LED背光源设计常见问题(荧火虫、光束及漏光现象)解决方案

1. 荧火虫问题及改善

如果光源为点光源LED、入光行程短、LED间距大的背光源的入光结构不做任何处理，背光源的入光段就会出现萤火虫现象，如图1所示：

1) 名词解释：
LGP：中文导光板，是一种采用透光性能好的，如PC和PMMA等塑胶粒子注塑成型的薄板，它的功能是将点光源或线光源等局部光源导入形成面光源。
LED：发光二极管。主要为点状光源的表现形式，功能是提供光。
荧火虫：在BLU开发中，高亮点光源LED从 LGP一侧射入，在LGP入光处形成由窄到宽的发射状态，由于LED的间距会形成明显的强弱光区，交在错在一起看似是一只只荧火虫发光状，所以俗称荧火虫现象。
网点：在LGP作用面上形成小凸点引导光线作方向上的改变，形成折射，以实现需要的出光方向。

图1：荧火虫现象示意图。

2) 原因分析：

由示意图可看出，LED入射到LGP会形成明显的荧火虫现象，这种现象严重影响了BLU的画面品质，那这种现象为什么不可避免呢?

由图示结构得知，LGP入光面到BLU有效发光区域的距离只有3.2mm，只是LED中心距9.72mm的1/3，加上LED和LGP的配合间隙，导致LED的发光交叉状态形成的强光区和弱光区无法成形在有效发光边界以下，也就是说荧火虫部分外露。在不做任何处理的情况下，荧火虫现象是不会自然消失的。

3) 改善方案：

方案1 在LGP入光侧做锯齿结构，以扰乱光线方向，扩大出光角度。如图2所示：

图2：锯齿入光的光线投射示意及实效图。

然后在锯齿结构的基础上，增加LED发光体的数量，在入光距离3.2mm不变的情况下，缩短LED中心距，使荧火虫现象成形在有效发光边界以下，以抑制荧火虫现象外露。如图3所示。
优点：问题改善直接，简单，快捷。
缺点：成本增加。

图3：增加LED后的荧火虫分布示意图。

萤火虫的安全算法：

A≤1/2B

其中：A——入光面到有效发光边界的距离；B——发光体的中心距。

方案2 入光锯齿加局部网点调整。

网点调整可做大小和疏密调整。网点的大小决定受光面的大小，从而影响折射的光线数量;调整网点的疏密和改变网点大小原理相同，网点越密，接收和折射的光线越多，显示越亮，反之越暗。所以我们利用这两种方法对画面的强光区和弱光区作综合柔和处理，削弱荧火虫现象。改善效果如图4b所示。
优点：在不增加成本的前提下改善问题，甚至可以减少材料以节约成本。
缺点：调试比较难，效果难把握，改善时间也比较长。

图4：(a) 入光段网点调整前；(b) 入光段网点调整后。

2. 光束问题改善

在背光源开发中，如果LED的发光面没有完全控制在LGP的入射面范围内，或者发光面与入射面之间存在间隙，这样就会导致光线外溢，而外溢的光线经过其他有导向性的材料引导后在背光源有效发光区域形成光束。光束是背光源画面的一种缺陷，如图5所示：

图5：有角度的光束。

图6：光束形成过程示意图。

通过以上光束的形成过程可以看出光是无缝不钻的。由于LED发光面与LGP入光面之间存在距离L加上LED的发光中心偏于LGP的中心，偏离的光线就有足够的空间通过可透光的透明胶带直接从棱镜片的端面入射，然后棱镜片的棱镜方向将光导向，所以在背光源画面有LED部位就出现了有角度的光束。通过分析得出我们要消除光束的重点就是要控制光线尽可能少的从棱镜片的端面入射，最简单有效的办法就是在不需要光通过的部位采用可反射光的介质阻拦光通过，以改变光的方向。请看以下改善方案：

改进的内容有：
1) 控制工艺制作过程等符合设计规格，使LED中心面重合于(不能高于)LGP中心面，以使发光范围不产生上偏离;
2) 严格LED的焊接公差满足设计要求，使LED发光面紧靠LGP入射面，这样LED的发光范围将主要集中在LGP入光面范围内，防止光线外溢;
3) 将透光的透明胶带更改为作用面为白色的反射胶带，这样既可将射在胶带上的光进行反射回去，也可阻止光线从端面穿过;
4) 缩短棱镜片等膜材与遮光胶带的搭截面，以腾出面积使遮光胶带贴附在LGP上，因为遮光胶带的下表面也是白色的反射面，所以也可将光阻拦并反射回去。

这样一来，可使大部分的光都控制在有效发光区域内充分射出。以下是改善后的实物效果(图7)：

图7：(a) 改善前入光段的光束现象；(b) 改善后入光段画面效果。

3. 漏光问题

漏光主要是由于光线遮挡不严而产生光线泄漏引起的。解决漏光的直接办法就是在装配和结构允许的前提下增加部材关键部位的厚度和宽度，达到隔光的作用。小尺寸背光源常见的漏光部位有（图8）：

图8：漏光部位。

从图8以看出，框架和LGP的卡合部位是漏光的重点。因为框架在有卡耳结构的地方都会做相应掏肉，加上框架内壁与有效发光区域的距离非常窄而使遮光胶带的边沿无法加宽，LGP的凸耳又具有导光性，所以这个部位容易形成较强的光通过遮光胶带泄露出来;

漏光的另一个原因是框架的肉厚太薄。因为框架是用白色PC料注塑，加上卡合位置的总厚度不超过1.0mm，掏肉会使局部壁厚更薄，甚至光会从薄处渗透，所以加剧了卡合处的漏光现象。

在有效区域和装配尺寸不能变更的情况下，要改善这种常见问题，我们可以通过在框架漏光处采用避让方法改善，如图9所示。这要大大加宽了发光区域和框架边沿的距离。

图9：在框架卡合处做让位结构。

框架经过设变后，相配合的遮光胶带也要做相应变更，变更后的外观如图10：

图10：贴上遮光胶带后的外观。

以下是实物改善对比图（图11）：

图11：(a) 改善前漏光现象；(b) 改善后漏光消失。

本文小结

在LED背光源开发中，由于光源不像CCFL冷阴极管可发连续的线性光，而是一个一个的点性光串联形成一条断续的光条，所以这种结构就决定了两LED之间发光必定会存在暗区，要控制这种暗区的影响范围和程度，需要小心细微地调节接收和折射光线的介质结构以使其发挥需要的作用。

对于光束的解决，其实就是将光封杀在不需要导光的媒介之外，也就是说光如果不通过导光的物体，它就不会产生传播，也就不会出现不需要出现的光束现象。

漏光也是背光源开发中比较容易出现的不良问题，这和尺寸设计是否合理有关。如果结构尺寸不能完全做到非发光区的遮光，就会出现漏光现象。但事实上，在项目开发中经常会出现比较苛刻的尺寸要求，所以要避免漏光就要分析漏光的源头，在不影响设计目的的条件下对症下药解决问题，归纳如表1。

表1：LED背光源设计中常见问题和应对方案。

本文简单直白地报告了LED背光源设计中出现的荧火虫、光束和漏光等常见问题的产生原因和直接有效的解决方案，是真正通过实践证实理论的经验总结，以此供大家参阅学习。

刘湘连

苏州京东方茶谷电子有限公司研发科