侧入式导光板网点全自动优化设计研究

黄逸峰,李　潇,高培丽,高淑梅

（江南大学理学院江苏省轻工光电工程技术研究中心，江苏无锡 214122）

侧入式导光板网点全自动优化设计研究

黄逸峰,李潇,高培丽,高淑梅*

（江南大学理学院江苏省轻工光电工程技术研究中心，江苏无锡 214122）

为解决目前侧入式导光板网点优化设计中存在经验式手动优化繁琐、且很难达到一个高均匀效果的问题，提出了一种基于模糊优化理论的网点自动优化设计方法。网点形状采用锥形结构，为使目标面上各处的光能分布主要由其正下方网点的散射光贡献，分析了其半顶角与网点位置的关系，并使得网点半顶角仅由其位置决定。以网点半径为主要优化参数，通过隶属度函数将网点结构模糊化，并自定义评价函数来解模糊化实现均匀照明。进而，采用动态数据交换（DDE）技术将Matlab与TracePro进行联立，通过Matlab语言与Scheme语言混编控制TracePro自动进行数据交换、光线追迹与模糊优化。导光板网点优化设计实例仿真结果表明，优化后均匀度达到92.17%，光能利用率达到70.37%，全程实现自动优化，无需任何手动调节。

导光板；网点设计；动态数据交换；模糊优化理论

1 引 言

随着LED照明的不断发展，LED平板灯以其环保、长寿、高均匀性等综合产品优势，广受消费者的好评［1］。目前，LED平板灯按照发光方式可分为直下式与侧入式［2］两种。直下式LED平板灯因必须保证一定的混光距离才能实现均匀照明，因此厚度比较大。侧入式平板灯又分为有无导光板两种结构，无导光板的LED平板灯虽降低了成本，但厚度还是比有导光板的厚［3］；而有导光板的侧入式平板灯，其出光的均匀性和亮度主要取决于导光板的网点设计，所以导光板的网点设计成为该领域的研究热点。通常散射网点的形状对光散射影响不大［4］，当导光板的厚度一定时，出光面的均匀度及亮度主要是由网点的散射面大小和排布规律决定的，所以众多学者主要针对这方面进行导光板的设计研究。如骆健忠等［4］通过等光通量法和定义网点填充率函数，以第一个散射点的直径D0为优化参数实现均匀照明；Chen等［5］采用田口算法并通过多次试验进行网点结构设计，获得较高均匀度，但过程较为繁琐；Chen等［6］通过控制v-cut微结构的角度、疏密分布，手动调节优化参数进入网点设计。各种导光板的网点设计各有其优势，但人们更追求的是高效、方便的设计技术。

考虑到导光板中的光线走势的复杂性和经验式手动优化的繁琐性，本文分析了锥形网点半顶角与其位置的关系，并基于模糊优化理论设计优化导光板网点半径，引入DDE技术将TracePro与Matlab进行联立，实现软件间数据自动传输优化，无需任何手动调节，简化了优化流程。

2 侧入式导光板网点结构特性分析

图1为侧入式导光板结构示意图，LED光源位于两侧，网点布置在导光板底面，上平面为出光面，出光面上方设有一目标面（图中未显示）。将底面进行网格划分，网格单元为正方形，边长为d。网点形状为锥形结构，底面半径为r。

网点的排布规律通常可以通过网点填充率函数来表征，考虑到光源分布是沿y方向的，所以定义仅随横坐标x变化的网点填充率函数：

由图1可得锥形网点的参数（半顶角琢、底面半径r与圆锥深度h）之间满足

图1　导光板与网点示意图Fig.1 Schematic diagram of the light guide plate and microstructure

为方便分析，取图2所示x-z剖面图，设网点的面属性为Diffuse White，即光入射到网点上时只考虑反射。图2中给出了4种可能的光线走势（不考虑向y方向反射的情况）。设出光角为兹的光以y角入射到锥形网点上。为便于表征目标面上光能分布情况，反射角以茁表示。则有

由式（3）～（5）可得：式（6）表明了琢与各参量的关系，通常光入射到网点上后会出现图2所示的4种情况。其中第1、2种情况的|茁|较大，光经网点后反射光无法直接从正上方出光面出射；第3、4种情况的|茁|较小，光经网点后反射光可直接从正上方出光面出射。

图2　光入射到锥形网点上的可能情况Fig.2 Possible situations of light emits on cone dots

为更容易控制散射光束，我们期望目标面上各处的光能分布主要由其正下方网点的散射光贡献，即需要|茁|较小，这时琢仅由x决定。由式（6）可知，x较小处（靠近光源）的网点琢较大；反之，在x较大处的网点琢较小。当x很大，即x≫L时，琢几乎不变了。由式（2）知，当琢确定后，调整r值即可控制网点的散射面积，从而调控散射光强度。所以，确定位置的网点琢是确定的，r则成为我们重点优化的参数。

图3　基于目标面上照度图进行的区域划分法。（a）一个区域；（b）两个区域；（c）三个区域。Fig.3 Region division method based on the illumination map of the target surface.（a）One region.（b）Two regions.（c）Three regions.

3 优化

3.1区域划分

为了提高优化速度，我们对目标面和对应的导光板底面进行同步区域划分，以目标面中心沿y方向为对称轴，只对其中的一半进行划分，另一半取其镜像分布。

我们基于在TracePro中创建的导光板（575 mm×575 mm）和由式（6）所得的初始网点分布模拟得到目标面的照度分布图，形成一种非均匀划分方法，如图3所示。具体思路如下：（1）找出图3（a）中照度和均匀性都较好的区域驻x1；（2）因x≥x1的范围内照度和均匀性都明显下降，因此需适当增大这个范围内的网点半径，得到的照度分布如图3（b）所示，划出照度已经较均匀的区域驻x1+驻x2；（3）依据（1）和（2）的方法划分出驻x3，如图3（c）所示。以此类推，完成对目标面全部区域划分，划分的区域会越来越窄，即满足驻x1≥驻x2≥…≥驻xi≥…≥驻xn。n值的大小取决于导光板的大小和设计者的期望精度，太小会使目标面很难达到均匀效果，太大均匀度提升并不明显，却会增大优化时间。

目标面区域划分示意图如图4所示。区域划分后，只需对每块区域内网点半径ri进行优化即可改变该区域的照度以实现均匀化。

实际上，入射光经网点再到出光面，光路的走向或过程十分复杂，尽管每一束光的传播都遵循几何光学的基本原理和菲涅尔公式，但目前很难推导出一个公式来精确描述光线的走势与网点的排布规律的关系。因此，在本导光板的网点设计中，我们引入模糊优化理论（Fuzzy Optimization Theory）来解决导光板的目标面光能分布与网点的结构设计问题。

3.2模糊优化理论

模糊优化理论主要应用于复杂模型求解过程和决策问题，解决基于精确数学理论的优化方法和基于概率理论的随机优化方法都不能准确描述与求解的问题，相比于传统的逻辑系统更接近于人类的思维［7-8］。

根据模糊优化理论［7］，引入隶属度函数滋（x）将输入参数模糊化，则输出参数

图4　目标面及导光板底面区域划分Fig.4 Division on the target surface and the bottom surface of the light guiding plate

其中：U、V为输入参数的模糊集，u、v分别为U、V集中的元素；Ai、Bi为其模糊子集；λi为权重因子，n为输入参数个数。本文输入参数u、v分别对应网点半径和网点所在区域与光源的距离。

针对整个目标面定义一个照度期望值E0，其上限取决于入射光耦合进入导光板的光通量。设对应驻xi区域的目标面上的平均照度值为Ei，建立评价函数：

设ri=ki+r0，r0为网点初始半径，ki为半径优化步距，ki∈［-r0，d/2-r0］。每次根据评价函数Fi对ri进行模糊判定，周而复始调节ki，最终实现目标面均匀化。优化过程如图5所示［9-10］。

由于每次手动调节参数ki是一个非常繁琐的优化过程，为此，我们引入DDE技术以实现整个优化过程全自动化。

图5　模糊优化流程Fig.5 Fuzzy optimization process

3.3自动优化的实现

DDE是一种动态数据交换技术，常用于多软件间的数据传输。使用时需要有两个windows应用程序，一个作为服务器处理信息，另一个作为客户机从服务器获得信息。客户机向当前所激活的服务器发送一条请求信息，服务器根据该信息作出应答，从而实现两个程序之间的数据交换。本文将Matlab、TracePro分别作为客户机和服务器，Matlab通过DDE客户端命令语句对服务器应用程序进行相应控制，TracePro作为服务端应用程序，通过客户机调用Scheme语言对其本身进行控制。DDE客户端包含7个基本的命令函数（ddeinit，ddeexec，ddeadv，ddeunadv，ddepoke，ddereq，ddeterm）。可通过Matlab调用这些命令函数实现诸如定义相关参数、区域划分、隶属度函数模糊化、光线追迹、模糊判定、数据传输等功能，实现对设计的自动优化，无需任何手动调节，其流程如图6所示。

图6　自动优化流程Fig.6 Automatic optimization process

图7　目标面照度图。（a）优化前；（b）优化后。Fig.7 Illumination map on the target surface.（a）Before optimization.（b）After optimization.

4 应用实例模拟分析

以目前市场上需求量较大的600 mm×600 mm规格的平板灯为例进行设计。考虑到要去除四周的边框，实际导光板的几何参量设为：575 mm×575 mm×3 mm。

参数设置：光源为发光角120°的LED朗伯光源，90颗LED对称均匀分布在导光板两侧，每颗LED追迹光线1万条；导光板材料为亚克力；导光板两侧面属性设为perfect mirror；导光板底部设有一反射层，其面属性为perfect mirror；网点形状采用圆锥形，其面属性设为Diffuse White；导光板的出光面上方设有一个目标面。网点初始半径r0设为0.05 mm，网格单元边长d设为0.5 mm。

根据式（6），当x达到40 mm时，arctan（L/ 2x）≈3π/80，此时琢趋近于π/4，且当x大于40 mm时，琢基本维持不变。故在x＜40 mm时，琢按照式（6）变化。当40 mm＜x＜287.5 mm时，琢设为固定值π/4。

目标面与导光板底面区域划分：令n=9，驻xi分别为50，50，30，30，30，30，30，20，17.5 mm。

用Matlab编程生成初始网点数据文件，并采用TracePro纹理功能自动读取该文件进行初始网点创建。按照图6所示各步骤实现自动优化。图7为优化前后目标面照度图。

对比图7的两个图，可见优化后均匀度得到明显提升。目前市场上均匀度测量常采用9点式测量法。但当导光板尺寸较大时，9点式测量显然不能精确反映均匀度高低，故本文采用TracePro自带均匀度和光能利用率测量法，即：

由此得到优化前目标面均匀度为76.95%，光能利用率为58.64%；优化后均匀度为92.17%，光能利用率为70.37%，相比优化前分别提升了15.22%与11.73%。若采用9点式测量法，测得优化后9个照度值分别为26 320，27 620，25 900，26 480，27 190，25 860，26 490，27 160，25 960 lx，用最小照度比最大照度得均匀度为93.63%。两个评判标准的均匀度均远大于平板灯国家标准80%。

侧入式导光板最大的缺陷在于其光能利用率普遍较低，不同设计的导光板光能利用率也参差不齐。市场上许多产品一般不给出光能利用率数据，文献中一般光能利用率能达到60%左右［6，11］。本设计光能利用率已处于较高水准，分析发现主要的光能损失是在两个入光面存在大量漏光现象，若能设计合理的反射罩，光能利用率将进一步提升。

5 结 论

对侧入式导光板网点的自动优化设计研究和实例仿真实验表明，采用锥形网点结构，在初始网点结构设计中半顶角琢可简化为只与坐标位置x有关，使得目标面上各处的光能分布主要由其正下方网点的散射光贡献；基于模糊优化理论，可通过对目标面与导光板底面进行合理区域划分，用隶属度函数与自定义评价函数以实现对网点半径ri的模糊优化；采用DDE技术，可实现Matlab语言与Scheme语言混编控制TracePro，自动进行数据交换、光线追迹与模糊优化，实现全过程自动化，无需手动调节。仿真结果表明，优化后均匀度和光能利用率分别达到92.17%和70.37%，均达到业内较高水平。本优化方法理论上适用于各种尺寸的平板灯导光板网点自动优化设计，也同样适用于微结构型扩散板网点自动优化设计。

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黄逸峰（1991-），男，江苏南通人，硕士研究生，2010年于天津理工大学获得学士学位，主要从事照明与成像设计方面的研究。

E-mail：huangyifengas126.com

高淑梅（1961-），女，吉林大安人，博士，教授，2002年于南京理工大学获得博士学位，主要从事照明光学设计的研究。

E-mail：gaosm@jiangnan.edu.cn

Automatic Optimization Design of Dot Patterns for Edge-lit LGP

HUANG Yi-feng，LI Xiao，GAO Pei-li，GAO Shu-mei*
（School of Science，Jiangnan University，Jiangsu Provoncial Research Center of Light Industrial Optoelectronic Engineering and Technology，Wuxi 214122，China）
*Corresponding Author，E-mail：gaosm@jiangnan.edu.cn

In order to solve the problems including the complication of the empirical manual optimization and the difficulty of achieving an ideal effect in edge-lit LGP，an automatic optimization design method based on fuzzy optimization theory is proposed.The shape of the dot is considered to be conical，and the relationship between the semi-vertical angle and the position of the dot is analyzed. It is found that the correlation degree between the light distribution in target face and the dot distribution under it can be increased，and the semi-vertical angle is merely determined by the position of the dot.The radius of the dot is adopted as the main optimization parameter.A membership function is used to fuzz the dot structure，and a self-defined evaluation function is used in the defuzzification to realize uniform illumination.Furthermore，the data exchange，ray tracing and fuzzy optimization are then automatically performed by TracePro via dynamic data exchange（DDE）between Matlab and TracePro.It is demonstrated that the uniformity and the light utilization efficiency after fuzzy optimization can reach 92.17%and 70.37%，respectively.The advantage of our scheme is that the whole fuzzy optimization is purely automatic without any manual adjustment.

light guide plate；dot design；dynamic data exchange；fuzzy optimization theory

O439

A

10.3788/fgxb20163706.0751

1000-7032（2016）06-0751-07

2016-02-03；

2016-03-14

江苏省普通高校研究生科研创新计划（SJLX15_0562）；中央高校基本科研业务费专项资金（JUSRP51517）资助项目