[发明专利]用于超薄直下式LED背光系统的双自由曲面光学透镜

说明书

技术领域

本发明涉及LED显示领域,具体涉及用于超薄直下式LED背光系统的双自由曲面光学透镜。

背景技术

近年来，随着液晶显示技术飞速发展，作为LCD显示的核心技术之一的背光源技术也得到了很大发展。LED作为一种新光源，凭借其响应快、体积小、寿命长、色温优良、抗震能力强和节能环保等优点，将逐步取代传统光源成为背光系统的主流光源。

根据LED光源的位置，LED背光系统可以分为侧光式和直下式。侧光式背光系统将LED光源放置在经过特殊设计的导光板侧边，一般LED颗数较少。因LED光源在背光系统的侧面，所以这种背光系统具轻薄、结构简单等优势，但受LED颗数及亮度限制，光源的能量利用率较小，且系统越薄利用率越小。另外，侧光式背光系统依靠导光板进行配光，难以实现系统的区域控制和节能，并且不能提升系统的动态对比值及动态影像画质。这种设计方式主要应用于中小尺寸背光系统，如果用于大尺寸背光系统，导光板的重量和成本将随着系统尺寸的增加而增加，并且其发光亮度低和均匀性差的缺点也更加明显。

直下式LED背光系统不需要导光板，工艺简单。在大尺寸背光系统主要采取直下式。在这种系统中，LED阵列位于模组的底部，从LED发出的光经过模组底部的配光单元，再通过表面的扩散板扩散后均匀出射。直下式背光系统的厚度由底部模组与扩散板的距离决定，通常系统的厚度越大，其均匀性就越好。目前，用于背光系统的LED光源主要有边发射型和朗伯型两种。边发射型LED的方案主要是利用介质全反射的性质，来实现对光线的控制，但是由于全反射角的限制，这种方案不能准确控制光强的角分布。同时，边发射型LED的中心光强偏低，容易造成暗斑，对背光系统的均匀性影响很大。而朗伯型LED光源的光强呈余弦分布，中心光强较大，从中心向两边逐渐减小，使其在目标照明面上形成的照度随出射角的增大而迅速衰减,很难满足均匀照明的需求。

发明内容

针对直下式背光系统的超薄化设计及朗伯型LED配光设计中面临的主要问题，本发明提供了一种用于超薄直下式LED背光系统的双自由曲面光学透镜，该透镜体积小，光能利用率高，制造、安装方便，并能产生均匀的照度分布。本发明采用如下技术方案：

用于超薄直下式LED背光系统的双自由曲面光学透镜，其特征在于包括两个自由曲面，分别构成入射面及出射面；所述透镜的底面中心有一个供LED安装于腔内的空腔，空腔的腔壁是自由曲面即内侧自由曲面，构成所述的入射面；透镜的外侧面也是自由曲面即外侧自由曲面，构成所述的出射面；

自由曲面透镜的形状确定如下：

以LED光源为原点O建立空间直角坐标系，以LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与平面垂直XOY的轴为z轴，首先对光源立体角进行划分，并把目标照明面上的照明区域进行环带划分，接着运用能量守恒定律，建立光源立体角和目标照明面上环带区域的映射关系，然后运用折反射定律，通过几何关系得到最后的双自由曲面透镜。

进一步的，所述两个自由曲面确定如下：

首先，目标照明面与LED的距离为h，目标照明区域是一个圆形区域，其半径为r，LED光源的总光通量为Φ_source，中心光强为I₀＝Φ_source/π，目标照明区域的平均照度为E_average，坐标系中为出射光线与Z轴正方向的夹角；对光源的立体角进行离散化，把等分成M份，这样就得到了的数组，且0<i≤M；

对于构成入射面的自由曲面，由于其主要作用是控制光线的出射角度，设置控制的出射角度取值范围为[0,θ_max]，且并将该出射角均匀划分为M份，每一份记为θ(i)，使之与光源立体角数组一一对应；

以每一份角为研究对象，其光通量为：

其中，通常表示从LED发出光线的最大散射半角；

对圆形照明区域进行离散化，对应于光源立体角的划分，将r也等分成M份，记为r(i)；在目标照明面圆形照明区域r(i)与光源立体角数组之间建立起一一对应关系；

目标照明区域的平均照度为与LED光源总光通量之间的关系为

通过上式能得出E_average的值；

通过能量守恒建立光源立体角与环带区域的对应关系，得到下式：