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背光模组是液晶显示器面板的关键零组件之一，其功能在于提供充足的亮度和分布均匀的光源，使得面板能够正常显示影像。因此，背光模组的性能和品质对于液晶显示器面板的显示效果至关重要。背光模组
液晶显示器面板的零组件之一
背光模组为液晶显示器面板的关键零组件之一。功能在于供应充足的亮度与分布均匀的光源，使其能正常显示影像。
基本信息
| 中文名 | 背光模组 |
| 功能 | 供应充足的亮度与分布均匀的光源， 使其能正常显示影像 |
| 结构 | 侧光式，直下型，中空型 |
| 类型 | 前光式与背光式 |
简介
所谓背光源（BackLight）是位于液晶显示器（LCD「」）背后的一种光源，它的发光效果将直接影响到液晶显示模块（LCM）视觉效果。液晶本身并不发光，它显示图形或字符是它对光线调制的结果。背光源的发展可以追溯到二战时期。当时用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。经过半个世纪的发展，如今背光源已经成为电子独立学科，并逐步形成研究开发热点。
背光模组
随着液晶显示技术的不断发展，液晶显示器特别是彩色液晶显示器的应用领域也在不断拓宽。受液晶显示器的市场拉动，背光源产业，呈现一派繁荣景象。LCD为非发光性的显示装置，须要藉助背光源才能达到显示的功能。背光源性能的好坏除了会直接影响LCD显像质量外，背光源的成本占LCD模块的30-50%，所消耗的电力更占模块的75%，可说是LCD模块中相当重要的零组件。高精细、大尺寸的LCD，必须有高性能的背光技术与之配合，因此当LCD产业努力开拓新应用领域的同时，背光技术的高性能化(如高亮度化、低成本化、低耗电化、轻薄化等)亦扮演着幕后功臣的角色。
原理
液晶显示是被动发光元件，显示屏本身并不发光，而是由其下方的背光系统照亮的。背光源和液晶显示屏组合在一起构成了液晶显示模块。下图为液晶显示器的背光源常见的结构。液晶背光是一个平面的均匀照明装置，作为光源的冷阴极荧光灯管或LED灯条排列在整个背光源的两边或一边（可能是长边，也可能是短边）。冷阴极灯管是线光源，LED是点光源，把此光源转换为面光源需要使用导光板。导光板一般由高透光率的亚克力塑料制成，表面非常光滑平整，以致于大部分内部光线会在其平整表面上规则的全反射，而不会射出到导光板外部。液晶显示器的导光板的底部印有白色的网点。在导光板印有网点的位置上，光线不再规则的全反射而是会向导光板上方射出。控制每个位置网点的密度就可以控制导光板在这个位置射出光线的多少。精密设计的导光板网点可以让两侧入射的光线均匀的铺散在整个平面上。导光板上方会再放置光学膜片，这些膜片起到均匀光线，并且汇聚大角度光供正面观察等作用。
背光模组
结构
一般而言，背光模组可分为前光式(Front light )与背光式(Backlight)两种，而背光式可依其规模的要求，以灯管的位置做分类，发展出下列三大结构。
侧光式
发光源(Edge lighting)为摆在侧边之单支光源，导光板采射出成型无印刷式设计，一般常用于30寸以下中小尺寸的背光模组，其侧边入射的光源设计，拥有轻量、薄型、窄框化、低耗电的特色，亦为手机、平板电脑、笔记型电脑的光源，亦有大尺寸电视背光模组采用侧光式结构。
直下型
(Bottom lighting)超大尺寸的背光模组，侧光式结构已经无法在重量、消费电力及亮度上占有优势，因此不含导光板且光源放置于正下方的直下型结构便被发展出来。光源由自发性光源(例如灯管、LED等)射出藉由反射板反射后，向上经扩散板均匀分散后于正面射出，因安置空间变大，灯管可依TFT面板大小使用2至多之灯管，但同时也增加了模组的厚度、重量、耗电量、其优点为高辉度、良好的出光视角、光利用效率高、结构简易化等，因而适用于对可携性及空间要求较不挑剔的LCD显示器与LCD TV，其高消费电力(使用冷阴极管)，均一性不佳及造成LCD发热等问题仍需要求改善。
中空型
随着影像要求的尺寸增加，LCD也朝更大尺寸的方向发展，这类超大型的LCD被拿来当作监视器及璧挂式电视，不仅要求大画面、高亮度及轻量化，在电器上亦要求高功率下的低热效应，发展的中空型结构的背光模组，使用热阴极管作为发光源。此结构以空气作为光源传递的媒介，光源向下被棱镜片与反射板对方向调整及反射后，一部分向上穿过导光板并出射于表面，另一部分因全反射再度进入中空腔直到经折反射作用后穿过导光板出射，而向上的光源或直接进入导光板出射，或经一连串折射、反射作用再出射：导光板的形状为楔型结构，目的在求均一化的效果。
部件
光源
电致发光(EL)背光源体薄量轻，提供的光线均匀一致。它的功耗很低，要求的工作电压为80～100Vac，提供工作电压的逆变器可把5/12/24Vdc的输入变换为交流输出。但EL背光源的使用寿命有限(在50%亮度条件下的平均使用寿命为3000～5000小时，在更高的亮度水平上使用寿命将大为缩短)，因此，理想的EL背面照明用逆变器允许输出电压和频率随着EL灯泡的老化而增加，从而延长采用EL的背面照明光源的显示器的有效使用寿命。
EL背面照明对于像手表、数字台式钟和单色PDA等需要极度微弱的照明以便在光线朦胧或昏暗条件下使用的小型反射式LCD应用而言是较为适用的。然而，低效率、低亮度以及短寿命使其不适用于诸如膝上型电脑和平板桌上型监视器所要求的大型LCD这样的透射型背面照明用途。
小型冷阴极荧光灯(CCFL)提供了用于大型LCD所需的亮度和寿命(以及灯光管制能力)，但是随着更高效、设计使用更灵活的LED大量出现，CCFL的使用已经越来越少。但是，热量堆积是一个值得关注的问题。
LED背光源的使用寿命超过5000小时，且使用直流电压。LED背光源与CCFL背光源在结构上基本是一致的，其中主要的区别在于CCFL是线光源，而LED在使用时先要做成LED灯条（LED light-bar），再放入背光中。
导光板
导光板的作用在于引导光的散射方向，用来提高面板的亮度，并确保面板亮度的均匀性。导光板的良优与否对背光板影响甚大，因此，侧光式背光板中导光板的设计制作是关键技术之一。导光板是利用射出成型的方法将丙烯压制成表面光滑的板块，然后用具有高反射且不吸光的材料，在导光板的底面用网版印刷的方式印上扩散点，CCFL或LED light-bar位于导光板侧边，其发出的光利用反射导入导光板内部，当光线射到扩散点时，反射光会往各个角度扩散，然后将破坏反射条件由导光板正面射出。利用各种疏密、大小不一的扩散点，可使导光板均匀发光。反射板的用途在于将底面露出的光反射回导光板中，用来提高光的使用效率。
导光板按照工艺流程不同又可分为印刷式及非印刷式(射出成型形)，印刷式是在压克力平板上用具高反射率且不吸光的材料，在导光板底面用网版印刷印上圆形或方形的扩散点。非印刷式则是利用精密模具使导光板在射出成型时，在丙烯材料中加入少量不同折射率的颗粒状材质，直接形成密布的微小凸点，其作用有如网点。印刷法的效果不如非印刷法。非印刷法效果优异，使用人数少，速度快，效率高，但是技术门槛很高，需要掌握精密射出成型，精密模具，光学等技术才能掌握。目前国内厂商大多仍采用印刷式的导光板作为导光组件，印刷式的导光板具有开发成本低及生产快速的优点，而非印刷式的技术难度较高，但在亮度上表现优异，模具开发技术为瓶颈所在，另外，根据形状可分为平板及楔形板，平板多应用于显示器和电视，楔型板多用于笔记本。至于扩散板及主要用途，在于提高正面的亮度，扩散板的作用在于让光的分布更加均匀使从正面看不到反射点的影子。由于光自扩散板射出后，其光的指向性非常差，必须利用棱镜片来修正光的方向，达到聚光的效果，提高正面的亮度。
切削方式SC加工，即在导光板正面以切削方式制造出一条条长沟型的结构，与棱镜片结构类似的镜面设计，更能增加辉度提高的效果，但在均一性的表现上则不如印刷方式的导光板结构。
喷砂方式，利用细砂材料喷洒于模仁形成粗面分布，在射出成型下直接转移至导光板上时，粗面越多的地方，破坏光源全反射的效果越强，因此可达到光源面的均匀分布。
可见，背光模组的作用无非就是把点光源或线光源发出的光通过漫反射使之成为面光源。但这个背光源大有学问，在搭配不同数量的灯管时其表面的纹理会有不同的变化，背光板的设计涵盖了光学设计、精密模具以及蚀刻、印刷等精密科技。
光学膜片
在一定的光源输出下，将会通过棱镜膜、反射偏振片和高反射率反射片来提高液晶模组的正视亮度，或称轴向亮度。在不增加光源数量的情况下，要提高轴向亮度有两种途径：一，改善光线的角分布，将光线集中到正视角度上；二，减少损耗，提高总的出光光通量。市场上的增亮膜片的生产商有超过30家之多，比较大的有LG、3M、GE、Sony，罗姆哈斯等等。
1.棱镜膜
棱镜膜是当今使用最广泛的增亮产品。它适用于小到手机显示屏大到液晶显示器，各个尺寸的液晶显示模块。几乎所有的液晶背光源里面都使用了棱镜膜。棱镜膜是一层透明的塑料薄膜，厚度在50到300微米之间，在薄膜的上表面均匀而整齐的覆盖着一层棱镜结构，如图。棱镜膜放置在背光源的扩散片和液晶面板之间，它的作用是改善光的角分布，它可以将从扩散片射出的均匀地向各个角度发散的光汇聚到轴向角度上，也就是正视角度上，在不增加出射总光通量的情况下提高轴向亮度。
增亮膜的光增益（Gain）增益是指背光源在有增亮膜情况下的光强和没有增亮膜情况下的光强的比值，增益可以比较客观的排除背光源的光强分布的影响，而只体现增亮膜的增亮效果。举例说，如果增亮膜的增益为1.3，就说明在使用棱镜膜前后，液晶模组的cd/w光效可以提高30%左右。棱镜膜对入射的光线进行选择，让符合汇聚光角度的光线通过，而不符合条件的光线被反射回背光源，重新在背光源中散射后再回到棱镜膜，直到符合条件出射为止。
Gain= I / I 在背光源上使用一张棱镜膜可以使得光线在一个方向上汇聚，如果在这张棱镜膜上面再叠加一层棱镜方向与其垂直的棱镜膜，光线就可在两个方向上都得到汇聚。这个时候的膜片总增益会增加。
2.反射偏振片
和棱镜膜不同，反射偏振片是对背光源光线根据偏振方向的不同进行选择的循环增亮膜。这种薄膜可以精确的将平行其光轴方向的偏振光100%的反射，而另外一个正交方向上的偏振光可以正常穿透薄膜，如图。相对于普通吸收型偏振片将一种偏振态的光完全吸收，这种特殊薄膜被叫做反射型偏振片。
常用的液晶显示面板，不论是TN、STN、IPS或者VA，在ITO玻璃下面都有一层吸收型偏振片（下偏振片）。它提供给液晶面板所需要偏振态的入射光。从背光源出射的光都是全偏振光，入射到偏振片上会有一半光能变成热损失掉。如果在背光源中使用了反射偏振片就可以避免这一半光能的损失。如图，在背光源中，反射偏振片被放置在离液晶面板最近的位置，或者说反射偏振片和液晶面板的下偏振片之间是不存在任何其他薄膜。反射偏振片的透光轴也就是上图中的P光光轴与下偏振片的透光轴平行放置。背光源中出射的光，有50%符合透射条件，可以通过反射偏振片，与此同时满足下偏振片的透过要求，从而没有损失的通过下偏振片。另外50%的光，具有和透射光正交的偏振方向，会被反射回背光源，在背光源散射并且消偏振之后变为自然光，再次入射到反射偏振片上，继而又有一半光透射，一半被反射；周而复始，最终所有的光线都被转化为符合透射条件的偏振光，而没有损失的透过下偏振片。所以，在理想情况下，使用反射偏振片可以得到50%的增益。在实际情况下，光路中的吸收，实际增益比50%小很多。
模块中使用反射偏振片，在提高亮度的同时，出光的角度并不会像使用棱镜膜那样汇聚到一起，而是将各个角度输出的光强都按一定的增益同比例放大，使用前和使用后，光的角分布具有类似的形状。这一特性对显示器和显示器这样对视角要求比较大的液晶屏很有帮助。不使用反射偏振片，只在背光源中使用棱镜膜的显示器想要达到TCO'03这样严格的显示器标准是比较困难的。棱镜膜出光的某些角度附近会有很大的亮度变化，在大角度观测时，因为从观测点到屏幕上每一个点的视角不同，屏幕亮度均匀度变得比较差。使用反射偏振片的显示器就不会遇到这样的大视角均匀度问题。除了在视角上有优势之外，反射偏振片还可以提高整个液晶模块的lm/w光电转化效率和cd/w能源效率。
3.高反射率反射片
使用高反射率反射片可以提高灯管反射片或者底反射片的反射率。在和其他增亮技术不冲突的情况下，能进一步提高亮度和能效。迄今为止，反射率最好的反射片是由数百层增反薄膜组成的多层膜反射片，和普通反射片95%左右的反射率相比，其具有几乎对所有可见光波长99%～100%的反射率。这样的反射片在循环增亮系统中非常有用，因为它可以减少循环光每次在反射时的损失。虽然在反射率上相差不多，但是在加载棱镜膜或者反射偏振片之后，得到的增益变化都在10%以上。
4．增亮综合解决方案
不同尺寸和用途的模块可以通过不同的增亮技术达到更大的亮度增益。液晶显示器多使用17英寸到22英寸的模块，考虑到会有不只一个人观看屏幕，显示器模块一般只会使用一张棱镜方向水平的棱镜膜来保证水平视角，同时可以使用反射偏光片和高效率反射片得到更高的光学增益。实际的背光设计中，只有小部分高端的模块会使用到全套方案，更多的则是设计者在需求、性能和成本上综合考虑，选用最合适的增亮产品。
发展趋势
多元化轻便化
随着国际IT行业迅速发展，使得相关LCD行业不断推陈出新，LCD产品尺寸朝多元化和轻便化方高发展，背光源作为LCD产品的核心组件之一势必配合此发展趋势，致力于产品的多元化和轻便化。
LED壮大
不只是液晶显示器，其他各种应用的液晶显示产品中使用LED背光源的比率也都逐年递增。如图所示，至2015年时，以荧光灯管为光源的液晶显示器或可退出市场。
从图中可见，2010年起，LED液晶显示器相较于CCFL显示器的出货量在不断增加中。LED液晶显示器的出货量在所有液晶显示器中所占比例由最初的3%不到，一直增加至2012年末预测的74%。而且这个比例还在不断的增加中。
成本
对能源效率最敏感的背光模组，其成本中所占比重最大的是LED和导光板，而LED有恰是于能源效率直接相关的部件。它在整个背光模组中所占成本比例是27%，在整个液晶模组中所占的成本比例约为6%。
18.5英寸LED液晶显示器背光（TN型面板） | Q4'11 |
LED颗数 | 16 |
LED价格 | $2.40 |
LED灯条组装 | $0.90 |
导光板 | $2.40 |
下扩散片 | $0.30 |
展开表格
2011年第一季度18.5英寸 TN型LED液晶显示器背光模组的成本分析 |
2011年第一季度18.5英寸 TN型LED液晶显示器背光模组的成本结构 |
总结
背光模块(Back Light Unit)是液晶显示器(LCD)光源的提供者，LCD本身并不发光，背光模块光源的表现便决定了显示器表现在外的视觉感，液晶显示器由于其厚度薄，质量轻且携带方便，需求快速的增加，已能在CRT的市场占有一席之地。
随着液晶显示器制造技术的提升，大尺寸及低价格的趋势下，背光模块在考虑轻量化、薄型化、低消费电力、高亮度及降低成本的市场要求，为保持在未来市场的竞争力，开发、设计新型的背光模块及导光板成型的新制作技术，是今后努力的方向及重要课题。
参考资料
[1]
鸿利光电 “LCD背光模组专用LED光源的研制”通过验收 · 凤凰财经[引用日期2013-10-28]
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