LED背光源在LCD上的应用：
1前 言
在目前的平板显示（FED）器件中LCD显示器件据主流地位，而在现有的LCD器件中，大多数是透射型的。对于这些透射型的LCD器件来说，背光源是它们不可缺少的组成部分。
在LCD背光源中，虽然冷阴极荧光灯（CCFL）目前占据着统治地位，但LED具有宽色域、白点可调、高调光率及长寿命等优点，故近来被开发为新型的LCD背光源，井已在一些台式LCD监视器以及LCD电视中得到应用。
LCD用LED背光源（以下简称为LED背光源）是一种新型的背光源技术，其种类很多，但是在LCD器件中尚未得到普遍应用，因为还有技术问题或成本方面的问题有待于解决。对于一些较为实用的LED背光源，本文将在后面的段落中加以介绍。
2 静态照明LCD背光源
提高光效，从而提高屏输出光与光源输出光的比例是改进LCD背光源的一个重要途径。静态照明LCD背光源便是其中的一种，其主要原理是使LCD的每个亚象素只通过与其相应的色元件进行照明（图1），从而省去了滤色器，提高了光效。
2.1 结 构
在具有静态照明背光源的LCD中，像素层下面装有一微透镜阵列，并且使每一个像素下均对应一个微透镜。这里采用的背光源照明系统是三原色直视背光源，每种颜色的光源均在与之对应的亚象素上成像，井经由投影透镜投射在显示屏上。
为了在显示屏上取得足够的亮度，并且提高显示的均匀度：在本LCD器件中采用了光折射元件与总内部反射器（TIR）楔形光导板，光导板内具有合适的折射层。
静态照明背光源通常采用红绿蓝三根CCFL。最近研发的静态背光照明LCD采用了LED作为其背光源。
2.3 静态照明的LCD背光源特性
在具有静态背光源LCD器件中，由TIR楔形光导管输出的光分布角为70°～90°。使用这种背光源消除了因滤色层造成的光损失（省去了滤色层之故），而使器件的透射率达到了传统LCD的三倍。同时，这种背光源又能使器件的结构得到简化，并且能够降低功耗。
为了进一步减少光源的光损失，改进光的分布角度消除因使用汞产生的环境污染问题，以LED取代CCFL作为器件的背光源成了静态照明LCD背光源的发展趋势。目前已在33cm对角线的XGA级分辨率的LCD器件中成功地采用了LED静态照明背光源。因这种器件的功耗大大降低了，故非常适合作高亮度的应用。
3 反馈型LED背光源
采用红绿蓝色光的LED作为LCD背光源可以获得优异的色质，降低功耗，避免使用汞造成的环境污染，需要控制白光的色温，以取得足够长的寿命。
最近开发了一种以红绿蓝光LED为光源，采用了色传感器与反馈控制器的反馈式LCD背光源。利用这种背光源，现已取得了《0.02的色稳定性与持续的亮度稳定性，并且还可以利用其任意控制器件的白色点与亮度。
3.1 结 构
反馈式LED背光源系统是由四个主要的功能模块组成，它们是具有滤色层的传感器，反馈控制器，脉宽调制（PWM）LED驱动器以及红绿蓝lux-eonTM型LED光源阵列元件。
3.1.1LED光源
此处的LED光源所使用的LED为luxeon式氮化铟镓（InGaN）的蓝光管与绿光管以及磷化铝铟镓的（AllnGaP）红光管，它们都是大功率高效型的。图5是这些LED背光源的发射光谱线性能，图6是在其温度为85℃时的典型寿命性能。这种背光源具有很低的动态电阻，以PWM恒定电流驱动，光源的光输出正比于PWM的脉宽。这种光源具有色域宽，色品度可调及环保的优点。
3.1.2 传感器
这里使用的传感器是由具有滤色层的三只装在一个元件中的光电二极管及其具有互相阻抗放大的印刷电路板组成。传感器的滤色层具有CIE193lXyzCMFs近似值。利用这种传感器，可以获取测量辐射功率的输出电压。在将所获取的电压馈送到控制器之前，该电压会被系统平均化。
3.l.3 LuxeonTM型驱动器
这种驱动器是一个能升降输入电压的开关电源。它是由一个开关式电压——电流放大器以及必要的电路组成，能够对用于LCD系统的600Hz高频PWM进行预处理。为了不引起过量的电磁干扰、功率损失与抬高成本，本驱动器上无反馈回路。
3.1.4 反馈控制器
反馈控制器由三部分组成，即色控制器、占空因数控制器与光强度控制器。色控制器具有一灵敏集成阵列，用于补偿来自传感器的输出误差，从而保持了输出色度的恒定。光强度控制器的核心为一敏感矩阵，该矩阵具有把传感器输出向LED电流占空因素转换的功能，并使输出亮度与温度的关系以及色度在任何时候都保持不变，这可以从测量中得到。
3.2 特 性
采用反馈型LED背光源，可使LED器件在25℃～70℃的温度范围中，取得《0.003A△u’v’的色漂移，并可以得到可接受的色稳定性：在处理光反馈信号时，不需要有大的预处理功率。此外，如前文所述，这样做还有色域与环境保护的好处。
4 新型光导板结合式LED背光源
如果在LCD背光源系统中采用高亮度红绿蓝光LED就需要有混色装置，以在光源的光到达LCD板前进行混色。在传统的LCD背光源中，混色是以独立于光轴抽取结构（白色涂层或微透镜）的光导极中进行的。为了照亮整个显示区，就得采用两块光导板，这会使背光源变得又重又厚，并且还会产生光导板的亮度与色度难以匹配等缺点。
为了克服上述缺点，荷兰近来开发一种新的LED背光源，它将分离的混色光导板与传统的光抽光导板结合在一起。
4.1 结合式LED背光源的结构与工作原理
背光源是由LED光源①、第一椭圆镜面②、混色光导板③、第二椭圆镜面④、反射膜⑤、主光导板⑥、校准与偏振控制膜⑦、框架⑧与散热片⑨组成。这些部分在图7与图8中，均以上述编号表示。
工作时，由LED光源①发出的光经第一椭圆②作90°的反射，耦合人混色光导板③，光经混色光导板混合成相应的白光后，再被耦合入第二椭圆④作90°反射，进入主光导极⑥。主光导板具有屏象素图案，该图案是为LED光源的光分布而作了优化的。来自第二椭圆镜面的光经主光导板射向LCD板。
为了进一步改进色均匀度，在主光导板的光进入一边还配备了一条微棱镜，它的作用是增加光的角分布，从而改进光色的混合。
在椭圆镜面上制以高反射率的铝膜，并采用了高反射率的线条，以提高反射率。椭圆镜面使LED所发光的光学轴作了相对于光导平面90°的旋转，因而使本背光源的结构变得更加紧凑。
4.2性能与优点
本文中的光导板结合式LED背光源对角线为38cm，具有34只luxeomTM型LED，管子的节距为9mm，驱动功率为45W。利用这种LED背光源，已取得了4300cd/m2的峰值亮度。
新型光导板结合LED背光源有以下几个优点：
●重量轻，厚度薄，坚固耐用；
●与现存的背光源技术与制造机制兼容；
●可以与各种光导板，甚至包括具有预制象素图案的平面屏以及具有微往面透镜结构的楔形光导板结合；
●适用屏的尺寸范围较大（25.4cm-5lcm），而LED的节距与光导板的长度却可以保持不变；
●其每个LED的输出光通可以稳定地增加，从而可以在不增加LED数量与减少LED节距的情况下达到给定的亮度；
●可以通过加长光导板长度，较容易地改进混色性能。
5 高亮度直接型LED背光源
本LED背光源是一种边光式背光源。作为边光式背光源，它具有以下三个特点：
●其发光面可以沿其光学轴作360°发射；
●可以用较薄的镜片覆盖较大的面积；
●可以用简单的结构进行混色。
先前的边光LCD用背光源存在着以下一些缺点：
●因为光导板是用丙烯酸制作的，因而用于大尺寸的LCD电视（LCD—TV）时，会使其重量加大，并使成本增加；
●抑制与吸收紫外线；
●在用于彩色显示时，难以将大功率红绿蓝LED用在直接背光源中。
为了解决上述问题并提高LED背光源的性能。美国与日本、荷兰以及马来西亚合作，研发了一种新颖的高亮度直接型边光式LCD-TV用LED背光源。在这种背光源中，不用光导板，而是通过在LCD板后面的空腔中放置LED阵列代替之。采用这种LED背光源，可以做到在保持良好的光效时，能够较好地控制亮度与颜色的均匀性。
5.1 结构与工作原理
高亮度直接LED背光源是由以下几部分组成的：
（1）安装在金属芯印刷电路板上的两条由48只LED组成的线式阵列；
（2）装有上述LED阵列的金属盒，在盒的内表面涂有一层扩散反射膜，移动该膜后面的LED非发光面，可以减少对光线的再吸收，从而取得高光效；
（3）位于LED阵列上方的换向器，其作用是防止LED在朝向屏的路径上脱离轴光线。换向器可以做得很小，例如6mm，以阻止屏蔽对LCD屏的影响，因为这种影响会波及到LCD的亮度。由于换向器的尺寸有所不同，故它对发自LED的光有6%～40%的影响。同时，如果将换向器做得很小，便可使LED阵列置于一普通而简明的空腔内。只要调节换向器，便可取得所需的高亮度特性；
（4）在上述金属盒内表面涂扩散发射膜，该膜可以取得30%～40%的反射率；
（5）位于LCD之间的亮度增强膜，用以增加屏的亮度；
（6）位于LCD板后面的朗伯反射空腔，其侧壁为镜面。由LED阵列发射的光，有80%是在垂直于光轴±20°以内，在36O°方位上被射入反射腔内的。当光线有效地进入背光源孔时，其自由路径达到最大化，而在采取了适当的LED节距时，就可于紧靠LED阵列正上方的各个方向上取得良好的混色。在LED正上方朝向屏区只有约5%的光。为了将LED正上方的色影响减到最小，利用换向器使光线改向，返回LED与朗伯空腔，使这部分光线的平均行程增加，因而产生了附加混色，降低了在LED正上方的色影响。
5.2 应用与特征
美、日、荷、马四国开发的高亮度直接LED背光源是用于屏对角线为56cm之LCD-TV的，其尺寸为503mm×282mm。它具有两个由48只LED组成的边光阵列，两阵列的间距为150mm，其中的LED间距为9mm。所用的LED中，24只红光LED的总光通量为1039lm，48只绿光LED的总光通量为2436lm，24只蓝光LED的总光通量为109lm。所有LED的驱动电流为350mA。当室温下的白点色温为9000K时，光效为33.2lm/W。在不使用亮度增强膜时，此背光源可取得5000cd/m2以上的高亮度：若使用亮度增强膜，则可以取得10000cd/m2的亮度。当将这种LED背光源用于LCD板透射率为5%的LCD-TV时，可使后者具有500cd/m2的亮度。这种背光源与采用了这种背光源的LCD-TV之性能见表1。
6结束语
LCD-TV市场的迅速发展，极大地刺激了LCD背光源的研究与开发。由于LCD用的LED背光源具有寿命、色域、调率等性能及环保方面的优势，因而成了倍受青睐的新一代LCD背光源，目前正在蓬勃地发展着。LED背光源的发展方向是功耗与成本更低、光致更高、寿命更长、更亮与更薄更轻。随着微机械、微电子及材料科技的进步，必将会有更多朝着上述发展方向的新型LCD用的LED背光源问世。
什么是 TFT LCD：
TFT（Thin Film Transistor）LCD即薄膜场效应晶体管LCD，是有源矩阵类型液晶显示器（AM-LCD）中的一种。
和TN技术不同的是，TFT的显示采用“背透式”照射方式——假想的光源路径不是像TN液晶那样从上至下，而是从下向上。这样的作法是在液晶的背部设置特殊光管，光源照射时通过下偏光板向上透出。由于上下夹层的电极改成FET电极和共通电极，在FET电极导通时，液晶分子的表现也会发生改变，可以通过遮光和透光来达到显示的目的，响应时间大大提高到80ms左右。因其具有比TN-LCD更高的对比度和更丰富的色彩，荧屏更新频率也更快，故TFT俗称“真彩”。
相对于DSTN而言，TFT-LCD的主要特点是为每个像素配置一个半导体开关器件。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制。因而每个节点都相对独立，并可以进行连续控制。这样的设计方法不仅提高了显示屏的反应速度，同时也可以精确控制显示灰度，这就是TFT色彩较DSTN更为逼真的原因。
目前，绝大部分笔记本电脑厂商的产品都采用TFT-LCD。早期的TFT-LCD主要用于笔记本电脑的制造。尽管在当时TFT相对于DSTN具有极大的优势，但是由于技术上的原因，TFT-LCD在响应时间、亮度及可视角度上与传统的CRT显示器还有很大的差距。加上极低的成品率导致其高昂的价格，使得桌面型的TFT-LCD成为遥不可及的尤物。
不过，随着技术的不断发展，良品率不断提高，加上一些新技术的出现，使得TFT-LCD在响应时间、对比度、亮度、可视角度方面有了很大的进步，拉近了与传统CRT显示器的差距。如今，大多数主流LCD显示器的响应时间都提高到50ms以下，这些都为LCD走向主流铺平了道路。
LCD的应用市场应该说是潜力巨大。但就液晶面板生产能力而言，全世界的LCD主要集中在中国***、韩国和日本三个主要生产基地。亚洲是LCD面板研发及生产制造的中心，而台、日、韩三大产地的发展情况各有不同。
目前主流的TFT面板有a－Si（非晶硅薄膜晶体管）、TFT技术和LTPS TFT（低温复晶硅）TFT技术。
在a-Si方面，三个生产基地的技术各有千秋。日本厂商曾经研制出分辨率高达2560×2048的LCD产品。因此，有些人认为，a－Si TFT技术完全可满足高分辨率的产品需要，但是，由于技术的不成熟，它还不能满足高速视频影像或动画等的需要。LTPS TFT相对可以节约成本，这对于TFT LCD的推广有着重要意义。目前，日本厂商已经有量产12.1英寸LTPS TFT LCD的能力。而中国***已开发完成LTPS组件制造技术与LTPS SXGA面板技术。韩国在这方面缺少专门的设计人员和研发专家，但像三星等主要企业已经推出了LTPS产品，显示出韩国厂商的实力。不过，目前LTPS技术尚不成熟，产品集中在小屏幕，而且良品率低，成本优势尚无从谈起。
与LTPS相比，a-Si无疑是目前TFT LCD的主流。日本公司的a－SiTFT投资策略上几乎都以第三代LCD产品为主，通过制造技术及良品率的改善来提高产量，降低成本。日本一直走高端路线，其技术无疑是最先进的。由于研发力量有限，***的a-Si TFT技术主要来自日本厂商的转让，但由于***企业一般属于劳动密集型，技术含量价低，以生产低端产品为主。韩国在a-Si方面有着强大的研发实力，比如三星公司就量产了全球第一台24寸a-Si TFT LCD—240T，它的响应时间小于25ms，可以满足一般应用需要；而可视角度达到了160度，使得LCD在传统弱项上不输给CRT。三星240T标志着大屏幕TFT LCD技术走向成熟，也向世人展示了韩国厂商的实力不容置疑。
TFT-LCD的市场分析
TFT-LCD 是有源矩阵液晶显示器（AM LCD）的典型代表，其研究最活跃、发展最快、应用增长也最迅速，在笔记本电脑、摄像机与数字照相机监视器等方面的应用独领风骚，另外，它在地理信息系统以及飞机座舱、便携式DVD、台式电脑和多媒体显示器等方面都得到很好的应用。彩色TFT-LCD的构思最初由美国人（西屋公司）于1972年提出、日本东芝公司在1982年率先实现这一技术的规模生产，但那时的生产技术还不成熟。自1993年日本掌握了TFT-LCD生产技术以来，分辨率已由CGA （320 * 200）发展到今天的UXGA （1600 * 1200），基片尺寸也已有第一代的240 * 270-32O * 400mm2发展到2001年日本夏普、韩国三星电子和LG-Philips公司分别上马的第七代的1350 * 1700 mm2。目前，TFT-LCD的应用主要在小尺寸的移动电话市场、中型尺寸的掌上电脑与笔记本电脑市场、大型尺寸的液晶显示监视器和液晶电视市场等五个方面。2005年TFT-LCD将被主要应用于显示器（39%）、笔记本电脑（25%）、手机（16%），液晶电视（10%）， PDA（6%）五大领域，市场销售金额将超过250亿美元，占LCD市场比例超过90%，成为液晶乃至整个平板显示技术领域的主导技术。
TFT-LCD技术的产业特点
资金密集，规模经营：建立一条生产线投资在10亿美元左右。技术密集：涉及到半导体技术、精密机械、精密光学、自动控制、大规模集成电路设计和制造技术、光电子、微电子、精细化工、光源、材料、通讯、计算机软件等。
发展速度快，核心技术稳定：TFT-LCD产业化十年来生产线经历了7次大的发展，平均1年半生产线就要更新一次。但是TFT-LCD的核心技术是相对稳定的。
带动的产业面广，对国民经济具有全局意义：上游原料、生产设备、生产技术涉及到现代工业生产的几十个领域。新材料的开发、大规模生产设备的制造、先进生产技术的应用，将带动上游产业群。TFT-LCD模块是信息产业的核心器件，涉及到通讯、交通、家电、计算机、教育、工业、医疗、国防等几乎所有的领域。
a-Si TFT-LCD技术的研究现状
分辨率： TFT-LCD的分辨率在近几年中经由CGA（ 320 * 2 00），VGA（ 640 * 4 80），SVGA （1280 * 1024）。XGA （1024 * 768）。 SXGA （1280 * 1024）发展到目前的UXGA （1600 * 1200）、QXGA （2560 * 2048）的水平。
对比度：美国P.P.Muhoray等人推出了波导基LCD技术，并利用这种技术实现了174:1的高对比度，而现在的TFT-LCD对比度最高可达到500:1。
视角： 由于液晶材料是各向异性的，其分子排列的取向及在电场作用下的重新排列取得均匀影响LCD器件视角的拓宽，这就造成了LCD器件视角上的缺点，现已提出多种宽视角技术，如同平面切换模式、相对称微单元模式、畴垂直模式等，视角可达到170度。
响应速度：当帧频为60% 时，帧周期约为16ms，采用TN型LCD的普通TFT-LCD器件的响应时间可低于20ms。最近推出了一种利用弹性连续聚合物稳定化的平面开关方法，可使响应时间缩短到10ms，采用光学补偿带可将响应时间缩短到2～3ms，目前已用本技术研制出响应时间为8ms的彩色LCD电视机。
寿命： 由于制造技术的发展，TFT-LCD的寿命可达到3万小时以上。
大屏幕和反射式己出现：已研制成功38in的TFT-LCTV，结束了大屏幕LC的拼接时代，反射式TFT-LCD彩色显示器也开始商品化。
由于TFT制作技术的发展、液晶材料性能的改善、宽视角技术的采用、响应速度的提高和成品率的提高，TFT-LCD显示性能已并不亚于CRT。
TFT型液晶显示器结构
通常的a-Si TFT主要由玻璃基板、栅电极、栅绝缘层、半导体活性层a-Si，欧姆接触层n+a-Si、源漏电极及保护膜等组成，其中栅绝缘层和保护膜一般采用SiN。
a-Si TFT 的结构可分为四种典型结构：源、漏、栅三电极位于半导体活性层a-Si同一侧的平面结构，其中源、漏、栅三电极位于a-Si层上侧的称正栅平面结构，源、漏、栅三电极位于a-Si层下侧的称倒栅平面结构;源、漏、电极与栅电极位于a-Si层两侧的交错结构，其中栅电极在a-Si层上侧，源、漏电极在a-Si层下侧的称正栅交错结构或顶栅结构，栅极在a-Si下侧，源、漏电极在a-Si层上侧的称倒栅交错结构或底栅结构。
从制造工艺上看，交错结构的SiN，a-Si和n+a-Si三层（或其中二层）可以连续淀积，适合流水作业，又可减少交叉污染。现在，交错结构已成为主流，它不仅对a-Si， SiN.， n+a-Si可连续作业，而且倒栅还可以作遮光层（不需另设遮光层），这对a-Si TFT是重要的，因为a-Si对光敏感，一旦有光流入引起漏电流增加，将会导致像质恶化。
TFT型液晶显示器的运作原理
从TFT-LCD的切面结构图（下图）可以看到LCD是由二层玻璃基板夹住液晶组成的，形成一个平行板电容器，通过嵌入在下玻璃基板上的TFT对这个电容器和内置的存储电容充电，维持每幅图像所需要的电压直到下一幅画面更新。液晶的彩色都是透明的必须给LCD衬以白色的背光板上才能将五颜六色表达出来，而要使白色的背光板有反射就需要在四周加上白色灯光。因此在TFT-LCD的底部都组合了灯具，如CCFL或LED。
TFT-LCD需要背光，由于LCD面板本身并不发光，因此需要背光，液晶显示器就必须加上一个背光板， 来提供一个高亮度，而且亮度分布均匀的光源。LCD实际上是打开来自其后面光源的光来表现其色彩的。目前的常用背光源是CCFL或LED。