CN112198660B - 一种配光透镜的形成方法和直下式led背光源装置 - Google Patents

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CN112198660B CN202011185314.5A CN202011185314A CN112198660B CN 112198660 B CN112198660 B CN 112198660B CN 202011185314 A CN202011185314 A CN 202011185314A CN 112198660 B CN112198660 B CN 112198660B
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Abstract

本发明公开了一种配光透镜的形成方法和直下式背光源装置，属于光源领域，方法包括：以预设点A0为第一曲线的起始点，利用
Figure DDA0002749651140000011
计算第一曲线上的点Ai；将得到的点云Ai拟合成第一曲线，并将第一曲线旋转360°得到上表面的中心凹面；基于光源作为焦点和第一曲线的边缘点获取抛物线L；截取抛物线L的部分曲线，将部分曲线旋转360°得到上表面的中间反射凸面；以预设点B0为第二曲线的起始点，利用
Figure DDA0002749651140000012
计算第二曲线上的点Bj；然后将点云Bj(xj，zj)拟合成第二曲线，并将第二曲线旋转360°得到下表面边缘的反射凸面。本发明基于光源、扩散板的位置及距离设计出的配光透镜上表面和下表面均为非曲面面型，透镜表面连续光滑，且形成的配光透镜能够使出射光能量均匀分布。

Description

一种配光透镜的形成方法和直下式LED背光源装置
技术领域
本发明属于光源领域，更具体地，涉及一种配光透镜的形成方法和直下式背光源装置。
背景技术
传统LED光源具有寿命长、功耗低、结构紧凑、设计灵活等诸多优点。随着LED光效的逐渐提升，LED的应用范围也愈加广泛。一般地，LED出射光强属于朗伯分布，其出射光直接照射至目标面上会呈现出中间强边缘若的照度分布。因此需要借助二次光学设计来重新调整出光状态，以满足特定的照明需求。
对于基于LED光源的液晶背光应用，根据光源的位置可分为侧光式LED背光源和直下式LED背光源。侧光式LED背光是将LED放在导光板的侧面，点亮LED后由导光板将光均匀扩散至整个液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)面板，对LCD面板进行均匀照明；直下式LED背光则是将LED均匀地放置在LCD面板的后面，当点亮全部LED后，就可以实现对LCD面板的均匀照明。侧光式LED背光的LCD面板可以做得很薄，但LCD面板面积较大时会容易出现整体亮度分布不均匀情况，常常出现边缘过暗，中间过亮的显示效果；此外，侧入式LED背光还需要使用的导光板成本较高。而直下式LED背光模组在经过合理的设计后，可以对任意尺寸的LCD面板提供均匀的照明。
在现有的直下式背光模组设计中，中国专利CN109425925A公开了一种横截面呈锯齿形结构的配光结构，该结构声称可以提升LED光源的照射范围，但是并没锯齿状的结构势必增加加工难度，同时也没有公开设计方法。中国专利CN103196097B公开了一种用于直下式光源的LED二次柱面透镜，用于实现均匀照明，且入射面和出射面均为泽尼克多项式面。该专利所设计出的透镜为柱透镜，不具有旋转对称性，面型参数通过优化得出，优化意味着耗时的蒙特卡洛光线追击，不利于加速产品开发。中国专利CN104806976B公开了一种直下式背光源配光用透镜，该透镜上表面光滑连续，下表面由中间光滑面和边缘锯齿环带面构成。同样，其入射面和出射面为泽尼克多项式面，其参数计算过程并未公布，且下表面的锯齿结构也给加工带来了困难。
因此，现有技术不足，需要改进。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种配光透镜的形成方法和直下式LED背光源装置，其目的在于，设计出一种配光透镜的形成方法，能够形成匀光效果较好的配光透镜，其应用于直下式LED背光源装置时，能够提高直下式LED背光源装置的照明效果。同时，设计出的配光透镜上表面和下表面连续光滑，利于加工。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种配光透镜的形成方法，所述配光透镜应用于直下式LED背光源装置，所述方法包括：
S1：以坐标点A0(0，h)作为第一曲线的起始点，利用公式
Figure BDA0002749651120000021
计算所述第一曲线下一点Ai(xi，zi)；
其中，h为所述配光透镜上表面中心凹面的设定高度，N0为A0处的法向量，Ni-1为点Ai-1(xi-1，zi-1)处的法向量，θi为光源发光的第一角度区间[0，θ1]的各个等分，R1为所述第一角度区间内的光到达所述配光透镜上侧扩散板的最远位置，H为所述扩散板高度；
S2：当步骤S1中θi＝θ1时，将得到的点云Ai(xi，zi)拟合成所述第一曲线，并将所述第一曲线旋转360°得到所述配光透镜上表面的中心凹面；
S3：以光源为焦点，基于所述焦点和所述第一曲线的边缘点获取抛物线L；截取所述抛物线L的部分曲线，将所述部分曲线旋转360°得到所述配光透镜上表面的中间反射凸面；
S4：以B0(b,0)为第二曲线的起始点，利用
Figure BDA0002749651120000031
计算所述第二曲线下一点Bj(xj,zj)；θj为光源发光的第二角度区间[θ1,θ2]上的各等分，B0为光源发出出射角为θ1的光线经所述上表面的中心凹面反射到下表面上的点，Nj-1为所述第二曲线上的点Bj-1处的法向量；
S5：当步骤S4中θj＝θ2时，将得到的点云Bj(xj,zj)拟合成所述第二曲线，并将所述第二曲线旋转360°得到所述配光透镜下表面边缘的反射凸面。
在其中一个实施例中，所述S3中截取所述抛物线L的部分曲线，包括：
将所述第一曲线的边缘点作为所述部分曲线的左端点；
将从光源发出与光轴夹角为θ2的光线与所述抛物线的交点作为所述部分曲线的右端点；
基于所述左端点和所述右端点截取部分所述抛物线L得到所述部分曲线。
在其中一个实施例中，所述步骤S4具体包括：
S401：将所述第二角度区间[θ1,θ2]均分，用θj表示，光源发出与光轴夹角为θ2的光到达所述扩散板时的最远位置距离光轴距离为R2；所述光线经上表面中间的反射面反射到点B0(b,0)处，B0为反射光线与z＝0平面的交点；
S402：利用费马原理求得所述光线经过点B0(b,0)与点D0(R1,H)时与上表面边缘平面部分的交点C0，利用反射定律求出点B0处的法向量N0；
S403：利用
Figure BDA0002749651120000032
计算所述第二曲线下一点Bj(xj,zj)；
其中，利用费马原理求得所述光线经过点Bj与点Dj(R2sinθj/sinθ2,H)时与上表面边缘平面部分的交点Cj，利用反射定律求出点Bj出的法向量Nj。
按照本发明的另一方面，提供了一种直下式LED背光源装置，包括：PCB板；
光源，设置在所述PCB板上，包括多个LED灯珠；
所述方法形成的配光透镜，设置在所述光源的发光面上方，所述配光透镜的上表面由中心透光凹面、中间反光凸面和边缘透光平面组成，且下表面由中心透光凹面和边缘反光凸面组成；所述配光透镜用于增大所述光源的发光空间，使出射光能量均匀分布；
扩散板，设置于所述配光透镜的上方，用于进一步匀化从所述配光透镜出射的光的能量分布；
散热组件，设置所述PCB板下侧，用于散去所述光源工作时候产生的热量。
在其中一个实施例中，所述配光透镜上表面的中间反光凸面镀有反射膜，所述配光透镜下表面的边缘透光凸面镀有反射膜。
在其中一个实施例中，所述散热部件包括：
导热层，设置在所述PCB板下侧，用于向外传导所述LED光源工作时候产生的热量；
散热片，设置在所述导热贴远离所述PCB板的一侧，用于散去所述导热贴传导出的热量。
在其中一个实施例中，所述导热层为导热贴、导热硅脂或导热胶。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，取得如下有益效果：
1、配光透镜的形成方法基于所述配光透镜与光源、扩散板的位置及距离设计上表面的中心透光凹面、中间反光凸面和边缘透光平面，及下表面的中心透光凹面和边缘反光凸面。所述配光透镜形成方法简单，上表面和下表面面型光滑连续，利于加工。
2、由于所述配光透镜的上表面由中心透光凹面、中间反光凸面和边缘透光平面组成，且下表面由中心透光凹面和边缘反光凸面组成，应用于直下式LED背光源装置，极大程度上增加了光源的发光空间范围，搭配扩散板的使用，能够使出射光能量均匀分布，进而提供光照度均匀的照明效果。
3、由于配光透镜增大LED灯珠的发光空间，意味着在单位LCD面积内需要更少的LED灯珠即可提供优良的照明效果。减少LED灯珠的使用数量，能够降低显示面板生产过程中的物料成本。
附图说明
图1为本发明一实施例中配光透镜形成方法的流程图；
图2为本发明一实施例中配光透镜的结构示意图；
图3为图2所示配光透镜的局部放大示意图；
图4为本发明一实施例中配光透镜的设计原理示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为扩散板，2为配光透镜，3为LED灯珠，4为PCB板，5为导热贴，6为散热组件；201为透镜上表面中心部分(透光)，202为配光透镜上表面中间部分(反光)，203为配光透镜上表面边缘平面部分(透光)，204为配光透镜下表面边缘凸面部分(反光)，205为配光透镜下表面中心部分(透光)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种配光透镜的形成方法，配光透镜应用于直下式LED背光源装置，如图1所示，配镜形成方法包括：步骤S1至步骤S5。
S1：将光源发光第一角度区间[0，θ1]进行等分，各个等分用θi表示，并以坐标点A0(0,h)作为第一曲线的起始点，利用公式
Figure BDA0002749651120000061
计算第一曲线下一点Ai(xi,zi)。
其中，h为配光透镜上表面中心凹面的设定高度，N0为A0处的法向量，Ni-1为由点Ai-1(xi-1,zi-1)处的法向量，R1为第一角度区间内的光到达配光透镜上侧扩散板的最远位置(即与光轴的间距)，H为扩散板高度。
具体的，第一步，确定光源发光对应的一个较小角度区间[0，θ1]，θ1往往设置在10°至30°之间；将角度区间[0，θ1]进行等分，各个等分用θi表示；然后以配光透镜下表面的中心为坐标原点，设置坐标点A0(0,h)为第一曲线的起始点，通过折射定律得到A0处的法向量N0。第二步，通过公式
Figure BDA0002749651120000062
计算第一曲线上的下一点Ai(xi,zi)。第三步，由点(xi,yi)和点(R1sinθi/sinθ1,H)求出新的出射向量Ni。
S2：复步骤S1直至θi＝θ1，将得到的点云Ai(xi,zi)拟合成第一曲线，并将第一曲线旋转360°得到配光透镜上表面的中心凹面。
具体的，依次重复步骤S1中第二步和第三步，直至θi＝θ1，将得到的点云Ai(xi,zi)拟合成第一曲线，并将得到的第一曲线旋转360°得到中心凹陷面的非球面201，该非球面201为配光透镜上表面的中心凹面。
S3：以光源为焦点，基于焦点和第一曲线的边缘点获取抛物线L，然后截取抛物线L的部分曲线，将部分曲线旋转360°得到配光透镜上表面的中间反射凸面。
具体的，第一步，求抛物线L。该抛物线由如下条件确定：将光源所在的位置作为抛物线L的焦点，通过上述求得第一曲线的边缘点(即当θi＝θ1时所对应的边缘点A)，已知焦点和边缘点A能够求得抛物线L。第二步，截取抛物线L的某一部分得到部分曲线。第三步，将第二步获得的部分曲线旋转360°得到中间反射凸面。本实施例形成的配光透镜的上表面由中心透光凹面、中间反光凸面和边缘透光平面组成，且下表面由中心透光凹面和边缘反光凸面组成。
在其中一个实施例中，S3中截取抛物线L的部分曲线，包括：将第一曲线的边缘点作为部分曲线的左端点，将从光源发出与光轴夹角为θ2的光线与抛物线的交点作为部分曲线的右端点。在基于左端点和右端点截取出抛物线L的一部分得到部分曲线。
S4：将光源发光的第二角度区间[θ1,θ2]等分，各个等分用θj表示，光源发出出射角为θ1的光线经配光透镜的上表面反射到点B0(b,0)处，以B0为第二曲线的起始点，利用
Figure BDA0002749651120000071
计算第二曲线下一点Bj(xj,zj)，Nj-1为第二曲线上的点Bj-1处的法向量。
具体的，第一步，将光源发光角度区间[θ1,θ2]均分，用θj表示，θ2往往设置在在50°至70°之间。第二步，求得光线通过点B0(b,0)与点D0(R1,H)时与上表面边缘平面部分的交点C0，并求出点B0处的法向量N’0。第三步，利用公式
Figure BDA0002749651120000072
计算一点曲线下一点Bj(xj,zj)，其中，j大于1。第四步，求得光线通过点Bj与点Dj(R2sinθj/sinθ2,H)时与上表面边缘平面部分的交点Cj，通过反射定律可以求出点Bj处的法向量N’j。
S5：重复S4直至θj＝θ2，将得到的点云Bj(xj,zj)拟合成第二曲线，并将第二曲线旋转360°得到配光透镜下表面边缘的反射凸面。
具体的，依次重复步骤S4中第三步、第四步，直至θj＝θ2。将得到的点云Bj(xj,zj)拟合成第二曲线，并将第二曲线旋转360°得到下表面边缘的凸面部分。
在其中一个实施例中，配光透镜上表面的中心部分可以选择性地做磨砂处理；边缘平面部分可以镀反射膜或选择性地做磨砂处理。
在其中一个实施例中，步骤S4具体包括：S401：将第二角度区间[θ1,θ2]均分，用θj表示，光源发出与光轴夹角为θ2的光到达扩散板时的最远位置距离光轴距离为R2。光线经上表面中间的反射面反射到点B0(b,0)处，B0为反射光线与z＝0平面的交点。S402：利用费马原理求得光线经过点B0(b,0)与点D0(R1,H)时与上表面边缘平面部分的交点C0，利用反射定律求出点B0处的法向量N0。S403：利用
Figure BDA0002749651120000081
计算第二曲线下一点Bj(xj,zj)。其中，利用费马原理求得光线经过点Bj与点Dj(R2sinθj/sinθ2,H)时与上表面边缘平面部分的交点Cj，利用反射定律求出点Bj出的法向量Nj。
本发明还提供了一种直下式LED背光源装置，如图2所示，直下式LED背光源装置包括：包括扩散板1、配光透镜2、光源3、PCB板4、导热贴5以及散热片6。扩散板1设置在配光透镜2上方，LED灯珠3设置于PCB板4上，并位于配光透镜2的下方中心位置处，导热贴5设置于PCB板4和散热片6之间。其中，光源3设置在PCB板4上，包括多个LED灯珠。扩散板1，设置于配光透镜2的上方，用于进一步匀化从配光透镜2出射的光的能量分布。扩散板1的材料为光学有机玻璃。散热组件，设置PCB板4下侧，包括导热贴5以及散热片6，散热组件用于散去光源3工作时候产生的热量。配光透镜2，设置在光源3的发光面上方，配光透镜2的上表面由中心透光凹面、中间反光凸面和边缘透光平面组成，且下表面由中心透光凹面和边缘反光凸面组成。配光透镜2用于增大光源3的发光空间，使出射光能量均匀分布。
具体的，从LED光源3发出的小角度区间内光线直接经配光透镜2上表面中心的凹面折射后输出；从LED光源3发出的中等角度的光线首先经配光透镜2上表面中间的凸面反射至配光透镜2下表面的边缘部分，然后反射至配光透镜2上表面的边缘平面部分，最后折射输出；从LED光源3发出的大角度的光线直接经配光透镜2上表面的边缘平面折射输出。如图2、图3和图4所示，小角度(0～θ1)的光线经由201直接折射输出至扩散板1；中等角度(θ1～θ2)的光线首先经由202反射至204，再反射至203并折射输出扩散板1；大角度(θ2～π/2)的光线直接经由203折射输出至扩散板1；扩散板1的材料可以为光学有机玻璃，能够将接收到的光能量匀化后输出。上述LED光源3发出的各种角度的光都能经配光透镜至扩散板1，进而能够使LED光源3出射的光能量均匀分布。
在其中一个实施例中，配光透镜2上表面的中间反光凸面镀有反射膜，配光透镜2下表面的边缘透光凸面镀有反射膜。
在其中一个实施例中，散热部件包括：导热层5，设置在PCB板4下侧，用于向外传导LED光源3工作时候产生的热量。散热片6，设置在导热贴远离PCB板4的一侧，用于散去导热贴传导出的热量。在其中一个实施例中，导热层5为导热贴、导热硅脂或导热胶。导热层5起到将LED灯珠工作时产生的热量高效地传导至散热片，散热片7为整个装置散热。在实际产品应用中，导热贴可以由导热硅脂、导热胶等具有良好导热性能的材料替代。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种配光透镜的形成方法，其特征在于，所述配光透镜应用于直下式LED背光源装置，所述方法包括：
S1：以坐标点A0(0,h)作为第一曲线的起始点，利用公式
Figure FDA0003296187000000011
计算所述第一曲线下一点Ai(xi,zi)；
其中，h为所述配光透镜上表面中心凹面的设定高度，N0为A0处的法向量，Ni-1为点Ai-1(xi-1,zi-1)处的法向量，θi为光源发光的第一角度区间[0,θ1]的各个等分，R1为所述第一角度区间内的光到达所述配光透镜上侧扩散板的最远位置，H为所述扩散板高度；
S2：当步骤S1中θi＝θ1时，将得到的点云Ai(xi,zi)拟合成所述第一曲线，并将所述第一曲线旋转360°得到所述配光透镜上表面的中心凹面；
S3：以光源为焦点，基于所述焦点和所述第一曲线的边缘点获取抛物线L；截取所述抛物线L的部分曲线，将所述部分曲线旋转360°得到所述配光透镜上表面的中间反射凸面；
S4：以B0(b,0)为第二曲线的起始点，利用
Figure FDA0003296187000000012
计算所述第二曲线下一点Bj(xj,zj)；Nj-1为点Bj-1(xj-1,zj-1)处的法向量；θj为光源发光的第二角度区间[θ1,θ2]上的各等分，B0为光源发出出射角为θ1的光线经所述上表面的中心凹面端点反射到下表面上的点；θ2为光源发出光与光轴的夹角；
S5：当步骤S4中θj＝θ2时，将得到的点云Bj(xj,zj)拟合成所述第二曲线，并将所述第二曲线旋转360°得到所述配光透镜下表面边缘的反射凸面。
2.如权利要求1所述的配光透镜的形成方法，其特征在于，所述S3中截取所述抛物线L的部分曲线，包括：
将所述第一曲线的边缘点作为所述部分曲线的左端点；
将从光源发出与光轴夹角为θ2的光线与所述抛物线的交点作为所述部分曲线的右端点；
光轴定义为垂直于光源中心的直线，也即透镜的中心轴线；
基于所述左端点和所述右端点截取部分所述抛物线L得到所述部分曲线。
3.如权利要求1所述的配光透镜的形成方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
S401：将所述第二角度区间[θ1,θ2]均分，用θj表示，光源发出与光轴夹角为θ2的光到达所述扩散板时的最远位置距离光轴距离为R2；所述光线经上表面中心反射面的端点反射到点B0(b,0)处，B0为反射光线与z＝0平面的交点；
S402：利用费马原理求得所述光线经过点B0(b,0)与点D0(R1,H)时与上表面边缘平面部分的交点C0，利用反射定律求出点B0处的法向量N0；
S403：利用
Figure FDA0003296187000000021
计算所述第二曲线下一点Bj(xj,zj)；
其中，利用费马原理求得所述光线经过点Bj与点Dj(R2sinθj/sinθ2,H)时与上表面边缘平面部分的交点Cj，利用反射定律求出点Bj处的法向量Nj。
4.一种直下式LED背光源装置，其特征在于，包括：
PCB板；
光源，设置在所述PCB板上，包括多个LED灯珠；
权利要求1-3任一项方法设计的配光透镜，设置在所述光源的发光面上方，所述配光透镜的上表面由中心透光凹面、中间反光凸面和边缘透光平面组成，且下表面由中心透光凹面和边缘反光凸面组成；所述配光透镜用于增大所述光源的发光空间，使出射光能量均匀分布；
扩散板，设置于所述配光透镜的上方，用于进一步匀化从所述配光透镜出射的光的能量分布；
散热组件，设置在所述PCB板下侧，用于散去所述光源工作时候产生的热量。
5.如权利要求4所述的直下式LED背光源装置，其特征在于，所述配光透镜上表面的中间反光凸面镀有反射膜，所述配光透镜下表面的边缘反光凸面镀有反射膜。
6.如权利要求4所述的直下式LED背光源装置，其特征在于，所述散热组件包括：
导热层，设置在所述PCB板下侧，用于向外传导LED光源工作时候产生的热量；
散热片，设置在所述导热层远离所述PCB板的一侧，用于散去所述导热层传导出的热量。
7.如权利要求6所述的直下式LED背光源装置，其特征在于，所述导热层为导热贴、导热硅脂或导热胶。
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