直下式LED背光模組的超薄設(shè)計

李德君，劉 剛，呂國強(qiáng)，方旭東，馮奇斌，＊

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程，安徽 合肥 230009；2.合肥京東方顯示光源有限公司，安徽 合肥 230012；3.特種顯示技術(shù)教育部重點實驗室 特種顯示技術(shù)國家工程實驗室現(xiàn)代顯示技術(shù)省部共建國家重點實驗室，安徽 合肥 230009）

1 引 言

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）由于具有響應(yīng)速度快、驅(qū)動電壓低、壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)點［1－2］成為液晶顯示主流背光光源［3－5］。按光源入射方式，LED背光分為直下式與側(cè)光式［6－8］。直下式背光將LED布置在液晶顯示屏的正下方，通常采用多顆低功率LED［9］，存在成本高（LED數(shù)量較多）、厚度大和散熱困難等問題。為減少LED數(shù)量，研究者采用大功率LED，通過在LED上方安裝根據(jù)LED配光曲線設(shè)計的透鏡［10－15］，增加 LED發(fā)光角度，以保證顯示均勻性并減少模組厚度。目前，透鏡設(shè)計已經(jīng)將發(fā)光角度擴(kuò)大到165°，進(jìn)一步改善的難度較大。故需要采取其他的技術(shù)在不增加LED顆數(shù)的情況下進(jìn)一步降低厚度。

2 逆棱鏡微結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對直下式LED背光模組，模組厚度指標(biāo)定義為混光高度（Optical Distance，OD）。除了在LED上增配透鏡，如下技術(shù)可減少OD：

（1）擴(kuò)散板印刷技術(shù)：通過在LED正上方擴(kuò)散板進(jìn)行油墨印刷，降低LED正上方的光強(qiáng)度，調(diào)節(jié)光的分布，達(dá)到減弱畫面Mura（光斑）、降低混光高度的效果；

（2）反射片印刷技術(shù)：在反射片邊緣區(qū)域，根據(jù)需要進(jìn)行黑油墨的印刷，從而使得印刷區(qū)域底反射效果下降以減弱或消除Mura，降低混光高度；

（3）光路微結(jié)構(gòu)折射法：在光的路徑中，設(shè)立適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)及界面，利用幾何光學(xué)原理，當(dāng)光經(jīng)過光疏和光密介質(zhì)交界面時發(fā)生折射偏轉(zhuǎn)，從而起到光路調(diào)整效果。

本論文提出一種環(huán)狀逆棱微結(jié)構(gòu)。在每個LED（含LENS結(jié)構(gòu)）正上方對應(yīng)位置，以LED投影點為中心，制作環(huán)形逆棱鏡。圖1給出了具有逆棱鏡微結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散板的光線走向圖。圖中Part A為本文所述的具有環(huán)形逆棱微結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散板（或等同介質(zhì)）。根據(jù)幾何光學(xué)，當(dāng)光從S點發(fā)射，假設(shè)此處沒有折射介質(zhì)，光路將沿著原有方向射向D點；而由于經(jīng)逆棱微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散部件的存在，光路在此分界面發(fā)射折射，按照折射定律，光線改變方向后射向點B；另一側(cè)S到A的光線類似（可以認(rèn)為兩側(cè)對稱）。所以得到實際光斑AB＞無介質(zhì)理論光斑CD。圖中Part B為光通過沒有微結(jié)構(gòu)的普通介質(zhì)（材質(zhì)與Part A一致，保持相同折射率）。按照上述等方法可以推論得知：所得實際光斑A1B1小于無介質(zhì)理論光斑C1D1；在同等情況下對比，由于無介質(zhì)理論光斑一致（即CD＝C1D1）。所以，本文所述采用環(huán)形逆棱微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散介質(zhì)能夠明顯起到放大擴(kuò)散光斑尺寸、降低混光距離的效果。

圖1 剖面逆棱結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板的光擴(kuò)散作用原理圖Fig.1 Schematic diagram of the light diffusion effect on diffuser plate with prism micro－structure

3 實際驗證

使用擠出熱壓技術(shù)［16］形成下表面含逆棱微結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散板，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：擴(kuò)散板厚度T＝2mm；逆棱微結(jié)構(gòu)鋸齒高度h＝24μm；鋸齒距離P＝48μm；線性逆棱與擴(kuò)散板長邊夾角θ＝90°。在掃描電鏡下對微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面表征，如圖2所示。

圖2 擴(kuò)散板微結(jié)構(gòu)示意圖及其SEM顯微圖Fig.2 Schematic diagram and SEM image of prism micro－structures on diffuser plate

使用32in直下式LED背光模組對該微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板性能進(jìn)行研究。該背光模組具有36顆（9×4）含透鏡結(jié)構(gòu)的LED，在同一混光高度19 mm下，對比擴(kuò)散板有無微結(jié)構(gòu)對燈影的影響。如圖3所示，當(dāng)使用逆棱微結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散板時，燈影光圈橫向擴(kuò)張，由無微結(jié)構(gòu)時的38.67mm提升至42.17mm，提升率9.1%。縱向距離保持不變。中心光斑到最外邊光圈的過度更加平緩，光線均勻程度提升。該現(xiàn)象是由于垂直分布的逆棱結(jié)構(gòu)將LED透過透鏡發(fā)出的光向水平方向打散，使得光影在水平方向拉長，混光效果得到提升。

圖3 擴(kuò)散板無（a）和有微結(jié)構(gòu)（b）時LED燈影效果圖Fig.3 Effect of light shadow without（a）and with（b）prism micro－structures on diffuser plate

圖4為當(dāng)擴(kuò)散板有微結(jié)構(gòu)和無微結(jié)構(gòu)時，具有透鏡的LED光斑直徑與混光高度之間的關(guān)系示意圖。圖示表明，在7～17mm的混光高度范圍內(nèi)，同一混光高度下，具逆棱微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板的LED光斑直徑較無微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板的大，這也意味著達(dá)到同一混光效果時，逆棱微結(jié)構(gòu)的背光模組混光高度（即產(chǎn)品厚度）要低于無微結(jié)構(gòu)的背光模組。該實驗結(jié)果與之前的實驗現(xiàn)象及光學(xué)原理較為吻合，有力地證明了應(yīng)用逆棱鏡微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超薄背光模組的可能性。

圖4 擴(kuò)散板有無微結(jié)構(gòu)光斑直徑與混光高度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between spot diameter and mixed light height with and without prism micro－structures on diffuser plate

圖5為逆棱與擴(kuò)散板長邊夾角θ和光斑擴(kuò)散效果關(guān)系示意圖。由圖可見，隨著夾角θ的變化，擴(kuò)散光斑亦相應(yīng)地發(fā)生轉(zhuǎn)動。不難得出，當(dāng)線狀逆棱旋轉(zhuǎn)360°時，光斑擴(kuò)散將達(dá)到最好的效果，即當(dāng)逆棱的形狀為圓盤時，擴(kuò)散光斑為一標(biāo)準(zhǔn)圓形。

圖5 線性逆棱與擴(kuò)散板長邊夾角θ和光斑擴(kuò)散效果的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between diffusion effect of light shadow and included angleθ

如圖6所示為產(chǎn)品去除膜材，觀察LED Mura的效果圖。在正常產(chǎn)品混光區(qū)間8mm和6mm位置分別加入一張無逆棱微結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散板進(jìn)行效果對比。從圖中可以明顯看出，使用無微結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散板放置于混光區(qū)內(nèi)，對整個產(chǎn)品的混光有明顯負(fù)面影響。

圖6 無逆棱微結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散板在混光高度降低時的光學(xué)效果Fig.6 Optical effect of diffuser plate without prism micro－structure when the OD reduced

將這種逆棱微結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用于32in直下式LED背光模組上，其效果圖如圖7所示。由圖可見，基于該微結(jié)構(gòu)的背光模組呈現(xiàn)出較好的均勻化效果，LED燈影完全消除，光線部分較為均勻。更為重要的是，該背光模組實現(xiàn)了較短的混光距離，由原模組的13mm降低為11.8mm，降低約10.2%。

圖7 使用逆棱微結(jié)構(gòu)的超薄背光模組Fig.7 Ultrathin backlight unit with prism micro－structures

4 結(jié) 論

本文提出一種環(huán)形逆棱微結(jié)構(gòu)設(shè)計，用以增大出光角度，降低混光高度。通過在32in直下式LED背光模組上進(jìn)行實際驗證，使原模組混光高度由13mm降低至11.8mm，混光高度降低10%，實現(xiàn)了背光模組的超薄設(shè)計。

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