本發明涉及導光板領域，具體涉及一種導光板下表面一維微結構設計方法。

背景技術：

液晶顯示模塊廣泛用于手機、數碼相機、平板電腦、電視的顯示。隨著生產工藝技術的進步，輕薄化、輕量化(即低損耗)已經成為目前液晶顯示產品的發展趨勢。液晶顯示模塊由液晶、起偏器、背光模塊等組成。經典的背光模塊主要由光源、導光板、反射膜、散射膜、增亮膜組成，起著把點光源或線光源轉化為面光源供給液晶的作用。其中，導光板是背光模塊里的一個重要組件，它的作用為引導光的反射折射方向，用來提高光能效率和照度均勻度，如圖1所示。因此，導光板的設計是背光模塊的關鍵技術之一。常用的背光模塊分為側入式和直下式。目前在中小尺寸面板中多采用側入式。

光源發出的光進入無任何加工的導光板時，根據全反射原理，將會在導光板內向前傳播而不射出于任何導光板表面。為了達到轉化為面光源的目的，需要在導光板的下表面設計具有一定規律的圖案——散射網點或微結構或微光柵。

1)具有散射網點的導光板雖然能較簡單地設計網點的排布得到較好的亮度均勻度但是散射材料對光的吸收較導致出光的光能效率較低，并且經散射的光線方向不容易控制。

2)微光柵利用光柵的衍射特性對出射光的角度直接控制，可以獲得很好的均勻度，但是光柵對入射光的波長敏感以及光柵制造對精度要求高，因此制作成本高。

3)微結構直接在自然導光板下表面制作，相比散射網點沒有吸收光的損耗，制作成本介于前兩者之間。此外，根據光的反射折射原理，微結構可以較好地控制光線的反射折射方向，達到目標出光效果。

因此，本發明提出一種高光效、高均勻度且輕薄的導光板微結構設計方法。

現有的相似的技術：

①yan,jin-ren等人提出一種導光板上下表面微棱鏡結構的設計方法，照度均勻度達86％，但是其光效只有30％。

②jui-wenpan等人提出一種混合微結構背光模塊的設計，可以對出射光線進行一維聚光從而不用增亮膜，最終有效減少背光模塊的厚度，但是其背光模塊的光效低于50％。

③tun-chienteng等人提出一種超薄的導光板設計僅有2.2毫米的厚度并具有84％的空間均勻度，但是其導光板的光效只有69％。

④sun,wen-shing等人設計了一種用于導光板的聚光的光學薄膜，可以實現背光源模塊的光效和均勻度均超過90％，但是實現的前提是薄膜上下表面的微結構必須高精度地對準，制作成本非常高。

⑤pan,jui-wen等人提出一種可以有效提高軸上亮度的背光模塊設計，但其亮度均勻度低。

以上相似的設計說明，在設計周期初期，微結構密度的設置對最終出射光的效果有很大影響，僅通過經驗試錯的方式是無法獲得導光板的最佳微結構排布，從而無法同時獲得出射光的最高光效和最高均勻度。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種可以同時獲得具有高照度均勻度和高光效的導光板微結構最優化設計方法。

一種導光板微結構設計方法，包括如下步驟：

根據區域劃分規則對導光板下表面進行區域劃分；

計算各小區域的面積比例；

計算區域密度概率函數；

在對應的區域密度概率函數區段中選取合適的密度概率；

計算各小區域的微結構密度；

選擇低差異序列作為產生器，生成原始的二維點集；

對二維點集所有點進行定位，找到所有點所屬的小區域；

對各小區域的單位位置點集進行擴展并平移到導光板下表面對應的小區域的范圍內；

去除重疊或距離過近的位置點；

將生成的位置點集數據導入到導光板模型中并進行仿真；

對模型進行優化，獲得光能利用率和照度均勻度等的仿真數據；

判斷數據是否達到設計要求為，如果未達到，則返回所述步驟計算區域密度概率函數，否則，設計結束。

具體的，所述區域劃分規則為：沿著光源面對的正向方向，劃分的區域面積應隨著與光源距離的增加而增大，或者至少等于相鄰的靠近光源的區域面積；沿著光源自身延伸方向，靠近光源的區域劃分的數量應多于遠離光源的區域；靠近光源且處在導光板邊角處的區域，其微結構的密度應大于或等于沿自身延伸方向相鄰區域的密度。

具體的，所述計算各小區域的面積比例滿足關系式：r＝re:rd:rc:rb:ra，其中，r分別為各小區域面積比例值，小區域數量為任意數量。

具體的，所述計算區域密度概率函數為：指數函數形式p(z)＝a×exp(z×(1/l))+c，其中l為導光板的長度，a和c為函數系數，a的取值范圍為正數，c的取值范圍不限。系數與導光板的尺寸有關；或貝塞爾函數形式p(z)＝p0(1-z)³+3p1z(1-z)²+3p2z²(1-z)+p3z³,z∈[0,1]，其中p0、p1、p2、p3為函數系數，與導光板的尺寸有關；或多項式函數形式p(z)＝az³+bz²+cz+d，其中a、b、c、d為函數系數，與導光板的尺寸有關。

具體的，所述在對應的函數區段中選取合適的密度概率為：采用二分法選取，即第一次迭代將選取區段中點為概率值，第二次及以后的迭代將采用二分法選取概率值；或其他選取方法。

具體的，所述計算各小區域的微結構密度為：計算方法根據此公式dk＝rk×pk(z)×dk或dk＝rk×pk(z)，其中dk、rk、pk(z)和dk分別為小區域k的密度、面積比例值、區域密度概率值和微結構底面的寬度。

具體的，所述低差異序列為halton序列、sobol序列、hammersley序列、rank-1lattices序列、亂數(random)序列、正態分布隨機函數或者其他具有概率產生序列意義的方法作為產生器替換。

具體的，所述對二維點集所有點進行定位，找到所有點所屬的小區域具體為：在單位概率范圍[0，1]內，每個小區域分別有其對應的概率區間。點的第一維數據作為指針尋找該點所處的概率區間，從而確認該點所屬的小區域。然后點的第二維數據作為該點在所屬的小區域內的單位位置。

具體的，所述對二維點集所有點進行定位，找到所有點所屬的小區域中第一維數據和第二維數據使用順序可互換。

具體的，所述對各小區域的單位位置點集進行擴展并平移到導光板下表面對應的小區域的范圍內的操作為使用了直角坐標系拉伸和平移的運算。

具體的，所述去除重疊或距離過近的位置點具體為直接舍棄；或采數學模型改變兩位置點的距離；或者采用分子斥力模型理論改變兩位置點的距離。

具體的，所述對模型進行的優化為：對微結構的深度進行優化；或對微結構的底面角度進行優化；或對微結構的底面寬度進行優化；或對微結構的深度和底面角度同時優化。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

①本發明通過對區域密度概率函數的合理取值獲得微結構密度值，從而得到具體的微結構數量，因此無需設計者預先對導光板設置微結構的具體數量。

②通過對區域密度概率函數的合理取值獲得微結構密度值，使微結構的密度無需依賴設計者的經驗設置。

③50毫米*50毫米*1毫米的模型的仿真迭代次數為7次，只耗時半小時，有效減少設計周期。

④微結構的密度有具體的計算方法可依。

⑤對50毫米*50毫米*1毫米、7英寸和14英寸模型進行仿真均可獲得良好的效果，本發明可用于中小尺寸的單邊側入式導光板設計，具有靈活性。

⑥本方法步驟為12步，其中有常見的函數運算，方法較為簡單，程序實現較簡單。

⑦50毫米*50毫米*1毫米、7英寸和14英寸模型的仿真光能效率和照度均勻度分別為87.97％、80.75％、80.20％和85.41％、88.85％、88.04％，仿真效果能同時實現高光能效率和高照度均勻度。

附圖說明

圖1是現有技術導光板背面微結構引導光的反射方向示意圖；

圖2是本發明具體實施方式中單邊側入式背光模塊示意圖，其中：

反射器—1、led芯片—2、導光板—3、反射薄膜—4、框架-5；

圖3是本發明具體實施方式中背光源模塊中的導光板微結構設計流程圖；

圖4是本發明具體實施方式中導光板微結構區域密度概率函數示意圖；

圖5是本發明具體實施方式中根據點的第一維數據所處的概率區間找到該點所屬的小區域，將第二維數據作為單位位置信息劃歸為該小區域的示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉例實施例對本發明作進一步說明。

本發明針對單邊側入式背光模組導光板設計，如圖2所示。圖2是本發明具體實施方式中單邊側入式背光模塊示意圖，其中：

反射器—1、led芯片—2、導光板—3、反射薄膜—4、框架-5。

本具體實施方案中，采用數學軟件(如matlab、microsoftvisualstudio等)進行編程(如c語言、c++語言、matlab語言、vba語言等)，完成技術方案中的所有理論計算，獲得各區域微結構位置點集信息。然后把信息導入到光學軟件(如lighttools、tracepro、asap等)里已經建成的仿真模型導光板的下表面。再進行仿真實驗驗證，最終獲得最佳微結構位置點集。

如圖3所示為本發明具體實施方式中背光源模塊中的導光板微結構設計流程圖，具體的步驟如下：

(1)根據三條導光板下表面區域劃分規則，保證后續計算獲得的初始密度的正確性。分別為：

a.沿著光源面對的正向方向(即z軸方向)，劃分的區域面積應隨著與光源距離的增加而增大，或者至少等于相鄰的靠近光源的區域面積。

b.沿著光源自身延伸方向(即x軸方向)，靠近光源的區域劃分的數量應多于遠離光源的區域。這樣做可避免設計中經常出現的出光亮暗區現象。

c.靠近光源且處在導光板邊角處的區域，其微結構的密度應大于或等于沿光源自身延伸方向相鄰區域的密度。

(2)計算劃分后各小區域的面積比例，得到區域比例r，其中re、rd、rc、rb和ra分別為簡化后的小區域面積比例值。小區域數量不限于5個，可為任意數量。

r＝re:rd:rc:rb:ra(1)

(3)計算獲得區域密度概率函數p(z)，如圖4所示。其中l為導光板的長度，a和c為函數系數，a的取值范圍為正數，c的取值范圍不限。系數與導光板的尺寸有關。

可選的替代方法：本概率函數除了采用指數形式，還可以采用其他數學函數，如貝塞爾函數、多項式函數等，分別如式(3)和式(4)所示。其中a、b、c、d、p0、p1、p2、p3為函數系數，與導光板的尺寸有關。

p(z)＝a×exp(z×(1/l))+c(2)

p(z)＝az³+bz²+cz+d(3)

p(z)＝p0(1-z)³+3p1z(1-z)²+3p2z²(1-z)+p3z³,z∈[0,1](4)

(4)在區域密度概率函數p(z)中按劃分的區域進行等比例劃分，并在對應的函數區段中選取合適的密度概率。采用二分法選取，即，第一次迭代將選取區段中點為概率值，第二次(含)以后的迭代將采用二分法選取概率值。或者其他選取方法。區域密度概率的物理含義為該區域獲得微結構的可能性。概率值越大，在微結構總數量一定的情況下，該區域獲得的微結構數量越多。

(5)根據上述3步計算各小區域的密度dk，如式(5)所示，其中rk和pk(z)分別為第2步和第4步獲得的計算結果，dk為微結構底面的寬度。

可選的替代方法：當微結構底面寬度對計算密度影響不大時，新密度計算公式可以忽略寬度，即公式(6)。

dk＝rk×pk(z)×dk(5)

dk＝rk×pk(z)(6)

(6)選擇低差異序列中的halton序列作為微結構隨機排布的產生器，生成二維位置點集。每一個點代表一個微結構。二維點集的點的數量等于微結構的總數。

可選的替代方法：使用其他低差異序列，如sobol序列、hammersley序列、rank-1lattices序列、亂數(random)序列、正態分布隨機函數或者其他具有概率產生序列意義的方法作為產生器。低差異序列產生器中的生成矩陣(generatormatrix)具有多種選擇，如sobol序列可以找到生成21201維度的生成矩陣。哪種生成矩陣是本設計方案的最佳生成矩陣可以進一步討論。

(7)對二維點集所有點進行定位，找到所有點所屬的小區域。具體做法為：在單位概率范圍[0，1]內，每個小區域分別有其對應的概率區間。點的第一維數據作為指針尋找該點所處的概率區間，從而確認該點所屬的小區域。然后點的第二維數據作為該點在所屬的小區域內的單位位置。如圖5所示，舉例說明：假設有一二維點m(u0,u1)代表任意一個微結構，根據點m的第一維數據，即u0值，找到其位于概率區間c內。因此，點m歸屬于小區域c，即該微結構坐落在小區域c內。點m的第二維數據，即u1值為0.5，則為該點(或者該微結構)在小區域c內所處的單位位置，即位于小區域中心處。根據這個方法，點集中所有點所屬的小區域得以確定。

可選的替代方法：第一維數據和第二維數據使用順序可互換。

(8)對各小區域的單位位置點集進行擴展并平移到導光板下表面對應的小區域的范圍內。擴展和平移具體使用了直角坐標系拉伸和平移的運算。

(9)若新生成的微結構位置與已生成的微結構位置重疊或距離過近時，新的微結構位置將失效，即舍棄新的位置點。過近的兩位置點的距離小于兩倍的微結構底面寬度。重疊為兩位置點距離小于一倍微結構底面寬度。

可選的替代方法：采用數學模型或者采用分子斥力模型理論：改變兩位置點的距離。

(10)將生成的所有區域的位置點集信息導入到仿真模型中進行仿真實驗。

(11)對模型進行優化，獲得光能利用率和照度均勻度等的仿真數據。其中優化的變量為：微結構的深度；或微結構的底面角度；或微結構底面寬度；或微結構的深度和底面角度同時優化。

(12)判斷數據是否達到設計要求，如果未達到，則返回步驟(3)，否則，設計結束。說明在目前已設置的固定參數的情況下，優化獲得的導光板微結構排布已經是能同時獲得最高照度均勻度和最高光能效率的最優化設計結果。

表1為采用本發明所闡述的設計方法對三個典型中小尺寸的背光模組導光板進行仿真實驗的優化結果：

上述實施例為本發明的一種實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。