余鴻昊，賈麗麗，李冬磊，陳 英，劉 碩，楊 賢，王伯長，周 昊，孫海威

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京 100176)

1 引 言

隨著薄膜晶體管液晶顯示(TFT-LCD)技術(shù)的不斷成熟，亟待發(fā)展新方向去突破目前的瓶頸期，同時(shí)由于有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)和微型發(fā)光二極管(Micro-LED)等新技術(shù)的沖擊，減少膜材數(shù)量進(jìn)行超薄化設(shè)計(jì)或在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加新的應(yīng)用功能是未來TFT-LCD顯示產(chǎn)品應(yīng)對(duì)市場(chǎng)沖擊并突破自身技術(shù)壁壘的重要發(fā)展方向，因此集成多種膜材功能于一體的高亮度、輕薄化和低功耗背光模組(Backlight Module, BLM)越來越引起行業(yè)設(shè)計(jì)者和上下游企業(yè)的關(guān)注[1-2]。

目前常見的一體化背光膜材產(chǎn)品是將多張光學(xué)膜材貼合而成的復(fù)合膜，相比于獨(dú)立的多張膜材疊加，復(fù)合膜厚度更薄，例如POP(Prism on Prism)、DPP(DBEF Prism and Prism)和DOP(Diffuser on Prism)等，相關(guān)產(chǎn)品已有一定市場(chǎng)化應(yīng)用[3-4]。在側(cè)入式背光系統(tǒng)中，導(dǎo)光板(Light Guide Plate, LGP)作為重要光學(xué)部品，其多功能集成的一體化設(shè)計(jì)也被廣泛研究，早期一些研究者通過多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用低折射率膠水粘合形成一體化導(dǎo)光板[5-8]，主要有Yamada等人提出通過高低折射率微結(jié)構(gòu)層的作用，使光線準(zhǔn)直出射[5]；Ishida和Pan等人也分別設(shè)計(jì)了不同的多層折射率一體化結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升背光模組出光效率[6-7]，但此類方案有諸多不足：(1)粘合可靠性較低；(2)高低折射率差異越大，出光效率越高，但低折射率材料較少；(3)不同折射率材料對(duì)不同波段的吸收系數(shù)和色散系數(shù)不同，色差較大。由于上述缺陷，膠合型的一體化導(dǎo)光板難以滿足實(shí)際使用要求。

另一方面，一些研究者直接在導(dǎo)光板表面設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)[9-13]，主要有Xu Ping等人提出使用二元光學(xué)理論在導(dǎo)光板上表面設(shè)計(jì)內(nèi)凹微圓錐結(jié)構(gòu)[9]，其后又使用微集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)微光學(xué)一體化導(dǎo)光板，并加工4.6 cm(1.8 in)樣品[10]；Feng Di等人在導(dǎo)光板上表面設(shè)計(jì)微棱鏡控光結(jié)構(gòu)[11]；Wang Yi-Jun同時(shí)在導(dǎo)光板上表面和側(cè)面設(shè)計(jì)微棱鏡結(jié)構(gòu)，增加設(shè)計(jì)自由度，但需要使用準(zhǔn)直光源[12]，這些設(shè)計(jì)大多需要通過幾何光學(xué)和迭代優(yōu)化的計(jì)算嚴(yán)格設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)精度和復(fù)雜度要求較高，但部分設(shè)計(jì)存在局限性和限制條件，受限于現(xiàn)有工藝水平，在實(shí)際加工中難度較大。

本文設(shè)計(jì)一種新型可控光的全微結(jié)構(gòu)一體化導(dǎo)光板，背光模組中只有導(dǎo)光板一種光學(xué)部品，通過上下兩種匹配化設(shè)計(jì)的導(dǎo)光和控光微結(jié)構(gòu)，將勻化、增亮、導(dǎo)光、控光等功能集于一體，并且具體分析了每種微結(jié)構(gòu)的作用和設(shè)計(jì)方法。然后對(duì)兩種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在背光仿真模型中測(cè)試亮度、亮度發(fā)光角和均一性等評(píng)價(jià)參數(shù)。最后將設(shè)計(jì)的14.5 cm(5.7 in)全微結(jié)構(gòu)一體化背光模組與同尺寸的常規(guī)參考背光對(duì)比，得出結(jié)論：相對(duì)于傳統(tǒng)多膜材背光模組，全微結(jié)構(gòu)一體化背光模組在滿足TCO(Swedish Federation of Professional Employees)認(rèn)證測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，還具有更薄厚度、更大視角、更高亮度和更高對(duì)比度等諸多優(yōu)勢(shì)。本文中全微結(jié)構(gòu)背光模組是對(duì)TFT-LCD背光發(fā)展的積極探索，對(duì)未來液晶顯示器的超薄化、極簡化和節(jié)能化設(shè)計(jì)均具有重要意義。

2 全微結(jié)構(gòu)一體化導(dǎo)光板的構(gòu)成及光學(xué)原理

2.1 全微結(jié)構(gòu)一體化導(dǎo)光板的構(gòu)成

圖1為全微結(jié)構(gòu)一體化導(dǎo)光板結(jié)構(gòu)示意圖。它主要由漸變微棱鏡下表面微結(jié)構(gòu)、二次函數(shù)上表面微結(jié)構(gòu)和反射鍍層組成。

圖1 全微結(jié)構(gòu)一體化導(dǎo)光板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of all-micro-structure integrated LGP

其中漸變微棱鏡下表面微結(jié)構(gòu)通過一定規(guī)律的疏密排布沿Y方向優(yōu)化設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)畫面均勻性的同時(shí)控制發(fā)光角度從導(dǎo)光板上表面正視角附近出射；與下表面微結(jié)構(gòu)排布方向垂直的二次函數(shù)上表面微結(jié)構(gòu)使用二次函數(shù)曲線擬合面型，Y向拉伸為類柱狀透鏡，并沿X方向等間距設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)可以收縮X方向的發(fā)光角度來提升中心亮度，作用類似于棱鏡片，此外還可以通過分區(qū)光調(diào)制在側(cè)入式背光模組中實(shí)現(xiàn)亮暗區(qū)域劃分的背光照明，以提升顯示模組的對(duì)比度，最后通過在下表面微結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)反射鍍層，將從下表面微結(jié)構(gòu)中折射出的光線回收利用，提升光效利用率。

2.2 全微結(jié)構(gòu)一體化導(dǎo)光板工作原理

使用全微結(jié)構(gòu)一體化導(dǎo)光板的液晶顯示器基本工作原理如下所述：LED燈條發(fā)出的光線射入導(dǎo)光板內(nèi)部，下表面無微結(jié)構(gòu)時(shí)，光線在導(dǎo)光板內(nèi)部發(fā)生全反射無法射出，因此通過下表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以破壞光線的全反射特性，且由于反射鍍層的作用，射到下表面的光線大部分被反射，通過微結(jié)構(gòu)的疏密分布優(yōu)化，經(jīng)過微結(jié)構(gòu)表面的反射光線從不同區(qū)域出射，最終形成一個(gè)均勻發(fā)光的面光源。本文所述一體化導(dǎo)光板微棱鏡替代一般油墨或圓形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)點(diǎn)，可以在實(shí)現(xiàn)畫面均勻性要求的同時(shí)，控制出射光角度，使發(fā)光角度正出射。然后，從導(dǎo)光板上表面正出射的光線經(jīng)過二次函數(shù)設(shè)計(jì)的上表面微結(jié)構(gòu)控制，將光線收攏匯聚，提升正視角亮度，由于二次函數(shù)上表面微結(jié)構(gòu)是等間隔周期性分布，并且與每個(gè)側(cè)入式LED匹配設(shè)計(jì)，因此可通過不同位置LED的開啟和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)一維的局部區(qū)域控光，進(jìn)而提升對(duì)比度。

光線傳輸過程如下所述，LED燈條發(fā)出的線光源經(jīng)過導(dǎo)光板下表面鍍有反射層的漸變微棱鏡陣列導(dǎo)光結(jié)構(gòu)后，形成正視角出射的大發(fā)光角度均勻面光源，然后面光源被導(dǎo)光板上表面等間距二次函數(shù)微陣列控光結(jié)構(gòu)進(jìn)一步調(diào)制，將大角度光線收縮，提升中心發(fā)光亮度，形成高亮度且滿足產(chǎn)品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的均勻性要求，此外，可通過側(cè)入式背光源的開啟和關(guān)閉結(jié)合上表面控光結(jié)構(gòu)控制每一條形區(qū)域分區(qū)的亮暗，配合上方面板(Panel)的顯示控制，實(shí)現(xiàn)更高對(duì)比度的顯示模式。因此，全微結(jié)構(gòu)一體化導(dǎo)光板需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：(1)常規(guī)導(dǎo)光板的導(dǎo)光功能；(2)擴(kuò)散片的視角調(diào)制勻化功能；(3)棱鏡片的視角收縮增亮功能；(4)反射片的下表面出射光線反射回收利用功能；(5)另增加提升背光模組對(duì)比度的區(qū)域控光功能。

3 全微結(jié)構(gòu)一體化導(dǎo)光板設(shè)計(jì)方法

3.1 導(dǎo)光板原理

如圖2所示，若導(dǎo)光板下方無導(dǎo)光網(wǎng)點(diǎn)，則LED光源發(fā)出的光線從空氣射入導(dǎo)光板內(nèi)，將會(huì)發(fā)生全反射無法射出。原因如下：假設(shè)光源對(duì)稱發(fā)光，則入射角為α，界面折射角為β，射出入射角為θ，由折射定律易得出[14]：

(1)

β+θ=90°.

(2)

以最大α角分析，取α=90°，此時(shí)β也應(yīng)最大，由公式(1)計(jì)算得β= 42.15°，則根據(jù)公式(2)，最小的θ=90°-42.15°=47.85。根據(jù)全反射定律，由高折射率n2介質(zhì)射出到低折射率n1介質(zhì)時(shí)，則全反射臨界角C如下所示：

(3)

根據(jù)實(shí)際n1為空氣，n2按照常規(guī)導(dǎo)光板材料設(shè)為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，分別帶入n1和n2，則C=42.15°。

圖2 無導(dǎo)光結(jié)構(gòu)導(dǎo)光板光路示意圖Fig.2 Framework of LGP without structure

由于最小的θ仍大于全反射臨界角C，所以無網(wǎng)點(diǎn)分布時(shí)，進(jìn)入導(dǎo)光板的全部光線均會(huì)發(fā)生反射，內(nèi)部無光線折射射出，因此為了讓光線出射上表面，需要使用不同折射率的散射材料或不同形狀的微結(jié)構(gòu)令導(dǎo)光板內(nèi)部的光線非全反射出射。

圖3 常規(guī)導(dǎo)光板光路示意圖Fig.3 Framework of normal LGP

如圖3所示，當(dāng)光線射到網(wǎng)點(diǎn)上時(shí)可射出導(dǎo)光板，而非網(wǎng)點(diǎn)處的光線發(fā)生全反射導(dǎo)向后端。按一定規(guī)律疏密分布的網(wǎng)點(diǎn)構(gòu)成導(dǎo)光層，網(wǎng)點(diǎn)密集處出光量多，大部分光線從上表面出射，網(wǎng)點(diǎn)稀疏處出光量少，大部分光線被導(dǎo)向后端，通過網(wǎng)點(diǎn)稀疏分布設(shè)計(jì)，可控制出射光線的亮度分布，最終獲得均勻亮度出射的面光源，此即為導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)原理。

3.2 漸變微棱鏡導(dǎo)光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分別設(shè)計(jì)不同尺寸50，100，200，300，400 μm的不同漸變微棱鏡子結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化排布，比較當(dāng)優(yōu)化完成均勻性達(dá)到80%以上時(shí)的亮度，并做歸一化處理，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 微結(jié)構(gòu)尺寸與歸一化亮度的關(guān)系Fig.4 Relationship between micro-structuresize and normalized brightness

可以看出當(dāng)漸變微棱鏡子結(jié)構(gòu)底邊長約200 μm，高度約150 μm時(shí)，按一定疏密分布規(guī)律在導(dǎo)光板下表面排布設(shè)計(jì)，此時(shí)亮度最高，漸變微棱鏡下表面微結(jié)構(gòu)子結(jié)構(gòu)外形如圖5所示。

圖5 微棱鏡子結(jié)構(gòu)Fig.5 Micro-prism structure

常規(guī)圓形二維或三維網(wǎng)點(diǎn)的導(dǎo)光結(jié)構(gòu)，光線于大角度附近出射，會(huì)造成部分光效損失，而角度匹配設(shè)計(jì)的漸變微棱鏡子結(jié)構(gòu)可控制光線沿上表面中心視角附近出射，大部分光線都能被利用，光效利用率明顯提升。

圖6 導(dǎo)光板出光角度Fig.6 View angle of LGP

此外由于導(dǎo)光板為透明材質(zhì)，射向下表面微結(jié)構(gòu)非全反射光線部分反射回上表面出射，而另一部分會(huì)直接從下表面折射，因此需要在導(dǎo)光板下表面鍍反射層，減小下表面的漏損失，所以背光模組也無需使用反射片，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化并減小厚度。常規(guī)網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)的導(dǎo)光板與漸變微棱鏡設(shè)計(jì)的導(dǎo)光板出光角度差異如圖6所示，可明顯看出二者差異。

3.3 二次函數(shù)控光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二次函數(shù)上表面微結(jié)構(gòu)作為控光結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)方法是首先使用二次曲線在x-z平面擬合面型，面型沿y方向伸展，生成類柱狀初始結(jié)構(gòu)；然后使用光線優(yōu)化，將發(fā)光角度進(jìn)一步收縮，提升中心亮度；最后按一定規(guī)律設(shè)計(jì)周期陣列，將其在導(dǎo)光板上表面設(shè)計(jì)分布。x-z平面二次函數(shù)表達(dá)式如公式(4)所示。

(4)

其中:z代表微結(jié)構(gòu)在每點(diǎn)x處的坐標(biāo)，c代表曲率，k表示圓錐系數(shù)，α1和α2各階項(xiàng)對(duì)應(yīng)系數(shù)。

初始結(jié)構(gòu)依照公式(4)設(shè)計(jì)，為方便加工及匹配，上表面微結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)與下表面尺寸相當(dāng)，上表面子結(jié)構(gòu)底邊長約為200 μm，高度約為38 μm，臨近邊緣處有明顯的反曲率變化，得以在相鄰子結(jié)構(gòu)之間平滑過渡，子結(jié)構(gòu)沿x方向等間距周期性排列構(gòu)成類柱形陣列，其外形如圖7所示。

圖7 二次函數(shù)微子結(jié)構(gòu)Fig.7 Quadric function micro-structure

優(yōu)化前后的微子結(jié)構(gòu)如圖8所示，二次函數(shù)微結(jié)構(gòu)可使光線均勻出射，并且將光線出射角度收縮，此外該結(jié)構(gòu)沒有一般棱鏡結(jié)構(gòu)的大角度漏光問題，因此在中心增亮的同時(shí)，光效利用率進(jìn)一步提升。

圖8 二次函數(shù)微結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Quadric function micro-structure model

3.4 全微結(jié)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)

上下表面微結(jié)構(gòu)尺寸相當(dāng)，因此二者分布應(yīng)匹配化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路為首先固定上表面二次函數(shù)控光結(jié)構(gòu)等間距分布，如圖9所示。

圖9 全微結(jié)構(gòu)一體化導(dǎo)光板上表面 Fig.9 Top surface of all-micro-structure integrated LGP

然后對(duì)下表面微棱鏡導(dǎo)光微結(jié)構(gòu)進(jìn)行y方向漸變優(yōu)化，其分布規(guī)律類似于一般網(wǎng)點(diǎn)，入光側(cè)密度低，出光側(cè)密度高，使其優(yōu)化后的分布結(jié)構(gòu)與上表面微結(jié)構(gòu)互相匹配，間距優(yōu)化使用二階貝塞爾函數(shù)，其表達(dá)式如公式(5)所示。

B(t)=(1-t)2P0+2t(1-t)y+t2P1，

(5)

其中:t∈[0,1]，P0和P2表示導(dǎo)光板在y方向上的上下邊界，y作為優(yōu)化變量。優(yōu)化后的全微結(jié)構(gòu)一體化導(dǎo)光板下表面如圖10所示。

圖10 全微結(jié)構(gòu)一體化導(dǎo)光板下表面Fig.10 Bottom surface of all-micro-structure integrated LGP

其中，上表面控光結(jié)構(gòu)排布方向與下表面導(dǎo)光微結(jié)構(gòu)排布方向垂直，且需相互匹配，可在滿足光學(xué)均勻性的同時(shí)，收縮兩個(gè)方向的發(fā)光角度，進(jìn)而提升中心亮度。

上下表面微結(jié)構(gòu)具備可加工性，二者分布互相垂直，且尺寸相當(dāng)，實(shí)際加工時(shí)均可采用注塑成型工藝，首先使用激光刻蝕方法加工高精度上下表面微結(jié)構(gòu)模具，而后將兩個(gè)模具對(duì)位組裝，通過在模具中注塑原料一次成型，為保證上下表面微結(jié)構(gòu)對(duì)齊匹配，需在實(shí)際加工時(shí)預(yù)先定標(biāo)，通過定位標(biāo)志使上下兩個(gè)模具匹配后再進(jìn)行注塑成型加工。

建立全微結(jié)構(gòu)一體化背光模型，亮度及發(fā)光角度仿真結(jié)果如圖11和圖12所示，中心亮度14 481 cd/m2，九點(diǎn)光學(xué)均勻性可達(dá)80%以上，發(fā)光角度在X和Y方向均有明顯收縮。

一體化背光模組能在更大視角獲得更高亮度，是因?yàn)橐惑w化背光模組相比常規(guī)背光模組具有更高的光效，其原因有二：(1)常規(guī)背光模組中有多種光學(xué)膜材，光學(xué)膜材自身的透過率會(huì)導(dǎo)致部分光效的損失，而一體化背光模組中沒有其他光學(xué)膜材，因此其材料層自身的出光效率要高于常規(guī)導(dǎo)光板；(2)常規(guī)背光模組中光線從常規(guī)導(dǎo)光板的偏離中心的大角度出射，后續(xù)還經(jīng)歷了擴(kuò)散片勻化和棱鏡片收縮視角的作用，由于經(jīng)過擴(kuò)散片勻化后在水平和垂直兩個(gè)方向視角都會(huì)變大，因此需要使用兩張棱鏡片將兩個(gè)方向視角收縮，由于棱鏡結(jié)構(gòu)的作用，其中部分大角度光能量會(huì)損失，而一體化背光模組中光線在導(dǎo)光板內(nèi)已由下表面微棱鏡陣列將垂直發(fā)光角度收縮，并沿中心視角附近射出導(dǎo)光板，然后由上表面微結(jié)構(gòu)陣列收縮水平視角，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向視角的收縮，因此其大角度損失的光能量要低于常規(guī)背光模組。

圖11 空間亮度分布Fig.11 Distribution of spatial luminance

圖12 發(fā)光角亮度分布Fig.12 Distribution of angular luminance

等間距周期排列的二次曲面控光結(jié)構(gòu)除可收縮發(fā)光角度，以提升中心亮度外，還可以實(shí)現(xiàn)側(cè)入式背光模組的一維分區(qū)域照明，即根據(jù)顯示圖像的差異控制不同區(qū)域背光的亮暗，使暗圖像區(qū)域更暗，亮圖像區(qū)域更亮，將背光的分區(qū)照明與面板的分區(qū)顯示通過算法結(jié)合，可以將面板本身的對(duì)比度進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)更高對(duì)比度的高動(dòng)態(tài)范圍顯示。

如圖13所示，每個(gè)子區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)矩形面積，通過不同位置LED的開啟和關(guān)閉，控制每個(gè)區(qū)域的亮暗，LED數(shù)量越多，區(qū)域劃分越密，通過這種背光照明方式，用于TFT-LCD液晶面板，可以實(shí)現(xiàn)更高動(dòng)態(tài)范圍對(duì)比度的顯示。

圖13 單燈區(qū)域空間亮度分布Fig.13 Single LED distribution of spatial luminance

4 實(shí)際模型仿真及對(duì)比

4.1 樣品測(cè)試實(shí)驗(yàn)

選用14.5 cm(5.7 in)(65.4 mm×130.15 mm)手機(jī)背光模組作為實(shí)驗(yàn)樣品，其主要用于評(píng)判仿真模型的準(zhǔn)確性。背光厚度為0.9 mm(其中導(dǎo)光板厚度0.5 mm)，單燈光通量為8.5 lm，側(cè)入式燈條共14顆燈，膜材架構(gòu)由上至下分別為底反射片、導(dǎo)光板、下棱鏡片、上棱鏡片和上擴(kuò)散片的常規(guī)架構(gòu)，樣品測(cè)試實(shí)驗(yàn)外觀及點(diǎn)亮畫面如圖14所示。

圖14 14.5 cm(5.7 in)常規(guī)架構(gòu)背光模組Fig.14 14.5 cm(5.7 in)normal BLM

測(cè)試內(nèi)容主要包括九點(diǎn)空間亮度均勻性和發(fā)光角亮度。九點(diǎn)空間亮度均勻性使用亮度計(jì)測(cè)試，測(cè)試方法如圖15所示，將發(fā)光表面分割為9個(gè)測(cè)試區(qū)域，其中編號(hào)1, 3, 7, 9四個(gè)邊角位置的測(cè)試點(diǎn)分別與上下邊界成1°夾角，編號(hào)2, 4, 6, 8四個(gè)中間測(cè)試點(diǎn)邊緣與邊界夾角也為1°，最后測(cè)試點(diǎn)5在正中心位置測(cè)試。測(cè)試九點(diǎn)亮度值，即可根據(jù)公式(6)計(jì)算均勻性：

(6)

其中：LSLU表示空間亮度均勻性，Lmin和Lmax分別表示測(cè)試九點(diǎn)中亮度的最小值和最大值。實(shí)測(cè)九點(diǎn)空間亮度均勻性為88.17%，測(cè)試中心亮度為12 290 cd/m2。

圖15 空間亮度均勻性測(cè)試Fig.15 Measurement for the spatial luminance uniformity

發(fā)光角亮度同樣使用亮度計(jì)，測(cè)試方法如圖16所示，選取同一測(cè)試點(diǎn)位置(中心點(diǎn))，在水平和垂直方向分別測(cè)試，水平方向測(cè)試角度記為θL和θR，垂直方向測(cè)試角度記為ФL和ФR，水平和垂直方向測(cè)試范圍均為[0°, 90°]，參考顯示產(chǎn)品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，中心0°視角亮度最高，以亮度下降至0°視角亮度的30%作為發(fā)光視角。實(shí)測(cè)水平視角55.43°，垂直視角53.41°，大視角下觀察背光亮度下降明顯。

圖16 發(fā)光角亮度測(cè)試Fig.16 Measurement for the angular luminance

4.2 實(shí)際模型仿真

圖17 機(jī)械光學(xué)背光參考模型Fig.17 Mechanical and optical BLM reference model

根據(jù)4.1中實(shí)際樣品參數(shù)設(shè)計(jì)背光仿真模型，其中導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)三維結(jié)構(gòu)及排布規(guī)律通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表格文件導(dǎo)入，棱鏡片、棱鏡層和基底層通過實(shí)測(cè)微結(jié)構(gòu)的尺寸和折射率導(dǎo)入，擴(kuò)散片及反射片通過實(shí)測(cè)樣品的雙向散射分布函數(shù)(BSDF)導(dǎo)入，將所有膜材部品參數(shù)單獨(dú)建模后，設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)樣品參數(shù)一致的參考背光模型。機(jī)械光學(xué)仿真模型如圖17所示。

參考模型的測(cè)試評(píng)價(jià)方式與實(shí)際測(cè)試儀器參數(shù)匹配，其中空間亮度均勻性測(cè)試的模擬依照實(shí)際樣品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，選取與實(shí)驗(yàn)背光樣品相同位置的9個(gè)測(cè)試區(qū)域，仿真設(shè)置的亮度計(jì)測(cè)試面積與每個(gè)測(cè)試點(diǎn)面積相等，選擇1×1測(cè)試網(wǎng)格。發(fā)光角亮度測(cè)試的模擬同樣與實(shí)際樣品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)匹配，選擇中心點(diǎn)測(cè)試區(qū)域面積作為角亮度測(cè)試面積設(shè)置探測(cè)器，將中心0°峰值亮度的30%作為截止視角。按照實(shí)驗(yàn)樣品參數(shù)進(jìn)行參考模型仿真，使用上述測(cè)試方法對(duì)參考模型進(jìn)行光學(xué)評(píng)價(jià)，其各項(xiàng)光學(xué)指標(biāo)均勻?qū)嶒?yàn)樣品一致，誤差均在5%以內(nèi)，可說明參考模型與實(shí)驗(yàn)樣品匹配，因此參考模型各項(xiàng)光學(xué)指標(biāo)可作為評(píng)價(jià)一體化背光模型光學(xué)性能的參照依據(jù)。

4.3 全微結(jié)構(gòu)一體化背光模型仿真及對(duì)比

根據(jù)前述導(dǎo)光板設(shè)計(jì)方法仿真與實(shí)際參考產(chǎn)品尺寸相同的14.5 cm(5.7 in)全微結(jié)構(gòu)一體化背光模型，整個(gè)背光模組中只有導(dǎo)光板一種光學(xué)部品，去除了擴(kuò)散片、棱鏡片和反射片等膜材，在降低材料成本的同時(shí)大大簡化了組裝工序，同時(shí)相比于常規(guī)背光模組厚度也有明顯減小，常規(guī)背光與一體化背光在X和Y方向的光學(xué)部品組成如圖18所示。

二者設(shè)計(jì)規(guī)格對(duì)比如表1所示，其中尺寸、燈數(shù)、燈條的輸入光通量和導(dǎo)光板材料等參數(shù)都相同，不同之處在于參考模型除使用一般導(dǎo)光板外，還包括增亮膜、擴(kuò)散片和反射片的膜材架構(gòu)，而一體化背光模型中僅有一張全微結(jié)構(gòu)一體化導(dǎo)光板。

按設(shè)計(jì)規(guī)格分別設(shè)計(jì)參考背光模型和一體化背光模型，然后參照實(shí)際測(cè)試儀器設(shè)置亮度計(jì)參數(shù)，探測(cè)器工作距離1 m，入瞳直徑為30 mm，測(cè)試半錐角為0.5°。

(a)常規(guī)背光模組光學(xué)部品組成(a) Optical parts of normal BLM

(b)一體化背光模組光學(xué)部品組成(b) Optical parts of integrated BLM

序號(hào)設(shè)計(jì)參數(shù)參考模型一體化模型1尺寸/mm65.4×130.15×0.965.4×130.15×0.52燈數(shù)/EA14143光通量/lm8.75×148.75×144導(dǎo)光板材料PMMAPMMA5導(dǎo)光板上表面無二次函數(shù)微結(jié)構(gòu)陣列(底邊200μm,高度38μm)6導(dǎo)光板下表面三維圓形網(wǎng)點(diǎn)(直徑40μm,高度3μm)漸變微棱鏡陣列(底邊200μm,高度150μm)7增亮膜兩張正交棱鏡片無8擴(kuò)散片上擴(kuò)散無9反射片銀反射片下表面鍍銀

最后使用4.1節(jié)所述測(cè)試方法進(jìn)行亮度、均勻性和發(fā)光角度等模型性能的光學(xué)評(píng)價(jià)，相關(guān)評(píng)價(jià)對(duì)比如表2所示。

表2 兩種模型光學(xué)評(píng)價(jià)對(duì)比Tab.2 Comparison of optical evaluation of two models

從表2可以看出，本文所設(shè)計(jì)的一體化背光模組在滿足實(shí)際背光產(chǎn)品的均勻性要求前提下，其相比于常規(guī)背光模組，不僅架構(gòu)簡單、外觀超薄，而且光效利用率、中心亮度、水平垂直發(fā)光視角等光學(xué)表現(xiàn)均有明顯提升。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)未來液晶顯示模組超薄化、極簡化、高亮度和低功耗等要求，提出了一種基于全微結(jié)構(gòu)的新型一體化導(dǎo)光板設(shè)計(jì)方法，并介紹了導(dǎo)光和控光微結(jié)構(gòu)組成和工作原理，說明這種全微結(jié)構(gòu)一體化導(dǎo)光板集成了多種光學(xué)膜材功能，并簡化了背光模組架構(gòu)。然后研究了一體化導(dǎo)光板上下表面微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的全微結(jié)構(gòu)一體化背光模組。最后，將一款14.5 cm(5.7 in)實(shí)際產(chǎn)品背光模組的常規(guī)架構(gòu)光學(xué)模型作為參考模型，首先驗(yàn)證了參考模型與實(shí)測(cè)樣品的一致性，然后將相同尺寸的一體化背光模型與參考模型對(duì)比，通過與實(shí)測(cè)樣品相同的光學(xué)評(píng)價(jià)方法，進(jìn)一步證明了一體化背光模組的優(yōu)勢(shì)，其厚度為0.5 mm，中心亮度14 481 cd/m2，出光效率76.5%，水平發(fā)光角度64.63°，垂直發(fā)光角度70.25°，相比于常規(guī)背光模組，其外觀結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能均有明顯提升，同時(shí)可以利用其一維區(qū)域控光調(diào)制功能實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度顯示，滿足未來顯示產(chǎn)品超薄化、極簡化、大視角、高亮度、高對(duì)比度等要求。