背光源设计Word文档下载推荐.docx
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由于LightTools把光学和机械元件集合在统一的体系下处理，并配有“放置”光源、发射光线的非顺序面光线追迹的强大功能，使它在系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一体设计、杂光分析、照明系统设计分析、单位各部门间学术交流和数据交换、课题论证或产品推广等各环节中均可发挥重要的作用，成为人们理想的工具。
本课题就是通过学习使用lightTools软件，达到使学生初步掌握背光源的设计思想和步骤，及通过软件能够对所设计的背光源的照明效果进行分析的目的。
毕业设计任务:
（1）小尺寸LED背光源设计理论的学习；
（2）光源初始结构建模和模拟仿真；
（3）光源的材料属性、光学属性的设定；
（4）光源发光面分析,亮度的设置等；
（5）光线追迹，对光源的准直效果进行分析。
具体要求：
①完成毕业设计论文一份（1.6万汉字以上）；
②撰写有关理论与技术的调研报告一份（文献综述）（不少于2000汉字）；
③针对具体几篇文献，完成读书报告一份，并分析、提出具体见解；
④完成英文翻译一份（译文4000汉字以上）。
摘要
能源的问题已经成为影响着人类发展的全球性问题，LED技术被认为是21世纪最具有发展前景的高科技之一。
近年来，伴随着科学技术的快速发展，人们从节能、环保、高效等的需要出发，对先进背光源的需求与日俱增，由于LED具有体积小、重量轻、耗电量低、高亮度、低热量、环保、高效能、使用寿命长等等的优点。
LED的研发和生产成为当今世界发张的阳光产业，它的产业规模持续扩大，应用领域迅速拓展。
LED背光模组作为LED的一个主要市场，其需求量也越来越大。
随着LED背光模组朝着轻薄化的方向发展，侧入式LED背光技术成为背光发展的主流，而导光板的性能对于光源表面出光亮度、均匀度等的性能指标起着非常重要的作用。
本文基于国内外LED技术的发展方向和研究现状，以LED背光技术为核心，从导光板网点设计出发，全面系统地阐述了LED背光的基本原理以及对背光模组进行设计与仿真。
使用了OSRAM公司生产的白光LED，在导光板侧面排列成条状结构，使得发光均匀。
背光模块的尺寸为7寸，也就是对角线为0.2333米的小尺寸的数码照片查看器背光源。
本文的设计通过验证不同网点分布对导光板上表面出光均匀性的影响，并且通过对网点半径加以的调节，实现背光模块出光均匀性，并且通过Lighttools自带的优化程序BPO进行优化来达到最佳的出光效果。
在结构上本设计使用了多层膜板，最下面是反射膜，5颗LED均匀地排列在导光板一侧，这样使得被散射回来的光线可以被反射膜重新反射回导光板中继续传输。
导光板上方就是两层互相垂直的棱镜膜，这两层膜有利于提高整个模块的亮度。
关键词：
LED；
导光板；
侧入式；
背光源
Abstract
Energyissueshaveanimpactontheglobalproblemofhumandevelopment,LEDtechnologyisconsideredoneofthehigh-tech21stcentury,themostpromising.Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,peoplefromsaving,environmentalprotection,highefficiencyandotherneeds,thegrowingdemandforadvancedbacklight,theLEDhasasmallsize,lightweight,lowpowerconsumption,highbrightness,low-calorie,environmentalprotection,highefficiency,longlifeandsoonadvantages.LEDdevelopmentandproductionintheworldtodaySendasunshineindustry,continuestoexpanditsindustrialscaleapplicationsrapidlyexpand.LEDbacklightLEDasamajormarket,thedemandisalsogrowing.WithLEDbacklightthintowardthedirectionofdevelopment,side-LEDbacklighttechnologytobecomemainstreambacklightdevelopment,andtheperformanceofthelightguideplatesurfaceofthelightsourcebrightness,uniformityandotherperformanceindicatorsplayaveryimportantrole.
BasedonthedirectionanddevelopmentofdomesticandforeignresearchstatusLEDtechnologytoLEDbacklighttechnologyasthecore,fromthelightguideplatesnetworkdesign,acomprehensiveandsystematicexpositionofthebasicprinciplesofLEDbacklightandthebacklightmoduledesignandsimulation.UsetheOSRAMcompany'
swhiteLED,lightguideplatesidestripestructurearrangedsothatlightevenly.Backlightmodulesizeis7inches,whichisthediagonalof0.2333333metersofsmall-sizeddigitalphotoviewerbacklight.Thisdesignthroughverificationofdifferentoutletslocatedonthesurfaceoftheuniformityofthelightguideplate,andbytheradiusofthenetworktobeadjustedtoachievelightuniformitybacklightmodule,andbeoptimizedbytheoptimizercomesLighttoolsBPOtoachievethebestThelighteffect.
Inthestructureofthepresentdesignusesamulti-layeredfilmsheet,thebottomisareflectivefilm,uniformlyarrangedLED5onthesideofthelightguideplatesuchthatlightisscatteredbacktothereflectivefilmmaybere-reflectedbacktothelightguideplatetocontinue
transmission.Abovethelightguideplateisprismfilmlayersperpendiculartoeachother,thetwofilmsthatwillhelpimprovethebrightnessoftheentiremodule.
Keywords:
LED;
Thelightguideplate;
Side-in;
Backlights;
第一章绪论
1.1课题研究的背景及意义
1.1.1LED产业的发展
能源的问题已经成为影响着人类社会发展的问题。
随着全球发展低碳经济取得共识，LED照明产业凭借它在节能领域的性能优势而得到快速发展的机遇。
有数据显示，仅LED路灯节能一项，每年就能为中国节约一座三峡大坝所发的电力。
正是由于LED具有环保，节能，寿命长等等优点，被称为21世纪最具有发展前景的绿色照明光源。
我国的LED产业起步于20世纪70年代，在国家扶持政策和产业基地的建设引导下，取得了长足的进步。
根据国家半导体照明工程研发及产业联盟（CSA）统计，2011年我国半导体照明产业规模已经达到1500多亿元，包括了下游应用产值1200多亿元、中游封装产值280多亿元、上游外延芯片产值60多亿元。
“十一五”期间，我国半导体照明产业平均年增长率约35%，“十二五”期间平均年增长约30%，预计2015年产业总体规模将达到5000亿元。
鉴于半导体照明产业令人鼓舞的发展前景，近年日本“21世纪光计划”、美国“下一代照明计划”、欧盟“彩虹计划”、韩国“GaN半导体发光计划”等政府计划纷纷启动。
中国在2003年6月也成立了国家半导体照明工程协调领导小组，启动了国家半导体照明工程，推动了我国半导体产业的发展。
面对半导体照明市场的巨大诱惑，世界三大传统照明工业巨头飞利浦、通用电力、欧司朗也和半导体公司合作，成立了半导体照明企业。
在诸多企业以政府部门的努力下，我国LED产业形成了珠江三角洲、长江三角洲、东南地区、北京与大连等北方地区四大区域，每一区域基本形成了比较完整的产业链。
中国半导体照明工程的目标是:
抓住照明产业革命的历史机遇，瞄准成熟的低成本产业化技术，以近期解决市场应用和产品的性价比，中远期培育新兴的大功率白光通用照明产业为目标，从形成一个完成产业链的角度出发，体现政府引导、企业主体、市场化运作的原则，以应用促发展，解决产业化的关键技术和原创性核心技术，形成一批专利、培育一批企业、建设一批基地，形成有自主知识产权的标准体系，最终发展成为具有国际竞争力的中国半导体照明新兴产业。
投资方面，国家半导体照明工程在“十五”期间共投入引导经费1亿元人民币，“十五”期间产业投资己超过10亿元，尤其是国家半导体照明工程启动一年来，产业新增投资己超过5亿元。
科研方面，瞄准产业化目标，以应用促发展，近期解决市场急需的产业化技术;
中远期培育新型大功率白光LED通用照明产业，并在高端原创性技术方面有部分突破。
具体目标是:
解决功率型芯片设计、功率型LED封装技术及荧光粉等封装材料制备等产业化关键技术，开发出市场急需的特殊照明应用产品，形成原创性核心技术和一批专利;
建立具有自主知识产权的半导体照明评价标准体系，并建设半导体照明特色产业与应用示范基地，培育一批掌握核心技术的高技术企业。
1.1.2液晶显示技术的发展
液晶的发现可追溯到19世纪末。
1888年奥地利的植物学家F.Reinitzer首先发现液晶。
自那以后，很多研究人员致力于此种材料的应用，液晶的应用是在1961年出现了转折点。
1968年，美国发明了液晶显示期间，随后LCD液晶显示器件就正式面世了。
然而从第一台LCD显示屏的诞生以来，短短30年，液晶显示技术得到了飞速的发展：
70年代初，日本开始生产TN-LCD，并且加以应用；
80年代初，TN-LCD产品在计算器上得到了应用。
在20世纪80年代，欧美国家提出了TFT-LCD和STN-LCD显示技术之后，从80年代末起，日本掌控了STN-LCD生产技术，使得LCD产业飞速发展。
1969年，日本NHK公司向国内进行报道液晶的发明，引起了日本科技界和工业界的极大重视。
日本将当时的大规模集成电路与液晶结合，以“个人电子化”市场为导向，很快打开了液晶的应用局面。
日本人从液晶手表，液晶计算器等低档产品起步，发展到小尺寸无源矩阵黑白电视、非晶硅有源矩阵彩色电视，直到多晶硅有源矩阵高分辨率彩色液晶显示器，不但促进了日本微电子工业的惊人发现，还一直领导着世界液晶工业的发展方向，掌握着液晶工业最前端的技术。
在1993年，日本掌握了TFT-LCD的生产技术之后，液晶显示技术朝着两个方向开始发展:
一个方向是朝着价格低、成本低的STN-LCD显示器技术方向发展；
第二个方向是朝着高质量的薄膜式电晶体TFT-LCD方向发展。
1997年，日本研发了一款以550*670mm为代表的大尺寸第三代TFT-LCD生产线，并且使得1998年大尺寸的LCD显示屏价格比1997年降低了一半。
1996年以后，韩国和中国台湾都投资巨额建设第三代的TFT-LCD生产线，准备在1999年以后与日本进行竞争。
中国内地是从80年代初九开始引进了TN-LCD生产线。
是目前为止世界上最大的TN-LCD生产国家。
自从液晶作为一种显示媒体开始使用以来，伴随着越来越成熟的液晶显示技术，液晶应用也开始广泛地应用，涉及到微型电视机、照相机、摄像机等等的多个领域，经历了一段的发展，液晶产品摒弃了原来的设备形象。
现在，液晶以及在平板显示领域扮演者着重要的角色，而且是电脑和笔记本的必备部分。
在20世纪80年代初TFT-LCD就开始研制，但是它真正发展是在1995年之后。
工艺成熟，成品率不断提高，对比度、视场角大为改善等，这些都使得TFT-LCD快速的成为一项巨大的产业，不仅仅垄断了笔记本电脑的显示器，而且还开放了电视机显示器，逐步占据了CRT显示市场。
LED背光源作为LED的一个主要市场和液晶显示器的主要组成部分，其技术主要掌握在LED的研发、生产比较集中的大公司手中。
在中小尺寸背光模组方面，LED背光源主要应用于数码照片查看器、车载显示、手机屏幕显示等。
中小尺寸显示产品要求产品具有高对比度、低功耗。
强光背景下可视性、轻薄化等，以便适用于便携式电子产品的轻薄化、高清晰度。
运行时间唱的要求，不仅如此，对宽视角、响应速度快的要求也越来越高，这就使得对中小尺寸的显示产品的设计、制造要求相对比较高了。
虽然现在我国的中低档液晶显示产品比韩国、台湾等国外的市场占有率高，但是LED核心技术比较薄弱，在亮度、厚度、色域以及功耗等方面还达不到人们的要求。
因为侧入式背光源能够在厚度以及功耗等方面具有优势，所以其成为主流，在2009年三星、索尼等都相继推出了以侧光LED为背光模组的液晶电视。
我国在背光源发发展上属于起步阶段，LCD背光源几乎全部依赖于进口。
因此，背光源的研究与开放具有重要的经济和社会意义。
1.2背光源技术
1.2.1背光源的发展
背光源的发展也追溯到二战时期。
那时是使用的超小型钨丝灯作为飞机仪表的背光源，这是背光源发展的初始阶段。
在经过了一段时期的发展，现在的背光源已经成为电子独立学科，并且逐渐形成研究的热点问题。
伴随着液晶显示技术的快速发展，液晶显示器尤其是彩色液晶显示器的应用领域在迅速的拓宽。
收到液晶显示器市场的带动，背光源产业也呈现出一片繁荣的景象。
由于液晶本身不能发光，所以液晶显示器必须借助背光源才能进行显示的功能。
背光源性能的好坏不仅能影响液晶显示器的显示质量，还会影响其成本。
所以说，高质量、大尺寸的液晶显示器必须配备以高性能的背光源技术，因此液晶显示技术产业在开拓新的应用领域的同时，背光技术也要相应的不断提高。
Fig1-1LCDpanelcostchart
图1-1液晶显示器面板成本结构图
1.2.2LED背光源技术
LED就是发光二极管，发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。
在某些半导体材料的PN结中，注入的少量载流子和多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换成光能，从而实现电致发光。
LED背光源具寿命长（超过10年）、节能、色域广、对人体安全、体积小等优点。
相对于传统的液晶显示器背光技术上的不足，比如能源利用率低，功耗高、寿命短等等一系列的问题，所以人们一直在寻找传统背光技术产品的替代品，而LED背光技术满足了人们的需求。
目前LED背光源技术种类可以分为RGB-LED和白光LED。
前者借助了动态分区背光技术的能力和三色RGB-LED的出色光源，在色彩和对比度上相比传统背光源都有质的飞跃，所以通常应用于高端电视。
而后者是比较常见的LED背光源类型，在笔记本和液晶显示器中应用比较广泛，白光LED背光通常采用从显示器边缘入射光线，和RGB-LED以及传统背光的背面直射是不同的。
根据背光入射光的位置我们又可以将背光模块划分为直下式和侧入式两类。
1.2.2.1直下式LED背光模组
所谓直下式LED背光技术就是把LED做成密集的点阵，放置在屏幕的背后，直接照射屏幕。
直下式LED背光模组的结构如图1-3所示，它主要由LED光源、反射膜、扩散膜、增亮膜等组成。
直下式背光源主要强调画质表现优异，它在画面控制上的优势要出色于侧入式LED技术。
以55英寸的LED电视为例，直下式产品是将3000多个LED灯均匀的分布在了画板的背后，使得背光可以均匀地传达至整个屏幕上，画面细节更加细腻逼真。
而侧入式则是在面板的边框上安装400多个LED灯，使得光源从侧面照出。
这样虽然可以大幅度地降低厚度，但是由于减少了将近7倍的LED数量，因此容易使得画面亮度以“X”形态减少（即四周比中央位置亮度高）。
此外，采用了直下式LED电视还把LED背光划分为若干单元，在显示黑色的时候，直接关掉其对应的LED区域的光，就能表现出非常完美的黑色。
因此，采用直下式LED技术可以准确地呈现出图像，并且展现出优秀的色彩和明暗对比效果。
图1-2直下式LED背光模组结构
1.2.2.2侧入式LED背光模组
侧入式是将线或者点状光源设置在经过特殊设计的导光板的侧边做成的背光源，随着背光模组技术的不断进步，入光方式由四边入光逐渐发展到了单侧光，如图1-3所示：
图1-3侧光式LED背光源结构发展史
侧光式LED背光模组结构图如图1-3所示，主要由导光板、扩散膜、增亮膜、反射膜等组成。
侧光式背光一般可以做的很薄，但是光源的光利用率较小且越薄利用率越低，最大约为50%。
其核心技术就是导光板的设计和制作。
随着LCD不断向着更亮、更轻薄的方向发展，侧入式背光源成为目前发展的主流。
由于LED光源比起其他光源有很多的优点，所以侧入式LED背光具有很大的发展优势。
其具有三个特点：
（1）发光面可以沿着其光学轴作360度发射。
（2）可以利用较薄镜片覆盖较大的面积。
（3）可以用简单的结构进行混色。
LED背光源具有电压低、亮度高、寿命长的优点。
一般一只LED典型的工作电压为2.1V，电流为10mA。
在背光源的实际电路中，是把两只LED串联起来使用的，使得其工作电压接近数字电路的工作电压5.0V。
在显示面积较大的情况下，需要把多个LED串联后再进行并联，这样需要很大的电流。
为了降低电流，我们可以使用侧部发光的背光源。
这种背光源在导光板的侧部安装了LED背光源，具有光线均匀、电流低、体积小等的优点。
图1-4侧入式LED背光模组结构
1.2.3LED背光源的优势及发展需求
LED作为液晶背光源与传统的背光源相比，它采用了LED背光的话，液晶面板的体积将进一步缩小；
其次LED是由众多栅格状的LED组成，每个“格子”都拥有一个LED，这样LED背光就能实现真正的光源平面化；
我们知道，平面化的光源不仅仅具有亮度均匀性，还不需要复杂的光路设计。
此外，在发光寿命方面，LED背光也有明显的优势。
传统的CCFL背光由于色纯度等问题，在色阶方面表现不佳。
采用CCFL背光只能实现NTSC色彩区域的百分之六七十，而应用LED背光之后，液晶面板可以轻松地现100%的NTSC色域表现。
另外。
LED背光采用的是低压驱动，十分安全，驱动电路模块的设计也必将简单；
稳定性好，平面状结构让LED具有稳固的内部结构，使得抗震性很出色；
最后在绿色环保方面，LED更具有优势，它没有采用对环境有害的金属，更加环保；
再者，LED背光源很节能，其功耗要比CCFL背光灯更低一些，因为LED内部驱动电压远低于CCFL，功耗和安全性均优越于CCFL。
虽然LED背光源具有以上巨大的优势，但是现阶段，它依然存在着一些问题。
首先是成本的问题，由于LED背光器件被垄断，所以LED背光的制造成本还是比较高的，应用LED背光的液晶产品售价在现阶段仍然比传统CCFL的产品高出很多。
其次是技术问题，现阶段LED背光技术在发光效率方面还难以令人满意。
传统CCFL冷阴极荧光灯虽然耗电量大、发光质量一般，但是其发光效率达到50~100lm/w,主要原因是LED会随着芯片面积的增大而出现电流密度不均匀的现象，导致了整体发光效率较低的同时还会产生较高的热量。
但是从长远的发展来看，LED背光技术与传统CCFL背光模块的成本差距在缩小，即使目前不能完全替代CCFL，但是LED背光技术的前景依然很可观。
背光模组作为液晶模组的主要部件，其销售量和液晶显示面板的销量联系密切，全球液晶显示面板的需求正在增加，这使背光模组的需求也随之增加。
表1-1为2009年至2013年全球TV背光市场LED的需求统计，从表中可以看出LED的价格在逐年下降，需求在逐年增长。
LED液晶电视在2009年的渗透率为3%，而到2013年LED液晶电视的渗透率高达87.30%。
LED封装大厂亿光在上海的法说会中曾指出，LED背光和照明两大应用将是未来几年内LED产业最主要需求成长的动力，主要是LED价格不断下降以及改用侧入式结构降低了其成本的原因。
全球TV背光市场LED需求统计
2009
2010
2011E
2012E
2013E
LCDTV全球销量（百万台）
145
192
209
220
244
LCDTV渗透率
3%
19.8%
43.90%
68.5%
87.3%
侧入式背光%
69%
90%
92%
70%
65%
直入式背光%
31%
10%
8%
30%
35%
LEDBar
1-bar
0%
22%
26%
75%
2-bar
45%
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