集成化導(dǎo)光板下表面微棱鏡二維分布設(shè)計(jì)*

徐平 楊偉 張旭琳 羅統(tǒng)政 黃燕燕

(深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 深圳大學(xué)微納光電子技術(shù)研究所, 深圳 518060)

(2018 年 9 月 10 日收到; 2018 年 12 月 4 日收到修改稿)

集成化導(dǎo)光板下表面微結(jié)構(gòu)分布是影響背光模組出射光均勻性的關(guān)鍵因素, 因此是背光模組設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一. 本文針對微棱鏡一維分布設(shè)計(jì)中存在的大面積同一性影響背光模組亮度均勻性的問題, 提出一種集成化導(dǎo)光板下表面微棱鏡二維分布的設(shè)計(jì)思想, 以提高背光模組的亮度均勻性. 利用光學(xué)軟件Lighttools對5.0英寸集成化導(dǎo)光板下表面微棱鏡結(jié)構(gòu)的較佳二維分布進(jìn)行優(yōu)化探索, 通過與較佳的一維分布仿真結(jié)果對比分析可知, 優(yōu)化后的二維分布模式下, 背光模組的光能利用率、照度均勻性、亮度均勻性分別達(dá)到92.03%,87.07% 和 91.94%, 滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn); 其中, 照度均勻性比一維分布提高了 10%; 同時(shí), 從亮度圖觀察, 背光模組的整體亮度均勻性得到了有效提升. 該研究結(jié)果對于背光模組輕薄化、集成化開發(fā)具有一定的參考價(jià)值.

1 引 言

背光模組是液晶顯示器應(yīng)用中的重要組件之一. 由于液晶本身并不發(fā)光, 因此需要背光模組為液晶顯示器提供高亮度的均勻面光源. 典型的背光模組由導(dǎo)光板、反射膜 (reflective film, RF)、擴(kuò)散膜、雙層正交棱鏡增亮膜等復(fù)雜膜系以及光源組成, 其中多層復(fù)雜膜系結(jié)構(gòu)使得典型背光模組普遍存在光能利用率低、難以輕薄化等缺點(diǎn). 基于背光模組輕薄化、集成化的發(fā)展趨勢, 許多研究機(jī)構(gòu)通過在導(dǎo)光板表面設(shè)置微結(jié)構(gòu)的方法來實(shí)現(xiàn)背光模組高亮度和高均勻性的要求. Li等[1]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法用于優(yōu)化導(dǎo)光板微棱鏡分布, 仿真結(jié)果表明出射光亮度均勻性達(dá)90%以上. 本課題組此前運(yùn)用遺傳算法得到了較高亮度均勻性的導(dǎo)光板下表面微棱鏡分區(qū)分布方式[2], 之后又提出了可快速獲得下表面微棱鏡分布的表達(dá)式[3]. Lin等[4]提出了用于導(dǎo)光板微棱鏡設(shè)計(jì)一維密度生成的方法, 使用動態(tài)低差序列方法優(yōu)化導(dǎo)光板微棱鏡排布, 亮度均勻性達(dá) 90% 左右. Wang 等[5, 6]針對準(zhǔn)直光束光源的導(dǎo)光板雙面微棱鏡陣列進(jìn)行研究, 獲得了準(zhǔn)直出射的高亮度均勻性面光源; 此外, 導(dǎo)光板上下表面均設(shè)置微結(jié)構(gòu), 通過優(yōu)化下表面微棱鏡結(jié)構(gòu)或間距來提高導(dǎo)光板亮度均勻性[7?10]. Li和 Pan[11]設(shè)計(jì)了高光能利用率的雙層導(dǎo)光板, 上下兩層導(dǎo)光板表面熔合的微棱鏡經(jīng)優(yōu)化后能有效控制豎直方向的出射光角度. Chen和Pan[12]設(shè)計(jì)了可改變視角的雙層導(dǎo)光板, 其表面熔合優(yōu)化后的微棱鏡結(jié)構(gòu), 在寬視角情況下提高了亮度. Lee和He[13]使用線偏振光作為光源, 導(dǎo)光板下表面熔合不同的微結(jié)構(gòu)作為對比, 模擬結(jié)果表明, 表面使用微棱鏡結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光板具有較高的亮度和出射光均勻性. 上述這些研究中的微棱鏡結(jié)構(gòu)長度大都與導(dǎo)光板寬度等寬, 分布優(yōu)化僅在導(dǎo)光板長度方向進(jìn)行, 為一維分布. 因此,長條狀的微棱鏡無法調(diào)制其軸向方向的光線, 導(dǎo)致在導(dǎo)光板寬度方向上的大面積同一性, 進(jìn)而影響出光面的亮度均勻性.

為了提高集成化導(dǎo)光板(partial integrated light guide, PILGP)整體的亮度均勻性, 本文提出一種PILGP下表面微棱鏡二維分布的設(shè)計(jì)思想.利用光學(xué)軟件 Lighttools進(jìn)行建模優(yōu)化, 得到PILGP下表面微棱鏡結(jié)構(gòu)較佳的二維分布, 提高了PILGP照度均勻性和亮度均勻性.

2 集成化導(dǎo)光板下表面微棱鏡分布原理

基于本實(shí)驗(yàn)室多年在對微光學(xué)二元光學(xué)深入研究的基礎(chǔ)上[14?21], 2013年提出了一種集成化背光模組[22], 由發(fā)光二極管 (light emitting diode,LED)光源、RF 和 PILGP 構(gòu)成. 其中, PILGP 上表面熔合密排的非球面半柱狀微聚光結(jié)構(gòu)(aspheric semi-cylindrical micro-concentrator structure,ASCMCS)陣列, 下表面熔合與上表面微結(jié)構(gòu)正交的微棱鏡結(jié)構(gòu). RF獨(dú)立置于PILGP下方. 集成化背光模組結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.

圖1 集成化背光模組示意圖Fig.1. Diagram of partial integrated backlight module.

LED光源發(fā)出的光經(jīng)過PILGP下表面微棱鏡結(jié)構(gòu)時(shí)會發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象, 在導(dǎo)光板下表面之下的RF以及導(dǎo)光板上表面ASCMCS陣列的共同作用下, 將從導(dǎo)光板上表面出射; 通過合理設(shè)置微棱鏡單元近光源角(α)、遠(yuǎn)光源角(β)及微棱鏡陣列排布, 可實(shí)現(xiàn)背光模組出光面的均勻發(fā)光[23].在前期的設(shè)計(jì)中[24, 25], 由于微棱鏡單元結(jié)構(gòu)的長度與導(dǎo)光板寬度相同, 微棱鏡分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)僅能在導(dǎo)光板長度一個(gè)方向(x軸)上, 每個(gè)微棱鏡在其軸向方向?qū)饩€的調(diào)制作用是一致的. 因此, 數(shù)個(gè)微棱鏡形成的大面積同一性將會影響整個(gè)出光面的亮度均勻性.

為了能從本質(zhì)上解決上述長條狀微棱鏡結(jié)構(gòu)一維分布帶來的導(dǎo)光板出光面亮度的大面積同一性問題, 本文提出應(yīng)用較小長度的微棱鏡單元來打破長條狀微棱鏡單元在軸向上分布的限制, 使其達(dá)到軸向上對光線的不同調(diào)制作用. 通過對PILGP下表面微棱鏡在導(dǎo)光板長度和寬度兩個(gè)維度上分布的優(yōu)化, 從而提高導(dǎo)光板出光面的亮度均勻性.

3 集成化導(dǎo)光板下表面微棱鏡二維分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了探究高性能參數(shù)下PILGP下表面微棱鏡結(jié)構(gòu)二維分布的可行性, 首先利用光學(xué)軟件Lighttools建立 5.0 英寸 (1 in = 2.54 cm)集成化背光模組初始模型, 建模參數(shù)如表1所列.

表1 集成化背光模組結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1. Structural parameters of partial integrated backlight module.

由表1中的建模參量可知, 設(shè)置在導(dǎo)光板下表面的內(nèi)凹微棱鏡結(jié)構(gòu)單元的長度為0.1 mm, 遠(yuǎn)小于導(dǎo)光板的寬度數(shù)值; 這樣的設(shè)置使得微棱鏡結(jié)構(gòu)單元可在PILGP的下表面形成二維分布模式.

為了實(shí)現(xiàn)背光模組出光面的均勻發(fā)光, 利用Lighttools軟件中的背光圖案優(yōu)化模塊對微棱鏡分布進(jìn)行優(yōu)化. 評價(jià)函數(shù)設(shè)置原則為通過調(diào)整微棱鏡分布使背光模組出光面的照度均勻性和亮度均勻性達(dá)到較高, 具體實(shí)施過程中采用了分步優(yōu)化策略. 首先以較高的照度均勻性為目標(biāo), 優(yōu)化得到PILGP下表面微棱鏡二維分布的初始模型; 再以較高的亮度均勻性為目標(biāo), 進(jìn)而得到較佳的PILGP下表面微棱鏡二維分布. 優(yōu)化過程中, 將微棱鏡的最小間隔作為約束條件, 避免出現(xiàn)微棱鏡重疊現(xiàn)象.

優(yōu)化后的PILGP下表面微棱鏡二維分布如圖2所示, 圖2(a)—(c)分別表示 PILGP下表面近光源區(qū)、中間區(qū)域和遠(yuǎn)光源區(qū)的微棱鏡分布圖,圖中的紅點(diǎn)表示微棱鏡單元. 從圖2可以看出, 微棱鏡沿著導(dǎo)光板長度方向(x軸)的分布, 近光源區(qū)域間隔較大, 遠(yuǎn)光源區(qū)域間隔較小, 間隔變化過渡比較平滑, 這符合導(dǎo)光板微結(jié)構(gòu)分布的一般規(guī)律[26].微棱鏡沿著導(dǎo)光板寬度方向(y軸)的分布, 近光源處和遠(yuǎn)光源處的微棱鏡在其軸向方向上分布的數(shù)量和位置各不相同, 相比于長條狀微棱鏡的一維分布增加了一個(gè)自由度, 消除了一維分布中存在的大面積同一性問題.

在表1其他建模參數(shù)不變的情況下, 僅改變PILGP下表面微棱鏡結(jié)構(gòu)單元的長度及微棱鏡結(jié)構(gòu)陣列的分布, 建立另一款微棱鏡具有較佳一維分布的5.0英寸集成化背光模組模型[25]. 該背光模組中, PILGP下表面微棱鏡結(jié)構(gòu)單元長度為導(dǎo)光板寬度數(shù)值(68.7 mm). 利用Lighttools軟件仿真得到上述兩款集成化背光模組的出射光照度圖和亮度圖, 如圖3所示; 對應(yīng)的性能參數(shù)如表2所列.

圖2 優(yōu)化后的 PILGP 下表面微棱鏡二維分布圖 (a)近光源區(qū); (b)中間區(qū); (c) 遠(yuǎn)光源區(qū)Fig.2. Optimized two-dimensional distribution diagram of micro-prism on the bottom surface of PILGP: (a) Near the LEDs;(b) in the middle area; (c) far from the LEDs

圖3 PILGP下表面微棱鏡分布分別為一維、二維時(shí), 背光模組的出射光照度圖、亮度圖 (a), (b)微棱鏡一維分布時(shí)的照度圖和亮度圖; (c), (d)微棱鏡二維分布時(shí)的照度圖和亮度圖Fig.3. Simulation results of illuminance and luminance diagram of the output light from partial integrated backlight module with one-dimensional and two-dimensional distribution of micro-prism on the bottom surface of PILGP: (a) and (b) is respectively illuminance and luminance diagram with one-dimensional distribution of micro-prism; (c) and (d) is respectively illuminance and luminance diagram of two-dimensional distribution of micro-prism.

表2 PILGP下表面微棱鏡分布為一維、二維時(shí)的背光模組仿真結(jié)果Table 2. Simulation results of partial integrated backlight modules with one-dimensional and two-dimensional distribution of micro-prism on the bottom surface of PILGP.

從表2可以看出, 微棱鏡二維分布的背光模組照度均勻性比一維分布的提升約10%; 兩款背光模組的亮度均勻性和光能利用率相近, 均在90%以上, 達(dá)到了小尺寸背光模組的性能參數(shù)要求.

對比圖3(a)和圖3(c)可以看出, 微棱鏡二維分布的集成化背光模組出射光照度均勻性與一維分布的情況相比提高了. 對比圖3(b)和圖3(d)則可看出, 微棱鏡二維分布對背光模組出光面整體亮度均勻性更好; 從圖3(b)可以看到, 由于長條狀微棱鏡導(dǎo)致出射光亮度的大面積同一性, 進(jìn)而影響其亮度均勻性, 在導(dǎo)光板中出現(xiàn)較明顯的亮區(qū)和暗條紋, 亮度變化不夠平滑; 從圖 3(d)則可以看到, 具有較小長度的微棱鏡結(jié)構(gòu)能夠在其軸向方向分布,從而調(diào)制微棱鏡軸向方向的光線, 消除在導(dǎo)光板寬度方向上亮度的大面積同一性, 消除了圖3(b)中出現(xiàn)的較為明顯的亮區(qū)和暗條紋, 進(jìn)一步提高了亮度均勻性. 因此, 上述仿真結(jié)果表明, 導(dǎo)光板下表面采用微棱鏡二維分布的模式后, 導(dǎo)光板出光面的整體亮度均勻性明顯提升.

從物理機(jī)理上分析, LED燈源是朗伯光源, 具有一定發(fā)散角, 當(dāng)一列LED燈發(fā)出的光線在導(dǎo)光板內(nèi)傳播時(shí), 到達(dá)導(dǎo)光板遠(yuǎn)光源區(qū)的光線能量相對近光源區(qū)低, 到達(dá)導(dǎo)光板寬度方向兩側(cè)區(qū)域的光線能量相對中間區(qū)域低; 根據(jù)導(dǎo)光板上熔合的微棱鏡對光線的調(diào)制原理[23], 導(dǎo)光板能量較低的區(qū)域就需要更多的微棱鏡反射光線, 以達(dá)到使出光面亮度均勻的目的. 微棱鏡一維分布無法調(diào)制其軸向方向的光線而造成大面積同一性問題, 影響集成化背光模組的亮度均勻性; 而微棱鏡二維分布相較于一維分布多了一個(gè)自由度, 通過在x軸、y軸上的優(yōu)化分布進(jìn)而調(diào)制出射光線, 優(yōu)化后的微棱鏡分布密度在導(dǎo)光板遠(yuǎn)光源區(qū)較近光源區(qū)高、在導(dǎo)光板寬度方向兩側(cè)區(qū)域較中間區(qū)高. 微棱鏡二維分布更好地調(diào)制了導(dǎo)光板不同區(qū)域的光線, 有效消除了出光面的亮區(qū)和暗條紋, 解決了微棱鏡一維分布帶來的大面積同一性問題, 提升了背光模組整體的亮度均勻性.

目前一維分布的微棱鏡陣列可使用以金剛石精密切削技術(shù)為代表的精密加工技術(shù)進(jìn)行制作[27].本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的PILGP下表面微棱鏡分布由一維擴(kuò)展至二維, 二維分布微棱鏡陣列中心位置坐標(biāo)在兩個(gè)軸向上不一致, 采用目前精密加工技術(shù)制作比較困難; 可考慮運(yùn)用灰度光刻直寫工藝制作二維分布微棱鏡陣列. 理論上, 點(diǎn)陣灰度光刻直寫系統(tǒng)能蝕刻任意自由曲面面型、任意二維分布的微結(jié)構(gòu)陣列[28], 但是應(yīng)用灰度直寫光刻工藝制作本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的二維分布微棱鏡陣列, 也可能存在精確控制微棱鏡底角的困難.

4 結(jié) 論

針對微棱鏡一維分布形成大面積同一性進(jìn)而影響亮度均勻性的問題, 本文提出了PILGP下表面微棱鏡二維分布的設(shè)計(jì)思想. 通過光學(xué)軟件Lighttools對5.0英寸集成化背光模組建模和優(yōu)化,得到了微棱鏡較佳的二維分布模型; 通過與微棱鏡較佳的一維分布模型進(jìn)行對比分析, 仿真結(jié)果表明, 本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的微棱鏡二維分布集成化背光模組光能利用率達(dá)92.03%、照度均勻性達(dá)87.07%、亮度均勻性達(dá)91.94%, 滿足背光產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用要求;在其他性能參數(shù)相近且較高的情況下, 微棱鏡二維分布下的照度均勻性比一維分布的提高了10%. 從亮度圖可以看出, 微棱鏡二維分布設(shè)計(jì)方法能有效消除微棱鏡一維分布中存在的大面積同一性問題,提升了導(dǎo)光板整體的亮度均勻性; 并給出了合理的物理機(jī)理分析. 上述仿真結(jié)果表明了微棱鏡二維分布的設(shè)計(jì)理念是可行的. 本文提出的設(shè)計(jì)理念適用于中小尺寸PILGP微棱鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì), 對導(dǎo)光板設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義.