CN104316984B - 一种非对称透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非对称透镜，包括底座以及设置在底座上的透镜主体，透镜主体包括位于非对称透镜的主轴一侧的用于将光线折射出射的折射部件以及位于非对称透镜的主轴另一侧的用于将光线全反射后再折射出射的反射部件，非对称透镜在底座中心处向透镜主体内凹形成半球形的入射内腔，折射部件上设置有多个用于将光线全反射后折射出射的第一微结构，反射部件上设置有多个用于将光线折射出射的第二微结构。本透镜通过设置折射部件、反射部件、第一微结构和第二微结构，可使得透镜的光斑变大且更均匀，消除了灯影问题，同时使得透镜上方的光线增强，可提高整体出光亮度，可广泛应用于背光领域中。

Description

一种非对称透镜
技术领域
本发明涉及LED背光领域，特别是涉及一种非对称透镜。
背景技术
在直下式背光模组中，所采用的透镜一般为折射式透镜和反射式透镜两类，折射式透镜能够将光线进行一定程度的扩散，将光线直接打到扩散板上，而反射式透镜是将光线反射到反射片上，再经过反射片将光线反射到扩散板。直下式背光模组采用这两类透镜是为了控制光路，提高背光模组的均匀度以及光线利用率，但是目前的这两种透镜效果并不理想。折射式透镜在提高光线利用率上有较好的效果，但是光线扩散能力差，使得背光模组中相邻透镜间存在光线难以到达的区域，导致背光存在灯影问题。反射式透镜虽然光线扩散能力比折射式透镜好，但是光线利用率比较低，而且反射式透镜将大部分光线向下反射，然后通过侧边出射，使得透镜上方区域产生空缺，同样导致背光存在灯影问题，灯影问题使得背光模组的背光投射效果明暗相间、光分布不均匀。此时为了使得光分布更加均匀，一般采用的办法是留出一定的混光距离进行混光，但是这样一来，将会导致显示器的厚度较厚，影响了显示器的外观，无法实现轻薄化，生产成本较高。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种非对称透镜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种非对称透镜，包括底座以及设置在底座上的透镜主体，所述透镜主体包括位于非对称透镜的主轴一侧的用于将光线折射出射的折射部件以及位于非对称透镜的主轴另一侧的用于将光线全反射后再折射出射的反射部件，所述非对称透镜在底座中心处向透镜主体内凹形成半球形的入射内腔，所述折射部件上设置有多个用于将光线全反射后折射出射的第一微结构，所述反射部件上设置有多个用于将光线折射出射的第二微结构。
进一步，所述多个第一微结构在折射部件上均匀地排列成一个或多个半环形结构，所述多个第二微结构在反射部件上均匀地排列成一个或多个半环形结构。
进一步，所述折射部件包括第一底面、位于底部的第一入射曲面、位于顶部的第一出射曲面以及连接第一底面和第一出射曲面的第一侧出射面。
进一步，所述反射部件包括第二底面、位于底部的第二入射曲面、位于顶部的第一全反射面以及连接第二底面和第一全反射面的第二侧出射面，所述第一入射曲面和第二入射曲面连接后构成所述半球形的入射内腔。
进一步，所述第一微结构设置在第一出射曲面的靠近顶部的位置，所述第二微结构设置在第二侧出射面的靠近顶部的位置。
进一步，所述第一微结构包括第二全反射面以及分别位于第二全反射面两侧的用于连接第二全反射面和第一出射曲面的第三侧出射面及第四侧出射面。
进一步，所述第二微结构包括第五侧出射面以及位于第五侧出射面斜上方的拱形的第二出射曲面，所述第二出射曲面的一侧与第二侧出射面连接，所述第二出射曲面的另一侧通过第五侧出射面与第二侧出射面连接。
进一步，所述第一全反射面的顶部设有多个以非对称透镜的中心为圆心、呈同心圆状阶梯排布的半环形透光面。
进一步，所述第一微结构和第二微结构的尺寸均大于入射光线的波长。
本发明的有益效果是：本发明的一种非对称透镜，包括底座以及设置在底座上的透镜主体，透镜主体包括位于非对称透镜的主轴一侧的用于将光线折射出射的折射部件以及位于非对称透镜的主轴另一侧的用于将光线全反射后再折射出射的反射部件，非对称透镜在底座中心处向透镜主体内凹形成半球形的入射内腔，折射部件上设置有多个用于将光线全反射后折射出射的第一微结构，反射部件上设置有多个用于将光线折射出射的第二微结构。本透镜通过设置折射部件、反射部件、第一微结构和第二微结构，可使得透镜的光斑变大且更均匀，消除了灯影问题，同时使得透镜上方的光线增强，可提高整体出光亮度。而且将本透镜应用到LED背光模组中，在达到同等照度要求的前提下，可以减少LED光源的数量，可降低LED背光模组的生产成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的一种非对称透镜的结构示意图；
图2是本发明的一种非对称透镜的俯视图；
图3是图2中的B-B方向剖面图；
图4是本发明的实施例一中的第一微结构的第一结构示意图；
图5是本发明的实施例一中的第一微结构的第二结构示意图；
图6是本发明的实施例一中的第二微结构的第一结构示意图；
图7是本发明的实施例一中的第二微结构的第二结构示意图；
图8是目前直下式背光中常用的LED透镜的光斑模拟结果示意图；
图9是本发明的LED透镜的光斑模拟结果示意图；
图10是本发明的一种非对称透镜的使用状态示意图；
图11是本发明的实施例二中的第一微结构的结构示意图；
图12是本发明的实施例二中的第二微结构的结构示意图；
图13是本发明的实施例三中的第一微结构的结构示意图；
图14是本发明的实施例三中的第二微结构的结构示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明提供了一种非对称透镜，包括底座以及设置在底座上的透镜主体，所述透镜主体包括位于非对称透镜的主轴一侧的用于将光线折射出射的折射部件以及位于非对称透镜的主轴另一侧的用于将光线全反射后再折射出射的反射部件，所述非对称透镜在底座中心处向透镜主体内凹形成半球形的入射内腔，所述折射部件上设置有多个用于将光线全反射后折射出射的第一微结构，所述反射部件上设置有多个用于将光线折射出射的第二微结构。
进一步作为优选的实施方式，所述多个第一微结构在折射部件上均匀地排列成一个或多个半环形结构，所述多个第二微结构在反射部件上均匀地排列成一个或多个半环形结构。
进一步作为优选的实施方式，所述折射部件包括第一底面、位于底部的第一入射曲面、位于顶部的第一出射曲面以及连接第一底面和第一出射曲面的第一侧出射面。
进一步作为优选的实施方式，所述反射部件包括第二底面、位于底部的第二入射曲面、位于顶部的第一全反射面以及连接第二底面和第一全反射面的第二侧出射面，所述第一入射曲面和第二入射曲面连接后构成所述半球形的入射内腔。
进一步作为优选的实施方式，所述第一微结构设置在第一出射曲面的靠近顶部的位置，所述第二微结构设置在第二侧出射面的靠近顶部的位置。
进一步作为优选的实施方式，所述第一微结构包括第二全反射面以及分别位于第二全反射面两侧的用于连接第二全反射面和第一出射曲面的第三侧出射面及第四侧出射面。
进一步作为优选的实施方式，所述第二微结构包括第五侧出射面以及位于第五侧出射面斜上方的拱形的第二出射曲面，所述第二出射曲面的一侧与第二侧出射面连接，所述第二出射曲面的另一侧通过第五侧出射面与第二侧出射面连接。
进一步作为优选的实施方式，所述第一全反射面的顶部设有多个以非对称透镜的中心为圆心、呈同心圆状阶梯排布的半环形透光面。
进一步作为优选的实施方式，所述第一微结构和第二微结构的尺寸均大于入射光线的波长。
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例一
参照图1~图2，一种非对称透镜，包括底座1以及设置在底座1上的透镜主体2，透镜主体2包括位于非对称透镜的主轴一侧的用于将光线折射出射的折射部件21以及位于非对称透镜的主轴另一侧的用于将光线全反射后再折射出射的反射部件22，非对称透镜在底座1中心处向透镜主体2内凹形成半球形的入射内腔23，折射部件21上设置有多个用于将光线全反射后折射出射的第一微结构31，反射部件22上设置有多个用于将光线折射出射的第二微结构32。
多个第一微结构31在折射部件21上均匀地排列成一个或多个半环形结构，多个第二微结构32在反射部件22上均匀地排列成一个或多个半环形结构。
这里，非对称透镜的主轴是指其中心轴，以该轴为分界，非对称透镜的一边用于折射光线，另一边用于全反射后再折射光线，即分别本实施例中的折射部件21及反射部件22。
参照图3，折射部件21包括第一底面211、位于底部的第一入射曲面212、位于顶部的第一出射曲面213以及连接第一底面211和第一出射曲面213的第一侧出射面214。为了使得光斑更为均匀，第一出射曲面213在靠近非对称透镜的中心处朝向第一底面211方向内缩形成凹面。
反射部件22包括第二底面221、位于底部的第二入射曲面222、位于顶部的第一全反射面223以及连接第二底面221和第一全反射面223的第二侧出射面224，第一入射曲面212和第二入射曲面222连接后构成半球形的入射内腔23。
第一微结构31设置在第一出射曲面213的靠近顶部的位置，第二微结构32设置在第二侧出射面224的靠近顶部的位置，如图1和图3中所标示。
图3中，入射内腔23左侧的三角形区域实际尺寸较小，是加工本透镜时的工艺需求，对本透镜的光路影响可以忽略。
参照图4及图5，第一微结构31包括第二全反射面311以及分别位于第二全反射面311两侧的用于连接第二全反射面311和第一出射曲面213的第三侧出射面312及第四侧出射面313。第一微结构31可以将部分光线全反射到透镜的侧面部分，且光线方向朝下，这样可以扩大光线的到达范围，减弱折射部件21上方光线的强度，使得透镜发光均匀且光斑较大。
参照图6和图7，图7是图6中的第二微结构32平放时的示意图，第二微结构32包括第五侧出射面321以及位于第五侧出射面321斜上方的拱形的第二出射曲面322，第二出射曲面322的一侧与第二侧出射面224连接，第二出射曲面322的另一侧通过第五侧出射面321与第二侧出射面224连接。第二微结构32在与第二侧出射面224连接处的中心位置还设有一半球形的凹槽323。优选的，凹槽323为球形，进入凹槽323的光线中，50%的光线被向上折射后经第二出射曲面322进一步向上折射，剩下50%的光线被第五侧出射面321向下方折射，因此，从第二侧出射面224处出射的光线经过本实施方式的第二微结构32后，同时获得向上和向下两种光线，一定程度上增强了反射部件22上方光线的强度，使得透镜发光更均匀。
第一全反射面223的顶部设有多个以非对称透镜的中心为圆心、呈同心圆状阶梯排布的半环形透光面24。因为反射部件22占了透镜主体2的一半大，所以这里的半环形透光面24为半个环形的形状，半环形透光面24所起到的作用是雾化作用。
参照图8和图9，图8是目前直下式背光中常用的LED透镜的光斑模拟结果示意图，图9是本发明的LED透镜的光斑模拟结果示意图，两次模拟中的光源参数设置一致，图9中左侧部分为光线经过折射部件21之后的光斑，右侧部分为光线经过反射部件22后的光斑，从两图中的对比可看出，本透镜的折射部件21、反射部件22、第一微结构31和第二微结构32的设置，可使得透镜的光斑变大且更均匀，消除了灯影问题，同时使得透镜上方的光线增强，可提高整体出光亮度。应用到LED背光模组中，在达到同等照度要求的前提下，可以减少LED光源的数量，可降低LED背光模组的生产成本。另外，需要注意，从图9中可看出，本透镜的光斑是非对称的，这是由本透镜的结构决定的，因此本透镜在使用时，相邻透镜中，若其中第一个透镜的折射部件21面向第二个透镜，则第二个透镜的安装方式必须是反射部件22面向第一个透镜，这样可以到达光线补偿的作用，消除相邻LED光源之间的暗区。
参照图10，本透镜使用时要倾斜安装以进一步加强其特点，透镜与图10中的PCB基板4之间的夹角θ一般为10°~43°之间，此时，第一微结构31与PCB基板4之间的夹角为40°~88°最合适，同时第二微结构32与PCB基板4之间的夹角为80°~113°最合适。第一微结构31和第二微结构32的数量可根据第一微结构31和第二微结构32的尺寸和具体结构来设定，不过第一微结构31和第二微结构32的尺寸均大于入射光线的波长，以免发生衍射现象。第一微结构31和第二微结构32的材质可以采用PMMA、PC、PS、Silicone、环氧树脂、聚氨酯丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷等光学级塑料或光固化材料，也可以采用MS材质、玻璃相关材质和水晶材质等材料，材质的选择可依使用环境、寿命、价格考虑等因素，采用单一或混合剂量调配或层迭上述材料制作而成。第一微结构31和第二微结构32的成型方式可采用注塑成型或UV光固化成型，也可以采用3D打印技术制作。
实施例二
本实施例与实施例一基本类似，区别仅在于第一微结构31和第二微结构32的形状，参照图11所示，第一微结构31的形状为采用直角梯形拉伸后得到的直角梯形体，且该梯形体的斜面为凹面，与斜面相对的平面与第一出射曲面213连接，即第一微结构31的截面为斜边为弧线的直角梯形，且直角边与第一出射曲面213连接。第一微结构31在与第一出射曲面213连接的一侧的中心位置还设有入射凹槽。参照图12所示，第二微结构32的形状为采用弓形拉伸后得到的块状结构，也可看作是由圆柱体沿着轴截面的平行面切割后得到的块状结构，特殊情况下，第二微结构32可为半圆柱。
实施例三
本实施例与实施例一基本类似，区别仅在于第一微结构31和第二微结构32的形状，参照图13所示，第一微结构31的形状为采用三角形拉伸后得到的三角柱，三角柱的其中一个拉伸平面与第二侧出射面224连接，且该拉伸平面在中心位置设有入射凹槽。参照图14所示，第二微结构32的形状为四分之一球体，该四分之一球体的球心位置设有入射凹槽，四分之一球体包括两个半圆形的平面以及一个拱形的曲面，两个半圆形的平面中任意一个与第一出射曲面213连接。
实施例一至三只是列举了第一微结构31和第二微结构32的三种可能的形状，实际应用中，第一微结构31和第二微结构32的形状可以根据背光需求或工艺要求等任意设置，只要能实现第一微结构31将光线全反射后折射出射，以及第二微结构32将光线折射出射的功能即可。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种非对称透镜，其特征在于，包括底座以及设置在底座上的透镜主体，所述透镜主体包括位于非对称透镜的主轴一侧的用于将光线折射出射的折射部件以及位于非对称透镜的主轴另一侧的用于将光线全反射后再折射出射的反射部件，所述非对称透镜在底座中心处向透镜主体内凹形成半球形的入射内腔，所述折射部件上设置有多个用于将光线全反射后折射出射的第一微结构，所述反射部件上设置有多个用于将光线折射出射的第二微结构；
所述折射部件包括第一底面、位于底部的第一入射曲面、位于顶部的第一出射曲面以及连接第一底面和第一出射曲面的第一侧出射面；
所述反射部件包括第二底面、位于底部的第二入射曲面、位于顶部的第一全反射面以及连接第二底面和第一全反射面的第二侧出射面，所述第一入射曲面和第二入射曲面连接后构成所述半球形的入射内腔；
所述第一微结构包括第二全反射面以及分别位于第二全反射面两侧的用于连接第二全反射面和第一出射曲面的第三侧出射面及第四侧出射面。
2.根据权利要求1所述的一种非对称透镜，其特征在于，所述多个第一微结构在折射部件上均匀地排列成一个或多个半环形结构，所述多个第二微结构在反射部件上均匀地排列成一个或多个半环形结构。
3.根据权利要求1所述的一种非对称透镜，其特征在于，所述第一微结构设置在第一出射曲面的靠近顶部的位置，所述第二微结构设置在第二侧出射面的靠近顶部的位置。
4.根据权利要求1所述的一种非对称透镜，其特征在于，所述第二微结构包括第五侧出射面以及位于第五侧出射面斜上方的拱形的第二出射曲面，所述第二出射曲面的一侧与第二侧出射面连接，所述第二出射曲面的另一侧通过第五侧出射面与第二侧出射面连接。
5.根据权利要求1所述的一种非对称透镜，其特征在于，所述第一全反射面的顶部设有多个以非对称透镜的中心为圆心、呈同心圆状阶梯排布的半环形透光面。
6.根据权利要求1所述的一种非对称透镜，其特征在于，所述第一微结构和第二微结构的尺寸均大于入射光线的波长。
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