毕业论文：光散射聚合物双出射导光板的设计与参数优化

毕业设计论文

题目：光散射聚合物双出射导光板的设计与参数优化

学 院 ： 信息科学与工程学院
专 业 ： 电子科学与技术
届 别 ： 2012届

论文摘要

作为二十一世纪的主流显示终端，LED液晶显示器在平板显示领域中处于主导地位。导光板作为液晶显示器背光系统中重要的组成部分，其性能的优劣对液晶显示器的显示质量以及能耗有重要影响。传统导光板一般采用透明的光学材料，需要扩散膜等其它辅助光学薄膜才能将点光源或者线光源有效地转换成均匀的面光源。这些光学薄膜增加了背光模组的厚度、加工的复杂性及液晶显示器的成本。
为此，日本庆应义塾大学小池教授提出了新型体散射导光板的设想。为了满足轻薄节能的市场需求，本文对基于双面出射的聚合物散射LED侧入式背光模组加以讨论和优化。这种双出射导光板可向上下两面同时辐射光线，可以同时为两块液晶面板提供背光源，通过在光学材料内部掺入高散射微粒子，使得从侧面光源发出的光在导光板内部产生散射，并从导光板表面均匀射出。相信该设计无论在个人电子设备还是在公共设施方面都有良好的应用前景。该设计的核心内容是对导光板的聚合物材料参数进行优化设计。
1.从光度、色度学的基础理论入手，分析了导光板的导光原理；并且对体散射导光板的微观规律进行理论分析。
2.由于影响体散射导光板光学性质的因素较多，现有光学设计手段仍不够完善和普及，本文旨在总结各个材料参数对导光板宏观性能的复杂影响规律，总结适用于体散射导光板材料参数的优化方法，为实验提供一定的依据。
3.通过研究掺杂粒子的折射率、粒子直径、粒子浓度等几个因素对导光板光学性能的影响，找到较为合适的理论参数，并借助米散射理论解释这一现象的理论原因。





关键词：LED背光源，双出射导光板，光散射聚合物，体散射

Abstract
As the mainstream display terminal of the twenty-first century, LED backlight monitors in a dominant position in the field of flat panel display. As an important component of the liquid crystal display backlight system, LGP will have a major impact in LCD display quality and energy consumption of it’s performance. Conventional LGP is generally use transparent optical materials, it needs to diffusion film and other au*iliary optical films can be point the light source effectively converted into a uniform surface light source. These optical films to increase the thickness of the backlight module, the processing comple*ity and cost of the liquid crystal display.
To this end, a professor at Japan’s Keio University, Koike proposed the
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略2507字，正式会员可完整阅读）……　
…………………………………………….20
5.4 发光强度………………………………………………………………………….21
5.5 照度……………………………………………………………………………….21
5.6 亮度……………………………………………………………………………….22
5.7 主波长…………………………………………………………………………….23
第三章 体散射导光板掺杂颗粒的讨论………………………………………………………..24
1 微观规律…………………………………………………………………………………24
1.1 单个粒子散射效率……………………………………………………………….24
1.2 平均_程……………………………………………………………………….25
1.3 光线传播衰减…………………………………………………………………….26
1.4 出光效率………………………………………………………………………….28
2 掺杂材料的种类对光学性能的影响…………………………………………………….28
体散射颗粒的选择…………………………………………………………………….28
3 掺杂材料相对折射率的影响…………………………………………………………….29
4 粒子尺寸的影响………………………………………………………………………….31
3.1 直径大小对出光角度分布的影响………………………………………………..31
3.2 直径大小对散射效果的影响………………………………………………...…...32
5 掺杂浓度对光学性能的影响…………………………………………………………….33
6 亚微米粒子材料的设计………………………………………………………………….35
7 小结……………………………………………………………………………………….37
第四章 样品制作与测试分析…………………………………………………………………...38
1 试验样品的制作………………………………………………………………………….38
1.1光源………………………………………………………………………………..38
1.2导光板……………………………………………………………………………..38
2 样品的组装……………………………………………………………………………….39
3 样品的测试与分析方法………………………………………………………………….41
第五章 结论与展望……………………………………………………………………………...42
1 结论……………………………………………………………………………………….42
2 课题展望………………………………………………………………………………….42
参考文献………………………………………………………………………………………….44
致 谢………………………………………………………………………………………….45
附录（文献翻译）……………………………………………………………………………… 46

















引 言

1.平板显示产业的发展
二十一世纪是一个信息化飞速发展的时期，显示技术作为人机联系和信息展示的窗口已经广泛应用于军事、工业、娱乐、交通、教育、航空航天、卫星遥感以及医疗等诸多方面。显示产业已经成为信息工业的一大支柱产业。在我国，显示技术及相关产业的产品占信息产业总产值的45%左右。随着生活水平的提高，人们对显示终端的要求也在升级。20世纪的显示器件中，阴极摄像管（CRT）占据着主要地位，与此同时，以液晶显示器（LCD）为代表的平板显示器件,包括等离子体显示器（PDP）、电致发光板（EL）、真空荧光管（VFD）、有机发光二极管（OLED）、发光二极管（LED）、场发射显示器（FED）也在快速发展。大尺寸电视、通信手机、PDA以及快速普及的电脑都要求有便携的显示器件与之配套。
液晶显示（Liquid Crystal Display, LCD）器件是当前发展最成熟、应用面最广、产业化程度最高、发展最迅猛的一种平板显示器件。也是现在和未来IT 产业发展的主要领域之一，拥有广阔得市场前景和巨大的利润空间。
经过30 多年的发展，中国的液晶产业也有了很大的发展，已成为全球最大的TN/STN 生产大国和产值排名世界第四的LCD 生产区域。目前，在中国大陆有大约180家与LCD 产业相关的生产厂商、科研院所，约110 条TN/ STN- LCD 生产线，10 余条TFT- LCD 生产线和众多的TN/STN/TFT 模块生产线。随着中国经济和信息产业的快速发展，国家以及各级政府部门已经越来越关注液晶显示产业的建设。可以说，在未来一段时期内，中国的液晶产业即将迎来一个快速发展的机遇期。


2.双出射导光板的市场应用及发展前景
目前，双面显示已经广泛应用于诸如手机一类的显示终端上，副屏设置并显示很多额外的功能。在众多公共场所都需要双向显示终端，如车站的售票信息口、列车电视、广告灯箱、指示牌等。但是为了满足低功耗、便携式的特点，双面显示器件都选用侧入式背光模组。要保证双面显示两面的辐射光通量均匀性一致，无疑增加了设计的难度。
早在2002年，日本LEIZ在美国西雅图举办的“SID2004”会议上公布了单层光板、双面发光的LED背照灯技术，这种背照灯是专为配备副显示屏的手机开发生产的。该技术的特点在于利用在导光板下面形成的下射棱镜和在上面形成的微光学系统对光进行控制，但是导光板的成型比较困难，并且微光学系统的成本较高。这种设备的两块显示屏幕尺寸不同，并且亮度的要求也是不同的。在2008年我国深圳和上海纷纷出现了以双出射导光板为主要构件的广告灯箱，这种导光板的特点是应用了两块分立的导光板背靠背叠合在一起，然后同时为两块液晶板提供背照光源，这样一来，产品的功耗、重量和厚度都大幅增加。2009年，为了满足客户和工作人员能够共享同一信息，国外开发设计了可以任意旋转的显示器件，但是该设备并不是便捷的结构模式。
基于上述背景，一种轻薄并且能双面出光的背光模组，可以同时为两块液晶板提供光源将大大节省成本，降低功耗，具有广阔的市场前景。


3.本论文的研究内容
导光板是平板显示设备的重要部件，是背光模组的关键技术之一，所以对其进行设计与优化具有重要意义。对于最新提出的纳米颗粒体散射导光板而言，目前的市场上还缺少相关的理论经验和模拟软件。本文借助相关理论知识和参考相关文献，来研究体散射导光板中均匀掺加粒子的种类性质、浓度、尺寸以及相对折射率等方面对其光学性能的影响；简要阐述粒子在均匀分布情况下的影响以及实际可行性，从而总结和推断出相对较为合理和优秀的掺杂方案。





第一章 液晶显示基础

1. 液晶显示的基本原理

图1.1 LCD的基本结构
液晶是1888年澳大利亚植物学着莱尼茨尔研究胆甾醇在植物中的作用是无意中发现的。深入研究表明，这种几乎完全透明的物质收到外界电场影响时，其分子会产生精确的有序排列；光线穿透液晶的路径可以由构成它的分子排列来决定；如对分子加以适当的控制，液晶分子将允许光线穿透。
如图1.1所示，液晶显示技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。当液晶上加一个电压时，分子会垂直排列，使光线能直射出去而不发生任何扭转。通过改变LCD中的液晶排列，可使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。从而使液晶技术发展成为平板显示技术并得到广泛应用。
液晶彩色屏幕有三个比较重要的指标：亮度、对比度和可视角度。其中亮度是反映屏幕发光程度的重要指标。亮度值越高，屏幕对周围环境的抗干扰能力越强，画面越亮丽。对比度是指在规定的照明和观察条件下，液晶彩屏亮区与暗区的亮度之比，对比度越高，色彩越鲜艳饱和。可视角度是指经过导光板和光学组件后从屏幕发出的光所具备的特定的方向性。由此可见，一块高亮度、出光高均匀度的导光板在液晶显示中具有重要意义。

2.背光源技术
由于液晶显示器本身不发光，所以需要配备相应的光源。背光源技术最早应用于军事设备上的仪表显示，之后相继出现了粉末电致发光背光源(EL-BL)、冷阴极荧光灯背光源(CCFL-BL)和半导体发光二极管背光源(LED-BL)。
电致发光背光源由于亮度低，仅适用于小型显示器的背光模块，应用并不广泛。而且要求高压驱动（工作时需配升压逆变器），在实际应用中有诸多不便。但其具有发光面积大，发光均匀，微功耗和轻薄等优点，在未来市场具有潜在的应用优势。
冷阴极荧光灯背光源的优点是亮度高，发白光容易，并且三基色均匀。所以一般用于大面积显示设备的背光源。缺点是寿命相对较短（一般使用寿命在3万小时左右），工作电压偏高，并且在双面出光领域应用有一定难度。
LED背光源的特点是功耗小，出光效率较高，并且寿命长。LED目前的使用寿命可以达到10万小时，远远超出普通光源的使用寿命。采用LED作为背光的液晶板，其色彩的再现度很容易达到NTSC（美国国家电视制式委员会，National Television System Committee）规格的100%以上水平。但是作为背光源它对设计水平的要求比较高。
不论是何种形式的背光源，都可以按照光源的分布位置分为直下式背光源（又称背盒式light bo*背光源）和侧入式背光源（又称边进式edge-light背光源）两种。
(1).侧入式（Edge light）结构如图2-图4所示：该结构多用于手机、数码相机、笔记本电脑等中小尺寸的显示器件上，其优点在于轻薄型、功耗低，随着生产技术的进步，现在许多大尺寸的显示器件也在启用侧入式背光模组。侧光式背光模组的主要特点是将线或点光源转化成面光源，其主要部件包括光源，导光板、扩散膜、反射片、棱镜膜和框架。侧入式白光LED被业界称为第三代LED背光技术，已经向超大液晶显示器件_。它可以大幅提高液晶显示器的对比度和色域，可以达到NTSC 的80% 以上。但是由于薄型化的要求，各组件的加工难度随之增大，成本比较高。并且因为侧入式LED 的位置不是在液晶面板的正后方，因此难以实现背光源的区域调光。图1.2到1.4是几种常见的典型侧入背光源技术：

图1.2 多管双侧式背光源

图1.3 单管单侧式背光源

图1.4 大型中空式结构背光源


(2)直下式（Bottom lighting）结构如图1.5所示:直下式背光模组主要特点是其光源，包括点光源和线光源，分布在液晶板的正下方，经过一定空间的混光，再配合一系列的光学膜材的扩散和增强，就可以得到比较理想的面光效果。这种结构相对于侧入式的厚度、重量以及功耗都有所增加。目前，直下式背光模组多用于大尺寸的显示器件。相比侧入式，它的厚度很大，尤其是现在正在开发应用的三基色混光理论，需要一定的空间充分混合后才能获得均匀的光效。

图1.5 直下式结构背光源

本文最后之作出的实物所采用的是双侧入光的LED导光板。

3.导光板技术
导光板是背光源模块中光源的传播媒介，同时也是本文将要重点讨论的部分。导光板的材料和结构决定了背光模块整体的亮度水平和照度分布，它的不断改良是背光技术水平不断提高的重要途径。按照工作原理的不同，可分为反射式导光板、折射式导光板、面散射型导光板和体散射型导光板多种。
各种导光板技术各有优缺点，基于本文是对双面出光导光板的讨论和设计，体散射导光板在结构上无疑更加具有优势。通过反射，折射等机制要形成均匀的双面出光。难度较大，而通过纳米颗粒的光的散射，无疑可以较好的解决这一问题，光线在纳米颗粒上通过散射改变方向，侧向散射光射出导光板，不能发生散射的光也会继续向导光板传播，进行下一次散射。由此来提高双面出光背光源的亮度、均匀性等光学性能，同时也较容易满足双面出光背光源轻薄化，低成本化的设计要求。



图1.6 反射式导光板示意图



图1.7 面散射型导光板



图1.8 传统（左）与光散射聚合物（右）导光板背光的区别


通过比较可以看出，在聚合物散射机制的导光板中，光的散射是发生在整个导光板中而不是导光板底面，所以在选材合适的前提下其出射光均匀性可以达到很好，可不再使用扩散膜从而降低了光线通过扩散膜的吸收损失。


















第二章 体散射导光板的理论基础

1. LED光源
LED（Light Emitting Diode，发光二极管）是一种半导体元器件。发光二极管的核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片，在p 型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为p-n 结。P区带有过量的正电荷（通常称为空穴），n区带有过量的负电荷（通常称为电子），当正向导通的电压加在这个半导体材料的pn结上时，电子就会从n区向p区移动，在p区和n区得交界处电子和空 ……（未完，全文共39146字，当前仅显示7041字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：光散射聚合物双出射导光板的设计与参数优化》）