CN110398801B - 一种基于散射效率的导光板散射网点设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于散射效率的导光板散射网点设计方法，属于液晶显示和照明技术领域。所述方法通过散射效率的大小确定导光板散射网点的结构类型，在确定了散射网点结构类型后，以网点的密度设置为优化变量，网点之间的最小间隔为约束条件，出光照度均匀度为评价函数，对网点的密度进行优化得出导光板的散射网点的密度排布，解决了目前依靠经验对网点结构和网点密度进行调整排布所带来的导光板的生产成本大且无法对其进行进一步优化的问题，使得导光板网点结构设计过程中能够快速的选定最优网点结构，且依据散射效率确定出的网点结构，在达到相同出光均匀度要求的前提下，网点数目减少60％左右，导光板的加工时间和成本均得到了大幅度降低。

Description

一种基于散射效率的导光板散射网点设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于散射效率的导光板散射网点设计方法，属于液晶显示和照明技术领域。
背景技术
液晶显示器(LCD)已经广泛的应用于电视、电脑、手机等各种电子设备上，而作为被动发光显示器件的LCD，需要背光模组(Backlight Module，BLM)提供照明，因此BLM的亮度和均匀性等光学性能直接影响LCD的显示质量，导光板(Light Guide Plate，LGP)是BLM中最重要的部分。目前市场主流的侧入式LGP主要利用分布在底面的散射网点破坏光线在LGP中的全反射，将侧边入射的光线从上表面导出，LGP的光能利用率和出光均匀度成为关键指标和研究热点。
大量的研究表明，散射网点的密度分布(密度档)和结构都会直接影响LGP的光能利用率和均匀度。目前针对LGP的优化设计研究主要集中在两方面：一种是通过改变网点的结构，如采用半球形、圆锥形等，改变网点的半径、高度、角度等达到优化目的，这种优化方法虽然可调参数多，但较繁琐，加工存在一定的困难；另一种是网点结构确定，优化网点密度分布，其优点是优化参数单一，易于掌握，且方便工业加工。
实际上，无论采用哪种结构的网点，都可以通过优化网点密度分布的方法实现LGP均匀发光，但光能利用率可能有较大的差异，散射效率高的网点光能利用率也会高。目前，导光板企业技术人员主要依靠经验选用不同的网点结构对网点密度进行调整排布，再进行加工，最后根据实际测试结果进一步调整。整个过程即使有经验的技术人员也要重复很多次，费时费力费材料，大大增加了导光板的生产成本；同时，上述重复测试过程中都是以光能利用率以及出光均匀度为优化目标，在现有技术能够达到的光能利用率以及出光均匀度的基础上，无法进一步对导光板网点结构及密度分布做进一步优化。
发明内容
为了解决目前存在的导光板设计过程依靠经验对网点结构和网点密度进行调整排布所带来的导光板的生产成本大且工艺繁琐问题，本发明提供了一种基于散射效率的导光板散射网点设计方法。
一种导光板散射网点的设计方法，所述方法包括：
根据散射效率P的不同确定导光板的散射网点结构类型，所述散射效率P为网点通过散射导出光的能力，网点的散射效率P为：
Figure BDA0002151374340000021
其中eo为经网点散射并从导光板上表面出射的光线能量，ei为入射到导光板底面单个网点上的所有光线能量；
确定了散射网点结构类型后，以网点的密度设置为优化变量，网点之间的最小间隔为约束条件，出光照度均匀度为评价函数，对网点的密度进行优化得出导光板的散射网点的密度排布；
根据所确定的导光板的散射网点结构类型及密度排布设计导光板。
可选的，所述根据散射效率P的不同确定导光板的散射网点结构类型，为根据网点的平均散射效率
Figure BDA0002151374340000022
的不同确定导光板的散射网点结构类型，其中，平均散射效率
Figure BDA0002151374340000023
为：
Figure BDA0002151374340000024
E为出光面的光通量，N为导光板有效发光区域的网点数量。
可选的，所述根据网点的平均散射效率
Figure BDA0002151374340000025
的不同确定导光板的散射网点结构类型，包括：
确定出光面的光通量E和网点密度分布相同的条件下，不同的网点结构的有效发光面积的大小关系；
根据有效发光面积的大小关系确定导光板的散射网点结构类型。
可选的，所述根据有效发光面积的大小关系确定导光板的散射网点结构类型，为选择出光面的光通量E相同的条件下有效发光面积最小的网点结构作为导光板的散射网点结构。
可选的，所述根据发光面积的大小关系确定导光板的散射网点结构类型和/或对网点的密度进行优化得出导光板的散射网点的密度排布，采用Lighttools软件工具或者Tracepro软件工具。
本发明的第二个目的在于提供一种导光板，所述导光板的散射网点结构类型及密度排布采用上述方法得到。
可选的，所述导光板的散射网点结构类型选择三棱柱网点结构。
可选的，所述导光板的散射网点倾角60±2°，所述倾角为网点散射面与导光板底面之间的夹角。
本发明的第三个目的在于提供一种背光模组，所述背光模组中导光板为上述导光板。
本发明的第四个目的在于提供上述导光板散射网点的设计方法和/或上述导光板在液晶显示和照明技术领域内的应用。
本发明有益效果是：
本发明提出的基于散射效率的导光板散射网点设计方法，通过散射效率的大小确定导光板散射网点的结构类型，在确定了散射网点结构类型后，以网点的密度设置为优化变量，网点之间的最小间隔为约束条件，出光照度均匀度为评价函数，对网点的密度进行优化得出导光板的散射网点的密度排布，解决了目前导光板设计过程依靠经验对网点结构和网点密度进行调整排布所带来的导光板的生产成本大且工艺繁琐的问题，使得导光板网点结构设计过程中能够快速的选定最优网点结构，且依据散射效率确定出的网点结构，在达到相同出光均匀度和亮度要求以及目前光能利用率极限值的前提下，大大降低了网点数目，网点数目减少了60％左右，使得导光板的加工时间和成本均得到了大幅度降低；另外，采用本发明提出的方法设计出的三棱柱的导光板散射网点结构，相对于现有技术中所采用的热压网点结构，具有结构更为简单、易于脱模、加工更精准的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是背光模组结构图。
图2(a)是激光加工热压成型LGP网点表面微结构图；
图2(b)是激光加工热压成型LGP网点内部微结构图；
图2(c)是热压LGP的BLM实际发光效果。
图3是不同网点结构在设定光面的光通量E相同的条件下，发光区域面积与LGP上表面面积的比值T％以及光能利用率η的比较结果图。
图4是本发明所采用三棱柱网点结构图。
图5是图2(a)所示“环状山”形网点结构仿真结果图。
图6是图4所示三棱柱形网点结构仿真结果图。
图7是Lighttools软件中进行光线追迹得出的不同γ对应的照度分布图。
图8是γ对光能利用率的影响关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
现有技术中对于导光板中网点结构及密度排布的设计都是以光能利用率及出光均匀度的要求为标准进行设计，在达到出光均匀度的要求前提下，光能利用率越高的设计方案越好；但是光能利用率不可能不限制的提高，在光能利用率不再提高的情况下，对于导光板的网点结构及密度排布也无法进一步进行优化，或者只能依靠经验和无限次的尝试，才能得出更加优化的方法。
而本申请恰恰突破了导光板设计过程中出现的这一瓶颈问题，提出了以散射效率来进一步对导光板网点结构及密度排布进行优化的方案，使得在达到现有光能利用率及出光均匀度的要求的前提下，通过以散射效率为标准，对导光板网点结构及密度排布进行优化，优化后，使得导光板的网点数量降低了60％左右，这使得导光板的加工时间以及成本大大降低，同时相对于现有依靠经验和无限次的尝试的优化方法，本发明大大节省了设计时间，也进一步降低了导光板的设计成本。
下面对本发明方案做详细介绍：
考虑到企业在设计导光板(Light Guide Plate，LGP)时，通常组装成背光模组(Backlight Module，BLM)进行实际发光检测，因此本发明所有仿真和实验结果源于BLM，其结构如图1所示。其中LGP规格为173mm 296mm 0.55mm，材料为聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)，折射率为1.49。光源是LED灯条，由46颗LED等间距排列，出射角为120°，每颗LED光通量为22lm。底面反射膜的反射率设为50％，扩散膜的光学属性设置为25°的高斯散射，棱镜膜的属性与美国3M公司生产的BEF II一致，两层膜的微棱方向相互垂直。
实施例一：
本实施例提供一种导光板散射网点的设计方法，所述方法包括：
根据散射效率的不同确定导光板的散射网点结构类型；
确定了散射网点结构类型后，以网点的密度设置为优化变量，网点之间的最小间隔为约束条件，出光照度均匀度为评价函数，对网点的密度进行优化得出导光板的散射网点的密度排布；
根据所确定的导光板的散射网点结构类型及密度排布设计导光板。
不同网点通过散射导出光的能力不同，设入射到LGP底面单个网点上的所有光线能量为ei，经网点散射并从LGP上表面出射的光线能量为eo，定义该网点的散射效率P为：
Figure BDA0002151374340000041
但是实际上，P不仅与网点的自身结构有关，还与入射到网点上的光线角度有关；所以，在LGP中结构相同的网点处在不同位置时，网点散射效率可能不同，特别是处在LGP边缘的网点。由于单个网点的eo是很难检测的，而可以直接检测到的是出光面的光通量E，因此，本申请考虑网点的平均散射效率
Figure BDA0002151374340000051
即：
Figure BDA0002151374340000052
式中N为导光板有效发光区域的网点数量。又知E＝ηE0，η为光能利用率，E0为光源总光通量，所以代入上式(2)可得：
Figure BDA0002151374340000053
a为单个网点的底面积，则ei∝aE0，可知
Figure BDA0002151374340000054
S为有效发光区域面积；ρ为网点密度，即单个网点底面积与所处网格面积之比；
Figure BDA0002151374340000055
是网点平均密度，故导光板有效发光区域的网点数量N可表示为：
Figure BDA0002151374340000056
联合上述式(4)和(5)得出下述式(6)
Figure BDA0002151374340000057
由(6)式可知，
Figure BDA0002151374340000058
与η成正相关性，与
Figure BDA0002151374340000059
和S成负相关性。
图2(a)所示“环状山”结构网点结构为现有技术所常采用的网点结构，该LGP网点结构为激光打点热压成型的，即用激光在钢板表面加工出微结构，再利用热压工艺将微结构转移到LGP上，在其表面形成图2(a)所示的微结构，其内部形成的是图2(b)所示的结构，即为热压LGP的散射网点。可见网点结构非常复杂，表面有一圈不规则的“环状山”，其内部还有一个曲率很小的球冠。整个网点贯穿LGP底面上下，网点高出底面约为2μm，陷入底面深度约为3μm。图2(c)所示是BLM的实际发光效果，利用13点测量法测得均匀度为84％。
为确定散射效率较高的网点结构，本申请对三棱柱形、半球形和圆锥形三种不同的网点结构，设定出光面的光通量E相同条件下比较其发光区域面积与LGP上表面面积的比值T％以及光能利用率η，比较结果如图3所示，综合考虑T％和η，确定光通量E相同条件，三棱柱形网点结构的有效发光面积最小，因而确定网点结构为三棱柱形。
需要说明的是，为方便进行比较，上述过程中将三种不同的网点结构设置为底面积相同且高度相同；实际过程中，为了确定出光面的光通量E和网点数量密度分布相同的条件下，不同的网点结构的有效发光面积的大小关系，也可选用其他设置方式，比如底面积相同但高度不同，或者其他方式，本发明对此不做限定。
在确定三棱柱形网点结构(如图4所示)后，继续采用Lighttools软件工具进行光线追迹，以网点的密度设置为优化变量，网点之间的最小间隔为约束条件，出光照度均匀度为评价函数，对网点的密度进行优化得出导光板的散射网点的密度排布；
为便于比较，本申请将图2和图4所示网点结构进行了比较：
设定二者均达到84％的出光均匀度，图2(a)所示“环状山”形网点结构仿真结果如图5所示，图4所示三棱柱形网点结构仿真结果如图6所示；仿真结果表明，要达到84％的出光均匀度，图2所示“环状山”形网点结构所需网点数量为1269957，其光能利用率35％；而图4所示三棱柱形网点结构所需网点数量仅为489914，其光能利用率43％。
由此可知，本发明实施例采用网点散射效率作为确定导光板散射网点结构的判定条件，其不需要重复多次进行比较，且在满足出光均匀度的前提下，进一步以网点的密度设置为优化变量，网点之间的最小间隔为约束条件，出光照度均匀度为评价函数，对网点的密度进行优化得出导光板的散射网点的密度排布，使得所需网点数量降低了60％左右，使得导光板的加工时间和成本均得到了大幅度降低。
实施例二
本实施例提供一种导光板，该导光板网点结构采用实施例一所述的导光板散射网点的设计方法确定，如图4所示，本实施例提供的导光板的网点结构选择三棱柱形，散射网点倾角γ取值为60±2°，所述倾角γ为网点散射面与导光板底面之间的夹角。
需要进行说明的是，将三棱柱形网点结构设置在导光板上时，是将三棱柱的一个侧面设置在导光板平面上，其余两个侧面作为网点散射面，所以三棱柱的其余两个侧面的底角即为网点倾角。
为确定散射网点倾角γ与光能利用率η的关系，令倾角γ在5°～90°范围内取值，取值间隔为5°。在Lighttools软件中进行光线追迹，结果如图7所示，图7即为光源从导光板的下方入射得到的照度图。由图可见，当γ≤20°时，近光侧的照度值较低，说明在近光侧网点并未将入射光有效散射出去，大部分光传播到另一端被反射回来，而远光侧的网点密度高，所以照度值也相对较高。γ>20°时，近光侧的照度值逐渐增高，说明在近光侧网点逐渐将大部分光散射出去，而远光侧由于所剩光能不多照度值也逐渐降低，甚至为0。
为进一步分析BLM的η与
Figure BDA0002151374340000061
之间的关系，图8给出了η随γ的变化曲线。显然，当γ在0～20°时，η与γ呈正相关。γ达到25°～60°时，η几乎达到饱和，在41％左右，这时η与γ几乎无相关性，而有效发光区域面积S变小，即发光的网点变少，说明
Figure BDA0002151374340000071
变大，两者呈负相关，与理论推导一致，当γ＝60°时，
Figure BDA0002151374340000072
达到最高。当γ>60°时，η开始下降，有效发光区域更小，η却与γ呈负相关。
为分析网点散射效率
Figure BDA0002151374340000073
对BLM优化设计的影响，用γ＝55°,60°,65°时的网点结构对BLM重新进行均匀性优化设计。将网点的密度设置为优化变量，网点之间的最小间隔作为约束条件，出光面照度均匀度作为评价函数，利用Lighttools中的背光图案优化功能(BPO)进行自动优化，结果列于表1。可见，三者的均匀度U都可达到83％以上，而且网点数量M均减少60％以上，而η仅下降2％，其中γ＝60°的三棱柱网点所用网点数量最少，η最大，说明
Figure BDA0002151374340000074
最高，可见用较少的网点达到使BLM均匀优化的目的。
在实际加工导光板母版的生产中，网点数量的降低，会减少加工导光板的时间，同时也降低了能耗，从而节约生产成本，提高了生产效率。分析发现表1中η略有下降的主要原因：一是光传到更远处被吸收的量增加，二是发光的边界面积增大，边界损耗量增加。
表1BLM优化前后结果比较
Figure BDA0002151374340000075
由表1可知，γ＝55°,60°,65°时，三种均匀度都达到83％以上，而网点数量M均减少60％以上，可知，采用本申请提供的基于散射效率的导光板散射网点设计方法，在达到用户对于出光均匀度的要求前提下，大大减少了网点数量，使得导光板的加工时间和成本得到了大幅度降低。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种导光板散射网点的设计方法，其特征在于，所述方法包括：
根据散射效率P的不同确定导光板的散射网点结构类型，所述散射效率P为网点通过散射导出光的能力，网点的散射效率P为：
Figure FDA0002579328370000011
其中eo为经网点散射并从导光板上表面出射的光线能量，ei为入射到导光板底面单个网点上的所有光线能量；
确定了散射网点结构类型后，以网点的密度设置为优化变量，网点之间的最小间隔为约束条件，出光照度均匀度为评价函数，对网点的密度进行优化得出导光板的散射网点的密度排布；
根据所确定的导光板的散射网点结构类型及密度排布设计导光板；
所述根据散射效率P的不同确定导光板的散射网点结构类型，为根据网点的平均散射效率
Figure FDA0002579328370000012
的不同确定导光板的散射网点结构类型，其中，平均散射效率
Figure FDA0002579328370000013
为：
Figure FDA0002579328370000014
E为出光面的光通量，N为导光板有效发光区域的网点数量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据网点的平均散射效率
Figure FDA0002579328370000015
的不同确定导光板的散射网点结构类型，包括：
确定出光面的光通量E和网点密度分布相同的条件下，不同的网点结构的有效发光面积的大小关系；
根据有效发光面积的大小关系确定导光板的散射网点结构类型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据有效发光面积的大小关系确定导光板的散射网点结构类型，为选择光通量E相同的条件下有效发光面积最小的网点结构作为导光板的散射网点结构。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据发光面积的大小关系确定导光板的散射网点结构类型和/或对网点的密度进行优化得出导光板的散射网点的密度排布，采用Lighttools软件工具或者Tracepro软件工具。
5.一种导光板，其特征在于，所述导光板的散射网点结构类型及密度排布采用权利要求1-4任一所述的方法得到。
6.根据权利要求5所述的导光板，其特征在于，所述导光板的散射网点结构类型选择三棱柱网点结构。
7.根据权利要求5或6所述的导光板，其特征在于，所述导光板的散射网点倾角60±2°，所述倾角为网点散射面与导光板底面之间的夹角。
8.一种背光模组，其特征在于，所述背光模组中导光板为权利要求5-7任一所述的导光板。
9.权利要求1-4任一所述的导光板散射网点的设计方法和/或权利要求5-7任一所述的导光板在液晶显示和照明技术领域内的应用。
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