１   引 言

液晶显示器具有成本低、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

（ ａ）侧 入 式 调 光 单 元；（ｂ）直 下 式 调 光 单 元；（ ｃ）角入式调光单元。 

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。

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。

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

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 

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）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。

表 ３     Ｍｉｎｉ－ＬＥＤ 背光调光单元插入的光学膜片参数  

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。

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。

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。

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

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。