CN204437995U - 一种匀光直下式led背光照明用配光透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及背光照明技术领域，具体指一种匀光直下式LED背光照明用配光透镜；包括透镜本体，所述透镜本体包括入射面、出射面以及底部复合面，所述底部复合面的设置有一个子复合面，当所述子复合面沿过透镜本体中心轴任意方向剖开时，子复合面的剖面线上任意一点在剖面内的法线与所述透镜本体的中心轴相交于透镜本体的下方。所述子复合面将经所述出射面所反射来的部分菲涅尔界面反射光线向远离透镜本体中心轴的方向反射出去，这样有效地降低了由于菲涅尔界面反射光线所引起的照明光场位于透镜上方中心区域的光线堆积，以此达到良好的背光照明效果。

Description

一种匀光直下式LED背光照明用配光透镜

技术领域

本实用新型涉及背光照明技术领域，具体指一种匀光直下式LED背光照明用配光透镜。

背景技术

 现在液晶电视用的LED背光照明以及LED面板灯等的背光照明方式和照明结构通常有两种：一种为将多颗LED放置在导光板的侧面（LED光轴与导光板侧面基本垂直），LED发出的光线经过导光板侧面进入到导光板中，在导光板中发生多次全反射和折射后，最终所有的光线经导光板的正面透射出来，通过精确控制导光板反射与折射的比例，可以在导光板正面形成均匀的出光面；这种方式常称之为侧入式照明方式。

另外一种是将多颗LED光源放置在扩散板背面（本方法中LED光轴与扩散板背面基本垂直），为了将LED发出的光线均匀的照射在扩散板背面，需要在每个LED与扩散板之间放置一个二次配光透镜，配光透镜将LED发出的光线进行二次分配后，均匀的照射在扩散板的背面；这样光线经过扩散板背面进入到扩散板内部再一次扩散，从扩散板的正面出射出来，可以在扩散板正面形成均匀的出光面，这种方式常称之为直下式照明方式。

上述两种照明方式相比较，形成同样的出光面积，侧入式的光线行进路径远大于直下式，侧入式的出光效率低下，所以采用侧入式的照明方式其能耗高、成本高。

近年来随着显示器(例如平板电视显示器)用的LED背光照明以及LED面板灯等的产品的进一步应用和推广。对对应产品的节能要求和成本控制的需求也越来迫切；这样的背景下效率较低的传统侧入式照明方式逐步在被直下式照明方式取代。

目前LED直下式背光照明的发展趋势为：在尽量增大LED之间的间距（主要是为了在同样的面积内减少LED数量）的前提下缩小从LED光源到扩散板的厚度（主要是为了减小系统体积），同时还要保证照射的均匀性。这对配光透镜提出了更高的要求。

现有技术中，为了增大LED之间的间距，同时压缩LED与扩散板之间的距离，如图1所示，有的直下式系统采用反射式透镜对LED发出的光线进行二次分配，让相当部分的LED110发出的光线120通过透镜130反射到系统内腔上的反光层140上，然后再反射到扩散板上150。这种照明方式虽然可以减小空间高度，但是对反光层的特性依赖较大，同时对透镜的面型精度及安装精度以及反光层的平整层度等要求较高，因此较难实现均匀照明。

现在也有的直下式系统采用折射式透镜对LED发出的光线进行二次分配，但很难在LED之间间隔距离大且LED与扩散板之间距离小的情况下实现均匀照明。

如图2所示，造成照明不均匀的原因之一是透镜220入射面221与出射面223的面形比较简单，有的透镜的入射面及出射面采用多球面拼接而成，有的采用简单的圆锥曲面，这使得LED光源发出的光线难以按照背光照明的需求在大角度范围内进行有效的分配。

另一个重要原因是光线在不同介质中传播时，光线通过界面时总是会存在着菲涅尔界面反射，而且入射角度越大的菲涅尔界面反射效应越明显。通常从光疏介质到光密介质传播时，入射角大于60°后其菲涅尔界面反射率将随着入射角的增加而上升；而从光密介质到光疏介质传输时菲涅尔界面反射则更加显著，入射角大于30°后其菲涅尔界面反射率将随着入射角的增加而急剧上升。

从LED光源发出的光线经过入射面的折射后进入透镜本体，达到出射面时部分光线经出射面折射出去，而另外部分光线被界面反射到透镜内部，这部分反射光线经过透镜底面或者系统内腔反射面等多个面的多次反射与折射后，会在LED上方靠中间部分区域形成光线（能量）的集聚，严重影响了透镜出射光场的均匀性。

参考图2中，由位于入射面下方的LED光源210发出进入透镜220的光线231在到达出射面223时会进行分离，成为折射光线232和菲涅尔反射光线233。通常折射光线232会携带大部分能量直接射到扩散板250，而菲涅尔反射光线233则会携带少部分能量反射回透镜内部，然后经透镜本体底部222或透镜本体底部下的物体反射后形成二次反射光线234，当二次反射光线234再次碰到出射面223时折射出透镜成为光线235，光线235行进一段路程后到达扩散板250。由光线行进路线可以看出光线235会在LED210上方靠中间部分区域集聚。由于光线231在到达出射面223时是由光密介质进入光疏介质，因此菲涅尔界面反射效应较为明显，存在较高的反射率，因此由于菲涅尔界面反射而造成的LED210上方靠中间部分区域光线（能量）集聚的现象较为显著，最终影响到背光照明的均匀性。

实用新型内容

   为了实现直下式匀光照明效果，本实用新型提供一种匀光直下式LED背光照明用配光透镜，能够减少由于菲涅尔界面反射所引起的出射光线在中心光场的堆积，合理分布出射光线，在实现同样照明效果的前提下可以减少LED背光面板上的LED光源的使用数量同时还可以实现缩小从LED光源到扩散板的厚度，减小系统的体积。

为了实现上述技术效果，本实用新型采取如下技术方案：

为了解决以上问题，本实用新型提出一种匀光直下式LED背光照明用配光透镜，包括透镜本体，其中所述透镜本体包括出射面、入射面和底部复合面；

所述底部复合面位于所述透镜本体的底部，靠近透镜本体中心轴的一侧与所述入射面相连；

所述入射面位于所述透镜本体的底部中心，向透镜本体顶部方向凹陷；

所述底部复合面设置有一个子复合面，当所述子复合面沿过透镜本体中心轴任意方向剖开时，子复合面的剖面线上任意一点在剖面内的法线与所述透镜本体的中心轴相交于透镜本体的下方。本实用新型中透镜的子复合面为环状，随着子复合面环半径由大减小，子复合面总体呈向透镜本体的顶部方向突起的趋势，将所述出射面所反射的部分菲涅尔界面反射光线向远离透镜本体中心轴的方向反射出去，这样有效地降低了由于菲涅尔界面反射光线所引起的光源上方区域光线的堆积，增加了偏离透镜中心的光场的强度，提高了出射光场的匀光性。

进一步的，所述子复合面设置在透镜本体底部的照度从峰值到10%峰值的区域内。一般说来，实际工作中经过透镜本体出射面的菲涅尔界面反射光线在透镜本体底面会相对集中在一个环带上，这个菲涅尔界面反射光线相对集中的环带区域与透镜本体的入射面底部之间存在一定过渡区域；所以只需要在这个菲涅尔界面反射光线相对集中的环带区域设置子复合面即可实现将大部分菲涅尔界面反射光线朝偏离透镜本体中心轴的方向反射出去；本透镜底面的照度主要来自出光面的菲涅尔界面反射光线，在底部的照度集中的区域设置子复合面就可以有效改善由于出光面的菲涅尔界面反射光线所引起光线分布不合理问题。（所述子复合面设置在透镜本体底部的照度从峰值到10%峰值的区域内是指在透镜本体底部的照度从峰值到10%峰值的区域内设置有子复合面，所述子复合面的具体设置位置以及覆盖范围可以根据透镜具体使用需要灵活调节）。

进一步的，所述子复合面剖面线为直线，直线的设计结构简单，子复合面为圆锥面形，方便加工和生产制造，降低了生产成本。

进一步的，所述子复合面的剖面线为曲线。子复合面为曲面的设计，当光线经过所述子复合面向远离透镜本体中心轴的方向反射时，曲面对所反射的光线有进一步的分配的灵活性，有利于提高背光照明效果。

作为一种优选，所述子复合面靠近透镜本体中心轴的一侧通过一个过渡面与所述入射面的底部相连。在子复合面与入射面之间通过一个过渡面相连接，在不影响对菲涅尔界面反射光线效率的基础上，通过过渡面，降低透镜的高度，使得在有限的空间内，最优地处理好透镜底面上菲涅尔界面反射光线相对集中的区域。

做为一种优选，所述子复合面经过底面与透镜本体底部边缘相连接。本实用新型透镜在子复合面与透镜底部边缘之间设置有底面，使得透镜边缘底部具有适当的厚度，保证透镜结构的稳定性，便于透镜的制备，同时底面在透镜安装使用时，可以充当安装面，方便透镜安装和使用。

进一步的，所述LED出光面齐平或高于入射面底部；这样可以保证光源所发出光全部经过入射面后进入透镜本体，而不会直接照射到透镜底部复合面上，而损失部分光源能量，同时也避免了由此所造成的杂光影响照射均匀性的情况。

作为一种优选，为了进一步提高出射光场的匀光性，将子复合面设置为毛面。这样经过子复合面所反射的光线的主方向没有发生改变，还是朝着设计远离所述透镜本体中心轴的方向反射，不过反射光线的匀光性得到进一步改善，有利于改善由子复合面反射的规律性二次反射而造成的在扩散板上光线分布不均匀的现象。

进一步的，为了保证所述透镜与LED光源安装精确以及配光透镜的装配方便，在透镜的底面与侧面设置有定位装置。

进一步的，为了实现透镜与LED光源面板的安装的定位准确和提高安装效率，简化安装过程，在与透镜对应LED面板或者PCB板的对应位置，设置有所述定位装置相匹配的对应定位装置。

进一步的，所述定位装置，设置在所述透镜底部的边缘位置，可以是直接设置在透镜本体的底部边缘，也可以是在所述透镜本体的底部外侧专门设置定位装置的位置。 

进一步的，所述透镜本体的定位装置与所述透镜本体一体成型。

本专利进一步提供一种背光照明系统，包括设置在PCB板的LED光源以及安装在LED光源上方以实现二次配光的本匀光直下式背光LED透镜，这样的系统可以在同样的出光面积内以及同样照度均匀性的前提下，实现增大LED光源之间的距离，减少LED数量，并缩短LED光源与扩散板之间的距离，使得直下式LED背光照明系统的成本下降，体积缩小。

进一步的，所述系统还包括扩散板，所述扩散板设置在所述透镜的前方。所述扩散板的应用能够更进一步将PCB板上LED光源所发出的光更好，更均匀的扩散到出光面。

进一步的，所述系统还包括反射层，所述反射层位于所述PCB板的前方与所述PCB板紧密贴合；虽然使用本实用新型中折射式二次配光透镜对反射层的依赖程度很低，但是反射层的使用能更好地提高背光照明系统的光能利用效率，达到良好地节能效果。

本实用新型还提供一种电视，包括背光照明系统，所述背光照明系统包括设置在PCB板的LED光源以及安装在LED光源上方以实现二次配光的本直下式背光LED透镜，所述透镜为本专利所述匀光直下式LED背光照明用配光透镜。

本实用新型还提供一种面板灯，包括背光照明系统，所述背光照明系统包括实现二次配光的本专利所述匀光直下式LED背光照明用配光透镜。

本实用新型具有如下有益效果：本新型匀光直下式LED背光照明用配光透镜，通过子复合面减少由于菲涅尔界面反射所引起的出射光线在中心光场的堆积，提高出背光照明系统的匀光性，在实现同样照明效果的前提下可以减少LED背光照明系统的LED光源使用数量，同时还可以缩小从LED光源到扩散板的厚度，减小了系统的体积。

总之本实用新型透镜改善了现有技术中由于菲涅尔界面反射所引起的照明光场中心轴附近小角度区域内的光线堆积问题，改善了经过透镜后出射光场的分布。能够实现在同样照度均匀性的前提下，增大LED光源之间的距离，减少LED数量，并缩短LED光源与扩散板之间的距离，使得直下式LED背光照明系统的成本下降，体积缩小。

附图说明

图1是现有技术中反射式背光透镜系统示意图。

图2是现有技术中折射式背光透镜的系统示意图。

图3是实施例1的立体结构示意图。

图4是实施例1的剖面示意图。

图5是实施例1的仰视图。

图6是实施例2的剖面示意图。

图7是实施例3的剖面示意图。

图8是实施例4的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本实用新型的技术方案。

为了实现上述技术效果，本实用新型采取如下技术方案：本实用新型提供一种匀光直下式LED背光照明用配光透镜，通过设置一个子复合面，减少菲涅尔界面反射光线在照明光场中心区域的堆积，提高出射光场的匀光性，在实现同样照明均匀性的前提下可以减少LED背光面板上的光源的使用数量，同时还可以实现缩小从LED光源到扩散板的厚度，减小了系统的体积。

为了实现上述技术效果，本实用新型采取如下技术方案：

为了解决以上问题，本实用新型提出一种匀光直下式LED背光照明用配光透镜，如图3、图4所示，包括透镜本体300，其中所述透镜本体300包括出射面302、入射面301和底部复合面303；所述出射面302、入射面301和底部复合面303均与透镜本体300同轴；

其中所述出射面302为所述透镜本体300的上方外表面，所述出射面302的底部与所述透镜本体300的底部复合面303相连（也可以经过侧面304与底部复合面303相连）；

所述底部复合面位于所述透镜本体303的底部，靠近透镜本体300中心轴的一侧与所述入射面301相连；

所述入射面301位于所述透镜本体300的底部中心，向透镜本体300上方顶部方向凹陷。

进一步的，所述底部复合面303的包含子复合面303-1，所述子复合面303-1沿过透镜本体中心轴的剖面，所剖开的剖面线上任意一点的法线FF’与所述透镜本体的中心轴OO’相交于透镜本体的下方（如图4所示）。

所述LED出光面齐平或高于入射面底部，使用时，LED光源所发出的光线全部经过入射面折射进入透镜本体，到达出射面后，大部分光线能量经出射面折射离开透镜向四周散开，但是在出射面处还有部分光线能量由于菲涅尔界面反射到达透镜底部复合面；本实用新型中透镜的底部复合面设置有环状子复合面，随着子复合面环半径由大减小，子复合面总体呈向透镜本体的顶部方向突起的趋势，将所述出射面所反射的菲涅尔界面反射光线向偏离透镜本体中心轴的方向反射出去，这样有效地降低了由于菲涅尔界面反射光线所引起的光源上方区域光线的堆积，增加了偏离透镜中心的光场的强度，提高了出射光场的匀光性。

进一步的，所述子复合面剖面线为直线，直线的设计结构简单，子复合面为圆锥面形，方便加工和生产制造，降低了生产成本。

进一步的，所述子复合面的剖面线为曲线。子复合面为曲面的设计，当光线经过所述子复合面向远离透镜本体中心轴的方向反射时，曲面对所反射的光线有进一步的分配的灵活性，有利于提高背光照明效果。

作为一种优选，如图4所示，所述子复合面靠近透镜本体中心轴的一侧通过一个过渡面303-2与所述入射面的底部相连。一般说来，实际工作中经过透镜本体出射面的菲涅尔界面反射光线在透镜本体底面会相对集中在一个环带上，这个菲涅尔界面反射光线相对集中的环带区域与透镜本体的入射面底部之间存在一定过渡区域；所以只需要在这个菲涅尔界面反射光线相对集中的环带区域设置子复合面即可实现将绝大部分菲涅尔界面反射光线朝偏离透镜本体中心轴的方向反射出去；在子复合面与入射面之间通过一个过渡面相连接，在不影响对菲涅尔界面反射光线效率的基础上，通过过渡面，降低透镜的高度，使得在有限的空间内，最优地处理好透镜底面上菲涅尔界面反射光线相对集中的区域。

做为一种优选，如图4所示，所述子复合面经过底面303-3与透镜本体底部边缘相连接。使得透镜边缘底部具有适当的厚度，保证透镜结构的稳定性，便于透镜的制备，同时底面在透镜安装使用时，可以充当安装面，方便透镜安装和使用。

作为一种优选，为了进一步提高出射光场的匀光性，将子复合面设置为毛面。这样经过子复合面所反射的光线的主方向没有发生改变，还是朝着设计远离所述透镜本体中心轴的方向反射，不过反射光线的匀光性得到进一步改善，有利于改善由子复合面反射的规律性二次反射而造成的在扩散板上的光线分布不均匀现象。

进一步的，为了保证所述透镜与LED光源安装精确以及配光透镜的装配方便，在透镜的底面与侧面设置有定位装置。

进一步的，为了实现透镜与LED光源面板的安装的定位准确和提高安装效率，简化安装过程，在与透镜对应LED面板或者PCB板的对应位置，设置有所述定位装置相匹配的对应定位装置。

进一步的，所述定位装置，设置在所述透镜底部的边缘位置，可以是直接设置在透镜本体的底部边缘，也可以是在所述透镜本体的底部外侧专门设置定位装置的位置。 

进一步的，所述透镜本体的定位装置与所述透镜本体一体成型。

本专利进一步提供一种背光照明系统，包括设置在PCB板的LED光源以及安装在LED光源上方以实现二次配光的本直下式背光LED透镜，所述透镜为上述透镜。这样的系统可以在同样的出光面积内以及同样照度均匀性的前提下，实现增大LED光源之间的距离，减少LED数量，并缩短LED光源与扩散板之间的距离，使得直下式LED背光照明系统的成本下降，体积缩小。

进一步的，所述系统还包括扩散板，所述扩散板设置在所述透镜的前方。所述扩散板的应用能够更进一步将PCB板上LED光源所发出的光更好，更均匀的扩散到出光面。

进一步的，所述系统还包括反射层，所述反射层位于所述PCB板的前方与所述PCB板紧密贴合；虽然使用本实用新型中折射式二次配光透镜对反射层的依赖程度很低，但是反射层的使用能更好地提高背光照明系统的光能利用效率，达到良好地节能效果。

本实用新型还提供一种电视，包括背光照明系统，所述背光照明系统包括设置在PCB板的LED光源以及安装在LED光源上方以实现二次配光的本直下式背光LED透镜，所述透镜为本专利所述匀光直下式LED背光照明用配光透镜。

本实用新型还提供一种面板灯，包括背光照明系统，所述背光照明系统包括实现二次配光的本专利所述匀光直下式LED背光照明用配光透镜。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

实施例1

本实施例中的背光透镜的底部复合面303设置有一个子复合面303-1，所述子复合面303-1沿过透镜本体中心轴的剖面剖开的剖面线上任意一点的法线与所述透镜本体的中心轴相交于所述透镜本体的下方，所述子复合面的剖面线为曲线；本实施例中子复合面靠近透镜本体中心轴的一侧通过过渡面303-2与入射面底部相连；本实施例中子复合面的另一侧通过底部303-3与透镜底部的边缘相连。本实施例透镜结构如图3、图4和图5所示（其中图3是本实施例的立体结构示意图；图4是本实施例的剖面示意图；图5是本实施例的仰视图）。本实施例中的匀光直下式LED背光照明用配光透镜，可以通过注塑或热压的方式成型。

实施例2

如图6所示，本实施例中的背光透镜的底部复合面包含子复合面303-1，所述子复合面303-1沿过透镜本体中心轴的剖开的剖面线为曲线；本实施例中子复合面靠近透镜本体中心轴的一侧与入射面底部相连；本实施例中子复合面的另一侧通过底面303-3与透镜底部的边缘相连。本实施例透镜结构如图6所示（图6是本实施例的剖面示意图）。本实施例其余结构以及工作原理与上述具体实施方式相同，在此不再赘述。

实施例3

如图7所示，本实施例中的背光透镜的底部复合面包含子复合面，所述子复合面沿过透镜本体中心轴的剖开的剖面线为曲线；本实施例中子复合面靠近透镜本体中心轴的一侧通过过渡面与入射面底部相连；本实施例中子复合面的另一侧与透镜底部的边缘相连；本结构为本实用新型透镜子复合面的一种可以选择的实施方案，本实施例透镜结构如图7所示（图7是本实施例的剖面示意图）。本实施例其余结构以及工作原理与上述具体实施方式相同，在此不再赘述。

实施例4

如图8所示，本实施例中的背光透镜的底部复合面包含子复合面，所述子复合面沿过透镜本体中心轴的剖开的剖面线为曲线；本实施例中子复合面靠近透镜本体中心轴的一侧与入射面底部相连；本实施例中子复合面的另一侧与透镜底部的边缘相连；本结构为本实用新型透镜的子复合面的一种极限情况，也是可能选择的一种实施方案，本实施例透镜结构如图8所示（图8是本实施例的剖面示意图）。本实施例其余结构以及工作原理与上述具体实施方式相同，在此不再赘述。

上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种匀光直下式LED背光照明用配光透镜，包括透镜本体，其中所述透镜本体包括出射面、入射面和底部复合面；所述底部复合面位于所述透镜本体的底部，靠近透镜本体中心轴的一侧与所述入射面相连；所述入射面位于所述透镜本体的底部中心，向透镜本体顶部方向凹陷；其特征是：所述底部复合面上设置一个子复合面，当所述子复合面沿过透镜本体中心轴任意方向剖开时，子复合面的剖面线上任意一点在剖面内的法线与所述透镜本体的中心轴相交于透镜本体的下方。

2.如权利要求1所述的匀光直下式LED背光照明用配光透镜，其特征是，所述子复合面设置在透镜本体底部的照度从峰值到10%峰值的区域内。

3.如权利要求2所述的匀光直下式LED背光照明用配光透镜，其特征是，所述子复合面剖面线为直线或者为曲线。

4.如权利要求2所述的匀光直下式LED背光照明用配光透镜，其特征是，所述子复合面靠近透镜本体中心轴的一侧通过一个底部过渡面与所述入射面的底部相连。

5.如权利要求2所述的匀光直下式LED背光照明用配光透镜，其特征是，所述子复合面通过底面与透镜本体底部边缘相连接。

6.如权利要求1至4之一所述的匀光直下式LED背光照明用配光透镜，其特征是，所述LED出光面齐平或高于入射面底部。

7.如权利要求6所述的匀光直下式LED背光照明用配光透镜，其特征是，所述子复合面为雾化毛面。

8.一种LED背光照明系统，包括设实现二次配光的直下式背光LED透镜，其特征在于，所述透镜为权利要求1至7之一透镜。

9.一种LED电视，包括背光照明系统，所述背光照明系统实现二次配光的本直下式背光LED透镜，其特征在于，所述透镜为权利要求1至7之一所述的透镜。

10.一种面板灯，包括背光照明系统，所述背光照明系统包括实现二次配光的直下式背光LED透镜，其特征在于，所述透镜为权利要求1至7之一所述的透镜。