棱镜膜BEF
液晶显示器的显示屏存在一定的视角,从垂直于显示平面的方向观测电脑,亮度较高;但从偏离法线一定角度观测,会发现亮度不是很高。这也合乎用户的使用要求,因为显示器通常是个人用,这要求本来分散的光通过一些方法集中到中心观测的一定角度,使在轴中心亮度大大增加,而棱镜膜就是起这样的作用。
棱镜膜(BEF:Brightness Enhancement Film)是当今使用最广泛的增亮产品,它适用于小到手机大到笔记本电脑的各个尺寸的液晶显示模块。棱镜膜是一层透明的塑料薄膜,厚度在50~300μm,在薄膜的上表面均匀而整齐地覆盖着一层棱镜结构。棱镜膜放置在背光源的扩散片和液晶面板之间(很多情况下,设计者为了保护棱镜结构,还会在棱镜上方加一层保护膜),它的作用是改善光的角分布,它可以将从扩散片射出的均匀地向各个角度发散的光汇聚到法向角度(正视角度)上,在不增加出射总光通量的情况下提高法向亮度。
也许有人认为棱镜膜就是某种汇聚透镜,其实棱镜膜真正的工作机理和汇聚透镜是有很大区别的。汇聚透镜将通过的光线一次性地利用界面折射汇聚到一起。而棱镜膜则是对入射的光线进行选择,让符合汇聚光角度的光线通过,而不符合条件的光线被反射回背光源,重新在背光源中散射后再回到棱镜膜,直到符合条件出射为止。
本文对棱镜膜的结构进行模拟分析,并使用光学软件LightTools 进行模拟。
图1给出了棱镜膜的剖面示意图,它通过折射和全反射作用,将从导光板出射的发散光集中起来,使法线附近70°范围内的观察亮度大大增加。一方面提高了正视亮度,另一方面可节省能源。在同等能量消耗的情况下,获得更佳的显示效果,因此,得到了广泛应用。从图中可以看到三类光线: (a) 出射在法线附近70°范围以内的光线,即满足要求,能够增加视觉亮度的光线; (b) 经过全反射没有射出棱镜膜,返回前面背光组件的可重复利用的光线; (c) 出射在70°范围以外的光线,即不满足拢光条件的光线。
进入棱镜膜的光线被棱镜膜分为三类。{dy}类,直接出射,这些光线被棱镜底面折射之后,入射到棱镜面上,如入射角比全反射角小,它们就会从棱镜表面直接出射。因为有棱镜侧面的倾斜角度和入射角要小于全反射角的限制,出射的光会分布在70度左右的范围之内。第二类,反射回背光源,这样的光线在入射到棱镜表面上的入射角符合全反射条件,在被反射到对面的棱镜表面上时,若入射角依然符合全反射条件,光线就被反射回背光源。这些被反射回背光源的光线会重新经过扩散片,进入导光板再被底反射片反射,然后再回到导光板,再通过扩散片,这时光线被xx打散,再一次进入棱镜膜后,又被分成三类光线进行选择。第三类光线是被棱镜表面全反射一次之后,到达对面棱镜表面时不符合全反射条件的光线。这些光线大部分会进入邻近的棱镜然后在那里被全反射,返回背光源。另外一小部分角度比较大的光线不能进入邻近的棱镜,这些光线最终会被损失掉。
3 类光线的比率会随着棱镜膜下面几个参数的变化而改变: ①折射率n ,多数材料的折射率在1. 49~1. 5; ②棱镜膜的整体厚度d; ③棱镜槽的高度h;④顶角α。在LightTools 中进行模拟:
整个背光组件
棱镜膜
棱镜膜的增亮效果,主要表现在将光线向中心聚拢的程度和出射的均匀度两个方面。其中:
①均匀性
U = (该像素点70°以内的光线数 / 所有像素点70°以内的光线数的{zd0}值)×255
假定亮度{zg}像素点的灰度值为255,该参数表征棱镜膜各个位置光线出射是否均匀。
②亮度
L = (该像素点70°以内的光线数 / 所有像素点出射的所有光线数)×100
该参数表征视觉增亮的效果。
在背光源上使用一张棱镜膜可以使得光线在一个方向上汇聚,如果在这张棱镜膜上面再叠加一层棱镜方向与其垂直的棱镜膜,光线就可以在两个方向上都得到汇聚。两张棱镜膜能够达到的法向增益大约为2,也就是说,如果在未使用棱镜膜的情况下,背光源的法向亮度为I,那么两张相交叉的棱镜膜可以将光汇聚到法向附近,达到2I的法向亮度。在手持设备和笔记本屏幕中多使用这样的交叉棱镜膜的配置。
另外,笔记本电脑的导光板多为单侧进光的楔型导光板,这样的导光板在向上出光时,光线会偏向远离灯管的一边,使用交叉棱镜膜除了可以聚光,还可以帮助调整背光源出光方向。所以,在笔记本电脑中,棱镜膜不仅可以起到增加法向亮度的功能,而且是纠正屏幕出光方向的重要光学元件。因为采用棱镜膜,笔记本电脑的设计者可以使用管径更细的荧光灯管,使用更薄的导光板,从而使屏幕部分更轻薄。同时,在得到同样画质的情况下,屏幕耗电更少。相信所有的笔记本电脑使用者都有在电池即将用完时调暗屏幕赢得工作时间的经历。锂电池不仅重量大,而且存在安全隐患,所有锂电池厂家都要在出厂前老化电池相当长的时间,这提高了电池的成本。减少屏幕耗电,不仅可以使电池更小,也可以同时减少安全隐患及降低整机价格。棱镜膜给笔记本电脑带来的不仅是亮度,而且还有整机的轻便、安全和高xxx
附:液晶显示器背光组件结构
液晶显示器背光组件由冷阴极管、灯管反射板、导光板、反光板、扩散板、棱镜片、偏光板、液晶盒、上偏光板组成。
液晶显示器是通过高亮灯管(冷阴极管)发光,由灯管反射板将光线反光平行射向导光板,导光板具有光线吸收及反射作用,在底部的反光板的反光作用下,光线会均匀、平行的投向偏光板,然后透过液晶分子,继续通过上层偏光板最终成像。