背光照明系统导光板
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收稿日期 :2005 - 04 - 05 基金项目 :国家自然科学基金 (60178023) 、深圳市科技项目 (200311) 和深圳大学自然科学资助项目 。 3 通信联系人 :徐平 ,xuping @Szu. edu. cn.
图 2 光学油墨放大图 3. 1 网点印刷式〔6〕
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
2 导光板的设计
按照几何光学的反射 、全内反射和折射规律 ,以及要求导光板形 成均匀面光源而且轻量化 ,导光板主要采用平板形和楔形两种几何 形状 。当然 ,导光板的几何外形与亮度分布还是由各液晶显示器厂 商根据具体的应用环境和应用要求来决定 。通常是利用导光板内的 光线追迹 ,与导光板的形状推测光线射出的强度 。导光板内的导光 是全反射所造成的 ,因此由导光板射出的光线并无法完全满足该条 件 。以平板状导光板为例 ,如果光线完全符合全反射的条件时 ,临界 角出射光就不存在 ,类似这种结构的导光板就必需在它的底部与正 面设置微反射结构 。设计背光系统表面的光强度分布时 ,必须作微 反射或微折射结构的光学设计与仿真分析 。而进行光学设计时必须 导入冷阴极灯管的管径 、长度与抛物线外形之灯管反射膜片等各项 参数 ,有了这些参数便可假设推测背光单元表面的光强度分布 。此 外亦可利用一些背光系统用光学设计软件 ,如 ORA 公司的LightTools、 InfoTec 公司的 TracePro 以及法国 OPTIS 公司的 SPEOS 等软件 ,可以进 行如照度 (1ux) 、强度 (cd) 、亮度 (cd/ m2) 、3D 照度及光线强度分布等 分析 ,以及光路的模拟 、分析 、仿真 。设计时还应把压克力的折射率 、 塑料射出成型的收缩率等诸因素列入考虑 ,因此利用光学设计软件 获得的结果可直接转用于生产单位 ,适用范围最大可达 18 口寸导光 板。
(College of Engineering and Technology , Shenzhen University , Shenzhen , Guangdong 518060 ,China)
Abstract :In the paper , the working principle and structures of light guide plate (LGP) , designs and material , measuring and structures of common used
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 ,但是由于这种技术对注塑工艺要求很高 ,目 前国际上掌握其核心模具的设计和制造技术的公司还不多 。按照工 作方式的不同 ,大致可分为以下几类 :
(a) 散乱式射出成形导光板〔11〕 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 3a 和图 3b 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 。
图 3a 散乱式成形导光板的光线散乱图 图 3b 散乱点的直径 、浓淡分布 (b) 反射式射出成形导光板〔11〕 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 (Micro Reflector ;以下简称为 MR) ,之后再利用塑 料射出成形机制作导光板 ,MR 制作在导光板底面与导光板形成为一 体 。具有阵列状 MR 的导光板可将入射光全反射 ,主要原因是 MR 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 MR 的形状变 化控制出射光的方向 。MR 的直径为 100μm ,高度为 10μm ,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 MR 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 ,12. 1 时大小的 阵列状 MR 型导光板底面的 MR 数量大约有 100 万个 。图 4a 为具有 MR 的导光板三维外观图 ,图 4b 为 MR 单元的激光显微照片 。
作为 LCD 标准配置的背光照明系统 ,随着 LCD 市场需求的不断 增大而迅速向前发展 。背光照明系统约占 TFT - LCD 面板材料成本 的 16 % ,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成本所 在 。以 15 口寸背光照明系统为例 ,光学膜占成本结构约 37 % ,导光板 占 17 %。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 。导光板历经四代的发展〔2 ,3〕,虽然其功能都是把光源 ( 点光源或 线光源) 转换为面光源输出 ,但其制作工艺 、制作方式和性能结构等 均已发生了重大变化 。本文就导光板的工作原理与结构 、导光板设
或直接剪裁大块的 PMMA 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 100μm 到 1mm。扩散点图形要进行疏密度分布的设计 ,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 度分布 。目前较为先进可靠的设计方法是用计算机进行光路分析模
3 导光板的制作方式及种类
导光板ห้องสมุดไป่ตู้作的关键技术是散射图案的设计和注射材料
的选择及注塑成型工艺的控制 。按照制作工艺的差别 ,可以 分为印刷式〔6〕和非印刷式〔7〕两类 。
图 1a 背光照明系统结构图 图 1b 导光板中光的传播 导光板的工作原理如图 1b 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 60 %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 ,光线由于全内反射原理 (Total Inter2 nel Reflection ,简称 TIR) 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〔4 ,5〕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 。
图 5a MD 的光线折射特性 图 5b 具有 MD 的导光板与单片棱镜膜构成的背光照明系统 ②光散乱聚合物式〔3〕
所谓的光散乱聚合物导光板是在聚合物矩阵内形成微细不均一 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
关键词 :背光照明系统 ;导光板 ;二元光学 中图分类号 :TN873. 93 文献标识码 :A 文章编号 :0253 - 2743( 2006) 03 - 0005 - 03
Light guide plate of back light system
YAN Ze - lin ,XU Ping ,WAN Li - li ,CHEN Xiang - xian ,HUANG Hai - xuan , YANGJun - bo
计 、所用材料 、导光板检测以及常用导光板的结构形式作深入讨论 , 并预测导光板今后可能的发展趋势 。
1 工作原理与结构
传统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 1a 所 示 , 冷 阴 极 灯 管 (CCFL) 外侧的反射膜片呈抛物线状将 CCFL 包围 ,由光源产生的白光 透过该反射膜片反射至由压克力 ( PMMA) 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 xy 方向集光并调整光线发散角度 。
LGP are discussed. It also prefigures the developping trend of LGP in the future.
Key words :backlight system ;light guide plate ;binary optics 随着信息化时代的到来 ,显示器已成为人机交流的标准界面 。 在新世纪的平板显示领域中 ,技术成熟 、价格低廉 ,处在主导地位的 当属液晶显示器 (LCD) 。而且 ,在未来一段时间之内 ,LCD 仍将是平 板显示 (FPD) 中的主流 , 其中又以 TFT - LCD 所占比重最大 。根据 Display Search 公布的数字 ,到 2006 年 ,全球 LCD 市场容量将达到 560 亿美元 ,在全部 FPD 市场当中占有 78 %左右的市场份额〔1〕。
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 ,散射图案的形状对光散射的影响并不大 ,主要是 图案的排布及油墨的选择 。油墨是根据米氏散射理论 (Mie Scattering Theory) ,将光学散射颗粒如 UV 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 2 为光学油 墨的放大图 。
6
《激光杂志》2006 年第 27 卷第 3 期 LASER JOURNAL (Vol. 27. No. 3. 2006)
网点印刷式导光板是早期导光板的制作方式 ,其特点是劳动密 集型产品 ,成本低 ,制作时间长 ,合格率低 ,已经逐渐走向淘汰 。 3. 2 非印刷型〔7〕
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〔8 ,9 ,10 ,11〕、光散乱聚合物式〔3〕、激光雕刻式〔12〕和 3DV 切割式〔13〕等种类 。 ①射出成型式
图 2 光学油墨放大图 3. 1 网点印刷式〔6〕
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
2 导光板的设计
按照几何光学的反射 、全内反射和折射规律 ,以及要求导光板形 成均匀面光源而且轻量化 ,导光板主要采用平板形和楔形两种几何 形状 。当然 ,导光板的几何外形与亮度分布还是由各液晶显示器厂 商根据具体的应用环境和应用要求来决定 。通常是利用导光板内的 光线追迹 ,与导光板的形状推测光线射出的强度 。导光板内的导光 是全反射所造成的 ,因此由导光板射出的光线并无法完全满足该条 件 。以平板状导光板为例 ,如果光线完全符合全反射的条件时 ,临界 角出射光就不存在 ,类似这种结构的导光板就必需在它的底部与正 面设置微反射结构 。设计背光系统表面的光强度分布时 ,必须作微 反射或微折射结构的光学设计与仿真分析 。而进行光学设计时必须 导入冷阴极灯管的管径 、长度与抛物线外形之灯管反射膜片等各项 参数 ,有了这些参数便可假设推测背光单元表面的光强度分布 。此 外亦可利用一些背光系统用光学设计软件 ,如 ORA 公司的LightTools、 InfoTec 公司的 TracePro 以及法国 OPTIS 公司的 SPEOS 等软件 ,可以进 行如照度 (1ux) 、强度 (cd) 、亮度 (cd/ m2) 、3D 照度及光线强度分布等 分析 ,以及光路的模拟 、分析 、仿真 。设计时还应把压克力的折射率 、 塑料射出成型的收缩率等诸因素列入考虑 ,因此利用光学设计软件 获得的结果可直接转用于生产单位 ,适用范围最大可达 18 口寸导光 板。
(College of Engineering and Technology , Shenzhen University , Shenzhen , Guangdong 518060 ,China)
Abstract :In the paper , the working principle and structures of light guide plate (LGP) , designs and material , measuring and structures of common used
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 ,但是由于这种技术对注塑工艺要求很高 ,目 前国际上掌握其核心模具的设计和制造技术的公司还不多 。按照工 作方式的不同 ,大致可分为以下几类 :
(a) 散乱式射出成形导光板〔11〕 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 3a 和图 3b 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 。
图 3a 散乱式成形导光板的光线散乱图 图 3b 散乱点的直径 、浓淡分布 (b) 反射式射出成形导光板〔11〕 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 (Micro Reflector ;以下简称为 MR) ,之后再利用塑 料射出成形机制作导光板 ,MR 制作在导光板底面与导光板形成为一 体 。具有阵列状 MR 的导光板可将入射光全反射 ,主要原因是 MR 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 MR 的形状变 化控制出射光的方向 。MR 的直径为 100μm ,高度为 10μm ,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 MR 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 ,12. 1 时大小的 阵列状 MR 型导光板底面的 MR 数量大约有 100 万个 。图 4a 为具有 MR 的导光板三维外观图 ,图 4b 为 MR 单元的激光显微照片 。
作为 LCD 标准配置的背光照明系统 ,随着 LCD 市场需求的不断 增大而迅速向前发展 。背光照明系统约占 TFT - LCD 面板材料成本 的 16 % ,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成本所 在 。以 15 口寸背光照明系统为例 ,光学膜占成本结构约 37 % ,导光板 占 17 %。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 。导光板历经四代的发展〔2 ,3〕,虽然其功能都是把光源 ( 点光源或 线光源) 转换为面光源输出 ,但其制作工艺 、制作方式和性能结构等 均已发生了重大变化 。本文就导光板的工作原理与结构 、导光板设
或直接剪裁大块的 PMMA 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 100μm 到 1mm。扩散点图形要进行疏密度分布的设计 ,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 度分布 。目前较为先进可靠的设计方法是用计算机进行光路分析模
3 导光板的制作方式及种类
导光板ห้องสมุดไป่ตู้作的关键技术是散射图案的设计和注射材料
的选择及注塑成型工艺的控制 。按照制作工艺的差别 ,可以 分为印刷式〔6〕和非印刷式〔7〕两类 。
图 1a 背光照明系统结构图 图 1b 导光板中光的传播 导光板的工作原理如图 1b 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 60 %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 ,光线由于全内反射原理 (Total Inter2 nel Reflection ,简称 TIR) 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〔4 ,5〕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 。
图 5a MD 的光线折射特性 图 5b 具有 MD 的导光板与单片棱镜膜构成的背光照明系统 ②光散乱聚合物式〔3〕
所谓的光散乱聚合物导光板是在聚合物矩阵内形成微细不均一 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
关键词 :背光照明系统 ;导光板 ;二元光学 中图分类号 :TN873. 93 文献标识码 :A 文章编号 :0253 - 2743( 2006) 03 - 0005 - 03
Light guide plate of back light system
YAN Ze - lin ,XU Ping ,WAN Li - li ,CHEN Xiang - xian ,HUANG Hai - xuan , YANGJun - bo
计 、所用材料 、导光板检测以及常用导光板的结构形式作深入讨论 , 并预测导光板今后可能的发展趋势 。
1 工作原理与结构
传统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 1a 所 示 , 冷 阴 极 灯 管 (CCFL) 外侧的反射膜片呈抛物线状将 CCFL 包围 ,由光源产生的白光 透过该反射膜片反射至由压克力 ( PMMA) 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 xy 方向集光并调整光线发散角度 。
LGP are discussed. It also prefigures the developping trend of LGP in the future.
Key words :backlight system ;light guide plate ;binary optics 随着信息化时代的到来 ,显示器已成为人机交流的标准界面 。 在新世纪的平板显示领域中 ,技术成熟 、价格低廉 ,处在主导地位的 当属液晶显示器 (LCD) 。而且 ,在未来一段时间之内 ,LCD 仍将是平 板显示 (FPD) 中的主流 , 其中又以 TFT - LCD 所占比重最大 。根据 Display Search 公布的数字 ,到 2006 年 ,全球 LCD 市场容量将达到 560 亿美元 ,在全部 FPD 市场当中占有 78 %左右的市场份额〔1〕。
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 ,散射图案的形状对光散射的影响并不大 ,主要是 图案的排布及油墨的选择 。油墨是根据米氏散射理论 (Mie Scattering Theory) ,将光学散射颗粒如 UV 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 2 为光学油 墨的放大图 。
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《激光杂志》2006 年第 27 卷第 3 期 LASER JOURNAL (Vol. 27. No. 3. 2006)
网点印刷式导光板是早期导光板的制作方式 ,其特点是劳动密 集型产品 ,成本低 ,制作时间长 ,合格率低 ,已经逐渐走向淘汰 。 3. 2 非印刷型〔7〕
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〔8 ,9 ,10 ,11〕、光散乱聚合物式〔3〕、激光雕刻式〔12〕和 3DV 切割式〔13〕等种类 。 ①射出成型式
