系特性 u 乃属于电流控制型半导体器件，其发光亮度l ( 单位：c d m 2 ) 与正向电 流后近似成正比，即 l = f式( 2 3 ) 式中k 为比例系数。因此可以通过调节流过l e d 的电流来控制u d 的亮度。 8 l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 图2 3 和图2 4 分别为l e d 光强度、光通量与电流的关系曲线。 ， ， 0 1 绷3 0 0伽 i f ， ，。 ? f 图2 3l e d 光强度与电流的关系曲线图2 4l e d 光通量与电流的关系曲线 2 2 4u d 温度特性 一般来讲，l e d 发光电流、发光效率、光输出量都与温度有重要的关系， 图2 - 5 是l e d 发光电流与温度的关系曲线，在偏置电压不变的情况下，p n 结温 度升高到一定程度后，电流将变小，发光亮度也减弱。图2 6 是蓝光、绿光和白 光l e d 的光输出量和p n 结温度的关系曲线。从图中可以看到l e d 出光量会随 温度的升高而下降。另外l e d 温度的升高还会增加功耗，并且大大降低l e d 的 有效寿命，因此做好l e d 背光模组的散热设计是重要的。与p n 结温度密切相 关的因素主要有：环境温度、电流强度、l e d 内外的散热材料。 2 s卯 7 5 t 龙 图2 5u d 发光电流与温度的关系曲线 9 e h 坩 l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 一o2 04 0 1 l j h c t io nt p 盯t 口) 图2 6u d 光输出量与温度的关系曲线 2 2 5u m 时间响应特性 u d 的时间响应特性是指u d 随电信号变化启亮和熄灭的延迟特性，由响 应时间来描述。响应时间包括上升时间和下降时间，上升时间是从接通电源使 l e d 的发光亮度达到正常的9 0 所经历的时间；下降时间取决于载流子寿命， 与流过管子的电流的大小无关。 在图2 7 中t 。为滞后时间，其值很小，可以忽略。不同种类的l e d 的响应 时间是不同的，即使是同类的u d ，其响应时间也有差别，最短的仅有几个n s 。 l c dt v 颜色的转换的原理是，当光线通过液晶时，液晶旋转的角度不同，使得 光线投射在刚g b 不同的彩色滤光片区域上。但由于液晶的旋转是一个连续的 过程，人类的眼睛会像是个积分器，将这个过程完整记录下来，因此传统c c f l 背光源在快速移动的画面转换时存在拖影感觉。然而，l f d 能在纳秒级内瞬间 启动( 为c c f l 的百万分之一) ，消除视觉中的拖影现象，产生的画面连续感 极强。特别在快速移动的画面中能消除c c f l 背光源出现的拖尾现象，画面连续 感与显示品质将显著提升。 图2 _ 7l e d 时间响应特性 l o l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 3 光、视觉及色度学理论 3 1 可见光谱 光是一定波长范围的电磁辐射。电磁辐射的范围很广，最短的比如宇宙射线 只有千兆兆分之几米( 1 0 - 5 1 0 一4 m ) ，最长的比如交流电，其波长可达数干公里。 在这么广的电磁辐射范围内，只有波长为3 8 0 衄7 8 0 衄的电磁辐射能引起人的 视觉，将这一部分称为可见光谱。在可见光谱中，不同的波长辐射引起人的不同 颜色感觉，波长最短的是紫光，稍长的是蓝光，以后的顺序是青光、绿光、黄光、 橙光和红光，红光的波长最长，光的颜色取决于进入人眼的可见光谱不同波长辐 射的相对功率分布。图3 1 是电磁光谱大致的波长范副1 5 1 【1 6 】。表3 1 列出了不同 色觉的波长范围。在辐射能量相同的情况下，不同颜色的光给人的亮度感觉也不 同，也就是人眼对不同颜色的光的灵敏度不同，人眼的这种感觉特性可以用曲线 表示出来，如图3 2 所示，称为眼睛的光谱相对灵敏度曲线，通常q 它光谱效率 函数曲线，用v ( a ) 表示。 紫彗绿黄 红 1 口1 l 口h1 口1 。1 0 4l 驴1 0 - 1 口21 0l d 2 1 0 - - - 图3 1 电磁光谱 ， ， 、 i ， ， l ， l 、 fj 昂 视觉 i| 明视觉 ，t 、 ， | 、 | ，f l | i | j ， ， 一一 3 8 04 2 0 5 05 0 05 4 05 6 2 06 6 0 了7 4 0 钿) 图3 2 光谱光效率函数曲线 加9 8 7 5 5 4 3 2 l o 瓣较栽越鳕装茨甘章 l 功背光潭驱动及光学设计技术日r 表3 1 各种颜色光的波长范围 l 光的颜色红光橙光黄光绿光青光蓝光紫光 大致波长7 6 3 m 06 3 0 m 5 0 0 一5 04 5 0 q 3 04 3 0 0 范围( n m ) 由于眼睛对强光和弱光的视觉过程是由两种不同的视觉细胞来完成的，这两 种感光细胞的光谱响应特性是不同的，因此光谱光效率函数曲线表现为两条曲 线。 3 2 视觉生理基础 眼球是堆先接收到外界光信息的部位，图3 3 是眼球的截面图。眼球为2 4 呻 的球状体，光线通过瞳孔射入眼球内，再经过晶状体在位于眼球后部内侧的视网 膜上成像。角膜、晶状体、玻璃体的作用就是使外界物体成像在视网膜上，对光 的强弱和颜色没有感知。视网膜是人眼的感光系统。视网膜中，把光变换为电信 号是由视细胞( 感光细胞) 来完成的，它又分为锥体( n e ) 细胞与杆体( r o d ) 细胞两类，被转换的信号通过双极细胞传达到神经节细胞，再经许多细长的视神 经集中到乳头处，由此引出眼球，向大脑延伸。 酎3 0 目e 球结构 因为人眼的两种感光细胞( 锥体细胞和杆体细胞) 具有不同的视觉功能，所 以在外界的光亮度变化时，有不同的视觉规律。在光亮条件下，人眼的锥体细胞 起主导作用，称为锥体细胞视觉，也叫明视觉。在明视觉条件下，锥体细胞能分 辨物体的颜色和细节。在光暗条件下，人眼的杆体细胞起主导作用，也叫暗视觉。 在赔视觉条件下，杆体细胞能感受微光的刺激，但不能分辨颜色和细节。在明视 u d 背光源驱动及光学设计技术研究 觉与暗视觉之间的亮度水平下，称为中间视觉，这时既有锥体细胞参加又有杆体 细胞参加共同起作用。正是由于人眼具有明视觉和暗视觉二重功能，使得光谱光 效率函数曲线也有两种，正如图2 2 所示。 3 3 颜色视觉 3 3 1 人眼的三原色响应理论 人眼色觉的确切机制还不得而知，但是，已经确定色觉的响应是受人眼和大 脑共同支配的。扬一赫姆霍尔兹三色学说是根据红、绿、蓝可以混合出各种不同 色彩颜色的混合规律，假设人眼视网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维的兴奋 都引起一种原色的感觉。光作用于视网膜上虽然能同时引起三种纤维的兴奋，但 波长不同，引起三种纤维的兴奋程度不同，人眼就产生不同的颜色感觉。例如长 波段的光同时刺激“红”、“绿”、“蓝”三种纤维，但是“红”纤维的兴奋最强烈， 因此有红色感觉。光刺激同时引起三种纤维强烈兴奋，且兴奋程度相同就会产生 白色感觉。对光谱的每一波长，三种纤维都有其特有的兴奋水平，三种纤维不同 程度的同时活动就产生了相应的颜色感觉，总亮度感觉为三种纤维中每种纤维提 供的亮度感觉之和。 通过多年的研究证实【1 7 】【1 8 】人眼视网膜上确实含有三种不同类型的锥体细 胞，这三种锥体细胞中分别含有三种不同的视色素。通过不同的实验方法测得这 三种不同光谱敏感性的视色素的光谱吸收峰值分别约在4 4 0 4 5 0 胁、5 3 0 5 4 0 i l m 、5 6 0 5 7 0 n m 处，分别称这三种视色素为亲蓝、亲绿、亲红视色素。外 界光辐射进入人眼时被三种锥体细胞按它们各自的吸收特性所吸收，细胞色素吸 收光子后引起光化学反应，视色素被分解漂白，同时触发生物能，引起神经冲动， 将视觉信息通过双极细胞和神经节细胞传至神经中枢。视色素的漂白程度以及产 生的生物能的大小与此类锥体细胞吸收的光子数量有关，光子数越多，则漂白程 度越高。人眼对各种色彩的感觉，就是不同的光辐射对三种色素不同程度的漂白 的综合结果。人眼的明暗感觉则是三种锥体细胞提供的亮度之和。实验证明，杆 体细胞只有一种，它含有视紫红色素，人们已经将它提取出来，并测定其吸收曲 线，吸收峰值在5 0 0 砌左右。曲线形状与人的暗视觉光谱光视效率曲线十分一 致。暗视觉条件下只有杆体细胞起作用，仅有视紫红色素吸收光子，所以暗视觉 时不能分辨颜色，只有明亮感觉。三色学说很好地解释了各种颜色的混合现象。 1 3 l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 3 3 2 颜色视觉 颜色可分为彩色和非彩色两类。非彩色指白色、黑色和各种深浅不同的灰色 组成的系列，称为白黑系列。当物体表面对可见光谱所有波长反射比都在8 0 9 0 以上时，该物体为白色；其反射比均在4 以下时，该物体为黑色；介于两 者之间的是不同程度的灰色。纯白色的反射比应为1 0 0 ，纯黑色的反射比应为 0 。在现实生活中没有纯白、纯黑的物体。对发光物体来说，白黑的变化相当于 白光的亮度变化，亮度高时人眼感到是白色，亮度低时感到是灰色，无光是黑色。 非彩色只有明亮度的差异。 彩色是指白黑系列以外的各种颜色。彩色有三种特性：明度、色调、饱和度。 明度是人眼对物体的明暗的感觉。发光物体的亮度越高，则明度越高；非发光物 体的反射比越高，明度越高。色调为彩色彼此相互区分的特性，即红、黄、绿、 蓝等。不同波长的单色光具有不同的色调。发光物体的色调取决于它的光辐射的 光谱组成。非发光物体的色调取决于照明光源的光谱组成和物体本身的光谱反射 ( 透射) 的特性。饱和度是指彩色的纯洁性。可见光谱中的各种单色光是最饱和 的彩色。物体颜色的饱和度取决于物体反射( 透射) 特性。如果物体发光或者反 射光的光谱比较窄，它的饱和度就高。 3 4 色度学基础理论 3 4 1 色度检测基础 色度检测学是光辐射的检测方法，其光辐射的波长介子3 8 0 n m 与7 8 0 n m 之 间，即在可见光范围内f 1 9 1 【冽；辐射计量学也是一种光辐射测量方法，但其光波 长范围更广，包含了紫外线、可见光和红外线【2 2 1 。下面仅介绍光度计量及其 单位i 矧。 3 4 1 1 光通量与发光效率 辐射体在给定时间内所辐射的能量称为辐射能，其单位是焦耳。辐射体在单 位时间内发出或通过一定截面的辐射能量称为辐射通量，又被称为辐射功率，单 位为瓦( w ) ，用p 表示。辐射可能由各种波长组成，每种波长的辐射通量又可 能各不相同，是波长的函数，用p 。表示。假设在极窄的波长范围d 内所辐射的 通量为d 。则 1 4 l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 总的辐射通量为 只；生 呔 式( 3 1 ) p = p d a 式( 3 2 ) 光通量( i j u m i i l o u sr u x ) 是最基本的光学计量，它是辐射体在单位时间内 发出的并为人的视觉系统所感受到的那部分光辐射能，用彩表示，单位为流明 ( 1 m ) 。对于波长为入的单色光，其光通量为 赐= p 五v ( a ) 式( 3 - 3 ) 对于极窄波长范围的光，其光通量为 总的光通量为 d 乃a ；p 。v ( 旯) d a 式( 3 4 ) a = r 只v ( 入矽a 式( 3 5 ) 总光通量和总辐射通量的关系为 k ；里：掣式( 3 6 ) p p 4 入 1 k 称为辐射体光视效能，或称为发光效率【2 4 】，单位为删，表示辐射体消耗1 w 功率所发出的光通量。 3 4 1 2 光照度 照度( 1 u m i l l a n c e ) e 定义为每单位面积所接收的光通量，即1 l n x ( 勒克司) 指1 l m 的光通量均匀地分布在1 平方米面积上的照度，单位是b 【( 蚶) 。 e ：等 式( 3 - 7 ) 幽 、 3 4 1 3 发光强度 与测试距离相比，光源的大小可以忽略不计时，把某个点光源所发出的光， 通过单位立体角的光通量称为发光强度( 1 u m i i l o u si 1 1 t e n s i t y ) ，其中立体角( s o l i d a 1 1 百e ) q 定义为一面积a 投影在半径为r 的球面上的面积a p 除以r 的平方( 如 图3 4 所示) ，单位是s r ，若面积为整个球面时，立体角为4 s r 。 q ：冬。坐坚 r 2r 。 式( 3 8 ) l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 发光强度的单位为坎【德拉】( c d = l n l s r ) ，。丝 d q 图3 - 4 立体角的定义 式( 3 9 ) 3 4 1 4 亮度 把单位面积光源的发光强度称为亮度( h m i n a j l c e ) ，即把从光源面向某方向 的发光强度i 除以在该方向光源面的正投影面积的值( 如图3 - 5 所示) 。 即) = 豢肿鸭础c o s 。 船1 0 ) e 是观察方向与发光面方向的夹角。亮度的单位是n j t ( c d m 2 ) 。 图3 5 亮度的定义 1 6 l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 4l e d 背光源的设计与实现 4 1l e d 背光源光学设计 4 1 1l e d 的选择 l e d 晶片激发荧光粉后，发光效率( 或流明) 会提升很多，有些光是不可见的， 激发荧光粉后变成可见光，其实是可见光的发光效率提升了。l e d 实现白光有 多种方式，而开发较早、已实现产业化的方式是在l e d 芯片上涂敷荧光粉而实 现白光发射，本设计亦采用l e d 芯片涂敷荧光粉而实现白光方式的l e d 灯。 u m 采用荧光粉实现白光主要有三种方法，但它们并没有完全成熟，由此 严重地影响了白光l e d 在显示领域的应用。具体来说，第一种方法是在蓝色l e d 芯片上涂敷能被蓝光激发的黄色荧光粉，芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互 补形成白光。该技术被日本n i c h i a 公司垄断，而且这种方案的一个原理性的缺 点就是该荧光体中c e 3 + 离子的发射光谱不具连续光谱特性，显色性较差，难以 满足低色温显示的要求，同时发光效率还不够高，需要通过开发新型的高效荧光 粉来改善。 第二种实现方法是在蓝色l e d 芯片上涂覆绿色和红色荧光粉，通过芯片发 出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光，显色性较好。但是，这种方 法所用荧光粉有效转换效率较低，尤其是红色荧光粉的效率需要较大幅度的提 高。 第三种实现方法是在紫光或紫外光l e d 芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧 光粉，利用该芯片发射的长波紫外光( 3 7 0 砌3 8 0 衄) 或紫光( 3 8 0 n m - 4 1 0 衄) 来激 发荧光粉而实现自光发射，该方法显色性更好，但同样存在和第二种方法相似的 问题，且目前转换效率较高的红色和绿色荧光粉多为硫化物体系，这类荧光粉发 光稳定性差、光衰较大，因此开发高效的、低光衰的白光l e d 用荧光粉已成为 一项迫在眉睫的工作。 采用荧光粉来制作彩色l e d 有以下优点： 首先，虽然不使用荧光粉就能制备出红、黄、绿、蓝、紫等不同颜色的彩色 u d ，但由于这些不同颜色l e d 的发光效率相差很大，采用荧光粉以后，可以 利用某些波段l e d 发光效率高的优点来制备其他波段的l e d ，以提高该波段的 发光效率。 1 7 l e d 背光源驱动及光学设计技术研究 其次，l e d 的发光波长现在还很难精确控制，因而会造成有些波长的l e d 得不到应用而