Mini-LED背光區(qū)域調(diào)光單元的光學(xué)特性研究

郭 舉，申瓊鑫，江宗釗，陳恩果,郭太良

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院 閩都創(chuàng)新實驗室，福建 福州 350016)

1 引 言

液晶顯示器(Liquid crystal display,LCD)具有成本低、尺寸大、尺寸小等優(yōu)點，因此廣泛用于汽車、工業(yè)設(shè)備、手機、電視、數(shù)字手表等的顯示領(lǐng)域[1-3]。然而，目前液晶顯示器的發(fā)展仍面臨一些問題，例如漏光引起的屏幕環(huán)境對比度低、圖像質(zhì)量低、發(fā)光源個數(shù)增多和工作時間長導(dǎo)致的高功耗和低光線利用率[4]。

解決上述問題的關(guān)鍵是重新設(shè)計和優(yōu)化背光單元。為了提高背光單元的環(huán)境對比度、減少背光單元功耗以及提高光線利用率，區(qū)域調(diào)光技術(shù)應(yīng)用而生[5-9]。傳統(tǒng)的區(qū)域調(diào)光技術(shù)大多數(shù)采用直接照明的背光來實現(xiàn)高動態(tài)范圍的調(diào)光[10-11]，即在背板上布置數(shù)量眾多的發(fā)光源，根據(jù)驅(qū)動電路傳遞的圖像灰度調(diào)節(jié)特定區(qū)域發(fā)光源的亮暗狀態(tài)，但是這種直下式背光單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計往往由于基數(shù)龐大的發(fā)光源而導(dǎo)致整個背光單元的高功耗，且存在光暈重疊的問題導(dǎo)致區(qū)域調(diào)光效果下降。與直下式背光模組相比，側(cè)入式背光單元的發(fā)光源位于導(dǎo)光板的側(cè)面，不需要大量的發(fā)光源且整個背光單元相對較薄，但其難以實現(xiàn)區(qū)域動態(tài)調(diào)光，尤其是二維區(qū)域動態(tài)調(diào)光[7,12]。同時，導(dǎo)光板近光側(cè)和遠光側(cè)的照度差異導(dǎo)致整個導(dǎo)光板出光不均，表現(xiàn)為區(qū)域調(diào)光單位越大，調(diào)光效果越差[13]。上述問題阻礙了特定目標區(qū)域中出光面的照度均勻分布，從而降低了圖像質(zhì)量和光線利用率。然而，使用導(dǎo)光板作為邊緣照明背光源的優(yōu)勢可以大大降低背光模塊的厚度和功耗，并且已經(jīng)有一些關(guān)于邊緣照明方式的區(qū)域動態(tài)調(diào)光背光的研究[14-16]。

Mini-LED由于其尺寸小、超薄化、低功耗等優(yōu)勢，應(yīng)用于液晶背光能夠?qū)崿F(xiàn)更加精細化的局部區(qū)域調(diào)光，對于實現(xiàn)高動態(tài)對比度的液晶顯示具有重要意義，是目前液晶顯示的研究熱點[17-19]。當前研究將Mini-LED陣列光源應(yīng)用于液晶顯示的背光模組實現(xiàn)區(qū)域調(diào)光技術(shù)[20-22]能夠提高顯示面板的對比度(Contrast ratio)到1 000 000∶1[23]。若將Mini-LED芯片集成在自發(fā)光顯示器中，顯示器會呈現(xiàn)出類似有機發(fā)光二極管(Organic light-emitting diode,OLED)的完美暗態(tài)，并且屏幕峰值亮度是LCD和OLED顯示器的幾倍左右[24]。更重要的是，Mini-LED結(jié)構(gòu)簡單、開口較大、視場角寬廣、工作溫度范圍能夠使顯示設(shè)備在室內(nèi)和室外中得到很好的應(yīng)用。然而，直下式Mini-LED背光需要數(shù)量龐大的光源陣列，其功耗較大，而且由于光源陣列與擴散板之間需要有一定的混光距離[25]，該距離限制了背光模組的進一步薄型化[26-28]。當前針對Mini-LED背光模組中區(qū)域調(diào)光單元的不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性未有報道。

基于此，本文建立了Mini-LED背光調(diào)光單元的不同光學(xué)結(jié)構(gòu)，并通過系統(tǒng)建模和光學(xué)仿真，對其光學(xué)性能和出光效果進行了詳細對比研究，并提出了一種角入式Mini-LED背光調(diào)光單元，通過圖案化導(dǎo)光板實現(xiàn)了區(qū)域調(diào)光的優(yōu)化，兼容了傳統(tǒng)直下式和側(cè)入式的優(yōu)勢，實現(xiàn)了高性能Mini-LED背光調(diào)光。

2 Mini-LED調(diào)光單元光學(xué)結(jié)構(gòu)

直下式和側(cè)入式Mini-LED背光的局部區(qū)域調(diào)光單元示意圖如圖1(a)和1(b)所示。側(cè)入式Mini-LED調(diào)光單元中,Mini-LED發(fā)光源放置于規(guī)則導(dǎo)光板的側(cè)面，通過特殊設(shè)計的網(wǎng)點密度分布[29-30]將部分入射光能按需導(dǎo)出并傳播到遠光區(qū)域，從而達到均勻出光的要求。而直下式Mini-LED調(diào)光單元則將其發(fā)光源規(guī)則排列放置于基底上，通過陣列化Mini-LED發(fā)光源調(diào)控整個調(diào)光單元的亮暗及灰度狀態(tài)。然而，無論是直下式Mini-LED調(diào)光單元還是側(cè)入式Mini-LED調(diào)光單元，都存在著一定的優(yōu)缺點。側(cè)入式Mini-LED調(diào)光單元厚度相對較薄，需要的發(fā)光源個數(shù)少，因此調(diào)光功耗相對較低，但由于Mini-LED發(fā)光源放置于背光單元的側(cè)邊，僅能實現(xiàn)該物理區(qū)域內(nèi)的調(diào)光。直下式Mini-LED背光單元由于需要擴散板進行勻光，調(diào)光厚度相對較大，而直下式陣列排布的光源實現(xiàn)區(qū)域調(diào)光相對較精細，但由于Mini-LED發(fā)光源數(shù)量龐大導(dǎo)致整體功耗增加。

圖1 Mini-LED背光局部區(qū)域調(diào)光單元模型示意圖。(a)側(cè)入式調(diào)光單元；(b)直下式調(diào)光單元；(c)角入式調(diào)光單元。Fig.1 Schematic diagram of the mini-LED local dimming unit.(a)Edge-lit unit;(b)Direct-lit unit;(c)Corner-lit unit.

基于以上分析，本文還探索了一種角入式Mini-LED背光的區(qū)域調(diào)光單元，如圖1(c)所示。不同于以上的調(diào)光單元的光學(xué)結(jié)構(gòu)，通過將規(guī)則導(dǎo)光板做去邊角化處理，四角磨平拋光形成平面入光面，使其圖案化導(dǎo)光板的直角形狀邊角區(qū)域變?yōu)槠矫嫘螤钸吔菂^(qū)域，然后將Mini-LED發(fā)光源放置于圖案化導(dǎo)光板的平面形狀邊角區(qū)域的截面處，將光耦入到圖案化導(dǎo)光板內(nèi)，再通過圖案化導(dǎo)光板底部的網(wǎng)點分布實現(xiàn)均勻照度分布和良好的光線利用率。一方面，通過圖案化導(dǎo)光板利用數(shù)量極少的發(fā)光源實現(xiàn)均勻出光；另外一方面，由于發(fā)光源側(cè)入放置于平面形狀邊角區(qū)域，整個調(diào)光單元的厚度較薄。由于角入式Mini-LED發(fā)光源的法線方向指向圖案化導(dǎo)光板的幾何中心點，應(yīng)結(jié)合傳統(tǒng)的網(wǎng)點分布設(shè)計實現(xiàn)合理的密度分布，再配合光學(xué)膜片的聚光和勻光，實現(xiàn)高效率、高均勻性的出光。

3 Mini-LED調(diào)光單元光學(xué)仿真對比

為了驗證不同結(jié)構(gòu)的調(diào)光單元在實際中的應(yīng)用，本文利用光學(xué)仿真軟件TracePro對不同結(jié)構(gòu)的背光單元進行系統(tǒng)建模和仿真追跡，評價了背光單元的光學(xué)性能。在初始仿真模型中,導(dǎo)光板厚度為1 mm，各個光學(xué)組件的空間距離為0.1 mm，不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)模型及其光學(xué)屬性盡可能與實際應(yīng)用保持一致。調(diào)光單元的仿真模型的導(dǎo)光板參數(shù)如表1所示，導(dǎo)光板材料采用聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate，PMMA)，折射系數(shù)為1.493 86。Mini-LED發(fā)光源的尺寸為400 μm × 400 μm，發(fā)光光強分布符合朗伯體分布(Lambertian)，發(fā)光中心波長為450，546.1，630 nm，對應(yīng)于導(dǎo)光板的入射波長。

表1 區(qū)域調(diào)光單元參數(shù)Tab.1 Parameters of a single local dimming zone

在光學(xué)仿真軟件TracePro中完成各個光學(xué)表面的屬性設(shè)置，設(shè)置50萬條光線進行仿真追跡，在相同表面屬性設(shè)置和材料屬性設(shè)置條件下，對比了未添加光學(xué)膜片時，側(cè)入式Mini-LED調(diào)光單元、直下式Mini-LED調(diào)光單元、以及本文提出的角入式Mini-LED調(diào)光單元的光學(xué)性能。在Mini-LED出光側(cè)設(shè)置一個全吸收的接收面，經(jīng)過仿真追跡，不同結(jié)構(gòu)的調(diào)光單元的接收面輻照度如圖2 所示。

圖2 未添加光學(xué)膜片時，不同光學(xué)結(jié)構(gòu)的調(diào)光區(qū)域光線仿真追跡結(jié)果。(a)，(b)側(cè)入式調(diào)光單元；(c)，(d)直下式調(diào)光單元；(e)，(f)角入式調(diào)光單元。Fig.2 Simulation results of differentlocal dimming structures of backlights without optical films.(a)，(b)Edge-lit unit;(c)，(d)Direct-lit unit;(e)，(f)Corner-lit unit.

側(cè)入式Mini-LED調(diào)光單元的接收面輻照度如圖2(a)所示，調(diào)光單元的照度分布具有階梯性，根據(jù)照度顏色條可知，近光側(cè)的能量分布相對集中，Mini-LED發(fā)光源處歸一化照度值在0.8～1的顏色分段；隨著導(dǎo)光板上距離Mini-LED發(fā)光源越遠，能量分布相對固定，歸一化照度值大體在0.3～0.7的顏色分段。對應(yīng)的照度分布曲線如圖2(b)所示。圖3(a)為針對側(cè)入式Mini-LED調(diào)光單元設(shè)計的導(dǎo)光板底部網(wǎng)點密度分布，觀察其網(wǎng)點密度分布，其大致呈現(xiàn)出單向分布趨勢，即近光側(cè)網(wǎng)點密度分布較為稀疏，遠光測網(wǎng)點密度分布集中，這有利于側(cè)入式調(diào)光單元在光傳導(dǎo)過程的均勻光提取。

如圖2(c)所示的是直下式Mini-LED調(diào)光單元的接收面輻照度分布，其主要表現(xiàn)為4個照度由中心逐漸向外減弱漸變的光暈。很明顯可以看出，在同等的光源數(shù)量下，直下式Mini-LED調(diào)光單元很難實現(xiàn)空間照度的均勻分布，照明區(qū)域很難覆蓋整個調(diào)光區(qū)域。同時，Mini-LED發(fā)光源的出射光線傳播到一定的空間距離逐漸減小，直至為零，對應(yīng)的水平方向和垂直方向的截面照度曲線如圖2(d)所示，曲線圖表現(xiàn)為“峰波”，“峰波”的最高點位于Mini-LED發(fā)光源的中心點處，隨著空間距離的增大，照度逐漸減小直至為0。若將Mini-LED光源陣列與接收面之間的混光距離增加，則有可能實現(xiàn)更好的均勻性?？梢园l(fā)現(xiàn)，當混光距離有一定程度增加時，4顆Mini-LED光源發(fā)出的光斑能夠得到很好的交疊，實現(xiàn)了較好的均勻性，但是此時將帶來較大的調(diào)光單元厚度，且根據(jù)照度與距離平方反比定律，背光源的亮度降低導(dǎo)致無法滿足實際應(yīng)用要求。

本文提出將Mini-LED光源放置于導(dǎo)光板的頂角，與直下式Mini-LED調(diào)光單元相對比，有效得到了均勻的輻照度分布，其出光面的照度分布情況如圖2(e)所示。其照度色段分布較為均勻，顏色偏差不大，僅在邊緣區(qū)域存在一定的照度衰減，但與中心區(qū)域的色偏差小，這意味著整個接收面的照度分布較為均勻，且對應(yīng)的水平方向和垂直方向的中心截面處的照度變化也相對平緩，如圖2(f)所示。圖3(b)為針對角入式Mini-LED調(diào)光單元所設(shè)計的導(dǎo)光板底部的網(wǎng)點密度分布圖，其和側(cè)入式Mini-LED調(diào)光單元的網(wǎng)點分布密度相比具有很大的區(qū)別，特別是在頂角區(qū)域近光側(cè)，網(wǎng)點分布相對稀疏，而在遠光側(cè)的中心區(qū)域，網(wǎng)點密度分布則相對比較集中，總體分布與邊角區(qū)域較為對稱，其對稱點為幾何中心點，這也符合照度與距離平方反比定律。

圖3 不同光學(xué)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)點密度分布。(a)角入式調(diào)光單元；(b)側(cè)入式調(diào)光單元。Fig.3 Dot density distribution of different local dimming structures of backlights with optical films.(a)Corner-lit unit;(b)Edge-lit unit.

表2總結(jié)了不同結(jié)構(gòu)的Mini-LED背光調(diào)光單元的光學(xué)性能。對于角入式Mini-LED背光調(diào)光單元，仿真所得的整體歸一化照度值在0.65以上，根據(jù)ANSI九點法計算出的出光面照度均勻性為67.27%。在未添加光學(xué)膜片的情況下，光線利用率可達86.67%。側(cè)入式Mini-LED背光調(diào)光單元的照度均勻性能夠達到63.33%，光線利用率僅為20%左右。然而，直下式Mini-LED背光調(diào)光單元的光線利用率為35%左右，由于Mini-LED發(fā)光源排布數(shù)量較少，難以實現(xiàn)照度均勻化。相對比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的背光單元，角入式Mini-LED背光調(diào)光單元的照度均勻性和光線利用率都較高，這表明角入式調(diào)光單元具有一定的可行性。

表2 不同結(jié)構(gòu)的Mini-LED區(qū)域調(diào)光單元的光學(xué)性能Tab.2 Optical performances of Mini-LED dimming unit with different structures

4 Mini-LED調(diào)光單元結(jié)果討論

上一節(jié)分析是基于無任何光學(xué)膜片加持所建立的仿真追跡結(jié)果，在實際的調(diào)光單元應(yīng)用中，為了進一步提升調(diào)光單元的均勻性，往往會在Mini-LED背光模組中加入擴散片、棱鏡片等光學(xué)膜片，仿真模型中的光學(xué)膜片和其他光學(xué)組件的空間距離仍為0.1 mm。本節(jié)將進一步地比較不同結(jié)構(gòu)的Mini-LED背光調(diào)光單元的合理性和實用性，添加光學(xué)膜片再重新對不同結(jié)構(gòu)的背光調(diào)單元進行光線仿真追跡，以對比分析其結(jié)果。Mini-LED背光調(diào)光單元插入的光學(xué)膜片的屬性特征參數(shù)如表3所示。

在不同結(jié)構(gòu)的Mini-LED背光調(diào)光單元正上方設(shè)置數(shù)量不等的光學(xué)膜片時，包括擴散片和正交放置的棱鏡片，所得到接收面的照度分布情況如圖4所示。側(cè)入式Mini-LED背光調(diào)光單元的接收面輻照度如圖4(a)所示，添加光學(xué)膜片后，輻照度分布相對均勻，照度色段分布比較合理，歸一化照度值在0.7以上，局部區(qū)域照度值相對較大，觀察其對應(yīng)的照度曲線分布圖4(b)可知，曲線相對平滑，照度差值相對較小，證明了調(diào)光區(qū)域的出光均勻性相對較好，根據(jù)ANSI九點法測得照度均勻性為74.50%，光線利用率為20%左右。直下式Mini-LED背光調(diào)光單元的接收面輻照度仍然表現(xiàn)為4個照度漸變的光暈，如圖4(c)

圖4 添加光學(xué)膜片時，不同光學(xué)結(jié)構(gòu)的調(diào)光區(qū)域光線仿真追跡結(jié)果。(a)，(b)側(cè)入式調(diào)光單元；(c)，(d)直下式調(diào)光單元；(e)，(f)角入式調(diào)光單元。Fig.4 Simulation results of different local dimming structures of backlights with optical films.(a)，(b)Edge-lit unit;(c)，(d)Direct-lit unit;(e)，(f)Corner-lit unit.

表3 Mini-LED背光調(diào)光單元插入的光學(xué)膜片參數(shù)

所示。與圖2(d)相比，光暈半徑減少，照度分布相對集中到Mini-LED發(fā)光源中心處，對應(yīng)的水平方向和垂直方向的截面照度曲線圖4(d)仍然表現(xiàn)為“峰波”，但“峰波”曲線相對平滑，照度分布則集中到“波峰”內(nèi)，這表明擴散片和正交放置的棱鏡片同時具有光勻化和縮束的效果。

本文提出的角入式Mini-LED背光調(diào)光單元與以上調(diào)光單元相比，輻照度分布仍然較為均勻，接收面的出光情況如圖4(e)所示，總體看來其出光均勻，照度分布色段分布較為均勻，整個出光面歸一化照度值均在0.8以上，即不存在由于網(wǎng)點密度分布不均帶來的照度異常區(qū)域。根據(jù)ANSI九點法計算得出光面照度均勻性提升至了84.70%。另外，在添加光學(xué)膜片的情況下，光線利用率超過了90%，最終達到了92.10%，能夠滿足實際背光的高效率應(yīng)用需求。接收面水平和垂直方向中心截面的照度曲線如圖4(f)所示，更直接地反應(yīng)了區(qū)域調(diào)光單元模型近光側(cè)和遠光側(cè)的照度分布，曲線越平滑表明中心截面上照度差值越小，出光整體均勻性越好，仿真結(jié)果證明了角入式Mini-LED背光調(diào)光的可行性。

由上述分析可知，插入的光學(xué)膜片使不同結(jié)構(gòu)的Mini-LED背光調(diào)光單元的空間照度均勻性有了明顯的提高，對于整個背光單元的出光效果具有不可忽視的作用。然而，對于直下式Mini-LED背光單元而言，Mini-LED發(fā)光源的數(shù)量增加對于均勻的照度分布至關(guān)重要。這里特別模擬了直下式Mini-LED背光模組中，增加Mini-LED發(fā)光源的數(shù)量的照度分布仿真追跡結(jié)果，如圖5所示。

圖5 增加光源數(shù)量后的直下式Mini-LED背光調(diào)光單元的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of the direct-lit mini-LED backlight unit with increasing multi-sources

當發(fā)光源數(shù)量增多到400顆時，照度分布均勻性有了很大的提高，根據(jù) ANSI 九點法計算得出光面照度均勻性在80%以上，對應(yīng)的水平方向和垂直方向的中心截面的照度分布曲線相對平滑，說明背光的照度均勻性已經(jīng)得到了較大的提升。然而，此時，要達到同樣的均勻性，直下式Mini-LED發(fā)光源的數(shù)量為400顆，而角入式Mini-LED背光調(diào)光單元僅需要4顆，其數(shù)量擴大了100倍?？梢灶A(yù)期，隨著背光單元面積的增大，所需的Mini-LED發(fā)光源將成千上萬顆，整個背光單元的功耗將極大增加。而角入式Mini-LED背光調(diào)光單元在每個調(diào)光區(qū)域所需發(fā)光源數(shù)量僅為4顆，保證了光學(xué)性能的同時實現(xiàn)了總體厚度的薄型化。通過拼接組合成大面積的二維區(qū)域調(diào)光背光模組，可實現(xiàn)整個背光單元的高照度均勻性和光線利用率。

5 結(jié) 論

本文通過對比Mini-LED背光模組區(qū)域調(diào)光單元的3種不同光學(xué)模型，即直下式、側(cè)入式及本文提出的角入式調(diào)光單元，并對3種模型進行光學(xué)建模和仿真，分析對比了背光模組的光學(xué)特性。該角入式Mini-LED調(diào)光單元通過將Mini-LED發(fā)光源以一定角度放置于圖案化導(dǎo)光板的邊角區(qū)域，實現(xiàn)均勻的光線出射。與側(cè)入式Mini-LED背光調(diào)光單元和直下式Mini-LED背光調(diào)光單元相比，角入式Mini-LED背光調(diào)光單元不僅能夠減少Mini-LED發(fā)光源的個數(shù)，降低背光功耗，而且照度均勻性和光線利用率均較好。該單元可以進一步作為子分區(qū)進行拼接形成大尺寸的背光模組，并通過控制子分區(qū)的亮暗狀態(tài)，實現(xiàn)良好的區(qū)域調(diào)光效果。本文對于Mini-LED背光調(diào)光單元的設(shè)計具有重要的理論指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值，提出的角入式Mini-LED背光調(diào)光單元結(jié)構(gòu)有望開辟低功耗、高光線利用率的區(qū)域調(diào)光背光新思路。