帶有雙層導(dǎo)光板的小視角液晶屏

楊宏運(yùn)，朱向冰，邢曉雨，錢立勇，崔海田

(安徽師范大學(xué)，物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖　241000)

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帶有雙層導(dǎo)光板的小視角液晶屏

楊宏運(yùn)，朱向冰，邢曉雨，錢立勇，崔海田

(安徽師范大學(xué)，物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖241000)

設(shè)計(jì)了一種能減小出光角度的液晶屏背光模塊，通過角度控制導(dǎo)光板模塊和LED光源模塊，其中角度控制導(dǎo)光板模塊包括導(dǎo)光板一和導(dǎo)光板二，導(dǎo)光板一的外表面貼有三棱柱陣列，導(dǎo)光板二的內(nèi)表面貼有增光片，外表面嵌有透鏡陣列；LED光源模塊包括：鋁基電路板、鋁基電路板表面均勻鋪設(shè)的LED、擴(kuò)散板、下擴(kuò)散片等結(jié)構(gòu)；該結(jié)構(gòu)可以有效的減小液晶屏出光角度，可滿足飛機(jī)駕駛艙及防窺顯示器的要求。

液晶屏；背光模塊；三棱柱陣列；透鏡陣列

引言

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)液晶顯示技術(shù)研究有一定進(jìn)展。20世紀(jì)90年代，隨著筆記本電腦的普及，液晶顯示技術(shù)開始飛速發(fā)展。現(xiàn)有的液晶顯示器的出光角度都非常大，液晶顯示器件最大的出光角度甚至達(dá)到178度，如IPS屏幕。但在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合中，如在飛機(jī)的駕駛艙或者航天器中，若液晶屏出光角度太大，則不僅耗能，而且照到附近儀表盤上的反射光會(huì)干擾到飛行員的視線，尤其在夜間駕駛時(shí)，會(huì)給飛行員帶來一定操作難度和潛在危險(xiǎn)。在另外一些場(chǎng)合中液晶屏出光角度太大，會(huì)造成使用者的隱私泄露。

如今市場(chǎng)上的液晶屏的最小視角是60°。這個(gè)是通過3M公司的防窺膜達(dá)到的視角效果；這種技術(shù)是在液晶面板外表面貼上一層防窺膜，這種防窺膜暴露在空氣中，長(zhǎng)時(shí)間使用容易被刮花，而且降低了屏幕亮度和對(duì)比度，對(duì)人眼看到物體的清晰度有一定的干擾；并且防窺膜攜帶不方便。如果可以用光學(xué)的方法直接減小液晶屏的出光角度，能確保屏幕上的內(nèi)容不被他人窺探，不僅能夠保護(hù)隱私，而且還不影響屏幕亮度、對(duì)比度。所以減小液晶屏的出光角度十分必要。

1　出光角度的要求

人眼視角即人的肉眼可視角度的度數(shù)通常是120°，當(dāng)集中注意時(shí)約為正常視角的1/5，即25°。因人眼的單眼視角每10°差異很大，所以人視覺在5～10°是敏感區(qū)，10°～20°可以正確識(shí)別信息，20°～30°對(duì)動(dòng)態(tài)東西比較敏感，當(dāng)圖像的垂直方向視角為20°，水平方向的視角為36°時(shí)，就會(huì)有非常好的視覺臨場(chǎng)感，而且也不因?yàn)轭l繁轉(zhuǎn)動(dòng)眼球造成疲倦；人眼的最佳轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)在水平方向是+30°～-30°，豎直方向是+25°～-30°。

液晶屏視角是指水平方向和垂直方向的亮度分別為液晶屏法線方向亮度一半時(shí)，該觀察方向與液晶屏法線的夾角分別稱為水平視角和垂直視角，一般用正負(fù)表示左右和上下各多少度[2]。本文要求在液晶屏中心的法線方向亮度達(dá)到680 cd/m2，上方的視角是30°，下方視角是60°，左、右兩邊視角均是40°；從上述角度觀測(cè)時(shí)液晶屏亮度達(dá)到340 cd/m2，并且當(dāng)觀測(cè)角度更大的時(shí)候，亮度進(jìn)一步下降，光線主要集中在上述角度圍成的錐形中，而錐形以外的光線要很少，亮度很弱，觀看效果相對(duì)較差。

在液晶面板的視角已經(jīng)非常大的前提下，LCD顯示屏的出光角度主要是由背光模塊的出光角度決定的，因此減小背光模塊的出光角度是非常重要的。

2　背光模塊的設(shè)計(jì)

液晶屏的背光模塊分為直下式和側(cè)入式，其中直下式具有亮度高的優(yōu)點(diǎn)，為了滿足上述要求，本文選擇直下式的背光模塊，改變直下式的光學(xué)結(jié)構(gòu)。直下式背光模塊的結(jié)構(gòu)是由光源、擴(kuò)散板、增亮膜、導(dǎo)光板、反射膜等組成。為了控制出光角度，且確保亮度和對(duì)比度的前提下，在普通的直下式背光模塊中，增加了雙層導(dǎo)光板，并且在第一層導(dǎo)光板的出光面增加了三棱柱陣列，在第二層導(dǎo)光板的出光面增加了橢圓透鏡陣列，入光面貼有增光片；光線經(jīng)過第一層導(dǎo)光板進(jìn)入第二層導(dǎo)光板中。

本文使用7寸(83 mm×47 mm)的直下式液晶屏，其中光源包括以下幾個(gè)部分：鋁基電路板、299顆LED， LED兩兩之間的間距均為3.7 mm，LED選用cree公司Xlamp?XQ-B型號(hào)，該型號(hào)是1.6 mm×1.6 mm×1.6 mm，均勻?qū)ΨQ分布于導(dǎo)光板的兩側(cè)。圖1為液晶屏整體圖。

圖1　液晶屏整體圖Fig.1　LCD screen overall picture

3　導(dǎo)光板

選用不吸收光、反射率高的亞克力板材制作導(dǎo)光板，利用光源投射到亞克力板材上進(jìn)而在該表面多次反射，當(dāng)光線射到亞克力導(dǎo)光板表面的導(dǎo)光點(diǎn)時(shí)，反射光線會(huì)向各個(gè)方向擴(kuò)散，最終由導(dǎo)光板的正面發(fā)出，導(dǎo)光板利用自身的特殊結(jié)構(gòu)使光線均勻分布，并將線光源或點(diǎn)光源轉(zhuǎn)變?yōu)槊婀庠矗黾恿炼群统龉饩鶆蛐浴?/p>

圖2　整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Schematic diagram of the whole structure

普通導(dǎo)光板不能達(dá)到控制液晶屏出光角度的要求，本實(shí)驗(yàn)使用兩塊導(dǎo)光板共同控制出光角度。設(shè)定靠近液晶層的導(dǎo)光板的一側(cè)為外表面，與之相對(duì)的一側(cè)為內(nèi)表面；在導(dǎo)光板一的外表面貼上增光片，導(dǎo)光板二的內(nèi)表面貼有增光片。

傳統(tǒng)的增光片是利用3M微復(fù)制技術(shù)，將棱鏡結(jié)構(gòu)制作在PET基材上形成表面高度為(20～50)μm的微棱鏡結(jié)構(gòu)從而達(dá)到增亮的效果。但是在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上增光片是70°對(duì)稱的，并不能滿足本文的需求。本文要減小出光角度需對(duì)棱鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，圖3為改進(jìn)后的棱鏡結(jié)構(gòu)圖；(a)、(b)、(c)為微小三棱柱三視圖，y0和y1為三棱柱單元主截面的兩個(gè)底角，分別起著控制該側(cè)出光角度的作用；x0和x1為三棱柱單元側(cè)截面的兩個(gè)底角，起著控制正面出光角度的作用，圖3(d)為三棱柱陣列示意圖。

圖3　三棱柱結(jié)構(gòu)Fig.3　Three prism structure

利用tracepro模擬單塊導(dǎo)光板和增光片的出光效果，得出當(dāng)棱柱高度為0.05 mm，寬度為0.05 mm，y0和y1分別為100°和45°，x0和x1均為80°時(shí)，此時(shí)液晶屏的出光如下圖所示，可見在屏幕上的光照度出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象，即出光不均勻，但出光角度較小，兩條曲線分別表示水平方向和豎直方向的出光情況，在水平方向上光主要集中在±45°以內(nèi)，在豎直方向上光主要集中在-60°～+30°。

圖4　單塊導(dǎo)光板和增光片的出光效果圖Fig.4　A single piece of light guide plate and the light effect diagram Zengguang tablets

4　改善出光均勻性

由圖4可以看出：圖中角度-亮度曲線波動(dòng)很大，在要求的角度范圍內(nèi)，屏幕的亮度出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，并且在指定的角度以外仍然有很多光線，為了解決這個(gè)問題，再增加透鏡陣列改善出光的均勻性。

在第二塊導(dǎo)光板的外表面添加橢圓透鏡。其中橢圓的長(zhǎng)軸為0.2 mm，短軸為0.1 mm，長(zhǎng)軸相互平行且間距為 0.2 mm，短軸相互平行且間距為0.2 mm，長(zhǎng)軸與短軸分別平行于導(dǎo)光板邊界，微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示，其嵌入導(dǎo)光板的深度為0.05 mm，此深度出光均勻性最好。

圖5　橢圓透鏡陣列Fig.5　Elliptical lens array

此時(shí)再對(duì)透鏡陣列、三棱柱陣列及兩塊導(dǎo)光板組合進(jìn)行光路追跡，圖6為模擬出光圖。

圖6　透鏡陣列、三棱柱陣列及兩塊導(dǎo)光板組合出光效果圖Fig.6　Lens array, three prism array and two pieces of light guide plate combination light effect diagram

由圖6可看出光線比較集中，在規(guī)定的角度范圍分布比較均勻。水平方向大部分光線分布在±45°內(nèi)，豎直方向大部分光線分布在-45°和+30°內(nèi)。

5　總結(jié)

如今市場(chǎng)上的液晶屏出光角度最大可以達(dá)到178°，過度地追求廣視角，并不能滿足一些特殊場(chǎng)合的需求。本文通過雙導(dǎo)光板減小背光模塊出光角度的方法進(jìn)而減小液晶屏的出光角度，達(dá)到在小角度出光范圍內(nèi)亮度高，均勻出光的效果。該液晶屏在規(guī)定的角度范圍以外的光線很少，減少了駕駛艙內(nèi)的雜散光，能夠滿足飛機(jī)駕駛艙的要求。在民用領(lǐng)域里，也可以在不降低亮度和對(duì)比度的前提下保證顯示器的防窺功能。

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Small Angle LCD Screen with Double Light Guide Plate

YANG Hongyun， ZHU Xiangbing，XING Xiaoyu，QIAN Liyong，CUI Haitian

(College of Physics and Electronic Information，Anhui Normal University， Wuhu241000，China)

This paper introduces a kind of LCD backlight module can reduce the light angle. Through the angle control module and LED light source module of light guide plate, guide plate angle control module includes a guide plate and light guide.The outer surface of the guide plate a with a triangular prism array, the inner surface of the guide plate(2) with a good piece, outside surface lens array are embedded; LED light source module include aluminum PCB, aluminum base PCB surface evenly laid LED、diffuser、films such as the diffusion structure.This structure can effectively reduce the LCD light angle, and also can meet the requirements of aircraft cockpit and prevent glimpse into the monitor.

LCD; backlight module; triangular prism array; lens array narrow

安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目(1301022058)，研究生科研創(chuàng)新與實(shí)際項(xiàng)目(2015cxsj125)

TN873

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.027