Design of optical film for ultra-thin MiniLED backlight modules

用于超薄MiniLED背光模组的光学膜设计 Design of optical film for ultra-thin MiniLED backlight modules 1 first-author 冯奇斌（1970-），女，天津人，副教授，1992年于上海机械学院获得学士学位，1995年于华东工业大学获得硕士学位，2006年于维也纳工业大学获得博士学位，主要从事立体显示、LED背光、衍射光学元件等方面的研究。 E-mail：fengqibin@hfut.edu.cn通讯作者： http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007135&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007141&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007138&type= 22.01332855 32.00401306 冯奇斌 （1970-），女，天津人，副教授，1992年于上海机械学院获得学士学位，1995年于华东工业大学获得硕士学位，2006年于维也纳工业大学获得博士学位，主要从事立体显示、LED背光、衍射光学元件等方面的研究。 E-mail： fengqibin@hfut.edu.cn 通讯作者： fengqibin@hfut.edu.cn 2 3 4 3 corresp E-mail： guoqianglv@hfut.edu.cn E-mail： guoqianglv@hfut.edu.cn guoqianglv@hfut.edu.cn 合肥工业大学 特种显示与成像技术安徽省技术创新中心;特种显示技术国家工程实验室 光电技术研究院，安徽 合肥 230009 合肥工业大学 特种显示与成像技术安徽省技术创新中心;特种显示技术国家工程实验室 光电技术研究院，安徽 合肥 230009 Special Display and Imaging Technology Innovation Center of Anhui Province National Engineering Laboratory of Special Display Technology， Academy of Photoelectric Technology， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China Special Display and Imaging Technology Innovation Center of Anhui Province National Engineering Laboratory of Special Display Technology， Academy of Photoelectric Technology， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China 合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009 合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009 School of Electronic Science &Applied Physics， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China School of Electronic Science &Applied Physics， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009 School of Instrumentation and Opto-Electronics Engineering，Hefei University of Technology， Hefei 230009， China School of Instrumentation and Opto-Electronics Engineering，Hefei University of Technology， Hefei 230009， China 安徽华东光电有限公司，安徽 芜湖 241002 安徽华东光电有限公司，安徽 芜湖 241002 AVIC Hua Dong Photoelectric Co. Ltd.， Wuhu 241002， China AVIC Hua Dong Photoelectric Co. Ltd.， Wuhu 241002， China 为了降低背光模组厚度，设计了用于MiniLED背光模组的表面具有微结构的光学膜。首先分析了基于扩散粒子和折射式透镜的两种扩散原理，发现在混光距离（Optical Distance，OD）很小的情况下，两种方式都无法直接将光源进行充分扩散以满足均匀性要求。然后基于全反射原理将扩展光源离散为点光源，分析单个点光源返回灯板的能量，并对所有离散点光源的返回能量累计，得出扩展光源经微结构全反射后的能量达到最大时的微结构形貌。仿真结果表明：将双层微结构光学膜放置在MiniLED芯片上表面，仿真的亮度均匀性为79.9%，在OD=0.9 mm位置再添加一层扩散膜，可以将亮度均匀性提升到89.2%。采用无掩模直写光刻技术制备了光学膜样片。实验结果表明：将双层微结构光学膜放置在MiniLED芯片上表面的亮度均匀性为79.6%，在OD=0.9 mm位置添加一层扩散膜后亮度均匀性提升为88.7%。本文设计的微结构光学膜实现了背光模组超薄化，使用时无需精确对位，实用性强。 An optical film with microstructures for use in MiniLED backlight modules is designed to reduce the backlight module thickness. First， two diffusion principles based on the diffusion particle and refraction lens are analyzed. It is found that when the optical distance （OD） is very small， none of the principles are effective in ensuring that the light is fully diffused in order to meet the requirement on uniformity. Then， based on the principle of total reflection， the surface source is discreted to a cluster of point sources， the energy returned by a single point source to the lamp board is analyzed， and the energy returned by all the discrete point sources is accumulated. Notably， the profile of a microstructure can be decided when the energy returned by the surface source is maximum. The simulation results show that when the double-layer microstructure optical film is placed on the surface of a MiniLED chip， the brightness uniformity is 79.9%， which can be further increased to 89.2% by adding a diffusion film at an OD of 0.9 mm. Maskless direct writing lithography is used to prepare a sample optical film. The experimental results show that the brightness uniformity of the double-layer microstructure optical film placed on the surface of the MiniLED chip is 79.6%， which can be increased to 88.7% by adding a diffusion film at OD=0.9 mm. The optical film thus designed can be used to realize the ultrathin backlight module without the requirement of a precise position and therefore presents strong practicability. 超薄背光模组 MiniLED 微结构 全反射 ultrathin backlight module miniLED microstructure total reflection 1 引　言 1 液晶显示已经成为主流的平板显示技术。由于液晶不发光，需要背光提供照明光线 ［ 1 1 - 4 4 1-4 ］ 。背光模组的亮度、色度、体积在很大程度上决定了最终显示器的性能。显示产品薄型化已经成为流行趋势，这就要求背光模组最大程度地减少厚度。发光二极管（Light Emitting Diode，LED）已经是现在液晶显示背光模组的主流发光光源。直下式背光模组通常包括多个LED，随着LED芯片尺寸的增加，单颗LED的功率不断提高，LED之间的间距越来越大，通常需要先通过二次透镜将LED发出的光线进行一定的扩散 ［ 5 5 - 11 11 5-11 ］ ，然后通过扩散膜将光线进一步打散，形成均匀的扩展光源。LED和扩散膜之间的混光距离（Optical Distance，OD）通常比较大，导致背光模组厚度较大。 随着半导体技术的发展，LED发光芯片的尺寸缩小到几百微米，出现了MiniLED。MiniLED芯片尺寸小、发热低，可以矩阵式密集排布在背光模组中。由于芯片之间的距离很小，可以大大降低混光距离，但将扩散膜放置在距离芯片较近的距离时（1 mm之内），扩散效果非常不明显。文献［ 12 12 ］虽然针对MiniLED背光源设计了带有表面微结构的光学膜，但设计方法都是基于点光源，实际应用于扩展光源时，需要大量的优化工作，而且要考虑单个芯片与对应的光学膜微结构之间的对准问题，这对实际应用造成很大困扰。 本文针对超薄MiniLED背光模组，提出一种针对扩展光源设计光学膜微结构的方法，基于全反射原理将扩展光源离散为点光源，计算并累计所有点光源的返回能量，即为扩展光源的返回能量，返回能量最大时得到微结构形貌。由于设计的光学膜微结构尺寸相对于MiniLED芯片尺寸小很多倍，且微结构是周期性排列，所以不需要考虑与芯片对准的问题，并且可直接能够在较近距离内对光线进行充分扩散，具有较强的实用性。 2 光学膜微结构设计 1 2.1　基于扩散粒子的光学膜扩散原理分析 2 目前，LED背光模组中使用的扩散膜都是基于扩散粒子的。光线进入基板发生折射后再进入扩散层，通过扩散粒子进行扩散 ［ 13 13 ］ 。为了验证光学膜的扩散效果，在光学设计仿真软件LightTools中建立5×5阵列的MiniLED背光模型，每个MiniLED芯片的尺寸是0.254 mm×0.114 3 mm，间距是1.25 mm。仿真模型中还包括背光腔体，腔体内表面属性设置为高斯反射。MiniLED芯片组放置在背光腔体中。在OD=1 mm处不加扩散膜和加扩散膜的仿真效果如 图1 图1 所示。可以看出，在OD=1 mm的位置放置扩散膜，虽然具有一定的扩散作用，但依然可以看到多个独立的MiniLED光源，不能满足均匀性要求。 1;2; 2.2　基于折射透镜的扩散原理分析 2 目前，LED背光模组中对光线进行扩散的另外一个技术是二次透镜。本文采用文献［ 14 14 ］的设计方法为MiniLED设计了双自由曲面透镜，透镜高度为0.5 mm，直径为1.2 mm，如 图2 图2 （a）所示。 图2 图2 （b）和2（c）分别是在点光源和扩展光源下照度分布的仿真结果。可以看出，基于点光源下设计的透镜，照度在中心区域是均匀的，而在扩展光源下照度是不均匀的，后期需要通过大量复杂的优化工作 ［ 15 15 - 16 16 15-16 ］ 才能达到理想效果。 1;2;3; 2.3　基于全反射的微结构设计 2 从上面的分析可以看出，采用对光线直接进行扩散的方法，在混光距离较小（小于1 mm）的情况下无法得到理想效果；采用双自由曲面透镜的方法，则后期需要大量的优化工作，而且由于透镜尺寸较小，曲面要求精度较高，加工难度较大。本文提出了一种基于全反射的设计方法，设计了一种微结构，将MiniLED发出的大部分光线反射回灯板，再通过灯板上具有高漫反射率的漫反射膜将光线进一步打散，并反射回液晶面板方向，从而降低光源正上方的能量，加强光源之间区域的能量，提升亮度均匀性。 本文设计的用于全反射光线的二维初始微结构为等腰三角形。微结构将MiniLED光源发出的光线进行全反射，返回灯板的能量越多，光线扩散效果越好，亮度均匀性提升越明显。MiniLED发出的光线经基板折射后传播到微结构底部，根据折射定律，微结构底部对应了视角收缩的扩展光源，将扩展光源离散成点光源。计算每个点光源受微结构调控后全反射的能量，所有离散点光源返回能量的累加即为扩展光源受微结构调控返回的能量。能量最大时，对应的倾角是微结构的最佳倾角。光学元件尺寸与光源尺寸比值大于5时，可将扩展光源假设成点光源 ［ 17 17 ］ 。本文设计的二维微结构的底边宽度为20 µm，将微结构对应的扩展光源离散成39个点光源，每个点光源对应的微结构尺寸满足点光源假设，如 图3 图3 所示。由于微结构是对称的，底边上的点光源相对于底边中心对称的另一点光源受微结构的调控也是对称的，所以只计算底边对应的扩展光源的一半即可。 如 图4 图4 所示， A 为微结构底边中心点， O 是底边一端点，对 OA 内的点光源从左到右依次排序，设为 i （ i =1，2，…，20）。光线经基板折射之后，根据折射定律（基板折射率 n =1.49），发散角由（ - 70°，70°）变为（ - 39.09°，39.09°），对（ - 39.09°，39.09°）内的角度离散，即： <math display="block" id="M1"><msub><mrow><mi>β</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">j</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">39</mn><mo>°</mo><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mo>×</mo><mn mathvariant="normal">39.09</mn><mo>°</mo></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">154</mn></mrow></mfrac><mo>×</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007214&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007210&type= 53.17066193 8.12800026 ， 式中 β j （ j =1，2，…，155）为离散角。判断以 β j 角度发出的光线是否打在近侧斜边并发生全反射，首先根据 式（2） 式（2） 得到点光源与微结构顶点之间线段与底边法线的夹角 γ 。当 β j > γ 时，光线打到近侧斜边。然后判断光线在近侧斜边上的入射角 α ij 与临界角 α c （ α c =arcsin（1/ n ））的关系，根据几何关系可得 公式（3） 公式（3） ，当 α ij > α c 时光线发生全反射。 <math display="block" id="M2"><mi>γ</mi><mo>=</mo><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mtext> </mtext><mi>θ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">0.05</mn><mo>×</mo><mi>i</mi></mrow></mfrac></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007222&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007218&type= 39.87799835 9.22866726 ， <math display="block" id="M3"><msub><mrow><mi>α</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">j</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>θ</mi><mo>-</mo><msub><mrow><mi>β</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">j</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007230&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007226&type= 17.35666656 4.57200003 . 光线在远侧斜边的入射角 α ij ´ > α c 时，光线发生全反射，这条光线的能量计入返回能量 Q 中。根据几何关系得出： <math display="block" id="M4"><msub><mrow><mi>α</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">j</mi></mrow></msub><mi>'</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">180</mn><mo>°</mo><mo>-</mo><mn mathvariant="normal">3</mn><mo>×</mo><mi>θ</mi><mo>+</mo><msub><mrow><mi>β</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">j</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007247&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007244&type= 36.49133301 5.07999992 . 在远侧斜边以水平方向出射的光线打到临近的微结构时，两个相同的微结构对这条光线的调控是对称的，即通过临近微结构将光线全反射回灯板，水平出射光线的出射角为 α L （几何关系得出 α L =90°- θ ），如 图5 图5 所示。当出射光线的出射角 α ij ´´ > α L 时，此光线会通过临边微结构折射再全反射或直接折射回灯板方向。根据斯涅尔定律可得： <math display="block" id="M5"><msub><mrow><mi>α</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">j</mi></mrow></msub><mi>'</mi><mi>'</mi><mo>=</mo><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mo stretchy="false">[</mo><mi>n</mi><mo>×</mo><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>α</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">j</mi></mrow></msub><mi>'</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007253&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007250&type= 41.99466705 4.65666676 ， 其中 α ij ´´是在远侧斜边的出射角。出射光线在水平出射光线之下时， α ij ´´ > α L ，光线的能量计入返回能量 Q 中。 将 OA 内所有的点光源进行上述处理，累计所有离散点光源返回能量即为扩展光源返回能量。扩展光源返回能量会随着微结构倾角 θ 的变化而变化，其值最大时，对应的 θ 为最佳角度。最终计算得出最佳角度 θ =47.5°。 3 全反射微结构光学膜的仿真和优化 1 用LightTools将倾角为47.5°的二维三角形微结构设计成三维的四棱锥微结构，阵列在0.2 mm厚的基板上构成微结构光学膜，如 图6 图6 （a）所示。微结构光学膜放置在间距为1.25 mm的5×5阵列MiniLED灯源上表面，仿真结果如 图6 图6 （b）所示。对比 图1 图1 （a）不加微结构光学膜的仿真效果，光线几乎没有扩散，亮度均匀性提升甚微。 1;2; 微结构设置成四棱锥时，在一个方向上的光线调控情况如 图7 图7 （a）所示，在三维结构中分析不同位置扩展光源的二维垂直截面：在中心线的线光源S1上对应的调控垂直截面是完整的三角形，调控方式与 图4 图4 和 图5 图5 一致；前移的线光源S2对应的调控垂直截面不再是完整的三角形，而是梯形；再前移的线光源S3对应的调控垂直截面是上底边变长的梯形。对S3光源的分析如 图7 图7 （b）所示，将S3对应的线光源离散成有限多个点光源， <math id="M6"><mi mathvariant="normal">S</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007300&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007297&type= 2.28600001 2.79399991 3.1对应的光线受到梯形斜边的调控会生成一部分循环光， <math id="M7"><mi mathvariant="normal">S</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007300&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24007297&type= 2.28600001 2.79399991 3.2对应的光线却不再受梯形斜边的调控，不能全反射光线。前移范围越大，全反射能量越少。因此四棱锥不能充分调控光线，亮度均匀性提升甚微。 1;2; 在上述分析的基础上，本文设计了倾角为47.5°的三棱柱微结构，在LightTools中阵列三棱柱微结构建立光学膜的模型，如 图8 图8 （a）所示。每个微结构的周期是20 μm，相对比MiniLED芯片尺寸（254 μm×114.3 μm），每个MiniLED对应于多个微结构，故不存在两者之间的对准问题。由于一层膜只在一个方向上有调控作用，所以用三棱柱阵列方向相互垂直的双层光学膜对水平和垂直两个方向的光线进行调控。将双层光学膜直接贴在灯板上，仿真结果如 图8 图8 （b）所示，对比 图1 图1 （a）亮度均匀性明显改善，亮度均匀性为79.9%（亮度最小值与最大值的比值）。 1;2; 为了进一步提升均匀性，在双层微结构光学膜上方OD=0.9 mm位置再放一层0.1 mm厚的扩散膜，此时的亮度均匀性提升到89.2%，满足OD=1 mm的均匀性要求。 4 全反射微结构光学膜的制备及测试 1 根据仿真结果，使用海德堡公司的无掩膜光刻机MLA100加工微结构，光刻流程如 图9 图9 所示。通过激光共聚焦显微镜LSM700检测微结构面形，检测结果如 图10 图10 所示。 MiniLED背光模组如 图11 图11 （a）所示。光刻出来的两层光学膜放置在MiniLED芯片上表面，0.1 mm厚的扩散膜放置OD=0.9 mm位置，为了在一张灯板上展现不同情况下的光照，放置位置如 图11 图11 （b）所示，可以划分为4个区域：（A）区域是只有扩散膜；（B）区域是双层微结构光学膜加扩散膜；（C）区域是双层微结构光学膜；（D）区域是不加任何光学膜。灯板施加电压，光照图如 图11 图11 （c）所示，同时使用光学特性自动测量仪，用国军标的九点测量法测（B）、（C）区域的均匀性，如 图12 图12 所示。测试结果如 表1 表1 所示，由表中数据可知（C）区域的亮度均匀性为79.6%，（B）区域的亮度均匀性为88.7%。 1;2;3; Location Double-layer microstructures optical films Double-layer microstructures optical films plus diffusion film 1 117 000 87 700 2 115 440 89 050 3 107 800 88 000 4 110 800 89 050 5 95 010 79 860 6 117 900 89 030 7 100 300 85 000 8 119 300 89 990 9 99 800 83 460 nit 5 结　论 1 本文基于全反射原理，针对MiniLED背光模组超薄化和亮度均匀性要求，设计了一种微结构光学膜。与采用折射透镜提升亮度均匀性的方法相比，本文方法省去了大量的后期优化工作，亮度均匀性为89.2%，与只加扩散膜的效果相比有明显提升。本文基于全反射方法设计的微结构光学膜，无需精确对准，设计方法简单，具有较强的实用性。 参考文献 CHEN B T ， PAN J W . 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