大尺寸LED超薄灯箱的导光板设计

详细论述了超薄灯箱导光板的工作原理以及导光板网点设计的理论。利用几何学的反射、折射、散射等理论, 推导出了非均匀网点分布公式, 设计了一款大尺寸LED 双侧边缘背光的导光板。利用光学模拟软件建立导光板模型, 并进行了调试仿真。在充分考虑成本和可能性的前提下使得均光度接近80%, 达到了广告灯箱对均光效果的要求。关键词! 几何光学; 导光板; 网点分布公式; 超薄灯箱; LED。

1 引 言

导光板超薄灯箱以其轻薄精美的外形, 出色的均光输出效果,得到了越来越多的商家重视。它安装维护也较方便,是以荧光管照明的旧式广告灯箱的理想换代产品。导光板作为灯箱的重要组成部分,对出光的均匀度和亮度起到了决定性作用。在本设计中导光板采用LED 侧入式照明[ 1,2] ,利用导光板将LED光源发出的侧入光导向正面且均匀输出。一般情况下,侧入式导光只适用于中小尺寸的导光板,随着尺寸的增大,使得光的均匀性很难达到一致[3]。本文设计了一款长1100mm,宽400mm,厚5mm 的导光板,经过多次实验,均光度接近80% ,完全满足广告灯箱的视觉要求。

2 导光板的工作原理

由光学原理可知,光在不同介质传播时将发生折射现象,公式表达形式为:sin 1 n1 = sin 2 n2 ,其中 1为入射光的角度, n1为入射介质的折射率, 2为折射光的角度,n2为折射介质的折射率。如图1 所示, 一束光以极限角90#射向导光板入光面,导光板的材料选用亚克力板(PMMA),折射率为1.49(对应的全反射角为42.2°) ,入射光在入光面发生折射,使光线与法线成42.2°,接着光线到达底面,发生反射,反射光与法线成47.8°到达上表面,在上表面发生全反射,继续向前传播(4)。当光线以小于90#的角度射向入射面时,由折射定律可知,折射角小于42.2#,那么折射后的光线就会以大于47.8°的角度射向导光板上表面, 同样发生全反射。由此可知,所有耦合进导光板的入射光都以全反射的形式向前传播,没有光线从上表面折射出去。为了让光线从导光板的上表面射出,必须在导光板的底面布置散射网点,破坏光的全反射。

图1 光在导光板的传播过程

超薄灯箱导光板底面网点的设计是导光板设计的关键环节,直接决定出光面的均匀度。网点的设计一般分为印刷式和非印刷式。印刷式较为简单,制作成本较低,将光学散射粒二氧化钛,硫化钡和紫外(UV)胶掺入油墨构成白色网点以印刷方式印在导光板底面。非印刷式的形式较多,根据制作方式的不同分为注塑成型式,光刻式,化学腐蚀式,金刚石紧密车削式等。

3 网点设计理论

超薄灯箱导光板理想的网点必须具备三个条件(5):1) 网点图案呈极不规则排列时,不会产生叠栅条纹：2)网点图案不规则排列时, 肉眼亦无法辨识辉度不均;3)具备高度对应性可满足任意连续性的填充率分布。

超薄灯箱导光板在进行网点设计时要遵从上述原则。均匀的网点分布是简单的一种方法, 其结果是会产生叠栅干涉条纹。所以,现在在进行网点设计时都采用非均匀分布。目前比较成熟的网点分布理论有超均匀分布理论,斥力缓和法, 动态分子法, 但这些方法都只停留在理论设计方面。具体采用何种方法设计网点, 到目前为止还没有确切可行的方法, 大部分都是靠光学模拟软件进行模拟并根据模拟效果, 调整网点的间隔以及大小。一般的设计原则是靠近光源部分的网点尺寸要小一些, 且稀疏一些; 而远离光源的地方网点尺寸大一些, 且要密一些。此外网点的形状对出光的均匀效果也会有一定的影响。