直下式LED背光模組的超薄設(shè)計

李德君，劉 剛，呂國強，方旭東，馮奇斌，＊

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程，安徽 合肥 230009；2.合肥京東方顯示光源有限公司，安徽 合肥 230012；3.特種顯示技術(shù)教育部重點實驗室 特種顯示技術(shù)國家工程實驗室現(xiàn)代顯示技術(shù)省部共建國家重點實驗室，安徽 合肥 230009）

1 引 言

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）由于具有響應(yīng)速度快、驅(qū)動電壓低、壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)點［1－2］成為液晶顯示主流背光光源［3－5］。按光源入射方式，LED背光分為直下式與側(cè)光式［6－8］。直下式背光將LED布置在液晶顯示屏的正下方，通常采用多顆低功率LED［9］，存在成本高（LED數(shù)量較多）、厚度大和散熱困難等問題。為減少LED數(shù)量，研究者采用大功率LED，通過在LED上方安裝根據(jù)LED配光曲線設(shè)計的透鏡［10－15］，增加 LED發(fā)光角度，以保證顯示均勻性并減少模組厚度。目前，透鏡設(shè)計已經(jīng)將發(fā)光角度擴大到165°，進一步改善的難度較大。故需要采取其他的技術(shù)在不增加LED顆數(shù)的情況下進一步降低厚度。

2 逆棱鏡微結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對直下式LED背光模組，模組厚度指標定義為混光高度（Optical Distance，OD）。除了在LED上增配透鏡，如下技術(shù)可減少OD：

（1）擴散板印刷技術(shù)：通過在LED正上方擴散板進行油墨印刷，降低LED正上方的光強度，調(diào)節(jié)光的分布，達到減弱畫面Mura（光斑）、降低混光高度的效果；

（2）反射片印刷技術(shù)：在反射片邊緣區(qū)域，根據(jù)需要進行黑油墨的印刷，從而使得印刷區(qū)域底反射效果下降以減弱或消除Mura，降低混光高度；

（3）光路微結(jié)構(gòu)折射法：在光的路徑中，設(shè)立適當?shù)慕橘|(zhì)及界面，利用幾何光學(xué)原理，當光經(jīng)過光疏和光密介質(zhì)交界面時發(fā)生折射偏轉(zhuǎn)，從而起到光路調(diào)整效果。

本論文提出一種環(huán)狀逆棱微結(jié)構(gòu)。在每個LED（含LENS結(jié)構(gòu)）正上方對應(yīng)位置，以LED投影點為中心，制作環(huán)形逆棱鏡。圖1給出了具有逆棱鏡微結(jié)構(gòu)的擴散板的光線走向圖。圖中Part A為本文所述的具有環(huán)形逆棱微結(jié)構(gòu)的擴散板（或等同介質(zhì)）。根據(jù)幾何光學(xué)，當光從S點發(fā)射，假設(shè)此處沒有折射介質(zhì)，光路將沿著原有方向射向D點；而由于經(jīng)逆棱微結(jié)構(gòu)擴散部件的存在，光路在此分界面發(fā)射折射，按照折射定律，光線改變方向后射向點B；另一側(cè)S到A的光線類似（可以認為兩側(cè)對稱）。所以得到實際光斑AB＞無介質(zhì)理論光斑CD。圖中Part B為光通過沒有微結(jié)構(gòu)的普通介質(zhì)（材質(zhì)與Part A一致，保持相同折射率）。按照上述等方法可以推論得知：所得實際光斑A1B1小于無介質(zhì)理論光斑C1D1；在同等情況下對比，由于無介質(zhì)理論光斑一致（即CD＝C1D1）。所以，本文所述采用環(huán)形逆棱微結(jié)構(gòu)擴散介質(zhì)能夠明顯起到放大擴散光斑尺寸、降低混光距離的效果。

圖1 剖面逆棱結(jié)構(gòu)擴散板的光擴散作用原理圖Fig.1 Schematic diagram of the light diffusion effect on diffuser plate with prism micro－structure

3 實際驗證

使用擠出熱壓技術(shù)［16］形成下表面含逆棱微結(jié)構(gòu)的擴散板，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：擴散板厚度T＝2mm；逆棱微結(jié)構(gòu)鋸齒高度h＝24μm；鋸齒距離P＝48μm；線性逆棱與擴散板長邊夾角θ＝90°。在掃描電鏡下對微結(jié)構(gòu)進行表面表征，如圖2所示。

圖2 擴散板微結(jié)構(gòu)示意圖及其SEM顯微圖Fig.2 Schematic diagram and SEM image of prism micro－structures on diffuser plate

使用32in直下式LED背光模組對該微結(jié)構(gòu)擴散板性能進行研究。該背光模組具有36顆（9×4）含透鏡結(jié)構(gòu)的LED，在同一混光高度19 mm下，對比擴散板有無微結(jié)構(gòu)對燈影的影響。如圖3所示，當使用逆棱微結(jié)構(gòu)的擴散板時，燈影光圈橫向擴張，由無微結(jié)構(gòu)時的38.67mm提升至42.17mm，提升率9.1%?？v向距離保持不變。中心光斑到最外邊光圈的過度更加平緩，光線均勻程度提升。該現(xiàn)象是由于垂直分布的逆棱結(jié)構(gòu)將LED透過透鏡發(fā)出的光向水平方向打散，使得光影在水平方向拉長，混光效果得到提升。

圖3 擴散板無（a）和有微結(jié)構(gòu)（b）時LED燈影效果圖Fig.3 Effect of light shadow without（a）and with（b）prism micro－structures on diffuser plate

圖4為當擴散板有微結(jié)構(gòu)和無微結(jié)構(gòu)時，具有透鏡的LED光斑直徑與混光高度之間的關(guān)系示意圖。圖示表明，在7～17mm的混光高度范圍內(nèi)，同一混光高度下，具逆棱微結(jié)構(gòu)擴散板的LED光斑直徑較無微結(jié)構(gòu)擴散板的大，這也意味著達到同一混光效果時，逆棱微結(jié)構(gòu)的背光模組混光高度（即產(chǎn)品厚度）要低于無微結(jié)構(gòu)的背光模組。該實驗結(jié)果與之前的實驗現(xiàn)象及光學(xué)原理較為吻合，有力地證明了應(yīng)用逆棱鏡微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超薄背光模組的可能性。

圖4 擴散板有無微結(jié)構(gòu)光斑直徑與混光高度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between spot diameter and mixed light height with and without prism micro－structures on diffuser plate

圖5為逆棱與擴散板長邊夾角θ和光斑擴散效果關(guān)系示意圖。由圖可見，隨著夾角θ的變化，擴散光斑亦相應(yīng)地發(fā)生轉(zhuǎn)動。不難得出，當線狀逆棱旋轉(zhuǎn)360°時，光斑擴散將達到最好的效果，即當逆棱的形狀為圓盤時，擴散光斑為一標準圓形。

圖5 線性逆棱與擴散板長邊夾角θ和光斑擴散效果的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between diffusion effect of light shadow and included angleθ

如圖6所示為產(chǎn)品去除膜材，觀察LED Mura的效果圖。在正常產(chǎn)品混光區(qū)間8mm和6mm位置分別加入一張無逆棱微結(jié)構(gòu)的擴散板進行效果對比。從圖中可以明顯看出，使用無微結(jié)構(gòu)的擴散板放置于混光區(qū)內(nèi)，對整個產(chǎn)品的混光有明顯負面影響。

圖6 無逆棱微結(jié)構(gòu)的擴散板在混光高度降低時的光學(xué)效果Fig.6 Optical effect of diffuser plate without prism micro－structure when the OD reduced

將這種逆棱微結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用于32in直下式LED背光模組上，其效果圖如圖7所示。由圖可見，基于該微結(jié)構(gòu)的背光模組呈現(xiàn)出較好的均勻化效果，LED燈影完全消除，光線部分較為均勻。更為重要的是，該背光模組實現(xiàn)了較短的混光距離，由原模組的13mm降低為11.8mm，降低約10.2%。

圖7 使用逆棱微結(jié)構(gòu)的超薄背光模組Fig.7 Ultrathin backlight unit with prism micro－structures

4 結(jié) 論

本文提出一種環(huán)形逆棱微結(jié)構(gòu)設(shè)計，用以增大出光角度，降低混光高度。通過在32in直下式LED背光模組上進行實際驗證，使原模組混光高度由13mm降低至11.8mm，混光高度降低10%，實現(xiàn)了背光模組的超薄設(shè)計。

［1］Zukauskas A，Shur M，Gaska R.Introduction to Solid－State Lighting ［M］.New York：Wiley，2002.

［2］Bergh A A，Dean P J.Light－emitting diodes［J］.Proceedings of the IEEE，1972，60（2）：156－223.

［3］Engelsen D，童林夙.背光源的發(fā)展趨勢［J］.光電子技術(shù)，2006，26（2）：74－80.Engelsen D，Tong L S.Trends of backlights［J］.Journal of Opto－Electronic Technology，2006，26（2）：74－80.（in Chinese）

［4］Wu S T.Next generation LCD technology［J］.Journal of Information Display，2010，26（1）：3.

［5］王文根，李瑛，王秀如，等.大尺寸TFT－LCD的LED背光技術(shù)［J］.現(xiàn)代顯示，2006（8）：59－63.Wang W G，Li Y，Wang X R.Technologies of LED backlight for large－size－TFT－LCD ［J］.Advanced Display，2006（8）：59－63.（in Chinese）

［6］肖簫.用于LCD的LED背光源配光設(shè)計［D］.廣東：華南理工大學(xué)，2012.Xiao X.Distribution design of LED backlight for LCD ［D］.Guangdong：South China University of Technology，2012.（in Chinese）

［7］莊四祥，錢可元，李旭亮，等.白光LED對直下式 TV背光色域的影響［J］.液晶與顯示，2011，26（4）：474－479.Zhuang S X，Qian K Y，Li X L，et al.Effect of white LEDs on Gamut of TV with direct illumination－type LED backlight［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（4）：474－479.（in Chinese）

［8］馮奇斌，何會杰，張偉偉，等.用于側(cè)出式發(fā)光二極管背光的全局動態(tài)調(diào)光算法［J］.光學(xué)精密工程，2012，20（7）：1455－1462.Feng Q B，He H J，Zhang W W，et al.Global dimming algorithm for side－lit LED backlights［J］.Optics and Precision Engineering，2012，20（7）：1455－1462.（in Chinese）

［9］范曼寧，張國義，郝茂盛，等.一種高亮度直下式背光液晶模組設(shè)計［J］.光電子技術(shù)，2012，31（3）：162－165.Fan M N，Zhang G Y，Hao M S，et al.A high light direct－type backlight design for LCD module ［J］.Optoelectronics Technology，2012，31（3）：162－165.（in Chinese）

［10］陶梅.LED光源透鏡相關(guān)專利簡介［J］.中國照明電器，2012（5）：32－33.Tao M.Brief Introduction of the Patents about LED Lens［J］.China Light ＆ Lighting，2012（5）：32－33.（in Chinese）

［11］郝劍，劉華，孫強，等.LED自由曲面準直透鏡的優(yōu)化設(shè)計方法［J］.激光與光電子學(xué)進展，2014（3）：175－180.Hao J，Liu H，Sun Q，et al.Optimization of freeform surface lens for collimating illumination of LED ［J］.Laser＆ Optoelectronics Progress，2014 （3）：175－180.（in Chinese）

［12］薛濤，蘇成悅，張康，等.基于擴展光源的LED小角度自由曲面透鏡設(shè)計［J］.光學(xué)技術(shù)，2014（1）：45－49.Xue T，Su C Y，Zhang K，et al.Design for LED free surface lens with small angle based on extended source［J］.Optical Technique，2014 （1）：45－49.（in Chinese）

［13］董麗，劉華，王堯，等.緊湊型 LED 配光設(shè)計中光源模型可靠性研究［J］.光子學(xué)報，2014，43（2）：02220031－02220035.Dong L，Liu H，Wang Y，et al.Reliability of light source modeling for distribution design on compact LED ［J］.Acta Photonica Sinica，2014，43（2）：02220031－02220035.（in Chinese）

［14］杜乃鋒.面向大功率LED光源三維光學(xué)設(shè)計方法的研究［D］.廣東：華南理工大學(xué)，2012.Du N F.Study on three－dimensional optical design methods based om High－power LED source［D］.Guangdong：South China University of Technology，2012.（in Chinese）

［15］李澄，李農(nóng).一種用于均勻照明的LED透鏡設(shè)計方法［J］.照明工程學(xué)報，2010（3）：46－49.Li C，Li N.A LED lens design method for uniform illumination ［J］.China Illuminating Engineering Journal，2010（3）：46－49.（in Chinese）

［16］王曉偉.擠出滾壓法制備聚合物微結(jié)構(gòu)成型技術(shù)的開發(fā)與研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2011.Wang X W.Development and research on polymer microstructures fabrication technology by extrusion roller embossing process［D］.Beijing：Beijing University of Chemical Technology，2011.（in Chinese）