改善侧导光LED背光HotSpot现象的导光板设计
金海洋1，刘卫东1,2，乔明胜2
（1.中国海洋大学电子系，山东青岛266100；2.青岛海信电器股份有限公司，山东青岛266071）
摘要：就改善侧导光LED背光HotSpot现象，文章提出了一种解决办法：在导光板入光侧对应LED的位置进行处理，让其形成一个非球面的凹面，可以使LED发出的光发散，从而减轻或消除HotSpot现象。
关键词：LED；导光板；HotSpot
引言
LED液晶模组已经在液晶电视中得到了广泛的应用，而导光板则在LED液晶模组中有着非常重要的作用，它关系着液晶电视的主观效果———亮度均一性。评价一片导光板做得好坏与否的一个重要标准就是看导光板入光侧是否有亮暗不均（HotSpot）的现象。本文提出的方法可以减少甚至消除HotSpot现象。
1HotSpot现象产生原因
HotSpot现象就是指在用LED作光源的侧导光背光模组中，由于LED光源的发散角受到限制，在导光板靠近LED光源的区域出现光柱亮区，而产生亮暗不均的现象。这种现象降低了导光板出光的均匀性，同时也影响着背光的主观效果。
表1和图1所示为远方LED620光强分布测试仪测试报告所测得的数据，以及由此数据绘出的二维分布曲线图。虽然现在各大LED生产厂家所生产的LED灯的发光区域一般是不一样的，但趋势基本一致。从图中可以看出，LED灯的主要发光区域集中在大约（-50°~50°）角内（0°角的光线最强）。
在侧导光LED背光模组中，LED在灯条PCB板上呈线性排列，两个LED灯之间有一定的间隙，从图1我们知道：LED并非均匀出光器件，它在一定出光角度（大约±50°）内光强最强，而其余出光角内的光强度很弱。综合以上两点原因，就使两颗LED之间的位置复合亮度低于0°出光角内的亮度，从而产生亮暗不均的现象。
2传统解决HotSpot方法
传统的HotSpot现象解决方法大体分为以下几种：
（1）在靠近光源的部分涂黑，把光吸收一部分；（2）Lightguide网点设计时，在光源入光处不设网点，减少对光的反射和折射；（3）在设计Lightguide网点时，光源入光处设计为锯齿状，这样可以增大光源的入射角，使光尽量不在入口处聚集成亮点，对暗区也会有所改善；（4）光源前方做得平整；（5）设计时尽量将LED的发光部位设计在导光板的中央处，避免入射光在导光板的上下表面形成亮点。
这些方法虽然可以解决一些HotSpot现象，但是在一些特殊的地方这些方法就显得力不从心了。比如，需要用螺钉固定LEDBAR时，在螺钉孔位置处、LEDBAR的两端处，如图2所示，虽然在这些区域专门更改网点的大小来减轻亮暗不均的现象，但仅仅这样效果仍然不够理想，还会出现HotSpot现象，如图3所示。因此，我们寻求了一种更好的方法———透镜式入光，来改善这种现象。
3透镜式入光消除HotSpot现象
3.1透镜式入光
所谓透镜式入光，就是在导光板入光侧对应LED的位置将导光板做成一个凹球面，这就相当于给导光板做了一个凹透镜，可以发散入射光线。
透镜式入光解决的原理为：凹入光面对入射光线可以起到分散作用，使入射到导光板介质内的光分散，从而使光在导光板入光侧均匀分布。通过图4、图5我们可以发现，平面式入光，光在导光板内汇聚，使两LED灯之间的位置没有足够的光线，容易产生HotSpot现象；透镜式入光会使入射的光线在导光板内发散，让光线均匀分布，从而有利于减轻HotSpot现象。
3.2透镜式入光消除HotSpot现象的具体做法
对于侧光式LED背光模组，在导光板入光面设计多个凹面，该多个凹球面对应各LED的位置，如图6所示。各凹球面的镜面凹陷度Z与孔径半径r的示意图如图7所示，其数学表达式为：
Z=ar21+1-a2（b+1）r2姨+c1r4+c2r6+c3r8+c4r10（1）
式中，a为曲率半径的倒数，c为r的各阶系数，b为圆锥系数。当c=0时，此式表示圆锥曲面，不同的b值代表不同的曲面，如图8所示。b=0时，代表一个圆；b<-1时，代表双曲线；b=-1时，代表抛物线；-1<b<0时，代表椭圆面；b>0时，代表横椭圆面。
3.3镜面凹陷度与散光效果的关系
在不同镜面凹陷度的情况下，镜面上每一点对应的法线方向会改变，但是入射到每一点的光线的方向不变，即：入射角会随镜面凹陷度的不同而改变，凹陷度越大对应的入射角就越大。根据折射率公式：n1sinα=n2sinβ，我们可以推算出，在入射光线相对LED角度不变的情况下，折射角不会随入射角的增加而增加。因此从整体上来看就是，镜面凹陷度越大，其对光线的发散效果越好。
结合LED的不同发光角度对应的光强的强弱，以及不同的镜面凹陷度对光的发散效果，就可以设计出我们所需要的凹球面。
当发光元件发出的光线穿过凹球面时，可对射到其上的光线进行扩散，由于凹球面对应各LED的位置，使用此结构就可以使入射到导光板的光线在入射面均匀分布，从而可以有效减轻HotSpot现象，其模拟效果如图9所示。
4结论
本文提出的方法———透镜式入光，可以有效减轻因网点设计不良而产生的HotSpot现象，可以节省设计者大量的精力，通过跟网点的配合很容易实现良好的主观效果，减少导光板板材的消耗，从而节省研发资金。但是这种方法也存在着一些不良，需要设计者有丰富的设计经验，生产需专业设备，制作成本高，生产效率低，技术工艺一般人不容易掌握。