導(dǎo)光板的前世今生與技術(shù)進(jìn)化路徑解讀

說(shuō)起導(dǎo)光板，大家一定不會(huì)陌生，很多展示場(chǎng)所都會(huì)用到這個(gè)神器，最具代表性的案例就是被各大媒體爭(zhēng)相報(bào)道的暴龍眼鏡店。

這一設(shè)計(jì)斬獲了多個(gè)國(guó)際大獎(jiǎng)：

2015，DDC 德國(guó)設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)，法蘭克福，銅獎(jiǎng)；

2016，iF 設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)，慕尼黑，專(zhuān)業(yè)室內(nèi)建筑；

2016，德國(guó)照明設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)，最佳“國(guó)際項(xiàng)目”獎(jiǎng)；

2016，倫敦照明設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)，零售門(mén)店“高度贊揚(yáng)”獎(jiǎng)。

▲導(dǎo)光板發(fā)射出的底光照亮每副眼鏡，盡顯其特有色澤。

今天，我們就來(lái)介紹下導(dǎo)光板的前世今生以及未來(lái)。

導(dǎo)光板的前世

導(dǎo)光板主要材料為亞克力（PMMA）化學(xué)名為甲基丙烯酸甲脂。透明亞克力板透光率高，擴(kuò)沖擊能力強(qiáng)。生產(chǎn)導(dǎo)光板應(yīng)選用不易黃化且透光率在 92-93% 以上的透明板。

經(jīng)過(guò)特殊的科學(xué)的加工后的透明壓克力板，只要在邊上裝上發(fā)光體（視導(dǎo)光板面積大小可選擇普通日光燈管、CCFL 冷陰極燈管、發(fā)光二極管等光源，一般裝在長(zhǎng)度的兩邊，寬度比較小時(shí)可只裝一邊)，通電后壓克力板整個(gè)平面就會(huì)發(fā)出明亮均勻柔和的光，稱(chēng)為導(dǎo)光板。

導(dǎo)光板（lightguideplate）最初產(chǎn)生是用在 LCD（液晶顯示器）上。

▲早期導(dǎo)光板主要應(yīng)用于LCD顯示屏上。

導(dǎo)光板按形狀分類(lèi)可分為：

平板：導(dǎo)光板從入光處來(lái)看為長(zhǎng)方形。

楔形板：又稱(chēng)斜板，從入光處來(lái)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(lèi)可分為：

側(cè)入光式：將發(fā)光體(燈管或 LED)放置于導(dǎo)光板之側(cè)部。

直下式：將發(fā)光體(燈管或 LED)放置于導(dǎo)光板之下方。

按成形分類(lèi)可分為：

射出成形：應(yīng)用射出成形機(jī)將光學(xué)級(jí) PMMA 顆粒運(yùn)用高溫、高壓射入模具內(nèi)冷卻成形。

裁切成形：將光學(xué)級(jí) PMMA 原板經(jīng)過(guò)裁切工序完成成品。

LED 平面光源導(dǎo)光板技術(shù)，多是 LED 屏幕導(dǎo)光板技術(shù)借鑒而來(lái)。所以，下面主要分析導(dǎo)光板技術(shù)進(jìn)化過(guò)程，也是 LED 燈具導(dǎo)光板技術(shù)的進(jìn)化過(guò)程。

導(dǎo)光板技術(shù)進(jìn)化歷程

因?yàn)閷?dǎo)光板是一個(gè) LCD 產(chǎn)業(yè)中重要之零件，所有的發(fā)展歷史和技術(shù)更新也都是為了符合下游產(chǎn)品的需要，至今已發(fā)展出數(shù)種制程不同的導(dǎo)光板，主要有以下類(lèi)型：

1擠壓成型

20 世紀(jì) 80 年代，擠出成型制造生產(chǎn)導(dǎo)光板

2輥輪法

20 世紀(jì) 90 年代，出現(xiàn)了輥輪法制造生產(chǎn)導(dǎo)光板，它的制造過(guò)程是導(dǎo)光板的主要材料亞克力（PMMA）的液態(tài)物從模具中擠出成型，然后將待熱壓導(dǎo)光板輸送至輥輪處，并將微結(jié)構(gòu)熱壓于待壓導(dǎo)光板上形成轉(zhuǎn)印微結(jié)構(gòu)。

優(yōu)點(diǎn)：輥輪法是用物理的方法生成導(dǎo)光板的凹凸網(wǎng)點(diǎn)、出光率和均勻度較好。

缺點(diǎn)：靈活性差，不能適應(yīng)多種進(jìn)光面和尺寸。

▲導(dǎo)光板成型方法－輥輪法

3激光雕刻

激光雕刻制作方法是用電腦按照程序要求嚴(yán)格地控制激光頭出射的能量和激光頭的位置，用氣化的方式在導(dǎo)光板的背面刻畫(huà)出具有一定尺寸的微結(jié)構(gòu)陣列。

優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)光板對(duì)光的折射效果較好、亮度好。

缺點(diǎn)：雕刻后板材的強(qiáng)度遭到破壞，線(xiàn)槽或凹孔會(huì)儲(chǔ)藏灰塵，生產(chǎn)效率低，無(wú)法批量生產(chǎn)。

420世紀(jì)90年代油墨絲印法

亞克力板完成外形加工后以絲網(wǎng)印刷的方式將導(dǎo)光點(diǎn)網(wǎng)印在表面。該網(wǎng)點(diǎn)的材料具有將光線(xiàn)折射、高反射的作用，分為 IR 和 UV 兩種，將從側(cè)面射進(jìn)的光線(xiàn)改變方向變?yōu)槠叫泄狻?/p>

優(yōu)點(diǎn)：具有將光線(xiàn)折射和高反射的雙重效果，亮度好，制作工藝簡(jiǎn)單掌握，成本低、速度快。從小尺寸到大尺寸的導(dǎo)光板能夠靈活制作。

缺點(diǎn)：光線(xiàn)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(bǔ)。

5化學(xué)蝕刻法

根據(jù)背光源產(chǎn)品大小先將網(wǎng)點(diǎn)做成模具，利用模具和亞克力板結(jié)合通過(guò)化學(xué)方法對(duì)亞克力板進(jìn)行腐蝕，使亞克力板生成網(wǎng)點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：折射效果好、亮度比較好。

缺點(diǎn)：投入資金較大，生產(chǎn)工藝難度較高。

6納米加入法

納米加入法是一種物理法加化學(xué)法的方法，將具有折射和高反射的納米級(jí)道光材料粉末混合在 PMMA 膠粒中，將 PMMA 膠粒熱融化，利用準(zhǔn)備好的模具進(jìn)行澆注冷卻成型成為導(dǎo)光板。

優(yōu)點(diǎn)：平面光均勻度較好，板材成型后不需要二次加工，工藝簡(jiǎn)單，可以加工成任意形狀。

缺點(diǎn)：應(yīng)用在大尺寸燈具時(shí)均勻度較差，并且該方法生產(chǎn)的導(dǎo)光板沒(méi)有底面之分，光線(xiàn)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(xiàn)損失較大，另外投資大，工藝較難掌握。

7直接注塑法又叫射出成型

它是根據(jù)導(dǎo)光板產(chǎn)品大小厚度將網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)在注塑模具上，將溶融的成形 PMMA 膠粒通過(guò)注塑機(jī)以高壓的方式填充到封閉的模具內(nèi)完成導(dǎo)光板的制作。

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)光的折射效果好、亮度，可量產(chǎn)。

缺點(diǎn)：缺點(diǎn)是投資大，不同產(chǎn)品需要不同模具。當(dāng)光線(xiàn)從亞克力板側(cè)面射入，凹凸微孔將光線(xiàn)折射成平面光。

8導(dǎo)光板與擴(kuò)散板二合一

這種方法是將導(dǎo)光板、擴(kuò)散板分別通過(guò)注塑成型后，再將兩者通過(guò)熱壓為兩層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，或分層注塑成型為兩層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)光的模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化加工工序，安裝方便，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：成本高，光學(xué)性能不如其他加工方式。

LED 面板燈中的導(dǎo)光板與擴(kuò)散板是有區(qū)別的，首先導(dǎo)光板與擴(kuò)散板的材料不同，導(dǎo)光板多部分選用亞克力（PMMA），而擴(kuò)散板也可用亞克力（PMMA），但大部分?jǐn)U散板選用 PC 為材料。

PMMA 材料比 PC 價(jià)格高，但是光學(xué)性能好，透光性高于 PC，但是 PC 比 PMMA 更耐濕，PMMA吸水容易變形。

其次，導(dǎo)光板與擴(kuò)散板的作用不同，導(dǎo)光板的主要作用是引導(dǎo)光源均勻發(fā)光到整個(gè)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(kuò)散板主要是打散光通量，還有保護(hù)光學(xué)材料的作用。

LED照明產(chǎn)品導(dǎo)光板進(jìn)化路徑

1動(dòng)態(tài)性進(jìn)化法則

根據(jù) TRIZ 技術(shù)進(jìn)化趨勢(shì)理論的法則，隨著工程系統(tǒng)的演化發(fā)展，組件變得“動(dòng)態(tài)化”，動(dòng)態(tài)化是系統(tǒng)隨著時(shí)間變化改變參數(shù)值的能力。

進(jìn)化過(guò)程如下圖所示：在表面特征進(jìn)化中可以發(fā)現(xiàn)先是形成了凹凸，然后凹凸尺寸變小，形狀變得復(fù)雜，最后轉(zhuǎn)變到了微觀(guān)層次，即轉(zhuǎn)變到了有特殊性質(zhì)的表面，這種性質(zhì)是通過(guò)加入場(chǎng)或者力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

▲LED導(dǎo)光板進(jìn)化路線(xiàn)

其進(jìn)化過(guò)程如下圖所示：

▲表面特征動(dòng)態(tài)化進(jìn)化路線(xiàn)

2向超系統(tǒng)進(jìn)化法則

技術(shù)系統(tǒng)向超系統(tǒng)進(jìn)化，可以在資源約束的條件下，通過(guò)系統(tǒng)合并增加功能或降低費(fèi)用。并且通過(guò)融合集成使原技術(shù)系統(tǒng)被改進(jìn)并簡(jiǎn)化，并通過(guò)與超系統(tǒng)組件合并獲得大量資源。

向超系統(tǒng)進(jìn)化有四個(gè)子趨勢(shì)，導(dǎo)光板一部分的進(jìn)化符合其中一個(gè)子趨勢(shì)——超系統(tǒng)與原工程系統(tǒng)集成的主要功能差異化增加的趨勢(shì)。功能差異性增加是指，隨著技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化，相互合并系統(tǒng)的功能差異不斷增加，集成兩種以上不同功能的系統(tǒng)稱(chēng)為聯(lián)合技術(shù)系統(tǒng)。

▲競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)合并路徑

第一種聯(lián)合系統(tǒng)的主要功能不同，但作用對(duì)象是一樣的，主要功能是指系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的要實(shí)現(xiàn)的功能。

那么導(dǎo)光板使光從兩側(cè)光源進(jìn)導(dǎo)光板碰到反射點(diǎn)時(shí)漫反射到導(dǎo)光板表面。擴(kuò)散板是讓光在行進(jìn)途中遇到兩個(gè)折射率相同的介質(zhì)時(shí)，發(fā)生折射、反射與散射，讓光束角變?yōu)?160°～176° 從而得到舒適的光。

所以導(dǎo)光板、擴(kuò)散板的主要功能都是光的折射、反射與折射。2015 年前后，出現(xiàn)了導(dǎo)光板與擴(kuò)散板二合一的產(chǎn)品，它是將導(dǎo)光板、擴(kuò)散板分別進(jìn)行注塑成型后，再將兩者通過(guò)熱壓為兩層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。然后又出現(xiàn)了分層注塑成型的一體化集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)光的模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，安裝方便。

向超系統(tǒng)進(jìn)化的趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)“導(dǎo)光組件“的聯(lián)合系統(tǒng)集成優(yōu)化系統(tǒng)功效，需要集成的聯(lián)合系統(tǒng)，原有部件有擴(kuò)散板、導(dǎo)光板、反射板、熒光粉，實(shí)現(xiàn)的功能為四個(gè)組件的功能。

1、實(shí)現(xiàn)黃色熒光粉的功能，被藍(lán)光 LED 激發(fā)產(chǎn)生黃光，并且與剩下的藍(lán)光混合產(chǎn)生白光；

2、實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光板的功能，使光源發(fā)射的光線(xiàn)進(jìn)入導(dǎo)光板，經(jīng)過(guò)多次反射，由導(dǎo)光網(wǎng)點(diǎn)射出，形成均勻的面光源；

3、實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散板的功能，通過(guò)擴(kuò)散板中的擴(kuò)散粉顆粒對(duì)光進(jìn)行折射、反射、散射，打散光線(xiàn)，使光分布均勻，從而得到光束角 160 度～170 度的無(wú)眩光的平面光；

4、實(shí)現(xiàn)反射板的功能，利用材料鏡面對(duì)光線(xiàn)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(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)及不斷的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，設(shè)計(jì)了導(dǎo)光組件系統(tǒng)，如下圖。系統(tǒng)中包含熒光粉膜、截止濾光膜、導(dǎo)光板、反光膜組成的導(dǎo)光組件。將熒光粉通過(guò)粘合劑壓制成熒光粉膜。當(dāng)藍(lán)光 LED 側(cè)面 45 度角投射光線(xiàn)進(jìn)入導(dǎo)光板，進(jìn)行多次反射，從導(dǎo)光網(wǎng)點(diǎn)射出光線(xiàn)形成黃光，剩下的藍(lán)光與黃光結(jié)合，形成白光。

截止濾光膜的作用是讓藍(lán)光全部通過(guò)，充分與熒光膜結(jié)合。使導(dǎo)光板表面不會(huì)反射一部分藍(lán)光，而背面的減反膜阻止藍(lán)光向反面流失，保證了藍(lán)光反射效率。

▲導(dǎo)光組件示意圖

這種設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)一：導(dǎo)光板和藍(lán)光采用 45 度照射，并采用熒光膜、截止濾光膜、減反膜技術(shù)，大大增加光效。具體設(shè)計(jì)原理如下圖：

▲常規(guī)封裝側(cè)投復(fù)合光結(jié)構(gòu)圖

▲側(cè)投藍(lán)光光結(jié)構(gòu)圖

其發(fā)光效率計(jì)算依據(jù)為：

▲Te波界面反射

上述公式可用來(lái)計(jì)算高反膜反射和 K9 玻璃內(nèi)傳輸產(chǎn)生的能量損失再設(shè)芯片輸入功率 1W；芯片藍(lán)光出光率為 45%，熒光粉量子效率為 90%。側(cè)投復(fù)合光與側(cè)投藍(lán)光出光率對(duì)比見(jiàn)下圖。

▲側(cè)投復(fù)合光與側(cè)投藍(lán)光出光率對(duì)比

創(chuàng)新點(diǎn)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 芯片直接傳導(dǎo)到熒光粉，再高溫下熒光粉容易衰減甚至性能弱化，在隔離封裝模式下，熒光粉膜與 LED 芯片采用分離結(jié)構(gòu)，阻隔了熱量的傳遞。

▲普通LED熒光粉封裝模式

▲熒光粉與LED芯片分離結(jié)構(gòu)

創(chuàng)新點(diǎn)三：分離多組熒光粉減少相互吸收，常見(jiàn)的白光 LED 是在藍(lán)光 LED 芯片上涂覆能被藍(lán)光激發(fā)的黃色熒光粉，芯片發(fā)出的藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光互補(bǔ)形成白光。

該技術(shù)的原理性缺點(diǎn)是發(fā)射光譜不是連續(xù)光譜特性，顯色性較差，難以滿(mǎn)足低色溫照明的要求，同時(shí)發(fā)光效率不夠高，需要通過(guò)開(kāi)發(fā)新型的高效熒光粉來(lái)改善。通過(guò)將藍(lán)光 LED 與熒光粉分離的隔離的封裝方法，可實(shí)現(xiàn)多組份調(diào)配，可以很好的解決上述問(wèn)題。

▲單顆LED封裝熒光粉分布與熒光粉多組份調(diào)配分布對(duì)比。

創(chuàng)新點(diǎn)四：簡(jiǎn)化封裝工藝，提高面光源亮度均勻度。因?yàn)?LED 的封裝不止要求能夠保護(hù)燈芯，而且要能夠透光。所以 LED 具備更好的發(fā)光效率和散熱環(huán)境，進(jìn)而提升 LED 的壽命。利用這種將熒光膜和藍(lán)光芯片分離的隔離封裝的新工藝可以更好的實(shí)現(xiàn)這些方面的要求。

然后在鍍過(guò)膜的有機(jī)片上鍍熒光膜，經(jīng)過(guò)積分球測(cè)光色參數(shù)和光譜圖，發(fā)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)如下圖。有截止濾光膜的導(dǎo)光板無(wú)論是光效、顯色性、色溫?cái)?shù)值均要高于無(wú)截止濾光膜的導(dǎo)光板。

▲側(cè)投白光光譜

▲側(cè)投藍(lán)光光譜

有截止濾光膜與無(wú)截止濾光膜參數(shù)對(duì)比：

側(cè)投白光的光效、顯色性、色溫?cái)?shù)值均要高于側(cè)投藍(lán)光。

▲有截止濾光膜光譜

▲無(wú)截止濾光膜光譜

側(cè)投白光光譜與側(cè)投藍(lán)光光譜數(shù)據(jù)對(duì)比：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的平面光實(shí)施方案，將其在T5、T8、插拔管、筒燈、O型燈、柱型燈上應(yīng)用這種新的方式和原理。T5、T8適用傳統(tǒng)燈管、燈座，插拔管適用PLL燈座。筒燈的接口型號(hào)E14，僅適用室內(nèi)，如客廳、臥室、過(guò)道。O型燈也接口型號(hào)E14，適用家居、酒店、客房大堂、展廳、娛樂(lè)場(chǎng)所。柱型燈接口型號(hào)E27，適用家庭裝飾臺(tái)燈、學(xué)生用臺(tái)燈等。具體設(shè)計(jì)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

▲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