四顶角led光源之3吋液晶背光系统设计研究.doc

四顶角四顶角 LED 光源之光源之 3 吋液晶背光系统设计研究吋液晶背光系统设计研究 A Study of the Design of Corner LED Light Source for 3-inch LCD Backlight Systems黄显川黄显川 叶志庭叶志庭 黄国胜黄国胜清云科技大学 电机工程所 中坜市健行路 229 号 m9312006@cyu.edu.tw摘要摘要 发光二极管背光系统由于LED为点光源的特性容 易造成面板亮度不均的问题，本文以3吋的液晶面板背 光源为设计对象，将四颗 LED 放置于导光板四顶角，利 用旋转LED的摆放角度及本文提出的区块细划网点的 设计概念来改善一般网状式网点的导光板使用LED为 光源时造成亮度不均的问题模拟结果得知导光板出光 均齐度可达82.8%以上关键词关键词 发光二极管、导光板、区块细划网点Due to the characteristic of the point source of the LED of the backlight system that it often causes unevenness of brightness on the panel of the LCD, the study aims to design a small LCD in the size of 3 inches, which places 4 LEDs at the corners of the light guide plate as backlight sources. The design makes use of the different angles of the rotating LED and the concept of a “block division dot” to improve the traditional design of grated dots, which usually has the defect of uneven brightness while using the light guide plate. The result of simulation in this study shows obviously a better effect of over 82.8% of evenness of light emission on the light guide plate. Keyword: LED, Light Guide Plate, block division dots1. 前言前言小尺寸液晶显示器的背光模块受限于空间及避免 使用高压等因素而选用发光二极管（LED）为光源。

当 发光二极管所放射的光直接导入背光模块时，由于发光 二极管的发光有一定的扩散角度使得背光模块容易出现 出光不均匀的现象其中以发光二极管扩散角度区内越 靠近发光二极管光源处越亮而边缘处越暗为最明显目 前文献上提出解决的方式有：将扩散网点设计成以发光 二极管为中心呈同心圆方式[1]，或者利用光学透镜扩 大发光二极管的发光角度以分散出光角度[2]，或者使 用多颗发光二极管排成一列让发光二极管发光重迭，使 得光源如一般大型液晶显示器所采取的冷阴极管(CCFL)呈 线光源[3] 同心圆方式扩散网点设计是个不错的方式，但是 同心圆式的扩散网点设计增加了设计及制造的困难除 此之外以实用经济的考虑，加了光学透镜或光学组件均 会增加成本有鉴于此，如何以传统网状式网点为基础 设计以发光二极管为光源的背光模块引起我们的研究兴 趣本文提出藉由区块细划法来改善传统网状式网点 的纵向及横向密度，依发光二极管光能量的分布来设定 不同密度以调整靠近光源处的光亮度及补偿边缘区光度 不足的现象，设计出光均匀度良好的导光板另外，以 目前使用最普遍的 2.2 吋液晶显示器面板而言，两 颗发光二极管发光亮度已足够，然而未来小型面板逐渐 走向 3 吋的趋势，以 3 吋的面积为 2 吋的 2.25 倍而言， 所须的亮度需要四颗发光二极管发光才足够。

我们将发 光二极管安排于背光板四角落，如图 1 所示，以多角度 光源方式来分散光度及减少边缘暗带，利用旋转 LED 摆放的角度及传统网状式配以区块细划方法来进行设计2. LED 旋转角度设计旋转角度设计首先我们将 LED 放置于导光板四角落，LED 光轴 与边角呈±450，仿真结果显示面板亮度虽然呈现上下对 称左右也对称，但因面板为长方型使得长边暗区又深又 长，如图 2 所示长边的区带其光能量分布因距离关系 而更微弱，此时光能量的差距为 182 W/m2于是我们 设计旋转 LED 的角度来补强两 LED 之间所形成的暗带， 我们试着改变 LED 的偏角以弥补距离的差异经模拟 后 LED 旋转至±63.5°及±26.5°有最佳效果，LED 旋转 后所放射的光能量如图 3 所示 本文以Tracepro针对3吋面板为仿真对象进行仿真， 导光板材质为PMMA折射率约为1.49，光源采用Nichia 公司型号为NSCW020T的发光二极管四颗，瓦特数为 120mW，光源与导光板表面的间距为0.15mm，四颗发 光二极管各置于导光板的四顶角，其中两斜对角之LED 各旋转至±63.5°及±26.5°。

采用固定网点的设计方式以 均匀网点来模拟分析以了解光分布的情形，首先以网点半径为0.05mm深度为0.02mm作分析模拟，其导光板的 光能量分布如图4所示从光能量分布图可知，只旋转LED摆放的角度是 无法达到面板出光均匀，靠近LED发光处有明显的亮带 而导光板边缘区的光强度依然比较微弱，光输出能量差 异虽然缩小至115 W/m2，但整体导光板光能量分布均 匀性还是很差3. 网点区块设计模拟网点区块设计模拟藉由光源在导光板之出光量理论分析[4]，我们采 用固定网点间距变化网点大小的方式设计几种不同形状 的导光板扩散网点区，让光经过每个扩散网点区时，其 出光量变化及扩散范围可以清楚掌握本文设计了区块细划法来设计及布置导光板网点， 首先我们依据发光二极管的出光能量分布将导光板的 Z 方向切割成六个主区块，再针对区块进行 X 方向切 割以光在导光板内部的光能量强弱分布，区分为红、 橙、黄、绿、蓝五个区带，如图 5 所示采取网状圆形 网点，表面特性为 Diffuse white，网点间距为 0.2mm， 网点的深度为 0.02mm，网点半径依区分不同区带设计， 范围为 0.02mm~0.12mm，如表 1 所示。

再针对较亮及 较暗部分作微调，可得到均匀度极佳的效果本文并仿真背光系统在相同条件下 RGB 三种不同 波长造成面板均匀性及辉度值的差异性，分别以 0.47μm、0.5461μm 及 0.68μm 进行模拟波长为 0.47μm 时，导光板光能量分布如图 6 所示波长为 0.5461μm 时，导光板光能量分布如图 7 所示波长为 0.68μm 时，导光板光能量分布如图 8 所示为评估导光板发光区域之光强度分布均匀度本论文 采用三百点量测，300点量测区为距离边缘 3mm 的范围， 如图 9 所示出光均齐度(Um)表示式如下：(1)}....{}....{20,153 , 120,153 , 1 PPMaxPPMinUm 波长为0.47μm时，最大亮度Pmax为131.86 W/m2而最 小亮度Pmin为109.7 W/m2，亮度平均值Pav为121.91 W/m2，出光均齐度(Um)为83.2%波长为 0.546μm 时，最大亮度 Pmax为 133.1 W/m2 而最小亮度 Pmin为 110.1 W/m2，亮度平均值 Pav为 122.1 W/m2，出光均齐度(Um)为 82.8%。

波长为 0.68μm 时，最大亮度 Pmax为 130.9 W/m2而 最小亮度 Pmin为 109.9W/m2，亮度平均值 Pav为 121.48 W/m2，出光均齐度(Um)为 84.1%由上述得知，RGB 三种不同波长之亮度平均值 Pav 差异不大，误差在±0.51%以内，有效面积亮度最大值 Pmax误差在±1.66%以内，有效面积亮度最小值 Pmin误差 在±0.37%以内，而出光均齐度(Um) 误差则在±1.55%以 内4. 结论结论本文将四颗 LED 光源放置于导光板四顶角，藉由 旋转 LED 摆放的角度及使用区块细划法的网点设计， 有效地改善小型面板使用 LED 为光源时常见的亮带及 边缘区暗带的不均匀出光问题而得到光分布均匀达到 82.8%以上的效果RGB 三种不同波长之亮度平均值 Pav差异误差在±0.51%以内，而出光均齐度(Um)误差在 ±1.55%以内 希望本研究可带给背光模块之导光板网 点设计上经济又实用的参考价值参考文献参考文献[1] Yasuhiro Tanoue, Masayuki Shinohara, Junichi Takagi, Junichiro Tsuji, “Plane light source apparatus,” United States Patent, PN.20030058382, Sep. 20, 2002[2] Jin-Seung Choi, Hwan-Young Choi, Jee-Hong Min, Su- Mi Lee, Jin-Hwan Kim, Moon-Gyu Lee, “Backlight unit,” United States Patent, PN.20040130879, Jun. 3, 2003.[3] Tai-Cheng Yu, Charles Leu, Ga-Lane Chen, “Light guide plate,” United States Patent, PN.20040095743, Aug. 11, 2003.[4] Joanna L. Jannson, Tomasz P. Jannson, Jeremy M. Lerner, “Backlighting Assembly for A Display,” United States Patent, PN. 6130730, Oct. 10, 2000.图 1. 背光模块结构示意图图2. LED平行于边角之光能量分布图图3. LED旋转至±63.5°及±26.5°时的出光图 图 4. 旋转LED至±63.5°及±26.5°之光能量分布图图 5. 网点区块设计示意图 图 6. 波长为 0.47μm 之导光板光能量分布图 图 9. 三百点量测示意图图 7. 波长为 0.5461μm 之导光板光能量分布图图 8. 波长为 0.68μm 之导光板光能量分布图。