Surface microstructure design of viewing angle deflection film based on extended light source

基于扩展光源的视角偏转膜表面微结构设计 Surface microstructure design of viewing angle deflection film based on extended light source 1 2 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=17424895&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424904&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17424899&type= 22.01333618 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背光等方面的研究。 E-mail： fengqibin@hfut.edu.cn 通讯作者： fengqibin@hfut.edu.cn 3 4 1 2 3 corresp E-mail： guoqianglv@hfut.edu.cn E-mail： guoqianglv@hfut.edu.cn guoqianglv@hfut.edu.cn 合肥工业大学 特种显示技术国家工程实验室，安徽 合肥 230009 合肥工业大学 特种显示技术国家工程实验室，安徽 合肥 230009 National Engineering Laboratory of Special Display Technology， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China National Engineering Laboratory of Special Display Technology， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China 合肥工业大学 光电技术研究院，安徽 合肥 230009 合肥工业大学 光电技术研究院，安徽 合肥 230009 Academy of Photoelectric Technology， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China Academy of Photoelectric Technology， 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 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 为了使应用于驾驶舱内的液晶显示器满足观看者的特殊视角要求，设计了一种能够将液晶显示器的最大亮度由正视方向根据观看者的位置偏转到特定方向的光学膜。本文基于扩展光源进行设计，根据扩展光源上不同位置的光线到达微结构的能量不同，提出了分段加权叠加的方法设计出微结构面型。仿真结果表明：水平视角不变，垂直视角偏转 - 15º，光线透过率为84.7%，半亮度视角范围为（-38.4º，4.4º）。采用无掩膜直写光刻工艺制作了实际样品并进行了效果测试，测试结果表明：和传统的背光视角相比，垂直方向的最大亮度由原来的0º偏转到-16°，半亮度视角由（-23.8º，27.4º）变为（-43º，9.4º），透过率为83.0%，同时满足视角偏转和亮度的要求。 To make a liquid crystal display used in the cockpit meet the special viewing angle requirements of the viewer， we designed a new type of optical film for deflecting the maximum brightness of the liquid crystal display from the frontal direction to a specific direction according to the position of the viewer. Using an extended light source， we propose a segment-weighted method for designing microstructures wherein the light from the different positions of the extended light source has different energy levels. The simulation results show that the horizontal viewing angle is unchanged， the vertical viewing angle is deflected by -15°， the light transmittance is 84.7%， and the half-brightness viewing angle range was （-38.4°， 4.4°）. An actual sample was fabricated using a maskless direct-write lithography process， and an effect test was performed. The test results show that the maximum vertical brightness was deflected from 0° to -16° and the half-brightness viewing angle is changed from （-23.8°， 27.4°） to （-43°， 9.4°） compared with the traditional backlight viewing angle. The transmittance is 83.0%， which meets the requirements of deflected viewing angle and brightness. 液晶显示 扩展光源 分段加权叠加 表面微结构 视角偏转 liquid crystal display extended light source segment-weighted method surface microstructure viewing angle deflection 1 引　言 1 液晶显示已经广泛用于电视、手机、个人电脑等领域 ［ 1 1 ］ 。在这些应用中，通常要求液晶显示的主视角是液晶屏的法线方向，也就是在液晶屏法线方向的亮度最高。但是，在飞机、火车、汽车驾驶舱等一些特殊的显示环境中，受显示器安装位置和角度的限制，观看者不能正视显示器，显示器通常需要倾斜安装以便于观看者获得最佳的观看角度，这会大大增加安装和设计成本。一个有效的解决方法是对液晶显示器的背光源进行光线调控，根据显示器法线方向与观看者视线之间的夹角，利用一层具有表面微结构的光学膜使背光源的最大亮度方向由0°偏转到观看者视线方向。目前，这种方法都是基于点光源设计，偏转后的视角曲线与光源视角曲线的拟合度较差，并且光线透过率较低。 液晶显示器的背光源分为直下式和侧入式。目前对直下式背光的视角调控有两种方法，一种是通过自由曲面透镜对LED发出的光线进行调控 ［ 2 2 - 11 11 2-11 ］ ，这种透镜会增加背光模块的厚度；另一种方法是利用特殊设计的具有表面微结构的光学膜来调控光线 ［ 12 12 - 15 15 12-15 ］ ，能够实现液晶显示器的轻薄化。侧入式背光通常是针对导光板进行设计，在导光板的上下表面设计不同形状的微结构实现对光线的偏转和提取 ［ 16 16 ］ ；设计两个LED光源模块以提供不同的视角模式，即宽视角模式和窄视角模式 ［ 17 17 ］ 。但上述方法只能实现视角范围的收缩或扩大，并不能偏转背光源的最大亮度视角。文献［ 18 18 - 20 20 18-20 ］设计了具有表面微结构的光学膜来实现视角偏转，但是该方法基于点光源，而实际要应用于扩展光源，理论设计与实际效果之间有很大差距，需要通过大量的优化工作来改善视角偏转效果，过程繁琐。 本文提出一种基于扩展光源设计视角偏转膜微结构的方法，将扩展光源离散成有限个点光源，通过分段加权叠加方法对多个点光源计算出的初始面型曲线进行叠加得到单个微结构面型，无需后续的优化过程，即可得到透过率较高的视角偏转效果。 2 基于扩展光源的视角偏转膜表面微结构设计 1 2.1　扩展光源离散化设计 2 目前，光学元件设计方法通常都是将扩展光源假设成点光源来简化设计，而实际扩展光源是有面积的，如 图1 图1 （a）所示。根据经验，光学元件的尺寸 d 与光源尺寸 D 的比值至少要大于5才能保证点光源假设成立 ［ 21 21 ］ 。本文中，光源是多个独立的LED经过导光板和扩散膜后形成的一个整体的亮度均匀的扩展光源，扩展光源尺寸就是背光模块的尺寸。根据视角偏转膜单个微结构的尺寸以及上述比例关系，先将扩展光源分割成多段扩展光源，这时每段扩展光源相对于微结构尺寸满足点光源假设，可以将扩展光源简化成点光源，如 图1 图1 （b）所示。 1;2; 设计单个微结构面型时需要先确定它对应的部分扩展光源的尺寸。从背光源出射的光线为朗伯分布，大部分能量都集中在±60º内，所以在设计过程中只考虑光源±60º以内的光线。如 图2 图2 所示， M 1 M 2 为一个微结构， A 1 A 2 是 M 1 M 2 所对应的一段扩展光源，为了使 A 1 点以60°出射的光线能到达 M 2 点， A 2 点以60°出射的光线能达到 M 1 点， A 1 M 2 与 A 1 A 2 之间的夹角应为30º， A 2 M 1 与 A 1 A 2 之间的夹角应为30º。根据 M 1 M 2 的尺寸以及基底与扩展光源的距离即可确定 A 1 A 2 的尺寸，再由点光源假设将扩展光源 A 1 A 2 离散成点光源。 2.2　基于离散点光源的设计 2 由每个点光源确定视角偏转膜的初始面型，其设计原理如 图3 图3 所示。对于一个点光源 O ，它发出的部分光线会到达视角偏转膜微结构表面 S 1 并发生折射进入偏转膜内部，再经过基底的两表面 S 2 ， S 3 两次折射后出射。为了使背光源的视角发生偏转，让每条入射到偏转膜微结构表面的光线经过3次折射后都偏转-15º，光源的视角会整体偏转-15º。 根据斯涅耳定律及 图3 图3 中的几何关系可以得到： <math display="block" id="M1"><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mi mathvariant="normal">s</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">n</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mrow><mi>n</mi></mrow><mrow><mn 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， 其中： n 1 =1， n 2 =1.49， n 3 =1.57，分别为空气、光刻胶和基底的折射率； x 0 ， y 0 为点光源 O 的坐标； x 10 ， y 10 为迭代计算面型的初始点 P 0 坐标；（ x 11 ， y 11 ），（ x 21 ， y 21 ），（ x 31 ， y 31 ）分别为 P 1 ， P 2 ， P 3 点的坐标； h 是基底厚度，设为190 μm。 单个微结构的尺寸参考液晶显示器背光模块中常用的BEF膜表面微棱柱的结构尺寸，根据现有的无掩膜激光直写光刻工艺，加工高度为15 μm左右的微结构效果较好。根据方程组（1），将微结构的周期定为25 μm，高度定为15 μm。考虑到视角偏转膜实际放置时会与背光源上扩散膜之间存在10 μm的间隙，光源 O 与基底上表面 S 2 间的距离为25 μm。通过方程组（1）逐点迭代计算得到单个点光源对应的视角偏转膜的初始面型。 根据 图2 图2 中扩展光源尺寸与微结构尺寸的关系可得 A 1 A 2 =61.6 µm。根据点光源假设可以将扩展光源 A 1 A 2 离散成点光源，而在此设计中扩展光源离散成点光源的数量越多，越接近扩展光源的实际情况。因此，将扩展光源 A 1 A 2 离散成31个点光源，每两个点光源之间间隔2 μm，根据方程组（1）每个点光源会计算出一条初始面型曲线，一共有31条曲线，如 图4 图4 所示。 2.3　基于分段加权的设计 2 离散后的各个点光源相对于 M 1 M 2 来说位置不同，每个点光源辐射到偏转膜微结构上的能量也是不一样的，依据能量的大小给每条曲线分配一个权重系数。根据朗伯光源辐射能量的特点，以 θ 角度出射的光线强度为 <math id="M2"><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mi>θ</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub><mi mathvariant="normal">c</mi><mi mathvariant="normal">o</mi><mi 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中的偏转膜表面微结构面型数据，在光学设计软件LightTools中建立偏转膜模型。为了使仿真结果尽可能地接近实际情况，将微结构和基底折射率及材料的光线透过率设置成和实际制备的材料一致，模型如 图9 图9 所示。光线追迹后的强度剖切图及光源的强度剖切图如 图10 图10 所示。 由 图10 图10 可以看出，最大亮度视角偏转到了-15º，半亮度视角为（-38.4º，4.4º），偏转后的视角曲线与光源的视角曲线的拟合度很好，没有任何增益出现，并且偏转膜的光线透过率为84.7%。 为了与基于点光源 ［ 19 19 ］ 和后期优化方法进行对比，本文重复了文献［ 19 19 ］的设计工作，同样的仿真参数设置下得到的视角曲线如 图11 图11 所示。可以看到，最大亮度视角为-15°，透过率为75%，在30°处存在增益。和基于点光源的设计方法相比，基于扩展光源的设计方法视角偏转效果更好，光线透过率更高。 4 实际测试结果 1 根据仿真设计结果，使用无掩膜直写光刻工艺制备了视角偏转膜。在玻璃基片上涂覆AZ4562光刻胶，使用海德堡公司的无掩膜光刻机MLA100制备出视角偏转膜微结构，并使用激光共聚焦显微镜LSM700检测微结构面型。 图12 图12 为显微镜下视角偏转膜的微结构形貌。 使用光学特性自动测量仪测试不加偏转膜和加偏转膜两种情况下背光模组的视角曲线，测试使用的偏转膜尺寸为7 cm×7 cm，基底是厚度为190 μm的PET，测试时将偏转膜贴在背光模组的最上层，也就是扩散膜上。如 图13 图13 所示，加偏转膜后垂直方向的最大亮度视角由0°方向偏转到-16°；半亮度视角由（-23.8°，27.4°）变为（-43°，9.4°）；最大亮度由411 900 nit降低到341 900 nit，光线透过率为83.0%。-16°处亮度由293 695 nit提高到了341 900 nit，增加了16.4%，提升了指定视角上的亮度；0°方向视角亮度由411 900 nit降低到244 500 nit，下降了40.64%。 1;2; 5 结　论 1 本文提出一种基于扩展光源的加权叠加方法，设计的视角偏转膜表面微结构无需优化即可得到较好的视角偏转效果和较高的透过率（83.0%）。与传统的基于点光源的设计方法相比，偏转后的视角曲线没有增益，该设计方法简单，缩短了产品的开发周期。 参考文献 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