（光学工程专业论文）导光板网点随机分布和矢量性研究.pdf

中文摘要 摘要：导光板是中小型背光源的重要部件，而网点设计是导光板丌发中最重要的 内容。网点设计包括网点分布和网点形状的设计。本文首先就利于消除莫尔条纹 的随机网点生成法斥力缓和法展开研究，然后就可以提高光效的短线型网点 的矢量型导光板进行光学模拟、分析。 在网点分布上，随机分布的网点可以有效的抑制莫尔条纹的产生，本文就目 前较先进的散乱网点生成法斥力缓和法展开，另外还就这种网点生成法在导 光板网点分布上的应用进行研究。通过使用s o b o l 序列随机数作为斥力缓和的初始 条件，改善了常规算法在高填充率下不均现象严重和收敛慢的问题。圆形力场改 进为椭圆力场后，可以将斥力缓和法与短线型网点有效结合，实现短线型网点高 填充率下矢量性和随机性的统一。斥力缓和法在不同填充率区域边界处的处理， 使单一区域的算法可以扩展到不同填充率分布的导光板网点设计中。用光学软件 模拟后发现，相同密度分饰的规则网点和随机网点有相似的亮度分布，但是随机 分你的网点较规则分布有很好的目视效果。 在网点结构上，矢量性网点可以有效提高导光板j 下面亮度。本文结合斥力缓 和法生成的短线型随机分布网点，用光学模拟软件l i g h tt o o l s 模拟矢量性导光板， 并分析得出矢量性导光板的正面亮度较常规网点有明显的优势。改变矢量性导光 板中网点的形状，发现不同的网点形状对矢量性导光板的亮度影响明显。并分析 了截面为直角三角形的三棱柱型网点的角度，密度，大小对亮度的影响。 关键词：l c d 背光源；导光板；斥力缓和法；散乱网点；s o b o l 序列；矢量性 导光板；光学模拟 分类号：t n l 4 1 9 a bs t r a c t a b s t r a c t ：l i g h tg u i d ep l a t e ( l g p ) i s a l l i m p o r t a n tp a r ti nm e d i u ma n d s m a l l s i z e db a c k l i g h tu n i t ( b l u ) t h ep a t t e r nd e s i g ni st h em o s td i f f i c u l tp a r ti nl g p d e s i g n s ow ew o r k o nt h ed i s t r i b u t i o na n dt h es t r u c t u r eo ft h ep a t t e r ni nt h i sp a p e r s i n c er a n d o md o tc a nr e d u c et h em o r i ei n t e r f e r e n c ee f f e c tn o t i c e a b l y w ed i ds o m e r e s e a r c ho nt h ea d v a n c e dr a n d o md o tg e n e r a t i o nm e t h o d 1 h em o l e c u l a rd y n a m i c s m e t h o d ( m d ) w eu s e ds o b o ls e q u e n c ea st h ei n i t i a ld i s t r i b u t i o no fm dm e t h o dt o o p t i m i z et h en o n u n i f o i t np h e n o m e n a i no r d e rt oc r e a t et h er a n d o ms h o r tl i n ep a t t e r n f o r t h ev e c t o rl g p , e l l i p t i c a lf o r c ef i e l dw a st a k e ni ns t e a do fc i r c u l a rf o r c ef i e l d f i n a l l y , t h er a n d o m i c i t ya n dv e c t o rw a si n t e g r a t e ds u c c e s s f u l l y b e s i d e s ，w ei m p r o v e dt h es i n g l e a r e am dt om u l t i a r e a so n e w ea l s og o tac o n c l u s i o nt h a tw i t ht h es a m ed e n s i t y d i s t r i b u t i o na n ds i m i l a rl u m i n a n c e ，t h el g pw i t h r a n d o md o t sh a sn om o r i e i n t e r f e r e n c e w eu s e dt h eo p t i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r en a m e dl i g h tt o o l st om o d e lav e c t o rl g p , i nw h i c hw et e s t i f yt h a tv e c t o rl g pc a ni m p r o v et h el u m i n a n c eo b v i o u s l y t h e nw e c h a n g e d t h ep a t t e ms h a p et os e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h a n g e sa n dt h el u m i n a n c e f u r t h e r m o r e ，t h eb a s ea n g l e ，t h em a x i m u md e n s i t ya sw e l la st h es i z eo f t h ep r i s md o t s w h o s ec r o s s s e c t i o ni sr i g h tt r i a n g l ew a st r i e dt og e tt h eb e s tp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：l c db a c k l i g h t ；l i g h tg u i d e ；t h em o l e c u l a rd y n a m i c sm e t h o d ； r a n d o mp a t t e m ；s o b o ls e q u e n c e ；v e c t o rl g p ；o p t i c a ls i m u l a t i o n c l a s s n o ：t n l 4 1 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字r 期：年月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字同期：年月同签字同期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师邓振波教授的悉心指导下完成的，邓振波教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢邓老师 两年来对我的关心和指导。 京东方王刚博士、王庆江工程师悉心指导完成了实验室的科研工作，在学习 上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向他们表示衷心的谢意。 京东方刘敬伟博士，万丽芳、孙小斌工程师和背光组的其他成员对于我的科 研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 感谢北京交通大学本科和研究生阶段对我的培养，感谢光电所对我的栽培， 感谢京东方中央研究院在毕业设计实验中提供软件和硬件的支持。 在实验室工作及撰写论文期间， 唐剑、何璇等同学对我论文研究工作给予了 热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 网点设计是导光板设计中最复杂的工作，本文首先研究了利于消除莫尔条纹 的随机网点较先进的一种生成方法斥力缓和法，并解决斥力缓和应用于网点 设计时的问题，能够生成圆形散乱网点和用于矢量性导光板中的短线型随机网点。 光学模拟软件的出现使导光板的光学设计简单化，矢量型导光板的出现使导 光板的光效有了很大的提高。本文使用光学模拟软件l i g h tt o o l s 模拟了散乱网点的 效果和较先进的矢量性导光板，调整矢量性网点参数，研究不同的结构和相同结 构不同参数的矢量性网点对导光板亮度的影响。为以后的导光板设计和制作提供 一定的依据。 1 引言 近年来，显示器件技术不断发展，液晶显示器逐渐显露出其优势地位，特别 是薄膜晶体管显示器件( t f t - l c d ) ，其应用领域不断扩大。 背光模块( b a c kl i g h tu n i t ) 是液晶显示器( l c d ) 光源提供者，l c d 本身并 不发光，背光模块光源的表现一定程度上决定了显示器表现在外的视觉感。随着 产业的发展，背光模块向轻量化、薄型化、低功耗、高亮度、低成本方向发展。 为保持未来市场的竞争力，丌发导光板成型的新制作技术及设计新型的背光模块， 是今后研究的方向。 中小型背光模块主要包括光源、导光板、反射板、扩散板、棱镜片，外框架 构成。其中导光板负责将发光二极管( l e d ) 的点光源或冷阴极射线管( c c f l ) 的线光源转化为面光源。所以说导光板的设计是背光模块中最关键的部分。而导 光板表面的网点则是实现光源类型转换的主要结构。本文就导光板的网点分布和 结构进行相关的探索。 图ll c d 发光原理示意图 几乎所有的导光板都是将侧入射的光源( l e d 或c c f l ) 通过不同形状、大 小、密度的网点来达到最后出光均匀的目的。所以如何有效的排列网点是所有导 光板设计中必须要考虑的。常规的做法是将网点规则性的渐变，但是规则性的网 点分布容易与规则性的l c d 面板中的像素干涉产生莫尔条纹。目前即使网点规则 分布的背光源显示器较少出现莫尔条纹，原因是背光源中网点规则性分布的导光 板出射的光还要经过- n 两层的扩散片和一到两层的增亮膜( b e f ) 后在才会射向 l c d ( 女h 图1 ) ，由于扩散片中的扩散颗粒是随机散乱的，增亮膜的三棱柱状结构也 加入了随机因素，这样就会掩盖掉规则性网点可能产生莫尔条纹的缺陷。但是膜 材在导光板成本中占了较大的比重，如何尽量减少膜材的使用是目前各背光源厂 家降低成本的关键。在减少膜材使用的过程中规则性网点带来莫尔条纹的问题将 会变得越来越明显。 解决这种问题比较有效的方法是将网点散乱分布。目前已经有几种解决方法， 如影像浓淡二值法，抖动法等。但是这些方法大部分都不能很好的解决高填充率 下网点的重叠问题。其中斥力缓和法是目前最为先进有效的一种随机网点生成方 法，本文就斥力缓和法在导光板网点设计中的应用做了具体的研究。论文中，用 m a t l a b 完整编写斥力缓和法应用于网点设计的程序，并对计算过程中算法进行一 定的改进，达到较理想的效果。而且结合目前较流行的矢量性导光板，设计出斥 力缓和法应用于短线型网点的方法，达到矢量性与随机性的有效结合。使用l i g h t t o o l s 软件模拟的均匀网点与斥力缓和计算出的散乱网点的光学效果。 l c d 面板透过率只有约5 ，背光源在努力降低成本的同时也在尽力的增加亮 度，传统增加亮度的方法为增加光源的功率和数目，但是这也带来了功耗增大的 问题。所以如何增加光的利用率也是当前比较热门的研究方向。 目前的网点设计中，一般采用球状或穹形的网点形状，这样对称的散射型结 构最终达到的效果是光会射向四面八方，导光板的正面视角内亮度不高，目前的 解决办法是在导光板上加增亮膜( b e f ) 控制光的发散程度。而o m r o n 的矢量性 导光板采用垂直于光线方向的短线型网点，可以有效的控制导光板出射后光的发 散角，可以提升j 下面视角内的亮度。本论文通过光学模拟软件l i g h tt o o l s 模拟矢量 性导光板的光学效果，并采用斥力缓和法生成的随机短线网点方法调整l i g h tt o o l 优化出的网点分布。对比常规网点，验证矢量性的光学性能。研究不同类型的短 线型矢量光学导光板的效果。改变矢量性导光板中网点的参数，寻找这些参数对 导光板亮度的影响。 2 2l c d 背光结构及原理 由于液晶本身并不发光，因此l c d 需要通过外部光源实现透射或反射显示。 现有的l c d 大多数是带有背光源的透射型器件，背光源的发光特性直接影响到 l c d 显示器件的画面质量。因此背光源是其不可或缺的重要组成部件。 b ：z ：kl i g h l 费料拳纛：l g p h i l i p , ； 图2l c d 结构原理示意图 作为l c d 标准配置的背光照明系统，随着l c d 市场需求的不断增大而迅速 向前发展。背光照明系统约占t f t - l c d 面板材料成本的1 6 ，主要由光源、反射 板、导光板、扩散膜、棱镜膜及外框等部分组成。其中，导光板和光学膜是背光 照明系统最主要的技术所在。由于背光照明系统主要的光学设计以及亮度、均匀 性等光学特性均控制在导光板技术中。因此，导光板的设计与制造非常重要。导 光板功能都是把光源( l e d 点光源或c c f l 线光源) 转换为面光源输出，经过几 年的发展导光板的制作工艺、性能结构等均已发生了重大变化。 背光源依据光源的位置不同分为侧光式背光源和直下式背光源。在侧光式背 光的结构( 图1 ) 中，冷阴极荧灯管外侧的反射( 板) 片呈抛物线状将冷阴极荧光 管包围，由光源产生的白光透过该反射板反射至由压克力制成的导光板内。导光 板主要功能是藉由光散乱原理将入射的光转换成平面光，之后再经过扩散板使导 光板射出的光线扩散与偏向，最后再经由两片表面成连续锯齿沟槽状的聚光棱镜 片，使光线在x y 方向聚集并调整光线发散角度。直下式背光源结构相对简单且利 用率相对较高，即直接把光源安放在出光面下面，光源发出的光经过一段空问距 离和扩散板的扩散和混合后，成为面光源发射出来。这样直下式背光源的厚度往 往要远远大于侧光式背光源。侧光式背光主要适用于中小尺寸l c d 产品，比如手 机、p d a 、笔记本和监视器等，而直下式背光主要应用l c d 电视和高亮度监视器 之类的高辉度显示器。但有时候，采用何种结构方式的背光源，除了亮度要求外， 还和特定的尺寸要求有关，也有一些侧光式的背光源能实现非常高的辉度值。 目前，中小尺寸多采用侧光式背光源，而侧光式背光源中导光板的设计成为 决定背光模组亮度、均匀度的最关键部件。 2 1 背光源工作原理 传统侧光式背光照明系统由光源、反射板、导光板、扩散板、正交棱镜板以 及保护膜等结构组成。其工作原理如图3 所示，冷阴极灯管( c c f l ) 外侧的反射 膜片呈抛物线状将c c f l 包围，由光源产生的白光透过该反射膜片反射至由压克 力( p m m a ) 制成的导光板内。导光板主要功能是根据光散乱原理将入射的平行 光( 点光源或线光源) 转换成平面垂直光，之后再经过扩散膜片使导光板射出的 光线扩散与偏向，最后再经由两片表面成连续锯齿沟槽状的集光棱镜膜片，使光 线在x v 方向集光并调整光线发散角度。 冷掰梭嚣瞥 ￥ 图3背光照明系统结构图 图4 导光板中光的传播 如图4 所示，在背光照明系统的光路中，光从导光板的端侧射入，由于灯反 射罩的反射作用，可以把发散的光多次反射再利用，这样大约有6 0 的光可自端 面进入导光板中，由于导光板材料与空气层的折射率之差，光线由于全反射原理 ( t o t a li n t e r n e lr e f l e c t i o n ，简称t i r ) 在导光板上下两面反复产生镜面反射，同时 向前推进。当光线碰到扩散点图案或高折射率散射点时，发生随机散射，这时反 射光会往各个角度扩散。根据折射定律，光线从导光板上表面射出，成为亮度分 布均匀的面光源。实际中还需要通过扩散膜调整导光板出射后的光源的均匀程度。 这样就可以变成一均匀的面光源。但是，目前导光板大部分利用的是网点的散射 效果。这样，光在各方向上分布几乎一致，这样就会导致，我们所希望的导光板 正面亮度不高，大部分的光分布在不需要的角度。所以一般会再加一层或两层币 交的的增亮膜( b e f ) ，使光线集中在正面角度内。 2 2 导光板的制作方式及种类 导光板制作【1 1 的关键技术是散射图案的设计和注塑材料的选择及注塑成型工 4 艺的控制。按照制作工艺的差别，可以分为印刷式和非印刷式两类。 2 2 1网点印刷式 通常导光板是用注塑的方法将材料先压制成表面光滑的矩形板或直接剪裁大 块的p m m a 板材，经过表面处理后，在其底面用油墨印刷上圆形、蜂窝形或方形 的白色浓淡扩散点后制成，其扩散点的尺寸为1 0 0um 到l m m 。扩散点图形要进 行密度分布的设计，必须考虑导光板侧面的聚光和灯管亮度的分布等因素，目的 是获得均一的亮度分御。目前较为先进可靠的没计方法是用计算机进行光路分析 模拟，之后再通过多次试验进行设计验证，最后确定工业化生产的设计方案通过 实验证明，散射网点的形状对光散射的影响并不大，主要是网点的分布及油墨的 选择。油墨是根据米氏散射理论( m i es c a t t e r i n gt h e o r y ) ，将光学散射颗粒如u v 胶、二氧化钛、硫化钡等加入油墨之中，油墨内的每一个光学散射颗粒均为微米 等级。如图5 为光学油墨的放大图。 图5 光学油墨放人图 网点印刷式导光板其特点是劳动密集型产品，成本低，制作时间长，合格率 低。但目前在中型尺寸的导光板的制作中还在广泛使用。 2 2 2 非印刷型 非印刷型导光板相对印刷型导光板来说，其优势无疑是非常明显的：它的制 作工艺更先进，精度更高，关键是大幅提高了产品的优良率，同时去除了对高性 能散射油墨等高成本原料的依赖性，大大降低了产品的成本，满足了市场的需求。 按照制作工艺的不同，可以分为射出成型式、光散乱聚合物式、激光雕刻式等种 类。 2 2 2 1射出成型式 现在，射出成型技术( 即不需要印刷工序，散射点与导光板同时注塑成型) 已经很成熟，但是这种技术对注塑工艺要求很高。按照工作方式的不同，大致可 分为以下几类： 1 ) 散乱式射出成形导光板 具体方法是利用精密蚀刻技术将射出成形的模芯微细加工成网点形状，再利 用塑料射出成形机制作导光板。其网点形状同印刷型导光板的印刷图形分布相似， 离光源近的地方，网点较稀松：离光源远的地方，网点较密集。但网点单元的大 小相同。图6 是利用射出成形法制成的散乱式导光板以及散乱点的直径、浓淡分 布。 巾2 5 0 l i 田审2 5 0 p 姐 图6 散乱式导光板以及散乱点的直径、浓淡分布 2 ) 反射式射出成形导光板 它是利用超精密加工技术在导光板底面制作微细光学镜面，使导光板内的光 线反射。具体制作步骤是将射出成形的模芯微细加工成圆状微形反射镜面( m i c r o r e f l e c t o r ；以下简称为m r ) ，之后再利用塑料射出成形机制作导光板，m r 制作 在导光板底面与导光板形成为一体。具有阵列状m r 的导光板可将入射光全反射， 主要原因是m r 的表面很光滑，因此入射光不会有反射散乱与能量损耗等问题， 也不会发生波长分散现象，除此之外还可根据导光板入射光与m r 的形状变化控 制出射光的方向。m r 的直径为1 0 0l am ，高度为1 0l am ，单元的大小只有传统散 乱式印刷导光板的1 4 - 1 8 。换言之，由于阵列状m r 导光板的单元直径变小后， 相对的可淡化制作单元形状的扩散膜片厚度也随之变薄，光线穿透率则大幅提高。 一般而言，1 2 1 时大小的阵列状m r 型导光板底面的m r 数量大约有1 0 0 万个。 图8 为具有m r 的导光板三维外观图，和m r 单元的激光显微照片 a 村燕 一一 刍爨一 蠊 _ _ _ l 图7m r 的导光板三维外观图，和m r 单元的激光显微照片 6 3 _ ) 折射式射出成形导光板 折射式导光板是改良自反射式导光板，主要差异是m r 阵列变成m i c r o d e f l e c t o r 阵列( 以下简称为m d ) ，也就是说导光板底面是由微小偏向装置单元所 构成，入射光被m d 的凸面折射。m d 的表面为镜面曲线状，因此不具备光散乱 条件，折射光的仰角被导光板法线以大角度方向射出。m d 的直径为3 0i lm ，高度 为5um 。实际上m d 阵列是先经过光学设计，再制成塑料射出成形模具的模芯， 之后再利用塑料射出成形机制作导光板。折射式导光板可将入射光封闭于导光板 内，并转写于内侧可产生全反射的三角沟槽，进而达到提高光使用效率的目的。 图8 为m d 单元的光线折射特性，和具有m d 的导光板与单片棱镜膜构成的背光 照明系统。 朔撮灯瞥 图8m d 单元的光线折射特性，和具有m d 的导光板与单片棱镜膜构成的背光照明系统 2 2 2 2 光散乱聚合物式 所谓的光散乱聚合物导光板是在聚合物内形成微细不均一结构，使聚合物导 光板具备导光与扩散射出光线的功能，进而获得高亮度照明用的光散乱效应。换 言之，光散乱聚合物导光板是控制可吸收光线的微细不均一结构的相对折射率与 不均一结构的大小，获得多重光散乱效果，使光线在没有损耗的环境下均匀且朝 特定方向扩散射出。由光散乱聚合物导光板所构成的背光照明系统，一般而言， 它的亮度比传统背光照明系统高两倍左右。在密度均匀的介质材料中若存在折射 率不同的两种材料时就会引起光散乱现象，如果能够控制介质材料相异的不均一 结构时，就可控制散乱光的特性。光散乱聚合物就是根据光散乱理论与多重散乱 分析法，精密控制这种不均一结构，进而达到液晶显示器的背光照明系统实用化 的目标。图9 为散乱式光聚合物导光板。 7 图西圈 运孵蒋光桩 。 冷5 蠢援矮管 遁瞬蒜光娠 图9 传统的透明导光极和光散乱聚合物导光板 2 2 2 3 激光雕刻式 用激光直接制作导光板图案，激光器运行方式采用扫描的方式，精度高，深 度一致，这样根据填充率合理分配间距来制作出高亮度的导光板。激光制作导光 板有三个特点，一个是没有用印刷材料，根据光和物质作用时没有了印刷材料的 吸收：二是激光制作呈高斯孔型，在j 下前方由于经反射面反射后呈会聚状：三是 孔面的粗糙引起光线的更大机率小于临界角而出射。国内和国外的产品完全可比 媲美，而且用的材质是国内板材。虽然激光雕刻的优势是无疑的，一次制作，一 次切割成型，使用上毫无问题，但它也存在突出的问题，效率比较低一些，而且 不适合批量生产的原则。目前较常用的激光加工方法是先用激光加工金属模芯， 然后再注塑，将网点反写到导光板上。如图1 0 为光在激光雕刻型导光板中的行进 示意图，和侧面入光时激光雕刻式导光板的表面效果。 图1 0 采用激光雕刻时入射光行进方式和采用激光雕刻时侧面入光效果 背光照明系统中最核心技术为导光板的光学技术。目前，限于技术、成本和 市场等因素的影响，商业上主要用网点印刷形和射出成型形两种导光板形式，其 它如光散乱聚合物、激光雕刻等占很少比例，不适合批量生产原则。印刷型因为 其成本低，在过去较长时间内未成为主流技术，但合格品不高一直是其主要缺点。 而目前l c d 产品要求更精密的导光板结构，射出成型形导光板必然成为背光源发 展主流，但相应的模具技术难题只有少数大厂能够克服。 2 3 光源 光源除了传统的利用c c f l ( 冷阴极荧光灯管) 为光源之外，有许多光源技术 也可以利用在背光源上。冷阴极荧光管为目前最主流的光源，各尺寸均为广泛的 应用；e e f l ( 外部电极灯管) 则使用在一部分大尺寸液晶电视的直下式背光源上； l e d ( 发光二极管) 则呈现两极化发展愈来愈多的笔记本电脑面板与液晶电 视面板导入l e d 为背光源。而且4 时以下的背光源市场已经由l e d 完全占据。 由于成本低廉、技术成熟等原因，冷阴极荧光管仍将是未来几年内l c d 背光 源绝对主要的光源。但人们也逐渐认识到冷阴极荧光管本身存在的若干致命弱点， 比如含有对人体有害的汞蒸汽，色彩还原性差等。因此，随着环保意识的提高以 及用户对画面质量越来越高的要求，出现了冷阴极荧光管灯管被其他光源所取代 的趋势，这些替代者包括发光二极管( l e d ) 、场致发光平面光源( e lf l a tl a m p ) 和有机电致发光( o l e d ) 等。其中具有环保、色彩还原性好、寿命长等优点的固 体光源l e d 是最被看好的下一代绿色背光光源，被普遍认为是大势所趋。索尼认 为，一旦l e d 背光光源的成本降低到可以大范围应用的时候，也就意味着高度节 能的l c d 显示时代将就正式到来。 表ic c f l 和l e d 背光源的综合比较 冷阴极荧光管背光 l e d 背光 色彩还原性 ( 7 5 )( 1 0 5 ) 寿命 0 ( 2 5 小时)( 1 0 万小时) 环保 x ( 含汞)o ( 无汞) 驱动 ( 高压)o ( 常规直流) 响应速度 ( 慢)( 快) 环境适麻性 ( 低压启动差)o ( 全天候) 功耗o 价格o 散热 发光效率o 9 2 4 导光板技术新进展 图1 1 导光极技术发展历程 图1 1 展示了导光板发展的趋势，导光板的发展总体上体现的是，网点的改进， 网点加工工艺的发展，和导光板光效的提升。印刷网点到注塑网点的改变，使光 效提升了3 0 ，而注塑网点到v - c u t 工艺的发展，使光效提升了5 0 。最终导光板 的发展方向是线性光学到非线性光学的跃变，而只有网点尺寸与光波长接近时才 能体现的是非线性光学。随着超精细加工工艺发展，非线性现象效应在导光板中 越来越强。网点尺寸减小的话，可以降低目前导光板的厚度和重量，还有可能提 高光效。下面就介绍导光板方面几种利用超精细加工的新技术。 新技术一：微棱镜加工技术 目前已有一些导光板在上表面加工一些微棱镜来控制导光板内光的传播，而 随着超精细加工的发展，这种工艺也会越来越普遍，而且会使许多有利于提高亮 度的表面结构的加工成为可能。 如在文献 2 ，3 中提到的，金字塔形的结构，亮度较传统网点有较大的提高。文 献 4 】通过特殊的半导体加工工艺可以生成这种结构的模具，并反写成类似结构的 网点形状。 图1 2 微棱镜模拟效果和加t 工艺效果 1 0 另外，在文献 5 】中提到的新型导光板上表面结构和扩散片下表面结构有已经 通过光刻的方法实现。而且这个新型模组较常规背光结构实现了1 3 6 亮度的提 品。 图1 3 新型导光板结构图和加，i ：效果图 新技术二：微切削加工( s l o t c u t ) 微切削加工s l o t c u t 目前主要发展技术是v - c u t 技术，在现阶段n o t e b o o k 用面 板背光模块上，v c u t 是相当热门的技术。其结构主要是将棱镜微加工，直接制 作于导光板上，并以一片锯齿状朝下的棱镜片，取代原来两片朝上的棱镜片( 如 图1 4 ) ，在局部降低成本的同时，有效的将辉度提升3 0 左右。而且已经有同本 厂家在导光板两面用v c u t 加工f 交的棱镜的导光板产品【6 ，7 1 。 图1 4v - c u t 结构示意图 但是目前v c u t 技术也有其缺陷，如：v c u t 结构容易造成导光板产生明暗带 条纹；结构较易导致刮伤，而且有光学均匀度较差及机械强度较弱等问题。但随 着微切削技术的发展，相信目前的这些问题可以得到解决。 ；厶翻豳_ 图1 5 微切削加l ：i ：艺原理和效果图 新技术三：矢量光学技术 矢量光学基本理念是通过控制网点的形状、排列方向和分布，控制导光板内 光线的路径，使光线尽量不要发生分歧，如图1 6 。常规网点，不论是散射型的印 刷网点或蚀刻网点，还是圆形网点，光在网点表面会发生光线方向的改变和路径 的分歧和能量的损失。而矢量光学则会减少这种情况的发生，减少能量的损失通 过网点形状有效控制出光的角度，提高有效和有效视角内的亮度。 图1 6 常规网点和欠量性网点光路效果 在矢量光学中，更加重要的是网点加工方法的选择，超精细加工【8 】的发展使这 样的想法可以实现。现在可以采用的方法是五轴联动的超精细机床进行机械加工 模具。图1 7 是利用此方法加工，再进行电铸反写后的模具上突起网点的扫描图。 但是目前这样的机床只有外国可以制造，而且加工成本很高。但是这种方法对于 提高导光板性能的优势已经很明显的显现出来。所以本论文对矢量性网点导光板 1 2 进行了相关的研究。 甓t i 醪 图1 7 超精密加l ：模具显微图 1 3 3 背光模组基本光学理论 现代物理认为，光具有波粒二象性，即光有“波动性 也具有“粒子性”。光 是电磁波，研究光的传播问题，是一个波动传播问题。但是几何光学中研究光的 传播，并不把光看做电磁波，而是把光看作是能够传输能量的几何线，这样的线 叫光线。光源发光就是向四周发出无数条几何光线，沿着每一条几何光线向外发 散能量。 背光模组所涉及的光学理论就是以几何光学为主，所以我们介绍包含折射、 反射、吸收、散射和光度学理论 3 1 反射与折射定律 光在介质中速度与真空中不同，真空中光的速度为c = 3 x 1 0 3 m s ，在其它介 质中的速度为1 ，( m s ) ，及折射率力( r e f r a c t i v ei n d e x ) 定义为： 以= 二 ( 1 ) i ， 当光在行进中遇到不同的介质时会在界面上发生反射和折射现象，当发生反 射现象时会满足入射角等于反射角的关系。如图1 8 表示这样的关系。此定律即为 反射定律。 图1 8 反射定律 也有一部分光线会穿过介面到另一介质中发生折射现象，如图1 9 1 4 刀l 刀， 弋 二 矽， ； 图1 9 折射定律 光在折射时须遵守斯奈尔定律，入射线、折射线与法线三者均在入射面上， 且交于入射点，这称为折射定律 刀is i n o f = 刀2s i n 0 ,( 2 ) 对于任何介质来说，折射率可说是其光学密度( o p t i c a ld e n s i t y ) ，因此对于折 射率较大的介质，其具有较高的光学密度，一般称之为光密介质；反之，则称折 射率小的介质为光疏介质，但无论如何，光密介质与光疏介质只是一个相对的量 而非绝对的量。 3 2 全反射定律 一般情况下反射与折射是同时发生的，但是光线由光密介质进入光疏介质且 入射角越来越大时，根据公式( 2 ) 的折射定律，折射角会越来越偏离法线，当入 射角大到某一程度时折射角度会等于9 0 度，即发生全反射现象如图2 0 。这样我们 可得到临界角公式： 见= s i n 。1 ( 生)( 3 ) 全反射定律对于背光模组而言是相当重要的，由于背光模组的导光板使用的 材料为p m m a 或p c ，折射率约为1 4 9 与1 5 9 ，由全反射定律我们知道全反射角 约为4 2 度和3 9 度，所以大部分的光线会在导光板中传导，而无法出射到空气中， 这个过程类似于光纤中光的传播。 1 5 j 打， 么髟 o 图2 0 全反射定律 所以我们需要在导光板中加一些结构破坏导光板中的全反射现象，使光线从 导光板表面出射，导光板中的网点就是承担此项工作。 3 3 漫反射与散射 依据反射定律，当一束平行光线入射到光滑平面时，每一光线的反射角都相 同，因此反射后的光束，各光线方向依旧是平行一致的，此种反射称为镜面反射 ( s p e c u l ar e f l e c t i o n ) 。在粗糙表面上产生的反射，每一光线的入射角等于反射角， 但反射光线的方向散乱不一致，称为漫反射( d i f f u s er e f l e c t i o n ) 。如图2 1 ( a ) ( a ) 义么 图2 1 镜面反射和漫反射光路图 事实上许多物体或介质表面并非完全光滑， 生散射现象发生，包含吸收、反射与穿透部分， 足( 4 ) 式，并且遵守能量守恒定律( 5 ) 式。 b s d f = b r d f + b t d f 当物体或表面为非光滑时，会产 如图2 l ( b ) 所示。此时散射现象满 i = r + t + b r d f + b t d f + a b s d f ( b i d i r e c t i o n a ls c a t t e r i n gd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ) 双向散射分布函数 b r d f ( b i d i r e c t i o n a lr e f l e c t i o nd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ) 1 6 ( 4 ) ( 5 ) 双向反射分布函数 b t d f ( b i d i r e c t i o n a lt r a n s m i s s i o nd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ) 双向透射分布函数 r ：r e l e c t i o n ( 反射) ；t ：t r a n s m i s s i o n ( 穿透) ；a ：a b s o r p t i o n ( f l j t 收) 濯 3 4 光度学 图2 2 光经过非光滑界面时发生的散射现象 从能量的观点来看，光线只能表现光的传播方向，无法表现出光能的相关信 息。而在光学系统中，除了光线信息外，同时也是光能的传导系统。所以系统传 导的光能是否足以使接收器感受，对系统来说十分常重要的，研究光能计量的理 论，我们称之为光度掣9 1 。 3 4 1光通量和发光强度 通量这个词在光辐射领域经常用到，它指的是在单位时间里通过一个面积的 能量流。e h 此可见，它与功率的意义是相同的可表示为： 尸= 吆 ( 6 ) 式中，p 表示功率，单位是w ( 瓦特) ，亦即j s ( 焦耳秒) 。 在光度学中，光通量( ) 明确的定义为能够被人的视觉系统所感受到的那部分 光辐射功率大小的度量，单位是l m ( 流明) 。 因此，光通量这个概念把人眼看不到的红外线和紫外线排除在外，而且在数 量上也并不等于看得见的那部分光辐射功率值。按照国际上的概念，光通量用标 准眼来评价，可用下式求出 1 7 o - - - k 肼i ，e , 2 v ( 五) d 旯 ( 7 ) 式中y ( 五) 就是标准的明视觉函数，人眼的视觉效果，就是从这里开始引入到 对光的定量评价中来的：“是单位波长间隔内光的实际功率( w ) ；k 是一个转 换常数，叫最大光谱效能，它的数值是一个国际协议值，规定k 。= 6 8 3 l 州w ，即表 示在人眼视觉系统最敏感的波长( 5 5 5 n m ) 上，每瓦光功率相应的流明数。由此可 见光通量的大小反映了一个光源所发出的光辐射能所能引起的人眼光亮感觉的能 力。 一个光源，它在发光时，可以向四面八方射出，但它向各个方向所发出的光 通量可能是不一样的，于是定义了发光强度来描述在某一指定方向上发出光通量 的能力，定义在指定方向上的一个很小的立体角元内所包含的光通量值，除以这 个立体角元所得值就定义为光源在此方向上的发光强度如图2 3 ，用公式表示就是 d c d 2 d r 2 ( 8 )、。， 式中：，为发光强度，d q 为立体角元，d 为这个立体角元内所包含的光通 量。发光强度的单位是c a ( 坎德拉) 。 图2 3 发光强度定义示意图 由上式可见，发光强度i 为描述了光源在某一方向上发光的强弱。发光强度与 光通量之f b - j 的另一个关系式为： = ，d q ( 9 ) 对于一个各向同性的点光源，设它的发光强度为g c d ，则它发出的总光通量是 4 n g l m 3 4 2照度 当有一定数量的光通量达到一个接受面上时我们说这个面被照明了，照明程 度的大小可以用照度来描述。照度e 被定义为单位面积上的光通量，用式子表示 1 8 为 ，= d 也= d a 0 0 ) 照度的单位是勒克斯( 1 x ) ，当1 l u m 的光通量均匀地照射在lm 2 的面积上， 这个面上的照度就等于l l x ，即l l x = l l u m lm 2 3 4 3 亮度 发光强度只描述了光源在某一方向上的发光能力，并未涉及光源的面积，采 用单位面积上的发光强度更能比较各种光源的“优劣”，这就要用到亮度这个概念。 他表示单位面积上的发光强度，如图2 1 ，即： d f l 2 一 (11)da 、， 亮度的单位为c d m 2 ( 坎德拉每平方米) ，有时也称之为尼特( n i t ) ， j 参跨7 图2 4 亮度定义不意图 上式中所说的面积应理解为一个面在观察方向上的投影面积，如果这个面的 法线方向与观察方向所成之角为0 上式变为 d 2 0 2 d f f m a c o s o ( 1 2 )、一， 这是亮度更通用的表达式。亮度不仅可以描述一个发光面，还可以用来描述 光路中的任何一个截面。 1 9 表2 光度学中常用参量 名称定义表示符号单位 光通量流明( 1 m ) d 发光强度l坎德拉( e d ) d q d 2 坎德拉每平方米 亮度 d d m ac o s 0 ( c d m 2 ) d 照度e勒克斯( i x ) d a 2 0 4 随机网点生成算法研究 如前所述，导光板中的网点是将点光源( l e d ) 或线光源( c c f l ) 转化为均 匀面光源的主要结构，所以扩散网点的设计是导光板设计中最重要的和工作量最 大的工作。 为了引发散乱或是扩散反射，通常利用网版印刷设备在导光板下表面涂布由 二氧化钛、硫化钡与u v ( 或i r ) 胶所构成的白色网点或在导光板底部生成一些 散射、反射型的结构。网点的密度与大小一般是靠近灯管的网点密度越疏，直径 越小，随着距离的增加网点密度逐渐变密，网点的直径越来越大，藉此设计使光 线能均匀分布在导光板表面。 背光照明单元是l c d 显示器中最耗电的部件，因此提高背光照明单元的光线 利用效率成为重要的课题。虽然侧光方式具有极佳的光线收敛特性，不过基本上 背光照明单元属于透明组件，规则的白色微小网点或是光线散乱体容易与液晶盒 产生的干涉图案，随着液晶显示器大型化越来越明显，几乎已到达无法忽视的程 度。虽然微小构造体可透过最佳化设计获得适宜的形状，不过整体而言如何有效 排列微小构造体却是设计者最困扰的问题，因此下面将介绍有关不规则网点图案 的理论设计技术( 以下通称为网点生成法) 。 4 1 随机网点生成法的现况 为了避免液晶盒的数据线和栅极引线两个规则性图案与导光板的网点产生干 涉，理论上最有效的方法是使网点图案作不规则排列，不过实际上不规则排列过 程中如果造成网点相互重迭时，该部位就会变成亮点或是暗点，此外网点图案的 填充率分布若是有非均匀性时，就会发生目视上的辉度不均现象，换句话说理想 的网点图案必需具备下列三项条件： 1 ) 网点图案呈极不规则排列时，亦不会造成网点与液晶盒之间产生莫尔条 纹】； 2 ) 网点图案不规则排列时，肉眼亦无法辨识辉度不均； 3 ) 具备高度对应性可满足任意连续性的填充率分布。 事实上以上三个条件与影像浓淡二值化面临的条件极为类似。有关影像二值 化理论曾经出现许多可以满足上述条件的不规则网点图案生成法，其中以蓝色噪 声掩膜方法预期改良方案最具代表性，不过这些网点生成法多少有假设性的疑虑， 因此到目前为止，实际导光板设计方法尚无法获得令人满意的网点图案质量。 2 l 在l c d 领域中所谓的网点图案生成法大多依循拟似随机数理论设计，它的具 体步骤是将网点置于规则性格子内，再根据拟似随机数理论赋予振动，如果网点 发生重叠时再用拟似随机数理论补j 下振动，一般称此方法为拟似随机数振动法， 然而在高填充率领域，拟似随机数振动法却无法有效回避网点重叠与拟似随机数 特有的粗略特性，尤其是任意连续填充率的场合，就无法轻易产生规则性格子， 所以拟似随机数振动法并不适用于高亮度背光扩散网点的设计【1 0 1 。 4 2 斥力缓和法 要消除摩尔条纹，就需要尽量消除网点的规则分和现象，其中随机数是经常 用到的。但是目前由软件产生的随机数大部分都为伪随机数，随机数分布一致性 很差，而且点的重叠、集聚现象严重。这就要求我们设计出一种适和导光板网点 分布的随机网点生成方法。斥力缓和法是能满足这些要求的一种网点生成的方法。 本文使用m a t l a b 编写了基本的斥力缓和算法，然后就就基本算法中的一些关键性 问题和将斥力缓和法应用于导光板网点设计中的问题进行研究。 4 2 1 斥力缓和原理 髓 出臼 图2 5 斥力缓和l 法的动作模型 若以数学模式而言，它是假设i 网点与j 网点之间具有斥力，同时将由随机数 产生的初期位置作为初期条件，借此解运动方程，即相对于i 网点的运动方程可用 下式表示： m 拿+ c 妾：c 三石 ( 1 3 )+ c = ，j 三 ，：， 1 1 3 ) d t 。d t l q 、。 式中，m 与c 为定数，f 是点f 所受到的合力。 以上动力学模式的特征之一是，即使任意两个网点更换时仍可维持不变，这 也是产生不规则网点图案不可欠缺的条件。因为不规则网点图案是获得高画质影 像条件之一。 斥力缓和法可以将随机数转换为可以用于导光板