PMMA导光板的应用

PMMA导光板在家用音响产品显示系统中的应用

吴祎

(南京夏普电子有限公司，江苏南京210038)

摘要：通过对LCD显示器中PMMA 导光板照明技术原理进行分析和比较，研究了家电产品中PMMA 导光板的形状设计、材料选取及反光点阵设计对导光板导光效率和均匀度的影响。

关键词：PMMA；导光板；背光照明

1引言

家电产品上通常需要一些显示单元来表示各种工作状态和信息，随着产品功能的复杂和增强，早先的LED、LED数码管等显示单元已不能满足要求，因此新一代的家电产品上基本都采用了LCD（液晶显示）、VFD（真空荧光管显示）等新型显示器件，信息容量大且清晰直观，其中LCD液晶显示器件由于不仅可以7段码形式及点阵形式显示信息，还可以做到显示彩色图像，因而在大容量信息显示方面的应用最为广泛。由于显示信息量的增加，各种形式的LCD显示屏的尺寸越来越大，对背光照明的要求也越来越高，而对于数码像机、数码摄像机等IT 产品的彩色图像显示要求而言，背光的亮度和均匀度已经成为整机最重要的指标之一。因此，LCD显示器的背光照明设计已经成为家电产品结构设计的一项重要内容，其设计成功与否直接关系到产品的造型效果。

早期的LCD背光照明采用的方法比较简单，如以普通LED阵列板作为光源直射照明（见图1），或是由普通LED阵列光源经简单反射照明（见图2），都存在光照不均匀、体积较大等缺陷，仅适用于要求不高且显示面积较小的低端产品，在高档的有较大面积LCD的产品上是不能满足要求的。因此，以音响产品为代表的新一代家电产品借鉴了笔记本电脑上使用的LCD导光板照明技术作为大面积LCD显示器的背光照明，从而满足了新的照明要求。

2LCD导光板照明

LCD导光板照明技术最早是由日本明拓公司于1986年发明的，称为EDGE LIGHT，是目前笔记本电脑液晶显示屏背光照明的主流方法。它的工作原理是利用PMMA透明导光板将由冷阴极荧光管（线光源）发出的纯色白光，从透明板端面导入并扩散到整个板面，当光照射到导光板背面印刷的白色反光点时发生漫反

射，从与光源入射面垂直的板面（工作面）射出。导光板照明通过巧妙运用光在透明板界面上全反射的原理，将端面射入的光偏转90°，从正面射出，从而起到照明的作用（见图3）。这种照明方式表面亮度高且照明系统体积小巧，对光的利用效率较高因而电力消耗较低，在笔记本电脑及数码像机等需要使用大面积LCD的产品方面获得了广泛的应用。

LCD导光板照明技术的关键是光在PMMA中的全反射效应。我们知道，光在通过两种透明介质时会发生反射和折射，当光从折射率大于空气的透明介质中射向空气时，由于折射率的不同，入射角θ大于一定角度时光将在界面上发生全反射，不再有光射出介质，也就是说光在介质内部的传输损耗仅取决于介质对光的吸收，而在界面上反射时没有损耗（光在金属面上反射通常会损失10%～15%）。PMMA导光板正是利用了这一特性（见图4）。

PMMA(Poly methyl methacrylate)学名聚甲基丙烯酸甲脂，俗称亚克力(acrylates)，是一种具有较高机械性能的透明树脂。PMMA的透明度很好，对可见光的透过率可达93％，比重为1.19（25℃），热变形温度为100℃，最高连

＝

续使用温度可达85℃。 PMMA对可见光的折射率n=1.49（25℃），根据θ

2

Sin-1(1/n)可得其全反射角约为42.2°。因为只有当某种材料的折射率大到一定程度、光在其中的全反射角小于45°时，特定方向的光线才可在其相互平行和垂直的端面中反复反射从而减少散失，这也就是为什么不能采用透光率同样良好的聚苯乙烯（PS）来作导光板的原因。当然，光学玻璃（折射率为1.52）也可满足全反射的要求，但玻璃的加工性能及成本显然无法与PMMA通过注塑成型直

接形成镜面相比。

为了将PMMA导光板内的全反射光从导光板的工作面上导出，需要在导光板的背面（工作面的对面）形成一层反光层对光进行散射，从而使工作面获得一定亮度的均匀光输出。导光板的背面通过丝网印刷形成反光网点而非整个背面全部印满（见图3），以保证离光源较远处不会因光线过度衰减而亮度不足。印刷所

用的油墨由二氧化钛（TiO

2）和硫酸钡（BaSO

4

）混合丙烯基粘合剂组成，其中的

TiO 2结晶对可见光的折射率高达2.62，它将从PMMA导光板中射到反光网点上的光线反射折射回导光板并从工作面输出，因而具有很强的反光作用（见图5）。

3家电产品上的导光设计

家电产品中的PMMA导光板照明系统与笔记本电脑等的液晶背光照明有相似

之处，但也有自身的一些特点。首先，笔记本电脑液晶显示屏的光源是冷阴极荧光管（线光源），导光板的形状较规则，而家电产品出于成本考虑，多采用LED （点光源）作为光源，并且为提高亮度或营造效果常常在多点布置光源，为保证背光的均匀度，导光板的形状比前者要复杂一些；其次由于点光源的亮度要小于线光源，对于导光板系统的效率要求就更高；再者，冷阴极荧光管所发出的光为纯色白光，最终获得的也是白光，而家电产品出于造型效果考虑往往采用各种不同色光照明或照明光可动态变色，因此还要在照明系统中加上各种滤光膜或设置多种颜色的光源，经反复调试才能达到预期的目的。也就是说，家电产品的LCD 背光照明兼有显示信息和渲染气氛的双重功能。因此，家电产品的导光板照明系统设计主要考虑的是两个问题：如何提高导光的效率（即如何提高工作面的亮度）；如何改善工作面的发光均匀度。

关于如何提高导光的效率，首先是设计高效率的导光板形状。对于在导光板单边设置光源的情况，在光源的对面设计互相垂直的面可有效减少光的漏出，最大限度地利用全反射（见图6）。对导光板的厚度有一定的要求，太薄将使点光源发出的光不能充分进行反射，太厚又会使注塑成型困难，通常以点光源在射入面上光斑直径的1.2~1.5倍为宜（见图7）。此外，还有一种在小尺寸LCD照明（如手机显示屏）上常用的方法，即将导光板做成斜面，利用模具将工作面的背