背光模組LED側照明微棱鏡膜的研究

季振強，董連和，王 麗，吳博琦，尹 航

(長春理工大學 光電工程學院，吉林 長春 130021)

1 引 言

在液晶顯示器側式照明背光模組中，通常使用多顆LED光源按照線性排列方式分布在導光板的一側或者多側[1-2]提供照明。由于LED點光源本身的發光角度[3]及相鄰LED之間距離的因素，在相鄰光源混光區之外產生明顯亮暗相間的非混光區[4]，減少導光板照明面上有效顯示區域的面積。通常情況下，當手機顯示屏尺寸為1～2 in(1 in=2.54 cm)時，非混光區的寬度約為2.5 mm，顯示屏尺寸為4 in時非混光區寬度可達4 mm[5]。

目前，減小側照明非混光區的方法主要是采用增加LED排布密度或是增大LED與導光板入光面之間的間距[6]，或者是在LED光源一側添加橢圓形或楔形等形狀的光線反射結構[7-9]，以及直接在導光板入光面上加工陣列曲面結構[10-11]等。另外，周羲君等提出在導光板入光面上貼附棱鏡結構膜片的方法以實現勻光，降低了液晶顯示器自身的功率損耗[12]。本文應用相應光學原理，設計了一種微棱鏡膜，在不改變相鄰LED間距及LED與入光面之間空氣層厚度的情況下，將微棱鏡膜貼附在導光板入光面上，以達到減小導光板照明面近光源處的非混光區，最終實現增加導光板照明面有效顯示區域面積。

2 棱鏡膜設計

微棱鏡膜是指表面具有微米或納米量級尺寸的棱鏡陣列結構的透明薄膜，可以使入射光線經過微棱鏡膜后以預期的角度出射，不同的棱鏡頂角會產生不同的光出射角度，同時，使用點光源照射微棱鏡膜時，不同角度的入射光也會產生不同的光發散角，如圖1所示。

圖1 光線通過棱鏡時光傳播路線Fig.1 Path of incoming light through the prism

圖1中，當光以任意角度入射到棱鏡面上時，設α為棱鏡頂角，θ1為棱鏡斜面光入射角，θ2為光折射角，δ為光線通過棱鏡AB斜面后的發散角半角度，η為AC面上反射光線的發散角半角度。當入射光線與水平線的夾角為θ時，棱鏡斜面光入射角度為θ1=θ-α/2，根據光線折射定律n1sinθ1=n2sinθ2，光折射角度θ2為:

(1)

由幾何光學原理，棱鏡AB面上光發散角半角度δ為:

(2)

棱鏡AC面上的發散角半角度η值為:

(3)

當入射光線不與AC面接觸時光線的發散角度最大，此時可以視為δ=η，則α與θ2滿足:

(4)

由(4)式和(1)式可得:

(5)

即:

(6)

同時，由(4)式和(2)式可得:

δ=α/2.

(7)

棱鏡膜PMMA材料的折射率為n2=1.49，空氣折射率n1≈1，根由式(6)和式(7)分別可得棱鏡頂角α與光發散角半角度δ以及入射光線與水平面夾角θ的關系曲線如圖2所示。

圖2 棱鏡頂角α與光發散角半角度δ以及入射光線與水平面夾角θ的關系Fig.2 Relationship about the apex angle δ,the optical divergence half angle θ and the angle between the incident ray and the horizontal plane α

圖2中，當入射光線與水平線夾角θ為10°時，棱鏡頂角α為120°，此時光發散角半角度δ最大為60°；夾角θ為78°時，頂角α為60°，光發散角半角度δ為30°。本文選擇的LED光源的出射光線與水平線夾角θ最小為30°，由此關系曲線可得對應的棱鏡頂角α約為105°，光發散角半角度δ為52.5°。

利用Lighttools對背光模組中導光板入光面上貼附微棱鏡膜前后的光發散角度進行模擬，微棱鏡膜中棱鏡間隔為50 μm。選取4.4 in彩色液晶顯示屏手機背光模組為實驗對象，該背光模組中相鄰LED之間的間距為8.25 mm，LED與導光板距離為0.5 mm，導光板厚度為2 mm，導光板照明面上近光源處非混光區寬度約為4mm。模擬結果如圖3所示。

圖3 棱鏡頂角對LED發光的光發散角的影響Fig.3 Impact of prism apexangle on the emission angle of LED

圖3中黑色區域表示入射光線的分布區域，δ1、δ2、δ3為導光板入光面法線與入射光線最邊緣光線的夾角，分別代表導光板入光面無微棱鏡膜以及棱鏡頂角為100°、105°、和110°時，LED出射光線進入導光板后的發散角半角度。經實際測量，光發散角的半角度δ1值為35°，δ2值為45°，δ3值為51°，δ4值為48°，結果表明棱鏡頂角為105°時，光線的發散角度最大，這與理論分析的結果相一致。

3 實 驗

利用熱壓印技術[13-14]在PMMA薄膜上形成棱鏡頂角為105°，周期為50 μm，深度為19 μm的微棱鏡膜，在高倍光學顯微鏡下，觀察微棱鏡膜中棱鏡陣列的平面和剖面結構如圖4所示，從圖中可以看出棱鏡陣列規整，具有較好的一致性，棱鏡表面光滑，滿足使用要求。

圖4 微棱鏡膜中棱鏡陣列結構Fig.4 Structure of the prism array on micro-prism film micro-prism film

利用JL-6180粘結專用膠將PMMA微棱鏡膜緊貼在背光模組中導光板的入光面上，使棱鏡膜中的棱鏡排列方向垂直于光源線性排列方向，分別對導光板入光面有無微棱鏡膜時的發光情況進行實驗。

4 結果與討論

為了減小外部環境光線的影響，整個實驗過程選擇在黑暗環境中進行。實驗得到導光板照明面的亮度如圖5所示，由圖5(a)中可以看出，無棱鏡膜時，在近光源處有明顯的亮暗分布且非混光區寬度較大。圖5(b)顯示貼附棱鏡膜后，近光源處亮度分布均勻，非混光區明顯減小。

圖5 導光板照明面近光源處光亮度Fig.5 Illumination brightness on the lighting surface of the light guide plate near the source

利用光照度計對導光板照明面上的光照度值進行多點測量，測量結果如圖6所示，X軸表示測量點與導光板中心處的距離，Y軸表示測量所得到的光照度值。曲線1與曲線2分別表示無棱鏡膜和貼附微棱鏡膜時的照明面光照度曲線。對比兩條曲線可以看出，添加微棱鏡膜后，有效照明面積寬度由原來39 mm處增加到41 mm處。同時，由照明面光照度分布可以看出，導光板入光面添加微棱鏡膜前后，照明面上的光照度均勻性也提高了2%左右。

圖6 導光板照明面的光照度分布Fig.6 Illuminating distribution on the lighting surface of the light guide plate

5 結 論

具有陣列棱鏡結構的微棱鏡膜可以增加入射光線的出射角度，在不改變LED排布間距及LED與導光板入光面距離的情況下，背光模組導光板入光面上加入微棱鏡膜后，可以使照明面上近光源處非混光區面積明顯減少，并且提高照明面的光照度均勻性。研究結果表明，當LED間距為8.25 mm，LED與導光板入光面距離0.5 mm時，加入棱鏡頂角為105°的微棱鏡膜后，可以將非混光的寬度由4 mm減小至約2 mm，并且導光板照明面光照度也相應提高2%左右，有效地增加了混光區域的面積。

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