基于前光模组的反射式液晶显示视角

李可敬， 李香君， 俞良， 许启民， 吕国强， 王梓， 冯奇斌*

（1.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院， 安徽 合肥 230009；2.芜湖长信科技有限公司， 安徽 芜湖 241007；3.合肥工业大学 光电技术研究院， 安徽 合肥 230009）

1 引言

液晶显示（Liquid Crystal Display，LCD）已经成为主流的平板显示技术，目前主流的LCD是透射式的。透射式LCD需要背光源提供照明，强光环境下需要消耗较大的功耗以满足显示亮度要求［1-2］。反射式LCD则通过反射环境光照亮显示器，在明亮的户外环境中具有良好的性能。随着绿色发展理念的不断深入，反射式液晶显示获得了越来越多的应用。但当环境光较弱时，反射式液晶需要搭配前光模组以弥补环境光不足时显示亮度较暗的问题［3］。

在侧入式透射式液晶显示器中，背光模组中位于侧边的光源发出的光经过导光板（Light Guide Plate，LGP）调制后向上出射，经扩散膜、增亮膜（Brightness Enhancement Film，BEF）等光学膜系进入液晶层［4］。在反射式液晶显示器中，光源发出的光线经过LGP上表面的网点后，一部分光线向下出射，经过液晶层调制后向上进入人眼，还有一部分光线直接出射形成杂散光，影响显示对比度及视角等。与背光模组相比，前光模组没有背光模组中的光学膜系对光线进行二次调制［5-7］，出射的光线直接进入人眼，故前光模组的视角在很大程度上决定了反射式液晶显示的视角。目前针对前光模组的研究主要是对对比度的探究。Hsin-Tao Huang［8］等人通过简化前光模组，研究了框贴、胶贴等不同粘接方式对亮度、对比度的影响。Jyh-Cheng Yu［9］等人针对导光板的圆柱形网点形貌，通过仿真对比，提出对网点的高度、倾角等参数加以限制，使LGP具有良好的透明度、低干扰和均匀的照明。但这些研究中对于前光模组的视角问题却极少涉及。在前光模组中，出射光线的角度通过导光板进行调控，常见的网点形貌下视角曲线存在跳变、不均匀等问题。本文针对前光模组视角问题，提出一种针对前光模组的网点形貌及其分布设计，能够有效保证反射式液晶显示的最终显示质量，降低开发风险。

2 光线走向分析及建模

导光板是侧入式光学模组中的核心部件，起着将点光源或者线光源转变为面光源的作用。通常侧入式液晶显示器模组的光源由LED灯条提供。图1（a）为背光模组的光线走向示意图，导光板中网点位于下表面，光线入射到网点上时，全反射被破坏而向上出射，经扩散膜、增亮膜完成对光线的二次调制，达到匀光及收缩光线角度的效果。图1（b）为前光模组的光线走向示意图，网点在导光板上表面，将光线向下反射经过反射液晶层调制后再向上出射。由于没有背光模组中的BEF等光学膜系，反射式液晶显示模组的视角依赖于网点形貌的调控，存在跳变、不均匀等问题。

图1 光线走向示意图Fig.1 Schematic diagram of ray tracing

反射式液晶显示仿真模型如图2所示，包含LED光源、导光板、光学胶绑定层、反射液晶层及灯腔。考虑到反射式液晶主要应用于户外，本文中导光板采用具有更好的化学耐久性、热稳定性和机械性能的玻璃，避免有机透明材料在环境中会受到阳光、潮湿等环境因素影响发生形变［10-11］。LED发出的光线进入导光板后，大部分发生全反射在LGP中传播，这部分光线入射到导光板上表面的网点时，全反射被破坏，或经反射式液晶调制后向上出射或继续在导光板内传播［12-13］。绑定层则通常用高透过率的光学透明胶（Optically Clear Adhesive，OCA）将导光板和反射液晶层紧密绑定在一起。

图2 反射式液晶模组的仿真模型Fig.2 Simulation model of reflective liquid crystal module

为方便进行探究，本文使用LightTools作为仿真软件，以12.5 in（1 in=2.54 cm）显示器为例建立了反射式液晶模组仿真模型，设置模组材料属性、导光板的表面属性等，具体参数设置如表1所示。

表1 仿真模型参数Tab.1 Simulation model parameters

3 仿真分析及讨论

在前光模组中，无论是否经过液晶调制的光都要从导光板出射直接进入人眼，出射光线的角度将直接影响显示器视角的优劣，因此，网点不仅起着匀光的作用，也要兼顾视角的调控。本文以如图3所示的圆锥形和圆台形网点为例，分析亮度视角的变化，其优劣以在离开液晶面板的法线方向观看，亮度是否呈平滑下降、亮度值大小、光线角度收缩程度等为判定标准。视角曲线出现跳变、不均匀等会对正常观看图像造成影响［14］。在侧入式导光板设计中，网点披覆率决定着导光板出光面的整体亮度和均匀性，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［15］。本文在改变网点形貌的同时调整网点密度以达到均匀显示的目的，并根据九点测试法，使其均匀性达到85%以上，再对其视角进行分析。

图3 网点形貌Fig.3 Dots morphology

3.1 圆锥形网点对视角的影响及分析

以圆锥形网点为例，将网点底面半径R固定为25 μm，圆锥形网点高度H设置为变量，分别为4/5R、R、6/5R和7/5R探究视角变化规律，调整网点密度分布，使其均匀性满足要求，记录角亮度数据如图4所示。

图4 不同高度的圆锥形网点仿真Fig.4 Simulation of conical dots with different heights

对于圆锥形网点，保持底部半径不变，逐渐增加高度，中心视角有逐渐升高的趋势，但出现了在±35°左右视角曲线不平滑、有明显跳变的问题。虽然随着网点高度增加跳变逐渐变小，但大角度40°～80°和-40°～-80°的光线较多，光线出射角度较为分散。此外，0°视角亮度值的提升也受到限制，不能满足使用要求。

3.2 圆台形网点对视角的影响及分析

改变圆锥形网点的高度，其视角曲线仍然存在缺陷，不能满足显示器的使用要求，因此采用圆台形网点做进一步仿真分析。圆台形网点设置为底面半径R=25 μm，顶部半径r分别为14 μm、17 μm、20 μm，高度H设置为10 μm，其仿真结果如图5所示。

图5 不同顶部半径的圆台网点仿真Fig.5 Simulation of truncated cone dots with different top radii

保持圆台形网点底面半径、高度不变，增大顶部半径，圆台形网点仍不能避免±35°时的视角曲线跳变问题，且中心视角亮度在升高后又发生陡变，当顶部半径r=20 μm时反转为“U”型。通过视角曲线可以看出，在40°～80°和-40°～-80°区间仍然分布了较多的光线，且0°视角亮度值相对下降，不满足视角要求。

3.3 网点形貌及分布的优化设计

上述仿真结果表明，在背光模组中常用的网点形貌在前光模组中的视角曲线存在跳变和不均匀问题。本文针对双侧入光前光模组导光板，提出一种不对称网点形貌及网点对称分布方式以改善视角问题。

在前光模组中，导光板中的网点不仅需要破坏光线的全反射，还需要对出光角度进行调控。图4（c）、图5（b）的仿真结果表明，圆锥形与圆台形网点在倾角为50°时，视角曲线的0°视角亮度在上述仿真中最高，但从40°/-40°开始，亮度出现突然增高，导致视角曲线出现跳变。分析其原因如图6（a）所示，圆锥形网点的不同截面S1、S2形状不一致，对相同角度光线走向调控也不一致。图6（b）中，多束相同角度的光线分别入射到S1、S2截面，其中蓝色光线l1～l6表示入射到S2截面后出射的光线，红色光线l3'～l6'表示入射到S1截面后出射的光线，绿色光线l1'～l2'则由于截面大小差异，未入射到网点上而继续在导光板中传播。在圆锥中S1截面为双曲线，其切线与水平面的最大夹角在曲线起始点处，且S1截面均小于S2截面，则在S1曲线上的不同位置法线与水平面的夹角均大于S2截面法线与水平面的夹角，l3'～l6'的经截面S1后与水平方向的夹角比l3～l6小，造成40°～80°的区间光线增多，导致视角曲线出现跳变。因此，本文提出一种棱柱形网点用于改善视角问题，如图7（a）所示，将图6中S2截面拉伸，保持各截面形状一致，能更好地调控相同角度的出射光。设置单个网点长30 μm、宽20 μm、倾角50°，其仿真结果如图7（b）所示。

图6 圆锥形网点分析Fig.6 Conical dots analysis

图7 棱柱形网点Fig.7 Prismatic dots

仿真结果表明，棱柱形网点消除了视角曲线的跳变，0°视角亮度明显升高，但在视角曲线50°附近出现了平台，分析其原因为l3光线较多。为了减少类似l3角度的光线出射，借鉴l1、l2光线走向，将棱柱改变形貌，其截面及光线走向如图8（a）所示。可以将光线l3照射到网点的直角面p使其再次进入导光板被调制，减少大角度出光，改善视角曲线的跳变，同时，直角面p也可以对另一侧光线l7起到收缩角度改善视角的作用。结合模型的双侧入光，为了分别对两侧的光线进行调控，设置网点为沿中心对称分布，截取中心部分如图8（b）所示，设置直角棱柱单个网点长30 μm、宽10 μm、倾角50°，其截面如图9（a）所示。仿真结果表明，对称分布的直角棱柱形网点可以有效改善视角，消除了±50°时的平台，大角度光线进一步收缩，视角曲线有明显改善，但是棱柱形网点面与面之间过渡不够平滑，使得0°视角凹陷明显。本文对上述棱柱形网点进行改进，将横截面变为弧形，且为保证倾斜面对光线的调控效果，侧重于对直角侧进行改进，其网点形貌及仿真结果如图9（c）、9（d）所示。

图8 直角棱柱形网点Fig.8 Right-angled prismatic dots

图9 棱柱形网点仿真结果Fig.9 Simulation results of prismatic dots

如图9（c）所示，修改后的网点在0°视角的凹陷得到了优化。与图4（c）相比，中心视角亮度提升了52.3%，能有效改善前光模组视角。

4 结论

本文聚焦反射式液晶显示设备，建立了反射式液晶显示仿真模型，着重对其前光模组视角问题进行探究。通过总结圆锥形、圆台形网点在前光模组仿真中出现的视角问题，对网点形貌及光线走向进行分析，提出一种结合模型双侧入光对称分布的棱柱形网点。仿真结果表明，该设计可以有效控制前光模组出射光线角度，改善显示质量，在使视角曲线平滑的同时将0°视角亮度相比于圆锥形网点提升了52.3%，有效实现了光线角度的收缩。本研究对应用前光模组的反射式液晶显示设备的视角设计具有重要参考意义。