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嵌入于各种可穿戴设备、智能手机、平板电脑等设备中的显示系统被作为向使用者提供各类信息最直接的窗口。然而,当前无论是液晶显示(Liquid Crystal Display,LCD)还是有机发光二极管显示(Organic Light Emitting Diode,OLED)都还远没有达到令人满意的程度。光效低、体积大等问题限制了其更为广泛的应用。在本文中,我们对LCD高光效背光及OLED光效提升进行了深入的基础性研究。此外,对于基于高光效的准直背光及高光效OLED的应用也作了相应的研究与讨论。1.高光效准直背光的基础型研究为了提高背光的光学效率,我们设计了两种准直背光(双楔形及平面梯形结构)模组。一个准直的点光源被微棱镜阵列组扩展成一个准直的面光源。同传统的背光相比,在没有搭配其它光学膜的条件下,新的背光光效提升到原来的1.47倍,且具有较高的均匀度(>90%)。在两个维度下(垂直/水平),背光的发散角都能保持±4°的(Full Width at Half Maximum,FWHM),且只需5%的能耗即能保持同传统背光相同的亮度。2.基于准直背光的应用型研究(视角可切换显示及多视点三维显示)为了扩展高准直背光的应用范围,基于高指向性背光及条状散射图样的视角可切换的显示器件被提出。微棱镜将光线反射至导光板正向出射形成窄视角,而条状散射图样则将光线散射至广可视角。同传统的背光相比,新的背光在广/窄视角模式下光效分别提高到原来的1.38/1.47倍,空间均匀度分别为85%/88%。广/窄视角模式下其背光发散角为±55°/±10°FWHM。窄视角模式下的功耗仅为传统背光的5%。对高指向性背光系统应用于裸眼三维显示进行了探索性的研究,提出了利用微棱镜对光线的导向作用搭配高指向性背光,设计了用于实现两视点以及多视点的三维立体显示系统,并对显示系统进行了相应的光学仿真。为今后在裸眼三维立体显示领域的研究提供了一条新的思路。3.OLED光效提升基础型研究传统电致发光器件中的全反射(Total Internal Reflection,TIR)效应会导致大量光能被陷于器件内部无法出射并转化成热能而降低器件性能。为了提升器件的出光效率而不影响其电学特性,利用飞秒激光在衬底中加工微棒状结构阵列以破坏全反射的方法被提出。同传统OLED相比,基于该衬底制备的绿色、蓝色及红色OLED出光效率在电流密度为10 mA/cm2时分别提升了1.9、1.7和1.82倍。结果表明仅用单一的微棒状结构即可提升全彩OLED器件的光效,其光型分布同朗伯光源一致。此外,倒置型微圆锥结构也被提出并用于提升柔性OLED的出光效率。通过控制激光辐射能量,不同深宽比的微结构可以对OLED的出光光型进行调制。结果显示,OLED的出光效率在密度为33.4%的微圆锥结构阵列时,光效提升到了原来的2.4倍。我们所提出的方法同当前OLED的制程工艺所兼容,并且适用于玻璃和柔性衬底,在下一代显示与照明领域具有很强的应用潜力。4.基于高光效OLED的应用型研究(区域化2D/3D可切换显示)一种用来实现2D/3D可切换显示的新型双层条状式OLED的背光模组被提出。其上层条状OLED在3D模式下用作视差光栅,2D模式下则当作光源使用。这种结构可以通过局部控制条状OLED的开关以实现区域化三维显示效果,以满足用户不同的需求。同传统2D/3D可切换显示系统相比,该背光具有很薄的厚度(仅传统结构20%的厚度)、2D模式下91%的均匀度,3D模式下光效提升到原来的2倍,串扰小于5%等优点。