導(dǎo)光板網(wǎng)點設(shè)計與優(yōu)化

龐曉峰

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)背光模組是為液晶顯示等器件提供照明光源，并要求有充足的亮度和均勻的照度分布，由于LED 發(fā)光效率高、功耗低、壽命長、無污染等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于液晶顯示器、照明等領(lǐng)域［1－2］。如今，在市面上的液晶顯示器背光模組中，按其光源位置的不同，可分為側(cè)光式和直下式。直下式的優(yōu)點是色彩對比度好，做大尺寸顯示比較容易，但要使用大量LED 燈管，以55 英寸的液晶電視為例，要使用3 000 顆LED 燈作光源，因此，厚度、重量和耗電量都無法降低。相反，側(cè)入式則只需400 多顆LED 燈，節(jié)能和節(jié)約成本，而且液晶顯示器能夠做得更簿、更時尚。因此，更能得到消費(fèi)者的青睞，是市場發(fā)展的趨勢［3－4］。

側(cè)入式的背光模組的核心部件是導(dǎo)光板，其在LED 背光模組中發(fā)揮相當(dāng)重要的作用?，F(xiàn)在市面上的導(dǎo)光板主要是矩形結(jié)構(gòu)，其原理與光波導(dǎo)相似，利用導(dǎo)光板將由光源從導(dǎo)光板側(cè)面耦合入的光轉(zhuǎn)化為從正面均勻輸出的光，其輸出光的均勻度和亮度，很大程度上受底面網(wǎng)點的排布規(guī)律影響［5－6］。在導(dǎo)光板中，網(wǎng)點多數(shù)為半球冠狀，通過印刷或者注塑成形，不規(guī)則分布在導(dǎo)光板的底部，把本來在導(dǎo)光板中以全反射形式傳播的光向正面發(fā)散出去。因此，為對比直下式，側(cè)入式則要設(shè)計制造出高均勻度出光的導(dǎo)光板，技術(shù)難度較大，特別是做大尺寸的側(cè)入式顯示［7－10］。為此，提出一種新的非均勻的網(wǎng)點排布的設(shè)計方法。利用這種理論計算方法，可方便地設(shè)計出針對不同LED 數(shù)量作光源的導(dǎo)光板網(wǎng)點排布，減少改版次數(shù)，節(jié)省設(shè)計時間成本，且得到的導(dǎo)光板出光均勻度符合背光照明標(biāo)準(zhǔn)。

1 LED 發(fā)光模型推導(dǎo)

1.1 導(dǎo)光板配單顆LED 發(fā)光模型

理想的LED 光源是一個朗伯發(fā)射體，其輻照度分布服從余弦函數(shù)規(guī)律，實際上，LED 的發(fā)光強(qiáng)度分布主要與其封裝形式和芯片形狀有較大關(guān)系。文中可用以下公式計算發(fā)光強(qiáng)度的分布［11］

式(1)中，θ 為觀察角;E0(r)為在LED 軸向上距離為r處的輻照度(W/m2)。在公式中m 值依賴于LED 發(fā)射區(qū)域與球型封閉的曲率中心的距離，若發(fā)光芯片在此曲率中心處，m 值就約為1，光源近似一個完美朗伯發(fā)射體。

由照度定義，能推出單一LED 的照度公式

式(2)中，I0為軸方向的發(fā)光強(qiáng)度;E(r，θ)為軸方向上距離發(fā)光點r 的角度為θ 處的輻照度。對式(2)做笛卡爾坐標(biāo)變換，規(guī)定xy 軸決定的平面平行導(dǎo)光板，z 軸垂直導(dǎo)光板出光面向上。設(shè)直角坐標(biāo)系的原點在導(dǎo)光板左側(cè)的正中心，只有一顆LED 的情況下，把LED 放置在坐標(biāo)原點。變換后得單顆LED 照度公式

式(3)中，L 為LED 芯片的輻射亮度(w/(sr·m2));A為LED 芯片的發(fā)光面積(m2)。

1.2 導(dǎo)光板配兩顆LED 發(fā)光模型

現(xiàn)在考慮兩顆LED 作光源的情況，設(shè)兩顆LED 之間的距離為d，并在上述直角坐標(biāo)原點兩邊等間距放置，則兩LED 燈到原點的距離均為d/2。那么兩顆LED 的輻照度疊加得到此模型的輻照度公式

1.3 導(dǎo)光板配N 顆LED 發(fā)光模型

以此類推，由N 個LED 疊加，可得到多個LED 作為光源的情況

式(5)中，N 為LED 個數(shù)。

2 LED 導(dǎo)光板網(wǎng)點分布計算

當(dāng)LED 發(fā)出的光耦合進(jìn)導(dǎo)光板之后，光線會因在導(dǎo)光板內(nèi)部發(fā)生全反射，導(dǎo)至光線不能從導(dǎo)光板的上表面導(dǎo)出。為此，必須在導(dǎo)光板的底面設(shè)計微結(jié)構(gòu)，對光線進(jìn)行散射，使光線能從導(dǎo)光板的上表面出射，達(dá)到背光照明的目的。導(dǎo)光板微結(jié)構(gòu)中，一般小尺寸可設(shè)計為球形結(jié)構(gòu)，大尺寸的導(dǎo)光板可借鑒增光膜的原理設(shè)計成V－CUT 結(jié)構(gòu)。本文只討論前者，網(wǎng)點分布如圖1 所示。光在導(dǎo)光板中傳導(dǎo)的模型如圖2 所示，定義導(dǎo)光板底面的網(wǎng)點的填充率函數(shù)［12］

式(6)中S(x，y)是邊長為d 的正方形網(wǎng)格內(nèi)網(wǎng)點的總面積。文中要求導(dǎo)光板出光面有較好的光亮度均勻性，則則任一網(wǎng)點(x，y)對應(yīng)導(dǎo)光板上表面的亮度均為B，設(shè)光遇到網(wǎng)點后散射的光亮度為B1，有部分被散射的光能夠從導(dǎo)光板出來(B)，有一部分被反射回去，則［13－15］

式(7)中，k 為比例常數(shù)。B1大小與(x，y)處網(wǎng)點填充率函數(shù)f(x，y)和到達(dá)該處的傳導(dǎo)光亮度有關(guān)，而此處傳導(dǎo)光亮度又正比于該點的照度值E(x，y，z)，則有

式(8)中，k1，k2是比例常數(shù)，其中m=k1×k2，在點(x，y)處的傳導(dǎo)光亮度為B2。

圖1 導(dǎo)光板底面球型網(wǎng)點分布

圖2 光在導(dǎo)光板中的傳導(dǎo)模型

由式(7)和式(8)得導(dǎo)光板出射面光亮度公式

將式(6)與式(9)聯(lián)立，可得進(jìn)一步可得到圓形網(wǎng)點的半徑

根據(jù)應(yīng)用LED 顆數(shù)的不同，將式(3)～式(5)代入式(12)可得到相對應(yīng)的網(wǎng)點半徑公式。其中，將LED 看作完美的朗伯發(fā)射體，則令m≈1 來計算。由于照度B 是一個確定值，則從式(12)分析可知，網(wǎng)點大小的變化規(guī)律只與LED 在導(dǎo)光板底面的照度分布有關(guān)。

3 TracrPro 仿真與優(yōu)化

應(yīng)用Tracepro 軟件，建立一個50 mm×50 mm×4 mm規(guī)格的導(dǎo)光板，放置LED 發(fā)光面大小為1.4 mm×2.0 mm，屬性設(shè)置為朗伯發(fā)光體。除開導(dǎo)光板的出光面，其余各面都設(shè)置為鏡面100%反射無散射的屬性，以防止漏光。并在導(dǎo)光板板的出光面上方1 mm 處放置一個觀察面，收集射出的光線。TracePro 3D 建模的導(dǎo)光板如圖3 所示。

圖3 導(dǎo)光板模型

圖4 單顆LED 網(wǎng)點分布

3.1 單顆LED 作光源仿真

應(yīng)用上述公式設(shè)計出單顆LED 作光源的網(wǎng)點分布如圖4 所示，網(wǎng)點填充密度呈現(xiàn)弧線分隔變化，離LED 燈近的地方網(wǎng)點密度低，離LED 燈遠(yuǎn)處網(wǎng)點密度逐漸增加，基本符合LED 的照度分布規(guī)律。將網(wǎng)點導(dǎo)入導(dǎo)光板模型中，并進(jìn)行光線追跡，得到出射面光線照度圖如圖5 所示。

圖5 單顆LED 照度圖

如圖5 所示，光出射面還沒有達(dá)到均勻，主要是LED 正前方亮度過高，而兩端的區(qū)域亮度過暗，必須對網(wǎng)點進(jìn)一步優(yōu)化。在此，應(yīng)用TracePro 自帶的插件Textrue Optimizer 對網(wǎng)點進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化后的網(wǎng)點分布圖和照度圖，分別如圖6 和圖7 所示，均勻度有大幅提高。

圖6 優(yōu)化后的網(wǎng)點分布(1 個LED)

圖7 優(yōu)化后的照度圖

3.2 3 顆LED 作光源仿真

接下來，仿真放置3 個LED 作為光源的情況。如圖8 所示，是網(wǎng)點分布的變化模型，3 個LED 作光源時，不同填充率間的弧線相對只有一顆LED 的情況變得平緩些，填充率的變化加劇。同理，為達(dá)到更好的均勻度，要對經(jīng)過理論初步設(shè)計好的網(wǎng)點進(jìn)行優(yōu)化處理。優(yōu)化后的網(wǎng)點與出射面的照度圖，如圖9 和圖10 所示。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的25 點檢測方法，進(jìn)行均勻度的計算，得到均勻度為89.02%，達(dá)到背光照明均勻度的標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 3 顆LED 網(wǎng)點分布規(guī)律

圖9 優(yōu)化后的網(wǎng)點排布(3 個LED)

圖10 優(yōu)化后的照度圖

4 結(jié)束語

本文推導(dǎo)出了一種新的矩形導(dǎo)光板網(wǎng)點設(shè)計的理論計算方程，此算法可根據(jù)LED 數(shù)目的不同進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計方法靈活。在此方程的基礎(chǔ)上，應(yīng)用TracePro光學(xué)軟件應(yīng)用平臺對導(dǎo)光板進(jìn)行模擬仿真，并通過軟件優(yōu)化功能進(jìn)一步的網(wǎng)點優(yōu)化，節(jié)約大量時間與成本，設(shè)計出符合背光照明要求的高均勻度的網(wǎng)點排布。

［1］ 黃明波，郭震寧，黃智煒，等.基于一種圓形LED 面光源的網(wǎng)點設(shè)計及仿真［J］.應(yīng)用光學(xué)，2010，31(5):701－704.

［2］ 劉傳芳.大尺寸直下式LED 液晶背光系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2012.

［3］ 汪敏，夏咸軍.新型LED 背光源技術(shù)及應(yīng)用［J］.光電子技術(shù)，2005，12(4):267－270.

［4］ 肖簫.用于LCD 的LED 背光源配光設(shè)計［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2012.

［5］ 康敏武.背光模組中的光學(xué)設(shè)計［D］.廣州:廣州大學(xué)，2005.

［6］ 孟曉.LED 背光模組設(shè)計［D］.杭州:浙江大學(xué)，2007.

［7］ 李曉建.導(dǎo)光板的設(shè)計及制作方法研究［D］.蘇州:蘇州大學(xué).2009.

［8］ 紀(jì)玲玲，王洪，張威，等.一種導(dǎo)光板網(wǎng)點分布的計算方法與仿真［J］.現(xiàn)代顯示，2010(7):38－41.

［9］ 張康，蘇成悅，付倩，等.基于均勻照明的光學(xué)器件研究［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，30(1):87－91.

［10］周鎮(zhèn)，蘇成悅，張春華，等.基于LED 照明系統(tǒng)的反射器設(shè)計［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，28(4):26－29.

［11］Moreno I，Avendano Alejo M，Rumen I，et al.Designing light－emitting diode arrays for uniform near－field irradiance［J］.Applied Optics，2006，45(10):2265－2272.

［12］李建功，郭震寧，董菁菁，等.一種圓形導(dǎo)光板散射網(wǎng)點的設(shè)計與仿真［J］.華僑大學(xué)學(xué)報，2012，33(5):495－498.

［13］駱健忠，陳哲，張永林，等.側(cè)光平板式導(dǎo)光板散射網(wǎng)點設(shè)計及仿真分析［J］.液晶與顯示，2006，21(3):206－213.

［14］黃翀，姜言森，沈奕，等.側(cè)光式LED 背光源的導(dǎo)光板網(wǎng)點設(shè)計［J］.應(yīng)用光學(xué)，2008，29(5):689－692.

［15］魯琛，方宗豹，申溯，等.傳輸散射理論設(shè)計LED 照明導(dǎo)光板的研究［J］.激光與紅外，2010，40(7):752－756.