（光学工程专业论文）基于微透镜的导光板设计与制作.pdf

f 誓览 0 f 、一】l- 学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 既：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献信 息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在年月解密后适用本规定。 非涉密论文回 论文作者签名： 导师签名： e l 期：丝乜垒三盈 e l 期：一兰翌乡! 尘 基于微透镜的导光板设计与制作 中文摘要 基于微透镜的导光板设计与制作 中文摘要 本文基于液晶显示背光模组超薄、节能的发展趋势，聚焦于核心组件之一的导光 板，结合传输散射理论及微透镜的制作工艺，研究了基于微透镜导光板的设计方法， 通过l i g h tt o o l s 辅助设计，建立了微透镜结构的l e d3 英寸导光板模型，并利用光 线追迹方法，获得了微透镜的最优排布参数和照度均匀度高达8 7 5 0 的导光板模型。 在此理论基础上，利用微纳米压印和u v 压印工艺，制作了上述导光板的样品，9 点 测试的结果表明，这种导光板样品的亮度均匀度为7 3 9 ，在一定程度上验证了这一 设计方法的合理性。 关键词：背光模组；导光板；照明设计；紫外纳米压印；微透镜 作者：鲁琛 指导教师：陈林森 英文摘要 基于微透镜的导光板设计与制作 d e s i g na n df a b r i c a t i o no fl i g h tg u i d e p l a t eb a s e do nm i c r o l e n s a b s t r a c t b a s e do nt h et r e n do fe n e r g y - s a v i n ga n dt h i n n e ro fb a c kl i g h tu n i tt h i sp a p e rf o c u s o nl i g h tg u i d ep l a t e ，o n eo ft h ec o r ed e v i c e s ，c o m b i n ew i t ht h et r a n s m i s s i o n s c a t t e r i n g t h e o r ya n dt h et e c h n i c so fm i c r o l e n s ，t h ed e s i g no fl i g h tg u i d ep l a t ei sr e s e a r c h e d b y a s s i s t a n td e s i g no fl i g h tt o o l s ，t h em o d e lo f3i n c h e sl i g h tg u i d ep l a t eb a s e do nt h ea r r a y s o fm i c r o l e n sa n dl e d si ss e tu p ，t h em o s to p t i m i z e dp a r a m e t e r si so b t a i n e da n dt h e o p t i m i z e dm o d e lw i t l lt h ei l l u m i n a n c eu n i f o r m i t ya sh i g ha s8 7 5 0 i sa c h i e v e d 、析t 1 1t h e m e t h o do fr a y - t r a c i n g b a s e do nt h e s et h e o r i e st h es a m p l eo ft h el i g h tg u i d ep l a t ei sm a d e 、析mt h et e c h n i c so fn a n o i m p r i n ta n du l t r av i o l e t - n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y t h er e s u l to f 9p o i n t st e s ts h o w st h a tt h el u m i n a n c eu n i f o r m i t yo ft h i sl i g h tg u i d ep l a t es a m p l er e a c h e s 7 3 9 t e s t i f i e st h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g nt oac e r t a i ne x t e n t k e yw o r d s ：b a c kl i g h tu n i t ；l i g h t g u i d ep l a t e ；i l l u m i n a t i o nd e s i g n ；u l t r a v o i l e t - n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y ；m i c r o l e n s w r i t t e nb yl uc h e n s u p e r v i s e db yc h c nl i n s e n 第一章绪论 目录 1 1 背光模组简介。l 1 1 1 液晶背光模组的作用1 1 1 2 背光模组的分类2 1 1 3 光学膜的原理及作用3 1 1 4 背光模组的应用领域和市场分析4 1 2 平板显示用导光板类型、关键制造技术与发展现状和行业难题7 1 2 1 平板显示用导光板的类型7 1 2 2 导光板的关键制造技术和难题9 1 2 3 导光板的制造技术的发展趋势1 1 1 3 微透镜的用途和制作方法1 4 1 4u v - n i l ( u l t r av o i l e t - n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y ，紫外纳米压印) 压印工艺及其优 ! 争l8 1 5 论文的体系结构和主要完成的工作2 0 第二章导光板的导光原理及设计方法2 1 2 1 导光板的导光原理2 1 2 2 导光板的设计方法2 3 第三章基于微透镜的导光板的设计2 5 3 1 微透镜导光板的原理2 5 3 1 1 微透镜导光板的原理2 5 3 1 2 微透镜导光板的优势2 5 3 2 基于传输一散射理论的导光板设计方法2 6 3 2 1 传输一散射理论2 6 3 2 2 基于传输一散射理论的导光板设计2 7 3 3l e d 导光板的几何模型与光学模型2 8 3 3 1l e d 灯的几何模型和光学模型2 8 3 3 2l e d 灯在l i g h tt o o l s 中的光学模型3 0 3 3 3 反射片、u v 胶、导光板在l i g h tt o o l s 中的光学性质和光学模型。31 3 4l i g h tt o o l s 设计优化微透镜型导光板3 4 3 4 1 蒙特卡洛光线追迹的特点及参数设定3 4 3 4 2 用传输一散射理论辅助l i g h tt o o l s 进行优化3 5 3 4 3 导光板前端分区优化的原因及方法3 7 3 4 4 微透镜排布的参数及照度性能3 8 第四章微透镜导光板的制作及检测4 l 4 1 微透镜导光板的制作4 1 4 1 1 微透镜导光板的制作方法4 1 4 1 2 纳米压印4 1 4 1 3 电铸制模工艺制作模版4 4 4 1 4u v 压印制作导光板4 5 4 2 导光板样品的检测及分析4 5 4 2 1 微透镜剖面测试和阵列检测。4 5 4 2 2 导光板样品加上反射片、扩散片、棱镜片后的亮度测试结果和均匀度计 算4 9 4 2 3 均匀度偏低的原因分析4 9 第五章结论及展望 5 1 参考文献5 2 攻读学位期间发表的论文5 7 l 付 录 致谢6 7 基于微透镜的导光板设计与制作第一章绪论 1 1 背光模组简介 1 1 1 液晶背光模组的作用 第一章绪论 液晶本身不发光，它只对光的偏振状态起到调制作用。如图1 1 ，液晶面板上下 两层偏振片的偏振方向相互平行，下偏振片把从背光模组发出的光的调制为线偏振 光。当液晶两侧的微电极不加电压时，液晶分子的偏振方向与液晶面板方向平行，通 过它的光的偏振态能发生9 0 度偏转，从液晶面板出射的光的偏振方向正好和上偏振 片垂直，因此没有光通过；而加电压时，液晶分子的偏振方向和液晶面板垂直，液晶 分子对光起不到调制作用，从液晶面板出射的光的偏振方向正好和上偏振片一致，因 此有光通过。 由液晶面板的作用可知，作为液晶显示器的光源部分，液晶背光模组的作用是提 供均匀的自然偏振的光源。 j i 绷 。jl i 翩 一 i i l 幽 删 1 ， n， jl 翩 ji 凰 jl i 一 ， _ f 幽 f 1 ， 、， 、r 图1 1 液晶未加电压和加电压时的对比图 第一章绪论基于微透镜的导光板设计与制作 1 1 2 背光模组的分类 背光模组是液晶显示器面板的关键元件之一，l c d 面板已广泛应用于显示器、 笔记本电脑、数码相机及投影机等电子产品，在面板低价化需求的刺激下，笔记本电 脑及l c d 显示器等的需求迅速增加，成为背光模组需求的主要来源。背光源目前按 光源类型主要有e l 、c c f l 及l e d 三种背光源类型，按照光源分布位置不同可分为 侧光式和直下式。 1 侧光式 将线形光源或点状光源设置在经过特殊设计的导光板的侧边做成的背光源。根据 实际使用的需要，又可做成双边式或三边式。边光式背光板可以做的很薄，但光源的 光利用率较小，且越薄利用率越小，最大约5 0 ，其核心技术是导光板的设计和制作。 边光式导光板最常用的有l e d 灯背光和c c f l 背光。作为新式l e d 边光式背光源， 它具有以下三个特点： 1 ) 其发光面可以沿其光学轴作3 6 0 0 发射； 2 ) 可以用较薄的镜片覆盖较大的面积： 3 ) 可以用简单的结构进行混色。 这种背光分成两种： a 、l e d 背光 l e d 又称发光二极管，比起其他光源，单个l e d 灯的功耗是最小的。从蓝到红， l e d 灯有很多种颜色，另外还有一种特殊的颜色是白色。在各种颜色里，可大致分 为高亮和低亮的两种。由于白色是混合色，无可标识的波长值，因此，以其在色度图 上的座标值来表示。我们自定义为“冷白色 和“暖白色 两种。在各种颜色里， 都存在颜色偏差的问题，其中蓝色和白色表现的较为明显，尤其是白色很难对其进行 有效的控制。 b 、c c f l 背光 这种背光的最大优点是亮度高，所以面积较大的黑自负相、蓝模负相和液晶显示 器件基本上都采用它。理论上，它可以根据三基色的配色原理做出各种颜色。其缺点 是功耗较大，还需逆变电路驱动，而且工作温度较窄，为0 - - , 6 0 摄氏度之间，而l e d 等其他的背光源都可达到2 0 - - , 7 0 摄氏度之间。 2 基于微透镜的导光板设计与制作第一章绪论 2 直下式( 底背光式) 其实就是一个有一定结构的平板式的面光源，可以是一个连续均匀的面光源，如 e l 或平板荧光当。也可以由较多的点光源构成，如点阵l e d 或白炽灯背光源等。常 用的是l e d 点阵和e l 背光。 这种背光也分成两种： a 、e l 背光 即电致发光，是靠荧光粉在交变电场激发下发光的冷光源。其最大的优点是薄， 可以做到o 2 o 6 m m 的厚度。缺点是亮度低，寿命短( 一般为3 0 0 0 - - , 5 0 0 0 小时) ，需 逆变驱动，还会受电路的干扰而出现闪烁、杂讯干扰等不良状况。由于亮度较暗其基 本上用于4 英寸以下大小的液晶显示。如：手机、p d a 、游戏机等。 b 、l e d 底背光 优点是亮度好，均匀性好。缺点是厚度较大( 大于4 0 m m ) ，使用的l e d 数量较 多，发热现象明显。一般采用低亮的颜色进行设计，而高亮的颜色由于成本高基本上 不考虑。 由于l c d 用的l e d 背光源具有寿命、色域、调率等效能及环保方面的优势，因 而成了备受青睐的新一代l c d 背光源，目前正在蓬勃发展。l e d 背光源的发展方向 是功耗与成本更低、光利用率更高、寿命更长、更亮与更薄更轻。 1 1 3 光学膜的原理及作用 以c c f l 照明的背光模组为例，液晶背光模组由下往上由反射片、导光板、扩散 片、棱镜片四层组成，如图1 2 所示，组成各部分的常见材料、微结构和功能如下所 述。 反射片通常是镀银的薄片，能将从导光板底部出射的光发射回导光板，并从导光 板上部出射，来提高导光板上表面的光输出效率【1 1 ，具体原理如图1 3 a 所示。 扩散片通常是将高分子母体材料与具备扩散性的微粒子混合后挤压成板材。主要 是使光雾化，更加均匀，原理如图1 3 b 所示。 棱镜片是在多元脂或聚碳酸酯等有较好透明度、较好透光率的聚合物上加工出微 棱镜结构，主要起到集光作用，提高光能利用率，原理如图1 3 c 所示，以较大角度 第一章绪论 基于微透镜的导光板设计与制作 入射的光线a 光，在棱镜片内经过若干次反射后再出射以较小的出射角出射( 如b 、 c ) ，起到集束作用。 寻光板 反射片 扩散片 图1 2 液晶背光模组的构成 图1 3 反射片、扩散片、棱镜片的原理 面反射的光 射的光 “保护浅 一棱镜片 一棱镜片 一扩散片 一导光板 一反射片 一 c c i = l 一灯罩 1 1 4 背光模组的应用领域和市场分析 背光模组通常应用于液晶显示器上，因此液晶显示器的市场将直接影响到背光模 组的市场。 4 基于微透镜的导光板设计与制作第一章绪论 回顾显示器件的发展历史，c r t ( c a t h o d e r a yt u b e ，阴极射线管) 、p d p 、 t f t - l c d ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r - l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，薄膜场效应晶体管) 、 s e d ( s u r f a c ec o n d u c t i o ne l e c t r o ne m i t t e rd i s p l a y ，表面传导电子发射显示) 、 o l e d ( o r g a n i cl i g h t - e m i t t i n gd i o d e ，有机发光二极管) 、电子纸等显示技术相继问世。 然而，目前使用的显示器仍以c r t 、p d p 及t f t - l c d 等三种为主。而p d p 又几乎仅 限于大屏幕使用，c r t 产量正在锐减，所以，近年来t f t - l c d 已经在显示市场占了 主流产品的身份。这些显示器件主要用于笔记本电脑、台式电脑显示器、电视、高端 手机和其他消费电子产品，2 0 0 9 年t f t - l c d 的销售额高达8 6 0 亿美元，以面板为例， 背光模组就占了全部材料成本的2 3 ，仅次于彩色滤光片的3 2 ；而以3 0 英寸l c d 电视面板来看，背光模组所占材料的成本更是高达3 7 ，超过了彩色滤光片的成本， 成为材料成本比重最高的部分。( 如图1 5 和图1 - 6 所示) ，在背光模组的成本中，背 光源占9 ，导光板占1 7 ，棱镜片占3 7 ( 见图1 7 ) 1 1 1 。在面板成本日趋下降的情 况下，压缩背光模组的成本是重要的趋势。 妻国 霉蝴 激獭 孽獭 鬈缎 裕 麓 撇i 麴瞻鞠俦撅l 豹垅撇3 致翱啪 簇甜 霹嘲 纛鼢 羞豫 一稍馨 荔储 纛秘悯 i 材麓 c 翱鬻 鬟釉 纛争劈 攀瞒鸭 张 图1 - 4 2 0 0 8 、2 0 0 9 年世界f p d 市场及2 0 1 0 - 2 0 1 3 年市场分析 资料来源d i s p l a ys e a r c h ，2 0 0 9 年 按照背光模组生产的来源国或者地区分析，台湾、韩国的公司分别占据4 0 、 4 5 的份额。而因为中国大陆拥有人力成本优势和规模庞大的下游相关产品制造的优 5 砬z 舅霄 溅 绺 镌 i l l 懈 懈 谶 第一章绪论 基于微透镜的导光板设计与制作 势，台湾、韩国背光模组厂商已经在大陆建立了分厂，2 0 0 6 年，在中国大陆生产的 背光模组在全球市场份额中占4 0 ，已经跃居全球第一。以京东方、深圳帝光、普 耐为代表的背光模组与背光源企业已经涌现。从世界范围内液晶产业链分析，美国技 术领先全球，日本量产最早，从制造的能力看，日本、韩国和我国台湾已经成三足鼎 立之势。 图1 51 5 时液晶显示器成本构成 图1 63 0 时液晶显示器成本构成 图1 7 背光模组成本构成 6 基于微透镜的导光板设计与制作第一章绪论 目前背光源以c c f l 为主，但是c c f l 含有铅等有毒物质，容易对环境造成污染， 而l e d 既没有污染，又省电节能。随着全球节能环保意识日益高涨，l e d 、f f l 正 受业界广泛关注，成为c c f l 的有力竞争者。l e d 由于具高色彩饱和度、环保耐用 等优点，已在手机、车载导航面板等中小尺寸l c d 面板中获得大量应用，目前正逐 步向笔记本电脑、l c d 、t v 等大中型尺寸l c d 背光源市场渗透【2 1 。 鉴于手机、笔记本、液晶电视日益薄型化的趋势，对背光模组也提出了薄行化的 要求，但由于背光模组由各种组件构成，而其中导光板厚度尤为突出，因此设计和制 作超薄导光板成为目前背光模组的发展趋势之一。 1 2 平板显示用导光板类型、关键制造技术与发展现状和行业难题 1 2 1 平板显示用导光板的类型 如前所述，由于导光板后面的背光模组器件( 扩散片、棱镜片) 只是在局部范围内 起到对光的雾化和集束作用，因此在这些器件之前，就需均匀的照度分布，导光板的 作用也正是这样，即将由l e d 灯发出的光从导光板表面均匀出射，形成较均匀的面 光源。 导光板的制作材料通常是p m m a 板( 也称光学亚克力，甲基丙烯酸甲酯) 和 p c ( 英文名p o l y e a r b e m a t e ，聚碳酸酯) 板，按照结构，导光板可分为散射网点型、微 结构型和纳米离子型三种。下边分别介绍其导光原理： ( 1 ) 散射网点型导光板 压一导黼 图1 8 散射网点型导光板的原理 如图1 8 所示，利用热干性或u v 油墨( 扩散和反射特性光源物质s i 0 2 t i 0 2 ) 做印 刷原料，涂布在导光板反光侧制成网点，破坏导光板的全反射，使入射光产生散射特 性，形成漫反射效果从导光板正面均匀射出。 7 第一章绪论基于微透镜的导光板设计与制作 ( 2 ) 微结构型导光板 由注塑成型工艺和u v 压印工艺制作的在导光板底部排布有微结构的导光板，对 光能起到折射和反射的作用【3 1 ，光在p m m a 和空气的界面( 对于u v 压印制作的导光 板，此处就是u v 胶层和空气的界面) 上折射和反射时，图1 - 9 是其光线追迹示意图。 能量分配遵循菲涅耳定律，如图1 1 0 ，光强的反射率和折射率都可以由菲涅耳公 式量化计算出来川，其中愿表示s 光光强的反射率，i 表示s 光光强的折射率，r p 表 示p 光光强的反射率，乙表示p 光光强的折射率 足爿等降丽s i n 2 ( 0 - 8 ) c - l 争警篇 纠争锗 个i 砗1 2 4 s i n 2 0 c o s 2 0 o 刊毒l2 s i n 2 ( 0 + 8 ) c o s 2 ( 0 - 8 ) 图1 - 9 光线在带有柱状微结构的p m m a 板中传播时的光线追迹示意图 了点 毒一 9 毯 对于s 光 彤 y 三 爿 n 2 ， 根据折射定律 啊s i l l b = n 2s i n 0 2 ( 2 - 1 ) 当入射角q 不断增大的时候，岛也随之增大，并且岛 q ，反射光的能量越来越大， 折射光的能量越来越小，当日= t a n l 堡时，岛= 9 0 。，反射光能量等于入射光能量， ，| l 折射光能量等于零，这个角称为“全反射角 。当光以大于全反射角入射时，只有反 射光线，而无折射光线，这种现象称为全反射现象。 ( 2 ) 光的损耗 由光的电磁理论【4 ，知有损介质中，当光沿z 轴传播时，光强 一三三m r z i ( e o e 如) 2 芘i o e 一口2 ( 2 2 ) 2 1 第二章导光板的导光原理及设计方法 基于微透镜的导光板设计与制作 其中毛是原点位置的电场强度，厶是原点位置的光强，口是吸收系数。在实际 有损介质中，对( 2 2 ) 中z 的含义作扩展，得到 i = i o e 一甜 ( 2 - 3 ) 其中s 是光在介质中经过的路程，式( 2 3 ) 的含义是，光在有损介质中的强度与 传播的长度成负指数关系。 ( 3 ) 漫反射 当光照射在一般的粗糙表面( 如黑板) 上时，因为介面方向具有不确定性，所以 反射光的方向也不确定，形成漫反射。通常情况下，反射光强在入射介质的空间内成 余弦分布( 如图2 - 2 所示) ，反射光强 = 如c o s i ( 2 - 4 ) 图2 - 2 漫反射的光强 ( 4 ) 照度 当光通量达一表面时，该表面被照明，被照明的亮暗程度用“光照度 e 来度量。 光照度定义为单位面积上所接受的光通量大小。设受照微面积为d s ，射到该微面积 上的光通量为d f ，则该微面积的光照度e 为： e ：堡( 2 5 ) 嬲 如果较大面积的表面被均匀照明，则投射到其上的总光通量f 除以s 称为该表面 的平均照度e 。照度的单位是l u x 。 章导光板的导光原理及设计方法 c o s d 图2 3 亮度的定义 在发光面上取一块微面积谘，如图2 - 3 所示。设此微面积d s 在与表面法线n 成i 角方向的立体角d t a 内发出的光的光通量为d f ，i 方向的发光强度为 上：堡( 2 6 ) d o ) 微面积d s 在i 方向的光亮度忍的定义是：微面积在i 方向上的发光强度五与此微 面积在垂直于该方向的平面上的投影面积d s c o s i 之比。即 最： 望 ( 2 7 ) c o si , d s d c o 光亮度的单位是c d m 2 。 2 2 导光板的设计方法 ( 1 ) 线性光源照明的导光板设计方法 在散射网点导光板中，光线会因为散射网点而改变传播方向从导光板上表面出 射，另外一部分光则继续在导光板内向光源远处传播【4 2 】，如图2 4 。在远离光源的地 方，光线条数会不断减少，为了让光均匀出射，导光板的光出射效率盯( 指导光板某 处出射光强与传播到该处的总光强的比) 应满足的条件推导如下： 假设导光板的照明光源是线光源，那么，网点疏密只在x 方向上变化，与y 无关。 导光板的出光效率o ( x ) 与距离光源x 处导光板截面内总的光通量矽( x ) 满足 第二章导光板的导光原理及设计方法基于微透镜的导光板设计与制作 麓 d e _ ( x 一) = - t r ( x ) 伊( x ) d x d x 妨 图2 4 线性光源照明的导光板光传输示意图 ( 2 8 ) 因为导光板要达到均匀出射，所以光的出射量应该是常量( 设其值为死) ，则 矽( x ) = 一c o x ( 2 - 9 ) 其中是光源耦合进导光板的光通量。 将式( 2 9 ) 代入式( 2 8 ) 得到 盯( x ) ：乓 ( 2 1 0 ) c o o c o x 由上式可见，只要能适当的设置吮、的值，就能求出填充率。要找到填充率 和散射网点大小、网点深度之间的关系，则需通过实验。 ( 2 ) l e d 光源照明的导光板设计方法 由于l e d 具有自身的空间配光曲线和光谱曲线，况且很多导光板采用多颗l e d 灯照明，因此这种导光板的设计较为复杂。常用的方法有斥力缓和的方法、用软件生 成网点排布图的方法和光学软件设计的方法。 2 4 基于微透镜的导光板设计与制作 第三章基于微透镜的导光板的设计 第三章基于微透镜的导光板的设计 3 1 微透镜导光板的原理 3 1 1 微透镜导光板的原理 导光板主要依靠底部的导光结构实现对光的反射、折射或者散射，从而破环光 在导光板里的全反射传输的，因此导光板底部某区域内导光结构的疏密直接决定了该 区域导光板的表面的光出射能力。 基于该原理，可将微透镜作为导光板的导光微结构实现导光板的均匀光场输出。 为使得微透镜的疏密排列有较大的变化范围，本研究采用如图3 - 1 所示的微透镜排列 方法，在宽度为厶的区域内，微透镜紧贴该区域的边界排列，在宽度和长度方向上的 间距分别为d ) 【和d y ( 如图3 - 1 所示标记有黑色的微透镜阵列) ，然后在相邻的呈矩形 排列的顶点的四个微透镜中心处，排列微透镜( 如图3 - 1 所示标记有白色的微透镜阵 列) 。这样即使该区域内的d 】【和d y 的值改变较小，也能使该区域内的微透镜疏密程 度发生比较大的变化。 3 1 2 微透镜导光板的优势 ( 1 ) 如前所述，微透镜成为近年来的研究热点，并且制作工艺多样，有胶体颗粒 自组装法、离子交换法、光敏玻璃热成形法、光刻胶热熔法、光电反应刻蚀法、聚焦 离子束刻蚀与沉积法、化学气象沉积法、p m m a - - x 光照射等方法，这些方法极大 地方便了微透镜导光板的加工。 赫 图3 - 1 微透镜排布参数图 0 0 0 0 0， o 0 0 0 0 0 一- d 第三章基于微透镜的导光板的设计基于微透镜的导光板设计与制作 ( 2 ) 散射网点作为导光结构的导光板，因为每个公司的加工工艺的不同，油墨印 刷中用的油墨型号不同，所以光入射到散射网点上时反射率、反射光的光强按反射角 度变化的规律不同，也就是说，很难准确量化描述网点的散射性质。微透镜型导光板 中光在微结构和空气界面的反射光和折射光的能量分配遵循菲涅耳定律，微透镜导光 板更容易用软件进行光线追迹、照度预测和亮度预测。 ( 3 ) 在制作过程中，如果在导光板材料底部涂上一层折射率相匹配的u v 胶，采用 u v - n i l 的工艺复制导光板，那么就可以实现导光板的快速量产。散射网点导光板显 然不具有这个优势。 3 2 基于传输一散射理论的导光板设计方法 3 2 1 传输一散射理论 文献一驯中提出了光在有散射测点的导光板( 图3 一i 所不) 中，上表囱栗处的光逋量 与网点密度成正比，即： 岛= 鲁口要 ( 3 ) 其中缸 ，是图3 - 2 中某块分区中网点的面积，4 触， ，是某块分区的总面积，f 是 从该块分区对应的导光板上表面出射的光通量，加是入射到导光板底部的光通量。 在这个区域的网点密度与通过下式和网点半径相关联： 吩= 一 l ，2 仔2 ， 其中_ 是x 方向上第i ，y 方向上第j 块区域的网点半径，l 是该块区域x 方向上 的长度，是该块区域y 方向上的宽度，是x 方向上第x 块区域在x 方向上网点 的数目，m y 是y 方向上的第y 块区域在y 方向上网点的数目。 导光板需要达到的照度由下式求得 = 去萋粪易 p 3 ， 第三章基于微透镜的导光板的设计 x 方向上第i 个，y 方向上第j 图3 2 导光板散射网点排布示意图 3 2 2 基于传输一散射理论的导光板设计 图3 - 2 是导光板底部微透镜排布参数图，首先推导光板中以、d ，所应满足的约 束条件，其中，是微透镜的直径，形是导光板的宽度( 也是每个区域的长度) ，厶是区 域的宽度。为了避免l 、2 两个微透镜重叠，应满足： 畋 2 r( 3 4 ) 类似地，为避免3 、4 及1 、3 两个微透镜重叠，应满足： 嘭 2 r ( 刃+ 衫) “2 4 r 每个区域内微透镜的总数目是 ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) m = n j b y + ( 3 7 ) 如3 2 1 中所述，散射型网点排布设计中，每个区域中网点的面积与从表面出射 的光通量成正比，比值等于这个区域的面积比入射到这个区域上的光通量。把它应用 在后边的微透镜的排布的设计中。假设在设计中，耦合进入导光板的总光通量是， 从1 到第m - 1 个区域都已经能使光均匀出射，导光板上表面出射光的照度都是e ，那 么入射到第m 个区域的光通量是 第三章基于微透镜的导光板的设计 基于微透镜的导光板设计与制作 re-1朋一l 岫= 一，= o - e w y l , 从这一区域对应的导光板表面区域出射的光通量是 埘删= e w l m 这个区域的面积是 其中微透镜的面积是 4 础。= l 形 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) 。肘= n s ( 3 1 1 ) 按照上面扩展的结论，可以得到 善： ( 3 - 1 2 ) 一= 一 l j - i 二- 彳6 础。mm ，加 、。 在等式( 3 1 2 ) q b ，只有虬是未知量，在优化过程中，可以先计算出来，然后通过 调整以，t ，使氓达到目标值。 3 3l e d 导光板的几何模型与光学模型 3 3 1l e d 灯的几何模型和光学模型 l e d 配光曲线用于描述光强在空间的分布，将光强看成发光角度的分布函数得 到的曲线。l e d 内部通常包含以下几个部分，l e d 发光芯片、反光杯、金属线、粘 合剂、环氧树脂等，影响l e d 配光曲线的因素有：o l e d 芯片的大小和位置；反射 抗高温包裹层铜线c a h 基地硅腊 图3 - 3a o t - a e m w u - d h o 2 0 m al e d 灯封装图 图3 4l e d 灯配光平面曲线 图3 - 5l e d 灯光谱曲线 第三章基于微透镜的导光板的设计基于微透镜的导光板设计与制作 ( 3 ) 分析光的传输时，不考虑光的损耗； ( 4 ) 反射碗为理想的全反射面； ( 5 ) 环氧树脂面为体散射面。 这种l e d 灯平面配光分布如图3 - 4 所示，光强为对称分布，其光谱曲线如图3 5 所示，它表示了l e d 出射的具有不同波长的光的分布情况。 3 3 2l e d 灯在l i g h tt o o l s 中的光学模型 l i g h tt o o l s 是一款具有强大功能的照明设计软件，具有光学精度的交互式三维实 体建模软件体系，可完成一般透镜的建模，复杂的三维模型建模，材料和表面的复杂 光学特性的设定；在照明分析方面，能通过蒙特卡洛光线追迹，准确预测照明效果。 l i g h tt o o l s 可用于系统初步设计、复杂系统设计、杂光分析、照明系统分析等。 在l i g h tt o o l s 中，l e d 灯的模型可以通过以下方法之一建立起来： ( 1 ) 软件本身提供了许多公司的l e d 灯的封装模型、平面配光曲线和光谱曲线， 使用时可直接导入需要的l e d 灯的模型，这种方法很精准，但仅适用于数据库中存 在的l e d 灯； ( 2 ) 通过布林运算、发光材料性质设定、材料表面性质设定建立l e d 灯模型，一 $ o e 鹰e t 陬嘲i 瑚摹q7 铆_ 嘲悯 图3 - 6l e d 灯的光谱曲线离散化 3 0 基于微透镜的导光板设计与制作 第三章基于微透镜的导光板的设计 般而言，该方法适用于熟知l e d 封装专业知识并且有多年实践经验的使用者： ( 3 ) 本文在设计时取近似情况，将光谱曲线离散化( 如图3 - 6 ) ，并将平面的l e d 配 光曲线扩展成空间配光曲线( 如图3 7 ) ，利用软件的数据光源功能，把扩展成的空间 配光曲线和光谱曲线导入l e d 模型( 如图3 8 ) 。相比而言，这种方法精确度稍低。 3 3 3 反射片、u v 胶、导光板在l i g h tt o o l s 中的光学性质和光学模型 图3 - 9 ( a ) 是导光板底部区域的正面视图，将导光板沿x 方向分为若干个区域，每 个区域的长度与导光板的宽度相当。导光板前端21 1 1 1 1 1 内没有微透镜结构。 一、 ， 乒 送 舂 z 么 t i 图3 - 7 把l e d 灯的平面配光曲线扩展为空间配光曲线 图3 - 8 l e d 灯在l i g h tt o o l s 中的数据光源模型 l 第三章基于微透镜的导光板的设计 基于微透镜的导光板设计与制作 图3 - 9 ( b ) 是该模型的侧面视图，从上到下依次是p c 层( 具有色散及吸收，吸收 系数为0 0 1 0 1 m m ) 、u v 胶层( 折射率1 6 0 ，吸收系数0 0 8 1 3 m m ) 、空气层( 厚度0 0 1 m m ) 、反射片( 厚度0 0 0 5m l t l ) 。其中：p c 层厚度是0 3 8 1m n l ，通常c d , 尺寸导 光板的p c 层厚度是0 6 4m i l l ，大尺寸导光板的p c 层厚度都在lm m 以上；通过 u v 压印的工艺试验可以证明，固化后的u v 胶层的厚度为3 0 - - 5 0 p m ，这里取4 0 p m ； 从导光板上表面出射的光的照度分布与反射片的作用密切相关，而与导光板上的扩 散片与增亮膜关系不大，因此导光板模型中需要设置反射片( 反射率为9 8 ) 。 本文采用如图3 - 9 ( d ) 所示的底部半径为4 5 p x n ，凹陷深度为1 3 2 岬的凹型微透 镜结构基元。 厂l ? 钟黝黟獬罗誓譬罗獬嘲7 f二j 、? j i奢 ，囊爹攀零7 矧 谚_ j ? 0 j j，jj 0 j j j 爱穗 彰。j | i 。| ，|j ? 9 ，j ? j j j “ 麓毡i 搋，。j j 。0 、0 嘏 叠 霆 0 2 、。， 图3 - 9l i g h tt o o l s 中导光板的模型 与图3 - 9 对应的导光板在l i g h tt o o l s 中的模型如图3 1 0 ( a ) 所示，在上述模型的 基础上，添加了导光板末端边框的模型( 由于在仿真过程中，发现入射到导光板两边 边框的光通量太小，可忽略) ，紧贴导光板末端的边框表面属性是吸收率为9 8 的漫反 射面。导光板的剖面如图3 1 0 ( b ) 所示，微透镜设置如图3 1 0 ( c ) ，微透镜排布如图3 - 1 0 ( d ) 所示，p c 层的光学性质如图3 1 0 ( e ) 所示( 类似地，可以设置u v 胶层的光学性 质) ，p c 层的沉浸设置如图3 1 0 ( f ) ，u v 层的沉浸设置如图3 1 0 ( 曲。 3 2 u一 、 船 的导光板的设计 a b c 3 3 d 第三章基于微透镜的导光板的设计基于微透镜的导光板设计与制作 e f g 图3 - 1 0 导光板模型在l i g h tt o o l s 中的设置 3 4l i g h tt o o l s 设计优化微透镜型导光板 3 4 1 蒙特卡洛光线追迹的特点及参数设定 1 光从l e d 点光源随机出射，某一方向上出射的几率取决于l e d 灯的空间配光 曲线，而这束光为某一波长的几率取决于光谱曲线上该波长的分布几率； 2 用于统计的光线条数可以预先设定，条数越多统计值越精确； 3 导光板的p c 层和u v 胶紧密接触，没有空气层，可通过在软件中把u v 胶层 沉浸在p c 层设定； 4 微透镜阵列可以通过在u v 胶层的底面设置“纹理”( 软件中是t e x t u r e ) 来设 = ，、摹秦 一一、一一一融 酾 懒 燃 蝴 躲 翟：一 懈 附 协 蛐 j ：|，。一，、；一。；、垓 基于微透镜的导光板设计与制作 第三章基于微透镜的导光板的设计 定，微透镜和空气的界面、u v 胶层和空气的界面的光学性质设置为菲涅耳损失( 软 件中是f r e s n e ll o s s ) ，其含义是：当光入射到界面上时，其折射光和反射光的能量遵 从菲涅耳定律； 5 从光源发出的一条光线初始能量值是l ，经过若干次的折射和反射后，当其能 量低于能量阈值时，将被舍去； 6 查看导光板上表面的照度，应将接收器( 软件中为r e c e i v e r ) 设置在离开上表面 一定距离的位置上，避免重复统计光线。 通过以上的设定和蒙特卡洛光线追迹，可以看出，软件中所模拟计算的情况与符 合实际导光板中光的传输，通过软件中的照度结果来预测导光板的照明情况是可行 的。 3 4 2 用传输一散射理论辅助l i g h tt o o l s 进行优化 为了保证导光板亮度变化的连续性，区域划分的宽度值不可太大，可将导光板划 分为2 3 个区域，其中前2 2 个宽度为3r n m ，最后1 个为2 i n t o 。当设定能被利用的l e d 灯总光通量后，耦合进入导光板的光通量可以通过在垂直于x o y 平面的导光板截面 上设置接收器统计出来，那么，从导光板上表面的出射光应该达到的目标照度e 由下 式得出： e ：三 ( 3 - 1 3 ) l i m d l w 。 代入( 3 1 2 ) ，就能算出理论上每个区域所应具有的微透镜的数目。再结合3 2 2 中所述的以，d ，限定条件( ( 3 4 ) 、( 3 - 5 ) 、( 3 6 ) 式) ，就可以确定出每个区域中的 以，由的取值。具体方法如下： 在图2 7 中，可以求出： n j b x ：【_ l t - 2 r 】+ 1 ( 3 - 1 4 ) t f b y ：【二：v j - 2 一r 】+ 1 ( 3 - 1 5 ) d y 3 5 第三章基于微透镜的导光板的设计基于微透镜的导光板设计与制作 因此可以得到 = l 出- 2 r - 一尹1 + 1d xz = c 等一扣 ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 皂 佃厦 ，21o 、 一扛 一 上莒口df ；唧， 氇缸+ ：婴 s 厶 ( 3 1 9 ) 值得注意的是，式( 3 1 9 ) 可以确定出每块分区域的微透镜的个数，但是并不能确 定出唯一的出、砂的值。在用l i g h t t o o l s 进行辅助设计的时候，可以先取一个值， 出、咖的值可以根据这个区域的导光板上表面的出射的光的光通量做微调，使每一 块区域对应的导光板上表面出射的光的光通量与该区域面积成正比，而每一块区域对 应的导光板上表面出射的光的光通量可以通过在接收器统计出来。 设定好每个分区域需要尝试的出、咖值后，进行高精度( 在软件中，将光线追迹 条数设置为1 ，8 0 0 ，0 0 0 ，并且将能量阈值设置为0 0 0 0 0 1 ) 的光线追迹，由于能量阈值 很低，导致光线追迹的计算量相当大，计算过程中产生的数据也相当多，因此最好用 专用的服务器进行光线追迹，这里在d e l l 服务器上进行，该服务器的内存为1 6 g ， 每次优化需进行约4 0 分钟。让导光板的2 3 块分区域对应的导光板上表面出射与该块 区域面积成正比的光通量的光，这样，在x 方向上导光板的出光能够均匀，为了检验 导光板在y 方向上出光的均匀性，将整个光出射的区域重新均分为1 0 x 1 0 块，再次模 拟计算出从导光板上表面出射的光通量分布。计算结果表明，在靠近l e d 灯的导光 板前端的“小块 中，y 方向的均匀度不高，其照度分布如图3 1 1 所示。 基于微透镜的导光板设计与制作第三章基于微透镜的导光板的设计 3 4 3 导光板前端分区优化的原因及方法 图3 1 1 初步排布微透镜获得的均匀度不高的导光板的照度图 由于不同颜色区域的微透镜的排布参数相同，那么他们对光的折射和反射能