Mini-LED背光是当前液晶显示最为先进和热门的技术,根据《Mini LED商用显示屏通用技术规范》团体标准,Mini-LED定义为:芯片尺寸介于50~200μm之间的LED器件。目前越来越多的常规LED制造商开始向Mini-LED转型,主要原因在于制备常规LED的大多数现有工艺和设备通过技术升级都可以直接用于Mini-LED的制造。

相较于常规LED背光,Mini-LED用作液晶显示背光的优势有以下四点:

(1)通过区域调光技术精细化控制Mini-LED光源,能够实现百万级以上的超高显示对比度;

(2)通过结合量子点技术实现更广的色域和色彩还原度;

(3)背光模组得以更加薄型化;

(4)高亮度与散热均匀相兼顾。

当前,Mini-LED背光需要数量庞大的直下式光源阵列,且由于光源阵列与扩散板之间需要有一定的混光距离,该距离限制了背光模组的进一步薄型化。然而,当前针对Mini-LED背光模组中区域调光单元结构的优化仍有待进一步讨论。

近日,福州大学陈恩果教授团队在《液晶与显示(ESCI、核心期刊)发表了题为“Mini-LED背光区域单元的光学特性研究”的研究文章。

文章分析对比了Mini-LED侧入式和直下式背光区域调光单元的光学特性,通过系统建模和光学仿真,对光学性能和出光效果进行了详细对比研究,并提出了一种新型的角入式Mini-LED背光调光单元,通过图案化导光板网点实现了区域调光的均匀性优化,该结构兼容了直下式和侧入式背光源的优势,对于Mini-LED背光模组的研究及应用具有重要意义。

1 引言

传统的区域调光技术大多数采用直下式照明的背光源来实现高动态范围的调光,即在背板上布置数量众多的发光源,根据驱动电路传递的图像灰度调节特定区域发光源的亮暗状态,但是这种直下式背光单元的结构设计往往由于基数庞大的发光源而导致整个背光单元的高功耗,且存在光晕重叠的问题导致区域调光效果下降。

与直下式背光模组相比,侧入式背光单元的发光源位于导光板的侧面,不需要大量的发光源且整个背光单元相对较薄,但其难以实现区域动态调光,尤其是二维区域动态调光;同时,导光板近光侧和远光侧的照度差异导致整个导光板出光不均,表现为区域调光单元越大,调光效果越差。

上述问题阻碍了特定目标区域中出光面的照度均匀分布,从而降低了图像质量和光线利用率。因此,结合直下式和侧入式背光源优势,设计一种新型的Mini-LED区域调光背光单元结构模型,对兼顾背光模组的薄型化和减少发光源的数量有较高的应用价值。

2 Mini-LED背光调光单元光学结构

采用侧入式和直下式的Mini-LED背光源调光单元如图1(a)和(b)所示。
图1 Mini-LED区域调光单元光学模型示意图。
(a)侧入式;(b)直下式;(c)角入式。

侧入式Mini-LED背光调光单元中, Mini-LED发光源是放置于矩形导光板的侧面,通过优化网点密度分布将入射光线传播到远光侧,从而达到均匀的照度分布要求。

直下式Mini-LED背光调光单元,其发光源则呈阵列规则排布于基底,通过大量的Mini-LED调控整个背光单元的亮暗状态。


结合以上两种结构,本文提出了一种新型的角入式Mini-LED背光调光单元。同于以往的背光单元结构设计,通过将Mini-LED发光源放置于图案化导光板的边角截面区域以实现均匀照度分布和良好的光线利用率。由于角入式Mini-LED发光源的出光面为单面发光,因此,发光面的法线方向指向图案化导光板的几何中心点,结合设计的网点密度分布和光学膜片,能够实现高性能的角入式Mini-LED背光单元出光效果。

3 仿真结果与讨论

为了验证不同结构的背光单元的实际应用,在光学仿真软件中构建仿真模型,导光板参数如表1所示。

表1 导光板参数


经过仿真追迹,不同结构的Mini-LED背光区域调光单元的接受面辐照度图如图2 所示。

图2 Mini-LED背光区域调光单元的光线仿真追迹结果。
(a)侧入式;(b)直下式;(c)角入式。

如图2所示的不同结构的Mini-LED背光区域调光单元的光学性能如表2所示。对于角入式背光单元,整个仿真模型的归一化照度值在0.65以上,根据ANSI九点法计算出的出光面照度均匀性为67.27%,光线利用率可达86.669%。而侧入式Mini-LED背光单元的照度均匀性能够达到63.33%,光线利用率仅为20%左右,直下式Mini-LED背光单元的光线利用率为35%左右。这里将直下式Mini-LED发光源排布数量设置为和角入式一致,但是在这么少的光源数量的情况下,直下式结构难以实现均匀的照度分布。相对于传统结构的背光单元,角入式Mini-LED背光单元的照度均匀性和光线利用率都有了很大的提高,说明了角入式Mini-LED背光单元的可行性及网点密度分布设计的有效性。

表2 不同Mini-LED背光调光单元的光学性能


要实现均匀出光,直下式Mini-LED发光源的数量相比较于角入式Mini-LED背光单元和侧入式Mini-LED背光单元需要大大增加。可以预期,随着背光单元面积的增大,所需的Mini-LED发光源将成千上万颗,整个背光单元的功耗将极大增大。而角入式Mini-LED背光单元所需发光源仅布局于角落,光学性能表现优异,且无需长混光距离。进一步,角入式Mini-LED背光调光单元还可以作为子物理分区,通过拼接组合成大面积的二维区域调光背光单元,如图3所示的是多个角入式Mini-LED背光调光单元获得的整个背光源的均匀照明及高光线利用率。

图3 多个角入式调光区域拼接的Mini-LED背光源仿真结果。

4 实验结果与分析

角入式导光板的调光网点阵列是通过丝网印刷工艺实现,丝网印刷的工作原理为油墨通过预先制备的网版上的镂空图案部分转移印刷在待印导光板表面,从而在导光板表面形成设计图案。利用金属丝网版印刷的调光网点的显微图像及其3D结构形貌如下图4所示。如图4(a)所示,相邻的散射网点间隔在380μm ~690μm之间,同时利用3D激光显微镜(OLS4100)测量其单个散射网点的结构形貌如图4(b)所示,对应的形貌轮廓如图4(c)所示。测量的散射网点的高度在15μm ~21μm左右,宽度在475μm~535μm的范围内。
图4 通过丝网印刷工艺制备的散射网点的2D及其3D结构形貌图。

为了检验区域调光单元的点亮效果,当角入式导光板的下表面没有丝网印刷网点、未加光学膜片时,其光学表现如图5(a)所示。Mini-LED发光源出射的光线照射到导光板的侧壁,由于在导光板内部全反射条件没有被破坏,入射光线在导光板周边区域出现高亮状态,在区域调光单元正面显示“ FZU”福大徽标。另外,为了能够突出显示丝网印刷网点的光学效果,在测试中将“ FZU”福大徽标替换为英文文献,光学表现如图5(b)所示,丝网印刷网点的轮廓清晰可见。图5(c)所示为有网点且添加光学膜片后的区域调光单元出光效果,可见得到了该调光区域均匀的照度分布。

图5 角入式Mini-LED背光区域调光单元效果。
(a) 无网点、无光学膜片;(b)有网点、无光学膜片;(c) 有网点、有光学膜片。

5 展望

Mini-LED结合区域调光技术已经成为液晶显示的研究热点。运用尺寸较小的Mini-LED作为发光源,优化背光模组的设计方案,不仅能够使Mini-LED背光与液晶面板之间完全贴合;还能够在降低背光模组功耗的同时提高亮度等级和对比度,进而提高显示图像的画面细腻程度。进一步地,区域调光技术结合新型显示材料量子点,或者将Mini-LED区域调光技术与量子点显示器件结合,以实现更加精准的光线控制和更高的对比度显示。

与侧入式Mini-LED背光调光单元和直下式Mini-LED背光调光单元相对比,角入式Mini-LED背光调光单元不仅能够减少Mini-LED发光源的个数,降低背光功耗,而且照度均匀性和光线利用率均较好。该单元可以进一步作为子分区进行拼接形成大尺寸的背光模组,并通过控制子分区的亮暗状态,实现良好的区域调光效果。

本文对于Mini-LED背光调光单元的设计具有重要的理论指导意义和应用价值,提出的角入式Mini-LED背光调光单元结构能够有望开辟低功耗、高光线利用率的区域调光背光新思路。


来源: 陈恩果教授

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Mini-LED背光区域调光单元的光学特性研究

创建时间:2021-08-03
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