[發(fā)明專利]超薄直下式LED背光系統(tǒng)的自由曲面光學(xué)透鏡

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410326682.5
• 申請(qǐng)日: 2014-07-09
• 公開（公告）號(hào): CN104154494B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王洪;葛鵬;陳贊吉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): F21V5/04
• 分類號(hào): F21V5/04;G02F1/13357;F21Y115/10
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及LED背光模組技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及超薄直下式LED背光系統(tǒng)的自由曲面光學(xué)透鏡。

背景技術(shù)

LED作為背光源應(yīng)用于液晶顯示器相比傳統(tǒng)CCFL光源具有很大的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在亮度高、均勻性好、寬色域。當(dāng)前大尺寸液晶顯示器的背光系統(tǒng)一般采用側(cè)入式背光結(jié)構(gòu)，但是這種背光系統(tǒng)通常存在模組中心偏亮，四周偏暗，總體亮度不高，系統(tǒng)能量利用率不高，而且隨著模組尺寸的增加，特別是在55英寸以上的大尺寸液晶顯示器，背光系統(tǒng)中的導(dǎo)光板加工制作比較困難，而且整個(gè)背光系統(tǒng)由于使用了導(dǎo)光板使得模組本身重量加重。直下式背光由于不需要使用導(dǎo)光板，直接利用LED的自由混光，光能損耗少，系統(tǒng)能量利用率高，系統(tǒng)亮度高和均勻性好。因此在大尺寸背光系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，直下式背光結(jié)構(gòu)相對(duì)側(cè)入式背光結(jié)構(gòu)來說更具有優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。但在直下式背光系統(tǒng)中，存在著LED使用數(shù)量很多、系統(tǒng)厚度厚、系統(tǒng)散熱性不佳等問題，特別是系統(tǒng)厚度不符合液晶電視的輕薄化趨勢(shì)，因此設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)超薄化直下式LED背光系統(tǒng)的目前研究重點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)大尺寸直下式LED背光系統(tǒng)面臨的超薄化設(shè)計(jì)問題，本發(fā)明提供了用于超薄直下式背光系統(tǒng)的自由曲面光學(xué)透鏡，該透鏡使LED光源發(fā)出的光在屏幕上形成照度均勻的矩形光斑，而且LED光源與屏幕的距離很近(不大于30mm)，從而該背光系統(tǒng)中不需要裝配擴(kuò)散膜和增亮膜燈光學(xué)組件，達(dá)到超薄化設(shè)計(jì)并且降低成本。另外，該透鏡體積小，均勻性高，光能利用率高，制作安裝方便。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。

一種用于超薄直下式LED背光模組的自由曲面光學(xué)透鏡由透明材料制成，透明材料可為PMMA或PC，透鏡包括入射面及出射面。所述透鏡的底面中心設(shè)有一個(gè)提供LED安裝于其內(nèi)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(gòu)成；透鏡的外側(cè)面是自由曲面，該自由曲面即所述的出射面。

自由曲面透鏡的形狀確定如下：

1.設(shè)定初始條件并對(duì)目標(biāo)照明區(qū)域進(jìn)行均勻劃分。

建立以LED光源發(fā)光面的中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，LED光源發(fā)光面所在平面為XOY平面，過原點(diǎn)并與XOY平面垂直的軸為Z軸，LED光源以Z軸正方向?yàn)榘l(fā)光方向。與Z軸交點(diǎn)為o且平行于平面XOY的平面為目標(biāo)照明面，即背光系統(tǒng)中的屏幕，點(diǎn)o為目標(biāo)照明面的中心點(diǎn)。LED光源總光通量為φ，目標(biāo)照明區(qū)域的平均照度為E_v(E_v在這里定義為LED光源總光通量除以所設(shè)計(jì)的目標(biāo)照明區(qū)域面積)，LED光源中心光強(qiáng)為I₀＝φ/π。

設(shè)光源與目標(biāo)照明面的距離為H，所需要實(shí)現(xiàn)的方斑照明面積為L×W，由于具有對(duì)稱性，取方斑照明面的第一象限作為研究對(duì)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(shí)現(xiàn)的目標(biāo)照明矩形區(qū)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(shù)組。這樣在目標(biāo)照明區(qū)域的第一象限內(nèi)將劃分成了M×N的矩方形網(wǎng)格。

2.利用能量守恒定律將LED光源發(fā)光立體角進(jìn)行劃分

將LED光源發(fā)光立體角進(jìn)行角度劃分，其中α為LED光源發(fā)出的光線與X軸的夾角，β為LED光源發(fā)出的光線與Z軸的夾角。通過數(shù)值計(jì)算目標(biāo)照明區(qū)域的每一個(gè)網(wǎng)格的能量，將LED光源的出射光線角進(jìn)行度離散化，對(duì)應(yīng)于目標(biāo)照明區(qū)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(biāo)照明區(qū)域X軸方向的每條矩形區(qū)域作為研究對(duì)象，根據(jù)能量守恒可以得到下式：

由上式可以得出α的迭代關(guān)系式，通過計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算可以求出一系列α值。接著，以目標(biāo)區(qū)域的每一小方格作為研究對(duì)象，根據(jù)能量守恒可以得到下式：

上式即為所設(shè)計(jì)的自由曲面透鏡上每個(gè)出光區(qū)域與目標(biāo)面上網(wǎng)格之間的能量守恒關(guān)系。由上式通過計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算可以求出一系列β的數(shù)值。

3.計(jì)算自由曲面透鏡離散坐標(biāo)

由折射定律求出所述曲面上點(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)得到曲面上點(diǎn)的坐標(biāo)，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(diǎn)上的單位法向量。