CN107679286A - 一种实现led阵列均匀照明的透镜设计方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，包括以下步骤：通过仿真软件模拟得到单个扩展光源在目标平面的照度分布，进而拟合得到所述单个扩展光源的照度分布函数；基于照度均匀度判据及LED阵列的目标照度分布，确定基于单个扩展光源的单颗自由曲面透镜的照度分布函数；通过能量映射关系以及上述所得的各照度分布函数，确定所述自由曲面透镜的函数。一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计控制系统，包括：光源照度函数确定模块、透镜照度函数确定模块、透镜函数确定模块。根据本发明能有效解决大距高比，扩展光源，近场接收面等严苛条件下的照度优化问题，同时还能减小背光模组的厚度以及所用LED芯片的数量，广泛应用于背光领域。

Description

一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法及控制系统

技术领域

本发明涉及背光领域，具体为实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法。

背景技术

由于LED具有体积小，响应快，节能环保等优点，因此LED已经成为当今最普遍的光源，被广泛应用在道路照明、汽车大灯和背光显示等方面。LED背光有以下两种方式：直下式背光和侧入式背光。相比较于侧入式背光，直下式背光具有尺寸可调和动态调光的优势。动态背光能有效提高大尺寸液晶显示器的屏幕对比度和能量利用率。直下式背光结构由LED阵列和液晶面板组成。LED阵列的照度均匀性对整个背光模块是非常关键的。大尺寸的超薄LED背光系统能通过LED密集排布实现阵列均匀照明，但这会导致需要大量的LED光源，增大成本和散热等问题。为了用较少的LED实现阵列均匀照明，可以通过增大背光模组的厚度来提高混光距离，从而实现均匀照明，但这与超薄LED背光系统的设计相违背。现有的基于光强度分布的算法，对LED大尺寸超薄背光，在严苛条件下(大距高比，扩展光源，近场接收面)，很难获得均匀的照度分布。当光学透镜中心高度h和LED芯片的直径D的比值h/D小于5时，光源应被当做扩展光源。此时，若仍然基于点光源算法进行设计，扩展光源会使得目标光分布产生较大的偏移，光利用率和照明效果都严重恶化，无法满足基本的照明需求。因此，对于扩展光源，需要通过有效的光学透镜设计来实现超薄LED背光系统的照度均匀性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于扩展光源的LED阵列均匀照明的透镜设计方法及控制系统。

本发明所采用的技术方案是：

本发明提供一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，包括以下步骤：

通过仿真软件模拟得到单个扩展光源在目标平面的照度分布，进而拟合得到所述单个扩展光源的照度分布函数；

基于照度均匀度判据及LED阵列的目标照度分布，确定基于单个扩展光源的单颗自由曲面透镜的照度分布函数；

通过能量映射关系以及上述所得的各照度分布函数，确定所述自由曲面透镜的函数。

作为该技术方案的改进，所述扩展光源的照度分布函数可表示为：

E(r)＝a₀+a₁r+a₂r²+…+a₁₀r¹⁰，

其中，r是所述扩展光源与其在目标平面上的投射点之间的距离，a₀,a₁,a₂…a₁₀均为所述照度分布函数的系数。

作为该技术方案的改进，所述通过仿真软件得到的模拟结果包括L个离散点及各点对应的照度值E_i，其中1≦i≤L。

作为该技术方案的改进，通过采用最小二乘法计算方差，求得所述方差的最小值，并得到各系数的值，进而拟合确定所述扩展光源的照度分布函数；

其中，所述方差可表示为其中E(r_i)为i点的拟合目标照度函数。

作为该技术方案的改进，所述方法还包括通过引入归一化互相关系数NCC，来确保拟合的准确性；其中，所述归一化互相关系数

作为该技术方案的改进，当LED光源个数为P时，所述LED阵列目标照度分布总和E'(x,y)可表示为：

其中，E'(r_j)表示单个光源时j点的照度，(x_j,y_j)是第j个LED光源的坐标。

作为该技术方案的改进，所述照度均匀度判据包括Sparrow’s判据和

进一步地，所述方法还包括划分M×N个能量格子并建立光源与目标平面的能量映射关系。

进一步地，其中，每个能量格子的流明功率可表示为

进一步地，光源的总流明功率为：

另一方面，本发明还提供一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计控制系统，包括：

光源照度函数确定模块，用于执行步骤通过仿真软件模拟得到单个扩展光源在目标平面的照度分布，进而拟合得到所述单个扩展光源的照度分布函数；

透镜照度函数确定模块，用于执行步骤基于照度均匀度判据及LED阵列的目标照度分布，确定基于单个扩展光源的单颗自由曲面透镜的照度分布函数；

透镜函数确定模块，用于执行步骤通过能量映射关系以及上述所得的各照度分布函数，确定所述自由曲面透镜的函数。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于扩展光源的LED阵列均匀照明的透镜设计方法及控制系统，通过求解单个扩展光源的照度分布函数，然后求解单个透镜基于单个扩展光源的照度分布，然后反向求得透镜的曲面设计。本方案基于照度设计算法，把扩展光源因素考虑进去，同时克服现有方法基于光强分布计算照度引入的误差，能更准确、快速的实现LED阵列均匀照明。

本发明的反向算法是基于照度分布函数，在同时考虑了大距高比、扩展光源、近场接收面的严苛条件下，实现扩展光源的LED阵列均匀照明，同时还能减小背光模组的厚度以及所用LED芯片的数量。

本发明的算法相较于传统反馈优化算法，具有设计过程简洁，设计效率更高，优化时间更短的优点，并且能实现超大距高比的LED阵列均匀照明，从而能实现更大尺寸的超薄背光，即能减小背光模组的厚度和减少所用LED芯片的数量。除了背光，本发明的算法还能帮助制作商在其他应用上节省成本和提高效率，如LED室内照明，商业照明。因此，本发明的照度分布函数算法提供了一种更为实际和有效的方法实现均匀照明

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明第一实施例的背光模块示意图；

图2是本发明第二实施例的基于NCC所得的归一化照度分布示意图；

图3是本发明第三实施例的扩展光源与透镜照度分布示意图；

图4是本发明第四实施例的透镜截面示意图；

图5是本发明第五实施例的透镜设计控制系统示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，包括以下步骤：

通过仿真软件模拟得到单个扩展光源在目标平面的照度分布，

进而拟合得到所述单个扩展光源的照度分布函数；

基于照度均匀度判据及LED阵列的目标照度分布，确定基于单

个扩展光源的单颗自由曲面透镜的照度分布函数；

通过能量映射关系以及上述所得的各照度分布函数，确定所述

自由曲面透镜的函数。

作为该技术方案的改进，所述扩展光源的照度分布函数可表示为：

E(r)＝a₀+a₁r+a₂r²+…+a₁₀r¹⁰，

其中，r是所述扩展光源与其在目标平面上的投射点之间的距

离，a₀,a₁,a₂…a₁₀均为所述照度分布函数的系数。

作为该技术方案的改进，所述通过仿真软件得到的模拟结果包括L个离散点及各点对应的照度值E_i，其中1≦i≤L。

作为该技术方案的改进，通过采用最小二乘法计算方差，求得所述方差的最小值，并得到各系数的值，进而拟合确定所述扩展光源的照度分布函数；

其中，所述方差可表示为其中E(r_i)为i点的拟合目标照度函数。

作为该技术方案的改进，所述方法还包括通过引入归一化互相关系数NCC，来确保拟合的准确性；其中，所述归一化互相关系数

作为该技术方案的改进，当LED光源个数为P时，所述LED阵列目标照度分布总和E'(x,y)可表示为：

其中，E'(r_j)表示单个光源时j点的照度，(x_j,y_j)是第j个LED光源的坐标。

作为该技术方案的改进，所述照度均匀度判据包括Sparrow’s判据和

进一步地，所述方法还包括划分M×N个能量格子并建立光源与目标平面的能量映射关系。

进一步地，其中，每个能量格子的流明功率可表示为

进一步地，光源的总流明功率为：

本发明提供一种应用于直下式背光的自由曲面透镜设计算法，该算法能实现LED阵列均匀照明，设计流程主要是以下三步：

(1)通过拟合光线追迹的照度参考点来获得单个LED扩展光源的照度分布函数；

(2)基于两个均匀性判据生成自由曲面透镜的光分布函数；

(3)基于前两步得到的照度分布函数，建立光源和目标平面的能量映射关系并生成自由曲面透镜。

一、获得单个扩展光源的照度分布函数

参照图1，为背光模块示意图。在此模块中，通过选择沿着半径方向的照度分布E(r)来代表整个扩展光源的照度分布，其中r是光源在目标平面上的投射点和测试点之间的距离。照度分布函数E(r)能通过10次代数多项式来表达，如公式1所示：

E(r)＝a₀+a₁r+a₂r²+…+a₁₀r¹⁰ (1)

其中a₀,a₁,a₂…a₁₀是待求解的未知变量。

通过光线仿真软件可得到单个扩展光源在目标平面的真实照度分布。模拟过程中，设定真实的LED扩展光源尺寸和特定的近场目标平面来操作模拟。经过光线追迹模拟运算，模拟结果包括L个离散点r_i及每个对应点上的照度E_i。接下来最小二乘法被用来进行曲线拟合，而E(r)作为拟合目标函数，而E_i是拟合参考点。基于最小二乘法，目标平面上已知点的照度可拟合成扩展光源的照度分布函数。在最小二乘法中，方差表达如公式2所示：

r_i是第i个参考点坐标，E_i是通过模拟获得的照度值。当用系数多项式矩阵a₀,a₁,a₂…a₁₀来取代E(r_i)并代入公式2中，通过计算使得最小化，此时便能得到确定的系数矩阵a₀,a₁,a₂…a₁₀，从而便能得到连续和完整的扩展光源照度分布函数。

然后再通过引入归一化互相关系数(Normalized Cross Correlation，NCC)来评估拟合的准确性，NCC定义如公式3所示：

如果NCC≥95％，证明拟合结果是满足要求的。如图2所示，基于NCC定义，拟合后的照度分布函数和参考点照度的NCC高达97％，说明该拟合度非常高。

二、基于两个均匀性判据生成自由曲面透镜的照度分布函数类似的，自由曲面透镜的照度分布函数按公式4表达：

E(r)'＝b₀+b₁r+b₂r²+…+b₁₀r¹⁰ (4)

对LED阵列照明，由于任意位置的目标平面照度是由相邻的多个LED光源的照度叠加而成，目标平面上任意点的照度分布总和E'(x,y)如公式5所表达：

而

其中，(x，y)是测试点坐标，(x_i,y_i)是第i个LED光源在阵列平面上的坐标，P是被计算LED的数量。

为了得到E'(x,y)的各个系数，通过引入两类照度均匀度判据。第一种是Sparrow’s判据，定义如公式7所示：

联合公式4，5，7，可得到含有待求系数的方程f(b₀,b₁,b₂,…,b₁₀)＝0。通过解以上方程，能够得到自由曲面照度分布函数E'(r)的部分系数。

通过引入的另一个判据R(x_i,y_i)，能够得到E'(r)的所有系数，R(x_i,y_i)如公式8所示：

E’(x_i, y_i)是在目标平面上选择的特定点的照度；为了获得高均匀度，R(x_i,y_i)的取值范围被设置为0.85≤R(x_i,y_i)≤1.15，这将进一步限制了待求系数的变化范围。

合适的验证点能够反映整个目标平面上的照度分布均匀性，这些点才应该被选为参考点。例如，如果所有的选择点是在中心点附近，边缘点的照度均匀性就不能被保证。如图3所示，通过满足以上所有的判据，能够得到自由曲面透镜的照度分布函数。

三、自由曲面透镜构建

从扩展光源发出的光被认为是入射光，从自由曲面透镜发出的光被认为是出射光。因为本方案已经获得了入射光的照度分布函数和对应的出射光的照度分布函数，下一步即是划分能量格子，并且建立光源和目标平面的能量映射关系。光源的总能量分别沿着X轴方向和Y轴方向，被均匀地划分为M×N个格子。

每一个格子的流明功率如公式9所示：

其中E(x，y)是扩展光源的照度分布函数。光源的总流明功率如公式10所示：

通过联合以上公式，能够得到每一个入射光照射在目标平面上的坐标(x，y)。类似的，使用相同的计算方法，得到每一个出射光打在目标平面的坐标(x’，y’)。通过边缘光学理论，从光源发出的边缘入射光经过透镜后应该打在目标平面的边缘，既然入射光的入射方向和对应的出射光的出射方向已经确定了，满足能量映射关系的自由曲面透镜能够通过Snell’s定律和曲面放样方法被构建。作为一实施例，采用半球形内曲面，其生成的透镜如图4所示。

参照图5，是本发明第五实施例的透镜设计控制系统示意图。本发明还提供一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计控制系统，包括：

光源照度函数确定模块，用于执行步骤通过仿真软件模拟得到单个扩展光源在目标平面的照度分布，进而拟合得到所述单个扩展光源的照度分布函数；

透镜照度函数确定模块，用于执行步骤基于照度均匀度判据及LED阵列的目标照度分布，确定基于单个扩展光源的单颗自由曲面透镜的照度分布函数；

透镜函数确定模块，用于执行步骤通过能量映射关系以及上述所得的各照度分布函数，确定所述自由曲面透镜的函数。

本发明针对LED背光应用，提出了一种实现均匀照明的新型照度分布函数算法，新型算法能解决大距高比，扩展光源，近场接收面等严苛条件下的照度优化问题。本发明的方法采用照度分布函数算法，取代了传统的基于点光源假设和基于光强度算法，从而可以在设计原理上消除扩展光源的影响，进而能取代传统的反馈迭代优化算法。

扩展光源的照度分布函数基于扩展光源模拟得到的真实照度值分布，通过拟合得到照度分布函数。自由曲面出光的照度分布函数基于实现均匀照度分布的两个判据，通过数值求解也能得到相对应的照度分布函数。根据光源和出光能量的一一映射关系，求解得到自由曲面透镜上轮廓点的坐标，从而生成自由曲面透镜。

本发明生成的透镜能应用于超大距高比(距高比为4)的LED阵列照明，而传统距高比不超过3。

本发明的算法相较于传统反馈优化算法，具有设计过程简洁，设计效率更高，优化时间更短的优点，并且能实现超大距高比的LED阵列均匀照明，从而能实现更大尺寸的超薄背光，即能减小背光模组的厚度和减少所用LED芯片的数量。除了背光，本发明的算法还能帮助制作商在其他应用上节省成本和提高效率，如LED室内照明，商业照明。因此，本发明的照度分布函数算法提供了一种更为实际和有效的方法实现均匀照明。

根据本发明的方案能有效解决大距高比，扩展光源，近场接收面等严苛条件下的照度优化问题，同时还能减小背光模组的厚度以及所用LED芯片的数量。

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所述实施例，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，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (11)

1.一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过仿真软件模拟得到单个扩展光源在目标平面的照度分布，进而拟合得到所述单个扩展光源的照度分布函数；

基于照度均匀度判据及LED阵列的目标照度分布，确定基于单个扩展光源的单颗自由曲面透镜的照度分布函数；

通过能量映射关系以及上述所得的各照度分布函数，确定所述自由曲面透镜的函数。

2.根据权利要求1所述的实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，所述扩展光源的照度分布函数可表示为：

E(r)＝a₀+a₁r+a₂r²+…+a₁₀r¹⁰，

其中，r是所述扩展光源与其在目标平面上的投射点之间的距离，a₀,a₁,a₂…a₁₀均为所述照度分布函数的系数。

3.根据权利要求2所述的实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，所述通过仿真软件得到的模拟结果包括L个离散点及各点对应的照度值E_i，其中1≦i≤L。

4.根据权利要求3所述的实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，通过采用最小二乘法计算方差，求得所述方差的最小值，并得到各系数的值，进而拟合确定所述扩展光源的照度分布函数；

其中，所述方差可表示为其中E(r_i)为i点的拟合目标照度函数。

5.根据权利要求4所述的实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，所述方法还包括通过引入归一化互相关系数NCC，来确保拟合的准确性；其中，所述归一化互相关系数

6.根据权利要求5所述的实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，当LED光源个数为P时，所述LED阵列目标照度分布总和E'(x,y)可表示为：

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其中，E'(r_j)表示单个光源时j点的照度，(x_j,y_j)是第j个LED光源的坐标。

7.根据权利要求6所述的实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，所述照度均匀度判据包括Sparrow’s判据和

8.根据权利要求1或7所述的实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，所述方法还包括划分M×N个能量格子并建立光源与目标平面的能量映射关系。

9.根据权利要求8所述的实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，其中，每个能量格子的流明功率可表示为

10.根据权利要求9所述的实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，光源的总流明功率为：

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11.一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计控制系统，其特征在于，包括：

光源照度函数确定模块，用于执行步骤通过仿真软件模拟得到单个扩展光源在目标平面的照度分布，进而拟合得到所述单个扩展光源的照度分布函数；

透镜照度函数确定模块，用于执行步骤基于照度均匀度判据及LED阵列的目标照度分布，确定基于单个扩展光源的单颗自由曲面透镜的照度分布函数；

透镜函数确定模块，用于执行步骤通过能量映射关系以及上述所得的各照度分布函数，确定所述自由曲面透镜的函数。