激光加工热压导光板网点构建与优化设计北大核心CSCD

导光板的网点结构会直接影响背光模组的均匀性和亮度,不同的加工方法也会产生不同的网点结构。激光加工热压成型的导光板散射网点,因结构极其复杂,难以用光学设计软件直接进行仿真设计。提出基于仪器采集的网点表面信息,采用多个软件联合建模的方法,构建出一个可直接用于导光板仿真设计的网点模型。利用此网点模型优化设计背光模组,加工成产品测试发光均匀度达到88.8%,与仿真结果吻合。研究结果解决了企业以往只能依靠多次加工实验对导光板进行优化设计的问题,极大地减少研发时间,节省了生产成本。     

导光板底面熔合微棱镜出射亮度规律研究

基于导光板底面直接熔合微棱镜取代目前背光系统平面反射膜和网点两层结构,推导了棱镜底角和出射亮度方向角之间的关系,提出导光板出射亮度方向角与棱镜远近光源底角的解析公式.用LightTools软件对导光板进行建模仿真,通过改变棱镜两个底角,得到出射亮度峰值方向和底角之间的变化规律.理论值与模拟仿真值基本符合,为背光模组一体化的研究提供理论和实验依据.依据上述规律,设计出一体化导光板结构,其中,微棱镜近光源角为86°,远光源角为37°,亮度达到现行3M背光系统指标.     

导光板散射网点的布局与出光均匀性的研究

从背光模组的基本结构出发,通过理论分析确定了影响导光板散射网点排布的公式,证明了散射网点的排布规律对背光模组出光均匀度有影响。对一款背光模组商品建立了简化模型,通过光学软件TracePro模拟分析以及实验验证,证明了背光模组商品的出光均匀度还有提升的可能性。在此基础上,又重点分析了散射网点行间距的变化值,散射网点直径和散射网点初始行间距对导光板出光均匀度的影响。经过反复仿真模拟,取得了一组参数值,可以使优化后的导光板出光均匀度比背光模组商品的出光均匀度好。研究的结论可作为导光板散射网点设计的参考,对背光模组的设计具有指导意义。     

光散射聚合物导光板的材料参数设计

光散射聚合物(HSOT)导光板与传统导光板相比具有亮度更高均匀性更好等优点,其性能受材料的影响十分明显。通过蒙特卡罗方法进行光学仿真模拟考察不同材料的导光板照明光线的均匀性差别,研究了光散射聚合物导光板的光学性能受其中掺杂粒子的材料折射率、粒径、浓度的影响规律。通过比较不同材料参数的聚合物导光板的光学性能差别,总结出光散射聚合物导光板的材料设计方法。     

导光板网点平均密度范围的最优化研究

针对导光板(LGP)网点分布设计进行了研究,提出了以导光板网点最佳平均密度(BANDD)范围的定义来阐述导光板网点的最优化设计。根据导光板导光理论建立背光源模组(BLM)的光学模型,并仿真了模型在不同均匀网点密度(NDD)下性能的变化,结果表明在0.1~0.4之间的网点密度其出光效率与均匀性达到相对平衡。进一步对0.1~0.4范围内的网点密度进行网点排布优化以提高其均匀性,仿真结果表明网点密度在0.2~0.35范围内的网点可以达到设计阶段对均匀性指标的要求。加工了相应的实验样品,验证了导光板最佳平均网点密度范围在0.25左右,与理论相符合。该研究结果对于实际开发具有一定的指导意义,将有助于加快背光源模组的开发进度,减少开发版次,并降低背光源模组的开发成本。     

基于一种圆形LED面光源的网点设计及仿真

根据导光板散光原理,建立圆形导光板数学模型,有效地将LED线阵列转化成照度较为均匀的面光源,利用软件Trace-pro初步模拟结果求出导光板的一些参数,推导出圆形导光板的网点分布规律,最后利用光学软件进行仿真,获得了均匀度较高的光斑。实验结果表明:输出光的均匀性和亮度与网点的填充率密切相关,与网点的形状关系不大,验证了该方法的正确性。     

侧光式LED背光源的导光板网点设计

导光板是背光模组的关键组件,决定了出光效率以及出光均匀度。以2颗LED灯的侧背光为例,建立其相应模型,并运用光学理论推导出导光板网点排布规律,得到一个形式简约的公式,并将其进行扩展应用,推出了多颗灯情况下的导光板排布规律;另外将其进行等效应用,得到了线光源情况下的导光板的排布规律。     

一种圆环LED侧入式背光模组设计

侧入式背光板能有效地减少显示背光模组的厚度和背光所需的LED光源数目,为获得均匀照度的侧入背光模组,介绍一种圆环侧入式导光板结构。推导导光板中网点的设计规律,得到圆环侧入式导光板的网点大小的分布函数。利用VBA语言编程在CAD中生成网点分布,结合软件模拟分析,验证了导光板显示区域中光照亮度均匀性达到90％以上,满足了侧入式背光模组中圆环形导光板工程设计上的要求。     

集成化导光板下表面微棱镜二维分布设计

集成化导光板下表面微结构分布是影响背光模组出射光均匀性的关键因素,因此是背光模组设计的重点之一.本文针对微棱镜一维分布设计中存在的大面积同一性影响背光模组亮度均匀性的问题,提出一种集成化导光板下表面微棱镜二维分布的设计思想,以提高背光模组的亮度均匀性.利用光学软件Lighttools对5.0英寸集成化导光板下表面微棱镜结构的较佳二维分布进行优化探索,通过与较佳的一维分布仿真结果对比分析可知,优化后的二维分布模式下,背光模组的光能利用率、照度均匀性、亮度均匀性分别达到92.03%,87.07%和91.94%,满足行业标准;其中,照度均匀性比一维分布提高了10%;同时,从亮度图观察,背光模组的整体亮度均匀性得到了有效提升.该研究结果对于背光模组轻薄化、集成化开发具有一定的参考价值.     

量子点网点导光板的制备及性能研究

为了实现量子点背光源的白平衡,将红量子点和绿量子点与油墨均匀混合,采用丝网印刷的工艺将混合后的量子点浆料印刷到导光板的下表面,作为导光板的网点,在侧边蓝光LED激发下,使红、绿量子点发光并和蓝光共同复合发光。通过调整优化量子点在混合浆料中的比例和红、绿量子点的配比最终实现白平衡。利用OLYMPUS显微镜、F-4600荧光分光光度计和SRC-200M光谱彩色亮度计对量子点网点导光板表面形貌和光学性能进行了表征和分析。实验结果表明:当量子点在混合浆料中的质量分数为7%并且红量子点和绿量子点满足1∶12时,能够实现白平衡,CIE 1931色坐标为(0.330 8,0.327 1),色温为5 588 K,在100 m A的激发电流下亮度可达4.136×10~3cd/m~2,色域为NTSC的122.4%。     

Analysis of the laser patterning inside light guide panel

The objective of this research is to evaluate the feasibility of the internal patterning in the light guide panel (LGP) by applying laser engraving. LGP fabricated by the internal patterning is proposed as it offers better efficiency than is provided by bottom surface patterning. The patterns fabricated by laser engraving system could improve efficiency by approximately 40%, requiring less energy consumption in average brightness and uniformity than required by bottom surface patterned devices. Internal scatters were fabricated by Q-switched 2nd harmonic Nd:YAG laser engraving system. The performance of the fabricated LGPs was measured and its results analyzed. Modification of the shape of the LGP patterns from the simple geometry has been investigated to control the uniformity. The proposed internal scatter embedded LGP with laser engraving could provide an alternative method to conventional bottom surface scatters type with optimized patterns and geometry.     

大角度直下式LED背光透镜的设计

液晶显示领域不断提出缩减成本方案,对于液晶电视LED背光系统,提出了一种大角度背光透镜设计方案,即在目标接收屏面具有较大照度辐射角度的背光透镜设计。采用特定的双自由曲面设计,入光孔设置为类椭圆型结构面将光源出射的光通量进行等角度划分,根据接收屏面的理想照度分布与入光孔每一角度出射光通量对应关系计算出出光面自由曲线。借助底部微结构处理,再根据模具及产品成型要求补全外观结构,得到符合设计指标的方案,有效地解决了因增大角度引起的黄斑问题,并达到目标接受面均匀度的要求。针对32英寸（81 cm）的液晶电视背光模组,采用12颗最大正向电流为350 mA的LED灯珠,在模组高度为30 mm的系统中,设计的背光透镜模组达到了要求的亮度及均匀度。     

不同发光半角的圆形LED阵列辐照特性

为了探究不同发光半角对圆形LED阵列辐照特性的影响,利用单颗LED芯片的照度公式推导出圆形阵列的照度公式、光斑半径和发散角公式。使用Tracepro软件对不同发光半角的圆形LED阵列仿真并利用MATLAB进行函数数值拟合。结果表明:在有效光斑区域下,随着单颗LED发光半角的增大,圆形阵列的中心照度值逐渐降低,降低的速率近似线性增长;光斑半径和发散角逐渐增大,变化率先增大后减小。辐照均匀度随着单颗LED发光半角的增大而增大,而后保持稳定,单颗LED发光半角为60°时,圆形阵列辐照均匀度最好,且相同发光半角时接收面面积越小辐照均匀度越高。这些结论对实现圆形LED阵列照明设计提供了定量的参考和理论依据。     

一体化导光板中微结构的设计与仿真

通过LIGHTOOLS软件对背光源中导光板微结构的设计进行了模拟仿真,以期获得导光板微结构对背光源特性的影响,结果显示:圆形微结构高度小于0.15mm时,均匀度和亮度变差;高度为0.15mm,半径为1.8mm,锥度为0.6的圆锥型结构可以获得较好的亮度分布;微结构应该优先采用棱镜结构,采用80°—110°之间的顶角,可以获得较好的亮度和视角分布。     

微型曲面发光二极管阵列照度一致性研究

为提高微型曲面发光二极管(LED)阵列在显示及照明使用方面的舒适度,针对微型曲面LED阵列照度分布的均匀性问题进行研究.采用TracePro光线追迹法分别计算了柱面显示阵列及球面照明阵列的照度分布.计算结果表明,曲面弯曲半径R和光源辐射参数m是影响柱面阵列照度分布的主要因素.通过合理排布阵列像素单元位置,可以增强器件显示均匀度,提高能量利用效率.10×10柱面LED阵列最大平坦化照度均匀度为90.5%.对球面环形阵列照度分布计算结果表明,单环形LED阵列照度均匀性与像素数量无关.影响球面多环LED阵列照度分布的参数主要包括环线分布系数K、环法线与第一环阵列光源法线夹角(?)_0及各环线像素光通量之比φ.以双环LED阵列为模型进行计算,获得最大平坦化照度均匀度为94.8%.调整球面多环阵列位置参数可实现不同照度分布模式.实验对比了微型LED像素单元夹角θ分别为13°,15°和17°时的照度分布,实验结果与理论计算较为一致.本文取得的理论与实验结果可以为微型曲面LED显示及多模式智能照明设计提供参考.     

Fabrication of dual brightness enhancement structures on light guide plates using UV roll-to-plate imprinting lithography

We proposed a roll-to-plate UV imprinting lithography (RPIL) process for fabricating dual brightness enhancement structures on light guide plates (LGPs). The refractive indices of the UV resin for layers imprinted on the LGP were investigated through computer-aid optical analysis and experiments. The refractive indices of the resins ranged from 1.49 to 1.69, and flat films such as polyethylene terephthalate (PET) films used by the media layer have better on-axis luminous intensity enhancement rate rates. Using the proposed process, several vertical prismatic structures on the LGP achieved a formability rate of 97% respectively, and the luminous intensity enhancement rate exceeded 2.1, which is almost the same as that of 3M's dual-prism film. This study demonstrates the potential of our proposed process for fabricating multi-layer of microstructures on the LGP.     

Optical characteristics of LGP depending on the scattering pattern orientation for flat-type LED lighting

In flat-type light-emitting-diode (LED) lighting systems, a planar light is formed using a luminance source positioned on the side of the system and light guide panel (LGP) or reflecting plates. Thus, such systems are favorable for their thinness, which allows a relatively small number of LEDs to be used. However, the application of a high-power LED light to a large-area lighting system yields Lambertian luminaires; therefore, a point or a discomfort glare is produced, which generally causes degradation of the luminance efficiency and uniformity. In this study, we solved the problems of luminance non-uniformity and inefficiency by adjusting the orientation of an applied LGP scattered pattern and removing the remaining glare. Through computer simulation, optical characteristics that increase the efficiency even in the case of low-output LEDs were found. Specifically, a scattered pattern vertically oriented relative to the direction of the incident light improves the luminance uniformity at the side of the system, while a scattered pattern oriented parallel to the direction of the incident light plays the role of a waveguide. We implemented a flat-type LED lighting system by fabricating a large-area LGP based on the computer-simulation results and using an extremely sensitive laser. The optical characteristics observed using the laser-processed LGP were identical to those obtained in the computer simulation. Therefore, for large-area flat-type LED lighting systems, we confirmed that adjusting the orientation of the LGP scattered pattern can increase the luminance efficiency and uniformity.