余鸿昊; 贾丽丽; 李冬磊; 陈英; 刘硕; 杨贤; 王伯长; 周昊; 孙海威
【期刊名称】《《液晶与显示》》
【年(卷),期】2019(034)010
【总页数】10页(P959-968)
【关键词】光线控制; 光学设计; 一体化导光板; 背光模组 【作 者】余鸿昊; 贾丽丽; 李冬磊; 陈英; 刘硕; 杨贤; 王伯长; 周昊; 孙海威
【作者单位】北京京东方显示技术有限公司 北京100176
【正文语种】中 文
【中图分类】TN141.9
1 引 言
随着薄膜晶体管液晶显示(TFT-LCD)技术的不断成熟，亟待发展新方向去突破目前的瓶颈期，同时由于有机发光二极管(OLED)和微型发光二极管(Micro-LED)等新技术的冲击，减少膜材数量进行超薄化设计或在现有基础上增加新的应用功能是未来TFT-LCD显示产品应对市场冲击并突破自身技术壁垒的重要发展方向，因此集成多种膜材功能于一体的高亮度、轻薄化和低功耗背光模组(Backlight Module, BLM)越来越引起行业设计者和上下游企业的关注[1-2]。
目前常见的一体化背光膜材产品是将多张光学膜材贴合而成的复合膜，相比于独立的多张膜材叠加，复合膜厚度更薄，例如POP(Prism on Prism)、DPP(DBEF Prism and Prism)和DOP(Diffuser on Prism)等，相关产品已有一定市场化应用[3-4]。在侧入式背光系统中，导光板(Light Guide Plate, LGP)作为重要光学部品，其多功能集成的一体化设计也被广泛研究，早期一些研究者通过多层结构设计，使用低折射率胶水粘合形成一体化导光板[5-8]，主要有Yamada等人提出通过高低折射率微结构层的作用，使光线准直出射[5]；Ishida和Pan等人也分别设计了不同的多层折射率一体化结构，进一步提升背光模组出光效率[6-7]，但此类方案有诸多不足：(1)粘合可靠性较低；(2)高低折射率差异越大，出光效率越高，但低折射率材料较少；(3)不同折射率材料对不同波段的吸收系数和散系数不同，
差较大。由于上述缺陷，胶合型的一体化导光板难以满足实际使用要求。
另一方面，一些研究者直接在导光板表面设计微结构[9-13]，主要有Xu Ping等人提出使用二元光学理论在导光板上表面设计内凹微圆锥结构[9]，其后又使用微集成化结构设计微光学一体化导光板，并加工4.6 cm(1.8 in)样品[10]；Feng Di等人在导光板上表面设计微棱镜控光结构[11]；Wang Yi-Jun同时在导光板上表面和侧面设计微棱镜结构，增加设计自由度，但需要使用准直光源[12]，这些设计大多需要通过几何光学和迭代优化的计算严格设计结构参数，对结构精度和复杂度要求较高，但部分设计存在局限性和限制条件，受限于现有工艺水平，在实际加工中难度较大。 本文设计一种新型可控光的全微结构一体化导光板，背光模组中只有导光板一种光学部品，通过上下两种匹配化设计的导光和控光微结构，将匀化、增亮、导光、控光等功能集于一体，并且具体分析了每种微结构的作用和设计方法。然后对两种结构分别进行优化设计，并在背光仿真模型中测试亮度、亮度发光角和均一性等评价参数。最后将设计的14.5 cm(5.7 in)全微结构一体化背光模组与同尺寸的常规参考背光对比，得出结论：相对于传统多膜材背光模组，全微结构一体化背光模组在满足TCO(Swedish Federation of Profession
al Employees)认证测试标准的同时，还具有更薄厚度、更大视角、更高亮度和更高对比度等诸多优势。本文中全微结构背光模组是对TFT-LCD背光发展的积极探索，对未来液晶显示器的超薄化、极简化和节能化设计均具有重要意义。
2 全微结构一体化导光板的构成及光学原理
2.1 全微结构一体化导光板的构成
图1为全微结构一体化导光板结构示意图。它主要由渐变微棱镜下表面微结构、二次函数上表面微结构和反射镀层组成。
图1 全微结构一体化导光板结构示意图Fig.1 Structure diagram of all-micro-structure integrated LGP
其中渐变微棱镜下表面微结构通过一定规律的疏密排布沿Y方向优化设计，在实现画面均匀性的同时控制发光角度从导光板上表面正视角附近出射；与下表面微结构排布方向垂直的二次函数上表面微结构使用二次函数曲线拟合面型，Y向拉伸为类柱状透镜，并沿X方向等间距设计，该结构可以收缩X方向的发光角度来提升中心亮度，作用类似于棱镜片，此
外还可以通过分区光调制在侧入式背光模组中实现亮暗区域划分的背光照明，以提升显示模组的对比度，最后通过在下表面微结构上设计反射镀层，将从下表面微结构中折射出的光线回收利用，提升光效利用率。
2.2 全微结构一体化导光板工作原理
使用全微结构一体化导光板的液晶显示器基本工作原理如下所述：LED灯条发出的光线射入导光板内部，下表面无微结构时，光线在导光板内部发生全反射无法射出，因此通过下表面微结构设计，可以破坏光线的全反射特性，且由于反射镀层的作用，射到下表面的光线大部分被反射，通过微结构的疏密分布优化，经过微结构表面的反射光线从不同区域出射，最终形成一个均匀发光的面光源。本文所述一体化导光板微棱镜替代一般油墨或圆形结构的网点，可以在实现画面均匀性要求的同时，控制出射光角度，使发光角度正出射。然后，从导光板上表面正出射的光线经过二次函数设计的上表面微结构控制，将光线收拢汇聚，提升正视角亮度，由于二次函数上表面微结构是等间隔周期性分布，并且与每个侧入式LED匹配设计，因此可通过不同位置LED的开启和关闭实现一维的局部区域控光，进而提升对比度。
dtt使用浓度
光线传输过程如下所述，LED灯条发出的线光源经过导光板下表面镀有反射层的渐变微棱镜阵列导光结构后，形成正视角出射的大发光角度均匀面光源，然后面光源被导光板上表面等间距二次函数微阵列控光结构进一步调制，将大角度光线收缩，提升中心发光亮度，形成高亮度且满足产品测试标准的均匀性要求，此外，可通过侧入式背光源的开启和关闭结合上表面控光结构控制每一条形区域分区的亮暗，配合上方面板(Panel)的显示控制，实现更高对比度的显示模式。因此，全微结构一体化导光板需要实现的功能包括：(1)常规导光板的导光功能；(2)扩散片的视角调制匀化功能；(3)棱镜片的视角收缩增亮功能；(4)反射片的下表面出射光线反射回收利用功能；(5)另增加提升背光模组对比度的区域控光功能。
3 全微结构一体化导光板设计方法
3.1 导光板原理
如图2所示，若导光板下方无导光网点，则LED光源发出的光线从空气射入导光板内，将会发生全反射无法射出。原因如下：假设光源对称发光，则入射角为α，界面折射角为β，射出入射角为θ，由折射定律易得出[14]：
太阳能沼气
，
(1)
β+θ=90°.
(2)
以最大α角分析，取α=90°，此时β也应最大，由公式(1)计算得β= 42.15°，则根据公式(2)，最小的θ=90°-42.15°=47.85。根据全反射定律，由高折射率n2介质射出到低折射率n1介质时，则全反射临界角C如下所示：
.
黑刚玉磨料(3)
根据实际n1为空气，n2按照常规导光板材料设为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，分别带入n1和n2 ，则C=42.15°。
图2 无导光结构导光板光路示意图Fig.2 Framework of LGP without structure
由于最小的θ仍大于全反射临界角C，所以无网点分布时，进入导光板的全部光线均会发生反射，内部无光线折射射出，因此为了让光线出射上表面，需要使用不同折射率的散射材料或不同形状的微结构令导光板内部的光线非全反射出射。
图3 常规导光板光路示意图Fig.3 Framework of normal LGP
如图3所示，当光线射到网点上时可射出导光板，而非网点处的光线发生全反射导向后端。按一定规律疏密分布的网点构成导光层，网点密集处出光量多，大部分光线从上表面出射，网点稀疏处出光量少，大部分光线被导向后端，通过网点稀疏分布设计，可控制出射光线的亮度分布，最终获得均匀亮度出射的面光源，此即为导光板的设计原理。
3.2 渐变微棱镜导光结构设计
分别设计不同尺寸50，100，200，300，400 μm的不同渐变微棱镜子结构，并优化排布，比较当优化完成均匀性达到80%以上时的亮度，并做归一化处理，其结果如图4所示。
图4 微结构尺寸与归一化亮度的关系Fig.4 Relationship between micro-structuresize and normalized brightness
组培容器
可以看出当渐变微棱镜子结构底边长约200 μm，高度约150 μm时，按一定疏密分布规律在导光板下表面排布设计，此时亮度最高，渐变微棱镜下表面微结构子结构外形如图5所示。
图5 微棱镜子结构Fig.5 Micro-prism structure
常规圆形二维或三维网点的导光结构，光线于大角度附近出射，会造成部分光效损失，而角度匹配设计的渐变微棱镜子结构可控制光线沿上表面中心视角附近出射，大部分光线都能被利用，光效利用率明显提升。
图6 导光板出光角度Fig.6 View angle of LGP
此外由于导光板为透明材质，射向下表面微结构非全反射光线部分反射回上表面出射，而另一部分会直接从下表面折射，因此需要在导光板下表面镀反射层，减小下表面的漏损失，所以背光模组也无需使用反射片，结构进一步简化并减小厚度。常规网点设计的导光板与渐变微棱镜设计的导光板出光角度差异如图6所示，可明显看出二者差异。
3.3 二次函数控光结构设计
发热手套二次函数上表面微结构作为控光结构，设计方法是首先使用二次曲线在x-z平面拟合面型，面型沿y方向伸展，生成类柱状初始结构；然后使用光线优化，将发光角度进一步收缩，提升中心亮度；最后按一定规律设计周期阵列，将其在导光板上表面设计分布。x-z平面二次函数表达式如公式(4)所示。
，
(4)
其中:z代表微结构在每点x处的坐标，c代表曲率，k表示圆锥系数，α1和α2各阶项对应系数。
初始结构依照公式(4)设计，为方便加工及匹配，上表面微结构尺寸设计与下表面尺寸相当，上表面子结构底边长约为200 μm，高度约为38 μm，临近边缘处有明显的反曲率变化，得以在相邻子结构之间平滑过渡，子结构沿x方向等间距周期性排列构成类柱形阵列，其外形如图7所示。
图7 二次函数微子结构Fig.7 Quadric function micro-structure
优化前后的微子结构如图8所示，二次函数微结构可使光线均匀出射，并且将光线出射角度收缩，此外该结构没有一般棱镜结构的大角度漏光问题，因此在中心增亮的同时，光效利用率进一步提升。
