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        用于超薄MiniLED 背光模組的光學(xué)膜設(shè)計

        2021-12-14 02:06:44馮奇斌肖慧麗呂國強(qiáng)
        光學(xué)精密工程 2021年11期
        關(guān)鍵詞:點光源背光微結(jié)構(gòu)

        馮奇斌,肖慧麗,楊 玲,朱 標(biāo),呂國強(qiáng)*

        (1. 合肥工業(yè)大學(xué)特種顯示與成像技術(shù)安徽省技術(shù)創(chuàng)新中心特種顯示技術(shù)國家工程實驗室光電技術(shù)研究院,安徽合肥230009;2. 合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽合肥230009;3. 合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽合肥230009;4. 安徽華東光電有限公司,安徽 蕪湖 241002)

        1 引 言

        液晶顯示已經(jīng)成為主流的平板顯示技術(shù)。由于液晶不發(fā)光,需要背光提供照明光線[1-4]。背光模組的亮度、色度、體積在很大程度上決定了最終顯示器的性能。顯示產(chǎn)品薄型化已經(jīng)成為流行趨勢,這就要求背光模組最大程度地減少厚度。發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)已經(jīng)是現(xiàn)在液晶顯示背光模組的主流發(fā)光光源。直下式背光模組通常包括多個LED,隨著LED芯片尺寸的增加,單顆LED 的功率不斷提高,LED 之間的間距越來越大,通常需要先通過二次透鏡將 LED 發(fā)出的光線進(jìn)行一定的擴(kuò)散[5-11],然后通過擴(kuò)散膜將光線進(jìn)一步打散,形成均勻的擴(kuò)展光源。LED 和擴(kuò)散膜之間的混光距離(Opti?cal Distance,OD)通常比較大,導(dǎo)致背光模組厚度較大。

        隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,LED 發(fā)光芯片的尺寸縮小到幾百微米,出現(xiàn)了MiniLED。MiniLED芯片尺寸小、發(fā)熱低,可以矩陣式密集排布在背光模組中。由于芯片之間的距離很小,可以大大降低混光距離,但將擴(kuò)散膜放置在距離芯片較近的距離時(1 mm 之內(nèi)),擴(kuò)散效果非常不明顯。文獻(xiàn)[12]雖然針對MiniLED 背光源設(shè)計了帶有表面微結(jié)構(gòu)的光學(xué)膜,但設(shè)計方法都是基于點光源,實際應(yīng)用于擴(kuò)展光源時,需要大量的優(yōu)化工作,而且要考慮單個芯片與對應(yīng)的光學(xué)膜微結(jié)構(gòu)之間的對準(zhǔn)問題,這對實際應(yīng)用造成很大困擾。

        本文針對超薄MiniLED 背光模組,提出一種針對擴(kuò)展光源設(shè)計光學(xué)膜微結(jié)構(gòu)的方法,基于全反射原理將擴(kuò)展光源離散為點光源,計算并累計所有點光源的返回能量,即為擴(kuò)展光源的返回能量,返回能量最大時得到微結(jié)構(gòu)形貌。由于設(shè)計的光學(xué)膜微結(jié)構(gòu)尺寸相對于MiniLED 芯片尺寸小很多倍,且微結(jié)構(gòu)是周期性排列,所以不需要考慮與芯片對準(zhǔn)的問題,并且可直接能夠在較近距離內(nèi)對光線進(jìn)行充分?jǐn)U散,具有較強(qiáng)的實用性。

        2 光學(xué)膜微結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.1 基于擴(kuò)散粒子的光學(xué)膜擴(kuò)散原理分析

        目前,LED 背光模組中使用的擴(kuò)散膜都是基于擴(kuò)散粒子的。光線進(jìn)入基板發(fā)生折射后再進(jìn)入擴(kuò)散層,通過擴(kuò)散粒子進(jìn)行擴(kuò)散[13]。為了驗證光學(xué)膜的擴(kuò)散效果,在光學(xué)設(shè)計仿真軟件Light?Tools 中建立 5×5 陣列的 MiniLED 背光模型,每個MiniLED 芯片的尺寸是0.254 mm×0.114 3 mm,間距是1.25 mm。仿真模型中還包括背光腔體,腔體內(nèi)表面屬性設(shè)置為高斯反射。Mini?LED 芯片組放置在背光腔體中。在OD=1 mm處不加擴(kuò)散膜和加擴(kuò)散膜的仿真效果如圖1 所示。可以看出,在OD=1 mm 的位置放置擴(kuò)散膜,雖然具有一定的擴(kuò)散作用,但依然可以看到多個獨(dú)立的MiniLED 光源,不能滿足均勻性要求。

        圖1 不加擴(kuò)散膜與加擴(kuò)散膜仿真亮度對比Fig.1 Comparison of simulated brightness without and with diffusion film

        2.2 基于折射透鏡的擴(kuò)散原理分析

        目前,LED 背光模組中對光線進(jìn)行擴(kuò)散的另外一個技術(shù)是二次透鏡。本文采用文獻(xiàn)[14]的設(shè)計方法為MiniLED 設(shè)計了雙自由曲面透鏡,透鏡高度為 0.5 mm,直徑為 1.2 mm,如圖 2(a)所示。圖2(b)和2(c)分別是在點光源和擴(kuò)展光源下照度分布的仿真結(jié)果。可以看出,基于點光源下設(shè)計的透鏡,照度在中心區(qū)域是均勻的,而在擴(kuò)展光源下照度是不均勻的,后期需要通過大量復(fù)雜的優(yōu)化工作[15-16]才能達(dá)到理想效果。

        圖2 雙自由曲面模型以及在點光源和擴(kuò)展光源下仿真的照度光柵圖Fig.2 Double freeform surface lens model and simulated illumination distribution under point source and surface source

        2.3 基于全反射的微結(jié)構(gòu)設(shè)計

        從上面的分析可以看出,采用對光線直接進(jìn)行擴(kuò)散的方法,在混光距離較?。ㄐ∮? mm)的情況下無法得到理想效果;采用雙自由曲面透鏡的方法,則后期需要大量的優(yōu)化工作,而且由于透鏡尺寸較小,曲面要求精度較高,加工難度較大。本文提出了一種基于全反射的設(shè)計方法,設(shè)計了一種微結(jié)構(gòu),將MiniLED 發(fā)出的大部分光線反射回?zé)舭?,再通過燈板上具有高漫反射率的漫反射膜將光線進(jìn)一步打散,并反射回液晶面板方向,從而降低光源正上方的能量,加強(qiáng)光源之間區(qū)域的能量,提升亮度均勻性。

        本文設(shè)計的用于全反射光線的二維初始微結(jié)構(gòu)為等腰三角形。微結(jié)構(gòu)將MiniLED 光源發(fā)出的光線進(jìn)行全反射,返回?zé)舭宓哪芰吭蕉?,光線擴(kuò)散效果越好,亮度均勻性提升越明顯。Mini?LED 發(fā)出的光線經(jīng)基板折射后傳播到微結(jié)構(gòu)底部,根據(jù)折射定律,微結(jié)構(gòu)底部對應(yīng)了視角收縮的擴(kuò)展光源,將擴(kuò)展光源離散成點光源。計算每個點光源受微結(jié)構(gòu)調(diào)控后全反射的能量,所有離散點光源返回能量的累加即為擴(kuò)展光源受微結(jié)構(gòu)調(diào)控返回的能量。能量最大時,對應(yīng)的傾角是微結(jié)構(gòu)的最佳傾角。光學(xué)元件尺寸與光源尺寸比值大于5 時,可將擴(kuò)展光源假設(shè)成點光源[17]。本文設(shè)計的二維微結(jié)構(gòu)的底邊寬度為20 μm,將微結(jié)構(gòu)對應(yīng)的擴(kuò)展光源離散成39 個點光源,每個點光源對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)尺寸滿足點光源假設(shè),如圖3 所示。由于微結(jié)構(gòu)是對稱的,底邊上的點光源相對于底邊中心對稱的另一點光源受微結(jié)構(gòu)的調(diào)控也是對稱的,所以只計算底邊對應(yīng)的擴(kuò)展光源的一半即可。

        圖3 擴(kuò)展光源離散成點光源Fig.3 Surface source discreted point source

        如圖 4 所示,A為微結(jié)構(gòu)底邊中心點,O是底邊一端點,對OA內(nèi)的點光源從左到右依次排序,設(shè)為i(i=1,2,…,20)。光線經(jīng)基板折射之后,根據(jù)折射定律(基板折射率n=1.49),發(fā)散角由(-70°,70°)變 為(-39.09°,39.09°),對(-39.09°,39.09°)內(nèi)的角度離散,即:

        圖4 光線經(jīng)兩斜邊全反射回?zé)舭宸较騀ig.4 Light reflected back to lamp board direction through both sides

        式中βj(j=1,2,…,155)為離散角。判斷以βj角度發(fā)出的光線是否打在近側(cè)斜邊并發(fā)生全反射,首先根據(jù)式(2)得到點光源與微結(jié)構(gòu)頂點之間線段與底邊法線的夾角γ。當(dāng)βj>γ時,光線打到近側(cè)斜邊。然后判斷光線在近側(cè)斜邊上的入射角αij與臨界角αc(αc=arcsin(1/n))的關(guān)系,根據(jù)幾何關(guān)系可得公式(3),當(dāng)αij>αc時光線發(fā)生全反射。

        光線在遠(yuǎn)側(cè)斜邊的入射角αij′>αc時,光線發(fā)生全反射,這條光線的能量計入返回能量Q中。根據(jù)幾何關(guān)系得出:

        在遠(yuǎn)側(cè)斜邊以水平方向出射的光線打到臨近的微結(jié)構(gòu)時,兩個相同的微結(jié)構(gòu)對這條光線的調(diào)控是對稱的,即通過臨近微結(jié)構(gòu)將光線全反射回?zé)舭?,水平出射光線的出射角為αL(幾何關(guān)系得出αL=90°-θ),如圖 5 所示。當(dāng)出射光線的出射角時,此光線會通過臨邊微結(jié)構(gòu)折射再全反射或直接折射回?zé)舭宸较颉8鶕?jù)斯涅爾定律可得:

        圖5 水平出射光線之下的光線通過臨邊微結(jié)構(gòu)全反射回?zé)舭宸较騀ig.5 Reflection of light under horizontal light back to lamp board through adjacent microstructure

        將OA內(nèi)所有的點光源進(jìn)行上述處理,累計所有離散點光源返回能量即為擴(kuò)展光源返回能量。擴(kuò)展光源返回能量會隨著微結(jié)構(gòu)傾角θ的變化而變化,其值最大時,對應(yīng)的θ為最佳角度。最終計算得出最佳角度θ=47.5°。

        3 全反射微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜的仿真和優(yōu)化

        用LightTools 將傾角為47.5°的二維三角形微結(jié)構(gòu)設(shè)計成三維的四棱錐微結(jié)構(gòu),陣列在0.2 mm 厚的基板上構(gòu)成微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜,如圖6(a)所示。微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜放置在間距為1.25 mm的5×5陣列MiniLED 燈源上表面,仿真結(jié)果如圖6(b)所示。對比圖1(a)不加微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜的仿真效果,光線幾乎沒有擴(kuò)散,亮度均勻性提升甚微。

        圖6 四棱錐微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜模型與光源加四棱錐微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜的亮度光柵圖Fig.6 Simulated model of four prismatic microstructures optical film and simulated brightness distribution of light source

        微結(jié)構(gòu)設(shè)置成四棱錐時,在一個方向上的光線調(diào)控情況如圖7(a)所示,在三維結(jié)構(gòu)中分析不同位置擴(kuò)展光源的二維垂直截面:在中心線的線光源S1 上對應(yīng)的調(diào)控垂直截面是完整的三角形,調(diào)控方式與圖4 和圖5 一致;前移的線光源S2對應(yīng)的調(diào)控垂直截面不再是完整的三角形,而是梯形;再前移的線光源S3 對應(yīng)的調(diào)控垂直截面是上底邊變長的梯形。對S3 光源的分析如圖7(b)所示,將S3 對應(yīng)的線光源離散成有限多個點光源,S3.1 對應(yīng)的光線受到梯形斜邊的調(diào)控會生成一部分循環(huán)光,S3.2 對應(yīng)的光線卻不再受梯形斜邊的調(diào)控,不能全反射光線。前移范圍越大,全反射能量越少。因此四棱錐不能充分調(diào)控光線,亮度均勻性提升甚微。

        圖7 四棱錐對光線的調(diào)控Fig.7 Modulation of light by four prismatic

        在上述分析的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計了傾角為47.5°的三棱柱微結(jié)構(gòu),在LightTools 中陣列三棱柱微結(jié)構(gòu)建立光學(xué)膜的模型,如圖8(a)所示。每個微結(jié)構(gòu)的周期是20 μm,相對比MiniLED 芯片尺寸(254 μm×114.3 μm),每個 MiniLED 對應(yīng)于多個微結(jié)構(gòu),故不存在兩者之間的對準(zhǔn)問題。由于一層膜只在一個方向上有調(diào)控作用,所以用三棱柱陣列方向相互垂直的雙層光學(xué)膜對水平和垂直兩個方向的光線進(jìn)行調(diào)控。將雙層光學(xué)膜直接貼在燈板上,仿真結(jié)果如圖8(b)所示,對比圖1(a)亮度均勻性明顯改善,亮度均勻性為79.9%(亮度最小值與最大值的比值)。

        圖8 微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜的模型以及亮度光柵圖Fig.8 Model of double-layer microstructure optical films and brightness distribution of light source

        為了進(jìn)一步提升均勻性,在雙層微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜上方OD=0.9 mm 位置再放一層0.1 mm 厚的擴(kuò)散膜,此時的亮度均勻性提升到89.2%,滿足OD=1 mm 的均勻性要求。

        4 全反射微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜的制備及測試

        根據(jù)仿真結(jié)果,使用海德堡公司的無掩膜光刻機(jī)MLA100 加工微結(jié)構(gòu),光刻流程如圖9 所示。通過激光共聚焦顯微鏡LSM700 檢測微結(jié)構(gòu)面形,檢測結(jié)果如圖10 所示。

        圖9 微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜的光刻流程Fig.9 Lithography process of microstructure optical film

        圖10 微結(jié)構(gòu)形貌Fig.10 Microstructures morphology

        MiniLED 背光模組如圖 11(a)所示。光刻出來的兩層光學(xué)膜放置在MiniLED 芯片上表面,0.1 mm 厚的擴(kuò)散膜放置OD=0.9 mm 位置,為了在一張燈板上展現(xiàn)不同情況下的光照,放置位置如圖 11(b)所示,可以劃分為 4 個區(qū)域:(A)區(qū)域是只有擴(kuò)散膜;(B)區(qū)域是雙層微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜加擴(kuò)散膜;(C)區(qū)域是雙層微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜;(D)區(qū)域是不加任何光學(xué)膜。燈板施加電壓,光照圖如圖11(c)所示,同時使用光學(xué)特性自動測量儀,用國軍標(biāo)的九點測量法測(B)、(C)區(qū)域的均勻性,如圖12 所示。測試結(jié)果如表1 所示,由表中數(shù)據(jù)可知(C)區(qū)域的亮度均勻性為79.6%,(B)區(qū)域的亮度均勻性為88.7%。

        圖11 燈板不同區(qū)域劃分及光照圖Fig.11 Division of lamp board and its illumination dia?gram

        圖12 九點測量法示意圖Fig.12 Schematic diagram of nine-point measurement method

        表1 九點測量法的測量結(jié)果Tab.1 Measured illumination data by nine-points method(nit)

        5 結(jié) 論

        本文基于全反射原理,針對MiniLED 背光模組超薄化和亮度均勻性要求,設(shè)計了一種微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜。與采用折射透鏡提升亮度均勻性的方法相比,本文方法省去了大量的后期優(yōu)化工作,亮度均勻性為89.2%,與只加擴(kuò)散膜的效果相比有明顯提升。本文基于全反射方法設(shè)計的微結(jié)構(gòu)光學(xué)膜,無需精確對準(zhǔn),設(shè)計方法簡單,具有較強(qiáng)的實用性。

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