背光模組LED側(cè)照明微棱鏡膜的研究

季振強(qiáng)，董連和，王 麗，吳博琦，尹 航

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

1 引 言

在液晶顯示器側(cè)式照明背光模組中，通常使用多顆LED光源按照線性排列方式分布在導(dǎo)光板的一側(cè)或者多側(cè)[1-2]提供照明。由于LED點(diǎn)光源本身的發(fā)光角度[3]及相鄰LED之間距離的因素，在相鄰光源混光區(qū)之外產(chǎn)生明顯亮暗相間的非混光區(qū)[4]，減少導(dǎo)光板照明面上有效顯示區(qū)域的面積。通常情況下，當(dāng)手機(jī)顯示屏尺寸為1～2 in(1 in=2.54 cm)時(shí)，非混光區(qū)的寬度約為2.5 mm，顯示屏尺寸為4 in時(shí)非混光區(qū)寬度可達(dá)4 mm[5]。

目前，減小側(cè)照明非混光區(qū)的方法主要是采用增加LED排布密度或是增大LED與導(dǎo)光板入光面之間的間距[6]，或者是在LED光源一側(cè)添加橢圓形或楔形等形狀的光線反射結(jié)構(gòu)[7-9]，以及直接在導(dǎo)光板入光面上加工陣列曲面結(jié)構(gòu)[10-11]等。另外，周羲君等提出在導(dǎo)光板入光面上貼附棱鏡結(jié)構(gòu)膜片的方法以實(shí)現(xiàn)勻光，降低了液晶顯示器自身的功率損耗[12]。本文應(yīng)用相應(yīng)光學(xué)原理，設(shè)計(jì)了一種微棱鏡膜，在不改變相鄰LED間距及LED與入光面之間空氣層厚度的情況下，將微棱鏡膜貼附在導(dǎo)光板入光面上，以達(dá)到減小導(dǎo)光板照明面近光源處的非混光區(qū)，最終實(shí)現(xiàn)增加導(dǎo)光板照明面有效顯示區(qū)域面積。

2 棱鏡膜設(shè)計(jì)

微棱鏡膜是指表面具有微米或納米量級(jí)尺寸的棱鏡陣列結(jié)構(gòu)的透明薄膜，可以使入射光線經(jīng)過(guò)微棱鏡膜后以預(yù)期的角度出射，不同的棱鏡頂角會(huì)產(chǎn)生不同的光出射角度，同時(shí)，使用點(diǎn)光源照射微棱鏡膜時(shí)，不同角度的入射光也會(huì)產(chǎn)生不同的光發(fā)散角，如圖1所示。

圖1 光線通過(guò)棱鏡時(shí)光傳播路線Fig.1 Path of incoming light through the prism

圖1中，當(dāng)光以任意角度入射到棱鏡面上時(shí)，設(shè)α為棱鏡頂角，θ1為棱鏡斜面光入射角，θ2為光折射角，δ為光線通過(guò)棱鏡AB斜面后的發(fā)散角半角度，η為AC面上反射光線的發(fā)散角半角度。當(dāng)入射光線與水平線的夾角為θ時(shí)，棱鏡斜面光入射角度為θ1=θ-α/2，根據(jù)光線折射定律n1sinθ1=n2sinθ2，光折射角度θ2為:

(1)

由幾何光學(xué)原理，棱鏡AB面上光發(fā)散角半角度δ為:

(2)

棱鏡AC面上的發(fā)散角半角度η值為:

(3)

當(dāng)入射光線不與AC面接觸時(shí)光線的發(fā)散角度最大，此時(shí)可以視為δ=η，則α與θ2滿足:

(4)

由(4)式和(1)式可得:

(5)

即:

(6)

同時(shí)，由(4)式和(2)式可得:

δ=α/2.

(7)

棱鏡膜PMMA材料的折射率為n2=1.49，空氣折射率n1≈1，根由式(6)和式(7)分別可得棱鏡頂角α與光發(fā)散角半角度δ以及入射光線與水平面夾角θ的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 棱鏡頂角α與光發(fā)散角半角度δ以及入射光線與水平面夾角θ的關(guān)系Fig.2 Relationship about the apex angle δ,the optical divergence half angle θ and the angle between the incident ray and the horizontal plane α

圖2中，當(dāng)入射光線與水平線夾角θ為10°時(shí)，棱鏡頂角α為120°，此時(shí)光發(fā)散角半角度δ最大為60°；夾角θ為78°時(shí)，頂角α為60°，光發(fā)散角半角度δ為30°。本文選擇的LED光源的出射光線與水平線夾角θ最小為30°，由此關(guān)系曲線可得對(duì)應(yīng)的棱鏡頂角α約為105°，光發(fā)散角半角度δ為52.5°。

利用Lighttools對(duì)背光模組中導(dǎo)光板入光面上貼附微棱鏡膜前后的光發(fā)散角度進(jìn)行模擬，微棱鏡膜中棱鏡間隔為50 μm。選取4.4 in彩色液晶顯示屏手機(jī)背光模組為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該背光模組中相鄰LED之間的間距為8.25 mm，LED與導(dǎo)光板距離為0.5 mm，導(dǎo)光板厚度為2 mm，導(dǎo)光板照明面上近光源處非混光區(qū)寬度約為4mm。模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 棱鏡頂角對(duì)LED發(fā)光的光發(fā)散角的影響Fig.3 Impact of prism apexangle on the emission angle of LED

圖3中黑色區(qū)域表示入射光線的分布區(qū)域，δ1、δ2、δ3為導(dǎo)光板入光面法線與入射光線最邊緣光線的夾角，分別代表導(dǎo)光板入光面無(wú)微棱鏡膜以及棱鏡頂角為100°、105°、和110°時(shí)，LED出射光線進(jìn)入導(dǎo)光板后的發(fā)散角半角度。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，光發(fā)散角的半角度δ1值為35°，δ2值為45°，δ3值為51°，δ4值為48°，結(jié)果表明棱鏡頂角為105°時(shí)，光線的發(fā)散角度最大，這與理論分析的結(jié)果相一致。

3 實(shí) 驗(yàn)

利用熱壓印技術(shù)[13-14]在PMMA薄膜上形成棱鏡頂角為105°，周期為50 μm，深度為19 μm的微棱鏡膜，在高倍光學(xué)顯微鏡下，觀察微棱鏡膜中棱鏡陣列的平面和剖面結(jié)構(gòu)如圖4所示，從圖中可以看出棱鏡陣列規(guī)整，具有較好的一致性，棱鏡表面光滑，滿足使用要求。

圖4 微棱鏡膜中棱鏡陣列結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the prism array on micro-prism film micro-prism film

利用JL-6180粘結(jié)專用膠將PMMA微棱鏡膜緊貼在背光模組中導(dǎo)光板的入光面上，使棱鏡膜中的棱鏡排列方向垂直于光源線性排列方向，分別對(duì)導(dǎo)光板入光面有無(wú)微棱鏡膜時(shí)的發(fā)光情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)果與討論

為了減小外部環(huán)境光線的影響，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程選擇在黑暗環(huán)境中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)得到導(dǎo)光板照明面的亮度如圖5所示，由圖5(a)中可以看出，無(wú)棱鏡膜時(shí)，在近光源處有明顯的亮暗分布且非混光區(qū)寬度較大。圖5(b)顯示貼附棱鏡膜后，近光源處亮度分布均勻，非混光區(qū)明顯減小。

圖5 導(dǎo)光板照明面近光源處光亮度Fig.5 Illumination brightness on the lighting surface of the light guide plate near the source

利用光照度計(jì)對(duì)導(dǎo)光板照明面上的光照度值進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖6所示，X軸表示測(cè)量點(diǎn)與導(dǎo)光板中心處的距離，Y軸表示測(cè)量所得到的光照度值。曲線1與曲線2分別表示無(wú)棱鏡膜和貼附微棱鏡膜時(shí)的照明面光照度曲線。對(duì)比兩條曲線可以看出，添加微棱鏡膜后，有效照明面積寬度由原來(lái)39 mm處增加到41 mm處。同時(shí)，由照明面光照度分布可以看出，導(dǎo)光板入光面添加微棱鏡膜前后，照明面上的光照度均勻性也提高了2%左右。

圖6 導(dǎo)光板照明面的光照度分布Fig.6 Illuminating distribution on the lighting surface of the light guide plate

5 結(jié) 論

具有陣列棱鏡結(jié)構(gòu)的微棱鏡膜可以增加入射光線的出射角度，在不改變LED排布間距及LED與導(dǎo)光板入光面距離的情況下，背光模組導(dǎo)光板入光面上加入微棱鏡膜后，可以使照明面上近光源處非混光區(qū)面積明顯減少，并且提高照明面的光照度均勻性。研究結(jié)果表明，當(dāng)LED間距為8.25 mm，LED與導(dǎo)光板入光面距離0.5 mm時(shí)，加入棱鏡頂角為105°的微棱鏡膜后，可以將非混光的寬度由4 mm減小至約2 mm，并且導(dǎo)光板照明面光照度也相應(yīng)提高2%左右，有效地增加了混光區(qū)域的面積。

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