专利名称：基于cpc阵列和折反射自由曲面的背光板的设计方法及用途的利记博彩app
技术领域：
本发明属于光学技术与照明技术领域，具体涉及一种基于CPC阵列和折反射自由曲面的背光板的设计方法及用途。
背景技术：
相对于CRT显示器来说，液晶显示器天生就具有零辐射，低耗能，散热小，纤薄轻巧，精确还原图像，显示字符锐利等诸多优势。随着液晶显示技术的不断发展和成本的逐步降低，液晶显示器已经逐步吞噬原本的CRT市场。近年来LCD显示应用更加广泛，其作为手机等移动便携电子产品的显示屏幕更是向超薄高亮度的方向飞速的发展。
液晶材料本身不发光，需要背光模块提供照明，其显示效果也就决定于背光模块的照明效果，因而背光模块的指针在液晶显示器中显得举足轻重。一般来说，背光模式有直下式和侧光式两种。直下式亮度高，设计简单且照明均匀性好，缺点是温度高，能耗大，厚度大，便携性差。侧光式由于光源在背光模块侧面，厚度较薄，且能耗低，温度低，故移动设备中通常使用侧光式照明。
导光板一般由注塑方式制成，材料以PMMA居多，表面一般有网点或者微结构(锯齿形或者半圆形)，目的是让光线散射，以实现均匀照明。不同的是网点是利用网板将高反射性的材料(如SiO2及TiO2)印刷上去，而微结构则是注塑时一体成型或是之后利用精密机械加工而成的。一般距离光源较近处网点和微结构尺寸小，远离光源处尺寸大。
反射片的主要作用为将所有从导光板底部漏出的光反射回导光板，反射片材料一般有白色镀银或镀BaSO4薄膜反射片，也有经过微细发泡的塑料片(泡越微细，密度越高，反射率越高)，有的公司采用镀铝膜的塑料片。
扩散片位于导光板的上方，其主要功能是将透过导光板的光线做散射处理以达到雾化效果。主要利记博彩app是在扩散膜的基材中加入3-5um的化学颗粒作为散射粒子；或者是使用全息技术经由曝光显影等化学程序将毛玻璃的相位分布记录下来粗化扩散膜表面基材表面，以散射模糊导光板上的亮暗区或线条。
为了提高显示亮度，降低生产成本，各种改型的背光系统应运而生，高能量利用率，光照度均匀的背光系统在不断的被尝试，创造，改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于CPC阵列和折反射自由曲面的背光板的设计方法及用途。
基于CPC阵列和折反射自由曲面的背光板的设计方法包括如下步骤1)首先确定背光板的长宽高基本参数；2)采用最大填充参数，结合照明面和目标面的面积面型，根据目标面能量分布公式计算，确定CPC目标照明面上任意一点的能量分布，根据照明面能量分布公式计算，确定CPC入口处的光能量分布；3)采用背光板的结构参数、根据结构参数计算公式计算，确定CPC的结构参数；4)采用CPC入口处光能量分布以及光源发光特性，根据均匀的三次B样条曲线的矩阵表达公式计算，确定CPC入口处的折射式自由曲面；5)采用CPC入口处折射式自由曲面面型，CPC入口处光能量分布，以及光源发光特性，根据均匀的三次B样条曲线的矩阵表达公式计算，确定背光板底面反射式自由曲面的面型，然后在背光板底面镀全反膜。
所述的最大填充参数为a＝π/4。
目标面能量分布公式为Ep＝1/2Escos(θ)Δθ其中Δθ＝ΔAcos(θ)/r2照明面能量分布公式为Es＝2Ep/cos(θ)Δθ其中，Ep为目表面上任意一点P的能量，Es为光源的能量，θ为过P点的法线与光源和P点连线的夹角，A为CPC出口面积的大小，r为P点到CPC出口的距离。
结构参数计算公式为dj＝(sinθo/sinθj)do，L＝1/2(dj+do)cotθj。
其中，do为CPC出口处的直径，dj为CPC入口处的直径，L为CPC的长度，θi为CPC入口处光线的入射角，θo为CPC出口处光线的出射角。
均匀的三次B样条曲线的矩阵表达公式为Pi(u)=16u3u2u1-13-313-630-30301410ViVi+1Vi+2Vi+3]]>
其中，u∈
，Vi，Vi+1，Vi+2，Vi+3是曲面上的控制点。
基于CPC阵列和折反射自由曲面的背光板用于LCD背光照明的背光单元。本发明的优点是1)背光板的顶层部分采用微型CPC阵列，可以使背光板出射光相对与法线方向的出射角变小，均匀度提高。
2)每个微型CPC入口处采用折射自由曲面，充分控制收集光源向上方出射的光线，提高光能利用率。根据光源发光特性和目标面照明要求来设计CPC的参数，提高能量利用率，和光线均匀性，提高LCD亮度。
3)背光板底面采用反射自由曲面并镀全反膜，将光源向下方出射的光线以及从上方出射但不能进入CPC的光线，反射收集入CPC入口处，提高光能利用率。
4)采用侧向照明，通过设计CPC阵列和底面反射自由曲面，减小背光板的厚度。
5)采用单层金字塔型增亮膜与CPC阵列相配合，极大地减少了在增亮膜中多次反射的光线，从而降低了光能量的损失，且在提高出射光的均匀性的同时减小了背光系统厚度。
6)通过CPC与自由曲面的结合，可以采用任何形式的照明光源而达到均匀照明的目的。
7)理论上可以通过计算设计对任意扩展光源实现高能量利用率和均匀照明。如果采用线光源，则可以得到简化设计，设计计算相对简便。
图1是基于CPC阵列和折反射自由曲面的背光板结构示意图；图2是基于CPC阵列和折反射自由曲面的背光板中CPC结构示意图；图3是本发明的背光板中CPC中任意一点能量分布计算示意图；图4是本发明的背光板中CPC结构参数计算示意图；图5是本发明的背光板中光源发出光线经过CPC出射的示意图；图6是本发明的背光板中光源发出光线经底面反射自由曲面发射后射入CPC并出射的示意图；图7是本发明的背光板中光源发出光线在各个CPC中的分配关系示意图；图8是基于CPC阵列和折反射自由曲面的背光板应用于背光单元的结构示意图；图9是本发明的背光板中增亮膜的结构示意图；
图10是本发明的背光板中增亮膜工作原理图；图11是本发明的背光板中散射膜的结构示意图；图12是本发明的背光板的简化模型的背光板投射示意图；图13是本发明的背光板的简化模型中抛物凹槽的结构示意图；图14本发明的背光板的简化模型中增亮膜结构示意图；图15是本发明的背光板的简化模型的背光系统结构示意图；具体实施方式
本发明为基于CPC阵列和折反射自由曲面的薄型背光板的设计方法及其用途。实现光源光能量的充分利用和对于背光单元上方的LCD器件的均匀照明。整个背光单元包含光源S，背光板P1，增亮膜P2和散射膜P3。
如图1所示，基于CPC阵列和折反射自由曲面的薄型背光板P1顶部为微CPC阵列，其中每个CPC的入口处为折射式自由曲面，背光板P1的底面P11为反射式自由曲面，并且镀全反膜。其侧面P12为光源入射面。背光板P1侧面的非光源入射部分均镀全反膜。根据实际需要确定背光板的长宽高基本参数。采用最大填充参数a＝π/4。
如图2所示，C11为其出口面，C12为其入口面，C12为折射自由曲面，C11为CPC的出口。从光源发出的光线，以及从反射自由曲面P11反射的光线进入C12，在C1中多次反射后，从出口C11处射出背光板。如果有需要，可以在CPC中填充不同反射率的透光材料，则可以控制光线从CPC出射的角度的大小，从而满足不同的设计需求。
如图3所示，根据热力学定律E＝σT4和互易原理A1F1-2＝A2F2-1，其中A1，A2为照明面和目标面的面积，F1-2，F2-1为辐射形状参数(radiation shape factor)来计算当光源面处于CPC入口时，照明面上任意一点的能量分布，得到计算公式Ep＝1/2Escos(θ)Δθ其中Δθ＝ΔAcos(θ)/r2根据对目标面能量分布的要求，来反推光源面能量分布，得到CPC入口处能量分布要求计算公式(即CPC入口处光线及能量分布要求)Es＝2Ep/cos(θ)Δθ其中Ep为目表面上任意一点P的能量，Es为光源的能量，θ为过P点的法线与光源和P点连线的夹角，A为CPC出口面积的大小，r为P点到CPC出口的距离。
如图4所示，由CPC工作原理以及已经确定的背光板结构参数，确定CPC阵列层厚度，由目标面照明面积大小来取定CPC出射光线的角度，得到CPC的结构参数计算公式di＝(sinθo/sinθj)do，L＝1/2(dj+do)cotθj。
其中dj为CPC出口的直径，do为CPC入口处的直径，θo为CPC入口处光线入射的最大角度，θj为CPC出口处光现出射的最大发散角。在本发明中，θo为90度即sinθo＝1，而根据LCD背光板的要求，θj为35度，从而可以确定CPC入口即开口处直径的比例。L为CPC的长度。根据以上两个计算公式，结合背光系统的体积参数以及对出射光参数的要求来确定CPC的各个参数。
如图5所示，CPC结构参数确定后，设计计算CPC入口处折射自由曲面的面型.光源向法线上方发出光线经过CPC出射的示意图。光线L1、L2从光源S1出射。L1入射到C2的折射自由曲面C21处，并进入C2，经多次反射后，从C2的出口C22出射。光线L2为光源发出位于C1、C2交界处的光线，即从光源发出的向法线上方的光线尽可能多的被CPC阵列所收集。根据折射定律，照度公式，和光源的发光特性，采用有理B样条式自由曲面设计方法。
均匀的三次B样条曲线的矩阵表达式如下Pi(u)=16u3u2u1-13-313-630-30301410ViVi+1Vi+2Vi+3]]>其中，u∈
，Vi，Vi+1，Vi+2，Vi+3是曲面上的控制点。
B样条曲线是由控制点的矩形阵列来形成的，u，w是结点上的方向矢量。为了定义一个均匀的双三次B样条面，需要16个控制点。曲面上的一点的坐标符合如下的方程P(u，w)＝UBVBTWT，其中控制点矩阵W＝[w3w2w1]V=V11V12V13V14V21V22V23V24V31V32V33V34V41V42V43V44]]>且，u，w∈
，
对于一个均匀双三次B样条曲面，常数矩阵为B=-13-313-630-30301410]]>根据这些控制点的坐标来拟合每个小的曲面单元，然后各个曲面单元组合成整个自由曲面面型。
如图6所示，背光板底部为反射式自由曲面，其面型参数由反射定律，照度公式，能量守恒，CPC入口处的光能量分布和折射自由与面面型以及光源发光特性推导出的方程确定。
光源发出光线经底面反射自由曲面发射后射入CPC并出射的。光线L3、L4从光源S1出射，其中L3、L4为相对于法线N对称的两条光线。L3入射CPC，并从背光板出射的方式与图5中L1从背光板出射方式相同。L4作为与L3对称的光线，先经过底面反射自由曲面P11反射到C41，进入C4，多次反射后，从C42射出背光板。由于关于法线平面对称的光线进入同一个CPC，这样，就可以通过控制法线平面以上方向的光线分布来控制整个光源发出的光线。
如图7所示，C5、C6两个CPC收集的从光源S1发射的光线的立体角w1＝w2，则进入C5、C6的光能量相等。保证CPC之间的光能量是基本一致的，则整个背光板出射平面上的CPC之间光能量基本一致，从而使背光板出射的光线均匀。采用有理B样条自由曲面的设计方法，方程参数与前述折射式自由曲面方程相同。
如图8所示，基于微CPC阵列和折反射自由曲面的薄型背光板与测向光源，增量膜，和散射膜一起组成用于LCD背光照明的背光单元。背光单元由光源S(密排的LED阵列)侧向照明，将光源出射的光线分为相对于光源法线平面对称的上下两部分，法线平面以上的光线一部分投射到CPC的入口处，通过折射自由曲面进入CPC，经CPC后变为均匀的光线从出口处射入CPC的目标照明面即增亮膜P2，光线被限制在法线附近70度以内，投射到第二块散射膜P3中，然后均匀的投射出去；另一部分不能进入CPC的光线被有一部分被反射到底面的反射自由曲面。
法线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入口处，通过折射自由曲面进入CPC，出射方式与向上方的光线进入CPC后的出射方式一致。通过调整CPC的参数和其入口处的折射自由曲面调整进入CPC的光线及光能量，保证光源向上方出射的大多数光线及光能量被平均的分配到每个CPC中，而光源向下方出射的光能量通过反射自由曲面的调解，也可以被平均分配到每一个CPC入口，从而再次通过折射自由曲面进入CPC，然后出射。从光源出射的几乎全部的光线，光能量进入CPC阵列并出射，极大地提高了光能利用率，使光线的损失降到最低。
通过CPC结构的使用，使从背光板出射的光线均匀性大大提高，而且由于入口处自由曲面的配合，能够控制光线出射的角度，使光线在进入增亮膜之前光线的发散就得到有效的控制，通过增亮膜时可以极大地降低多次反射对于光能的损失，再次提高光能利用率。由于采用CPC阵列和折反射自由曲面相互结合的方法实现了从每个CPC出射的光线都具有几乎相同的光能量，相当于把光源发出的光平均分成N份之后分别从每个CPC出射；也相当于采用了N个相同的光能量为1/N的独立光光源分别照明背光板面积的1/N，即在测向照明中实现了背光照明的良好效果，同时具有出射光线均匀和背光照明系统的薄型化的优点。
CPC入口处折射式自由曲面的设计采用自由曲面设计方法中的“many toone”模型。首先根据LED光源的个数和大小以及发光特性和所采用的CPC阵列中CPC的个数N来把光源出射的光能量平均分为N份，然后采用“many toone”模型设计方法来逐一设计CPC折射自由曲面的面型。
根据CPC能量计算公式和对于背光系统的照明参数要求可以确定图9所示的增亮膜平板部分的厚度D。
如图9所示，增亮膜B上为金字塔型增亮膜结构阵列，其中每一个金字塔结构对应一个CPC。这样可以把CPC出口处所发出的圆形光斑转化为矩形光斑，并控制光线的出射角度，提高光线利用率。
如图10所示，从背光板CPC出射的光线从B11进入增亮膜，分别从金字塔结构的斜表面出射，出射光线保持在法线方向70度以内，提高了光能量利用率，由于在CPC的参数设计过程中，可以几乎避免出现在增亮膜中的光线不能直接出射而发生全反射的情况，即极大的减少了出现在增亮膜中多次反射损失光能量的情况，使其优于不适用CPC阵列的背光系统。
如图11所示，从增亮膜出射的光线从B1面进入散射膜，经过D1等微散射粒子的散射，从B2面出射，形成均匀照明，照亮背光系统上方的LCD或是其它器件，从而达到高能量利用率和均匀照明的目的。
根据以上思路及设计方法，可以得到以下简化模型线光源简化设计。
如图12所示，当采用的光源为小型的密排LED光源线阵列(或极细荧光灯管)时，由于光源线度与背光板相比非常小，可以把光源看作线光源，这时设计可以得到极大地简化。由于采用线光源，则可以近似地把光线分布看作二维分布，即CPC在二维空间变化。因此，背光板变为SS为线光源，CPC阵列变为抛物形凹槽阵列。凹槽G的入口处为折射式自由曲面，光线出射方式与CPC阵列时光线的出射方式相同。
如图13所示，凹槽底面G11为折射自由曲面，侧面G12，G13为抛物面，设计参数与CPC抛物线相同。G14为光线出射面。线光源向上出射的光线从折射自由曲面G11进入凹槽，在G12和G13面上多次反射后从G14出射出背光板。
在线光源简化模型下，由图5可得，光源向上方出射的光线能够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阵列时的接收盲区；由图6可得，光源向下方出射的光线经过底面反射自由曲面反射后也全部进入凹槽，因此，使用线光源时，光能量的利用率达到最大。
如图14所示，增亮膜也将得到简化，增亮膜由原来的与CPC阵列一一对应的金字塔型微结构变为与抛物型凹槽G相垂直的V型槽，使得制作加工得到简化。其光线出射方式与非简化模型一致。
如图15所示，经过以上简化处理后，采用线光源的背光系统整体结构该简化模型用于光源线度远小于背光系统的情况下，设计制作大大简化，且能够很好的利用光能量达到均匀照明的目的。
权利要求
1.一种基于CPC阵列和折反射自由曲面的背光板的设计方法，其特征在于，包括如下步骤1)首先确定背光板的长宽高基本参数；2)采用最大填充参数，结合照明面和目标面的面积面型，根据目标面能量分布公式计算，确定CPC目标照明面上任意一点的能量分布，根据照明面能量分布公式计算，确定CPC入口处的光能量分布；3)采用背光板的结构参数、根据结构参数计算公式计算，确定CPC的结构参数；4)采用CPC入口处光能量分布以及光源发光特性，根据均匀的三次B样条曲线的矩阵表达公式计算，确定CPC入口处的折射式自由曲面；5)采用CPC入口处折射式自由曲面面型，CPC入口处光能量分布，以及光源发光特性，根据均匀的三次B样条曲线的矩阵表达公式计算，确定背光板底面反射式自由曲面的面型，然后在背光板底面镀全反膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于CPC阵列和折反射自由曲面的背光板的设计方法，其特征在于所述的最大填充参数为a＝π/4。
3.根据权利要求1所述的一种基于CPC阵列和折反射自由曲面的背光板的设计方法，其特征在于所述的目标面能量分布公式为Ep＝1/2Escos(θ)Δθ其中Δθ＝ΔAcos(θ)/r2照明面能量分布公式为Es＝2Ep/cos(θ)Δθ其中，Ep为目表面上任意一点P的能量，Es为光源的能量，θ为过P点的法线与光源和P点连线的夹角，A为CPC出口面积的大小，r为P点到CPC出口的距离。
4.根据权利要求1所述的基于CPC阵列和折反射自由曲面的背光板的设计方法，其特征在于所述的结构参数计算公式为di＝(sinθo/sinθi)do，L＝1/2(di+do)cotθi。其中，do为CPC出口处的直径，di为CPC入口处的直径，L为CPC的长度，θi为CPC入口处光线的入射角，θo为CPC出口处光线的出射角。
5.根据权利要求1所述的基于CPC阵列和折反射自由曲面的背光板的设计方法，其特征在于所述的均匀的三次B样条曲线的矩阵表达公式为Pi(u)=16u3u2u1-13-313-630-30301410ViVi+1Vi+2Vi+3]]>其中，u∈
，Vi，Vi+1，Vi+2，Vi+3是曲面上的控制点。
6.一种如权利要求1所述方法设计的基于CPC阵列和折反射自由曲面的背光板的用途，其特征在于用于LCD背光照明的背光单元。
全文摘要
本发明公开了一种基于CPC阵列和折反射自由曲面的背光板的设计方法及用途。包括如下步骤1)首先确定背光板的长宽高基本参数；2)采用最大填充参数，根据能量分布公式计算，确定CPC目标照明面的能量分布，确定CPC入口处的光能量分布；3)采用背光板的结构参数、根据结构参数计算公式计算，确定CPC的结构参数；4)采用CPC入口处光能量分布以及光源发光特性，根据均匀的三次B样条曲线的矩阵表达公式计算，确定CPC入口处的折射式自由曲面；5)采用CPC入口处折射式自由曲面面型，CPC入口处光能量分布，以及光源发光特性，确定背光板底面反射式自由曲面的面型，然后在背光板底面镀全反膜。本发明的具有更高的光能利用率；更好的照明均匀性。
文档编号G02F1/13GK101051118SQ20071006848
公开日2007年10月10日 申请日期2007年5月10日 优先权日2007年5月10日
发明者武江, 郑臻荣, 刘旭, 顾培夫, 李海峰, 陆巍 申请人:浙江大学