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侧入式LED导光板散射网点设计
随着手机、电脑的大量使用,人们有越来越多的机会接触显示屏,对显示效果的要求也就越来越高。
传统的显示器已经无法达到人们的要求,画质更清晰、色彩更饱满的液晶显示器就在各种产品中脱颖而出,赢得人们的青睐。
由于液晶本身具有不发光的特性,液晶显示器中的背光模组对于显示屏表面出光效果的影响就非常大。
侧光式背光模组的光源位于侧面,减小了整个模组的厚度,满足了人们对于轻薄产品的追求,但是要使侧面光源从正面均匀出射,导光板的设计就非常重要。
本论文通过对光在导光板中传输的规律的分析,阐明了导光板底部存在的网点结构的设计方案对于整个导光板光学性能的重要性。
原有的网点设计理论将网点看作分子,着重于分析网点之间的力的作用,整个过程较为繁琐。
本论文则从照度的均匀性出发,由照度的定义公式推导出网点坐标的表达式,简化了网点设计方法,并且在光学仿真软件Light Tools中对得到的网点坐标分布进行模拟,得到了这种分布下的导光板各点的光照度,用Matlab软件画出光照示意图,利用最终的数据对光照均匀性和光能利用率进行了分析。
针对仿真得到的设计算法的光照仿真图的不足,改变底面散射网点的面积来改善光学效果。
本论文主要采用改变网点水平方向或竖直方向的间距、改变区域分布的方法来使光照度小的区域的散射网点面积更大,另外改变网点深度、改变棱镜膜片的相关参数也可以达到优化的目的。
最终利用不同的分布相结合的调整办法得到的网点分布状态下的导光板导光效果最好,光照均匀度为93.02%,满足商用导光板要求。
背光板扩散网点设计技术除了monitor的液晶显示器背光照明单元使用直下式灯管配置之外，几乎所有液晶显示器背光照明单元都是采取端缘入光(edge ight)设计。
图1(a)是典型的光照明单元结构，其中又以导光板(LG: Light guide)扮演决定性的角色，如图1(b)所示从冷阴极灯管(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)射出的光线反复在导光板上方与下方全反射与散乱，当上方全反射条件受到破坏时，光线就从导光板内部射出。
为了引发散乱或是扩散反射，因此利用网版印刷设备在导光板下方涂布由二氧化钛(TiO2)、硫化钡与UV胶所构成的白色网点(dot pattern)，网点的密度与大小一般而言靠近灯管的网点密度越疏，直径越小，随着距离的增加网点密度逐渐变密，网点的大小越来越大，藉此设计使光线能均匀分布在导光板表面。
背光照明单元是笔记本电脑中最耗电的device，因此提高背光照明单元的光线利用效率成为重要的课题。
虽然端缘入光方式具有极佳的光线收敛特性，不过基本上背光照明单元属于透明组件，也就是说白色微小构造体(以下统称为网点pattern或是光线散乱体)与液晶cell 产生的干涉pattern，随着液晶显示器大型化越来越明显，几乎已到达无法忽视的程度。
虽然微小构造体可透过优化设计获得适宜的形状，不过整体而言如何有效排列微小构造体却是设计者最困扰的问题，因此接着要介绍有关不规则网点pattern的理论设计技术(以下通称为网点生成法)。
图1 典型的端缘入光背光板结构网点生成法的现况避免液晶cell的data line、gate line两个规则性pattern与导光板的网点产生干涉，理论上最有效的方法是使网点pattern作不规则排列，不过实际上不规则排列如果造成网点相互重迭时，该部位就会变成辉点或是暗点，此外网点pattern的充填率分布若是有非均匀性时，就会发生目视上的辉度不均现象，换句话说理想的网点pattern必需具备下列三项条件:①网点pattern呈极不规则排列时，亦不会造成液晶cell与液晶cell之间不会产生moiré条纹。
内容概要•背光模组的定义与构成•设计目标与设计方法•参数设置与优化•实际案例学习(仪器仪表)背光模组的定义•一般构成–导光板•通常其材料为塑料•注射成型或印刷式的网点（导光板下表面）–光源和反射罩•（典型光源CCFL and LED ）–其他常用的光学元件扩散片(可提高均匀性)反射片•一些元件能否被使用取决于它的尺寸大小和成本以及其它要求Schematic of a typical backlight designLight source Light guideDiffuserReflectorAppliquéTransparency主要设计目标•在垂直光的传播方向上提升光的利用效率Light SourcePreferred direction of light extractionDirection of light propagationLight guideLight extraction from a light guide设计过程: 均匀性•光能量的传播是随导光板的长度变化的-出光的提取效率要随导光板的长度的增加而增加•改变光提取效率的方法：-改变网点密度，网点大小, 网点排布间距Distance from the sourceAvailable powerExtraction efficiencyUniform output背光网点设计•网点模型：印刷式的或注射成型的网点在背光设计中经常用到这两种网点来获得亮度均匀的背光•最佳的设计参数是优化后得到的网点密度分布Pattern Generator+CADIllumination SoftwareOutputOKUnacceptable优化过程通过不断反复调整网点参数进行优化,可以得到最终最佳的亮度与均匀性。
-可以通过做样品或软件模拟来完成光线追迹后输出模拟结果对比输出结果与初始要求网点参数设置计算新的网点更新模型完成OKNot OK网点参数的确定–为避免产生莫尔条纹，每个区域网点的密度是不一样的网点参数确定方法:–定义网点密度为二维网格值–定义网格值•网点的大小为变量•网点的数量和大小都为变量假设给定网点大小与形状通过计算在一个区域内变化网点的数量，得到想要的网点密度–网点密度的变化应该是缓慢而平滑的–人眼对突变是很敏感的，对渐变却不敏感变化网点数量的其他方法–分子动力学方法–多联骨牌法Mosaic Structure withObservableRectilinear Substructure Smooth Variation withObservableRectilinear SubstructureSmooth Variation withSinusoidal Shifts假设给定网点位置排布–经常用的排布一般为六角形通过计算在一个区域内变化网点的大小通过计算在一个区域内变化网点的大小，，得到想要的网点密度–出光的效率和网点排布的密度是成比例的Mosaic Structure using Hexagonal Pattern Smooth Variation using Hexagonal Pattern Smooth Variation using Rectilinear Pattern网点可以在位置的附近移动偏移网点可以在位置的附近移动偏移，，进行随机的变化, 但并不会重叠–也可以对网点的大小进行随机控制Dither X,Y=1,0Dither X,Y=0,1Dither X,Y=1,1Dither X,Y=0,0Dither X,Y=.2,.2Dither X,Y=.5,.5光线追迹与模拟评估此商业照明软件可以对背光进行设计模拟评估–运用蒙特卡罗随机光线追迹的方法来进行光度计算和模拟–模拟结果的精确度取决于光线追迹的数量和分辨率的高低高分辨率低精度低分辨率高精度高分辨率高精度--更多的光线--模拟评估可以使用优化函数进行模拟可以使用优化函数进行模拟，，比较输出结果与要求比较输出结果与要求，，进行评估-可使用优化函数限定统计噪声的最小值•当达到设计目标时可以中止优化函数•可增加光线的数目MF = ∑W i 2(V i -T i )2W i = Weight of i th MF item V i = Current Value of i th MF item T i = Target of i thMF itemLuminancewith 10,000 RaysLuminancewith1,000,000 RaysMF = ∑W i 2(V i + ∈i -T i )2MF = ∑W i 2(V i -T i )2 +Noise网点优化•BPO 通过改变网点的间距和大小来达到设计的要求•网点优化可以是2维的平面网点也可以是3维的网点•我们可以定义个接收面来接收并计算背光板表面的亮度和照度BPO 自动优化网点的过程•BPO 提供有效的优化网点的过程方法案例1: 印刷式导光板的网点优化在开始的时候使用均匀的印刷式网点进行优化得到合理的网点参数Small Source(e.g., LED)2D Display案例2: 注射成型网点的优化–网点大小相同，对排布的位置做优化处理来提高光的利用效率–这个例子是使用注射成型的网点进行优化LEDStartFinalTexture Density Output案例3: 两个LED, 非对称排布•使用注射成型的网点排布•两个LED–LED 采用非对称排布LEDsStartFinalTexture Density Output案例4: 两个LED, 对称排布•使用注射成型的网点排布•两个LED–LED 采用对称排布LEDsStartFinalTexture Density OutputSetupBitmap AppliquéSide ViewTop ViewLEDTextureAcrylic Light PipeBlue Filteron kph Appliqué•如下位图是作为优化的目标illuminance inthe blackregionsOptimization Results15 minutes2.33Ghz processor100,000 rays/iteration Iteration 1Iteration 2Iteration 3Iteration 4Iteration 5Iteration 6•模拟结果Illuminance Chart (1M rays) PhotoRealistic Rendering (100M rays)亮点边缘照明不足•需要新的目标区域设定全覆盖整个面积原有仪表盘结构新的仪表盘结构•最后的结果Photorealistic Rendering (100M rays)结论•网点的优化和模型设置及参数类型选择有紧密联系•介绍了用LightTools 进行设计和分析的一个汽车仪表盘背光的例子。
导光板网点设计编制部门：研发部适用区域：□全公司 ■其它：研发部发布范围：研发部培训岗位：研发部结构工程师执行负责人：流程Owner：文件批准人：生效日期：年 月 日填写说明：1、“执行负责人”由起草人手签姓名，“流程Owner”由编制部门负责人手签姓名，“文件批准人”需要编制部门上级领导手签姓名。
2、适用区域、发布范围、培训岗位、生效日期需要执行负责人进行勾选或者填写。
所属部门 研发部流程Owner页码2 / 131、 目的规范导光板网点设计作业流程。
2、 范围适用于研发部导光板网点设计。
3、 职责研发部结构工程师导光板设计参考文件，4、 管理条例4.1 流程图：4.2 作业流程说明： 4.2.1 建模：1) 直接利用LightTools 的3D 建模功能建模光学元件建模 结构元件建模所属部门 研发部流程Owner页码3 /132) 使用其他CAD 软件建模 （如AutoCAD ,Pro/E,CATIA,UG 等），再以IGS,STEP ,SAT 格式导入。
4.2.2 导光板texture建立：4.2.3 导光板及2D/3D Texture 表面特性设置.依次点开菜单。
2DTexture 建立： 3DTexture 建立：123所属部门 研发部 流程Owner 页码 4 / 134.2.4 Texture特性设置，依次点开菜单。
1 2所属部门 研发部 流程Owner 页码 5 / 134.2.5 反射片表面特性设置所属部门 研发部 流程Owner 页码 6 / 134.2.6 扩散板光学特性设置所属部门 研发部流程Owner页码7 / 134.2.7 光源建立，光源建立是决定模拟准确度的关键，大多数背光模组使用两种光源：CCFL 、LED在Lighttools 中可以利用三种方式来建构光源：1) 整体光源模型在lighttools 中建立，最准确，但必须知道光源的结构，大厂商如PHILIPS ，OSRAM ，CREE 一般可以提供。
具有扩散功能导光板的结构设计马志鹏; 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)【关键词】导光板; 扩散板; 网点; 光能利用率【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】TH1220 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℃。
背光板扩散网点设计 2006-8-12--------------------------------------------------------------------------------前言除了monitor的液晶显示器背光照明单元使用直下式灯管配置之外，几乎所有液晶显示器背光照明单元都是采取端缘入光(edge light)设计。
图1(a)是典型的光照明单元结构，其中又以导光板(LG: Light guide)扮演决定性的角色，如图1(b)所示从冷阴极灯管(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)射出的光线反复在导光板上方与下方全反射与散乱，当上方全反射条件受到破坏时，光线就从导光板内部射出。
为了引发散乱或是扩散反射，因此利用网版印刷设备在导光板下方涂布由二氧化钛(TiO2) 、硫化钡与UV胶所构成的白色网点（dot pattern），网点的密度与大小一般而言靠近灯管的网点密度越疏，直径越小，随着距离的增加网点密度逐渐变密，网点的大小越来越大，藉此设计使光线能均匀分布在导光板表面。
背光照明单元是笔记本电脑中最耗电的device，因此提高背光照明单元的光线利用效率成为重要的课题。
虽然端缘入光方式具有极佳的光线收敛特性，不过基本上背光照明单元属于透明组件，也就是说白色微小构造体(以下统称为网点pattern或是光线散乱体)与液晶cell产生的干涉pattern，随着液晶显示器大型化越来越明显，几乎已到达无法忽视的程度。
虽然微小构造体可透过优化设计获得适宜的形状，不过整体而言如何有效排列微小构造体却是设计者最困扰的问题，因此接着要介绍有关不规则网点pattern的理论设计技术（以下通称为网点生成法）。
图1 典型的端缘入光背光板结构网点生成法的现况避免液晶cell的data line、gate line两个规则性pattern与导光板的网点产生干涉，理论上最有效的方法是使网点pattern作不规则排列，不过实际上不规则排列如果造成网点相互重迭时，该部位就会变成辉点或是暗点，此外网点pattern 的充填率分布若是有非均匀性时，就会发生目视上的辉度不均现象，换句话说理想的网点pattern必需具备下列三项条件:①网点pattern呈极不规则排列时，亦不会造成液晶cell与液晶cell之间不会产生moiré条纹。
②网点pattern不规则排列时，肉眼亦无法辨识辉度不均。
③具备高度度对应性可满足任意连续性的充填率分布。
事实上以上三条件与影像浓淡二值化面临的条件极为类似。
有关影像浓淡二值化理论，曾经有出现许多可以满足上述条件的不规则网点pattern生成法提案，其中以蓝色noise mask方法与其改良方案最具代表性，不过这些网点pattern生成法提案多少都有假设性的疑虑，因此到目前为止实际导光板scale尚无法获得另人满意的网点pattern质量。
在LCD领域中所谓的网点pattern生成手法大都是依循拟似随机数理论设计，它的具体设计步骤是将网点设置于规则性格子内，再依此根据拟似随机数理论赋与摄动，如果网点发生重迭时再用拟似随机数理论补正摄动，一般称此方法为拟似随机数摄动法，然而在高充填率领域拟似随机数摄动法却无法有效回避网点重迭与拟似随机数特有的粗略特性，尤其是任意连续充填率的场合，就无法轻易产生规则性格子，所以拟似随机数摄动法并不适用于高辉度背光板扩散网点的设计。
‧超均匀分布列理论如上所述拟似随机数无法有效回避网点重迭与拟似随机数特有的粗糙特性，因此有关导光板的网点pattern设计必需利用所谓的超均匀分布列理论(LDS: Low Discrepancy Sequences)的数列方式克服上述困扰。
所谓的超均匀分布列是指有关该分布所属的最初N点中Discrepancy DN的量可以满足下式条件:式中的C是不会与网点数N产生相关性的某个定数，DN则是由0≤x,y≤1定义的矩形领域，如此一来DN便可由下式表示:式中的#E(x,y)是将线分(0,0)-(x,y) 作成对角线，使线分能进入矩形领域的点的数量，N则是全体点的个数，式中绝对值的内容是从点的数量百分比减掉面积百分比所获得的结果，当点集合稠密分布一样时就变成0，因此直觉上可将它视为是表示点集合分布偏异，依此可知所谓超均匀点集合，事实上是指大小一样的点集合。
以往影像浓淡二值化理论使用动径分布关数进行网点分布评鉴，不过这种方法却无法直接决定动径分布关数偏异的上限，相较之下超一样分布列则具有非常实用的特质。
从Discrepancy角度观之，若将超均匀点集合与拟似随机数两者作比较的时，拟似随机数的Discrepancy一般评价便可用下式表示:若将式(1)与式(3)比较时，随着逐渐变大相对于超均匀点集合，拟似随机数的Discrepancy比会散发。
虽然超均匀点集合的定义并未直接包含不规则性，不过祇要配合适度的数学性操作，直觉上就可以获得不规则性的应用空间，之后还可用Montana法加以计算。
图2是根据Niederreiter数列，将不规则化的超均匀点集合，与拟似随机数均匀性进行比较的结果，由图可知超一样点集合的一样性比拟似随机数更好。
有关超一样点集合的实际计算方法，可参考Society for Information Displ ay,1998 p157-160的说明。
图2 超均匀点集合与拟似随机数均匀性两者的差异比‧斥力缓和法虽然利用超均匀点集合所产生的网点pattern具备很高的一样性，然而实际上网点直径有一定限度，所以网点之间经常会出现重迭网现象，换言之超均匀点集合还是无法直接应用于导光板的网点pattern设计。
为了使网点能保持适当的间隔，所以将网点的集合视为相互具有斥力性动作的粒子，进行网点pattern动力学的优化设计。
图3是网点pattern动力学的动作模式图，若以数学模式而言它是假设i网点与j网点之间具有斥力，同时将LDS所生成的初期位置当作初期条件，藉此解开运动方程式，亦即相对于i网点的运动方程式可用下式表示:式中的m与c为定数。
假设t0为初期时刻时，它的一般解对t>t0而言可用下式表示:虽然上述积分方程式的解，包含相互作用力无限次项，不过此处是使c/m跨越无限大，甚至考虑直到相互作用的1次项为止，在该近似之下粒子的位置可用下列差分方程式描述:以上力学模式的特征之一是即使任意两个网点更换时仍可维持不变，虽然浓淡影像二值化计算值很高时这种对称性对会消失，不过这也是产生不规则网点pattern不可欠缺的条件，因为基本上不规则网点pattern是获得高画质影像要件之一。
此外二值化理论为了明确表现影像端缘特性，虽然实际计算时必需付出很大的代价，然而LCD导光板的网点pattern却无此束缚。
图3 斥力缓和法的动作模式图4是利用斥力生成法产生的网点pattern，具体而言它是利用拟似随机数将初期位置产生的结果，与利用LDS(LDS: Low Discrepancy Sequences)产生的结果，作相同缓和模型与缓和时间的比较。
虽然斥力关数形则是将最邻近网点之间的平均order视为一定，然而除此之外的计算是采用指数关数性的衰减值。
由图4(a)可知相对于拟似随机数特有的不均，利用LDS产生的pattern非常的均质，虽然利用拟似随机数设定初期位置的不均现象，会随着缓和出现减轻的倾向，不过即使缓和过程非常的漫长，仍然无法大范围使不均现象完全消失，这意味着可在初期状态实现高均匀性的超一样点集合具有极高的实用价值，因此这种网点pattern生成方法被称为DLDS法(DL DS: Dynamical Low Discrepancy Sequences)。
为了能满足连续性充填率变化，必需使初期位置能达成预期的充填率分布要求，而且缓和过程中却不允许与充填率发生矛盾现象，因此计算过程中需先将产生网点pattern的领域适度分割成小区块，接着针对小区块的网点数反复进行下列过程，如此一来便可完全符合上述要求，也就是说先产生(0,1)规格化三次元超均匀点集合，当区块i 的充填率为di时，再从下列方程式选取区块k。
必需注意的是式中的U表示超均匀点集合的某个位数。
接着在该区块内选择残余超均匀点集合的位数使用的位置，之后缓和依此产生的初期位置，再针对充填率使斥力到达范围D能scaling成下式状态:如此便可从网点单位面积与a的关系推测指数b。
根据Ulichney可知网点pattern具备预期性的频率特性，因此网点间隔的分布必需在「principal length」附近维持峰值，而上述的scaling法则正符合如此的需求，也就是说Ulichney本身就具备可以产生预期网点pattern的运算(algorithm)机制。
图5是具有极大充填率的网点pattern设计实例，由图可知图中的网点除了维持均匀性与不规则性之外，同时还可实现赋与的充填率分布特性。
图4 斥力缓和法对初期位置影响图5 具有极大充填率的网点pattern设计实际运用图6是IPS(In Panel Switching)LCD用压克力导光板的外观，导光板上方的棱镜(prism)是利用模具一体射出成形制成，导光板下方的光线散乱体为矩形凹槽，光线扩散网点是根据预设的充填率分布值以DLDS法产生坐标数据，再用光阻加工方式制成矩形凹槽。
图7是拟似随机数与传统拟似随机数慑动法产生的凹槽的分布比较结果，由图可知传统拟似随机数慑动法产生的凹槽分布，亦即网点pattern间隔非常不均匀，而且随着充填率的增高，网点pattern出现整齐排列的倾向，基于防止波纹(moiré)的考虑，整齐排网点pattern对影像质量非常不利，相较之下DLDS法产生的网点pattern间隔非常均匀，而且排列很不规则，因此可以获得视觉上极佳的效果。
图6棱镜(prism)一体射出成形导光板图7 导光板下方网点pattern的比较由于导光板下方的网点pattern会直接影响背光模块的辉度均匀性，所以网点pattern对不均性与网点之间异常接近极为敏感，图8是将上述图7介绍的两种导光板装于15吋UXGA时的snapshot，由图可知传统手法的网点pattern是由规则格式作长距离规则性排列，因此极易与液晶cell的画素间距产生干涉形成波状条纹(moiré)，相较之下DLDS法就无此困扰，而且还可以获得很均匀的高辉度。
DLDS法除了应用于导光板的网点pattern设计之外，DLDS法还可提高LCD辉度的均匀性，具体方法是在的LCD的扩散板上印刷遮光网点，根据图9所示的结果可知利用拟似随机数法设计的遮光网点若与利用DLDS法比较时，DLDS法不因充填率高低仍然可以获得均匀且排列极不规则的网点pattern，也就是说利用DLDS法设计遮光网点祇需再进行适度的充填率分布作业，便可有效抑制扩散板本身的扩散度，进而提升辉度与辉度均匀性。
