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1、 LED側發光平面光源項目光學方案 蔡昌 一 、項目的應用背景 自2003年6月啟動“國家半導體照明工程”以來，短短幾年，LED就已經在大江南北的許多景觀照明工程中閃亮登場。隨后，興起led道路照明熱。如今，天南地北的廠商們又瞄準了led室內照明乃至家用市場，速度之快，始料不及。LED 側發光面光源是一種新的室內照明燈具，具有輕薄、美觀、無眩光等其他一些室內燈具難以匹敵的優勢和特點。二 、照明標準要求 根據工業企業照明標準參考，室內辦公照明的照度要求一般為200lux.三 、LED側發光平面光源的組成與光學原理3.1 、LED側發光平面光源的組成 側發光平面光源主要由led、導光板（亞克力）、2、反射材料（反射板 反射罩）、擴散板及外框等組成（如下兩副圖）。多個側光式LED芯片排成一排,形成線光源,置于導光板的側面,LED芯片所發出的光,通過導光板和擴散膜的反射、折射和散射,最終形成均勻的發光面,具有高亮度,均勻面發光的照明效果。 由于底發光平面光源，不符合輕薄短小的趨勢，因此，目前多以側光式為主，導光板的作用在于引導光的散射方向，用來提高面板的亮度，并確保面板亮度的均勻性，導光板的良優對平面光源發光影響甚大，因此，導光板是側發光平面光源的關鍵技術。導光板是利用注射成型的方法將丙烯壓制成表面光滑的板塊，然后用具有高反射且不吸光的材料，在導光板的底面用網版印刷的方式印上擴散點，光源位于導3、光板的側邊，所發出的光利用利用反射、折射、全反射往薄的一端傳導，當光線射到擴散點時，反射光會往各個角度擴散，然后破壞全反射條件由導光板正面射出，利用各種疏密、大小不一的擴散點，可使導光板均勻發光。反射板的用途在于將底面露出的光反射回導光板中，用來提高光的使用效率。擴散板的用途在于修正光行進的角度，使光線透過后產生漫射，讓光強分布更均勻化。導光板按照工藝流程不同又可分為印刷式及非印刷式，印刷式是在壓克力平板上用具高反射率且不吸光的材料，在導光板底面用網版印刷印上圓形或方形的擴散點。非印刷式則是利用精密模具使導光板在射出成型時，在丙烯材料中加入少量不同折射率的顆粒狀材質，直接形成密布的微小凸點，其4、作用有如網點。目前國內廠商大多仍采用印刷式的導光板作為導光組件，印刷式的導光板具有開發成本低及生產快速的優點，而非印刷式的模具開發技術難度較高，但在亮度上表現優異，亦可減少制程步驟，惟模具開發為技術瓶頸之所在，此技術難題只有日本少數大廠能夠克服。本項目方案中我們采用印刷式的導光板來進行側發光面光源的開發。3.2 側發光面光源的主要光學原理（導光板設計方法）3.2.1 狹窄化方法楔形導光板為一般常見的導光板形狀，其采用楔形的主要目的是希望借由導光板形狀的改變來破壞光線全反射條件。這種方法我們也稱之為狹窄化方法。詳細的說明如下圖3.3。由于遠離光源端的光線強度較弱，所以一般的導光板在遠端面的厚度較5、薄，導出的光線較多，而近光源端的厚度較厚，導出的光線較少。此一邊厚一邊薄的形狀為楔形。無繩電話、手機、掌上電腦等系統中的導光板大都為這種形狀. 圖3.3 光線行進路線隨導光板結構改變圖 3.2.2 毛面方法毛面是導光板設計中常用的方法， 一般可以用金剛砂將導光板的下表面打磨使其變得凹凸不平后就制成了毛面。此方法的優點主要是制作簡單，成本低廉。但由LED發出的光能，許多只在上表面上產生了一次全反射，在底面上沒有再次形成全反射，在近光源處就產生散射而擴散掉了，下圖給出了這種過程的示意圖，圖中在毛面下有反射片。毛面 圖3.4 光線在下表面為毛面的導光板中的行進路線圖因此它不能使大多數光能有效地傳導到6、遠離LED光源的面上。這種結構沒有解決照明光的不均勻問題。目前在廉價的儀表LCD顯示屏的背光中還有應用。3.2.3 擴散點方法(印刷式)在導光板底部加入大小不一的擴散點，并以不同密度分布在底面。擴散點的材料一般為具有高反射率的油墨材料，并以網點印刷的方式印制在底面，如圖3.5所示。擴散點之所以能將光線導出乃是利用散射原理，將其入射光線散射后，而穿透出導光板表面，如示意圖3.6所示。在3.6圖中黑色為入射光線，當此光線射到擴散點時，會將一條光線散射為多條光線，如圖中藍色射線所表示。這些被散射的光線，當其入射角皆小于全放射臨界角時，光線即透出導光板；而散射光線之入射角度仍大于全反射臨界角的光線則繼7、續反射，直到遇到下一個擴散點，重復其散射過程。由于靠近光源附近的光強度較強，所以在靠近光源的下底面導光板的網點密度較低，且網點較小，而遠離光源的底面導光板的網點密度較高，且網點較大。此種分布主要目的就是希望將光源強度較強部分的散射較少的光線；而光源強度較弱的部分散射較多的光線，以此來達到亮度均勻的要求。圖3.5 印有擴散點的導光板及擴散點圖3.6光線在下表面有擴散點導光板中的行進路線圖3.2.4 微結構方法（1）. 鋸齒微結構法 在導光板的上下表面加入鋸齒微結構為導光板設計中常用的方法，即采用注射成型技術在導光板的上表面或下表面制作有規律棱條型溝槽陣列來傳導從光源進入導光板的光的方法。一般又分8、為上表面鋸齒微結構法和下表面鋸齒微結構法兩種，其所應用的原理各不相同。在上表面鋸齒微結構法中的主要應用原理與前述狹窄化方法類似，利用導光板幾何形狀的改變而破壞全反射的條件，如圖3.7所示。在圖中黑色的射線為原本未加入鋸齒微結構的光線行進方式，其依然保持在導光板中作全反射，而無法再透出導光板；而紅色的射線則為當加入上鋸齒微結構后，光線的行進路線。由觀察紅色射線的行進方式可以知道光線路徑隨加入鋸齒微結構而改變其入射角，并使入射角變小，破壞全反射條件而使光線導出導光板。上鋸齒微結構法除了應用在導光板的設計中外，也應用在背光模組棱鏡片的設計，因為其有限制射出光線角度提高正面亮度的功用。 圖3.7光線在9、上表面有鋸齒微結構導光板中的行進路線圖除在上表面加入鋸齒微結構外，也會在導光板底部適時的加入鋸齒微結構，達到增加光線的穿透性。然而在底部加入鋸齒微結構與在上表面加入鋸齒微結構所應用的原理并不相同。在底部加入鋸齒微結構主要是想利用斜面的全反射性質，將入射到底面的光線反射到視線方向，如圖3.8所示。若以平行于底面的光線為例，如果其射線與斜面法線方向的夾角大于，光線即將被該斜面反射到視線方向，若無，則光線進入第二個斜面繼續反射與折射的動作，如圖中紅色射線所表示。若以平行光線為例，欲造成全反射的鋸齒角度，如圖3.8所表示，該入射角（90-）應大于，即需小于時，該斜面才具有全反射的能力。圖3.8 光線在10、上表面有鋸齒微結構導光板中的行進路線圖這種鋸齒微結構導光板的思路最早出現于用冷陰極管照明的LCD側背光系統。由于冷陰極管是一根與LCD一側等長的圓柱形光源，相當于一長條的點光源的組合，所以在沿燈管方向沒有光源的不均勻性問題，采用鋸齒微結構可有效地擴散向前傳導光能。所以早期的LED照明的背光系統也借用過這種導光板結構。可是對于點光源LED來說，特別是只用二個或三個LED光源的LCD照明背光系統來說，點光源使得在二個或三個并排的光源的連線方向，出現了嚴重的光源不均勻性問題。此時再采用這種導光板結構，就不僅會對光的縱向傳導帶來阻礙，而且還不能改善點光源造成的照明光的不均勻性。（2）圓形微結構法在導光11、板的上下表面加入圓形微結構為導光板中最新采用的方法， 即在導光板上下表面采用注射成型工藝技術制作有規律的截面為圓形的球缺或球冠型凸包擴散網點陣列來傳導從光源入射進入導光板的光線的設計方法。(上述所謂的凸包是相對于導光板外部而言的。對于在作為波導的導光板中傳導的光線來說，在波導內部看到的卻是凹坑) 這種方法又分為表面圓形微結構法和下表面圓形微結構法兩種，其所應用的原理各不相同。在下表面圓形微結構法中,對于射到波導面上的光線來說，每個凹坑就像一個短焦距的凹面鏡，其作用是盡可能地使導光板中的光線向前反射并擴散開。如圖3.9所示。圖3.9 入射至導光板內的光線與MR device的反射機制概念圖這擴散12、元件是利用超精密加工技術在導光板底面制作微細光學鏡面，使導光板內的光線反射。具體制作步驟是將注射成形的模芯微細加工成圓狀微形反射鏡(Micro Reflector；以下簡稱為MR device)，之后再利用塑料注射成形機制作導光板，MR系設于導光板底面與導光板形成一體。這些按陣列排布的MR device的導光板可將入射光全反射，主要原因是MR device的表面很平滑，因此入射光不會有印刷式的擴散網點帶來的雜亂散射與能量損耗等問題，也不會發生波長分散現象，除此之外還可利用導光板入射光與MR device的形狀變化控制出射光的方向。下圖3.10為具有下表面圓形微結構導光板的三維圖。圖3.10 具13、有下表面圓形微結構導光板的三維圖球缺型凸包擴散點點陣光源圖3.11 光線在具有下表面圓形微結構導光板中的行進圖在這種結構的導光板中，光源發出的光線經側面和上表面一次全反射后射到下表面，由于下表面的擴散網點間有較大面積的平面空隙存在，使得較多光線可在下表面沒經散射，而是再次發生反射。光線在上下表面間來回進行反射,向導光板遠離光源處傳播，直到碰到下表面上分布的擴散網點，被散射成許多散射光線，大部分散射光線從上表面折射出去。上圖3.11給出了這一光傳導過程的示意。所示擴散網點為球心間距相等，但球半徑變化的球缺型擴散網點。球半徑隨著距光源的距離增大而增大，目的是為了讓離光源近的地方的光線不被過多的擴散14、而能有足夠的光線傳到遠離光源處被散射，從而令上表面透出的擴散光光強均勻。這種結構的導光板代表著新的設計思想。其主要問題是需要結合底部的反射片、上部的擴散片和增亮片一起使用，才能有效地提高定向照明的效率。這種球缺型擴散網點結構常用在下表面作為擴散元件，這有助于制成平板型的導光板，減小側背光組件的體積。這已經成為目前應用的導光板的設計趨勢。除在下表面加入圓形微結構外，也會在導光板上表面適時的加入圓形微結構，達到增加光線的穿透性。通常將這種在上表面加入的擴散點稱為圓狀微型漫射器（Micro Diffuser，簡稱為MD device）。然而在上表面加入圓形微結構與在下表面加入圓形微結構所應用的原理并15、不相同。在下表面加入圓形微結構主要是想利用光的反射性質，將入射到底面的光線反射到視線方向，對于射到上表面上的光線來說，主要是利用光的折射原理使入射光透出導光板，且在波導內所遇到的每個凹坑將折射出導光板的出射光的方向變得更分散，從而達到更均勻照明LCD的目的，如圖3.12。同時對于那些射到導光板上表面上，并滿足全反射條件的的光線來說，每個凹坑就將使反射光向前方擴散傳播。另外，當上表面上有MD device時，需要配合全反射棱鏡膜片（或稱為集光棱鏡膜片）將導光板射出的光線調整到導光板法線方向，如圖3.13所示。 圖3.12 入射至導光板內的光線與MD device的折射機制概念圖圖3.13具有MD16、 device 的導光板與單片棱鏡片所組成的結構圖這些微散射點的排布，對于細致地調整整個照明面上各自的光擴散的均勻性是有效的。人們可以根據實際需要，較容易地在表面上制作微散射點，并易控制其分布密度。實際當中，可根據實際測量照明光的分布來確定這些微散射點的位置或分布密度。通常在遠離LED光源的區域要排布的密一些。四 、300x300側發光平面光源的光學模擬41 側發光平面光源的基本參數面光源尺寸：300x300x5.75mm 功率：7.2 w 電流：120mA 電壓： 60 V led 采用40x4（4個邊）=160個3528 色溫：6000Kled 間距：6.7 mm 且與導光板四邊表面緊貼 17、排布方式： 四邊均勻對稱排布導光板尺寸：271x271x4mm 擴散板尺寸：271x271x 1.5mm 反射板尺寸：271x271x 0.25mm 面光源的外框鋁條尺寸 寬度：29 mm左右 長度為：300mm 側發光平面光源的3D結構圖側發光平面光源的導光板一側LED與其底面上的網點放大圖42 側發光平面光源的光學模擬側發光平面光源的發光模擬43 模擬結果 由于油墨的吸收和導光板與擴散板對光的吸收，光的利用率為58%， 即光損為42%，但其表面光照度的均勻性可達到接近0.8 。下面兩圖為側發光平面光源的配光曲線與照度分布圖： 側發光平面光源的配光曲線 上圖為導光板表面上的照度分布圖五、4個18、300x300側發光平面光源照明模擬結果與傳統600x600格柵燈盤測試及照明模擬結果對比4個300x300的側發光平面光源總功率為7.2x4=28.8瓦，而600x600傳統格柵燈總功率為18x3=54瓦 ，我們將這兩個燈具分別單獨放在3米長，3米寬，2.8米的同樣條件的房間中進行簡單照明效果計算和模擬，懸掛高度為距離工作面距離為1米。下面幾副圖分別是這兩個燈具在同樣條件房間中的簡單照明效果圖與在1米遠處的照度分析圖。 28.8瓦led面光源照明效果54瓦格柵燈照明效果 28.8瓦led面光源1米遠處照度分布54瓦格柵燈1米遠處照度分布六、總結 從以上模擬數據可以看到，用新的側發光的4個300x300的led面光源共28.8瓦，完全可以代替傳統的三個0.6米長的日光燈共54瓦組成的格柵燈，當然也能輕松滿足辦公照明的照度要求。另外，我們不但可以將此300x300的面光源組合成600x600的，也可以組合成1200x300尺寸的，增加了產品使用的靈活性。