CN202733781U - 用于液晶显示背光系统的二次光学透镜、led透镜装置及照明系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于液晶显示背光系统的二次光学透镜、LED透镜装置及照明系统，包括底面及配光曲面，所述配光曲面顶部的中间部位向上凸出形成凸起，所述凸起的外侧面为圆柱形出光面，所述凸起顶部的中间部位向下凹入形成反射面，所述全反射面内设有台阶，自所述底面的中间部位向上凹入形成内凹槽，所述内凹槽具有侧面及位于所述侧面顶部的聚光面，所述侧面为回转面，使入射光线的一部分被所述聚光面会聚后，射向所述全反射面，反射后的光线通过所述凸起的外侧面出射。该二次光学透镜，采用折射和全反射组合的方法实现光束角全角大于或等于170°的配光，可以进一步的缩短LED基板与LCD屏幕之间的距离，大大缩减了背光系统的厚度。

Description

用于液晶显示背光系统的二次光学透镜、LED透镜装置及照明系统

技术领域

本实用新型是关于一种用于大屏幕液晶显示背光系统的二次光学透镜。 

背景技术

直下式的LED背光系统(即将LED排列于液晶屏幕的下方直接照明液晶屏面板的照明系统)，因为其结构简单、光损少、显色质数高、均匀度好、LED可以随意排布、无须进行复杂的导光板网点设计等特征，得到了越来越广泛的应用。追求越来越薄并且均匀的照明是大屏幕LCD(液晶显示)的背光系统的发展趋势，二次光学透镜是起决定性作用的关键因素。现有的大部分二次光学透镜虽然可以很大程度上降低背光系统的厚度，但其有一个很难逾越的瓶颈，目前市场上可以做到的背光系统中，其二次光学透镜的极限的高/宽比(即从LED的基板到LCD屏幕的距离与LED排列间距的比率)一般为0.25左右，就是当LED间距为100mm排列的时候，从LED的基板到LCD屏幕的距离需要大约为25mm，小于0.25就会产生正对LED位置的光斑中心过亮，从而很难实现LCD屏幕的均匀照明。 

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种能够有效减少背光系统厚度的用于液晶显示背光系统的二次光学透镜、LED透镜装置及照明系统。 

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方式：一种二次光学透镜，包括底面及自所述底面的边缘向上拱起形成的配光曲面，所述配光曲面顶部的中间部位向上凸出形成凸起，所述凸起的外侧面为圆柱形出光面，所述凸起顶部的中间部位向下凹入形成全反射面，所述全反射面内设有台阶，自所述底面的中间部位向上凹入形成内凹槽，所述内凹槽具有侧面及位于所述侧面顶部的聚光面，所述侧面为回转面，使入射光线的一部分被所述聚光面会聚后，射向所述全反射面，全反射后的光线通过所述凸起的外侧面出射；所述入射光线的另一部分经所述内凹槽的侧面折射后，经所述配光曲面出射。该二次光学透镜可以用于液晶显示背光系统。 

进一步的，所述内凹槽的侧面为圆弧形回转面，所述圆弧形回转面的剖 面线为圆弧，所述圆弧的所有法线都相交于N点，所述N点与圆弧的顶点P在同一水平面。 

进一步的，所述柱形曲面为正圆或非正圆的扫描曲面。 

进一步的，所述反射面是圆锥形面、带菲涅尔纹的锥面、剖面轮廓线由微小线段及曲线组成的环纹复合锥面、四面锥形面、多面锥形面或由圆锥形面和多面锥形面复合组成。 

进一步的，所述的反射面的反射方式为全反射、非全反射或部分全反射。 

进一步的，所述内凹槽的侧面和聚光面尖角过渡或圆弧过渡。 

进一步的，所述配光曲面附有环纹微结构的衍射面，使出射光围绕主出射光线产生±Δθ的小角度的混光，所述Δθ在2°～8°范围内。 

进一步的，所述环纹微结构为波浪形周期性的环纹微结构，其波峰波谷值H为1～25微米，环纹的间距P为0.02～5毫米。 

进一步的，所述配光曲面为连续光滑的曲面、具有混光作用的环纹衍射面、具有混光作用的带有鳞片状多面体曲面、具有混光作用的带有蜂窝状组合曲面、混合自由曲面、剖面轮廓线由微小线段及曲线组成的环纹复合曲面、蜂窝状多面体曲面、菲涅尔曲面、多边形混合自由曲面或非轴对称的自由曲面。 

进一步的，所述配光曲面由混合自由曲面、蜂窝状多面体曲面、菲涅尔曲面、带有鳞片状曲面、多边形混合自由曲面或非轴对称的自由曲面中至少两种复合而成。 

进一步的，所述聚光面为菲涅尔环纹聚光面、非球面聚光面或自由曲面。 

进一步的，所述反射面上附着有半透明的树脂或胶体，或者附着有不透明的介质。 

进一步的，所述反射面涂覆反射膜或贴覆反射片材。 

进一步的，所述滤光片为半透明滤光片或非透明滤光片。 

进一步的，所述底面为90度V形槽环纹面、四方锥金字塔形棱镜阵列面、六边形排列的圆锥面、磨砂面或角锥棱镜结构阵列面。 

一种用于液晶显示背光系统的LED透镜装置，包括LED光源、滤光片及所述的二次光学透镜，所述滤光片固定于所述台阶上，所述LED光源位于所述内凹槽内。 

进一步的，所述滤光片与所述二次光学透镜组合成一体。 

一种液晶显示背光系统，包括所述的LED透镜装置。 

进一步的，所述LED透镜装置有一个或多个。 

一种照明系统，包括所述的LED透镜装置。 

本实用新型的有益效果是：本实用新型提出一种LED的二次光学透镜，采用折射和全反射组合的方法，可以进一步的缩短LED基板与LCD屏幕之间的距离，大大缩减了背光系统的厚度，其高宽比可以做到0.15以下。 

附图说明

图1是LED透镜装置第一具体实施方式的剖面图； 

图2a～2e分别是第一具体实施方式的主视图、俯视图、右视图、仰视图及立体图； 

图3是第一具体实施方式的设计原理图； 

图4是第一具体实施方式的二次光学透镜的配光曲面对单根光线的配光原理图； 

图5是第一具体实施方式的三维模型图； 

图6是第一具体实施方式在距离LED基板15mm的LCD屏幕上的照度等高线分布图； 

图7是第一具体实施方式的坎德拉直角坐标分布图(配光曲线)； 

图8是第一具体实施方式的坎德拉极坐标分布图(配光曲线)； 

图9是第一具体实施方式的6×6阵列，LED间距为120mm，LCD屏幕到PCB板的距离为15mm时，屏幕上的照度分布等高线图； 

图10是LED透镜装置的第二具体实施方式的设计原理图； 

图11是第二具体实施方式的坎德拉直角坐标分布图； 

图12是第二具体实施方式的坎德拉极坐标分布图； 

图13是LED透镜装置的第三具体实施方式的剖面图； 

图14是第三具体实施方式的设计原理图； 

图15是LED透镜装置的第四具体实施方式的设计原理图； 

图16a～16e分别是第四具体实施方式的主视图、俯视图、右视图、仰视图及立体图； 

图17a～17e分别是LED透镜装置的第五具体实施方式的主视图、俯视图、右视图、仰视图及立体图； 

图18是LED透镜装置的第五具体实施方式的混光原理图； 

图19a、19b分别是LED透镜装置的第六具体实施方式的剖面图和仰视图； 

图20a、20b分别是LED透镜装置的第七具体实施方式的剖面图和仰视 图； 

图21a～21d分别是第八～十一具体实施方式的二次光学透镜的仰视图。 

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。 

本实用新型所涉及的LED透镜装置的第一具体实施方式，该透镜装置的剖面图如图1所示，该实施方式所涉及的透镜的主视图、立体图、俯视图、右视图以及仰视图如图2所示。该透镜装置包括LED光源、二次光学透镜1以及滤光片2。所述二次光学透镜1的特征为：透镜下方靠近LED光源的中间位置有一内凹槽，内凹槽的侧面11为圆弧形回转面(即其剖面线为圆弧)，内凹槽的顶面13为一非球面聚光面；透镜上方有一圆柱状凸起，凸起的中间位置有一往下凹陷的圆锥形反射面14，其上有用于放置滤光片的台阶16，凸起的外侧面15为稍微有点斜度的作为出光面的柱形曲面；二次光学透镜的外圈侧面12也为出光面，其起配光作用，其为连续光滑的曲面；二次光学透镜的底面17为非光学表面，其上面有按照六边形排列的用来收集杂光的回复反射微型角锥棱镜面18。另外二次光学透镜的底部还可以有用来固定的卡脚19，其用来将该透镜固定于LED的电路板上。所述LED的照明装置的滤光片2，其放置于透镜上方圆柱状凸起的台阶16内，其可以为乳白色半透明的胶片，或者磨砂效果的散射片，或者也可为带有涂层及镀层的片材。所述LED的照明装置使用的LED，其可以为各种朗伯形分布的LED。 

发射面的反射方式可以是全反射、非全反射或部分全反射。凸起的外侧面是柱形曲面，该柱形曲面可以为正圆或非正圆的扫描曲面，其一种形状是圆柱形曲面或带有拔模斜度的圆柱形曲面。反射面可以是圆锥形面、带菲涅尔纹的锥面、剖面轮廓线由微小线段及曲线组成的环纹复合锥面、四面锥形面、多面锥形面或由圆锥形面和多面锥形面复合组成。 

配光曲面可以为连续光滑的曲面、具有混光作用的环纹衍射面、具有混光作用的带有鳞片状多面体曲面、具有混光作用的带有蜂窝状组合曲面、混合自由曲面、剖面轮廓线由微小线段及曲线组成的环纹复合曲面、蜂窝状多面体曲面、菲涅尔曲面、多边形混合自由曲面或非轴对称的自由曲面。 

配光曲面也可以由混合自由曲面、蜂窝状多面体曲面、菲涅尔曲面、带有鳞片状曲面、多边形混合自由曲面或非轴对称的自由曲面中至少两种复合而成。 

聚光面可以为菲涅尔环纹聚光面、非球面聚光面或自由曲面。 

反射面上可以附着有半透明的树脂或胶体，或者附着有不透明的介质。 

反射面可以涂覆反射膜或贴覆反射片材。 

滤光片可以为半透明滤光片或非透明滤光片。 

图3为第一具体实施方式的设计原理图。从LED光源发光面中心点O射出的光线，其中间部分的光线被非球面的顶面13会聚，会聚后射向其上方的圆锥形全反射面14上，反射后的光线通过圆柱形外侧面15射出，所有的出射光线与光轴OZ呈θ_max角，θ_max在85°～90°之间，这里优选为85°。为了方便注塑，圆柱形外侧面15的外侧面上边稍细、下边稍粗，稍微有一点拔模斜度，拔模斜角在1°～5°之间，这里优选为2°。剩下从LED光源发光面中心O点射出的侧面部分的光线，经过为圆弧形回转面的侧面11折射后入射到透镜外侧的配光曲面12上，从配光曲面12出射的光线，从上到下，其与光轴OZ的夹角分别均匀地分布在0～θ_max角之间，θ_max在85°～90°之间，这里也优选为85°。所述的为圆弧形回转面的侧面11，其剖面线为圆弧，其所有法线都相交于N点，N点与圆弧的顶点P在同一水平。当LED的荧光粉涂敷面较大时，会有一些光从透镜顶部的圆锥面全反射面14漏出，在出射光斑中形成光环，这里在其上方放置了一片滤光片2，其为半透明乳白色的胶片或者是带磨砂的散射片，用来将杂光打散，消除光环，也可通过在透镜顶部的圆锥面反射面上镀膜或涂覆涂层阻挡杂光及消除光环，使形成范围比较大的均匀光的分布。另外，当LED的荧光粉涂敷面较大时，还会有些杂光会被配光曲面12往透镜的下方反射，因此这里在透镜底面设计了按照六边形排列的微型角锥棱镜阵列的回复反射面，用来收集杂光，并往透镜的上方反射。 

图4为配光曲面12对单根光线QR的配光图，其配光角度(出射光线与光轴OZ的夹角)满足以下的正切条件： 

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}(\frac{\mathrm{\γ}-\mathrm{\β}}{90-\mathrm{\β}}\·\tan {\mathrm{\θ}}_{\max })$

配光曲面12的轮廓线的(X，Y)坐标值根据上述的式子，由积分迭代法算出。聚光顶面13则可以由成像设计软件优化出。将计算和优化出来的各个曲面组成二次光学透镜的三维实体模型，如图5所示。 

将本具体实施方式的二次光学透镜的三维实体模型输入到光度分析软件中进行光线追迹及计算机模拟。假设LED光源的型号为飞利浦公司的Luxeon Rebel White Display LED，光通量为90流明，所需要照明的LCD屏幕距离LED基板的高度为15mm，透镜上方的滤光片2的光学特性为散射白(Diffuse White)，实际中可以根据屏幕上光斑中间的明暗及是否有光环的情况调节滤 光片的透明度及磨砂程度。图6为屏幕上的光照度等高线分布图，可以看出光斑的直径范围超过了200mm。第一具体实施方式的光强的远场角度分布(配光曲线)，如图7及图8所示，图7为坎德拉直角坐标分布图，图8为坎德拉极坐标分布图，可以看出大部分光强分布在±75°～±90°之间，其最大光强值的位置在±85°左右，中间部分±65°以内的光强值比较低而且平滑，其值约为最大光强值的3.5％，这部分光线主要用来照明屏幕上正对LED上方的位置。 

图9为屏幕上的照度分布等高线图，可以看出照度分布的极大值约6500Lux(勒克斯)，照度分布的极小值约为5500Lux，可得屏幕上的照度分布的均匀度约为： 

$\mathrm{\η}\≈\frac{5500\mathrm{Lux}}{6500\mathrm{Lux}}\·100\%=84.6\%$

第二具体实施方式： 

第二具体实施方式中，除了二次光学透镜外侧面的配光曲面122与第一具体实施方式不一样之外，其他结构都与第一具体实施方式基本相同。第二具体实施方式的设计原理如图10所示，其所有经过配光曲面122配光的输出光线，其与光轴的夹角都为θ_max，而具体实施方式中经过配光曲面12配光的输出光线，其与光轴OZ的夹角均匀地分布在0～θ_max角之间，这里θ_max也优选为85°。在外形上，第二具体实施方式的曲面122更加扁平，而第一具体实施方式的配光曲面12与透镜上方圆柱形外侧面15衔接的处看起来有一个类似于圆角的弧形面。 

第二具体实施方式比第一具体实施方式具有更宽的照射范围，当LED间距为150mm时，距离PCB板15mm高的LCD屏幕上的照度分布均匀度可以超过80％。第二具体实施方式的光强的远场角度分布(配光曲线)如图11及图12所示，图11为坎德拉直角坐标分布，图12为坎德拉极坐标分布，可以看出大部分光强分布在±75°～±90°之间，其最大光强值的位置在±85°左右，中间±65°范围以内的光强值比第一具体实施方式更低，部分角度的光强值接近于0。 

第三具体实施方式： 

本实用新型所涉及的二次光学透镜的第三具体实施方式，其剖面图如图13所示。与第一具体实施方式不同的是，透镜下方靠近LED的中间位置的内凹部分的侧面113，其为锥面。其他几个面的设计方法则与第一具体实施方式相同，包括内凹的顶面133为一非球面聚光面；透镜上方有一圆柱状凸起，凸起的中间位置有一往下凹陷的圆锥形全反射面143，其上有用于放置滤光片的台阶163，凸起的外侧面153为稍微有点斜度的圆柱形出光面；透镜的外圈侧面123也为出光面，其起配光作用，其为连续光滑的曲面；透镜的底面173为非光学表面，其上面有按照六边形排列的用来收集杂光的回复反射微型角锥棱镜面183等。另外透镜的底部还可以有用来固定的卡脚193，其用来将透镜固定于LED的电路板上。所述LED的照明装置的滤光片2，其放置于透镜上方圆柱状凸起的台阶163内，其可以为乳白色半透明的胶片，或者磨砂效果的散射片，或者也可为带有涂层及镀层的片材。所述光学装置使用的LED，其可以为各种朗伯形分布的LED。 

第三具体实施方式的设计原理和具体实施方式1类似。如图14所示，从LED芯片发光面中心点O射出的光线，其中间部分的光线被非球面顶面133会聚，会聚后射向其上方的锥形全反射面143上，反射后的光线通过圆柱形外侧面153射出，所有的出射光线与光轴OZ呈θ_max角，θ_max在85°～90°之间，这里优选为85°。为了方便注塑，圆柱形外侧面153的上边稍细、下边稍粗，稍微有一点拔模斜度，拔模斜角在1°～5°之间，这里优选为2°。剩下从LED芯片发光面中心O点射出的侧面部分的光线，经过锥形侧面113折射后入射到透镜外侧的配光曲面123上，从配光曲面123出射的光线，从上到下，其与光轴OZ的夹角均匀地分布在0～θ_max角之间，θ_max在85°～90°之间，这里也优选为85°。 

第四具体实施方式： 

当LED光源上的荧光粉涂敷得比较稀，涂敷面积相对较大时，采用第一～三具体实施方式所述的二次光学透镜对LED出射光进行配光，由于配光角度非常大，有可能在屏幕上会产生光斑中间色温高、光斑边缘色温低的不一致的情况，从而导致LCD屏幕的色彩均匀度不好。本实用新型所述的第四具体实施方式提出了针对这种情况的解决方法。 

第四具体实施方式的剖面图如图15所示，除了外侧的曲面124之外，其它所有的特征都与第一具体实施方式一样，这里将外侧的配光曲面124设计成附有环纹微结构的衍射面，使出射光围绕主出射光线QR产生±Δθ的小角 度的混光，可以改善色温的差异。一般来讲Δθ在2°～5°范围内，这里优选为3°。这里所述的环纹微结构优选为波浪形周期性的环纹微结构，其波峰波谷值H为8微米，环纹的间距P为0.5毫米。所述的主光线QR，其配光角度(出射光线与光轴OZ的夹角)也满足以下的正切条件： 

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}(\frac{\mathrm{\γ}-\mathrm{\β}}{90-\mathrm{\β}}\·\tan {\mathrm{\θ}}_{\max })$

在外侧配光曲面124上加上所述的环纹微结构，其可以产生约±3°的混光，从而解决LCD面板上色温差异的问题。所述的第四具体实施方式，外侧的配光曲面除了波浪形的环纹衍射面之外，其还可以为剖面轮廓线由微小直线段组成的环纹面，也可以起很好的一个小角度内的混光效果。 

图16a～16e为所涉及的第四具体实施方式的三维视图，透镜的底面174也附有用来收集杂光的角锥棱镜型回复反射微结构面184，透镜外侧曲面124为环纹微结构的衍射面。 

第五具体实施方式： 

另外，对于有可能在屏幕上会产生光斑中间色温高、光斑边缘色温低的不一致的情况的混光方法，除了采用第四具体实施方式的方法之外，还可以将侧面设计成鳞片状多面体的方法，进行小角度内的混光。图17a～17e为本具体实施方式的主视图、立体图、俯视图、右视图、以及仰视图。图中除了外侧的配光曲面125为按照六边形排列的鳞片状多面体之外，其他曲面的设计都与第一具体实施方式相同。 

图18为第五具体实施方式的混光原理图，Q1Q2为其中一个鳞片的剖面轮廓线，光线经过此鳞片的中心点Q，输出光线的配光角度遵循第一具体实施方式或第二具体实施方式的配光方法。由于所涉及的鳞片为平面，光线经过鳞片的上下边缘Q1和Q2，其围绕主光线QR有一很小的发散角±Δθ，其可以和相邻的鳞片出来的发散光束起到混光的作用。这里优选每个鳞片的大小使其与第一具体实施方式的剖面轮廓线在相应位置处的矢高差约为8微米，从而产生约±3°的混光，从而解决LCD面板上色温差异的问题。 

另外本实施方式所述的鳞片状多面体配光曲面125，其还可以为按照四边形或其他形状排列的鳞片状多面体。 

第六具体实施方式： 

本实用新型所涉及的LED透镜装置的二次光学透镜，其透镜下方靠近LED光源的中间位置的内凹的顶面还可以设计为菲涅尔(Fresnel)环纹聚光面。 

图19a、19b为所述第六具体实施方式的剖面图及仰视图，图中将第一具体实施方式中的内凹部分顶部的非球面聚光镜变成了Fresnel透镜，光学方面其与非球面聚光镜的同样起到聚光的作用，而结构方面其可以减少透镜的空间，从而采用这个结构可以将透镜的尺寸设计的更小一些。 

第七具体实施方式： 

本实用新型所涉及的LED透镜装置的二次光学透镜，另一方法在其透镜上方中间内凹的反射面上填充或设置与透镜不同光学特性的物体，此物体可以为半透状的树脂或胶体，也可以是带有镀层或涂层的物体，或者是不透明的物体。 

图20a、20b为所述第七具体实施方式的剖面图及仰视图，图中将第一具体实施方式中，透镜上方反射面上的散射片变成填充物件，同样可以实现阻挡杂光及消除光环的功能，从而使形成范围比较大的均匀光照的分布。 

其他具体实施方式： 

所述的用于大屏幕液晶显示的LED背光系统的光学装置，其所述的二次光学透镜的底部为非光学表面，其可以为任何表面，上面可以做任何处理，包括普通机加工面、磨砂面、用来收集杂光的回复反射微结构面等。 

图21a～21d分别为二次光学透镜的底面为微型90度V-槽形环纹面187、微型4方锥金字塔形棱镜阵列面188、微型6边形排列的圆锥面189、以及磨砂面1810，图中具体实施方式八、九、十底面都为微型角锥棱镜结构阵列面，其可以将入射到透镜底面的光反射回到透镜前方。具体实施方式十一的二次光学透镜的底面为磨砂面，其将射向透镜后方的杂光打散，并部分反射回透镜的前方，如果其上面涂上白色的漆，则收集杂光的效果会更理想。 

本实用新型涉及一种用于大屏幕液晶显示的LED背光系统的光学装置，其特点为该装置由LED光源、二次光学透镜、以及滤光片组成。所述装置的二次光学透镜，其特征为：透镜下方靠近LED的中间位置有一内凹槽，内凹槽的侧面为圆弧形回转面或圆锥形回转面，内凹的顶面为一非球面或为菲涅尔(Fresnel)聚光面；透镜上方有一圆柱状凸起，凸起的中间位置有一往下凹陷的圆锥形全反射面，其上有用于放置滤光片的台阶，凸起的外侧面为稍 微有点斜度的圆柱形出光面；透镜的外圈侧面也为出光面，其为配光曲面，其可以为连续光滑的曲面，也可以为稍微带有混光作用的环纹衍射面、剖面轮廓线由微小直线段组成的环纹面、或者为多面体鳞片面；透镜的底面为非光学表面，其可以为任何表面，上面可以做任何处理，包括普通机加工面、磨砂面、用来收集杂光的回复反射微结构面等。另外透镜的底部还可以有用来固定的卡脚，根据需要可以有不同的形状、大小、及位置，用来将透镜固定于LED的电路板上。所述LED的照明装置的滤光片，其放置于透镜上方圆柱状凸起的台阶内，其可以为乳白色半透明的胶片，或者磨砂效果的散射片，或者具有带有网点的滤光片，或者也可为带有涂层及镀层的片材。所述LED的照明装置使用的LED，其可以为各种朗伯形分布的LED。 

二次光学透镜下方靠近LED的内凹的侧面11可以为圆弧形回转面，其剖面线为圆弧，其所有法线都相交于N点，N点与圆弧线的顶点P在同一水平。 

二次光学透镜的设计原理可以为，从LED芯片发光面中心点O射出的光线，其中间部分的光线被非球面顶面13会聚，会聚后射向其上方的锥形全反射面14上，反射后的光线通过圆柱形外侧面15射出，所有的出射光线与光轴OZ呈θ_max角，θ_max在85°～90°之间。为了方便注塑，圆柱形外侧面15的上边稍细、下边稍粗，稍微有一点拔模斜度，拔模斜角在1°～5°之间。剩下从LED芯片发光面中心O点射出的侧面部分的光线，经过为弧形回转面的侧面11折射后入射到透镜外侧的配光曲面12上，从配光曲面12出射的光线，从上到下，其与光轴OZ的夹角均匀地分布在0～θ_max角之间，θ_max在85°～90°之间。外侧配光曲面12对单根光线QR的配光方法，其配光角度(出射光线与光轴OZ的夹角)满足以下的正切条件： 

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}(\frac{\mathrm{\γ}-\mathrm{\β}}{90-\mathrm{\β}}\·\tan {\mathrm{\θ}}_{\max })$

二次光学透镜上方的滤光片2的光学特性可以根据实际的光斑中间的明暗及是否有光环的配光情况调节滤光片的透明度及磨砂程度，其也可以为带有网点的滤光片，或者是带有涂层及镀层的片材。 

二次光学透镜上方凸起的中间位置有一的往下凹陷的圆锥形全反射面，此内凹的反射面也可以为弧面或平面，其反射面上也可带有一层或多层的反射镀层或涂层，也可以为带有网点或环纹的微结构。 

所述的透镜装置，其所有经过配光曲面122配光的输出光线，其与光轴 的夹角也可以都为θ_max。 

所述的透镜装置，其二次光学透镜下方靠近LED的中间位置的内凹部分的侧面113，也可以为圆锥面。 

所述的透镜装置，针对于当LED芯片的荧光粉涂敷得比较稀，涂敷面积相对较大时，由于配光角度非常大，有可能在屏幕上会产生光斑中间色温高、光斑边缘色温低的不一致的情况。针对这种情况，可以将所述的二次光学透镜的外侧配光曲面124设计成附有环纹微结构的衍射面，使出射光围绕主出射光线QR产生±Δθ的小角度的混光，可以改善色温的差异，Δθ在2°～5°范围内。 

所述的透镜装置，针对光斑中间色温高、光斑边缘色温低的不一致的情况，可以将所述的二次光学透镜的外侧配光曲面124设计成剖面轮廓线由微小直线段组成的环纹面。 

所述的透镜装置，针对光斑中间色温高、光斑边缘色温低的不一致的情况，可以将透镜外侧的配光曲面125设计成鳞片状多面体的配光曲面，其还可以为按照四边形或其他形状排列的鳞片状多面体，光线经过鳞片的边缘Q1和Q2，其围绕主光线QR有一很小的发散角±Δθ，其可以和相邻的鳞片出来的发散光起到混光的作用。 

所述的透镜装置，其二次光学透镜下方靠近LED的内凹的顶面还可以为菲涅尔(Fresnel)环纹聚光面。其与非球面聚光镜的同样起到聚光的作用，而结构方面其可以减少透镜的空间，从而采用这个结构可以将透镜设计的更小一些。 

所述的透镜装置，该LED背光系统的光学装置应用在背光照明系统上，可以为不同间距进行排布，也可以以单颗或多颗的不同方式排列设置。 

所述的透镜装置，可以应用在除液晶显示背光以外的照明系统上。 

所述的透镜装置，该LED背光系统的光学装置应用在背光照明系统上，其透镜的正上方照射区域的配光来自与其相邻透镜装置射出的光线。 

所述的透镜装置，其二次光学透镜1与其上方的滤光片2可为一体组合式设置，也可为分体式设置。 

所述的透镜装置，其二次光学透镜1与其上方的滤光片2也可以为两种不同光学特性的材质组合或成型成一体。 

所述的透镜装置，其二次光学透镜的底面为非光学表面，其可以为普通机加工面、磨砂面、用来收集杂光的回复反射微结构面等。所述的复反射微结构面，其可以为微型90度V-槽环纹面187、微型4方锥金字塔形棱镜阵列 面188、微型6边形排列的圆锥面189，其可以将入射到透镜底面的光反射回到透镜前方。所述的磨砂面，其可以将射向透镜后方的杂光打散，并部分反射回透镜的前方，磨砂面上还可以涂上白色的漆。 

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。 

Claims (10)

1.一种用于液晶显示背光系统的二次光学透镜，包括底面及自所述底面的边缘向上拱起形成的配光曲面，其特征在于：所述配光曲面顶部的中间部位向上凸出形成凸起，所述凸起的外侧面为作为出光面的柱形曲面，所述凸起顶部的中间部位向下凹入形成反射面，所述反射面内设有台阶，自所述底面的中间部位向上凹入形成内凹槽，所述内凹槽具有侧面及位于所述侧面顶部的聚光面，所述侧面为回转面，使入射光线的一部分被所述聚光面会聚后，射向所述反射面，反射后的光线通过所述凸起的外侧面出射；所述入射光线的另一部分经所述内凹槽的侧面折射后，经所述配光曲面出射。

2.如权利要求1所述的二次光学透镜，其特征在于：所述内凹槽的侧面为圆弧形回转面，所述圆弧形回转面的剖面线为圆弧，所述圆弧的所有法线都相交于N点，所述N点与圆弧的顶点P在同一水平面。

3.如权利要求1所述的二次光学透镜，其特征在于：所述内凹槽的侧面为圆弧形回转面、剖面为非正圆的回转曲面或锥面。

4.如权利要求1所述的二次光学透镜，其特征在于：所述配光曲面附有环纹微结构的衍射面，使出射光围绕主出射光线产生±Δθ的小角度的混光，所述Δθ在2°～8°范围内。

5.如权利要求4所述的二次光学透镜，其特征在于：所述环纹微结构为波浪形周期性的环纹微结构，其波峰波谷值H为1～25微米，环纹的间距P为0.02～5毫米。

6.如权利要求1所述的二次光学透镜，其特征在于：所述配光曲面为连续光滑的曲面、具有混光作用的环纹衍射面、具有混光作用的带有鳞片状多面体曲面、具有混光作用的带有蜂窝状组合曲面、混合自由曲面、剖面轮廓线由微小线段及曲线组成的环纹复合曲面、蜂窝状多面体曲面、菲涅尔曲面、多边形混合自由曲面或非轴对称的自由曲面。

7.如权利要求1所述的二次光学透镜，其特征在于：所述聚光面为菲涅尔环纹聚光面、非球面聚光面或自由曲面。

8.如权利要求1所述的二次光学透镜，其特征在于：所述反射面上附着有半透明的树脂或胶体，或者附着有不透明的介质。

9.一种用于液晶显示背光系统的LED透镜装置，包括LED光源，其特征在于：还包括滤光片及权利要求1-8中任意一项所述的二次光学透镜，所述滤光片固定于所述台阶上，所述LED光源位于所述内凹槽内。

10.一种照明系统，其特征在于：包括权利要求9所述的LED透镜装置。 

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