基于光學仿真Tracepro軟件對多面微結構導光板光學性能的研究

王佳佳 賀建蕓 謝鵬程 申增強 馬 旭

(北京化工大學 機電工程學院， 北京 100029)

引 言

液晶顯示器(LCD)具有體積小、輻射低、能耗小、光學顯示效果好、圖像質量高等優點[1-5]，已逐漸取代傳統的陰極射線管(CRT)顯示器，成為平板顯示行業的主流產品。隨著科技的飛速發展，液晶顯示器已廣泛應用于汽車、手機、相機、筆記本電腦、醫用設備等產品領域[6-8]。液晶顯示器由背光模組和液晶顯示面板兩部分組成，而導光板是背光模組中最重要的組件之一，是影響液晶顯示質量的關鍵因素[9]。背光模組按光源位置分為直下式和側入式兩種。其中，直下式背光模組結構的優點是不需要導光板，但為了使光線混合均勻及亮度提高，需預留一定空間，因此難以滿足液晶顯示屏更輕更薄的發展需求；側入式背光模組結構從下到上分別為反射膜、導光板、擴散膜和棱鏡膜，發光二極管(LED)光源位于導光板一側，由于側入式背光模組是依靠導光板進行光線混合，易實現液晶顯示器的薄型化，因而越來越受到人們的青睞。

在側入式背光模組結構中，導光板是重要的組成元件之一。導光板，即引導光線，是將側面點光源及線光源轉換為所需的面光源的光學器件。導光板所使用的材料通常為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA), 又稱亞克力透明板或有機玻璃，其折射率n=1.49。目前，國內導光板的需求大量依賴進口，例如奇美電子、夏普、三星電子等供應商，因此未來我國的導光板行業有很大的發展空間。衡量導光板性能優劣的主要指標是導光板出光面的出光效率和照度均勻度。LED光源從側面耦合進入導光板，在導光板內部通過折射、散射和反射將光線轉化為從正面發出的面光源。當導光板底部無微結構時，光線從光密介質(導光板)進入光疏介質(空氣)，入射角大于全反射臨界角，發生全反射現象，致使光線無法從導光板出光面射出。在導光板的底部添加微結構可改變光線的原始傳播路徑，使光線從出光面射出。為了提高光學器件的集成度，在微器件兩面或多面同時設置微結構的光學器件越來越受到關注，例如集成化導光板在LED光源側添加微結構以改善導光板入口處的明顯暗區，并在導光板出光面添加微結構以提升導光板的出光效率，最終可實現棱鏡膜、擴散膜與導光板三合一的效果[10-12]，向導光板功能的一體化及薄型化更進了一步。

導光板微結構的設計直接影響液晶顯示器的光學質量，因此研究表面微結構對導光板照度均勻度及出光效率的影響規律成為當前的一個熱點[13-15]。本文基于光學仿真Tracepro軟件探究微結構的形貌、尺寸及排列方式等對導光板出光面照度均勻度及出光效率的影響，以提高導光板出光面的光學質量，可望對實際工程中制備聚合物微結構導光板起到一定的指導作用。

1 微結構的設計

1.1 LED光源

LED貼片光源屬性設定：波長為0.546 1 μm，光通量大小為680 lm，場角分布為朗伯型，光線追跡為20 000條，溫度設置為300 K。在LED發光面正上方添加一個探測屏，用于觀測LED發光面表面的照度分布情況。最終得到單顆LED貼片配光曲線和照度分布如圖1所示。

圖1 單顆LED貼片配光曲線和照度分布Fig.1 The light distribution curve and illuminance distribution of a single LED patch

1.2 導光板模型

建立導光板模型，首先設定導光板的尺寸為40 mm×40 mm×2 mm，為了方便觀測導光板出光面光線的分布情況，在導光板出光面正上方添加一個觀察屏，觀察屏下表面屬性設置為Perfect Absorber(完全吸收)。導光板的入光面和出光面均不設定屬性。為了保證光線能夠從導光板正面射出，其他面均設為Prefect Mirror(理想鏡面)，這樣當光線射到其他3個面時，光線即產生鏡面反射，從而使模擬結果更準確。導光板簡要模型如圖2所示。

圖2 導光板簡要模型Fig.2 Model of the light guide plate

1.3 微結構的選擇

光線耦合進入導光板，改變導光板內部光線全反射現象的方法有散射網點法、微結構法和微光柵法，其中微結構法應用較為廣泛，本文主要探究微結構法破壞導光板內部全反射的現象。微結構有多種形式，它們的設計原理基本相同，本文主要對4種不同的微結構形式進行分析對比，從中選擇一種較優的微結構進行參數設計。圖3為4種不同的微結構及其排布。

圖3 4種不同的微結構Fig.3 Four different microstructures

4種不同的微結構均采用等間距均勻分布，分別設計為V型槽陣列、矩形槽陣列、金字塔陣列、網點陣列的最佳尺寸。V型槽陣列微結構頂角為60°，寬度為0.1 mm，間距為0.13 mm；矩形槽陣列微結構寬度為0.1 mm，深度為0.009 mm，間距為0.13 mm；金字塔型陣列微結構錐角為45°，間距為0.13 mm；網點陣列微結構半徑為0.05 mm，深度為0.009 mm，間距為0.13 mm。在可見光波長(0.38～0.78 μm)范圍內進行模擬分析。由于導光板出光面的出光效率直接決定了其亮度，因此根據出光效率來選擇一種合適的微結構類型。4種不同微結構導光板正面的出光效率隨波長的變化如圖4所示。

圖4 不同波長下不同微結構對導光板的出光效率Fig.4 The light-emitting efficiency with different microstructures on the light guide plate at different wavelengths

由圖4可知，V型槽的出光效率最高，其次是網點陣列微結構，矩形槽陣列微結構的出光效率最低。網點微結構的出光效率與V型槽相比略低，但是較為接近。由于V型槽微結構通常采用微切削的加工制作方法，操作復雜，對設備和刀具的要求較高，而網點微結構可采用紫外光刻電鑄成型(UV- LIGA)技術制備模板，制備精度高，所以本文采用網點微結構作為導光板底部的微結構。

1.4 微結構尺寸的設計

在光學仿真Tracepro軟件中，分別設置LED光源、導光板以及觀察屏的屬性。微結構采用矩形排布，通過控制變量法分別改變微結構的半徑、深度以及間距大小，根據觀察屏表面的出光效率和照度均勻度的變化規律最終得出微結構尺寸參數為半徑0.05 mm，深度0.009 mm，間距0.13 mm。

1.5 網點凹槽結構的選擇

導光板表面微結構有向內凹陷或向外凸出兩種方式，本文探究微結構的“凹凸”方式對導光板出光效率的影響。設定導光板底部微結構尺寸如下：半徑為0.05 mm，深度(或凸起)為0.009 mm，間距為0.13 mm。在可見光波長范圍內，微結構“凹凸”方式對導光板出光效率的影響如圖5所示。

圖5 微結構“凹凸”方式對導光板出光效率的影響Fig.5 The influence of the “concave-convex” micro-structure on the light-emitting efficiency of the light guide plate

由圖5可知，在可見光范圍內，波長的改變是納米級別的，變化極其微小，且當光線從一種介質進入另一種介質時，波長與折射率成反比，因此折射率也幾乎沒有改變，即光線的軌跡路線變化不大，波長的改變對導光板出光效率影響很小。而微結構的“凹凸”方式對導光板的出光效率影響很大，當微結構向內凹陷時，導光板的出光效率在47.5%上下微微浮動，而微結構向外凸出時，導光板的出光效率在20%左右微微浮動，微結構凸出時的出光效率不到凹陷時的出光效率的一半，因此本文采用微結構向內凹陷的設計。在波長為0.546 1 μm時，兩種結構設計下的照度如圖6所示。

圖6 “凹凸”微結構下的導光板表面照度圖Fig.6 Surface illuminance map of the light guide plate with the “concave-convex” microstructure

1.6 微結構排列方式的設計

網點微結構陣列有3種排列方式，即矩形排布、錯列矩形排布和六邊形排布。當微結構尺寸參數為半徑0.05 mm、深度0.009 mm、間距0.13 mm時，在可見光波長范圍內，排列方式與導光板出光效率的關系如圖7所示。

由圖7可知，3種不同的微結構排列方式對導光板出光效率的影響不大，所以本文采用較為簡單的矩形排布方式進行研究，微結構形式如圖8所示。

圖7 微結構排列方式對導光板出光效率的影響Fig.7 The influence of the microstructure arrangement on the light-emitting efficiency of the light guide plate

圖8 微結構形式Fig.8 View of the microstructure

2 模擬結果與分析

2.1 導光板表面無微結構

當導光板表面無微結構時，對模型進行光線追跡后，觀察屏上導光板出光面照度如圖9所示。

圖9 無微結構導光板表面照度圖Fig.9 Surface illuminance diagram of the light guide plate without any microstructure

由圖9可知，當導光板表面沒有微結構時，導光板相當于一個平面波導元件，光線從側邊耦合進入導光板向遠方傳播時，會在導光板內發生全反射，幾乎沒有光線從導光板上表面射出。

2.2 導光板底面有微結構

當導光板底面有微結構時，設定導光板表面屬性如下：Diffusion White; 網點形狀Sphere; 網點向內凹陷; 網點半徑0.05 mm；網點深度0.009 mm；網點間距0.13 mm。對模型進行光線追跡后，觀察屏上導光板出光面照度如圖10所示。

圖10 底面微結構導光板表面照度圖Fig.10 Surface illuminance diagram of the microstructure light guide plate on the underside

由光學仿真Tracepro軟件分析可得，當導光板底面有微結構排布時，微結構會改變原始光線的傳播路徑，破壞導光板內部的全反射現象。導光板出光面上光照度的大小與導光板距離光源的遠近有關，離光源越近，光照度越大，反之則越小。光線耦合進入導光板時，光源與光源之間存在明顯的暗區，導光板橫向照度分布均勻。根據九點測試法則測得導光板表面的輻照強度分別為1 055、1 188、3 313、3 466、1 218、2 463、2 353、1 262、1 541 W/m2，結果分析得出，出光效率為48.7%，照度均勻度為54.3%。

2.3 導光板底面和入光面均有微結構

在導光板底部添加微結構的基礎上，同時在導光板的入光面添加微結構進行模擬分析。設定導光板表面屬性如下：Diffusion White；網點形狀Sphere;網點向內凹陷;網點半徑0.05 mm；網點深度0.009 mm；網點間距0.13 mm。對模型進行光線追跡后，觀察屏上導光板表面照度如圖11所示。

圖11 入光側微結構導光板表面照度圖Fig.11 Surface illuminance diagram of the microstructure light guide plate on the light incident side

由光學仿真Tracepro軟件分析可得，導光板底部有微結構時，會破壞導光板內部全反射現象，當導光板入光側添加微結構時，增大了光源的光線發散程度，消除了光源與光源之間的明顯暗區，其照度均勻度相比于無微結構入光面得到了明顯提高。根據九點測試法則測得導光板表面的輻照強度分別為1 494、3 741、3 200、1 516、1 511、1 547、2 918、2 853、1 968 W/m2，結果分析得出，出光效率為42.6%，照度均勻度為80.8%。

2.4 導光板底面、入光面和出光面均有微結構

在導光板底面和入光面都有微結構的基礎上，導光板照度均勻度有所提高，但出光效率仍然不太理想，在此基礎上研究在導光板出光面添加微結構。設定導光板表面屬性如下：Diffusion White;網點形狀Sphere;網點向內凹陷;網點半徑0.05 mm；網點深度0.009 mm；網點間距0.13 mm。在可見光波長范圍內，對模型進行光線追跡模擬，導光板表面出光效率如圖12所示。

圖12 不同波長下導光板出光面是否添加微結構的出光效率變化Fig.12 Change in light-emitting efficiency of the light guide plate with and without microstructure on the light-emithing surface at different wavelengths

由圖12可知，導光板出光面添加微結構后具有光線增透效果，在功能上等效于棱鏡膜(增亮膜)的作用，在不降低導光板照度均勻度的情況下，出光效率達到60%左右，比之前有明顯的提升。

2.5 變間距式網點微結構

在上述研究結果的基礎上，運用光學仿真Tracepro軟件中自帶的Reptile(鱗甲)功能，將網點微結構設計為變間距式，即遠光源處網點密度大于近光源處網點密度的排列方式，不斷優化網點微結構排列的結構參數，得到一種出光更為均勻的導光板。設定導光板表面屬性如下：Diffusion White;網點形狀Sphere; 網點向內凹陷; 網點半徑0.05 mm；網點深度0.009 mm；沿垂直光源方向，以導光板的長為單位1分為3份，從左到右依次是1/6、1/3、1/2；網點間距分別設為0.10、 0.13、0.15 mm，具體排列如圖13(a)所示。對模型進行光線追跡后，觀察屏上導光板出光面照度如圖13(b)所示。

圖13 變間距式網點微結構及導光板出光面照度圖Fig.13 Variable-pitch dot microstructure and the surface illuminance of the light guide plate

經過導光板底面網點微結構變間距式模擬仿真分析，結果表明獲得了更高的照度均勻度。這是因為在光線進入導光板的傳遞過程中，會有部分光線遇到網點微結構發生反射而從表面射出，遠離光源部分光線會有所減弱，因此采用底面網點微結構在遠光源處密度大于近光源處密度的排列方式，導光板的照度均勻度得到提升，最大可達到90.2%，且出光效率仍在60%左右，符合國際標準[16]。

3 結論

本文基于光學仿真Tracepro軟件，通過不斷優化導光板微結構對其出光效率和照度均勻度進行分析研究，結果發現，在導光板入光側添加微結構后，導光板的照度均勻度得到明顯提升，由54.3%提高至80.8%；并且在照度均勻度維持在80%左右的基礎上，進一步在導光板表面添加微結構，使得導光板表面的出光效率提升至60%左右；最后采用底面網點微結構遠光源處密度大于近光源處密度的排列方式，使導光板的照度均勻度最大可達到90.2%，提升效果明顯，為之后導光板的設計提供了一定的借鑒意義。