95202272第1章绪论
1.1本文研究的背景与意义
液晶显示器（Liquid Crystal Display ，简称LCD）是一种被动的显示器件，本身不能发光，需要靠背光源来显示图形图像，因此背光源是液晶电视重要的组成部分[1]。与传统的CRT电视相比，平板电视具有平、薄、轻、节能等优点和特点，而在平板电视中，半导体发光二极管（light emitting diode，简称LED）液晶电视，其具备体积小、使用寿命长、能耗低、环保等优点，所以占据目前平板电视市场的主流。传统的液晶电视大部分都采用冷阴极荧光灯（cold cathode fluorescent lighting，简称CCFL）作为背光源[2]。随着LED芯片制造和封装技术的不断进步，其光效不断提高、域逐渐扩展，LED已成为液晶显示器件的最重要光源。此外，LED直下式背光源在户外显示领域如广告灯箱、指示灯、大型广告屏等也得到了广泛的应用。
液晶电视背光系统的功耗、亮度、颜、寿命等特性取决于所用的光源。当前市场上的液晶电视主要的光源为CCFL和LED两种。传统的以CCFL为背光源的液晶显示器其颜还原度差。LED作为液晶电视的背光源，跟传统的CCFL相比具有如下优势[3]：
1、域方面：LED背光源域更好，其颜表现优于CCFL背光源，颜还原性更好[4]。
2、对比度方面[5]：以CCFL为背光的液晶电视，在全黑画面下，由于CCFL存在一个最低亮度，此时CCFL仍处於工作状态，对比度较低。而对于LED，其响应时间快，一般在纳秒级，因而可以实现快速切换，在全黑状态下，屏幕的亮度几乎为零，所以LED背光源具有很高的对比度。
3、安全方面：CCFL的驱动电压达到1000~1500V，而LED使用的是5~24v 的低压电源，十分安全。
4、环保方面：LED是一种绿环保光源，其不会产生射线和水银等有害物质。
因此，LED比CCFL在液晶电视背光方面具有显著的优势。随着LED的光效不断提高，成本逐渐降低，LED已成为背光领域的主流。
1.2 LED背光技术的现状与趋势
自从2009年三星开始大量生产侧背光LED电视，LED逐渐抢占背光领域，根据全球市场研究机构TrendForceq旗下的LEDinside表示，在中国电视机厂的带动下LED TV的渗透率已经达到了95%，2014预计将全面取代CCFL[6]。
[7]根据LED放置方式的不同，LED背光模组可以分为两种类型：侧入式背光和直下式背光。侧入式背光模组（如图1.1所示）将LED放在导光板的侧边，光线经过导光板扩散，在导光板上表面形成均匀的面光源，导光板底部网点的分布设计是侧入式背光的核心技术[8]，网点设计的优劣决定整个模组的厚 度和均匀度。
图1.1 侧入式背光模组结构
侧入式背光由于模组厚度较小，在一开始推出就占据了LED背光的主流市场，但是由于模组整体亮度不高，而且随着尺寸的增大，导光板的设计难度增大，46寸以上的导光板设计就很难了，而且重量很重，成本很高。侧入式背光主要用于中小尺寸，在大尺寸32寸以上，主要采用直下式背光。直下式背光模组[9]将LED排布在液晶面板的底部，不需要通过导光板进行混光[10]，而是由LED发出的光线在空间进行混光，经过光学膜片，达到均匀的光输出。直下式背光模组的结构如下图1.2所示 图1.2直下式背光模组的结构
目前直下式背光主要有两种方式。一种是采用小功率LED，不加透镜，矩阵式排布。以华星光电32寸
的液晶电视为例，采用矩阵式排布，排布了548小功率的LED。由于LED 数量较多，增加了整个背光模组的不稳定性，同时由于LED较多，电路控制比较复杂，同时矩阵式排列的背光模组，光学混光距离也比较厚。图1.3为华星光电32寸直下式LED背光矩阵式排列图
图1.3华星光电32寸直下式LED背光矩阵式排列图
第二种是采用大功率LED（目前主流是功率为1W的LED）加上大角度透镜，将LED 的角度从120度扩
散成170度，通过大角度透镜可以减小混光距离，降低整个背光模组的厚度。直下式背光模组的优点：对比度高、高亮度、能量利用率高、结构简单、域好等。但
是直下式背光也有不足之处，最大的不足之处在于背光模组厚度较厚。由于通过光源自由混光，必须有一定的混光距离，才能达到均匀混光[11]。采用大功率LED加透镜可以使混光距离减小，透镜设计的好坏直接影响整个背光模组的厚度，因此，透镜设计是整个直下式背光模组的核心。
从上面介绍的两种背光方式我们可以看出，随着人们对液晶电视高对比度、高清画质、高彩还原等要求不断增加，对电视机尺寸要求的不断加大，直下式背光技术将成为大尺寸液晶电视的发展趋势，随着LED的发光效率、封装技术、透镜设计的不断完善，直下式背光厚度会逐渐减小。全球市场研究机构TrendForceq旗下的LEDinside表示，2014直下式机种的渗透率将高达六成。
1.3本文主要研究内容
本文主要针对大尺寸直下式液晶背光系统进行设计与优化，具体工作分为以下几个方面。
第一章介绍了LED在液晶电视背光领域的重要研究价值，LED液晶显示器与传统的CCFL相比所具有的有事，介绍了LED背光技术的现状与发展趋势，分析了目前直下式背光的两种主流方案。
第二章介绍了LED直下式背光模组的结构，并从LED背光模组结构入手，依次分析了LED的原理以及
实现白光LED的三种方法，和反射膜、扩散板、下扩散膜、棱镜膜、上扩散膜的基本原理和功能。
第三章介绍了自由曲面的设计方法，重点阐述了微分方程构造自由曲面的方法，推倒出自由曲面的方程组和数值解法。利用微分方程实现了基于点光源的直下式背光透镜的设计，同时比较了不同光源尺寸对目标面照度分布的影响，分析了LED阵列的照度分布。
第四章首先以目前主流的LED背光用的3528 LED光源为例，详细介绍了光源建模的三种方法。针对实际用的3528光源，利用直接法和数值优化法相结合设计思路优化设计了32寸液晶电视直下式背光系统的透镜，其混光距离分别为25mm和15mm。并将所设计的透镜进行开模验证了设计结果，测试结果证明了光学设计的准确性。
第五章对本文的工作进行总结与展望。
第2章 LED背光模组的基本原理
2.1、LED背光模组的结构
LED直下式背光模组由LED灯条、反射膜、扩散板、下扩散膜、棱镜膜、上扩散膜组成]，如图1.2所示。下面分别说明各部件的原理及作用。菠萝去皮机
2.1.1 LED发光原理及白光LED的实现
[12]LED是利用电致发光的半导体光源，它的发光原理为在PN结施加正向电压，降低PN结势垒高度，使得来自P区的空穴和N区的电子在有源区复合，并发生电子—空穴间辐射跃迁发射出光子，LED辐射光的中心波长由半导体材料的禁带宽度Eg决定，λ。不同类型的半导体材料的禁带宽度不同，因而Eg
ev
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移动机器人底盘(
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不同材料的LED能发出不同波长的光。[13]III-V半导体材料、II-VI半导体材料制出的LED 其光谱范围可以覆盖紫外光、可见光以及红外光波段。2014年3月27日，科锐（CREE）宣布了其功率型白光LED在实验室的光效已达到了303lm/w[14]。
2.2.1.2白光LED
白光属于一种合成光谱，至少要有两种以上的不同波长进行混光才能得到白光，而目前LED发出的光是单一的，需要一些方法混光才能得到所要的白光。目前实现白光主要有一下三种方法[15]，如图2.1所示。一是利用荧光粉转换得到白光LED，既采用LED芯片发出的蓝光或紫外光激发黄（绿、红）荧光粉，从而获得白光，这种方法的优点是：生产工艺简单，缺点主要有[16]：一是该方法中的
发光光谱没有红光，所以显指数较低，一般只有60-80。二是多芯片LED，多芯片LED是把红绿蓝三LED芯片按照一定方法排布组合成白光LED模组，此方法可以避免荧光粉引起的老化问题。缺点是：多芯片LED的器件结构和供电系统复杂，成本高。三是多量子阱白光LED，多量子阱法是将不同的杂质参杂在芯片的有源层的生长过程中[17]，使得长出的量子阱能够产生多种颜，利用多个量子阱有源层发出的多种光子复合，使得LED直接发出白光，该方法对半导体的制造加工技术要求很高，目前技术还不成熟[18]。
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