直下式ＬＥＤ背光模组的超薄设计

李德君１，２，刘 刚２，吕国强３，方旭东２，冯奇斌３，＊

（１．合肥工业大学仪器科学与光电工程，安徽合肥２３０００９；

２．合肥京东方显示光源有限公司，安徽合肥２３００１２；

３．特种显示技术教育部重点实验室特种显示技术国家工程实验室现代显示技术省部共建国家重点实验室，安徽合肥２３０００９）

摘要：为减少混光距离进而获得超薄直下式ＬＥＤ背光模组，提出一种具有逆棱微结构的扩散板。对这种逆棱微结构进行了光学理论分析，证明了该结构在降低混光距离方面具有可行性。对逆棱微结构扩散板的光学效果进行了实验验证，并用于８１．３ｃｍ（３２ｉｎ）ＬＥＤ背光模组。实验结果表明：该结构扩散板可有效增大灯影光圈，相对无结构扩散板，光圈直径增大约１０％；在达到相同混光效果时，具有该结构扩散板的混光高度降低；采用该逆棱微结构的扩散板的背光模组混光高度由１３ｍｍ降低至１１．８ｍｍ。采用具有逆棱微结构的扩散板有助于实现ＬＥＤ背光模组的超薄设计。

关 键 词：直下式ＬＥＤ背光模组；环形逆棱镜微结构；超薄设计

１ 引  言

发光二极管（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）由于具有响应速度快、驱动电压低、寿命长、绿色环保等优点［１－２］成为液晶显示主流背光光源［３－５］。按光源入射方式，ＬＥＤ背光分为直下式与侧光式［６－８］。直下式背光将ＬＥＤ布置在液晶显示屏的正下方，通常采用多颗低功率ＬＥＤ［９］，存在成本高（ＬＥＤ数量较多）、厚度大和散热困难等问题。为减少ＬＥＤ数量，研究者采用大功率ＬＥＤ，通过在ＬＥＤ上方安装根据ＬＥＤ配光曲线设计的透镜［１０－１５］，增加ＬＥＤ发光角度，以保证显示均匀性并减少模组厚度。目前，透镜设计已经将发光角度扩大到１６５°，进一步改善的难度较大。故需要采取其他的技术在不增加ＬＥＤ颗数的情况下进一步降低厚度。

２ 逆棱镜微结构设计

针对直下式ＬＥＤ背光模组，模组厚度指标定义为混光高度（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｓｔａｎｃｅ，ＯＤ）。除了在ＬＥＤ上增配透镜，如下技术可减少ＯＤ：

（１）扩散板印刷技术：通过在ＬＥＤ正上方扩散板进行油墨印刷，降低ＬＥＤ正上方的光强度，调节光的分布，达到减弱画面Ｍｕｒａ（光斑）、降低混光高度的效果；

（２）反射片印刷技术：在反射片边缘区域，根据需要进行黑油墨的印刷，从而使得印刷区域底反射效果下降以减弱或消除Ｍｕｒａ，降低混光高度；

（３）光路微结构折射法：在光的路径中，设立适当的介质及界面，利用几何光学原理，当光经过光疏和光密介质交界面时发生折射偏转，从而起到光路调整效果。

本论文提出一种环状逆棱微结构。在每个ＬＥＤ（含ＬＥＮＳ结构）正上方对应位置，以ＬＥＤ投影点为中心，制作环形逆棱镜。图１给出了具有逆棱镜微结构的扩散板的光线走向图。图中Ｐａｒｔ Ａ为本文所述的具有环形逆棱微结构的扩散板（或等同介质）。根据几何光学，当光从Ｓ点发射，假设此处没有折射介质，光路将沿着原有方向射向Ｄ点；而由于经逆棱微结构扩散部件的存在，光路在此分界面发射折射，按照折射定律，光线改变方向后射向点Ｂ；另一侧Ｓ到Ａ的光线类似（可以认为两侧对称）。所以得到实际光斑ＡＢ＞无介质理论光斑ＣＤ。图中Ｐａｒｔ Ｂ为光通过没有微结构的普通介质（材质与Ｐａｒｔ Ａ一致，保持相同折射率）。按照上述等方法可以推论得知：所得实际光斑Ａ１Ｂ１小于无介质理论光斑Ｃ１Ｄ１；在同等情况下对比，由于无介质理论光斑一致（即ＣＤ＝Ｃ１Ｄ１）。所以，本文所述采用环形逆棱微结构扩散介质能够明显起到放大扩散光斑尺寸、降低混光距离的效果。

3 实际验证

使用挤出热压技术［１６］形成下表面含逆棱微结构的扩散板，其结构参数为：扩散板厚度Ｔ＝２ｍｍ；逆棱微结构锯齿高度ｈ＝２４μｍ；锯齿距离Ｐ＝４８μｍ；线性逆棱与扩散板长边夹角θ＝９０°。在扫描电镜下对微结构进行表面表征，如图２所示。

使用３２ｉｎ直下式ＬＥＤ背光模组对该微结构扩散板性能进行研究。该背光模组具有３６颗９×４）含透镜结构的ＬＥＤ，在同一混光高度１９ｍｍ下，对比扩散板有无微结构对灯影的影响。如图３所示，当使用逆棱微结构的扩散板时，灯影光圈横向扩张，由无微结构时的３８．６７ｍｍ提升至４２．１７ｍｍ，提升率９．１％。纵向距离保持不变。中心光斑到最外边光圈的过度更加平缓，光线均匀程度提升。该现象是由于垂直分布的逆棱结构将ＬＥＤ透过透镜发出的光向水平方向打散，使得光影在水平方向拉长，混光效果得到提升。

图４为当扩散板有微结构和无微结构时，具有透镜的ＬＥＤ光斑直径与混光高度之间的关系示意图。图示表明，在７～１７ｍｍ的混光高度范围内，同一混光高度下，具逆棱微结构扩散板的ＬＥＤ光斑直径较无微结构扩散板的大，这也意味着达到同一混光效果时，逆棱微结构的背光模组混光高度（即产品厚度）要低于无微结构的背光模组。该实验结果与之前的实验现象及光学原理较为吻合，有力地证明了应用逆棱镜微结构实现超薄背光模组的可能性。

图５为逆棱与扩散板长边夹角θ和光斑扩散效果关系示意图。由图可见，随着夹角θ的变化，扩散光斑亦相应地发生转动。不难得出，当线状逆棱旋转３６０°时，光斑扩散将达到最好的效果，即当逆棱的形状为圆盘时，扩散光斑为一标准圆形。

如图６所示为产品去除膜材，观察ＬＥＤＭｕｒａ的效果图。在正常产品混光区间８ｍｍ和６ｍｍ位置分别加入一张无逆棱微结构的扩散板进行效果对比。从图中可以明显看出，使用无微结构的扩散板放置于混光区内，对整个产品的混光有明显负面影响。

将这种逆棱微结构设计应用于３２ｉｎ直下式ＬＥＤ背光模组上，其效果图如图７所示。由图可见，基于该微结构的背光模组呈现出较好的均匀化效果，ＬＥＤ灯影完全消除，光线部分较为均匀。更为重要的是，该背光模组实现了较短的混光距离，由原模组的１３ｍｍ降低为１１．８ｍｍ，降低约１０．２％。

４ 结  论

本文提出一种环形逆棱微结构设计，用以增大出光角度，降低混光高度。通过在３２ｉｎ直下式ＬＥＤ背光模组上进行实际验证，使原模组混光高度由１３ｍｍ降低至１１．８ｍｍ，混光高度降低１０％，实现了背光模组的超薄设计.