用于超薄MiniLED 背光模組的光學膜設(shè)計

馮奇斌，肖慧麗，楊 玲，朱 標，呂國強*

（1. 合肥工業(yè)大學特種顯示與成像技術(shù)安徽省技術(shù)創(chuàng)新中心特種顯示技術(shù)國家工程實驗室光電技術(shù)研究院，安徽合肥230009；2. 合肥工業(yè)大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥230009；3. 合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院，安徽合肥230009；4. 安徽華東光電有限公司，安徽 蕪湖 241002）

1 引 言

液晶顯示已經(jīng)成為主流的平板顯示技術(shù)。由于液晶不發(fā)光，需要背光提供照明光線［1-4］。背光模組的亮度、色度、體積在很大程度上決定了最終顯示器的性能。顯示產(chǎn)品薄型化已經(jīng)成為流行趨勢，這就要求背光模組最大程度地減少厚度。發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）已經(jīng)是現(xiàn)在液晶顯示背光模組的主流發(fā)光光源。直下式背光模組通常包括多個LED，隨著LED芯片尺寸的增加，單顆LED 的功率不斷提高，LED 之間的間距越來越大，通常需要先通過二次透鏡將 LED 發(fā)出的光線進行一定的擴散［5-11］，然后通過擴散膜將光線進一步打散，形成均勻的擴展光源。LED 和擴散膜之間的混光距離（Opti?cal Distance，OD）通常比較大，導致背光模組厚度較大。

隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，LED 發(fā)光芯片的尺寸縮小到幾百微米，出現(xiàn)了MiniLED。MiniLED芯片尺寸小、發(fā)熱低，可以矩陣式密集排布在背光模組中。由于芯片之間的距離很小，可以大大降低混光距離，但將擴散膜放置在距離芯片較近的距離時（1 mm 之內(nèi)），擴散效果非常不明顯。文獻［12］雖然針對MiniLED 背光源設(shè)計了帶有表面微結(jié)構(gòu)的光學膜，但設(shè)計方法都是基于點光源，實際應用于擴展光源時，需要大量的優(yōu)化工作，而且要考慮單個芯片與對應的光學膜微結(jié)構(gòu)之間的對準問題，這對實際應用造成很大困擾。

本文針對超薄MiniLED 背光模組，提出一種針對擴展光源設(shè)計光學膜微結(jié)構(gòu)的方法，基于全反射原理將擴展光源離散為點光源，計算并累計所有點光源的返回能量，即為擴展光源的返回能量，返回能量最大時得到微結(jié)構(gòu)形貌。由于設(shè)計的光學膜微結(jié)構(gòu)尺寸相對于MiniLED 芯片尺寸小很多倍，且微結(jié)構(gòu)是周期性排列，所以不需要考慮與芯片對準的問題，并且可直接能夠在較近距離內(nèi)對光線進行充分擴散，具有較強的實用性。

2 光學膜微結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 基于擴散粒子的光學膜擴散原理分析

目前，LED 背光模組中使用的擴散膜都是基于擴散粒子的。光線進入基板發(fā)生折射后再進入擴散層，通過擴散粒子進行擴散［13］。為了驗證光學膜的擴散效果，在光學設(shè)計仿真軟件Light?Tools 中建立 5×5 陣列的 MiniLED 背光模型，每個MiniLED 芯片的尺寸是0.254 mm×0.114 3 mm，間距是1.25 mm。仿真模型中還包括背光腔體，腔體內(nèi)表面屬性設(shè)置為高斯反射。Mini?LED 芯片組放置在背光腔體中。在OD=1 mm處不加擴散膜和加擴散膜的仿真效果如圖1 所示?？梢钥闯?，在OD=1 mm 的位置放置擴散膜，雖然具有一定的擴散作用，但依然可以看到多個獨立的MiniLED 光源，不能滿足均勻性要求。

圖1 不加擴散膜與加擴散膜仿真亮度對比Fig.1 Comparison of simulated brightness without and with diffusion film

2.2 基于折射透鏡的擴散原理分析

目前，LED 背光模組中對光線進行擴散的另外一個技術(shù)是二次透鏡。本文采用文獻［14］的設(shè)計方法為MiniLED 設(shè)計了雙自由曲面透鏡，透鏡高度為 0.5 mm，直徑為 1.2 mm，如圖 2（a）所示。圖2（b）和2（c）分別是在點光源和擴展光源下照度分布的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，基于點光源下設(shè)計的透鏡，照度在中心區(qū)域是均勻的，而在擴展光源下照度是不均勻的，后期需要通過大量復雜的優(yōu)化工作［15-16］才能達到理想效果。

圖2 雙自由曲面模型以及在點光源和擴展光源下仿真的照度光柵圖Fig.2 Double freeform surface lens model and simulated illumination distribution under point source and surface source

2.3 基于全反射的微結(jié)構(gòu)設(shè)計

從上面的分析可以看出，采用對光線直接進行擴散的方法，在混光距離較小（小于1 mm）的情況下無法得到理想效果；采用雙自由曲面透鏡的方法，則后期需要大量的優(yōu)化工作，而且由于透鏡尺寸較小，曲面要求精度較高，加工難度較大。本文提出了一種基于全反射的設(shè)計方法，設(shè)計了一種微結(jié)構(gòu)，將MiniLED 發(fā)出的大部分光線反射回燈板，再通過燈板上具有高漫反射率的漫反射膜將光線進一步打散，并反射回液晶面板方向，從而降低光源正上方的能量，加強光源之間區(qū)域的能量，提升亮度均勻性。

本文設(shè)計的用于全反射光線的二維初始微結(jié)構(gòu)為等腰三角形。微結(jié)構(gòu)將MiniLED 光源發(fā)出的光線進行全反射，返回燈板的能量越多，光線擴散效果越好，亮度均勻性提升越明顯。Mini?LED 發(fā)出的光線經(jīng)基板折射后傳播到微結(jié)構(gòu)底部，根據(jù)折射定律，微結(jié)構(gòu)底部對應了視角收縮的擴展光源，將擴展光源離散成點光源。計算每個點光源受微結(jié)構(gòu)調(diào)控后全反射的能量，所有離散點光源返回能量的累加即為擴展光源受微結(jié)構(gòu)調(diào)控返回的能量。能量最大時，對應的傾角是微結(jié)構(gòu)的最佳傾角。光學元件尺寸與光源尺寸比值大于5 時，可將擴展光源假設(shè)成點光源［17］。本文設(shè)計的二維微結(jié)構(gòu)的底邊寬度為20 μm，將微結(jié)構(gòu)對應的擴展光源離散成39 個點光源，每個點光源對應的微結(jié)構(gòu)尺寸滿足點光源假設(shè)，如圖3 所示。由于微結(jié)構(gòu)是對稱的，底邊上的點光源相對于底邊中心對稱的另一點光源受微結(jié)構(gòu)的調(diào)控也是對稱的，所以只計算底邊對應的擴展光源的一半即可。

圖3 擴展光源離散成點光源Fig.3 Surface source discreted point source

如圖 4 所示，A為微結(jié)構(gòu)底邊中心點，O是底邊一端點，對OA內(nèi)的點光源從左到右依次排序，設(shè)為i（i=1，2，…，20）。光線經(jīng)基板折射之后，根據(jù)折射定律（基板折射率n=1.49），發(fā)散角由（-70°，70°）變 為（-39.09°，39.09°），對（-39.09°，39.09°）內(nèi)的角度離散，即：

圖4 光線經(jīng)兩斜邊全反射回燈板方向Fig.4 Light reflected back to lamp board direction through both sides

式中βj（j=1，2，…，155）為離散角。判斷以βj角度發(fā)出的光線是否打在近側(cè)斜邊并發(fā)生全反射，首先根據(jù)式（2）得到點光源與微結(jié)構(gòu)頂點之間線段與底邊法線的夾角γ。當βj>γ時，光線打到近側(cè)斜邊。然后判斷光線在近側(cè)斜邊上的入射角αij與臨界角αc（αc=arcsin（1/n））的關(guān)系，根據(jù)幾何關(guān)系可得公式（3），當αij>αc時光線發(fā)生全反射。

光線在遠側(cè)斜邊的入射角αij′>αc時，光線發(fā)生全反射，這條光線的能量計入返回能量Q中。根據(jù)幾何關(guān)系得出：

在遠側(cè)斜邊以水平方向出射的光線打到臨近的微結(jié)構(gòu)時，兩個相同的微結(jié)構(gòu)對這條光線的調(diào)控是對稱的，即通過臨近微結(jié)構(gòu)將光線全反射回燈板，水平出射光線的出射角為αL（幾何關(guān)系得出αL=90°-θ），如圖 5 所示。當出射光線的出射角時，此光線會通過臨邊微結(jié)構(gòu)折射再全反射或直接折射回燈板方向。根據(jù)斯涅爾定律可得：

圖5 水平出射光線之下的光線通過臨邊微結(jié)構(gòu)全反射回燈板方向Fig.5 Reflection of light under horizontal light back to lamp board through adjacent microstructure

將OA內(nèi)所有的點光源進行上述處理，累計所有離散點光源返回能量即為擴展光源返回能量。擴展光源返回能量會隨著微結(jié)構(gòu)傾角θ的變化而變化，其值最大時，對應的θ為最佳角度。最終計算得出最佳角度θ=47.5°。

3 全反射微結(jié)構(gòu)光學膜的仿真和優(yōu)化

用LightTools 將傾角為47.5°的二維三角形微結(jié)構(gòu)設(shè)計成三維的四棱錐微結(jié)構(gòu)，陣列在0.2 mm 厚的基板上構(gòu)成微結(jié)構(gòu)光學膜，如圖6（a）所示。微結(jié)構(gòu)光學膜放置在間距為1.25 mm的5×5陣列MiniLED 燈源上表面，仿真結(jié)果如圖6（b）所示。對比圖1（a）不加微結(jié)構(gòu)光學膜的仿真效果，光線幾乎沒有擴散，亮度均勻性提升甚微。

圖6 四棱錐微結(jié)構(gòu)光學膜模型與光源加四棱錐微結(jié)構(gòu)光學膜的亮度光柵圖Fig.6 Simulated model of four prismatic microstructures optical film and simulated brightness distribution of light source

微結(jié)構(gòu)設(shè)置成四棱錐時，在一個方向上的光線調(diào)控情況如圖7（a）所示，在三維結(jié)構(gòu)中分析不同位置擴展光源的二維垂直截面：在中心線的線光源S1 上對應的調(diào)控垂直截面是完整的三角形，調(diào)控方式與圖4 和圖5 一致；前移的線光源S2對應的調(diào)控垂直截面不再是完整的三角形，而是梯形；再前移的線光源S3 對應的調(diào)控垂直截面是上底邊變長的梯形。對S3 光源的分析如圖7（b）所示，將S3 對應的線光源離散成有限多個點光源，S3.1 對應的光線受到梯形斜邊的調(diào)控會生成一部分循環(huán)光，S3.2 對應的光線卻不再受梯形斜邊的調(diào)控，不能全反射光線。前移范圍越大，全反射能量越少。因此四棱錐不能充分調(diào)控光線，亮度均勻性提升甚微。

圖7 四棱錐對光線的調(diào)控Fig.7 Modulation of light by four prismatic

在上述分析的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了傾角為47.5°的三棱柱微結(jié)構(gòu)，在LightTools 中陣列三棱柱微結(jié)構(gòu)建立光學膜的模型，如圖8（a）所示。每個微結(jié)構(gòu)的周期是20 μm，相對比MiniLED 芯片尺寸（254 μm×114.3 μm），每個 MiniLED 對應于多個微結(jié)構(gòu)，故不存在兩者之間的對準問題。由于一層膜只在一個方向上有調(diào)控作用，所以用三棱柱陣列方向相互垂直的雙層光學膜對水平和垂直兩個方向的光線進行調(diào)控。將雙層光學膜直接貼在燈板上，仿真結(jié)果如圖8（b）所示，對比圖1（a）亮度均勻性明顯改善，亮度均勻性為79.9%（亮度最小值與最大值的比值）。

圖8 微結(jié)構(gòu)光學膜的模型以及亮度光柵圖Fig.8 Model of double-layer microstructure optical films and brightness distribution of light source

為了進一步提升均勻性，在雙層微結(jié)構(gòu)光學膜上方OD=0.9 mm 位置再放一層0.1 mm 厚的擴散膜，此時的亮度均勻性提升到89.2%，滿足OD=1 mm 的均勻性要求。

4 全反射微結(jié)構(gòu)光學膜的制備及測試

根據(jù)仿真結(jié)果，使用海德堡公司的無掩膜光刻機MLA100 加工微結(jié)構(gòu)，光刻流程如圖9 所示。通過激光共聚焦顯微鏡LSM700 檢測微結(jié)構(gòu)面形，檢測結(jié)果如圖10 所示。

圖9 微結(jié)構(gòu)光學膜的光刻流程Fig.9 Lithography process of microstructure optical film

圖10 微結(jié)構(gòu)形貌Fig.10 Microstructures morphology

MiniLED 背光模組如圖 11（a）所示。光刻出來的兩層光學膜放置在MiniLED 芯片上表面，0.1 mm 厚的擴散膜放置OD=0.9 mm 位置，為了在一張燈板上展現(xiàn)不同情況下的光照，放置位置如圖 11（b）所示，可以劃分為 4 個區(qū)域：（A）區(qū)域是只有擴散膜；（B）區(qū)域是雙層微結(jié)構(gòu)光學膜加擴散膜；（C）區(qū)域是雙層微結(jié)構(gòu)光學膜；（D）區(qū)域是不加任何光學膜。燈板施加電壓，光照圖如圖11（c）所示，同時使用光學特性自動測量儀，用國軍標的九點測量法測（B）、（C）區(qū)域的均勻性，如圖12 所示。測試結(jié)果如表1 所示，由表中數(shù)據(jù)可知（C）區(qū)域的亮度均勻性為79.6%，（B）區(qū)域的亮度均勻性為88.7%。

圖11 燈板不同區(qū)域劃分及光照圖Fig.11 Division of lamp board and its illumination dia?gram

圖12 九點測量法示意圖Fig.12 Schematic diagram of nine-point measurement method

表1 九點測量法的測量結(jié)果Tab.1 Measured illumination data by nine-points method（nit）

5 結(jié) 論

本文基于全反射原理，針對MiniLED 背光模組超薄化和亮度均勻性要求，設(shè)計了一種微結(jié)構(gòu)光學膜。與采用折射透鏡提升亮度均勻性的方法相比，本文方法省去了大量的后期優(yōu)化工作，亮度均勻性為89.2%，與只加擴散膜的效果相比有明顯提升。本文基于全反射方法設(shè)計的微結(jié)構(gòu)光學膜，無需精確對準，設(shè)計方法簡單，具有較強的實用性。