用于超薄MiniLED背光模组的光学膜设计

冯奇斌; 肖慧丽; 杨玲; 朱标; 吕国强

doi:10.37188/OPE.2021.0239

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

用于超薄MiniLED背光模组的光学膜设计

现代应用光学 | 更新时间：2026-09-12

- 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
- 光学精密工程 2021年29卷第11期页码：2548-2555
- 作者机构：
  
  1.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
  2.合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009
  3.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥 230009
  4.安徽华东光电有限公司，安徽芜湖 241002
- 作者简介：
  
  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：
- 基金信息：
  
  安徽省科技攻关项目(201903a05020057)
- DOI：10.37188/OPE.2021.0239
  中图分类号： TN141.9
- 收稿：2021-04-29，
  
  修回：2021-06-30，
  
  纸质出版：2021-11-15
- 稿件说明：
移动端阅览
冯奇斌,肖慧丽,杨玲等.用于超薄MiniLED背光模组的光学膜设计[J].光学精密工程,2021,29(11):2548-2555.

FENG Qi-bin,XIAO Hui-li,YANG Ling,et al.Design of optical film for ultra-thin MiniLED backlight modules[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(11):2548-2555.
冯奇斌,肖慧丽,杨玲等.用于超薄MiniLED背光模组的光学膜设计[J].光学精密工程,2021,29(11):2548-2555. DOI： 10.37188/OPE.2021.0239.

FENG Qi-bin,XIAO Hui-li,YANG Ling,et al.Design of optical film for ultra-thin MiniLED backlight modules[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(11):2548-2555. DOI： 10.37188/OPE.2021.0239.

摘要

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。

Abstract

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.

关键词

Keywords

references

CHEN B T ， PAN J W . High-efficiency directional backlight design for an automotive display ［J］. Applied Optics ， 2018 ， 57 （ 16 ）： 4386 - 4395 . doi: 10.1364/AO.57.004386 http://dx.doi.org/10.1364/AO.57.004386

LEINER C ， NEMITZ W ， WENZL F P ， et al . Ultrathin free-form micro-optical elements for direct-lit applications with a large distance-height ratio ［J］. OSA Continuum ， 2018 ， 1 （ 4 ）： 1144 - 1157 . doi: 10.1364/osac.1.001144 http://dx.doi.org/10.1364/osac.1.001144

ZHU Z B ， YAN Y M ， WEI S L ， et al . Compact freeform primary lens design based on extended Lambertian sources for liquid crystal display direct-backlight applications ［J］. Optical Engineering ， 2019 ， 58 （ 2 ）： 025108 . doi: 10.1117/1.OE.58.2.025108 http://dx.doi.org/10.1117/1.OE.58.2.025108

ZHANG R . Directional backlighting system using a light guide with paired microstructures ［J］. Applied Optics ， 2017 ， 56 （ 24 ）： 6735 - 6741 . doi: 10.1364/ao.56.006735 http://dx.doi.org/10.1364/ao.56.006735

RAUSCH D ， ROMMEL M ， HERKOMMER A M ， et al . Illumination design for extended sources based on phase space mapping ［C］. Optical Engineering ， 2017 ， 56 （ 6 ）： 065103 . doi: 10.1117/1.oe.56.6.065103 http://dx.doi.org/10.1117/1.oe.56.6.065103

ZHANG K ， SU C Y ， FENG Z Y ， et al . Freeform surface lens design for uniform illumination of a rectangular area ［J］. Lighting Research & Technology ， 2015 ， 47 （ 6 ）： 705 - 711 . doi: 10.1177/1477153514538993 http://dx.doi.org/10.1177/1477153514538993

LI Z T ， YU S D ， LIN L W ， et al . Energy feedback freeform lenses for uniform illumination of extended light source LEDs ［J］. Applied Optics ， 2016 ， 55 （ 36 ）： 10375 - 10381 . doi: 10.1364/ao.55.010375 http://dx.doi.org/10.1364/ao.55.010375

LE N Y ， SHI Z W ， SHI X G . Design of LED free form lens based on improved mesh method ［J］. Optik ， 2019 ， 183 ： 565 - 570 . doi: 10.1016/j.ijleo.2019.02.005 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.02.005

WU R M ， HUA H ， BENÍTEZ P ， et al . Direct design of aspherical lenses for extended non-Lambertian sources in two-dimensional geometry ［J］. Optics Letters ， 2015 ， 40 （ 13 ）： 3037 - 3040 . doi: 10.1364/ol.40.003037 http://dx.doi.org/10.1364/ol.40.003037

LI X F ， GE P ， WANG H . Prescribed intensity in 3D rotational geometry for extended sources by using a conversion function in 2D design ［J］. Applied Optics ， 2017 ， 56 （ 6 ）： 1795 - 1798 . doi: 10.1364/ao.56.001795 http://dx.doi.org/10.1364/ao.56.001795

ZHAO Z L ， ZHANG H H ， ZHENG H ， et al . New reversing freeform lens design method for LED uniform illumination with extended source and near field ［J］. Optics Communications ， 2018 ， 410 ： 123 - 129 . doi: 10.1016/j.optcom.2017.09.101 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2017.09.101

冯奇斌，武晨晨，李德华，等 . 用于汽车抬头显示器的光学增亮膜设计［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 7 ）： 1426 - 1434 . doi: 10.3788/OPE.20192707.1426 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192707.1426

FENG Q B ， WU CH CH ， LI D H ， et al . Design of optical brightness enhancement film for direct-lit backlight in automobile head-up display ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 7 ）： 1426 - 1434 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20192707.1426 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192707.1426

SEKIGUCHI Y ， KONNO A ， TSUMURA M . Design method for a thin uniform direct backlight using a diffuser plate with a pattern on the surface and optical films ［J］. Applied Optics ， 2015 ， 54 （ 3 ）： 482 - 491 . doi: 10.1364/ao.54.000482 http://dx.doi.org/10.1364/ao.54.000482

黄丹，冯奇斌，唐天，等 . 基于扩展光源的曲面能量映射优化设计方法［J］. 光学学报， 2019 ， 39 （ 12 ）： 298 - 305 . doi: 10.3788/AOS201939.1222003 http://dx.doi.org/10.3788/AOS201939.1222003

HUANG D ， FENG Q B ， TANG T ， et al . Design method for surface energy mapping optimization based on extended light source ［J］. Acta Optica Sinica ， 2019 ， 39 （ 12 ）： 298 - 305 . （in Chinese） . doi: 10.3788/AOS201939.1222003 http://dx.doi.org/10.3788/AOS201939.1222003

WANG T Y ， CHEN J J ， HUANG K L ， et al . Freeform lens design using a complementary optimization method for uniform illumination with extended LED light sources ［C］. SPIE/COS Photonics Asia. Proc SPIE 9272 ， Optical Design and Testing VI， Beijing， China ， 2014 ， 9272 ： 927214 . doi: 10.1117/12.2071178 http://dx.doi.org/10.1117/12.2071178

CHEN J J ， HUANG Z Y ， LIU T S ， et al . Freeform lens design for light-emitting diode uniform illumination by using a method of source-target luminous intensity mapping ［J］. Applied Optics ， 2015 ， 54 （ 28 ）： E146 - E152 . doi: 10.1364/ao.54.00e146 http://dx.doi.org/10.1364/ao.54.00e146

WESTER R ， MÜLLER G ， VÖLL A ， et al . Designing optical free-form surfaces for extended sources ［J］. Optics Express ， 2014 ， 22 （ 52 ）： A552 - A560 . doi: 10.1364/oe.22.00a552 http://dx.doi.org/10.1364/oe.22.00a552

浏览量

1365

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

面向电主轴的微结构精密加工机构集成设计及力感知特性

提高车载平视显示器观看亮度的微结构膜设计

用于汽车抬头显示器的光学增亮膜设计

辊筒模具超精密机床系统设计与工艺

数字散斑干涉应力应变同步测量