使用LED边缘光源技术优化背光系统

经过优化，有着优异发光效率的背光单元的系统设计使LED技术的优点发挥到了极致。这些优点的意义非常重大，使得LED正飞快地朝着更薄和更高效的方向发展。

这些优点使手持设备的体积更小和更薄，并具有更高效率的LCD、键盘和触摸屏，以及具有背光的超薄键盘的薄型便携和桌面计算机LCD。最新的设计可以通过更少的LED器件，提供几乎在任何颜色背景下的高亮度和发光的一致性。生产成本更低、更薄、更轻的背光单元包括小于0.6mm厚的背光组件，并使用薄至0.25mm的导光体已经成为事实，如图1所示。背光单元的厚度已经达到了场致发光背光的厚度，并具有当今先进LED所具有的优异发光特性和其他所有优点。

图1 背光单元已经达到了令人惊异的厚度，并具有发光一致性和高亮度的特点

LED已经远远超出了它最初应用的便携/手持领域，并成为各种消费类、工业、汽车和医疗显示设备等中等尺寸LCD（对角线3.5〜7英寸）背光的标准，以及用在笔记本电脑、桌面显示器、平板电视等中大尺寸LCD中。现如今，这些设备的设计者和生产商对LED背光的进步起到了推动的作用，更宽的彩色光谱、更长的寿命、直流供电、不需要变极器、更低的功率消耗、更高的设计灵活性、很小的外围尺寸和更低的成本都是LED背光的优点。当然，LED的制造过程也不含有汞元素，并一直作为“绿色”环保的背光光源。

新型解决方案的应用领域已经超出了显示器背光的范围，例如，用于通道出口指示牌和各种信息提示牌的边缘光源导光单元，以及用于桌面台灯和荧光灯等向下照明的边缘光源。新的设计方法，如边缘光源和平板光源正使这种优势得到更大的发展。

边缘光源LED背光
边缘光源使用侧面点亮的高效率LED器件，这样的LED器件可以使光聚焦到高性能、非常薄的导光体上。有许多种利用发光技术的领域：印刷、蚀刻（使用化学、激光或其他手段）、V形开槽和显微镜透镜等，每个各领域都可以被提供针对特定应用的优化解决方案，如表1所示。

由于LED器件位于导光体的边缘，这种安装方式也带来了很多优点，包括更好的光学控制，特别是色彩和多个LED器件发光的一致性，以及在所有等级上发光参数更好的复现性，并降低了功率消耗，而且几乎是最薄的LED发光解决方案。

边缘光源背光允许多种颜色的光在导光体内混合。这不仅排除了LED之间的发光偏差（这种偏差在直接发光方式中是最常见的），而且使边缘光源导光体非常适合当今的多功能显示设备，允许设计者使用更少的LED器件和降低成本。

为了维持优化的效率，导光体的厚度应该和LED的光输出截面相匹配。当LED器件的发光截面很窄时，边缘发光导光体的厚度将不断降低。然而，以非常薄的厚度制造高效率的导光体需要制造和光学领域中的先进技术。

使用透镜阵列建模设计导光体
用于增强发光一致性的关键技术是透镜阵列，如图2所示。透镜阵列具有将光重新分布的特征，它们位于导光体的光输入边缘（LED器件的前面）。这些阵列增加了导光体内光线射出的角度，使用更少量的光源就能提供视觉外观的一致性，而且减少了当靠近LED器件观看时所产生的像素过大的现象。使用透镜阵列允许降低所用LED器件的数量，但同样能够达到发光均匀的背光。这就降低了成本、节省了空间体积、减少了器件数量和功率消耗。

图2 使用透镜阵列的配置降低了LED的数量并同样能够达到发光的一致性

对于图3中的例子，所用的是两个侧面发光高亮度LED器件，并使用经过优化的边缘光源导光体进行光耦合。之后，为了确定系统中的自然光谱进行了基线光学建模。建模完成后，一个经过定制的光学透镜阵列被增加进来，以改善从LED器件发出的可以利用的光，并且将光的出射范围扩展到比LED器件制造商原始设计更广的地步。

图3 通过使用定制的光学透镜，原始设计中光的自然光谱（上）得到了增强，并可以提供更加广泛的光谱（下）

背光的应用
便携计算机广泛使用了边缘白色磷光LED器件发光的背光系统。对于这样的应用，一个蓝色LED装在黄色磷光体中就可以转换成可见的白色光。白色LED仍然比CCFL具有更宽的彩色光谱（大约75%，而CCFL大约为70%～80%），而且还具有很低的功率消耗。

通常情况下，这种背光光源的厚度有2～3mm，然而，利用LED器件和导光体技术的优点，薄至0.4～0.6mm的背光光源已经生产出来了，用于减少这些设备的总体重量和厚度。

新型更薄的基于LED的背光光源也在便携设备的键盘中得到应用，它可以带来更加优化的亮度和发光一致性，以及使用更少的LED器件。因此，降低了背光光源的成本和功率消耗。这种背光设计利用微透镜分光技术和光学工程来增加光通过键盘按键的效率，并通过增加多个发光性能相同的发光体来增加亮度。

显示领域之外的应用
边缘光源的优势是不会对背光LCD或者键盘产生任何限制的。与导光体对接在一起形成的边缘光源系统提供了极大的设计灵活性，可以用于各种发光技术和在通常发光应用中加工成各种各样的形状和尺寸，例如，通道出口指示牌、屋顶照明灯、橱柜内部照明、装饰灯、书桌台灯、电冰箱照明，以及橱柜照明（如药品柜）等。

图4中的边缘光源平板显示了一个发光薄板用间接光源产生的漫射光，具有厚度非常薄、发光效率又比较高的特点。这种类型的平板可以在各种应用中定制，如向下照明的荧光灯凹槽、橱柜内照明、办公桌照明和电冰箱内部照明等。发光平板可以通过平铺的方式扩大照明面积，或者直接加工成各种大尺寸的，以便使用一块导光单元就能照亮超过对角线60英寸的面积，而厚度却非常薄。

图4 发光薄板可以使用0.2英寸厚的边缘光源导光体

在发光效率方面的这些新优点和批量生产能力，以及透镜阵列和光学建模技术，正用于提高当今LED器件的发光效率，实现了从小型（对角线0.24英寸）到大型（对角线60英寸）显示设备的边缘光源导光单元。这些导光单元随着技术的发展不断降低厚度，而且需要更少的LED器件就能适合宽范围的应用，从显示器的背光到通用的照明设备。