CN107272108B - 一种导光板下表面一维微结构设计方法 - Google Patents

一种导光板下表面一维微结构设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导光板下表面一维微结构设计方法，根据区域划分规则对导光板下表面进行区域划分；计算各小区域面积比例；计算区域密度概率函数；在对应区域密度概率函数区段中选取合适的密度概率；计算各小区域微结构密度；选择低差异序列作为产生器，生成原始二维点集；对二维点集所有点进行定位，找到所有点所属小区域；对各小区域的单位位置点集进行扩展并平移到导光板下表面对应的小区域的范围内；去除重叠或距离过近的位置点；将生成的位置点集数据导入到导光板模型中并进行仿真；对模型进行优化，获得光能利用率和照度均匀度等的仿真数据；判断数据是否达到设计要求，如果未达到，则返回所述步骤计算区域密度概率函数，否则，设计结束。

Description

一种导光板下表面一维微结构设计方法
技术领域
本发明涉及导光板领域，具体涉及一种导光板下表面一维微结构设计方法。
背景技术
液晶显示模块广泛用于手机、数码相机、平板电脑、电视的显示。随着生产工艺技术的进步，轻薄化、轻量化(即低损耗)已经成为目前液晶显示产品的发展趋势。液晶显示模块由液晶、起偏器、背光模块等组成。经典的背光模块主要由光源、导光板、反射膜、散射膜、增亮膜组成，起着把点光源或线光源转化为面光源供给液晶的作用。其中，导光板是背光模块里的一个重要组件，它的作用为引导光的反射折射方向，用来提高光能效率和照度均匀度，如图1所示。因此，导光板的设计是背光模块的关键技术之一。常用的背光模块分为侧入式和直下式。目前在中小尺寸面板中多采用侧入式。
光源发出的光进入无任何加工的导光板时，根据全反射原理，将会在导光板内向前传播而不射出于任何导光板表面。为了达到转化为面光源的目的，需要在导光板的下表面设计具有一定规律的图案——散射网点或微结构或微光栅。
1)具有散射网点的导光板虽然能较简单地设计网点的排布得到较好的亮度均匀度但是散射材料对光的吸收较导致出光的光能效率较低，并且经散射的光线方向不容易控制。
2)微光栅利用光栅的衍射特性对出射光的角度直接控制，可以获得很好的均匀度，但是光栅对入射光的波长敏感以及光栅制造对精度要求高，因此制作成本高。
3)微结构直接在自然导光板下表面制作，相比散射网点没有吸收光的损耗，制作成本介于前两者之间。此外，根据光的反射折射原理，微结构可以较好地控制光线的反射折射方向，达到目标出光效果。
因此，本发明提出一种高光效、高均匀度且轻薄的导光板微结构设计方法。
现有的相似的技术：
①Yan,Jin-Ren等人提出一种导光板上下表面微棱镜结构的设计方法，照度均匀度达86％，但是其光效只有30％。
②Jui-Wen Pan等人提出一种混合微结构背光模块的设计，可以对出射光线进行一维聚光从而不用增亮膜，最终有效减少背光模块的厚度，但是其背光模块的光效低于50％。
③Tun-ChienTeng等人提出一种超薄的导光板设计仅有2.2毫米的厚度并具有84％的空间均匀度，但是其导光板的光效只有69％。
④Sun,Wen-Shing等人设计了一种用于导光板的聚光的光学薄膜，可以实现背光源模块的光效和均匀度均超过90％，但是实现的前提是薄膜上下表面的微结构必须高精度地对准，制作成本非常高。
⑤Pan,Jui-Wen等人提出一种可以有效提高轴上亮度的背光模块设计，但其亮度均匀度低。
以上相似的设计说明，在设计周期初期，微结构密度的设置对最终出射光的效果有很大影响，仅通过经验试错的方式是无法获得导光板的最佳微结构排布，从而无法同时获得出射光的最高光效和最高均匀度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以同时获得具有高照度均匀度和高光效的导光板微结构最优化设计方法。
一种导光板微结构设计方法，包括如下步骤：
根据区域划分规则对导光板下表面进行区域划分；
计算各小区域的面积比例；
计算区域密度概率函数；
在对应的区域密度概率函数区段中选取合适的密度概率；
计算各小区域的微结构密度；
选择低差异序列作为产生器，生成原始的二维点集；
对二维点集所有点进行定位，找到所有点所属的小区域；
对各小区域的单位位置点集进行扩展并平移到导光板下表面对应的小区域的范围内；
去除重叠或距离过近的位置点；
将生成的位置点集数据导入到导光板模型中并进行仿真；
对模型进行优化，获得光能利用率和照度均匀度等的仿真数据；
判断数据是否达到设计要求为，如果未达到，则返回所述步骤计算区域密度概率函数，否则，设计结束。
具体的，所述区域划分规则为：沿着光源面对的正向方向，划分的区域面积应随着与光源距离的增加而增大，或者至少等于相邻的靠近光源的区域面积；沿着光源自身延伸方向，靠近光源的区域划分的数量应多于远离光源的区域；靠近光源且处在导光板边角处的区域，其微结构的密度应大于或等于沿自身延伸方向相邻区域的密度。
具体的，所述计算各小区域的面积比例满足关系式：R＝rE:rD:rC:rB:rA，其中，r分别为各小区域面积比例值，小区域数量为任意数量。
具体的，所述计算区域密度概率函数为：指数函数形式P(z)＝a×exp(z×(1/L))+c，其中L为导光板的长度，a和c为函数系数，a的取值范围为正数，c的取值范围不限。系数与导光板的尺寸有关；或贝塞尔函数形式P(z)＝P0(1-z)3+3P1z(1-z)2+3P2z2(1-z)+P3z3,z∈[0,1]，其中P0、P1、P2、P3为函数系数，与导光板的尺寸有关；或多项式函数形式P(z)＝az3+bz2+cz+d，其中a、b、c、d为函数系数，与导光板的尺寸有关。
具体的，所述在对应的函数区段中选取合适的密度概率为：采用二分法选取，即第一次迭代将选取区段中点为概率值，第二次及以后的迭代将采用二分法选取概率值；或其他选取方法。
具体的，所述计算各小区域的微结构密度为：计算方法根据此公式Dk＝rk×Pk(z)×dk或Dk＝rk×Pk(z)，其中Dk、rk、Pk(z)和dk分别为小区域k的密度、面积比例值、区域密度概率值和微结构底面的宽度。
具体的，所述低差异序列为Halton序列、Sobol序列、Hammersley序列、Rank-1Lattices序列、乱数(random)序列、正态分布随机函数或者其他具有概率产生序列意义的方法作为产生器替换。
具体的，所述对二维点集所有点进行定位，找到所有点所属的小区域具体为：在单位概率范围[0，1]内，每个小区域分别有其对应的概率区间。点的第一维数据作为指针寻找该点所处的概率区间，从而确认该点所属的小区域。然后点的第二维数据作为该点在所属的小区域内的单位位置。
具体的，所述对二维点集所有点进行定位，找到所有点所属的小区域中第一维数据和第二维数据使用顺序可互换。
具体的，所述对各小区域的单位位置点集进行扩展并平移到导光板下表面对应的小区域的范围内的操作为使用了直角坐标系拉伸和平移的运算。
具体的，所述去除重叠或距离过近的位置点具体为直接舍弃；或采数学模型改变两位置点的距离；或者采用分子斥力模型理论改变两位置点的距离。
具体的，所述对模型进行的优化为：对微结构的深度进行优化；或对微结构的底面角度进行优化；或对微结构的底面宽度进行优化；或对微结构的深度和底面角度同时优化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
①本发明通过对区域密度概率函数的合理取值获得微结构密度值，从而得到具体的微结构数量，因此无需设计者预先对导光板设置微结构的具体数量。
②通过对区域密度概率函数的合理取值获得微结构密度值，使微结构的密度无需依赖设计者的经验设置。
③50毫米*50毫米*1毫米的模型的仿真迭代次数为7次，只耗时半小时，有效减少设计周期。
④微结构的密度有具体的计算方法可依。
⑤对50毫米*50毫米*1毫米、7英寸和14英寸模型进行仿真均可获得良好的效果，本发明可用于中小尺寸的单边侧入式导光板设计，具有灵活性。
⑥本方法步骤为12步，其中有常见的函数运算，方法较为简单，程序实现较简单。
⑦50毫米*50毫米*1毫米、7英寸和14英寸模型的仿真光能效率和照度均匀度分别为87.97％、80.75％、80.20％和85.41％、88.85％、88.04％，仿真效果能同时实现高光能效率和高照度均匀度。
附图说明
图1是现有技术导光板背面微结构引导光的反射方向示意图；
图2是本发明具体实施方式中单边侧入式背光模块示意图，其中：
反射器—1、LED芯片—2、导光板—3、反射薄膜—4、框架-5；
图3是本发明具体实施方式中背光源模块中的导光板微结构设计流程图；
图4是本发明具体实施方式中导光板微结构区域密度概率函数示意图；
图5是本发明具体实施方式中根据点的第一维数据所处的概率区间找到该点所属的小区域，将第二维数据作为单位位置信息划归为该小区域的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举例实施例对本发明作进一步说明。
本发明针对单边侧入式背光模组导光板设计，如图2所示。图2是本发明具体实施方式中单边侧入式背光模块示意图，其中：
反射器—1、LED芯片—2、导光板—3、反射薄膜—4、框架-5。
本具体实施方案中，采用数学软件(如Matlab、Microsoft Visual Studio等)进行编程(如C语言、C++语言、Matlab语言、VBA语言等)，完成技术方案中的所有理论计算，获得各区域微结构位置点集信息。然后把信息导入到光学软件(如Lighttools、Tracepro、ASAP等)里已经建成的仿真模型导光板的下表面。再进行仿真实验验证，最终获得最佳微结构位置点集。
如图3所示为本发明具体实施方式中背光源模块中的导光板微结构设计流程图，具体的步骤如下：
(1)根据三条导光板下表面区域划分规则，保证后续计算获得的初始密度的正确性。分别为：
a.沿着光源面对的正向方向(即Z轴方向)，划分的区域面积应随着与光源距离的增加而增大，或者至少等于相邻的靠近光源的区域面积。
b.沿着光源自身延伸方向(即x轴方向)，靠近光源的区域划分的数量应多于远离光源的区域。这样做可避免设计中经常出现的出光亮暗区现象。
c.靠近光源且处在导光板边角处的区域，其微结构的密度应大于或等于沿光源自身延伸方向相邻区域的密度。
(2)计算划分后各小区域的面积比例，得到区域比例R，其中rE、rD、rC、rB和rA分别为简化后的小区域面积比例值。小区域数量不限于5个，可为任意数量。
R＝rE:rD:rC:rB:rA (1)
(3)计算获得区域密度概率函数P(Z)，如图4所示。其中L为导光板的长度，a和c为函数系数，a的取值范围为正数，c的取值范围不限。系数与导光板的尺寸有关。
可选的替代方法：本概率函数除了采用指数形式，还可以采用其他数学函数，如贝塞尔函数、多项式函数等，分别如式(3)和式(4)所示。其中a、b、c、d、P0、P1、P2、P3为函数系数，与导光板的尺寸有关。
P(z)＝a×exp(z×(1/L))+c (2)
P(z)＝az3+bz2+cz+d (3)
P(z)＝P0(1-z)3+3P1z(1-z)2+3P2z2(1-z)+P3z3,z∈[0,1] (4)
(4)在区域密度概率函数P(Z)中按划分的区域进行等比例划分，并在对应的函数区段中选取合适的密度概率。采用二分法选取，即，第一次迭代将选取区段中点为概率值，第二次(含)以后的迭代将采用二分法选取概率值。或者其他选取方法。区域密度概率的物理含义为该区域获得微结构的可能性。概率值越大，在微结构总数量一定的情况下，该区域获得的微结构数量越多。
(5)根据上述3步计算各小区域的密度Dk，如式(5)所示，其中rk和Pk(z)分别为第2步和第4步获得的计算结果，dk为微结构底面的宽度。
可选的替代方法：当微结构底面宽度对计算密度影响不大时，新密度计算公式可以忽略宽度，即公式(6)。
Dk＝rk×Pk(z)×dk (5)
Dk＝rk×Pk(z) (6)
(6)选择低差异序列中的Halton序列作为微结构随机排布的产生器，生成二维位置点集。每一个点代表一个微结构。二维点集的点的数量等于微结构的总数。
可选的替代方法：使用其他低差异序列，如Sobol序列、Hammersley序列、Rank-1Lattices序列、乱数(random)序列、正态分布随机函数或者其他具有概率产生序列意义的方法作为产生器。低差异序列产生器中的生成矩阵(generator matrix)具有多种选择，如Sobol序列可以找到生成21201维度的生成矩阵。哪种生成矩阵是本设计方案的最佳生成矩阵可以进一步讨论。
(7)对二维点集所有点进行定位，找到所有点所属的小区域。具体做法为：在单位概率范围[0，1]内，每个小区域分别有其对应的概率区间。点的第一维数据作为指针寻找该点所处的概率区间，从而确认该点所属的小区域。然后点的第二维数据作为该点在所属的小区域内的单位位置。如图5所示，举例说明：假设有一二维点M(U0,U1)代表任意一个微结构，根据点M的第一维数据，即U0值，找到其位于概率区间C内。因此，点M归属于小区域C，即该微结构坐落在小区域C内。点M的第二维数据，即U1值为0.5，则为该点(或者该微结构)在小区域C内所处的单位位置，即位于小区域中心处。根据这个方法，点集中所有点所属的小区域得以确定。
可选的替代方法：第一维数据和第二维数据使用顺序可互换。
(8)对各小区域的单位位置点集进行扩展并平移到导光板下表面对应的小区域的范围内。扩展和平移具体使用了直角坐标系拉伸和平移的运算。
(9)若新生成的微结构位置与已生成的微结构位置重叠或距离过近时，新的微结构位置将失效，即舍弃新的位置点。过近的两位置点的距离小于两倍的微结构底面宽度。重叠为两位置点距离小于一倍微结构底面宽度。
可选的替代方法：采用数学模型或者采用分子斥力模型理论：改变两位置点的距离。
(10)将生成的所有区域的位置点集信息导入到仿真模型中进行仿真实验。
(11)对模型进行优化，获得光能利用率和照度均匀度等的仿真数据。其中优化的变量为：微结构的深度；或微结构的底面角度；或微结构底面宽度；或微结构的深度和底面角度同时优化。
(12)判断数据是否达到设计要求，如果未达到，则返回步骤(3)，否则，设计结束。说明在目前已设置的固定参数的情况下，优化获得的导光板微结构排布已经是能同时获得最高照度均匀度和最高光能效率的最优化设计结果。
表1为采用本发明所阐述的设计方法对三个典型中小尺寸的背光模组导光板进行仿真实验的优化结果：
上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种导光板微结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据区域划分规则对导光板下表面进行区域划分；
计算各小区域的面积比例；计算区域密度概率函数；
在对应的区域密度概率函数区段中选取合适的密度概率；
计算各小区域的微结构密度；
选择低差异序列作为产生器，生成原始的二维点集；
对二维点集所有点进行定位，找到所有点所属的小区域；
对各小区域的单位位置点集进行扩展并平移到导光板下表面对应的小区域的范围内；
去除重叠或距离过近的位置点；
将生成的位置点集数据导入到导光板模型中并进行仿真；
对模型进行优化，获得光能利用率和照度均匀度等的仿真数据；
判断数据是否达到设计要求为，如果未达到，则返回所述步骤计算区域密度概率函数，否则，设计结束；
所述计算区域密度概率函数为：指数函数形式，其中L为导光板的长度，a和c为概率函数系数，a的取值范围为正数，c的取值范围不限；或贝塞尔函数形式/>，其中P0、P1、P2、P3为函数系数，与导光板的尺寸有关；或多项式函数形式/>，其中a、b、c、d为函数系数，与导光板的尺寸有关；沿着光源面对的正向方向，定义为Z轴方向；z为沿Z轴方向上的坐标点；
在对应的函数区段中选取合适的密度概率为：采用二分法选取，第一次迭代将选取区段中点为概率值，第二次及以后的迭代将采用二分法选取概率值。
2.根据权利要求1所述的一种导光板微结构设计方法，其特征在于，所述区域划分规则为：
沿着光源面对的正向方向，划分的区域面积应随着与光源距离的增加而增大，或者至少等于相邻的靠近光源的区域面积；沿着光源自身延伸方向，靠近光源的区域划分的数量应多于远离光源的区域；靠近光源且处在导光板边角处的区域，其微结构的密度应大于或等于沿光源自身延伸方向相邻区域的密度。
3.如权利要求1所述一种导光板微结构设计方法，其特征在于，所述计算各小区域的面积比例满足关系式： ，其中，r分别为各小区域面积比例值，小区域数量为任意数量。
4.如权利要求1所述一种导光板微结构设计方法，其特征在于所述计算各小区域的微结构密度为：计算方法根据此公式，其中D k 、r k 、P(z)和d k 分别为小区域k的密度、面积比例值、区域密度概率值和微结构底面的宽度。
5.如权利要求1所述的一种导光板微结构设计方法，其特征在于所述低差异序列为Halton序列、Sobol序列、Hammersley序列、Rank-1Lattices序列、random序列、正态分布随机函数或者其他具有概率产生序列意义的方法作为产生器替换。
6.如权利要求1所述一种导光板微结构设计方法，其特征在于所述二维点集所有点进行定位，找到所有点所属的小区域，具体为在单位概率范围[0，1]内，每个小区域分别有其对应的概率区间，点的第一维数据作为指针寻找该点所处的概率区间，点的第二维数据作为该点在所属的小区域内的单位位置，从而确认该点所属的小区域，其中第一维数据和第二维数据使用顺序可互换；所述对各小区域的单位位置点集进行扩展并平移到导光板下表面对应的小区域的范围内的操作为使用了直角坐标系拉伸和平移的计算。
7.如权利要求1所述一种导光板微结构设计方法，其特征在于，所述去除重叠或距离过近的位置点具体为直接舍弃；或采用数学模型改变两位置点的距离。
8.如权利要求1所述一种导光板微结构设计方法，其特征在于所述对模型进行的优化为：对微结构的深度进行优化；或对微结构的底面角度进行优化；或对微结构的底面宽度进行优化。
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