羅運(yùn)安，葉 蕓，郭太良，肖慈斌

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350016)

1 引 言

液晶顯示器件(LCD)作為目前平板顯示市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，具有工作電壓低、功耗小、分辨率高、抗干擾性好、大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)成熟、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，并且由于價(jià)格不斷降低，產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大[1]。由于液晶本身不會(huì)自發(fā)光，液晶顯示器是一種非主動(dòng)發(fā)光式顯示器，必須由外界提供光源才能達(dá)到顯示畫面的目的[2-3]。背光模組作為整個(gè)LCD顯示器件的光源提供者，其光學(xué)性能的優(yōu)劣會(huì)直接影響顯示器的顯示質(zhì)量[4-6]。隨著液晶顯示器件逐漸朝著高亮度化、薄型化、輕量化方向發(fā)展，背光模組也將迎來(lái)薄型化的變革[7-11]。徐平等為實(shí)現(xiàn)側(cè)入式背光模組的輕薄化，提出了一種集成化導(dǎo)光板下表面微棱鏡二維分布的設(shè)計(jì)[12]；曹保柱等同樣為滿足背光模組亮度高、發(fā)光均勻、厚度小的要求，確定了一種基于自由曲面函數(shù)的導(dǎo)光板底部微型槽結(jié)構(gòu)[13]；Joo等為實(shí)現(xiàn)背光模組的高亮度照明，通過(guò)提高導(dǎo)光板的光凝效率來(lái)提高背光模組的亮度[14]。但他們都是針對(duì)導(dǎo)光板的微結(jié)構(gòu)提出新的設(shè)計(jì)思路來(lái)進(jìn)行研究，沒(méi)有進(jìn)行過(guò)光學(xué)膜片對(duì)背光模組的亮度提升效果以及厚度減少方面的研究[15-16]。而桂詩(shī)信等也只僅僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同光學(xué)膜組合對(duì)TFT液晶顯示性能的影響[17]。光學(xué)膜片作為背光模組的關(guān)鍵組件，膜片厚度的減少，亮度的提升是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，將多層光學(xué)膜片復(fù)合化是目前的解決方案之一。

綜上所述，為了適應(yīng)液晶顯示器的輕薄、高亮的發(fā)展趨勢(shì)和需求，將光學(xué)膜片兩張以及兩張以上復(fù)合化，可以進(jìn)一步減少背光模組的成本和厚度，簡(jiǎn)化組裝的步驟。本文從背光模組的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用light tools軟件對(duì)背光模組和復(fù)合膜片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模仿真，探究了棱鏡頂角角度、棱鏡周期(Pitch)和棱峰刺入深度(D)對(duì)復(fù)合光學(xué)膜片的光學(xué)效果影響，并建立了多種不同架構(gòu)的光學(xué)膜片復(fù)合結(jié)構(gòu)，分析其亮度、均勻度、可視角對(duì)光學(xué)顯示畫面改善的特點(diǎn)，為未來(lái)的光學(xué)膜片的進(jìn)一步開發(fā)提供了借鑒。

2 背光模組結(jié)構(gòu)及光學(xué)膜片的搭配

背光模組通常由背板、背光光源(發(fā)光二極管LED 或者冷陰極熒光CCFL燈管)、反射膜片、導(dǎo)光板、擴(kuò)散膜片和棱鏡膜片以及外框等部件組成。如圖1所示，其工作的基本原理是將背光光源LED或者CCFL提供的點(diǎn)光源或線光源通過(guò)導(dǎo)光板和各層的光學(xué)膜片轉(zhuǎn)化成高亮度、高均勻性的面光源，從而使光源入射進(jìn)入液晶面板，達(dá)到畫面顯示的效果。光學(xué)膜片中按功能分類，主要可分為反射膜片類、擴(kuò)散膜片類和增亮膜片類。在液晶顯示器中，一般根據(jù)背光模組的光學(xué)需求，選擇搭配光學(xué)膜片的搭配方式，常見(jiàn)的有4-films 架構(gòu)，3-films 架構(gòu)和2-films架構(gòu)，如表1所示。

圖1 背光模組結(jié)構(gòu)

表1 光學(xué)膜片搭配結(jié)構(gòu)

從表1可以看出，上擴(kuò)散片的作用可以起到擴(kuò)大可視角度，改善品味，遮蔽瑕疵的效果，而下擴(kuò)散片則是可以遮蔽導(dǎo)光板上的網(wǎng)點(diǎn)，修正從導(dǎo)光板射出光線的出光角度，棱鏡片則可以起到聚光、提高亮度的作用，當(dāng)使用兩張棱鏡片的棱鏡條紋為相互垂直時(shí)可以大幅提高背光模組的輝度。從棱鏡z片的制成結(jié)構(gòu)可以看出，棱鏡片由下底面的PET基材與上表面的棱鏡微結(jié)構(gòu)組成，具體的聚光增亮結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 棱鏡結(jié)構(gòu)增亮原理

3 復(fù)合膜片軟件建模仿真因素分析

膜片的復(fù)合化是將兩張及以上的擴(kuò)散類膜片和增光類膜片貼合成一張，在減少厚度和操作工序的同時(shí)保證膜片的光學(xué)亮度及視角不會(huì)下降很多。由圖2的棱鏡結(jié)構(gòu)可知，棱鏡的聚光是利用光的折射和反射原理將全方位角度的光聚集成小角度的光束，從而提高軸向的輝度。其中棱鏡的頂角角度以及棱鏡周期是決定棱鏡膜片增光聚亮的關(guān)鍵因素，在膜片的復(fù)合過(guò)程中由于貼合膠層的存在會(huì)造成棱峰的缺失，為探究關(guān)鍵因素對(duì)復(fù)合膜片的影響，利用light tools軟件對(duì)棱峰的頂角角度、棱鏡周期以及棱峰的刺入深度D做出模擬分析。

3.1 棱鏡頂角角度，棱鏡周期和棱峰刺入深度對(duì)光學(xué)效果的影響

利用light tools仿真軟件建立L×W×H為100 mm×100 mm×2 mm的背光模組，背光光源顆數(shù)設(shè)置為5 pcs，單個(gè)LED的光通量設(shè)置為20 lm，分別將棱鏡膜的棱鏡頂角角度分別設(shè)置為70°，80°，90°，100°，110°，120°，模擬得到光學(xué)中心輝度和1/2中心輝度的水平全寬可視角度變化曲線，如圖3所示。

圖3 不同棱鏡頂角角度的中心輝度和可視角度變化曲線

從圖3可以看出，不同的棱鏡頂角角度對(duì)背光模組的中心輝度影響較大，隨著棱鏡頂角角度的增大，中心輝度先增大后降低，當(dāng)棱鏡頂角角度為90°時(shí)，光線在棱鏡中的反射折射利用率最大，使得光線按照預(yù)期的方向射出，中心輝度達(dá)到最大值；隨后頂角角度增大，棱峰四周角度的光線提拉作用不明顯，中心輝度反而在降低，但可視角度得到提高。因此可得到棱鏡的頂角角度是影響棱鏡片提高亮度的關(guān)鍵因素之一，權(quán)衡可視角度與輝度的平衡關(guān)系，以棱鏡頂角角度90°為最佳值。

為進(jìn)一步探究棱鏡周期對(duì)背光模組的影響規(guī)律，在以棱鏡頂角角度為90°的基礎(chǔ)上，分別將棱鏡周期設(shè)置為12，24，36，50，60，70 μm，得到中心輝度與1/2輝度的可視角變化曲線，如圖4所示。

圖4 不同棱鏡pitch中心輝度與可視角度變化曲線

從圖4可知，隨著棱鏡周期的不斷增大，棱鏡對(duì)四周光線的折射反射利用率減少，光線大部分損耗掉了，使得棱鏡片的聚光能力逐步下降，中心輝度不斷降低；周期增大的同時(shí)棱鏡的密度減少，對(duì)光線的收集作用下降，則其他可視角度的輝度得到提升。從以上研究可知，棱鏡周期與棱鏡頂角角度是影響棱鏡片光效的兩個(gè)關(guān)鍵因素，也是膜片在復(fù)合過(guò)程中必須解決的關(guān)鍵因素；在兩張或兩張以上的膜片復(fù)合時(shí)，由于粘膠劑在棱鏡峰的上表面會(huì)形成一層膠合層，棱鏡峰在黏合的同時(shí)會(huì)進(jìn)入膠合層，造成棱鏡峰的損失，將其稱為復(fù)合過(guò)程中的刺入深度(D)，為了探究刺入深度對(duì)光學(xué)效果的影響，利用light tools軟件對(duì)DOP復(fù)合膜進(jìn)行模擬仿真，控制變量，將棱鏡頂角角度設(shè)置90°，棱鏡周期為50 μm，得到刺入深度對(duì)中心輝度影響變化的數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2的數(shù)據(jù)可以得到，隨著棱峰高度的逐漸減少即刺入深度的增大，其中心輝度在刺入深度為1～2 μm時(shí)變化不明顯，對(duì)光學(xué)效果的影響較小，當(dāng)棱峰損失較為嚴(yán)重時(shí)，中心輝度下降得比較明顯。由此可見(jiàn)，當(dāng)兩張以及兩張以上的光學(xué)膜片進(jìn)行復(fù)合時(shí)，棱峰刺入深度是直接影響復(fù)合光學(xué)膜片效果的關(guān)鍵因素。為了較好地減輕刺入深度對(duì)光學(xué)輝度的影響，對(duì)膜片表面的棱鏡結(jié)構(gòu)采取了一高一低或者是一高兩低的交替結(jié)構(gòu)，使得一部分低的棱峰不至于損耗太多，可將輝度提升3%～4%。

表2 刺入深度與中心輝度變化比率

Tab.2 Pierced depth and the centered variation luminance ratio

刺入深度/μm中心輝度/(cd·m-2)變化比率/%04752.1-14752.1024752.1034645.6-2.244456.9-6.253974.7-16.363254.1-31.5

3.2 不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合光學(xué)膜片仿真

以中小型液晶顯示器為例，液晶顯示器整機(jī)的亮度約為200～350 cd/m2，超過(guò)這個(gè)亮度范圍會(huì)造成眼睛的損傷和不適。本文對(duì)2合1結(jié)構(gòu)的DOP(上擴(kuò)散片復(fù)合上棱鏡片)、POP(上棱鏡片復(fù)合下棱鏡片)、COP(DBEF復(fù)合棱鏡片)和3合1結(jié)構(gòu)的COPP(COP復(fù)合下棱鏡片)、COPD(COP復(fù)合上擴(kuò)散片)、DPP(上擴(kuò)散片復(fù)合上下棱鏡片)復(fù)合結(jié)構(gòu)利用light tools建模展開研究，分別對(duì)中心亮度、九點(diǎn)均勻度和可視角度方面分析。創(chuàng)建4-films架構(gòu)的L×W×H為100 mm×100 mm×2 mm，背光光源為5 pcs，單顆亮度為20 lm的背光模組為對(duì)比，其中包含膠框、反射片、導(dǎo)光板、擴(kuò)散片，添加空間亮度計(jì)和角度亮度計(jì)，分別對(duì)COP、DOP等復(fù)合光學(xué)膜片建模，控制變量因素，其中反射片材料設(shè)置為PMMA，類型為均勻，反射表面光學(xué)屬性設(shè)置為Smooth_1，其余表面光學(xué)屬性設(shè)置為Mirror。擴(kuò)散片材質(zhì)設(shè)置為air_USER,折射率性質(zhì)設(shè)置為L(zhǎng)aurent折射率，折射率系數(shù)A0=1.000，A1～A5皆設(shè)置為0.000，擴(kuò)散片上表面區(qū)域設(shè)置為Scatter，其余各表面為Transmitting；棱鏡基層材料選用3MsubsLayerMat,折射率設(shè)置為1.667，棱鏡選用3MPrismLayerMat，折射率為1.59，基層與棱鏡層的各個(gè)表面光學(xué)屬性均設(shè)置為Smooth Optical，設(shè)置棱鏡頂角角度為90°，棱鏡周期為24 μm，棱峰的刺入深度為3 μm，模擬得到表3的結(jié)果和圖5的空間亮度分布和可視角分布圖。

表3 不同復(fù)合結(jié)構(gòu)膜片的顯示效果

圖5 (a)空間亮度分布圖；(b)角度亮度分布圖。

由表3的仿真結(jié)論結(jié)合各復(fù)合膜的圖5展開分析，DOP復(fù)合結(jié)構(gòu)由于棱峰的受損，相較于4-films結(jié)構(gòu)，其中心輝度有所下降，均勻性沒(méi)有較大變化，但可視角度由于擴(kuò)散片的直接復(fù)合有所提高，于其他復(fù)合膜片結(jié)構(gòu)相比，增亮的性能較差，可視角良好。POP復(fù)合結(jié)構(gòu)是雙棱鏡膜的復(fù)合，具有優(yōu)異的增光聚亮的效果，對(duì)于中心亮度的提升較為明顯，但對(duì)可視角的限制較大，搭配上擴(kuò)散片方能達(dá)到較好的視角。COP復(fù)合結(jié)構(gòu)搭配上擴(kuò)散片能較好地提高光學(xué)的均勻度，光效的利用率高，但由于上擴(kuò)散片的擴(kuò)散效果使得其中心亮度提升不明顯。COPD較于COP結(jié)構(gòu)其輝度均勻度有較大提高。COPP復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)輝度的提升效果最為明顯，相較于其他的復(fù)合結(jié)構(gòu)，中心亮度是最高的，但提升輝度的同時(shí)，均勻度明顯不如COPD結(jié)構(gòu)。DPP復(fù)合結(jié)構(gòu)由于上擴(kuò)散片的存在，其輝度提升不明顯，在均勻度和可視角方面較為良好。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)合光學(xué)膜片仿真的正確性，采用60 cm(23.6 in)的側(cè)入式結(jié)構(gòu)液晶顯示器背光模組進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。以鐵背板、LED燈條、反射片、導(dǎo)光板、下擴(kuò)散片、下棱鏡膜片、上棱鏡片中框等組裝成背光模組作為3-films架構(gòu)的基礎(chǔ)對(duì)比，點(diǎn)亮后利用光學(xué)分析儀器測(cè)試中心輝度，9點(diǎn)均勻度以及品味分析。以激智科技的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)COP、POP作為對(duì)比，通過(guò)顯微鏡觀察POP、COP，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，分別組裝成模組點(diǎn)亮分析，驗(yàn)證。9點(diǎn)均勻測(cè)試方法如圖7所示，測(cè)得其數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖6 POP(a)和COP(b)顯微結(jié)構(gòu)圖

圖7 (a)9點(diǎn)均勻度測(cè)試點(diǎn)位；(b)BM-7光學(xué)分析儀。

圖8 9點(diǎn)測(cè)試亮度值

光從背光模組射出進(jìn)入液晶LCD模組，到達(dá)LCD表面大約只剩背光模組的4%～5%，對(duì)背光模組的光學(xué)亮度以及亮度均勻度要求很高，評(píng)估背光模組的9點(diǎn)均勻度的測(cè)試方法如公式(1)所示，得到3種背光模組中心亮度以及均勻度如表4所示。

(1)

表4 中心亮度以及均勻度數(shù)據(jù)

從表4的數(shù)據(jù)可知，3-films、POP和COP的3種背光模組結(jié)構(gòu)中，COP復(fù)合結(jié)構(gòu)的中心亮度最高，均勻度也高；POP與3-films結(jié)構(gòu)相比，其中心亮度有所提升，但均勻度由于棱鏡的聚光作用而有所下降,與之前的仿真結(jié)論相一致。

5 結(jié) 論

通過(guò)light tools模擬仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，說(shuō)明了棱鏡的頂角角度，棱鏡周期和棱峰的刺入深度對(duì)光學(xué)復(fù)合膜片的影響，得到棱鏡頂角角度以90°為光學(xué)效果最佳，總結(jié)了棱鏡周期的最佳合適值范圍為24～60 μm，對(duì)刺入深度對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)光學(xué)膜片光學(xué)效果的影響做出了分析。通過(guò)對(duì)各復(fù)合結(jié)構(gòu)的模擬仿真，從中心輝度、均勻度和可視角等因素，分析總結(jié)了各復(fù)合結(jié)構(gòu)的光學(xué)改善特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，均勻度均大于80%，高于背光模組開發(fā)的最低均勻度并為實(shí)際的背光模組開發(fā)提供了參考。