Mini-LED背光区域调光单元的光学特性研究

郭 举，申琼鑫，江宗钊，陈恩果,郭太良

(福州大学 物理与信息工程学院 闽都创新实验室，福建 福州 350016)

1 引 言

液晶显示器(Liquid crystal display,LCD)具有成本低、尺寸大、尺寸小等优点，因此广泛用于汽车、工业设备、手机、电视、数字手表等的显示领域[1-3]。然而，目前液晶显示器的发展仍面临一些问题，例如漏光引起的屏幕环境对比度低、图像质量低、发光源个数增多和工作时间长导致的高功耗和低光线利用率[4]。

解决上述问题的关键是重新设计和优化背光单元。为了提高背光单元的环境对比度、减少背光单元功耗以及提高光线利用率，区域调光技术应用而生[5-9]。传统的区域调光技术大多数采用直接照明的背光来实现高动态范围的调光[10-11]，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[7,12]。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，表现为区域调光单位越大，调光效果越差[13]。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。然而，使用导光板作为边缘照明背光源的优势可以大大降低背光模块的厚度和功耗，并且已经有一些关于边缘照明方式的区域动态调光背光的研究[14-16]。

Mini-LED由于其尺寸小、超薄化、低功耗等优势，应用于液晶背光能够实现更加精细化的局部区域调光，对于实现高动态对比度的液晶显示具有重要意义，是目前液晶显示的研究热点[17-19]。当前研究将Mini-LED阵列光源应用于液晶显示的背光模组实现区域调光技术[20-22]能够提高显示面板的对比度(Contrast ratio)到1 000 000∶1[23]。若将Mini-LED芯片集成在自发光显示器中，显示器会呈现出类似有机发光二极管(Organic light-emitting diode,OLED)的完美暗态，并且屏幕峰值亮度是LCD和OLED显示器的几倍左右[24]。更重要的是，Mini-LED结构简单、开口较大、视场角宽广、工作温度范围能够使显示设备在室内和室外中得到很好的应用。然而，直下式Mini-LED背光需要数量庞大的光源阵列，其功耗较大，而且由于光源阵列与扩散板之间需要有一定的混光距离[25]，该距离限制了背光模组的进一步薄型化[26-28]。当前针对Mini-LED背光模组中区域调光单元的不同结构的光学特性未有报道。

基于此，本文建立了Mini-LED背光调光单元的不同光学结构，并通过系统建模和光学仿真，对其光学性能和出光效果进行了详细对比研究，并提出了一种角入式Mini-LED背光调光单元，通过图案化导光板实现了区域调光的优化，兼容了传统直下式和侧入式的优势，实现了高性能Mini-LED背光调光。

2 Mini-LED调光单元光学结构

直下式和侧入式Mini-LED背光的局部区域调光单元示意图如图1(a)和1(b)所示。侧入式Mini-LED调光单元中,Mini-LED发光源放置于规则导光板的侧面，通过特殊设计的网点密度分布[29-30]将部分入射光能按需导出并传播到远光区域，从而达到均匀出光的要求。而直下式Mini-LED调光单元则将其发光源规则排列放置于基底上，通过阵列化Mini-LED发光源调控整个调光单元的亮暗及灰度状态。然而，无论是直下式Mini-LED调光单元还是侧入式Mini-LED调光单元，都存在着一定的优缺点。侧入式Mini-LED调光单元厚度相对较薄，需要的发光源个数少，因此调光功耗相对较低，但由于Mini-LED发光源放置于背光单元的侧边，仅能实现该物理区域内的调光。直下式Mini-LED背光单元由于需要扩散板进行匀光，调光厚度相对较大，而直下式阵列排布的光源实现区域调光相对较精细，但由于Mini-LED发光源数量庞大导致整体功耗增加。

图1 Mini-LED背光局部区域调光单元模型示意图。(a)侧入式调光单元；(b)直下式调光单元；(c)角入式调光单元。Fig.1 Schematic diagram of the mini-LED local dimming unit.(a)Edge-lit unit;(b)Direct-lit unit;(c)Corner-lit unit.

基于以上分析，本文还探索了一种角入式Mini-LED背光的区域调光单元，如图1(c)所示。不同于以上的调光单元的光学结构，通过将规则导光板做去边角化处理，四角磨平抛光形成平面入光面，使其图案化导光板的直角形状边角区域变为平面形状边角区域，然后将Mini-LED发光源放置于图案化导光板的平面形状边角区域的截面处，将光耦入到图案化导光板内，再通过图案化导光板底部的网点分布实现均匀照度分布和良好的光线利用率。一方面，通过图案化导光板利用数量极少的发光源实现均匀出光；另外一方面，由于发光源侧入放置于平面形状边角区域，整个调光单元的厚度较薄。由于角入式Mini-LED发光源的法线方向指向图案化导光板的几何中心点，应结合传统的网点分布设计实现合理的密度分布，再配合光学膜片的聚光和匀光，实现高效率、高均匀性的出光。

3 Mini-LED调光单元光学仿真对比

为了验证不同结构的调光单元在实际中的应用，本文利用光学仿真软件TracePro对不同结构的背光单元进行系统建模和仿真追迹，评价了背光单元的光学性能。在初始仿真模型中,导光板厚度为1 mm，各个光学组件的空间距离为0.1 mm，不同结构的光学模型及其光学属性尽可能与实际应用保持一致。调光单元的仿真模型的导光板参数如表1所示，导光板材料采用聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate，PMMA)，折射系数为1.493 86。Mini-LED发光源的尺寸为400 μm × 400 μm，发光光强分布符合朗伯体分布(Lambertian)，发光中心波长为450，546.1，630 nm，对应于导光板的入射波长。

表1 区域调光单元参数Tab.1 Parameters of a single local dimming zone

在光学仿真软件TracePro中完成各个光学表面的属性设置，设置50万条光线进行仿真追迹，在相同表面属性设置和材料属性设置条件下，对比了未添加光学膜片时，侧入式Mini-LED调光单元、直下式Mini-LED调光单元、以及本文提出的角入式Mini-LED调光单元的光学性能。在Mini-LED出光侧设置一个全吸收的接收面，经过仿真追迹，不同结构的调光单元的接收面辐照度如图2 所示。

图2 未添加光学膜片时，不同光学结构的调光区域光线仿真追迹结果。(a)，(b)侧入式调光单元；(c)，(d)直下式调光单元；(e)，(f)角入式调光单元。Fig.2 Simulation results of differentlocal dimming structures of backlights without optical films.(a)，(b)Edge-lit unit;(c)，(d)Direct-lit unit;(e)，(f)Corner-lit unit.

侧入式Mini-LED调光单元的接收面辐照度如图2(a)所示，调光单元的照度分布具有阶梯性，根据照度颜色条可知，近光侧的能量分布相对集中，Mini-LED发光源处归一化照度值在0.8～1的颜色分段；随着导光板上距离Mini-LED发光源越远，能量分布相对固定，归一化照度值大体在0.3～0.7的颜色分段。对应的照度分布曲线如图2(b)所示。图3(a)为针对侧入式Mini-LED调光单元设计的导光板底部网点密度分布，观察其网点密度分布，其大致呈现出单向分布趋势，即近光侧网点密度分布较为稀疏，远光测网点密度分布集中，这有利于侧入式调光单元在光传导过程的均匀光提取。

如图2(c)所示的是直下式Mini-LED调光单元的接收面辐照度分布，其主要表现为4个照度由中心逐渐向外减弱渐变的光晕。很明显可以看出，在同等的光源数量下，直下式Mini-LED调光单元很难实现空间照度的均匀分布，照明区域很难覆盖整个调光区域。同时，Mini-LED发光源的出射光线传播到一定的空间距离逐渐减小，直至为零，对应的水平方向和垂直方向的截面照度曲线如图2(d)所示，曲线图表现为“峰波”，“峰波”的最高点位于Mini-LED发光源的中心点处，随着空间距离的增大，照度逐渐减小直至为0。若将Mini-LED光源阵列与接收面之间的混光距离增加，则有可能实现更好的均匀性。可以发现，当混光距离有一定程度增加时，4颗Mini-LED光源发出的光斑能够得到很好的交叠，实现了较好的均匀性，但是此时将带来较大的调光单元厚度，且根据照度与距离平方反比定律，背光源的亮度降低导致无法满足实际应用要求。

本文提出将Mini-LED光源放置于导光板的顶角，与直下式Mini-LED调光单元相对比，有效得到了均匀的辐照度分布，其出光面的照度分布情况如图2(e)所示。其照度色段分布较为均匀，颜色偏差不大，仅在边缘区域存在一定的照度衰减，但与中心区域的色偏差小，这意味着整个接收面的照度分布较为均匀，且对应的水平方向和垂直方向的中心截面处的照度变化也相对平缓，如图2(f)所示。图3(b)为针对角入式Mini-LED调光单元所设计的导光板底部的网点密度分布图，其和侧入式Mini-LED调光单元的网点分布密度相比具有很大的区别，特别是在顶角区域近光侧，网点分布相对稀疏，而在远光侧的中心区域，网点密度分布则相对比较集中，总体分布与边角区域较为对称，其对称点为几何中心点，这也符合照度与距离平方反比定律。

图3 不同光学结构的网点密度分布。(a)角入式调光单元；(b)侧入式调光单元。Fig.3 Dot density distribution of different local dimming structures of backlights with optical films.(a)Corner-lit unit;(b)Edge-lit unit.

表2总结了不同结构的Mini-LED背光调光单元的光学性能。对于角入式Mini-LED背光调光单元，仿真所得的整体归一化照度值在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%。在未添加光学膜片的情况下，光线利用率可达86.67%。侧入式Mini-LED背光调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。然而，直下式Mini-LED背光调光单元的光线利用率为35%左右，由于Mini-LED发光源排布数量较少，难以实现照度均匀化。相对比于传统结构的背光单元，角入式Mini-LED背光调光单元的照度均匀性和光线利用率都较高，这表明角入式调光单元具有一定的可行性。

表2 不同结构的Mini-LED区域调光单元的光学性能Tab.2 Optical performances of Mini-LED dimming unit with different structures

4 Mini-LED调光单元结果讨论

上一节分析是基于无任何光学膜片加持所建立的仿真追迹结果，在实际的调光单元应用中，为了进一步提升调光单元的均匀性，往往会在Mini-LED背光模组中加入扩散片、棱镜片等光学膜片，仿真模型中的光学膜片和其他光学组件的空间距离仍为0.1 mm。本节将进一步地比较不同结构的Mini-LED背光调光单元的合理性和实用性，添加光学膜片再重新对不同结构的背光调单元进行光线仿真追迹，以对比分析其结果。Mini-LED背光调光单元插入的光学膜片的属性特征参数如表3所示。

在不同结构的Mini-LED背光调光单元正上方设置数量不等的光学膜片时，包括扩散片和正交放置的棱镜片，所得到接收面的照度分布情况如图4所示。侧入式Mini-LED背光调光单元的接收面辐照度如图4(a)所示，添加光学膜片后，辐照度分布相对均匀，照度色段分布比较合理，归一化照度值在0.7以上，局部区域照度值相对较大，观察其对应的照度曲线分布图4(b)可知，曲线相对平滑，照度差值相对较小，证明了调光区域的出光均匀性相对较好，根据ANSI九点法测得照度均匀性为74.50%，光线利用率为20%左右。直下式Mini-LED背光调光单元的接收面辐照度仍然表现为4个照度渐变的光晕，如图4(c)

图4 添加光学膜片时，不同光学结构的调光区域光线仿真追迹结果。(a)，(b)侧入式调光单元；(c)，(d)直下式调光单元；(e)，(f)角入式调光单元。Fig.4 Simulation results of different local dimming structures of backlights with optical films.(a)，(b)Edge-lit unit;(c)，(d)Direct-lit unit;(e)，(f)Corner-lit unit.

表3 Mini-LED背光调光单元插入的光学膜片参数

所示。与图2(d)相比，光晕半径减少，照度分布相对集中到Mini-LED发光源中心处，对应的水平方向和垂直方向的截面照度曲线图4(d)仍然表现为“峰波”，但“峰波”曲线相对平滑，照度分布则集中到“波峰”内，这表明扩散片和正交放置的棱镜片同时具有光匀化和缩束的效果。

本文提出的角入式Mini-LED背光调光单元与以上调光单元相比，辐照度分布仍然较为均匀，接收面的出光情况如图4(e)所示，总体看来其出光均匀，照度分布色段分布较为均匀，整个出光面归一化照度值均在0.8以上，即不存在由于网点密度分布不均带来的照度异常区域。根据ANSI九点法计算得出光面照度均匀性提升至了84.70%。另外，在添加光学膜片的情况下，光线利用率超过了90%，最终达到了92.10%，能够满足实际背光的高效率应用需求。接收面水平和垂直方向中心截面的照度曲线如图4(f)所示，更直接地反应了区域调光单元模型近光侧和远光侧的照度分布，曲线越平滑表明中心截面上照度差值越小，出光整体均匀性越好，仿真结果证明了角入式Mini-LED背光调光的可行性。

由上述分析可知，插入的光学膜片使不同结构的Mini-LED背光调光单元的空间照度均匀性有了明显的提高，对于整个背光单元的出光效果具有不可忽视的作用。然而，对于直下式Mini-LED背光单元而言，Mini-LED发光源的数量增加对于均匀的照度分布至关重要。这里特别模拟了直下式Mini-LED背光模组中，增加Mini-LED发光源的数量的照度分布仿真追迹结果，如图5所示。

图5 增加光源数量后的直下式Mini-LED背光调光单元的仿真结果Fig.5 Simulation results of the direct-lit mini-LED backlight unit with increasing multi-sources

当发光源数量增多到400颗时，照度分布均匀性有了很大的提高，根据 ANSI 九点法计算得出光面照度均匀性在80%以上，对应的水平方向和垂直方向的中心截面的照度分布曲线相对平滑，说明背光的照度均匀性已经得到了较大的提升。然而，此时，要达到同样的均匀性，直下式Mini-LED发光源的数量为400颗，而角入式Mini-LED背光调光单元仅需要4颗，其数量扩大了100倍。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加。而角入式Mini-LED背光调光单元在每个调光区域所需发光源数量仅为4颗，保证了光学性能的同时实现了总体厚度的薄型化。通过拼接组合成大面积的二维区域调光背光模组，可实现整个背光单元的高照度均匀性和光线利用率。

5 结 论

本文通过对比Mini-LED背光模组区域调光单元的3种不同光学模型，即直下式、侧入式及本文提出的角入式调光单元，并对3种模型进行光学建模和仿真，分析对比了背光模组的光学特性。该角入式Mini-LED调光单元通过将Mini-LED发光源以一定角度放置于图案化导光板的边角区域，实现均匀的光线出射。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背光调光单元结构有望开辟低功耗、高光线利用率的区域调光背光新思路。