庞晓峰
【摘 要】在实际生产中,为了减少任意数目LED作为光源的背光模组中导光板网点设计的改版次数,削减开发时间成本,提出一种新的关于任意数量LED作光源、矩形侧入式导光板网点分布设计的理论方法.在此方法的基础上,应用TracePro软件建立导光板仿真模型,输入理论计算公式,并利用光线追踪功能,得出初步的仿真照度图,并最终利用TracePro平台中的Texture Optimizer优化模块,对初步理论计算设计所得网点分布进一步优化.在3颗LED作为光源的模型中,优化后均匀度达到87％,符合国家标准.
【期刊名称】《电子科技》
【年(卷),期】2015(028)011
【总页数】4页(P65-68)
【关键词】导光板网点;TracePro;texture optimizer;LED
能量水杯【作 者】电路板测试台庞晓峰
【作者单位】广东工业大学信息工程学院,广东广州510006119b
【正文语种】中 文
【中图分类】樱桃采摘机TN312.8
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)背光模组是为液晶显示等器件提供照明光源，并要求有充足的亮度和均匀的照度分布，由于LED 发光效率高、功耗低、寿命长、无污染等优点，已广泛应用于液晶显示器、照明等领域［1－2］。如今，在市面上的液晶显示器背光模组中，按其光源位置的不同，可分为侧光式和直下式。直下式的优点是彩对比度好，做大尺寸显示比较容易，但要使用大量LED 灯管，以55 英寸的液晶电视为例，要使用3 000 颗LED 灯作光源，因此，厚度、重量和耗电量都无法降低。相反，侧入式则只需400 多颗LED 灯，节能和节约成本，而且液晶显示器能够做得更簿、更时尚。因此，更能得到消费者的青睐，是市场发展的趋势［3－4］。
侧入式的背光模组的核心部件是导光板，其在LED 背光模组中发挥相当重要的作用。现在
市面上的导光板主要是矩形结构，其原理与光波导相似，利用导光板将由光源从导光板侧面耦合入的光转化为从正面均匀输出的光，其输出光的均匀度和亮度，很大程度上受底面网点的排布规律影响［5－6］。在导光板中，网点多数为半球冠状，通过印刷或者注塑成形，不规则分布在导光板的底部，把本来在导光板中以全反射形式传播的光向正面发散出去。因此，为对比直下式，侧入式则要设计制造出高均匀度出光的导光板，技术难度较大，特别是做大尺寸的侧入式显示［7－10］。为此，提出一种新的非均匀的网点排布的设计方法。利用这种理论计算方法，可方便地设计出针对不同LED 数量作光源的导光板网点排布，减少改版次数，节省设计时间成本，且得到的导光板出光均匀度符合背光照明标准。
1 LED 发光模型推导
1.1 导光板配单颗LED 发光模型
理想的LED 光源是一个朗伯发射体，其辐照度分布服从余弦函数规律，实际上，LED 的发光强度分布主要与其封装形式和芯片形状有较大关系。文中可用以下公式计算发光强度的分布［11］
式(1)中，θ 为观察角;E0(r)为在LED 轴向上距离为r处的辐照度(W/m2)。在公式中m 值依赖于LED 发射区域与球型封闭的曲率中心的距离，若发光芯片在此曲率中心处，m 值就约为1，光源近似一个完美朗伯发射体。
由照度定义，能推出单一LED 的照度公式
国徽制作式(2)中，I0 为轴方向的发光强度;E(r，θ)为轴方向上距离发光点r 的角度为θ 处的辐照度。对式(2)做笛卡尔坐标变换，规定xy 轴决定的平面平行导光板，z 轴垂直导光板出光面向上。设直角坐标系的原点在导光板左侧的正中心，只有一颗LED 的情况下，把LED 放置在坐标原点。变换后得单颗LED 照度公式
式(3)中，L 为LED 芯片的辐射亮度(w/(sr·m2));A为LED 芯片的发光面积(m2)。
1.2 导光板配两颗LED 发光模型
现在考虑两颗LED 作光源的情况，设两颗LED 之间的距离为d，并在上述直角坐标原点两边等间距放置，则两LED 灯到原点的距离均为d/2。那么两颗LED 的辐照度叠加得到此模型的辐照度公式
1.3 导光板配N 颗LED 发光模型
以此类推，由N 个LED 叠加，可得到多个LED 作为光源的情况
式(5)中，N 为LED 个数。
2 LED 导光板网点分布计算
当LED 发出的光耦合进导光板之后，光线会因在导光板内部发生全反射，导至光线不能从导光板的上表面导出。为此，必须在导光板的底面设计微结构，对光线进行散射，使光线能从导光板的上表面出射，达到背光照明的目的。导光板微结构中，一般小尺寸可设计为球形结构，大尺寸的导光板可借鉴增光膜的原理设计成V－CUT 结构。本文只讨论前者，网点分布如图1 所示。光在导光板中传导的模型如图2 所示，定义导光板底面的网点的填充率函数［12］
式(6)中S(x，y)是边长为d 的正方形网格内网点的总面积。文中要求导光板出光面有较好的光亮度均匀性，则则任一网点(x，y)对应导光板上表面的亮度均为B，设光遇到网点后散射的光亮度为B1，有部分被散射的光能够从导光板出来(B)，有一部分被反射回去，则［13
－15］
式(7)中，k 为比例常数。B1 大小与(x，y)处网点填充率函数f(x，y)和到达该处的传导光亮度有关，而此处传导光亮度又正比于该点的照度值E(x，y，z)，则有
式(8)中，k1，k2 是比例常数，其中m=k1×k2，在点(x，y)处的传导光亮度为B2。
图1 导光板底面球型网点分布
图2 光在导光板中的传导模型
由式(7)和式(8)得导光板出射面光亮度公式
将式(6)与式(9)联立，可得进一步可得到圆形网点的半径
根据应用LED 颗数的不同，将式(3)～式(5)代入式(12)可得到相对应的网点半径公式。其中，将LED 看作完美的朗伯发射体，则令m≈1 来计算。由于照度B 是一个确定值，则从式(12)分析可知，网点大小的变化规律只与LED 在导光板底面的照度分布有关。
3 TracrPro 仿真与优化
应用Tracepro 软件，建立一个50 mm×50 mm×4 mm规格的导光板，放置LED 发光面大小为1.4 mm×2.0 mm，属性设置为朗伯发光体。除开导光板的出光面，其余各面都设置为镜面100%反射无散射的属性，以防止漏光。并在导光板板的出光面上方1 mm 处放置一个观察面，收集射出的光线。TracePro 3D 建模的导光板如图3 所示。
图3 导光板模型
图4 单颗LED 网点分布
3.1 单颗LED 作光源仿真
荧光法溶解氧应用上述公式设计出单颗LED 作光源的网点分布如图4 所示，网点填充密度呈现弧线分隔变化，离LED 灯近的地方网点密度低，离LED 灯远处网点密度逐渐增加，基本符合LED 的照度分布规律。将网点导入导光板模型中，并进行光线追迹，得到出射面光线照度图如图5 所示。
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