液晶顯示(LCD)原理及優(yōu)化設(shè)計

1、貴州師范大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計學(xué)科代碼： 071201 學(xué) 號： 110802010006 貴 州 師 范 大 學(xué)（本 科） 畢 業(yè) 論 文題 目：液晶顯示（LCD）研究與設(shè)計學(xué) 院：物理與電子科學(xué)學(xué)院專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)年 級：2011級姓 名：甘勇藝 指導(dǎo)教師：阮方鳴（博士） 完成時間：2015年4月17日 目 錄摘 要3ABSTRACT 3第一章 概述41.1平板顯示簡介41.2.液晶顯示現(xiàn)狀41.3液晶顯示發(fā)展趨勢5第二章 PCBI成像原理72.1液晶分子特性72.2成像單元7第三章.側(cè)入式背光模組83.1光反射膜932擴(kuò)散膜93.3增亮膜83.4發(fā)光二極管（LED）光源103.5

2、導(dǎo)光板113.5.1 光學(xué)理論基礎(chǔ)113.5.2光度學(xué)12第四章液晶顯示的若干優(yōu)化設(shè)計124.1導(dǎo)光板的網(wǎng)點優(yōu)化124.2提高光能利用率144.2.1系統(tǒng)光能損失分析144.2.2提高光能利用率措施144.3大尺寸 LED 背光模塊驅(qū)動154.3.1 LED 背光模塊驅(qū)動設(shè)計總體方案154.3.2 LED 驅(qū)動電路設(shè)計164.3.3 LED 驅(qū)動電路電源部分設(shè)計174.3.4 驅(qū)動電路測試及結(jié)果分析18總結(jié)與展望18致謝19參考文獻(xiàn) 20液晶顯示(LCD)研究與設(shè)計摘 要 液晶顯示是基于液晶的光電效應(yīng)，液晶分子在不同的電壓下有不同狀態(tài)，由電場約束光線的通過量來控制屏幕的亮度，然后經(jīng)過彩色濾光片

3、過濾生成具有不同灰階和各種不同顏色的畫面，最后達(dá)到我們想要的彩色顯示。但是，液晶顯示面板(PCBI) 是一種被動型顯示技術(shù)，即其自身是不能主動發(fā)光的，必須經(jīng)過背光模組來提供發(fā)光源。PCBI的背后緊貼著背光模組用以照亮灰暗的畫面。背光模組可以說是將許多個發(fā)光二極管(LED)的近似點光源整齊有序地排成一列成為線光源，線光源經(jīng)過導(dǎo)光板的作用轉(zhuǎn)換為面光源。所以作為能直接影響側(cè)光式背光模組光學(xué)屬性的導(dǎo)光板顯得尤為重要，有很大的研究意義。本文在深入探究其成像原理的基礎(chǔ)上提出了若干優(yōu)化設(shè)計。 關(guān)鍵詞：液晶分子、電場、LED光源、導(dǎo)光板、背光模組ABSTRACT The liquid crystal disp

4、lay is based on the photoelectric effect of the liquid crystal，The Liquid crystal molecules in the different states have different voltages, by the electric field to control the amounr of light to control the screen. Then through different color filters to produce color grayscale and colcr images. I

5、n the end,achieve color display. But the PCBI is a passive display technology,that itself is not active luminous,must be provided by the backlight illumination source. Behind PCBs close to the backlight to illuminate the gloomy picture. Backlight can be said to be a lot of light-emitting diode (LED)

6、 of the approximate point source neat and orderly arranged in a linear light source becomes, Line source through a light guide plate is converted into a surface light source. Therefore, as can directly affect the optical properties of edge-lit backlight light guide is particularly important, Signifi

7、cant research. In this paper, a number of optimization design is proposed based on an in-depth look into the imaging principle.KEYWORDS：The liquid crystal molecules、Electric field、LED light source、The light guide plate、Backlight1.1平板顯示簡介 平板顯示的出現(xiàn)，是順應(yīng)時代的發(fā)展，迎合年輕人審美觀的必然結(jié)果。平板顯示的出現(xiàn)，顛覆了傳統(tǒng)的大體積、大功耗的顯示時代。平板顯示

8、的出現(xiàn)，是符合人們審美觀的，以至于它能以迅猛的方式發(fā)展，呈現(xiàn)各種技術(shù)并立的局面，主要包括：液晶顯示(LCD)、等離子顯示(PDP)、發(fā)光二極管顯示(LED)、有機(jī)發(fā)光二極管顯示(OLED)、等等。其中，液晶顯示、離子顯示、有機(jī)發(fā)光二極管顯示是現(xiàn)在以及未來一段時間內(nèi)的三大主流技術(shù)。 近年來，平板顯示市場份額不斷擴(kuò)大，平板電視在市場上已經(jīng)成為彩電行業(yè)的主流，這充分說明了平板電視基本取代了原來的CRT。隨著人們對平板化的高清TV、電腦、移動電話等電子產(chǎn)品消費需求的加大，這種需求成為了促進(jìn)平板技術(shù)發(fā)展的動力。所以，它和傳統(tǒng)的CCFL對比還是有很大的優(yōu)勢的，主要體現(xiàn)在如下幾方面：（圖1-1 LED 背光

9、與CCFL背光主要參數(shù)對比）1.2液晶顯示現(xiàn)狀分析目前，液晶顯示器件基本上取得了全面的發(fā)展，帶動其他零碎產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為平板顯示市場的主流 。因其符合國家節(jié)能、環(huán)保、壽命長等標(biāo)準(zhǔn)，使其發(fā)展領(lǐng)域覆蓋面非常廣闊，從小尺寸的MP3到大尺寸的家用電視機(jī)，無不有它的身影。人們在社會活動、生產(chǎn)、科研、生活等過程中都需要獲得大量的信息,人們對信息的傳遞、獲取、處理的需要量不斷在增加。不言而喻，我們平時的信息來源大部分來源于視覺。因為視覺信息不僅量大,而且及時、可靠。所以人們早就重視發(fā)展顯示技術(shù),付出了很大的代價。 歷經(jīng)多年的努力，中國LCD產(chǎn)業(yè)也有屬于自己的春天，LCD從無到有，從無源進(jìn)入有源，如今已成為世

10、界最大材料供應(yīng)商之一。目前在中國大陸與LCD產(chǎn)業(yè)相關(guān)的生產(chǎn)廠商、科研院所大約有180家，主要分布在東部遠(yuǎn)海，如長江三角洲、珠江三角洲等。（圖：液晶顯示屏的整體結(jié)構(gòu)）13 液晶顯示發(fā)展趨勢 1） 高亮度高對比度 理論上來說亮度越高，對比度越高，畫面顯示的層次就越豐富，圖像就越清晰，適應(yīng)的環(huán)境也越廣泛，這也是判斷顯示器好壞的一個指標(biāo)。再有更換高亮高效的光源也是提升整體亮度的一個手段。由于液晶本身特性的影響，不比主動發(fā)光類型的顯示技術(shù)，黑態(tài)下可以做到“全黑”，即光源徹底關(guān)斷漏光幾乎消除，使得在白態(tài)下最高亮度雖然不高，對比度也會很高，達(dá)幾千比一以上。2） 大尺寸 大尺寸給人一種更逼真的畫面重現(xiàn)，更生動

11、的體驗樂趣，顯示器的尺寸在在順應(yīng)人們的要求變得越來越大，顯示面積一次一次地被刷新。隨著面板加工技術(shù)的大幅提升，半導(dǎo)體工藝愈發(fā)精湛，大尺寸變?yōu)榭赡?，各方液晶廠商都在努力建設(shè)高時代產(chǎn)線，現(xiàn)在最大的為日本夏普公司十代線，幅寬可達(dá)三米。新世紀(jì)產(chǎn)線不僅能產(chǎn)出更大尺寸的面板，對于小尺寸面板的切割方面也更加合理，產(chǎn)量和質(zhì)量大幅度提升，并且工藝也代表一個新的高度，能產(chǎn)出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，大尺寸面板仍是未來發(fā)展方向。3 ）高分辨率 像素點的密度越高，圖像顯示就越清晰越光滑，如樂視TV退出4K神器以來，其他廠商的液晶工藝水平也在不斷提升，像素也越做越小，未來出現(xiàn)照片級別的圖像將不是夢。還有，低溫多晶硅技術(shù)的出現(xiàn)對高分

12、辨率帶來新的手段，其電子遷移率高，有源矩陣可以作小，不僅提高像素開口率，也提高了像素密度。4） 低功耗 綠色環(huán)保作為現(xiàn)下最為時尚的名詞，液晶也要緊趕時尚的步伐。由于LED發(fā)光是冷光源，光能轉(zhuǎn)換率高，不像其他光源在發(fā)光的同時還要發(fā)熱，一般的液晶顯示是場效應(yīng)型的，工作電流極小，雖然電壓較高，但可以說功耗方面有先天優(yōu)勢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于PDP這類高耗型的顯示技術(shù)?？上噍^OLED顯示、LED顯示等來說存在一定劣勢，主要在于其必須使用背光源，而不如主動型發(fā)光器件幾乎只在顯示時才耗電，尤其在不要求高亮度或全屏顯示時，總功耗會大大降低。而配合LED的動態(tài)背光等新技術(shù)的應(yīng)用，使得部分背光源得到休息，無疑使得功耗能進(jìn)一

13、步降低。 5） 快速響應(yīng) 作為分子級別的液晶顯示，在響應(yīng)速度方面卻不及OLED、PDP等，液晶響應(yīng)只有毫秒級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于電子級別的顯示技術(shù)的微秒級，所以在動態(tài)畫面顯示時，高速移動圖像就有可能出現(xiàn)“拖尾”、“重影”等現(xiàn)象。提高其速度的方法也層出不窮，提高工藝減小液晶盒厚度，開發(fā)新型液晶材料等等，能從十幾毫秒縮短到幾毫秒，已基本滿足應(yīng)用要求，當(dāng)然為達(dá)到更加完美的動態(tài)顯示效果，響應(yīng)速度必須進(jìn)一步提高。6 )廣視角 廣視角，即畫面的可視范圍，一般從正面觀視清晰度最高，越往兩邊越模糊或是圖像失真。說到視角，液晶顯示是不如OLED、PDP等主動發(fā)光型顯示的，TN型液晶顯示，由于液晶分子的排列方向以及使用的各

14、層膜材如偏光片等，視角大小和最佳視角方向都不好，為此，先后提出的VA模式、IPS模式、膜補(bǔ)償方式等改善方法，都起到很好的效果，實現(xiàn)160。以上的視角已不成問題。二. PCBI成像原理2.1液晶分子特性 液晶顯示原理完全依賴液晶分子的電光效應(yīng)，液晶分子可以看作類似棒狀的條形結(jié)構(gòu)，是一種介于液體與晶體之間的特殊的有機(jī)化合物，同時具有液體的流動性和晶體的光學(xué)、電學(xué)等特性。本身對電磁場比較敏感，實用價值極大，但是受溫度限制，較高會破壞晶體結(jié)構(gòu)。液晶條形分子的排列順序會在加電壓狀態(tài)下改變，隨著電壓值的不同，排列狀態(tài)也隨之改變。當(dāng)條形的液晶分子與光平行時阻擋面最小，幾乎所有的光都能通過，當(dāng)條形的液晶分子與

15、光垂直時阻擋面達(dá)到最大，此時光的通過量最小，適當(dāng)控制電壓值就可以控制不同的光通過量。使整個平面上部分光透過而另一部分光不透過，再輔以彩色濾光片的配色產(chǎn)生不同灰度層次顏色的圖像，從而達(dá)到彩色顯示的目的。 （圖：液晶分子在不同電壓下的變化）2.2成像單元 彩色濾光片(Color Filter)，彩色濾光片是由紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三種顏色即三基色構(gòu)成的。把RGB三種顏色，分成相互獨立又彼此靠近的三個點各自擁有不同的灰階變化，然后把臨近的三個RGB顯示的點，當(dāng)作一個顯示的基本單位，也就是我們平常說的像素(pixel)。每一個像素由三種顏色的單元所組成，通過對這三種顏色的單元進(jìn)行控制就可以調(diào)配出

16、成千上萬種不同的顏色。多數(shù)平面顯示器就是利用這個原理來顯示色彩。 液晶顯示屏幕結(jié)構(gòu)可以形象地比作成三明治結(jié)構(gòu)，在兩片玻璃之間夾有液晶分子材料。在加入液晶的過程是一個相當(dāng)有難度的過程，倒入液晶的過程中會盡量保持液晶棒狀分子的長軸大致平行，從下到上包含背光源、下偏光片、TFT array驅(qū)動陣列、液晶層、彩色濾光膜、上偏光片，其中在驅(qū)動IC連接在TFTarray基板上。動電路對某個像素位置加上電壓，該像素區(qū)域的液晶分子就會失去旋光特性，線偏振光在通過液晶時偏振狀態(tài)將不會改變，還是保持遇上偏光片的偏振方向垂直的狀態(tài)，因此光將上偏光片擋住，此顯示狀態(tài)為暗態(tài)。這正是薄膜晶體管液晶顯示的基本原理，雖然根據(jù)

17、液晶顯示模式不同，顯示原理會有差異，但是基本原理不變，是以液晶的電光效應(yīng)為基礎(chǔ)的。 （圖：顯示屏外觀） （圖：放大的像素點）三 側(cè)光式背光模組 側(cè)光式背光模組的結(jié)構(gòu)和直下式的有所區(qū)別，比直下式背光模組多出一個導(dǎo)光板，少一個擴(kuò)散板，因為導(dǎo)光板自身是硬質(zhì)材料，不需要另外加其他結(jié)構(gòu)用來支撐（直下式則需要若干個支架支撐），且擴(kuò)散效果可由擴(kuò)散膜頂替，簡單來看就是直下式的空氣腔被導(dǎo)光板填充，光源從導(dǎo)光板側(cè)邊導(dǎo)入，自然而然也擔(dān)當(dāng)著混光的角色。光源只需在導(dǎo)光板的一邊即可，其工作原理是光源發(fā)出的線光從側(cè)端面進(jìn)入導(dǎo)光板，由于全反射原理不斷向前推進(jìn)，接觸到導(dǎo)光板表面微機(jī)構(gòu)就會根據(jù)光散亂原理發(fā)生散射從上表面射出，形成

18、垂直的均勻平面光。導(dǎo)光板也不同于直下式背光模組的空氣腔有壓縮極限，它的厚度完全可以做到很小，所以其占用的空間小，使背光模組做到很薄，進(jìn)而做出超薄液晶顯示終端，這也是側(cè)光式背光模組的優(yōu)勢所在。另外一個優(yōu)勢，側(cè)光式背光模組可以大大降低光源的數(shù)量，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本，減小發(fā)光功耗，在大尺寸方面尤為突出。（圖：背光模組）31 光反射膜 反射膜是白色鍍銀或鍍的薄膜片，厚度在01mm02mm之間，厚度相當(dāng)薄反射率又極高的材料，反射率通常都會達(dá)到95，某些鍍銀發(fā)射膜甚至可以高達(dá)99。反射膜一般安放在背光模組最底層，作用是收集從底部漏出的光，將其反射回系統(tǒng)中去，這是提高光能利用率的關(guān)鍵步驟。3.2 擴(kuò)散膜 擴(kuò)散

19、膜基本上會是出射光接觸到的第一層膜材，對于直下式背光模組，直接放置于距光源有一定距離的上方，對于側(cè)光式背光模組，直接放在導(dǎo)光板上方，其主要功能就是對光線做散射處理，達(dá)到霧化效果。側(cè)光式背光模組中有導(dǎo)光板，則會用較薄的擴(kuò)散膜，注重高霧度的特性。擴(kuò)散膜的制作方法主要是在基板材料中加入納米級的化學(xué)顆粒，譬如硅或二氧化硅顆粒作為散射粒子，以此用來模糊出射光形成的亮度不均；還有利用莫爾條紋現(xiàn)象和光學(xué)成像原理制作的，設(shè)計思路與一般成像系統(tǒng)的思路背道而馳，即不是使像差降到最小從而得到最高的成像品質(zhì)，而是專門使用不同光學(xué)組件交疊后形成的莫爾條紋現(xiàn)象產(chǎn)生新光學(xué)組件，相應(yīng)的增加像差程度，利用像差所具有的模糊影像特

20、征來達(dá)到霧化的效果。3.3增亮膜 經(jīng)擴(kuò)散膜出射的光線基本上會被打散，在各個方向上亮度一致，按照我們平時欣賞畫面影像的習(xí)慣一般都是從正面觀看顯示屏，這樣，向上方和下方出射的光線對于我們來說是，所以增亮膜就是為了提高光能利用率，減少不必要的損失。棱鏡片，是增亮膜中的一種，最主要的功能就是將光線集中到法線上來，增加正面亮度。它是由排布有規(guī)律且結(jié)構(gòu)相同的棱形陣列組成，棱形微結(jié)構(gòu)一般是三角形，頂角約為80度，間距在l0mm以下，利用光的全反射原理達(dá)到增亮目的。光在射入棱形結(jié)構(gòu)時，因為材料和空氣之間的折射率差產(chǎn)生全反射，讓角度過大的光線又反射回去可以被再次利用，最后的出射光角度大概集中在70度左右。34

21、LED光源 背光模組作為液晶顯示器的背光源，所有結(jié)構(gòu)組件各司其職，都為了能有更好地光學(xué)品質(zhì)而發(fā)揮著各自的本領(lǐng)，發(fā)光源就為背光模組提供了光的直接來源，從另一個角度來說沒有光源的背光模組就不是背光模組，液晶顯示器將更是無法工作。背光模組所用的發(fā)光源主要有兩種：冷陰極熒光燈管(CCFL)和發(fā)光二極管（LED)34.1 LED發(fā)光原理 發(fā)光二極管材料是由-族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN 結(jié)。因此它具有一般P-N 結(jié)的I-N特性，即正向?qū)ǎ聪蚪刂?、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N 區(qū)注入P 區(qū)

22、，空穴由P 區(qū)注入N 區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如下圖所示。（圖:PN結(jié)發(fā)光示意圖） 發(fā)光二極管，其實就是一種半導(dǎo)體二極管，但它能將電能大部分轉(zhuǎn)換成光能，這也是平板顯示低功耗的原因之一。它的基本結(jié)構(gòu)相對簡單，將發(fā)光半導(dǎo)體材料做成內(nèi)芯，再用樹脂等材料密封保護(hù)起來即可，壽命長、相應(yīng)的抗震性能也很好。發(fā)光的顏色與自身半導(dǎo)體材料有關(guān)，不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)是不同的，當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量越多，LED發(fā)出的光的波長越短，光的能量越高。所有的LED不管什么材料幾乎都是發(fā)單色光，要想直接發(fā)復(fù)合光是不太容易的，然而復(fù)合光的應(yīng)用范圍并不

23、比單色光小，尤其是白光，所以復(fù)合光LED也是較重要的技術(shù)，原理就是以混色理論為基礎(chǔ)，依靠同色異譜理論，將幾種單色光復(fù)合成所需顏色。 3.5導(dǎo)光板 導(dǎo)光板的明顯作用是將線光源轉(zhuǎn)換成面光源，均勻地從屏幕的正面射出。側(cè)入式背光模組完成線光源或點光源到面光源的轉(zhuǎn)換就是依靠導(dǎo)光板實現(xiàn)的，可以說導(dǎo)光板在整個側(cè)入式背光模組中起著舉足輕重的作用，它的設(shè)計與改進(jìn)自然是側(cè)入式背光模組光學(xué)設(shè)計的重點。導(dǎo)光板的材料為PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），是一種有機(jī)玻璃，俗名亞克力，具有高透光性，質(zhì)量輕，高機(jī)械強(qiáng)度，易于加工等特點，折射率在1.48-1.52之間。正是利用它與空氣的折射率之差，使得光在導(dǎo)光板中會產(chǎn)生全反射，使光

24、不斷向前推移。如果沒有其他限制結(jié)構(gòu)，光會從側(cè)邊進(jìn)入后發(fā)生全反射一直向前傳播而不會從正面射出。當(dāng)適當(dāng)加以破壞全反射的條件，就可以實現(xiàn)光從正面出射的效果。3.5.1光學(xué)理論基礎(chǔ)反射和折射定律反射和折射現(xiàn)象是光在傳播中遇到不同介質(zhì)的界面時發(fā)生的最基本現(xiàn)象，即一部分光反射回同一介質(zhì)，一部分光穿過界面進(jìn)入另一介質(zhì)，反射定律是說反射光線和入射光線在同一平面內(nèi)，分別位于法線的兩側(cè)，反射角與入射角相等散射理論我們現(xiàn)在考慮一束光，而不是單根的光線。若傳播過程發(fā)生在均勻介質(zhì)中則光會按照直線方向一直傳播下去，但當(dāng)介質(zhì)不均勻，比如介質(zhì)中有微粒，則部分光就會偏離原來方向向四周射去，即發(fā)生了散射現(xiàn)象。像夜晚我們打開手電筒

25、可以看見光柱，還有一束光通過稀釋后的牛奶后為粉紅色，而從側(cè)面和上面看卻是淺藍(lán)色等等都是由于光的散射造成的。 光度學(xué) 前面主要是對光傳播方向的研究，無法表現(xiàn)出有關(guān)光能量的信息。在光學(xué)系統(tǒng)中，光的傳播重要的還是光能的傳導(dǎo)，所以對光能量的度量化對表征一個光學(xué)系統(tǒng)十分重要。光度學(xué)和輻射度學(xué)都可以用來計量光能，其中光度學(xué)與人眼有關(guān)，它研究人眼感知的光強(qiáng)弱，所以我們顯示領(lǐng)域多用光度學(xué)概念，畢竟顯示器的畫面影像是供人欣賞的。輻射度量是客觀物理量，但波長不同而量值相同的輻射度量引起的人眼的視覺是不同的，即我們能相當(dāng)精確地判斷兩種顏色的光亮暗感覺是否相同，這種差異輻射度量無法描述。光度學(xué)則是以人的視覺為基礎(chǔ)，對

26、光輻射進(jìn)行測量的科學(xué)，光度量體現(xiàn)了人眼的視覺特性，所以光度學(xué)概念都是建立在可見光范圍內(nèi)的。四. 液晶顯示的若干優(yōu)化設(shè)計4.1.1導(dǎo)光板的網(wǎng)點優(yōu)化導(dǎo)光板光學(xué)設(shè)計導(dǎo)光板技術(shù)影響整個背光模組的光學(xué)性能，重點都在它的光學(xué)設(shè)計上面，它可以說是一項復(fù)雜而又很有挑戰(zhàn)的工程，國內(nèi)外的學(xué)者和工程師們都在做各種不同的努力。由于光自身獨特的性質(zhì)，依據(jù)使用的不同光學(xué)理論可分為幾何光學(xué)和波動光學(xué)兩種設(shè)計思路，其中依據(jù)幾何光學(xué)設(shè)計的導(dǎo)光板是現(xiàn)在的主流，包括擴(kuò)散網(wǎng)點分布、微結(jié)構(gòu)、材料擴(kuò)散方式等，而采用波動光學(xué)理論制作的導(dǎo)光板由于其特殊性，將會是導(dǎo)光板技術(shù)發(fā)展的一個方向，這方面國外研究的比較多。如前面論述的，表面微結(jié)構(gòu)是導(dǎo)光

27、板中將線光源或近似點光源轉(zhuǎn)換成面光源的主要部分，本論文工作是基于油墨印刷式導(dǎo)光板開展的，則其中擴(kuò)散網(wǎng)點設(shè)計的研究是重點。網(wǎng)點的分布理論主要分為規(guī)則的網(wǎng)點分布和不規(guī)則的網(wǎng)點分布。其中，規(guī)則的網(wǎng)點分布設(shè)計簡單，網(wǎng)點分布很有規(guī)律，正是這種有規(guī)則的網(wǎng)點分布圖案，在隨著顯示器的大型化，就會與液晶盒內(nèi)數(shù)據(jù)線和柵極引線兩個規(guī)則性的圖案產(chǎn)生干涉，影響顯示質(zhì)量。為了克服這種規(guī)則圖案相互干涉產(chǎn)生的莫爾條紋帶來的視覺模糊等問題，新的網(wǎng)點分布理論應(yīng)運(yùn)而生。 側(cè)邊式背光模組的設(shè)計則主要在于導(dǎo)光板，利用這一部件將側(cè)面的光有效地從其上表面出射，再利用擴(kuò)算膜和增光膜達(dá)到最終的效果。導(dǎo)光板的設(shè)計主要是將其底面作合理的微結(jié)構(gòu)分布

28、，使光線散射、折射和反射，以達(dá)到整個板面的亮度均勻。鑒于國內(nèi)現(xiàn)有的加工工藝和生產(chǎn)能力，對于小尺寸的導(dǎo)光板，現(xiàn)底面多采用網(wǎng)點式加工，因此網(wǎng)點設(shè)計就成了整個背光模組設(shè)計中的關(guān)鍵一環(huán)。4.1.2導(dǎo)光板一體化結(jié)構(gòu) 導(dǎo)光板經(jīng)過不斷的改進(jìn)，逐漸向薄型化、輕量化和集成化的方向過渡。目前廣泛使用的導(dǎo)光板一般只有一面有微結(jié)構(gòu)設(shè)計，而另一面則是平面結(jié)構(gòu)。為了更好的傳導(dǎo)光線，精簡背光模組結(jié)構(gòu)減少光學(xué)膜層的數(shù)量，可以對導(dǎo)光板的上下表面同時進(jìn)行加工。一般方法是在一個平面上加工網(wǎng)點結(jié)構(gòu)進(jìn)行光的傳導(dǎo)，而另一個平面上加工線狀浮雕結(jié)構(gòu)進(jìn)行攏光和增亮。這種一體化的導(dǎo)光板設(shè)計優(yōu)點是可以將棱鏡膜的功能整合到導(dǎo)光板之中，不僅減小了背光

29、模組的厚度、簡化構(gòu)造，而且可以減少外購組件、降低生產(chǎn)成本、縮短組裝時間，同時達(dá)到高亮度化及低成本的目的。上述一體化結(jié)構(gòu)各自有其導(dǎo)光特點，但主要作用是一致的，都是為了改變光線的傳播方向。通過改變參數(shù)，可以把水平入射的LED點光源變成向上發(fā)射的均勻分布的面光源。4.1.3網(wǎng)點布置合理化通過控制網(wǎng)點的半徑和間隔均可以調(diào)整其密度，達(dá)到最終的亮度均勻。散射點為球冠狀，高度設(shè)為h，球半徑為R；坐標(biāo)沿板面長度方向為x，寬度方向為Y，居中心位置，x方向的點的間距為s)，Y方向間距為sy，先確定網(wǎng)點的半徑r，它與球半徑R之間的關(guān)系滿足r²+（R-h）²=R²r=（2Rh-h

30、8;）½4.2提高光能利用率的方法4.2.1液晶顯示系統(tǒng)光能量損失分析(一)偏光片的吸收損耗 為了讓液晶能有效地控制光能的透過率從而顯示圖像，在其下方必須有一個偏光片，偏光片只允許某一特定方向的偏振光通過，而把另一方向的偏振光吸收。同時考慮到偏光片的吸收特性和工藝缺陷，大約只有40的光能通過這一層。(二)光在導(dǎo)光板中的利用率 導(dǎo)光板的主要作用是將點光源或線光源轉(zhuǎn)換為面光源，出射光不但亮度要達(dá)到要求，還要有比較好的均勻性。在導(dǎo)光板內(nèi)，利用光的多次反射和折射使光線近似均勻的從上表面射出，所以大多數(shù)光線在導(dǎo)光板內(nèi)部的行程都非常長，而且多次與導(dǎo)光板界面發(fā)生作用，吸收、反射及折射損失都不可避免

31、，同時，多次的折射和反射還會導(dǎo)致偏振光的偏振性下降，影響以后對光的利用。最終，約有60的光可以通過導(dǎo)光板射出。(三)彩色濾光片造成的損失 彩色濾光片(Color Filter簡稱CF)是LCD彩色化的關(guān)鍵零組件，也是面板關(guān)鍵零組件中占生產(chǎn)成本比重最高的部分。對于三基色(紅、綠、藍(lán))濾光片，各區(qū)域分別只允許紅色波段、綠色波段、藍(lán)色波段之中的一種光通過，而其他兩種光則不能通過，即只有三分之一的光能夠繼續(xù)利用。顯而易見，一塊分辨率為1280x 1024的面板，實際擁有3840×1024個晶體管及子像素。由于要在空間上依賴更多的像素來實現(xiàn)顏色的表達(dá)，因此彩色濾光片技術(shù)犧牲了顯示屏的空間分辨率

32、，一塊實際上有3840×1024像素的液晶顯示器，只有1280×1024的分辨牢。4.2.2提高光能利用率的措施偏振分光重利用：由導(dǎo)光板出射的光包含兩種極化方向：P偏光和S偏光。而在這兩種偏振光中，只有P偏光能通過液晶顯示器，S偏光則不能，造成近一半的光無法被利用。偏光轉(zhuǎn)換是利用一定的結(jié)構(gòu)，先將自然光分解成P偏光及S偏光，再將S偏光通過某種方法轉(zhuǎn)換成P偏光，重新進(jìn)行利用。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，原先被攔截掉的S偏光也能夠進(jìn)入導(dǎo)光板，從而提高了對光能的利用率。自然光經(jīng)過偏振分光棱鏡(PBS)后被分成P偏光和S偏光，其中P偏光進(jìn)入背光模組的下一光學(xué)元件進(jìn)行利用，而S偏光則經(jīng)過液晶光閥進(jìn)行偏

33、振態(tài)的轉(zhuǎn)換后變?yōu)镻偏光，同樣進(jìn)入背光模組的下一光學(xué)元件進(jìn)行利用。4.3 大尺寸 LED 背光模塊驅(qū)動4.3.1 LED 背光模塊驅(qū)動設(shè)計總體方案 LED 驅(qū)動電路整體設(shè)計方案如圖所示。整個大尺寸 LED 背光模塊系統(tǒng)由220V 交流電壓供電,而驅(qū)動 LED 需要使用直流電,因此要經(jīng)過變壓、整流、濾波電路,將交流電轉(zhuǎn)換為所需的直流電,最后直流電經(jīng)過 LED 驅(qū)動電路來驅(qū)動 LED。（圖：4-1 LED 驅(qū)動電路整體設(shè)計方案）LED 實際上是一個電流驅(qū)動的低電壓單向?qū)щ娖骷?給 LED 供電的電源必須注意以下事項: (1) LED 是單向?qū)щ娖骷?因此需要用直流電流或單向脈沖電流給 LED 供電。

34、 (2) LED 是一個具有 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件,具有勢壘電勢,這就形成了導(dǎo)通門限電壓,加在 LED 上的電壓超過這個門限電壓時 LED 才會充分導(dǎo)通。LED 的門限電壓一般在 2.5V 以上,正常工作時的管壓降為 34V。 (3) LED 的 I-V 特性是非線性的,流過 LED 的電流在數(shù)值上等于供電電源的電動勢減去 LED 的勢壘電勢后再除以回路的總電阻(電源內(nèi)阻、引線電阻和 LED 體電阻之和)。因此,流過 LED 的電流和加在 LED 兩端的電壓不成正比。 (4) LED 的 PN 結(jié)的溫度系數(shù)為負(fù),溫度升高時 LED 的勢壘電勢降低。由于這個特點,所以 LED 不能直接用電壓

35、源供電,必須采用限流措施,否則隨著 LED 工作時溫度的升高,電流會越來越大,以至損壞 LED。 (5) 流過 LED 的電流和 LED 的光通量的比值也是非線性的。LED 的光通量隨著流過 LED 的電流的增加而增加,但不成正比,越到后來光通量增加得越少。因此,應(yīng)該使 LED 在一個發(fā)光效率比較高的電流值下工作。 因此,LED 驅(qū)動電路應(yīng)具有直流控制、高效率、PWM 調(diào)光、過壓保護(hù)、負(fù)載斷開、小尺寸以及簡便易用等特點。4.3.2 LED 驅(qū)動電路設(shè)計 在直流變換器中有幾種常用的基本變換器拓?fù)?它們是 BUCK 型、BOOST 型、BUCK-BOOST 型,此外還有 SEPIC 型和 ZETA

36、 型等變換器。BUCK 降壓型變換器可以在提供恒定電流的情況下保證很高的效率,能提供范圍很寬的輸入電壓和輸出電壓,而且設(shè)計反饋控制電路也相對簡單。BUCK 型變換器可以很容易的使工作效率超過 90%,非常適合驅(qū)動高亮 LED。 準(zhǔn)備選用 HV9911 來設(shè)計 BUCK 型電壓變換電路來驅(qū)動串聯(lián)大功率 LED。 HV9911 是 Supertex 公司生產(chǎn)的第二代高電壓 LED 驅(qū)動芯片,它是閉合環(huán)路的開關(guān)模式 LED 驅(qū)動器,并有一個負(fù)載調(diào)節(jié)運(yùn)算跨導(dǎo)放大器,用于閉環(huán)控制輸出電流,對PWM 調(diào)光有良好的暫態(tài)反應(yīng)。HV9911 包含了 9V250VDC 輸入電壓穩(wěn)壓器,不需要額外電源,僅由單一輸入

37、電壓提供 IC 工作電源。同時內(nèi)建了 2%精密參考電壓(全溫度范圍),能精確地控制 LED 串聯(lián)電流,并包含了斷路用的 FET 驅(qū)動電路。當(dāng)輸出短路或過電壓時,便會自動斷開 LED 串對地的路徑,此功能縮短了控制電路的反應(yīng)時間。（圖4-2: HV991內(nèi)部結(jié)構(gòu)）圖 3-4 所示為利用 HV9911 設(shè)計的 BUCK 型 LED 驅(qū)動電路。電路中 J1A、J1B為電壓輸入引腳,輸入電壓范圍 130V250VDC。J2A、J2B 為輸出引腳,輸出電壓范圍 20V100VDC,輸出電流 350mA,電流波動±5%,可驅(qū)動 25 個功率為 1W 的LED。J3A 為同步信號引腳,用于多個驅(qū)動

38、電路之間的同步,開關(guān)頻率 150kHz。因為此電路為降壓型電路,所以電路只提供了過流保護(hù)電路,而不提供過壓保護(hù)電路 。驅(qū)動電路可通過兩種途徑調(diào)節(jié) LED 亮度: (1) 在亮度調(diào)節(jié)幅度不是很大的情況下,采用 PWM 調(diào)光,即從 J3C 腳輸入 PWM信號,調(diào)節(jié) HV9911 輸出電流占空比; (2) 在亮度調(diào)節(jié)幅度比較大的情況下,采用模擬調(diào)光,即通過調(diào)節(jié) J3B 引腳上的電壓,改變 HV9911 輸出電流的峰值。 （圖4-3: HV9911 組成的大功率 LED 驅(qū)動電路）4.3.3 LED 驅(qū)動電路電源部分設(shè)計 HV9911 工作電壓為 130V250DC,因此先使用變壓器將市電交流 220

39、V 降壓至交流 110V,再通過整流濾波電路,將 110V 交流電壓變?yōu)?150V 左右的直流電壓。整個背光模塊所用 LED 功率耗散一共 400W,因此采用的變壓器功率為 500W。LED驅(qū)動電源部分原理圖如圖 4-4 所示（ 圖4-4: LED 驅(qū)動電路電源部分）4.3.4 驅(qū)動電路測試及結(jié)果分析(1) 輸出電壓與輸出電流關(guān)系 LED 驅(qū)動電路應(yīng)具有恒流特性,即當(dāng)負(fù)載阻值改變時,LED 驅(qū)動電路輸出電流應(yīng)維持恒定。此部分就對 LED 驅(qū)動電路的恒流特性進(jìn)行測試。 測試條件:輸入電壓為直流 150V,設(shè)定輸出電流峰值為 350mA,PWM 信號占空比為 100%。負(fù)載使用藍(lán)光 LED,當(dāng)電流

40、為 350mA 時,單個 LED 電壓約為 3.5V 。測試中,最初使用 7 個藍(lán)光 LED 作為負(fù)載,每次增加 3 個 LED,最終驅(qū)動電路驅(qū)動 25 個藍(lán)光 LED。記錄每次測量中 LED 兩端電壓以及相應(yīng)流過 LED 的電流。測試結(jié)果繪制成曲線如圖 3-7 所示。由圖可見,當(dāng)輸出電壓在 20V90V 之間變化時,流過 LED 的電流維持在 350mA,起到了恒流驅(qū)動的效果,達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。(2) VIREF 與輸出電流峰值關(guān)系 當(dāng)改變 HV9911 的 IREF引腳電壓時,LED 恒流驅(qū)動電路輸出電流幅值應(yīng)隨之發(fā)生改變,即驅(qū)動電路的模擬調(diào)光功能。 測試條件:輸入電壓為直流 150V,PW

41、MD 占空比為 100%,負(fù)載使用 25 個藍(lán)光 LED。 測試中改變 IREF 引腳電壓,記錄此時流過 LED 的電流大小。測試結(jié)果如圖 3-8所示,輸出電流峰值與 IREF引腳電壓基本成正比例關(guān)系,實現(xiàn)了 LED 驅(qū)動電路的模擬調(diào)光功能。總結(jié)與展望：寫這篇論文的動機(jī)的緣由來自我的實習(xí)內(nèi)容，實習(xí)的過程基本把液晶顯示板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個大致的了解，對我理解它的工作原理及優(yōu)化設(shè)計有很大的幫助和啟發(fā)。液晶平板顯示看似簡單，但是它內(nèi)部組成元件繁雜，綜合了很多光電學(xué)等物理知識，每一個元部件從誕生到改進(jìn)都蘊(yùn)含著的人類智慧的結(jié)晶。液晶面板顯示圖畫的過程是錯綜復(fù)雜的，每一個環(huán)節(jié)的偏差都可能逐級放大，造成最終的畫質(zhì)嚴(yán)重下降。研發(fā)工程師們一直在致力于研發(fā)出最完美畫質(zhì)的顯示板，讓人們享受高清晰、超逼真的動感畫面。 本文主要圍繞目前主流的液晶電機(jī)視的顯示原理，重點介紹了LED發(fā)光源驅(qū)動設(shè)計，側(cè)入式背光模組的組成結(jié)構(gòu)，導(dǎo)光板網(wǎng)孔布局合理化，以及提高光能利用率的若干措施。自LED技術(shù)發(fā)展以來，它的應(yīng)用日益廣泛，已經(jīng)成為人們生活重要的組成部分，小到手電筒的照明、電腦的顯示，大到航空行業(yè)，無不有它的發(fā)展空間。隨著新技術(shù)的不斷向前推進(jìn)，未來的液晶顯示技術(shù)還會在其他領(lǐng)