基于微透鏡陣列的汽車OLED車燈光學(xué)分布優(yōu)化研究

引言

汽車照明系統(tǒng)正經(jīng)歷從傳統(tǒng)光源向新型光源的轉(zhuǎn)變，OLED作為新一代照明技術(shù)，具有自發(fā)光、超薄、可彎曲等優(yōu)勢(shì)。然而，由于OLED器件的層間折射率差異，導(dǎo)致大量光線被限制在器件內(nèi)部，嚴(yán)重影響了光能利用效率。同時(shí)，車燈照明要求嚴(yán)格的光強(qiáng)分布，這對(duì)OLED發(fā)光均勻性提出了更高要求。微透鏡陣列作為一種有效的光學(xué)結(jié)構(gòu)，在提高光提取效率和調(diào)控光強(qiáng)分布方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

一、微透鏡陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與光學(xué)特性分析

（一）微透鏡陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微透鏡陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)理論，著重考慮了曲率半徑、焦距、排布方式等關(guān)鍵參數(shù)[。如圖1所示，在OLED車燈應(yīng)用中，微透鏡單元采用非球面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，曲率半徑范圍為 20-50μm ，高徑比控制在0.3-0.7之間。微透鏡陣列排布采用六邊形緊密排列方式，單元間距為 45μm ，填充因子達(dá)到 92‰ 陣列基底材料選用折射率為1.52的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)，表面經(jīng)等離子體處理，提升了與OLED發(fā)光層的結(jié)合性能。微透鏡加工采用超精密光刻工藝，表面粗糙度控制在5nm以內(nèi)，邊緣輪廓精度達(dá)到 ±0.5μm 陣列整體尺寸為50mm×30mm ，總厚度包含基底在內(nèi)為 2mm ，滿足車燈輕薄化要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)有限元分析優(yōu)化了微透鏡的應(yīng)力分布，確保在 -40^°C 至 85^°C 溫度范圍內(nèi)保持良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（二）光學(xué)特性分析

光學(xué)特性分析采用光線追蹤和波動(dòng)光學(xué)混合算法，通過(guò)三維光學(xué)模型研究微透鏡陣列對(duì)OLED發(fā)光的調(diào)控機(jī)理[2。光線追蹤模擬顯示，微透鏡結(jié)構(gòu)改變?nèi)珒?nèi)反射臨界角，提高光線提取效率。波動(dòng)光學(xué)計(jì)算表明，微透鏡在 450-650nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)透過(guò)率達(dá) 94% 近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡測(cè)量結(jié)果顯示微透鏡降低了表面等離激元損耗。角分辨光譜測(cè)量表明，優(yōu)化后光強(qiáng)分布半峰全寬從 120^° 降至 85^° ，在 ±45^° 入射角范圍內(nèi)保持穩(wěn)定光學(xué)性能，滿足車燈多角度照明需求。

二、實(shí)驗(yàn)方案與測(cè)試系統(tǒng)

（一）樣品制備工藝

微透鏡陣列樣品制備采用紫外光刻和熱壓印工藝[3。將PMMA基底材料經(jīng)過(guò)等離子體處理后，通過(guò)旋涂工藝涂覆光刻膠，涂覆轉(zhuǎn)速 3000rpm ，時(shí)間 30s 光刻膠厚度滿足微透鏡高度要求，厚度均勻性控制在 ±2% 以內(nèi)。采用灰度光刻掩模板制作微透鏡陣列母板，掩模板透光率梯度分布符合非球面曲率要求。紫外光曝光能量密度設(shè)定為 150mJ/cm² ，顯影時(shí)間120s 熱壓印工藝溫度控制在 130^°C ，壓力 1.2MPa ，保壓時(shí)間 5min 壓印后樣品經(jīng)退火處理消除應(yīng)力，退火溫度曲線滿足：

式中， T₀ 為室溫， T₁ 為最高退火溫度 160^°C，τ 為特征時(shí)間常數(shù)。制備的微透鏡陣列樣品尺寸誤差小于 1μm ，表面粗糙度 Ra<5nm

（二）光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)

如圖2所示，光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)由光源模塊、準(zhǔn)直系統(tǒng)、光譜分析儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。光源采用集成球光源，光譜范圍400-700nm ，光強(qiáng)穩(wěn)定性優(yōu)于 0.1%^[4]c ，準(zhǔn)直系統(tǒng)由石英透鏡組構(gòu)成，焦距 200mm ，數(shù)值孔徑 0.22 光譜分析采用陣列光譜儀，光譜分辨率 0.5nm ，積分時(shí)間可調(diào)范圍 1ms-10s 角分辨測(cè)量裝置采用高精度轉(zhuǎn)臺(tái)，角度分辨率 0.01^° 。測(cè)試系統(tǒng)光強(qiáng)探測(cè)靈敏度SI滿足：

式中，NEP為噪聲等效功率，△f為測(cè)量帶寬，S為探測(cè)器響應(yīng)度。系統(tǒng)配備溫控裝置，測(cè)試環(huán)境溫度控制在23±0.5^°C ，相對(duì)濕度 45±5% 0

（三）測(cè)量方法

微透鏡陣列光學(xué)性能測(cè)量采用多維度表征方法。近場(chǎng)光強(qiáng)分布測(cè)量使用顯微共聚焦掃描系統(tǒng)，掃描步長(zhǎng) 0.1μm ，掃描范圍覆蓋 100×100 個(gè)微透鏡單元。遠(yuǎn)場(chǎng)角度分布測(cè)量角度范圍 ±80^° 步進(jìn)間隔 0.5°_c 。光譜測(cè)量采用積分球法，入射光斑直徑5mm，積分球內(nèi)壁涂覆硫酸鋇反射涂層，漫反射率大于 98‰ 微透鏡表面形貌采用白光干涉儀測(cè)量，垂直分辨率2nm，橫向分辨率 0.5μm 動(dòng)態(tài)測(cè)試條件下，采用高速光電探測(cè)器，帶寬100MHz，上升時(shí)間小于5ns。所有測(cè)量重復(fù)進(jìn)行五次，取平均值作為最終結(jié)果。

（四）評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包含光學(xué)性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo)兩大類。光學(xué)性能指標(biāo)涵蓋光提取效率、發(fā)光均勻性、角度發(fā)散度和色度均勻性。光提取效率通過(guò)積分球法測(cè)量微透鏡陣列前后光通量比值確定。發(fā)光均勻性采用像素灰度標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)估，掃描范圍50mm×30mm ，采樣點(diǎn)數(shù) 1000×600_? 。角度發(fā)散度基于光強(qiáng)半高寬定義，測(cè)量 ±60^° 范圍內(nèi)光強(qiáng)分布曲線。色度均勻性基于CIE1931色度空間，測(cè)量色差△E小于 0.003 可靠性指標(biāo)包括溫度循環(huán)試驗(yàn)（ 、-40^°C 至 85^°C ，1000次）、濕熱試驗(yàn)0 85^°C /85%RH，1000h）和振動(dòng)試驗(yàn)（ 5?100Hz ，2g加速度）。每項(xiàng)試驗(yàn)后進(jìn)行光學(xué)性能測(cè)試，性能衰減需控制在 5% 以內(nèi)。

三、結(jié)果分析與討論

（一）光提取效率優(yōu)化結(jié)果

微透鏡陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善了OLED車燈的光能利用效率。如表1所示，通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，器件光提取效率從 23.5% 顯著提升至 34.2% 經(jīng)過(guò)等離子體處理的PMMA基底材料界面反射損耗降低了 58% ，表面能提升至 72.3mN/m 優(yōu)化設(shè)計(jì)的微透鏡曲率半徑為 35-40μm 區(qū)間時(shí)，出光效率達(dá)到最佳狀態(tài)。器件在寬溫域范圍內(nèi)表現(xiàn)穩(wěn)定， -40^°C 至 85^°( 溫度區(qū)間內(nèi)光提取效率波動(dòng)小于3% ，熱穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。通過(guò)改進(jìn)工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，微透鏡陣列填充因子提升至 92% ，器件整體光提取效率提高了

（二）光強(qiáng)分布特性

微透鏡陣列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了OLED車燈光強(qiáng)分布的精確調(diào)控。如表2所示，器件在 450-650nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的光譜特性，主波長(zhǎng)漂移小于 5nm_? 。動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試顯示，器件上升時(shí)間縮短至85ns，瞬態(tài)特性提升了 70.2%_① ，空間光場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明，微透鏡陣列使光強(qiáng)分布更加集中，主瓣區(qū)域光強(qiáng)提升了 32.5% ，側(cè)向雜散光抑制效果顯著。器件在 ±45^° 視角范圍內(nèi)保持穩(wěn)定發(fā)光特性，滿足車燈應(yīng)用的光強(qiáng)分布要求。

（三）均勻性評(píng)估與可靠性驗(yàn)證

微透鏡陣列優(yōu)化顯著改善了OLED車燈的發(fā)光均勻性。發(fā)光區(qū)域測(cè)試顯示，器件發(fā)光強(qiáng)度剖面曲線波動(dòng)幅度降至 3% 以內(nèi)，像素灰度標(biāo)準(zhǔn)差減小至 2.3% 。色度空間分析表明，優(yōu)化后色坐標(biāo)漂移量控制在（0.002，0.002）范圍內(nèi)，色溫偏差小于 100K 如表3所示，可靠性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，器件經(jīng)過(guò)1000次溫度循環(huán)和1000小時(shí)熱老化后，結(jié)構(gòu)保持完整，光電性能衰減幅度低于 5% ，可靠性等級(jí)達(dá)到車規(guī)要求。

結(jié)論

通過(guò)系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了微透鏡陣列結(jié)構(gòu)在優(yōu)化OLED車燈光學(xué)分布方面的顯著效果。研究發(fā)現(xiàn)，微透鏡的曲率半徑和高徑比是影響光提取效率的關(guān)鍵參數(shù)，最優(yōu)化后的六邊形排布微透鏡陣列不僅提高了光提取效率，還改善了發(fā)光均勻性。此外，該優(yōu)化方案在不同環(huán)境溫度和振動(dòng)條件下均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。未來(lái)研究方向可進(jìn)一步探索智能化光強(qiáng)分布調(diào)控技術(shù)，為汽車照明系統(tǒng)的發(fā)展提供新思路。

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