CN104566217B - 用于超薄直下式led背光系统的双自由曲面光学透镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于超薄直下式LED背光系统的双自由曲面光学透镜。其包括两个自由曲面，分别构成入射面及出射面；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底面所在平面为平面，过原点并与平面垂直的轴为轴，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，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。本发明体积小巧，从LED出射的光线通过双自由曲面透镜后，能够在目标照明面上形成照度分布均匀的圆形光斑，并且透镜的输出效率很高。

Description

用于超薄直下式LED背光系统的双自由曲面光学透镜

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：

S(i)为目标面上环带区域的面积，且S(i)＝πi[r(i)²-r(i-1)²]，通过上式可以计算相对应的每一个环带区域的半径r(i)；

从LED出射光线与z轴的夹角为并与内侧自由曲面相交于B_i(x₁(i),z₁(i))点，经过内侧自由曲面折射后与外层自由曲面相交于C_i(x₂(i),z₂(i))点，穿过外侧自由曲面后与目标照明面相交于D_i(r(i),H)点，B_i点处的单位法向量C_i点处的单位法向量

由折反射定律得出曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标，折反射定律公式如下：

其中n为透镜折射率，其取值视透镜材料而定，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为单位法向量；

对于内侧自由曲面，由光源立体角可得到入射向量，由θ(i)可得出射向量，结合折反射定律可得内侧自由曲面上下一点的坐标值：

且

对于外层自由曲面，由上式与折反射定律联立可得外侧自由曲面上下一点的坐标值：

且

a,b,c,d由折反射定律得到，具体是：

(1)分别确定内侧自由曲面、外侧自由曲面的起始点；

(2)对于内侧自由曲面，由和θ可得到入射向量和出射向量，通过折反射定律，可以计算出起始点的法向向量，从而确定该点的切平面，第二条入射光线与该切平面相交从而确定第二点；

(3)对于外层自由曲面，利用折反射定理计算出起始点的切平面，将内侧曲面的第二条光线出射向量作为外层曲面的第二条光线的入射向量，由起始点的切平面与第二条光线的入射向量所在的直线相交可得出第二点；

(4)同理，由前一点的切平面与下一条光线的入射向量所在的直线相交可得出下一点坐标，通过迭代得出内侧、外侧自由曲面上全部点的坐标，由此确定了透镜轮廓曲线，然后将透镜轮廓曲线绕中心轴旋转构成整个自由曲面。

进一步的，给每个环带区域r(i)设置一个优化系数a_i，改变这个优化系数即改变环带区域的半径，从而改变投射到每个环带区域的能量大小。

增加优化系数后，每个环带区域的能量表示为：

Φ(i)＝a_i×E_average×π×[r(i)²-r(i-1)²]

这里a_i为常数，且0<a_i，0<i≤M；

由能量守恒可以得到：

由上两式可得：

根据上式，通过迭代可以得到新的半径序列，利用这个新的半径序列重新获得透镜轮廓曲线，然后，将新的透镜轮廓曲线拟合成实体，反复修改a_i的值直至目标面上的照度达到均匀分布。

进一步的，所述i取值的大小决定自由曲面形状的精确度，其取值越小，自由曲面形状越精确。

采用上述技术方案后，可以得到一个体积小巧、用于超薄直下式背光系统的双自由曲面透镜。从LED出射的光线通过双自由曲面透镜后，能够在目标照明面上形成照度分布均匀的圆形光斑，并且透镜的输出效率很高。

本发明的有益效果及优点：由于采用双自由曲面透镜，并且LED光源发光效率高，从光源射出的光线可以全部被收集利用，透镜的输出效率很高，同时，LED光源的光线出射方向以及目标照明上面的照度分布都可以很好的控制。通过区域优化，最终可以在目标面上获得均匀的照度分布。另外，透镜的底面中部有一个供LED安装于其内的空腔，使LED光源易于安装。由于透镜的体积小，留出大量的空间有利于系统的散热。该发明可以应用于LED一次配光以及LED集成光源光学，通过合理的选择参数，可以进一步的提高光学系统性能，达到更好的照明效果。由于透镜和LED光源的芯片及透镜的体积均较小，可以降低背光照明系统的整体厚度，达到超薄化设计的目的。本发明非常有利于朗伯型LED的配光设计及直下式背光系统的超薄化设计。

附图说明

图1为实施方式中LED光源立体角均匀划分的示意图。

图2为实施方式中目标照明区域均匀划分的示意图。

图3为实施方式中从LED光源发出的光线在透镜中传播的示意图。

图4为实施方式中目标照明区域的优化示意图。

图5为实施方式中双自由曲面透镜的侧视剖面图。

图6为实施方式中双自由曲面透镜的侧视三维立体图。

图7为实施方式中双自由曲面透镜的仰视三维立体图。

图8为实施方式中双自由曲面透镜的右视三维立体图。

图9为实施方式中双自由曲面透镜的俯视三维立体图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施进行详细的描述，但本发明的实施不限于此。

一种用于超薄直下式LED背光系统的双自由曲面光学透镜，该透镜由透明材料制成，透明材料为光学玻璃或PMMA或PC，透镜包括两个自由曲面，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安装于其内的空腔，空腔的腔壁是自由曲面，构成所述的入射面；透镜的外侧面也是自由曲面，构成所述的出射面。

1、设定初始条件并将LED光源立体角划分。

首先，目标照明面与LED的距离为12mm，目标照明区域是一个圆形区域，其半径为30mm，LED光源的总光通量为200lm，中心光强为I₀＝200/πcd，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，其值为对光源的立体角进行离散化，把等分成200份，这样就得到了的数组，且0<i≤200，i表示等分的份数。如图1所示。

对于内侧自由曲面，由于其主要作用是控制光线的出射角度，可以根据需要进行设定，这里设置其控制的角度取值范围为[0,θ_max]，且并将其均匀划分为200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：

这里且表示从LED发出光线的最大散射半角。

2.利用能量守恒定律将目标照明区域进行环带划分。

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200份，记为r(i)。这样就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，如图2所示。

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可表示为

通过上式可以计算出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，可以得到1式，如下所示：

S(i)为目标面上环带区域的面积，且S(i)＝πi[r(i)²-r(i-1)²]，通过1式可以计算相对应的每一个环带区域的半径r(i)。

3.计算双自由曲面透镜的离散坐标。

如图3所示，假设从LED出射光线与z轴的夹角为并与内侧自由曲面相交于B_i(x₁(i),z₁(i))点，经过内侧自由曲面折射后与外层自由曲面相交于C_i(x₂(i),z₂(i))点，穿过外层自由曲面后与目标照明面相交于D_i(r(i),H)点，B_i点处的单位法向量C_i点处的单位法向量

在进行自由曲面构建时，由折反射定律求出曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标。折反射定律公式如下：

其中n为透镜折射率，其取值视透镜材料而定，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为单位法向量。

对于内侧自由曲面，由光源立体角可以得到入射向量，由θ(i)可以求得出射向量，结合折反射定律可解得内侧自由曲面上下一点的坐标值，记为2式，如下所示：

且

对于外层自由曲面，由2式与折反射定律联立可以解得外侧自由曲面上下一点的坐标值：

且

a,b,c,d可以由折反射定律计算得到。

具体计算方法：

(1)分别确定内、外层自由曲面的起始点，其值分别为(0，2.9)，(0，3.2)，单位mm。

(2)对于内侧自由曲面，由和θ可以得到入射向量和出射向量，通过折反射定律，可以计算出起始点的法向向量，从而确定该点的切平面，第二条入射光线与该切平面相交从而确定第二点。

(3)对于外层自由曲面，利用折反射定理计算出起始点的切平面，将内侧曲面的第二条光线出射向量作为外层曲面的第二条光线的入射向量，由起始点的切平面与第二条光线的入射向量所在的直线相交可得出第二点。

(4)同理，由前一点的切平面与下一条光线的入射向量所在的直线相交可得出下一点坐标，通过计算机迭代可分别得出内、外层自由曲面上全部点的坐标，由此确定了透镜轮廓曲线，然后将透镜轮廓曲线绕中心轴旋转构成整个自由曲面。

例：对于内侧自由曲面，这里设置其控制的角度取值范围为[0,θ_max]，且将其均匀划分为200份，每一份记为θ(i)，同时对光源的立体角进行离散化，把等分成200份，每一份记为使之与θ(i)数组一一对应。设内侧自由曲面的边界线上起始点为(0，2.9)，即LED距离透镜内侧自由曲面顶部的距离为2.9mm。对于起始点，通过折反射定律由可以求出起始点的法向量法向量和起始点坐标可以求出切线为z+2.9＝0此为3式；角度为的直线方程为：此为4式；由3，4式所得的两直线相交，通过3，4式组成的方程组，求出x(2)，z(2)。

以此类推：第k点所对应的直线方程为所对应的切平面方程为N_x[k-1](x-x(k-1))+N_z[k-1](z-z(k-1))＝0。通过两直线相交可以求出第k点坐标，当k＝200时，即得到内侧自由曲面边界线上所有数据点的坐标数组。

4.环带区域优化。

本发明提供了一种简单易行的优化方案。给每个环带区域r(i)设置一个优化系数a_i，改变这个优化系数即可改变环带区域的半径，从而改变投射到每个环带区域的能量大小，如图4所示。

增加优化系数后，每个环带区域的能量可以由5式表示，如下：

Φ(i)＝a_i×E_average×π×[r(i)²-r(i-1)²]

这里a_i为常数，且0<a_i，0<i≤200。

由能量守恒可以得到6式，如下：

由5，6两式可得7式，如下：

根据7式，通过迭代计算可以得到新的半径序列，利用这个新的半径序列重新计算透镜轮廓曲线。然后，将新的透镜轮廓曲线拟合成实体并对其进行仿真，根据实际的仿真结果，反复修改a_i的值直至目标面上的照度达到均匀分布。

5.利用机械建模软件将得到的点拟合为实体

将得到的离散点的坐标依次导入到机械建模软件，进行拟合，然后将得到的曲线绕中心轴旋转，可以得到最终的双自由曲面光学透镜实体模型。

图1为实施方式中LED光源球坐标图，按照球坐标图示将LED光源立体角均匀划分。其中示出了均匀划分后的第i个立体角101。

图2为实施方式中目标照明区域环带划分的示意图，其中包括LED光源202，目标照明区域203，为经过划分得到的环带区域204。

图3为实施方式中从LED光源发出的光线在透镜中传播的示意图。其中包括透镜的内侧自由曲面301，透镜的外侧自由曲面302；二者共同作用实现在目标照明区域的均匀照明。目标照明面303。

图4为实施方式中目标照明区域的优化示意图，其中包括目标照明区域401，经过优化后的环带区域402，和优化系数403。

图5为通过上述方案得到的双自由曲面透镜的侧视剖面图，透镜的自由曲面有两个，其中，包括透镜的外侧自由曲面501和透镜的内侧自由曲面502。

图6为通过上述方案得到的双自由曲面透镜的侧视三维立体图，其中包括透镜的外侧自由曲面601，内侧自由曲面602；透镜的底面圆形区域603，可以供LED安装其中；和透镜的底部平面604。

图7为通过上述方案得到的双自由曲面透镜的仰视三维立体图，其中包括分别为透镜的外侧自由曲面701和内侧自由曲面702；透镜的底面圆形区域703；和透镜的底部平面704。

图8为通过上述方案得到的双自由曲面透镜的右视三维立体图，其中掰开透镜的外侧自由曲面801和内侧自由曲面802；和透镜的底部平面803。

图9为通过上述方案得到的双自由曲面透镜的俯视三维立体图，其中包括透镜的外侧自由曲面901和内侧自由曲面902。

采用上述技术方案后，可以得到出一个体积小巧、用于超薄直下式背光系统的双自由曲面透镜。从LED出射的光通过双自由曲面透镜后，能够在目标照明面上形成照度分布均匀的圆形光斑，并且透镜的输出效率很高。由于采用双自由曲面透镜，并且LED光源发光效率高，从光源射出的光线可以全部被收集利用，透镜的输出效率很高，同时，LED光源的光线出射方向以及目标照明上面的照度分布都可以很好的控制。通过区域优化，最终可以在目标面上获得均匀的照度分布。另外，透镜的底面中部有一个供LED安装于其内的空腔，使LED光源易于安装。由于透镜的体积小，留出大量的空间有利于系统的散热设计。

Claims (1)

1.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：

设定初始条件并将LED光源立体角划分；

首先，目标照明面与LED的距离为12mm，目标照明区域是一个圆形区域，其半径为30mm，LED光源的总光通量为200lm，中心光强为I₀＝200/πcd，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，其值为对光源的立体角进行离散化，把等分成200份，这样就得到了的数组，且0<i≤200，i表示等分的份数；

对于内侧自由曲面，由于其主要作用是控制光线的出射角度，可以根据需要进行设定，这里设置其控制的角度取值范围为[0,θ_max]，且并将其均匀划分为200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：

这里且表示从LED发出光线的最大散射半角；

利用能量守恒定律将目标照明区域进行环带划分；

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200份，记为r(i)；这样就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可表示为

通过上式可以计算出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：

S(i)为目标面上环带区域的面积，且S(i)＝π·[r(i)²-r(i-1)²]，可以计算相对应的每一个环带区域的半径r(i)；

计算双自由曲面透镜的离散坐标：

假设从LED出射光线与z轴的夹角为并与内侧自由曲面相交于B_i(x₁(i),z₁(i))点，经过内侧自由曲面折射后与外层自由曲面相交于C_i(x₂(i),z₂(i))点，穿过外层自由曲面后与目标照明面相交于D_i(r(i),H)点，B_i点处的单位法向量C_i点处的单位法向量

在进行自由曲面构建时，由折反射定律求出曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标，折反射定律公式如下：

其中n为透镜折射率，其取值视透镜材料而定，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为单位法向量；

对于内侧自由曲面，由光源立体角可以得到入射向量，由θ(i)可以求得出射向量，结合折反射定律可解得内侧自由曲面上下一点的坐标值，如下所示：

且

对于外层自由曲面，由上式与折反射定律联立可以解得外侧自由曲面上下一点的坐标值：

且

a,b,c,d可以由折反射定律计算得到；

具体计算方法：

(1)分别确定内、外层自由曲面的起始点，其值分别为(0，2.9)，(0，3.2)，单位mm；

(2)对于内侧自由曲面，由和θ可以得到入射向量和出射向量，通过折反射定律，可以计算出起始点的法向向量，从而确定该点的切平面，第二条入射光线与该切平面相交从而确定第二点；

(3)对于外层自由曲面，利用折反射定理计算出起始点的切平面，将内侧曲面的第二条光线出射向量作为外层曲面的第二条光线的入射向量，由起始点的切平面与第二条光线的入射向量所在的直线相交可得出第二点；

(4)同理，由前一点的切平面与下一条光线的入射向量所在的直线相交可得出下一点坐标，通过计算机迭代可分别得出内、外层自由曲面上全部点的坐标，由此确定了透镜轮廓曲线，然后将透镜轮廓曲线绕中心轴旋转构成整个自由曲面；

环带区域优化：

给每个环带区域r(i)设置一个优化系数a_i，改变这个优化系数即可改变环带区域的半径，从而改变投射到每个环带区域的能量大小；

增加优化系数后，每个环带区域的能量可以由5式表示，如下：

Φ(i)＝a_i×E_average×π×[r(i)²-r(i-1)²]

这里a_i为常数，且0<a_i，0<i≤200；

由能量守恒可以得到：

进一步得：

通过迭代计算可以得到新的半径序列，利用这个新的半径序列重新计算透镜轮廓曲线；然后，将新的透镜轮廓曲线拟合成实体并对其进行仿真，根据实际的仿真结果，反复修改a_i的值直至目标面上的照度达到均匀分布；

利用机械建模软件将得到的点拟合为实体；将得到的离散点的坐标依次导入到机械建模软件，进行拟合，然后将得到的曲线绕中心轴旋转，可以得到最终的双自由曲面光学透镜实体。