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      基于擴(kuò)展光源的視角偏轉(zhuǎn)膜表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      2021-07-14 16:00:50馮奇斌李德華肖慧麗呂國強(qiáng)
      光學(xué)精密工程 2021年6期
      關(guān)鍵詞:點(diǎn)光源微結(jié)構(gòu)亮度

      馮奇斌,李德華,肖慧麗,王 梓,呂國強(qiáng)*

      (1.合肥工業(yè)大學(xué) 特種顯示技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥230009;2.合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院,安徽 合肥230009;3.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽 合肥230009;4.合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥230009)

      1 引 言

      液晶顯示已經(jīng)廣泛用于電視、手機(jī)、個人電腦等領(lǐng)域[1]。在這些應(yīng)用中,通常要求液晶顯示的主視角是液晶屏的法線方向,也就是在液晶屏法線方向的亮度最高。但是,在飛機(jī)、火車、汽車駕駛艙等一些特殊的顯示環(huán)境中,受顯示器安裝位置和角度的限制,觀看者不能正視顯示器,顯示器通常需要傾斜安裝以便于觀看者獲得最佳的觀看角度,這會大大增加安裝和設(shè)計(jì)成本。一個有效的解決方法是對液晶顯示器的背光源進(jìn)行光線調(diào)控,根據(jù)顯示器法線方向與觀看者視線之間的夾角,利用一層具有表面微結(jié)構(gòu)的光學(xué)膜使背光源的最大亮度方向由0°偏轉(zhuǎn)到觀看者視線方向。目前,這種方法都是基于點(diǎn)光源設(shè)計(jì),偏轉(zhuǎn)后的視角曲線與光源視角曲線的擬合度較差,并且光線透過率較低。

      液晶顯示器的背光源分為直下式和側(cè)入式。目前對直下式背光的視角調(diào)控有兩種方法,一種是通過自由曲面透鏡對LED發(fā)出的光線進(jìn)行調(diào)控[2-11],這種透鏡會增加背光模塊的厚度;另一種方法是利用特殊設(shè)計(jì)的具有表面微結(jié)構(gòu)的光學(xué)膜來調(diào)控光線[12-15],能夠?qū)崿F(xiàn)液晶顯示器的輕薄化。側(cè)入式背光通常是針對導(dǎo)光板進(jìn)行設(shè)計(jì),在導(dǎo)光板的上下表面設(shè)計(jì)不同形狀的微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對光線的偏轉(zhuǎn)和提?。?6];設(shè)計(jì)兩個LED光源模塊以提供不同的視角模式,即寬視角模式和窄視角模式[17]。但上述方法只能實(shí)現(xiàn)視角范圍的收縮或擴(kuò)大,并不能偏轉(zhuǎn)背光源的最大亮度視角。文獻(xiàn)[18-20]設(shè)計(jì)了具有表面微結(jié)構(gòu)的光學(xué)膜來實(shí)現(xiàn)視角偏轉(zhuǎn),但是該方法基于點(diǎn)光源,而實(shí)際要應(yīng)用于擴(kuò)展光源,理論設(shè)計(jì)與實(shí)際效果之間有很大差距,需要通過大量的優(yōu)化工作來改善視角偏轉(zhuǎn)效果,過程繁瑣。

      本文提出一種基于擴(kuò)展光源設(shè)計(jì)視角偏轉(zhuǎn)膜微結(jié)構(gòu)的方法,將擴(kuò)展光源離散成有限個點(diǎn)光源,通過分段加權(quán)疊加方法對多個點(diǎn)光源計(jì)算出的初始面型曲線進(jìn)行疊加得到單個微結(jié)構(gòu)面型,無需后續(xù)的優(yōu)化過程,即可得到透過率較高的視角偏轉(zhuǎn)效果。

      2 基于擴(kuò)展光源的視角偏轉(zhuǎn)膜表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      2.1 擴(kuò)展光源離散化設(shè)計(jì)

      目前,光學(xué)元件設(shè)計(jì)方法通常都是將擴(kuò)展光源假設(shè)成點(diǎn)光源來簡化設(shè)計(jì),而實(shí)際擴(kuò)展光源是有面積的,如圖1(a)所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),光學(xué)元件的尺寸d與光源尺寸D的比值至少要大于5才能保證點(diǎn)光源假設(shè)成立[21]。本文中,光源是多個獨(dú)立的LED經(jīng)過導(dǎo)光板和擴(kuò)散膜后形成的一個整體的亮度均勻的擴(kuò)展光源,擴(kuò)展光源尺寸就是背光模塊的尺寸。根據(jù)視角偏轉(zhuǎn)膜單個微結(jié)構(gòu)的尺寸以及上述比例關(guān)系,先將擴(kuò)展光源分割成多段擴(kuò)展光源,這時每段擴(kuò)展光源相對于微結(jié)構(gòu)尺寸滿足點(diǎn)光源假設(shè),可以將擴(kuò)展光源簡化成點(diǎn)光源,如圖1(b)所示。

      圖1 擴(kuò)展光源的離散設(shè)計(jì)原理Fig.1 Principle for discrete design of extended light source

      設(shè)計(jì)單個微結(jié)構(gòu)面型時需要先確定它對應(yīng)的部分?jǐn)U展光源的尺寸。從背光源出射的光線為朗伯分布,大部分能量都集中在±60o內(nèi),所以在設(shè)計(jì)過程中只考慮光源±60o以內(nèi)的光線。如圖2所示,M 1M 2為一個微結(jié)構(gòu),A 1A 2是M 1M 2所對應(yīng)的一段擴(kuò)展光源,為了使A 1點(diǎn)以60°出射的光線能到達(dá)M 2點(diǎn),A 2點(diǎn)以60°出射的光線能達(dá)到M 1點(diǎn),A1M2與A1A2之間的夾角應(yīng)為30o,A2M1與A1A2之間的夾角應(yīng)為30o。根據(jù)M1M2的尺寸以及基底與擴(kuò)展光源的距離即可確定A1A2的尺寸,再由點(diǎn)光源假設(shè)將擴(kuò)展光源A1A2離散成點(diǎn)光源。

      圖2 單個微結(jié)構(gòu)M 1M 2和對應(yīng)的擴(kuò)展光源A 1A 2Fig.2 Single microstructure M 1M 2 and corresponding sur?face light source A 1A 2

      2.2 基于離散點(diǎn)光源的設(shè)計(jì)

      由每個點(diǎn)光源確定視角偏轉(zhuǎn)膜的初始面型,其設(shè)計(jì)原理如圖3所示。對于一個點(diǎn)光源O,它發(fā)出的部分光線會到達(dá)視角偏轉(zhuǎn)膜微結(jié)構(gòu)表面S1并發(fā)生折射進(jìn)入偏轉(zhuǎn)膜內(nèi)部,再經(jīng)過基底的兩表面S2,S3兩次折射后出射。為了使背光源的視角發(fā)生偏轉(zhuǎn),讓每條入射到偏轉(zhuǎn)膜微結(jié)構(gòu)表面的光線經(jīng)過3次折射后都偏轉(zhuǎn)?15o,光源的視角會整體偏轉(zhuǎn)?15o。

      圖3 微結(jié)構(gòu)面型設(shè)計(jì)原理Fig.3 Design principle for microstructure surface

      根據(jù)斯涅耳定律及圖3中的幾何關(guān)系可以得到:

      其中:n1=1,n2=1.49,n3=1.57,分別為空氣、光刻膠和基底的折射率;x0,y0為點(diǎn)光源O的坐標(biāo);x10,y10為迭代計(jì)算面型的初始點(diǎn)P0坐標(biāo);(x11,y11),(x21,y21),(x31,y31)分 別 為P1,P2,P3點(diǎn) 的 坐標(biāo);h是基底厚度,設(shè)為190μm。

      單個微結(jié)構(gòu)的尺寸參考液晶顯示器背光模塊中常用的BEF膜表面微棱柱的結(jié)構(gòu)尺寸,根據(jù)現(xiàn)有的無掩膜激光直寫光刻工藝,加工高度為15μm左右的微結(jié)構(gòu)效果較好。根據(jù)方程組(1),將微結(jié)構(gòu)的周期定為25μm,高度定為15μm??紤]到視角偏轉(zhuǎn)膜實(shí)際放置時會與背光源上擴(kuò)散膜之間存在10μm的間隙,光源O與基底上表面S2間的距離為25μm。通過方程組(1)逐點(diǎn)迭代計(jì)算得到單個點(diǎn)光源對應(yīng)的視角偏轉(zhuǎn)膜的初始面型。

      根據(jù)圖2中擴(kuò)展光源尺寸與微結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系可得A1A2=61.6μm。根據(jù)點(diǎn)光源假設(shè)可以將擴(kuò)展光源A1A2離散成點(diǎn)光源,而在此設(shè)計(jì)中擴(kuò)展光源離散成點(diǎn)光源的數(shù)量越多,越接近擴(kuò)展光源的實(shí)際情況。因此,將擴(kuò)展光源A1A2離散成31個點(diǎn)光源,每兩個點(diǎn)光源之間間隔2μm,根據(jù)方程組(1)每個點(diǎn)光源會計(jì)算出一條初始面型曲線,一共有31條曲線,如圖4所示。

      圖4 視角偏轉(zhuǎn)膜的初始面型曲線Fig.4 Initial surface curves of viewing angle deflection film

      2.3 基于分段加權(quán)的設(shè)計(jì)

      離散后的各個點(diǎn)光源相對于M1M2來說位置不同,每個點(diǎn)光源輻射到偏轉(zhuǎn)膜微結(jié)構(gòu)上的能量也是不一樣的,依據(jù)能量的大小給每條曲線分配一個權(quán)重系數(shù)。根據(jù)朗伯光源輻射能量的特點(diǎn),以θ角度出射的光線強(qiáng)度為Iθ=I0cosθ,I0為光源法線方向的光線強(qiáng)度??紤]到M1M2的尺寸,每個點(diǎn)光源輻射到微結(jié)構(gòu)M1M2上的光線有一個角度范圍θn,如圖5所示。圖6給出了不同位置的點(diǎn)光源的θn值。

      圖5 點(diǎn)光源Pn輻射到M 1M 2上的光線角度范圍Fig.5 Angle range of light source Pn radiating on M 1M 2

      圖6 不同位置的點(diǎn)光源θn值Fig.6 Point light sourceθn at different positions

      由圖6可見,不同位置的點(diǎn)光源θn值最小為24.5o,最大為53.1o,角度很大,因此需要對M1M2進(jìn)一步分段,以確定每一小段上每個點(diǎn)光源的權(quán)重。如圖7所示,將M1M2等分成10份,每個點(diǎn)光源對應(yīng)的初始面型曲線也被等分成10段。點(diǎn)光源Pn和其中第k段中點(diǎn)的連線與點(diǎn)光源Pn輻射法 線 方 向 的 夾 角 為θ(n,k),根 據(jù) 朗 伯 光 源 光 強(qiáng) 分 布特點(diǎn),這個角度光線的輻射能量為I0cosθ(n,k)。31個點(diǎn)光源在第k段對應(yīng)了31條曲線段,每條曲線段的權(quán)重為:

      圖7 分段后確定權(quán)重Fig.7 Weights determine after segmentation

      將31條曲線段與對應(yīng)的權(quán)重相乘得到第k段上疊加后的曲線段L k,即有:

      其中L(m,k)為點(diǎn)光源Pm對應(yīng)的初始面型曲線被等分后的第k段。對10個區(qū)域分別疊加后得到10段疊加后的曲線段,最后將這10段曲線段連接形成最終的偏轉(zhuǎn)膜面型曲線L,即:

      圖8 為視角偏轉(zhuǎn)膜單個微結(jié)構(gòu)的面型曲線,是由圖4中31條初始面型曲線經(jīng)分段加權(quán)疊加方法得到的。

      圖8 分段加權(quán)疊加后的微結(jié)構(gòu)面型曲線Fig.8 Microstructure surface curve after piecewise weighted superposition

      3 仿 真

      根據(jù)圖8中的偏轉(zhuǎn)膜表面微結(jié)構(gòu)面型數(shù)據(jù),在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件LightTools中建立偏轉(zhuǎn)膜模型。為了使仿真結(jié)果盡可能地接近實(shí)際情況,將微結(jié)構(gòu)和基底折射率及材料的光線透過率設(shè)置成和實(shí)際制備的材料一致,模型如圖9所示。光線追跡后的強(qiáng)度剖切圖及光源的強(qiáng)度剖切圖如圖10所示。

      圖9 視角偏轉(zhuǎn)膜模型Fig.9 Model of viewing angle deflection film

      由圖10可以看出,最大亮度視角偏轉(zhuǎn)到了?15o,半亮度視角為(?38.4o,4.4o),偏轉(zhuǎn)后的視角曲線與光源的視角曲線的擬合度很好,沒有任何增益出現(xiàn),并且偏轉(zhuǎn)膜的光線透過率為84.7%。

      圖10 仿真視角曲線Fig.10 Simulated perspective curves

      為了與基于點(diǎn)光源[19]和后期優(yōu)化方法進(jìn)行對比,本文重復(fù)了文獻(xiàn)[19]的設(shè)計(jì)工作,同樣的仿真參數(shù)設(shè)置下得到的視角曲線如圖11所示??梢钥吹?,最大亮度視角為?15°,透過率為75%,在30°處存在增益。和基于點(diǎn)光源的設(shè)計(jì)方法相比,基于擴(kuò)展光源的設(shè)計(jì)方法視角偏轉(zhuǎn)效果更好,光線透過率更高。

      圖11 基于點(diǎn)光源設(shè)計(jì)的偏轉(zhuǎn)膜仿真視角曲線Fig.11 Simulated viewing angle curves of deflection film based on point light source

      4 實(shí)際測試結(jié)果

      根據(jù)仿真設(shè)計(jì)結(jié)果,使用無掩膜直寫光刻工藝制備了視角偏轉(zhuǎn)膜。在玻璃基片上涂覆AZ4562光刻膠,使用海德堡公司的無掩膜光刻機(jī)MLA 100制備出視角偏轉(zhuǎn)膜微結(jié)構(gòu),并使用激光共聚焦顯微鏡LSM 700檢測微結(jié)構(gòu)面型。圖12為顯微鏡下視角偏轉(zhuǎn)膜的微結(jié)構(gòu)形貌。

      圖12 視角偏轉(zhuǎn)膜共聚焦顯微鏡測試圖Fig.12 Image of viewing angle deflection film by laser confocal microscope

      使用光學(xué)特性自動測量儀測試不加偏轉(zhuǎn)膜和加偏轉(zhuǎn)膜兩種情況下背光模組的視角曲線,測試使用的偏轉(zhuǎn)膜尺寸為7 cm×7 cm,基底是厚度為190μm的PET,測試時將偏轉(zhuǎn)膜貼在背光模組的最上層,也就是擴(kuò)散膜上。如圖13所示,加偏轉(zhuǎn)膜后垂直方向的最大亮度視角由0°方向偏轉(zhuǎn)到?16°;半亮度視角由(?23.8°,27.4°)變?yōu)椋?43°,9.4°);最大亮度由411 900 nit降低到341 900 nit,光線透過率為83.0%。?16°處亮度由293 695 nit提高到了341 900 nit,增加了16.4%,提升了指定視角上的亮度;0°方向視角亮度由411 900 nit降低到244 500 nit,下降了40.64%。

      圖13 垂直方向的視角曲線Fig.13 Vertical viewing angle curves of BLU

      5 結(jié) 論

      本文提出一種基于擴(kuò)展光源的加權(quán)疊加方法,設(shè)計(jì)的視角偏轉(zhuǎn)膜表面微結(jié)構(gòu)無需優(yōu)化即可得到較好的視角偏轉(zhuǎn)效果和較高的透過率(83.0%)。與傳統(tǒng)的基于點(diǎn)光源的設(shè)計(jì)方法相比,偏轉(zhuǎn)后的視角曲線沒有增益,該設(shè)計(jì)方法簡單,縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

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