背光模组LED侧照明微棱镜膜的研究

季振强，董连和，王 丽，吴博琦，尹 航

(长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130021)

1 引 言

在液晶显示器侧式照明背光模组中，通常使用多颗LED光源按照线性排列方式分布在导光板的一侧或者多侧[1-2]提供照明。由于LED点光源本身的发光角度[3]及相邻LED之间距离的因素，在相邻光源混光区之外产生明显亮暗相间的非混光区[4]，减少导光板照明面上有效显示区域的面积。通常情况下，当手机显示屏尺寸为1～2 in(1 in=2.54 cm)时，非混光区的宽度约为2.5 mm，显示屏尺寸为4 in时非混光区宽度可达4 mm[5]。

目前，减小侧照明非混光区的方法主要是采用增加LED排布密度或是增大LED与导光板入光面之间的间距[6]，或者是在LED光源一侧添加椭圆形或楔形等形状的光线反射结构[7-9]，以及直接在导光板入光面上加工阵列曲面结构[10-11]等。另外，周羲君等提出在导光板入光面上贴附棱镜结构膜片的方法以实现匀光，降低了液晶显示器自身的功率损耗[12]。本文应用相应光学原理，设计了一种微棱镜膜，在不改变相邻LED间距及LED与入光面之间空气层厚度的情况下，将微棱镜膜贴附在导光板入光面上，以达到减小导光板照明面近光源处的非混光区，最终实现增加导光板照明面有效显示区域面积。

2 棱镜膜设计

微棱镜膜是指表面具有微米或纳米量级尺寸的棱镜阵列结构的透明薄膜，可以使入射光线经过微棱镜膜后以预期的角度出射，不同的棱镜顶角会产生不同的光出射角度，同时，使用点光源照射微棱镜膜时，不同角度的入射光也会产生不同的光发散角，如图1所示。

图1 光线通过棱镜时光传播路线Fig.1 Path of incoming light through the prism

图1中，当光以任意角度入射到棱镜面上时，设α为棱镜顶角，θ1为棱镜斜面光入射角，θ2为光折射角，δ为光线通过棱镜AB斜面后的发散角半角度，η为AC面上反射光线的发散角半角度。当入射光线与水平线的夹角为θ时，棱镜斜面光入射角度为θ1=θ-α/2，根据光线折射定律n1sinθ1=n2sinθ2，光折射角度θ2为:

(1)

由几何光学原理，棱镜AB面上光发散角半角度δ为:

(2)

棱镜AC面上的发散角半角度η值为:

(3)

当入射光线不与AC面接触时光线的发散角度最大，此时可以视为δ=η，则α与θ2满足:

(4)

由(4)式和(1)式可得:

(5)

即:

(6)

同时，由(4)式和(2)式可得:

δ=α/2.

(7)

棱镜膜PMMA材料的折射率为n2=1.49，空气折射率n1≈1，根由式(6)和式(7)分别可得棱镜顶角α与光发散角半角度δ以及入射光线与水平面夹角θ的关系曲线如图2所示。

图2 棱镜顶角α与光发散角半角度δ以及入射光线与水平面夹角θ的关系Fig.2 Relationship about the apex angle δ,the optical divergence half angle θ and the angle between the incident ray and the horizontal plane α

图2中，当入射光线与水平线夹角θ为10°时，棱镜顶角α为120°，此时光发散角半角度δ最大为60°；夹角θ为78°时，顶角α为60°，光发散角半角度δ为30°。本文选择的LED光源的出射光线与水平线夹角θ最小为30°，由此关系曲线可得对应的棱镜顶角α约为105°，光发散角半角度δ为52.5°。

利用Lighttools对背光模组中导光板入光面上贴附微棱镜膜前后的光发散角度进行模拟，微棱镜膜中棱镜间隔为50 μm。选取4.4 in彩色液晶显示屏手机背光模组为实验对象，该背光模组中相邻LED之间的间距为8.25 mm，LED与导光板距离为0.5 mm，导光板厚度为2 mm，导光板照明面上近光源处非混光区宽度约为4mm。模拟结果如图3所示。

图3 棱镜顶角对LED发光的光发散角的影响Fig.3 Impact of prism apexangle on the emission angle of LED

图3中黑色区域表示入射光线的分布区域，δ1、δ2、δ3为导光板入光面法线与入射光线最边缘光线的夹角，分别代表导光板入光面无微棱镜膜以及棱镜顶角为100°、105°、和110°时，LED出射光线进入导光板后的发散角半角度。经实际测量，光发散角的半角度δ1值为35°，δ2值为45°，δ3值为51°，δ4值为48°，结果表明棱镜顶角为105°时，光线的发散角度最大，这与理论分析的结果相一致。

3 实 验

利用热压印技术[13-14]在PMMA薄膜上形成棱镜顶角为105°，周期为50 μm，深度为19 μm的微棱镜膜，在高倍光学显微镜下，观察微棱镜膜中棱镜阵列的平面和剖面结构如图4所示，从图中可以看出棱镜阵列规整，具有较好的一致性，棱镜表面光滑，满足使用要求。

图4 微棱镜膜中棱镜阵列结构Fig.4 Structure of the prism array on micro-prism film micro-prism film

利用JL-6180粘结专用胶将PMMA微棱镜膜紧贴在背光模组中导光板的入光面上，使棱镜膜中的棱镜排列方向垂直于光源线性排列方向，分别对导光板入光面有无微棱镜膜时的发光情况进行实验。

4 结果与讨论

为了减小外部环境光线的影响，整个实验过程选择在黑暗环境中进行。实验得到导光板照明面的亮度如图5所示，由图5(a)中可以看出，无棱镜膜时，在近光源处有明显的亮暗分布且非混光区宽度较大。图5(b)显示贴附棱镜膜后，近光源处亮度分布均匀，非混光区明显减小。

图5 导光板照明面近光源处光亮度Fig.5 Illumination brightness on the lighting surface of the light guide plate near the source

利用光照度计对导光板照明面上的光照度值进行多点测量，测量结果如图6所示，X轴表示测量点与导光板中心处的距离，Y轴表示测量所得到的光照度值。曲线1与曲线2分别表示无棱镜膜和贴附微棱镜膜时的照明面光照度曲线。对比两条曲线可以看出，添加微棱镜膜后，有效照明面积宽度由原来39 mm处增加到41 mm处。同时，由照明面光照度分布可以看出，导光板入光面添加微棱镜膜前后，照明面上的光照度均匀性也提高了2%左右。

图6 导光板照明面的光照度分布Fig.6 Illuminating distribution on the lighting surface of the light guide plate

5 结 论

具有阵列棱镜结构的微棱镜膜可以增加入射光线的出射角度，在不改变LED排布间距及LED与导光板入光面距离的情况下，背光模组导光板入光面上加入微棱镜膜后，可以使照明面上近光源处非混光区面积明显减少，并且提高照明面的光照度均匀性。研究结果表明，当LED间距为8.25 mm，LED与导光板入光面距离0.5 mm时，加入棱镜顶角为105°的微棱镜膜后，可以将非混光的宽度由4 mm减小至约2 mm，并且导光板照明面光照度也相应提高2%左右，有效地增加了混光区域的面积。

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