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摘要：2009年Samsung推出LED TV概念后，各大厂家各式的LED TV也陆续推出市场，LED迅速成为新一代绿色背光源。本文主要对应用于平板领域的LED背光及其关键技术进行探讨。
关键词：LED背光；直下式背光；侧背光
0. 引言
自尼克.奥隆尼亚克（Nick Holonyak Jr.）在1962年发明了第一颗发红光的发光二极管（LED）， 1976 绿色LED灯问世，进入90年代以来，人们对LED的开发研究取得了突破性的进展，S.NaKamura成功地制备了高亮度InGaN蓝光和绿光LED，使得LED形成三基色完备的发光体系。1993年中村修二（Shuji Nakamura）找到能发蓝光的LED，1999 白色LED灯制造成功，从此开启了LED批量生产的大门[1-3]。LED技术已经发展了四十多年了，作为第四代光源，它正在逐步替代白炽灯、荧光灯等传统光源，其应用领域越来越广，如照明、指示灯、汽车灯、广告灯、景观照明、LED背光等，LED以其环保无汞、颜色饱和度好、节能、反应速度快等优点在液晶显示屏（LCD）产业中突显优势。2009年全球液晶电视龙头厂Samsung创意推出LED TV概念后，各大厂家各式的LED TV也陆续推出市场， LED背光源的市场需求激增，LED迅速成为新一代绿色背光源，LED成为背光源市场的主流[4]。
1. LED背光源
在平板显示（FPD）行业中，液晶显示屏（LCD）占据着主导地位。LCD电视主要由光源、导光板、光学用膜片、塑胶框等组成。LCD为非发光性的显示装置，须要借助背光源才能达到显示的功能。液晶电视是靠面板上的液晶单元“阻断”和“打开”背光灯发出的光线，来实现还原画面的。 由于液晶面板的透光率极低（5%），要使液晶电视的亮度达到还原画面的水平。背光灯的亮度至少达到6000cd/m2。背光源的性能直接影响着LCD的显像质量。目前背光源类型主要有：电致发光背光源（EL）、）外电极荧光灯背光源（EEFL）、冷阴极荧光灯背光源（CCFL）、发光二极管背光源（LED）、有机电致发光（OLED）等几种[5]。目前市场上主要是CCFL和LED两种背光源。
2. LED背光结构
根据背光源在LED背光模组中的位置不同可分为直下式背光、侧背光两种，其中侧背光又分双侧背光和单侧背光。不同的背光结构，优缺点各有不同。图1是三种LED背光模组的结构示意图。
直下式背光源的液晶电视具有局域调光的功能，能够让画面明暗层次分明，提供较好的动态对比，所采用RGB LED，色饱和度更好，画面质量更优。但局域调光需设置不同的背光源模组权责区域，理论上要做到每一颗LED独立发光控制亮度，驱动与电路控制不容易，且RGB LED目前发光效率并不高。其次，成本较高。较侧背光结构所需LED数量多。
侧背光可以使用较少的LED，节省成本，因可以将LED模组放置在侧面，可以使液晶屏幕超薄化，但画面均匀性不佳，对导光板要求较高。尤其是单侧背光对导光板性能和光源亮度都要求很高。
侧光式LED TV成功地将节能与薄型化的市场要求合二为一，加上不高的成本，一经推出迅速占据了LED TV市场的主导地位，后续随着LED发光效率的提升，导光板技术的改进，画面均匀性的不断改善，侧光式LED背光LCD TV前景一片大好。
直下式LED TV独特的局域调光功能对LCD TV长期以来存在的对比度不高问题有极大地改善，目前成本、散热、厚度以及复杂电路控制设计系统是阻碍了它的发展，但随着LED发光效率的不断提升，散热等背光相关技术的不断改善，通过优化LED背光结构、改善LED背光源设计分布等获得超薄、价格合适、画面质量好的直下式LED背光LCD TV指日可待。
3. LED背光关键技术
与传统背光源CCFL相比较，LED具有很多技术优势：①较低的启动电压、较低的工作电压；②高光效；③高可靠性；④低的后續维护费用；⑤较低工作温度；⑥薄，便于产品超薄发展等。背光源的主要性能指标：亮度、光谱、功耗、散热、可靠性等。LED背光已成为重要研究课题之一，研究的切入点主要有白光方案、LED光效的提升、导光板出光通道的改进、成本控制等。
（1）白光方案
LED背光所采用的光源方案主要有如下几种。表2为白光方案选型对照表[6]，RGB全彩LED的色饱和度最好，红光、绿光、蓝光可分别调控，可控性高，直下式背光多采用RGB全彩LED。目前最普遍的背光源方案是第一种蓝光芯片加黄色荧光粉和第二种方案蓝光芯片加红色、绿色荧光粉。随着荧光粉转换激发效率的不断提高，侧背光技术的不断进步，第二种方案逐渐成为现阶段主流选择。
方案 白光LED 光效 色域（CIE1931） 主要应用
1 蓝光芯片+黄色荧光粉 100% <70% 平板、台式电脑
2 蓝光芯片+红/绿荧光粉 ～75% ～83% 电视
3 蓝光芯片+绿/橙荧光粉 >90% ～72% —
4 蓝/红光芯片+绿色荧光粉 >90% ～92% —
5 红/绿/蓝光芯片 ～60% >100% 平板、台式电脑、各种显示器、电视
（2）LED光效的提升
亮度是LED背光源的一个重要技术指标，目前主流亮度是300cd/m2，500 cd/m2才属高亮。LED的光效是影响亮度的关键要素之一。光效的迅速提升是LED跻身背光源市场的基础。
LED的发光效率是由芯片的发光效率和封装结构的出光效率共同决定。从封装结构角度提高LED光效主要目的是提升LED的外量子效率，主要途径有①优化二次光学设计，将从芯片萃取出来的光高效地导出LED管体外；②优化芯片与荧光粉、胶水的匹配，提高荧光粉的激发效率（对芯片加荧光粉的白光方案而言）；③优化散热通道，降低LED的热阻。 为了满足大尺寸LCD直下式背光的亮度需求，采用特殊设计透镜提升LED出光效率是一种方法（如图2和图3），优化直下式背光背光源结构。特殊的透镜能使绝大部分RGB光线从侧面出射，小部分光线沿透镜光轴向上。在RGB单元模组的上方约10mm处设置一个微小的半圆反光表面，形成一个反射盒子[7]，或者在透镜两侧涂上反射层[8]，增强混光效果，提高出光亮度及其一致性。结构的优势使得亮度得以提升，从而减少背光模组所需LED数量，降低功耗。
（3）导光板出光通道的改进
为了满足超薄、高亮度背光系统要求，可以采用双棱镜型导光板，及直接在导光板上形成双棱镜面。这些棱镜主要有两个作用：①改变导光板出射的光线，将光线方向导向目标出光方向；②固定控制目标出光方向。
双棱镜型LED背光系统[9] （如图4）主要是应手机背光市场超薄、高亮的需求而开发的。直接在导光板底部形成双棱镜的形状，结构如图所示，LED光源、导光板、一个扩散膜、一个反射膜、两个互成90度的棱镜。这双棱镜主要有两个作用：①改变光线方向，将导入导光板的光线导出；②控制出光方向。双棱镜型LED背光系统可以极大的降低LED TV的厚度，提高亮度、缩小可视角度。
（4）成本
目前LED背光发展的主要阻力来自于成本。高成本高价格的背后则是专利垄断等因素导致的供需矛盾。在LED成本中专利转让费占据了较高的比重[10]。随着大部分LED专利保护到期，LED芯片的供应逐步增加，这将促使LED的降价和普及，未来LED将成为液晶电视的主流背光技术。
4. 小结
随着节能环保的概念逐渐深入人心，LED背光源的环境友好性愈来愈受到关注。LED价格的不断走低，LED背光结构的不断优化，LED背光是液晶电视产品发展的趋势，短时间内很难有技术会取而代之。LED TV竞争激烈，白光光源与RGB光源的性能竞争、直下式与侧光式LED TV的市场争夺等必将带动LED背光市场的进一步发展。
参考文献：
[1] Munisamy Anandan. Progress of LED backlights for LCDs. Journal of the SID 16/2， 2008：287-310
[2] T. S. Perry， Today LEDs come in yellow， orange， green， turquoise，blue-violet and even white. But first there was red- and first there wasNick Holonyak. IEEE Spectrum， 2003.
[3] S. Nakamura， T. Mikai， and M. Shenoh， Appl. Phy. Lett. 64， 1687（1994）.
[4] Ki-Chan Lee， Kyoung-Uk Choi， Sang-Gil Lee， et al. LED backlight driving system with local dimming and scanning driver IC. Journal of the SID18/2， 2010：146-152
[5] 盧有祥. 液晶电视用LED背光源. 光电技术，2008，50（2）：5-12
[6] 陈兴锋. 液晶电视分区动态控制LED背光源的研究与实现. 中国海洋大学硕士学位论文， 2009
[7] Jee-Gong Chang， Charles，Lun-De Liao， Chi-Chuan Hwang. Enhancement of the optical performances for the LED backlight systems with a novel lens-cap. Proc. of SPIE Vol. 6289 62890X-1～6
[8] Paul C-P. ， Chao，C.-Y. ， Shen，C.-W. ， et al. A novel lens cap designed for the RGB LEDs installed in an ultra-thin and directly. Journal of the SID 16/2， 2008：317-327
[9] Akihiro Funamoto， Shigeru Aoyama， LED backlight system with double-prism pattern， Journal of the SID 14/11， 2006：1045-1051
[10] 王文静. LED背光：距离主流有多远. 中国数字电视，2009， 56（6）：42-44
作者简介：洪琴（ 1984 年7月 ） 汉 ，女，湖北黄冈人，广州大学华软软件学院教师； 研究方向： 传感器与现代测量技术研究
关键词：LED背光；直下式背光；侧背光
0. 引言
自尼克.奥隆尼亚克（Nick Holonyak Jr.）在1962年发明了第一颗发红光的发光二极管（LED）， 1976 绿色LED灯问世，进入90年代以来，人们对LED的开发研究取得了突破性的进展，S.NaKamura成功地制备了高亮度InGaN蓝光和绿光LED，使得LED形成三基色完备的发光体系。1993年中村修二（Shuji Nakamura）找到能发蓝光的LED，1999 白色LED灯制造成功，从此开启了LED批量生产的大门[1-3]。LED技术已经发展了四十多年了，作为第四代光源，它正在逐步替代白炽灯、荧光灯等传统光源，其应用领域越来越广，如照明、指示灯、汽车灯、广告灯、景观照明、LED背光等，LED以其环保无汞、颜色饱和度好、节能、反应速度快等优点在液晶显示屏（LCD）产业中突显优势。2009年全球液晶电视龙头厂Samsung创意推出LED TV概念后，各大厂家各式的LED TV也陆续推出市场， LED背光源的市场需求激增，LED迅速成为新一代绿色背光源，LED成为背光源市场的主流[4]。
1. LED背光源
在平板显示（FPD）行业中，液晶显示屏（LCD）占据着主导地位。LCD电视主要由光源、导光板、光学用膜片、塑胶框等组成。LCD为非发光性的显示装置，须要借助背光源才能达到显示的功能。液晶电视是靠面板上的液晶单元“阻断”和“打开”背光灯发出的光线，来实现还原画面的。 由于液晶面板的透光率极低（5%），要使液晶电视的亮度达到还原画面的水平。背光灯的亮度至少达到6000cd/m2。背光源的性能直接影响着LCD的显像质量。目前背光源类型主要有：电致发光背光源（EL）、）外电极荧光灯背光源（EEFL）、冷阴极荧光灯背光源（CCFL）、发光二极管背光源（LED）、有机电致发光（OLED）等几种[5]。目前市场上主要是CCFL和LED两种背光源。
2. LED背光结构
根据背光源在LED背光模组中的位置不同可分为直下式背光、侧背光两种，其中侧背光又分双侧背光和单侧背光。不同的背光结构，优缺点各有不同。图1是三种LED背光模组的结构示意图。
直下式背光源的液晶电视具有局域调光的功能，能够让画面明暗层次分明，提供较好的动态对比，所采用RGB LED，色饱和度更好，画面质量更优。但局域调光需设置不同的背光源模组权责区域，理论上要做到每一颗LED独立发光控制亮度，驱动与电路控制不容易，且RGB LED目前发光效率并不高。其次，成本较高。较侧背光结构所需LED数量多。
侧背光可以使用较少的LED，节省成本，因可以将LED模组放置在侧面，可以使液晶屏幕超薄化，但画面均匀性不佳，对导光板要求较高。尤其是单侧背光对导光板性能和光源亮度都要求很高。
侧光式LED TV成功地将节能与薄型化的市场要求合二为一，加上不高的成本，一经推出迅速占据了LED TV市场的主导地位，后续随着LED发光效率的提升，导光板技术的改进，画面均匀性的不断改善，侧光式LED背光LCD TV前景一片大好。
直下式LED TV独特的局域调光功能对LCD TV长期以来存在的对比度不高问题有极大地改善，目前成本、散热、厚度以及复杂电路控制设计系统是阻碍了它的发展，但随着LED发光效率的不断提升，散热等背光相关技术的不断改善，通过优化LED背光结构、改善LED背光源设计分布等获得超薄、价格合适、画面质量好的直下式LED背光LCD TV指日可待。
3. LED背光关键技术
与传统背光源CCFL相比较，LED具有很多技术优势：①较低的启动电压、较低的工作电压；②高光效；③高可靠性；④低的后續维护费用；⑤较低工作温度；⑥薄，便于产品超薄发展等。背光源的主要性能指标：亮度、光谱、功耗、散热、可靠性等。LED背光已成为重要研究课题之一，研究的切入点主要有白光方案、LED光效的提升、导光板出光通道的改进、成本控制等。
（1）白光方案
LED背光所采用的光源方案主要有如下几种。表2为白光方案选型对照表[6]，RGB全彩LED的色饱和度最好，红光、绿光、蓝光可分别调控，可控性高，直下式背光多采用RGB全彩LED。目前最普遍的背光源方案是第一种蓝光芯片加黄色荧光粉和第二种方案蓝光芯片加红色、绿色荧光粉。随着荧光粉转换激发效率的不断提高，侧背光技术的不断进步，第二种方案逐渐成为现阶段主流选择。
方案 白光LED 光效 色域（CIE1931） 主要应用
1 蓝光芯片+黄色荧光粉 100% <70% 平板、台式电脑
2 蓝光芯片+红/绿荧光粉 ～75% ～83% 电视
3 蓝光芯片+绿/橙荧光粉 >90% ～72% —
4 蓝/红光芯片+绿色荧光粉 >90% ～92% —
5 红/绿/蓝光芯片 ～60% >100% 平板、台式电脑、各种显示器、电视
（2）LED光效的提升
亮度是LED背光源的一个重要技术指标，目前主流亮度是300cd/m2，500 cd/m2才属高亮。LED的光效是影响亮度的关键要素之一。光效的迅速提升是LED跻身背光源市场的基础。
LED的发光效率是由芯片的发光效率和封装结构的出光效率共同决定。从封装结构角度提高LED光效主要目的是提升LED的外量子效率，主要途径有①优化二次光学设计，将从芯片萃取出来的光高效地导出LED管体外；②优化芯片与荧光粉、胶水的匹配，提高荧光粉的激发效率（对芯片加荧光粉的白光方案而言）；③优化散热通道，降低LED的热阻。 为了满足大尺寸LCD直下式背光的亮度需求，采用特殊设计透镜提升LED出光效率是一种方法（如图2和图3），优化直下式背光背光源结构。特殊的透镜能使绝大部分RGB光线从侧面出射，小部分光线沿透镜光轴向上。在RGB单元模组的上方约10mm处设置一个微小的半圆反光表面，形成一个反射盒子[7]，或者在透镜两侧涂上反射层[8]，增强混光效果，提高出光亮度及其一致性。结构的优势使得亮度得以提升，从而减少背光模组所需LED数量，降低功耗。
（3）导光板出光通道的改进
为了满足超薄、高亮度背光系统要求，可以采用双棱镜型导光板，及直接在导光板上形成双棱镜面。这些棱镜主要有两个作用：①改变导光板出射的光线，将光线方向导向目标出光方向；②固定控制目标出光方向。
双棱镜型LED背光系统[9] （如图4）主要是应手机背光市场超薄、高亮的需求而开发的。直接在导光板底部形成双棱镜的形状，结构如图所示，LED光源、导光板、一个扩散膜、一个反射膜、两个互成90度的棱镜。这双棱镜主要有两个作用：①改变光线方向，将导入导光板的光线导出；②控制出光方向。双棱镜型LED背光系统可以极大的降低LED TV的厚度，提高亮度、缩小可视角度。
（4）成本
目前LED背光发展的主要阻力来自于成本。高成本高价格的背后则是专利垄断等因素导致的供需矛盾。在LED成本中专利转让费占据了较高的比重[10]。随着大部分LED专利保护到期，LED芯片的供应逐步增加，这将促使LED的降价和普及，未来LED将成为液晶电视的主流背光技术。
4. 小结
随着节能环保的概念逐渐深入人心，LED背光源的环境友好性愈来愈受到关注。LED价格的不断走低，LED背光结构的不断优化，LED背光是液晶电视产品发展的趋势，短时间内很难有技术会取而代之。LED TV竞争激烈，白光光源与RGB光源的性能竞争、直下式与侧光式LED TV的市场争夺等必将带动LED背光市场的进一步发展。
参考文献：
[1] Munisamy Anandan. Progress of LED backlights for LCDs. Journal of the SID 16/2， 2008：287-310
[2] T. S. Perry， Today LEDs come in yellow， orange， green， turquoise，blue-violet and even white. But first there was red- and first there wasNick Holonyak. IEEE Spectrum， 2003.
[3] S. Nakamura， T. Mikai， and M. Shenoh， Appl. Phy. Lett. 64， 1687（1994）.
[4] Ki-Chan Lee， Kyoung-Uk Choi， Sang-Gil Lee， et al. LED backlight driving system with local dimming and scanning driver IC. Journal of the SID18/2， 2010：146-152
[5] 盧有祥. 液晶电视用LED背光源. 光电技术，2008，50（2）：5-12
[6] 陈兴锋. 液晶电视分区动态控制LED背光源的研究与实现. 中国海洋大学硕士学位论文， 2009
[7] Jee-Gong Chang， Charles，Lun-De Liao， Chi-Chuan Hwang. Enhancement of the optical performances for the LED backlight systems with a novel lens-cap. Proc. of SPIE Vol. 6289 62890X-1～6
[8] Paul C-P. ， Chao，C.-Y. ， Shen，C.-W. ， et al. A novel lens cap designed for the RGB LEDs installed in an ultra-thin and directly. Journal of the SID 16/2， 2008：317-327
[9] Akihiro Funamoto， Shigeru Aoyama， LED backlight system with double-prism pattern， Journal of the SID 14/11， 2006：1045-1051
[10] 王文静. LED背光：距离主流有多远. 中国数字电视，2009， 56（6）：42-44
作者简介：洪琴（ 1984 年7月 ） 汉 ，女，湖北黄冈人，广州大学华软软件学院教师； 研究方向： 传感器与现代测量技术研究