侧入式液晶显示屏导光板散射网点密度设计

侧入式液晶显示屏导光板散射网点密度设计
刘方祥;孙树峰;王德祥;江京亮
【摘要】为了获得更好的光学均匀度,提高液晶显示器的亮度和色度,研究了导光板双边入光时散射网点密度对导光板出光面光学均匀度的影响.首先分析了导光板在液晶显示器中的工作原理.进一步通过理论分析,得出导光板散射网点的密度随着与光源距离的增大而增大.使用TracePro软件模拟了当网点密度从导光板中心位置向两边递减时,导光板出光面的光学辐照度,模拟得出的结果与理论分析一致.实验结果表明,导光板出光面的亮度最大值为5729 cd/m2,最小值为4729 cd/m2,光学均匀度为82.54%.通过对导光板散射网点密度的研究,为以后导光板的发展提供了理论基础.%In order to obtain the light guide plate with better optical uniformity,the influence of the scatter net-ted dots density on the optical uniformity of the light guide plate with bilateral incident light -emitting was studied. Firstly,the working principle of the light guide plate in the liquid crystal display is analyzed.Furthermore,through the theoretical analysis obtain that the density of the scattering netted dots of the light guide plate increases with the distance from the light source.The optical irradiance of the light guide plate is simulated using TracePro software when the dot density decreasing from the center position to both sides.The results are consistent with the theoretical analysis.The experimental results show that the maximum of the light guide plate is 5 729 cd/m2,the minimum is 4 729 cd/m2,the optical uniformity is
82.54%.Through the research on the density of the scattering netted dots
plate of the light guide plate,it provides a theoretical basis for the development of the light guide plate.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2018(018)001
【总页数】6页(P251-256)
【关键词】LGP;背光源模组;散射网点;密度;均匀度
【作者】刘方祥;孙树峰;王德祥;江京亮
【作者单位】青岛理工大学机械工程学院,青岛266520;青岛理工大学机械工程学院,青岛266520;青岛理工大学机械工程学院,青岛266520;青岛理工大学机械工程
学院,青岛266520
【正文语种】中文
【中图分类】TN141.9
液晶显示器不仅具有亮度高、体积小、辐射低、能耗小、画面柔和等优势[1]，而
且随着液晶显示器制造成本的不断下降[2，3]，液晶显示器大量地应用于汽车、工业设备以及手机、数字手表、电视等3C产品[4]。

然而目前液晶显示器的发展仍
然面临着巨大的问题，尤其是在液晶显示器的色度和亮度方面要求越来越高。

现在越来越多的科学技术人员致力于液晶显示技术的发展。

液晶显示器主要有两部分组成，第一部分是液晶显示面板，第二部分是背光源模组，决定液晶显示器的关键部件是背光源模组。

背光源模组主要包括导光板、反射膜、增光片、两个扩散膜。

导光板的主要作用是用于改变光线的传递路径，提高导光板
出光面的光学均匀性。

液晶显示器的亮度主要是由导光板的质量决定，一般来说，当导光板厚度一定的时候，网点的形状对导光板的亮度影响不大。

相反，网点密度对于导光板出光面的亮度具有较大的影响[5]。

黄炳乐等[6]通过仿真和实验得出满
足光学要求的最佳网点密度在0.2～0.25范围内。

陈娥振等[7]根据LED光强的分
布推导得出导光板散射网点的排布公式，得出靠近光源处的网点半径小，远离光源处的网点半径大的规律。

史永胜等[8]基于Trace-Pro软件优化导光板网点分布，
通过与网点面积密度比的关联，利用网点密度比、网点半径和间距三者的关系，调整网点密度比，获得了均匀度达90%的导光板。

综上所述，目前决定液晶显示器质量的关键因素在于导光板上网点密度的分布情况，但是目前对于导光板网点的密度分布，还没有形成一套完整的理论体系。

现通过仿真和实验，进一步的验证了网点密度分布对液晶显示器均匀性和亮度的重要性。

通过本次的研究，对未来导光板的进一步开发提供了借鉴。

1 理论分析与仿真
1.1 导光板的工作原理
根据全反射原理：光在折射率大于空气中的介质中传递时，当光线射向介质与空气的交界面时，即光线由光密介质向光疏介质传递的时候，如果入射角大于临界角，那么光线就会在此界面上发生全反射，入射光线全部被反射回去。

目前，导光板一般采用材质为PMMA的导光板，PMMA导光板对光线的折射率
为1.49。

全反射定律表示为
(1)
经过计算得出其临界角为42.2°，由于θ=90°-θc=47.8°>θc，可以得知，光线的
入射角是大于临界角的。

因此光线在导光板中的传递主要是全反射。

图1为导光
板传递的原理图。

当光线在导光板的上下底面发生全反射时，光线会逐步向远离光
源的导光板内部传递，同时光线在传递的过程中碰到底部的网点时，光线的全反射被破坏，光线在网点发生漫反射，从而光线均匀地从导光板出光面射出。

图1 导光板工作原理Fig.1 The light guide plate working principle
1.2 网点密度理论推导
为说明导光板网点密度与出光面亮度之间的关系，以单个LED灯为模型，建立导光板光强计算模型[9](图2)。

在平板上取一圆形小面元，面积为Δs，圆心坐标为(x,y)。

由于面元的面积很小，因此面元与LED灯之间围成的面积可以近似地认为是一个扇形，因此，扇形的边长为
(2)
式(2)中：y1是第一颗LED灯的坐标位置。

扇形的弧长可以看成是小面元的直径，即所以得到：
图2 导光板光强计算模型Fig.2 Light intensity calculation model of light guide plate
(3)
LED灯的光强分布符合朗伯体分布模型[10]，由于LED的配光曲线是一个圆，因此，LED发出的光可以看成是一个球形发光体，而LED的光通量可以用球形发光体的体积表示。

图2中扇形在LED球形发光体中截得的体积就是LED在夹角为θ的出光面上的光通量。

设截面与x轴之间的夹角为α，则得到：
(4)
球形发光体的直径为
式(5)中：V是球形发光体的体积。

所以截面的直径为
(6)
根据式(3)、式(6)可得，θ角所截得体积为
(7)
设单颗LED的总光通量为Φ，则通过θ角的光通量为
(8)
当导光板的尺寸和与光源之间的距离确定时，导光板上表面的出光亮度B(x,y)应正比于在(x,y)处导光板的网点密度函数f(x,y)，同时也与入射到(x,y)处下底面的传导亮度成正比，而入射到下底面(x,y)处的传导亮度可以认为与光源在这点的照度
E(x,y)成正比[11]，可得：
B(x,y)=kE(x,y)f(x,y)
(9)
式(9)中：k是比例系数，f(x,y)是导光板在(x,y)处的网点密度函数。

照度可以认为是光通量与面积的比值，因此可以得到：
(10)
式(10)中：Δs是在点(x,y)处出光面的面积。

由式(8)～式(10)可得：
(11)
在式(11)中，Δs、B(x,y)、Φ都是常数，因此当LED灯的位置固定的时候，随着x 的增大，网点密度函数f(x,y)在x方向上增加。

考虑当有N颗LED灯时，根据式(11)可以得到
(12)
根据式(12)，可以得到，当LED灯数量发生变化时，导光板散射网点密度分布函
数与单颗LED灯得出的结论相同。

1.3 模拟仿真
由于导光板出光面的亮度和均匀度与导光板上散射网点的密度具有密切的联系，现在通过TracePro光学软件模拟散射网点密度对导光板出光面性能的影响。

在模拟过程中，使用Siemens LWT676 型号的LED 灯作为背光源模组的光源，其光强
分布如图3所示。

图3 Siemens LWT676 LED 配光曲线模拟Fig.3 Simulation of light distribution curve of Siemens LWT676 LED
图4 网点密度分布Fig.4 Dot density distribution of light guide plate
图5 辐照度分布Fig.5 Irradiance distribution
导光板材料设置为PMMA，并且导光板非入光面设置为全反射，导光板底面设置
为mirror。

在TracePro软件中，导光板网点的密度、大小等参数可以通过公式
f(x)=a+bx+cx2+dx3+ex4进行调节。

简化模型令b=d=e，a=1，a是网格大小，每个网格代表一个网点，通过微调网格的大小来调节网点的密度。

网格初始设定为1 mm×1 mm，每个网格中间为深度为0.1 mm的半椭圆形网点。

在模拟过程中，
导光板两边入光侧各放置10个LED灯，总追击光线为400 000条。

图4是导光板网点密度不发生变化时网点模拟图，图5是网点不发生变化时导光板出光面的辐照度模拟图。

通过图5可以发现导光板两个入光侧光强很高，最高达到25 082 cd/cm2，但是中间部分辐照度很低，整个导光板出光面光强分布严重不均匀，出现严重的亮边现象。

因此，为了改变这种状况，通过改变网点的密度来得到更均匀的效果。

根据
f(x)=1+cx2，取c=0.004 7，网点的网格以函数f(x)=1+0.004 7x2在x方向上从导光板中心位置向两侧进行变化，网点密度分布如图6所示。

图7是网点密度递增情况下的导光板出光面的辐照度分布图，可以看出，导光板整个出光面，最大值10 295 cd/cm2，远低于当导光板网点密度不变时的光强分布，但是光强分布相对比较均匀。

图6 网点密度分布Fig.6 Dot density distribution of light guide plate
图7 辐照度分布Fig.7 Irradiance distribution
2 实验
背光源模组主要由导光板、反射片、增光片、两个扩散片组成，其结构图如图8所示。

将反射片、第一扩散片、第二扩散片、导光板、反射片按照图8所示顺序组合，并且通过胶框进行固定，完成背光源模组的组装。

图8 背光源模组结构Fig.8 The structure of the backlight module
导光板网点使用激光点阵设备(laser dot pattern system)进行加工，加工速度为4 m/s。

光学测试使用BM—7大尺寸背光测试系统进行测量，如图9所示。

散射网点的加工和光学测试均在环境温度为25 ℃、湿度为65%RH的十万级超净间进行。

在光学测试过程中，取13点进行测量，图10是13点取点位置图。

图9 大尺寸背光测试系统Fig.9 Large-size backlight test system
图10 13点测试方法Fig.10 Test method of 13 points
图11 导光板亮度曲线Fig.11 Brightness curve of light guide plate
3 实验结果及分析
图11为导光板出光面的亮度曲线图。

通过图11可以发现导光板入光侧的亮度比
中心位置的低，亮度最大值为5 729 cd/m2，最小值为4 729 cd/m2。

出现这种状况的原因主要是因为在导光板入光侧位置，网点的密度比较稀疏，LED灯射入
的光线在导光板内发生全反射，光线在导光板内进一步向内部传递，而在导光板出光面处发生折射并从出光面发射出去的光线相对比较少。

随着光线在导光板的内部继续传递，网点的密度逐渐增加，光线碰到网点，这时光线在导光板内部的全反射遭到破坏，大量的光线在网点处发生漫发射，一部分光线继续在导光板内部传递，一部分经折射从导光板出光面发射出去。

网点密度在导光板中间位置最大，所以光线在中心位置传递时，大量的光线发生漫发射，然后从出光面发射出去，这就导致了中心位置导光板的亮度比两侧入光侧的亮度高。

评判导光板合格的标准，公式[12]为
(13)
经计算得到导光板出光面的均匀度为82.54%，大于国家照度均匀度标准80%[13]。

4 结论
通过理论推导得出导光板散射网点密度与光源之间的距离成正比，进一步按照推论的结果，通过TracePro软件对导光板出光面的光通量进行模拟，模拟结果与理论推导的结论是相符合的。

按照本理论加工的导光板通过实验得到导光板出光面的光学均匀度为82.54%，符合国际照明委员会(CIE)照明标准。

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