全微結構一體化背光模組設計

余鴻昊，賈麗麗，李冬磊，陳 英，劉 碩，楊 賢，王伯長，周 昊，孫海威

(北京京東方顯示技術有限公司，北京 100176)

1 引 言

隨著薄膜晶體管液晶顯示(TFT-LCD)技術的不斷成熟，亟待發展新方向去突破目前的瓶頸期，同時由于有機發光二極管(OLED)和微型發光二極管(Micro-LED)等新技術的沖擊，減少膜材數量進行超薄化設計或在現有基礎上增加新的應用功能是未來TFT-LCD顯示產品應對市場沖擊并突破自身技術壁壘的重要發展方向，因此集成多種膜材功能于一體的高亮度、輕薄化和低功耗背光模組(Backlight Module, BLM)越來越引起行業設計者和上下游企業的關注[1-2]。

目前常見的一體化背光膜材產品是將多張光學膜材貼合而成的復合膜，相比于獨立的多張膜材疊加，復合膜厚度更薄，例如POP(Prism on Prism)、DPP(DBEF Prism and Prism)和DOP(Diffuser on Prism)等，相關產品已有一定市場化應用[3-4]。在側入式背光系統中，導光板(Light Guide Plate, LGP)作為重要光學部品，其多功能集成的一體化設計也被廣泛研究，早期一些研究者通過多層結構設計，使用低折射率膠水粘合形成一體化導光板[5-8]，主要有Yamada等人提出通過高低折射率微結構層的作用，使光線準直出射[5]；Ishida和Pan等人也分別設計了不同的多層折射率一體化結構，進一步提升背光模組出光效率[6-7]，但此類方案有諸多不足：(1)粘合可靠性較低；(2)高低折射率差異越大，出光效率越高，但低折射率材料較少；(3)不同折射率材料對不同波段的吸收系數和色散系數不同，色差較大。由于上述缺陷，膠合型的一體化導光板難以滿足實際使用要求。

另一方面，一些研究者直接在導光板表面設計微結構[9-13]，主要有Xu Ping等人提出使用二元光學理論在導光板上表面設計內凹微圓錐結構[9]，其后又使用微集成化結構設計微光學一體化導光板，并加工4.6 cm(1.8 in)樣品[10]；Feng Di等人在導光板上表面設計微棱鏡控光結構[11]；Wang Yi-Jun同時在導光板上表面和側面設計微棱鏡結構，增加設計自由度，但需要使用準直光源[12]，這些設計大多需要通過幾何光學和迭代優化的計算嚴格設計結構參數，對結構精度和復雜度要求較高，但部分設計存在局限性和限制條件，受限于現有工藝水平，在實際加工中難度較大。

本文設計一種新型可控光的全微結構一體化導光板，背光模組中只有導光板一種光學部品，通過上下兩種匹配化設計的導光和控光微結構，將勻化、增亮、導光、控光等功能集于一體，并且具體分析了每種微結構的作用和設計方法。然后對兩種結構分別進行優化設計，并在背光仿真模型中測試亮度、亮度發光角和均一性等評價參數。最后將設計的14.5 cm(5.7 in)全微結構一體化背光模組與同尺寸的常規參考背光對比，得出結論：相對于傳統多膜材背光模組，全微結構一體化背光模組在滿足TCO(Swedish Federation of Professional Employees)認證測試標準的同時，還具有更薄厚度、更大視角、更高亮度和更高對比度等諸多優勢。本文中全微結構背光模組是對TFT-LCD背光發展的積極探索，對未來液晶顯示器的超薄化、極簡化和節能化設計均具有重要意義。

2 全微結構一體化導光板的構成及光學原理

2.1 全微結構一體化導光板的構成

圖1為全微結構一體化導光板結構示意圖。它主要由漸變微棱鏡下表面微結構、二次函數上表面微結構和反射鍍層組成。

圖1 全微結構一體化導光板結構示意圖Fig.1 Structure diagram of all-micro-structure integrated LGP

其中漸變微棱鏡下表面微結構通過一定規律的疏密排布沿Y方向優化設計，在實現畫面均勻性的同時控制發光角度從導光板上表面正視角附近出射；與下表面微結構排布方向垂直的二次函數上表面微結構使用二次函數曲線擬合面型，Y向拉伸為類柱狀透鏡，并沿X方向等間距設計，該結構可以收縮X方向的發光角度來提升中心亮度，作用類似于棱鏡片，此外還可以通過分區光調制在側入式背光模組中實現亮暗區域劃分的背光照明，以提升顯示模組的對比度，最后通過在下表面微結構上設計反射鍍層，將從下表面微結構中折射出的光線回收利用，提升光效利用率。

2.2 全微結構一體化導光板工作原理

使用全微結構一體化導光板的液晶顯示器基本工作原理如下所述：LED燈條發出的光線射入導光板內部，下表面無微結構時，光線在導光板內部發生全反射無法射出，因此通過下表面微結構設計，可以破壞光線的全反射特性，且由于反射鍍層的作用，射到下表面的光線大部分被反射，通過微結構的疏密分布優化，經過微結構表面的反射光線從不同區域出射，最終形成一個均勻發光的面光源。本文所述一體化導光板微棱鏡替代一般油墨或圓形結構的網點，可以在實現畫面均勻性要求的同時，控制出射光角度，使發光角度正出射。然后，從導光板上表面正出射的光線經過二次函數設計的上表面微結構控制，將光線收攏匯聚，提升正視角亮度，由于二次函數上表面微結構是等間隔周期性分布，并且與每個側入式LED匹配設計，因此可通過不同位置LED的開啟和關閉實現一維的局部區域控光，進而提升對比度。

光線傳輸過程如下所述，LED燈條發出的線光源經過導光板下表面鍍有反射層的漸變微棱鏡陣列導光結構后，形成正視角出射的大發光角度均勻面光源，然后面光源被導光板上表面等間距二次函數微陣列控光結構進一步調制，將大角度光線收縮，提升中心發光亮度，形成高亮度且滿足產品測試標準的均勻性要求，此外，可通過側入式背光源的開啟和關閉結合上表面控光結構控制每一條形區域分區的亮暗，配合上方面板(Panel)的顯示控制，實現更高對比度的顯示模式。因此，全微結構一體化導光板需要實現的功能包括：(1)常規導光板的導光功能；(2)擴散片的視角調制勻化功能；(3)棱鏡片的視角收縮增亮功能；(4)反射片的下表面出射光線反射回收利用功能；(5)另增加提升背光模組對比度的區域控光功能。

3 全微結構一體化導光板設計方法

3.1 導光板原理

如圖2所示，若導光板下方無導光網點，則LED光源發出的光線從空氣射入導光板內，將會發生全反射無法射出。原因如下：假設光源對稱發光，則入射角為α，界面折射角為β，射出入射角為θ，由折射定律易得出[14]：

(1)

β+θ=90°.

(2)

以最大α角分析，取α=90°，此時β也應最大，由公式(1)計算得β= 42.15°，則根據公式(2)，最小的θ=90°-42.15°=47.85。根據全反射定律，由高折射率n2介質射出到低折射率n1介質時，則全反射臨界角C如下所示：

(3)

根據實際n1為空氣，n2按照常規導光板材料設為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，分別帶入n1和n2，則C=42.15°。

圖2 無導光結構導光板光路示意圖Fig.2 Framework of LGP without structure

由于最小的θ仍大于全反射臨界角C，所以無網點分布時，進入導光板的全部光線均會發生反射，內部無光線折射射出，因此為了讓光線出射上表面，需要使用不同折射率的散射材料或不同形狀的微結構令導光板內部的光線非全反射出射。

圖3 常規導光板光路示意圖Fig.3 Framework of normal LGP

如圖3所示，當光線射到網點上時可射出導光板，而非網點處的光線發生全反射導向后端。按一定規律疏密分布的網點構成導光層，網點密集處出光量多，大部分光線從上表面出射，網點稀疏處出光量少，大部分光線被導向后端，通過網點稀疏分布設計，可控制出射光線的亮度分布，最終獲得均勻亮度出射的面光源，此即為導光板的設計原理。

3.2 漸變微棱鏡導光結構設計

分別設計不同尺寸50，100，200，300，400 μm的不同漸變微棱鏡子結構，并優化排布，比較當優化完成均勻性達到80%以上時的亮度，并做歸一化處理，其結果如圖4所示。

圖4 微結構尺寸與歸一化亮度的關系Fig.4 Relationship between micro-structuresize and normalized brightness

可以看出當漸變微棱鏡子結構底邊長約200 μm，高度約150 μm時，按一定疏密分布規律在導光板下表面排布設計，此時亮度最高，漸變微棱鏡下表面微結構子結構外形如圖5所示。

圖5 微棱鏡子結構Fig.5 Micro-prism structure

常規圓形二維或三維網點的導光結構，光線于大角度附近出射，會造成部分光效損失，而角度匹配設計的漸變微棱鏡子結構可控制光線沿上表面中心視角附近出射，大部分光線都能被利用，光效利用率明顯提升。

圖6 導光板出光角度Fig.6 View angle of LGP

此外由于導光板為透明材質，射向下表面微結構非全反射光線部分反射回上表面出射，而另一部分會直接從下表面折射，因此需要在導光板下表面鍍反射層，減小下表面的漏損失，所以背光模組也無需使用反射片，結構進一步簡化并減小厚度。常規網點設計的導光板與漸變微棱鏡設計的導光板出光角度差異如圖6所示，可明顯看出二者差異。

3.3 二次函數控光結構設計

二次函數上表面微結構作為控光結構，設計方法是首先使用二次曲線在x-z平面擬合面型，面型沿y方向伸展，生成類柱狀初始結構；然后使用光線優化，將發光角度進一步收縮，提升中心亮度；最后按一定規律設計周期陣列，將其在導光板上表面設計分布。x-z平面二次函數表達式如公式(4)所示。

(4)

其中:z代表微結構在每點x處的坐標，c代表曲率，k表示圓錐系數，α1和α2各階項對應系數。

初始結構依照公式(4)設計，為方便加工及匹配，上表面微結構尺寸設計與下表面尺寸相當，上表面子結構底邊長約為200 μm，高度約為38 μm，臨近邊緣處有明顯的反曲率變化，得以在相鄰子結構之間平滑過渡，子結構沿x方向等間距周期性排列構成類柱形陣列，其外形如圖7所示。

圖7 二次函數微子結構Fig.7 Quadric function micro-structure

優化前后的微子結構如圖8所示，二次函數微結構可使光線均勻出射，并且將光線出射角度收縮，此外該結構沒有一般棱鏡結構的大角度漏光問題，因此在中心增亮的同時，光效利用率進一步提升。

圖8 二次函數微結構模型Fig.8 Quadric function micro-structure model

3.4 全微結構匹配設計

上下表面微結構尺寸相當，因此二者分布應匹配化設計，設計思路為首先固定上表面二次函數控光結構等間距分布，如圖9所示。

圖9 全微結構一體化導光板上表面 Fig.9 Top surface of all-micro-structure integrated LGP

然后對下表面微棱鏡導光微結構進行y方向漸變優化，其分布規律類似于一般網點，入光側密度低，出光側密度高，使其優化后的分布結構與上表面微結構互相匹配，間距優化使用二階貝塞爾函數，其表達式如公式(5)所示。

B(t)=(1-t)2P0+2t(1-t)y+t2P1，

(5)

其中:t∈[0,1]，P0和P2表示導光板在y方向上的上下邊界，y作為優化變量。優化后的全微結構一體化導光板下表面如圖10所示。

圖10 全微結構一體化導光板下表面Fig.10 Bottom surface of all-micro-structure integrated LGP

其中，上表面控光結構排布方向與下表面導光微結構排布方向垂直，且需相互匹配，可在滿足光學均勻性的同時，收縮兩個方向的發光角度，進而提升中心亮度。

上下表面微結構具備可加工性，二者分布互相垂直，且尺寸相當，實際加工時均可采用注塑成型工藝，首先使用激光刻蝕方法加工高精度上下表面微結構模具，而后將兩個模具對位組裝，通過在模具中注塑原料一次成型，為保證上下表面微結構對齊匹配，需在實際加工時預先定標，通過定位標志使上下兩個模具匹配后再進行注塑成型加工。

建立全微結構一體化背光模型，亮度及發光角度仿真結果如圖11和圖12所示，中心亮度14 481 cd/m2，九點光學均勻性可達80%以上，發光角度在X和Y方向均有明顯收縮。

一體化背光模組能在更大視角獲得更高亮度，是因為一體化背光模組相比常規背光模組具有更高的光效，其原因有二：(1)常規背光模組中有多種光學膜材，光學膜材自身的透過率會導致部分光效的損失，而一體化背光模組中沒有其他光學膜材，因此其材料層自身的出光效率要高于常規導光板；(2)常規背光模組中光線從常規導光板的偏離中心的大角度出射，后續還經歷了擴散片勻化和棱鏡片收縮視角的作用，由于經過擴散片勻化后在水平和垂直兩個方向視角都會變大，因此需要使用兩張棱鏡片將兩個方向視角收縮，由于棱鏡結構的作用，其中部分大角度光能量會損失，而一體化背光模組中光線在導光板內已由下表面微棱鏡陣列將垂直發光角度收縮，并沿中心視角附近射出導光板，然后由上表面微結構陣列收縮水平視角，實現兩個方向視角的收縮，因此其大角度損失的光能量要低于常規背光模組。

圖11 空間亮度分布Fig.11 Distribution of spatial luminance

圖12 發光角亮度分布Fig.12 Distribution of angular luminance

等間距周期排列的二次曲面控光結構除可收縮發光角度，以提升中心亮度外，還可以實現側入式背光模組的一維分區域照明，即根據顯示圖像的差異控制不同區域背光的亮暗，使暗圖像區域更暗，亮圖像區域更亮，將背光的分區照明與面板的分區顯示通過算法結合，可以將面板本身的對比度進一步提高，實現更高對比度的高動態范圍顯示。

如圖13所示，每個子區域為一個矩形面積，通過不同位置LED的開啟和關閉，控制每個區域的亮暗，LED數量越多，區域劃分越密，通過這種背光照明方式，用于TFT-LCD液晶面板，可以實現更高動態范圍對比度的顯示。

圖13 單燈區域空間亮度分布Fig.13 Single LED distribution of spatial luminance

4 實際模型仿真及對比

4.1 樣品測試實驗

選用14.5 cm(5.7 in)(65.4 mm×130.15 mm)手機背光模組作為實驗樣品，其主要用于評判仿真模型的準確性。背光厚度為0.9 mm(其中導光板厚度0.5 mm)，單燈光通量為8.5 lm，側入式燈條共14顆燈，膜材架構由上至下分別為底反射片、導光板、下棱鏡片、上棱鏡片和上擴散片的常規架構，樣品測試實驗外觀及點亮畫面如圖14所示。

圖14 14.5 cm(5.7 in)常規架構背光模組Fig.14 14.5 cm(5.7 in)normal BLM

測試內容主要包括九點空間亮度均勻性和發光角亮度。九點空間亮度均勻性使用亮度計測試，測試方法如圖15所示，將發光表面分割為9個測試區域，其中編號1, 3, 7, 9四個邊角位置的測試點分別與上下邊界成1°夾角，編號2, 4, 6, 8四個中間測試點邊緣與邊界夾角也為1°，最后測試點5在正中心位置測試。測試九點亮度值，即可根據公式(6)計算均勻性：

(6)

其中：LSLU表示空間亮度均勻性，Lmin和Lmax分別表示測試九點中亮度的最小值和最大值。實測九點空間亮度均勻性為88.17%，測試中心亮度為12 290 cd/m2。

圖15 空間亮度均勻性測試Fig.15 Measurement for the spatial luminance uniformity

發光角亮度同樣使用亮度計，測試方法如圖16所示，選取同一測試點位置(中心點)，在水平和垂直方向分別測試，水平方向測試角度記為θL和θR，垂直方向測試角度記為ФL和ФR，水平和垂直方向測試范圍均為[0°, 90°]，參考顯示產品測試標準，中心0°視角亮度最高，以亮度下降至0°視角亮度的30%作為發光視角。實測水平視角55.43°，垂直視角53.41°，大視角下觀察背光亮度下降明顯。

圖16 發光角亮度測試Fig.16 Measurement for the angular luminance

4.2 實際模型仿真

圖17 機械光學背光參考模型Fig.17 Mechanical and optical BLM reference model

根據4.1中實際樣品參數設計背光仿真模型，其中導光板網點三維結構及排布規律通過實測數據表格文件導入，棱鏡片、棱鏡層和基底層通過實測微結構的尺寸和折射率導入，擴散片及反射片通過實測樣品的雙向散射分布函數(BSDF)導入，將所有膜材部品參數單獨建模后，設計與實驗樣品參數一致的參考背光模型。機械光學仿真模型如圖17所示。

參考模型的測試評價方式與實際測試儀器參數匹配，其中空間亮度均勻性測試的模擬依照實際樣品測試標準，選取與實驗背光樣品相同位置的9個測試區域，仿真設置的亮度計測試面積與每個測試點面積相等，選擇1×1測試網格。發光角亮度測試的模擬同樣與實際樣品測試標準匹配，選擇中心點測試區域面積作為角亮度測試面積設置探測器，將中心0°峰值亮度的30%作為截止視角。按照實驗樣品參數進行參考模型仿真，使用上述測試方法對參考模型進行光學評價，其各項光學指標均勻實驗樣品一致，誤差均在5%以內，可說明參考模型與實驗樣品匹配，因此參考模型各項光學指標可作為評價一體化背光模型光學性能的參照依據。

4.3 全微結構一體化背光模型仿真及對比

根據前述導光板設計方法仿真與實際參考產品尺寸相同的14.5 cm(5.7 in)全微結構一體化背光模型，整個背光模組中只有導光板一種光學部品，去除了擴散片、棱鏡片和反射片等膜材，在降低材料成本的同時大大簡化了組裝工序，同時相比于常規背光模組厚度也有明顯減小，常規背光與一體化背光在X和Y方向的光學部品組成如圖18所示。

二者設計規格對比如表1所示，其中尺寸、燈數、燈條的輸入光通量和導光板材料等參數都相同，不同之處在于參考模型除使用一般導光板外，還包括增亮膜、擴散片和反射片的膜材架構，而一體化背光模型中僅有一張全微結構一體化導光板。

按設計規格分別設計參考背光模型和一體化背光模型，然后參照實際測試儀器設置亮度計參數，探測器工作距離1 m，入瞳直徑為30 mm，測試半錐角為0.5°。

(a)常規背光模組光學部品組成(a) Optical parts of normal BLM

(b)一體化背光模組光學部品組成(b) Optical parts of integrated BLM

序號設計參數參考模型一體化模型1尺寸/mm65.4×130.15×0.965.4×130.15×0.52燈數/EA14143光通量/lm8.75×148.75×144導光板材料PMMAPMMA5導光板上表面無二次函數微結構陣列(底邊200μm,高度38μm)6導光板下表面三維圓形網點(直徑40μm,高度3μm)漸變微棱鏡陣列(底邊200μm,高度150μm)7增亮膜兩張正交棱鏡片無8擴散片上擴散無9反射片銀反射片下表面鍍銀

最后使用4.1節所述測試方法進行亮度、均勻性和發光角度等模型性能的光學評價，相關評價對比如表2所示。

表2 兩種模型光學評價對比Tab.2 Comparison of optical evaluation of two models

從表2可以看出，本文所設計的一體化背光模組在滿足實際背光產品的均勻性要求前提下，其相比于常規背光模組，不僅架構簡單、外觀超薄，而且光效利用率、中心亮度、水平垂直發光視角等光學表現均有明顯提升。

5 結 論

本文根據未來液晶顯示模組超薄化、極簡化、高亮度和低功耗等要求，提出了一種基于全微結構的新型一體化導光板設計方法，并介紹了導光和控光微結構組成和工作原理，說明這種全微結構一體化導光板集成了多種光學膜材功能，并簡化了背光模組架構。然后研究了一體化導光板上下表面微結構優化設計方法，并設計對應的全微結構一體化背光模組。最后，將一款14.5 cm(5.7 in)實際產品背光模組的常規架構光學模型作為參考模型，首先驗證了參考模型與實測樣品的一致性，然后將相同尺寸的一體化背光模型與參考模型對比，通過與實測樣品相同的光學評價方法，進一步證明了一體化背光模組的優勢，其厚度為0.5 mm，中心亮度14 481 cd/m2，出光效率76.5%，水平發光角度64.63°，垂直發光角度70.25°，相比于常規背光模組，其外觀結構與光學性能均有明顯提升，同時可以利用其一維區域控光調制功能實現高對比度顯示，滿足未來顯示產品超薄化、極簡化、大視角、高亮度、高對比度等要求。