李德君;刘刚;吕国强;方旭东;冯奇斌
【摘 要】In order to reduce optical distance (OD)and realize ultra-thin design of direct-lit LED back-light module,this paper proposes a kind of diffuser plate with prism-based micro-structure on the bot-tom.The optical theoretical analysis is first performed on the prism-based micro-structure,which proves to be feasible to reduce the OD.The prism-based micro-structure is then practically tested and utilized in 81.3 cm (32 in)LED backlight.Experimental results show that the diffuser plate with prism micro-structure has effect on increasing the diameter of LED shadow by about 10% and reducing OD.The OD of the prototype with 32 in LED BLU is reduced from 13 mm to 1 1.8 mm.Such diffuser plate with prism-based micro-structure can help to realize the ultra-thin design.%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81.3 cm(32 in)LED 背光模组.实验结果表明： 水溶液锂电池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13 mm 降低至11.8 mm.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.
【期刊名称】《液晶与显示》
【年(卷),期】2014(000)006黄花菜加工
【总页数】5页(P1101-1105)
【关键词】直下式LED背光模组;环形逆棱镜微结构;超薄设计
【作 者】李德君;刘刚;吕国强;方旭东;冯奇斌
【作者单位】合肥工业大学 仪器科学与光电工程，安徽 合肥 230009; 合肥京东方显示光源有限公司，安徽 合肥 230012;合肥京东方显示光源有限公司，安徽 合肥 230012;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;合肥京东方显示光源有限公司，安徽 合肥 230012;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
【正文语种】中 文
【中图分类】TN27
rbd-5731 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；固定铁丝网
（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。
图1 剖面逆棱结构扩散板的光扩散作用原理图Fig.1 Schematic diagram of the light diffusion effect on diffuser plate with prism micro－structure
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。
图2 扩散板微结构示意图及其SEM显微图Fig.2 Schematic diagram and SEM image of prism micro－structures on diffuser plate
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19 mm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3 扩散板无（a）和有微结构（b）时LED灯影效果图Fig.3 Effect of light shadow without（a）and with（b）prism micro－structures on diffuser plate
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4 扩散板有无微结构光斑直径与混光高度之间的关系Fig.4 Relationship between spot di
ameter and mixed light height with and without prism micro－structures on diffuser plate
供电设备图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。
图5 线性逆棱与扩散板长边夹角θ和光斑扩散效果的关系图Fig.5 Relationship between diffusion effect of light shadow and included angleθ
如图6所示为产品去除膜材，观察LED Mura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。
图6 无逆棱微结构的扩散板在混光高度降低时的光学效果Fig.6 Optical effect of diffuser plate without prism micro－structure when the OD reduced
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%。
图7 使用逆棱微结构的超薄背光模组Fig.7 Ultrathin backlight unit with prism micro－structures
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。
参 考 文 献：
［1］Zukauskas A，Shur M，Gaska R.Introduction to Solid－State Lighting ［M］.New York：Wiley，2002.
手机滑轨［2］Bergh A A，Dean P J.Light－emitting diodes［J］.Proceedings of the IEEE，1972，60（2）：156－223.
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