LED用于LCD背光照明分為主要用于中、小型設(shè)備的edge lighting和用于大面積設(shè)備,，如LCD-TV的direct lighting,。
1、Edge Lighting
Edge lighting的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示
圖1
LED發(fā)出的光線經(jīng)由導(dǎo)光板(Light Guide Plate)的光學(xué)作用向上出射成面光源,，再經(jīng)由擴(kuò)散板（Diffuser Plate）,、增光膜（BEF）在LCD面板處形成亮度與顏色均勻分布的光斑,。
擴(kuò)散板可以增加光線分布的均勻性，增光膜可以將光線集中到正面一定角度內(nèi),，提高正面輝度,，但過度使用擴(kuò)散板、增光膜會(huì)增加光線損耗,，降低總體光效,，而且擴(kuò)散板、增光膜已被專利壟斷,，成本較高,，所以，通過光學(xué)設(shè)計(jì)增加導(dǎo)光板直接出光的均勻度是側(cè)下式背光設(shè)計(jì)的重點(diǎn),。
前端的光學(xué)設(shè)計(jì)主要分為：（1）LED光線耦合到導(dǎo)光板內(nèi)的設(shè)計(jì)（2）導(dǎo)光板的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 LED與導(dǎo)光板的光線耦合
?。?）直接耦合
結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,，一般來說,，直接耦合可以提高LED出光進(jìn)入導(dǎo)光板的效率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，但同時(shí),，在進(jìn)入導(dǎo)光板前RGB三色光線未充分混合，可能導(dǎo)致最終出光的顏色均勻性不好,，尤其對(duì)于光線在導(dǎo)光板內(nèi)光程較短的結(jié)構(gòu),。
圖2
（2）間接耦合
結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示,。間接耦合的優(yōu)點(diǎn)有二：（1）在光線進(jìn)入導(dǎo)光板之前進(jìn)行散射,、霧化,，提高均勻性（2）充分混色
圖3
Lumileds的一種具體的間接耦合結(jié)構(gòu)如圖4所示：
圖4
圖中③為混色波導(dǎo)，②④為耦合透鏡,，其結(jié)構(gòu)為圓錐曲面,，以減小兩次耦合過程中的光損失。實(shí)物圖如圖5所示,。
圖5
?。?）使用自由曲面反射鏡的耦合結(jié)構(gòu)
為充分提高LED光線在進(jìn)入導(dǎo)光板前的均勻性，一些設(shè)計(jì)運(yùn)用了自由曲面反射鏡,，如圖6所示,。
圖6
圖中紅色為L(zhǎng)ED光源，常規(guī)的側(cè)下式光源排布為一LED陣列,，應(yīng)用了自由曲面反射鏡后,，LED光源可以只排布在LED Uniform. Light guide的兩側(cè)甚至一側(cè)。圖7示意了一種LED uniform. lightguide的具體形式
圖7
應(yīng)用自由曲面的耦合設(shè)計(jì)可以提高進(jìn)入導(dǎo)光板的光線的均勻性,，同時(shí)減小系統(tǒng)體積,。
1.2 導(dǎo)光板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.2.1 導(dǎo)光板底部結(jié)構(gòu)
導(dǎo)光板通過底部的結(jié)構(gòu)將側(cè)面入射的光線反射到正面出光，從CCFL光源到LED光源,，導(dǎo)光板有多種光學(xué)結(jié)構(gòu),，舉例說明：
（1）網(wǎng)點(diǎn)印刷結(jié)構(gòu),。通過在導(dǎo)光板底部印刷的散射網(wǎng)點(diǎn)改變側(cè)邊入射光線的方向,，網(wǎng)點(diǎn)的分布依據(jù)一定的分布理論，一般來說,，離光源越遠(yuǎn),，網(wǎng)點(diǎn)分布越密。
?。?）微棱鏡結(jié)構(gòu)
?。?）V型槽結(jié)構(gòu)。如圖8所示,，應(yīng)用邊界光線條件,，每個(gè)V型槽與目標(biāo)面的區(qū)域一一對(duì)應(yīng)。
圖8
?。?）漸變折射率聚合物材料,。應(yīng)用漸變折射率材料作用光波導(dǎo)反射光線，可做到導(dǎo)光板一次成型,。
1.2.2 導(dǎo)光板外形設(shè)計(jì)
除了底部結(jié)構(gòu),，導(dǎo)光板外形也可以有多種結(jié)構(gòu)，如圖9的楔形結(jié)構(gòu),，甚至圖10 的非球面曲面結(jié)構(gòu),。
圖9
圖10
側(cè)下式背光設(shè)計(jì)應(yīng)綜合運(yùn)用以上各種結(jié)構(gòu),，以提高光效，照度均勻度和顏色均勻度,。
2 Direct Lighting
直下式相比于側(cè)下式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，沒有導(dǎo)光板，可以在大尺寸背光源上得到很好的照度均勻度,，但同時(shí)由于混光距離短,，顏色均勻度不易控制；而且直下式的厚度一般來說大于側(cè)下式,，總體光效也不如側(cè)下式,，耗用的LED總數(shù)要多一些，在中小尺寸設(shè)備中,，直下式的優(yōu)勢(shì)不明顯,。
直下式背光的基本結(jié)構(gòu)如圖11所示
圖11
（1）若把LED視為點(diǎn)光源,，從圖12可以得出目標(biāo)面均勻照度的條件為L(zhǎng)ED的發(fā)光強(qiáng)度
圖12
即尋找一種上述配光的LED,。一種比較簡(jiǎn)單的思路是使用與上述配光相近的蝙蝠翼配光的LED，然后調(diào)節(jié)h與反射腔壁的參數(shù),，模擬目標(biāo)面的照度,、顏色分布。目前國(guó)內(nèi)已有人做過上述工作,，理論均勻度尚未達(dá)到85%,。
（2）Lumileds的背光產(chǎn)品
這是市面上最常見的LED直下式背光模組,，如圖13所示,，在腔體底部放置兩個(gè)RGB LED陣列，頂部放置擴(kuò)散板,、BEF等光學(xué)膜,。
圖13
每個(gè)LED陣列采用G-B-R-G的的排布，如圖14所示,，兩列共24個(gè)單元陣列,。
圖14
單顆LED采用Lumileds為直下式LED背光源新設(shè)計(jì)的側(cè)邊出光結(jié)構(gòu)，相比蝙蝠翼配光水平方向出光的比例更高,。單顆LED示意圖和光強(qiáng)空間分布分別如圖15和圖16所示,。
圖15
圖16
對(duì)于這種結(jié)構(gòu),，臺(tái)灣大學(xué)做過逆向模擬,，未加擴(kuò)散板、增光膜的時(shí)候照度,、色彩均勻度都有不錯(cuò)的表現(xiàn),，但仍存在燈影現(xiàn)象,。
（3）優(yōu)化的Lumileds背光結(jié)構(gòu)
臺(tái)灣大學(xué)在Lumileds背光產(chǎn)品的基礎(chǔ)上做出了優(yōu)化,，如將兩列LED改為三列,，在反射腔底部做出V型槽結(jié)構(gòu)減小燈影等，基本思路與Lumileds產(chǎn)品大體一致,。
?。?）微透鏡結(jié)構(gòu)
在LED光源前整體放置一微透鏡陣列改變配光，如圖17所示,，虛線為放置微透鏡陣列前的配光曲線,，實(shí)線為放置微透鏡陣列后的。相比于改變單個(gè)LED的配光,，整體放置微透鏡陣列對(duì)光線的控制力度減弱,，且有可能增加背光板的厚度。GLT公司已為微透鏡陣列技術(shù)申請(qǐng)專利,。
圖17
?。?）使用ASP的背光源
可以使用我們自己的ASP LED光源，照度均勻度和總體光效預(yù)期可以達(dá)到很好的水平,，重點(diǎn)問題是顏色均勻性和整體厚度,。
目前計(jì)劃是先逆向模擬已有的幾種直下式LED背光源，發(fā)現(xiàn)他們的問題所在,，然后使用ASP光源設(shè)計(jì)一種背光結(jié)構(gòu),，顏色均勻性若不能達(dá)到要求可以考慮引入一種針對(duì)直下式的混光波導(dǎo)。