背光源導(dǎo)光結(jié)構(gòu)仿真模型及其光學(xué)特性研究

徐 勝，徐玉珍，陳恩果，郭太良

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背光源導(dǎo)光結(jié)構(gòu)仿真模型及其光學(xué)特性研究

徐 勝，徐玉珍，陳恩果，郭太良

( 福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福州350002 )

本文研究了側(cè)入式LED背光源導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的仿真及現(xiàn)實(shí)因素對(duì)背光源出光效果的影響。首先分析了導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的主要功能、特性以及相關(guān)理論基礎(chǔ)；之后針對(duì)其出光特性提出一種簡(jiǎn)化而準(zhǔn)確的仿真模型；最后結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，重點(diǎn)分析了LED光源與導(dǎo)光板的結(jié)構(gòu)匹配，導(dǎo)光板薄形化處理，以及網(wǎng)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵因素變化對(duì)背光源出光效果的影響，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該研究對(duì)導(dǎo)光板的結(jié)構(gòu)參數(shù)提出了合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，對(duì)生產(chǎn)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

顯示技術(shù)；背光源；導(dǎo)光結(jié)構(gòu)；仿真模型；光學(xué)特性

0 引 言

液晶顯示器件(LCD)是一種非自發(fā)光顯示器，它需要從底部入射的均勻面光源為其進(jìn)行照明。背光模組作為L(zhǎng)CD光源的提供者，其性能的好壞直接影響顯示器的顯像質(zhì)量[1-3]。早期的背光源多以輻射較強(qiáng)、非環(huán)保的直管熒光燈作為驅(qū)動(dòng)光源，自2009年發(fā)光二極管(LED)被廣泛應(yīng)用于背光模組起，背光模組朝著輕薄化邁進(jìn)了一大步，直到現(xiàn)在，薄形化仍然是國(guó)內(nèi)、外廠家不斷追求的目標(biāo)[4-6]。然而，LED僅僅是線光源形式，需要通過(guò)介質(zhì)傳播使之成為均勻面光源。作為背光模組中光線傳播的重要媒介，包括LED燈條和導(dǎo)光板在內(nèi)的導(dǎo)光結(jié)構(gòu)，其外形結(jié)構(gòu)，參數(shù)匹配以及網(wǎng)點(diǎn)排布、材料屬性等決定了背光源的可視區(qū)域亮度、均勻性及光效等關(guān)鍵性能指標(biāo)[7-9]。導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)降低制作成本，提高顯像品質(zhì)有重要作用。當(dāng)前，大量的研究集中在背光模組的新結(jié)構(gòu)、新方法或某項(xiàng)具體指標(biāo)上面，對(duì)導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性優(yōu)化分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證較少。包括眾多廠家在內(nèi)，對(duì)導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵指標(biāo)的獲取通常是以經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行判斷?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中，也缺少一種簡(jiǎn)化導(dǎo)光結(jié)構(gòu)模型和準(zhǔn)確指導(dǎo)分析的判斷方法[10-12]。一個(gè)準(zhǔn)確的簡(jiǎn)化導(dǎo)光結(jié)構(gòu)模型，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的關(guān)鍵影響的仿真分析，不僅可以降低設(shè)計(jì)者的優(yōu)化難度，更能為實(shí)際生產(chǎn)提供有效依據(jù)。

基于以上分析，本文以工廠實(shí)際生產(chǎn)的常用液晶背光模組為藍(lán)本，從背光模組的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過(guò)理論計(jì)算、光學(xué)仿真和實(shí)際驗(yàn)證的方法，提出了LED背光模組導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型，探求LED背光模組導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)匹配關(guān)系，以及網(wǎng)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要參數(shù)選擇，從而獲得對(duì)生產(chǎn)有實(shí)際指導(dǎo)意義的薄形化LED背光模組導(dǎo)光結(jié)構(gòu)。

圖1 簡(jiǎn)化背光模組示意圖

1 背光源中導(dǎo)光結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型的建立

LED背光模組主要包括：反射片、導(dǎo)光板、擴(kuò)散膜，增亮膜以及LED光源。因此，可以建立導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型如圖1(a)所示，包括導(dǎo)光板主體、LED光源、擴(kuò)散器和接收器四個(gè)部分。建模過(guò)程中，添加光學(xué)實(shí)體和添加表面屬性以及建立表面光源屬性是三個(gè)主要工作。

光學(xué)實(shí)體的添加需要參照各個(gè)光學(xué)元件的具體位置。如果該位置產(chǎn)生了偏差，則會(huì)影響分析結(jié)果和仿真的準(zhǔn)確性，其中影響較大的是光源接收面與導(dǎo)光板出光面的距離和接收面的大小。一般在光學(xué)仿真軟件 Tracepro分析普通照明的過(guò)程中，接收面與分析出光對(duì)象之間的距離很遠(yuǎn)(>1 000 mm)，但是在本研究中，為了更準(zhǔn)確的分析導(dǎo)光板的出光效果，在一系列測(cè)試之后，設(shè)置導(dǎo)光板出光面與接收面的距離為1.8 mm，因此導(dǎo)光板的出射光分布不會(huì)因距離而發(fā)生變化。

對(duì)導(dǎo)光結(jié)構(gòu)各部分的光學(xué)材料屬性的設(shè)置要盡可能準(zhǔn)確。光學(xué)元件的材料及表面屬性需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的材料進(jìn)行設(shè)置。導(dǎo)光板材料為塑料PMMA，其折射率為1.49。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，其余光學(xué)元件不設(shè)置材料屬性。由于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，導(dǎo)光板除了入光側(cè)外的三個(gè)側(cè)面都需要貼反光片，因此在仿真模型中導(dǎo)光板這三個(gè)側(cè)面設(shè)置為鏡面反射屬性，以減少漏光損失。在導(dǎo)光板底部需要設(shè)計(jì)網(wǎng)點(diǎn)，其屬性是在 Reptile 中設(shè)置的。反射器設(shè)置在導(dǎo)光板正下方，表面屬性設(shè)置為反射式散射屬性，主要仿真背光模組底面光學(xué)屬性。

在仿真結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)光板厚度為2 mm，光源采用4014封裝的LED燈條，均與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符。設(shè)置 LED 出光面中心與導(dǎo)光板中心軸線平行。根據(jù)斯涅耳定律(Snell’s law)：

其中：1和2為入射角與折射角，1和2為入射和折射介質(zhì)的折射率。如圖1(b)所示，為使LED出射光線進(jìn)入導(dǎo)光板后能夠全部全反射，當(dāng)LED邊緣入射光“恰好”以臨界角的大小從導(dǎo)光板內(nèi)向外出射時(shí)，LED距離導(dǎo)光板的距離為最近距離，此時(shí)LED邊緣光線入射角為臨界角：

LED到導(dǎo)光板入光側(cè)距離是：

該式說(shuō)明，當(dāng)LED光源與導(dǎo)光板距離越遠(yuǎn)，邊緣光線的入射角就越大，越能夠保證入射光線在導(dǎo)光板中進(jìn)行全反射。

2 簡(jiǎn)化仿真模型的特性研究

2.1 LED光源與導(dǎo)光板入光側(cè)距離對(duì)出光效果的影響

由亮度與照度的關(guān)系可知，接收面的照度變化可以間接反映導(dǎo)光結(jié)構(gòu)出光面的亮度變化；同時(shí)，出光效率可以定義為接收面光通量與出射的總光通量之比。根據(jù)前文所述，當(dāng)LED光源與導(dǎo)光板距離大于0.9 mm時(shí)能夠保障所有入射光線都能夠全反射。因而本文將LED距離導(dǎo)光板1 mm處，進(jìn)行導(dǎo)光結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。之后通過(guò)改變LED光源與導(dǎo)光板入光側(cè)的距離，分別進(jìn)行仿真模擬，得到導(dǎo)光板出射光的亮度、光效和均勻性的變化趨勢(shì)，如圖2所示。

圖2 LED與導(dǎo)光板入光側(cè)距離對(duì)亮度、均勻性和出光效果的影響

根據(jù)仿真結(jié)果，導(dǎo)光板的出光亮度和出光效率伴隨著LED距離增大呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢(shì)；但是出光面的均勻性卻相應(yīng)的緩慢增加。

由于實(shí)際LED的配光角大約是120°且其發(fā)光面寬度為1.4 mm，考慮到導(dǎo)光板厚度為2 mm，為了使得最多的光線進(jìn)入導(dǎo)光板，LED光源與導(dǎo)光板的距離應(yīng)該是0.2 mm，此時(shí)正好能夠保證最多的光線耦合進(jìn)入導(dǎo)光板。而當(dāng)光源越來(lái)越遠(yuǎn)離導(dǎo)光板，會(huì)有越來(lái)越多的光線沒(méi)有耦合進(jìn)入導(dǎo)光板，導(dǎo)致亮度和出光效率下降。此外，由于在設(shè)計(jì)導(dǎo)光結(jié)構(gòu)之初是以距離1 mm為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化的，因此均勻性的最好結(jié)果也是在1 mm處，達(dá)到了最高。然而，當(dāng)光源靠近導(dǎo)光板入光側(cè)時(shí)，雖然耦合進(jìn)入導(dǎo)光板的光線增多，但是由于不再滿足全反射條件，入射的部分光線可能直接透射出出光面形成出射光，使得靠近入光側(cè)的亮度值上升，而末端亮度值下降，造成整體均勻度的下降。

結(jié)合以上分析，考慮到出光亮度和效率會(huì)隨著LED出光面與導(dǎo)光板入光側(cè)距離的增加而明顯降低，但是均勻性的變化卻不大，因而LED光源可以適當(dāng)靠近導(dǎo)光板，而不必要求所有進(jìn)入導(dǎo)光板的入射光學(xué)均滿足全反射定律。

2.2 導(dǎo)光板厚度對(duì)出光效果的影響

目前，LCD的薄形化發(fā)展趨勢(shì)越來(lái)越明顯，因此勢(shì)必要不斷減小導(dǎo)光板的厚度。但是導(dǎo)光板的厚度變化必然會(huì)影響整個(gè)背光模組的出光效果。為此，研究導(dǎo)光板厚度變化對(duì)出光效果的影響是十分有必要的。

根據(jù)之前LED光源與導(dǎo)光板距離對(duì)出光效果的影響，將LED 光源與導(dǎo)光板距離設(shè)置為0.2 mm，并以此作為參考進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變導(dǎo)光板厚度值變化范圍從2 mm到1.5 mm，仿真得出導(dǎo)光板厚度與出光效果的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 導(dǎo)光板厚度變化對(duì)亮度、均勻性和出光效果的影響

根據(jù)仿真結(jié)果，隨著導(dǎo)光板厚度的降低，出光亮度和均勻性隨之降低，而出光效率僅略有下降，基本上維持在 60%以上。這是由于在設(shè)計(jì)導(dǎo)光結(jié)構(gòu)時(shí)是根據(jù)導(dǎo)光板厚度為2 mm時(shí)進(jìn)行優(yōu)化的。當(dāng)導(dǎo)光板厚度降低，光通量減小，在光線傳導(dǎo)方向上，出射光的亮度衰減很快，導(dǎo)致亮度和均勻性隨之下降。然而，對(duì)于出光效率而言，由LED的配光曲線可知，雖然LED是單面出光，光源的配光角度在120°以內(nèi)，但是距離導(dǎo)光板0.2 mm時(shí)光線集中在垂直區(qū)域1.6 mm的范圍內(nèi)，并且在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，LED處會(huì)設(shè)有外罩、反射膜、亮銀龍等材質(zhì)，起到防止漏光的效果。因此，總體光效變化不大。

2.3 網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)出光效果的影響

導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在工程上主要是通過(guò)調(diào)整網(wǎng)點(diǎn)的披覆率(即網(wǎng)點(diǎn)密度)和局部網(wǎng)點(diǎn)大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常網(wǎng)點(diǎn)披覆率決定著導(dǎo)光板出光面的整體亮度和均勻性的主要趨勢(shì)，而局部網(wǎng)點(diǎn)的大小變化可以調(diào)整導(dǎo)光板局部出光的亮度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)出光均勻性的調(diào)整。

如圖4所示，如果將導(dǎo)光板底面劃分成一個(gè)個(gè)長(zhǎng)度為的網(wǎng)格，而網(wǎng)點(diǎn)分布在一個(gè)個(gè)的網(wǎng)格內(nèi)，假設(shè)以常見(jiàn)的半徑為的圓形網(wǎng)點(diǎn)為例進(jìn)行分析，則可以得到導(dǎo)光板底面網(wǎng)點(diǎn)披覆率值。

顯然，當(dāng)網(wǎng)點(diǎn)半徑等于網(wǎng)格邊長(zhǎng)的一半時(shí)，其網(wǎng)點(diǎn)披覆率值最大，此時(shí)可以計(jì)算出最大網(wǎng)點(diǎn)披覆率約為78.5%。同時(shí)，工程上為了防止在導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)糊板現(xiàn)象，也必須控制網(wǎng)點(diǎn)之間的相互間距。因此，網(wǎng)點(diǎn)披覆率在工程上也必然會(huì)有一個(gè)上限值。

圖4 導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)BacklightFly仿真軟件，按照網(wǎng)點(diǎn)披覆率值的變化，生成出光學(xué)仿真軟件所要求的網(wǎng)點(diǎn)屬性文件，然后將其導(dǎo)入到光學(xué)仿真軟件TracePro中，并做相應(yīng)的設(shè)置，分別對(duì)不同網(wǎng)點(diǎn)披覆率的背光源模型進(jìn)行光學(xué)性能仿真，得到背光源網(wǎng)點(diǎn)披覆率與背光源的出光亮度、均勻性關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)點(diǎn)披覆率與背光源的出光亮度、均勻性關(guān)系

根據(jù)仿真結(jié)果，可以知道，隨著導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)披覆率的逐漸增加，出光亮度也是逐漸增加的，但是出光的均勻性卻呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。綜合考慮，要求既能夠滿足較高的出光亮度，又能滿足較高的均勻性指標(biāo)要求，因此，選取網(wǎng)點(diǎn)披覆率變化區(qū)間范圍在10%~40%之間較為合適。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)上述仿真結(jié)果，并通過(guò)調(diào)整側(cè)入式背光模組的膜片和安裝機(jī)構(gòu)，保證背光源的LED燈條與導(dǎo)光板的間距為0.2 mm，并處于導(dǎo)光板的中心處。然后，分別對(duì)不同厚度的導(dǎo)光板以及不同網(wǎng)點(diǎn)披覆率的導(dǎo)光板進(jìn)行光學(xué)測(cè)試，驗(yàn)證其出光亮度和均勻性等光學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律。

3.1 不同厚度導(dǎo)光板對(duì)出光影響的實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)中，背光源導(dǎo)光板的對(duì)角線尺寸設(shè)計(jì)為23.6英寸(1英寸=2.54 cm)，分別選取厚度為1.6 mm、1.7 mm、1.8 mm、1.9 mm以及2.0 mm的導(dǎo)光板各5片進(jìn)行光學(xué)測(cè)試，相應(yīng)的導(dǎo)光模組配置從下到上依次為反射片(RAC225)、LGP、下擴(kuò)(TDF107)、上擴(kuò)(TDF107)和增光片(SOS- S10L)，Light-bar選用4014封裝的LED燈條，測(cè)試電流為75 mA，出光面測(cè)試點(diǎn)數(shù)為49點(diǎn)。由于導(dǎo)光板厚度變化對(duì)出光亮度和出光效率影響較大，而均勻性通過(guò)網(wǎng)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及均光膜片的作用可以得到較大改善。因此，此處僅研究導(dǎo)光板厚度對(duì)出光亮度和出光效率的影響，具體結(jié)果如圖6所示。

圖6 實(shí)測(cè)導(dǎo)光板厚度對(duì)亮度和出光效果的影響

由于不同厚度的導(dǎo)光板各取了5片進(jìn)行測(cè)試，因此相關(guān)亮度數(shù)值取平均值；并且為了便于比較，圖6對(duì)出光效率進(jìn)行了歸一化處理。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，可以知道，隨著導(dǎo)光板厚度的降低，在不改變導(dǎo)光網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)的情況下，其出光亮度和出光效率都會(huì)相應(yīng)降低。顯然，在導(dǎo)光板厚度降低的情況下，為了防止出光亮度的大幅降低，研究導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)的分布規(guī)律，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)成為必然的選擇。

3.2 網(wǎng)點(diǎn)披覆率與出光效果的實(shí)驗(yàn)與分析

為了保證測(cè)試結(jié)果的客觀性，同樣以導(dǎo)光板厚度為2 mm的上述機(jī)型進(jìn)行不同網(wǎng)點(diǎn)披覆率設(shè)計(jì)驗(yàn)證。根據(jù)前面的仿真結(jié)果以及實(shí)際過(guò)程中避免網(wǎng)點(diǎn)可視現(xiàn)象的發(fā)生，分別選擇了網(wǎng)點(diǎn)披覆率變化范圍從15%到55%之間的導(dǎo)光板，進(jìn)行出光面49點(diǎn)顯示輝度測(cè)試。其測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 披覆率與出光亮度、均勻性測(cè)試表

表1中，帶(*)的項(xiàng)，表示在披覆率不變的情況下，通過(guò)優(yōu)化局部網(wǎng)點(diǎn)大小的方式，既保證了出光亮度，又改善了出光面的均勻性。

根據(jù)表1的測(cè)試結(jié)果，相同網(wǎng)點(diǎn)批覆率下，即使局部網(wǎng)點(diǎn)尺寸大小分布不同，但整體可出光的效率是一致的，如在批覆率25%(Item 2和Item3)和35%(Item5和Item6)處；并且，網(wǎng)點(diǎn)批覆率越高，入光側(cè)網(wǎng)點(diǎn)所占面積越大，造成入光部份會(huì)非常亮，而遠(yuǎn)離入光側(cè)的亮度明顯下降，造成整體出光的均勻性會(huì)下降；此外，當(dāng)披覆率超過(guò)35%以上，很難再通過(guò)修改局部網(wǎng)點(diǎn)尺寸大小的方式來(lái)改善出光面的均勻性，因?yàn)槿牍鈧?cè)即使通過(guò)減小網(wǎng)點(diǎn)尺寸，也還是太亮，而導(dǎo)光板另一端的網(wǎng)點(diǎn)間最小間距也趨近于工程上對(duì)糊板控制的要求極限。綜合上述分析，最佳批覆率應(yīng)設(shè)置在25%~35%之間，建議30%作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合側(cè)入式LED背光模組中導(dǎo)光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及其出光特性，研究了LED背光源導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的仿真及現(xiàn)實(shí)因素對(duì)背光源出光效果的影響，提出了一種簡(jiǎn)化的背光模組仿真模型。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了LED光源與導(dǎo)光板之間的結(jié)構(gòu)匹配、導(dǎo)光板厚度變化，以及導(dǎo)光板的網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵參數(shù)的變化對(duì)背光源的出光影響。本文建議在實(shí)際生產(chǎn)中，LED光源可以適當(dāng)靠近導(dǎo)光板，增加耦合進(jìn)入導(dǎo)光板的光線，而不必要求所有進(jìn)入導(dǎo)光板的入射光必須滿足全反射定律；同時(shí)，考慮到導(dǎo)光板厚度的降低雖然有利于背光模組的整體變薄，但是最好同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善出光亮度和均勻性；并且建議導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，網(wǎng)點(diǎn)披覆率的選擇以30%為佳。

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Simplified Simulation Model and Optical Characteristics of Back Light System

XU Sheng，XU Yuzhen，CHEN Enguo，GUO Tailiang

( College of Physics and Information Engineering,Fuzhou University, Fuzhou 350002, China )

The simulation of the light-guide structure of the edge-lit LED backlight source and the influence of the practical factors on the light source are studied. Firstly, the main functions and characteristics of the edge-lit backlight light structure are briefly analyzed, and the corresponding theoretical basis is provided. Then, a simplified and accurate light guide structure simulation model is proposed based on the optical characteristics of light-guide structure, and the model is simulated with the optical software of TracePro. Finally, an in-depth discussion and analysis on the characteristics and influences of light-guide structure of the LED backlight source is presented with the actual processing practice. The simulation results are verified by corresponding experiments. The influence of the essential factors on the effect of the backlight source, including the matching between the light guide structure and the LED light source, making the light guide plate thinner and designing dot scheme for high efficiency and good uniformity, is emphatically analyzed for LED backlight system. This research may offer some practical significance, for the reason that it proposes a reasonable and optimized design for light guide parameters and alleviates potential mistakes in the process of actual production.

display technology; backlight source; light-guide structure ; simulation model; optical characteristics

1003-501X(2016)09-0078-06

TN27

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.09.014

2016-01-31；

2016-03-10

國(guó)家863計(jì)劃重大專項(xiàng)(2013AA030601-2)；國(guó)家自然科學(xué)基金(61405037)；福建省自然科學(xué)基金(2015J01193)；福州大學(xué)博士啟動(dòng)基金(0100510069)

徐勝(1974-)，男(漢族)，江西撫州人。助理研究員，博士研究生，主要研究工作是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail: xusheng06090@163.com。

郭太良(1963-)，男(漢族)，福建人。博士生導(dǎo)師，研究員，主要從事場(chǎng)致發(fā)射陰極材料、場(chǎng)致發(fā)射顯示器和背光源等領(lǐng)域研究與開發(fā)。E-mail：gtl@fzu.edu.cn。