高亮度LED

高亮度LED（精选8篇）

高亮度LED 篇1

1 概述

高亮度白光LED的问世把人类照明发展史推进了一个崭新的时代, LED所具有的高效、节能、环保、长寿命的综合优势, 使其不但在特种照明、背光源等多个领域得到广泛应用, 随着LED光效不断提高、生产成本和价格不断下降, 在普通照明领域的应用也在稳步上升。LED作为一种新型光源, 在不久的将来取代白炽灯甚至荧光灯而发展成为一种主要的照明光源已成趋势, 是21世纪绿色照明光源的首选。为此我们应该了解高亮度白光LED特性和其驱动电路工作原理。

2 高亮度白光LED的特性

高亮度白光LED是最被看好的LED新兴产品, 其在照明市场的发展潜力值得期待。与白炽钨丝灯泡及荧光灯相比, 白光LED具有体积小 (多只、多种组合) 、发热量低 (没有热辐射) 耗电量小 (低电压、低电流启动) 、寿命长 (1万小时以上) 、反应速度快 (可在高频下操作) 、环保 (耐震, 耐冲击不易破, 废弃物可回收, 无污染) 、可平面封装, 易开发成轻薄短小的产品等优点。高亮度白光LED是被业界看好在未来10年内成为替代传统照明器具的一大潜力产品。

目前高亮度白光LED仍处于初期发展阶段, 在使用寿命上仍待改进, 价格过高是其难普及的主要原因。日本业者估计, LED晶粒成本由1999年的每只1美元降至0.2美元以下, 市场才有更高的接受度[1]。未来高亮度白光LED的应用市场将非常广泛, 包括手电筒、装饰灯LCD背光光源、汽车内部照明、投影灯源等, 不过最被看好的市场以及最大的市场还是取代白炽灯及荧光灯。

高亮度白光LED的亮度和功率的每一次提高, 都进一步扩展了它的应用领域。从200年开始, 功率型白光LED已被用于特殊照明领域。2002年, 三菱电机用它作为可拍照移动电话的闪光灯。此外, 目前白光LED的景观照明庭院灯等方面已大量应用。从发光效率看, 一旦其跨进60lm/W (相当于20W的荧光灯) , 白光LED将迅速普及。未来5~6年中, 若发光效率突破100lm/W, 再加上单价继续下降, 则到2008~2010年, 高亮度白光LED照明将逐渐普及至一般家庭的照明灯具, 正式成为21世纪的照明新光源。[2]

LED的核心是一个PN结, 其势垒电势形成了导通的门限电压, 只有加在LED上的正向电压超过该电压后才能充分导通, 由于材料及制作工艺的不同, 不同类型LED的门限电压存在差异, 高亮度白光LED的门限电压一般在2.5V以上, 正常导通后其正向电压降为3~4V因此, 驱动电路必须提供适当的电源电压。

LED的电流——电压特性是非线性的 (指数关系) , 同时其正向压降具有负温度系数, 电源电压 (或环境温度) 的变化所导致正向电压的很小波动都会使通过LED的电流产生极大的变化。所以, 直接用电压源给LED供电时必须谨慎。

LED的光通量随通过的电流而增加, 但不成正比, 随着电流的增大而光通量的增加会减少。此外, 标准 (Ф5) LED驱动电流的典型最大值为30m A, 额定工作电流为20m A, 该额定电流也会随环境温度的升高而减少。为了保证可靠性, 驱动LED的电流应低于额定值。使LED在一个发光效率比较高、工作更可靠的电流值下工作。

3 高亮度白光驱动电路的工作原理

一个完整的高亮度白光LED驱动电路除了具有良好的性能之外, 其还应该具有各种辅助的功能, 能够应用在不同的解决方案之中;并且驱动电路还应具备保护功能, 以应对外界环境对驱动电路的影响。高亮度白光LED驱动电路结构框图如图1所示。

在图1中:虚线框中为本设计中芯片内部电路, 虚线框外为外部元件。外部原件包括:一个电感器和一个输出电容器。其驱动电路工作原理如下:

3.1当输入电压VIN上电时, 启动电路工作, 并且反馈控制主环路是关断的。这个时候电路形成一个开环并具有固定占空比的直流升压电路。启动电路可以在输出电压仅为1V的时候工作。

3.2当输出电压被提升超过2.5V时, 反馈控制主环路打开并从输出端获得工作电源, 并同时关断启动电路。

3.3反馈控制主环路中传感放大器通过检测出电流和参考电路的差值, 然后将其缓慢变化的差值通过PWM调制电路调节占空比从而达到稳定输出电流的目的。其中, 传感放大器采用积分电路来实现。

3.4由于本驱动电路时一个试图向负载输送驱动电流的升压型转换器, 因此, 一个负载开路或高阻抗负载将导致稳压器环路提高输出电压。这个时候过压检测放大器会将输出电压限制于4.5V。

3.5芯片工作的整个过程中, 迟滞比较器和控制电路将PFET同步整流管的衬底始终与输入电压和输出电压的最高者相连, 以保证芯片工作的整个过程中PFET同步整流管的衬底和源极始终反偏。

结束语

高亮度白光LED以其光效高、寿命长、绿色环保等优点, 必将引领新一代节能环保照明产品。本文通过对高亮度白光LED特性与其驱动电路原理的讲述, 希望能给读者有借鉴意义!

参考文献

[1]刘行仁, 薛胜薛, 黄德森等.LED现状和问题[J].光源与照明, 2003.3:4-8.[1]刘行仁, 薛胜薛, 黄德森等.LED现状和问题[J].光源与照明, 2003.3:4-8.

[2]王国宏.半导体照明大功率LED进展[J].新材料产业, 2004.6:26-29.[2]王国宏.半导体照明大功率LED进展[J].新材料产业, 2004.6:26-29.

高亮度LED 篇2

LM3401LED驱动器适用于4.5V～35V的输入电压，可输出3A以上的驱动电流，而且电流大小可以灵活调节，占空比高达100%。此外，这款芯片的反馈电压仅为0.2V，而电流感测准确度极高(不超过3%的误差)，因此可为LED提供恒定电流，确保LED灯光颜色稳定。

LM3405ALED驱动器适用于3V～22V的输入电压，而且可以利用松耦合的12V交流电电压提供稳压供电，适用于工业及商用照明应用。由于这款芯片采用小巧的SOT-23封装，因此LED可以置于细小的电灯泡内，而照明效率比传统的石英灯和钨丝灯更高，因此是取代这两类电灯的上佳选择。

LM3401LED驱动器的技术规格

LM3401芯片是一款高效率的迟滞PFET开关控制器，可为串联LED提供恒定的驱动电流，卓越的性能可以确保输出的光线颜色稳定。这款芯片设有可调节的迟滞窗口，在元件选择和简化系统设计方面有很强的灵活性。这款芯片的另一优点是无需加设外置补偿电路。这款芯片可以感测LED的稳压电流，然后将LED电流与0.2V的低反馈电压互相比较，无需加设输出电容器也可控制反馈恒流。LM3401芯片设有可编程的过流过压保护功能，而且还可通过DIM输入引脚利用PWM输入信号控制光暗。封装方面，这款芯片采用8引脚的迷你型SOIC封装。

LM3405ALED驱动器的技术规格

高亮度LED 篇3

由于传统LCD显示设备上CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamps,冷阴极荧光灯)背光技术及产品的某些先天不足,例如色域狭窄、能源利用率低及功耗较高和寿命短小等,所以人们一直在寻找着其替代技术及产品。近几年来随着高亮度LED(Light Emitting Diode)不能发出白光的技术问题解决之后,为其在显示领域的应用奠定了根本性的基础。随着其驱动技术的日趋成熟,高亮度LED背光技术产品便被纳入了人们的选用范畴,开始广泛应用于各种显示设备中。

1 高亮度LED背光源液晶显示模块结构

液晶模块的显示屏采用SHARP的3.8吋液晶屏,整个液晶屏安装在坚固的金属机箱内,为了进一步降低EMI,显示区域用金属丝网屏蔽玻璃同外部机壳紧密连接,只在背后引出一个插座同主机控制信号和显示信号连接,这样形成一个整体的屏蔽外层。

原先SHARP的3.8吋液晶屏采用CCFL(冷阴极灯管)背光源,亮度指标为240cd/m2,为了进一步降低EMI,显示区域用金属丝网屏蔽玻璃后,亮度下降了20%,为了使亮度达到指标要求(686cd/m2),采用了高亮度LED矩阵安装在液晶屏背后作为底背光背光源,该背光源用160个高亮度LED按8串10并共2组均匀排列在90mm×64mm的印制板上,印制板采用铝基板并同外壳紧贴以散热。用脉宽调制恒流源控制亮度,达到显示效果。

2 液晶背光源组件

液晶屏是一种被动显示单元,必须有背光源才能看见显示内容,目前常用的液晶屏背光源组件主要有CCFL和LED两种背光源,CCFL是目前采用最多的TFT液晶显示器驱动背光源,LED主要用在手机等小型显示屏背光上,但是近几年随着LED不能发出白光的技术问题解决之后,为LED在显示领域的应用奠定了根本性的基础,LED背光源开始广泛应用于大屏显示器,而且发展速度越来越快。

2.1 CCFL灯管和LED灯条性能比较

(1)CCFL灯管工作在600V～1500V的高压状态,产生如此高的电压需要复杂的驱动电路,其输出的元器件、导线都需要专门的耐高压材料,为避免放电,对印制板布线也有较高的要求;LED工作在低压直流状态安全性能好。

(2)LED灯条色域更广,色饱和度可做到105%以上,因此色彩更鲜艳,而CCFL则较窄只能做到75%,LED响应速度更快(ns级)可以解决LCD显示过程中的拖尾现象,而CCFL响应速度为ms级,用CCFL做背光源的LCD显示器一大缺陷是“黑屏”不黑,如果采用LED做背光源则可以很好地解决这一问题,因为它的调光范围更宽更稳定。

(3)LED温度特性更好,在-40℃～+100℃均可正常工作,而CCFL低温亮度低,长时间工作寿命下降快,低温启动电压超过常温的1.5倍,并且CCFL在高温工作下光衰明显。

(4)由于LED背光源采用贴片焊接,其抗振性能优于CCFL背光源。

(5)理论上LED寿命可达10万小时以上,而CCFL通常在2万～5万小时。

(6)节能环保,能耗比冷阴极背光源低52%,并且没有冷阴极管的汞污染。LED是半导体通电发光,没有电磁辐射,对人体无害。

以上性能优点决定了LED背光源在技术上是冷阴极背光源的替代产品。

3 电路图及原理

3.1 LED工作原理及恒流源的选择[1]

为了使LED导通而流过电流,就必须给LED加上足够的电压,这个电压就是LED的正向电压VF,通常白色LED的正向电压约为3V～4V,其具体数值因制造厂及环境的不同而有差别,因而LED不适合用恒压驱动,如果加在LED上的电压超过正向电压,则流过LED的电流会急剧增加,过大的电流会造成LED损坏或短寿,因此LED应采用恒流驱动,使电流不超过其额定电流,由于LED发光随着电流不同,光谱也不同,电流变化发光的颜色也会出现明显的差异,这样若采用改变电流来调光,则不能保证发光颜色的一致,因此最好的办法是采用PWM(脉宽调制)调光,利用人眼视觉暂留效应,只要高于某一频率的电流驱动LED其平均亮度就会让人感觉不到闪烁,使得PWM调光成为可能,为了最大限度发挥LED的特长需要选择合适的驱动电路使LED能均匀地发光且发光效率最高。

根据上述条件我们选用NS公司的LM2733芯片作为恒流源为LED供电,该芯片是开关型的稳压器,它属于电流模式的升压型的DC-DC变换器。它的内部含有一个耐压达到40V、低导通电阻的DMOS场效应晶体管开关,能够使变换后的输出电压达到16V以上。同时,该稳压器还具有关断(shutdown)功能,能够有效地减小电路的静态电流,内部的热保护模块和过流模块为稳压器提供保护过热和限流保护。稳压器具有以下的特性:开关频率固定(有1.6MHz和0.6MHz两种)、低导通电阻的Dmos开关管开关电流可以达到1A,具有很宽的输入电压范围,输入电压可以从2.7V～14V。在关断模式下的静态电流低至1μA,内部的补偿电路可以减少外围电路元件的数量。该稳压器采用SOT-23封装,同时外围采用小电容和电感可以有效地减小PCB板的面积。将工作电压变换为与VF对应的电压,向LED提供稳定的电流,并受外部PWM调光信号的控制,使该恒流作高速通断,这样既达到技术要求的亮度,又可通过PWM调节亮度。

3.2 LM2733的典型应用电路[2]

图1为LM2733的典型应用电路图,输入的电压由VIN输入,设定输出电压由于在稳定时FB引脚的电压由带隙基准电压源设定为1.23V,所以输出电压undefined。根据通常R2取12kΩ以使得分压电阻的电流为100μA,R1的取值可以按照上述的VOUT的计算公式来计算。

3.3 背光驱动及原理

本显示器背光板采用直下式背光,160个LED按8串10并共2组均匀排列在90mm×64mm的印制板上。恒流源一组电路图如图2所示,共两组。

(1)当MOSFET打开时,12V从L1流过MOSFET到地,即引脚SW接通到地,D2截止,L1根据指数曲线储能,L1的储能不会流向C2。

(2)当MOSFET关闭时,L1的电流从D1流到C2,由于L1的电流不能突变,根据U=I*R(R为从D2-LED-R3的总电阻),因此会产生一个高于12V很多的电压,根据公式

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8个LED串联,每个按3.2V算Vout=25.6V,R2取12kΩ。

根据上述公式计算出R1=240kΩ

(3)流过R3的电流形成反馈电压给FB引脚,从而调整脉宽,达到稳定输出的目的。

SHDN引脚接VIN时内部以固定频率1.6MHz开关,接地时输出为0,本电路接控制电路的脉宽调制信号(PWM)来控制输出脉冲的大小,从而改变LED的亮度。

反馈电阻R3在这里起的就是限流作用,FB引脚在SHDN为高时(此时即PWM脉宽为最大时)始终保持1.23V,取R3=8.2Ω即流过LED的电流为(1.23+0.4)/8.2约为198mA。由于10路并联,所以每一路(8个串联)的LED最大电流为20mA。所有的LED加在一起总功耗为0.02×3.2×160=10.24W。此时外接稳压电源12V的输出电流为0.98A,除去芯片自身功耗50mA,可得效率为10.24/(12×0.93)=0.91。

这是一个相当高的效率,尽管电流降了很多,但此时的显示模块仍达到了800 cd/m2,完全达到了显示器指标要求。

4 设计中的注意事项[2]

(1)由于160个LED发光管焊接在很小的印制板上发光必然造成温升,而温升越高效率越低,因此必须要采取一些散热处理和功率限制。为了散热,LED背光印制板采用了铝基板制造,并和外壳紧密结合,使显示器内部的热量能够导到外部。

(2)二极管应该选用肖特基二极管,外围电容器最好选择多层的陶瓷电容器,对于高频的开关型转换器来说,陶瓷电容器具有最低的等效串联电阻和最高的谐振频率。输入电容器C1有助于减小输入端的纹波,通常我们可以选择2.2μF的陶瓷电容(选择较大的容值电容器也可以)。对于大部分的应用来说输出电容器C2的取值可以选择47μF。所有的外围器件应该尽可能地靠近LM2733,推荐使用4层的PCB板,采用内部的地线层。因为C2和D1上的寄生电感将会增加噪声,所以L1,D2和C2之间的连线应该尽可能的短。反馈元件R1,R2,R3应该尽可能的靠近FB引脚,这样能减少从FB引脚引入的噪声。

(3)PWM脉宽调制信号由单片机产生控制,使LED能均匀地发光且发光效率最高。

5 结束语

本文通过传统的CCFL冷阴极荧光灯背光源和高亮度LED背光源性能对比,确认LED背光源必将广泛应用于各类显示设备。并通过应用NS公司的LM2733芯片作为恒流源,制做了一款高亮度LED背光源液晶显示模块,达到显示效果和亮度指标。目前随着LED背光源的广泛应用,LED发光管数量的不断增加,功率更大,功能更全的芯片(LM3432、LM3675、LT3476等)相继作为恒流源被广泛应用于实际工作中。

摘要：介绍了一款高亮度LED背光源显示器前端模块,它是采用恒流源驱动的高亮度LED发光矩阵为背光源,取代了传统的CCFL背光源,文中对两种背光源的应用及性能进行了比较,介绍了NS公司的开关型的稳压器LM2733,芯片做为恒流源驱动芯片在显示模块中的使用方法,该模块采用单片机产生脉宽调制脉冲进行亮度调节,实现了相关画面的输出和控制。

关键词：高亮度LED,背光源,脉宽调制

参考文献

[1]胥绍禹.LED高效驱动技术[J].电子报,2008(合订本附录七):805-810.

高亮度LED 篇4

凌力尔特的方案

凌力尔特公司的LED驱动器IC采用既满足输入电压范围要求、又满足所需输出电压和电流要求的转换拓扑,尤其在驱动高亮度LED的情况下,能为很多不同类型的LED配置提供充足的电流和电压。因此,凌力尔特公司的高亮度LED驱动器IC一般具有以下特点:宽输入/输出电压范围;高效率转换;严格调节的LED电流匹配;低噪声、恒定频率工作;独立的电流和调光控制;宽调光比范围;小型紧凑的占板面积,所需外部组件最少。

凌力尔特公司拥有种类繁多的产品以满足LED驱动设计需求,其中的两个例子是LT3754和LT3956。

大型平板显示的背光照明——LT3754方案

当白光LED用于大型平板显示器的背光照明时,凌力尔特公司推出的新产品LT3754能解决与驱动白光LED有关的设计问题。LT3754是一款创新性LED驱动器IC,可用于配备了26英寸或更大尺寸平板显示屏高清电视机。这款升压模式LED驱动器有16个单独的通道,每个通道具有约3.2V的Vf,能驱动由多达一个由15个50mA LED组成的LED串。因此,每个LT3754能驱动多达240个50mA的白光LED。结果,一个26英寸的LCD高清电视机也许仅需要一个LT3754,就能提供必需的背光照明。所有16个通道都通过单个PWM输入控制,能提供高达3,000:1的PWM调光比。

LT3754使用一个小型电感器和甚至更纤巧的陶瓷输出电容器。惟一需要的其他组件是单个输入电容器、MOSFET和一个电流设定电阻器,如图1所示。每个通道都跟随一个可编程设定的主电流,以允许每串LED有10mA～50mA的LED电流。这些通道还可以并联,以提供更大的LED电流。输出电压适应LED Vf的变化,以实现最佳效率,开路LED故障不影响所连接的其他LED串的工作。LT3754采用紧凑型32引脚、5mm×5mm QFN封装。

串联LED组成的白光LED前灯——LT3956方案

现在,用一个由18个串联LED组成的阵列可以配置一个25W的白光LED前灯,流过LED的350mA电流可产生需要的光输出。不过,一个主要的障碍是,如何高效率、简单地驱动这样一个配置?一个可能的解决方案是,使用凌力尔特公司最近推出的LT3956单片LED驱动器。LT3956是一款DC/DC转换器,为作为恒定电流和恒定电压调节器工作而设计。它非常适用于驱动大电流、高亮度LED(参见图2)。

L T 3 9 5 6包括一个额定值为84V/3.3A的内部低压侧N沟道功率MOSFET,用内部调节的7.15V电源驱动。其固定频率、电流模式架构可在宽的电源和输出电压范围内实现稳定工作。一个以地为基准的电压反馈(FB)引脚用作几种LED保护功能的输入,还使该转换器能作为恒定电压源工作。频率调节引脚允许用户在100kHz～1MHz范围内设定频率,以优化效率、性能或外部组件尺寸。

LT3956在LED串的高压侧检测输出电流。就驱动LED而言,高压侧检测是最灵活的方法,允许升压、降压或降压-升压模式配置。PWM输入提供高达3,000:1的LED调光比,而CTRL输入提供额外的模拟调光功能。

结论

用LED驱动器驱动的任何LED都必须能以最低功率提供必需的光输出量,这样才不会在最终系统中引起显著的热量设计限制。幸运的是,就照明设计师而言,既存在高效率LED,又存在高性能LED驱动器,可提供他们最需要的特性:以适中的功率在合情合理的成本下提供大量光输出。

参考文献

[1]LT3754-16-Channel×50mA LED Driver[R/OL].http://www.linear.com/product/LT3754

[2]LT3956-80VIN,80VOUT Constant-Current,Constant-Voltage Converter[R/OL].http://www.linear.com/product/LT3956

[3]HID HB LED will gradually replace the current bottleneck is the heat and high prices[R/OL].http://www.hidled.com/articles/HID-HB-LED-will-gradually-replace-the-current-bottleneck-is-the-heat-and-high-prices-88

[4]Armstrong T.How to select the right white LED driver[R/OL].(2008-5-22)http://www.electronicsweekly.com/Articles/2008/05/22/43790/how-to-select-the-right-white-led-driver.htm

高亮度LED 篇5

LED光学系统属于一种非成像光学系统,不同于传统的成像光学系统,它注重于能量的分配而不是信息的传递。传统的LED光学系统的光学设计,通常是将产品做出来之后再去测量它的光强分布、发光角度等参数,达不到要求再去修改封装系统结构。依靠经验开模对LED封装进行优化,成本是极其巨大的。因此,用光学仿真软件设计性能优异的一次光学系统,对LED的封装意义重大,也是优化LED一次光学系统的重要途径,而LED封装的光学结构模型由芯片(光源)、反射碗、封装环氧树脂与空气界面组成,光学工程师往往需要对上述光学模型的4个部件调整不同的参数来获得理想中的光学模型,这一不断调整参数并建立光学仿真模型需要花费大量的时间,也难以用直观的方法确定哪个参数是对仿真结果影响最大的要素。

参照实际常用LED的封装结构形式,主要考虑了反射碗和透镜两大部件的位置形状,设定反射碗、透镜的相关形状、位置参数,对所设计的结构进行非序列光线追迹,来模拟得到不同封装参数条件下的光能接收面的光亮度分布。利用正交实验法分析模拟结果,得出影响出光效率,中心光强和半强度角的主要因素,并综合得到该一次光学系统的一组优化结果。

1 大功率LED光学特征

1.1 LED光输出表示

LED光输出一般用辐射度学的光通量、光强表示。光通量是光源在单位时间发出的光量,它用于描述LED向外辐射能量的大小。总光通量表示LED向各个方向辐射光通量的总和,一般用符号ϕV表示,单位是流明(lm)。光强是光源在给定方向立体角内发出的光通量,它用于描述LED发出的光沿空间各方向的分布。光强一般用Iv表示,单位是坎德拉(cd)。立体角表示为被照射面积与半径平方的比值,即ω=A/R2,则某方向上的光强Iv=ϕ1/ω=ϕ1·R2/A。

1.2 大功率LED配光曲线

LED配光曲线用于描述光强在空间的分布,是将光强看成发光角度的分布函数得到的曲线。一般LED出光沿光轴对称,所以配光曲线可以简单地用相对光强沿空间角度二次函数来绘制。在LED的配光曲线中,常用来描述光强分布参量有半强度角,表示对应峰值光强一半时候的角度值,半强度角的两倍叫LED的发光角度,用2θ1/2表示,如图1所示。

2 大功率LED光学结构模型

2.1 LED光学结构

高功率LED主要包括几个部分:支架、阴线、衬底(粘合剂)、发光芯片、反射碗、透镜等几部分,如图2所示。LED的出光特性主要由封装材料的折射率、透镜的几何形状、芯片与透镜的几何位置来决定[1]。

2.2 LED光学模型的建立

LED光学模型比较复杂,芯片从各个方向发出的光线经过多次反射和折射,再从表面射出。忽略次要要素,抓住影响LED出光最重要的要素进行建模分析:(1)芯片的大小和位置;(2)反射碗的形状和尺寸;(3)透镜的形状和尺寸。

在建立LED光学模型时,做出几点假设:(1)光从芯片表面随机出射,满足Lambertian分布;(2)考虑光线反射与折射的时候,主要集中在芯片与反射碗、反射碗与树脂、树脂与空气接触面,其他不予考虑[2]。(3)分析光的传输的时候,除去光子的吸收、再循环、以及电性、温度的影响[3]。(4)反射碗表面的反射率在98%左右。(5)环氧中加入散射剂时当成体积散射处理。

根据以上LED光学模型的假设,运用光学仿真软件Tracepro建立了16组LED光学模型,并采用正交试验法对结果进行分析,其光学模型如图3所示。

3 大功率LED的光学仿真

对于大功率LED的光学结构模型,一般很难建立光强分布状态与各部件位置形状的函数关系,有时甚至还不清楚各部件参数影响光强分布状态的灵敏度。采用正交设计的方法,以数值模拟为工具,进行设计实验(design of experiment,DOE),从而可以发现光强分布状态关于各部件参数的灵敏度,为设计优化大功率LED奠定基础。

文中要考虑的是高强度、窄光束大功率LED的仿真光分布状态,包括出光效率、中心光强、半强度角,为了获得高强度、窄光束大功率LED,要求其出光效率和中心光强要尽可能的大,半强度角要尽可能的小。

在正交实验法中,称影响试验指标的因素为因子,每个因子可能处的状态为水平。文中设定影响光强分布状态的因子有5个,如图4所示分别是锥形母线与高的夹角θ1,反射碗高h,锥形反射碗上底面半径b,透镜的曲率半径r,夹角θ2。这5个因子各自有两个水平,具体取值见表1。

在这里忽略芯片的大小和位置(芯片尺寸为1 mm×1 mm,位置保持在反射碗底中心),仅考虑反射碗和透镜的形状和位置,对于反射碗的形状,可以采用锥体、半球体或抛物体。而其中以锥体反射碗在减小光出射角度、提高中心光强及出光效率上效果最为显著[4]。

表2所示为一水平数相等的正交表L16(215),其中L代表正交表;16为表的行数,即试验方案数;2为水平数目,15为列数,即因子数目,在该正交表中前5列代表的是单因子列,其余13列是交互作用列。锥形母线与高的夹角θ1,反射碗高h,锥形反射碗上底面半径b,透镜的曲率半径r,夹角θ2,这5个因子不仅独立地起作用,而且可能联合起来起作用,也就是说,不仅各个因子的水平改变对试验指标有影响,而且各因素的联合搭配对试验指标也有影响,因此在试验当中也考虑到因素A和因素B的交互作用对试验指标影响程度的大小,并记为A×B。

注:Kij为第j列上水平号为i的各实验结果之和;kij=Kij/s,其中s为第j列上水平号i出现的次数,kij表示第j列的因素取水平i时正交实验结果的平均值;极差是同一列中k1j和k2j所得的差,这里省略了Kij,kij和极差的计算过程,仅将计算结果列入表2中。

按照设定的数据表和正交表仿真出16个大功率LED模型,并得出相应的出光效率、中心光强和半强度角,见表2。一般来说,各列的极差绝对值是不相等的,这说明各因素在水平改变时对实验结果的影响是不相同的。极差绝对值越大,说明这个因素的水平改变时对试验指标的影响越大。极差绝对值最大的那一列,就是那个因素的水平改变时对试验指标的影响最大,那个因素就是要考虑的主要因素。通过极差绝对值大小可以得出,各因子对试验指标1(出光效率)的影响最大的是B(h反射碗的深度),从16个方案中可以看出,当B2变成B1,LED模型的出光效率从95%左右降到93%左右,说明为了取得95%以上的出光效率,因子B(h反射碗的深度)必须取第二水平(3 mm),而其他因子对试验指标1(出光效率)的影响不大。

挑选因素的最优水平与所要求的试验指标有关,对于出光效率,指标越大越好,所以要选取指标水平大的作为最优方案水平。由于K2A>K1A,K2B>K1B,K2C>K1C,K2D>K1D,K2E>K1E。因此最优方案为A2B2C2D2E2,该方案设计出的LED模型出光效率为95.2%,由于因子A(θ1)的极差绝对值最小,说明它水平的改变对出光效率的影响不大,为了进一步验证A2B2C2D2E2是否是出光效率最高的方案,比较了方案A1B2C2D2E2和方案A2B2C2D2E2得到LED模型的出光效率,发现出光效率最高的方案是A1B2C2D2E2,出光效率达到96%,即:锥形母线与高的夹角θ1=30°,反射碗高h=3 mm,锥形反射碗上底面半径b=2.5 mm,透镜的曲率半径r=3 mm,夹角θ2=90°。

对于试验指标2(中心光强),各因子影响程度由主到次顺序为:B→FJ→AC→0→G→E→H。最大影响程度的因子是B(h反射碗的深度),A(θ1锥形母线与高的夹角)和C(b锥形反射碗上底面半径)对中心光强的影响也较大,同时还注意到交互作用列θ1×h,θ1×b,h×b,r×θ2也对中心光强有重要影响,说明中心光强的大小主要取决于反射碗的形状和位置的设计,r(透镜曲率半径)的大小虽然对中心光强影响不大,但配合透镜角度θ2也能对中心光强发生较大影响,从极差的大小也能说明透镜的角度θ2比透镜的曲率半径r更能决定中心光强的大小。

对于高强度、窄光束大功率LED的中心光强,指标越大越好,所以要选取指标水平大的作为最优方案水平。从正交表中看,由于K1A>K2A,K1B>K2B,K2C>K1C,K2D>K1D,K2E>K1E。因此最优方案为A1B1C2D2E2。该方案设计出的LED模型的中心光强为1 481 W/sr/k W,由于因子D(r)的极差绝对值相对较小,它水平改变对中心光强影响不大,通过方案A1B1C2D1E2得到的LED模型中心光强1 265 W/sr/k W,说明方案A1B1C2D2E2确实是取得最大中心光强的最佳方案,即:锥形母线与高的夹角θ1=30°,反射碗高h=2 mm,锥形反射碗上底面半径b=2.5 mm,透镜的曲率半径r=3 mm,夹角θ2=90°。

对于试验指标3(半强度角),各因子影响程度由主到次顺序为:B→E→C→A→G→D→J。影响最大的因子是B(h反射碗的深度),其次是θ2,说明半强度角大小主要取决于反射碗的高度和透镜的θ2,反射碗b也对半强度角也有一定影响,而5个因子交互作用对半强度角的影响并不明显。

对于高强度、窄光束大功率LED的半强度角,指标越小越好,所以要选取指标水平小的作为最优方案水平。从正交表中看,由于K2A>K1A,K2B>K1B,K1C>K2C,K2D>K1D,K1E>K2E。因此最优方案为A1B1C2D1E2,该方案设计出的LED模型的半强度角为49°。由于因子D(r)的极差绝对值相对较小,它水平改变对中心光强影响最小。对比方案A1B1C2D2E2和方案A1B1C2D1E2得到LED模型半强度角大小,方案A1B1C2D2E2得到半强度角为46°,因此方案A1B1C2D2E2是取得最小半强度角的最佳方案,即:锥形母线与高的夹角θ1=30°,反射碗高h=2 mm,锥形反射碗上底面半径b=2.5 mm,透镜的曲率半径r=3 mm,夹角θ2=90°。

从表2和上述3个试验指标的分析结果看,因子E(θ2透镜夹角)以取第二水平90°,也即是透镜曲率半径和底面半径相等时,试验指标均能取得最佳结果,出光效率最高,中心光强最大,半强度角最小,说明在设计高强度、窄光束大功率LED时透镜的曲率半径大于或者小于底面半径都不是最佳方案。

综上分析,为了得到高强度、窄光束大功率LED,除了要使中心光强尽可能大,半强度角尽可能小,并要保证一定的出光效率。如图5所示的LED模型为方案A1B1C2D2E2设计得到,其中小光强最大,半强度角最小,虽然出光效率不是最高,但93.5%的出光效率也能符合要求,因此方案A1B1C2D2E2是获得高强度、窄光束大LED的理想方案,其配光曲线如图6所示。

4 结束语

在运用光学仿真软件Trace Pro设计高功率LED的过程中,用简化的模型替代LED复杂的出光模型,结合正交实验法分析出LED封装结构中的反射碗的深度h对LED的出光效率、中心光强和半强度角非常重要,证实了在设计高亮度大功率LED时透镜的曲率半径等于底面半径是最佳方案。以设计高亮度大功率LED为例说明正交实验法的引入对光学设计师高效率设计符合特定配光曲线的LED有一定的参考意义。

摘要：采用正交实验法分析反射碗和透镜两部件的各个因素对LED发光强度分布的影响,并仿真设计出优化参数后的高强度、窄光束大功率LED。这一设计方法对LED的一次光学系统设计具有一定的指导意义,并有助于提高大功率LED光学系统设计的效率,降低LED封装的试验成本。

关键词：正交实验法,大功率LED,光学仿真

参考文献

[1]夏勋力,余彬海,麦镇强.近朗伯光型LED透镜的光学设计[J].光电技术应用,2010,25(1):22-25.

[2]陈波,余彬海.大功率LED封装结构的仿真设计[J].佛山科学技术学院学报(自然科学版),2006,24(1):29-31.

[3]林昭颖.发光二极管导光机构之研究[D].台北:台湾国立中央大学光电科学研究所,2000:52-60.

高亮度LED 篇6

目前, LED已经被应用于台灯、手电筒、广告屏幕、电视屏、指示灯和汽车车灯等局部照明领域。一些城市的光伏照明样板工程也已采用LED灯, 但实际照明效果并不太理想, 主要原因在于LED灯的亮度不够、发光效率不高。为继续提升LED产品的普及度, 则必须在“如何提高LED芯片亮度”上下功夫。

1 LED技术概述

1.1 LED概念

LED, 即发光二极管, 是一种固态的半导体器件, 它可以直接将电转化为光。LED的“心脏”是一个半导体晶片, 附着在LED灯株支架上, 它的一端是负极, 另一端连接电源的正极, 使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成, 一部分是“P”形半导体, 在它里面空穴占主导地位;另一部分是“N”形半导体, 其内部主要是电子。当这两种半导体连接起来时, 它们之间就形成一个“P-N”结。当电流通过导线作用于半导体晶片时, 电子就会被推向P区。在P区内, 电子跟空穴复合, 以光子的形式发出能量。光的颜色由光的波长决定, 而光的波长是由形成P-N结的材料决定的。

1.2 LED的发光原理

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物, 比如Ga As、Ga P、Ga As P等半导体制成的, 其核心是P-N结。因此, 它具有一般P-N结的I-N特性, 即正向导通, 反向截止、击穿特性。此外, 在一定条件下, 还具有发光特性。在正向电压下, 电子由N区注入P区, 空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光。假设发光是在P区发生的, 那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光, 或者先被发光中心捕获后, 再与空穴复合发光。除了这种复合发光方式外, 还有些电子被非发光中心捕获, 而后再与空穴复合, 每次释放的能量不大, 不能形成可见光。发光的复合量与非发光复合量的比例越大, 光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的, 因此光仅在靠近P-N结面数微米以内产生。理论和实践证明, 光的峰值波长λ与发光区域半导体材料的禁带宽度Eg有关, 即

式 (1) 中:Eg的单位为电子伏特 (e V) 。

如果能产生可见光, 半导体材料的Eg应在1.63~3.26 e V之间。比红光波长长的光为红外光。

2 LED芯片亮度的提高方法

提高LED芯片亮度的方法主要有以下几种:①通过控制半导体材料的生产工艺, 可获得高质量的P-N结, 达到获得较高的发光效率的目的, 以此提高芯片亮度。②提高荧光粉的发光效率。通过研发新工艺和新材料, 可获得稳定性好、发光效率高的荧光粉, 达到提高芯片亮度的目的。③在芯片背面增加一层光学薄膜层, 可增强芯片背面的光源反射, 提高芯片正面出光效率, 从而提高芯片亮度。④降低芯片背面的粗糙度, 也可增强芯片背面的光源反射, 提高芯片正面出光效率, 从而提高芯片亮度。

化学抛光是降低芯片背面粗糙度方法之一。所谓“化学抛光”, 是指利用统一粒径的SIO2抛光液在一定的工艺条件下对芯片背面进行精细打磨, 以降低芯片背面的粗糙度。图1所示为化学抛光工艺。

为验证芯片精抛时间长短与亮度的关系, 笔者特进行了如下实验。

实验步骤如下:①选取同一外延机台同炉、同圈、同尺寸芯片共40片。要求该批芯片点测亮度接近, 相差不超过5 m W, 且品级全为A品。②将这40片芯片按序号10片一盘打散分到4个盘进行研磨抛光作业。每盘的精抛时间依次增加10min。③研磨抛光作业时, 要控制研磨和抛光厚度, 要求每盘至少抛光25μm。所有片子抛光后, 盘内厚度平均值与其他盘平均厚度差值应小于3μm, 且同一盘内片子的厚度偏差应小于4μm。精抛前, 要记录各盘的研磨厚度。另外, 精抛作业必须在相同精抛机、相同手臂下进行, 并在清洗后测量每片的翘曲度。④背镀作业要求同一盘片子在同一RUN、同一圈背镀, 切割作业要求在同一台切割机下进行。⑤切裂后, 要求用同一点测机点测。⑥整理数据, 统计点分点测结果, 并撰写实验报告。

实验数据记录结果如表1所示。

图2所示为精抛时间与翘曲度变化的对应关系。

根据图2可知, 随着精抛时间的延长, 薄片的翘曲度逐渐增大。

在实验过程中, 由于实验片量较少, 出现了误差, 精抛30 min的K值小于20 min。但从精抛时间与K值变化的对应关系图可知, 随着精抛时间的延长, 点分的亮度K值总体呈上升趋势。图3所示为精抛时间与K值变化的对应关系。

综上可知, 随着精抛时间的延长, 芯片背面的粗糙度逐渐降低。

3 结论

通过实验得出, 延长精抛时间、降低芯片背面的粗糙度均可在一定程度上提高芯片的亮度。

摘要：LED是一种新型绿色节能光源, 具有广阔的市场和潜在的照明应用前景。随着LED各类产品的普及和应用, 市场对LED产品的各项技术指标都提出了更高的要求, 特别是对LED产品亮度的要求。从LED精抛时间长短与亮度的关系入手, 阐述如何提高LED芯片的亮度。

关键词：LED芯片,抛光时间,半导体晶片,P-N结

参考文献

[1]陈振官.光电子电路及制作实例[M].北京:国防工业出版社, 2006.

高亮度LED 篇7

1 实验

实验在学校一间空宿舍中进行,在一侧的桌子上放有LED筒灯进行照明,筒灯可以进行替换,照度也可以进行调节。照明灯具采用的是可调节色温的LED筒灯,可以交替更换三种色温:暖白光3 000 K,自然光4 000 K,正白光5 000 K。光源显色指数均大于80。一共设置九组实验环境,分别在工作面形成平均照度作为目标亮度基准,调整目标工作面照度均匀度,需要保证超过0.7。实验一共邀请10名受测者来参加实验,分别包括男生6名,女生4名,实验者年龄都21~24岁,均无色盲、色弱,实验者提前15 min进入房间适应光线,由于人眼视觉习惯,每次实验前会有5 min左右时间来适应环境。

该实验使用的评价方法主要有两种,分别是独立评价还有对比评价。在独立评价部分中需要受测试者独立对每一组场景进行评价。使用李克特量表(Likert scale)七分量表,对特定的色温,照度的照明环境进行评价。该量表由一组陈述组成,每一陈述有“非常明亮”“明亮”“有的明亮”“不明亮”“有点昏暗”“昏暗”“非常昏暗”7种回答,分别记为7、6、5、4、3、2、1,每一个被调查者对于回答每道题目所得的分数用来表示他对此次评价的态度,这一分数可以说明他在量表中的对视亮度的评价。

在对比评价测试时,实验者坐在相邻两个完全相同的隔间之间正中处,左侧隔间作为基准照明环境,用作参照。而右侧的隔间则是当作调整光源照射的环境,依次更换右侧隔间的LED筒灯,变换不同色温的LED筒灯直至到测试者觉得左右两边给自己感受相同,观测并记录右边隔间目标面的平均照度。为了保证人眼适应能力,调节测试包括一次由暗到明的调节和一次由明到暗调节。每次测试需要做两次。

2 结果与讨论

表1给出了相同照度下不同的色温环境下视亮度评分标准。

在相同照度环境下,不同色温的实验中,高色温环境下的视亮度指标要高于低色温环境,并伴随着照度的增大,这一现象尤为明显,实验的结果表明了在相同照度情况下,3 000 K色温的视亮度评价最低,而4 000 K色温环境的视亮度评价最高,如图1所示。

以上的实验结果表明,色温对同样的视亮度会产生不同的影响,在相同照度下4 000 K和5 000 K色温下的视亮度比3 000 K下的视亮度要高。

在接下来的对比实验中,九组场景依次在左隔间内进行,在右隔间设调整色温的变换,分别从亮到暗,从暗到亮分两次慢慢调节右隔间照明环境,当受测者感觉左右隔间样亮时停止,测量并记录此时工作面的平均照度,结果取两次调节测试结果的平均值。测试结果如表2所示。测试的结果表明,低色温下的光环境需要更大照度来达到和高色温环境同等的视亮度评价,而高色温的照射情况只需比较低的照度就能够得到与低色温相同的视亮度评价。

3 结语

论文视亮度基于针对LED筒灯进行了评价实验,对三种色温分别为3 000 K,4 000 K以及5 000 K的LED照明环境评价。建立了以三种色温与三种照度组合的九组基准评价场景。实验结果表明,在受到的照度相同的状况下,色温较高会给人带来比较高的视亮度的评价,反之则依然。视亮度的变化会随着照度的提高而提高。所以低色温的照明情况下,如果需要提高视亮度的评价感受,那就需要提高照度或物理亮度。

摘要：LED筒灯与传统光源筒灯相比,在安装与光效等方面具有较大的优越性,已被广泛应用于各个领域。然而其除了影响视觉效果外,还会影响人体的生理功能。论文基于视亮度方法,针对不同色温下LED筒灯照明进行了评价研究。研究成果有望为实现更加人性化、舒适化的LED筒灯照明提供实用性的理论支持。

关键词：LED筒灯,光生物效应,视亮度,色温

参考文献

[1]罗婉霞,李柏林.拉深工艺在LED筒灯设计上的应用[J].照明工程学报,2014(4):90-94.

[2]李炳华.浅谈LED在室内照明中的应用[J].智能建筑电气技术,2014,8(5):6-11.

[3]佚名.强大的LED筒灯和射灯高品质的照明和广泛的应用[J].中国照明,2011(11):55-55.

[4]刘炜,杨春宇,陈仲林.室内照明光环境亮度—视亮度研究[J].建筑电气,2001,20(4):27-30.

高亮度LED 篇8

关键词：发光二极管,背光源,亮度,均匀性

引 言

液晶显示器是非自主发光器件,要实现其显示功能需依靠背光模组提供显示所需的均匀面光源。在传统大尺寸LCD背光模组中,光源多采用CCFL(冷阴极荧光灯管);由于近年来环保要求,LCD产品对高色彩品质、产品寿命等特性的需求,含汞成分的CCFL已逐渐被具有省电、环保、体积小、色纯度高、坚固及寿命长的LED(发光二极管)所取代[1]。尽管LED应用于中大尺寸液晶显示器背光还存在一定的缺点,但它的以上诸多优势激励国内外众多厂家不断投入人力物力进行研究与开发[2],使得LED应用于中大尺寸液晶显示器背光的优点得到进一步彰显,而缺点与问题则得到改善甚至解决,从而不断有性能越来越好的使用LED背光的液晶显示器样品甚至产品面世[3,4]。

亮度和亮度均匀性是LED背光的主要性能指标,也是影响液晶显示器显示质量的重要参数,但是亮度和亮度均匀性之间存在着矛盾,在实际设计中,通常是以牺牲部分亮度来提高亮度均匀性。本文提出一种设置具有特殊形状和性能反射膜的方法,可以在不降低亮度的情况下改善亮度均匀性,同时提高背光亮度。

1 背光源结构

图1是直下式LED背光的基本结构图,如图所示,在背光结构中,LED发光源、反射膜、扩散膜、棱镜膜、偏光增亮膜等都是基本的光学元件,实现发光、匀光等光学作用。灯腔、散热板、上下层玻璃、PCB电路板等都是基本的结构部件,起支撑、散热或阻挡光线等作用。

光线从LED光源发出,通过扩散膜、棱镜膜等光学膜片的折射与透射后从背光模组的出光口 射出,通过光学膜片的匀光作用,实现了LED点光源向面光源的转换,形成满足液晶显示所需的亮度高、均匀性好的面光源。

2 新型反射膜的设计

LED背光是将多个LED按矩阵的形式排列于背光腔体底部形成发光源,LED矩阵发光源发出的光照向出光口时产生的亮度分布如图2所示,它主要存在两种亮度分布的不均匀状况:首先是整体亮度呈明暗相间的网状分布,其次是出光口边缘亮度低、中间亮度高。

单个LED光源发光特性符合朗伯光源特性,它发出的光垂直照向出光口时产生的亮度分布如图3所示,其特点是中间亮度高、边缘亮度低。所以,当LED矩阵发光源发出的光照向出光口时,出光口上正对于LED的设置区域由于LED的垂直照射亮度较高,非正对于LED的设置区域由于得不到LED的垂直照射因而亮度较低,这样就形成了LED背光出光口亮度分布呈明暗相间的网状分布。

LED矩阵中边缘区域LED发出的光有一部分照向背光腔体的侧面而不能直接从出光口射出,因此减少了出光口边缘区域光线的出射量,从而造成了背光出光口边缘区域亮度较低。要改善这两种不均匀状况,需要利用反射光对原有的亮度分布进行补偿。

2.1 底面反射补偿膜

当LED矩阵发出的光照射向出光口时,一部分光透过扩散膜等光学膜片从出光口出射,另一部分光被光学膜片反射回LED矩阵平面。本文提出了在LED矩阵平面所在位置设置具有特殊形状的反射面,以重新利用这部分被光学膜反射的光,设计此反射面在LED的设置区域为凸面,在LED的非设置区域为凹面,如图4所示。由于凸面镜对光线具有发散作用,凹面镜对光线具有会聚作用,当被光学膜片反射的光线射向此曲面形反射面时,在LED设置区域此光线被凸反射面发散后重新反射回出光口,而在LED非设置区域此光线则被凹反射面会聚后重新反射回出光口。这样就相当于在出光口上正对于LED的设置区域光线被发散,亮度降低,而非正对于LED的设置区域光线被会聚,亮度提高,从而达到改善出光口在LED正上方区域亮度较大、非LED正上方区域亮度较小的亮度分布不均匀状况。

图5为底面反射补偿对亮度改善的亮度叠加示意图,当LED发出的光照向出光口时,出光口的相对亮度分布曲线如曲线1所示,由于LED的朗伯光源特性,在正对于LED的设置区域亮度较高,而在非正对于LED的设置区域亮度较低。被曲面形反射面反射重新利用的光在出光口的相对亮度分布曲线如曲线2所示,在正对于LED的设置区域亮度较低,而在非正对于LED的设置区域亮度较高,这与曲线1的走势正好相反。

出光口的总亮度为LED发出的光直接从出光口出射产生的亮度和经反射面反射后从出光口出射产生的亮度之和,如曲线3所示。所以,曲线3为曲线1和曲线2之和,由于曲线2和曲线1的走势相反,因此曲线2削弱了曲线1的起伏程度,使曲线3的起伏程度弱于曲线1,由此可见底面反射补偿改善了LED背光的亮度均匀性能。

2.2 侧面反射补偿

LED矩阵边缘区域LED发出的光有一部分射向灯腔侧壁,使出光口边缘区域的亮度降低,本文提出在灯腔侧壁设置镜面反射膜,可以将射向灯腔侧壁的光重新反射回出光口以利用。如图6所示,射向灯腔侧壁的光被镜面反射膜反射,重新射向出光面从出光口边缘区域出射,这样可以改善出光口边缘区域亮度较低的不均匀状况。

图7为侧面反射补偿对亮度改善的亮度叠加示意图,图中曲线1为边缘区域LED直接射向出光口的那一部分光在出光口产生的相对亮度分布曲线;曲线2为镜面反射膜设置在a位置时,反射光在出光口产生的相对亮度分布曲线;曲线3为镜面反射膜设置在a位置时,出光口上的总亮度分布曲线。由图可以明显看出,镜面反射膜的设置,可以改善出光口边缘区域亮度较低的不均匀状况。

3 仿真分析与实验结果

将LED理想化为标准的朗伯光源,则单个LED的光强分布满足

${\rm I}(\theta )=\cos (\theta ){\rm I}(0)(1)$

式中I(θ)是角度为θ时的光强,I(0)是角度为零时的光强。

用类似马鞍形的曲面作反射面,其方程为:

$z=\frac{1}{a}[\cos (2\text{π}x/p)+\cos (2\text{π}y/p)](2)$

其中a为任意不为零的常数,p为LED排列的节距。

以单个LED所在位置为坐标原点,LED矩阵所在平面为xoy平面建立如图8所示的坐标系。

LED发出的光线照射到出光口,经出光口反射照在底面反射曲面上任意一点a(x0,y0,z0),则曲面在a点的法线方程为:

$\frac{x-x{}_0}{\frac{2\text{π}}{ap}\sin (2\text{π}x{}_0/p)}=\frac{y-y{}_0}{\frac{2\text{π}}{ap}\sin (2\text{π}y{}_0/p)}=\frac{z-z{}_0}{1}(3)$

所以该法线的方向向量为:

$\stackrel{\rightharpoonup }{a}=(\frac{2\text{π}}{ap}\sin (2\text{π}x{}_0/p),\frac{2\text{π}}{ap}\sin (2\text{π}y{}_0/p),1)(4)$

与$\stackrel{\rightharpoonup }{a}$同方向的单位向量为$\stackrel{\rightharpoonup }{a}{}_0$,则:

$\begin{array}{l}\stackrel{\rightharpoonup }{a}{}_0=(\frac{2\text{π}}{ap}\sin (2\text{π}x{}_0/p)/|\stackrel{\rightharpoonup }{a}|,\\ \frac{2\text{π}}{ap}\sin (2\text{π}y{}_0/p)/|\stackrel{\rightharpoonup }{a}|,1/|\stackrel{\rightharpoonup }{a}|)(5)\end{array}$

式中,$|\stackrel{\rightharpoonup }{a}|=$$\frac{2\text{π}}{ap}\sin (2\text{π}x{}_0/p)$2+$\frac{2\text{π}}{ap}\sin (2\text{π}y{}_0/p)$2+11/2为向量$\stackrel{\rightharpoonup }{a}$的模。

a点入射光线的方向向量为:

$\stackrel{\rightharpoonup }{b}=(x{}_0,y{}_0,z{}_0-2d)(6)$

式中d为出光面与LED平面之间的距离。

与$\stackrel{\rightharpoonup }{b}$同方向的单位向量为$\stackrel{\rightharpoonup }{b}{}_0$,则:

$\stackrel{\rightharpoonup }{b}{}_0=[x{}_0/|\stackrel{\rightharpoonup }{b}|,y{}_0/|\stackrel{\rightharpoonup }{b}|,(z{}_0-2d)/|\stackrel{\rightharpoonup }{b}|](7)$

式中,$|\stackrel{\rightharpoonup }{b}|=[x{}_0{}^2+y{}_0{}^2+(z{}_0-2d){}^2]{}^{1/2}$为向量$\stackrel{\rightharpoonup }{b}$的模。

令$\stackrel{\rightharpoonup }{a}{}_0$和$\stackrel{\rightharpoonup }{b}{}_0$的夹角为φ,则:

$\cos \phi =\stackrel{\rightharpoonup }{a}{}_0\times \stackrel{\rightharpoonup }{b}{}_0(8)$

根据反射定律:入射光及法线和反射光在同一平面上,且入射角等于反射角,则可以推导得到反射光的单位方向向量$\stackrel{\rightharpoonup }{c}{}_0$为:

$\stackrel{\rightharpoonup }{c}{}_0=\stackrel{\rightharpoonup }{b}{}_0-2\stackrel{\rightharpoonup }{a}{}_0\cos \phi (9)$

将式(5)和(7)代入(9)即可以得到反射光的方向向量为:

$\begin{array}{l}\stackrel{\rightharpoonup }{c}{}_0=[\stackrel{\rightharpoonup }{x}{}_0/|\stackrel{\rightharpoonup }{b}|-2\cos \phi \frac{2\text{π}}{ap}\sin (2\text{π}x{}_0/p)/|\stackrel{\rightharpoonup }{a}|,\\ \stackrel{\rightharpoonup }{y}{}_0/|\stackrel{\rightharpoonup }{b}|-2\cos \phi \frac{2\text{π}}{ap}\sin (2\text{π}y{}_0/p)/|\stackrel{\rightharpoonup }{a}|,\\ (z{}_0-2d)/|\stackrel{\rightharpoonup }{b}|-2\cos \phi /|\stackrel{\rightharpoonup }{a}|](10)\end{array}$

所以反射光方程为:

$\begin{array}{l}\frac{x-x{}_0}{\stackrel{\rightharpoonup }{x}{}_0/|\stackrel{\rightharpoonup }{b}|-2\cos \phi \frac{2\text{π}}{ap}\sin (2\text{π}x{}_0/p)/|\stackrel{\rightharpoonup }{a}|}=\\ \frac{y-y{}_0}{\stackrel{\rightharpoonup }{y}{}_0/|\stackrel{\rightharpoonup }{b}|-2\cos \phi \frac{2\text{π}}{ap}\sin (2\text{π}y{}_0/p)/|\stackrel{\rightharpoonup }{a}|}\\ =\frac{z-z{}_0}{(z{}_0-2d)/|\stackrel{\rightharpoonup }{b}|-2\cos \phi /|\stackrel{\rightharpoonup }{a}|}(11)\end{array}$

出光面方程为:

$z=d(12)$

则反射光与出光面的交点b(x1,y1,z1)可以由方程(11)和方程(12)联立求得。且b(x1,y1,z1)点处的光强为:

${\rm I}(b)={\rm I}(0)\rho {}_1\rho {}_2\cos (\phi {}_1)={\rm I}(0)\rho {}_1\rho {}_2|z{}_0-2d|/|\stackrel{\rightharpoonup }{b}|(13)$

式中ρ1和ρ2分别为光学膜和底面反射膜的反射率,φ1为LED发出的光线与z轴的夹角。

根据以上推导可以用MATLAB软件进行模拟仿真[5,6],如图9所示,从图中可以明显看出,d图的均匀性优于a图。

根据设计与模拟,制作出38 cm LED背光样品,如图10所示。按GJB3578-1999中的九点法亮度均匀性测试要求对样品进行如图11所示的分块,并对样品进行测试,分别得到补偿前后的亮度分布值如表1所示。

按公式(14)计算平均亮度:

$L{}_{\text{a}\text{v}\text{e}}=\frac{1}{9}{\displaystyle \sum _{i=1}^{9}L}{}_i(14)$

式中Lave为平均亮度,Li为第i点的亮度。通过计算可得补偿前的平均亮度为3 139 cd/m2,补偿后的平均亮度为4 080 cd/m2,平均亮度提高了29%。

按公式(15)计算亮度均匀性:

$L{}_u=(L{}_{\max }-L{}_{\min })/(L{}_{\max }+L{}_{\min })(15)$

式中Lu为亮度均匀性,无量纲;Lmax为九点中测得的最大亮度,单位cd/m2;Lmin为九点中测得的最小亮度,单位cd/m2。可以得到补偿前的亮度均匀性为16.8%,补偿后的亮度均匀性为10.2%,明显优于补偿前的亮度均匀性能。

4 结束语

通过在LED背光腔体底部和侧壁设置特殊形状及性能的反射膜,可以使背光亮度增加,并使均匀性得到改善,提高显示质量。研究设置特殊形状及性能反射膜的LED背光对设计具有高画质、低功耗、厚度薄、重量轻的液晶显示器具有一定的实际意义。

参考文献

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