大尺寸直下型背光源的结构和发展趋势

液晶显示器是一种非自发光显示器技术，必须借助于背光源显示影像，因而背光的发展对液晶显示的性能非常重要，但随着液晶显示尺寸大型化的需求不断增长，传统背光源的成本比重也在不断增加。背光源正在轻、薄、低功耗、高亮度、低成本上努力改善。

1 大尺寸LCD 面板及背光源简介

液晶显示器通过液晶对光的调制显示信息，发展机遇和技术革新与背光源的改善息息相关，包括冷阴极荧光管CCFL（ ColdCathode Fluorescent Lamp）的动态控制，外部电极荧光灯EEFL（Exterior ElectrodeFluorescent Lamp）、平面荧光FFL（FlatFluorescent Lamp）、发光二极管LED（LightEmitting Diode）背光源的发展等。

1.1 LCD 面板

L C D 面板主要是由彩色滤光片（ ColorFilter），背光模块（Backlight），驱动芯片（IC），补偿膜及偏光片（Retardation film andPolarizer），ITO玻璃基板（ITO Substrate），取向膜（PI film），控制电路等组成。

1.2 背光模块

背光模块由光源，灯罩 Lampshade,反射板Reflector,导光板LGP（light guideplate），扩散板（Diffuser），增亮膜 BEF（Brightness Enhancement Film）以及外框等组装而成。其中光源有冷阴极荧光管CCFL,热阴极荧光管，HCFL （ HotCathode Fluorescent Lamp）外部电极荧光灯EEFL,发光二极管LED,平面荧光FFL,场发射背光源FE（Field EmissionBacklight）等多种。

背光光源发光，进入导光板，经过传播之后，由正面以一定角度射出后，均匀分布于发光区域内，再经扩散板，增亮膜，使光线聚集在液晶显示器的视角范围内。

2 背光源的主要结构

LCD 应用有所不同，导致其相关的产品特性，如尺寸，亮度，响应速度， 分辨率，色饱和度等也有所区别。就一般而言，按照灯管的位置类，大致采用以下几种结构：

2.1 侧光式结构（Edge Backlight）

导光板LGP（Light Guide Plate）引导光线方向，提高面板的辉度并控制亮度均匀。

Edge Backlight 的发光源一般在导光板侧，光源按照导光板的形式和光学上的要求有直型，L 型，U 型CCFL灯管。CCFL在侧边，没有散热问题，但CCFL提供的光量，经过导光板、扩散膜、偏光膜、液晶层、彩色滤光片等多层元件后，效率相当低。

2.2 直下型结构（Bottom Lighting）

用于大尺寸显示器时，侧光式结构无法在重量、消耗电量以及亮度上占有优势，因此不含导光板且光源放置于正下方的直下型结构便被开发出来。直下型背光源，零件少，整体的发光效率也较侧光式高。它的亮度、均匀性、色饱和度等基本满足要求。面板越大，灯管越长，灯管本身的均匀性要求更高，只好增加扩散板，却又造成亮度不足，继续增加灯管。因而尺寸越大，背光源所占成本越高，几成线性关系。但灯管的增加，耗电量也增加到液晶显示器的9 0 % ,散热问题也日益严重。

3 直下型背光的光源分类

光源系统决定了显示器的影响亮度，均匀性，LCD 所采用的发光源有CCFL,HCFL,EEFL,FFL,LED,FE 等，其中CCFL 具有高辉度、高效率、寿命长、高演色性等特性，而且其圆柱形结构很容易与光反射元件组合成薄板状照明装置，所以目前仍以CCFL为主流，但是一般认为将以白光LED 为应用趋势。

3.1 CCFL

作为光源的冷阴极管随着导光板的快速发展而发展，导光板越来越薄，冷阴极管也越来越细，直径约2.6mm 的成为主流。

CCFL的高压电极激发电子，电子撞击N e 和A r 原子，吸收能量，升温，高能量的Ne 和A r 释放能量，撞击Hg（也可使用Xe ）吸收能量，H g 释放紫外线λ = 2 5 3 .7nm ,撞击荧光粉，发出可见光。电极的电子发射不是热电子发射，故称为冷阴极管。由于电极没有灯丝，所以电极可做细，优点是高效率，稳定可靠，但要与反射板，扩散膜等一起使用，结构复杂。32" 使用12根灯管，到37" 左右灯管数增加到2 0 根左右，成本增加太快，接近整个系统的40 %多，而且每个灯管需要单独驱动，响应速度较慢，色饱和度只有约72%,同时由于汞的使用带来环境问题的隐患。

3.2 LED

其优势在于低电压，轻，无汞，长寿命等，而且其光源光谱比以荧光粉为发光材料产生的光纯正，也是目前唯一达到和超过NTSC100% 色彩饱和度的选择。其单位耗电量能获得的辉度较高，其反应速度也比CCFL快3 倍，能够赋予液晶面板高的附加值。以RGB 三种LED为光源，按序切换点亮，可取代昂贵的彩色滤光片CF .但是价格相对较贵，耗电量相对较大。

3.3 混合型

LED 混合背光源技术，可大幅提升液晶电视显示质量，采用AFLC 区域亮度控制技术（Area - Focused Luminance Controllable），可自行分析影像数据，自动调整特定部位明暗度，使亮的部份更亮，暗的部分更暗。

混合型LED 背光液晶显示器，色饱和度可到110%,对比度可到10000:1.8ms 以下的响应速度，采用IPS 广视角技术，上下左右视角达178 度。采用LED 与荧光灯的混合背光源显示器，色饱和度也可到105%,比使用荧光灯背光源的显示器高出45% 以上，而成本只有LED背光源的6 0 % 左右。

场发射背光源FE FE 背光源的显示特性和成本优势，将来也会有一席之地。

有机LED OLED 这是一种未来显示器，但也可用作背光源，它简化了背光源的光学结构，驱动电压低，但目前的问题是寿命较短，效率不高，对低温敏感，价格昂贵。

4 背光源其它零组件组成

4.1 导光板（只应用于侧光型背光）

导光板材料形状和材料决定了出射光源的辉度和分布。

最常见的是印刷式的导光板，以距离光源远近为依据，使用高反射光源物质，如SiO2及TiO2 分布于导光板底面，利用印刷材料吸收再扩散的性质，破坏全反射造成的内部传播，使光从正面均匀分布。

非印刷式包括射出成形导光板，采用蚀刻，切削方式，喷砂方式再加工，扩散式。

蚀刻式将印刷点的设计在模具上，切削式在导管板正面切削出一条条长的沟槽，喷砂也是在模具模仁上形成粗面分布，扩散方式则将直接P M M A 注入导管板内部，在辉度上，蚀刻导光板不如印刷导光板。

4.2 反射板/膜 Reflector

侧光式背光模块的反射板放置于导光板底部，将自底面漏出的光反射回导光板中，防止光源外漏，以增加光的使用效率；而直下型背光模块则是将反射板置于灯箱底部表面或黏贴于其上，将经扩散板反射之光束由灯箱底部在此反射回扩散板以被利用。

常用金属反射膜，金属导电性能越好，穿透深度越浅，反射率越高，因而金属反射膜的材料都使用高导电度的金银铜等。

4.3 扩散板/片 Diffuser

一般传统的扩散膜是在扩散膜基材中，加入化学颗粒，作为散射粒子，而现有的扩散板的微粒子分散在树脂层之间，所以光线在经过扩散层时会不断地在两个折射率相异的介质中穿过，同时光线还会发生很多折射、反射与散射的现象，如此达到光学扩散的效果。扩散板/ 片提供均匀的面光源，同时还起到支撑其他膜片的作用。

由于材料化学颗粒的性质，将会无可避免造成吸光且光的散射混乱，对于一个固定距离的观测者来说，将会有部分的光强被浪费。再加上化学制程较费时，所需的生产成本相对较高。此外还有许多使用其他材料，工艺制作的扩散板等。

4.4 BEF增光片（棱镜片） Bright Enhanced Film

光经扩散后指向性较差，须利用增光片来修正光的方向，它通过光的折射与反射来达到凝聚光线提高正面辉度的目的，以多元酯或聚碳酸酯为材料，表面结构一般为棱形柱体或者半圆柱体，能将大角度的光线折至较正向的角度，缩小光线分布，达到正向集中， 使整体的背光模块的辉度提高60%~100%.通常一个背光源会使用两片增亮膜，彼此方向垂直，增加辉度。

原来接近垂直的光线，在进入增光片后，会产生全反射，再次回到底层的反射板，然后再返回，经过一定的路径后，势必有一定量的衰减，所以对于原本小角度的光线，反而会没有实质上的帮助。

4.5 偏光转换膜（P-S converter）

在现有的LCD 面板设计中，对光源模块过滤掉S-ray 平行光，允许P-ray 光源通过，利用单一的偏振光来驱动或照明LCD 面板，所以会在光线进入液晶面板前先经过偏光板，该偏光板会吸收掉某一偏光方向的能量，而冷阴极管所产生的光为非偏正光，在通过第一片偏光板时，有一半以上的光能量会被吸收掉，使光使用效率非常差。采用偏光转换膜，它的功用是使光源做偏振态的转换。利用反射偏光板将可通过与不可通过LCD 偏光板的光分离，然后利用反射板反射回来的光转换为可用的偏光，达到亮度提高的目的。

一种添加反射式偏光转换膜的DBEF（Dual BEF），集合了集光和偏光转换的功能，除了正面亮度提升外，大视角的亮度也得到提升。

DBEF 的结构原理 以上均为常用的元件，在侧光型背光和直下型背光中，膜片的排列也略有不同。

5 结语

侧光式背光源主要应用于桌上型电脑和笔记本电脑显示器，液晶电视使用直下型背光源，目前仍已CCFL为主，但随着面板的增大，其成本和光利用效率均不理想。短期内比较容易的替代方案是EEFL背光源。

LED的色饱和度以及发光效率仍然在改善中，如果解决将成为主流。