徐 平，黃燕燕，張旭琳，黃潔鋒，李貝貝，葉 恩，段守富，蘇志杰

深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，深圳大學(xué)微納光電子技術(shù)研究所，深圳518060

中小尺寸液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)具有重量輕、厚度薄、光能利用率高及無輻射等優(yōu)點，廣泛用于手機、數(shù)碼相機和車載設(shè)備領(lǐng)域［1］.背光模組(backlight module，BLM)作為LCD光源，其典型結(jié)構(gòu)由光源、平面反射膜、導(dǎo)光板、擴散膜及雙層正交棱鏡膜組成，普遍存在裝置復(fù)雜、制作工序繁多及難以集成等缺點［2］.因此，將多層光學(xué)膜系集成，降低背光模組成本，已成為學(xué)界及廠商關(guān)注的熱點.2004年12月至今，清華大學(xué) Foxconn 納米研究中心［3-4］、臺灣的Chien［5］、韓國現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)機構(gòu)［6］、臺灣的Chung［7］和Yao［8］等提出不同結(jié)構(gòu)的集成導(dǎo)光板，但這些工作或只提供仿真性能參數(shù)［3-6］，或是主要性能參數(shù)報道不全［3-5，7］，或是結(jié)構(gòu)仍很復(fù)雜［8］.因此，研制整體性能指標(biāo)優(yōu)良的集成化的導(dǎo)光板具有重要理論及應(yīng)用價值.

基于本課題組多年的二元光學(xué)研究基礎(chǔ)［9-11］，以及2004年首次提出的應(yīng)用微光學(xué)、二元光學(xué)技術(shù)設(shè)計集成微光學(xué)導(dǎo)光板的設(shè)想［12］，提出一種集成導(dǎo)光板(integrated light guide plate，ILGP)，其僅用一塊導(dǎo)光板實現(xiàn)目前典型BLM中雙層正交棱鏡膜、擴散膜和導(dǎo)光板四層復(fù)雜膜系功能，該ILGP上表面設(shè)計為非球面半柱狀微結(jié)構(gòu)陣列，下表面設(shè)置為與上表面相匹配的微棱鏡結(jié)構(gòu)陣列.最后利用精密機械加工技術(shù)制作一塊1.8英寸(1英寸=2.54 cm)ILGP樣品，通過與典型BLM對比實驗測試，結(jié)果表明本研究提出的ILGP理念可行.

1 集成導(dǎo)光板

圖1為ILGP BLM示意圖，由光源(LED)、本課題組設(shè)計的ILGP以及平面反射膜組成.

圖1 集成導(dǎo)光板背光模組示意圖Fig.1 Diagram of ILGP BLM

ILGP上表面熔合密排的非球面半柱狀微結(jié)構(gòu)陣列，單元結(jié)構(gòu)如圖2，其剖面輪廓曲線為ZEMAX光學(xué)軟件迭代優(yōu)化設(shè)計而得的具有聚光功能的非球面函數(shù)形式，實現(xiàn)出射光在x-z平面內(nèi)的z軸方向上±25°范圍內(nèi)會聚，替代典型BLM中一層棱鏡膜的使用.理論上，通過調(diào)整非球面函數(shù)的系數(shù)，其輪廓曲線可逼近任意球面或非球面形貌;與其他微聚光結(jié)構(gòu)相比，如微棱鏡、微半球及金字塔等，非球面微聚光結(jié)構(gòu)能夠更靈活地與導(dǎo)光板的眾多結(jié)構(gòu)參量相匹配，實現(xiàn)出射光的會聚，從而提高亮度值.

圖2 集成導(dǎo)光板上表面微結(jié)構(gòu)單元的示意圖Fig.2 Micro-structure unit on the top surface of ILGP

ILGP的下表面熔合與上表面微結(jié)構(gòu)相匹配，其軸向(x軸)與上表面微結(jié)構(gòu)軸向(z軸)正交的外凸型微棱鏡結(jié)構(gòu)陣列，如圖3.外凸型微棱鏡的近光源角α和遠(yuǎn)光源角β相互作用，共同控制導(dǎo)光板內(nèi)部光線的傳播方向.經(jīng)LightTools光學(xué)軟件大量仿真及經(jīng)驗分析發(fā)現(xiàn)，特定范圍的微棱鏡近光源角α和遠(yuǎn)光源角β能實現(xiàn)出射光在y-z平面內(nèi)z軸方向上±25°范圍內(nèi)的會聚，提高出射光亮度值，替代典型BLM中另一層棱鏡膜的使用.

圖3 集成導(dǎo)光板下表面微棱鏡分布示意圖Fig.3 Distribution of micro-prisms on the bottom surface of ILGP

結(jié)合ILGP上下表面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計，運用優(yōu)化算法等對ILGP下表面微棱鏡分布方式進(jìn)行優(yōu)化，能夠達(dá)到提高出射光照度和亮度均勻性的目的，替代典型BLM中的擴散膜.

2 集成導(dǎo)光板樣品實驗結(jié)果分析

圖4為本研究利用精密機械加工制作的一塊1.8英寸ILGP樣品，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1.該樣品材料與典型BLM中的導(dǎo)光板材料一致，都為PMMA.

圖4 1.8英寸集成導(dǎo)光板樣品俯視圖Fig.4 Top view of the 1.8 inch ILGP sample

表1 1.8英寸集成導(dǎo)光板樣品結(jié)構(gòu)參數(shù)*Table1 Structural parameters of 1.8 inch ILGP sample

應(yīng)用激光共聚焦顯微鏡(OLS4000)對樣品的上下表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖5.

運用同樣的LED燈源(每個LED的光通量為6.058 7 lm，驅(qū)動電流為20 mA，共3個)及平面反射膜(反射率為93.5%)，將所制作的1.8英寸ILGP BLM與典型BLM進(jìn)行對比測試，結(jié)果如圖6.可見，所研制的ILGP BLM明顯比典型BLM亮.

圖5 1.8英寸集成導(dǎo)光板樣品測試圖Fig.5 Test diagram of the 1.8 inch ILGP sample

圖6 1.8英寸典型背光模組(下)與集成導(dǎo)光板背光模組(上)測試對比圖Fig.6 Comparative test of typical BLM(low)and ILGP BLM(up)

表2為光能利用率、照度、亮度及均勻性等參數(shù)的對比測試結(jié)果.由表2可知，實際制作的ILGP BLM，其光能利用率為76.37%、照度值為11 567 lx、亮度值為3 888.4 nt、照度均勻性為71.28%、亮度均勻性為60.17%.其中，光能利用率和照度值都超過典型BLM，達(dá)到典型BLM的1.43倍，說明本研究提出的ILGP達(dá)到高效節(jié)能.其亮度值略低于典型BLM參數(shù)，為典型BLM的0.97倍，說明所設(shè)計的ILGP表面微結(jié)構(gòu)的聚光效果已接近典型BLM.不過，照度均勻性和亮度均勻性分別是典型BLM的0.89和0.70倍，未達(dá)到典型 BLM參數(shù)，這可能是由于目前所設(shè)計的ILGP集成的是雙層正交棱鏡膜、擴散膜和導(dǎo)光板4層膜系，在ILGP BLM中仍使用獨立的平面反射膜.且由于受到手板制作條件的限制，ILGP樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)并未完全達(dá)到設(shè)計值，如設(shè)計的外凸型微棱鏡實際制作中是內(nèi)凹型微棱鏡.

表2 典型BLM與ILGP BLM的9點法對比測試結(jié)果Table2 Comparative test results of ILGP BLM and typical BLM in 9 point measure

下一步，隨著制作工藝的改進(jìn)以及將平面反射膜也集成到ILGP上形成一體化導(dǎo)光板BLM，其性能參數(shù)也許均能優(yōu)于典型BLM.但上述實驗結(jié)果已能表明本研究提出的ILGP理念及設(shè)計方法可行.

結(jié) 語

本研究提出一種ILGP，其上下表面分別直接熔合非球面半柱狀微聚光結(jié)構(gòu)陣列和微棱鏡結(jié)構(gòu)陣列，實現(xiàn)目前典型BLM中雙層正交棱鏡膜、擴散膜、導(dǎo)光板四層復(fù)雜膜系結(jié)構(gòu)的功能.制作了一塊1.8英寸 ILGP樣品，在同樣條件下，將該 ILGP BLM與典型BLM進(jìn)行對比測試，得到該ILGP BLM的光能利用率、照度、亮度、照度均勻性和亮度均勻性分別是典型 BLM 的1.43、1.43、0.97、0.89和0.70倍，驗證了所提出的ILGP理念的可行性.

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