李可敬， 李香君， 俞良， 許啟民， 呂國強， 王梓， 馮奇斌*

（1.合肥工業(yè)大學 儀器科學與光電工程學院， 安徽 合肥 230009；2.蕪湖長信科技有限公司， 安徽 蕪湖 241007；3.合肥工業(yè)大學 光電技術研究院， 安徽 合肥 230009）

1 引言

液晶顯示（Liquid Crystal Display，LCD）已經成為主流的平板顯示技術，目前主流的LCD是透射式的。透射式LCD需要背光源提供照明，強光環(huán)境下需要消耗較大的功耗以滿足顯示亮度要求［1-2］。反射式LCD則通過反射環(huán)境光照亮顯示器，在明亮的戶外環(huán)境中具有良好的性能。隨著綠色發(fā)展理念的不斷深入，反射式液晶顯示獲得了越來越多的應用。但當環(huán)境光較弱時，反射式液晶需要搭配前光模組以彌補環(huán)境光不足時顯示亮度較暗的問題［3］。

在側入式透射式液晶顯示器中，背光模組中位于側邊的光源發(fā)出的光經過導光板（Light Guide Plate，LGP）調制后向上出射，經擴散膜、增亮膜（Brightness Enhancement Film，BEF）等光學膜系進入液晶層［4］。在反射式液晶顯示器中，光源發(fā)出的光線經過LGP上表面的網點后，一部分光線向下出射，經過液晶層調制后向上進入人眼，還有一部分光線直接出射形成雜散光，影響顯示對比度及視角等。與背光模組相比，前光模組沒有背光模組中的光學膜系對光線進行二次調制［5-7］，出射的光線直接進入人眼，故前光模組的視角在很大程度上決定了反射式液晶顯示的視角。目前針對前光模組的研究主要是對對比度的探究。Hsin-Tao Huang［8］等人通過簡化前光模組，研究了框貼、膠貼等不同粘接方式對亮度、對比度的影響。Jyh-Cheng Yu［9］等人針對導光板的圓柱形網點形貌，通過仿真對比，提出對網點的高度、傾角等參數加以限制，使LGP具有良好的透明度、低干擾和均勻的照明。但這些研究中對于前光模組的視角問題卻極少涉及。在前光模組中，出射光線的角度通過導光板進行調控，常見的網點形貌下視角曲線存在跳變、不均勻等問題。本文針對前光模組視角問題，提出一種針對前光模組的網點形貌及其分布設計，能夠有效保證反射式液晶顯示的最終顯示質量，降低開發(fā)風險。

2 光線走向分析及建模

導光板是側入式光學模組中的核心部件，起著將點光源或者線光源轉變?yōu)槊婀庠吹淖饔?。通常側入式液晶顯示器模組的光源由LED燈條提供。圖1（a）為背光模組的光線走向示意圖，導光板中網點位于下表面，光線入射到網點上時，全反射被破壞而向上出射，經擴散膜、增亮膜完成對光線的二次調制，達到勻光及收縮光線角度的效果。圖1（b）為前光模組的光線走向示意圖，網點在導光板上表面，將光線向下反射經過反射液晶層調制后再向上出射。由于沒有背光模組中的BEF等光學膜系，反射式液晶顯示模組的視角依賴于網點形貌的調控，存在跳變、不均勻等問題。

圖1 光線走向示意圖Fig.1 Schematic diagram of ray tracing

反射式液晶顯示仿真模型如圖2所示，包含LED光源、導光板、光學膠綁定層、反射液晶層及燈腔。考慮到反射式液晶主要應用于戶外，本文中導光板采用具有更好的化學耐久性、熱穩(wěn)定性和機械性能的玻璃，避免有機透明材料在環(huán)境中會受到陽光、潮濕等環(huán)境因素影響發(fā)生形變［10-11］。LED發(fā)出的光線進入導光板后，大部分發(fā)生全反射在LGP中傳播，這部分光線入射到導光板上表面的網點時，全反射被破壞，或經反射式液晶調制后向上出射或繼續(xù)在導光板內傳播［12-13］。綁定層則通常用高透過率的光學透明膠（Optically Clear Adhesive，OCA）將導光板和反射液晶層緊密綁定在一起。

圖2 反射式液晶模組的仿真模型Fig.2 Simulation model of reflective liquid crystal module

為方便進行探究，本文使用LightTools作為仿真軟件，以12.5 in（1 in=2.54 cm）顯示器為例建立了反射式液晶模組仿真模型，設置模組材料屬性、導光板的表面屬性等，具體參數設置如表1所示。

表1 仿真模型參數Tab.1 Simulation model parameters

3 仿真分析及討論

在前光模組中，無論是否經過液晶調制的光都要從導光板出射直接進入人眼，出射光線的角度將直接影響顯示器視角的優(yōu)劣，因此，網點不僅起著勻光的作用，也要兼顧視角的調控。本文以如圖3所示的圓錐形和圓臺形網點為例，分析亮度視角的變化，其優(yōu)劣以在離開液晶面板的法線方向觀看，亮度是否呈平滑下降、亮度值大小、光線角度收縮程度等為判定標準。視角曲線出現跳變、不均勻等會對正常觀看圖像造成影響［14］。在側入式導光板設計中，網點披覆率決定著導光板出光面的整體亮度和均勻性，局部網點的大小變化可以調整導光板局部出光的亮度，進而實現出光均勻性的調整［15］。本文在改變網點形貌的同時調整網點密度以達到均勻顯示的目的，并根據九點測試法，使其均勻性達到85%以上，再對其視角進行分析。

圖3 網點形貌Fig.3 Dots morphology

3.1 圓錐形網點對視角的影響及分析

以圓錐形網點為例，將網點底面半徑R固定為25 μm，圓錐形網點高度H設置為變量，分別為4/5R、R、6/5R和7/5R探究視角變化規(guī)律，調整網點密度分布，使其均勻性滿足要求，記錄角亮度數據如圖4所示。

圖4 不同高度的圓錐形網點仿真Fig.4 Simulation of conical dots with different heights

對于圓錐形網點，保持底部半徑不變，逐漸增加高度，中心視角有逐漸升高的趨勢，但出現了在±35°左右視角曲線不平滑、有明顯跳變的問題。雖然隨著網點高度增加跳變逐漸變小，但大角度40°～80°和-40°～-80°的光線較多，光線出射角度較為分散。此外，0°視角亮度值的提升也受到限制，不能滿足使用要求。

3.2 圓臺形網點對視角的影響及分析

改變圓錐形網點的高度，其視角曲線仍然存在缺陷，不能滿足顯示器的使用要求，因此采用圓臺形網點做進一步仿真分析。圓臺形網點設置為底面半徑R=25 μm，頂部半徑r分別為14 μm、17 μm、20 μm，高度H設置為10 μm，其仿真結果如圖5所示。

圖5 不同頂部半徑的圓臺網點仿真Fig.5 Simulation of truncated cone dots with different top radii

保持圓臺形網點底面半徑、高度不變，增大頂部半徑，圓臺形網點仍不能避免±35°時的視角曲線跳變問題，且中心視角亮度在升高后又發(fā)生陡變，當頂部半徑r=20 μm時反轉為“U”型。通過視角曲線可以看出，在40°～80°和-40°～-80°區(qū)間仍然分布了較多的光線，且0°視角亮度值相對下降，不滿足視角要求。

3.3 網點形貌及分布的優(yōu)化設計

上述仿真結果表明，在背光模組中常用的網點形貌在前光模組中的視角曲線存在跳變和不均勻問題。本文針對雙側入光前光模組導光板，提出一種不對稱網點形貌及網點對稱分布方式以改善視角問題。

在前光模組中，導光板中的網點不僅需要破壞光線的全反射，還需要對出光角度進行調控。圖4（c）、圖5（b）的仿真結果表明，圓錐形與圓臺形網點在傾角為50°時，視角曲線的0°視角亮度在上述仿真中最高，但從40°/-40°開始，亮度出現突然增高，導致視角曲線出現跳變。分析其原因如圖6（a）所示，圓錐形網點的不同截面S1、S2形狀不一致，對相同角度光線走向調控也不一致。圖6（b）中，多束相同角度的光線分別入射到S1、S2截面，其中藍色光線l1～l6表示入射到S2截面后出射的光線，紅色光線l3'～l6'表示入射到S1截面后出射的光線，綠色光線l1'～l2'則由于截面大小差異，未入射到網點上而繼續(xù)在導光板中傳播。在圓錐中S1截面為雙曲線，其切線與水平面的最大夾角在曲線起始點處，且S1截面均小于S2截面，則在S1曲線上的不同位置法線與水平面的夾角均大于S2截面法線與水平面的夾角，l3'～l6'的經截面S1后與水平方向的夾角比l3～l6小，造成40°～80°的區(qū)間光線增多，導致視角曲線出現跳變。因此，本文提出一種棱柱形網點用于改善視角問題，如圖7（a）所示，將圖6中S2截面拉伸，保持各截面形狀一致，能更好地調控相同角度的出射光。設置單個網點長30 μm、寬20 μm、傾角50°，其仿真結果如圖7（b）所示。

圖6 圓錐形網點分析Fig.6 Conical dots analysis

圖7 棱柱形網點Fig.7 Prismatic dots

仿真結果表明，棱柱形網點消除了視角曲線的跳變，0°視角亮度明顯升高，但在視角曲線50°附近出現了平臺，分析其原因為l3光線較多。為了減少類似l3角度的光線出射，借鑒l1、l2光線走向，將棱柱改變形貌，其截面及光線走向如圖8（a）所示。可以將光線l3照射到網點的直角面p使其再次進入導光板被調制，減少大角度出光，改善視角曲線的跳變，同時，直角面p也可以對另一側光線l7起到收縮角度改善視角的作用。結合模型的雙側入光，為了分別對兩側的光線進行調控，設置網點為沿中心對稱分布，截取中心部分如圖8（b）所示，設置直角棱柱單個網點長30 μm、寬10 μm、傾角50°，其截面如圖9（a）所示。仿真結果表明，對稱分布的直角棱柱形網點可以有效改善視角，消除了±50°時的平臺，大角度光線進一步收縮，視角曲線有明顯改善，但是棱柱形網點面與面之間過渡不夠平滑，使得0°視角凹陷明顯。本文對上述棱柱形網點進行改進，將橫截面變?yōu)榛⌒危覟楸ＷC傾斜面對光線的調控效果，側重于對直角側進行改進，其網點形貌及仿真結果如圖9（c）、9（d）所示。

圖8 直角棱柱形網點Fig.8 Right-angled prismatic dots

圖9 棱柱形網點仿真結果Fig.9 Simulation results of prismatic dots

如圖9（c）所示，修改后的網點在0°視角的凹陷得到了優(yōu)化。與圖4（c）相比，中心視角亮度提升了52.3%，能有效改善前光模組視角。

4 結論

本文聚焦反射式液晶顯示設備，建立了反射式液晶顯示仿真模型，著重對其前光模組視角問題進行探究。通過總結圓錐形、圓臺形網點在前光模組仿真中出現的視角問題，對網點形貌及光線走向進行分析，提出一種結合模型雙側入光對稱分布的棱柱形網點。仿真結果表明，該設計可以有效控制前光模組出射光線角度，改善顯示質量，在使視角曲線平滑的同時將0°視角亮度相比于圓錐形網點提升了52.3%，有效實現了光線角度的收縮。本研究對應用前光模組的反射式液晶顯示設備的視角設計具有重要參考意義。