[發明專利]超薄直下式LED背光系統的自由曲面光學透鏡

有效

• 申請號: 201410326682.5
• 申請日: 2014-07-09
• 公開（公告）號: CN104154494B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 王洪;葛鵬;陳贊吉
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: F21V5/04
• 分類號: F21V5/04;G02F1/13357;F21Y115/10
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

1.超薄直下式LED背光系統的自由曲面光學透鏡，其特征在于該透鏡使LED光源發出的光在屏幕上形成照度均勻的矩形光斑，而且LED光源與屏幕的距離小于或等于30mm；所述透鏡包括入射面及出射面，所述透鏡的底面中心設有一個供LED光源安裝于其內的半球形空腔，所述的入射面由所述半球形空腔的半球面構成；透鏡的外側面是自由曲面，該自由曲面即所述的出射面；

所述自由曲面透鏡的形狀確定如下：

(1)設定初始條件并對目標照明區域進行均勻劃分

建立以LED光源發光面的中心O為原點的坐標系，LED光源發光面所在平面為XOY平面，過原點并與XOY平面垂直的軸為Z軸，LED光源以Z軸正方向為發光方向；與Z軸交點為o且平行于平面XOY的平面為目標照明面，即背光系統中的屏幕，點o為目標照明面的中心點；LED光源總光通量為φ，目標照明區域的平均照度為E_v，E_v為LED光源總光通量除以所需目標照明區域面積，LED光源中心光強為I₀＝φ/π；

設光源與目標照明面的距離為H，所需要實現的方斑照明面積為L×W，由于具有對稱性，取方斑照明面對應的第一象限作為對象，則其長邊和短邊在第一象限的長度分別為L/2和W/2，首先，將待實現的目標照明矩形區域在X軸方向上以步長i等分成M份，沿Y軸方向以步長j等分成N份，由此可得到x(M)和y(N)的數組；這樣在目標照明區域的第一象限內將劃分成了M×N的矩方形網格；

(2)利用能量守恒定律將LED光源發光立體角進行劃分

將LED光源發光立體角進行角度劃分，其中α為LED光源發出的光線與X軸的夾角，β為LED光源發出的光線與Z軸的夾角；通過數值計算目標照明區域的每一個網格的能量，將LED光源的出射光線角進行度離散化，對應于目標照明區域在第一象限的劃分，在α角上分成M份，在β角上分成N份；

然后，以目標照明區域X軸方向的每條矩形區域作為對象，根據能量守恒可以得到下式：

${\∫}_{\mathrm{\α}\left(N\right)}^{\mathrm{\α}(N+1)}{\∫}_0^{pi/2}{I}_0\·cos\left(\mathrm{\α}\right)\·{\left(sin\right(\mathrm{\β}\left)\right)}^{2}d\mathrm{\α}d\mathrm{\β}=i\·\frac{W}{2}\·E_v$

由上式可以得出α的迭代關系式，通過計算機迭代計算求出一系列α值；以目標區域的每一小方格作為研究對象，根據能量守恒可以得到下式：

${\∫}_{\mathrm{\α}\left(n\right)}^{\mathrm{\α}(N+1)}{\∫}_{\mathrm{\β}}^{\mathrm{\β}(M+1)}{I}_0\·cos\left(\mathrm{\α}\right)\·{\left(sin\right(\mathrm{\β}\left)\right)}^{2}d\mathrm{\α}d\mathrm{\β}=E_v\·i\·j$

上式即為所設計的自由曲面透鏡上每個出光區域與目標面上網格之間的能量守恒關系，由上式通過計算機迭代計算求出一系列β的數值；

(3)計算自由曲面透鏡離散坐標

由折射定律求出所述曲面上點的法向量，利用這個法向量求得切平面，通過求切平面與入射光線的交點得到曲面上點的坐標，所述的折射定律公式如下：

式中，n為折射率，為入射光線單位向量，為出射光線單位向量，為自由曲面在某一點上的單位法向量；

由步驟(1)和(2)中所確定的α和β求出入射光線的單位向量，由能量守恒定律、折射定律得到照明面上與出射光線對應的坐標序列，從而得出射光線的方向向量；通過初始點的坐標和與其對應的出射光線的單位向量，得到初始點的法向向量，從而確定該點的切平面，該切平面與第二點的入射光線相交從而確定第二點，由前一點的切平面與下一點的法向量所在的直線相交得出下一點，通過計算機迭代得出所有點的坐標；

(4)將計算得到的所有點的坐標值導入到建模軟件中，通過線性插值擬合或者取樣插值得到的自由曲面透鏡模型，該自由曲面透鏡能使LED光源發出的光在目標照明區域上形成照度均勻的矩形光斑。

2.根據權利要求1所述的超薄直下式LED背光系統的自由曲面光學透鏡，其特征在于所述透鏡由透明材料制成，透明材料為PMMA或PC。