針對液晶顯示器中直下式LED (light emitting diode) 背光源邊緣亮度較低的問題,本文提出了一種LED 非均勻排列提高背光源亮度均勻性的方法。在等間距排列的基礎(chǔ)上,通過測量單顆L ED 的亮度分布函數(shù),計(jì)算出水平和垂直方向上的LED不等間距排列距離,并對該距離進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。非均勻排列的LED 背光源亮度均勻性仿真計(jì)算結(jié)果表明,背光源的全屏亮度均勻性可達(dá)到90 %以上。

　　傳統(tǒng)LED 背光源中,LED 在橫向和縱向的排列一般是等距離的,但這樣的排列會使背光源的亮度均勻性比較差,特別在LED背光源的邊緣,亮度會迅速下降。LED 等間距均勻排列時(shí),中間區(qū)域的亮度是周圍其它區(qū)域亮度的疊加,雖然邊緣區(qū)域也會得到其它區(qū)域亮度的疊加,但由于LED 是點(diǎn)光源,亮度分布隨距離的增加衰減很快,因此,邊緣區(qū)域疊加的亮度分量較小,從而使LED 背光源邊緣的亮度顯著小于中間區(qū)域的亮度,導(dǎo)致全屏的亮度均勻性變差。采用動態(tài)調(diào)光或改善背光源光學(xué)系統(tǒng)的特性對最終顯示圖像的亮度均勻性會有一定改善,但會增加背光系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性 。

　　本文從LED 的排列分布方式入手改善背光源亮度的均勻性,可提高LED 背光源邊緣亮度,從而改善全屏的亮度均勻性。在等間距排列的基礎(chǔ)上,通過測量單顆LED 的亮度分布函數(shù),計(jì)算出在液晶電視水平和垂直方向上的LED 不等間距排列,然后對等間距排列進(jìn)行調(diào)整,并且對這種LED 排列方式的亮度均勻性進(jìn)行了仿真計(jì)算和分析,結(jié)果表明,背光源的全屏亮度均勻性達(dá)到90 %以上。

1、LED 亮度分布函數(shù)

　　LED 為點(diǎn)光源,它存在一定的發(fā)射角度和峰值波長,并且隨著擴(kuò)散范圍的增大,其亮度值逐漸衰減,這些因素在非均勻性排列計(jì)算中都必須要考慮。要得到合理的L ED 排列方式,首先要知道L ED 點(diǎn)光源的亮度分布函數(shù),然后根據(jù)點(diǎn)光源的亮度分布函數(shù)來計(jì)算非均勻性排列間距,以期望在全屏的范圍內(nèi)能得到比較好的亮度均勻性。

1.1、LED 亮度分布測量

　　以32 英寸LED 背光源設(shè)計(jì)為例,在32 英寸的LED 背光源的中心放置一顆LED (以白色L ED 為例) ,保持原背光模組光學(xué)元件不變。試驗(yàn)中LED在色溫9300 K下滿負(fù)荷工作,在全屏的范圍內(nèi)均勻取25 ×15 共375 個(gè)點(diǎn),采用色彩分析儀CA2000 測量LED 透過背光源光學(xué)系統(tǒng)后的亮度分布,從而得到375 個(gè)亮度值,具體測量裝置圖如圖1 所示。

圖1 　LED 亮度分布函數(shù)測量裝置圖　　圖2 　單個(gè)白色LED 的亮度分布曲線

　　采用MA TLAB 對測量所得的375 個(gè)亮度值進(jìn)行曲線擬合,所得結(jié)果如圖2 所示。曲線以LED 的位置為中心建立坐標(biāo)系, x 和y 軸為與LED 中心的間距, z 為對應(yīng)的亮度值。

　　由圖2 可以看出,單個(gè)LED 的亮度分布大致是一個(gè)高斯曲面,而且亮度相對集中在d = 100 mm 的范圍內(nèi),超過100 mm 的區(qū)域,LED 對其的亮度影響就變得非常小。下面我們將對亮度的橫向和縱向兩個(gè)方向進(jìn)行分析。

1.2、LED 亮度分布分析

　　以LED 的位置為中心,根據(jù)前面所測得的數(shù)據(jù)按橫向和縱向兩個(gè)方向分別對LED 亮度分布進(jìn)行分析。以LED 的中心位置亮度為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各測試點(diǎn)相對亮度,對數(shù)據(jù)進(jìn)行洛倫茲擬合,所得擬合結(jié)果如下( L x 和L y 為相對亮度, x 和y 為距離) :橫向:

　　擬合的曲線如圖3 所示,可以看出,LED的亮度分布相對集中在以LED為中心半徑為50 mm 的范圍內(nèi);當(dāng)距離超過100 mm 時(shí),LED 的亮度衰減達(dá)到97 %左右,所以在考慮LED 對周圍區(qū)域的亮度影響時(shí),可以只考慮其周圍半徑為100 mm 的區(qū)域內(nèi)。這就為非均勻排列的設(shè)計(jì)提供了分析的依據(jù),在非均勻性排列設(shè)計(jì)中,各LED 之間的亮度疊加是一個(gè)必須考慮的因素,以上分析結(jié)果體現(xiàn)在分析LED 亮度疊加時(shí),可以只考慮一定范圍內(nèi)的亮度數(shù)據(jù)。

圖3 　水平和垂直方向的LED 亮度擬合曲線

2、LED 均勻排列的亮度均勻性

　　試驗(yàn)所用LED 背光源排列為: 橫向45 個(gè)LED ,間距為15 mm ; 縱向20 個(gè)LED ,間距為19mm ,均為等距離排列。根據(jù)亮度分布的擬合曲線方程(1) 和(2) ,可以從理論上計(jì)算出在現(xiàn)有的排列下橫向和縱向兩個(gè)方向的相對亮度分布,從而可以與實(shí)際測得的亮度分布進(jìn)行對比。實(shí)際的亮度是在全屏點(diǎn)亮的情況下用取15 ×5 共75 個(gè)點(diǎn)測得的。圖4 和圖5 顯示了在橫向和縱向兩個(gè)方向上理論計(jì)算的亮度分布和實(shí)際測量的分布的對比圖,亮度值是以L ED 背光源中心位置亮度為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算所得相對亮度。

　　從圖4 可以看出,橫向方向上理論計(jì)算的相對亮度分布和實(shí)際測量得到的相對亮度分布曲線很接近。當(dāng)距離中心位置200 mm 的范圍內(nèi)時(shí),兩者相對亮度的差別不大;超過250 mm 以后,相對亮度急劇下降,在300 mm 處,亮度衰減達(dá)到30 %左右。

圖4 　LED 橫向?qū)嶋H相對亮度分布和理論相對亮度分布曲線　　圖5 　LED 縱向?qū)嶋H相對亮度分布和理論相對亮度分布曲線

　　從圖5 可以看出,縱向方向上理論計(jì)算的相對亮度分布和實(shí)際測量得到的相對亮度分布曲線很接近。當(dāng)距離中心位置100 mm 的范圍內(nèi)時(shí),相對亮度的差別不大;超過150 mm 以后,相對亮度急劇下降,在180 mm 處,亮度衰減達(dá)到40 %左右。