基于微透鏡陣列的汽車OLED車燈光學分布優化研究

引言

汽車照明系統正經歷從傳統光源向新型光源的轉變，OLED作為新一代照明技術，具有自發光、超薄、可彎曲等優勢。然而，由于OLED器件的層間折射率差異，導致大量光線被限制在器件內部，嚴重影響了光能利用效率。同時，車燈照明要求嚴格的光強分布，這對OLED發光均勻性提出了更高要求。微透鏡陣列作為一種有效的光學結構，在提高光提取效率和調控光強分布方面具有獨特優勢。

一、微透鏡陣列結構設計與光學特性分析

（一）微透鏡陣列結構設計

微透鏡陣列結構設計基于幾何光學和波動光學理論，著重考慮了曲率半徑、焦距、排布方式等關鍵參數[。如圖1所示，在OLED車燈應用中，微透鏡單元采用非球面結構設計，曲率半徑范圍為 20-50μm ，高徑比控制在0.3-0.7之間。微透鏡陣列排布采用六邊形緊密排列方式，單元間距為 45μm ，填充因子達到 92‰ 陣列基底材料選用折射率為1.52的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)，表面經等離子體處理，提升了與OLED發光層的結合性能。微透鏡加工采用超精密光刻工藝，表面粗糙度控制在5nm以內，邊緣輪廓精度達到 ±0.5μm 陣列整體尺寸為50mm×30mm ，總厚度包含基底在內為 2mm ，滿足車燈輕薄化要求。結構設計過程中，通過有限元分析優化了微透鏡的應力分布，確保在 -40^°C 至 85^°C 溫度范圍內保持良好的結構穩定性。

（二）光學特性分析

光學特性分析采用光線追蹤和波動光學混合算法，通過三維光學模型研究微透鏡陣列對OLED發光的調控機理[2。光線追蹤模擬顯示，微透鏡結構改變全內反射臨界角，提高光線提取效率。波動光學計算表明，微透鏡在 450-650nm 波長范圍內透過率達 94% 近場掃描光學顯微鏡測量結果顯示微透鏡降低了表面等離激元損耗。角分辨光譜測量表明，優化后光強分布半峰全寬從 120^° 降至 85^° ，在 ±45^° 入射角范圍內保持穩定光學性能，滿足車燈多角度照明需求。

二、實驗方案與測試系統

（一）樣品制備工藝

微透鏡陣列樣品制備采用紫外光刻和熱壓印工藝[3。將PMMA基底材料經過等離子體處理后，通過旋涂工藝涂覆光刻膠，涂覆轉速 3000rpm ，時間 30s 光刻膠厚度滿足微透鏡高度要求，厚度均勻性控制在 ±2% 以內。采用灰度光刻掩模板制作微透鏡陣列母板，掩模板透光率梯度分布符合非球面曲率要求。紫外光曝光能量密度設定為 150mJ/cm² ，顯影時間120s 熱壓印工藝溫度控制在 130^°C ，壓力 1.2MPa ，保壓時間 5min 壓印后樣品經退火處理消除應力，退火溫度曲線滿足：

式中， T₀ 為室溫， T₁ 為最高退火溫度 160^°C，τ 為特征時間常數。制備的微透鏡陣列樣品尺寸誤差小于 1μm ，表面粗糙度 Ra<5nm

（二）光學測試系統

如圖2所示，光學測試系統由光源模塊、準直系統、光譜分析儀和數據采集系統組成。光源采用集成球光源，光譜范圍400-700nm ，光強穩定性優于 0.1%^[4]c ，準直系統由石英透鏡組構成，焦距 200mm ，數值孔徑 0.22 光譜分析采用陣列光譜儀，光譜分辨率 0.5nm ，積分時間可調范圍 1ms-10s 角分辨測量裝置采用高精度轉臺，角度分辨率 0.01^° 。測試系統光強探測靈敏度SI滿足：

式中，NEP為噪聲等效功率，△f為測量帶寬，S為探測器響應度。系統配備溫控裝置，測試環境溫度控制在23±0.5^°C ，相對濕度 45±5% 0

（三）測量方法

微透鏡陣列光學性能測量采用多維度表征方法。近場光強分布測量使用顯微共聚焦掃描系統，掃描步長 0.1μm ，掃描范圍覆蓋 100×100 個微透鏡單元。遠場角度分布測量角度范圍 ±80^° 步進間隔 0.5°_c 。光譜測量采用積分球法，入射光斑直徑5mm，積分球內壁涂覆硫酸鋇反射涂層，漫反射率大于 98‰ 微透鏡表面形貌采用白光干涉儀測量，垂直分辨率2nm，橫向分辨率 0.5μm 動態測試條件下，采用高速光電探測器，帶寬100MHz，上升時間小于5ns。所有測量重復進行五次，取平均值作為最終結果。

（四）評價指標

評價指標體系包含光學性能指標和可靠性指標兩大類。光學性能指標涵蓋光提取效率、發光均勻性、角度發散度和色度均勻性。光提取效率通過積分球法測量微透鏡陣列前后光通量比值確定。發光均勻性采用像素灰度標準差評估，掃描范圍50mm×30mm ，采樣點數 1000×600_? 。角度發散度基于光強半高寬定義，測量 ±60^° 范圍內光強分布曲線。色度均勻性基于CIE1931色度空間，測量色差△E小于 0.003 可靠性指標包括溫度循環試驗（ 、-40^°C 至 85^°C ，1000次）、濕熱試驗0 85^°C /85%RH，1000h）和振動試驗（ 5?100Hz ，2g加速度）。每項試驗后進行光學性能測試，性能衰減需控制在 5% 以內。

三、結果分析與討論

（一）光提取效率優化結果

微透鏡陣列結構優化改善了OLED車燈的光能利用效率。如表1所示，通過結構參數優化，器件光提取效率從 23.5% 顯著提升至 34.2% 經過等離子體處理的PMMA基底材料界面反射損耗降低了 58% ，表面能提升至 72.3mN/m 優化設計的微透鏡曲率半徑為 35-40μm 區間時，出光效率達到最佳狀態。器件在寬溫域范圍內表現穩定， -40^°C 至 85^°( 溫度區間內光提取效率波動小于3% ，熱穩定性顯著增強。通過改進工藝參數和結構設計，微透鏡陣列填充因子提升至 92% ，器件整體光提取效率提高了

（二）光強分布特性

微透鏡陣列結構實現了OLED車燈光強分布的精確調控。如表2所示，器件在 450-650nm 波長范圍內表現出優異的光譜特性，主波長漂移小于 5nm_? 。動態響應測試顯示，器件上升時間縮短至85ns，瞬態特性提升了 70.2%_① ，空間光場測量結果表明，微透鏡陣列使光強分布更加集中，主瓣區域光強提升了 32.5% ，側向雜散光抑制效果顯著。器件在 ±45^° 視角范圍內保持穩定發光特性，滿足車燈應用的光強分布要求。

（三）均勻性評估與可靠性驗證

微透鏡陣列優化顯著改善了OLED車燈的發光均勻性。發光區域測試顯示，器件發光強度剖面曲線波動幅度降至 3% 以內，像素灰度標準差減小至 2.3% 。色度空間分析表明，優化后色坐標漂移量控制在（0.002，0.002）范圍內，色溫偏差小于 100K 如表3所示，可靠性實驗結果表明，器件經過1000次溫度循環和1000小時熱老化后，結構保持完整，光電性能衰減幅度低于 5% ，可靠性等級達到車規要求。

結論

通過系統的理論分析和實驗驗證，證實了微透鏡陣列結構在優化OLED車燈光學分布方面的顯著效果。研究發現，微透鏡的曲率半徑和高徑比是影響光提取效率的關鍵參數，最優化后的六邊形排布微透鏡陣列不僅提高了光提取效率，還改善了發光均勻性。此外，該優化方案在不同環境溫度和振動條件下均表現出良好的穩定性，具有較強的工程實用價值。未來研究方向可進一步探索智能化光強分布調控技術，為汽車照明系統的發展提供新思路。

參考文獻：

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