Mini-LED背光區域調光單元的光學特性研究

郭 舉，申瓊鑫，江宗釗，陳恩果,郭太良

(福州大學 物理與信息工程學院 閩都創新實驗室，福建 福州 350016)

1 引 言

液晶顯示器(Liquid crystal display,LCD)具有成本低、尺寸大、尺寸小等優點，因此廣泛用于汽車、工業設備、手機、電視、數字手表等的顯示領域[1-3]。然而，目前液晶顯示器的發展仍面臨一些問題，例如漏光引起的屏幕環境對比度低、圖像質量低、發光源個數增多和工作時間長導致的高功耗和低光線利用率[4]。

解決上述問題的關鍵是重新設計和優化背光單元。為了提高背光單元的環境對比度、減少背光單元功耗以及提高光線利用率，區域調光技術應用而生[5-9]。傳統的區域調光技術大多數采用直接照明的背光來實現高動態范圍的調光[10-11]，即在背板上布置數量眾多的發光源，根據驅動電路傳遞的圖像灰度調節特定區域發光源的亮暗狀態，但是這種直下式背光單元的結構設計往往由于基數龐大的發光源而導致整個背光單元的高功耗，且存在光暈重疊的問題導致區域調光效果下降。與直下式背光模組相比，側入式背光單元的發光源位于導光板的側面，不需要大量的發光源且整個背光單元相對較薄，但其難以實現區域動態調光，尤其是二維區域動態調光[7,12]。同時，導光板近光側和遠光側的照度差異導致整個導光板出光不均，表現為區域調光單位越大，調光效果越差[13]。上述問題阻礙了特定目標區域中出光面的照度均勻分布，從而降低了圖像質量和光線利用率。然而，使用導光板作為邊緣照明背光源的優勢可以大大降低背光模塊的厚度和功耗，并且已經有一些關于邊緣照明方式的區域動態調光背光的研究[14-16]。

Mini-LED由于其尺寸小、超薄化、低功耗等優勢，應用于液晶背光能夠實現更加精細化的局部區域調光，對于實現高動態對比度的液晶顯示具有重要意義，是目前液晶顯示的研究熱點[17-19]。當前研究將Mini-LED陣列光源應用于液晶顯示的背光模組實現區域調光技術[20-22]能夠提高顯示面板的對比度(Contrast ratio)到1 000 000∶1[23]。若將Mini-LED芯片集成在自發光顯示器中，顯示器會呈現出類似有機發光二極管(Organic light-emitting diode,OLED)的完美暗態，并且屏幕峰值亮度是LCD和OLED顯示器的幾倍左右[24]。更重要的是，Mini-LED結構簡單、開口較大、視場角寬廣、工作溫度范圍能夠使顯示設備在室內和室外中得到很好的應用。然而，直下式Mini-LED背光需要數量龐大的光源陣列，其功耗較大，而且由于光源陣列與擴散板之間需要有一定的混光距離[25]，該距離限制了背光模組的進一步薄型化[26-28]。當前針對Mini-LED背光模組中區域調光單元的不同結構的光學特性未有報道。

基于此，本文建立了Mini-LED背光調光單元的不同光學結構，并通過系統建模和光學仿真，對其光學性能和出光效果進行了詳細對比研究，并提出了一種角入式Mini-LED背光調光單元，通過圖案化導光板實現了區域調光的優化，兼容了傳統直下式和側入式的優勢，實現了高性能Mini-LED背光調光。

2 Mini-LED調光單元光學結構

直下式和側入式Mini-LED背光的局部區域調光單元示意圖如圖1(a)和1(b)所示。側入式Mini-LED調光單元中,Mini-LED發光源放置于規則導光板的側面，通過特殊設計的網點密度分布[29-30]將部分入射光能按需導出并傳播到遠光區域，從而達到均勻出光的要求。而直下式Mini-LED調光單元則將其發光源規則排列放置于基底上，通過陣列化Mini-LED發光源調控整個調光單元的亮暗及灰度狀態。然而，無論是直下式Mini-LED調光單元還是側入式Mini-LED調光單元，都存在著一定的優缺點。側入式Mini-LED調光單元厚度相對較薄，需要的發光源個數少，因此調光功耗相對較低，但由于Mini-LED發光源放置于背光單元的側邊，僅能實現該物理區域內的調光。直下式Mini-LED背光單元由于需要擴散板進行勻光，調光厚度相對較大，而直下式陣列排布的光源實現區域調光相對較精細，但由于Mini-LED發光源數量龐大導致整體功耗增加。

圖1 Mini-LED背光局部區域調光單元模型示意圖。(a)側入式調光單元；(b)直下式調光單元；(c)角入式調光單元。Fig.1 Schematic diagram of the mini-LED local dimming unit.(a)Edge-lit unit;(b)Direct-lit unit;(c)Corner-lit unit.

基于以上分析，本文還探索了一種角入式Mini-LED背光的區域調光單元，如圖1(c)所示。不同于以上的調光單元的光學結構，通過將規則導光板做去邊角化處理，四角磨平拋光形成平面入光面，使其圖案化導光板的直角形狀邊角區域變為平面形狀邊角區域，然后將Mini-LED發光源放置于圖案化導光板的平面形狀邊角區域的截面處，將光耦入到圖案化導光板內，再通過圖案化導光板底部的網點分布實現均勻照度分布和良好的光線利用率。一方面，通過圖案化導光板利用數量極少的發光源實現均勻出光；另外一方面，由于發光源側入放置于平面形狀邊角區域，整個調光單元的厚度較薄。由于角入式Mini-LED發光源的法線方向指向圖案化導光板的幾何中心點，應結合傳統的網點分布設計實現合理的密度分布，再配合光學膜片的聚光和勻光，實現高效率、高均勻性的出光。

3 Mini-LED調光單元光學仿真對比

為了驗證不同結構的調光單元在實際中的應用，本文利用光學仿真軟件TracePro對不同結構的背光單元進行系統建模和仿真追跡，評價了背光單元的光學性能。在初始仿真模型中,導光板厚度為1 mm，各個光學組件的空間距離為0.1 mm，不同結構的光學模型及其光學屬性盡可能與實際應用保持一致。調光單元的仿真模型的導光板參數如表1所示，導光板材料采用聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate，PMMA)，折射系數為1.493 86。Mini-LED發光源的尺寸為400 μm × 400 μm，發光光強分布符合朗伯體分布(Lambertian)，發光中心波長為450，546.1，630 nm，對應于導光板的入射波長。

表1 區域調光單元參數Tab.1 Parameters of a single local dimming zone

在光學仿真軟件TracePro中完成各個光學表面的屬性設置，設置50萬條光線進行仿真追跡，在相同表面屬性設置和材料屬性設置條件下，對比了未添加光學膜片時，側入式Mini-LED調光單元、直下式Mini-LED調光單元、以及本文提出的角入式Mini-LED調光單元的光學性能。在Mini-LED出光側設置一個全吸收的接收面，經過仿真追跡，不同結構的調光單元的接收面輻照度如圖2 所示。

圖2 未添加光學膜片時，不同光學結構的調光區域光線仿真追跡結果。(a)，(b)側入式調光單元；(c)，(d)直下式調光單元；(e)，(f)角入式調光單元。Fig.2 Simulation results of differentlocal dimming structures of backlights without optical films.(a)，(b)Edge-lit unit;(c)，(d)Direct-lit unit;(e)，(f)Corner-lit unit.

側入式Mini-LED調光單元的接收面輻照度如圖2(a)所示，調光單元的照度分布具有階梯性，根據照度顏色條可知，近光側的能量分布相對集中，Mini-LED發光源處歸一化照度值在0.8～1的顏色分段；隨著導光板上距離Mini-LED發光源越遠，能量分布相對固定，歸一化照度值大體在0.3～0.7的顏色分段。對應的照度分布曲線如圖2(b)所示。圖3(a)為針對側入式Mini-LED調光單元設計的導光板底部網點密度分布，觀察其網點密度分布，其大致呈現出單向分布趨勢，即近光側網點密度分布較為稀疏，遠光測網點密度分布集中，這有利于側入式調光單元在光傳導過程的均勻光提取。

如圖2(c)所示的是直下式Mini-LED調光單元的接收面輻照度分布，其主要表現為4個照度由中心逐漸向外減弱漸變的光暈。很明顯可以看出，在同等的光源數量下，直下式Mini-LED調光單元很難實現空間照度的均勻分布，照明區域很難覆蓋整個調光區域。同時，Mini-LED發光源的出射光線傳播到一定的空間距離逐漸減小，直至為零，對應的水平方向和垂直方向的截面照度曲線如圖2(d)所示，曲線圖表現為“峰波”，“峰波”的最高點位于Mini-LED發光源的中心點處，隨著空間距離的增大，照度逐漸減小直至為0。若將Mini-LED光源陣列與接收面之間的混光距離增加，則有可能實現更好的均勻性。可以發現，當混光距離有一定程度增加時，4顆Mini-LED光源發出的光斑能夠得到很好的交疊，實現了較好的均勻性，但是此時將帶來較大的調光單元厚度，且根據照度與距離平方反比定律，背光源的亮度降低導致無法滿足實際應用要求。

本文提出將Mini-LED光源放置于導光板的頂角，與直下式Mini-LED調光單元相對比，有效得到了均勻的輻照度分布，其出光面的照度分布情況如圖2(e)所示。其照度色段分布較為均勻，顏色偏差不大，僅在邊緣區域存在一定的照度衰減，但與中心區域的色偏差小，這意味著整個接收面的照度分布較為均勻，且對應的水平方向和垂直方向的中心截面處的照度變化也相對平緩，如圖2(f)所示。圖3(b)為針對角入式Mini-LED調光單元所設計的導光板底部的網點密度分布圖，其和側入式Mini-LED調光單元的網點分布密度相比具有很大的區別，特別是在頂角區域近光側，網點分布相對稀疏，而在遠光側的中心區域，網點密度分布則相對比較集中，總體分布與邊角區域較為對稱，其對稱點為幾何中心點，這也符合照度與距離平方反比定律。

圖3 不同光學結構的網點密度分布。(a)角入式調光單元；(b)側入式調光單元。Fig.3 Dot density distribution of different local dimming structures of backlights with optical films.(a)Corner-lit unit;(b)Edge-lit unit.

表2總結了不同結構的Mini-LED背光調光單元的光學性能。對于角入式Mini-LED背光調光單元，仿真所得的整體歸一化照度值在0.65以上，根據ANSI九點法計算出的出光面照度均勻性為67.27%。在未添加光學膜片的情況下，光線利用率可達86.67%。側入式Mini-LED背光調光單元的照度均勻性能夠達到63.33%，光線利用率僅為20%左右。然而，直下式Mini-LED背光調光單元的光線利用率為35%左右，由于Mini-LED發光源排布數量較少，難以實現照度均勻化。相對比于傳統結構的背光單元，角入式Mini-LED背光調光單元的照度均勻性和光線利用率都較高，這表明角入式調光單元具有一定的可行性。

表2 不同結構的Mini-LED區域調光單元的光學性能Tab.2 Optical performances of Mini-LED dimming unit with different structures

4 Mini-LED調光單元結果討論

上一節分析是基于無任何光學膜片加持所建立的仿真追跡結果，在實際的調光單元應用中，為了進一步提升調光單元的均勻性，往往會在Mini-LED背光模組中加入擴散片、棱鏡片等光學膜片，仿真模型中的光學膜片和其他光學組件的空間距離仍為0.1 mm。本節將進一步地比較不同結構的Mini-LED背光調光單元的合理性和實用性，添加光學膜片再重新對不同結構的背光調單元進行光線仿真追跡，以對比分析其結果。Mini-LED背光調光單元插入的光學膜片的屬性特征參數如表3所示。

在不同結構的Mini-LED背光調光單元正上方設置數量不等的光學膜片時，包括擴散片和正交放置的棱鏡片，所得到接收面的照度分布情況如圖4所示。側入式Mini-LED背光調光單元的接收面輻照度如圖4(a)所示，添加光學膜片后，輻照度分布相對均勻，照度色段分布比較合理，歸一化照度值在0.7以上，局部區域照度值相對較大，觀察其對應的照度曲線分布圖4(b)可知，曲線相對平滑，照度差值相對較小，證明了調光區域的出光均勻性相對較好，根據ANSI九點法測得照度均勻性為74.50%，光線利用率為20%左右。直下式Mini-LED背光調光單元的接收面輻照度仍然表現為4個照度漸變的光暈，如圖4(c)

圖4 添加光學膜片時，不同光學結構的調光區域光線仿真追跡結果。(a)，(b)側入式調光單元；(c)，(d)直下式調光單元；(e)，(f)角入式調光單元。Fig.4 Simulation results of different local dimming structures of backlights with optical films.(a)，(b)Edge-lit unit;(c)，(d)Direct-lit unit;(e)，(f)Corner-lit unit.

表3 Mini-LED背光調光單元插入的光學膜片參數

所示。與圖2(d)相比，光暈半徑減少，照度分布相對集中到Mini-LED發光源中心處，對應的水平方向和垂直方向的截面照度曲線圖4(d)仍然表現為“峰波”，但“峰波”曲線相對平滑，照度分布則集中到“波峰”內，這表明擴散片和正交放置的棱鏡片同時具有光勻化和縮束的效果。

本文提出的角入式Mini-LED背光調光單元與以上調光單元相比，輻照度分布仍然較為均勻，接收面的出光情況如圖4(e)所示，總體看來其出光均勻，照度分布色段分布較為均勻，整個出光面歸一化照度值均在0.8以上，即不存在由于網點密度分布不均帶來的照度異常區域。根據ANSI九點法計算得出光面照度均勻性提升至了84.70%。另外，在添加光學膜片的情況下，光線利用率超過了90%，最終達到了92.10%，能夠滿足實際背光的高效率應用需求。接收面水平和垂直方向中心截面的照度曲線如圖4(f)所示，更直接地反應了區域調光單元模型近光側和遠光側的照度分布，曲線越平滑表明中心截面上照度差值越小，出光整體均勻性越好，仿真結果證明了角入式Mini-LED背光調光的可行性。

由上述分析可知，插入的光學膜片使不同結構的Mini-LED背光調光單元的空間照度均勻性有了明顯的提高，對于整個背光單元的出光效果具有不可忽視的作用。然而，對于直下式Mini-LED背光單元而言，Mini-LED發光源的數量增加對于均勻的照度分布至關重要。這里特別模擬了直下式Mini-LED背光模組中，增加Mini-LED發光源的數量的照度分布仿真追跡結果，如圖5所示。

圖5 增加光源數量后的直下式Mini-LED背光調光單元的仿真結果Fig.5 Simulation results of the direct-lit mini-LED backlight unit with increasing multi-sources

當發光源數量增多到400顆時，照度分布均勻性有了很大的提高，根據 ANSI 九點法計算得出光面照度均勻性在80%以上，對應的水平方向和垂直方向的中心截面的照度分布曲線相對平滑，說明背光的照度均勻性已經得到了較大的提升。然而，此時，要達到同樣的均勻性，直下式Mini-LED發光源的數量為400顆，而角入式Mini-LED背光調光單元僅需要4顆，其數量擴大了100倍。可以預期，隨著背光單元面積的增大，所需的Mini-LED發光源將成千上萬顆，整個背光單元的功耗將極大增加。而角入式Mini-LED背光調光單元在每個調光區域所需發光源數量僅為4顆，保證了光學性能的同時實現了總體厚度的薄型化。通過拼接組合成大面積的二維區域調光背光模組，可實現整個背光單元的高照度均勻性和光線利用率。

5 結 論

本文通過對比Mini-LED背光模組區域調光單元的3種不同光學模型，即直下式、側入式及本文提出的角入式調光單元，并對3種模型進行光學建模和仿真，分析對比了背光模組的光學特性。該角入式Mini-LED調光單元通過將Mini-LED發光源以一定角度放置于圖案化導光板的邊角區域，實現均勻的光線出射。與側入式Mini-LED背光調光單元和直下式Mini-LED背光調光單元相比，角入式Mini-LED背光調光單元不僅能夠減少Mini-LED發光源的個數，降低背光功耗，而且照度均勻性和光線利用率均較好。該單元可以進一步作為子分區進行拼接形成大尺寸的背光模組，并通過控制子分區的亮暗狀態，實現良好的區域調光效果。本文對于Mini-LED背光調光單元的設計具有重要的理論指導意義和應用價值，提出的角入式Mini-LED背光調光單元結構有望開辟低功耗、高光線利用率的區域調光背光新思路。