CN114815011A - 一种光学透镜、光学透镜设计方法及其应用 - Google Patents

一种光学透镜、光学透镜设计方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光学透镜，属于背光显示领域，该光学透镜包括第一表面微结构、第一全反射面、第二表面微结构、第一折射面、第二折射面和第二全反射面。本发明还请求保护光学透镜的设计方法及光学透镜在液晶显示背光模组中的应用。本发明的光学透镜具有多个折射面和全反射面，同时结合微米级别的表面微结构，能够在较小的混光距离和较大的LED间距下获得满意的均匀性。

Description

一种光学透镜、光学透镜设计方法及其应用
技术领域
本发明涉及液晶显示技术领域，特别是涉及一种用于液晶显示背光模组的光学透镜。
背景技术
液晶显示器在平板显示领域占有重要的地位，一直向着轻、薄、低功耗的方向发展。直下式背光模组具有性价比高、能量利用率高的优点，但需要配合二次透镜以减少混光距离，进而降低背光模组的厚度。现有二次透镜分为折射式和反射式。和反射式透镜相比，折射式透镜光线利用率高，但混光距离相对较大。不论折射式透镜还是反射式透镜，都很难在较小的混光距离下达到较高的均匀性要求，故很难用于超薄背光模组。本专利就是针对混光距离(Optical distance，OD)较小的情况下，提出一种全新的透镜结构，能够在较小的混光距离下获得较高的均匀性，满足超薄背光模组的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学透镜，该透镜具有多个折射面和全反射面，同时结合微米级别的表面微结构，能够在较小的混光距离和较大的LED间距下获得满意的均匀性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光学透镜，所述光学透镜包括：第一表面微结构、第一全反射面、第二表面微结构、第一折射面、第二折射面和第二全反射面；
两个所述第二全反射面对称设置，两个所述第二全反射面的一端连接；
两个所述第二全反射面的另一端分别有所述第一表面微结构，两个所述第一表面微结构对称；两个所述第一表面微结构位于同一平面；
两个所述第一表面微结构的另一端分别有所述第一全反射面；
两个所述第一全反射面的另一端分别有所述第一折射面；
两个所述第一折射面的另一端分别有所述第二表面微结构；
两个所述第二表面微结构之间有所述第二折射面；
两个所述第一折射面、两个所述第二表面微结构和所述第二折射面形成凹槽。
可选的，所述第一表面微结构为周期性三角形，所述三角形的角度为45°～90°，周期长度为5μm～20μm，高度为10μm～20μm。
可选的，所述第二表面微结构为周期性三角形，所述三角形的角度为45°～90°，周期长度为5μm～20μm，高度为10μm～20μm。
可选的，所述第一全反射面和所述第二全反射面的截面为曲面，曲率为0°到45°。
一种设计光学透镜的方法，所述方法包括：
根据光源确定第一全反射面和第一折射面；
根据所述第一全反射面确定所述第一表面微结构；
根据所述光源确定第二折射面和第二表面微结构；
根据所述光源在所述第二折射面和所述第二表面微结构出射的光线确定第二全反射面。
可选的，所述根据光源确定第一全反射面和第一折射面包括：
设定光源所在位置为(x0，y0)，光学透镜的高度为H，第一折射面与水平轴交点坐标为(x1，y1)；所述光源位于两个第一折射面与水平轴交点的中间；
将[θ2,90°]范围以△θ为步长分为M分，获得一系列角度θi，i＝～M；设置系数α；
根据所述角度θi，利用
Figure BDA0003667050230000031
得到所述光源在第一折射面上的相应坐标点(x4i,y4i)；其中，β是其内表面偏转角；In、Out分别为内表面入射矢量和出射矢量；N为过Pi点的法向矢量；nIn表示空气的折射率；nOut表示光学透镜的折射率；Pi和Pi+为光线入射到所述第一折射面的相邻点；
根据所述光源在第一折射面上的相应坐标点(x4i,y4i)，利用
Figure BDA0003667050230000032
得到第一全反射面上的相应坐标点(x2i,y2i)；其中，a、b、c分别表示角度；n为所述光学透镜的折射率。
可选的，所述根据所述光源确定第二折射面和第二表面微结构包括：
在[0,θ1]的光线范围内确定所述第二折射面；
在[θ1,θ2]的光线范围内确定所述第二表面微结构。
可选的，所述第一表面微结构为周期性三角形，所述三角形的角度为45°～90°，周期长度为5μm～20μm，高度为10μm～20μm；所述第二表面微结构为周期性三角形，所述三角形的角度为45°～90°，周期长度为5μm～20μm，高度为10μm～20μm。
可选的，所述根据所述光源在所述第二折射面和所述第二表面微结构出射的光线确定第二全反射面，具体包括：
设定所述第二全反射面，使所述第二全反射面的截面为曲面，曲率为0°～45°，将所述第二全反射面分为N段，N≥2，根据从所述第二折射面和所述第二表面微结构出射的光线对每段曲率进行调整，直至满足光线出射要求。
一种光学透镜的应用，所述光学透镜应用于液晶显示背光模组。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明的光学透镜具有多个折射面和全反射面，同时结合微米级别的表面微结构，能够在较小的混光距离和较大的LED间距下获得满意的均匀性。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明光学透镜的面型图；
图2为本发明的光路图；
图3为本发明光学透镜的面型设计图；
图4为第一表面微结构的结构图；
图5为第二表面微结构的结构图；
图6为LightTools点光源仿真效果图。
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做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。
本发明的目的是提供一种光学透镜，使其针对混光距离较小的情况下，获得较高的均匀性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的光学透镜的面型图，该光学透镜包括：第一表面微结构1、第一全反射面2、第二表面微结构3、第一折射面4、第二折射面5和第二全反射面6。LED光源位于透镜中心位置。
光学透镜的具体结构为：
两个第二全反射面6对称设置，两个第二全反射面6的一端连接；；两个第二全反射面6的另一端分别有第一表面微结构1，两个第一表面微结构1对称；两个第二全反射面6的截面为曲线；两个第一表面微结构1位于同一平面；两个第一表面微结构1的另一端分别有第一全反射面2；两个第一全反射面2的另一端分别有第一折射面4；两个第一折射面4的另一端分别有第二表面微结构3；第二表面微结构3之间有第二折射面5；两个第一折射面4、两个第二表面微结构3和第二折射面5形成凹槽。
图4为第一表面微结构的结构图，图5为第二表面微结构的结构图。第一表面微结构1和第二表面微结构3的具体结构均为周期性三角形，三角形的角度为45°～90°，周期长度为5μm～20μm，高度为10μm～20μm。
本发明的光学透镜具有多个折射面和全反射面，同时结合微米级别的表面微结构，能够在较小的混光距离和较大的LED间距下获得满意的均匀性。
本申请的光学透镜可用于液晶显示背光模组，能够在较小的混光距离下获得较高的均匀性，满足超薄背光模组的要求。
图2为本发明光学透镜的光路图，对于从光源出射的角度为[0,θ1]的光线，首先入射到第二折射面5，然后经第二全反射面6反射后通过第一全反射面2出射到目标接收面；从光源出射的角度为[θ1～θ2]的光线，首先入射到第二表面微结构3，然后经第二全反射面6反射后通过第一全反射面2出射到目标接收面；从光源出射的角度为[θ2～90°]的光线，首先入射到第一折射面4，然后经第一全反射面2反射到第一表面微结构1后，由第一表面微结构1反射到底面反射板，再由底面反射面反射到目标接收面。
本发明的光学透镜根据图3所示的光学透镜的面型设计图进行设计，方法具体包括：
步骤1，设定光源所在位置为(x0，y0)，光学透镜的高度为H，第一折射面4与水平轴交点坐标为(x1，y1)；光源位于两个第一折射面4与水平轴交点的中间。
将[θ2,90°]范围以△θ为步长分为M分，获得一系列角度θi，i＝1～M；设置系数α。
根据角度θi，利用
Figure BDA0003667050230000061
得到光源在第一折射面4上的相应坐标点(x4i，y4i)；其中，β是其内表面偏转角；In、Out分别为内表面入射矢量和出射矢量；N为过Pi点的法向矢量；nIn表示空气的折射率；nOut表示光学透镜的折射率；Pi和Pi+1为光线入射到所述第一折射面4的相邻点。
根据光源在第一折射面4上的相应坐标点(x4i,y4i)，利用
Figure BDA0003667050230000062
得到第一全反射面2上的相应坐标点(x2i,y2i)i；其中，a、b、c分别表示角度；n为光学透镜的折射率。
步骤2，根据第一全反射面2确定第一表面微结构1；第一表面微结构1为周期性三角形，三角形的角度为45°～90°，周期长度为5μm～20μm，高度为10μm～20μm。
步骤3，在[0,θ1]的光线范围内将第二折射面5设置为一条曲率为0°～45°的曲线。在[θ1,θ2]的光线范围内确定第二表面微结构3；第二表面微结构3为周期性三角形，三角形的角度为45°～90°，周期长度为5μm～20μm，高度为10μm～20μm。
步骤4，设定第二全反射面6，使第二全反射面6的截面为曲率为0°～45°的曲线，将第二全反射面6分为N段，N≥2，根据从第二折射面5和第二表面微结构3出射的光线对每段曲率进行调整，直至满足光线出射均匀性的要求。
图6为Light Tools点光源仿真效果图。光学透镜高度是1.5mm，光学透镜直径是1.48mm，OD是3mm时光斑直径达到20mm，均匀性达到92％。以上仿真结果验证了本发明光学透镜能够在较小的混光距离下获得较高的均匀性，满足超薄背光模组的要求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光学透镜，其特征在于，所述光学透镜包括：第一表面微结构(1)、第一全反射面(2)、第二表面微结构(3)、第一折射面(4)、第二折射面(5)和第二全反射面(6)；
两个所述第二全反射面(6)对称设置，两个所述第二全反射面(6)的一端连接；
两个所述第二全反射面的另一端分别有所述第一表面微结构(1)，两个所述第一表面微结构(1)对称；两个所述第一表面微结构(1)位于同一平面；
两个所述第一表面微结构(1)的另一端分别有所述第一全反射面(2)；
两个所述第一全反射面(2)的另一端分别有所述第一折射面(4)；
两个所述第一折射面(4)的另一端分别有所述第二表面微结构(3)；
两个所述第二表面微结构(3)之间有所述第二折射面(5)；
两个所述第一折射面(4)、两个所述第二表面微结构(3)和所述第二折射面(5)形成凹槽。
2.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述第一表面微结构(1)为周期性三角形，所述三角形的角度为45°～90°，周期长度为5μm～20μm，高度为10μm～20μm。
3.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述第二表面微结构(3)为周期性三角形，所述三角形的角度为45°～90°，周期长度为5μm～20μm，高度为10μm～20μm。
4.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述第一全反射面和所述第二全反射面的截面为曲面，曲率为0°到45°。
5.一种设计权利要求1所述的光学透镜的方法，其特征在于，所述方法包括：
根据光源确定第一全反射面(2)和第一折射面(4)；
根据所述第一全反射面(2)确定所述第一表面微结构(1)；
根据所述光源确定第二折射面(5)和第二表面微结构(3)；
根据所述光源在所述第二折射面(5)和所述第二表面微结构(3)出射的光线确定第二全反射面(6)。
6.根据权利要求5所述的设计的光学透镜的方法，其特征在于，所述根据光源确定第一全反射面(2)和第一折射面(4)包括：
设定光源所在位置为(x0，y0)，光学透镜的高度为H，第一折射面(4)与水平轴交点坐标为(x1，y1)；所述光源位于两个第一折射面(4)与水平轴交点的中间；
将[θ2,90°]范围以△θ为步长分为M分，获得一系列角度θi，i＝1～M；设置系数α；
根据所述角度θi，利用
Figure FDA0003667050220000021
得到所述光源在第一折射面(4)上的相应坐标点(x4i,y4i)；其中，β是其内表面偏转角；In、Out分别为内表面入射矢量和出射矢量；N为过Pi点的法向矢量；nIn表示空气的折射率；nOut表示光学透镜的折射率；Pi和Pi+1为光线入射到所述第一折射面(4)的相邻点；
根据所述光源在第一折射面(4)上的相应坐标点(x4i,y4i)，利用
Figure FDA0003667050220000031
得到第一全反射面(2)上的相应坐标点(x2i,y2i)；其中，a、b、c分别表示角度；n为所述光学透镜的折射率。
7.根据权利要求6所述的设计的光学透镜的方法，其特征在于，所述根据所述光源确定第二折射面(5)和第二表面微结构(3)包括：
在[0,θ1]的光线范围内确定所述第二折射面(5)；
在[θ1,θ2]的光线范围内确定所述第二表面微结构(3)。
8.根据权利要求7所述的设计的光学透镜的方法，其特征在于，所述第一表面微结构(1)为周期性三角形，所述三角形的角度为45°～90°，周期长度为5μm～20μm，高度为10μm～20μm；所述第二表面微结构(3)为周期性三角形，所述三角形的角度为45°～90°，周期长度为5μm～20μm，高度为10μm～20μm。
9.根据权利要求8所述的设计的光学透镜的方法，其特征在于，所述根据所述光源在所述第二折射面(5)和所述第二表面微结构(3)出射的光线确定第二全反射面(6)具体包括：
设定所述第二全反射面(6)，使所述第二全反射面(6)的截面为曲面，曲率为0°～45°，将所述第二全反射面(6)分为N段，N≥2，根据从所述第二折射面(5)和所述第二表面微结构(3)出射的光线对每段曲率进行调整，直至满足光线出射要求。
10.一种光学透镜的应用，其特征在于，所述光学透镜应用于液晶显示背光模组。
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