一种侧入式导光板底面网点分布设计方法

摘要

本发明涉及一种侧入式导光板底面网点分布设计方法，包括：设定导光板参数，LED参数；计算点光源对导光板底部的照度；其次由点及线，用积分计算出线光源对导光板底部的照度，根据全反射的条件，拟合出线状光棒光源对导光板底部的照度；然后由线到面，再次使用积分方法，计算出单个面光源对导光板底部的照度；接着推广到N个面光源，根据N个面光源对导光板底面的照度，通过能量守恒定律，得到任意坐标位置的网点半径大小。本发明能够根据所给的LED参数，导光板的参数，准确和高效地计算导光板底部具体某点的照度值，并实现均匀照明光出射的网点布局。

说明书

技术领域

本发明涉及光板散射网点领域,具体涉及一种侧入式导光板底面网点分布设计方法。

背景技术

近年来，液晶显示技术由于其产品体积轻薄、占用空间小、辐射低等优点，逐渐替代了传统的阴极射线管显示技术，占据了平板显示产品的主流。液晶显示器(LCD)并非主动发光型显示装置，需要背光模组为其提供照明，图像才能得以显示。背光模组的作用是将点光源或线光源发出的光通过导光板(LGP)形成液晶显示所需要的面光源，它决定了液晶显示器的光效率、均匀性及颜色特性，是背光模组的关键部件。根据背光源的位置可以把背光模组分为侧入式和直下式两种。导光板的作用是引导光的传播和散射，用来提高亮度和控制亮度的均匀性，光进入导光板后在上下两个底面发生全反射，当光线碰到二维或三维散射网点时，全反射被破坏，光线从导光板的出光面射出。导光板一般目前有3种结构：1)楔形结构，该结构的导光板入光侧厚度为2～3mm，另一端的厚度为0.8～1.5mm；2)微结构导光板，即在导光板上下表面加入一些锯齿或半圆形之微结构；3)扩散点导光板，该导光板所使用的网点制作一般是利用网版印刷方式来印制，这些扩散点是由高反射率且不吸收光颜料所制成，在靠近光源导光板较厚处之扩散点分布密度较疏而且网点较小，远离光源导光板较薄处之扩散点分布较密且网点较大。导光板底面的网点分布决定了其正面的光分布，无论是导光板应用于显示还是照明，都要求其具有足够高的照度均匀度和光效，而决定照度均匀度和光效的也是网点分布。实验表明，导光板底面散射网点的形状对光散射影响不大，而网点的排布规律则很大程度上影响着输出光的均匀度和亮度。因此，导光板网点的设计与排布是背光模组的关键技术之一。目前，现有公开的方法都是将扩展LED光源近似成点光源，进行简化计算，但这种近似实际上对整体的效果影响比较大。为了最终获得较好的设计结果，许多导光板网点布局设计仍然依赖经验，这导致设计效率低、人为干扰差异大。综上，为了解决这一问题，有必要提出一种能够准确、高效地计算实现以扩展光源为入射的侧入式导光板底面网点设计的技术依据和理论指导的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种侧入式导光板底面网点分布设计方法，用以能够准确、高效地计算实现以扩展光源为入射的侧入式导光板底面网点设计。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种侧入式导光板底面网点分布设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1:设定LED参数和导光板参数；

步骤S2:根据设定的参数，将LED视为点光源，计算点光源对导光板底面一条线的照度；

步骤S3:将点光源扩展为线光源，并根据点光源对导光板底面一条线的照度计算线光源对导光板底面的照度；

步骤S4:将线光源在导光板内经过若干次的全反射进行展开，扩展为线状光棒光源，并根据线光源对导光板底面的照度计算线状光棒光源对导光板底面的照度；

步骤S5:将线状光棒光源扩展为面光源，并根据线状光棒光源对导光板底面的照度计算单个面光源对导光板底面的照度；

步骤S6:代入设定的LED参数和导光板参数，并根据单个面光源对导光板底面的照度计算N个面光源对导光板底面的照度；根据N个面光源对导光板底面的照度，通过能量守恒定律得到任意坐标位置的网点半径大小。

进一步的，散射网点相对于导光板表面可以是凸起，也可以凹进导光板，网点半径大小是指网点接触导光板的底面轮廓，该轮廓是圆形。

进一步的，所述LED参数包括LED的长度b、宽度a、初始直射光强I₀和两个LED灯的中心间距l_N。

进一步的，所述导光板参数包括导光板的长度W、宽度L、厚度h。

进一步的，所述坐标基于的坐标系建立，以导光板底面与第一个面光源起始侧的交点为原点，沿扩展光源排列方向向右为x轴正方向，沿扩展光源光线的I₀出射光强方向为y轴的正方向。

进一步的，步骤S2中，所述点光源对导光板底面一条线的照度为：

其中，I₀是LED垂直入射到导光板入光侧面的光强。

进一步的，步骤S3中，所述线光源对导光板底面的照度为：

其中，a为扩展LED光源的宽度，L为导光板宽度。

进一步的，所述计算线状光棒光源对导光板底面的照度具体步骤S4为：

步骤S41:将E(a,L)按照全反射条件等效展开，扩展为一个特定的线状光棒光源，其对底面一条线上的照度为：

其中，为在光线在导光板内发生全反射后LED的等效扩展光棒长度；θ_全为全反射角；

步骤S42:根据E(θ_全,L)，用x,y的坐标替换变量α和L，可以得到底面可以得到底面任意坐标点(x,y)，线状光棒光源对底面照度为：

进一步的，步骤S5中，所述面光源对导光板底面的照度为：

其中，b为单个面光源的长度。

进一步的，所述步骤S6具体为：

步骤S61:代入设定的LED参数和导光板参数，并根据单个面光源对导光板底面的照度计算N个面光源对导光板底面的照度:

其中：E_k表示的是第k部分中导光板底面的照度分布，把导光板按照出光区域等分或非等分成N条，第k部分表示其中的任意一条；

步骤S62:根据N个面光源对导光板底面的照度，可以得到对应网点的坐标位置网的半径大小为：

r_k对应于第k部分的散射网点半径分布。

进一步的，所述导光板材料包括但不限于：聚乙烯、聚丙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、醋酸丁酸纤维素、硅氧烷、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚对苯二甲酸乙二酯、改性聚对苯二甲酸乙二酯、聚二甲基硅氧烷、环烯共聚物、玻璃、石英和透射陶瓷。

进一步的，所述的一种侧入式导光板底面网点分布设计方法，其特征在于：所述扩展光源的中心波长λ属于可见光波段，波长范围在380nm到780nm之间。扩展光源可以是LED灯按照阵列布局，也可以是冷阴极荧光灯光按照阵列布局，还可以是LED灯或冷阴极荧光灯管成线型排列，但不限于此。作为优选，所述扩展LED光源发光面和导光板侧边的间距≤1mm，可视为紧贴在导光板上。所述扩展LED光源的发光宽度小于等于导光板厚度。所述LED光源可以分布在导光板的一个或多个侧边。所述单个扩展LED光源的发光强度满足朗伯辐射体，即辐射强度随观察方向与面源法线之间的夹角θ的变化遵守余弦规律的辐射源，其光强分布满足公式：

I_θ＝I₀·cosθ>

其中，I₀是LED垂直入射到导光板入光侧面的光强，I_θ是以θ角入射到导光板下表面(即有散射网点分布的导光板底面)的光强。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明能够根据所给的LED参数和导光板参数，准确和高效地计算导光板底部具体某点的照度值，并实现均匀照明光出射的网点布局。该方法避免了传统设计大多依赖经验的问题，提供了一种网点布局快速设计的方法，在背光和照明等光源应用中具有重要的理论指导意义。

附图说明

图1为本发明设计方法流程框图

图2为本发明一实施例中用于计算点光源对导光板底面某点照度的示例图

图3为本发明一实施例中用于计算点光源对导光板底面一条线上照度的示例图

图4为本发明一实施例中用于计算线光源对导光板底面一条线上的照度示例图

图5为本发明一实施例中线光源的分解成无数点光源的示例图。

图6为本发明一实施例中用于计算线状光棒光源对导光板底面一条线上照度的示例图。

图7为本发明一实施例中用于计算线状光棒光源对导光板底面的照度的示意图。

图8为本发明一实施例中用于计算线状光棒光源对导光板底面的照度的俯视图。

图9为本发明一实施例中用于计算单个扩展LED光源对导光板底面照度的示例图。

图10为本发明一实施例中用于计算多个扩展LED光源对导光板底面照度的示例图。

图11为本发明一实施例中用于求网点分布设计和照度关系的示例图。

图12为本发明一实施例中用Matlab获得的扩展光源的网点半径大小。

图13为本发明一实施例中用Matlab获得的X轴的坐标值。

图14为本发明一实施例中用Matlab获得的Y轴的坐标值。

图15为本发明一实施例中基于点光源的导光板系统在目标面的照度分布。

图16为本发明一实施例中基于线光源的导光板系统在目标面的照度分布。

图17为本发明一实施例中基于面光源的导光板系统在目标面的照度分布。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

请参照图1，本发明提供一种侧入式导光板底面网点分布设计方法：

第一步：设定LED参数和导光板参数。LED参数括LED的长度b、宽度a初始直射光强I₀和两个LED灯的中心间距l_N，导光板参数包括导光板的长度、宽度、厚度和材质。

第二步：计算点光源即是将LED光源视为点光源，其对底面一条线的照度。从图2可以获得以下已知条件：

其中,h为点光源的高度，L为所求点与导光板侧边的垂直距离，θ为水平入射的光线与斜入射到底面的光线之间的夹角。因此由上述条件加上朗伯余弦定律推导，可得如下结果：

I'＝I₀·cosθ

E_垂直＝E_斜·sinθ

其中，I₀为水平的辐射强度，I'为斜入射的辐射强度，E_斜为斜入射的照度值，E_垂直为垂直到底面的照度值。将第一组式子代入第二组式子中，可以得出入射光线如图3所示一个不含有R值，且只与变量L有关的垂直底面照度的公式：

第三步：计算线光源即是将扩展LED阵列光源视为线光源，其对底面一条线上的照度，如图4。此时，线光源对底面一条线的照度可以看成不同高度的点光源对L处照度的累加。因此，可以将图4中的线光源看成是图5中的无穷个不同高度的点光源。接着，对第二步中点光源的高度h进行积分，即可得到线光源对底面一条线上的照度：

其中，a为扩展LED光源的宽度，L为导光板宽度。

第四步：计算线状光棒光源即是将E(a,L)扩展，视为线状光棒光源，其对底面的照度。此时，在全反射条件下，光线会在导光板内部发生多次反射，会形成图6所示的光棒。且以θ_全入射的光在导光板里面发生了最多次的全反射，因此也产生了最长的光棒。θ_全应满足于以下公式：

式中，n_空气和n_导光板是空气的折射率和导光板的折射率，并能计算出最长的光棒长度：

此时，第三步中的积分上限LED灯的宽度a，改为了h_棒，故得到线状光棒光源对底面一条线上的照度：

目标是为了获得对底面的照度，根据图7，有以下关系：

其中，α是线状光棒光源底端入射的水平光线和直入射底面某点直线的夹角，θ_α是线状光棒光源顶端入射的水平光线和直入射底面某点直线的夹角，I'是和水平光线入射光线成α的光强，I_θα是在垂直方向上和I'成θ_α的光强。通过以上的关系式，可以将线状光棒光源对底面一条线上的照度拓展到线状光棒光源对底面的照度：

坐标系的建立以导光板底面与第一个面光源起始侧的交点为原点，沿扩展光源排列方向向右为x轴正方向，沿扩展光源光线的I₀出射光强方向为y轴的正方向，再根据图8，有以下关系式：

用(x,y)的坐标替换变量α和L，可以得到底面任意坐标下，线状光棒光源对底面的照度：

第五步：计算单个扩展LED光源对底面照度。如图9所示，此时把单个扩展LED光源对导光板底面的照度，看成是无穷个不同位置的线状光棒光源对此点照度的累加。因此对横坐标移动的距离进行积分，移动的距离记为b，b也是单个扩展LED光源的长度。故得到单个扩展LED光源对底面的照度：

其中，b为单个扩展光源的长度。

第六步：若推广到N个扩展LED光源，由图10所示的LED阵列排布。这时可以对单个扩展LED光源的进行累加，代入两个扩展LED的中心距l_N和扩展LED光源的个数，利用求和公式，可以得到N个扩展LED光源的照度：

第七步:根据扩展光源对底面的照度，对散射网点分布进行设计，包括网点的半径大小和网点的位置。我们将导光板底面分成n条，如图11。光线射入导光板，在全反射下光线会逐层通过导光板。光线每通过一条导光板，就会被网点散射掉一部分，故离入光侧越远，光线就越弱。为了使导光板顶面的照度均匀，可简化数学模型，并作如下假设：导光板底面垂直于xoy平面上的照度分布与散射网点半径大小成反比关系，则不同条内的网点散射，其能量应满足差分方程：

E_kr_k＝E_k-1r_k-1

式中，E_k表示的是第k部分中导光板底面的照度分布，r_k对应于第k部分中散射网点半径分布。同理，E_k-1和r_k-1分别是第k-1部分中导光板底面的照度分布和第k-1部分中散射网点半径分布。由此式子递推求得：

E_k＝E_k-1-E_k-1r_k-1＝E_k-1-E_kr_k＝……＝E₁-(k-1)E_kr_k

式中，E₁表示光线进入导光板的初始照度分布，由阵列LED光源唯一确定。对上式合并同类项后整理得到下列式子：

最后，以创立美有机玻璃板材有限公司的一款120mm×70mm×2mm的聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)导光板作为设计目标，侧入式LED光源芯片的发光有效区域为4mm×1.4mm，LED芯片厚度为0.8mm。根据产品规格书的参数，该LED可以在典型功率0.2瓦特时输出25流明的光通量。将点光源、线光源和扩展LED光源对导光板底面的照度和网点半径分布的公式分别代入Matlab中，编写程序代码并输入以上参数，可以利用计算机获得约一万到两万个网点数据。如图12所示，为扩展光源下网点的半径大小，图13和图14表明了网点(x′y)的坐标位置。再将参数输入到Tracepro中，建立导光板的数学模型。在模型中选取导光板的下底面，输入鳞甲文件并设置其性质。鳞甲文件是Tracepro的一个数据库，库中可以设定网点的几何形状，网点的深度，网点的大小，网点的位置等等。利用计算机，可以把Matlab获得的数据转化成Tracepro可读取的鳞甲文件。在Tracepro中分别对点光源、线光源和扩展LED光源进行光学仿真，仿真结果如图15、图16和图17。

对导光板出光面的均匀性用照度均匀度进行评价，即指规定表面上的最小照度与平均照度之比。平均照度则采用国际通用的ANSI九点法，将导光板分成3*3的九宫格，取每个格子的中心照度，计算九个格子中心照度的平均值并记为平均照度。根据对于照度均匀性的计算方法，该初始化设计的系统在采用实际LED芯片模拟时的照度均匀性仅为40.875％，能量利用率为88.543％，很难满足实际出光均匀性的需求。

将光源定义为阵列线光源，并置于导光板左侧，且为长边入光，如图16以看出阵列线光源远光源区域能量很小，导光板近光侧则有大量光线出射。分析其主要原因为导光板近光源区域分布网点远大于远光源区域网点半径，光线经过近光源区域散射后，由于远区域导光网点半径很小，光线被散射的概率大大降低；导光板两侧照度大则是由于两个侧边的反射片导致出光。故照度均匀性只有70.589％，能量利用率为88.484％，所以也很难满足实际出光均匀性的需求。图17是基于扩展光源5.5英寸导光板的出光照度分布图，根据系统仿真结果，不考虑各光学膜片的能量损失等因素，导光板的光线传输效率达到了79.671％，但是导光板的照度均匀性提升到92.857％，达到了出光均匀性的设计目标。在图15、图16中，基于点光源设计方案导致出光不均匀的现象也得到了极大的改进，避免了远、近光源区域网点半径过大过小的问题。结果表明：在进行散射网点分布设计时，阵列LED光源并不能简单构建为阵列点光源或者阵列线状光源的模型，在二者基础上采用基于扩展光源的网点分布能够获得有效设计，证明了该设计方法的正确性和实用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。