[實用新型]一種超薄直下式LED背光系統的雙自由曲面光學透鏡

有效

• 申請號: 201520041919.5
• 申請日: 2015-01-21
• 公開（公告）號: CN204372817U
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: 吳衡;張憲民
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: F21V5/04
• 分類號: F21V5/04;F21Y101/02
• 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

1.一種超薄直下式LED背光系統的雙自由曲面光學透鏡，其特征在于包括兩個自由曲面，分別構成入射面及出射面；所述透鏡的底面中心有一個供LED安裝于腔內的空腔，空腔的腔壁是自由曲面即內側自由曲面，構成所述的入射面；透鏡的外側面也是自由曲面即外側自由曲面，構成所述的出射面；

自由曲面透鏡的形狀確定如下：

以LED光源為原點O建立空間直角坐標系，以LED底面所在平面為XOY平面，過原點并與平面垂直XOY的軸為z軸，首先對光源立體角進行劃分，并把目標照明面上的照明區域進行環帶劃分，接著運用能量守恒定律，建立光源立體角和目標照明面上環帶區域的映射關系，然后運用折反射定律，通過幾何關系得到最后的雙自由曲面透鏡。

2.根據權利要求1所述的一種超薄直下式LED背光系統的雙自由曲面光學透鏡，其特征在于所述兩個自由曲面確定如下：

首先，目標照明面與LED的距離為h，目標照明區域是一個圓形區域，其半徑為r，LED光源的總光通量為Φ_source，中心光強為I₀＝Φ_source/π，目標照明區域的平均照度為E_average，坐標系中為出射光線與Z軸正方向的夾角；對光源的立體角進行離散化，把等分成M份，這樣就得到了的數組，且0<i≤M；

對于構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，設置控制的出射角度取值范圍為[0,θ_max]，且并將該出射角均勻劃分為M份，每一份記為θ(i)，使之與光源立體角數組一一對應；

以每一份角為研究對象，其光通量為：

其中，通常表示從LED發出光線的最大散射半角；

對圓形照明區域進行離散化，對應于光源立體角的劃分，將r也等分成M份，記為r(i)；在目標照明面圓形照明區域r(i)與光源立體角數組之間建立起一一對應關系；

目標照明區域的平均照度為與LED光源總光通量之間的關系為

通過上式能得出E_average的值；

通過能量守恒建立光源立體角與環帶區域的對應關系，得到下式：

S(i)為目標面上環帶區域的面積，且S(i)＝π·[r(i)²-r(i-1)²]，通過上式可以計算相對應的每一個環帶區域的半徑r(i)；

從LED出射光線與z軸的夾角為并與內側自由曲面相交于B_i(x₁(i),z₁(i))點，經過內側自由曲面折射后與外層自由曲面相交于C_i(x₂(i),z₂(i))點，穿過外側自由曲面后與目標照明面相交于D_i(r(i),H)點，B_i點處的單位法向量C_i點處的單位法向量

由折反射定律得出曲面上點的法向量，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線上點的坐標，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，為入射光線單位向量，為出射光線單位向量，為單位法向量；

對于內側自由曲面，由光源立體角可得到入射向量，由θ(i)可得出射向量，結合折反射定律可得內側自由曲面上下一點的坐標值：

且

對于外層自由曲面，由上式與折反射定律聯立可得外側自由曲面上下一點的坐標值：

且

a,b,c,d由折反射定律得到，具體是：

(1)分別確定內側自由曲面、外側自由曲面的起始點；

(2)對于內側自由曲面，由和θ可得到入射向量和出射向量，通過折反射定律，可以計算出起始點的法向向量，從而確定該點的切平面，第二條入射光線與該切平面相交從而確定第二點；

(3)對于外層自由曲面，利用折反射定理計算出起始點的切平面，將內側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；

(4)同理，由前一點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坐標，通過迭代得出內側、外側自由曲面上全部點的坐標，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構成整個自由曲面。