基于光学仿真Tracepro软件对多面微结构导光板光学性能的研究

王佳佳 贺建芸 谢鹏程 申增强 马 旭

(北京化工大学 机电工程学院， 北京 100029)

引 言

液晶显示器(LCD)具有体积小、辐射低、能耗小、光学显示效果好、图像质量高等优点[1-5]，已逐渐取代传统的阴极射线管(CRT)显示器，成为平板显示行业的主流产品。随着科技的飞速发展，液晶显示器已广泛应用于汽车、手机、相机、笔记本电脑、医用设备等产品领域[6-8]。液晶显示器由背光模组和液晶显示面板两部分组成，而导光板是背光模组中最重要的组件之一，是影响液晶显示质量的关键因素[9]。背光模组按光源位置分为直下式和侧入式两种。其中，直下式背光模组结构的优点是不需要导光板，但为了使光线混合均匀及亮度提高，需预留一定空间，因此难以满足液晶显示屏更轻更薄的发展需求；侧入式背光模组结构从下到上分别为反射膜、导光板、扩散膜和棱镜膜，发光二极管(LED)光源位于导光板一侧，由于侧入式背光模组是依靠导光板进行光线混合，易实现液晶显示器的薄型化，因而越来越受到人们的青睐。

在侧入式背光模组结构中，导光板是重要的组成元件之一。导光板，即引导光线，是将侧面点光源及线光源转换为所需的面光源的光学器件。导光板所使用的材料通常为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA), 又称亚克力透明板或有机玻璃，其折射率n=1.49。目前，国内导光板的需求大量依赖进口，例如奇美电子、夏普、三星电子等供应商，因此未来我国的导光板行业有很大的发展空间。衡量导光板性能优劣的主要指标是导光板出光面的出光效率和照度均匀度。LED光源从侧面耦合进入导光板，在导光板内部通过折射、散射和反射将光线转化为从正面发出的面光源。当导光板底部无微结构时，光线从光密介质(导光板)进入光疏介质(空气)，入射角大于全反射临界角，发生全反射现象，致使光线无法从导光板出光面射出。在导光板的底部添加微结构可改变光线的原始传播路径，使光线从出光面射出。为了提高光学器件的集成度，在微器件两面或多面同时设置微结构的光学器件越来越受到关注，例如集成化导光板在LED光源侧添加微结构以改善导光板入口处的明显暗区，并在导光板出光面添加微结构以提升导光板的出光效率，最终可实现棱镜膜、扩散膜与导光板三合一的效果[10-12]，向导光板功能的一体化及薄型化更进了一步。

导光板微结构的设计直接影响液晶显示器的光学质量，因此研究表面微结构对导光板照度均匀度及出光效率的影响规律成为当前的一个热点[13-15]。本文基于光学仿真Tracepro软件探究微结构的形貌、尺寸及排列方式等对导光板出光面照度均匀度及出光效率的影响，以提高导光板出光面的光学质量，可望对实际工程中制备聚合物微结构导光板起到一定的指导作用。

1 微结构的设计

1.1 LED光源

LED贴片光源属性设定：波长为0.546 1 μm，光通量大小为680 lm，场角分布为朗伯型，光线追迹为20 000条，温度设置为300 K。在LED发光面正上方添加一个探测屏，用于观测LED发光面表面的照度分布情况。最终得到单颗LED贴片配光曲线和照度分布如图1所示。

图1 单颗LED贴片配光曲线和照度分布Fig.1 The light distribution curve and illuminance distribution of a single LED patch

1.2 导光板模型

建立导光板模型，首先设定导光板的尺寸为40 mm×40 mm×2 mm，为了方便观测导光板出光面光线的分布情况，在导光板出光面正上方添加一个观察屏，观察屏下表面属性设置为Perfect Absorber(完全吸收)。导光板的入光面和出光面均不设定属性。为了保证光线能够从导光板正面射出，其他面均设为Prefect Mirror(理想镜面)，这样当光线射到其他3个面时，光线即产生镜面反射，从而使模拟结果更准确。导光板简要模型如图2所示。

图2 导光板简要模型Fig.2 Model of the light guide plate

1.3 微结构的选择

光线耦合进入导光板，改变导光板内部光线全反射现象的方法有散射网点法、微结构法和微光栅法，其中微结构法应用较为广泛，本文主要探究微结构法破坏导光板内部全反射的现象。微结构有多种形式，它们的设计原理基本相同，本文主要对4种不同的微结构形式进行分析对比，从中选择一种较优的微结构进行参数设计。图3为4种不同的微结构及其排布。

图3 4种不同的微结构Fig.3 Four different microstructures

4种不同的微结构均采用等间距均匀分布，分别设计为V型槽阵列、矩形槽阵列、金字塔阵列、网点阵列的最佳尺寸。V型槽阵列微结构顶角为60°，宽度为0.1 mm，间距为0.13 mm；矩形槽阵列微结构宽度为0.1 mm，深度为0.009 mm，间距为0.13 mm；金字塔型阵列微结构锥角为45°，间距为0.13 mm；网点阵列微结构半径为0.05 mm，深度为0.009 mm，间距为0.13 mm。在可见光波长(0.38～0.78 μm)范围内进行模拟分析。由于导光板出光面的出光效率直接决定了其亮度，因此根据出光效率来选择一种合适的微结构类型。4种不同微结构导光板正面的出光效率随波长的变化如图4所示。

图4 不同波长下不同微结构对导光板的出光效率Fig.4 The light-emitting efficiency with different microstructures on the light guide plate at different wavelengths

由图4可知，V型槽的出光效率最高，其次是网点阵列微结构，矩形槽阵列微结构的出光效率最低。网点微结构的出光效率与V型槽相比略低，但是较为接近。由于V型槽微结构通常采用微切削的加工制作方法，操作复杂，对设备和刀具的要求较高，而网点微结构可采用紫外光刻电铸成型(UV- LIGA)技术制备模板，制备精度高，所以本文采用网点微结构作为导光板底部的微结构。

1.4 微结构尺寸的设计

在光学仿真Tracepro软件中，分别设置LED光源、导光板以及观察屏的属性。微结构采用矩形排布，通过控制变量法分别改变微结构的半径、深度以及间距大小，根据观察屏表面的出光效率和照度均匀度的变化规律最终得出微结构尺寸参数为半径0.05 mm，深度0.009 mm，间距0.13 mm。

1.5 网点凹槽结构的选择

导光板表面微结构有向内凹陷或向外凸出两种方式，本文探究微结构的“凹凸”方式对导光板出光效率的影响。设定导光板底部微结构尺寸如下：半径为0.05 mm，深度(或凸起)为0.009 mm，间距为0.13 mm。在可见光波长范围内，微结构“凹凸”方式对导光板出光效率的影响如图5所示。

图5 微结构“凹凸”方式对导光板出光效率的影响Fig.5 The influence of the “concave-convex” micro-structure on the light-emitting efficiency of the light guide plate

由图5可知，在可见光范围内，波长的改变是纳米级别的，变化极其微小，且当光线从一种介质进入另一种介质时，波长与折射率成反比，因此折射率也几乎没有改变，即光线的轨迹路线变化不大，波长的改变对导光板出光效率影响很小。而微结构的“凹凸”方式对导光板的出光效率影响很大，当微结构向内凹陷时，导光板的出光效率在47.5%上下微微浮动，而微结构向外凸出时，导光板的出光效率在20%左右微微浮动，微结构凸出时的出光效率不到凹陷时的出光效率的一半，因此本文采用微结构向内凹陷的设计。在波长为0.546 1 μm时，两种结构设计下的照度如图6所示。

图6 “凹凸”微结构下的导光板表面照度图Fig.6 Surface illuminance map of the light guide plate with the “concave-convex” microstructure

1.6 微结构排列方式的设计

网点微结构阵列有3种排列方式，即矩形排布、错列矩形排布和六边形排布。当微结构尺寸参数为半径0.05 mm、深度0.009 mm、间距0.13 mm时，在可见光波长范围内，排列方式与导光板出光效率的关系如图7所示。

由图7可知，3种不同的微结构排列方式对导光板出光效率的影响不大，所以本文采用较为简单的矩形排布方式进行研究，微结构形式如图8所示。

图7 微结构排列方式对导光板出光效率的影响Fig.7 The influence of the microstructure arrangement on the light-emitting efficiency of the light guide plate

图8 微结构形式Fig.8 View of the microstructure

2 模拟结果与分析

2.1 导光板表面无微结构

当导光板表面无微结构时，对模型进行光线追迹后，观察屏上导光板出光面照度如图9所示。

图9 无微结构导光板表面照度图Fig.9 Surface illuminance diagram of the light guide plate without any microstructure

由图9可知，当导光板表面没有微结构时，导光板相当于一个平面波导元件，光线从侧边耦合进入导光板向远方传播时，会在导光板内发生全反射，几乎没有光线从导光板上表面射出。

2.2 导光板底面有微结构

当导光板底面有微结构时，设定导光板表面属性如下：Diffusion White; 网点形状Sphere; 网点向内凹陷; 网点半径0.05 mm；网点深度0.009 mm；网点间距0.13 mm。对模型进行光线追迹后，观察屏上导光板出光面照度如图10所示。

图10 底面微结构导光板表面照度图Fig.10 Surface illuminance diagram of the microstructure light guide plate on the underside

由光学仿真Tracepro软件分析可得，当导光板底面有微结构排布时，微结构会改变原始光线的传播路径，破坏导光板内部的全反射现象。导光板出光面上光照度的大小与导光板距离光源的远近有关，离光源越近，光照度越大，反之则越小。光线耦合进入导光板时，光源与光源之间存在明显的暗区，导光板横向照度分布均匀。根据九点测试法则测得导光板表面的辐照强度分别为1 055、1 188、3 313、3 466、1 218、2 463、2 353、1 262、1 541 W/m2，结果分析得出，出光效率为48.7%，照度均匀度为54.3%。

2.3 导光板底面和入光面均有微结构

在导光板底部添加微结构的基础上，同时在导光板的入光面添加微结构进行模拟分析。设定导光板表面属性如下：Diffusion White；网点形状Sphere;网点向内凹陷;网点半径0.05 mm；网点深度0.009 mm；网点间距0.13 mm。对模型进行光线追迹后，观察屏上导光板表面照度如图11所示。

图11 入光侧微结构导光板表面照度图Fig.11 Surface illuminance diagram of the microstructure light guide plate on the light incident side

由光学仿真Tracepro软件分析可得，导光板底部有微结构时，会破坏导光板内部全反射现象，当导光板入光侧添加微结构时，增大了光源的光线发散程度，消除了光源与光源之间的明显暗区，其照度均匀度相比于无微结构入光面得到了明显提高。根据九点测试法则测得导光板表面的辐照强度分别为1 494、3 741、3 200、1 516、1 511、1 547、2 918、2 853、1 968 W/m2，结果分析得出，出光效率为42.6%，照度均匀度为80.8%。

2.4 导光板底面、入光面和出光面均有微结构

在导光板底面和入光面都有微结构的基础上，导光板照度均匀度有所提高，但出光效率仍然不太理想，在此基础上研究在导光板出光面添加微结构。设定导光板表面属性如下：Diffusion White;网点形状Sphere;网点向内凹陷;网点半径0.05 mm；网点深度0.009 mm；网点间距0.13 mm。在可见光波长范围内，对模型进行光线追迹模拟，导光板表面出光效率如图12所示。

图12 不同波长下导光板出光面是否添加微结构的出光效率变化Fig.12 Change in light-emitting efficiency of the light guide plate with and without microstructure on the light-emithing surface at different wavelengths

由图12可知，导光板出光面添加微结构后具有光线增透效果，在功能上等效于棱镜膜(增亮膜)的作用，在不降低导光板照度均匀度的情况下，出光效率达到60%左右，比之前有明显的提升。

2.5 变间距式网点微结构

在上述研究结果的基础上，运用光学仿真Tracepro软件中自带的Reptile(鳞甲)功能，将网点微结构设计为变间距式，即远光源处网点密度大于近光源处网点密度的排列方式，不断优化网点微结构排列的结构参数，得到一种出光更为均匀的导光板。设定导光板表面属性如下：Diffusion White;网点形状Sphere; 网点向内凹陷; 网点半径0.05 mm；网点深度0.009 mm；沿垂直光源方向，以导光板的长为单位1分为3份，从左到右依次是1/6、1/3、1/2；网点间距分别设为0.10、 0.13、0.15 mm，具体排列如图13(a)所示。对模型进行光线追迹后，观察屏上导光板出光面照度如图13(b)所示。

图13 变间距式网点微结构及导光板出光面照度图Fig.13 Variable-pitch dot microstructure and the surface illuminance of the light guide plate

经过导光板底面网点微结构变间距式模拟仿真分析，结果表明获得了更高的照度均匀度。这是因为在光线进入导光板的传递过程中，会有部分光线遇到网点微结构发生反射而从表面射出，远离光源部分光线会有所减弱，因此采用底面网点微结构在远光源处密度大于近光源处密度的排列方式，导光板的照度均匀度得到提升，最大可达到90.2%，且出光效率仍在60%左右，符合国际标准[16]。

3 结论

本文基于光学仿真Tracepro软件，通过不断优化导光板微结构对其出光效率和照度均匀度进行分析研究，结果发现，在导光板入光侧添加微结构后，导光板的照度均匀度得到明显提升，由54.3%提高至80.8%；并且在照度均匀度维持在80%左右的基础上，进一步在导光板表面添加微结构，使得导光板表面的出光效率提升至60%左右；最后采用底面网点微结构远光源处密度大于近光源处密度的排列方式，使导光板的照度均匀度最大可达到90.2%，提升效果明显，为之后导光板的设计提供了一定的借鉴意义。