关于电视机直下式背光模组设计研究
关于电视机直下式背光模组设计研究
  摘要：随着LED行业的发展及应用的扩展，LED作为背光源在LCD背光模组上的使用已经变得越来越普及。尤其随着人们对于画质的日趋提高，直下式LED背光模组已经逐渐成为市场的主流。本文将对直下式LED背光模组进行深入的分析和探讨
        关键词：LED；直下式背光模组；设计；
       
       
        引言：LCD液晶屏本身不发光，通过白光背光源就可以看到显示屏的显示内容。背光源作为液晶电视内部的一个光学组件，由光源、光学膜片及其他器件构成。目前，LED背光源已经普及，如手机、电视、显示器等。背光模块的功能是把点光源变成面光源，且要求光源在要求的区域内均匀的射出。
        1、液晶电视及模组结构简介
        液晶电视的发展，经历了从传统模组机到LCM一体机两个发展阶段。传统的模组电视，在模组屏前后分别设计前壳和后壳，这种电视机厚度较厚。随着技术的发展，LCM一体机逐渐成为主流，LCM一体机是指将液晶OPENCELL、BLU背光、整机电路通过一套结合个性外观
的结构件组装在一起的液晶电视机，称作“LCM模组一体机”。简单理解，就是把模组屏的前框做成外观件，把模组屏的背板，做成后壳外观件或托架类结构件。整机厂或者ODM、OEM厂商购买模组屏内部的玻璃液晶面板(Open Cell)，并设计背光模组、前后壳等进行匹配，不但降低了成本，厚度也相应降低。LCM一体机背光模组按照入光方式分类方法如下：
        a.直下式：光源分布于光学膜片正下方，直接照射模片，通过扩散板等光学模块处理成均匀的面光源射在OPEN CELL上;
        b.侧入光式：光源分布于侧边，通过导光板等光学模块处理成均匀的面光源射在OPEN CELL上。
        目前国内由于价格导向，在中低端机型上以直下式为主，另外由于直下式能够实现更优质的LOCAL DIMMING，提供更好的画质，所以在超高端LCD机型上也是采用直下式居多。本文主要针对直下式背光进行解析。
        2、 直下式背光模组部件组成
       
        如上图所示，电视一体机主要分为3大块，机构模块、背光模块以及驱动模块。其中直下式背光模块包含反射片、灯条、扩散板、棱镜片、扩散片等，实现均匀的白光面光源。
        （1）灯条：灯条作为背光模组的发光源，是产生面光源的基础。直下式灯条包含LED灯珠、透镜、PCB、插座、灯条线材等。将LED灯珠、透镜、插座通过SMT技术贴装到PCB板上面做成灯条，并用线材将驱动板和灯条实现电气连接，实现电光转化。
        （2）反射片：将灯条发出的光线进行反射，提高光的利用率，基材采用PET，通过双向拉伸实现细微发泡的微孔结构提供了高反射率。其生产实现过程如下：将胶水，树脂原料以及相关填料混合，通过双螺杆挤出造粒，使白填料和不相容树脂更好的分散在聚酯树脂中，再通过过滤器过滤掉杂质，熔融挤出。超级母粒熔融挤出后通过控制涂口开口大小，进料速度来控制产品的厚度。挤出后通过10个预热辊，温度逐渐递增，通过红外进行加热，控制辊之间的速度进行双向拉伸最后进行冷却及定型并收卷。反射片的厚度、微气泡的数量、以及材质的反射率均影响到反射片的反射率。反射率越高，能效越高。
        （3）扩散板：在生产实心板的时候，在原料中添加扩散剂而成的。扩散剂能均匀分布在板材内，使光线经过板材时，碰到扩散剂颗粒时发生折射，反射，散射的效果，从而使光线可以均匀的透过板材但又不会露出光源，达到从点光源向面光源的变化。扩散板原料主要有改性PS PP等，电视机用扩板以PS为主。扩板的主要光学特征参数是透过率和雾度，其中透过率主要影响光学亮度，雾度主要影响画质均匀性。
        （4）棱镜片：在PET基材上制造出棱镜结构的光学薄膜，其表面为微棱镜结构。其原理为灯条射出的光线经过棱镜膜及背光源系统的循环作用，最终在正视方向整面射出，从而达到增亮目的。当该膜片在背光源中使用时，从灯条发出的光在通过棱镜结构时，只有当入射光在某一角度范围之内时才可以通过折射后射出，其余的光因不满足折射条件而被棱镜边沿反射返回，再由灯条底部的反射片反射而重新利用。这样，背光源中的光线在棱镜结构的作用下，不断的循环利用，原本向各个方向发散的光线在通过棱镜膜后，被控制到70度范围内，从而达到亮度增益的目的
        （5）扩散片：在PET基材上涂布光学粒子，将一定方向上光线进行散射射出，使面光源的可视角加大。扩散片的雾度影响到光学的主观画质的均匀性，同时也影响到背光模组的亮度。
        3、背光模组设计分析过程
        确认客户光学指标，设计指标包含专利、产品亮度、亮度均匀性、温坐标、模组可视角、能效等级、黑体轨迹差DUV、域覆盖率、白平衡误差、白度均匀性、漏光标准、支架影、暗角、暗框、亮边、灯影等判断标准。根据客户光学需求，预估相应光学方案及成本核算，设计物料包含LED、PCB、CNT、LENS、反射片、扩散板、导光板、扩散片
、棱镜片、复合膜、贴合膜、DEBEF等
        灯条方案设计，根据客户的需求选择不同波长的芯片规格搭配YAG荧光粉，设计符合客户度域标准的白光LED；设计LED-XYpitch满足客户的亮度及均匀性需求；调整及优化透镜二次曲线达到客户的主观要求。根据能效及成本确定灯条恒流输入参数，提供给电子工程师进行板卡设计。PCB板线路根据电气安规等要求进行layout设计，并确定材料（FR4/铝基/KEM3等）及生产工艺，V-CUT、V穿、模冲等以评估成本及产能是否可满足生产需求。透镜调配及优化，调整透镜二次曲线、注塑参数等以满足不同发光角度需求。
        反射片材料及结构装配设计，包含反射片涂布材料、厚度、反射率（包含镜面反射高斯反射系数）设计，反射片四周起折边距以及起折角的设计以及同结构的组装间隙等设计。扩散板、导光板材料及结构装配设计，包含扩散板材料、厚度、吸水率、热膨胀系数、冲击强度、透过率、雾度、扩散度等设计，扩散板设计主要包含定位以及XYZ轴间隙，支撑架的排布等，导光板设计主要包含入光侧结构设计、导光网点的设计及加工、导光板配合间隙等。膜片材料及结构装配设计，膜片指棱镜片、扩散片等，包含膜片材料、厚度、透过率、雾度、增益率、热收缩率等设计以及膜片组装定位、搭配组合以及结构间隙等设计。
        设计过程需充分评估环境试验、机械试验、画质精测、温升试验等可能产生的问题；如
白点、划痕、膜拱、水波纹、干涉纹、画异、光衰、死灯、灯影、暗影、膜片挂耳断裂、扩板裂、膜片跳框、漏光等。
        4、结语
        随着市场对电视画质标准的提高，高域高分辨率高对比度的需求越来越旺盛，而直下式LED背光模组通过控制区域的亮暗来实现高对比度，其画质远优于侧入式，所以近些年来高端的LOCAL DIMMING+HDR基本上都是直下式为主。另外在超高端的应用上，miniLED直下式已经在市场上出现，通过成千上万颗LED实现100um级别的光学控制，画质绝佳，同时混光距离可以做到0mm，厚度上也媲美侧入式。总之，不管是低端还是高端，在OLED以及microLED的大批量产之前，直下式背光模组都是目前的市场主流。
        参考文献:
液晶电视的选择        1.学术期刊 《科技传播》 2014年22期 作者： 顾少明 篇名： 《大尺寸超薄液晶电视设计分析》
        2.学位论文 曲阜师范大学 2015 作者： 彭敦云 篇名： 《液晶显示棱镜片在背光源下的应用研究》
        3.学术期刊 《商品与质量》 2016年38期 作者： 王化堃 篇名： 《液晶显示棱镜片在背
光源下的应用研究》
        4.学位论文 上海交通大学 2012 作者： 周羲君 篇名： 《LED背光模组均匀照明的设计研究》
        5.学术期刊 《光电子技术》 2014年1期 作者： 姚建芳 吴添德 陈仁军 王绪丰 陈孝仙 洪乙又 余雷 高慧芳 万海峰 篇名： 《一种液晶显示器高可靠性光学模组设计》

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