导光板的材料有很多, 目前用的多的是PMMA, 导光板的形状有平板型和楔形（6）,根据设计的需要可以在入射面、底面设计锯齿状或流线状等, 根据底面网点制作方法的不同, 又分为印刷式和非印刷式, 网点的形状也多种多样, 在二维图形中有圆形、方形、菱形、六边形等,在三维图形中有球形、圆柱形、圆锥形等。根据应用范围、光源种类、入光方式、材料等条件的不同,导光板的设计方案也多种多样, 有的导光板采用单侧入光,有的采用双侧入光。

本文设计的导光板尺寸较大,光需要通过的总距离达1100 mm, 所以采用双侧入光效果更好。以往的一些导光板在形状上做了很多变化,例如,将立方体板制成楔形板, 并且采用注塑成型技术在导光板的底面或出射面制作三维网点, 或是V 型槽（ 7, 8）,以改变光的传导方向, 使其能够从正面出射。然而,这样的设计对机械加工带来了很大的难度。例如V 型槽的设计就需要单体金刚石精确定位, 精密车削, 这无疑增加了导光板的成本和技术上的困难。为此,本设计采用较容易实现的二维散射网点, 具有极高的反射率。在具体网点的设计方面, 主要有三种设计思想: 一是保持网点的间距不变, 改变网点的尺寸大小; 二是网点的尺寸大小保持不变, 只改变网点的间距; 三是既改变网点大小又改变网点的距离。第三种方法在涉及到具体模型计算

时比较麻烦, 所以一般不用这种方法。本文采用的是第二种方法, 网点分布的设计示意图如图2 所示。

网点采用圆形, 半径0.5 mm,在垂直方向保持网点的间距不变, 只改变水平方向上网点的间距。由于板子的尺寸较大,所以将网点分成两个大小、形状、分布完全相同的,关于纵轴对称的两个区域,图2 只画了左侧的网点分布情况。光从左侧耦合进导光板,假设耦合进导光板的初始光通量为0,在理想情况下, 当光遇到网点时发生散射, 此时向前传播的光通量会减少,于减少多少, 取决于网点的大小和密度。在本设计中网点的大小一致, 且在垂直方向上网点的密度相同。

所以, 光到达每一列网点时的反射率相同, 用参数k表示,0

图2 网点分布的示意图

其中W为导光板的宽度,L为导光板的长度。为了使导光板出光面的照度处处均匀,就要保证L1∃W区域单位面积的光通量和(L2- L1)∃W区域单位面积的光通量相等。即满足：

式中1为初始光通量0经过列网点后的剩余光通量。光继续向前传播, 当遇到第二列网点时要满足（L1×W区域单位面积的光通量和(L3 - L2 )×W区域单位面积的光通量相等。即满足

按(6)式对网点的分布进行设计,采用C 语言进行编程,初始化L1和k 的值,计算出L2, L3, L4 ,…的值, 并转化成x和y的坐标值,导入光学模拟软件Lig httoo ls（9）中, 进行光学模拟, 根据模拟效果,不断调整L1和k的值, 重复上面的步骤, 直到得到满意的效果。

光学模拟实验

首先设计一款网点均匀分布的导光板, 导光板的尺寸定为1100 mm×400mm×5mm,材料采用PMMA,网点采用圆形,半径为0.05mm,在x 轴和y轴采用等距离的矩形分布, 间距为4mm, 再对导光板的各个面进行设定。光源采用经济的贴片式LED3020,外形尺寸为3.0mm×2.0 mm ×1.3mm,发光角度为125°,功率0.06 W,光通量6~ 7lm,164颗灯珠均匀地分布在导光板两短边( 每边82 颗)。采用1×106条光线进行光线模拟,模拟的效果图如图3 所示。在本设计中,只改变x 轴方向上网点的间距, 其他所有条件都和采用均匀网点分布时的条件相同, 通过多次实验与计算, k=0.3, L1= 15mm时效果好, 然后将利用推导公式得到的x 值和y 值导入到Lig ht tools 的表格中,将导光板的底部网点设计在两个区域中texture 和tex tur e1,这两个区域的网点大小以及间距分布完全相同,并关于垂直中心轴对称。网点设计成散射型的。考虑到光的利用率问题, 在导光板的下面加一层反光膜, 把从导光板底面漏出的光重新反射回导光板,大大提高了光的利用率。

图3 网点均匀分布时的模拟效果

在导光板的设计中有人在导光板的上表面加入散射膜和增光膜[ 10] , 以增加光的均匀度和亮度。考虑到成本问题, 本文在设计时没有添加散射膜和增光膜。建模时, 在导光板的出光面加一个接收器, 以测试光线正面出光照度, 后, 采用1 ∃ 106 条光线进行光线模拟, 并察模拟结果。得到的效果图如图4 所示。从模拟的效果图可以看出, 在水平方向上网点的间距大了, 导致越靠近光源部分光线反射的越少, 使得出射光成梯度式变化, 所以要在原有( 6) 式的基础上乘上一个修正因数p , 形式为：

经过反复计算、模拟与实验,后确定p= 0.4, 得到的效果图如图5所示。效果有了明显的改进, 根据效果图做进一步网点密度的局部微调, 得到后的光学模拟效果图如图6 所示。小亮度为1018 lx , 大亮度为1284 lx, 平均亮度为1151 lx, 均匀度高于79%, 完全满足视觉要求的75% 以上。

图5 乘上修正因数p 后的模拟效果图

结 论

通过理论分析计算, 提出了导光板网点分布的经验公式。和其他的一些网点分布设计方案相比, 本文采用了只改变一个方向上网点的距离, 不改变网点尺寸大小的全新方案。通过光学软件模拟以及实验, 验证了公式的可行性, 具有较强的实际应用价值, 为大尺寸LED 广

告灯箱的导光板制作提供了较好的理论指导, 同时也为导光板在其他领域的应用提供了很好的借鉴。在当今的显示领域, 更大、更轻、更薄成了许多厂商的追求目标, 本文的设计基本上解决了侧入式导光板无法适应大尺寸应用的瓶颈, 且在光照均匀度接近80% 的情况下, 厚度做到5 mm, 很好地满足了显示领域的要求, 具有较好的实

际意义。

图6 终模拟效果图