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原理

微腔效应

微腔对发光光谱、颜色、角分布、朗伯特性与效率的影响

同一块 OLED 正看颜色正常，侧看却可能偏绿、偏蓝或饱和度改变。材料发光峰没有随观察者移动，改变的是器件对不同波长和角度的选择性。

OLED 的金属电极、半透明电极和折射率界面共同构成平面微腔。发光体产生的直达波与反射波相干叠加，使光谱、颜色、角分布和出光效率都依赖膜厚与观察角度。

反射与光程形成微腔

发光体与单个反射镜之间形成广角干涉；两个反射界面之间的反复往返形成多光束干涉。前者主要由发光体到反射镜的距离控制，后者主要由总腔长与两侧反射率控制。

平面发光器件中的广角干涉和多光束干涉
图 1｜广角干涉比较直达波与一次反射波；多光束干涉叠加腔内多次往返的波。

用一个平均折射率表示腔内光程时，发光体到下反射镜的广角共振条件可写为

2πλ 2ndbcos⁡θe−ϕb=2πm.\frac{2\pi}{\lambda}\,2nd_b\cos\theta_e-\phi_b=2\pi m.

两个反射镜之间的多光束共振条件为

2πλ 2n(dt+db)cos⁡θe−(ϕt+ϕb)=2πm.\frac{2\pi}{\lambda}\,2n(d_t+d_b)\cos\theta_e-(\phi_t+\phi_b)=2\pi m.

式中，λ\lambda 是真空波长，nn 是腔内有效折射率，dtd_t 与 dbd_b 分别是发光体到上、下反射面的距离，θe\theta_e 是腔内传播角，ϕt\phi_t 与 ϕb\phi_b 是两侧反射相位，mm 是整数共振阶数。真实器件中 nn 和反射相位都随波长变化，精确共振位置需要逐层计算。

光谱和颜色选择

相长干涉增强满足共振条件的波长，相消干涉抑制其他波长。弱微腔通常表现为宽缓的谱形调制；提高镜面反射率后，腔的精细度增加，发射峰变窄，颜色饱和度提高。改变传输层厚度、发光位置或电极厚度都会改变光程和反射相位，因此即使发光材料完全相同，器件 EL 光谱仍可能明显不同。

微腔对材料 PL 光谱执行的是角度相关的光学滤波。最终 EL 光谱可概念化为

SEL(λ,θ)∝S0(λ) H(λ,θ),S_{\mathrm{EL}}(\lambda,\theta) \propto S_0(\lambda)\,H(\lambda,\theta),

其中，SELS_{\mathrm{EL}} 是出射电致发光光谱，S0S_0 是发光体的本征谱形，HH 是层状结构对波长 λ\lambda 和外部角度 θ\theta 的发射响应。比例式省略了绝对源强、偏振与空间分布因子。

侧视偏色

忽略反射相位色散时，同一共振阶的波长近似满足

λm(θe)∝cos⁡θe.\lambda_m(\theta_e)\propto\cos\theta_e.

式中，λm\lambda_m 是第 mm 阶共振波长。观察角增大时，腔内角度 θe\theta_e 也增大，cos⁡θe\cos\theta_e 下降，共振通常向短波移动。红光或白光器件因此可能在侧视时减少长波分量，呈现偏绿或偏蓝。

“侧看偏绿”不是所有 OLED 的固定规律。实际偏色方向取决于 RGB 子像素各自的腔长、发光谱、反射相位、彩色滤光片和角度响应；仿真应比较完整角分辨光谱或色度坐标，不能只追踪单个峰位。

朗伯辐射的形成与失效

理想朗伯面源具有与方向无关的辐亮度。一个有限表面元在角度 θ\theta 方向的投影面积缩小为 cos⁡θ\cos\theta，因此其辐射强度满足

I(θ)=I(0)cos⁡θ,I(\theta)=I(0)\cos\theta,

其中，I(θ)I(\theta) 是相对表面法线角度 θ\theta 方向的辐射强度，I(0)I(0) 是法线方向强度。观察者看到的辐亮度保持不变，而从整个表面元进入单位立体角的功率随 cos⁡θ\cos\theta 下降。

单个电偶极子的 sin⁡2α\sin^2\alpha 辐射方向图并不满足朗伯定律。OLED 接近朗伯分布，来自大量随机位置与取向偶极子的统计叠加、面内旋转对称、弱角度选择的腔体响应，以及器件中的散射和非相干平均。强微腔会选择特定角度与波长，使角分布偏离余弦曲线。

顶发射与底发射钙钛矿发光器件的角分辨光谱和角强度分布对比
图 2｜强微腔顶发射器件的光谱与方向图随角度明显变化；弱微腔底发射器件更接近朗伯曲线。Miao 等，Light: Science and Applications（2020），Figure 4CC BY 4.0

角分布与效率

微腔可以把原本落在大角度或波导区的功率重新集中到逃逸锥内，因此提高 LEE。最佳方向图通常不要求强度全部集中在 0∘0^\circ：角积分的立体角元为

dΩ=sin⁡θ dθ dφ,\mathrm d\Omega=\sin\theta\,\mathrm d\theta\,\mathrm d\varphi,

其中，θ\theta 是极角，φ\varphi 是方位角，Ω\Omega 是立体角。法线附近的 sin⁡θ\sin\theta 很小，只有一个极窄的正前方峰并不一定给出最高总出光。

增强微腔也会引入代价：

  • 更高反射率可增强相长干涉和光谱纯化，同时降低电极透射率；
  • 多次往返增加光在金属和有损层中的吸收机会；
  • 发光层靠近金属时，倏逝与 SPP 耦合增强；
  • 正视颜色最优的膜厚，可能不同于全角积分效率最优的膜厚；
  • 窄角发射有利于某些光学系统，却可能降低显示器的大视角一致性。

微腔设计因此需要同时查看角分辨光谱、颜色、归一化角分布和光学模。只优化法线光谱容易得到颜色很好、总出光并不最高的结构。

下一步

继续阅读功率耗散与光学模，把微腔形成的角度与波长选择转换为可积分的能量通道。

参考

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