CN110032006A - 一种背光源透镜组件、直下式背光源模组和显示装置 - Google Patents
一种背光源透镜组件、直下式背光源模组和显示装置 Download PDFInfo
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Abstract
本文提供一种背光源透镜组件、直下式背光源模组和显示装置。所述背光源透镜组件包括：沿光路传播方向同轴设置的第一透镜组(1)，含二元衍射面的凹透镜(2)和第二透镜组(3)；所述第一透镜组(1)包括一个或多个凹透镜(101)，以及一个或多个凸透镜(102)；所述含二元衍射面的凹透镜(2)的表面设置二元衍射面；所述第二透镜组(3)包括一个或多个凸透镜(102)。本文的技术方案能够缩短光源的混光光程，校正色差，提高光学效率，增大视场。
Description
技术领域
本文涉及显示技术，尤指一种背光源透镜组件、直下式背光源模组和显示装置。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)凭借其性能优势在液晶显示领域占据着重要的地位。根据LED的放置方式不同可以分为侧入式背光源和直下式背光源。
采用侧入式背光源的LED显示器虽有薄型化的外观优势，但必需采用导光板，增加了背光模组的整体成本。随着大尺寸显示器的应用越来越广泛，侧入式背光源一般通过双侧布灯等方法来解决导光板远端光线能量较弱的问题，在面临更大尺寸面板显示器件时候，成本高且亮度较低。
对于大尺寸液晶显示器，直下式LED背光模组结构较简单，不需使用导光板，LED灯条按一定规律布置在背光模组底部，LED灯条需要在单颗LED上添加透镜组，透镜组到扩散板之间需要空间以实现混光，通过一定的混光距离后，LED灯条发出的光线能够均匀地在扩散板上分布。直下式背光源有高亮度、高对比度、色域好等优势，但其也有一定缺陷，由于光源需要一定高度的混光距离才能够达到所需求的均匀性，因此其模组厚度较大是一明显亟待解决的问题。
发明内容
本申请提供了一种背光源透镜组件、直下式背光源模组和显示装置，能够缩短光源的混光光程，校正色差，提高光学效率，增大视场。
根据本申请的第一方面，本申请提供了一种背光源透镜组件，包括：沿光路传播方向同轴设置的第一透镜组，含二元衍射面的凹透镜和第二透镜组；
所述第一透镜组包括一个或多个凹透镜，以及一个或多个凸透镜；
所述含二元衍射面的凹透镜的表面设置二元衍射面；
所述第二透镜组包括一个或多个凸透镜。
根据本申请的第二方面，本申请提供了一种直下式背光源模组，包括：光源，以及设置在所述光源出光侧的上述背光源透镜组件。
根据本申请的第三方面，本申请提供了一种显示装置，包括上述直下式背光源模组。
与相关技术相比，本申请包括一种背光源透镜组件、直下式背光源模组和显示装置，所述背光源透镜组件包括沿光路传播方向同轴设置的第一透镜组，含二元衍射面的凹透镜和第二透镜组，所述第一透镜组对入射光线进行发散和汇聚，所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜对光线进行发散和衍射，所述第二透镜组对光线进行汇聚，通过凸透镜和凹透镜的两级光路调理以及二元衍射面的衍射效应能够缩短混光光程，校正色差，提高光学效率，增大视场。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例1中一种背光源透镜组件的示意图；
图2为本申请实施例1中含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜的示意图；
图3为本申请实施例1中一种第一透镜组的示意图；
图4为本申请实施例1中一种第二透镜组的示意图；
图5为包含图2所示的含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜的背光源透镜组件的示意图；
图6为图5的背光源透镜组件的点列图；
图7-a为图5的背光源透镜组件中去掉二元衍射面的视场示意图；
图7-b为图5的背光源透镜组件中包含二元衍射面的视场示意图；
图8为本申请实施例2中一种直下式背光源模组的示意图。
附图标记说明：
1第一透镜组；2含二元衍射面的凹透镜；3第二透镜组；
101凹透镜；102凸透镜；
10第一凸透镜； 11第二凸透镜； 12第一凹透镜；
13第三凸透镜； 14第四凸透镜； 15第五凸透镜；
30第六凸透镜； 31第七凸透镜；
100正光焦度弯月凸透镜； 110负光焦度弯月凸透镜；
120负光焦度双凹透镜； 130正光焦度弯月凸透镜；
140正光焦度双凸透镜； 150正光焦度双凸透镜；
200含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜；
2001二元衍射面；
300正光焦度弯月凸透镜； 310正光焦度弯月凸透镜；
40光阑；
具体实施方式
本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供了一种背光源透镜组件，包括：沿光路传播方向同轴设置的第一透镜组1，含二元衍射面的凹透镜2和第二透镜组3；
所述第一透镜组1包括一个或多个凹透镜101，以及一个或多个凸透镜102；
所述含二元衍射面的凹透镜2的表面设置二元衍射面；
所述第二透镜组3包括一个或多个凸透镜102。
在上述实施方式中，所述第一透镜组对入射光线进行发散和汇聚，所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜对光线进行发散和衍射，所述第二透镜组对光线进行汇聚，通过凸透镜和凹透镜的两级光路调理以及二元衍射面的衍射效应能够缩短混光光程，校正色差，提高光学效率，增大视场。
其中，二元衍射面是基于衍射理论采用计算机和微电子加工技术相结合的方式生产的一种表面浮雕型光学元件。它具有极高的衍射效率，能够有效减小透镜的尺寸，从而使整个光学系统的体积更小。它的色散特性可以很好地校正单透镜的轴上色差和球差。通过将二元光学元件与传统光学元件相结合，增加了光学设计中的变量，提高了系统的优化能力，改善了像质。
所述二元衍射面可以设置在所述凹透镜2的前镜面或后镜面上；
在一种实施方式中，如图2所示，所述含二元衍射面的凹透镜2为含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜200；其中，所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜200的后镜面的表面设置二元衍射面2001；
在一种实施方式中，如图3所示，所述第一透镜组1包括沿光路传播方向同轴设置的第一凸透镜10，第二凸透镜11，第一凹透镜12，第三凸透镜13，第四凸透镜14，和第五凸透镜15；
在一种实施方式中，如图4所示，所述第二透镜组3包括沿光路传播方向同轴设置的第六凸透镜30，和第七凸透镜31；
在一种实施方式中，如图5所示，所述第一凸透镜10为正光焦度弯月凸透镜100，第二凸透镜11为负光焦度弯月凸透镜110，第一凹透镜12为负光焦度双凹透镜120，第三凸透镜13为正光焦度弯月凸透镜130，第四凸透镜14为正光焦度双凸透镜140，第五凸透镜15为正光焦度双凸透镜150；所述第六凸透镜30为正光焦度弯月凸透镜300，所述第七凸透镜31为正光焦度弯月凸透镜310；
其中，所述负光焦度双凹透镜120的后镜面与所述正光焦度弯月凸透镜130的前镜面相贴合；所述正光焦度双凸透镜150的后镜面与所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜200的前镜面相贴合；所述正光焦度弯月凸透镜300的后镜面与所述正光焦度弯月凸透镜310的前镜面相互贴合；
在一种实施方式中，如图5所示，所述背光源透镜组件还包括光阑40；所述光阑40位于所述正光焦度弯月凸透镜130和所述正光焦度双凸透镜140之间；
在一种实施方式中，如图5所示，所述正光焦度弯月凸透镜100的材质为H-ZK7，所述负光焦度弯月凸透镜110的材质为H-K9L，所述负光焦度双凹透镜120的材质为氟化钡(BaF2)，正光焦度弯月凸透镜130的材质为H-ZBAF20，正光焦度双凸透镜140的材质为H-FK71，正光焦度双凸透镜150的材质为D-K59；所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜200的材质为H-LAK53A；所述正光焦度弯月凸透镜300的材质为氟化钙(CaF2)，所述正光焦度弯月凸透镜310的材质为H-ZK14；
在一种实施方式中，如图5所示，所述正光焦度弯月凸透镜100的前镜面为凸球面，后镜面为凹球面，前镜面的曲率半径的绝对值大于后镜面的曲率半径的绝对值；
所述负光焦度弯月凸透镜110的前镜面为凸球面，后镜面为凹球面，前镜面的曲率半径的绝对值大于后镜面的曲率半径的绝对值；
所述负光焦度双凹透镜120的前镜面为凹球面，后镜面为凹球面，前镜面的曲率半径的绝对值大于后镜面的曲率半径的绝对值；所述负光焦度双凹透镜120的后镜面与所述正光焦度弯月凸透镜130的前镜面相贴合；所述正光焦度弯月凸透镜130的后镜面为凹球面，所述正光焦度弯月凸透镜130的前镜面的曲率半径绝对值小于后镜面的曲率半径绝对值；
所述正光焦度双凸透镜140的前镜面为凸球面，后镜面为凸球面，前镜面的曲率半径的绝对值大于后镜面的曲率半径的绝对值；
所述正光焦度双凸透镜150的前镜面为凸球面，后镜面为凸球面，前镜面的曲率半径的绝对值大于后镜面的曲率半径的绝对值；所述正光焦度双凸透镜150的后镜面与所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜200的前镜面相贴合；所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜200的后镜面为凸球面，所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜200的前镜面的曲率半径的绝对值小于后镜面的曲率半径的绝对值；
所述正光焦度弯月凸透镜300的前镜面为凸球面，后镜面为凹球面，前镜面的曲率半径的绝对值大于后镜面的曲率半径的绝对值；所述正光焦度弯月凸透镜300的后镜面与正光焦度弯月凸透镜310的前镜面相贴合；所述正光焦度弯月凸透镜310的后镜面为凸球面，所述正光焦度弯月凸透镜310的前镜面的曲率半径的绝对值远小于后镜面的曲率半径的绝对值；
所述光阑40距离所述正光焦度弯月凸透镜130的后镜面的距离大于所述光阑40距离所述正光焦度双凸透镜150的前镜面的距离。
在一种实施方式中，如图5所示，所述正光焦度弯月凸透镜100的前镜面为凸球面，后镜面为凹球面，前镜面的曲率半径为19.115753mm，后镜面的曲率半径为10.352063mm；所述正光焦度弯月凸透镜100的中心厚度为3.466057mm，所述正光焦度弯月凸透镜100与所述负光焦度弯月凸透镜110的轴间距为6.113703mm；
所述负光焦度弯月凸透镜110的前镜面为凸球面，后镜面为凹球面，前镜面的曲率半径为14.861622mm，后镜面的曲率半径为6.865333mm；所述负光焦度弯月凸透镜110的中心厚度为3.456478mm；所述负光焦度弯月凸透镜110与所述负光焦度弯月双凹透镜120的轴间距为6.284694mm；
所述负光焦度双凹透镜120的前镜面为凹球面，后镜面为凹球面，前镜面的曲率半径为-23.978677mm，后镜面的曲率半径为7.079633mm；所述负光焦度双凹透镜120的中心厚度为2.5mm；所述负光焦度双凹透镜120的后镜面与所述正光焦度弯月凸透镜130的前镜面相贴合；所述正光焦度弯月凸透镜130的后镜面为凹球面，曲率半径为17.819231mm；所述正光焦度弯月凸透镜130的中心厚度为2.5mm；所述正光焦度弯月凸透镜130与所述正光焦度弯月双凸透镜140的轴间距为10.457530mm；
所述正光焦度双凸透镜140的前镜面为凸球面，后镜面为凸球面，前镜面的曲率半径为24.368868mm，后镜面的曲率半径为-18.136937mm；所述正光焦度双凸透镜140的中心厚度为2.068461mm；所述正光焦度双凸透镜140与所述正光焦度双凸透镜150的轴间距为2.181215mm；
所述正光焦度双凸透镜150的前镜面为凸球面，后镜面为凸球面，前镜面的曲率半径20.074035mm，后镜面的曲率半径为-8.385583mm；所述正光焦度双凸透镜150的中心厚度为3.5mm；所述正光焦度双凸透镜150的后镜面与所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜200的前镜面相贴合；所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜200的后镜面为凸球面，曲率半径为-14.806076mm；所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜200的中心厚度为2.749971mm；所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜200与所述正光焦度弯月凸透镜300的轴间距为5mm；
所述正光焦度弯月凸透镜300的前镜面为凸球面，后镜面为凹球面，前镜面的曲率半径为13.645673mm，后镜面的曲率半径为6.334209mm；所述正光焦度弯月凸透镜300的中心厚度为1.772116mm；所述正光焦度弯月凸透镜300的后镜面与正光焦度弯月凸透镜310的前镜面相贴合；所述正光焦度弯月凸透镜310的后镜面为凸球面，曲率半径为380.952847mm，所述正光焦度弯月凸透镜310的中心厚度为3.500002mm；
所述光阑40距离所述正光焦度弯月凸透镜130的后镜面的距离为10.453570mm，距离所述正光焦度双凸透镜150的前镜面的距离为0.499999mm。
其中，正的曲率半径用于表示球面弯向物方，负的曲率半径用于表示球面弯向像方。
在一种实施方式中，所述第一透镜组和所述第二透镜组的介质均为空气；
在一种实施方式中，所述二元面具有以下特征：二次曲面系数k＝-5.304983，衍射级为1，高次非球面系数a2＝6.760656×10-3、a4＝5.200686×10-5，多项式系数项为2，归一化半径为100mm，coeff.on2＝-5.296525×105，coeff.on4＝6.617836×105；其中，coeff.on是衍射系数。
其中，衍射光学元件具有较高的衍射效率和消色差等特性，适用于光栅公式。其阿贝系数为负值，有利于校正色差，减小点列图半径，提高光能的集中度。
其中，针对图5所示的背光源透镜组件，图6-a是0度视场下的单位像元尺寸范围内的点列图，图6-b是60度视场下的单位像元尺寸范围内的点列图，图6-c是90度视场下的单位像元尺寸范围内的点列图，图6-d是120度视场下的单位像元尺寸范围内的点列图。各视场在单位像元尺寸范围内点列图的均方根半径均小于13μm，所以能量较高。
其中，针对图5所示的背光源透镜组件，如图7-a所示，未添加二元衍射元件的背光源透镜组件，在提高视场至120°的情况下，该光学系统各波段的光线无法聚焦在焦平面上，此时的视场设置不合理，光学系统视场无法达到120°。如图7-b所示，添加了二元衍射元件之后的背光源透镜组件，将视场提高至120°的情况下，各视场光线聚焦在统一焦平面上，即合理地添加了二元衍射元件后视场可增大到120°。因为二元衍射元件具有衍射级和高级项系数，在光学系统设计时可以增大宏观优化范围，即添加二元衍射原件在一定程度上可以增大光学系统的视场。
实施例2
如图8所示，本发明实施例提供了一种直下式背光源模组，包括：光源801，以及设置在所述光源801出光侧的上述实施例1中的背光源透镜组件802。
其中，所述光源为发光二极管LED。LED直下式背光源模组包括基板，LED灯条，背光源透镜组件以及扩散板。其中，LED灯条按一定规律设置在基板上，每一颗LED灯的出光侧设置背光源透镜组件，通过所述背光源透镜组件的混光，使得光线能够均匀地在扩散板上分布。LED灯发出的光通过背光源组件中凸透镜和凹透镜的两级光路调理以及二元衍射面的衍射效应能够缩短混光光程，校正色差，提高光学效率，增大视场。
实施例3
本发明实施例提供一种显示装置，包括：上述实施例2中的直下式背光源模组。
显示装置采用上述直下式背光源模组后，光源通过背光源组件中凸透镜和凹透镜的两级光路调理以及二元衍射面的衍射效应能够缩短混光光程，校正色差，提高光学效率，增大视场。采用具有二元衍射面的背光源模组，能够显著降低显示装置的厚度。
Claims (10)
1.一种背光源透镜组件，包括：沿光路传播方向同轴设置的第一透镜组(1)，含二元衍射面的凹透镜(2)和第二透镜组(3)；
所述第一透镜组包括一个或多个凹透镜(101)，以及一个或多个凸透镜(102)；
所述含二元衍射面的凹透镜(2)的表面设置二元衍射面；
所述第二透镜组(3)包括一个或多个凸透镜(102)。
2.如权利要求1所述的背光源透镜组件，其特征在于：
所述含二元衍射面的凹透镜(2)为含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜(200)；其中，所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜(200)的前镜面设置二元衍射面(2001)。
3.如权利要求2所述的背光源透镜组件，其特征在于：
所述第一透镜组(1)包括沿光路传播方向同轴设置的第一凸透镜(10)，第二凸透镜(11)，第一凹透镜(12)，第三凸透镜(13)，第四凸透镜(14)，和第五凸透镜(15)；
所述第二透镜组(3)包括沿光路传播方向同轴设置的第六凸透镜(30)，和第七凸透镜(31)。
4.如权利要求3所述的背光源透镜组件，其特征在于：
所述第一凸透镜(10)为正光焦度弯月凸透镜(100)，第二凸透镜(11)为负光焦度弯月凸透镜(110)，第一凹透镜(12)为负光焦度双凹透镜(120)，第三凸透镜(13)为正光焦度弯月凸透镜(130)，第四凸透镜(14)为正光焦度双凸透镜(140)，第五凸透镜(15)为正光焦度双凸透镜(150)；所述第六凸透镜(30)为正光焦度弯月凸透镜(300)，所述第七凸透镜(31)为正光焦度弯月凸透镜(310)；
其中，所述负光焦度双凹透镜(120)的后镜面与所述正光焦度弯月凸透镜(130)的前镜面相贴合；所述正光焦度双凸透镜(150)的后镜面与所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜(200)的前镜面相贴合；所述正光焦度弯月凸透镜(300)的后镜面与所述正光焦度弯月凸透镜(310)的前镜面相互贴合。
5.如权利要求4所述的背光源透镜组件，其特征在于：
所述背光源透镜组件还包括光阑(40)；所述光阑(40)位于所述正光焦度弯月凸透镜(130)和所述正光焦度双凸透镜(140)之间。
6.如权利要求5所述的背光源透镜组件，其特征在于：
所述正光焦度弯月凸透镜(100)的材质为H-ZK7，所述负光焦度弯月凸透镜(110)的材质为H-K9L，所述负光焦度双凹透镜(120)的材质为BaF2，正光焦度弯月凸透镜(130)的材质为H-ZBAF20，正光焦度双凸透镜(140)的材质为H-FK71，正光焦度双凸透镜(150)的材质为D-K59，所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜(200)的材质为H-LAK53A，所述正光焦度弯月凸透镜(300)的材质为CaF2，所述正光焦度弯月凸透镜(310)的材质为H-ZK14。
7.如权利要求6所述的背光源透镜组件，其特征在于：
所述二元面具有以下特征：二次曲面系数k＝-5.304983，衍射级为1，高次非球面系数a2＝6.760656×10-3、a4＝5.200686×10-5，多项式系数项为2，归一化半径为100mm，coeff.on2＝-5.296525×105，coeff.on4＝6.617836×105；其中，coeff.on是衍射系数。
8.如权利要求7所述的背光源透镜组件，其特征在于：
所述正光焦度弯月凸透镜(100)的前镜面为凸球面，后镜面为凹球面，前镜面的曲率半径的绝对值大于后镜面的曲率半径的绝对值；
所述负光焦度弯月凸透镜(110)的前镜面为凸球面，后镜面为凹球面，前镜面的曲率半径的绝对值大于后镜面的曲率半径的绝对值；
所述负光焦度双凹透镜(120)的前镜面为凹球面，后镜面为凹球面，前镜面的曲率半径的绝对值大于后镜面的曲率半径的绝对值；所述负光焦度双凹透镜(120)的后镜面与所述正光焦度弯月凸透镜(130)的前镜面相贴合；所述正光焦度弯月凸透镜(130)的后镜面为凹球面，所述正光焦度弯月凸透镜(130)的前镜面的曲率半径绝对值小于后镜面的曲率半径绝对值；
所述正光焦度双凸透镜(140)的前镜面为凸球面，后镜面为凸球面，前镜面的曲率半径的绝对值大于后镜面的曲率半径的绝对值；
所述正光焦度双凸透镜(150)的前镜面为凸球面，后镜面为凸球面，前镜面的曲率半径的绝对值大于后镜面的曲率半径的绝对值；所述正光焦度双凸透镜(150)的后镜面与所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜(200)的前镜面相贴合；所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜(200)的后镜面为凸球面，所述含二元衍射面的负光焦度弯月凹透镜(200)的前镜面的曲率半径的绝对值小于后镜面的曲率半径的绝对值；
所述正光焦度弯月凸透镜(300)的前镜面为凸球面，后镜面为凹球面，前镜面的曲率半径的绝对值大于后镜面的曲率半径的绝对值；所述正光焦度弯月凸透镜(300)的后镜面与正光焦度弯月凸透镜(310)的前镜面相贴合；所述正光焦度弯月凸透镜(310)的后镜面为凸球面，所述正光焦度弯月凸透镜(310)的前镜面的曲率半径的绝对值远小于后镜面的曲率半径的绝对值；
所述光阑40距离所述正光焦度弯月凸透镜(130)的后镜面的距离大于所述光阑(40)距离所述正光焦度双凸透镜(150)的前镜面的距离。
9.一种直下式背光源模组，包括：光源，以及设置在所述光源出光侧的上述权利要求1-8中任一项所述的背光源透镜组件。
10.一种显示装置，包括：权利要求9中任一项所述的直下式背光源模组。
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