集成导光板研制

徐 平，黄燕燕，张旭琳，黄洁锋，李贝贝，叶 恩，段守富，苏志杰

深圳大学电子科学与技术学院，深圳大学微纳光电子技术研究所，深圳518060

中小尺寸液晶显示器(liquid crystal display，LCD)具有重量轻、厚度薄、光能利用率高及无辐射等优点，广泛用于手机、数码相机和车载设备领域［1］.背光模组(backlight module，BLM)作为LCD光源，其典型结构由光源、平面反射膜、导光板、扩散膜及双层正交棱镜膜组成，普遍存在装置复杂、制作工序繁多及难以集成等缺点［2］.因此，将多层光学膜系集成，降低背光模组成本，已成为学界及厂商关注的热点.2004年12月至今，清华大学 Foxconn 纳米研究中心［3-4］、台湾的Chien［5］、韩国现代科学技术机构［6］、台湾的Chung［7］和Yao［8］等提出不同结构的集成导光板，但这些工作或只提供仿真性能参数［3-6］，或是主要性能参数报道不全［3-5，7］，或是结构仍很复杂［8］.因此，研制整体性能指标优良的集成化的导光板具有重要理论及应用价值.

基于本课题组多年的二元光学研究基础［9-11］，以及2004年首次提出的应用微光学、二元光学技术设计集成微光学导光板的设想［12］，提出一种集成导光板(integrated light guide plate，ILGP)，其仅用一块导光板实现目前典型BLM中双层正交棱镜膜、扩散膜和导光板四层复杂膜系功能，该ILGP上表面设计为非球面半柱状微结构阵列，下表面设置为与上表面相匹配的微棱镜结构阵列.最后利用精密机械加工技术制作一块1.8英寸(1英寸=2.54 cm)ILGP样品，通过与典型BLM对比实验测试，结果表明本研究提出的ILGP理念可行.

1 集成导光板

图1为ILGP BLM示意图，由光源(LED)、本课题组设计的ILGP以及平面反射膜组成.

图1 集成导光板背光模组示意图Fig.1 Diagram of ILGP BLM

ILGP上表面熔合密排的非球面半柱状微结构阵列，单元结构如图2，其剖面轮廓曲线为ZEMAX光学软件迭代优化设计而得的具有聚光功能的非球面函数形式，实现出射光在x-z平面内的z轴方向上±25°范围内会聚，替代典型BLM中一层棱镜膜的使用.理论上，通过调整非球面函数的系数，其轮廓曲线可逼近任意球面或非球面形貌;与其他微聚光结构相比，如微棱镜、微半球及金字塔等，非球面微聚光结构能够更灵活地与导光板的众多结构参量相匹配，实现出射光的会聚，从而提高亮度值.

图2 集成导光板上表面微结构单元的示意图Fig.2 Micro-structure unit on the top surface of ILGP

ILGP的下表面熔合与上表面微结构相匹配，其轴向(x轴)与上表面微结构轴向(z轴)正交的外凸型微棱镜结构阵列，如图3.外凸型微棱镜的近光源角α和远光源角β相互作用，共同控制导光板内部光线的传播方向.经LightTools光学软件大量仿真及经验分析发现，特定范围的微棱镜近光源角α和远光源角β能实现出射光在y-z平面内z轴方向上±25°范围内的会聚，提高出射光亮度值，替代典型BLM中另一层棱镜膜的使用.

图3 集成导光板下表面微棱镜分布示意图Fig.3 Distribution of micro-prisms on the bottom surface of ILGP

结合ILGP上下表面微结构的设计，运用优化算法等对ILGP下表面微棱镜分布方式进行优化，能够达到提高出射光照度和亮度均匀性的目的，替代典型BLM中的扩散膜.

2 集成导光板样品实验结果分析

图4为本研究利用精密机械加工制作的一块1.8英寸ILGP样品，其结构参数如表1.该样品材料与典型BLM中的导光板材料一致，都为PMMA.

图4 1.8英寸集成导光板样品俯视图Fig.4 Top view of the 1.8 inch ILGP sample

表1 1.8英寸集成导光板样品结构参数*Table1 Structural parameters of 1.8 inch ILGP sample

应用激光共聚焦显微镜(OLS4000)对样品的上下表面微结构进行测试，测试结果如图5.

运用同样的LED灯源(每个LED的光通量为6.058 7 lm，驱动电流为20 mA，共3个)及平面反射膜(反射率为93.5%)，将所制作的1.8英寸ILGP BLM与典型BLM进行对比测试，结果如图6.可见，所研制的ILGP BLM明显比典型BLM亮.

图5 1.8英寸集成导光板样品测试图Fig.5 Test diagram of the 1.8 inch ILGP sample

图6 1.8英寸典型背光模组(下)与集成导光板背光模组(上)测试对比图Fig.6 Comparative test of typical BLM(low)and ILGP BLM(up)

表2为光能利用率、照度、亮度及均匀性等参数的对比测试结果.由表2可知，实际制作的ILGP BLM，其光能利用率为76.37%、照度值为11 567 lx、亮度值为3 888.4 nt、照度均匀性为71.28%、亮度均匀性为60.17%.其中，光能利用率和照度值都超过典型BLM，达到典型BLM的1.43倍，说明本研究提出的ILGP达到高效节能.其亮度值略低于典型BLM参数，为典型BLM的0.97倍，说明所设计的ILGP表面微结构的聚光效果已接近典型BLM.不过，照度均匀性和亮度均匀性分别是典型BLM的0.89和0.70倍，未达到典型 BLM参数，这可能是由于目前所设计的ILGP集成的是双层正交棱镜膜、扩散膜和导光板4层膜系，在ILGP BLM中仍使用独立的平面反射膜.且由于受到手板制作条件的限制，ILGP样品的结构参数并未完全达到设计值，如设计的外凸型微棱镜实际制作中是内凹型微棱镜.

表2 典型BLM与ILGP BLM的9点法对比测试结果Table2 Comparative test results of ILGP BLM and typical BLM in 9 point measure

下一步，随着制作工艺的改进以及将平面反射膜也集成到ILGP上形成一体化导光板BLM，其性能参数也许均能优于典型BLM.但上述实验结果已能表明本研究提出的ILGP理念及设计方法可行.

结 语

本研究提出一种ILGP，其上下表面分别直接熔合非球面半柱状微聚光结构阵列和微棱镜结构阵列，实现目前典型BLM中双层正交棱镜膜、扩散膜、导光板四层复杂膜系结构的功能.制作了一块1.8英寸 ILGP样品，在同样条件下，将该 ILGP BLM与典型BLM进行对比测试，得到该ILGP BLM的光能利用率、照度、亮度、照度均匀性和亮度均匀性分别是典型 BLM 的1.43、1.43、0.97、0.89和0.70倍，验证了所提出的ILGP理念的可行性.

/References:

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