提出了一种单个透镜目标面照度分布的设计方法，根据背光中Mini-LED光源数量及阵列排布间距、混光距离、目标面光斑半径等信息，建立了背光目标面上照度值与单颗透镜目标面照度分布之间的映射矩阵，通过LSQLIN迭代优化算法得到单颗透镜目标面照度分布，最后采用光源-目标面能量映射法设计双自由曲面透镜。以Mini-LED阵列排布间距为39mm×30mm、混光距离为6mm且目标面光斑半径为40mm为例进行设计。仿真结果表明，所设计的透镜阵列应用于光源数为5×5的Mini-LED背光时，目标面照度均匀性达到87.45%，对比常用的均匀分布及高斯分布分别提升6.24%和3.34%。本方法在确保背光照度均匀性的前提下降低了透镜设计的计算复杂度，无需大量的后续优化工作，为Mini-LED背光中双自由曲面透镜的设计提供了一种实用有效的方法。

为了降低背光模组厚度，设计了用于MiniLED背光模组的表面具有微结构的光学膜。首先分析了基于扩散粒子和折射式透镜的两种扩散原理，发现在混光距离（Optical Distance，OD）很小的情况下，两种方式都无法直接将光源进行充分扩散以满足均匀性要求。然后基于全反射原理将扩展光源离散为点光源，分析单个点光源返回灯板的能量，并对所有离散点光源的返回能量累计，得出扩展光源经微结构全反射后的能量达到最大时的微结构形貌。仿真结果表明：将双层微结构光学膜放置在MiniLED芯片上表面，仿真的亮度均匀性为79.9%，在OD=0.9 mm位置再添加一层扩散膜，可以将亮度均匀性提升到89.2%。采用无掩模直写光刻技术制备了光学膜样片。实验结果表明：将双层微结构光学膜放置在MiniLED芯片上表面的亮度均匀性为79.6%，在OD=0.9 mm位置添加一层扩散膜后亮度均匀性提升为88.7%。本文设计的微结构光学膜实现了背光模组超薄化，使用时无需精确对位，实用性强。

基于Taguchi实验方法和Tracepro仿真软件, 研究了Mini LED背光模组中LED芯片大小、芯片发光半角、芯片出光面到液晶层的距离等因素, 对液晶面板照度均匀性的影响规律并对其进行了相应分析。研究结果表明: 芯片出光面到液晶层的距离对照度均匀性影响最大, 影响因素的权重占比达到82.88%; 发光半角占比14.33%: 芯片大小占比为14.33%。根据研究结果, 固定发光半角与芯片尺寸, 调节出光面与液晶面板层的距离, 得到了最优的照度均匀度。

导光板的网点结构会直接影响背光模组的均匀性和亮度, 不同的加工方法也会产生不同的网点结构。激光加工热压成型的导光板散射网点, 因结构极其复杂, 难以用光学设计软件直接进行仿真设计。提出基于仪器采集的网点表面信息, 采用多个软件联合建模的方法, 构建出一个可直接用于导光板仿真设计的网点模型。利用此网点模型优化设计背光模组, 加工成产品测试发光均匀度达到88.8%, 与仿真结果吻合。研究结果解决了企业以往只能依靠多次加工实验对导光板进行优化设计的问题, 极大地减少研发时间, 节省了生产成本。

从背光模组的基本结构出发,通过理论分析确定了影响导光板散射网点排布的公式, 证明了散射网点的排布规律对背光模组出光均匀度有影响。对一款背光模组商品建立了简化模型,通过光学软件TracePro模拟分析以及实验验证,证明了背光模组商品的出光均匀度还有提升的可能性。在此基础上,又重点分析了散射网点行间距的变化值,散射网点直径和散射网点初始行间距对导光板出光均匀度的影响。经过反复仿真模拟, 取得了一组参数值,可以使优化后的导光板出光均匀度比背光模组商品的出光均匀度好。研究的结论可作为导光板散射网点设计的参考,对背光模组的设计具有指导意义。

为了实现液晶显示器的轻薄高亮化, 进一步减小背光模组的厚度和成本, 光学膜片的复合化已成为各大光学膜片厂商研究开发的重点。本文对背光模组的结构以及液晶显示用光学膜片的光学效能做了描述, 利用light tools软件对光学膜片复合化过程中的关键影响因子做出了研究, 探讨了棱镜顶角角度、棱镜周期(Pitch)与棱峰刺入深度(D)对复合结构光学膜片的影响机制; 并对2张膜片的复合结构以及3张膜片的复合结构进行了建模仿真, 模拟其光学效果, 分别从中心亮度、均匀度、可视角角度做出评估分析, 得到不同组合架构的光学复合结构对于显示画面的改善特点, 并通过实验对仿真进行了验证。通过仿真与实验, 探究得到了棱镜的顶角角度90°, 棱镜的周期为24～54 μm, 刺入深度为1～3 μm时, 复合光学膜片的辉度均匀度可达到80%以上, 该研究对于实际的复合光学膜片的应用开发具有一定的指导意义, 将有助于加快背光模组的开发进度, 减少背光模组的厚度和成本。

为了实现超薄化、高亮度、广视角和高对比度液晶显示, 设计一种包含导光和控光微结构的一体化导光板背光模型。通过这些设计方法将全部光学膜材功能集成于一体, 并且在侧入式背光模组中实现一维区域亮暗调制。首先, 设计合适角度的下表面微棱镜阵列作为导光结构, 并且在下表面镀上反射层, 反射层功能类似于普通背光模组中的反射片, 侧入式光源发出的光线进入导光板内经过微棱镜调制后, 从导光板上表面出射。接着对下表面微结构的数量和分布进行优化, 使画面亮度均匀。然后, 设计优化上表面微透镜阵列, 使发光角度收缩, 进一步提高中心亮度。最后, 将同样145 cm(5.7 in)的一体化背光模组与常规架构背光模组对比, 说明了这种背光模组具有超薄、高亮和区域调制等优势。仿真结果表明: 本文中一体化导光板背光模组厚度仅为0.5 mm, 且与常规背光模组相比, 其出光效率提高约23.3%, 水平发光角度扩大16.6%, 垂直发光角度扩大31.5%, 中心亮度提升约20.7%, 同时可以实现一维区域调制的高对比度显示, 满足显示产品的超薄化、极简化、均匀性、高亮度和高对比度等要求。

传统的两层棱镜膜对于MiniLED背光的增亮效果不明显, 因此设计了一种微结构薄膜来代替两层棱镜膜。首先, 根据MiniLED背光的配光曲线及尺寸, 对微结构进行分段设计。将与MiniLED芯片等宽区域设定为顶角90°的棱柱结构, 对2个MiniLED芯片之间的区域, 将MiniLED芯片作为扩展光源, 芯片2个端点发出的光束到达微结构底面会形成一个夹角, 将夹角的角平分线处光线准直到轴向方向, 结合Snell定律进行计算, 得到棱柱微结构倾角。然后, 通过LightTools仿真软件对单个微结构及微结构阵列分别进行了建模和仿真, 仿真结果表明: 加微结构薄膜后的轴向视角亮度相比于加两层棱镜膜提升了31.3%。最后, 通过无掩模光刻设备对设计的微结构薄膜进行加工制备, 并对样片进行测试。实测结果表明: 加微结构薄膜后的轴向视角亮度相较于加两层棱镜膜提升了25.7%。实现了针对MiniLED背光模组的亮度增强设计。