第３４卷第１期２０１４年３月 光 电 子 技 术ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．１
Ｍａｒ．２０１４檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸殠殠
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研究与试制
姚建芳１，吴添德１＊，陈仁军２，王绪丰１，陈孝仙１，洪乙又１，余 雷１，
高慧芳１，万海峰１，季春玲１
（１．中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京２１００１６；２．总参陆航部驻上海地区军事代表室，上海２００２３３
）摘 要：光学模组是液晶显示器的重要组成部分，本文介绍了光学模组中各种光学膜的结构及功能，提出了一种高可靠性光学模组设计方法，试验测试表明，此方法显著增强了液晶显示器光学模组的可靠性。
关键词：扩散片；棱镜片；偏光增亮片；光学模组；高可靠性；液晶显示器 喷气式飞行器中图分类号：ＴＮ８７３＋
．９３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－４８８Ｘ（２０１４）０１－００６８－
０４Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ
Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｄｕｌｅ ｏｆＬｉｑ
ｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ＤｉｓｐｌａｙＹＡＯ Ｊｉａｎｆａｎｇ１，ＷＵ Ｔｉａｎｄｅ１，ＣＨＥＮ Ｒｅｎｊｕｎ２，ＷＡＮＧ Ｘｕｆｅｎｇ１，
ＣＨＥＮ Ｘｉａｏｘｉａｎ１
，ＨＯＮＧ Ｙｉｙｏｕ１，ＹＵ Ｌｅｉ １，ＧＡＯ Ｈｕｉｆａｎｇ１，ＷＡＮ Ｈａｉｆｅｎｇ１，ＪＩ Ｃｈｕｎｌｉｎｇ
１
（１．Ｔｈｅ ５５ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ２
１００１６，ＣＨＮ；２．Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ
ｔｈｅ Ａｒｍｙ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ Ｒｅｓｉｄｅｎｔ ｉｎ ＳｈａｎｇｈａｉＲｅｇ
ｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｈｅａｄｑｕａｒｔｅｒｓ ｏｆ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｓｔａｆｆ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３３，ＣＨＮ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌｅ ｗａｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ．Ｓｔｒｕｃ－ｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｍｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｐｔｉｃａｌｍｏｄｕｌｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＬＣＤ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌｅ．ｗａｓ ｓｉｇｎｉｆｉ－ｃａｎｔｌｙ
ｅｎｈａｎｃｅｄ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｆｉｌｍ；ｐｒｉｓｍ ｆｉｌｍ；ｄｕａｌ ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｆｉｌｍ；ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌｅ；ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ
引 言
液晶显示器件本身不能发光，它靠调制外界光
达到显示目的，其光学明暗度依赖于后部的背光模
组（Ｂａｃｋｌｉｇ
ｈｔ），背光模组的好坏直接决定了产品的显示效果［
１］
。一般背光模组的光学功能，除了发光源外，还包含导光、反射、匀光（扩散）、集光、光回收
＊
收稿日期：２０１３－０９－
３０作者简介：姚建芳（１９６７—），女，工程师，长期从事平板显示器件的研究；吴添德（１９８２—），男，工程师，主要从事液晶显示器件的研究；（Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｑｉｎｇ３００＠１６３．ｃｏｍ）陈仁军（１９８１—）
，男，工程师，长期从事显示器件研究。通讯作者
等功能。因此增光片、导光板、扩散片等也称为背光模组关键件，其主要作用是为液晶面板提供均匀的面光源，使尽可能高的光能透过而不影响光的特性，
在大尺寸液晶显示器中尤为重要［
２］
。１ 基础理论介绍
以光源入光而言，背光模组可分为侧入光及直下式入光两类，前者多用于监视器、笔记本电脑、手机等显示器，
传统的商用结构包含光源／导光板／反射板／下扩散片／棱镜片（Ｐｒｉｓｍ Ｓｈｅｅｔ，或称Ｂｒｉｇｈｔ－ｎｅｓｓ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｍ，简称ＢＥＦ，两片直交）／上扩散片／偏光增亮片（Ｄｕａｌ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ＥｎｈａｎｃｅｍｅｎｔＦｉｌｍ，简称ＤＢＥＦ），后者则用于大型ＴＶ显示器或高亮度要求的加固显示器，传统的商业结构包含光源／扩散板／下扩散片／棱镜片／上扩散片／偏光增亮片（
如图１），上述二类背光模组结构有时考虑成本，移除高成本的膜片，例如以扩散片取代棱镜片，或干脆直接移除偏光增亮片
［３］
。
图１ 直下式背光ＬＣＤ结构
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｔｙｐｅ ｂａｃｋｌｉｇ
ｈｔ ｉｎ ＬＣＤ一般商用背光模组的结构中，常见到单一功能的光学元件，包括反射片、导光板、扩散板、扩散片、棱镜片、偏光增亮片等，各膜片的功能如下。①反射片—
——用于侧入光式的导光板下方，其功能为将导光板下方折射出的光线反射回导光板，用来提高光的使用效率。其材质包含高反射金属镀膜、
高反射微粒高分子膜或由延伸法制作的微泡型高分子反射膜等种类。
②导光板———侧入光式背光模组中最重要的光学元件，其位置在反射膜之上、扩散片之下，光线由侧方边缘进入，由于导光板材质（光学级的亚克力／ＰＣ板材等）
折射率大于空气，大部分光线在导光板中以全反射的方式前进，导光板下方与反射片接触的表面，通常制作点状凸起或凹槽结构，当光线射到各个导光点时，反射光会往各个角度散射，然后破坏
全反射条件由导光板正面射出，由于光在传导过程会有损耗、
各个方向的光强也不一致，为使导光板均匀发光，导光点在设计时会做成各种疏密、大小不一的形状。导光板的主要功能在于引导光线的传导方向，以提高显示亮度及控制亮度均匀性，是影响光能效率的重要元件，
为达到最佳匀光效果和提高亮度，导光板有时制成楔形薄板。
③扩散板—
——直下式入光背光模组中使用的光学元件，通过在聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）、聚碳酸酯（ＰＣ）等基材基础中添加无机或有机光扩散剂、或者通过基材表面的微特征结构的阵列排列人为调整光线、使光线发生不同方向的折射、反射与散射，从而改变光的行进路线，实现入射光充分散，以此产生光学扩散的效果，依制作方式可分为压出成型法及射出成型法。
④扩散片—
——导光板或扩散板上方为扩散片，其结构通常为以聚酯（ＰＥＴ）或ＰＣ为基材，在表面精密涂布一层随机分散的微米结构的扩散粒子，扩散粒子的尺寸略高于高分子胶材厚度，故可凸出膜面形成微透镜（Ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ）结构，由于凹凸结构介质造成光的折射、
反射与散射，具有光线扩散的功能外，也稍具有集光的功能，使点光源变为均匀的面光源。扩散片主
要通过测试评估透光率（ｔｒａｎｓｍｉｔ－ｔａｎｃｅ）和雾度（ｈａｚｅ）等指标。扩散片有上、下之分，上、下扩散片依选用的扩散微粒，集光及扩散的能力稍有不同。通常上扩散片的雾度比下扩散片低，上扩散片有时也称为棱镜片的表面保护膜。⑤棱镜片—
——介于上、下扩散片之间，背光模组商品中通常使用１～２张棱镜片，
若使用两张棱镜片，则上下两张棱镜片采用直交方式排列，分别处理水平及垂直方向的集光需求。一般在ＰＥＴ或ＰＣ等光学级透明塑料表面，使用ＵＶ树脂，紫外线固化成型一层分散一致、精密的棱镜结构，它的聚光主要是通过两种方式来实现：一是产品结构；二是不同材料间的折射率差异。
⑥偏光增亮片—
——ＤＢＥＦ是一种反射式偏光增亮片，是３Ｍ公司独有专利产品，利用布拉格反射（Ｂｒａｇｇ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）原理，将两种不同高低折射率的材料组成多层膜，白光透过多层膜时，将非偏光片穿透方向的偏振光有效反射回背光模块，
由于背光模块各个光学界面对光线具有扩散和扰乱效应，将原非穿透方向的偏振光部分转化为穿透方向偏振光，进而通过下偏光片，经过多次反射反复作用，最终多
９
６ 第１期姚建芳，等：一种液晶显示器高可靠性光学模组设计
数光能将穿透下偏光片，起到增亮效应，由此，可以使轴向亮度增加约６０％，同时也能扩大视角范围。
从图１中我们可以看到背光模组中扩散片和增亮片的实质。背光模组实际上是由ＣＣＦＬ或ＬＥＤ光源和一层层的光学膜片所组成，经过模组中各种膜片材料对光的功能作用，实现对光能的重新分配，使光均匀分布，通过增加薄薄的几层增亮片，就可以将ＬＣＤ的亮度提升到原先的两倍多［４］。
上述各种光学膜都属于单一功能的设计，为了节约成本、减少模组厂操作步骤、改善光学效果、降低光学膜数量及厚度，各光学膜公司（如３Ｍ、ＭＮＴＥＣＨ、ＳＫＣ等）设计出将两种或多种功能整合到一起的光学膜，如棱镜片的集光功能与扩散功能整合、棱镜片的两个方向集光功能整合、棱镜片的集光功能与光回收功能整合等［５］。
光学膜主要是由各种有机材料制成，有机材料耐热性能普遍不高，如ＰＥＴ的热变形温度约８５°Ｃ，亚克力的热变形温度约９６°Ｃ，ＰＣ的热变形温度约１３０°Ｃ；光学膜在制作、加工过程中难免在膜材中造成应力；或当在液晶面板与背光之间、或光学膜四周留出的空间不足以容纳光学膜因受热膨胀的变形量时，会造成光学膜在高低温环境下出现翘曲不平整的现象，严重者在光学膜主要是由各种有机材料制成，有机材料耐热性能普遍不高，如ＰＥＴ的热变形温度约８５°Ｃ，亚克力的热变形温度
约９６°Ｃ，ＰＣ的热变形温度约１３０°Ｃ；光学膜在制作、加工过程中难免在膜材中造成应力；或当在液晶面板与背光之间、或光学膜四周留出的空间不足以容纳光学膜因受热膨胀的变形量时，会造成光学膜在高低温环境下出现翘曲不平整的现象，严重者在正视的情况下即可明显观察到立体状的显示不均，特别是在低温环境下，液晶屏如带有辅助加热的功能，加热温度的不均匀性会加剧光学膜的变形。
２ 液晶显示器高可靠性光学模组设计
为了确保画面显示的质量，ＬＣＤ的背光源应具有亮度高、发光均匀、照明角度大、可调、效率高、功耗低、寿命长、轻薄等特点。现在生产的ＬＣＤ背光源主要有ＣＣＦＬ、ＥＬ和ＬＥＤ等几种类型。与ＣＣＦＬ及ＥＬ背光源相比，ＬＥＤ背光源具有亮度高、纯度高、寿命长、适应性强、可靠性高、成本低、易于产业化等优点。随着技术的发展，ＬＥＤ已成为ＬＣＤ理想的背光源。
依ＬＥＤ光源分布位置不同，背光源分为侧入光式和直下式。侧入光式背光一般可做得很薄，但光源利用率较小。直下式是一个有一定结构的平板式的面光源，它的优点是亮度和均匀性好、可靠性高，其缺点是厚度较大。直下式只要从技术上有效克服了混光距离与超薄设计的矛盾就能达到厚度上要求，并且在超大尺寸的背光模组上，不含导光板且光源放置于正下方的直下型结构在重量、抗振动性能、亮度及亮度均匀性上占有优势［６］。
液晶显示器背光模组中，如何提高光学模组可靠性、提高光能利用率是解决方案的重中之重［７］，液晶显示器一般的光学模组在经过高低温工作、振动、湿热等试验或应用过程，可能会出现光学膜变形、相互摩擦破坏光学膜固有的光学结构、影响光学效果、光学膜移位、光学膜污染等问题。我们针对直下式液晶显示器的光学模组进行高可靠性、高亮度设计。本文提出的高可靠性光学模组，选用大功率的ＬＥＤ作为光源，经过合理的膜片作用整合，将偏光增亮膜、两个方向集光功能整合在一起的棱镜片、扩散膜分别用光学双面胶贴合在减反射玻璃上，将这几个复合膜按一定的顺序进行再处理、密封，使该光学模组既满足基本的ＬＣＤ背光模组性能要求，又大大增加了透过率，提高光学模组的抗高低温度、抗振动、抗湿热能力和可靠性。
３ 实验结果及分析
我们采用上述高可靠性光学模组设计，将偏光增亮膜、两个方向集光功能整合在一起的棱镜片、扩散膜分别用光学双面胶贴合在减反射玻璃上，将这几个复合膜按一定的顺序进行再处理、密封，如图２，并装配在一块液晶显示模块上，取一个相同的光学膜系用一般的方法装配在另一块液晶显示模块作为参照物，两者一起经过高低温工作、湿热、振动试验进行对比，试验条件和结果如表１所示
。
图２ 高可靠性光学模组结构
Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌｅ
０
７光 电 子 技 术第３４卷
表１ 高可靠性光学模组的ＬＣＤ与一般光学模组的ＬＣＤ试验结果对比
物联网电池Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌｅ ＬＣＤｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｇｅｎｅｒａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌｅ ＬＣＤ
试验项目试验条件
高可靠性
灯箱广告制作光学模组
的液晶显
示模块
一般光学
模组的液
晶显示
模块
缪增斌面条机
亮度／
（ｃｄ·ｍ－２）
常温，暗室１ ０２３ ９８１
高温温度／°Ｃ
保温时间／ｈ
工作时间／ｈ６０
２
２
好好
低温温度／°Ｃ
保温时间／ｈ
工作时间／ｈ－４０
２
２
好
家具保护垫光学膜有
膜皱变形
自控温伴热电缆
湿热温度／°Ｃ
湿度／％ＲＨ
时间／ｈ６０
９５
２４０
好好
振动功率谱密度／
（ｇ２·Ｈｚ－１）
频率／Ｈｚ
时间／ｈ
０．０４
１０－２０００
１
好
光学膜振
动后移位，
边缘出现
漏光
方向ｘ，ｙ，ｚ轴
从表１可以看出，高可靠性光学模组的液晶显示模块亮度要高一些，经过高低温工作、湿热、振动试验后显示正常，说明光学模组可靠性比较高；而一般光学模组的显示模块在低温工作时光学膜出现膜皱变形，在振动试验后光学模组边缘出现漏光的现象（如图３），说明一般光学模组的低温性能、抗振动性能要差一些。
４ 结 论
通过本文介绍的方法，
设计开发出高可靠性光
图３ 光学模组振动后出现边缘漏光
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌｅ ａｐｐｅａｒｅｄ ｅｄｇｅ ｌｉｇｈｔ－ｌｅａｋｉｎｇａｆｔｅｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ
学模组的加固液晶显示器，将偏光增亮膜、两个方向集光功能整合在一起的棱镜片、扩散膜分别用光学双面胶贴合在减反射玻璃上，并将这几个复合膜按一定的顺序进行再处理、密封，解决了一般光学模组低温下膜皱变形、振动移位摩擦的问题。通过试验验证了高可靠性光学模组的高低温性能、耐湿热以及抗振动性能，提高了光学模组的可靠性与光效利用率，对提升液晶显示器整体的可靠性、节能环保具有积极的意义。
参 考 文 献
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櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃
２４９－２５２．
（上接第４８页）
４ 结 语
本文设计的系统采用把固定电压法、变步长与扰动观察法相结合得到的一种有效的复合ＭＰＰＴ算法，具有效率高、成本低、安全可靠特点。太阳能ＬＥＤ灯智能控制系统能够根据时间、环境的光线强弱，智能控制ＬＥＤ路灯的亮度，实现了节能。
参 考 文 献
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１
７
第１期姚建芳，等：一种液晶显示器高可靠性光学模组设计
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