張欣
雲知光照明學院 籤約講師
壹啟工業設計創始人
廣東工業大學藝術設計學院副教授
廣東省一級工業設計師
國家二級創新工程師
國際MTRIZ三級創新工程師
曾獲廣東省「十大工業設計師」
說起導光板，大家一定不會陌生，很多展示場所都會用到這個神器，最具代表性的案例就是被各大媒體爭相報導的暴龍眼鏡店。
這一設計斬獲了多個國際大獎：
2015，DDC 德國設計大獎，法蘭克福，銅獎；
2016，iF 設計大獎，慕尼黑，專業室內建築；
2016，德國照明設計大獎，最佳「國際項目」獎；
2016，倫敦照明設計大獎，零售門店「高度讚揚」獎。
▲導光板發射出的底光照亮每副眼鏡，盡顯其特有色澤。
今天，我們就來介紹下導光板的前世今生以及未來。
導光板主要材料為亞克力（PMMA）化學名為甲基丙烯酸甲脂。透明亞克力板透光率高，擴衝擊能力強。生產導光板應選用不易黃化且透光率在 92-93% 以上的透明板。
經過特殊的科學的加工後的透明壓克力板，只要在邊上裝上發光體（視導光板面積大小可選擇普通日光燈管、CCFL 冷陰極燈管、發光二極體等光源，一般裝在長度的兩邊，寬度比較小時可只裝一邊)，通電後壓克力板整個平面就會發出明亮均勻柔和的光，稱為導光板。
導光板（light guide plate）最初產生是用在 LCD（液晶顯示器）上。
▲早期導光板主要應用於LCD顯示屏上。
導光板按形狀分類可分為：
平板：導光板從入光處來看為長方形。
楔形板：又稱斜板，從入光處來看為一邊為厚一邊為薄成楔形(三角形)狀。
按照入光方式分類可分為：
側入光式：將發光體(燈管或 LED)放置於導光板之側部。
直下式：將發光體(燈管或 LED)放置於導光板之下方。
按成形分類可分為：
射出成形：應用射出成形機將光學級 PMMA 顆粒運用高溫、高壓射入模具內冷卻成形。
裁切成形：將光學級 PMMA 原板經過裁切工序完成成品。
LED 平面光源導光板技術，多是 LED 屏幕導光板技術借鑑而來。所以，下面主要分析導光板技術進化過程，也是 LED 燈具導光板技術的進化過程。
因為導光板是一個 LCD 產業中重要之零件，所有的發展歷史和技術更新也都是為了符合下遊產品的需要，至今已發展出數種製程不同的導光板，主要有以下類型：
20 世紀 80 年代，擠出成型製造生產導光板
20 世紀 90 年代，出現了輥輪法製造生產導光板，它的製造過程是導光板的主要材料亞克力（PMMA）的液態物從模具中擠出成型，然後將待熱壓導光板輸送至輥輪處，並將微結構熱壓於待壓導光板上形成轉印微結構。
優點：輥輪法是用物理的方法生成導光板的凹凸網點、出光率和均勻度較好。
缺點：靈活性差，不能適應多種進光面和尺寸。
▲導光板成型方法－輥輪法
雷射雕刻製作方法是用電腦按照程序要求嚴格地控制雷射頭出射的能量和雷射頭的位置，用氣化的方式在導光板的背面刻畫出具有一定尺寸的微結構陣列。
優點：導光板對光的折射效果較好、亮度好。
缺點：雕刻後板材的強度遭到破壞，線槽或凹孔會儲藏灰塵，生產效率低，無法批量生產。
亞克力板完成外形加工後以絲網印刷的方式將導光點網印在表面。該網點的材料具有將光線折射、高反射的作用，分為 IR 和 UV 兩種，將從側面射進的光線改變方向變為平行光。
優點：具有將光線折射和高反射的雙重效果，亮度好，製作工藝簡單掌握，成本低、速度快。從小尺寸到大尺寸的導光板能夠靈活製作。
缺點：光線的折射效果比非印刷式稍差，但它具有的高反射作用可彌補。
根據背光源產品大小先將網點做成模具，利用模具和亞克力板結合通過化學方法對亞克力板進行腐蝕，使亞克力板生成網點。
優點：折射效果好、亮度比較好。
缺點：投入資金較大，生產工藝難度較高。
納米加入法是一種物理法加化學法的方法，將具有折射和高反射的納米級道光材料粉末混合在 PMMA 膠粒中，將 PMMA 膠粒熱融化，利用準備好的模具進行澆注冷卻成型成為導光板。
優點：平面光均勻度較好，板材成型後不需要二次加工，工藝簡單，可以加工成任意形狀。
缺點：應用在大尺寸燈具時均勻度較差，並且該方法生產的導光板沒有底面之分，光線是平均向兩面折射，雖然在其中一面貼上反光紙，但是亮度低、光線損失較大，另外投資大，工藝較難掌握。
它是根據導光板產品大小厚度將網點設計在注塑模具上，將溶融的成形 PMMA 膠粒通過注塑機以高壓的方式填充到封閉的模具內完成導光板的製作。
優點：對光的折射效果好、亮度，可量產。
缺點：缺點是投資大，不同產品需要不同模具。當光線從亞克力板側面射入，凹凸微孔將光線折射成平面光。
這種方法是將導光板、擴散板分別通過注塑成型後，再將兩者通過熱壓為兩層的複合結構，或分層注塑成型為兩層的複合結構。
優點：實現了導光的模塊化設計，簡化加工工序，安裝方便，結構設計簡單。
缺點：成本高，光學性能不如其他加工方式。
LED 面板燈中的導光板與擴散板是有區別的，首先導光板與擴散板的材料不同，導光板多部分選用亞克力（PMMA），而擴散板也可用亞克力（PMMA），但大部分擴散板選用 PC 為材料。
PMMA 材料比 PC 價格高，但是光學性能好，透光性高於 PC，但是 PC 比 PMMA 更耐溼，PMMA吸水容易變形。
其次，導光板與擴散板的作用不同，導光板的主要作用是引導光源均勻發光到整個面板上，從而更高效的控制光的分布，以及更高效利用光源提高光效；擴散板主要是打散光通量，還有保護光學材料的作用。
根據 TRIZ 技術進化趨勢理論的法則，隨著工程系統的演化發展，組件變得「動態化」，動態化是系統隨著時間變化改變參數值的能力。
進化過程如下圖所示：在表面特徵進化中可以發現先是形成了凹凸，然後凹凸尺寸變小，形狀變得複雜，最後轉變到了微觀層次，即轉變到了有特殊性質的表面，這種性質是通過加入場或者力來實現的。
▲LED導光板進化路線
其進化過程如下圖所示：
▲表面特徵動態化進化路線
技術系統向超系統進化，可以在資源約束的條件下，通過系統合併增加功能或降低費用。並且通過融合集成使原技術系統被改進並簡化，並通過與超系統組件合併獲得大量資源。
向超系統進化有四個子趨勢，導光板一部分的進化符合其中一個子趨勢——超系統與原工程系統集成的主要功能差異化增加的趨勢。功能差異性增加是指，隨著技術系統的進化，相互合併系統的功能差異不斷增加，集成兩種以上不同功能的系統稱為聯合技術系統。
▲競爭系統合併路徑
第一種聯合系統的主要功能不同，但作用對象是一樣的，主要功能是指系統設計的目的要實現的功能。
那麼導光板使光從兩側光源進導光板碰到反射點時漫反射到導光板表面。擴散板是讓光在行進途中遇到兩個折射率相同的介質時，發生折射、反射與散射，讓光束角變為 160°～176° 從而得到舒適的光。
所以導光板、擴散板的主要功能都是光的折射、反射與折射。2015 年前後，出現了導光板與擴散板二合一的產品，它是將導光板、擴散板分別進行注塑成型後，再將兩者通過熱壓為兩層的複合結構。然後又出現了分層注塑成型的一體化集成設計，實現了導光的模塊化設計，簡化了結構，安裝方便。
向超系統進化的趨勢，通過對「導光組件「的聯合系統集成優化系統功效，需要集成的聯合系統，原有部件有擴散板、導光板、反射板、螢光粉，實現的功能為四個組件的功能。
1、實現黃色螢光粉的功能，被藍光 LED 激發產生黃光，並且與剩下的藍光混合產生白光；
2、實現導光板的功能，使光源發射的光線進入導光板，經過多次反射，由導光網點射出，形成均勻的面光源；
3、實現擴散板的功能，通過擴散板中的擴散粉顆粒對光進行折射、反射、散射，打散光線，使光分布均勻，從而得到光束角 160 度～170 度的無眩光的平面光；
4、實現反射板的功能，利用材料鏡面對光線全反射的作用，一般是拋光面金屬，或板材表面光面電鍍。
2012 年，經過設計及不斷的實驗測試，設計了導光組件系統，如下圖。系統中包含螢光粉膜、截止濾光膜、導光板、反光膜組成的導光組件。將螢光粉通過粘合劑壓製成螢光粉膜。當藍光 LED 側面 45 度角投射光線進入導光板，進行多次反射，從導光網點射出光線形成黃光，剩下的藍光與黃光結合，形成白光。
截止濾光膜的作用是讓藍光全部通過，充分與螢光膜結合。使導光板表面不會反射一部分藍光，而背面的減反膜阻止藍光向反面流失，保證了藍光反射效率。
▲導光組件示意圖
這種設計的創新點一：導光板和藍光採用 45 度照射，並採用螢光膜、截止濾光膜、減反膜技術，大大增加光效。具體設計原理如下圖：
▲常規封裝側投複合光結構圖
▲側投藍光光結構圖
其發光效率計算依據為：
▲Te波界面反射
上述公式可用來計算高反膜反射和 K9 玻璃內傳輸產生的能量損失再設晶片輸入功率 1W；晶片藍光出光率為 45%，螢光粉量子效率為 90%。側投複合光與側投藍光出光率對比見下圖。
▲側投複合光與側投藍光出光率對比
創新點二：LED壽命增加，影響 LED 壽命的主要因素是熱量，普通封裝模式下，熱量從 LED 晶片直接傳導到螢光粉，再高溫下螢光粉容易衰減甚至性能弱化，在隔離封裝模式下，螢光粉膜與 LED 晶片採用分離結構，阻隔了熱量的傳遞。
▲普通LED螢光粉封裝模式
▲螢光粉與LED晶片分離結構
創新點三：分離多組螢光粉減少相互吸收，常見的白光 LED 是在藍光 LED 晶片上塗覆能被藍光激發的黃色螢光粉，晶片發出的藍光與螢光粉發出的黃光互補形成白光。
該技術的原理性缺點是發射光譜不是連續光譜特性，顯色性較差，難以滿足低色溫照明的要求，同時發光效率不夠高，需要通過開發新型的高效螢光粉來改善。通過將藍光 LED 與螢光粉分離的隔離的封裝方法，可實現多組份調配，可以很好的解決上述問題。
▲單顆LED封裝螢光粉分布與螢光粉多組份調配分布對比。
創新點四：簡化封裝工藝，提高面光源亮度均勻度。因為 LED 的封裝不止要求能夠保護燈芯，而且要能夠透光。所以 LED 具備更好的發光效率和散熱環境，進而提升 LED 的壽命。利用這種將螢光膜和藍光晶片分離的隔離封裝的新工藝可以更好的實現這些方面的要求。
然後在鍍過膜的有機片上鍍螢光膜，經過積分球測光色參數和光譜圖，發現光譜數據如下圖。有截止濾光膜的導光板無論是光效、顯色性、色溫數值均要高於無截止濾光膜的導光板。
▲側投白光光譜
▲側投藍光光譜
有截止濾光膜與無截止濾光膜參數對比：
側投白光的光效、顯色性、色溫數值均要高於側投藍光。
▲有截止濾光膜光譜
▲無截止濾光膜光譜
側投白光光譜與側投藍光光譜數據對比：
根據實驗獲得的平面光實施方案，將其在T5、T8、插拔管、筒燈、O型燈、柱型燈上應用這種新的方式和原理。T5、T8適用傳統燈管、燈座，插拔管適用PLL燈座。筒燈的接口型號E14，僅適用室內，如客廳、臥室、過道。O型燈也接口型號E14，適用家居、酒店、客房大堂、展廳、娛樂場所。柱型燈接口型號E27，適用家庭裝飾檯燈、學生用檯燈等。具體設計如下圖：
▲插拔管
▲T8燈管
▲T5燈管
▲插拔管光型分布圖
▲T8燈管光型分布圖
▲T5燈管光型分布圖
▲筒燈
▲O型燈
▲柱型燈
▲筒燈光型分布圖
▲O型燈光型分布圖
▲柱型燈光型分布
內容未完待續
聲明
作者：張欣
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《TracePro軟體-LED光學設計》
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