CN104154494A - 超薄直下式led背光系统的自由曲面光学透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超薄直下式LED背光系统的自由曲面光学透镜，该透镜使LED光源发出的光在屏幕上形成照度均匀的矩形光斑，而且LED光源与屏幕的距离不大于30mm；透镜包括入射面及出射面，透镜的底面中心设有一个供LED安装于其内的半球形空腔，入射面由所述半球形空腔的半球面构成；透镜的外侧面是自由曲面，该自由曲面即所述的出射面。本发明不需要其它的辅助装置进行配光，减少了配光系统对光能的损耗，提高了光能利用率，同时达到大尺寸直下式背光系统的超薄化设计要求并且降低了成本。另外，透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的半球形空腔，使LED光源和散热装置易于安装，有利于提高整个背光系统的散热效率。

Description

超薄直下式LED背光系统的自由曲面光学透镜

技术领域

本发明涉及LED背光模组技术领域，特别涉及超薄直下式LED背光系统的自由曲面光学透镜。

背景技术

LED作为背光源应用于液晶显示器相比传统CCFL光源具有很大的优势，主要体现在亮度高、均匀性好、宽色域。当前大尺寸液晶显示器的背光系统一般采用侧入式背光结构，但是这种背光系统通常存在模组中心偏亮，四周偏暗，总体亮度不高，系统能量利用率不高，而且随着模组尺寸的增加，特别是在55英寸以上的大尺寸液晶显示器，背光系统中的导光板加工制作比较困难，而且整个背光系统由于使用了导光板使得模组本身重量加重。直下式背光由于不需要使用导光板，直接利用LED的自由混光，光能损耗少，系统能量利用率高，系统亮度高和均匀性好。因此在大尺寸背光系统设计中，直下式背光结构相对侧入式背光结构来说更具有优势和发展前景。但在直下式背光系统中，存在着LED使用数量很多、系统厚度厚、系统散热性不佳等问题，特别是系统厚度不符合液晶电视的轻薄化趋势，因此设计并实现超薄化直下式LED背光系统的目前研究重点。

发明内容

针对大尺寸直下式LED背光系统面临的超薄化设计问题，本发明提供了用于超薄直下式背光系统的自由曲面光学透镜，该透镜使LED光源发出的光在屏幕上形成照度均匀的矩形光斑，而且LED光源与屏幕的距离很近(不大于30mm)，从而该背光系统中不需要装配扩散膜和增亮膜灯光学组件，达到超薄化设计并且降低成本。另外，该透镜体积小，均匀性高，光能利用率高，制作安装方便。本发明采用如下技术方案。

一种用于超薄直下式LED背光模组的自由曲面光学透镜由透明材料制成，透明材料可为PMMA或PC，透镜包括入射面及出射面。所述透镜的底面中心设有一个提供LED安装于其内的半球形空腔，所述的入射面由所述半球形空腔的半球面构成；透镜的外侧面是自由曲面，该自由曲面即所述的出射面。

自由曲面透镜的形状确定如下：

1.设定初始条件并对目标照明区域进行均匀划分。

建立以LED光源发光面的中心为原点的坐标系，LED光源发光面所在平面为XOY平面，过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴，LED光源以Z轴正方向为发光方向。与Z轴交点为o且平行于平面XOY的平面为目标照明面，即背光系统中的屏幕，点o为目标照明面的中心点。LED光源总光通量为φ，目标照明区域的平均照度为E_v(E_v在这里定义为LED光源总光通量除以所设计的目标照明区域面积)，LED光源中心光强为I₀＝φ/π。

设光源与目标照明面的距离为H，所需要实现的方斑照明面积为L×W，由于具有对称性，取方斑照明面的第一象限作为研究对象，则其长边和短边在第一象限的长度分别为L/2和W/2，首先，将待实现的目标照明矩形区域在X轴方向上以步长i等分成M份，沿Y轴方向以步长j等分成N份，由此可得到x(M)和y(N)的数组。这样在目标照明区域的第一象限内将划分成了M×N的矩方形网格。

2.利用能量守恒定律将LED光源发光立体角进行划分

将LED光源发光立体角进行角度划分，其中α为LED光源发出的光线与X轴的夹角，β为LED光源发出的光线与Z轴的夹角。通过数值计算目标照明区域的每一个网格的能量，将LED光源的出射光线角进行度离散化，对应于目标照明区域在第一象限的划分，在α角上分成M份，在β角上分成N份。

然后，以目标照明区域X轴方向的每条矩形区域作为研究对象，根据能量守恒可以得到下式：

${\∫}_{\mathrm{\α}\left(N\right)}^{\mathrm{\α}(N+1)}{\∫}_0^{\mathrm{pi}/2}{I}_0\·\cos \left(\mathrm{\α}\right)\·{\left(\sin \left(\mathrm{\β}\right)\right)}^2\mathrm{d\αd\β}=i\·\frac{b}{2}\·\mathrm{Ev}$

由上式可以得出α的迭代关系式，通过计算机迭代计算可以求出一系列α值。接着，以目标区域的每一小方格作为研究对象，根据能量守恒可以得到下式：

${\∫}_{\mathrm{\α}\left(n\right)}^{\mathrm{\α}(N+1)}{\∫}_{\mathrm{\β}}^{\mathrm{\β}(M+1)}{I}_0\·\cos \left(\mathrm{\α}\right)\·{\left(\sin \left(\mathrm{\β}\right)\right)}^2\mathrm{d\αd\β}=E_v\·i\·j$

上式即为所设计的自由曲面透镜上每个出光区域与目标面上网格之间的能量守恒关系。由上式通过计算机迭代计算可以求出一系列β的数值。

3.计算自由曲面透镜离散坐标

由折射定律求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲面上点的坐标，所述的折射定律公式如下：

${[1+n^2-2n\left(\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}\stackrel{\→}{\mathrm{In}}\right)]}^{1/2}\stackrel{\→}{N}=\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}-n\stackrel{\→}{\mathrm{In}}$

式中，n为折射率，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为自由曲面在某一点上的单位法向量。

具体计算方法：由步骤1和2中所确定的α和β可以求出入射光线的单位向量，由能量守恒定律、折射定律可以得到照明面上与出射光线对应的坐标序列，从而可以得出射光线的方向向量。通过初始点的坐标和与其对应的出射光线的单位向量，可以得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点。由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出所有点的坐标。

4.利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面

将计算得到的所有点坐标值导入到建模软件中，可以通过线性插值拟合或者取样插值得到的自由曲面透镜模型，该自由曲面透镜能使LED发出的光在目标照明区域上形成照度均匀的矩形光斑。

与现有技术相比，本发明的优点有：LED光源发出的光能量全部经自由曲面透镜后出射，能在相距很近的目标照明面上形成照度均匀的矩形光斑，而且不需要其它的辅助装置进行配光，减少了配光系统对光能的损耗，提高了光能利用率，同时达到大尺寸直下式背光系统的超薄化设计要求并且降低了成本。另外，透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的半球形空腔，使LED光源和散热装置易于安装，有利于提高整个背光系统的散热效率。

附图说明

图1为实施方式中背光系统的坐标示意图。

图2为实施方式中LED光源发光立体角的坐标示意图。

图3为实施方式中光学系统原理的二维示意图。

图4为实施方式中光源立体角能量与目标照明区域划分示意图。

图5为实施方式中透镜的自由曲面示意图。

图6为实施方式中透镜的三维立体示意图。

图7为实施方式中透镜截面的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述，但本发明的实施和保护不限于此。

1.建立坐标系并设定初始条件

首先，如图1所示，建立以LED光源发光面101的中心为原点的坐标系，LED光源发光面所在平面为XOY平面，过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴，LED光源以Z轴正方向为发光方向。与Z轴交点为o且平行于平面XOY的平面为目标照明面200，即背光系统中的屏幕，点o为目标照明面的中心点。如图2所示，α为LED光源发出的光线102与X轴的夹角，β为LED光源发出的光线与Z轴的夹角。

如图3中光学系统原理的二维示意图所示，从LED光源100出射的光线由自由曲面透镜300的半球形腔面301入射，经过透镜并从透镜外侧的自由曲面302出射，最终照射在目标照明面200上。

2.对目标照明区域和LED光源发光立体角进行划分

设光源发光面101与目标照明面201的距离为H，所需要实现的方斑照明面积为L×W，由于具有对称性，取方斑照明面的第一象限作为研究对象，则其长边和短边在第一象限的长度分别为L/2和W/2，首先，将待实现的目标照明矩形区域在X轴方向上以步长i等分成M份，沿Y轴方向以步长j等分成N份，由此可得到x(M)和y(N)的数组。这样在目标照明区域的第一象限内将划分成了M×N的矩方形网格，如图4所示。

LED光源总光通量为φ，目标照明区域的平均照度为E_v(E_v在这里定义为LED光源总光通量除以所设计的目标照明区域面积)，LED光源中心光强为I₀＝φ/π。通过数值计算目标照明区域的每一个网格的能量，将LED光源的出射光线角进行度离散化，对应于目标照明区域在第一象限的划分，在α角上分成M份，在β角上分成N份，如图4所示。

然后，以目标照明区域X轴方向的每条矩形区域作为研究对象，根据能量守恒可以得到下式：

${\∫}_{\mathrm{\α}\left(N\right)}^{\mathrm{\α}(N+1)}{\∫}_0^{\mathrm{pi}/2}{I}_0\·\cos \left(\mathrm{\α}\right)\·{\left(\sin \left(\mathrm{\β}\right)\right)}^2\mathrm{d\αd\β}=i\·\frac{b}{2}\·\mathrm{Ev}$

由上式可以得出α的迭代关系式，通过计算机迭代计算可以求出一系列α值。接着，以目标区域的每一小方格作为研究对象，根据能量守恒可以得到下式：

${\∫}_{\mathrm{\α}\left(n\right)}^{\mathrm{\α}(N+1)}{\∫}_{\mathrm{\β}}^{\mathrm{\β}(M+1)}{I}_0\·\cos \left(\mathrm{\α}\right)\·{\left(\sin \left(\mathrm{\β}\right)\right)}^2\mathrm{d\αd\β}=E_v\·i\·j$

上式即为所设计的自由曲面透镜上每个出光区域与目标面上网格之间的能量守恒关系。由上式通过计算机迭代计算可以求出一系列β的数值。

3.计算自由曲面透镜离散坐标

由折射定律求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲面上点的坐标，所述的折射定律公式如下：

${[1+n^2-2n\left(\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}\stackrel{\→}{\mathrm{In}}\right)]}^{1/2}\stackrel{\→}{N}=\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}-n\stackrel{\→}{\mathrm{In}}$

式中，n为折射率，光线经过半球形腔的自由曲面时发生折射，其取值视透镜材料而定。为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为自由曲面在某一点上的单位法向量。

具体计算方法：由步骤1和2中所确定的α和β可以求出入射光线的单位向量，由能量守恒定律、折射定律可以得到照明面上与出射光线对应的坐标序列，从而可以得出射光线的方向向量。通过初始点的坐标和与其对应的出射光线的单位向量，可以得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点。由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出所有点的坐标。

4.利用机械仿真软件将得到的曲线拟合为曲面

将上述计算得到的所有点坐标值导入到建模软件中，可以通过线性插值拟合或者取样插值得到的自由曲面302，如图5所示。通过添加透镜的半球形入射面和底面，最终制作出自由曲面透镜的实体模型300，如图6所示。图7为通过上述方案得到的自由曲面光学透镜300截面图。

采用上述技术方案后，LED光源发出的光能量全部经自由曲面透镜后出射，能在相距很近的目标照明面上形成照度均匀的矩形光斑，而且不需要其它的辅助装置进行配光，减少了配光系统对光能的损耗，提高了光能利用率，同时达到大尺寸直下式背光系统的超薄化设计要求并且降低了成本。另外，透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的半球形空腔，使LED光源和散热装置易于安装，有利于提高整个背光系统的散热效率。

Claims (2)

1.超薄直下式LED背光系统的自由曲面光学透镜，其特征在于该透镜使LED光源发出的光在屏幕上形成照度均匀的矩形光斑，而且LED光源与屏幕的距离小于或等于30mm；所述透镜包括入射面及出射面，所述透镜的底面中心设有一个供LED安装于其内的半球形空腔，所述的入射面由所述半球形空腔的半球面构成；透镜的外侧面是自由曲面，该自由曲面即所述的出射面；

所述自由曲面透镜的形状确定如下：

(1)设定初始条件并对目标照明区域进行均匀划分

建立以LED光源发光面的中心O为原点的坐标系，LED光源发光面所在平面为XOY平面，过原点并与XOY平面垂直的轴为Z轴，LED光源以Z轴正方向为发光方向；与Z轴交点为o且平行于平面XOY的平面为目标照明面，即背光系统中的屏幕，点o为目标照明面的中心点；LED光源总光通量为φ，目标照明区域的平均照度为E_v，E_v为LED光源总光通量除以所需目标照明区域面积，LED光源中心光强为I₀＝φ/π；

设光源与目标照明面的距离为H，所需要实现的方斑照明面积为L×W，由于具有对称性，取方斑照明面对应的第一象限作为对象，则其长边和短边在第一象限的长度分别为L/2和W/2，首先，将待实现的目标照明矩形区域在X轴方向上以步长i等分成M份，沿Y轴方向以步长j等分成N份，由此可得到x(M)和y(N)的数组；这样在目标照明区域的第一象限内将划分成了M×N的矩方形网格；

(2)利用能量守恒定律将LED光源发光立体角进行划分

将LED光源发光立体角进行角度划分，其中α为LED光源发出的光线与X轴的夹角，β为LED光源发出的光线与Z轴的夹角；通过数值计算目标照明区域的每一个网格的能量，将LED光源的出射光线角进行度离散化，对应于目标照明区域在第一象限的划分，在α角上分成M份，在β角上分成N份；

然后，以目标照明区域X轴方向的每条矩形区域作为对象，根据能量守恒可以得到下式：

${\∫}_{\mathrm{\α}\left(N\right)}^{\mathrm{\α}(N+1)}{\∫}_0^{\mathrm{pi}/2}{I}_0\·\cos \left(\mathrm{\α}\right)\·{\left(\sin \left(\mathrm{\β}\right)\right)}^2\mathrm{d\αd\β}=i\·\frac{b}{2}\·\mathrm{Ev}$

由上式可以得出α的迭代关系式，通过计算机迭代计算求出一系列α值；以目标区域的每一小方格作为研究对象，根据能量守恒可以得到下式：

${\∫}_{\mathrm{\α}\left(n\right)}^{\mathrm{\α}(N+1)}{\∫}_{\mathrm{\β}}^{\mathrm{\β}(M+1)}{I}_0\·\cos \left(\mathrm{\α}\right)\·{\left(\sin \left(\mathrm{\β}\right)\right)}^2\mathrm{d\αd\β}=E_v\·i\·j$

上式即为所设计的自由曲面透镜上每个出光区域与目标面上网格之间的能量守恒关系，由上式通过计算机迭代计算求出一系列β的数值；

(3)计算自由曲面透镜离散坐标

由折射定律求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲面上点的坐标，所述的折射定律公式如下：

${[1+n^2-2n\left(\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}\stackrel{\→}{\mathrm{In}}\right)]}^{1/2}\stackrel{\→}{N}=\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}-n\stackrel{\→}{\mathrm{In}}$

式中，n为折射率，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为自由曲面在某一点上的单位法向量；

由步骤(1)和(2)中所确定的α和β求出入射光线的单位向量，由能量守恒定律、折射定律得到照明面上与出射光线对应的坐标序列，从而得出射光线的方向向量；通过初始点的坐标和与其对应的出射光线的单位向量，得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点，由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交得出下一点，通过计算机迭代得出所有点的坐标；

(4)将计算得到的所有点的坐标值导入到建模软件中，通过线性插值拟合或者取样插值得到的自由曲面透镜模型，该自由曲面透镜能使LED发出的光在目标照明区域上形成照度均匀的矩形光斑。

2.根据权利要求1所述的超薄直下式LED背光系统的自由曲面光学透镜，其特征在于所述透镜由透明材料制成，透明材料为PMMA或PC。