CN105388558A - 一种同心圆弧曲线排列的微透镜阵列均光板及其制作方法 - Google Patents

一种同心圆弧曲线排列的微透镜阵列均光板及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同心圆弧曲线排列的微透镜阵列均光板，包括亚克力板，所述亚克力板的下表面为反光表面，上表面为出光表面，侧面为入光表面，所述出光表面上刻有若干呈同心圆弧曲线状排布的V形沟槽，所述V形沟槽分布在以亚克力板出光表面与入光表面相交的棱线中心点为圆心的不等间距的同心圆弧曲线上，所述V形沟槽由入光表面一直延伸到亚克力板末端面。本发明还公开了一种同心圆弧曲线排列的微透镜阵列均光板的制作方法。本发明所述的均光板具有LED光源个数少，高效节能，导光效率高，出光均匀，亮度高等优点。微切削保证均光板微透镜阵列的尺寸精度和形状精度，使均光板内部光路严格可控，使用寿命长，导光效率高，出光均匀。

Description

一种同心圆弧曲线排列的微透镜阵列均光板及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种侧入光式LED平面灯均光板，属于LED照明设计和精密光电零部件制造领域，具体涉及一种同心圆弧曲线排列的微透镜阵列均光板及其制作方法。
背景技术
LED属于全固体冷光源，具有高效节能、绿色环保、超长寿命、光线健康、保护视力，安全系数高等优点。按照入光方式的不同，LED导光板分为直下式和侧入光式两种。本发明主要涉及一种侧入光式平面灯均光板的设计与制作方法。侧入光式将LED放置于背光的上下两边，布局的调整大大减少LED的使用。侧入式平面灯灯体轻薄，便于安装，而且外形美观，所以目前市场上侧入式平面灯占主均地位。目前LED均光板的加工方法可分为丝印制作、化学蚀刻、激光加工和微切削加工。丝印制作方式技术成熟，成本低，适合加工大尺寸的均光板。但是丝印均光板的制作离不开油墨，油墨易挥发，均光的稳定性差，且环境污染严重，使用寿命短。化学蚀刻方式均光板可任意裁剪尺寸、拼接使用，光转化效率高，可制成异型。但是其光学表面粗糙，其网点深度受网点横向尺寸精度的限制，蚀刻成本高，环境污染严重。激光加工方式均光板使用寿命长，均光均匀，稳定性好。但是其生产效率低，很难大批量生产。微切削方式利用单点金刚石刀具在均光板基板上进行成型切削，微细结构成型效果好，光转化效率高，稳定性好。
为了解决现有主流技术的缺点，本发明设计出了一种同心圆弧曲面排列的微透镜阵列结构均光板，采用单个LED作为发光光源，与主流技术相比具有单侧侧入式发光，光源LED灯个数少，高效节能，成本低，导光效率高，发光均匀等特点；本发明设计的均光板使用微切削加工方法，微透镜阵列的尺寸精度和形状精度可以精确保证，导光稳定性好。
发明内容
本发明的目的在于减少LED平面灯中LED发光光源的个数，减小背光模组的整体大小，并且保证出光的均匀性，解决现有技术中均光板制作精度低，导光稳定性差，导光效率低，出光均匀度低等问题。
因此，本发明一方面提供了一种同心圆弧曲线排列的微透镜阵列均光板，包括单侧侧入式亚克力板，所述亚克力板的下表面为反光表面，上表面为出光表面，侧面为用于放置LED光源的入光表面，所述出光表面上刻有若干呈同心圆弧曲线状排布的V形沟槽，所述V形沟槽分布在以亚克力板出光表面与入光表面相交的棱线中心点为圆心的不等间距的同心圆弧曲线上，所述V形沟槽由入光表面一直延伸到亚克力板末端面，所述V形沟槽的深度h由入光表面到亚克力板末端面方向逐渐增大，相邻两个V形沟槽的间距L由入光表面到亚克力板端面方向逐渐减小。
进一步地，所述V形沟槽两侧面采用非对称结构，两侧面互成120~150度夹角，靠近入光表面的侧面与法线夹角成60~75度，另一侧面与法线夹角成75~60度，且靠近入光表面的侧面与法线夹角大与另一侧面与法线夹角。
进一步地，所述V形沟槽的深度h由入光表面到亚克力板末端面方向逐渐增大，且取值为100~600μm。
进一步地，相邻两个V形沟槽的间距L从入光表面到亚克力板末端面方向依次递减，间距L取值范围为30~2000μm，间距L在100~2000μm范围内以100μm为间隔递减，间距L在30~100μm范围内以10μm为间隔递减。
进一步地，所述亚克力板的反光表面上粘贴有镜面反射贴纸。
根据光的传输散射理论，当光从光密介质射入光疏介质时，光的入射角达到一定角度即临界角时，不再有折射光线射出，此时光在光疏介质和光密介质交界面发生全反射。将光源安装在亚克力平板单侧时，只有靠近光源的一小块区域没有达到光的全反射条件而使光从板的顶面和底面折射出，大部分的光在在亚克力板内发生全反射而向前传播，所以亚克力板顶面只有靠近光源的很小的一部分区域发光，而大部分区域没有光射出而呈现较暗的状态，不能达到面光源的要求效果。为了打破这一规律，在亚克力板的顶面制作一种圆弧曲线排布的V形沟槽作为微透镜结构，保证和光源距离相等的地方，出光面亮度一致，表面的微透镜两侧结构，微透镜的间距，微透镜的深度按照严格的配光设计，微透镜凹凸不平的结构破坏了光在亚克力板内部传输的路径，从而打破了光的全反射条件使光从亚克板的顶面射出，从而达到导光的效果。在亚克力板的底面粘贴反光贴纸，最大限度利用光源发射的光线，将光路向下的光线反射到微透镜结构上，进而从亚克力板的顶面射出。
本发明另一方面提供了一种如所述的微透镜阵列均光板的制作方法，包括步骤：
1）利用油石将金刚石砂轮的尖端精密修整成预定的V形，然后将金刚石砂轮安装在机床主轴上；
2）使用夹具将高透光亚克力板水平安装在精密微调旋转盘上部的旋转吸盘上，利用垫块使亚克力板比夹具高1~2mm后夹紧，并使亚克力板的中心点与精密微调旋转盘圆心重合；
3）启动精密微调旋转盘做匀速转动，同时启动金刚石砂轮向下做进给运动，进给深度为100~600μm，每次进给深度为1~5μm，依次将V形沟槽加工出来。
进一步地，所述金刚石砂轮的转速为2000~5000r/min，进给速度为0.1~0.2m/min，使用水冷却。
进一步地，所述微调旋转盘的转速为100~300r/min。
进一步地，修整后的金刚石砂轮直径为60~120mm，其V形尖端两侧面夹角为30~60度。
进一步地，所述金刚石砂5由金刚石磨料和树脂结合剂组成，金刚石磨料粒度为1500~4000目。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
（1）与丝印制作均光板和化学制作均光板相比，本发明设计的均光板采用微切削加工，使用寿命长，绿色无污染，环境友好。
（2）与丝印制作均光板、化学蚀刻均光板和激光加工均光板相比，本发明设计的均光板微透镜阵列的尺寸精度和形状精度可以精确保证，使均光板内部光路严格可控。
（3）与丝印制作均光板、化学蚀刻均光板和激光加工均光板相比，本发明设计的均光板导光效率高，出光均匀，亮度高。
附图说明
图1为本发明设计的均光板三维形貌示意图。
图2为本发明设计的均光板截面形状示意图。
图3为本发明设计的均光板导光原理示意图。
图4为本发明设计的均光板切削加工示意图。
图中所示为：1-亚克力板；2-V形沟槽；3-LED光源；4-夹具；5-金刚石砂轮；6-尖端；7-旋转盘；8-精密微调旋转盘；9-第一侧面；10-第二侧面；11-出光表面；12-反光表面；13-入光表面；14-亚克力板末端面；15-中心点。
具体实施方式
为了更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
如图1所示，一种同心圆弧曲线排列的微透镜阵列均光板，包括单侧侧入式亚克力板1，所述亚克力板1的下表面为反光表面12，其上粘贴有镜面反射贴纸，上表面为出光表面11，侧面为用于放置LED光源3的入光表面13，单个LED光源3放置在亚克力板1的入光表面13中点位置，LED光源3正对于入光表面13，且与入光表面13距离为500~1000μm。所述出光表面11上刻有若干呈同心圆弧曲线状排布的V形沟槽2，所述V形沟槽2分布在以亚克力板1出光表面11与入光表面13相交的棱线中心点15为圆心的不等间距的同心圆弧曲线上，所述V形沟槽2由入光表面13一直延伸到亚克力板末端面14，所述V形沟槽2的深度h由入光表面13到亚克力板末端面14方向逐渐增大，相邻两个V形沟槽2的间距L由入光表面13到亚克力板端面14方向逐渐减小。
具体而言，如图2所示，所述V沟槽2由第一侧面9和第二侧面10构成，远离入光表面13的第一侧面9与出光表面11成30度，靠近入光表面13的第二侧面10与出光面11成15度。
所述V形沟槽2的深度h由入光表面13到亚克力板末端面14方向逐渐增大，且取值为100~600μm。
相邻两个V形沟槽2的间距L从入光表面13到亚克力板末端面14方向依次递减，间距L取值范围为30~2000μm，间距L在100~2000μm范围内以100μm为间隔递减，间距L在30~100μm范围内以10μm为间隔递减。
如图3所示，单个LED光源3放置在亚克力板1的一侧，LED光源3发射的光线剖面角密度成lambertian角在亚克力板1内向前传输。根据光的传输色散理论，靠近LED光源3的一小块区域没有达到光的全反射条件而使光线折射到亚克力板1的出光表面11和反光表面12，反光表面12粘贴有反光贴纸，使得所有光路向下的光线镜面反射到各V形沟槽2上。其他由LED光源3发射的光线由于V形沟槽2的作用破坏了其全发射条件而使光线折射到亚克力板1的出光表面11和反光表面12，反光表面12的作用是将所用光路向下的光线发射到V形沟槽2上。最终光线从亚克力板1的出光表面11射出，从而达到导光的效果。V形沟槽2排布在同心圆弧曲线上，能够使与光源距离相等的地方发光亮度一致。出光表面11上V形沟槽2分布密度的大小直接影响出光区域的亮度，出光表面11上V形沟槽2分布越密集相对应的出光区域亮度就越高。所以为了均光板出光面亮度高且均匀，靠近光源的沟槽分布密度较小，远离光源的沟槽分布密度较大，即相邻V形沟槽2的间距L由入光表面13到亚克力板端面14逐渐减小。出光表面11上V形沟槽2的沟槽深度h的大小直接影响出光区域亮度的均匀性，V形沟槽2沟槽深度h由入光表面13到亚克力板端面14逐渐增大，可以最大限度利用光线，使出光面亮度均匀。
如图4所示，一种如所述的微透镜阵列均光板的制作方法，包括步骤：
1）利用油石将金刚石砂轮5的尖端6精密修整成预定的V形，然后将金刚石砂轮5安装在机床主轴上，所述金刚石砂轮5由金刚石磨料和树脂结合剂组成，金刚石磨料粒度为1500~4000目；
2）使用夹具4将高透光亚克力板1水平安装在精密微调旋转盘8上部的旋转吸盘7上，利用垫块使亚克力板1比夹具4高1~2mm后夹紧，并使亚克力板1的中心点15与精密微调旋转盘8圆心重合，精密微调旋转盘8的上部旋转盘7可产生电磁吸力，可以将材料为45号钢的夹具4紧密吸附住；
3）启动精密微调旋转盘8做匀速转动，其转速n2为100~300r/min，同时启动金刚石砂轮5向下做进给运动，每次进给深度为1~5μm，依次将V形沟槽2加工出来。
具体而言，所述金刚石砂轮5的转速n1为2000~5000r/min，向下做直线进给速度v为0.1~0.2m/min，使用水冷却。
修整后的金刚石砂轮5直径为60~120mm，其V形尖端6两侧面夹角为30~60度。
所述均光板采用微切削加工，均光板微透镜阵列的尺寸精度和形状精度可以精确保证，使均光板内部光路严格可控，使用寿命长，导光效率高，出光均匀。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同心圆弧曲线排列的微透镜阵列均光板，包括单侧侧入式亚克力板(1)，所述亚克力板(1)的下表面为反光表面(12)，上表面为出光表面(11)，侧面为用于放置LED光源(3)的入光表面(13)，其特征在于：所述出光表面(11)上刻有若干呈同心圆弧曲线状排布的V形沟槽(2)，所述V形沟槽(2)分布在以亚克力板(1)出光表面(11)与入光表面(13)相交的棱线中心点(15)为圆心的不等间距的同心圆弧曲线上，所述V形沟槽(2)由入光表面(13)一直延伸到亚克力板末端面(14)，所述V形沟槽(2)的深度h由入光表面(13)到亚克力板末端面(14)方向逐渐增大，相邻两个V形沟槽(2)的间距L由入光表面(13)到亚克力板端面(14)方向逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的微透镜阵列均光板，其特征在于：所述V形沟槽(2)两侧面采用非对称结构，两侧面互成120~150度夹角，靠近入光表面(13)的侧面与法线夹角成60~75度，另一侧面与法线夹角成75~60度，且靠近入光表面(13)的侧面与法线夹角大与另一侧面与法线夹角。
3.根据权利要求1所述的微透镜阵列均光板，其特征在于：所述V形沟槽(2)的深度h由入光表面(13)到亚克力板末端面(14)方向逐渐增大，且取值为100~600μm。
4.根据权利要求1所述的微透镜阵列均光板，其特征在于：相邻两个V形沟槽(2)的间距L从入光表面(13)到亚克力板末端面(14)方向依次递减，间距L取值范围为30~2000μm，间距L在100~2000μm范围内以100μm为间隔递减，间距L在30~100μm范围内以10μm为间隔递减。
5.根据权利要求1所述的微透镜阵列均光板，其特征在于：所述亚克力板(1)的反光表面(12)上粘贴有镜面反射贴纸。
6.一种如权利要求1至5中任一项所述的微透镜阵列均光板的制作方法，其特征在于，包括步骤：
1）利用油石将金刚石砂轮(5)的尖端(6)精密修整成预定的V形，然后将金刚石砂轮(5)安装在机床主轴上；
2）使用夹具(4)将高透光亚克力板(1)水平安装在精密微调旋转盘(8)上部的旋转吸盘(7)上，利用垫块使亚克力板(1)比夹具(4)高1~2mm后夹紧，并使亚克力板(1)的中心点(15)与精密微调旋转盘(8)圆心重合；
3）启动精密微调旋转盘(8)做匀速转动，同时启动金刚石砂轮(5)向下做进给运动，进给深度为100~600μm，每次进给深度为1~5μm，依次将V形沟槽(2)加工出来。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：所述金刚石砂轮(5)的转速为2000~5000r/min，进给速度为0.1~0.2m/min，使用水冷却。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：所述微调旋转盘(8)的转速为100~300r/min。
9.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：修整后的金刚石砂轮(5)直径为60~120mm，其V形尖端(6)两侧面夹角为30~60度。
10.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：所述金刚石砂轮(5)由金刚石磨料和树脂结合剂组成，金刚石磨料粒度为1500~4000目。
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