马志鹏; 何玉婷; 万巍; 陈湛旭
【期刊名称】《《机电工程技术》》
【年(卷),期】2019(048)010
【总页数】4页(P155-158)
【作 者】马志鹏; 何玉婷; 万巍; 陈湛旭
【作者单位】广东技术师范大学光电工程学院 广东广州 510665
【正文语种】中 文
【中图分类】TH122
0 引言
液晶显示器件（LCD）是一种非自发光显示器，所以需要背光源组为LCD提供光源。背光源模组的亮度和均匀性等性能参数的好坏会直接影响LCD的显像质量。而作为背光源模组的重要部分，导光板的作用是将线光源转化为面光源，其设计与制造是背光源模组的关键技术之一[1]。许多研究者对背光模组中导光板结构做了研究，例如高雁飞等[2]提出了一体化导光板中微结构的设计；黄碧云等[3]提出侧入式LED背光源组中光耦合模块的设计与实现；梁德娟等[4]提出了高光效侧入式无导光板LED平板灯的研究。 为了提高LED平板灯的出光效果和实现优良的光源隐蔽性，导光板通常需要结合扩散板使用[5]。因为导光板与扩散板在目前的LED平板灯领域大多数是分离的，厂家经常反映在生产过程中常常有灰尘杂质进入间隙，并需要叠压工艺，对生产环境要求较高，此外板面之间存在界面反射导致额外的光损耗[6]。为了解决上述问题，结合厂家的需求，设计一款把导光板与扩散板合二为一的具有扩散功能的导光板。研究结果表明，将扩散板和导光板合二为一后不仅保证了较高的出光均匀性，还大大地提高了出光效率。
1 基本原理
1.1 导光原理
平板灯的导光板使用的材料为亚克力/PC板材，然后用具有极高反射率且不吸光的材料，用UV网版印刷技术在压克力板材底面用UV网版印刷技术印上导光点。导光板的主要原理是光在PMMA的全反射效应[7]。PMMA的透明度很好，对可见光的透过率可达93%，热变形温度为100℃，最高连续使用温度可达85℃。如图1所示，PMMA对可见光的折射率n=1.49（25℃）[8]，根据θc=arcsin(1 n)可得其全反射角约为42.2°，如图1所示。利用PMMA透明导光板将由LED（点光源）发出的纯白光，从透明板端面导入并扩散到整个板面，当光照射到导光板背面印刷的白反光点时发生漫反射。最后通过一层扩散板从与光源入射面垂直的板面射出。通过全反射，将端面射入的光偏转90°，从正面射出，从而起到均匀出光的作用。
图1 PMMA内部进行全反射
扩散板的主要功能是入射光充分散射，实现更柔和、均匀的照射效果。本文中，在扩散板表面增加了一层具有朗伯散射属性的麟甲来代替传统的扩散板，对扩散板表面进行散射网点设计（图2）。当光线遇到不同折射率介质（扩散粒子）时，会发生多方向与角度的反射
、折射与散射。
led发光棒>艾草精油提取设备图2 上表面散射鳞甲工作原理
2 网点分布函数
2.1 导光板网点分布推导
LED灯条的光强分布符合朗伯发光体模型[6]（图3）。朗伯分布模型为：
I0为 θ=0时的光强。根据照度公式，假设有一个平面垂直于光源的法向，且在该平面上有一点与光源的距离为r，且该光源指向该点的方向与法向之间的夹角为θ，则该点处的照度可表示为：
图3 朗伯体LED光型
将（1）式代入（2） 式中，得到：清理废旧钢筋
假定LED灯置于点（x0，y0，z0）处，其发射面的法向为 y轴的正方向，在式 （3） 中，由间中任何一点（x，y，z） 的照度为：
假设导光板的LED灯条光源有m个LED灯珠，沿着x轴方向上等间距排列，其间距为d，且中间的LED灯珠位于坐标原点。假设有一个垂直于y轴且与x轴距离为y1的平面，在该平面上某一点的照度为：
式中：表示m除以2取整。
导光板的出光面的均匀性与散射网点密度和灯源的间距有一定的关系。现在通过下面的推导来说明导光板网点密度和灯源间距之间的关系。由于网点之间的距离很小，因此假定一个单位面积的长方形，内部包含一系列的网点，将长方形的面积近似等于该长方形内所有散射网点的面积之和。因此LED灯源与网点密度之间的关系，转化为LED灯源与该长方形长度之间的关系。随坐标变化的导光板的网点密度为：
式中：s（x，y） 为（x，y）处长方形的面积，a2为网格面积。
当光源与导光板尺寸确定时，导光板的出光面的亮度与（x，y）处网点的密度函数成正比，且与入射到（x，y） 处下底面上的传导的光的亮度成正比，而入射到（x，y） 处下底面上的传导的光的亮度可看成与光源在这点的照度E（x，y） 成正比，因此有：
串口转can式中：k为比例系数，E（x，y） 为 （x，y） 点处的导光板出光面的光亮度。
由式（8）和式（9）可得：
由于s（x，y） 是长方形的面积，且长方形的面积近似的看作是其内部所有网点的面积之和。假定单个网点的面积为Δs，所以得出：
N为长方形面积内网点的个数。
由式（10） 和式（11） 可得：
所以得出：
进一步考虑在LED灯法向方向上的某一个长方形的面积，通过式（4） 和式（11） 得出：
同理，假设LED灯上有n个LED灯珠在y轴等间距排列，则LED灯在水平方向上，可得出：
式中：表示n除以2取整。
最后推导出适合导光板四面光源的二维网点公式：
式中：a，k，B，Δs都是常数。
通过式（12） 可以看出导光板网点个数N与 y2成正比，因此导光板散射网点的密度随着与光源距离的增加而增加，本结论也验证了导光板散射网点的分布规律。
2.2 网点设计的效果
本模型采用四面光源，不难发现离光源的距离不同，该区域的亮度值也不同。为了保证导光板亮度的均匀性，通过改变网点的间距来改变网点的密度。如图4所示，使导光板中心的区域网点间距变小，边缘区域的网点间距变大。经过优化后，导光板的出光均匀性得到了很大的提高。
图4 网点分布规律
描图纸数字电视接收器为了验证所推导网点分布的有效性，分别将散射网点添加到导光板前后进行了对比。通过Tracepro仿真后，可见加入散射网点前，导光板的离光源较近的四边有较高的亮度，而光线很难进入中间区域（图5）。而添加网点后，从四面进入的光线很容易被散射到各个方向，达到均匀出光的效果（图6）。
图5 设置网点前导光板出光情况
图6 设置网点后导光板出光情况
3 导光板和扩散板的分离与合二为一的建模与模拟
3.1 导光板与扩散板分离的建模与模拟
传统的导光板模型由导光板、扩散板、LED灯条、反光罩和探测器组成，如图7所示。其中导光板和扩散板的尺寸分别为300 mm×300 mm×3 mm， 300 mm×300 mm×1 mm，而扩散板是一种表面呈雾状半透明的薄板，能使光线在表面散射。
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