CN110858031A - Led显示屏透镜设计方法、计算机设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明的LED显示屏透镜设计方法、计算机设备及存储介质，方法包括透镜具有供接收出光方向横置的LED光源所发出光线的第一底面、及供所述光线出射的外表面的情况下，计算令预设倾角范围内的外部光线从所述外表面进入透镜并在所述第二底面出射且偏离所述LED光源的第一透镜模型参数；计算令所述来自LED光源的光线在所述外表面的出射方向相对其在所述外表面的入射方向向所需配光角度偏转的第二透镜模型参数；其中，所述外表面为一扩散面，以令其朝向LED光源的背面为一聚焦面；综合所述第一透镜模型参数及第二透镜模型参数，以完成透镜设计，解决现有技术的问题。

Description

LED显示屏透镜设计方法、计算机设备及存储介质

技术领域

本发明涉及光学显示技术领域，尤其涉及LED显示屏透镜设计方法、计算机设备及存储介质。

背景技术

可变交通信息标志(VMS)是电子化、智能化的交通标志。VMS的安装高度较高，因此，上视角的光线都是无效光。VMS亮度对比度是VMS显示屏光学参数的重要组成部分，欧洲标准EN12966规定测试显示屏亮度对比度时，设定太阳模拟器向下倾斜角为10°±0.1°。司机一般从很远的地方观察VMS，部分太阳光反射光可直接进入看标志的司机的眼睛，造成司机的视觉疲劳，甚至视觉上瞬间致盲，易引发交通事故，具体的，太阳光进入透镜后会被导向LED光源表面，被LED光源表面散射的太阳光大多重新回到透镜，经透镜会聚放大，形成很强的反射光。

因此，在设计此类显示屏上的透镜时，既需要考虑出射光的方向要求，也需要考虑避免外部光线(包括太阳光)的反射的要求，故需要专门的设计方法。

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LED显示屏透镜设计方法、计算机设备及存储介质，用于设计符合出射光的方向要求、也符合避免外部光线(包括太阳光)的反射要求的透镜，解决现有技术的问题。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种LED显示屏透镜设计方法，包括：在透镜具有供接收出光方向横置的LED光源所发出光线的第一底面、第一底面以外的第二底面及供所述光线出射的外表面的情况下，计算令预设倾角范围内的外部光线从所述外表面进入透镜并在所述第二底面出射且偏离所述LED光源的第一透镜模型参数；其中，所述外表面为一扩散面，以令其朝向LED光源的背面为一聚焦面；计算令所述来自LED光源的光线在所述外表面的出射方向相对其在所述外表面的入射方向向所需配光角度偏转的第二透镜模型参数；综合所述第一透镜模型参数及第二透镜模型参数，以完成透镜设计。

于本发明的一实施例中，所述第一透镜模型参数包括：所述第二底面的位置及尺寸；所述计算令预设倾角范围内的外部光线从所述外表面进入透镜并在所述第二底面出射且偏离所述LED光源的第一透镜模型参数，包括：设定所述第二底面在该聚焦面的光轴上的所在位置，其中，所述第二底面在光轴上的所在位置由该第二底面在光轴上相对于所述聚焦面的焦平面的偏移量决定；利用由折射定律及三角函数所计算的所述偏移量、同各所述外部光线在所述第二底面所在的透镜截面上投射的光斑的尺寸间的数学关系，以根据所设定的第二底面所在位置的偏移量计算对应光斑的尺寸；设置所述第二底面的尺寸大于所述光斑的尺寸，以令形成该光斑的外部光线落入该第二底面。

于本发明的一实施例中，所述利用由折射定律及三角函数所计算的所述偏移量、同各所述外部光线在所述第二底面所在的透镜截面上投射的光斑的尺寸间的数学关系，以根据所设定的第二底面所在位置的偏移量计算对应光斑的尺寸，包括：当第一外部光线平行于光轴入射时，焦点位于光轴而令光斑为圆形；根据显示屏的点间距需求得到透镜的所述聚焦面上的通光口径D，并根据透镜从聚焦面至LED光源间所需设置的各透镜部分的厚度要求，确定透镜长度并进而确定焦距f，根据焦距及透镜材料的折射率计算确定聚焦面所在球面的半径R，根据球面半径R和通光口径D根据三角函数计算第一外部光线的入射角θ1，并根据θ1及折射率计算出射角θ2，进而得到θ1和θ2之间的ω的三角函数作为光斑直径d与所述偏移量L之间的相关系数；当第二外部光线偏离第一外部光线α角度入射时，焦点偏离光轴α角度而令所述光斑为椭圆形，所述椭圆形的长轴长度为d/cosα；所述根据所设定的第二底面所在位置的偏移量计算对应光斑的尺寸，包括：设置第二底面长度a大于d/cosα。

于本发明的一实施例中，所述聚焦面的半径R的计算公式为：R＝nf(n-1)，n是材料的折射率，f是聚焦面的焦距。

于本发明的一实施例中，以所述透镜从聚焦面至LED光源的为第一方向，所述所需设置的各透镜部分，包括：沿所述第一方向依次设置的由所述聚焦面沿第一方向深入第一厚度形成的聚光部、深入第二厚度形成的平台部、以及沿第一方向的径向排列设置的具有所述第一底面的第一导光部和具有所述第二底面的第二导光部；所述第二透镜参数还包括：包含所述聚焦面所在球面的半径R、及第一厚度的聚光部尺寸参数、及包含第二厚度的平台部尺寸参数。

于本发明的一实施例中，所述综合所述第一透镜模型参数及第二透镜模型参数指的是通过第二透镜模型参数来调整第一透镜模型参数。

于本发明的一实施例中，所述通过第二透镜模型参数来调整第一透镜模型参数，包括：通过对应第一透镜参数建立的透镜模型进行光学模拟并调整第一模型透镜参数，直至达成令所述来自LED光源的光线在所述外表面的出射方向相对其在所述外表面的入射方向向所需配光角度偏转并获得最佳光学效果。

于本发明的一实施例中，所述第一底面设计为相对LED光源内凹或外凸的曲面。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种计算机设备，包括：处理器及存储器；所述存储器，用于存储透镜设计程序；所述处理器，用于运行所述透镜设计程序以实现所述的透镜设计方法。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种计算机可读存储介质，存储有透镜设计程序；所述透镜设计程序被运行时实现所述的透镜设计方法。

如上所述，本发明的LED显示屏透镜设计方法、计算机设备及存储介质，方法包括透镜具有供接收出光方向横置的LED光源所发出光线的第一底面、及供所述光线出射的外表面的情况下，计算令预设倾角范围内的外部光线从所述外表面进入透镜并在所述第二底面出射且偏离所述LED光源的第一透镜模型参数；计算令所述来自LED光源的光线在所述外表面的出射方向相对其在所述外表面的入射方向向所需配光角度偏转的第二透镜模型参数；其中，所述外表面为一扩散面，以令其朝向LED光源的背面为一聚焦面；综合所述第一透镜模型参数及第二透镜模型参数，以完成透镜设计，解决现有技术的问题。

附图说明

图1显示为本发明实施例中的LED显示屏透镜设计方法的流程示意图。

图2显示为本发明实施例中步骤S101计算第一透镜模型参数的流程示意图。

图3A显示为本发明实施例中平射的第一外部光线落在外表面的平面几何示意图。

图3B显示为本发明实施例中斜射的第二外部光线落在外表面的平面几何示意图。

图4A显示为本发明实施例中显示屏的分解结构示意图。

图4B显示为本发明实施例中显示屏的截面结构示意图。

图4C显示为本发明实施例中推导出的透镜的结构示意图。

图5显示为本发明实施例中透镜的正、反向光路的模拟示意图。

图6A显示为本发明一实施例中第一底面的结构示意图。

图6B显示为本发明又一实施例中第一底面的结构示意图。

图7显示为本发明实施例中聚光部的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，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。

本发明的技术方案是关于透镜的设计，所述透镜用于显示屏上的LED光源，对LED的出光进行处理后输出，所述透镜既要实现在出光的正向设计上令LED光源的出光有所需配光角度的需求(例如进入VMS显示屏的下方人员可视的角度范围)，又要实现在入光的反向设计上防止外部光线(如太阳光)的反射。因此，本发明针对此类透镜提供相应的透镜设计方法。

该透镜设计方法可以结合计算机软件技术来实现，通过如运行在计算机上的设计软件、光学模拟仿真软件等来实现。

如图1所示，展示本发明实施例中LED显示屏透镜设计方法的流程示意图。

所述方法包括：

步骤S101：在透镜具有供接收出光方向横置的LED光源所发出光线的第一底面、第一底面以外的第二底面及供所述光线出射的外表面的情况下，计算令预设倾角范围内的外部光线从所述外表面进入透镜并在所述第二底面出射且偏离所述LED光源的第一透镜模型参数。

于本发明的一实施例中，所述外表面为扩散面，其朝向LED光源的背面为聚焦面，所述外表面可以是一球面的部分圆弧面。

在反向设计上，所第一透镜模型参数中关于第二底面的参数要能使得从外部进入透镜的预设倾角范围的外部光线(如太阳光)等能进入第二底面，而避开LED光源以避免反光。

于本发明的一实施例中，所述第一透镜模型参数包括：所述第二底面的位置及尺寸。

如图2所示，所述步骤S101具体还包括：

步骤S201：设定所述第二底面在该聚焦面的光轴上的所在位置，其中，所述第二底面在光轴上的所在位置由该第二底面在光轴上相对于所述聚焦面的焦平面的偏移量决定。

举例来说，如图3A所示，在本图示中，所述外表面301的背面即聚焦面对应具有焦点F，当第一外部光线302如本图中所示平行于光轴303射入该外表面301，则焦点F落在光轴303上，此时，第一外部光线302在焦平面304上投射为一个光点，而在垂直光轴且偏移(即图中的向左、或右偏移)至不与焦平面重合的透镜截面305上，外部光线302会形成圆形的光斑，进而，若第二底面落在该截面上，则同样会形成圆形光斑。

再如图3B所示，在本图示中，相对光轴方向偏转的第二外部光线306射入该外表面301，则聚焦面的焦点F1会偏移出光轴303，此时，在沿光轴303偏移的透镜截面上落下的光斑会是椭圆形。

步骤S202：利用由折射定律及三角函数所计算的所述偏移量、同各所述外部光线在所述第二底面所在的透镜截面上投射的光斑的尺寸间的数学关系，以根据所设定的第二底面所在位置的偏移量计算对应光斑的尺寸。

具体来讲，如图4A、4B及4C所示，图4A中展示实施例中显示屏400的分解结构，图4B展示对应的展示实施例中显示屏截面结构示意图，图4C展示实施例中透镜的结构示意图。

在图4A中可见，显示屏400表面阵列排布各组LED光源401及透镜402；所述显示屏400还包括供安装透镜402的面罩403及格栅404，所述透镜402需要有部分结合于面罩403上的孔，且需有部分需结合于格栅404上的开孔，以作设置。

因此，所述透镜402需设置对应所述面罩403及格栅404的结构部分。

如图4C所示，以所述透镜402从聚焦面至LED光源401为第一方向，所需设置的各透镜部分包括：沿所述第一方向依次设置的由所述聚焦面沿第一方向深入第一厚度形成的聚光部405、深入第二厚度形成的平台部406、以及沿第一方向的径向排列设置的具有所述第一底面407的第一导光部408和具有所述第二底面409的第二导光部410，第一底面407面对LED光源401；如图4B所示，所述聚光部405对应结合于面罩403上的孔，所述平台部406对应结合格栅404上的开孔，相应的，所述第一厚度需与面罩403的厚度适配，第二厚度与格栅404的厚度适配。

根据显示屏400的点间距需求得到透镜402在所述聚焦面上的通光口径D，在图3A中显示D/2。根据透镜402从聚焦面至LED光源401间所需设置的聚光部405的第一厚度和平台部406的第二厚度要求，聚焦面的焦距f可以根据由第一厚度、第二厚度及其他导光因素等来估算的透镜整体长度h来选定。

所述第二透镜参数中包含聚光部405的第一厚度和平台部406的第二厚度这两个参数，聚光部405的通光口径D也已知，若该聚焦面是部分球面的话，只需要知道球面的半径R就能设计出聚光部405。

而所述半径R可以根据聚焦面的焦距及透镜材料的折射率计算确定。于本发明的一实施例中，所述聚焦面的半径R的计算公式为：R＝nf(n-1)，n是材料的折射率，f是聚焦面的焦距。

根据图3A中，O点为圆心，外表面301上对应通光口径最上边缘位置射入的第一外部光线302的入射角：

根据折射率n可以计算得到折射角：

而根据同位角相等，及三角形外角等于对角和，可以算得折射光线与光轴的夹角：ω＝θ1-θ2。

ω的三角函数可以作为光斑直径d与所述偏移量L之间的相关系数，根据图示可以推得，第二底面沿光轴方向的偏移量L与垂直于光轴的透镜截面上圆形光斑的直径d的关系为：d＝2L*tanω。

再以此类推，在图3B中，第二外部光线306相对第一外部光线302的方向偏转角度α入射时，令所述光斑为椭圆形，所述椭圆形的长轴长度为d/cosα。

步骤S203：设置所述第二底面的尺寸大于所述光斑的尺寸，以令形成该光斑的外部光线落入该第二底面。

所述第二底面占所在透镜截面的部分或全部，其面积越大，则出射的外部光线越多，而且，由于第一底面和第二底面相互分离，若第一底面在正对LED光源，则第二底面必然偏离LED光源，也就是说，从第二底面出射的外部光线只要是偏离于LED光源，就能避免该些外部光线再被反射而形成如背景技术所述的反光的问题。

因此，只要第二底面的尺寸足以让上述各外部光线组成的光束都通过，就能避免光束落到LED光源上。

为使上述圆形或椭圆形光斑能完全落入第二底面中，则第二底面的尺寸需大于光斑尺寸，例如在图3A和3B的实施例中，外部光线都是平行光轴方向的光而形成圆形光斑的话，所述第二底面在光轴的径向上的长度要大于圆形光斑的直径，当偏移量为0，第二底面与焦平面重合时，第二底面的长度只需要略大于0即可，一般为几毫米；而若所述外部光线包含相对光轴方向偏转的光而形成椭圆形光斑的话，则可以设置第二底面在光轴的径向长度a大于d/cosα，即大于椭圆形的长轴长度，就把所有通过第二底面所在截面的太阳光都包含住了。

根据上述第一透镜模型参数可以得到初始的透镜模型，在光学软件中，模拟验证太阳光通过透镜的情况。

步骤S102：计算令所述来自LED光源的光线在所述外表面的出射方向相对其在所述外表面的入射方向向所需配光角度偏转的第二透镜模型参数。

步骤S103：综合所述第一透镜模型参数及第二透镜模型参数，以完成透镜设计。

于本发明的一实施例中，所述综合所述第一透镜模型参数及第二透镜模型参数指的是通过第二透镜模型参数来调整第一透镜模型参数。

具体的，通过对应第一透镜参数建立的透镜模型进行光学模拟并调整第一模型透镜参数，直至达成令所述来自LED光源的光线在所述外表面的出射方向相对其在所述外表面的入射方向向所需配光角度偏转并获得最佳光学效果，从而得到最终的透镜设计。

在图5的实施例中，展示正向及反向两种光线的光路AB及CD，AB从第一底面Z入射透镜，传送至外表面E出射，CD从外表面E入射，从第二底面X出射；需说明的是，在本实施例中，所述所需配光角度指的是下方，由于显示屏较高，出射光线向下偏转才能下方的人眼接收到。

于本发明的一实施例中，第一底面大小可以根据LED光源的封装尺寸自行定义；所述第一底面可以设计为相对LED光源内凹或外凸的曲面；如图6A所示，当第一底面601为凸面时，缩小LED光源602出射光线的入射角；如图6B所示，第一底面603为凹面时，扩大LED光源602出射光线的入射角。在实际情况中，可以根据第一导光部的情况，可自由选择第一底面的形状。

于本发明的一实施例中，优选的，可参考图4C，所述第一导光部和第二导光部的锥形侧壁可具有大于1°的锥度。

于本发明的一实施例中，如图7所示，所述聚光部700的形状可以设计为图示的部分圆柱形。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种计算机设备，包括：处理器及存储器；所述存储器，用于存储透镜设计程序；所述处理器，用于运行所述透镜设计程序以实现所述的透镜设计方法。

具体的，所述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器801(DigitalSignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGateArray，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

所述存储器可能包含随机存取存储器(RandomAccessMemory，简称RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种计算机可读存储介质，存储有透镜设计程序；所述透镜设计程序被运行时实现所述的透镜设计方法。所述计算机存储介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，包括例如：半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘等。

综上所述，本发明的LED显示屏透镜设计方法、计算机设备及存储介质，方法包括透镜具有供接收出光方向横置的LED光源所发出光线的第一底面、及供所述光线出射的外表面的情况下，计算令预设倾角范围内的外部光线从所述外表面进入透镜并在所述第二底面出射且偏离所述LED光源的第一透镜模型参数；计算令所述来自LED光源的光线在所述外表面的出射方向相对其在所述外表面的入射方向向所需配光角度偏转的第二透镜模型参数；其中，所述外表面为一扩散面，以令其朝向LED光源的背面为一聚焦面；综合所述第一透镜模型参数及第二透镜模型参数，以完成透镜设计，解决现有技术的问题。

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 (10)

1.一种LED显示屏透镜设计方法，其特征在于，包括：

在透镜具有供接收出光方向横置的LED光源所发出光线的第一底面、第一底面以外的第二底面及供所述光线出射的外表面的情况下，计算令预设倾角范围内的外部光线从所述外表面进入透镜并在所述第二底面出射且偏离所述LED光源的第一透镜模型参数；其中，所述外表面为一扩散面，以令其朝向LED光源的背面为一聚焦面；

计算令所述来自LED光源的光线在所述外表面的出射方向相对其在所述外表面的入射方向向所需配光角度偏转的第二透镜模型参数；

综合所述第一透镜模型参数及第二透镜模型参数，以完成透镜设计。

2.根据权利要求1所述的LED显示屏透镜设计方法，其特征在于，所述第一透镜模型参数包括：所述第二底面的位置及尺寸；所述计算令预设倾角范围内的外部光线从所述外表面进入透镜并在所述第二底面出射且偏离所述LED光源的第一透镜模型参数，包括：

设定所述第二底面在该聚焦面的光轴上的所在位置，其中，所述第二底面在光轴上的所在位置由该第二底面在光轴上相对于所述聚焦面的焦平面的偏移量决定；

利用由折射定律及三角函数所计算的所述偏移量、同各所述外部光线在所述第二底面所在的透镜截面上投射的光斑的尺寸间的数学关系，以根据所设定的第二底面所在位置的偏移量计算对应光斑的尺寸；

设置所述第二底面的尺寸大于所述光斑的尺寸，以令形成该光斑的外部光线落入该第二底面。

3.根据权利要求1所述的LED显示屏透镜设计方法，其特征在于，所述利用由折射定律及三角函数所计算的所述偏移量、同各所述外部光线在所述第二底面所在的透镜截面上投射的光斑的尺寸间的数学关系，以根据所设定的第二底面所在位置的偏移量计算对应光斑的尺寸，包括：

当第一外部光线平行于光轴入射时，焦点位于光轴而令光斑为圆形；根据显示屏的点间距需求得到透镜的所述聚焦面上的通光口径D，并根据透镜从聚焦面至LED光源间所需设置的各透镜部分的厚度要求，确定透镜长度并进而确定焦距f，根据焦距及透镜材料的折射率计算确定聚焦面所在球面的半径R，根据球面半径R和通光口径D根据三角函数计算第一外部光线的入射角θ1，并根据θ1及折射率计算出射角θ2，进而得到θ1和θ2之间的ω的三角函数作为光斑直径d与所述偏移量L之间的相关系数；

当第二外部光线偏离第一外部光线α角度入射时，焦点偏离光轴α角度而令所述光斑为椭圆形，所述椭圆形的长轴长度为d/cosα；

所述根据所设定的第二底面所在位置的偏移量计算对应光斑的尺寸，包括：设置第二底面长度a大于d/cosα。

4.根据权利要求3所述的LED显示屏透镜设计方法，其特征在于，所述聚焦面的半径R的计算公式为：R＝nf(n-1)，n是材料的折射率，f是聚焦面的焦距。

5.根据权利要求3所述的LED显示屏透镜设计方法，其特征在于，以所述透镜从聚焦面至LED光源的为第一方向，所述所需设置的各透镜部分，包括：沿所述第一方向依次设置的由所述聚焦面沿第一方向深入第一厚度形成的聚光部、深入第二厚度形成的平台部、以及沿第一方向的径向排列设置的具有所述第一底面的第一导光部和具有所述第二底面的第二导光部；所述第二透镜参数还包括：包含所述聚焦面所在球面的半径R、及第一厚度的聚光部尺寸参数、及包含第二厚度的平台部尺寸参数。

6.根据权利要求1或5所述的LED显示屏透镜设计方法，其特征在于，所述综合所述第一透镜模型参数及第二透镜模型参数指的是通过第二透镜模型参数来调整第一透镜模型参数。

7.根据权利要求6所述的LED显示屏透镜设计方法，其特征在于，所述通过第二透镜模型参数来调整第一透镜模型参数，包括：通过对应第一透镜参数建立的透镜模型进行光学模拟并调整第一模型透镜参数，直至达成令所述来自LED光源的光线在所述外表面的出射方向相对其在所述外表面的入射方向向所需配光角度偏转并获得最佳光学效果。

8.根据权利要求1所述的LED显示屏透镜设计方法，其特征在于，所述第一底面设计为相对LED光源内凹或外凸的曲面。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括：处理器及存储器；

所述存储器，用于存储透镜设计程序；

所述处理器，用于运行所述透镜设计程序以实现如权利要求1～8中任一项所述的透镜设计方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有透镜设计程序；所述透镜设计程序被运行时实现如权利要求1～8中任一项所述的透镜设计方法。

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