液晶顯示激光背光模組關鍵技術研究

任小康

（深圳賽時達科技有限公司，廣東深圳 518000）

1 液晶顯示器的主要結構以及激光散斑效應概述

1.1 液晶顯示器的主要結構及原理

在當前液晶顯示器的主要結構中，主要包括液晶玻璃面板和背光模組。對于液晶玻璃面板發揮的主要功能是顯色，能夠使得液晶顯示器顯示出相應的顏色。而背光模組的主要功能是為液晶玻璃面板提供所需要的光源，從而能夠促使整個液晶顯示器顯示出畫面。

1.1.1 液晶玻璃面板的重要組成結構

在當前液晶玻璃面板的組成結構中，主要包括上下偏光板、玻璃基板、彩色濾光片（CF）、導向模、液晶、光學薄膜、ITO 透明電極等。對于玻璃基板來說，屬于一種表面平整度較高的薄玻璃片。對于彩色濾光片來說，發揮的主要功能是當背光模組中所提供的白色光在經過該濾光片時能夠調制出相對應的顏色，從而使得液晶玻璃片顯色。導向模又叫做配向膜，主要是可以使得溝槽中的一些液晶分子按照一定的方向排列，從而發揮出配向的相應功能。而上下偏板主要是偏振方向相互垂直的兩個偏振片。液晶材料發揮的主要功能是當上下偏光板中間液晶產生電場時，此時高槽中的液晶分子會按照一定方向來再次排列，此時通過調制后的光自身的偏振性可以使得光能從上下偏光板中按照一定規律漏出。對于ITO 電極，主要功能是為液晶層提供所需要的電場。光學薄膜的主要功能是提高光能的利用率。

1.1.2 背光模組的概述與分析

在背光模組中相對應的液晶玻璃基板本身不會發出光源，而是需要相應的背光模組來為玻璃機板提供所需要的光源，從而使得液晶玻璃機板能夠顯色。在此過程中，背光模組的總體積也直接影響著整個LCD 整體的體積大小。而當前背光源的種類、數量相對較多，根據光源的具體位置可分為直下式背光源和側光式背光源。在當前直下式背光源結構中不需要導光板，光源自身發射出的光在經過反射片的反射以及擴散片和眼鏡片的云光處理后，就會均勻照射在液晶玻璃面板上，并使得液晶玻璃面板發揮相對應的功能。但是該種結構具有一定的缺點，進一步增加了背光模組的厚度尺寸，增加了LCD 的體積。而側光式背光源結構中，主要是在兩側區域中放置光源和導光板，導光板的主要功能是將側邊發射出的線光源轉變為垂直入射的面光源。

1.1.3 背光模組中的光源概述與分析

液晶玻璃基板本身不會發出光，所以就需要背光模組來提供光源。而當前背光源主要采用了冷陰極熒光燈和發光二極管技術。①對于線光源來說，光學特性較為良好，點亮溫度相對較低，而相對應的發光效率較高，價格相對便宜實惠，整體技術水平較高，可以根據所需要的具體要求來制作成相對應的形狀。但是同樣也包含一些缺點，對能源的消耗力度較高，含有汞。在開啟過程中對電壓要求較高，進而具有一定的危險性。因此線光源不是當前背光模組中的重要選擇光源種類。②LED 光源。其中在該LED 光源中，主要包括了PN 結芯片、電極以及相應的光學系統。在此過程中，如果向PN 施加電壓時，會導致新加入的載流子會與多數載流子復合，從而其中一部分能量以光的形式釋放出來。需要根據摻雜的材料種類來決定釋放出光的顏色。在與線光源進行對比分析中，可以看出LED 光源對周邊環境造成的影響相對較小，對能源的消耗較少，體積小，使用周期較長，但是不能制作成功率較大的器件。更關鍵的是LED 光源所發射出的是熒光，因而無法實現全彩顯示的相應要求。

1.2 激光散斑效應

激光散斑效應指的是當相應的激光照射到粗糙度較高的墻面時，就會形成一些按照相關規則分布和對比度較高的斑紋圖案。激光自身的相干性較高，因而當自散射體表面出現反射時，會在散射體的周邊區域產生無規則的亮暗斑點，即激光散斑。激光散斑的存在會嚴重影響顯示的整體質量水平。在顯示器中，如果出現了散斑就相當于人體表面長出疹子，嚴重影響了顯示器的顯示質量水平，因而就需要嚴格抑制散斑的出現。

在激光顯示過程中，造成散斑出現的主要原因是激光光源自身的相干性較高以及散色體粗糙度較高。同時因為散斑效應的存在，會導致激光廣場出現一些無規則的圖樣，從而降低了整體顯示的質量水平。根據散斑大小不同，又可以劃分為粗糙和細微散斑。細微散斑主要是由顯示屏自身產生的。而在使用顯示器中一般都是間隔一段距離才可以看到顯示內容。因此在當前激光顯示器大多數是遠場散斑，其中混合了粗糙和細微散斑。如果不對散斑效應進行抑制處理，將會增加人眼的疲憊度，在經過長時間觀察，顯示器后會對人眼造成一定的損傷。

2 機載環境下對背光模組的具體設計以及相應的實驗研究

2.1 在機載環境的適應性設計

在相關機載環境下，相對應的液晶顯示模塊需要符合國家相關標準，才可以運用在各種環境中。其中對于背光模組來說，在設計時要充分考慮在環境中的適應性，因為在實際應用環境中需要保證背光模板穩定性較高，能夠通過各種振動和沖擊性試驗，并能夠穩定運行。此外還是要保證背光模組的亮度，滿足在強光下可視性的要求，一般需要對背光模組進行專業設計，選擇出相對應的光學膜的搭配。與此同時還需要保證背光模組具有非常寬廣的色域，從而使得使用人員能夠準確了解顯示屏中的信息。

2.2 夜視兼容的設計與研究

背光模組要繼續提高在環境中的適應性，同時還需要滿足在夜視兼容的相關要求。夜視兼容，指的是當顯示器應用在汽車內部中，不會與其他夜視成像系統產生相互干擾，即使在黑暗環境下也可以調整亮度，從而使得駕駛人員能夠準確掌握顯示器中的內容。如果不經過處理，將會導致接收內的顯示器發射出一些接近于紅外光線的光，進而對駕駛員造成干擾，使駕駛員無法接收到相關的信息。因此需要保證背光模組能夠滿足夜視兼容的相關要求，保證駕駛人員的運行安全。

3 液晶顯示激光背光模組的相關實驗分析與研究

3.1 背光模組的專業設計與仿真實驗研究分析

3.1.1 背光模組的專業設計研究

背光模組與液晶顯示模塊中的相關性能有著非常重要的關系，因此需要對整體背光模組進行專業合理的光學設計，進一步提升液晶顯示模塊的亮度和兼容性能。根據背光模組在設計方面的相關要求，提出了一種相對應的背光模組設計方案。并以10.1寸機載液晶顯示模塊作為實例，分別從背光板、導光板以及光學膜三個方面來研究該背光模組的具體設計內容。

3.1.2 背光模組的建模與仿真

在對背光模組設計過程中，光學設計的軟件數量較多。但是使用最為頻繁、設計效果最佳的軟件是Light Tools、Tracepro。在使用Light Tools 軟件時，設計人員確定出背光模組的參數數據后，能夠在極短時間內根據參數樹立來進行仿真實驗，能夠通過繪制圖形來進一步確定出相對應的光學系統，還可以對該光學系統進行實時觀察與調整，保證該光學系統中參數數據的準確合理性。更關鍵的是通過該軟件還可以對背光系統進行分析處理，根據設計人員的設計方案進行驗證和預測處理，從而使得能夠對背光系統中的參數數據進行適當調整，進一步降低了整體設計的成本，縮短了設計的時間，提升了整體效率。

之后在使用該軟件對光纖測端微加工的模擬分析中，孔洞的深度為d，半徑為r。在經過相關處理分析后可以看出，雖然該孔（圖1）僅僅是位于光線的一側區域中，但是在該孔的周邊區域中均會出現溢光情況，而且d的大小會影響開孔近光源溢出光的比重。如果半徑數據逐漸增大，進一步會增加露出光場光強的大小。其中將半徑規定為30 μm，調節深度d的數值來得到相對應的廣場大小。其中當d為50 μm 時，光場為6.53×105W/m3。而當d 為100 μm 時，光場為10.6×105W/m3。其中當d為150 μm 時，光場為11.8×105W/m3。在經過大量分析可以看出，當d和r的數值逐漸增大時，會導致漏光場照度的數值在逐漸增大。因此外有求就該問題需要選用漏光與主漏光相結合的技術來進行處理，從而使得尾部光源中多余出的光能夠均勻分散在整體發光區域中。此時通過調整d和r的數值來進一步降低尾光較強的問題。因此，可以得出，通過使用該光纖側端開孔技術來使得LCD 背光模組中的光場分布均勻。

圖1 側端開孔的具體模型

3.2 液晶抑制激光散斑技術的實驗分析與研究處理

3.2.1 實驗分析處理

為了驗證液晶分子會對激光散斑造成一定的抑制影響，對該技術進行了實驗分析與處理，從而來進一步掌握實際效果，改進當前激光散斑存在對顯示器的影響。在整個實驗裝置中，主要涉及激光光源、液晶抑制激光散斑裝置、導光板以及相應的CCD 相機。圖2是液晶分子的工作原理圖。

其中激光光源的波長為450nm 的二極管，額定功率數值為200mW。液晶選用了E7型TN 液晶，電壓為9 V 左右。對于散射體來說，是使用了導光板，并且還使用了霧化片來模擬實際情況。在此過程中，使用了CCD 相機來真實模擬人眼的實際情況，相應時間按照0.02 s。其中半導體發射出的光通過抑制激光散斑裝置從側端角度入射到導光板中，并使用CCD相機來實時拍照通電和未通電狀態下的導光板圖像。此外，還需要使用相關軟件來對圖像進行灰度處理。在經過一系列處理后，如果液晶片沒有接通電場則激光散斑的對比度可以達到6.52%。而在施加電場后，對比度為2.80%，小于4%，從而不會對人眼造成影響。

3.2.2 造成液晶散斑抑制的原因以及處理效果分析

造成液晶抑制激光散斑的主要原因是液晶在進行旋轉和極化的過程中，如果時間遠遠小于電場在同一方向中所連續的時間時，將會導致液晶分子處于靜止狀態，無法調控激光，最終無法抑制激光散斑。而如果頻率大于闖值時，此時就會明顯提高液晶分子的旋轉速度，最終無法提高對激光散斑的抑制效率。在此過程中，電壓數值增加，能夠明顯提高對激光散斑的處理效果。

文章通過控制施加液晶的電場，可以明顯降低對激光散斑的對比度數值。其中主要是降低了激光的相干性數值，從而能夠明顯提高對激光散斑的抑制效率。只有當液晶存在闖值電壓，并且到電商中的電壓超過該數值時才會發揮液晶的抑制效果。電壓數值越高，明顯提高對激光散斑的抑制效果。與此同時，只有當電場的頻率遠遠大于闖值時，才可以抑制激光散斑。

4 結束語

在當前液晶顯示激光背光模組的關鍵技術研究分析中可以看出，通過使用該光纖側端開孔技術來使得LCD 背光模組中的光場分布均勻，需要調整d和r的通過大小來進一步減少尾光強度過高的影響。而可以數值控制施加液晶電場中的電壓和頻率大小來抑制激光散斑效應，提升顯示器的顯示效率，使得使用者能夠準確獲取顯示器中的內容。