CN108227298A - 基于液晶显示扩展光源的照明设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于液晶显示扩展光源的照明设计方法，包括：以点光源为中心发射光线通过内、外腔曲面折射至接收面；将点光源的出射角均匀分成若干条出射光线；出射光线与内腔曲面相交所得内腔交点坐标，经内腔交点坐标折射的出射光线；出射光线散射至外腔曲面的外腔交点坐标，折射至接收面的坐标，计算通过外腔交点坐标为的切线向量；切线向量与内腔曲面折射的出射光线相交点为外腔曲面的外腔交点坐标；直到通过内腔曲面的出射光线为点光源发射的最后一条出射光线为止。采用双自由曲面，减小了入射到外腔曲面的光线的偏转角度，避免了全反射；采用切线迭代方式，确保了接收面大角度范围的均匀照明。

Description

基于液晶显示扩展光源的照明设计方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺，特别是涉及一种基于液晶显示扩展光源的照明设计方法。

背景技术

液晶显示因为其高屏幕分辨率，超亮度，重量轻等优势，已经广泛应用于高清晰度的电视、笔记本电脑和显示器等。由于液晶面板本身不发光，所以担任着发光角色的背光源起着十分重要的作用。常见平板显示技术的背光系统有冷阴极管和发光二极管。由于发光二极管具有体积小，发光效率高，节能省电，响应速度快，较长寿命等优点，并且其造价成本在不断降低，在背光源市场上逐渐取代CCFL成为主要的背光源器件，尤其是用在大尺寸LEDTV中，其从2010年就成为了LED市场增长的主要驱动力。

LED作为新一代照明工具，已广泛应用于大尺寸液晶电视显示应用当中。直下式背光对均匀性要求很高，但由于影响照明效果的因素非常多，加上大量菲涅尔损耗光线的反射也会对光效效果产生巨大影响，只利用现有光学设计方法很难开发出满足要求的透镜产品。

如图1所示，针对直下式的LED背光系统，现通用的直下式光学架构是普通的扩散板，散射片，增亮膜等，LED芯片所对应的光源依次通过均匀透镜、散射膜、BEF膜达到目标接收面。

在图1中，采用通用的背光源亮度均匀性检验方法即九点法测量亮度均匀性及色均匀性。如图2所示，九点法测量亮度均匀性原理图如下：

亮度均匀性由九点中最小值与最大值的比值确定。根据九点法测量原理，只记录屏幕离散的九个点的亮度，近似亮度均匀性绝对值，性能指标要求其九点法亮度均匀性达到85％以上，光斑各点色分布均匀性du’v’<0.02。然而，实际效果测试中并未严格按照传统的九点法来测，而是结合13点法，17点法等来测得亮度的均匀性，这样的测试结果更加精确。

然而，在实际产业中并不严格按照此指标来计算考量设计效果，因为这些方法存在不足，如选点的位置不同会对求得的均匀性影响很大，因此，结合人眼的感知效果来进行比对验收的。作为LCD显示器的背光源，发光不均匀将导致LCD显示亮度均匀不一，造成人眼感知上的不舒服。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于液晶显示扩展光源的照明设计方法，用于解决现有技术中液晶显示采用直下式背光源透镜在目标面实现光强均匀分布所造成光线发散角度大，导致出射面发生的全反射或形成严重的菲涅尔损耗，影响光效与光场分布的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第一方面，本发明提供一种基于液晶显示扩展光源的照明设计方法，包括：

以点光源为中心发射光线依次通过内、外腔曲面折射至接收面；

将所述点光源的出射角均匀分成若干条出射光线；

所述出射光线i与内腔曲面相交所得内腔交点坐标为Bi，经所述内腔交点坐标Bi折射的出射光线Zi；

所述出射光线Zi散射至外腔曲面的外腔交点坐标为Pi，折射至接收面的坐标为Ci，计算通过所述外腔交点坐标为Pi的切线向量Ti；

所述切线向量Ti与所述内腔曲面折射的出射光线Z(i+1)相交点为外腔曲面的外腔交点坐标P(i+1)，i为自然数；

采用切线迭代方式直到通过所述内腔曲面的出射光线为点光源发射的最后一条出射光线为止。

如上所述，本发明的基于液晶显示扩展光源的照明设计方法，具有以下有益效果：

本发明采用双自由曲面设计，包含内腔曲面与外腔曲面，光源的出射光线在内腔曲面折射后发散到外腔曲面，从而减小了入射到外腔曲面的光线的偏转角度，避免了全反射的影响；同时，采用能量匹配与切线迭代方式进行设计，确保了接收面大角度范围的均匀照明。

附图说明

图1显示为本发明提供一种现有的LED背光系统结构示意图；

图2显示为发明提供一种采用九点法测量亮度以及色均匀性的原理图；

图3显示为本发明提供一种基于液晶显示扩展光源的照明设计方法流程图；

图4显示为本发明提供一种基于液晶显示扩展光源的照明设计结构图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。

在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本公开的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变.下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定.这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。

虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一预设阈值可以被称作第二预设阈值，并且类似地，第二预设阈值可以被称作第一预设阈值，而不脱离各种所描述的实施例的范围。第一预设阈值和预设阈值均是在描述一个阈值，但是除非上下文以其他方式明确指出，否则它们不是同一个预设阈值。相似的情况还包括第一音量与第二音量。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示.应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加.此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合.因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

本申请提供一种屏幕旋转控制系统、方法及设置，适用于电子设备中，于实际的实施方式中，所述电子设备例如为包括但不限于笔记本电脑、平板电脑、移动电话、智能手机、媒体播放器、个人数字助理(PDA)、导航仪、智能电视、智能手表、数码相机等等，还包括其中两项或多项的组合。应当理解，本申请于实施方式中描述的电子设备只是一个应用实例，该设备的组件可以比图示具有更多或更少的组件，或具有不同的组件配置。所绘制图示的各种组件可以用硬件、软件或软硬件的组合来实现，包括一个或多个信号处理和/或专用集成电路。在本申请的具体实施方式中，将以所述电子设备为智能手机为例进行说明。

所述电子设备包括存储器、存储器控制器、一个或多个处理单元(CPU)、外设接口、RF电路、音频电路、扬声器、麦克风、输入/输出(I/O)子系统、触摸屏、其他输出或控制设备，以及外部端口。这些组件通过一条或多条通信总线或信号线进行通信。所述电子设备还包括用于为各种组件供电的电源系统。该电源系统可以包括电源管理系统、一个或多个电源(例如电池、交流电(AC))、充电系统、电源故障检测电路、电源转换器或逆变器、电源状态指示器(例如发光二极管(LED))，以及与便携式设备中的电能生成、管理和分布相关联的其他任何组件。

所述电子设备支持各种应用程序，诸如以下各项中的一者或多者：绘图应用程序、呈现应用程序、文字处理应用程序、网站创建应用程序、盘编辑应用程序、电子表格应用程序、游戏应用程序、电话应用程序、视频会议应用程序、电子邮件应用程序、即时消息应用程序、健身支持应用程序、照片管理应用程序、数字相机应用程序、数字视频摄像机应用程序、网页浏览应用程序、数字音乐播放器应用程序和/或数字视频播放器应用程序。

请参阅图3，本发明提供一种基于液晶显示扩展光源的照明设计方法，包括：

步骤S1，以点光源为中心发射光线依次通过内、外腔曲面折射至接收面；

具体地，所述内腔曲面与外腔曲面均为双自由曲面；

步骤S2，将所述点光源的出射角均匀分成若干条出射光线；

具体地，每一份出射角的角度对应一条出射光线。

步骤S3，所述出射光线i与内腔曲面相交所得内腔交点坐标为Bi，经所述内腔交点坐标Bi折射的出射光线Zi；

r_(θ)＝R·Sinθ(1)

式中，θ为点光源的出射角，R为设定想要达到的照明光斑的半径大小，r为光源发出的光线达到接收面处的坐标。

步骤S4，所述出射光线Zi散射至外腔曲面的外腔交点坐标为Pi，折射至接收面的坐标为Ci，计算通过所述外腔交点坐标为Pi的切线向量Ti；

具体地，根据所述外腔交点坐标Pi得到接收面的坐标Ci，计算两者之间的出射光线；

根据所述内腔交点坐标Bi折射的出射光线Zi得到对应的入射光线；

利用所述入射光线与出射光线得到所述外腔交点坐标Pi的切线向量Ti。

步骤S5，所述切线向量Ti与所述内腔曲面折射的出射光线Z(i+1)相交点为外腔曲面的外腔交点坐标P(i+1)，i为自然数，如i＝0,1,2……；

步骤S6，采用切线迭代方式直到通过所述内腔曲面的出射光线为点光源发射的最后一条出射光线为止。

在本实施例中，如图4所示，针对设计的背光系统混光距离为h，透镜折射率为n，所设计透镜的内腔曲面的函数表示为：

y＝f(x)(2)

其外腔初始点坐标P1，计算外腔曲面的方法详述如下：

如图所示，以光源出射角为π/2进行分析，将所述光源出射角按照发光角平分N等份，每一份为θ＝π/2N；

初始出射为0度出射，与内腔曲面相交的交点为B1；

由外腔初始点坐标P1，可得其达到接收面的坐标C1，有入射光线和出射光线可确定其切线向量T1；

第二条光源出射光为：

y＝cotθ·x(3)

第二条光源对应的出射角度为θ，与内腔曲面相交的交点坐标为B2，所述内腔曲面的交点坐标B2为公式(2)与(3)结合所得的解；

经内腔曲面折射后B2处切线可表示为：

y＝f′(x_B2)·(x-xB2)+yB2(4)

由公式(3)与(4)可计算出射光线为Z2，其与T1交点为外腔曲面第二个点坐标P2，式中f′(x_B2)代表B2点的求导导数；

根据公式(1)结合P2可得到经外腔曲面的出射光线为：

y＝k(P2，C2)(x-x_P2)+y_P2(6)

由公式(6)中的出射光线和Z2可计算得到经P2的切线向量T2，其中，本申请中，K为直线的斜率，变量x，y分别为X轴、Y轴对应的坐标值，另外，等式左边的y变量与右边的y变量为同一变量；

光源发出第三条光线为：

y＝cot(2θ)·x(7)

内腔曲面相交的交点坐标为B3，通过公式(2)与(7)的方程解得到所述交点坐标B3；

经内腔曲面折射后B3处切线可表示为：

y＝f′(x_B3)·(x-xB3)+yB3(8)

通过公式(7)与(8)计算出射光线Z3，所述出射光线Z3与切线向量T2的交点为外腔曲面的第三个点坐标P3；

由公式(1)得：第三条光线达到接收面的位置为：

r(2θ)＝R·sin(2θ)(9)

由公式(9)中接收面处C3的位置和外腔曲面交点P3两点坐标确定出射光线为：

y＝k(P3，C3)(x-xP3)+yP3 (10)

由公式(10)中的出射线确定其对应的切线向量T3；

以此类推，光源出射光线i与内腔曲面相交得内腔交点坐标Bi及出射光线Zi，与上一条光线Zi-1的切线向量Ti-1相交的交点Pi即为外腔点。通过对应外腔点的坐标与接收面处坐标相连即为经该点的出射光线，进而求得其切线向量，以此迭代求得下一个外腔曲面上交点坐标，可计算出无数个外腔曲面上交点坐标。

对于光源扩展性，我们按照公式的基础上调整映射点的坐标，其中，R为设定想要达到的照明光斑的半径大小，从而在扩展光源情况下达到更好的照度均匀性分布。

综上所述，本发明采用双自由曲面设计，包含内腔曲面与外腔曲面，光源的出射光线在内腔曲面折射后发散到外腔曲面，从而减小了入射到外腔曲面的光线的偏转角度，避免了全反射的影响；同时，采用能量匹配与切线迭代方式进行设计，确保了接收面大角度范围的均匀照明。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种基于液晶显示扩展光源的照明设计方法，其特征在于，所述方法包括：

以点光源为中心发射光线依次通过内、外腔曲面折射至接收面；

将所述点光源的出射角均匀分成若干条出射光线；

所述出射光线i与内腔曲面相交所得内腔交点坐标为Bi，经所述内腔交点坐标Bi折射的出射光线Zi；

所述出射光线Zi散射至外腔曲面的外腔交点坐标为Pi，折射至接收面的坐标为Ci，计算通过所述外腔交点坐标为Pi的切线向量Ti；

所述切线向量Ti与所述内腔曲面折射的出射光线Z(i+1)相交点为外腔曲面的外腔交点坐标P(i+1)，i为自然数；

采用切线迭代方式直到通过所述内腔曲面的出射光线为点光源发射的最后一条出射光线为止。

2.根据权利要求1所述的基于液晶显示扩展光源的照明设计方法，其特征在于，所述内腔曲面与外腔曲面均为自由曲面。

3.根据权利要求1所述的基于液晶显示扩展光源的照明设计方法，其特征在于，所述光源的发光角与发散的出射光线达到接收面的坐标满足以下关系：

r_(θ)＝R·Sinθ

式中，θ为点光源的出射角，R为外腔曲面的半径，r为出射光线。

4.根据权利要求1所述的基于液晶显示扩展光源的照明设计方法，其特征在于，所述计算通过所述外腔交点坐标为Pi的切线为Ti的步骤，包括：

根据所述外腔交点坐标Pi得到接收面的坐标Ci，计算两者之间的出射光线；

根据所述内腔交点坐标Bi折射的出射光线Zi得到对应的入射光线；

利用所述入射光线与出射光线得到所述外腔交点坐标Pi的切线向量Ti。