基于光學(xué)仿真Tracepro軟件對(duì)多面微結(jié)構(gòu)導(dǎo)光板光學(xué)性能的研究

王佳佳 賀建蕓 謝鵬程 申增強(qiáng) 馬 旭

(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 北京 100029)

引 言

液晶顯示器(LCD)具有體積小、輻射低、能耗小、光學(xué)顯示效果好、圖像質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[1-5]，已逐漸取代傳統(tǒng)的陰極射線管(CRT)顯示器，成為平板顯示行業(yè)的主流產(chǎn)品。隨著科技的飛速發(fā)展，液晶顯示器已廣泛應(yīng)用于汽車、手機(jī)、相機(jī)、筆記本電腦、醫(yī)用設(shè)備等產(chǎn)品領(lǐng)域[6-8]。液晶顯示器由背光模組和液晶顯示面板兩部分組成，而導(dǎo)光板是背光模組中最重要的組件之一，是影響液晶顯示質(zhì)量的關(guān)鍵因素[9]。背光模組按光源位置分為直下式和側(cè)入式兩種。其中，直下式背光模組結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是不需要導(dǎo)光板，但為了使光線混合均勻及亮度提高，需預(yù)留一定空間，因此難以滿足液晶顯示屏更輕更薄的發(fā)展需求；側(cè)入式背光模組結(jié)構(gòu)從下到上分別為反射膜、導(dǎo)光板、擴(kuò)散膜和棱鏡膜，發(fā)光二極管(LED)光源位于導(dǎo)光板一側(cè)，由于側(cè)入式背光模組是依靠導(dǎo)光板進(jìn)行光線混合，易實(shí)現(xiàn)液晶顯示器的薄型化，因而越來(lái)越受到人們的青睞。

在側(cè)入式背光模組結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)光板是重要的組成元件之一。導(dǎo)光板，即引導(dǎo)光線，是將側(cè)面點(diǎn)光源及線光源轉(zhuǎn)換為所需的面光源的光學(xué)器件。導(dǎo)光板所使用的材料通常為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA), 又稱亞克力透明板或有機(jī)玻璃，其折射率n=1.49。目前，國(guó)內(nèi)導(dǎo)光板的需求大量依賴進(jìn)口，例如奇美電子、夏普、三星電子等供應(yīng)商，因此未來(lái)我國(guó)的導(dǎo)光板行業(yè)有很大的發(fā)展空間。衡量導(dǎo)光板性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)是導(dǎo)光板出光面的出光效率和照度均勻度。LED光源從側(cè)面耦合進(jìn)入導(dǎo)光板，在導(dǎo)光板內(nèi)部通過(guò)折射、散射和反射將光線轉(zhuǎn)化為從正面發(fā)出的面光源。當(dāng)導(dǎo)光板底部無(wú)微結(jié)構(gòu)時(shí)，光線從光密介質(zhì)(導(dǎo)光板)進(jìn)入光疏介質(zhì)(空氣)，入射角大于全反射臨界角，發(fā)生全反射現(xiàn)象，致使光線無(wú)法從導(dǎo)光板出光面射出。在導(dǎo)光板的底部添加微結(jié)構(gòu)可改變光線的原始傳播路徑，使光線從出光面射出。為了提高光學(xué)器件的集成度，在微器件兩面或多面同時(shí)設(shè)置微結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件越來(lái)越受到關(guān)注，例如集成化導(dǎo)光板在LED光源側(cè)添加微結(jié)構(gòu)以改善導(dǎo)光板入口處的明顯暗區(qū)，并在導(dǎo)光板出光面添加微結(jié)構(gòu)以提升導(dǎo)光板的出光效率，最終可實(shí)現(xiàn)棱鏡膜、擴(kuò)散膜與導(dǎo)光板三合一的效果[10-12]，向?qū)Ч獍骞δ艿囊惑w化及薄型化更進(jìn)了一步。

導(dǎo)光板微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響液晶顯示器的光學(xué)質(zhì)量，因此研究表面微結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)光板照度均勻度及出光效率的影響規(guī)律成為當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)[13-15]。本文基于光學(xué)仿真Tracepro軟件探究微結(jié)構(gòu)的形貌、尺寸及排列方式等對(duì)導(dǎo)光板出光面照度均勻度及出光效率的影響，以提高導(dǎo)光板出光面的光學(xué)質(zhì)量，可望對(duì)實(shí)際工程中制備聚合物微結(jié)構(gòu)導(dǎo)光板起到一定的指導(dǎo)作用。

1 微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 LED光源

LED貼片光源屬性設(shè)定：波長(zhǎng)為0.546 1 μm，光通量大小為680 lm，場(chǎng)角分布為朗伯型，光線追跡為20 000條，溫度設(shè)置為300 K。在LED發(fā)光面正上方添加一個(gè)探測(cè)屏，用于觀測(cè)LED發(fā)光面表面的照度分布情況。最終得到單顆LED貼片配光曲線和照度分布如圖1所示。

圖1 單顆LED貼片配光曲線和照度分布Fig.1 The light distribution curve and illuminance distribution of a single LED patch

1.2 導(dǎo)光板模型

建立導(dǎo)光板模型，首先設(shè)定導(dǎo)光板的尺寸為40 mm×40 mm×2 mm，為了方便觀測(cè)導(dǎo)光板出光面光線的分布情況，在導(dǎo)光板出光面正上方添加一個(gè)觀察屏，觀察屏下表面屬性設(shè)置為Perfect Absorber(完全吸收)。導(dǎo)光板的入光面和出光面均不設(shè)定屬性。為了保證光線能夠從導(dǎo)光板正面射出，其他面均設(shè)為Prefect Mirror(理想鏡面)，這樣當(dāng)光線射到其他3個(gè)面時(shí)，光線即產(chǎn)生鏡面反射，從而使模擬結(jié)果更準(zhǔn)確。導(dǎo)光板簡(jiǎn)要模型如圖2所示。

圖2 導(dǎo)光板簡(jiǎn)要模型Fig.2 Model of the light guide plate

1.3 微結(jié)構(gòu)的選擇

光線耦合進(jìn)入導(dǎo)光板，改變導(dǎo)光板內(nèi)部光線全反射現(xiàn)象的方法有散射網(wǎng)點(diǎn)法、微結(jié)構(gòu)法和微光柵法，其中微結(jié)構(gòu)法應(yīng)用較為廣泛，本文主要探究微結(jié)構(gòu)法破壞導(dǎo)光板內(nèi)部全反射的現(xiàn)象。微結(jié)構(gòu)有多種形式，它們的設(shè)計(jì)原理基本相同，本文主要對(duì)4種不同的微結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析對(duì)比，從中選擇一種較優(yōu)的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。圖3為4種不同的微結(jié)構(gòu)及其排布。

圖3 4種不同的微結(jié)構(gòu)Fig.3 Four different microstructures

4種不同的微結(jié)構(gòu)均采用等間距均勻分布，分別設(shè)計(jì)為V型槽陣列、矩形槽陣列、金字塔陣列、網(wǎng)點(diǎn)陣列的最佳尺寸。V型槽陣列微結(jié)構(gòu)頂角為60°，寬度為0.1 mm，間距為0.13 mm；矩形槽陣列微結(jié)構(gòu)寬度為0.1 mm，深度為0.009 mm，間距為0.13 mm；金字塔型陣列微結(jié)構(gòu)錐角為45°，間距為0.13 mm；網(wǎng)點(diǎn)陣列微結(jié)構(gòu)半徑為0.05 mm，深度為0.009 mm，間距為0.13 mm。在可見(jiàn)光波長(zhǎng)(0.38～0.78 μm)范圍內(nèi)進(jìn)行模擬分析。由于導(dǎo)光板出光面的出光效率直接決定了其亮度，因此根據(jù)出光效率來(lái)選擇一種合適的微結(jié)構(gòu)類型。4種不同微結(jié)構(gòu)導(dǎo)光板正面的出光效率隨波長(zhǎng)的變化如圖4所示。

圖4 不同波長(zhǎng)下不同微結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)光板的出光效率Fig.4 The light-emitting efficiency with different microstructures on the light guide plate at different wavelengths

由圖4可知，V型槽的出光效率最高，其次是網(wǎng)點(diǎn)陣列微結(jié)構(gòu)，矩形槽陣列微結(jié)構(gòu)的出光效率最低。網(wǎng)點(diǎn)微結(jié)構(gòu)的出光效率與V型槽相比略低，但是較為接近。由于V型槽微結(jié)構(gòu)通常采用微切削的加工制作方法，操作復(fù)雜，對(duì)設(shè)備和刀具的要求較高，而網(wǎng)點(diǎn)微結(jié)構(gòu)可采用紫外光刻電鑄成型(UV- LIGA)技術(shù)制備模板，制備精度高，所以本文采用網(wǎng)點(diǎn)微結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)光板底部的微結(jié)構(gòu)。

1.4 微結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)

在光學(xué)仿真Tracepro軟件中，分別設(shè)置LED光源、導(dǎo)光板以及觀察屏的屬性。微結(jié)構(gòu)采用矩形排布，通過(guò)控制變量法分別改變微結(jié)構(gòu)的半徑、深度以及間距大小，根據(jù)觀察屏表面的出光效率和照度均勻度的變化規(guī)律最終得出微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為半徑0.05 mm，深度0.009 mm，間距0.13 mm。

1.5 網(wǎng)點(diǎn)凹槽結(jié)構(gòu)的選擇

導(dǎo)光板表面微結(jié)構(gòu)有向內(nèi)凹陷或向外凸出兩種方式，本文探究微結(jié)構(gòu)的“凹凸”方式對(duì)導(dǎo)光板出光效率的影響。設(shè)定導(dǎo)光板底部微結(jié)構(gòu)尺寸如下：半徑為0.05 mm，深度(或凸起)為0.009 mm，間距為0.13 mm。在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，微結(jié)構(gòu)“凹凸”方式對(duì)導(dǎo)光板出光效率的影響如圖5所示。

圖5 微結(jié)構(gòu)“凹凸”方式對(duì)導(dǎo)光板出光效率的影響Fig.5 The influence of the “concave-convex” micro-structure on the light-emitting efficiency of the light guide plate

由圖5可知，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，波長(zhǎng)的改變是納米級(jí)別的，變化極其微小，且當(dāng)光線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，波長(zhǎng)與折射率成反比，因此折射率也幾乎沒(méi)有改變，即光線的軌跡路線變化不大，波長(zhǎng)的改變對(duì)導(dǎo)光板出光效率影響很小。而微結(jié)構(gòu)的“凹凸”方式對(duì)導(dǎo)光板的出光效率影響很大，當(dāng)微結(jié)構(gòu)向內(nèi)凹陷時(shí)，導(dǎo)光板的出光效率在47.5%上下微微浮動(dòng)，而微結(jié)構(gòu)向外凸出時(shí)，導(dǎo)光板的出光效率在20%左右微微浮動(dòng)，微結(jié)構(gòu)凸出時(shí)的出光效率不到凹陷時(shí)的出光效率的一半，因此本文采用微結(jié)構(gòu)向內(nèi)凹陷的設(shè)計(jì)。在波長(zhǎng)為0.546 1 μm時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下的照度如圖6所示。

圖6 “凹凸”微結(jié)構(gòu)下的導(dǎo)光板表面照度圖Fig.6 Surface illuminance map of the light guide plate with the “concave-convex” microstructure

1.6 微結(jié)構(gòu)排列方式的設(shè)計(jì)

網(wǎng)點(diǎn)微結(jié)構(gòu)陣列有3種排列方式，即矩形排布、錯(cuò)列矩形排布和六邊形排布。當(dāng)微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為半徑0.05 mm、深度0.009 mm、間距0.13 mm時(shí)，在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，排列方式與導(dǎo)光板出光效率的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知，3種不同的微結(jié)構(gòu)排列方式對(duì)導(dǎo)光板出光效率的影響不大，所以本文采用較為簡(jiǎn)單的矩形排布方式進(jìn)行研究，微結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。

圖7 微結(jié)構(gòu)排列方式對(duì)導(dǎo)光板出光效率的影響Fig.7 The influence of the microstructure arrangement on the light-emitting efficiency of the light guide plate

圖8 微結(jié)構(gòu)形式Fig.8 View of the microstructure

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)光板表面無(wú)微結(jié)構(gòu)

當(dāng)導(dǎo)光板表面無(wú)微結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行光線追跡后，觀察屏上導(dǎo)光板出光面照度如圖9所示。

圖9 無(wú)微結(jié)構(gòu)導(dǎo)光板表面照度圖Fig.9 Surface illuminance diagram of the light guide plate without any microstructure

由圖9可知，當(dāng)導(dǎo)光板表面沒(méi)有微結(jié)構(gòu)時(shí)，導(dǎo)光板相當(dāng)于一個(gè)平面波導(dǎo)元件，光線從側(cè)邊耦合進(jìn)入導(dǎo)光板向遠(yuǎn)方傳播時(shí)，會(huì)在導(dǎo)光板內(nèi)發(fā)生全反射，幾乎沒(méi)有光線從導(dǎo)光板上表面射出。

2.2 導(dǎo)光板底面有微結(jié)構(gòu)

當(dāng)導(dǎo)光板底面有微結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)定導(dǎo)光板表面屬性如下：Diffusion White; 網(wǎng)點(diǎn)形狀Sphere; 網(wǎng)點(diǎn)向內(nèi)凹陷; 網(wǎng)點(diǎn)半徑0.05 mm；網(wǎng)點(diǎn)深度0.009 mm；網(wǎng)點(diǎn)間距0.13 mm。對(duì)模型進(jìn)行光線追跡后，觀察屏上導(dǎo)光板出光面照度如圖10所示。

圖10 底面微結(jié)構(gòu)導(dǎo)光板表面照度圖Fig.10 Surface illuminance diagram of the microstructure light guide plate on the underside

由光學(xué)仿真Tracepro軟件分析可得，當(dāng)導(dǎo)光板底面有微結(jié)構(gòu)排布時(shí)，微結(jié)構(gòu)會(huì)改變?cè)脊饩€的傳播路徑，破壞導(dǎo)光板內(nèi)部的全反射現(xiàn)象。導(dǎo)光板出光面上光照度的大小與導(dǎo)光板距離光源的遠(yuǎn)近有關(guān)，離光源越近，光照度越大，反之則越小。光線耦合進(jìn)入導(dǎo)光板時(shí)，光源與光源之間存在明顯的暗區(qū)，導(dǎo)光板橫向照度分布均勻。根據(jù)九點(diǎn)測(cè)試法則測(cè)得導(dǎo)光板表面的輻照強(qiáng)度分別為1 055、1 188、3 313、3 466、1 218、2 463、2 353、1 262、1 541 W/m2，結(jié)果分析得出，出光效率為48.7%，照度均勻度為54.3%。

2.3 導(dǎo)光板底面和入光面均有微結(jié)構(gòu)

在導(dǎo)光板底部添加微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，同時(shí)在導(dǎo)光板的入光面添加微結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。設(shè)定導(dǎo)光板表面屬性如下：Diffusion White；網(wǎng)點(diǎn)形狀Sphere;網(wǎng)點(diǎn)向內(nèi)凹陷;網(wǎng)點(diǎn)半徑0.05 mm；網(wǎng)點(diǎn)深度0.009 mm；網(wǎng)點(diǎn)間距0.13 mm。對(duì)模型進(jìn)行光線追跡后，觀察屏上導(dǎo)光板表面照度如圖11所示。

圖11 入光側(cè)微結(jié)構(gòu)導(dǎo)光板表面照度圖Fig.11 Surface illuminance diagram of the microstructure light guide plate on the light incident side

由光學(xué)仿真Tracepro軟件分析可得，導(dǎo)光板底部有微結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)破壞導(dǎo)光板內(nèi)部全反射現(xiàn)象，當(dāng)導(dǎo)光板入光側(cè)添加微結(jié)構(gòu)時(shí)，增大了光源的光線發(fā)散程度，消除了光源與光源之間的明顯暗區(qū)，其照度均勻度相比于無(wú)微結(jié)構(gòu)入光面得到了明顯提高。根據(jù)九點(diǎn)測(cè)試法則測(cè)得導(dǎo)光板表面的輻照強(qiáng)度分別為1 494、3 741、3 200、1 516、1 511、1 547、2 918、2 853、1 968 W/m2，結(jié)果分析得出，出光效率為42.6%，照度均勻度為80.8%。

2.4 導(dǎo)光板底面、入光面和出光面均有微結(jié)構(gòu)

在導(dǎo)光板底面和入光面都有微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，導(dǎo)光板照度均勻度有所提高，但出光效率仍然不太理想，在此基礎(chǔ)上研究在導(dǎo)光板出光面添加微結(jié)構(gòu)。設(shè)定導(dǎo)光板表面屬性如下：Diffusion White;網(wǎng)點(diǎn)形狀Sphere;網(wǎng)點(diǎn)向內(nèi)凹陷;網(wǎng)點(diǎn)半徑0.05 mm；網(wǎng)點(diǎn)深度0.009 mm；網(wǎng)點(diǎn)間距0.13 mm。在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，對(duì)模型進(jìn)行光線追跡模擬，導(dǎo)光板表面出光效率如圖12所示。

圖12 不同波長(zhǎng)下導(dǎo)光板出光面是否添加微結(jié)構(gòu)的出光效率變化Fig.12 Change in light-emitting efficiency of the light guide plate with and without microstructure on the light-emithing surface at different wavelengths

由圖12可知，導(dǎo)光板出光面添加微結(jié)構(gòu)后具有光線增透效果，在功能上等效于棱鏡膜(增亮膜)的作用，在不降低導(dǎo)光板照度均勻度的情況下，出光效率達(dá)到60%左右，比之前有明顯的提升。

2.5 變間距式網(wǎng)點(diǎn)微結(jié)構(gòu)

在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，運(yùn)用光學(xué)仿真Tracepro軟件中自帶的Reptile(鱗甲)功能，將網(wǎng)點(diǎn)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為變間距式，即遠(yuǎn)光源處網(wǎng)點(diǎn)密度大于近光源處網(wǎng)點(diǎn)密度的排列方式，不斷優(yōu)化網(wǎng)點(diǎn)微結(jié)構(gòu)排列的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到一種出光更為均勻的導(dǎo)光板。設(shè)定導(dǎo)光板表面屬性如下：Diffusion White;網(wǎng)點(diǎn)形狀Sphere; 網(wǎng)點(diǎn)向內(nèi)凹陷; 網(wǎng)點(diǎn)半徑0.05 mm；網(wǎng)點(diǎn)深度0.009 mm；沿垂直光源方向，以導(dǎo)光板的長(zhǎng)為單位1分為3份，從左到右依次是1/6、1/3、1/2；網(wǎng)點(diǎn)間距分別設(shè)為0.10、 0.13、0.15 mm，具體排列如圖13(a)所示。對(duì)模型進(jìn)行光線追跡后，觀察屏上導(dǎo)光板出光面照度如圖13(b)所示。

圖13 變間距式網(wǎng)點(diǎn)微結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光板出光面照度圖Fig.13 Variable-pitch dot microstructure and the surface illuminance of the light guide plate

經(jīng)過(guò)導(dǎo)光板底面網(wǎng)點(diǎn)微結(jié)構(gòu)變間距式模擬仿真分析，結(jié)果表明獲得了更高的照度均勻度。這是因?yàn)樵诠饩€進(jìn)入導(dǎo)光板的傳遞過(guò)程中，會(huì)有部分光線遇到網(wǎng)點(diǎn)微結(jié)構(gòu)發(fā)生反射而從表面射出，遠(yuǎn)離光源部分光線會(huì)有所減弱，因此采用底面網(wǎng)點(diǎn)微結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)光源處密度大于近光源處密度的排列方式，導(dǎo)光板的照度均勻度得到提升，最大可達(dá)到90.2%，且出光效率仍在60%左右，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[16]。

3 結(jié)論

本文基于光學(xué)仿真Tracepro軟件，通過(guò)不斷優(yōu)化導(dǎo)光板微結(jié)構(gòu)對(duì)其出光效率和照度均勻度進(jìn)行分析研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)光板入光側(cè)添加微結(jié)構(gòu)后，導(dǎo)光板的照度均勻度得到明顯提升，由54.3%提高至80.8%；并且在照度均勻度維持在80%左右的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在導(dǎo)光板表面添加微結(jié)構(gòu)，使得導(dǎo)光板表面的出光效率提升至60%左右；最后采用底面網(wǎng)點(diǎn)微結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)光源處密度大于近光源處密度的排列方式，使導(dǎo)光板的照度均勻度最大可達(dá)到90.2%，提升效果明顯，為之后導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒意義。