侧光式LED背光技术的设计应用

侧光式把LED放置于背光的上下两边，布局的调整大大减少了LED的使用，从而减低生产成本及能耗，对厂家及消费者都有莫大好处。但其不可局部调光的弱点，促使了可局部调光矩阵式背光方案的诞生，这是一种侧入与直下相结合的一种背光技术。 　　回想电视发展历史，家中的传统CRT电视一定是大家第一时间想到的产物。踏入2000年，等离子电视开始出现;2003年左右，CCFL(冷荧光灯管光源)LCD TV开始面世及普及;直至2010年，LED背光技术逐渐取代CCFL。大多数行内外人均应为，LED将于两至三年间可完全取代CCFL作为主要电视的背光源。 　　大多数巿民都知道LED背光有好几种优势，当中包括电视厚度变薄、能耗降低、色彩更丰富等等。这些优势都是大众巿民能够简单跟CCFL TV比较下 体现出来。再加上LED TV价格一直下降，让LED TV在性价比上更显优势，这些都是令LED背光电视可以瞬间在巿场普及的主要原因。 　　在LED背光的发展期间，其实技术一直都有在改善。在最初的点阵式发展到今天的侧光式就是其中一种重要的技术提升。在各种明显的优势下，厂家近年积极发展LED背光电视。海信、TCL、康佳、创维等国内本地品牌都在埋头苦干研发自家LED背光，当中技术提升及成本控制都是重要一环。为了让现代LED背光得以迅速地于巿场普及，各家都开始考虑少用 LED，藉此把产品成本降低。但当中最重要的，莫过于把能耗明显改善，藉以配合国家最新的江南娱乐尤文图斯入口 政策。少用LED，在背光布阵上就得以调整。原来的点阵式是将LED平均放置于电视背光上，而侧光式则把LED放置于背光的上下两边。这样布局的调整，大大减少了LED的使用，从而减低生产成本及能耗。 　　但一般人会想到LED少用了，画面亮度不是会下降吗?电视画面质量不是也下降吗?这个问题厂家一早就预计到，所以大多数厂家都会找出最理想的方法作解决。 　　图题：点阵式与侧光式的LED布局 　　现在巿场最为普遍的解决方案莫过于使用高效能增亮膜来改善亮度问题。使用增亮膜有别于其它解决方案，相比提升玻璃穿透率来得简单直接，不用依赖上游玻璃供货商的研发进度作配合，同时亦有别于使用高效能LED而导致生产成本提升的问题(一般高效能LED比普通LED贵两至三倍)。增亮膜，简单来讲就是一张超薄的塑料光学片。将其使用在侧光式LED背光，不单没有影响电视整体厚度，更可在成本控制下，补足电视画面需要的光亮度。现在美国3M公司生产的DBEF，一般都可以提升大约30%的光亮度。若电视背光本身只有300尼特的亮度，在没有任何改动下使用DBEF，光度亮大约可提升至390尼特左右。 　　使用高效能增亮膜提高画面亮度 　　侧光式背光发展 　　侧边式LED背光在技术不断发展下，会从上下两边单条LED发展至最终的单边单条LED。一般在巿场可见的32”两边单条LED背光TV， 大约使用120至150颗LED不等。若电视背光改用单边单条LED，LED颗数可减少至80-100颗不等 (最终能减少LED颗数按品牌技术而定)。若技术得以配合，在可见未来，单边单条LED会从长边转(上或下)至短边(左或右)，这样的改动更为少用LED 颗数。 　　LED背光简单布局图 　　寿命延长 　　减少使用LED， 不单对成本控制有正面作用， 我们还见到对模块的其它正面影响。例如， 模块温度会因少用LED减低。若以上面32” LCD TV 为例， 少用LED的数量大约可以减低模块温度10%-15%。虽然我们今天不能以科学化的计算这个数字对电子零件， 甚至电视的寿命可延长多少， 但从一般技术而言， 温度减低对电子零件寿命一定有正面帮助。这方面的帮助在更大面积的LED 背光电视更为明显， 因为相对少用的LED颗数更少。 　　视角更宽 　　除此以外，使用高效能增亮膜的解决方案，亦对电视视角起着正面帮助。由于高效能增亮膜的技术原理是透过令偏振光在背光模块循环反射，直至穿透玻璃。使用了增亮膜较的背光模块较一般未有使用光学膜片的模块提升了大约30%光亮度。由于高效能增亮膜有别于一般棱镜片，它无需牺牲视角而提升亮度，所以这样的高效能增亮膜很受国内外电视制造厂家欢迎。LCD TV面积越来越大，消费者对于视角亦开始有一定的要求。一台过万的47” 吋LCD TV 放在客厅中间，户主当然希望坐在任何角度的客人，都可享受同一画质的电视画面。 　　高效能增亮膜简单原理图 　　节能省电 　　当然，大众最直接能够体验到侧光式LED背光的好处，就是电视整体能耗降低。普通32” LED 背光电视，现水平一般能耗为80W左右。这个水平在国家最新推出的能源效益标准中相等于第3级。 　　若厂家要将电视能耗标准改善，对应解决方案有很多，但使用高效能增亮膜应该会是最简单及直接有效提升能耗表现。若配合高效能增亮膜，在保持同一亮度的水平下，能耗可减低大约20%-30% (最终表现视乎各品牌技术而定)。从数字上计算，电视能耗基本上能够透过高效能增亮膜从80W，改善至60W左右。能耗改善不单让厂家更可大力配合国家环保政策，对消费者而言，相关电费支出亦略有帮助。 　　从以上的技术分析，我们看到侧光式的背光设计对厂家及消费者都有莫大好处。在不久的将来，侧光式单边单条LED必定是LED背光最终的目的地。 　　侧光式优势综合分析 　　侧光式也有一种叫法是侧入式，其最大的一个弱点就是无法局部调光。由于LED灯集中在电视的边缘，必须由导光板将光均匀输出到电视画面上。因此，很难做到对画面某个区域的亮度调节。而直下式，由于可以通过LED驱动芯片来实现某一局部的LED开关，所以局部调光上优势明显。因此，一种新的结合直下和侧入两种技术优点的可局部调光矩阵式背光方案应运而生，并成为相关背光厂商的重点研究方向。 　　关于可局部调光的矩阵式背光方案，应该说是一种侧入与直下相结合的一种背光技术。来自3M公司光学系统部资深工程师吕奕航介绍，该技术早在2009年就已经有相关的背光厂在做一些基础研究。目前看来，很多都把该背光方式归纳为直下式的背光技术，简称为矩阵式背光。 　　该技术的优点应该说集中了直下和侧入的两种技术的优点： 　　1.局部调光：在早期的LED TV刚兴起的时候，当初就有2种技术直下式和侧入式。作为侧入式的一个最大的弱点就是无法局部调光，由于LED灯集中在电视的边缘，必须由导光板将光均匀输出到电视画面上。因此，很难做到对画面某个区域的亮度调节。而直下式，由于可以通过LED驱动芯片来实现某一局部的LED开关，所以局部调光上优势明显。而作为2种技术的结合，矩阵式背光同样可以做到局部调光的功能，而可控的分区则完全由LED驱动决定。在目前早期的一些矩阵式产品上，相比目前的直下式，都会有更多的可控分区。 　　2.厚度：关于厚度，则是直下式背光的一个致命弱点，即使是Sharp使用了LED+lenslet的方式大幅降低了消除LED灯影的厚度，其电视整机厚度仍然远高于侧入式的导光板厚度，这也是在2种LED背光技术中，直下式彻底落败的主要原因。可以说，矩阵式背光完美的解决了这一矛盾。 　　3.画面对比度：作为图像质量表现力很重要的一点，相对来说，对比度是LCD的一个弱项。由于液晶的扭转始终无法实现全开关的0，1控制，因此，通常侧入式液晶的对比度即使应用调光技术也就不过在几千左右。而直下调光技术如在表现黑画面的时候将LED关闭，其对比度可以大幅提高，根据LG宣称，他们的对比度可以达到700万：1。 　　4.节能：在图像较黑的部分，通过关闭或降低LED电流来实现功耗的降低，也是直下背光的一个优点，同样，矩阵背光也有相同的优点。 　　5.散热：作为侧入式背光的一个技术要点，由于矩阵式背光将LED大量分散在背光中，而不是集中在电视机的一侧，这样对散热设计相对来说比较简单。 　　虽然矩阵式背光拥有了上述的一些优点，应该说是将来LED设计的一个新方向，但其缺点在目前也是显而易见的： 　　1、由于矩阵背光要求分块背光必须有精确的控制，通常来说，电路的设计会相应复杂很多;此外，LED芯片的选取以及一些控制芯片也会造成成本的增加。 　　2、在组装上，矩阵背光相应来说，工序复杂度远高于目前的直下式以及侧入式。因此，组装的良率、成本也是制约其的一个主要因素。 　　矩阵式背光与传统直下式背光相比，其局部调光的精准度在目前看来会高于直下式，由于直下式在下扩散板就已经会发生匀光，而矩阵式的则是在下扩散膜片匀光，这样相邻的分区之间的影响需要小于直下式，对对比度的控制会更精细。但是，由于其分区相互影响较小，当万一某一区域块的LED损坏，其光学效果缺陷会比直下式看上去明显很多。此外，其厚度优势极其明显。但由于矩阵的每一块的分区都是相对独立的一个侧入背光，因此，其机构复杂性会高出很多。而目前很多直下式对分区局部控光均通过一块区域内的一些LED的光进行控制，而矩阵式则必须对每个分块都进行控制，因此电路相应较为复杂。 　　矩阵式与侧入相比，解决了局部控光以及智能节能的问题，极大提升了画面对比度，相对较之简单的散热设计;且其由于导光背光距离远低于侧入式，其光学效率也会较侧入式更高，在厚度上也完全能做到与侧入背光相媲美。唯一与侧入背光相比不足的地方还是上述提及的成本与制造复杂度的问题。通常的一张导光板需要通过几百个分区来实现，即意味着，其零件数以及组装复杂度相应也提高了几百倍，由于背光元器件是显示相关的，其装配过程中的不良率相信也是很大的一个问题。