背光源导光结构仿真模型及其光学特性研究

徐 胜，徐玉珍，陈恩果，郭太良



背光源导光结构仿真模型及其光学特性研究

徐 胜，徐玉珍，陈恩果，郭太良

( 福州大学物理与信息工程学院，福州350002 )

本文研究了侧入式LED背光源导光结构的仿真及现实因素对背光源出光效果的影响。首先分析了导光结构的主要功能、特性以及相关理论基础；之后针对其出光特性提出一种简化而准确的仿真模型；最后结合生产实践，重点分析了LED光源与导光板的结构匹配，导光板薄形化处理，以及网点优化设计等关键因素变化对背光源出光效果的影响，并进行了实验验证。该研究对导光板的结构参数提出了合理的优化设计需求，对生产具有一定的实际指导意义。

显示技术；背光源；导光结构；仿真模型；光学特性

0 引 言

液晶显示器件(LCD)是一种非自发光显示器，它需要从底部入射的均匀面光源为其进行照明。背光模组作为LCD光源的提供者，其性能的好坏直接影响显示器的显像质量[1-3]。早期的背光源多以辐射较强、非环保的直管荧光灯作为驱动光源，自2009年发光二极管(LED)被广泛应用于背光模组起，背光模组朝着轻薄化迈进了一大步，直到现在，薄形化仍然是国内、外厂家不断追求的目标[4-6]。然而，LED仅仅是线光源形式，需要通过介质传播使之成为均匀面光源。作为背光模组中光线传播的重要媒介，包括LED灯条和导光板在内的导光结构，其外形结构，参数匹配以及网点排布、材料属性等决定了背光源的可视区域亮度、均匀性及光效等关键性能指标[7-9]。导光结构的优化设计对降低制作成本，提高显像品质有重要作用。当前，大量的研究集中在背光模组的新结构、新方法或某项具体指标上面，对导光结构的系统性优化分析和实验验证较少。包括众多厂家在内，对导光结构的关键指标的获取通常是以经验来进行判断。现有文献中，也缺少一种简化导光结构模型和准确指导分析的判断方法[10-12]。一个准确的简化导光结构模型，并结合实际生产的关键影响的仿真分析，不仅可以降低设计者的优化难度，更能为实际生产提供有效依据。

基于以上分析，本文以工厂实际生产的常用液晶背光模组为蓝本，从背光模组的基本结构出发，通过理论计算、光学仿真和实际验证的方法，提出了LED背光模组导光结构的简化模型，探求LED背光模组导光结构的关键结构匹配关系，以及网点优化设计的重要参数选择，从而获得对生产有实际指导意义的薄形化LED背光模组导光结构。

图1 简化背光模组示意图

1 背光源中导光结构简化模型的建立

LED背光模组主要包括：反射片、导光板、扩散膜，增亮膜以及LED光源。因此，可以建立导光结构的简化模型如图1(a)所示，包括导光板主体、LED光源、扩散器和接收器四个部分。建模过程中，添加光学实体和添加表面属性以及建立表面光源属性是三个主要工作。

光学实体的添加需要参照各个光学元件的具体位置。如果该位置产生了偏差，则会影响分析结果和仿真的准确性，其中影响较大的是光源接收面与导光板出光面的距离和接收面的大小。一般在光学仿真软件 Tracepro分析普通照明的过程中，接收面与分析出光对象之间的距离很远(>1 000 mm)，但是在本研究中，为了更准确的分析导光板的出光效果，在一系列测试之后，设置导光板出光面与接收面的距离为1.8 mm，因此导光板的出射光分布不会因距离而发生变化。

对导光结构各部分的光学材料属性的设置要尽可能准确。光学元件的材料及表面属性需要根据实际生产的材料进行设置。导光板材料为塑料PMMA，其折射率为1.49。为简化结构，其余光学元件不设置材料属性。由于在实际生产过程中，导光板除了入光侧外的三个侧面都需要贴反光片，因此在仿真模型中导光板这三个侧面设置为镜面反射属性，以减少漏光损失。在导光板底部需要设计网点，其属性是在 Reptile 中设置的。反射器设置在导光板正下方，表面属性设置为反射式散射属性，主要仿真背光模组底面光学属性。

在仿真结构中，导光板厚度为2 mm，光源采用4014封装的LED灯条，均与实际结构相符。设置 LED 出光面中心与导光板中心轴线平行。根据斯涅耳定律(Snell’s law)：

其中：1和2为入射角与折射角，1和2为入射和折射介质的折射率。如图1(b)所示，为使LED出射光线进入导光板后能够全部全反射，当LED边缘入射光“恰好”以临界角的大小从导光板内向外出射时，LED距离导光板的距离为最近距离，此时LED边缘光线入射角为临界角：

LED到导光板入光侧距离是：

该式说明，当LED光源与导光板距离越远，边缘光线的入射角就越大，越能够保证入射光线在导光板中进行全反射。

2 简化仿真模型的特性研究

2.1 LED光源与导光板入光侧距离对出光效果的影响

由亮度与照度的关系可知，接收面的照度变化可以间接反映导光结构出光面的亮度变化；同时，出光效率可以定义为接收面光通量与出射的总光通量之比。根据前文所述，当LED光源与导光板距离大于0.9 mm时能够保障所有入射光线都能够全反射。因而本文将LED距离导光板1 mm处，进行导光结构优化设计。之后通过改变LED光源与导光板入光侧的距离，分别进行仿真模拟，得到导光板出射光的亮度、光效和均匀性的变化趋势，如图2所示。

图2 LED与导光板入光侧距离对亮度、均匀性和出光效果的影响

根据仿真结果，导光板的出光亮度和出光效率伴随着LED距离增大呈现较明显的下降趋势；但是出光面的均匀性却相应的缓慢增加。

由于实际LED的配光角大约是120°且其发光面宽度为1.4 mm，考虑到导光板厚度为2 mm，为了使得最多的光线进入导光板，LED光源与导光板的距离应该是0.2 mm，此时正好能够保证最多的光线耦合进入导光板。而当光源越来越远离导光板，会有越来越多的光线没有耦合进入导光板，导致亮度和出光效率下降。此外，由于在设计导光结构之初是以距离1 mm为标准进行优化的，因此均匀性的最好结果也是在1 mm处，达到了最高。然而，当光源靠近导光板入光侧时，虽然耦合进入导光板的光线增多，但是由于不再满足全反射条件，入射的部分光线可能直接透射出出光面形成出射光，使得靠近入光侧的亮度值上升，而末端亮度值下降，造成整体均匀度的下降。

结合以上分析，考虑到出光亮度和效率会随着LED出光面与导光板入光侧距离的增加而明显降低，但是均匀性的变化却不大，因而LED光源可以适当靠近导光板，而不必要求所有进入导光板的入射光学均满足全反射定律。

2.2 导光板厚度对出光效果的影响

目前，LCD的薄形化发展趋势越来越明显，因此势必要不断减小导光板的厚度。但是导光板的厚度变化必然会影响整个背光模组的出光效果。为此，研究导光板厚度变化对出光效果的影响是十分有必要的。

根据之前LED光源与导光板距离对出光效果的影响，将LED 光源与导光板距离设置为0.2 mm，并以此作为参考进行优化设计，改变导光板厚度值变化范围从2 mm到1.5 mm，仿真得出导光板厚度与出光效果的关系曲线如图3所示。

图3 导光板厚度变化对亮度、均匀性和出光效果的影响

根据仿真结果，随着导光板厚度的降低，出光亮度和均匀性随之降低，而出光效率仅略有下降，基本上维持在 60%以上。这是由于在设计导光结构时是根据导光板厚度为2 mm时进行优化的。当导光板厚度降低，光通量减小，在光线传导方向上，出射光的亮度衰减很快，导致亮度和均匀性随之下降。然而，对于出光效率而言，由LED的配光曲线可知，虽然LED是单面出光，光源的配光角度在120°以内，但是距离导光板0.2 mm时光线集中在垂直区域1.6 mm的范围内，并且在实际生产过程中，LED处会设有外罩、反射膜、亮银龙等材质，起到防止漏光的效果。因此，总体光效变化不大。

2.3 网点设计对出光效果的影响

导光板网点的优化设计，在工程上主要是通过调整网点的披覆率(即网点密度)和局部网点大小来实现。通常网点披覆率决定着导光板出光面的整体亮度和均匀性的主要趋势，而局部网点的大小变化可以调整导光板局部出光的亮度，进而实现出光均匀性的调整。

如图4所示，如果将导光板底面划分成一个个长度为的网格，而网点分布在一个个的网格内，假设以常见的半径为的圆形网点为例进行分析，则可以得到导光板底面网点披覆率值。

显然，当网点半径等于网格边长的一半时，其网点披覆率值最大，此时可以计算出最大网点披覆率约为78.5%。同时，工程上为了防止在导光板网点生产过程中出现糊板现象，也必须控制网点之间的相互间距。因此，网点披覆率在工程上也必然会有一个上限值。

图4 导光板网点结构示意图

通过BacklightFly仿真软件，按照网点披覆率值的变化，生成出光学仿真软件所要求的网点属性文件，然后将其导入到光学仿真软件TracePro中，并做相应的设置，分别对不同网点披覆率的背光源模型进行光学性能仿真，得到背光源网点披覆率与背光源的出光亮度、均匀性关系曲线，如图5所示。

图5 网点披覆率与背光源的出光亮度、均匀性关系

根据仿真结果，可以知道，随着导光板网点披覆率的逐渐增加，出光亮度也是逐渐增加的，但是出光的均匀性却呈现明显的下降趋势。综合考虑，要求既能够满足较高的出光亮度，又能满足较高的均匀性指标要求，因此，选取网点披覆率变化区间范围在10%~40%之间较为合适。

3 实验与分析

根据上述仿真结果，并通过调整侧入式背光模组的膜片和安装机构，保证背光源的LED灯条与导光板的间距为0.2 mm，并处于导光板的中心处。然后，分别对不同厚度的导光板以及不同网点披覆率的导光板进行光学测试，验证其出光亮度和均匀性等光学指标的变化规律。

3.1 不同厚度导光板对出光影响的实验与分析

实验中，背光源导光板的对角线尺寸设计为23.6英寸(1英寸=2.54 cm)，分别选取厚度为1.6 mm、1.7 mm、1.8 mm、1.9 mm以及2.0 mm的导光板各5片进行光学测试，相应的导光模组配置从下到上依次为反射片(RAC225)、LGP、下扩(TDF107)、上扩(TDF107)和增光片(SOS- S10L)，Light-bar选用4014封装的LED灯条，测试电流为75 mA，出光面测试点数为49点。由于导光板厚度变化对出光亮度和出光效率影响较大，而均匀性通过网点优化设计以及均光膜片的作用可以得到较大改善。因此，此处仅研究导光板厚度对出光亮度和出光效率的影响，具体结果如图6所示。

图6 实测导光板厚度对亮度和出光效果的影响

由于不同厚度的导光板各取了5片进行测试，因此相关亮度数值取平均值；并且为了便于比较，图6对出光效率进行了归一化处理。根据上述测试结果，可以知道，随着导光板厚度的降低，在不改变导光网点设计的情况下，其出光亮度和出光效率都会相应降低。显然，在导光板厚度降低的情况下，为了防止出光亮度的大幅降低，研究导光板网点的分布规律，进行优化设计成为必然的选择。

3.2 网点披覆率与出光效果的实验与分析

为了保证测试结果的客观性，同样以导光板厚度为2 mm的上述机型进行不同网点披覆率设计验证。根据前面的仿真结果以及实际过程中避免网点可视现象的发生，分别选择了网点披覆率变化范围从15%到55%之间的导光板，进行出光面49点显示辉度测试。其测试结果如表1所示。

表1 披覆率与出光亮度、均匀性测试表

表1中，带(*)的项，表示在披覆率不变的情况下，通过优化局部网点大小的方式，既保证了出光亮度，又改善了出光面的均匀性。

根据表1的测试结果，相同网点批覆率下，即使局部网点尺寸大小分布不同，但整体可出光的效率是一致的，如在批覆率25%(Item 2和Item3)和35%(Item5和Item6)处；并且，网点批覆率越高，入光侧网点所占面积越大，造成入光部份会非常亮，而远离入光侧的亮度明显下降，造成整体出光的均匀性会下降；此外，当披覆率超过35%以上，很难再通过修改局部网点尺寸大小的方式来改善出光面的均匀性，因为入光侧即使通过减小网点尺寸，也还是太亮，而导光板另一端的网点间最小间距也趋近于工程上对糊板控制的要求极限。综合上述分析，最佳批覆率应设置在25%~35%之间，建议30%作为设计基准。

4 结 论

本文结合侧入式LED背光模组中导光结构设计的特点及其出光特性，研究了LED背光源导光结构的仿真及现实因素对背光源出光效果的影响，提出了一种简化的背光模组仿真模型。在此基础上，重点分析了LED光源与导光板之间的结构匹配、导光板厚度变化，以及导光板的网点设计等关键参数的变化对背光源的出光影响。本文建议在实际生产中，LED光源可以适当靠近导光板，增加耦合进入导光板的光线，而不必要求所有进入导光板的入射光必须满足全反射定律；同时，考虑到导光板厚度的降低虽然有利于背光模组的整体变薄，但是最好同时进行网点优化设计，以改善出光亮度和均匀性；并且建议导光板网点设计时，网点披覆率的选择以30%为佳。

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Simplified Simulation Model and Optical Characteristics of Back Light System

XU Sheng，XU Yuzhen，CHEN Enguo，GUO Tailiang

( College of Physics and Information Engineering,Fuzhou University, Fuzhou 350002, China )

The simulation of the light-guide structure of the edge-lit LED backlight source and the influence of the practical factors on the light source are studied. Firstly, the main functions and characteristics of the edge-lit backlight light structure are briefly analyzed, and the corresponding theoretical basis is provided. Then, a simplified and accurate light guide structure simulation model is proposed based on the optical characteristics of light-guide structure, and the model is simulated with the optical software of TracePro. Finally, an in-depth discussion and analysis on the characteristics and influences of light-guide structure of the LED backlight source is presented with the actual processing practice. The simulation results are verified by corresponding experiments. The influence of the essential factors on the effect of the backlight source, including the matching between the light guide structure and the LED light source, making the light guide plate thinner and designing dot scheme for high efficiency and good uniformity, is emphatically analyzed for LED backlight system. This research may offer some practical significance, for the reason that it proposes a reasonable and optimized design for light guide parameters and alleviates potential mistakes in the process of actual production.

display technology; backlight source; light-guide structure ; simulation model; optical characteristics

1003-501X(2016)09-0078-06

TN27

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.09.014

2016-01-31；

2016-03-10

国家863计划重大专项(2013AA030601-2)；国家自然科学基金(61405037)；福建省自然科学基金(2015J01193)；福州大学博士启动基金(0100510069)

徐胜(1974-)，男(汉族)，江西抚州人。助理研究员，博士研究生，主要研究工作是光学系统设计。E-mail: xusheng06090@163.com。

郭太良(1963-)，男(汉族)，福建人。博士生导师，研究员，主要从事场致发射阴极材料、场致发射显示器和背光源等领域研究与开发。E-mail：gtl@fzu.edu.cn。