（精密仪器及机械专业论文）高亮度LED背光源设计.pdf

摘要 本文主要是研究适合特种显示行业使用的高亮度l e d 背光源，首先通过查 阅大量文献资料，介绍了l e d 背光源技术的发展现状以及研究的目的和意义； 再从背光模块的结构入手，介绍了各组件原理、作用及应用；从色度学的角度分 析了几种常用背光源白光l e d 、r g b 三色l e d 以及c c f l 的光谱和色坐标， 通过实验数据证明了l e d 背光的优越性。在以上的理论基础上，通过一个完整 高亮度白光l e d 背光源的设计实例，阐述了在l e d 背光源设计过程中所遇到的 高亮度的实现、l e d 的驱动、背光板的散热等问题，提出了较为新颖可靠的解 决办法，并通过一系列的环境试验来模拟特种显示复杂的应用环境，以检验设计 的可靠性。文章还对目前最新的r g b 三色l e d 背光技术进行了深入的研究，着 重解决三色混光、色彩的控制与反馈等问题，最后给出了三色l e d 背光系统的 初步设计结果。 关键字：l e d 背光源铝基板散热色彩和亮度控制色域 a b s t r a c t t h i sp a p e ri st h er e s e a r c ho fh i g hl u m i n a n c el e d b a c k l i g h tu s i n gf o rs p e c i a l d i s p l a y f i r s tc o n s u l t e dal a r g en u m b e ro fl i t e r a t u r ea n ds h o wt h ed e v e l o p m e n ta n d r e s e a r c hs i g n i f i c a n c ef o rl e d b a c k l i g h tt e c h n o l o g y ；t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e dt h e p r i n c i p l ea n dt h ef u n c t i o no fe v e r yd i s c r e t e n e s so ft h eb a c k l i g h tm o d u l ei ta l s o c o m p a r e dt h es p e c t r u ma n dt h ec o l o rc o o r d i n a t e sb e t w e e nl e da n dc c f l t h e e x p e r i m e n t ss h o w e dt h es u p e r i o r i t yo ft h el e db a e k l i g h t t h e np r o v i d e dad e s i g n ， w h i c he m p l o y e dh i 曲p o w e rw h i t el e dt oa c h i e v eh i g hl u m i n a n c eb a c k l i g h ta n d o f f e r e da p r i m a r ys o l u t i o nt ot h ei s s u e so f t h eh i g hb r i g h t n e s s ，b a c k l i 曲tu n i f o r r r ! i t y a sw e l la st h eh e a td i s s i p a t i o nf o rh i g hp o w e rl e d t h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t h a dp r o v e dt h a tt h ed e s i g nm e tt h er e q u i r e m e n t s a tl a s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dh o w m i xt h er e d ，g r e e na n db l u el i g h tt ow h i t el i g h ti nb a c k l i g h t ，t h ec o l o rc o n t r o la l l d m a n a g e m e n ts y s t e m i nc o n c l u s i o nt ot h ep a p e r ，i ta l s og a v ea s t r u c t u r eo f r g bl e d b a c k l i g h ts y s t e m k e y w o r d s ：l e db a c k l i g h t ，a l u m i n u mb o a r dc o v e r sc o p p e rl i n e ，c o l o rc o n t r o la n d m a n a g e m e n ts y s t e m ， n t s c 插图清单 图1 1s o n yq u a l i a 液晶电视与普通c c f l 背光电视的比较1 图1 2t f t 液晶结构图 图1 3 冷阴极荧光灯的结构示意图 图1 4c c f l 背光模块结构图 图1 5e l 的等效电路 图1 6e l 背光模组 图2 1l e d 背光模块的结构 图2 2l e d 结构示意图。 4 5 6 6 7 1 0 1 0 图2 3 几种l e d 封装示意图1 2 图2 4 几种常见的反射膜反射率 图2 5 网板印刷导光板 1 3 1 4 图2 6 棱镜导光板1 4 图2 7 扩散膜的作用1 5 图2 8 棱镜膜的增亮原理1 6 图2 9 棱镜膜的增亮效果1 6 图2 1 0 增亮膜的工作原理1 7 图3 1 颜色匹配实验1 8 图3 2 等能光谱色的相对亮度2 0 图3 3 光谱三刺激值曲线2 0 图3 4c i er g 色度图2 2 图3 5c i ex y 色度图2 3 图3 6 光谱三刺激值2 4 图3 7 色度图的颜色区域2 6 图3 8 立体色度图的颜色区域2 6 图3 - 9c c f l 典型光谱2 7 图3 1 0 白光l e d 典型光谱2 8 图3 1l 三色r g bl e d 光谱2 8 图3 1 2 两种背光源的色域图2 9 图4 1 直下式背光的基本结构3 0 图4 2 背光模拟图3 l 图4 3 背光亮度分布图3 l 图4 4 铝基覆铜板结构3 2 图4 5 背光板结构图3 3 图4 6v i 曲线图3 3 图4 7 带镇流电阻的电压电源3 4 图4 8 驱动l e d 的恒流电源3 4 图4 9 驱动4 个串联l e d 组件的典型驱动i c 电路3 6 图4 1 0 并联驱动匹配l e d 电路3 7 图4 1 1 未匹配白光驱动电路3 7 图4 1 2 带有电荷泵的未匹配白光驱动电路3 8 图4 1 3 多路多个l e d 白光驱动电路3 8 图4 1 4 恒定发光l e d 驱动电路4 0 图4 1 5 测量的最高亮度、光谱分布、色坐标数据截图4 3 图5 1l e d 光学结构4 5 图5 2l e d 的光强分布图4 6 图5 3 双侧l e d 背光结构4 6 图5 4 双侧r g bl e d 背光的混光结构4 7 图5 5l u m i l e d s 设计的背光板散热示意图4 7 图5 6 ( a ) 人眼对色彩的感知一4 9 图5 6 ( b ) 利用比色法进行色度分析4 9 图5 6 ( c ) 利用分光光谱仪进行色度分析4 9 图5 6 ( d ) 利用色彩传感器分析色彩4 9 图5 7 采用光到模拟电压转换的色彩传感器5 0 图5 8 反射式色彩传感器原理5 0 图5 9 透射式色彩传感器原理5 1 图5 1 0 色彩与亮度控制系统框图5 2 图5 1 lr g bl e d 背光系统结构图5 3 4 表格清单 表2 1 几种白光l e d 的优缺点对比1 3 表3 1 光谱三刺激值的数据2 l 表3 2c c f l 背光三色色坐标2 9 表3 3 三色l e d 背光三色色坐标2 9 表4 1 亮度与电压电流关系4 2 表4 2 模块8 0 高温测试数据4 3 独创性声明 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒胆= e 些厶堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一一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。 学位论文作者签字：l i字目肌岬年护臼哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒魍王些鑫堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 蟹互些鑫堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有芙数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名 锄j l翮虢- , 枇 ”l 7 j “一7 6 月f 5 日 啦州乃 濉 致谢 本课题是国家特种显示工程技术中心为某机载液晶模块配套的背光源项 目。本文是在导师吕国强教授和董戴副研究员的悉心指导下完成的，而本人也 是在他们精心指导和严格要求下成长起来的。两位导师不仅指导和激励我完成 科研工作和论文，而且培养了我良好的科研创新能力和独立分析解决问题的习 惯。在课题研究过程中，他们对我充满信任，而且给予了耐心的指导和殷切的 鼓励，同时在生活上也给予了我无私的关心和帮助。在此，我首先向我的两位 导师表示最衷心的感谢和诚挚的敬意。 感谢合肥工业大学仪器科学与光电工程学院为我的实习工作提供了便利， 也感谢安徽华东光电技术研究所第三研究室为我的实习工作提供了条件和支 持。 感谢张涛博士、沈健博士、杨新军博士和张永生博士在我的实习过程中以 及本文的写作过程中对我的指导和帮助。 感谢好友王忠、江娟娟、田国华、史新刚对我帮助、关心和支持。 特别感谢室友宋志成、姬翔在生活上对我的关心与照顾，并让我的研究生 生活增添了许多快乐。 在此还需感谢我的家人对我学业的理解和支持，他们在精神上，经济上和 生活上给我全力的支持，在此表示深深的谢意。 最后，再次感谢所有曾经帮助和关心我的人，祝他们一切顺心! 作者：汪显波 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 1 1 高亮度l e d 背光源研究的意义 液晶显示器作为一种被动性显示器件，其本身不会发光，依靠背光源的光线 穿透显示面板束显现图形图像。显示器的亮度、颜色、功耗等主要指标依赖于背 光源的性能。因此，研制高水平的背光源产品，倍受到国内外液晶显示行业人士 的关注。 近年来，由于对环保、功耗、画质等方面的高要求，传统的背光源冷阴 极荧光灯( c c f l ) 在这些方面的不足已逐渐显现，背光源的主导地位已经被动 摇。两寿命更长、显示色域更广、功耗更低、更加环保的新型背光源l e d 以压倒性优势占领了中小尺寸液晶面板市场，并显示出其强大的应用前景。国际 著名的公司如s o n y 、s a m s u n g 、三菱电机、a v a g o ( a g i l e n t ) 、o s r a m 、欧姆龙、 c r e e 等纷纷推出了l e d 背光类的产品。 图1 1s o n yo u a l i a 液晶电视与普通c c f l 背光电视的比较 索尼是l e d 背光的发起者，2 0 0 4 年s o n y 展示了背光使用红色、绿色以及 蓝色l e d 的“q u a l i a ”系列液晶电视如图1 1 所示，在该品牌4 6 英寸液晶电 视中配备了4 5 0 个l e d 模块。每个l e d 模块的耗电量1 w 左右。按绿、红、蓝、 红、绿的顺序排列，每5 个l e d 模块为一组，在液晶面板正下方排列了多组。 l e d 模块的耗电量高，导致发热量也大。因此使用风扇进行冷却。同年，s o n y 又推出了个人电脑用液晶显示器w g p - - d 2 3 h d l ”。其颜色重现范围相当于 n t s c 规格的1 0 5 ，也采用了l e d 背光。画面尺寸为2 3 英寸，该液晶显示器 共配备8 0 个l e d 。红色l e d 和蓝色l e d 各2 0 个以及4 0 个绿色l e d 。用两条 由4 0 个红色l e d 、绿色l e d 以及蓝色l e d 排成一列而成的l e d 模块照射液晶 面板。l e d 模块安装在液晶显示器侧面。该液晶显示器画面侧面的外壳 额缘部分的厚度大于使用冷阴极荧光管( c c f l ) 的普通液晶显示器。原因 是l e d 的发光效率低于c c f l 发热量更大，所以为提高l e d 模块的散热性能安 装了降温设备，使厚度增大。尽管由于市场定位、价格等一些因素的影响，这两 款产品并没有成为主流，但s o n y 通过这两款产品在l e d 背光上占得了先机， 在颜色的混光、散热等方面取得了一些经验，这些都是以一些专利的形式表现出 来。 韩国三星s d i 的f i e l ds e q u e n c e 液晶面板，是利用l e d 的反应速度比冷阴 极灯管快三倍的特性，以r g b 三种l e d 作光源，依序高速切换点灯，这种液晶 面板除了可以取代高单价彩色滤光片( c o l o rf l i t e r ) 之外，更可增加液晶面板的细腻 度与辉度，因此该公司已经决定利用上述技术，开发大尺寸的l e d 背光产品， 在c e b i t2 0 0 7 上，三星发布了一款3 0 寸的l e d 背光显示器，型号“s y n cm a s t e r x l 3 0 ”，最主要的特色是背光源换成了l e d ，色彩再现率高达1 2 3 ，覆盖a d o b e r g b 色域，单反相机拍摄的照片也可以在上边完美还原出自然色彩，如鲜绿 色、暗红色等等。s y n cm a s t e rx l 3 0 还搭配了“n a t u r a lc o l o re x p e r t ”软件，可 让用户自定义g a m m a 值、色温和白平衡2 1 。 日本三菱电机成功开发了使用6 色l e d 作为背光源的液晶显示器。与公司 3 色l e d 背光源的原形产品相比，6 色l e d 背光源的色彩再现范围提高到1 1 9 。 和s r g b 比则提高到了1 8 1 。在代表自然界中存在的物体颜色的色彩样本 “m u n s e l lc o l o rc a s c a d e ”中所规定的颜色中可以显示9 5 5 8 。使用3 色l e d 背照灯的传统产品只能显示m u n s e l lc o l o rc a s c a d e 中的8 0 6 2 ，s r g b 为 5 2 6 7 。此次在背照灯中使用的l e d 分别是峰值波长为4 1 0 n m ( b 2 ) 、4 3 0 n m ( b 1 ) 、5 1 0 n m ( g 1 ) 、5 4 0 n m ( g 2 ) 、6 1 5 n m ( r 2 ) 、6 2 5 n m ( r 1 ) 的6 种 l e d ，共分成了( r 1 ，g l ，b i ) 和( r 2 ，g 2 ，b 2 ) 2 组。每一帧周期里，每组 交替点亮一次。也就是所谓的“场序方式”。同时还使得点亮的3 色l e d 与液 晶面板的各子像素及3 色彩色滤色器相对应。之所以采用这种方式，目的在于“能 够在不需对像素结构与彩色滤色器进行改进的情况下，让传统的液晶面板扩大色 彩表现范围”。l e d 是由美国l u m i l e d s l i g h t i n g 公司生产。显示屏上r l 、r 2 、 b i 、b 2 各使用了2 6 个，g i 、( 3 2 各使用了5 6 个。背光灯部分的耗电量为6 0 w 。 原型的液晶显示器为2 3 英寸，分辨为1 2 8 0 7 6 8 像素，亮度为8 0 c d m 2 。具有 将r g b 影像信号转换成兼容6 原色的色彩信号的电路。还配备了对l e d 因温度 和时间而产生的色变进行补偿的电路3 1 。 与同韩厂商的传统的去除彩色滤光片的方式不同的是，我国台湾中央大学光 电中心固态照明团队推出l e d 背光广色域技术，无需更改现有的彩色滤光片， 即可达到( 或超越) 其它相关技术相近的色域，只使用r g b 三色l e d 即可，是 液晶显示背光技术上的大突破。该团队日前提出一项新设计，以r g bl e d 为背 光源基础下，保留液晶面板原有的彩色滤光片，经光与电的协调控制，展现出 1 2 2 n t s c 的色域，逼近现今r g bl e d 背光源1 2 5 n t s c 色域的理论极限“1 。 2 在国内，l e d 背光行业的研究也是蓬勃发展，但目前主要集中在小尺寸的 便携式数码产品的l e d 背光上，以白光l e d 居多，而在大中型尺寸上，大多数 的厂家和科研机构都d + 刚刚起步。 而目f j i 在军事、工业、医疗以及野外作业的特种显示领域中，由于其宽温、 高亮度以及工作环境复杂等特点，目前仍然是c c f l 占绝对主导地位，但是随着 在特种显示行业对电磁兼容、红外截止等方面要求的提高以及l e d 丌发技术的 成熟，用l e d 来实现高亮度背光源不再是遥不可及，值得我们去研究。 本课题来源于国家特种显示工程技术中心，为某型号机载液晶显示模块的配 套背光源。 1 2 相关知识介绍 1 2 1 液晶显示器( l c d ) 液晶( l i q u i dc r y s t a l ) 是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分 子排列的有机化合物，如果把它加热会呈现透明状的液体状态，把它冷却则会出 现结晶颗粒的混浊固体状态。用于液晶显示器的液晶分子结构排列类似细火柴 棒，称为n e m a t i e 液晶，采用此类液晶制造的液晶显示器也就称为l c d ( l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ) 。 1 2 1 1 液晶显示器的分类 常见的液晶显示器分为t n l c d ( t w i s t e dn e m a t i c l c d ，扭曲向列l c d ) 、 s t n l c d ( s u p e rt n l c d ，超扭曲向列l c d ) 、d s t n l c d ( d o u b l el a y e r s t n - l c d ，双层超扭曲向列l c d ) 和t f t - l c d ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r - l c d ，薄膜 晶体管l c d ) 四种。其中t n - l c d 、s t n l c d 和d s y n l c d 三种基本显示原理 相同，只是液晶分子的扭曲角度不同而已。s t n l c d 的液晶分予扭曲角度为1 8 0 度甚至2 7 0 度。而n 叮一l c d 则采用与t n 系列l c d 截然不同的显示方式。 t n 由于无法显示细腻的字符，通常应用在电子表、计算器上。作为显示器 t n 系列的液晶显示器已基本被淘汰，s t n 由于扭转角度较大，字符显示比t n 细腻，同时也支持基本的彩色显示，多用于液晶电视、摄像机的液晶显示器、掌 上游戏机等。而随后的d s t n 和耵叮则被广泛制作成液晶显示设备，d s t n 液 晶显示屏多用于早期的笔记本电脑，由于支持的彩色数有限，所以也称为伪彩显。 1 1 可被应用于笔记本电脑，并逐步进入主流台式显示器市场。 1 2 1 2 耵叮液晶显示器的原理 t f t 液晶显示器与t n 系列液晶显示器的原理大不相同，但在构造上和t n 液晶仍有相似之处，如玻璃基板、i t o 膜、配向膜、偏光板等，它也同样采用两 夹层间填充液晶分子的设计，只不过把t n 上部夹层的电极改为f e t 晶体管， 而下层改为共同电极，结构如图1 2 所示。 在光源设计上，t f t 的显示采用“背透式”照射方式，即假想的光源路径不 是像t n 液晶那样的从上至下，而是从下向上，这样的作法是在液晶的背部设置 类似同光灯的光管。光源照射时先通过下偏光板向上透出，它也借助液晶分子 来传导光线，由于上下夹层的电极改成f i 玎电极和共通电极。在f e t 电极导通 时，液晶分子的表现如t n 液晶的排列状态一样会发生改变，也通过遮光和透 光来达到显示的目的。 圈1 2 n 叮液晶结构图 但不同的是，由于f e t 晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透 光的液晶分子会一直保持这种状态，直到f e t 电极下一次加电再改变其排列方 式。相对而言，t n 就没有这个特性，液晶分子一旦没有施压，立刻就返回原始 状态，这是n 可液晶和t n 液晶显示的最大不同之处”。 1 2 1 3 液晶显示器的优势 ( 1 ) 轻薄便携。传统显示器由于使用c r t ，必须通过电子枪发射电子柬到 屏幕，因而显像管的管颈不能做得很短，当屏幕增加时也必然增大整个显示器的 体积。液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示目的，即使 屏幕加大，它的体积也不会成正比的增加( 只增加尺寸不增加厚度所以不少产品 提供了壁挂功能，可以让使用者更节省空间) ，而且在重量上比相同显示面积的 传统显示器要轻得多。 ( 2 ) 色彩丰富。液晶显示器拥有1 6 7 百万的色彩，画面层次分明，颜色绚 丽真实。 ( 3 ) 分辨率大，清晰度高。液晶显示器从一开始就使用纯平面的玻璃板， 其平面直角的显示效果比传统显示器看起来好得多。不过在分辨率上，液晶显示 器理论上可提供更高的分辨率，但实际显示效果却差得多( 存在一个最佳分辨率 4 的问题) ，虽然液晶显示器可以克服扫描线的抖动和闪烁，但由于液晶本身的缝 隙较粗，会造成图像如网格般的收看效果。所以液晶屏幕的最佳分辨率一般可达 1 0 2 4 7 6 8 ( 已经足够了) 。而传统显示器在较好显示卡的支持下达到完美的显示 效果。 ( 4 ) 绿色环保。液晶显示器没有幅射，虽然只有来自于驱动电路的少量电 磁波，但若将外壳严格密封即可排除电磁波外泄。所以液晶显示器有称为冷显示 器或环保显示器。液晶电视不存在屏幕闪烁现象，不易造成视觉疲劳硒1 。 ( 5 ) 耗电量低，使用寿命长。 1 2 2 几种常用l c d 背光源的特点 l 。2 2 1 冷阴极荧光灯( c c f l ) 液晶模块常用的背光灯为冷阴极荧光灯，即c c f l ( c o l dc a t h o d e f l u o r e s c e n tl a m p ) 。其结构如图1 3 所示：在玻壳 一般用硼酸】内充入氩【a r 】、氖 n e 】和汞【h 翻，用镍 n i l 、钼【t a 】、锆【z r 】或氧化物涂复的金属作电极，灯内壁涂 有三基色荧光粉。惰性气体为缓冲气体，充入气体的压强对灯的亮度、启动性能 和寿命都有很大影响。 气体 图1 3 冷阴极荧光灯的结构不意图 冷阴极荧光灯的发光原理为当高压加在灯管两端后，灯管内少数电子高速撞 击电极后产生二次电子发射，开始放电，管内的水银受电子撞击后，激发辐射出 2 5 3 7 r i m 的紫外光，产生的紫外光激发涂在管内壁上的荧光粉而产生可见光。其 特征：白光高亮度、高功效、高寿命、低功耗，低温时快速启动，亮度易调节， 色温控制准确，体积小，易安装，发热小。 而采用冷阴极荧光灯为背光源的液晶显示模块( l c m ) 结构如图1 4 所示， 这种背光源的特点为亮度高、功耗低；适用于大面积显示所需的背光；色还原性 很好；亮度可调节；平均亮度半衰期为2 0 0 0 0 小时；需要相对应的逆变器。不足 之处是色彩表现力差( 约为n t s c 的8 0 左右) ，驱动需要高压，含汞不利于 环保7 】。 图1 4c c f l 背光模块结构图 1 2 2 2 场致发光片( e l ) e l 背光系统是由e l 灯片和e l 驱动器组成邛1 。e l 灯片的厚度一般小于 0 2 m m ，是由绝缘基底上喷涂了场致发光材料并夹在两层电极之间组成。e l 场 致发光灯的供应商可以通过使用不同的发光材料，比如硫化锌、硫化钙或硫化锶， 再掺杂其他成份如镁、钐、铕或添加荧光染色剂等，来调整光的亮度和颜色。改 变激励频率同样能引起光的颜色变化，当频率增加时颜色向偏蓝的方向变化，而 当频率减小时颜色会向偏绿的方向变化，e l 灯片的原始颜色是指激励电压为 2 0 0 、w o o h z 时e l 灯片的发光颜色。 e l 灯片具有很强的柔韧性，在不折损电极的前提下，可任意裁剪或弯曲而 不影响发光性能；而且，e l 灯片是一种“平面”发射器，相对于l e d 点光源， 无须导光板等扩散器即可实现全表面均匀光；另外，l e d 是一个“热点”光源， 局部“热点”往往会给精密的电子系统带来意想不到的干扰，而e l 灯片是一个 冷光源。 相对于l e d 背光系统，e l 背光系统的另一个优势在于降低了功耗。e l 灯 片所需要的仅仅是高电压，负载所需的电流却非常小，大概范围是o 0 3 到 l m a c m 2 ，一般来说，在e l 灯的面积小于1 0c m 2 时，工作电流在几个m a 左 右。然而，仅驱动一个l e d 就需要5 到1 0 m a 的电流。低功耗对于使用电池供 电的设备而言，具有相当大的意义。 图1 5 e l 的等效电路 从电气特性上看，e l 灯片具有阻容特性，等效电路如图1 5 所示，电容容 量通常是2 到6 n f i n 2 ( e l 灯的质量越好电容特性越小) 。电阻阻值通常是5 0 到 6 1 5 0 0 0 k o h m i n 2 。同一个e l 驱动电路的最大驱动面积和驱动亮度会因不同的e l 灯片而有较大差别。 e l 灯片的发光亮度是几项电气参数综合效果。一般来说，驱动电压的峰值 增加，亮度增加：驱动电压的频率增加，亮度增加( 但当频率上升到几千赫兹时， 亮度的增加会逐渐减少) ：另一方面，驱动电压的频率增加，e l 灯片的发光效率 会降低；当然，e l 灯片的材料、品质和构造对发光亮度和效率也有很大的影响， 例如，不同颜色的e l 灯片效率不同，绿色的效率最高。此外，e l 灯片的亮度 标测单位是反映主动光源的m ( 英尺朗伯) 或n i t s ( e d m 2 ，烛光平方米) ， l f l = o 2 9 1 9 n i t s ，而不是测量物体反射光强度的l u x ( 勒克斯) 。 e l 场致发光灯的寿命是以半衰期来衡量的，即e l 灯片的亮度降低到初始 时的一半时e l 灯片的连续工作时间。典型的e l 发光灯的半衰期是5 0 0 0 到1 0 0 0 0 小时，这取决于所使用的发光物质、激励电压和工作频率。较高的驱动电压和较 高的驱动频率会降低e l 灯片的使用寿命，高湿和高温的环境同样会降低发光灯 的使用寿命。需要指出的是，驱动电压所引入的直流分量会极大的减少e l 灯片 的寿命，某些e l 驱动器采用一端接e l 灯片一端接地的驱动作法是极不可取的， 因为这不仅向e l 灯片引入了直流分量，而且对系统的地线也引进了更多的干扰 信号。 图1 6 e l 背光模组 e l 背光模组的结构如图1 6 所示，这种背光源的特点为能提供亮度高且均 匀的背光；背光板很薄，一般小于l m m ，因此对整个l c m 的厚度影响不大；在 正常的驱动条件下初始亮度高，其亮度的半衰期为5 0 0 0 8 0 0 0 小时；不足之处为 寿命短，电磁干扰严重，不利于特种显示中的电磁屏蔽8 1 。 1 2 2 3 发光二极管( l e d ) 作为新型的背光源，l e d 利用半导体p n 结的粒子效应释放能量发光，主 要具有以下优点伸1 ： 1 ) l e d 背光源有更好的色域。其色彩表现力强于c c f l 背光源，可对显示 色彩数量不足的液晶技术起到很好的弥补作用，色彩还原好： 2 ) l e d 的使用寿命可长达1 0 万小时。即使每天连续使用l o 个小时，也可 以连续用上2 7 年，大大延长了液晶电视的使用寿命，可获得对等离子技术压倒 性的优势； 7 ：m 3 ) 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 在着一个门槛。因此，无论在明亮的户外还是全黑的室内，用户都很容易将显示 器的亮度调整到最悦目的状态： 4 ) 完美的运动图像。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。l e 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； 5 ) 实时色彩管理。由于红绿蓝3 色能够独立发光，很容易精确控制目静的 显示色彩特性； 6 ) 可以调整的背光自平衡，同时保证整体对比度。可以轻松在9 6 0 0 k 和 6 5 0 0 k 问调整白平衡，而且不会牺牲亮度和对比度； 7 ) 可以为大尺寸屏幕提供连续面阵光源。l e d 是一种平面状光源，最基本 的发光单元是3 5 m m 边长的正方形封装后，极容易组合在一起成为既定面积的 面光源，具有很好的亮度均匀性，如果作为液晶电视的背光源，所需的辅助光学 组件可以做得非常简单，屏幕亮度均匀性更为出色； 8 ) 安全。l e d 使用的是5 2 4 v 的低压电源，十分安全，供电模块的设计 也颇为简单； 9 ) 环保。l e d 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； 而对于特种显示领域来说，l e d 在抗震以及红外截止等方面，具有不可比拟 的优势。 1 3 课题的研究内容 本课题来源于国家特种显示工程技术中心的某机载液晶模块配套项目，主要致 力于适合特种显示行业要求的高亮度l e d 背光源的研究，基于课题来源及要求， 文中的研究内容可分为以下三个方面： ( 1 ) 用l e d 来实现高亮度背光的可行性研究。l e d 作为新型背光源，只是 在部分领域应用，能否满足于特种显示领域的高亮，宽温以及复杂的应用环境等 要求，需要进行深入分析研究。 ( 2 ) 用白光l e d 设计出符合特种显示行业要求的高亮度背光源。由较为简单 的白光l e d 入手，从光学、电路驱动以及散热等方面进行背光源产品设计，制 作设计样品，通过环境实验来模拟特种显示行业的环境要求，检验产品是否能够 达到要求，总结经验，逐步改进。 ( 3 ) 对用r g b 三色l e d 实现高亮度背光进行理论研究。r g b 三色l e d 背光 是l e d 背光的发展方向，r g b 三色l e d 背光在色域上的显著优势使得l ( m 模 块可以在色彩表现力上和传统的c r t 抗衡，本课题在前两个方面的基础上会对 r g b 三色l e d 的混光、散热等问题进行尝试性研究和探索。 1 4 本文的结构安排 针对上述的研究内容，本论文分为以下几个章节进行分析与讨论： 第一章绪论。主要介绍了高亮度l e d 背光源研究的意义与目的，相关知 识以及本课题研究的主要内容。 第二章高亮度l e d 背光源的基本原理。从l e d 背光模组的结构入手，逐 一分析每一组件的原理以及对背光源的影响，并分析了背光源高亮度的几种实现 途径。 第三章几种背光源的色度学研究。由色度学的角度分析了c c f l 、白光 l e d 以及r g b 三色l e d 的光谱特性，并且通过实验结果作出三种背光源的色 域图，直观有力的说明了r g b 三色l e d 在色彩表现力上的优势。 第四章高亮度白光l e d 背光源设计。本文的重点，通过一个设计实例， 阐述了在用大功率白光l e d 实现高亮度背光设计中所要解决的若干问题，着重 对背光模块中高亮度的实现、亮度的高精度调节以及背光板的散热问题进行了分 析，并提出一些较为新颖且可靠的解决方案。 第五章r g b 三色l e d 高亮度背光源研究。本章可以看作是上一章的延伸， 在总结设计经验的同时，对光源进行改进，用三色r g bl e d 混成白光，深入 研究了色彩传感器的原理和选择，综合色温调节、亮度调节以及散热等诸多方面 的因素后给出系统框图，完成三色l e d 背光的理论研究。 第六章全文总结。总结取得的研究进展，并指出该研究存在的一些问题以 待今后改进。 9 第二章高亮度l e d 背光源的基本原理 2 1 高亮度l e d 背光模块的结构 图2 1 为l e d 背光模块的结构图( 以侧入式为例) ，l e d 背光模块由l e d 光源、导光板、反射板( 纸) 、两片增亮膜、两片扩散膜组成，下面依次介绍各 组件的原理及功能。 亡= = = = = = = 扩教膜2 = = = = = 二= 增亮犯 亡= = 二= = = = = ： 增亮癀l 匕= 二二二= = = 扩t l t m i 址咐咚 导髓 二二二 反射纸 图2 1l e d 背光模块的结构 2 2 l e d 光源 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，发光二极管) 的结构如图2 2 所示吟1 ，工作原理 和我们常见的白炽灯、荧光灯完全不同，l e d 从本质上来说是一种半导体器件。 其核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片，在p 型半导体和n 型半 导体的交界面就会出现一个具有特殊导电性能的薄层，也就是常说的p n 结( p n j u n c t i o nt r a n s i s t o r s ) 。p n 结可以对p 型半导体和n 型半导体中多数载流子的扩 散运动产生阻力，当对p n 结施加正向电压时，电流从l e d 的阳极流向阴极， 而在p n 结中少数载流子与多数载流子进行复合，多余的能量就会转变成光而释 放出来。l e d 正是根据这样的原理实现电光的转换。根据半导体材料物理性能 的不同，l e d 可发出从紫外到红外不同波段、不同颜色的光线。 图2 2 l e d 结构示意图 由于l e d 只能发出单波长光线，因此l e d 无法像白炽灯那样轻易发出白色 光。这也就是l e d 指示灯只有蓝色、红色、绿色等颜色，而没有白色的原因。 o 无法发出白色光对于指示灯之类的应用并不是什么问题，但对于l c d 背光源来 说则是无法逾越的障碍。各个l e d 制造商都丌始重点研究白光l e d 产品。而在 这一领域，同本的同亚化学是先行者，它在1 9 9 6 年就提出了解决方案，即在蓝 色l e d 上涂上黄色荧光粉实现白光输出。 a v a g ot e e l m o l o g i e s 公司号称能提供业内最薄的表面贴装l e d ，该l e d 采 用0 6 0 3 封装，让移动设备设计者可以丌发出更小更薄的手机、手持游戏机等各 种移动设备。该l e d 大小仅为1 6 ( 长) 0 8 ( 宽) x0 2 5m m ( 高) 。这些低功率 l e d 外形只有铅笔笔尖一般大小，还能够以最小的电流损耗提供一流的照明。 另外，该公司生产的最好的发光l e d 还可以代替电致发光( e l ) 背光，消除了对 于高电压的需要和高频电噪音。 a v a g o 公司的c h i pl e d 有蓝色和磷白色两种，是手机制造商青睐的两种颜 色。而它的超薄h s m r - c l 2 5 ( 蓝色) 和h s m w 。c l 2 5 ( 白色) 两种l e d 适合用于 最薄手机中的背光键盘和状态指示器，办公室自动化设备以及消费电子产品等。 h s m x c l 2 5 型无铅c h i pl e d 系列的无铅结构使热量可以从l e d 中转移， 使之能在- 4 0 到8 5 较大的温度范围内工作。 o s r a mo p t os e m i c o n d u c t o r s 公司的新一代侧发光m i c r os i d el e d 系列也 是同样面向小屏幕l c d ，但外形更小，高度仅0 6 m m ，比该公司之i ； 的产品低 了o 2 m m ，而且它的亮度也比之前的产品要高3 0 。由于薄膜技术的发展，单 个m i c r os i d el e d 如今已经能够发出1 6 e d 的光，高于之前的0 9 e d ，因此适合 于各种小型= d 背光应用。 o p t e kt e e t m o l o g y 公司开发的一整套r g bl e d 则可用于从汽车照明到便 携式设备等一系列背光应用。这套l e d 有各种尺寸和视角，荠能够以包含了平 面或半球形l e d 模块的全彩色表面贴装设备的形式提供。 o p t e k 的r g b 系列l e d 可以用于手机、寻呼机、汽车内外灯、室内外广 告牌和显示屏、电信设备、相机闪光灯灯领域，并能用作液晶显示器、薄膜开关 和标记的平面背光设备。其操作温度范围有4 0 到1 0 0 ，3 0 到8 0 c 以及 - 3 0 到8 5 各种规格。 d i s p l a y t e c h 公司也能提供一系列r g bl e d ，适合于手持设备，功耗低至6 0 m a 一1 2 0 m a ，工作电压为3 2 v 。这一系列l e d 专为该公司的c o g l c d 设计， 有红、绿和蓝三种颜色，可以单独或者混合使用，来形成紫、黄、蓝绿和白色背 景色。 在中型尺寸应用领域，则要数g l o b a ll i 曲t i n st e c h n o l o g i e s 公司推出的一款 白色l e d ，这款l e d 用于使用了该公司的m i e r o l e n s 模光引导技术一7 英寸1 r i 叮 l c d 中，以较少的l e d 数量提供较高的亮度，可以减少l e d 数量和成本。 这些g l ，t 高亮度全集成l e d 可以视l e d 数量的不同而提供3 5 0 0 到8 0 0 0 c d m 2 的亮度，以及中型尺寸l c d 显示完美的一致性，可用于各种领域，包括 便携式d v d 、汽车g p s 和d v d 系统以及轿车和货车中的其它开光可读型显示 屏。 v i s h a yi n t e r t e c h n o l o g y 公司丌发出的v l m 系列高密度表面贴装l e d 则可用 于更大型l c d 的背光应用，这一系列是其现有t l m 系列l e d 的r o h s 兼容型 版本。v l m 系列l e d 可以用作汽车仪表板、汽车广播和开关的背光，并能用在 电信系统、a n 设备和办公室设备中作为指示器和背光，还可用于l c d 、开关 和标记中作为平面背光1 。 用作背光源的白光l e d 根据白光的混成原理分为以下几种”：如图2 3 图2 3 几种l e d 封装示意图 1 ) 拟似白光l e d 基本上它是由蓝光l e d 与黄色荧光体所构成，工作时利用互补原理产生白 光，这种型式的l e d 结构非常单纯，而且发光效率很高，因此被当作小型l c d 的背光光源，广泛应用在行动电话，缺点是红色成份的强度较弱。 2 ) 近紫外白光l e d 它是由可产生近紫外光的l e d ，与可产生r g b 三种颜色的荧光体两者组合 而成，由于它是利用r g b 三种颜色混合变成白光所以色再现性很高，不过这种 白光l e d 基于紫外光会使封装树脂与荧光体变质，因此必需另外开发抗紫外光 的树脂与荧光体。 3 ) 单体r g b