用于超薄直下式led背光系統(tǒng)的雙自由曲面光學(xué)透鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及L邸顯示領(lǐng)域，具體設(shè)及用于超薄直下式L邸背光系統(tǒng)的雙自由曲面 光學(xué)透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著液晶顯示技術(shù)飛速發(fā)展，作為L(zhǎng)CD顯示的核屯、技術(shù)之一的背光源技 術(shù)也得到了很大發(fā)展。LED作為一種新光源，憑借其響應(yīng)快、體積小、壽命長(zhǎng)、色溫優(yōu)良、抗震 能力強(qiáng)和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，將逐步取代傳統(tǒng)光源成為背光系統(tǒng)的主流光源。
[0003] 根據(jù)LED光源的位置，LED背光系統(tǒng)可W分為側(cè)光式和直下式。側(cè)光式背光系統(tǒng) 將L邸光源放置在經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的導(dǎo)光板側(cè)邊，一般L邸顆數(shù)較少。因L邸光源在背光系 統(tǒng)的側(cè)面，所W該種背光系統(tǒng)具輕薄、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但受LED顆數(shù)及亮度限制，光源的 能量利用率較小，且系統(tǒng)越薄利用率越小。另外，側(cè)光式背光系統(tǒng)依靠導(dǎo)光板進(jìn)行配光，難 W實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的區(qū)域控制和節(jié)能，并且不能提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)對(duì)比值及動(dòng)態(tài)影像畫質(zhì)。該種設(shè) 計(jì)方式主要應(yīng)用于中小尺寸背光系統(tǒng)，如果用于大尺寸背光系統(tǒng)，導(dǎo)光板的重量和成本將 隨著系統(tǒng)尺寸的增加而增加，并且其發(fā)光亮度低和均勻性差的缺點(diǎn)也更加明顯。
[0004] 直下式L邸背光系統(tǒng)不需要導(dǎo)光板，工藝簡(jiǎn)單。在大尺寸背光系統(tǒng)主要采取直下 式。在該種系統(tǒng)中，L邸陣列位于模組的底部，從L邸發(fā)出的光經(jīng)過模組底部的配光單元， 再通過表面的擴(kuò)散板擴(kuò)散后均勻出射。直下式背光系統(tǒng)的厚度由底部模組與擴(kuò)散板的距離 決定，通常系統(tǒng)的厚度越大，其均勻性就越好。目前，用于背光系統(tǒng)的L邸光源主要有邊發(fā) 射型和朗伯型兩種。邊發(fā)射型LED的方案主要是利用介質(zhì)全反射的性質(zhì)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的 控制，但是由于全反射角的限制，該種方案不能準(zhǔn)確控制光強(qiáng)的角分布。同時(shí)，邊發(fā)射型LED 的中屯、光強(qiáng)偏低，容易造成暗斑，對(duì)背光系統(tǒng)的均勻性影響很大。而朗伯型L邸光源的光強(qiáng) 呈余弦分布，中屯、光強(qiáng)較大，從中屯、向兩邊逐漸減小，使其在目標(biāo)照明面上形成的照度隨出 射角的增大而迅速衰減，很難滿足均勻照明的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)直下式背光系統(tǒng)的超薄化設(shè)計(jì)及朗伯型L邸配光設(shè)計(jì)中面臨的主要問題，本 發(fā)明提供了一種用于超薄直下式LED背光系統(tǒng)的雙自由曲面光學(xué)透鏡，該透鏡體積小，光 能利用率高，制造、安裝方便，并能產(chǎn)生均勻的照度分布。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 用于超薄直下式L邸背光系統(tǒng)的雙自由曲面光學(xué)透鏡，其特征在于包括兩個(gè)自由 曲面，分別構(gòu)成入射面及出射面；所述透鏡的底面中屯、有一個(gè)供L邸安裝于腔內(nèi)的空腔，空 腔的腔壁是自由曲面即內(nèi)側(cè)自由曲面，構(gòu)成所述的入射面；透鏡的外側(cè)面也是自由曲面即 外側(cè)自由曲面，構(gòu)成所述的出射面；
[0007] 自由曲面透鏡的形狀確定如下：
[000引 W L邸光源為原點(diǎn)0建立空間直角坐標(biāo)系，W L邸底面所在平面為XOY平面，過原 點(diǎn)并與平面垂直XOY的軸為Z軸，首先對(duì)光源立體角進(jìn)行劃分，并把目標(biāo)照明面上的照明區(qū) 域進(jìn)行環(huán)帶劃分，接著運(yùn)用能量守恒定律，建立光源立體角和目標(biāo)照明面上環(huán)帶區(qū)域的映 射關(guān)系，然后運(yùn)用折反射定律，通過幾何關(guān)系得到最后的雙自由曲面透鏡。
[0009] 進(jìn)一步的，所述兩個(gè)自由曲面確定如下：
[0010] 首先，目標(biāo)照明面與LED的距離為h，目標(biāo)照明區(qū)域是一個(gè)圓形區(qū)域，其半徑為r， L邸光源的總光通量為Owuree，中屯、光強(qiáng)為1。=巫SDUtee/n，目標(biāo)照明區(qū)域的平均照度為 ￡。^,^。，坐標(biāo)系中9^為出射光線與2軸正方向的夾角；對(duì)光源的立：體角進(jìn)行離散化，把^等 分成M份，該樣就得到了例/')的數(shù)組，且0<i《M ;
[0011] 對(duì)于構(gòu)成入射面的自由曲面，由于其主要作用是控制光線的出射角度，設(shè)置控制 的出射角度取值范圍為[0, 0maJ，且口m。、，并將該出射角均勻劃分為M份，每一份 記為0 (i)，使之與光源立體角抑0數(shù)組一一對(duì)應(yīng)；
[0012] 化每一份界W角為研究對(duì)象，其光通量為：
[001 引
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 用于超薄直下式LED背光系統(tǒng)的雙自由曲面光學(xué)透鏡，其特征在于包括兩個(gè)自由曲 面，分別構(gòu)成入射面及出射面；所述透鏡的底面中心有一個(gè)供LED安裝于腔內(nèi)的空腔，空腔 的腔壁是自由曲面即內(nèi)側(cè)自由曲面，構(gòu)成所述的入射面；透鏡的外側(cè)面也是自由曲面即外 側(cè)自由曲面，構(gòu)成所述的出射面； 自由曲面透鏡的形狀確定如下： 以LED光源為原點(diǎn)0建立空間直角坐標(biāo)系，以LED底面所在平面為XOY平面，過原點(diǎn)并 與平面垂直XOY的軸為z軸，首先對(duì)光源立體角進(jìn)行劃分，并把目標(biāo)照明面上的照明區(qū)域進(jìn) 行環(huán)帶劃分，接著運(yùn)用能量守恒定律，建立光源立體角和目標(biāo)照明面上環(huán)帶區(qū)域的映射關(guān) 系，然后運(yùn)用折反射定律，通過幾何關(guān)系得到最后的雙自由曲面透鏡。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超薄直下式LED背光系統(tǒng)的雙自由曲面光學(xué)透鏡，其特 征在于所述兩個(gè)自由曲面確定如下： 首先，目標(biāo)照明面與LED的距離為h，目標(biāo)照明區(qū)域是一個(gè)圓形區(qū)域，其半徑為r，LED光 源的總光通量為，中心光強(qiáng)為、=〇 ，目標(biāo)照明區(qū)域的平均照度為Eav"age，坐 標(biāo)系中P為出射光線與Z軸正方向的夾角；對(duì)光源的立體角進(jìn)行離散化，把p等分成M份， 這樣就得到了 #/_)的數(shù)組，且〇〈i<M; 對(duì)于構(gòu)成入射面的自由曲面，由于其主要作用是控制光線的出射角度，設(shè)置控制的出 射角度取值范圍為[〇, 0_]，且〇Stax<Pmax，并將該出射角均勻劃分為M份，每一份記為 9 (i)，使之與光源立體角供(0數(shù)組--對(duì)應(yīng)； 以每一份舛/_)角為研宄對(duì)象，其光通量為：
其中，供(/) <pmax，通常仍_ = 90°，表示從LED發(fā)出光線的最大散射半角； 對(duì)圓形照明區(qū)域進(jìn)行離散化，對(duì)應(yīng)于光源立體角供的劃分，將r也等分成M份，記為r(i);在目標(biāo)照明面圓形照明區(qū)域r(i)與光源立體角舛〇數(shù)組之間建立起一一對(duì)應(yīng)關(guān)系； 目標(biāo)照明區(qū)域的平均照度為與LED光源總光通量之間的關(guān)系為
通過上式能得出EavOTage的值； 通過能量守恒建立光源立體角與環(huán)帶區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到下式：
S(i)為目標(biāo)面上環(huán)帶區(qū)域的面積，且S(i) =Jr?[r(i)2-r(i-l)2]，通過上式可以計(jì)算 相對(duì)應(yīng)的每一個(gè)環(huán)帶區(qū)域的半徑r(i); 從LED出射光線與z軸的夾角為供(/_)，并與內(nèi)側(cè)自由曲面相交于BiOqahzJi))點(diǎn)， 經(jīng)過內(nèi)側(cè)自由曲面折射后與外層自由曲面相交于Q(x2 (i)，z2 (i))點(diǎn)，穿過外側(cè)自由曲面后 與目標(biāo)照明面相交于DiCrQhH)點(diǎn)，Bi點(diǎn)處的單位法向量％〇，/;)，Q點(diǎn)處的單位法向量 N2(c,d)： 由折反射定律得出曲面上點(diǎn)的法向量，利用這個(gè)法向量求得切平面，通過求切平面與 入射光線的交點(diǎn)得到曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)，折反射定律公式如下：
其中n為透鏡折射率，其取值視透鏡材料而定，瓦為入射光線單位向量，&為出射光 線單位向量，及為單位法向量； 對(duì)于內(nèi)側(cè)自由曲面，由光源立體角P⑴可得到入射向量，由0 (i)可得出射向量，結(jié)合 折反射定律可得內(nèi)側(cè)自由曲面上下一點(diǎn)的坐標(biāo)值：
對(duì)于外層自由曲面，由上式與折反射定律聯(lián)立可得外側(cè)自由曲面上下一點(diǎn)的坐標(biāo)值：
a,b,c,d由折反射定律得到，具體是： (1) 分別確定內(nèi)側(cè)自由曲面、外側(cè)自由曲面的起始點(diǎn)； (2) 對(duì)于內(nèi)側(cè)自由曲面，由P和0可得到入射向量和出射向量，通過折反射定律，可以 計(jì)算出起始點(diǎn)的法向向量，從而確定該點(diǎn)的切平面，第二條入射光線與該切平面相交從而 確定第二點(diǎn)； ⑶對(duì)于外層自由曲面，利用折反射定理計(jì)算出起始點(diǎn)的切平面，將內(nèi)側(cè)曲面的第二條 光線出射向量作為外層曲面的第二條光線的入射向量，由起始點(diǎn)的切平面與第二條光線的 入射向量所在的直線相交可得出第二點(diǎn)； (4)同理，由前一點(diǎn)的切平面與下一條光線的入射向量所在的直線相交可得出下一點(diǎn) 坐標(biāo)，通過迭代得出內(nèi)側(cè)、外側(cè)自由曲面上全部點(diǎn)的坐標(biāo)，由此確定了透鏡輪廓曲線，然后 將透鏡輪廓曲線繞中心軸旋轉(zhuǎn)構(gòu)成整個(gè)自由曲面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于超薄直下式LED背光系統(tǒng)的雙自由曲面光學(xué)透鏡，其特 征在于 給每個(gè)環(huán)帶區(qū)域r(i)設(shè)置一個(gè)優(yōu)化系數(shù)％，改變這個(gè)優(yōu)化系數(shù)即改變環(huán)帶區(qū)域的半 徑，從而改變投射到每個(gè)環(huán)帶區(qū)域的能量大??； 增加優(yōu)化系數(shù)后，每個(gè)環(huán)帶區(qū)域的能量表示為： 〇 (i) = JiX[r(i)2-r(i-l)2] 這里ai為常數(shù)，且〇〈ai，〇〈i<M; 由能量守恒可以得到：
由上兩式可得：
根據(jù)上式，通過迭代可以得到新的半徑序列，利用這個(gè)新的半徑序列重新獲得透鏡輪 廓曲線，然后，將新的透鏡輪廓曲線擬合成實(shí)體，反復(fù)修改％的值直至目標(biāo)面上的照度達(dá)到 均勻分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于超薄直下式LED背光系統(tǒng)的雙自由曲面光學(xué)透鏡，其特 征在于i取值的大小決定自由曲面形狀的精確度，其取值越小，自由曲面形狀越精確。
【專利摘要】本發(fā)明提供用于超薄直下式LED背光系統(tǒng)的雙自由曲面光學(xué)透鏡。其包括兩個(gè)自由曲面，分別構(gòu)成入射面及出射面；自由曲面透鏡的形狀確定如下：以LED光源為原點(diǎn)O建立空間直角坐標(biāo)系，以LED底面所在平面為 平面，過原點(diǎn)并與平面垂直的軸為軸，首先對(duì)光源立體角進(jìn)行劃分，并把目標(biāo)照明面上的照明區(qū)域進(jìn)行環(huán)帶劃分，接著運(yùn)用能量守恒定律，建立光源立體角和目標(biāo)照明面上環(huán)帶區(qū)域的映射關(guān)，然后運(yùn)用折反射定律，通過幾何關(guān)系得到最后的雙自由曲面透鏡。本發(fā)明體積小巧，從LED出射的光線通過雙自由曲面透鏡后，能夠在目標(biāo)照明面上形成照度分布均勻的圓形光斑，并且透鏡的輸出效率很高。
【IPC分類】F21V5-04, F21Y101-02
【公開號(hào)】CN104566217
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510030226
【發(fā)明人】吳衡, 張憲民
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月21日