led在背光源的应用

led在背光源的应用（精选5篇）

led在背光源的应用篇1

液晶显示设备的亮度、对比度等指标很大程度上都取决于背光源的性能, 加上背光源又属于消耗品, 因此其也直接决定着液晶显示设备的使用寿命。

本文对LED在LCD背光照明中的应用进行了分析和探讨。

1、CCFL与LED性能之比较

1.1 CCFL背光光源

CCFL (冷阴极荧光灯) 是采用冷阴极代替钨丝等热阴极的低气压汞-稀有气体放电灯, 在强电场的作用下, 依靠离子轰击由镍、钽和锆等金属组成的电极来发射电子, 使汞原子激发电离, 辐射出波长25317 nm的紫外线, 紫外线激发管壁上的荧光粉涂层发光。传统的LCD显示器都是采用CCFL背光。虽然从技术上来说CCFL已经相当成熟, 无论是性能还是稳定性都久经考验。

(1) CCFL灯需要复杂的辅助组件, 使LCD屏幕的厚度难以控制。CCFL属于管状光源, 要将所发出的光均匀散布到面板的每一个区域就需要相当复杂的辅助组件, 使得LCD屏幕的厚度难以控制。而且随着面板的增大, 必须使用多条光源, 这就要求来自这些CCFL的光还必须匹配。

(2) CCFL使LCD图像的亮度和色彩饱和度差。CCFL的背光设计中的侧入式因光导设计使得光折损率较高, 进而让背光亮度受限, 面板尺寸越大时亮度就越低。

而且, CCFL的色域较为狭窄, 会严重影响在LCD显示器上显示的色谱, 导致几乎所有的LCD显示器都无法达到平面印刷的Adobe RGB色域标准。CCFL背光使LCD显示器最大只能再现不到80%的NTSC信号所能传输的色彩。

(3) CCFL背光光源的能量利用效率低下。在光能从背光到屏幕的传输过程中, 光能量损耗情况非常严重, 最终大约有6%的光能可被真正利用。为了实现更高的亮度和对比度, 必须提高光源的输出功率或增加灯管数目, 而这样带来的后果就是功耗增加。特别是这些CCFL需要高压交流电驱动, 对电源变压整流组的要求相对复杂。

(4) CCFL的使用寿命不长。许多LCD产品在使用几年后屏幕就会发黄、亮度明显变暗。

1.2 LED背光光源

LED由两层很薄的P型半导体和N型半导体材料制成, 一层是N型半导体, 带有过量的电子;另一层是P型半导体, 有大量带正电的“空穴”。在交汇处形成PN结。在PN结正向偏置条件下, 通过注入到器件有源区的电子空穴对自发复合辐射, 将电能转化为光能, 即产生可见光。

与现有的CCFL技术相比, LED有大量的优点。

(1) 用LED取代传统的CCFL背光光源, 能够提高图像的亮度和色彩饱和度。

LED是一种平面的光源, 最基本的LED发光单元是边长3~5 mm的正方形, 极容易组合在一起成为既定面积的面光源, 它作为液晶屏的背光光源, 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。而且LED背光有更好的色域, 色彩表现力强于冷阴极荧光灯背光, 可对显示色彩数量不足的液晶技术起到很好的弥补作用。

(2) LED光源使用寿命长、响应快。LED光源属于一次光源, 在发光的过程中, 电能直接变为了光能。LED使用的是6~24 V的低压电源, 供电模块的设计也颇为简单, 这种采用LED背光光源的液晶屏比通常用的CCFL类液晶屏省电48%, 功耗小, 寿命可达到100000hr。发光的响应速度快, 它的响应时间为ns级。

(3) 体积小、结构牢固。LED是用环氧树脂封装固态光源, 是一种全固体结构, 能经得起震动、冲击而不至损坏。而且体积也相对较小, 重量轻、成本低。

2、LED应用于背光照明存在的问题

虽然LED背光有诸多优点, 但也有其缺点:

(1) 成本较高。LED属点型光源, 需多颗LED组成光源, 结构较复杂。与CCFL的线型光源相比, 会更难控制光均性。为了达到尽可能的光均匀, 必须对生产出来的LED进行精挑严选, 将大量特性一致 (波长、亮度) 的LED用于同一个背光中, 此挑选成本相当高昂。

(2) 存在发光效率问题。以相同的用电而言, LED并不及CCFL。

(3) 散热方面的问题必须考虑。

3、结语

综上, 虽然LED作为LCD的背光光源存在一定的缺点, 但毋庸置疑, LED仍是LCD背光照明的首选光源。而且, 随着LED技术的迅猛发展, 其发光效率的逐步提高。LED的其它应用市场也将更加广泛, 特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下, LED在照明市场的应用前景将更加备受瞩目。

摘要：本文将LED与传统的CCFL进行对比, 对LED在LCD背光照明的应用进行了分析。最后得出结论, 虽然LED作为LCD的背光光源存在缺点, 但仍是其首选。

led在背光源的应用篇2

液晶显示器(LCD)是光调制器件,自身并不发光,所以为了可以清楚地看到透射式液晶显示器的显示内容,需要给液晶屏匹配一个背光源[1]。目前的背光模组一般使用冷阴极管(CCFL)为光源,包含了红、绿、蓝等各色光的频率。CCFL因辉度高、成本低廉、技术成熟等优点被广泛的运用在平板显示器上。随着发光二极管(LED)亮度的改善,LED背光模组显示出CCFL无法比拟的优点,如色彩还原性好、寿命长、不含汞、有利于环境保护,这些使其成为LCD背光模组中的研究热点[2,3,4,5]。LED背光模组的设计主要包括光学结构设计,驱动电路设计以及程序设计,显示性能主要表现在亮度、色度、均匀性等方面。本文将从驱动电路和软件设计的角度进行阐述,讲述了设计所采用的元器件、硬件原理及其软件编程,详细地探讨了RGB LED背光源的设计方案。

1 硬件设计

本设计采用单片机作为LED的控制核心器件,选用NCP 5623实现LED背光源的静态显示。单片机主要实现的功能是通过I2C协议控制NCP 5623芯片,NCP 5623根据单片机发送的命令调节3种颜色的LED的亮度从而达到背光的效果。NCP 5623 是安森美半导体日前推出的高能效3路输出LED驱动器,带有I2C接口,并且内置渐进调光功能,3路LED可独立控制,总LED电流9可达0 mA,并且是一种无铅器件。该器件特别适用于驱动手机和MP3播放器等便携产品中的3色RGB(红、绿、蓝)LED装饰光和增强型LCD背光。硬件结构图如图1所示[7,8]

2 软件设计

NCP 5623是接受单片机的命令而产生动作,单片机给NCP 5623芯片发送指令是通过I2C总线,两者之间通过I2C协议进行通信。I2C总线的实现可以有多种方法,而对于本文的情况,速率不是问题的重点,所以采取一般的单片机用某两个普通I/O口模拟I2C总线[6]。对于单片机模拟I2C总线已经非常成熟,只要根据以往的程序根据自己的需要略加修改即可[7]。对于背光光源来说,主要调整三原色之间的亮度比例和根据自己的需要进行总体亮度调节,这些都可以通过NCP 5623所提供的命令实现,所以只要掌握了这些指令传输的程序实现,可以自己根据需要组合实现自己想要的功能,下面就给出NCP 5623各个命令的子程序实现。

NCP 5623能实现的功能如表1[8,9]。

该表的$70代表NCP 5623的I2C器件写地址。对于NCP 5623来讲没有读操作。该器件的命令为1个字节,它可以被认为是I2C传输的内容部分[10]。该字节最高3位用来表征命令,后面5位用来表征命令的参数,比如001表示对3个LED亮度同时进行控制,而后面5位则表示亮度。下面是每个命令的子程序实现,I2C_Start()是启动I2C总线读写函数,I2C_Stop()是停止I2C传输函数,writeByte()是传输数据函数.每个命令的实现开头都应该有I2C_Start()启动传输,最后应该有I2C_Stop()停止I2C总线活动。

灯灭命令实现:

bit tempbit;

tempbit=0;

I2C_Start();

writeByte(0x70);

tempbit = checkAck();

writeByte(0x00);

tempbit = checkAck();

I2C_Stop();

为了节约篇幅,下面的程序省略I2C_Start();I2C_Stop()和每个writeByte()函数后面的tempbit = checkAck()。

同时控制3个灯的亮度命令模板:

writeByte(0x70);

writeByte(value); //value可取0x20-0x3f

控制红灯的亮度命令模板:

writeByte(0x70);

writeByte(value); //value可取0x40-0x5f

I2C_Stop();

控制绿灯的亮度命令模板:

writeByte(0x70);

writeByte(value); //value可取0x60-0x7f

控制黄灯的亮度命令模板:

bit tempbit;

writeByte(0x70);

writeByte(value); //value可取0x80-0x9f

渐亮模式程序实现:

writeByte(0x70);

writeByte(value0); //value0可取0x20-0x3f

writeByte(value1); //value1可取0xa0-0xbf

writeByte(value2); //value2可取0xe1-0xff

必须保证value0的后5位的值小于value1后5位的值。

渐暗模式程序实现:

writeByte(0x70);

writeByte(value0); //value0可取0x20-0x3f

writeByte(value1); //value1可取0xc0-0xdf

writeByte(value2); //value2可取0xe1-0xff

必须保证value0的后5位的值大于value1后5位的值。

可以将上面的每个命令实现为子函数,根据实际情况组合,实现不同的应用。

3 结语

本文提出了一种基于单片机实现LED背光源静态显示的方法。针对其功能和特性,采用了NCP 5623芯片,完成了有关电路的设计和软件设计。可以实现亮度多级调控的背光光源,而且可以根据不同命令的组合实现可各种颜色可变,亮度可调,亮度和颜色渐变的功能,可用于其他应用。

参考文献

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[4]缪民.LED背光照明设计中的各种选择[J].电子产品世界,2004(1):94-96.

[5]朱海波,夏明哲,徐琼,等.用RGB LED实现高亮度背光源[J].今日电子,2007(7):47-49.

[6]杜礼霞,吴伟.软件模拟I 2 C总线的C51实现[J].仪表技术,2004(4):46-47.

[7]赵妍妮.I 2 C总线的单片机C语言实现及其应用[J].微机发展,2001(4):71-74.

[8]希雷.安森美半导体推出带I 2 C接口的超小型三路输出LED驱动器[J].半导体信息,2007(9):15-17.

[9]Literature Distribution Center for ON Semiconductor.安森美半导芯片手册[M].USA:Literature Distribution Center for ON Semiconductor,2008.

LED背光对LCD色彩的影响篇3

随着LED光效的提高,出现了LED背光。LED背光的优点是色域宽,LCD使用白色LED作背光。白色LED是由蓝色LED加黄色荧光材料制备的。由于不同厂家LED的光谱是不同的,所以液晶屏对LED 背光的调制取决于液晶屏自身的光响应特性和LED背光的光谱[1]。

1 LED侧光式背光源结构

大尺寸LCD背光源的结构[2]如图1所示。

首先将LED灯置于导光板侧面,光进入导光板后,将沿导光板传播,均匀照亮整个导光板,光线经反射纸反射以后,进入第一个扩散膜,然后进入增亮膜1、增亮膜2,照亮液晶屏。

2 LED背光液晶面板测试系统

测试中使用的主要仪器为辉度计SR-3,示波器及电流探头,视频发生器Chroma 29132,测试系统如图2所示。

2.1 系统组成

辉度计SR-3仪器主要作用是测量屏幕亮度及色坐标值[3]。示波器及电流探头主要作用是记录液晶电视点亮情况下LED背光驱动电流大小。视频发生器Chroma 29132主要作用是给液晶屏电信号,驱动液晶屏显示不同色阶画面。

为避免测试系统受到外界及反射光线的影响,这个测试系统必须在暗室内进行。实际测量中使用的系统如图2所示。

2.2 测试地点

测试地点选择国家重点实验室青岛市市南区海信研发江西路11号。

2.3 测试条件

首先保证测光计的孔径角为2°,然后测定距离L为500 mm,测试环境温度为(25±3)℃、湿度为(60±20)%,最后测试5组不同的电流数据。

2.4 测量位置

测量13个点具体位置如图3所示。

2.5 测试内容

首先进行白画面测试,然后进行三原色测试,最后进行不同电流测试。

2.6 测试方法

首先记录环境条件,然后将被测LED背光放置在试验台上,开启白色背光系统,等待20 min,然后将辉度计中心点对准第一测量点,20 min以后,移动实验机台,依次测量13个位置点的数据,最后白色背光测量完毕,更换为三基色,重复以上步骤,依次测量。

3 液晶屏测量结果分析

3.1 不同驱动电流与亮度关系

测试LED背光源所用LED灯是由日本ROHM公司提供。

测量背光透过液晶屏中心点亮度和红绿蓝屏的13点色度坐标。其中背光和液晶屏的配合,一般指白色色度坐标的匹配。这里只研究液晶屏白色的色度坐标亮度关系。本次测试使用同一块液晶屏模组,只改变电流大小,测得LED白光透过液晶面板的亮度和白光色坐标[4]。

由图4得出,13点亮度随着驱动电流I的增大而提高。5组13点曲线走势看出,150 mA时13点亮度曲线在最上方,80 mA时的13点亮度曲线在最下方。5组图像各点变化趋势相一致。在电流80.19 mA下,第12点到第13点变化趋势与其他变化趋势不同,分析原因,总结为测量误差,可以忽略。

由图5可看出,13点的白光透过液晶面板的白场色坐标X,随着驱动电流I的增大而减小,电流低时的连接线图像明显高于电流高时的连接图像,5组13点整体趋势相一致。从图中看出,当电流为140 mA,测量第6点的X值和当电流为100.1 mA时,测量第8点X值,都明显偏离整体趋势。分析原因可能是组装拆卸液晶电视机的环境要求无尘,这是在正常温度的屋内拆卸组装,容易有异物进入面板与背光缝隙中,造成测试数据的误差。也可能为测量仪器本身的随机误差造成。

由图6可看出,13点的白光透过液晶面板的白场色坐标Y值,随着驱动电流I的增大而减小,电流低时的Y值连接线图像明显高于电流高时的Y值连接图像,5组13点整体趋势相一致。

计算每组13点数据的平均亮度得出图7。由图7可以看出,13点平均亮度值,随着驱动电流的增大成比例地增大,基本为线性关系。由此得出,在额定电流135 mA的变化范围内,增大或减小电流,其液晶屏面板亮度随之线性增大或线性减小。图8中,计算了每组13点数据的平均X值、Y值,得出变化曲线。由图可以看出,13点平均X,Y值,随着驱动电流的增大而减小,基本为线性关系。

由此得出,在额定电流135 mA的一定变化范围内,增大或减小电流,其液晶屏面板白场条件下,X,Y值随之线性减小或线性增大。

3.2 不同驱动电流与RGB色域关系

研究不同驱动电流与RGB色域关系,去测试第一点的数据。第一点也为中心点。根据测得的X,Y值来计算色域[5]。把被测设备调整好后,分别在三基色R,G,B全场信号测量CIE 1931(x,y),分别测量x,y的坐标。测得5组数据分别如表1所示。

对红色(R)表示值为xr,yr;对绿色(G)表示为xg,yg;对蓝色(B)表示为xb,yb。然后计算R,G,B三角形面积Srgb,用公式进行计算

undefined

式中:Cp即为相对XY条件下的色域[6]。

由以上中心点三基色亮度数据做出如图9所示处理。由不同电流下三基色中心亮度曲线图可以看出:三基色各自的中心亮度是随着电流的增大而线性增大的,相同电流下中心绿色的亮度最大,蓝色亮度最小,红色亮度居中。三基色各自亮度随电流增大而增大的比例不同,绿色增大比例明显大于蓝色和红色的增大比例。

由以上中心点三基色色坐标数据得出驱动电流与色域变化关系如图10。由图10可以看出,中心色域值和不同驱动电流变化几乎与X轴水平,故中心色域值与驱动电流大小几乎无关。

4 小结

讨论了不同驱动电流驱动LED背光,液晶屏13点平均亮度与不同驱动电流关系,液晶屏中心RGB亮度与不同驱动电流关系和中心色域与不同驱动电流关系。得出如下结论:1) 液晶屏13点平均亮度随驱动电流增大(减小)而线性增大(减小)。2) 液晶屏中心RGB亮度随驱动电流增大(减小)而线性增大(减小),但绿色亮度随电流增大而增大的比例大于红蓝色的增大比例。3) 液晶屏中心色域值基本不随驱动电流增大而增大,几乎与电流变化无关。

参考文献

[1]李天华.全彩色LED显示屏的计算机辅助调校方法[J].电视技术,2011,35(2):51-53.

[2]邹跃军,任丁.背光源结构分析及几种提高亮度的途径[J].液晶与显示,2002,17(6):465-470.

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[5]程鸿飞.小尺寸LCD背光源的光学性质[J].现代显示,2005(11):17-21.

led在背光源的应用篇4

液晶屏标准化旨在为企业提供在结构和电气参数方面具有一致性的液晶显示屏,以达到规范生产秩序、降低生产成本、促进市场繁荣的目的。液晶屏标准化不但对整机厂的设计开发、制造、销售及售后服务意义重大,而且极大地推动液晶屏产业低碳技术的快速发展[1,2]。

1 LED背光液晶屏标准化内容

LED背光液晶屏标准化包含液晶屏尺寸系列、液晶屏幕显示尺寸和外形尺寸、底座立柱固定位置、主板固定和电源板位置、电气Driver接口内容、电气LVDS接口和LVDS驱动部分电路的标准化。

1)液晶屏尺寸系列的标准化。

根据市场需求和玻璃切割的有效利用率,把液晶屏尺寸划分为15 in,19 in,22 in,26 in,32 in,42 in,46 in,55 in等,删去了20 in,37 in,47 in等非主流规格,避免了以前尺寸系列上的混乱,进一步规范产品规格和市场需求。

2)液晶屏幕显示尺寸和外形尺寸的标准化。

液晶屏幕显示尺寸如图1中的A×B范围,外形尺寸如图1中的C×D范围。图1的关键尺寸一致,不同厂家的液晶屏才有相互兼容的可能性,有利于液晶屏资源的充分利用,有利于整机外壳等结构件的延续使用,提高物料通用性。后续液晶屏厚度尺寸如有变更,以1.5 mm为步进,避免厚度微小变化时给整机装配带来的不便。

3)底座立柱固定位置的标准化。

此标准化可方便立柱和底座通用,同一尺寸不同外观的机型,其立柱和底座可互换,甚至不同整机厂的也可互换,满足消费者的不同需求。图2为42 in液晶屏的背视图,各屏厂家的固定立柱凸包位置将做到一致。

4)主板固定和电源板位置的标准化。

此标准化便于机芯板和电源板在不同外观不同机型上的通用互换,大大节约了开发成本。

5)电气Driver接口的统一标准。

电气Driver接口的统一定义如表1所示。

6)电气LVDS接口的统一。

LVDS共有51个引脚,表2略去部分引脚定义。

7)LVDS驱动部分的电路形式及接口匹配电路的统一,并在规格书上明确。

2 LED背光液晶屏标准化促节能减排

我国经济发展正处在调结构、上水平的关键时期,推动低碳经济是我国转变经济发展方式的重要举措。在节能、环保和绿色方面取得长足发展,将是低碳经济对液晶屏产业的要求,这就需要在产业规划、技术研发、产品设计、生产组织、流通销售各环节加大低碳技术的研发力度,推动液晶屏产业的可持续发展。

LED背光液晶屏的标准化,在结构和电气方面的高度统一,大大提高零部件的通用性,是低碳节能减排的有效途径。LED背光液晶屏是采用LED灯作为背光光源,LED本身就是一种节能绿色产品,取代原来的普通灯管冷阴极管(CCFL)型背光源。LED体积小、耗电量低、效率高、使用寿命长、高亮度、低热量、环保、坚固耐用,是目前最理想的背光光源。

以32 in和42 in为例,32 in LED背光液晶屏的整机额定功率约为100 W,而CCFL背光液晶屏的整机额定功率约为120 W,42 in LED背光液晶屏的整机额定功率约为130 W,而CCFL背光液晶屏的整机额定功率约为180 W。LED背光的选用大大降低了整机的功耗。

摘要：液晶屏生产厂根据自身的条件设计不同尺寸规格的液晶屏,造成原来的液晶屏规格品种繁多,给整机厂及其配套企业带来生产的麻烦和浪费。液晶屏标准化势在必行,对液晶电视成本的优化和该产业的发展有重大意义。以下主要介绍了LED背光液晶屏的结构和电气的标准化细节,以及标准化推动液晶屏绿色低碳涉及的主要内容。

关键词：LED背光,液晶屏,结构,电气,标准化,低碳

参考文献

[1]赖木辉,张挺燕.一种平板电视机壁挂件的定位装置:中国,200710008455.8[P].2010-09-08.

led在背光源的应用篇5

关键词：发光二极管,背光源,亮度,均匀性

引言

液晶显示器是非自主发光器件,要实现其显示功能需依靠背光模组提供显示所需的均匀面光源。在传统大尺寸LCD背光模组中,光源多采用CCFL(冷阴极荧光灯管);由于近年来环保要求,LCD产品对高色彩品质、产品寿命等特性的需求,含汞成分的CCFL已逐渐被具有省电、环保、体积小、色纯度高、坚固及寿命长的LED(发光二极管)所取代[1]。尽管LED应用于中大尺寸液晶显示器背光还存在一定的缺点,但它的以上诸多优势激励国内外众多厂家不断投入人力物力进行研究与开发[2],使得LED应用于中大尺寸液晶显示器背光的优点得到进一步彰显,而缺点与问题则得到改善甚至解决,从而不断有性能越来越好的使用LED背光的液晶显示器样品甚至产品面世[3,4]。

亮度和亮度均匀性是LED背光的主要性能指标,也是影响液晶显示器显示质量的重要参数,但是亮度和亮度均匀性之间存在着矛盾,在实际设计中,通常是以牺牲部分亮度来提高亮度均匀性。本文提出一种设置具有特殊形状和性能反射膜的方法,可以在不降低亮度的情况下改善亮度均匀性,同时提高背光亮度。

1 背光源结构

图1是直下式LED背光的基本结构图,如图所示,在背光结构中,LED发光源、反射膜、扩散膜、棱镜膜、偏光增亮膜等都是基本的光学元件,实现发光、匀光等光学作用。灯腔、散热板、上下层玻璃、PCB电路板等都是基本的结构部件,起支撑、散热或阻挡光线等作用。

光线从LED光源发出,通过扩散膜、棱镜膜等光学膜片的折射与透射后从背光模组的出光口射出,通过光学膜片的匀光作用,实现了LED点光源向面光源的转换,形成满足液晶显示所需的亮度高、均匀性好的面光源。

2 新型反射膜的设计

LED背光是将多个LED按矩阵的形式排列于背光腔体底部形成发光源,LED矩阵发光源发出的光照向出光口时产生的亮度分布如图2所示,它主要存在两种亮度分布的不均匀状况:首先是整体亮度呈明暗相间的网状分布,其次是出光口边缘亮度低、中间亮度高。

单个LED光源发光特性符合朗伯光源特性,它发出的光垂直照向出光口时产生的亮度分布如图3所示,其特点是中间亮度高、边缘亮度低。所以,当LED矩阵发光源发出的光照向出光口时,出光口上正对于LED的设置区域由于LED的垂直照射亮度较高,非正对于LED的设置区域由于得不到LED的垂直照射因而亮度较低,这样就形成了LED背光出光口亮度分布呈明暗相间的网状分布。

LED矩阵中边缘区域LED发出的光有一部分照向背光腔体的侧面而不能直接从出光口射出,因此减少了出光口边缘区域光线的出射量,从而造成了背光出光口边缘区域亮度较低。要改善这两种不均匀状况,需要利用反射光对原有的亮度分布进行补偿。

2.1 底面反射补偿膜

当LED矩阵发出的光照射向出光口时,一部分光透过扩散膜等光学膜片从出光口出射,另一部分光被光学膜片反射回LED矩阵平面。本文提出了在LED矩阵平面所在位置设置具有特殊形状的反射面,以重新利用这部分被光学膜反射的光,设计此反射面在LED的设置区域为凸面,在LED的非设置区域为凹面,如图4所示。由于凸面镜对光线具有发散作用,凹面镜对光线具有会聚作用,当被光学膜片反射的光线射向此曲面形反射面时,在LED设置区域此光线被凸反射面发散后重新反射回出光口,而在LED非设置区域此光线则被凹反射面会聚后重新反射回出光口。这样就相当于在出光口上正对于LED的设置区域光线被发散,亮度降低,而非正对于LED的设置区域光线被会聚,亮度提高,从而达到改善出光口在LED正上方区域亮度较大、非LED正上方区域亮度较小的亮度分布不均匀状况。

图5为底面反射补偿对亮度改善的亮度叠加示意图,当LED发出的光照向出光口时,出光口的相对亮度分布曲线如曲线1所示,由于LED的朗伯光源特性,在正对于LED的设置区域亮度较高,而在非正对于LED的设置区域亮度较低。被曲面形反射面反射重新利用的光在出光口的相对亮度分布曲线如曲线2所示,在正对于LED的设置区域亮度较低,而在非正对于LED的设置区域亮度较高,这与曲线1的走势正好相反。

出光口的总亮度为LED发出的光直接从出光口出射产生的亮度和经反射面反射后从出光口出射产生的亮度之和,如曲线3所示。所以,曲线3为曲线1和曲线2之和,由于曲线2和曲线1的走势相反,因此曲线2削弱了曲线1的起伏程度,使曲线3的起伏程度弱于曲线1,由此可见底面反射补偿改善了LED背光的亮度均匀性能。

2.2 侧面反射补偿

LED矩阵边缘区域LED发出的光有一部分射向灯腔侧壁,使出光口边缘区域的亮度降低,本文提出在灯腔侧壁设置镜面反射膜,可以将射向灯腔侧壁的光重新反射回出光口以利用。如图6所示,射向灯腔侧壁的光被镜面反射膜反射,重新射向出光面从出光口边缘区域出射,这样可以改善出光口边缘区域亮度较低的不均匀状况。

图7为侧面反射补偿对亮度改善的亮度叠加示意图,图中曲线1为边缘区域LED直接射向出光口的那一部分光在出光口产生的相对亮度分布曲线;曲线2为镜面反射膜设置在a位置时,反射光在出光口产生的相对亮度分布曲线;曲线3为镜面反射膜设置在a位置时,出光口上的总亮度分布曲线。由图可以明显看出,镜面反射膜的设置,可以改善出光口边缘区域亮度较低的不均匀状况。

3 仿真分析与实验结果

将LED理想化为标准的朗伯光源,则单个LED的光强分布满足

$Ι (θ) = \cos (θ) Ι (0) (1)$

式中I(θ)是角度为θ时的光强,I(0)是角度为零时的光强。

用类似马鞍形的曲面作反射面,其方程为:

$z = \frac{1}{a} [\cos (2 π x / p) + \cos (2 π y / p)] (2)$

其中a为任意不为零的常数,p为LED排列的节距。

以单个LED所在位置为坐标原点,LED矩阵所在平面为xoy平面建立如图8所示的坐标系。

LED发出的光线照射到出光口,经出光口反射照在底面反射曲面上任意一点a(x0,y0,z0),则曲面在a点的法线方程为:

$\frac{x - x_{0}}{\frac{2 π}{a p} \sin (2 π x_{0} / p)} = \frac{y - y_{0}}{\frac{2 π}{a p} \sin (2 π y_{0} / p)} = \frac{z - z_{0}}{1} (3)$

所以该法线的方向向量为:

$\overset{⇀}{a} = (\frac{2 π}{a p} \sin (2 π x_{0} / p), \frac{2 π}{a p} \sin (2 π y_{0} / p), 1) (4)$

与 $\overset{⇀}{a}$ 同方向的单位向量为 $\overset{⇀}{a}_{0}$ ,则:

$\begin{array}{l} \overset{⇀}{a}_{0} = (\frac{2 π}{a p} \sin (2 π x_{0} / p) / | \overset{⇀}{a} |, \\ \frac{2 π}{a p} \sin (2 π y_{0} / p) / | \overset{⇀}{a} |, 1 / | \overset{⇀}{a} |) (5) \end{array}$

式中, $| \overset{⇀}{a} | =$ $\frac{2 π}{a p} \sin (2 π x_{0} / p)$ 2+ $\frac{2 π}{a p} \sin (2 π y_{0} / p)$ 2+11/2为向量 $\overset{⇀}{a}$ 的模。

a点入射光线的方向向量为:

$\overset{⇀}{b} = (x_{0}, y_{0}, z_{0} - 2 d) (6)$

式中d为出光面与LED平面之间的距离。

与 $\overset{⇀}{b}$ 同方向的单位向量为 $\overset{⇀}{b}_{0}$ ,则:

$\overset{⇀}{b}_{0} = [x_{0} / | \overset{⇀}{b} |, y_{0} / | \overset{⇀}{b} |, (z_{0} - 2 d) / | \overset{⇀}{b} |] (7)$

式中, $| \overset{⇀}{b} | = [x_{0}^{2} + y_{0}^{2} + (z_{0} - 2 d)^{2}]^{1 / 2}$ 为向量 $\overset{⇀}{b}$ 的模。

令 $\overset{⇀}{a}_{0}$ 和 $\overset{⇀}{b}_{0}$ 的夹角为φ,则:

$\cos φ = \overset{⇀}{a}_{0} \times \overset{⇀}{b}_{0} (8)$

根据反射定律:入射光及法线和反射光在同一平面上,且入射角等于反射角,则可以推导得到反射光的单位方向向量 $\overset{⇀}{c}_{0}$ 为:

$\overset{⇀}{c}_{0} = \overset{⇀}{b}_{0} - 2 \overset{⇀}{a}_{0} \cos φ (9)$

将式(5)和(7)代入(9)即可以得到反射光的方向向量为:

$\begin{array}{l} \overset{⇀}{c}_{0} = [\overset{⇀}{x}_{0} / | \overset{⇀}{b} | - 2 \cos φ \frac{2 π}{a p} \sin (2 π x_{0} / p) / | \overset{⇀}{a} |, \\ \overset{⇀}{y}_{0} / | \overset{⇀}{b} | - 2 \cos φ \frac{2 π}{a p} \sin (2 π y_{0} / p) / | \overset{⇀}{a} |, \\ (z_{0} - 2 d) / | \overset{⇀}{b} | - 2 \cos φ / | \overset{⇀}{a} |] (10) \end{array}$

所以反射光方程为:

$\begin{array}{l} \frac{x - x_{0}}{\overset{⇀}{x}_{0} / | \overset{⇀}{b} | - 2 \cos φ \frac{2 π}{a p} \sin (2 π x_{0} / p) / | \overset{⇀}{a} |} = \\ \frac{y - y_{0}}{\overset{⇀}{y}_{0} / | \overset{⇀}{b} | - 2 \cos φ \frac{2 π}{a p} \sin (2 π y_{0} / p) / | \overset{⇀}{a} |} \\ = \frac{z - z_{0}}{(z_{0} - 2 d) / | \overset{⇀}{b} | - 2 \cos φ / | \overset{⇀}{a} |} (11) \end{array}$