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一种用于LED光源的防眩光光学膜及其设计方法

＝x1+d；
18.步骤5：令led光源的两端点分别到第二点的连线为边缘光线l1和l2；令过第二点的垂直线为l3；则l1和l2分别与l3间的夹角为θ1和θ2，并利用式(1)和式(2)分别得到θ1和θ2：
19.θ1＝arctan((x2+(d/2))/y2)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
20.θ2＝arctan(((d/2)-x2)/y2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
21.步骤6：令起始点与第二点之间连线的法线为l4，利用式(3)得到法线l4与所述垂直线l3的夹角θ3：
22.θ3＝arctan((y
2-y1)/(x
2-x1))
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
23.步骤7：利用式(4)和式(5)计算l4分别与两条边缘光线l1和l2的夹角，即入射角α1和α2：
24.α1＝θ1+θ3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
25.α2＝θ
2-θ3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
26.步骤8：利用式(6)和式(7)计算l4分别与两条出射光线的夹角，即出射角β1和β2：
27.β1＝arcsin(sin(θ1+θ3)/(n/n0))
ꢀꢀꢀ
(6)
28.β2＝arcsin(sin(θ
2-θ3)/(n/n0))
ꢀꢀꢀ
(7)
29.式(6)和式(7)中，n为防眩光光学膜的基底材质的折射率，n0为空气的折射率；
30.步骤9：利用式(8)和式(9)计算两条出射光线分别与垂直线l3的夹角δ1和δ2：
31.δ1＝β
1-θ3ꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
32.δ2＝β2+θ3ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
33.步骤10：设定δ1和δ2的判断角度为γ；设定y2的判断范围y
max
；令夹角之和δ＝δ1+δ2；
34.步骤11：判断δ1和δ2是否均小于γ，如果是，则保存坐标(x2,y2)，并作第二点的预备点坐标，同时保持x2不变，令y2逐步递增后，重复步骤5-步骤10，直到y2达到y
max
为止，从而得到第二点的所有预备点；
35.步骤12：从第二点的所有预备点中选出最小的夹角之和所对应的预备点，并作为第二点的最终坐标；
36.步骤13：以第二点的最终坐标作为新的起始点后，重复步骤4-步骤12，计算下一个点，直到x2递增到d/2为止，结束所有的计算；并将所求得的所有点通过线段连接起来，从而得到微结构二维曲线的一半，再以y轴为对称轴进行对称后得到完整的微结构的二维曲线，再以y轴为对称轴对所述二维曲线进行360
°
旋转，从而得到最终目标的自由曲面结构，即单个微结构。
37.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
38.1、本发明首先根据led光源的发光特性，基于边缘光线理论，设计光学膜表面的微结构，保证了光学膜微结构能最大程度地将led光源发出的光线收缩，进而减少了室内照明的ugr值，达到了防眩光效果。
39.2、本发明设计时充分考虑到光学膜的空间占用问题，为了达到减薄效果，设计的混光距离达到了微米级别，且只通过一层光学膜同时对水平和垂直方向上的光线进行调控，光学膜基底采用聚甲基丙烯酸甲脂，故光线透过率较高，光的利用率高，可以实现节能效果，且混光距离小，可以节省更多的空间。
40.3、本发明提出的基于边缘光线理论调控光线角度的思想可以用于其他led光源的
视角设计，能根据实际情况的需求对led光源发出的光线进行相应的控制，该方法对于光线具有较好的调控效果，实用范围宽、推广价值高。
附图说明
41.图1是本发明实施例中微结构的设计原理示意图；
42.图2是本发明实施例中光学膜的布置方式示意图；
43.图3是本发明实施例中光学膜微结构的二维曲线图；
44.图4是本发明实施例中微结构的排布方式图；
45.图5是本发明实施例中未添加防眩光光学膜的视角曲线图；
46.图6是本发明实施例中添加防眩光光学膜后的视角曲线图；
47.图7是本发明实施例中添加了防眩光光学膜后的仿真照度图；
48.图7a是本发明实施例中添加了防眩光光学膜后的仿真照度图沿光学膜基板长边方向上剖切面的照度曲线图；
49.图7b是本发明实施例中添加了防眩光光学膜后的仿真照度图沿光学膜基板短边方向上剖切面的照度曲线图。
具体实施方式
50.本实施例中，一种用于led光源的防眩光光学膜的形状为矩形，该防眩光光学膜的表面设置有若干呈六边形阵列排布的微结构，微结构为自由曲面结构；
51.令单个微结构的高度为5μm-8μm；单个微结构的宽度d为10μm-20μm；
52.根据微结构的宽度d，令相邻两个微结构的中心在x轴方向上的间距为10μm-20μm；
53.根据微结构的宽度d，令相邻两个微结构的中心在y轴方向上的间距为8μm-18μm；
54.如图3所示，沿着光学膜基底长边方向对led光源取一个横截面，以该横截面的中点为原点，以平行于光学膜长边方向为x轴方向，以垂直于led光源方向为y轴方向，建立第二二维坐标系。该防眩光光学膜微结构的二维曲线是一条关于y轴对称的自由曲线；
55.优选的，该光学膜单个微结构的高度为5.64μm；
56.优选的，该光学膜单个微结构的宽度为20μm；
57.考虑到单个微结构为自由曲面结构，为了能够调控到更多的光线，需要微结构最大程度地覆盖防眩光光学膜表面，减少微结构之间的空隙，进而达到更好的防眩效果；
58.故微结构的排布采用的是六边形阵列排布；
59.如图4所示，以防眩光光学膜基底的对称中心为原点，以该光学膜基底的长边方向为x轴方向，以该光学膜基底的短边方向为y轴方向，建立第一二维坐标系。该防眩光光学膜微结构沿x，y方向呈六边形阵列排布；
60.优选的，相邻两个微结构的中心在x轴方向上的间距为20μm；
61.优选的，相邻两个微结构的中心在y轴方向上的间距为17.3μm；
62.防眩光光学膜的基底材质采用聚甲基丙烯酸甲脂或聚对苯二甲酸乙二酯或聚碳酸酯；
63.为了提高光线的透过率进而提高光能利用率，优选的，本发明中防眩光光学膜的基底材质采用聚甲基丙烯酸甲脂；
64.本实施例中，一种用于led光源的防眩光光学膜的设计方法是基于边缘光线理论，如图1所示，是按如下步骤进行(以下内容所有数值默认单位均为μm)：
65.步骤1：设定单个微结构的宽度为d，则led光源的宽度也定义为d；
66.考虑到微结构的尺寸有一定的限制范围，为了能够实现更好的光线调控效果，故单个为结构的宽度为20；设计时为了能够最直观的体现微结构对于led发出的光源的调控作用，故将led光源里三位宽度与单个微结构等宽的若干离散扩展光源；
67.步骤2：沿着光学膜基底长边方向对led光源取一个横截面，以该横截面的中点为原点，以平行于光学膜长边方向为x轴方向，以垂直于led光源方向为y轴方向，建立第二二维坐标系；
68.步骤3：设定二维曲线的起始点的坐标为(x1,y1)；
69.步骤4：设定第二点到起始点的x轴距离为d，则第二点的初始坐标为(x2,y2)，且x2＝x1+d；
70.由于led光源关于y轴对称，设计微结构的二维曲线时只需求出该曲线的一半，然后将得到的曲线关于y轴对称即可得到最终的微结构二维曲线，故给定的第一起始点的x坐标为0；
71.为了实现防眩光膜减薄的设计，从而达到节省空间的目的；同时由于设定的单个微结构与光源等宽，为了调控到更大角度的光线，led光源到微结构的距离就必须满足一定范围，故给定的第一起始点的y坐标为10；
72.在本发明中，d越小，得到的微结构二维曲线越光滑。考虑到实际存在的加工问题，故两个点在x轴方向上的间距固定为0.1；
73.步骤5：令led光源的两端点分别到第二点的连线为边缘光线l1和l2；令过第二点的垂直线为l3；则l1和l2分别与l3间的夹角为θ1和θ2；并利用式(1)和式(2)分别得到θ1和θ2：
74.θ1＝arctan((x2+(d/2))/y2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
75.θ2＝arctan(((d/2)-x2)/y2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
76.步骤6：令起始点与第二点之间连线的法线为l4，利用式(3)得到法线l4与垂直线l3的夹角θ3：
77.θ3＝arctan((y
2-y1)/(x
2-x1))
ꢀꢀꢀ
(3)
78.步骤7：利用式(4)和式(5)计算l4分别与两条边缘光线l1和l2的夹角，即入射角α1和α2：
79.α1＝θ1+θ3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
80.α2＝θ
2-θ3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
81.步骤8：利用式(6)和式(7)计算l4分别与两条出射光线的夹角，即出射角β1和β2：
82.β1＝arcsin(sin(θ1+θ3)/(n/n0))
ꢀꢀꢀ
(6)
83.β2＝arcsin(sin(θ
2-θ3)/(n/n0))
ꢀꢀꢀ
(7)
84.式(6)和式(7)中，n为防眩光光学膜的基底材质的折射率，n0为空气的折射率；
85.步骤9：利用式(8)和式(9)计算两条出射光线分别与垂直线l3的夹角δ1和δ2：
86.δ1＝β
1-θ3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
87.δ2＝β2+θ3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
88.步骤10：设定δ1和δ2的判断角度为γ；设定y2的判断范围y
max
；令夹角之和δ＝δ1+δ2；
89.在本发明中，为了抑制led光源的大角度光线，遮蔽角达到30
°
以上，最终抑制眩光从而达到防眩光效果，将判定角度γ设置为30
°
；
90.步骤11：判断δ1和δ2是否均小于γ，如果是，则保存坐标(x2,y2)，并作第二点的预备点坐标，同时保持x2不变，令y2逐步递增后，重复步骤5-步骤10，直到y2达到y
max
为止，从而得到第二点的所有预备点；
91.在本发明中，出于设计微结构的考虑，微结构尺寸不能过大，因此y2的判断范围y
max
设置为50，为了出最符合条件的第二点，y2值的范围必须充分包括所有可能存在的点，同时y2为0的位置代表led光源，故y2的初值设置为0.1，递增的步长为0.01；
92.步骤12：从第二点的所有预备点中选出最小的夹角之和所对应的预备点，并作为第二点的最终坐标；
93.步骤13：以第二点的最终坐标作为第二起始点，重复步骤4-步骤12，计算下一个点，直到x2递增到d/2为止，结束所有的计算；并将所求得的所有点通过线段连接起来，从而得到微结构二维曲线的一半，再以y轴为对称轴进行对称后得到完整的微结构二维曲线。
94.步骤14：以y轴为对称轴对二维曲线进行360
°
旋转，从而得到最终的目标的自由曲面结构。
95.设计三维结构时，考虑到要同时对水平和垂直两个方向上的光线进行调控，所以设置为一个中心对称结构，即以微结构二维曲线的对称轴为旋转轴，进行360
°
旋转，得到一个自由曲面结构，即单个三维立体微结构；
96.步骤15：根据微结构的宽度，在光学膜基板x,y方向上按照计算好的距离对单个微结构进行六边形阵列，即得到预期的微结构光学膜。
97.实施例：设定单个微结构的宽度为20μm；高度为5.64μm；第一起始点坐标为(0，10)；六边形排布在x、y方向上的间距分别为20μm、17.32μm；微结构距离led光源的距离为10μm。如图2、图5、图6所示，本专利的光学膜以pmma为基板材料，基底的一面(靠近led光源)有微结构，微结构的作用是最大程度地将led光源发出的光线收缩起来，将大角度的入射光线调控为小角度出射，从而降低ugr值，达到室内照明的眩光抑制效果，实现防眩光光学膜设计。同时该防眩光光学膜能够达到较小的混光距离，有助于节省更多的空间。
98.如图7、图7a和图7b所示，本实施例中提出的防眩光光学膜在实现防眩效果的基础上，同时满足了较好的亮度均匀性，亮度均匀性达到了89.72％。
99.采用上述方法设计的微结构，经相应光学软件仿真，如图5、图6所示，添加防眩光光学膜后视角曲线有了明显的改善，大角度光线明显减少，该光学膜可以对led光源的光线进行收束，从而抑制65度以上的高角度光线，减少了视觉眩光，有效地降低了灯具的ugr值，最终实现了防眩光的效果。

技术特征：

1.一种用于led光源的防眩光光学膜，光学膜形状为矩形，其特征在于，所述防眩光光学膜的表面设置有若干呈六边形阵列排布的微结构，所述微结构为自由曲面结构；令单个微结构的高度为5μm-8μm；单个微结构的宽度d为10μm-20μm；以防眩光光学膜基底的对称中心为原点，以所述防眩光光学膜基底的长边方向为x轴方向，以防眩光光学膜基底的短边方向为y轴方向，建立第一二维坐标系；根据微结构的宽度d，令相邻两个微结构的中心在x轴方向上的间距为10μm-20μm；根据微结构的宽度d，令相邻两个微结构的中心在y轴方向上的间距为8μm-18μm；所述防眩光光学膜基底的材质采用聚甲基丙烯酸甲脂或聚对苯二甲酸乙二酯或聚碳酸酯。2.一种用于led光源的防眩光光学膜的设计方法，其特征是按如下步骤进行：步骤1：设定单个微结构的宽度为d，则led光源的宽度也定义为d；步骤2：沿着防眩光光学膜基底的长边方向对led光源取一个横截面，以所述横截面的中点为原点，以平行于防眩光光学膜的长边方向为x轴方向，以垂直于led光源的方向为y轴方向，建立第二二维坐标系，用于设计微结构的二维曲线；步骤3：设定二维曲线的起始点的坐标为(x1,y1)；步骤4：设定第二点到起始点的x轴距离为d，则第二点的初始坐标为(x2,y2)，且x2＝x1+d；步骤5：令led光源的两端点分别到第二点的连线为边缘光线l1和l2；令过第二点的垂直线为l3；则l1和l2分别与l3间的夹角为θ1和θ2，并利用式(1)和式(2)分别得到θ1和θ2：θ1＝arctan((x2+(d/2))/y2)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)θ2＝arctan(((d/2)-x2)/y2)
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(2)步骤6：令起始点与第二点之间连线的法线为l4，利用式(3)得到法线l4与所述垂直线l3的夹角θ3：θ3＝arctan((y
2-y1)/(x
2-x1))
ꢀꢀꢀꢀ
(3)步骤7：利用式(4)和式(5)计算l4分别与两条边缘光线l1和l2的夹角，即入射角α1和α2：α1＝θ1+θ3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)α2＝θ
2-θ3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)步骤8：利用式(6)和式(7)计算l4分别与两条出射光线的夹角，即出射角β1和β2：β1＝arcsin(sin(θ1+θ3)/(n/n0))
ꢀꢀ
(6)β2＝arcsin(sin(θ
2-θ3)/(n/n0))
ꢀꢀ
(7)式(6)和式(7)中，n为防眩光光学膜的基底材质的折射率，n0为空气的折射率；步骤9：利用式(8)和式(9)计算两条出射光线分别与垂直线l3的夹角δ1和δ2：δ1＝β
1-θ3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)δ2＝β2+θ3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)步骤10：设定δ1和δ2的判断角度为γ；设定y2的判断范围y
max
；令夹角之和δ＝δ1+δ2；步骤11：判断δ1和δ2是否均小于γ，如果是，则保存坐标(x2,y2)，并作第二点的预备点坐标，同时保持x2不变，令y2逐步递增后，重复步骤5-步骤10，直到y2达到y
max
为止，从而得到第二点的所有预备点；步骤12：从第二点的所有预备点中选出最小的夹角之和所对应的预备点，并作为第二
点的最终坐标；步骤13：以第二点的最终坐标作为新的起始点后，重复步骤4-步骤12，计算下一个点，直到x2递增到d/2为止，结束所有的计算；并将所求得的所有点通过线段连接起来，从而得到微结构二维曲线的一半，再以y轴为对称轴进行对称后得到完整的微结构的二维曲线，再以y轴为对称轴对所述二维曲线进行360
°
旋转，从而得到最终目标的自由曲面结构，即单个微结构。

技术总结

本发明公开了一种用于LED光源的防眩光光学膜及其设计方法，该光学膜的表面设置有若干呈六边形阵列排布的微结构，该微结构为自由曲面结构；令单个微结构的高度为5μm-8μm；单个微结构的宽度D为10μm-20μm；令相邻两个微结构的中心在X轴方向上的间距为10μm-20μm；相邻两个微结构的中心在Y轴方向上的间距为8μm-18μm；该防眩光光学膜的基底材质采用聚甲基丙烯酸甲脂或聚对苯二甲酸乙二酯或聚碳酸酯。本发明能有效降低统一眩光值，从而能实现良好的防眩光效果，并解决室内照明存在的眩光问题。问题。问题。