專利名稱：基于cpc陣列和折反射自由曲面的背光板的設計方法及用途的制作方法
技術領域：
本發明屬于光學技術與照明技術領域，具體涉及一種基于CPC陣列和折反射自由曲面的背光板的設計方法及用途。
背景技術：
相對于CRT顯示器來說，液晶顯示器天生就具有零輻射，低耗能，散熱小，纖薄輕巧，精確還原圖像，顯示字符銳利等諸多優勢。隨著液晶顯示技術的不斷發展和成本的逐步降低，液晶顯示器已經逐步吞噬原本的CRT市場。近年來LCD顯示應用更加廣泛，其作為手機等移動便攜電子產品的顯示屏幕更是向超薄高亮度的方向飛速的發展。
液晶材料本身不發光，需要背光模塊提供照明，其顯示效果也就決定于背光模塊的照明效果，因而背光模塊的指針在液晶顯示器中顯得舉足輕重。一般來說，背光模式有直下式和側光式兩種。直下式亮度高，設計簡單且照明均勻性好，缺點是溫度高，能耗大，厚度大，便攜性差。側光式由于光源在背光模塊側面，厚度較薄，且能耗低，溫度低，故移動設備中通常使用側光式照明。
導光板一般由注塑方式制成，材料以PMMA居多，表面一般有網點或者微結構(鋸齒形或者半圓形)，目的是讓光線散射，以實現均勻照明。不同的是網點是利用網板將高反射性的材料(如SiO2及TiO2)印刷上去，而微結構則是注塑時一體成型或是之后利用精密機械加工而成的。一般距離光源較近處網點和微結構尺寸小，遠離光源處尺寸大。
反射片的主要作用為將所有從導光板底部漏出的光反射回導光板，反射片材料一般有白色鍍銀或鍍BaSO4薄膜反射片，也有經過微細發泡的塑料片(泡越微細，密度越高，反射率越高)，有的公司采用鍍鋁膜的塑料片。
擴散片位于導光板的上方，其主要功能是將透過導光板的光線做散射處理以達到霧化效果。主要制作方法是在擴散膜的基材中加入3-5um的化學顆粒作為散射粒子；或者是使用全息技術經由曝光顯影等化學程序將毛玻璃的相位分布記錄下來粗化擴散膜表面基材表面，以散射模糊導光板上的亮暗區或線條。
為了提高顯示亮度，降低生產成本，各種改型的背光系統應運而生，高能量利用率，光照度均勻的背光系統在不斷的被嘗試，創造，改進。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于CPC陣列和折反射自由曲面的背光板的設計方法及用途。
基于CPC陣列和折反射自由曲面的背光板的設計方法包括如下步驟1)首先確定背光板的長寬高基本參數；2)采用最大填充參數，結合照明面和目標面的面積面型，根據目標面能量分布公式計算，確定CPC目標照明面上任意一點的能量分布，根據照明面能量分布公式計算，確定CPC入口處的光能量分布；3)采用背光板的結構參數、根據結構參數計算公式計算，確定CPC的結構參數；4)采用CPC入口處光能量分布以及光源發光特性，根據均勻的三次B樣條曲線的矩陣表達公式計算，確定CPC入口處的折射式自由曲面；5)采用CPC入口處折射式自由曲面面型，CPC入口處光能量分布，以及光源發光特性，根據均勻的三次B樣條曲線的矩陣表達公式計算，確定背光板底面反射式自由曲面的面型，然后在背光板底面鍍全反膜。
所述的最大填充參數為a＝π/4。
目標面能量分布公式為Ep＝1/2Escos(θ)Δθ其中Δθ＝ΔAcos(θ)/r2照明面能量分布公式為Es＝2Ep/cos(θ)Δθ其中，Ep為目表面上任意一點P的能量，Es為光源的能量，θ為過P點的法線與光源和P點連線的夾角，A為CPC出口面積的大小，r為P點到CPC出口的距離。
結構參數計算公式為dj＝(sinθo/sinθj)do，L＝1/2(dj+do)cotθj。
其中，do為CPC出口處的直徑，dj為CPC入口處的直徑，L為CPC的長度，θi為CPC入口處光線的入射角，θo為CPC出口處光線的出射角。
均勻的三次B樣條曲線的矩陣表達公式為Pi(u)=16u3u2u1-13-313-630-30301410ViVi+1Vi+2Vi+3]]>
其中，u∈
，Vi，Vi+1，Vi+2，Vi+3是曲面上的控制點。
基于CPC陣列和折反射自由曲面的背光板用于LCD背光照明的背光單元。本發明的優點是1)背光板的頂層部分采用微型CPC陣列，可以使背光板出射光相對與法線方向的出射角變小，均勻度提高。
2)每個微型CPC入口處采用折射自由曲面，充分控制收集光源向上方出射的光線，提高光能利用率。根據光源發光特性和目標面照明要求來設計CPC的參數，提高能量利用率，和光線均勻性，提高LCD亮度。
3)背光板底面采用反射自由曲面并鍍全反膜，將光源向下方出射的光線以及從上方出射但不能進入CPC的光線，反射收集入CPC入口處，提高光能利用率。
4)采用側向照明，通過設計CPC陣列和底面反射自由曲面，減小背光板的厚度。
5)采用單層金字塔型增亮膜與CPC陣列相配合，極大地減少了在增亮膜中多次反射的光線，從而降低了光能量的損失，且在提高出射光的均勻性的同時減小了背光系統厚度。
6)通過CPC與自由曲面的結合，可以采用任何形式的照明光源而達到均勻照明的目的。
7)理論上可以通過計算設計對任意擴展光源實現高能量利用率和均勻照明。如果采用線光源，則可以得到簡化設計，設計計算相對簡便。
圖1是基于CPC陣列和折反射自由曲面的背光板結構示意圖；圖2是基于CPC陣列和折反射自由曲面的背光板中CPC結構示意圖；圖3是本發明的背光板中CPC中任意一點能量分布計算示意圖；圖4是本發明的背光板中CPC結構參數計算示意圖；圖5是本發明的背光板中光源發出光線經過CPC出射的示意圖；圖6是本發明的背光板中光源發出光線經底面反射自由曲面發射后射入CPC并出射的示意圖；圖7是本發明的背光板中光源發出光線在各個CPC中的分配關系示意圖；圖8是基于CPC陣列和折反射自由曲面的背光板應用于背光單元的結構示意圖；圖9是本發明的背光板中增亮膜的結構示意圖；
圖10是本發明的背光板中增亮膜工作原理圖；圖11是本發明的背光板中散射膜的結構示意圖；圖12是本發明的背光板的簡化模型的背光板投射示意圖；圖13是本發明的背光板的簡化模型中拋物凹槽的結構示意圖；圖14本發明的背光板的簡化模型中增亮膜結構示意圖；圖15是本發明的背光板的簡化模型的背光系統結構示意圖；具體實施方式
本發明為基于CPC陣列和折反射自由曲面的薄型背光板的設計方法及其用途。實現光源光能量的充分利用和對于背光單元上方的LCD器件的均勻照明。整個背光單元包含光源S，背光板P1，增亮膜P2和散射膜P3。
如圖1所示，基于CPC陣列和折反射自由曲面的薄型背光板P1頂部為微CPC陣列，其中每個CPC的入口處為折射式自由曲面，背光板P1的底面P11為反射式自由曲面，并且鍍全反膜。其側面P12為光源入射面。背光板P1側面的非光源入射部分均鍍全反膜。根據實際需要確定背光板的長寬高基本參數。采用最大填充參數a＝π/4。
如圖2所示，C11為其出口面，C12為其入口面，C12為折射自由曲面，C11為CPC的出口。從光源發出的光線，以及從反射自由曲面P11反射的光線進入C12，在C1中多次反射后，從出口C11處射出背光板。如果有需要，可以在CPC中填充不同反射率的透光材料，則可以控制光線從CPC出射的角度的大小，從而滿足不同的設計需求。
如圖3所示，根據熱力學定律E＝σT4和互易原理A1F1-2＝A2F2-1，其中A1，A2為照明面和目標面的面積，F1-2，F2-1為輻射形狀參數(radiation shape factor)來計算當光源面處于CPC入口時，照明面上任意一點的能量分布，得到計算公式Ep＝1/2Escos(θ)Δθ其中Δθ＝ΔAcos(θ)/r2根據對目標面能量分布的要求，來反推光源面能量分布，得到CPC入口處能量分布要求計算公式(即CPC入口處光線及能量分布要求)Es＝2Ep/cos(θ)Δθ其中Ep為目表面上任意一點P的能量，Es為光源的能量，θ為過P點的法線與光源和P點連線的夾角，A為CPC出口面積的大小，r為P點到CPC出口的距離。
如圖4所示，由CPC工作原理以及已經確定的背光板結構參數，確定CPC陣列層厚度，由目標面照明面積大小來取定CPC出射光線的角度，得到CPC的結構參數計算公式di＝(sinθo/sinθj)do，L＝1/2(dj+do)cotθj。
其中dj為CPC出口的直徑，do為CPC入口處的直徑，θo為CPC入口處光線入射的最大角度，θj為CPC出口處光現出射的最大發散角。在本發明中，θo為90度即sinθo＝1，而根據LCD背光板的要求，θj為35度，從而可以確定CPC入口即開口處直徑的比例。L為CPC的長度。根據以上兩個計算公式，結合背光系統的體積參數以及對出射光參數的要求來確定CPC的各個參數。
如圖5所示，CPC結構參數確定后，設計計算CPC入口處折射自由曲面的面型.光源向法線上方發出光線經過CPC出射的示意圖。光線L1、L2從光源S1出射。L1入射到C2的折射自由曲面C21處，并進入C2，經多次反射后，從C2的出口C22出射。光線L2為光源發出位于C1、C2交界處的光線，即從光源發出的向法線上方的光線盡可能多的被CPC陣列所收集。根據折射定律，照度公式，和光源的發光特性，采用有理B樣條式自由曲面設計方法。
均勻的三次B樣條曲線的矩陣表達式如下Pi(u)=16u3u2u1-13-313-630-30301410ViVi+1Vi+2Vi+3]]>其中，u∈
，Vi，Vi+1，Vi+2，Vi+3是曲面上的控制點。
B樣條曲線是由控制點的矩形陣列來形成的，u，w是結點上的方向矢量。為了定義一個均勻的雙三次B樣條面，需要16個控制點。曲面上的一點的坐標符合如下的方程P(u，w)＝UBVBTWT，其中控制點矩陣W＝[w3w2w1]V=V11V12V13V14V21V22V23V24V31V32V33V34V41V42V43V44]]>且，u，w∈
，
對于一個均勻雙三次B樣條曲面，常數矩陣為B=-13-313-630-30301410]]>根據這些控制點的坐標來擬合每個小的曲面單元，然后各個曲面單元組合成整個自由曲面面型。
如圖6所示，背光板底部為反射式自由曲面，其面型參數由反射定律，照度公式，能量守恒，CPC入口處的光能量分布和折射自由與面面型以及光源發光特性推導出的方程確定。
光源發出光線經底面反射自由曲面發射后射入CPC并出射的。光線L3、L4從光源S1出射，其中L3、L4為相對于法線N對稱的兩條光線。L3入射CPC，并從背光板出射的方式與圖5中L1從背光板出射方式相同。L4作為與L3對稱的光線，先經過底面反射自由曲面P11反射到C41，進入C4，多次反射后，從C42射出背光板。由于關于法線平面對稱的光線進入同一個CPC，這樣，就可以通過控制法線平面以上方向的光線分布來控制整個光源發出的光線。
如圖7所示，C5、C6兩個CPC收集的從光源S1發射的光線的立體角w1＝w2，則進入C5、C6的光能量相等。保證CPC之間的光能量是基本一致的，則整個背光板出射平面上的CPC之間光能量基本一致，從而使背光板出射的光線均勻。采用有理B樣條自由曲面的設計方法，方程參數與前述折射式自由曲面方程相同。
如圖8所示，基于微CPC陣列和折反射自由曲面的薄型背光板與測向光源，增量膜，和散射膜一起組成用于LCD背光照明的背光單元。背光單元由光源S(密排的LED陣列)側向照明，將光源出射的光線分為相對于光源法線平面對稱的上下兩部分，法線平面以上的光線一部分投射到CPC的入口處，通過折射自由曲面進入CPC，經CPC后變為均勻的光線從出口處射入CPC的目標照明面即增亮膜P2，光線被限制在法線附近70度以內，投射到第二塊散射膜P3中，然后均勻的投射出去；另一部分不能進入CPC的光線被有一部分被反射到底面的反射自由曲面。
法線平面以下的部分被背光板底面的反射自由曲面P11反射到CPC入口處，通過折射自由曲面進入CPC，出射方式與向上方的光線進入CPC后的出射方式一致。通過調整CPC的參數和其入口處的折射自由曲面調整進入CPC的光線及光能量，保證光源向上方出射的大多數光線及光能量被平均的分配到每個CPC中，而光源向下方出射的光能量通過反射自由曲面的調解，也可以被平均分配到每一個CPC入口，從而再次通過折射自由曲面進入CPC，然后出射。從光源出射的幾乎全部的光線，光能量進入CPC陣列并出射，極大地提高了光能利用率，使光線的損失降到最低。
通過CPC結構的使用，使從背光板出射的光線均勻性大大提高，而且由于入口處自由曲面的配合，能夠控制光線出射的角度，使光線在進入增亮膜之前光線的發散就得到有效的控制，通過增亮膜時可以極大地降低多次反射對于光能的損失，再次提高光能利用率。由于采用CPC陣列和折反射自由曲面相互結合的方法實現了從每個CPC出射的光線都具有幾乎相同的光能量，相當于把光源發出的光平均分成N份之后分別從每個CPC出射；也相當于采用了N個相同的光能量為1/N的獨立光光源分別照明背光板面積的1/N，即在測向照明中實現了背光照明的良好效果，同時具有出射光線均勻和背光照明系統的薄型化的優點。
CPC入口處折射式自由曲面的設計采用自由曲面設計方法中的“many toone”模型。首先根據LED光源的個數和大小以及發光特性和所采用的CPC陣列中CPC的個數N來把光源出射的光能量平均分為N份，然后采用“many toone”模型設計方法來逐一設計CPC折射自由曲面的面型。
根據CPC能量計算公式和對于背光系統的照明參數要求可以確定圖9所示的增亮膜平板部分的厚度D。
如圖9所示，增亮膜B上為金字塔型增亮膜結構陣列，其中每一個金字塔結構對應一個CPC。這樣可以把CPC出口處所發出的圓形光斑轉化為矩形光斑，并控制光線的出射角度，提高光線利用率。
如圖10所示，從背光板CPC出射的光線從B11進入增亮膜，分別從金字塔結構的斜表面出射，出射光線保持在法線方向70度以內，提高了光能量利用率，由于在CPC的參數設計過程中，可以幾乎避免出現在增亮膜中的光線不能直接出射而發生全反射的情況，即極大的減少了出現在增亮膜中多次反射損失光能量的情況，使其優于不適用CPC陣列的背光系統。
如圖11所示，從增亮膜出射的光線從B1面進入散射膜，經過D1等微散射粒子的散射，從B2面出射，形成均勻照明，照亮背光系統上方的LCD或是其它器件，從而達到高能量利用率和均勻照明的目的。
根據以上思路及設計方法，可以得到以下簡化模型線光源簡化設計。
如圖12所示，當采用的光源為小型的密排LED光源線陣列(或極細熒光燈管)時，由于光源線度與背光板相比非常小，可以把光源看作線光源，這時設計可以得到極大地簡化。由于采用線光源，則可以近似地把光線分布看作二維分布，即CPC在二維空間變化。因此，背光板變為SS為線光源，CPC陣列變為拋物形凹槽陣列。凹槽G的入口處為折射式自由曲面，光線出射方式與CPC陣列時光線的出射方式相同。
如圖13所示，凹槽底面G11為折射自由曲面，側面G12，G13為拋物面，設計參數與CPC拋物線相同。G14為光線出射面。線光源向上出射的光線從折射自由曲面G11進入凹槽，在G12和G13面上多次反射后從G14出射出背光板。
在線光源簡化模型下，由圖5可得，光源向上方出射的光線能夠全部入射到折射自由曲面而入射到凹槽中，而不存在使用CPC陣列時的接收盲區；由圖6可得，光源向下方出射的光線經過底面反射自由曲面反射后也全部進入凹槽，因此，使用線光源時，光能量的利用率達到最大。
如圖14所示，增亮膜也將得到簡化，增亮膜由原來的與CPC陣列一一對應的金字塔型微結構變為與拋物型凹槽G相垂直的V型槽，使得制作加工得到簡化。其光線出射方式與非簡化模型一致。
如圖15所示，經過以上簡化處理后，采用線光源的背光系統整體結構該簡化模型用于光源線度遠小于背光系統的情況下，設計制作大大簡化，且能夠很好的利用光能量達到均勻照明的目的。
權利要求
1.一種基于CPC陣列和折反射自由曲面的背光板的設計方法，其特征在于，包括如下步驟1)首先確定背光板的長寬高基本參數；2)采用最大填充參數，結合照明面和目標面的面積面型，根據目標面能量分布公式計算，確定CPC目標照明面上任意一點的能量分布，根據照明面能量分布公式計算，確定CPC入口處的光能量分布；3)采用背光板的結構參數、根據結構參數計算公式計算，確定CPC的結構參數；4)采用CPC入口處光能量分布以及光源發光特性，根據均勻的三次B樣條曲線的矩陣表達公式計算，確定CPC入口處的折射式自由曲面；5)采用CPC入口處折射式自由曲面面型，CPC入口處光能量分布，以及光源發光特性，根據均勻的三次B樣條曲線的矩陣表達公式計算，確定背光板底面反射式自由曲面的面型，然后在背光板底面鍍全反膜。
2.根據權利要求1所述的一種基于CPC陣列和折反射自由曲面的背光板的設計方法，其特征在于所述的最大填充參數為a＝π/4。
3.根據權利要求1所述的一種基于CPC陣列和折反射自由曲面的背光板的設計方法，其特征在于所述的目標面能量分布公式為Ep＝1/2Escos(θ)Δθ其中Δθ＝ΔAcos(θ)/r2照明面能量分布公式為Es＝2Ep/cos(θ)Δθ其中，Ep為目表面上任意一點P的能量，Es為光源的能量，θ為過P點的法線與光源和P點連線的夾角，A為CPC出口面積的大小，r為P點到CPC出口的距離。
4.根據權利要求1所述的基于CPC陣列和折反射自由曲面的背光板的設計方法，其特征在于所述的結構參數計算公式為di＝(sinθo/sinθi)do，L＝1/2(di+do)cotθi。其中，do為CPC出口處的直徑，di為CPC入口處的直徑，L為CPC的長度，θi為CPC入口處光線的入射角，θo為CPC出口處光線的出射角。
5.根據權利要求1所述的基于CPC陣列和折反射自由曲面的背光板的設計方法，其特征在于所述的均勻的三次B樣條曲線的矩陣表達公式為Pi(u)=16u3u2u1-13-313-630-30301410ViVi+1Vi+2Vi+3]]>其中，u∈
，Vi，Vi+1，Vi+2，Vi+3是曲面上的控制點。
6.一種如權利要求1所述方法設計的基于CPC陣列和折反射自由曲面的背光板的用途，其特征在于用于LCD背光照明的背光單元。
全文摘要
本發明公開了一種基于CPC陣列和折反射自由曲面的背光板的設計方法及用途。包括如下步驟1)首先確定背光板的長寬高基本參數；2)采用最大填充參數，根據能量分布公式計算，確定CPC目標照明面的能量分布，確定CPC入口處的光能量分布；3)采用背光板的結構參數、根據結構參數計算公式計算，確定CPC的結構參數；4)采用CPC入口處光能量分布以及光源發光特性，根據均勻的三次B樣條曲線的矩陣表達公式計算，確定CPC入口處的折射式自由曲面；5)采用CPC入口處折射式自由曲面面型，CPC入口處光能量分布，以及光源發光特性，確定背光板底面反射式自由曲面的面型，然后在背光板底面鍍全反膜。本發明的具有更高的光能利用率；更好的照明均勻性。
文檔編號G02F1/13GK101051118SQ20071006848
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月10日 優先權日2007年5月10日
發明者武江, 鄭臻榮, 劉旭, 顧培夫, 李海峰, 陸巍 申請人:浙江大學