CN104849796A

CN104849796A - 一种自适应间距的微透镜阵列导光板

Info

Publication number: CN104849796A
Application number: CN201510122467.8A
Authority: CN
Inventors: 谢晋; 司贤海; 邓振杰; 冯彦科
Original assignee: Foshan Zhuan Wei Science And Technology Ltd; South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2015-08-19

Abstract

本发明公开了一种自适应间距的微透镜阵列导光板，包括导光板，所述导光板的反射表面设置有若干相互平行且同时平行于导光板一条边的V槽形或V突起状的反射面透镜结构，所述反射面透镜结构相对于导光板的中心线呈左右对称分布，且相邻两个反射面透镜结构的间距从导光板的两侧向导光板的中间递增设置，其取值为30～5000微米。所述反射面透镜结构的两侧面的夹角为30～170度，深度或高度为0.01～0.5毫米。本发明具有光效高、亮度高、出光更均匀等优点，同时生产更容易实现轻量化、低成本、高效率、绿色环保。

Description

一种自适应间距的微透镜阵列导光板

技术领域

本发明涉及LED照明设计和精密光电零部件制造领域，尤其涉及一种自适应间距的微透镜阵列导光板。

背景技术

目前，LED平板灯主要采用直下式与侧入式两种，本发明主要涉及一种侧入光式平板灯导光板，侧入式平板灯灯体轻薄，便于安装，而且外形美观，所以目前市场上侧入式平板灯占主导地位。目前平板灯导光板有印刷式、化学蚀刻式、激光雕刻式和微切削雕刻式等。印刷式成本相对较低且适合于大尺寸的导光板的制作，但存在油墨的黏度不易控制，精确度不高且造成污染的缺点，已经逐渐被淘汰；化学蚀刻的缺点是光学表面较为粗糙，其网点深度受网点横向尺度精度的限制，化学蚀刻的网点深度浅、使最终生产出来的导光板的导光效率不高，且大幅面的化学蚀刻的均匀性控制很困难；与化学蚀刻相比，激光雕刻制作导光板能够很好的控制网点的深度，但是生产效率低，很难进行批量生产；微切削是利用金刚石刀具在导光板基板上进行成型切削，加工出微结构，这种加工方法使用的微切刀具易磨损，而且对基板的成型精度要求较高，此外生产效率较低。为了解决现有主流技术的缺点，本发明设计出了一种微透镜阵列结构导光板，与主流技术相比具有导光效率更高、亮度更高且发光更均匀等特点，制作工艺简单易控制，清洁无污染，且易于批量生产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中导光板制作精度低、导光效率低、出光均匀度低、生产效率低和制作工艺复杂等问题，提供一种自适应间距的微透镜阵列导光板。

本发明可通过如下技术方案实现：

一种自适应间距的微透镜阵列导光板，包括导光板，所述导光板的反射表面设置有若干相互平行且同时平行于导光板一条边的V槽形或V突起状的反射面透镜结构，所述反射面透镜结构相对于导光板的中心线呈左右对称分布，且相邻两个反射面透镜结构的间距从导光板的两侧向导光板的中间递増设置，其取值为30～5000微米。

进一步地，所述反射面透镜结构2的两侧面的夹角为30～170度，深度或高度为0.01～0.5毫米。

进一步地，所述导光板的出光表面设置有若干相互平行且同时平行于导光板一条边的V槽形或V突起状的出光面透镜结构，所述出光面透镜结构等间距分布，相邻出光面透镜结构的间距取值为30～2000微米。

进一步地，所述出光面透镜结构的两侧面的夹角为30～170度，深度或高度为0.01～0.2毫米。

进一步地，所述导光板的入光侧面设置有若干相互平行且同时平行于导光板一条边的V槽形或V突起状的入光面透镜结构，所述入光面透镜结构等间距分布，相邻入光面透镜结构的间距取值为30～2000微米。

进一步地，所述入光面透镜结构两侧面的夹角为30～170度，深度或高度为0.01～0.2毫米。

进一步地，所述导光板外形为长50～1200毫米、宽50～1200毫米、厚2～20毫米的薄板。

进一步地，所述导光板的材料为光学玻璃、有机玻璃、亚克力、高透光聚合物。

进一步地，相邻两个反射面透镜结构(2)的密度其中D是反射面透镜结构的宽度，L是相邻两个反射面透镜结构的间距，密度P的分布与反射面透镜结构距入光侧面的距离x呈指数函数关系，即其中A，B，C为实常数，2≥A≥0且5≥B>0，2≥C≥-2。

根据光的传输散射理论，当光从光密介质射入光疏介质时，光的入射角达到一定角度即临界角时，不再有折射光线射出，此时光在光疏介质和光密介质交界面发生全反射。将光源安装在一块平板亚克力平板两侧面时，只有靠近光源的一小块区域没有达到光的全反射条件而使光从板的顶面和底面折射出，大部分的光在在亚克力板内发生全反射而向前传播，所以亚克力板顶面只有靠近光源的很小的一部分区域发光，而大部分区域没有光射出而呈现较暗的状态，难以达到导光的效果。为了打破这一规律，在亚克力板的顶面或底面制作一种微小的透镜结构，微透镜结构破坏了光在亚克力板内部传输的路径，从而打破了光的全反射条件使光从亚克板的顶面或底面射出，从而达到导光的效果。为了使导光板表面出光均匀且导光效率更高，导光板底面和顶面都设计有微透镜结构，表面的微透镜结构和排布方式都需要根据严格的配光来设计。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)与印刷式导光板、化学刻蚀导光板和激光雕刻导光板相比，本发明所设计的导光板的微阵列透镜结构的形状精度和表面质量可以精确保证，进而使导光板内光路严格可控。

(2)与印刷式导光板、化学刻蚀导光板和激光雕刻导光板相比，本发明设计和制作的导光板散光结构即微透镜结构可以达到光学透镜级别，两入光侧面、顶面和底面都具有微透镜结构，进而使导光板的导光效率更高。

(3)与印刷式导光板、化学刻蚀导光板和激光雕刻导光板相比，本发明设计和制作的导光板出光更均匀，亮度更高。

(4)本发明设计的导光板采用热压成形的批量生产工艺，与印刷式导光板、化学刻蚀导光板和激光雕刻导光板相比，设备和工艺都较简单，成本更低，而且绿色环保。

附图说明

图1为本发明实施例一的导光板导光原理示意图。

图2为本发明实施例一的导光板局部示意图。

图3为本发明实施例三的导光板立体结构示意图。

图4为本发明热压所用上模芯加工示意图。

图5为本发明热压工艺原理示意图。

图6为本发明热压工艺装置示意图。

图中所示为：1-导光板；2-反射面透镜结构；3-LED光源；4-入光面透镜结构；5-出光面透镜结构；6-模芯沟槽；7-金刚砂轮；8-砂轮尖端；9-刀具轨迹；10-下模芯；11-侧面模芯；12-凹模；13-凸模；14-温控装置；15-水循环接口；16-温控模块接口；17-感温热电偶；18-立柱；19-热压机床工作台；20-液压缸；21-上模芯；22-反射表面；23-入光侧面；24-出光表面。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

实施例一

在本发明的一个实施例中，如图1和图2所示，一种自适应间距的微透镜阵列导光板，包括导光板1，所述导光板1的反射表面22设置有若干相互平行且同时平行于导光板1一条边的或V突起状的反射面透镜结构2，本实施例的反射面透镜结构2为V槽形，所述反射面透镜结构2相对于导光板1的中心线呈左右对称分布，且相邻两个反射面透镜结构2的间距d3从导光板11的两侧向导光板1的中间递増设置，其取值为30～5000微米，本实施例的导光板1材料为亚克力板。

所述反射面透镜结构2的两侧面的夹角为30～170度，深度或高度为0.01～0.5毫米。

相邻两个反射面透镜结构2的密度其中D是反射面透镜结构2的宽度，L是相邻两个反射面透镜结构2的间距，密度P的分布与反射面透镜结构2距入光侧面(23)的距离x呈指数函数关系，即其中A，B，C为实常数，2≥A≥0且5≥B>0，2≥C≥-2。

本实施例中，当光射到反射面透镜结构2表面时会改变传输方向而从导光板1的出光表面24射出而达到导光效果。如图1所示，在导光板1的反射表面22上制作一种V槽形反射面透镜结构2。将LED光源3安装在导光板1左右两侧的入光侧面23处，LED光源3发出的光线在导光板1内传输，当光线照射到反射面透镜结构2表面时光线会改变原来的传输方向而从导光板1的出光表面24射出，从而达到导光的效果。反射面透镜结构2起到散射光线的作用，其形状结构和分布都会直接影响到导光板1的导光效率、光出射均匀度、光亮度等。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：所述导光板1的出光表面24还设置有若干相互平行且同时平行于导光板1一条边的V槽形或V突起状的出光面透镜结构5，本实施例采用V槽形出光面透镜结构5，所述出光面透镜结构5等间距分布，相邻出光面透镜结构5的间距d1取值为30～2000微米。

所述出光面透镜结构5的两侧面的夹角为30～170度，深度或高度为0.01～0.2毫米。

本实施例通过在出光表面24设置采用V槽形出光面透镜结构5，进一步起到散射光线的作用，提高导光板1的导光效率、光出射均匀度、光亮度等。

实施例三

如图3所示，本实施例与实施例二的区别在于：所述导光板1的入光侧面23还设置有若干相互平行且同时平行于导光板1一条边的V槽形或V突起状的入光面透镜结构4，所述入光面透镜结构4等间距分布，相邻入光面透镜结构4的间距d2取值为30～2000微米。

所述入光面透镜结构4两侧面的夹角为30～170度，深度或高度为0.01～0.2毫米。

如图3所示，导光板1反射表面22上的V槽形反射面透镜结构2和出光表面24上的V槽形出光面透镜结构5都呈阵列式分布，两者与导光板1表面的一条边线平行，且每两个沟槽相互平行。为了让LED光源3发出的光更多的进入导光板1而增加导光效率，导光板1的两侧面的入光侧面24制作有V槽形入光面透镜结构4，入光面透镜结构4同样呈阵列式分布，且平行于导光板1侧表面的一条边线，每两条沟槽相互平行。

如图3所示，导光板1的反射表面22上的反射面透镜结构2的形状为V槽形，V槽两侧面的夹角为30～170度，反射面透镜结构2的深度为0.01～0.5毫米；

反射面透镜结构2分布相对于导光板1的中心线呈左右对称，由于导光板1使用时两侧面入光侧面23加装有相同的LED光源3，所以导光板1的反射表面22分布的反射面透镜结构2呈现与LED光源3相同的对称分布才能有利于保证出光表面24出光均匀；相邻两个V 槽形反射面透镜结构2的间距d2从导光板1的两侧向导光板1的中间递増，即反射面透镜结构2的分布密度从导光板1两侧向中间越来越大。反射表面22上反射面透镜结构2分布密度的大小直接影响到出光表面24相对应区域的亮度，反射表面22上反射面透镜结构2分布越密集相对应的出光区域亮度就越高。所以为了导光板1出光面亮度均匀，靠近LED光源3的反射面透镜结构2分布密度较小，远离LED光源3的反射面透镜结构2分布密度较大；导光板1的出光表面24上的出光面透镜结构5的形状同样为V槽形，V槽两侧面的夹角为30～170度，深度为0.01～0.2毫米。出光面透镜结构5在出光表面24均匀排布，即每相邻两沟槽的间距皆相等，且间距d1取值为30～5000微米；导光板1两入光侧面24的入光面透镜结构4同样为V槽形，V槽两侧面夹角为30～170，深度为0.01～0.2毫米，等间距均匀分布，沟槽间距d3取值为30～5000微米；导光板1的厚度h取值为1～10毫米。

上述实施例的导光板1真空热压成型工艺，加工过程大致如下：

如图4所示为本发明导光板热压制作工艺所使用的热压模芯加工方法，以上模芯21为例：采用高速旋转的金刚砂轮7，其砂轮尖端8被精密修整成V形，在上模芯21表面沿刀具轨迹9作直线插补运动，每次进给a为1～3微米，逐渐加工出模芯沟槽6的阵列。其中金刚石砂轮7转速n为2000～3000转/分，进给速度v为0.1～0.2米/分，切削液为水，砂轮尖端8为V形，且两侧面夹角为30～170度；模芯沟槽6为V形槽，两侧面夹角为30～170度，深度为35～600微米。模芯沟槽6在上模芯21表面的分布规律与导光板1相对应成型面上的沟槽分布规律相同。

如图5所示为导光板1热压成型方法：将下模芯10和侧面模芯11固定在凹模12上，上模芯21固定在凸模13上。温控模块14将凸模13、凹模12以及与其相连的模芯温度控制到25～200摄氏度；热压过程中保持模芯温度在60～200摄氏度，凸模13和凹模12之间施加当量0～400公斤的压力；热压成型时，从合模到导光板表面结构成型完成的整个过程中模具都处于真空环境中；导光板1上与下模芯10对应的成型表面为导光板1的反射表面22，与上模芯21对应的成型表面为所述导光板1的出光表面24，与侧面模芯11对应的成型表面为所述导光板1的入光侧面23。

如图6所示为所述热压成型方法工作示意图，凸模13、凹模12和温控装置14固定在热压机床工作台19上。进行热压工作时，液压系统通过液压缸20传递压力给热压机床工作台19，模具随工作台沿着立柱18上下运动进而使模具完成合模和开模动作；机床通过安装在凸模13和凹模12上感温热电偶17来获取模具表面的温度，并通过温控模块14来控制模具的温度，图中16为温控模块接口；图中15为连接温控模块14的水循环接口，水循环可以实现较快速降温，使温控效率更高，从而提高生产效率。

实施例四

本实施例设计的导光板1尺寸为长84毫米、宽87毫米、厚3毫米；导光板1反射表面22分布的疏密不同的V槽形反射面透镜结构 2有86条，所有反射面透镜结构2相互平行且平行于导光板1长为87毫米的边，且相对于导光板1的中线对称分布；相邻反射面透镜结构2的间距即图3中的d3从导光板1两侧向中间递增，相邻反射面透镜结构2的最大间距即靠近导光板1边缘的第一个和第二条反射面透镜结构2的间距为1.23毫米，相邻反射面透镜结构2的最大间距即靠近导光板1中间的第42条和第43条的间距为0.734毫米。所有反射面透镜结构2深度皆为100微米；将所述导光板1安装在LED平板灯内，LED灯条的功率为6.8瓦，通过GO～DS 2000分布光度计测得光通量为328.49lx,光效为48.307lx/w。通过CX～2A～1103008成像亮度计测得导光板出光面亮度均匀度为89％。

本实施例制作的热压模具制作工艺过程为：在CNC精密机床(SMRART B818)上采用直径150毫米的微细金刚石砂轮，金刚石砂轮的粒度为3000目，结合剂为树脂，浓度为100％，金刚石砂轮V形尖端角度为120度；数控机床驱动金刚石砂轮的V形尖端在模芯表面上沿刀具轨迹9作直线插补运动，砂轮每次进给深度a为2微米，进给速度v_f＝0.1m/min，砂轮转速N＝3000r/min，采用水作为冷却液，最终在84x87毫米的矩形模芯端面上加工出深度为80微米、顶角为120度、间距和本例导光板沟槽间距相对应的V沟槽阵列；模芯的材料为微晶玻璃陶瓷，微晶玻璃陶瓷是一种加工性能相对较好的陶瓷材料。本例选用陶瓷作为模芯材料是因为陶瓷具有热变形小、耐腐蚀、耐高温等特点，而且陶瓷不易粘热成型工件而更易脱模，进而使导光板产品的次品率降低。

采用本例制作的模芯进行热压加工过程为：将模芯固定在模具上，模具固定于真空平板硫化机(新劲力机械精密平板硫化机)工作台上，模具合模前抽真空，使模具整个工作过程中都处于真空状态。模具合前模芯热到100摄氏度，合模结束后施加压力当量100公斤的压力，4秒后模具释放压力，但模芯温度保持不变，开模取出工件，导光板成型完成。通过白光干涉仪测量，导光板表面成型有高度为30微米，侧面夹角为150度的V形透镜阵列，相邻透镜的间距与模芯表面V槽的间距相匹配。通过热压成型方法制作导光板，与激光雕刻、化学刻蚀、丝网印刷相比设备更简单、无污染、成本低、生产效率高。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种自适应间距的微透镜阵列导光板，包括导光板(1)，其特征在于：所述导光板(1)的反射表面(22)设置有若干相互平行且同时平行于导光板(1)一条边的V槽形或V突起状的反射面透镜结构(2)，所述反射面透镜结构(2)相对于导光板(1)的中心线呈左右对称分布，且相邻两个反射面透镜结构(2)的密度从导光板的两侧向导光板(1)的中间递增设置，其取值为30～5000微米。

2.根据权利要求1所述的自适应间距的微透镜阵列导光板，其特征在于：所述反射面透镜结构(2)的两侧面的夹角为30～170度，深度或高度为0.01～0.5毫米。

3.根据权利要求1所述的自适应间距的微透镜阵列导光板，其特征在于：所述导光板(1)的出光表面(24)设置有若干相互平行且同时平行于导光板(1)一条边的V槽形或V突起状的出光面透镜结构(5)，所述出光面透镜结构(5)等间距分布，相邻出光面透镜结构(5)的间距取值为30～2000微米。

4.根据权利要求3所述的自适应间距的微透镜阵列导光板，其特征在于：所述出光面透镜结构(5)的两侧面的夹角为30～170度，深度或高度为0.01～0.2毫米。

5.根据权利要求1或2所述的自适应间距的微透镜阵列导光板，其特征在于：所述导光板(1)的入光侧面(23)设置有若干相互平行且同时平行于导光板(1)一条边的V槽形或V突起状的入光面透镜结构(4)，所述入光面透镜结构(4)等间距分布，相邻入光面透镜结构(4)的间距取值为30～2000微米。

6.根据权利要求5所述的自适应间距的微透镜阵列导光板，其特征在于：所述入光面透镜结构(4)两侧面的夹角为30～170度，深度或高度为0.01～0.2毫米。

7.根据权利要求1所述的自适应间距的微透镜阵列导光板，其特征在于：所述导光板(1)外形为长50～1200毫米、宽50～1200毫米、厚1～20毫米的薄板。

8.根据权利要求1所述的自适应间距的微透镜阵列导光板，其特征在于：所述导光板(1)的材料为光学玻璃、有机玻璃、亚克力、高透光聚合物。

9.根据权利要求1所述的自适应间距的微透镜阵列导光板，其特征在于：相邻两个反射面透镜结构(2)的密度其中D是反射面透镜结构(2)的宽度，L是相邻两个反射面透镜结构(2)的间距，密度P的分布与反射面透镜结构(2)距入光侧面(23)的距离x呈指数函数关系，即其中A，B，C为实常数，2≥A≥0且5≥B＞0，2≥C≥-2。