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。