一种直下式分体液晶背光设计

董琦飞 耿向阳 周斌 张国华

（东风电驱动系统有限公司，襄阳 441001）

主题词：直下式分体液晶 混光均匀性 混光距离 LED间距

1 前言

目前，国产汽车组合仪表大多采用液晶模组[1-5]，液晶成本较高，部分企业尝试采用成本较低的分体式液晶方案，但由于未掌握分体液晶背光的设计方法，液晶屏仍存在显示照度不均匀、光斑明显的问题，不能达到预期效果。

本文设计一种用于组合仪表的直下式分体液晶，并建立一种混光均匀度计算模型，以获得发光二极管（Light Emitting Diode，LED）矩阵最佳排列方案，从而解决分体式液晶显示不均匀的问题。

2 混光均匀度数学模型的建立

本文设计的直下式分体液晶如图1 所示，光线从LED 矩阵射出，经一定距离的混光，并经液晶支架和散光片多次反射后，由LED点光源形成面光源，其均匀度直接取决于混光距离H和LED间距P。

液晶屏混光均匀度测试主要采用取点测量法，常用9 点测量法，如图2a 所示，测量选定区域的最大照度和最小照度。根据分体式液晶的测量结果（如图2b 所示），测量区域的最大照度一般出现在LED 正上方，最小照度通常出现在相邻4颗LED矩阵的对角线中心。

图1 分体式液晶结构

图2 测量方法及测量结果

测量区域的均匀度U为：

式中，Lmin、Lmax分别为测量区域的最小照度和最大照度。

根据上述测试原理，归纳均匀度的数值计算方法如下：

通常，LED 发光角度呈朗伯分布，如图3 所示，其中，I0为LED 发光强度中的最大值，辐射光线呈余弦分布，D为光线照射面的测量点，该处光强Iθ为：

式中，θ为测量光线与中心法线的夹角；r为LED发光中心点与测量点D之间的距离。

图3 LED发光强度分布

LED 排列呈m行n列的矩阵排布，如图4 所示。定义第i行第j列的LED 为Lij，定义L11的坐标(x1,y1)为坐标原点。X、Y方向LED 间距分别为Px、Py，则Lij的坐标为[x1+(i-1)Px,y1+(j-1)Py]，测量点D与Lij的距离rij为：

式中，xd、yd分别为测量点D的X、Y坐标。

图4 LED矩阵排布

由式（2）、式（3）可得到所有LED在测量点D处的光强I为：

照度定义为被照射面单位立体角内的光强，则测量点D处的照度L为：

式中，dΩ为极小立体角；dS为接收点D处的极小球面面积。

由图3可知，照射面上最大照度通常为LED中心法线方向的最大光强。当Px=Py=P时，照射面上的最大照度、最小照度通常分别按照图5、图6所示的方式近似计算。

图5 最大照度近似计算示意

图6 最小照度近似计算示意

当Px=Py=P时，任意行数、列数LED 矩阵照射面上的最大照度Lmax均为矩阵中的任一LED 及与之相邻距离最近的4颗LED发光贡献所得，见图5。

根据式（5）近似计算可得：

当Px=Py=P时，任意行数、列数LED 矩阵照射面上的最小照度Lmin均为矩阵中的相邻4 颗LED（2×2 的矩阵）发光贡献所得，如图6所示。

根据式（5）近似计算得出：

将式（6）、式（7）代入式（1）可得均匀度计算公式为：

式中，t=H/P为混光因子。

由式（8）可得到均匀度U与混光因子t的关系，如图7所示。

图7 均匀度U与混光因子t的关系

3 均匀度数学模型的应用

根据式（8）计算，当U=70%时，t=0.72。由于组合仪表受支架高度的影响，混光距离H=8 mm，则P=11.1 mm。根据某液晶可视区大小（79 mm×30 mm），大致得出LED矩阵排列最多可为3行7列，即最多排列21颗LED。

考虑到实际生产中工艺等因素可能对结果有影响，故利用CAE 技术模拟分析LED 间距P=11～12 mm 时的照度均匀度，部分仿真结果如表1所示。

表1 仿真结果

结合数学模型计算结果与CAE 仿真结果，选定LED 数量为20 颗，LED 间距为11 mm，t=0.73 的方案为最终设计方案，仿真结果如图8所示，并以此设计了“平底+碗状反光面”的蜂巢结构照明系统，采用CA-2000二维色彩照度分析仪对样件进行照度测量，实测结果如图9所示。

图8 光学CAE软件LightTools仿真结果

图9 样件照度实测结果

对比数学模型计算结果、CAE仿真结果以及样件实测结果，如表2所示。

表2 结果对比

由上表分析结果可知，数学模型计算结果与样件实测结果误差率为4%，所以本文数学模型可以作为直下式分体液晶背光设计依据。

4 结论

a.影响直下式分体液晶照度均匀度的参数为混光距离和LED间距；

b.本文建立的混光均匀度数学模型误差率为4%，可以作为直下式分体液晶背光设计依据。