基本信息
- 项目名称：
- 背光模组微棱镜结构导光薄膜的研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本课题研究的是基于光学微棱镜结构的超薄型导光膜的设计与制作方法。其原理是通过其背面分布的一些光学微棱镜的散射作用把“点光源”变为“面光源”，用于手机按键和LCD背景光模组上。在光的散射和全反射原理上，我们实验研究采用光学软件，进行大量的光学仿真实验，找出最合适的棱镜形状和深度。我们采用了分子动力学算法，用MATLAB编程，开发出了设计软件，得到最佳的导光膜上的光学微棱镜的密度分布图。
- 详细介绍：
- 本课题研究的是基于光学微棱镜结构的超薄型导光膜的设计与制作方法。基于光学微棱镜结构导光膜的原理是通过其背面分布的一些光学微棱镜的散射作用把“点光源”变为“面光源”，用于手机按键的背景光和超薄电子便携设备的LCD背景光模组上。本课题研究的科学性在于导光膜技术基于光的散射原理和光全反射原理，我们实验研究采用light tools软件，利用对比实验法和控制变量法，进行大量的光学仿真实验，找出最合适的棱镜形状和棱镜深度。我们对导光薄膜设计的先进性在于采用了分子动力学算法，用MATLAB编程，开发出了设计软件，得到设计需要的最佳的导光膜上的光学微棱镜的密度分布图，得出了光学微棱镜的结构和密度分布的设计方法。我们设计并制作出了基于光学微棱镜结构的超薄导光膜，它的实用性是比传统开模注塑技术制作的导光板相比具有以下优点：厚度薄,仅有0.125mm；更高的光亮度和均匀性，亮度>20cd/m2,均匀性>40%；更节能，节省LED，只需 只需2个LED做光源；更高的可靠性，寿命更长；能实现各种复杂的发光图形。
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撰写目的和基本思路
- 撰写目的：随着显示行业的飞速发展，轻、薄、低能耗的背光模组成为该领域研发趋势。传统制作方法和存在度厚、发光亮度低且不均匀、难以实现杂图形发亮、生产效率较低成本较高等问题。我们这个项目的研究目的主要研究基于光学微棱镜结构的超薄型导光膜的设计与制作方法。 基本思路：我们主要进行光学微棱镜结构的研究与设计、光学微棱镜的密度分布研究、LED电源驱动设计，得出导光膜的最佳设计方案，并制作出了导光膜实物。
科学性、先进性及独特之处
- 我们用光学仿真软件light tools进行大量的光学仿真实验，既节省成本又能有很好效果，得出导光膜的光学微棱镜结构的设计方案——光学微棱镜为深30 um的球冠状结构。我们研究分子动力学方法的边界反射算法，用MATLAB编程，开发出了初步的设计软件，得出了最佳的光学微棱镜的密度分布图。我们用TI公司的TPS61161驱动芯片设计驱动电路控制LED，可连接单片机进行控制。
应用价值和现实意义
- 我们研制的超薄导光膜，其性能指标为：1厚度0.175mm；2均匀度> 85％；3亮度> 40 cd/m2；4可以实现复杂图形发光。其适用于小型、轻薄的面板，如笔记型电脑、手机等。目前，国内外制造的光导膜厚度一般在1-3mm，光能利用率偏低，主要制造技术专利由少数国家垄断。随着手机、笔记本电脑的小型化，要求背光模组轻、薄、低成本，因此新型光导膜的设计以及相关产业化生产制造技术的研究是一个竞争热点。
学术论文摘要
- 导光膜的原理是通过其背面分布的一些光学微棱镜的散射作用把“点光源”变为“面光源”。传统制作方法和存在度厚、发光亮度低且不均匀、难以使复杂图形发亮、生产效率较低成本较高等问题。我们通过light tools进行大量的光学仿真实验，得出导光膜微棱镜的最佳形状为球冠状、最佳深度为30um左右，此时导光膜出射光能量的亮度和均匀度最佳，光利用率高。利用分子动力学方法设计导光膜网点密度分布情况，设计边界反射算法用MATLAB编程，开发出了导光膜网点密度分布的初步的设计软件。我们选择MSP430F2101单片机和TI公司的TPS61161驱动芯片，设计通过对单片机进行编程，其输出PWM信号控制LED驱动芯片和驱动电路，从而达到控制LED等亮度的目的。利用研究结果的最佳光学微棱镜结构和密度分布设计了含有一个花朵图案的超薄型导光膜。
获奖情况
- 2010年12月获得天津理工大学学生科技活动一等奖
鉴定结果
- 该项目是我专业学生进行的课外活动科技项目，曾获天津理工大学学生科技活动一等奖，申报情况属实。
参考文献
- 1、黄启智，LCD 显示器的背光技术分析及应用，漳州职业技术学院学报，2008,10（1）:4-6.30. 2、Daniel den Engelsen, 童林夙，背光源的发展趋势，光电子技术，2006,26（2）：73-79。 3、鄢泽林,徐平等，背光照明系统导光板，激光杂志，2006，27（3）：5-7。 4、骆健忠,陈哲等，侧光平板式导光板散射网点设计及仿真分析，液晶与显示，2006,21（3）：206-213。 5、黄娟,段谷青,曾阳素，二元光学技术制作背光照明系统导光板，邵阳学院学报(自然科学版)，2006,3（4）：38-41。 6、王瑗，黄耀清,杨文明,赵铁松，基于发光二极管和导光板的彩色光源色度的测量，大学物理，2005,24（9）：50-56。 7、吴波，一种导光膜的制备方法，发明专利，CN101393297A。 8、吴波，一种导光组件和键盘，发明专利，CN101620289A
同类课题研究水平概述
- 随着显示行业的飞速发展，轻量型、超薄型、低能耗的背光模组成为该领域研究发展趋势。背光模组主要由光源、反射板、导光板、扩散膜、棱镜膜及外框等部分组成。由于背光模组主要的光学设计以及亮度、均匀性等光学特性均控制在导光板技术中,因此,导光板的设计与制造非常重要。 目前，全球导光膜的研发供应厂商主要分布在韩国、日本、美国和台湾，。导光膜是背光模块的重要部件，广泛用于液晶显示模组和手机键盘等部件上。当然，在其他包括我国在内的一些国家也在开展这方面的研究，但是，并未形成产业化应用。传统的导光膜工艺成熟，但是在液晶显示模组和手机薄型化趋势越来越明朗的今天，开发轻量、超薄型导光膜的研制仍是该领域中一个崭新的课题。 导光板是背光模块中重要的光学组件，导光板的结构及性能的优劣直接影响着背光源质量的好坏，因此，如何设计制造高性能的导光板是当前国内外研究的焦点。 一种主要的背光照明是侧光式背光模组，由光源（Light source）、导光板（Light guide plate）、扩散膜（diffuser）、棱镜片（prism sheet）、反射板（reflector）组成，光源放在背光模组侧边，光从侧面进入导光板后，将线光源或点光源转化成分布均匀的面光源，再经过扩散膜的均光作用与棱镜片的集光作用提高光源的亮度与均匀度，此模组适用于小型、轻薄的面板，如笔记型电脑、手机、数码相机等。这种侧光式背光模组厚度一般在1-5mm。 目前，各大厂商不仅加紧了对LCD的轻量化，薄型化的研究，而且在不断努力改进背光模块，使其与液晶显示器更加配套。国内外制造的导光膜厚度一般在1-3mm，总体上，光能利用率偏低，主要制造技术专利由少数国家垄断。随着手机、笔记本电脑的小型化，要求背光模组轻量化、薄型化、低成本，因此，在新一轮背光模组的研发中，新型光导膜的设计以及相关产业化生产制造技术的研发是一个竞争热点。 目前，导光膜的制作方法有：印刷式和非印刷式，其中非印刷式分为蚀刻、LIGA制程及微切削加工。 存在的问题： 1）厚度问题：目前传统方法制作的导光板的厚度至少在1 mm以上，不符合现在电子产品超薄的潮流。 2）导光性能问题：传统导光膜，导光性能差，光能利用率低，亮度低，发光不均匀。 3）生产效率较低，成本较高：由于现在采用的规模生产的方法是精密注塑或者丝网印刷，所以只能片材生产。
