基于前光模組的反射式液晶顯示視角

李可敬， 李香君， 俞良， 許啟民， 呂國(guó)強(qiáng)， 王梓， 馮奇斌*

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009；2.蕪湖長(zhǎng)信科技有限公司， 安徽 蕪湖 241007；3.合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院， 安徽 合肥 230009）

1 引言

液晶顯示（Liquid Crystal Display，LCD）已經(jīng)成為主流的平板顯示技術(shù)，目前主流的LCD是透射式的。透射式LCD需要背光源提供照明，強(qiáng)光環(huán)境下需要消耗較大的功耗以滿(mǎn)足顯示亮度要求［1-2］。反射式LCD則通過(guò)反射環(huán)境光照亮顯示器，在明亮的戶(hù)外環(huán)境中具有良好的性能。隨著綠色發(fā)展理念的不斷深入，反射式液晶顯示獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。但當(dāng)環(huán)境光較弱時(shí)，反射式液晶需要搭配前光模組以彌補(bǔ)環(huán)境光不足時(shí)顯示亮度較暗的問(wèn)題［3］。

在側(cè)入式透射式液晶顯示器中，背光模組中位于側(cè)邊的光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)導(dǎo)光板（Light Guide Plate，LGP）調(diào)制后向上出射，經(jīng)擴(kuò)散膜、增亮膜（Brightness Enhancement Film，BEF）等光學(xué)膜系進(jìn)入液晶層［4］。在反射式液晶顯示器中，光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)LGP上表面的網(wǎng)點(diǎn)后，一部分光線向下出射，經(jīng)過(guò)液晶層調(diào)制后向上進(jìn)入人眼，還有一部分光線直接出射形成雜散光，影響顯示對(duì)比度及視角等。與背光模組相比，前光模組沒(méi)有背光模組中的光學(xué)膜系對(duì)光線進(jìn)行二次調(diào)制［5-7］，出射的光線直接進(jìn)入人眼，故前光模組的視角在很大程度上決定了反射式液晶顯示的視角。目前針對(duì)前光模組的研究主要是對(duì)對(duì)比度的探究。Hsin-Tao Huang［8］等人通過(guò)簡(jiǎn)化前光模組，研究了框貼、膠貼等不同粘接方式對(duì)亮度、對(duì)比度的影響。Jyh-Cheng Yu［9］等人針對(duì)導(dǎo)光板的圓柱形網(wǎng)點(diǎn)形貌，通過(guò)仿真對(duì)比，提出對(duì)網(wǎng)點(diǎn)的高度、傾角等參數(shù)加以限制，使LGP具有良好的透明度、低干擾和均勻的照明。但這些研究中對(duì)于前光模組的視角問(wèn)題卻極少涉及。在前光模組中，出射光線的角度通過(guò)導(dǎo)光板進(jìn)行調(diào)控，常見(jiàn)的網(wǎng)點(diǎn)形貌下視角曲線存在跳變、不均勻等問(wèn)題。本文針對(duì)前光模組視角問(wèn)題，提出一種針對(duì)前光模組的網(wǎng)點(diǎn)形貌及其分布設(shè)計(jì)，能夠有效保證反射式液晶顯示的最終顯示質(zhì)量，降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

2 光線走向分析及建模

導(dǎo)光板是側(cè)入式光學(xué)模組中的核心部件，起著將點(diǎn)光源或者線光源轉(zhuǎn)變?yōu)槊婀庠吹淖饔谩Ｍǔ?cè)入式液晶顯示器模組的光源由LED燈條提供。圖1（a）為背光模組的光線走向示意圖，導(dǎo)光板中網(wǎng)點(diǎn)位于下表面，光線入射到網(wǎng)點(diǎn)上時(shí)，全反射被破壞而向上出射，經(jīng)擴(kuò)散膜、增亮膜完成對(duì)光線的二次調(diào)制，達(dá)到勻光及收縮光線角度的效果。圖1（b）為前光模組的光線走向示意圖，網(wǎng)點(diǎn)在導(dǎo)光板上表面，將光線向下反射經(jīng)過(guò)反射液晶層調(diào)制后再向上出射。由于沒(méi)有背光模組中的BEF等光學(xué)膜系，反射式液晶顯示模組的視角依賴(lài)于網(wǎng)點(diǎn)形貌的調(diào)控，存在跳變、不均勻等問(wèn)題。

圖1 光線走向示意圖Fig.1 Schematic diagram of ray tracing

反射式液晶顯示仿真模型如圖2所示，包含LED光源、導(dǎo)光板、光學(xué)膠綁定層、反射液晶層及燈腔。考慮到反射式液晶主要應(yīng)用于戶(hù)外，本文中導(dǎo)光板采用具有更好的化學(xué)耐久性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能的玻璃，避免有機(jī)透明材料在環(huán)境中會(huì)受到陽(yáng)光、潮濕等環(huán)境因素影響發(fā)生形變［10-11］。LED發(fā)出的光線進(jìn)入導(dǎo)光板后，大部分發(fā)生全反射在LGP中傳播，這部分光線入射到導(dǎo)光板上表面的網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，全反射被破壞，或經(jīng)反射式液晶調(diào)制后向上出射或繼續(xù)在導(dǎo)光板內(nèi)傳播［12-13］。綁定層則通常用高透過(guò)率的光學(xué)透明膠（Optically Clear Adhesive，OCA）將導(dǎo)光板和反射液晶層緊密綁定在一起。

圖2 反射式液晶模組的仿真模型Fig.2 Simulation model of reflective liquid crystal module

為方便進(jìn)行探究，本文使用LightTools作為仿真軟件，以12.5 in（1 in=2.54 cm）顯示器為例建立了反射式液晶模組仿真模型，設(shè)置模組材料屬性、導(dǎo)光板的表面屬性等，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真模型參數(shù)Tab.1 Simulation model parameters

3 仿真分析及討論

在前光模組中，無(wú)論是否經(jīng)過(guò)液晶調(diào)制的光都要從導(dǎo)光板出射直接進(jìn)入人眼，出射光線的角度將直接影響顯示器視角的優(yōu)劣，因此，網(wǎng)點(diǎn)不僅起著勻光的作用，也要兼顧視角的調(diào)控。本文以如圖3所示的圓錐形和圓臺(tái)形網(wǎng)點(diǎn)為例，分析亮度視角的變化，其優(yōu)劣以在離開(kāi)液晶面板的法線方向觀看，亮度是否呈平滑下降、亮度值大小、光線角度收縮程度等為判定標(biāo)準(zhǔn)。視角曲線出現(xiàn)跳變、不均勻等會(huì)對(duì)正常觀看圖像造成影響［14］。在側(cè)入式導(dǎo)光板設(shè)計(jì)中，網(wǎng)點(diǎn)披覆率決定著導(dǎo)光板出光面的整體亮度和均勻性，局部網(wǎng)點(diǎn)的大小變化可以調(diào)整導(dǎo)光板局部出光的亮度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)出光均勻性的調(diào)整［15］。本文在改變網(wǎng)點(diǎn)形貌的同時(shí)調(diào)整網(wǎng)點(diǎn)密度以達(dá)到均勻顯示的目的，并根據(jù)九點(diǎn)測(cè)試法，使其均勻性達(dá)到85%以上，再對(duì)其視角進(jìn)行分析。

圖3 網(wǎng)點(diǎn)形貌Fig.3 Dots morphology

3.1 圓錐形網(wǎng)點(diǎn)對(duì)視角的影響及分析

以圓錐形網(wǎng)點(diǎn)為例，將網(wǎng)點(diǎn)底面半徑R固定為25 μm，圓錐形網(wǎng)點(diǎn)高度H設(shè)置為變量，分別為4/5R、R、6/5R和7/5R探究視角變化規(guī)律，調(diào)整網(wǎng)點(diǎn)密度分布，使其均勻性滿(mǎn)足要求，記錄角亮度數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 不同高度的圓錐形網(wǎng)點(diǎn)仿真Fig.4 Simulation of conical dots with different heights

對(duì)于圓錐形網(wǎng)點(diǎn)，保持底部半徑不變，逐漸增加高度，中心視角有逐漸升高的趨勢(shì)，但出現(xiàn)了在±35°左右視角曲線不平滑、有明顯跳變的問(wèn)題。雖然隨著網(wǎng)點(diǎn)高度增加跳變逐漸變小，但大角度40°～80°和-40°～-80°的光線較多，光線出射角度較為分散。此外，0°視角亮度值的提升也受到限制，不能滿(mǎn)足使用要求。

3.2 圓臺(tái)形網(wǎng)點(diǎn)對(duì)視角的影響及分析

改變圓錐形網(wǎng)點(diǎn)的高度，其視角曲線仍然存在缺陷，不能滿(mǎn)足顯示器的使用要求，因此采用圓臺(tái)形網(wǎng)點(diǎn)做進(jìn)一步仿真分析。圓臺(tái)形網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置為底面半徑R=25 μm，頂部半徑r分別為14 μm、17 μm、20 μm，高度H設(shè)置為10 μm，其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同頂部半徑的圓臺(tái)網(wǎng)點(diǎn)仿真Fig.5 Simulation of truncated cone dots with different top radii

保持圓臺(tái)形網(wǎng)點(diǎn)底面半徑、高度不變，增大頂部半徑，圓臺(tái)形網(wǎng)點(diǎn)仍不能避免±35°時(shí)的視角曲線跳變問(wèn)題，且中心視角亮度在升高后又發(fā)生陡變，當(dāng)頂部半徑r=20 μm時(shí)反轉(zhuǎn)為“U”型。通過(guò)視角曲線可以看出，在40°～80°和-40°～-80°區(qū)間仍然分布了較多的光線，且0°視角亮度值相對(duì)下降，不滿(mǎn)足視角要求。

3.3 網(wǎng)點(diǎn)形貌及分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)

上述仿真結(jié)果表明，在背光模組中常用的網(wǎng)點(diǎn)形貌在前光模組中的視角曲線存在跳變和不均勻問(wèn)題。本文針對(duì)雙側(cè)入光前光模組導(dǎo)光板，提出一種不對(duì)稱(chēng)網(wǎng)點(diǎn)形貌及網(wǎng)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)分布方式以改善視角問(wèn)題。

在前光模組中，導(dǎo)光板中的網(wǎng)點(diǎn)不僅需要破壞光線的全反射，還需要對(duì)出光角度進(jìn)行調(diào)控。圖4（c）、圖5（b）的仿真結(jié)果表明，圓錐形與圓臺(tái)形網(wǎng)點(diǎn)在傾角為50°時(shí)，視角曲線的0°視角亮度在上述仿真中最高，但從40°/-40°開(kāi)始，亮度出現(xiàn)突然增高，導(dǎo)致視角曲線出現(xiàn)跳變。分析其原因如圖6（a）所示，圓錐形網(wǎng)點(diǎn)的不同截面S1、S2形狀不一致，對(duì)相同角度光線走向調(diào)控也不一致。圖6（b）中，多束相同角度的光線分別入射到S1、S2截面，其中藍(lán)色光線l1～l6表示入射到S2截面后出射的光線，紅色光線l3'～l6'表示入射到S1截面后出射的光線，綠色光線l1'～l2'則由于截面大小差異，未入射到網(wǎng)點(diǎn)上而繼續(xù)在導(dǎo)光板中傳播。在圓錐中S1截面為雙曲線，其切線與水平面的最大夾角在曲線起始點(diǎn)處，且S1截面均小于S2截面，則在S1曲線上的不同位置法線與水平面的夾角均大于S2截面法線與水平面的夾角，l3'～l6'的經(jīng)截面S1后與水平方向的夾角比l3～l6小，造成40°～80°的區(qū)間光線增多，導(dǎo)致視角曲線出現(xiàn)跳變。因此，本文提出一種棱柱形網(wǎng)點(diǎn)用于改善視角問(wèn)題，如圖7（a）所示，將圖6中S2截面拉伸，保持各截面形狀一致，能更好地調(diào)控相同角度的出射光。設(shè)置單個(gè)網(wǎng)點(diǎn)長(zhǎng)30 μm、寬20 μm、傾角50°，其仿真結(jié)果如圖7（b）所示。

圖6 圓錐形網(wǎng)點(diǎn)分析Fig.6 Conical dots analysis

圖7 棱柱形網(wǎng)點(diǎn)Fig.7 Prismatic dots

仿真結(jié)果表明，棱柱形網(wǎng)點(diǎn)消除了視角曲線的跳變，0°視角亮度明顯升高，但在視角曲線50°附近出現(xiàn)了平臺(tái)，分析其原因?yàn)閘3光線較多。為了減少類(lèi)似l3角度的光線出射，借鑒l1、l2光線走向，將棱柱改變形貌，其截面及光線走向如圖8（a）所示。可以將光線l3照射到網(wǎng)點(diǎn)的直角面p使其再次進(jìn)入導(dǎo)光板被調(diào)制，減少大角度出光，改善視角曲線的跳變，同時(shí)，直角面p也可以對(duì)另一側(cè)光線l7起到收縮角度改善視角的作用。結(jié)合模型的雙側(cè)入光，為了分別對(duì)兩側(cè)的光線進(jìn)行調(diào)控，設(shè)置網(wǎng)點(diǎn)為沿中心對(duì)稱(chēng)分布，截取中心部分如圖8（b）所示，設(shè)置直角棱柱單個(gè)網(wǎng)點(diǎn)長(zhǎng)30 μm、寬10 μm、傾角50°，其截面如圖9（a）所示。仿真結(jié)果表明，對(duì)稱(chēng)分布的直角棱柱形網(wǎng)點(diǎn)可以有效改善視角，消除了±50°時(shí)的平臺(tái)，大角度光線進(jìn)一步收縮，視角曲線有明顯改善，但是棱柱形網(wǎng)點(diǎn)面與面之間過(guò)渡不夠平滑，使得0°視角凹陷明顯。本文對(duì)上述棱柱形網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，將橫截面變?yōu)榛⌒危覟楸ＷC傾斜面對(duì)光線的調(diào)控效果，側(cè)重于對(duì)直角側(cè)進(jìn)行改進(jìn)，其網(wǎng)點(diǎn)形貌及仿真結(jié)果如圖9（c）、9（d）所示。

圖8 直角棱柱形網(wǎng)點(diǎn)Fig.8 Right-angled prismatic dots

圖9 棱柱形網(wǎng)點(diǎn)仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of prismatic dots

如圖9（c）所示，修改后的網(wǎng)點(diǎn)在0°視角的凹陷得到了優(yōu)化。與圖4（c）相比，中心視角亮度提升了52.3%，能有效改善前光模組視角。

4 結(jié)論

本文聚焦反射式液晶顯示設(shè)備，建立了反射式液晶顯示仿真模型，著重對(duì)其前光模組視角問(wèn)題進(jìn)行探究。通過(guò)總結(jié)圓錐形、圓臺(tái)形網(wǎng)點(diǎn)在前光模組仿真中出現(xiàn)的視角問(wèn)題，對(duì)網(wǎng)點(diǎn)形貌及光線走向進(jìn)行分析，提出一種結(jié)合模型雙側(cè)入光對(duì)稱(chēng)分布的棱柱形網(wǎng)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)可以有效控制前光模組出射光線角度，改善顯示質(zhì)量，在使視角曲線平滑的同時(shí)將0°視角亮度相比于圓錐形網(wǎng)點(diǎn)提升了52.3%，有效實(shí)現(xiàn)了光線角度的收縮。本研究對(duì)應(yīng)用前光模組的反射式液晶顯示設(shè)備的視角設(shè)計(jì)具有重要參考意義。