带有双层导光板的小视角液晶屏

杨宏运，朱向冰，邢晓雨，钱立勇，崔海田

(安徽师范大学，物理与电子信息学院，安徽 芜湖　241000)



带有双层导光板的小视角液晶屏

杨宏运，朱向冰，邢晓雨，钱立勇，崔海田

(安徽师范大学，物理与电子信息学院，安徽 芜湖241000)

设计了一种能减小出光角度的液晶屏背光模块，通过角度控制导光板模块和LED光源模块，其中角度控制导光板模块包括导光板一和导光板二，导光板一的外表面贴有三棱柱阵列，导光板二的内表面贴有增光片，外表面嵌有透镜阵列；LED光源模块包括：铝基电路板、铝基电路板表面均匀铺设的LED、扩散板、下扩散片等结构；该结构可以有效的减小液晶屏出光角度，可满足飞机驾驶舱及防窥显示器的要求。

液晶屏；背光模块；三棱柱阵列；透镜阵列

引言

目前国内外已经对液晶显示技术研究有一定进展。20世纪90年代，随着笔记本电脑的普及，液晶显示技术开始飞速发展。现有的液晶显示器的出光角度都非常大，液晶显示器件最大的出光角度甚至达到178度，如IPS屏幕。但在一些特殊的应用场合中，如在飞机的驾驶舱或者航天器中，若液晶屏出光角度太大，则不仅耗能，而且照到附近仪表盘上的反射光会干扰到飞行员的视线，尤其在夜间驾驶时，会给飞行员带来一定操作难度和潜在危险。在另外一些场合中液晶屏出光角度太大，会造成使用者的隐私泄露。

如今市场上的液晶屏的最小视角是60°。这个是通过3M公司的防窥膜达到的视角效果；这种技术是在液晶面板外表面贴上一层防窥膜，这种防窥膜暴露在空气中，长时间使用容易被刮花，而且降低了屏幕亮度和对比度，对人眼看到物体的清晰度有一定的干扰；并且防窥膜携带不方便。如果可以用光学的方法直接减小液晶屏的出光角度，能确保屏幕上的内容不被他人窥探，不仅能够保护隐私，而且还不影响屏幕亮度、对比度。所以减小液晶屏的出光角度十分必要。

1　出光角度的要求

人眼视角即人的肉眼可视角度的度数通常是120°，当集中注意时约为正常视角的1/5，即25°。因人眼的单眼视角每10°差异很大，所以人视觉在5～10°是敏感区，10°～20°可以正确识别信息，20°～30°对动态东西比较敏感，当图像的垂直方向视角为20°，水平方向的视角为36°时，就会有非常好的视觉临场感，而且也不因为频繁转动眼球造成疲倦；人眼的最佳转动区在水平方向是+30°～-30°，竖直方向是+25°～-30°。

液晶屏视角是指水平方向和垂直方向的亮度分别为液晶屏法线方向亮度一半时，该观察方向与液晶屏法线的夹角分别称为水平视角和垂直视角，一般用正负表示左右和上下各多少度[2]。本文要求在液晶屏中心的法线方向亮度达到680 cd/m2，上方的视角是30°，下方视角是60°，左、右两边视角均是40°；从上述角度观测时液晶屏亮度达到340 cd/m2，并且当观测角度更大的时候，亮度进一步下降，光线主要集中在上述角度围成的锥形中，而锥形以外的光线要很少，亮度很弱，观看效果相对较差。

在液晶面板的视角已经非常大的前提下，LCD显示屏的出光角度主要是由背光模块的出光角度决定的，因此减小背光模块的出光角度是非常重要的。

2　背光模块的设计

液晶屏的背光模块分为直下式和侧入式，其中直下式具有亮度高的优点，为了满足上述要求，本文选择直下式的背光模块，改变直下式的光学结构。直下式背光模块的结构是由光源、扩散板、增亮膜、导光板、反射膜等组成。为了控制出光角度，且确保亮度和对比度的前提下，在普通的直下式背光模块中，增加了双层导光板，并且在第一层导光板的出光面增加了三棱柱阵列，在第二层导光板的出光面增加了椭圆透镜阵列，入光面贴有增光片；光线经过第一层导光板进入第二层导光板中。

本文使用7寸(83 mm×47 mm)的直下式液晶屏，其中光源包括以下几个部分：铝基电路板、299颗LED， LED两两之间的间距均为3.7 mm，LED选用cree公司Xlamp®XQ-B型号，该型号是1.6 mm×1.6 mm×1.6 mm，均匀对称分布于导光板的两侧。图1为液晶屏整体图。

图1　液晶屏整体图Fig.1　LCD screen overall picture

3　导光板

选用不吸收光、反射率高的亚克力板材制作导光板，利用光源投射到亚克力板材上进而在该表面多次反射，当光线射到亚克力导光板表面的导光点时，反射光线会向各个方向扩散，最终由导光板的正面发出，导光板利用自身的特殊结构使光线均匀分布，并将线光源或点光源转变为面光源，增加亮度和出光均匀性。

图2　整体结构示意图Fig.2　Schematic diagram of the whole structure

普通导光板不能达到控制液晶屏出光角度的要求，本实验使用两块导光板共同控制出光角度。设定靠近液晶层的导光板的一侧为外表面，与之相对的一侧为内表面；在导光板一的外表面贴上增光片，导光板二的内表面贴有增光片。

传统的增光片是利用3M微复制技术，将棱镜结构制作在PET基材上形成表面高度为(20～50)μm的微棱镜结构从而达到增亮的效果。但是在国内市场上增光片是70°对称的，并不能满足本文的需求。本文要减小出光角度需对棱镜结构进行改进，图3为改进后的棱镜结构图；(a)、(b)、(c)为微小三棱柱三视图，y0和y1为三棱柱单元主截面的两个底角，分别起着控制该侧出光角度的作用；x0和x1为三棱柱单元侧截面的两个底角，起着控制正面出光角度的作用，图3(d)为三棱柱阵列示意图。

图3　三棱柱结构Fig.3　Three prism structure

利用tracepro模拟单块导光板和增光片的出光效果，得出当棱柱高度为0.05 mm，宽度为0.05 mm，y0和y1分别为100°和45°，x0和x1均为80°时，此时液晶屏的出光如下图所示，可见在屏幕上的光照度出现不对称现象，即出光不均匀，但出光角度较小，两条曲线分别表示水平方向和竖直方向的出光情况，在水平方向上光主要集中在±45°以内，在竖直方向上光主要集中在-60°～+30°。

图4　单块导光板和增光片的出光效果图Fig.4　A single piece of light guide plate and the light effect diagram Zengguang tablets

4　改善出光均匀性

由图4可以看出：图中角度-亮度曲线波动很大，在要求的角度范围内，屏幕的亮度出现不均匀现象，并且在指定的角度以外仍然有很多光线，为了解决这个问题，再增加透镜阵列改善出光的均匀性。

在第二块导光板的外表面添加椭圆透镜。其中椭圆的长轴为0.2 mm，短轴为0.1 mm，长轴相互平行且间距为 0.2 mm，短轴相互平行且间距为0.2 mm，长轴与短轴分别平行于导光板边界，微观结构如图5所示，其嵌入导光板的深度为0.05 mm，此深度出光均匀性最好。

图5　椭圆透镜阵列Fig.5　Elliptical lens array

此时再对透镜阵列、三棱柱阵列及两块导光板组合进行光路追迹，图6为模拟出光图。

图6　透镜阵列、三棱柱阵列及两块导光板组合出光效果图Fig.6　Lens array, three prism array and two pieces of light guide plate combination light effect diagram

由图6可看出光线比较集中，在规定的角度范围分布比较均匀。水平方向大部分光线分布在±45°内，竖直方向大部分光线分布在-45°和+30°内。

5　总结

如今市场上的液晶屏出光角度最大可以达到178°，过度地追求广视角，并不能满足一些特殊场合的需求。本文通过双导光板减小背光模块出光角度的方法进而减小液晶屏的出光角度，达到在小角度出光范围内亮度高，均匀出光的效果。该液晶屏在规定的角度范围以外的光线很少，减少了驾驶舱内的杂散光，能够满足飞机驾驶舱的要求。在民用领域里，也可以在不降低亮度和对比度的前提下保证显示器的防窥功能。

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Small Angle LCD Screen with Double Light Guide Plate

YANG Hongyun， ZHU Xiangbing，XING Xiaoyu，QIAN Liyong，CUI Haitian

(College of Physics and Electronic Information，Anhui Normal University， Wuhu241000，China)

This paper introduces a kind of LCD backlight module can reduce the light angle. Through the angle control module and LED light source module of light guide plate, guide plate angle control module includes a guide plate and light guide.The outer surface of the guide plate a with a triangular prism array, the inner surface of the guide plate(2) with a good piece, outside surface lens array are embedded; LED light source module include aluminum PCB, aluminum base PCB surface evenly laid LED、diffuser、films such as the diffusion structure.This structure can effectively reduce the LCD light angle, and also can meet the requirements of aircraft cockpit and prevent glimpse into the monitor.

LCD; backlight module; triangular prism array; lens array narrow

安徽省科技攻关项目(1301022058)，研究生科研创新与实际项目(2015cxsj125)

TN873

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.027