原理概述

原理概述

这一课我们来学习利用tracepro软件建立LED导光板。首先我们简单了解一下导光板的原理。

导光板（如图1-1所示）基本工作原理是在下表面设置有具有一定排布规律的微结构阵列，当光线从侧面进入导光板内后，通过微结构的散射作用，破坏导光板上表面的全反射现象，使光线改变原有几何光学路径，从上表面射出。为了使光线的均匀出射，必须对微结构进行优化设计。

图1-1 导光板结构示意图

选取不同折射率的材料制作导光板时，材料的折射率决定了光线在导光板内的全反射时的临界焦，也就是说可以对出射光线的角度进行选择。如图1-2。

图1-2 导光板内光线的传播

由此可知，大部分耦合进导光板的入射光都以全反射的形式向前传播，没有光线从上表面折射出去。为了让光线从导光板的上表面射出，必须在导光板的底面布置散射网点，破坏光的全反射。现在在进行网点设计时都采用非均匀分布。目前比较成熟的网点分布理论有超均匀分布理论，斥力缓和法，动态分子法，但这些方法都只停留在理论设计方面。具体采用何种方法设计网点，到

目前为止还没有确切可行的方法，大部分都是靠光学模拟软件进行模拟并根据模拟效果，调整网点的间隔以及大小。一般的设计原则是靠近光源部分的网点尺寸要小一些，且稀疏一些；而远离光源的地方网点尺寸大一些，且要密一些。此外网点的形状对出光的均匀效果也会有一定的影响。而综上所述易得，网点倾斜角越大反射效果越明显，网点越密反射效果越明显。由于模型中光源在两侧，因而应在设计时使导光板远离光源处的网点尺寸大间距小，靠近光源处的网点尺寸小间距大。考虑到实际加工及模型模拟方面的问题，网点的尺寸设计应处理成等半径变深度网点，间距设计应处理成渐变形式。相关研究表明网点间距变化采用多项式多次方程变化可达到设计要求。在实际网点设计中，多项式方式是一种较为合理的微结构布局方式，它具有较多的可调参数．改变这些参数能够精确控制导光板表面的微结构设计，无论是表面微结构的整体疏密分布还是疏密的渐变程度都能够得到精确的调整，按照多项式方式捧列导光板表面微结构可以使导光板的各项性能达到最佳值。确定导光板网点结构按照多项式方式进行排布后需要对多项式的各个参数进行设置，多项式的形式如式(1-2-1)所示：

2

3

4

+

f+

x

=

+

+

cx

)

a

(ex

bx

dx

式1-1其中a、b、c、d、e为可变参数，通过调整其数值即可改变导光扳表面微结构分布的疏密以及渐变程度等设计情况。由现有理论可知在多项式的五个参数中，参数a和参数c为影响导光板性能的主要参数，在导光板的设计中起着决定性的作用。参数b、参数d和参数P用于导光板微结构的细节调整，其中参数b 主要受到导光板的几何尺寸等外界客观因素影响。在实际设计时，可令b=d=e=0，进一步简化方程，在达到性能要求的情况下使设计更加简洁高效。

建立步骤

Tracepro中任何光学模型的建立步骤都分为以下几步：建立模型-设定材质-应用材质-光线追击-分析改善。1、2、3三步可同时完成。

1.建立模型

模型如下图所示，主要包括三部分：LED灯条，导光板，观察板。

首先打开tracepro，新建文件并保存在指定的目录下，注意在建立模型时养成随时保存的习惯，防止出错时丢失文件。

选择插入-几何物件-方块（insert-primitive solid-block）建立一个导光板主体300*10*300，修改名称，然后点击插入。

选择视图-轮廓图（view-silhouettes）来看到模型轮廓，由于LED安排在左右两边，光从正上方射出，所以要将其他几个面设定为镜面反射。在左边树状图中点开导光板，用ctrl键同时选择2、3、5面（底面，前后面），定义-设定材质（define-apply properties）在表面（surface）下选择default-完美镜面（perfect mirror）。应用。

也可以右键2面-属性调出此窗口。

在正上方创建观察板，由于只要使用观察板下表面，故厚度y自定。选择插入-几何物件-方块（insert-primitive solid-block）建立一个观察板，修改名称，然后点击插入。

选择观察板下表面并将其设定为完美吸收。在左边树状图中点开导光板，选择2面（底面），定义-设定材质（define-apply properties）在表面（surface）下选择default-完美吸收（perfect absorber）。应用。

接下来创建LED，选择插入-几何物件-方块（insert-primitive solid-block）建立一个LED主体，修改名称，然后点击插入。建立左右各一个LED灯条。

定义一个新的LED发散特性，其数据如下：

定义-编辑材质-表面材质（define-edit property data-surface properties）

新增特性-输入名称并确定。这里的波长我们可简化成单色波长（是绿光），只是为了模拟方便，并不是非常准确。

大家都学过LED是非相干性光源，其波长并不是单一，通常如下：

由于光源亮度是随角度变化的，故加入各个角度并设定正确的值。

注意上图中有个锁状按钮，如果要修改数据必须使他打开。然后点击上图第三个按钮保存。

（Question:根据所学知识，以上LED光源发射角为几度）

回到主界面，选择led发光面并设定其表面为刚才设定的光源。

在表面光源下设定如下，注意总光线数太小会模拟失真，太大了恐怕电脑无法承受，通常要200万-500万条为接近真实，但由于模型复杂等原因很多电脑无法达到要求。

Led2操作步骤类似，注意两个灯条发光面不同，一个为右一个为左。