直下式LED背光源模组第二扩散导光板光学特性分析_肖箫.pdf
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1、直下式 背光源模组第二扩散导光板光学特性分析肖箫,文尚胜,陈建龙,姚日晖,(华南理工大学 高分子光电材料与器件研究所,广东 广州 ;华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室,广东 广州 )摘要:针对直下式发光二极管()背光源模 组 均 匀 度 低 且 模 组 厚 度 大 的 缺 点,提 出 了 加 入 第 扩散导光板的直下式 背光源模组,并采用九点取值 法 及 软 件,模 拟 了 第扩 散导光板入光面及出光面、高度和厚度对背光源模 组 光 特 性 的 影 响。结 果 表 明,第扩 散 导 光 板 的入光面及出光面对背光源模组 均 匀 度 的 提 升 影 响 较 大。当 入 光 面 采 用 凹
2、 陷 结 构、出 光 面 采 用 弯曲结构时,有利于增大模组均匀度;且模组的均匀度 分 别 随 凹 陷 结 构 半 径 的 减 小 和 弯 曲 结 构 半 径的增大而增大。而其高度和厚度主要影响背光源 模 组 的 光 斑 显 示 效 果,随 着 高 度 的 增 加,光 斑 范围增大,暗区团逐渐减小;随着厚 度 的 增 加,照 度 最 大 值 增 大 但 亮 点 增 多,产 生 亮 暗 不 均 的 现 象,从而影响了背光的主观效果。关键词:直下式发光二极管()背光源模组;第二扩散导光板;均匀度;光斑中图分类号:;文献标识码:文章编号:(),(,;,):(),:()();光 电 子 激 光第 卷
3、第期 年月 :收稿日期:修订日期:基金项目:广东省重大科技专项()和广东省战略性新兴产业专项()资助项目 引言近年,平板显示技术得到了突飞猛进的发展,液晶显示()在众多领域迅速取代了传统阴极射线管()显示技术。但是,作为非自主发光 显 示 器 件,需 要 背 光 模 块 作 为 光 源。传 统 通常采用冷阴极荧 光灯()作 为 背 光光源。发光二极管()因 其 发 光 效 率 高、寿 命长、色域广、工作频率高和无汞等优点,必 将 取代 成为背光源的主流而成为研发热点。目前,背 光模组 主要 采用 直下式和侧入式。侧入式背光源的 安装在液晶面板的侧面,使用导光板进行混光、混色,并 将 混 色形成
4、的白光耦合到液晶面板,在较大 尺寸 下 的 发光均匀性和发光亮度都受到限制,导 光板 的 重 量和成本也随尺寸的增大而有很大的增加。与之相比,直下式背 光 源工艺简 单,其 安 装 在 背 光源底面,出光容易高效率地耦合 到液 晶面 板。但是必须提供一定的混光距离才 能 将 阵 列 的光混均匀,限制了背光源的厚度,不利于液晶显示朝超薄、低功率、高色域和高对比度方向发展。本文通过设计一种第扩散导光板,在 不增 加 混 光距离的前提下达到较高的均匀度,从 而实 现 直 下式 背光源模组的轻薄化。用于直下式 背光模组的第扩散导光板 设计理念常见 的 直 下 式 背 光 源 模 组 结 构 如 图 所
5、示,包括 光源、反射板、层散射膜和层增亮 膜 等。这 种 背 光 源 的 设 计 思 想 是 将 光源阵列及印刷电路板()置于背光模组的底部,光源发出的光线通过底面和侧面反射后,再通过表面的散射膜、增亮膜后均 匀射出。然而直下式 背光源在 亮 度和 颜 色 均 匀 性 上表现不如侧入式,一般要提高亮度均 匀性 只 能 通过增加混光光腔的厚度,从而增大光程,得到最佳的混光效果,但这必然会使显示器整体厚度增加,不符合大尺寸、超薄的市场要求 。本文借鉴侧入式背光源的理念,在直 下 式 背光源模组 光 源上 方加 入 一个 第 扩 散 导 光板,设置扩散导光板的厚度等参数,通过扩散导光作用,改善直下式
6、的出光均匀性,得到最佳的混光效果。图直下式 背光源结构图 背光源建模如 图所 示,为 了 模 拟 亮 度 和 均 匀 性,使 用 软件,设计了一种简化背光源模组模型。模型的前视图如图所示,包含 光源、板及上面的反射膜和第扩散导光板,模型的长为,宽为,扩散导光板选用常见的亚克力材料(折射率 ),其中扩散导光板上包含入光面和出光面。估算背光源中朗伯性 光通量 的公式为 ()()式中:为屏前亮度;为 透过率;为 有效显示面积;为(增亮膜与散射膜之间)亮度峰值的 时的偏轴视角;为各背光膜片亮度增益乘积。通常计算显示屏前亮度时,只需将整个 背光源模组的光通量乘以面积和光学膜片的亮度增益值即可,故模拟时不
7、需要再考虑散射膜和增亮膜,只需对第扩散导光板的导光效果进行模拟。图 背光源模组 光 电 子 激 光 年第 卷图模型前视图 模拟与分析 排列的设计在直下式背光源光学设计中,排列方式是一个很重要的设计要素,只有先设计好 的排列方式,才能更好的在此基础上改进光学设计,从而提高均匀度。常用的传统排列方式是等距矩形排列,是点光源,阵列后发出的光线都是以照度圆的叠加方式进行混光。不同排列方式 影响均匀度的主要因素就是混光“盲区”所占比例,三角阵列与矩形等距阵列方式相比,混光“盲区”所占比例较小,能够提升均匀性,再加上 的点光源特性,故本文采用三角阵列方式。同时,因为 屏面积已确定,则模拟背光模组发光过程时
8、的照度即可等效分析亮度,故可采用九点法分析不同 间距对亮度均匀 性 的 影 响,选 取 的个 点 位 置 如 图所示。图九点法选取位置 直接选用白光 光源,设定其功率为,保持其他条件不变,通过改变 间距研究其对背光源模组均匀度的影响。模拟分析时,定义照度均匀度为 ()()()式中,为九点取值法中九个点的照度值。采用此法,可以得到不同 间距时照度均匀度的变化,如图所示。从图可以看出,接收屏上的照度均匀度随的增大而增大,当 时,照度均匀度为最大值。从最大均匀度的角度,应该选择 为。但对比为 和 的照度,如图所示,限于模型的尺寸,颗 排列最大为,且 时,的位置非常接近九点法的个取值点。从整个照度图看
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