液晶顯示器是一種非自發(fā)光顯示器技術，必須借助于背光源顯示影像，因而背光的發(fā)展對液晶顯示的性能非常重要，但隨著液晶顯示尺寸大型化的需求不斷增長，傳統(tǒng)背光源的成本比重也在不斷增加。背光源正在輕、薄、低功耗、高亮度、低成本上努力改善。

1 大尺寸LCD 面板及背光源簡介

液晶顯示器通過液晶對光的調(diào)制顯示信息，發(fā)展機遇和技術革新與背光源的改善息息相關，包括冷陰極熒光管CCFL（ ColdCathode Fluorescent Lamp）的動態(tài)控制，外部電極熒光燈EEFL（Exterior ElectrodeFluorescent Lamp）、平面熒光FFL（FlatFluorescent Lamp）、發(fā)光二極管LED（LightEmitting Diode）背光源的發(fā)展等。

1.1 LCD 面板

L C D 面板主要是由彩色濾光片（ ColorFilter），背光模塊（Backlight），驅(qū)動芯片（IC），補償膜及偏光片（Retardation film andPolarizer），ITO玻璃基板（ITO Substrate），取向膜（PI film），控制電路等組成。

1.2 背光模塊

背光模塊由光源，燈罩 Lampshade,反射板Reflector,導光板LGP（light guideplate），擴散板（Diffuser），增亮膜 BEF（Brightness Enhancement Film）以及外框等組裝而成。其中光源有冷陰極熒光管CCFL,熱陰極熒光管，HCFL （ HotCathode Fluorescent Lamp）外部電極熒光燈EEFL,發(fā)光二極管LED,平面熒光FFL,場發(fā)射背光源FE（Field EmissionBacklight）等多種。

背光光源發(fā)光，進入導光板，經(jīng)過傳播之后，由正面以一定角度射出后，均勻分布于發(fā)光區(qū)域內(nèi)，再經(jīng)擴散板，增亮膜，使光線聚集在液晶顯示器的視角范圍內(nèi)。

2 背光源的主要結構

LCD 應用有所不同，導致其相關的產(chǎn)品特性，如尺寸，亮度，響應速度， 分辨率，色飽和度等也有所區(qū)別。就一般而言，按照燈管的位置類，大致采用以下幾種結構：

2.1 側光式結構（Edge Backlight）

導光板LGP（Light Guide Plate）引導光線方向，提高面板的輝度并控制亮度均勻。

Edge Backlight 的發(fā)光源一般在導光板側，光源按照導光板的形式和光學上的要求有直型，L 型，U 型CCFL燈管。CCFL在側邊，沒有散熱問題，但CCFL提供的光量，經(jīng)過導光板、擴散膜、偏光膜、液晶層、彩色濾光片等多層元件后，效率相當?shù)汀?/p>

2.2 直下型結構（Bottom Lighting）

用于大尺寸顯示器時，側光式結構無法在重量、消耗電量以及亮度上占有優(yōu)勢，因此不含導光板且光源放置于正下方的直下型結構便被開發(fā)出來。直下型背光源，零件少，整體的發(fā)光效率也較側光式高。它的亮度、均勻性、色飽和度等基本滿足要求。面板越大，燈管越長，燈管本身的均勻性要求更高，只好增加擴散板，卻又造成亮度不足，繼續(xù)增加燈管。因而尺寸越大，背光源所占成本越高，幾成線性關系。但燈管的增加，耗電量也增加到液晶顯示器的9 0 % ,散熱問題也日益嚴重。

3 直下型背光的光源分類

光源系統(tǒng)決定了顯示器的影響亮度，均勻性，LCD 所采用的發(fā)光源有CCFL,HCFL,EEFL,FFL,LED,FE 等，其中CCFL 具有高輝度、高效率、壽命長、高演色性等特性，而且其圓柱形結構很容易與光反射元件組合成薄板狀照明裝置，所以目前仍以CCFL為主流，但是一般認為將以白光LED 為應用趨勢。

3.1 CCFL

作為光源的冷陰極管隨著導光板的快速發(fā)展而發(fā)展，導光板越來越薄，冷陰極管也越來越細，直徑約2.6mm 的成為主流。

CCFL的高壓電極激發(fā)電子，電子撞擊N e 和A r 原子，吸收能量，升溫，高能量的Ne 和A r 釋放能量，撞擊Hg（也可使用Xe ）吸收能量，H g 釋放紫外線λ = 2 5 3 .7nm ,撞擊熒光粉，發(fā)出可見光。電極的電子發(fā)射不是熱電子發(fā)射，故稱為冷陰極管。由于電極沒有燈絲，所以電極可做細，優(yōu)點是高效率，穩(wěn)定可靠，但要與反射板，擴散膜等一起使用，結構復雜。32" 使用12根燈管，到37" 左右燈管數(shù)增加到2 0 根左右，成本增加太快，接近整個系統(tǒng)的40 %多，而且每個燈管需要單獨驅(qū)動，響應速度較慢，色飽和度只有約72%,同時由于汞的使用帶來環(huán)境問題的隱患。

3.2 LED

其優(yōu)勢在于低電壓，輕，無汞，長壽命等，而且其光源光譜比以熒光粉為發(fā)光材料產(chǎn)生的光純正，也是目前唯一達到和超過NTSC100% 色彩飽和度的選擇。其單位耗電量能獲得的輝度較高，其反應速度也比CCFL快3 倍，能夠賦予液晶面板高的附加值。以RGB 三種LED為光源，按序切換點亮，可取代昂貴的彩色濾光片CF .但是價格相對較貴，耗電量相對較大。

3.3 混合型

LED 混合背光源技術，可大幅提升液晶電視顯示質(zhì)量，采用AFLC 區(qū)域亮度控制技術（Area - Focused Luminance Controllable），可自行分析影像數(shù)據(jù)，自動調(diào)整特定部位明暗度，使亮的部份更亮，暗的部分更暗。

混合型LED 背光液晶顯示器，色飽和度可到110%,對比度可到10000:1.8ms 以下的響應速度，采用IPS 廣視角技術，上下左右視角達178 度。采用LED 與熒光燈的混合背光源顯示器，色飽和度也可到105%,比使用熒光燈背光源的顯示器高出45% 以上，而成本只有LED背光源的6 0 % 左右。

場發(fā)射背光源FE FE 背光源的顯示特性和成本優(yōu)勢，將來也會有一席之地。

有機LED OLED 這是一種未來顯示器，但也可用作背光源，它簡化了背光源的光學結構，驅(qū)動電壓低，但目前的問題是壽命較短，效率不高，對低溫敏感，價格昂貴。

4 背光源其它零組件組成

4.1 導光板（只應用于側光型背光）

導光板材料形狀和材料決定了出射光源的輝度和分布。

最常見的是印刷式的導光板，以距離光源遠近為依據(jù)，使用高反射光源物質(zhì)，如SiO2及TiO2 分布于導光板底面，利用印刷材料吸收再擴散的性質(zhì)，破壞全反射造成的內(nèi)部傳播，使光從正面均勻分布。

非印刷式包括射出成形導光板，采用蝕刻，切削方式，噴砂方式再加工，擴散式。

蝕刻式將印刷點的設計在模具上，切削式在導管板正面切削出一條條長的溝槽，噴砂也是在模具模仁上形成粗面分布，擴散方式則將直接P M M A 注入導管板內(nèi)部，在輝度上，蝕刻導光板不如印刷導光板。

4.2 反射板/膜 Reflector

側光式背光模塊的反射板放置于導光板底部，將自底面漏出的光反射回導光板中，防止光源外漏，以增加光的使用效率；而直下型背光模塊則是將反射板置于燈箱底部表面或黏貼于其上，將經(jīng)擴散板反射之光束由燈箱底部在此反射回擴散板以被利用。

常用金屬反射膜，金屬導電性能越好，穿透深度越淺，反射率越高，因而金屬反射膜的材料都使用高導電度的金銀銅等。

4.3 擴散板/片 Diffuser

一般傳統(tǒng)的擴散膜是在擴散膜基材中，加入化學顆粒，作為散射粒子，而現(xiàn)有的擴散板的微粒子分散在樹脂層之間，所以光線在經(jīng)過擴散層時會不斷地在兩個折射率相異的介質(zhì)中穿過，同時光線還會發(fā)生很多折射、反射與散射的現(xiàn)象，如此達到光學擴散的效果。擴散板/ 片提供均勻的面光源，同時還起到支撐其他膜片的作用。

由于材料化學顆粒的性質(zhì)，將會無可避免造成吸光且光的散射混亂，對于一個固定距離的觀測者來說，將會有部分的光強被浪費。再加上化學制程較費時，所需的生產(chǎn)成本相對較高。此外還有許多使用其他材料，工藝制作的擴散板等。

4.4 BEF增光片（棱鏡片） Bright Enhanced Film

光經(jīng)擴散后指向性較差，須利用增光片來修正光的方向，它通過光的折射與反射來達到凝聚光線提高正面輝度的目的，以多元酯或聚碳酸酯為材料，表面結構一般為棱形柱體或者半圓柱體，能將大角度的光線折至較正向的角度，縮小光線分布，達到正向集中， 使整體的背光模塊的輝度提高60%~100%.通常一個背光源會使用兩片增亮膜，彼此方向垂直，增加輝度。

原來接近垂直的光線，在進入增光片后，會產(chǎn)生全反射，再次回到底層的反射板，然后再返回，經(jīng)過一定的路徑后，勢必有一定量的衰減，所以對于原本小角度的光線，反而會沒有實質(zhì)上的幫助。

4.5 偏光轉換膜（P-S converter）

在現(xiàn)有的LCD 面板設計中，對光源模塊過濾掉S-ray 平行光，允許P-ray 光源通過，利用單一的偏振光來驅(qū)動或照明LCD 面板，所以會在光線進入液晶面板前先經(jīng)過偏光板，該偏光板會吸收掉某一偏光方向的能量，而冷陰極管所產(chǎn)生的光為非偏正光，在通過第一片偏光板時，有一半以上的光能量會被吸收掉，使光使用效率非常差。采用偏光轉換膜，它的功用是使光源做偏振態(tài)的轉換。利用反射偏光板將可通過與不可通過LCD 偏光板的光分離，然后利用反射板反射回來的光轉換為可用的偏光，達到亮度提高的目的。

一種添加反射式偏光轉換膜的DBEF（Dual BEF），集合了集光和偏光轉換的功能，除了正面亮度提升外，大視角的亮度也得到提升。

DBEF 的結構原理 以上均為常用的元件，在側光型背光和直下型背光中，膜片的排列也略有不同。

5 結語

側光式背光源主要應用于桌上型電腦和筆記本電腦顯示器，液晶電視使用直下型背光源，目前仍已CCFL為主，但隨著面板的增大，其成本和光利用效率均不理想。短期內(nèi)比較容易的替代方案是EEFL背光源。

LED的色飽和度以及發(fā)光效率仍然在改善中，如果解決將成為主流。