擴(kuò)散板表面微結(jié)構(gòu)對(duì)均勻度與透光率的影響

1、擴(kuò)散板表面微結(jié)構(gòu)對(duì)均勻度與透光率的影響第27卷第2期2012年4月液ChineseJourna晶與顯示iofLiquidCrystalsandDisplaysV0l_27,NO.2Apr.,2O12文章編號(hào):10072780(2012)02015305擴(kuò)散板表面微結(jié)構(gòu)對(duì)均勻度與透光率的影響何曉祥,吳大鳴,鄭秀婷(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029,Email:hexiaox.iang163.corn2.有機(jī)一無機(jī)復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029)摘要:基于LightTools光學(xué)分析軟件分析了光在球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板和圓錐及金字塔兩種非球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板內(nèi)的傳輸過程,比較了球形微

2、結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板和非球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板的均勻度和透光率;進(jìn)一步分析了金字塔非球形微結(jié)構(gòu)的頂角和切削量H對(duì)擴(kuò)散板均勻度和透光率的影響.結(jié)果表明,金字塔非球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板的均勻度高于圓錐非球形微結(jié)構(gòu)和球形微結(jié)構(gòu)兩種擴(kuò)散板的均勻度,透光率介于圓錐非球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板和球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板之間.金字塔非球形微結(jié)構(gòu)頂角),越大,透光率越高,當(dāng)),一100.時(shí),擴(kuò)散板的綜合光學(xué)性能最好,透光率達(dá)82.1,均勻度達(dá)82.4;切削量H越大,透光率越大,均勻度先增大后減小,當(dāng)H一0.04mm,擴(kuò)散板的綜合光學(xué)性能最好,透光率為84.2,均勻度為86.2.關(guān)鍵詞:球形微結(jié)構(gòu);圓錐非球形微結(jié)構(gòu);金字塔非球形微結(jié)構(gòu);透光率;均勻度

3、中圖分類號(hào):TM923.01;TN27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI:10.3788/YJYXS20122702.0153EffectofMicrostructureofLightDiffuserPlateonUniformityandTransmittanceHEXiaoxiang.WUDaming,ZHENGXiuting(1.BeijingUniversity0,ChemicalTechnology,Beijing100029,China,E-mail:hexiaom.iang163.coTn2.StateKeyLaboratoryofOrganicInorganicComposites,Beij

4、ing100029,China)Abstract:Thetransmissionprocessoflightinmicrospherestructure,microstructureandmicropyramidstructurewereanalyzed.Thetransmittanceanduniformityofmicrospherestructure,microconestructureandmicropyramidstructurewerecomparedbasedonLightToolssoftware.Atlast,theeffectofvertexangle),andcuttin

5、gquantityHofmicropyramidstructureonuniformitvandtransmittanceofdiffuserweresimulated.Theresultshowsthattheuniformitvofmicropyramidstructureisthebestwhilethetransmittanceisworsethanmicrospherestructure.Thetransmittancebecomeshigherwhenthevertexangle),becomeshigher.Thetransmittanceis82.1andtheuniformi

6、tyis82.4wheny一100.ThetransmittancebecomeshigherwhenthecuttingquantityHbecomeshigherwhiletheuniformityincreasesfirstanddecreaseslatter.Thetransmittanceis84.2andtheuniformityis86.2whenH一0.04mm.Keywords:microsphere;microconestructure;micropyramidstructure;transmittance;uniformity收稿日期:20111223;修訂日期:2012

7、-0109基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(No.51173015);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專用資金(No.ZZ1221)作者簡(jiǎn)介:何曉祥(1986),女,福建南平人,碩士研究生,主要從事I.ED的配光設(shè)計(jì)及微納尺度制造技術(shù)的研究.*通訊聯(lián)系人,Email:wudamingl54液晶與顯示第27卷1引言擴(kuò)散板廣泛應(yīng)用在液晶顯示,LED照明以及成像等系統(tǒng)中,它的主要功能是使入射光充分散射,實(shí)現(xiàn)更柔和,均勻的照射效果.微透鏡陣列(MIA)擴(kuò)散板是擴(kuò)散板的類型之一,是通過其表面的微凹凸結(jié)構(gòu)使光線經(jīng)過時(shí)發(fā)生不同方向的折反射,實(shí)現(xiàn)對(duì)光的擴(kuò)散,并且其表面微透鏡陣列形狀和排布方式可調(diào),可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散板不同透光率和均

8、勻度,具有極大的靈活性_1.隨著微光學(xué)技術(shù)和微壓印技術(shù)的發(fā)展,微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的研究成果取得了可喜的成績,但研究的關(guān)注點(diǎn)偏向的是球形及V槽形的陣列結(jié)構(gòu)的制造加工等方面,而對(duì)微結(jié)構(gòu)的幾何形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)光學(xué)性能的影響研究報(bào)道較少,研究成果表現(xiàn)出極大的局限性.LightTools是由OpticalResearchAssociates公司開發(fā)的一套光學(xué)三維實(shí)體建模軟件,用戶可以自行設(shè)計(jì)光源模型和各種光學(xué)部件,描繪出光源以及各種光學(xué)元件的光路,以及能夠分析空間光強(qiáng)分布,透光率等光學(xué)性能參數(shù).本文利用IightTools軟件分析了光在球形微結(jié)構(gòu)和圓錐及金字塔兩種非球形微結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳輸過程,比較分析了球形微結(jié)

9、構(gòu)和非球形微結(jié)構(gòu)的透光率和均勻度,并研究了金字塔非球形微結(jié)構(gòu)的頂角),及切削量H對(duì)擴(kuò)散板均勻度和透光率的影響.2理論分析和數(shù)學(xué)建模2.1理論分析假設(shè)一發(fā)光角為120.的LED燈,光從底部進(jìn)入表面微結(jié)構(gòu)分別為球形微結(jié)構(gòu)和非球形微結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散板時(shí),光線將其分為3類:第一類光在非球形表面滿足全反射條件而不能透射(如圖1中的A光線),這類光線與擴(kuò)散板法線的夾角一般在5.以內(nèi),是增加擴(kuò)散板亮度的有效光線.然而這類靠近光軸的光線通過球形微結(jié)構(gòu)時(shí)卻可以透射(如圖l的A光線),光線利用率得到了提高.第二類是出射角在擴(kuò)散板法向附近7O.范圍內(nèi)的光線(如圖1中的B光線),這類光線能有效地增加擴(kuò)散板的視覺亮度.而當(dāng)光

10、通過球形微結(jié)構(gòu)時(shí),由于球形微結(jié)構(gòu)表面法向從球冠中央到球底部逐漸趨向水平方向,因此球形微結(jié)構(gòu)不能將大部分的光線限制在70.的范圍內(nèi)(如圖1中的B光線),所以與非球形微結(jié)構(gòu)相比,集光能力較差.第三類是出射角很大的光線,這部分的光線對(duì)擴(kuò)散板亮度的增加沒有貢獻(xiàn)作用(如圖1中的C光線).當(dāng)這部分光線通過球形微結(jié)構(gòu)時(shí),通過光的全反射作用而被反射回到背光源模組重新利用(如圖1中的C光線)_1I9_.比較分析可知,光通過球形微結(jié)構(gòu)和非球形微結(jié)構(gòu)時(shí),球形微結(jié)構(gòu)對(duì)光的利用率要高于非球形微結(jié)構(gòu),但聚光能力卻要遜于非球形微結(jié)構(gòu).LEDlamp圖1球形微結(jié)構(gòu)和非球形微結(jié)構(gòu)的光路分析圖Fig.1Transmittingp

11、rocessoflightinmicrospherestructureandnonspheremicrostructure2.2數(shù)學(xué)建?；诿商乜宸?MonteCarlo),為實(shí)現(xiàn)光線追跡,建立分析擴(kuò)散板與LED燈源的數(shù)學(xué)物理模型,如圖2所示.擴(kuò)散板的基材選用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),折射率為1.49;總體尺寸dh為50mm2mm,其中d為擴(kuò)散板的直徑,h為擴(kuò)散板的厚度,忽略材料的吸收特性.擴(kuò)散板位于LED燈正上方0.5mm處,接收器位于擴(kuò)散板正上方70mm處,LED燈呈圓形排布,共計(jì)25顆,每顆18lm,發(fā)光角120.,共計(jì)450lm,發(fā)光波圖2PMMA擴(kuò)散板的背光源模組結(jié)構(gòu)示意圖Fi

12、g.2PMMAdiffuserandthebacklightmodule第2期何曉祥,等:擴(kuò)散板表面微結(jié)構(gòu)對(duì)均勻度與透光率的影響段為白光波段.為分析擴(kuò)散板上表面微結(jié)構(gòu)的類型對(duì)擴(kuò)散板均勻度和透光率的影響,擴(kuò)散板表面微結(jié)構(gòu)分別設(shè)計(jì)為球形微結(jié)構(gòu),圓錐非球形微結(jié)構(gòu),金字塔非球形微結(jié)構(gòu)(如圖3所示):(1)球形微結(jié)構(gòu),球徑為0.28rnlTl,呈邊長為0.28mm的正三角排布,如圖3(a)所示.(2)圓錐非球形微結(jié)構(gòu),圓錐底面圓的直徑為0.28mm,呈邊長為0.28mm的正三角排布,如圖3(b)所示.(3)金字塔非球形微結(jié)構(gòu),底面為邊長0.28mm的正方形,呈邊長為0.28mm的正三角排布,如圖3(c)

13、所示.BBABjLm沖BjCj圖3擴(kuò)散板表面球形結(jié)構(gòu)和非球形微結(jié)構(gòu)示意圖.(a)球形微結(jié)構(gòu);(b)圓錐非球形微結(jié)構(gòu);(c)金字塔非球形微結(jié)構(gòu).Fig?3Diagr.amofthemicrostructuresofthediffuser.(a)Microspherestructure;(b)Microconestructure;(c)Micropyramidstructure.3球形和非球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板透光率和均勻度的比較經(jīng)LightTools模擬得到球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板和非球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板均勻度和透光率的變化,結(jié)果如表1所示.由表1可知,圓錐形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板的均勻度與透光率均低于球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板的均

14、勻度與透光率.因?yàn)閳A錐形微結(jié)構(gòu)與球形微結(jié)構(gòu)的分布密度相同情況下,圓錐形微結(jié)構(gòu)具有一定的錐度,產(chǎn)生了較多的第三類光線(如圖1中的C,光線),降低了光的利用率.,最終造成圓錐形微結(jié)構(gòu)的透光率低于球形微結(jié)構(gòu).因?yàn)閳A錐微結(jié)構(gòu)錐度的存在,提高了擴(kuò)散板的聚光能力,導(dǎo)致均勻度弱于球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板.當(dāng)微結(jié)構(gòu)的間距均為0.28mm相同情況下,金字塔非球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板均勻度高于球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板和圓錐非球形微結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散板,透光率介于球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板和圓錐非球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板之間.由于金字塔形微結(jié)構(gòu)底部為正方形,三種微結(jié)構(gòu)間距都相同的條件之下,金字塔微結(jié)構(gòu)分布密度最大,光線散射最明顯,發(fā)生散射與折射現(xiàn)象的頻率最高,故采

15、用金字塔非球形微結(jié)構(gòu)得出的均勻度最高,比球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板均勻度高3%,比圓錐非球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板均勻度高5.1.表1三種微結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散板均勻度與透光率的影響Table1Effectofmicrostructureontheuniformityandtransmittanceofthediffuser4金字塔非球形微結(jié)構(gòu)頂角和切削量對(duì)擴(kuò)散板透光率和均勻度影響分析金字塔非球形微結(jié)構(gòu)頂角和切削量對(duì)擴(kuò)散板透光率和均勻度的影響,主要從全反射角度出發(fā).全反射現(xiàn)象的發(fā)生具有兩個(gè)條件,首先光線必須從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì),其次入射角必須大于臨界角.在擴(kuò)散板內(nèi),光線經(jīng)過金字塔微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板折射入空氣,由于擴(kuò)散板的折射率

16、是液晶與顯示第27卷1.49,大于空氣的折射率,且在光線經(jīng)過微結(jié)構(gòu)時(shí),有一部分光線的入射角大于臨界角42.2.,因此,光通過金字塔微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板時(shí),必然有全反射發(fā)生.由圖1可知,全反射的發(fā)生,擴(kuò)散板的透光率和均勻度必然受到影響.因此本文進(jìn)一步研究了金字塔微結(jié)構(gòu)頂角和切削量對(duì)擴(kuò)散板透光率和均勻度的影響.4.1金字塔微結(jié)構(gòu)頂角對(duì)擴(kuò)散板透光率和均勻度的影響假設(shè)金字塔微結(jié)構(gòu)的橫截面為等腰三角形,即a一,如圖4所示.光發(fā)生全反射時(shí),入射角0與金字塔的頂角具有一定的幾何關(guān)系,即一90.一y/2.為降低全反射,在入射角一定的情況下,必須要減小金字塔的頂角y.圖4給出了擴(kuò)散板透光率和均勻度隨金字塔的頂角y變化情

17、況.由圖4可知,當(dāng)頂角y從40.增大到110.,擴(kuò)散板的透光率從65.49/6增大到83.6,主要是因?yàn)轫斀?,的增大,光的入射角減小,發(fā)生全反射的光所占比例減小,故擴(kuò)散板透光率增大.當(dāng)頂角),從4O.增大到110.,擴(kuò)散板的均勻度變化沒有呈現(xiàn)出簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,當(dāng)y一100.度時(shí),擴(kuò)散板的綜合光學(xué)性能最好,均勻度達(dá)到最大值82.4,透光率為82.1.槲米蛔,目圖4頂角對(duì)擴(kuò)散板均勻度與透光率的影響Fig.4Effectoftheapexonthetransmittanceanduniformityofthediffuser4.2金字塔微結(jié)構(gòu)切削量對(duì)擴(kuò)散板均勻度和透光率的影響如圖5給出了金字塔微結(jié)

18、構(gòu)切削量H的示意圖.由圖可知當(dāng)金字塔頂角),一100.固定時(shí),光的入射角不變,可以通過控制金字塔的切削量H來控制光的全反射程度.圖5給出了擴(kuò)散板均勻度和透光率隨金字塔微結(jié)構(gòu)切削量H的變化情況.由圖5可以看出,金字塔微結(jié)構(gòu)的切削量值H從0mm增大到0.1ITlm時(shí),擴(kuò)散板的透光率從82.1增大到86.5,主要是因?yàn)榻鹱炙⒔Y(jié)構(gòu)切削量H增大時(shí),全反射的光減少,即A類和c類光線減少,因此擴(kuò)散板的透光率得到提高.當(dāng)切削量值H從0iTlm增大到0.1mm時(shí),擴(kuò)散板的均勻度則先從82.4增大到86.4,再降低至83.1,當(dāng)H一0.04mm時(shí),擴(kuò)散板的均勻度達(dá)到最大值86.4.主要是由于在微結(jié)構(gòu)間距一定時(shí),

19、H一0.04mlTl時(shí),A類,B和c類綜合效果達(dá)到最好,光線散射效果最好,散射角度最廣,均勻度最高.槲蛔,露圖5切削量H對(duì)擴(kuò)散板均勻度與透光率的影響Fig.5EffectoftheheightHonthetransmittanceanduniformityofthediffuser結(jié)論(1)金字塔非球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板的均勻度高于圓錐非球形微結(jié)構(gòu)和球形微結(jié)構(gòu)兩種擴(kuò)散板的均勻度,而透光率介于圓錐非球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板和球形微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板之間.(2)金字塔非球形微結(jié)構(gòu)頂角y從40.增大到110.,擴(kuò)散板的透光率從65.4%增大到83.6;當(dāng)頂角y一100.時(shí),擴(kuò)散板的綜合光學(xué)性能最好,透光率為82.1,均勻

20、度為82.4.(3)金字塔微結(jié)構(gòu)切削量H從0mm增大到0.1mm時(shí),擴(kuò)散板的透光率從82.1增大到86.5;均勻度則先從82.4增大到86.49/5,再降低至83.1,當(dāng)H一0.04mm時(shí),擴(kuò)散板的均勻度達(dá)到最大值86.4.第2期何曉祥,等:擴(kuò)散板表面微結(jié)構(gòu)對(duì)均勻度與透光率的影響157參考文獻(xiàn):1莊孝磊,周芳,陳林森.微透鏡陣列光擴(kuò)散片特性研究及制備rJ.蘇州大學(xué),2009,25(4):4852.2KimJS,KimDS,KangJJ,eta1.Replicationandcomparisonofconcaveandconvexmicrolensarraysoflightguideplatef

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