CN108506757B - 一种led发光装置及其二次透镜结构 - Google Patents

一种led发光装置及其二次透镜结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于LED发光装置的二次透镜结构，包括：基体，基体具有入射面和出射面，入射面为第一母线绕一转轴旋转而成的曲面，第一母线为曲线，第一母线的一侧端点为设在转轴上的一固定点，入射面为以转轴为轴心的轴对称结构；入射面上蒸镀半透半反膜，以使入射面反射光线的比例大于投射光线的比例；出射面为非球面。本发明还公开了一种具有上述二次透镜结构的LED发光装置。实施本发明的LED发光装置及其二次透镜结构，使制程工艺更易于成型，减小制程得到的产品与设计模型间的差异；实现相同混光高度状态下更少数量的LED颗数；降低透镜高度，更适于低混光高度的透镜产品。

Description

一种LED发光装置及其二次透镜结构
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种LED发光装置及其二次透镜结构。
背景技术
液晶显示器作为人与信息的沟通界面，是当前主流的显示方式。它具有高空间利用率、低功耗、无辐射以及低电磁干扰等优越特性，在电视、手机、平板电脑等信息沟通工具中广泛使用。
随着液晶显示器的应用领域进一步加大，为进一步提高显示器的显示效果，业界提出HDR概念。该概念在于实现更大可显示细节，提高显示效果。为实现更高的对比度，对背光提出了局部调光的需求(local dimming)；业界针对HDR设计概念也纷纷提出了各自的HDR概念规格，其中以UHDA(UHD联盟)&DB(杜比)的HDR规格最为业内跟随。以DB为例，其相应的规格需求为：1、峰值亮度600nits，2、色域DCI-P3 90％，3、背光多分区(建议120区以上)。2016年SID论文中，也有很多研究人员经过大量的人因实验，确认背光多分区能够有效的提高显示器的显示效果。另一方面，近年来的LCD显示受OLED显示冲击，薄型化，曲面甚至于可变曲面的设计给予消费者外观视觉冲击。在亚洲市场的高端机型中，超薄机种备受欢迎。
具有更小的混光距离，同时实现多分区效果的直下式LED开发是背光LED业者开发的主流方向。当前直下式背光设计中主流形式为采用LED搭配二次透镜实现，保证相同面积下更少的LED颗数。然而，传统top view LED搭配二次透镜需求混光高度在10mm左右难以进一步降低。其受限来自于透镜高度以及LED的出光形式。例如：市面上LED搭配用二次透镜，依据透镜的光路控制原理进行分类，主要包括以下几种形式：1、透射式，透射式透镜利用透镜相比较于空气的高折射率，通过光折射实现角度控制。2、折反式，折反式透镜在上表面(出光面)设计上，通过角度控制实现内全反射，同时在侧面上控制角度实现中间区域光贡献。3、反射式，反射式透镜在折反式透镜上更进一步，透镜上表面仍然满足内全反射，同时侧边不再为中间区域贡献光能量。
上述三种常见的透镜都具有中心小，边缘大的特征，这中结构对于透镜注塑成型的精度控制难度极大。同时，由于塑料成型后的缩水也会集中出现在中心区域。而中心区域又是透镜光线控制的主要结构，因此往往在光学设计上获得的光学表现优越的透镜结构，在实际注塑成型后，反而不易达不到预期的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种LED发光装置及其二次透镜结构，使制程工艺更易于成型，减小制程得到的产品与设计模型间的差异；实现相同混光高度状态下更少数量的LED颗数；降低透镜高度，更适于低混光高度的透镜产品。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于LED发光装置的二次透镜结构，包括：基体，基体具有入射面和出射面，入射面为第一母线绕一转轴旋转而成的曲面，第一母线为曲线，第一母线的一侧端点为设在转轴上的一固定点，固定点为LED发光装置发光体的发光中心，入射面为以转轴为轴心的轴对称结构；入射面上蒸镀半透半反膜，以使入射面反射光线的比例大于投射光线的比例；出射面为非球面，出射面的内侧和/或出射面的外侧设有若干依次排列的环形凹槽。
其中，出射面为平面。
其中，出射面为第二母线绕转轴旋转而成的曲面，第二母线为曲线，第二母线的一侧端点为设在转轴上的一固定点。
其中，还包括：固定在基体上的脚柱；基体在垂直于转轴平面上的投影为圆形。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种用于LED发光装置的二次透镜结构，包括：基体，基体具有入射面和出射面，入射面包括多条棱线，多条棱线设为轴对称结构，其具有一对称轴，棱线为曲线，多条棱线的端点分别为设在对称轴的一固定点，固定点为LED发光装置发光体的发光中心，相邻的棱线之间分别设有数量相对应的曲面，多个曲面的结构相同；入射面上蒸镀半透半反膜，以使入射面反射光线的比例大于投射光线的比例；出射面为非球面。
其中，基体在垂直于对称轴平面上的投影为正方形。
其中，多条棱线为第一棱线、第二棱线、第三棱线以及第四棱线，相邻的棱线的投影设为垂直。
本发明还提供了一种具有上述二次透镜结构的LED发光装置。
实施本发明所提供的LED发光装置及其二次透镜结构，具有如下有益效果：二次透镜结构的入射面为第一母线绕一转轴旋转而成的曲面，第一母线为曲线，第一母线的一侧端点为设在转轴上的一固定点，入射面为以转轴为轴心的轴对称结构；入射面上蒸镀半透半反膜，以使入射面反射光线的比例大于投射光线的比例；出射面为非球面，LED发光体发出光束射到入射面时进行接近水平方向上的出射，被入射面折射的光束再入射到出射面上，经出射面的再次折射后投射出光斑，制程工艺更易于成型，减小制程得到的产品与设计模型间的差异；实现相同混光高度状态下更少数量的LED颗数；降低透镜高度，更适于低混光高度的透镜产品。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明LED发光装置实施例一的截面结构示意图。
图2是本发明LED发光装置实施例二的截面结构示意图。
图3是本发明LED发光装置实施例三的截面结构示意图。
图4是本发明LED发光装置实施例四的截面结构示意图。
图5是本发明LED发光装置实施例四的俯视结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明LED发光装置的实施例一。
本实施例中的LED发光装置，包括：LED发光体1和用于LED发光装置的二次透镜2，用于LED发光装置的二次透镜2包括：基体21，基体21具有入射面211和出射面212，入射面211为第一母线21a绕一转轴O旋转而成的曲面，第一母线21a为曲线，第一母线21a的一侧端点为设在转轴O上的一固定点O1，入射面211为以转轴O为轴心的轴对称结构。
具体实施时，LED发光体1的发光中心11装设在转轴O的固定点O1上，基体21的整体为以转轴O为轴心的轴对称结构。其中，入射面211为第一母线21a绕一转轴O旋转而成的曲面，出射面212为非球面。第一母线21a为一焦点设在固定点O1上的抛物线，其曲度可以根据实际的LED出光分布进行调整。
进一步的，基体21所使用的材料为PMMA，PC等，基体21在垂直于转轴O平面上的投影为圆形，如此，更易于二次透镜2的成型。
此外，还可以在基体21的外部设置用于安装固定的脚柱3，脚柱3具体形状、设置的位置以及数量并不限定，以不影响基体21的光学效果为宜。本实施例中的脚柱3设为等距排列的三根，其分别具有中心轴的连线形成正三角形。
进一步的，入射面211能够对LED发光体1的出射光线进行反射。本实施例中，入射面211上蒸镀半透半反膜，以使入射面211反射光线的比例大于投射光线的比例。其它实施方式中，反射光线和投射光线的比例可以根据LED发光体1的特性进行调整。
进一步的，出射面212为非球面，本实施例中的出射面212为一平面。出射面212的作用是对光线进行再次控制，出射面212的结构能够影响混光高度(OD)及LED的特性从而使光线在透镜上方能够均匀分布。
本实施例中的LED发光装置在具体实施时，LED发光体1发出的光束t1射到入射面211时进行近乎水平方向上的出射t2，被入射面211折射的光束t3再入射到出射面212上，经出射面212的再次折射后投射出光束t4。其中，出射光线t2的比例大于投射光线t3的比例，经上述二次透镜2投射出的光斑为圆形光斑。
如图2所示，为本发明LED发光装置的实施例二。
本实施例中的LED发光装置与上述实施例一的区别在于，出射面212的内侧设有若干依次排列的环形凹槽212a，和/或出射面212的外侧设有若干依次排列的环形凹槽212b。经上述二次透镜2投射出的光斑为圆形光斑，该微结构面的出射面212，使光线在透镜上方的分布更加均匀。
如图3所示，为本发明LED发光装置的实施例三。
本实施例中的LED发光装置与上述实施例一的区别在于，出射面212为第二母线21b绕转轴O旋转而成的曲面，第二母线21b为曲线，第二母线21b的一侧端点为设在转轴O上的一固定点O2。经上述二次透镜2投射出的光斑为圆形光斑，出射面212设为与入射面211变化趋于一致的曲面结构，使出射面212能够对出射光线再次控制，光线在透镜上方的分布更加均匀。
如图4-图5所示，为本发明LED发光装置的实施例四。
本实施例中的LED发光装置，包括：LED发光体1和用于LED发光装置的二次透镜2，用于LED发光装置的二次透镜2包括：基体21，基体21具有入射面211和出射面212，入射面211包括多条棱线211a、211b、211c、211d，多条棱线211a、211b、211c、211d设为轴对称结构，其具有一对称轴O，棱线211a、211b、211c、211d为曲线，多条棱线211a、211b、211c、211d的端点分别为设在对称轴O的一固定点O1，相邻的棱线之间,例如211a和211b、211b和211c、211c和211d以及211d和211a之间分别设有数量相对应的曲面，本实施例中的曲面为四个，该四个曲面的结构相同。
设置多条棱线及在多条棱线之间形成对应数量曲面的作用是：从多个方向上对光路进行控制，从而实现方形光斑，也更利于HDR分区的设计需求。
优选的，本实施例中相邻的棱线设为垂直。如此，使光线在经透镜的反射时更加均匀。
可以理解的是：棱线设置的数量并不限定，只需满足所有棱线之间为轴对称结构，且相邻的棱线之间设置数量相对应的且结构相同的曲面即可。
具体实施时，LED发光体1的发光中心11装设在对称轴O的固定点O1上。出射面212为非球面，例如：出射面212可以上述实施例一的平面，或是实施例二中的微结构面，或是实施例三中的与入射面走向相同的曲面。出射面212的作用是对光线进行再次控制，出射面212的结构能够影响混光高度(OD)及LED的特性从而使光线在透镜上方能够均匀分布。
进一步的，基体21所使用的材料为PMMA，PC等，基体21在垂直于对称轴O平面上的投影为正方形，如此，更易于二次透镜2的成型。
此外，还可以在基体21的外部设置用于安装固定的脚柱3，脚柱3具体形状、设置的位置以及数量并不限定，以不影响基体21的光学效果为宜。
进一步的，入射面211能够对LED发光体1的出射光线进行反射。本实施例中，入射面211上蒸镀半透半反膜，以使入射面211反射光线的比例大于投射光线的比例。其它实施方式中，反射光线和投射光线的比例可以根据LED发光体1的特性进行调整。
本实施例中的LED发光装置在具体实施时，LED发光体1发出的光束射到入射面211时进行近乎水平方向上的出射，被入射面211折射的光束再入射到出射面212上，经出射面212的再次折射后投射出光束。其中，出射光线的比例大于投射光线的比例，经上述二次透镜2投射出的光斑为方形光斑。
实施本发明所提供的LED发光装置及其二次透镜结构，具有如下有益效果：二次透镜结构的入射面为第一母线绕一转轴旋转而成的曲面，第一母线为曲线，第一母线的一侧端点为设在转轴上的一固定点，入射面为以转轴为轴心的轴对称结构；入射面上蒸镀半透半反膜，以使入射面反射光线的比例大于投射光线的比例；出射面为非球面，LED发光体发出光束射到入射面时进行接近水平方向上的出射，被入射面折射的光束再入射到出射面上，经出射面的再次折射后投射出光斑，制程工艺更易于成型，减小制程得到的产品与设计模型间的差异；实现相同混光高度状态下更少数量的LED颗数；降低透镜高度，更适于低混光高度的透镜产品。

Claims (9)

1.一种用于LED发光装置的二次透镜结构，其特征在于，包括：
基体，所述基体具有入射面和出射面，所述入射面为第一母线绕一转轴旋转而成的曲面，所述第一母线为曲线，所述第一母线的一侧端点为设在所述转轴上的一固定点，所述固定点为LED发光装置发光体的发光中心，所述入射面为以所述转轴为轴心的轴对称结构；
所述入射面上蒸镀半透半反膜，以使所述入射面反射光线的比例大于投射光线的比例；
所述出射面为非球面，所述出射面的内侧和/或所述出射面的外侧设有若干依次排列的环形凹槽。
2.如权利要求1所述的用于LED发光装置的二次透镜结构，其特征在于，所述出射面为平面。
3.如权利要求1所述的用于LED发光装置的二次透镜结构，其特征在于，所述出射面为第二母线绕所述转轴旋转而成的曲面，所述第二母线为曲线，所述第二母线的一侧端点为设在所述转轴上的一固定点。
4.如权利要求1-3任一项所述的用于LED发光装置的二次透镜结构，其特征在于，还包括：固定在所述基体上的脚柱；
所述基体在垂直于所述转轴平面上的投影为圆形。
5.一种用于LED发光装置的二次透镜结构，其特征在于，包括：
基体，所述基体具有入射面和出射面，所述入射面包括多条棱线，所述多条棱线设为轴对称结构，其具有一对称轴，所述棱线为曲线，所述多条棱线的端点分别为设在所述对称轴的一固定点，所述固定点为LED发光装置发光体的发光中心，相邻的棱线之间分别设有数量相对应的曲面，多个曲面的结构相同；
所述入射面上蒸镀半透半反膜，以使所述入射面反射光线的比例大于投射光线的比例；
所述出射面为非球面。
6.如权利要求5所述的用于LED发光装置的二次透镜结构，其特征在于，所述基体在垂直于所述对称轴平面上的投影为正方形。
7.如权利要求5或6所述的用于LED发光装置的二次透镜结构，其特征在于，所述多条棱线为第一棱线、第二棱线、第三棱线以及第四棱线，相邻棱线的投影设为垂直。
8.一种LED发光装置，包括：LED发光体和用于LED发光装置的二次透镜所述用于LED发光装置的二次透镜为权利要求1-4任一项所述的用于LED发光装置的二次透镜结构；
所述LED发光体的发光中心装设在所述转轴的固定点上，所述LED发光体发出光束射到所述入射面时进行水平方向上的出射，被所述入射面折射的光束再入射到所述出射面上，经所述出射面的再次折射后投射出圆形光斑。
9.一种LED发光装置，包括：LED发光体和用于LED发光装置的二次透镜所述用于LED发光装置的二次透镜为权利要求6-7任一项所述的用于LED发光装置的二次透镜结构；
所述LED发光体的发光中心装设在所述对称轴的固定点上，所述LED发光体发出光束射到所述入射面时进行水平方向上的出射，被所述入射面折射的光束再入射到所述出射面上，经所述出射面的再次折射后投射出方形光斑。
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