[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

技術領域

本實用新型涉及LED顯示領域,具體涉及一種超薄直下式LED背光系統的雙自由曲面光學透鏡。

背景技術

近年來，隨著液晶顯示技術飛速發展，作為LCD顯示的核心技術之一的背光源技術也得到了很大發展。LED作為一種新光源，憑借其響應快、體積小、壽命長、色溫優良、抗震能力強和節能環保等優點，將逐步取代傳統光源成為背光系統的主流光源。

根據LED光源的位置，LED背光系統可以分為側光式和直下式。側光式背光系統將LED光源放置在經過特殊設計的導光板側邊，一般LED顆數較少。因LED光源在背光系統的側面，所以這種背光系統具輕薄、結構簡單等優勢，但受LED顆數及亮度限制，光源的能量利用率較小，且系統越薄利用率越小。另外，側光式背光系統依靠導光板進行配光，難以實現系統的區域控制和節能，并且不能提升系統的動態對比值及動態影像畫質。這種設計方式主要應用于中小尺寸背光系統，如果用于大尺寸背光系統，導光板的重量和成本將隨著系統尺寸的增加而增加，并且其發光亮度低和均勻性差的缺點也更加明顯。

直下式LED背光系統不需要導光板，工藝簡單。在大尺寸背光系統主要采取直下式。在這種系統中，LED陣列位于模組的底部，從LED發出的光經過模組底部的配光單元，再通過表面的擴散板擴散后均勻出射。直下式背光系統的厚度由底部模組與擴散板的距離決定，通常系統的厚度越大，其均勻性就越好。目前，用于背光系統的LED光源主要有邊發射型和朗伯型兩種。邊發射型LED的方案主要是利用介質全反射的性質，來實現對光線的控制，但是由于全反射角的限制，這種方案不能準確控制光強的角分布。同時，邊發射型LED的中心光強偏低，容易造成暗斑，對背光系統的均勻性影響很大。而朗伯型LED光源的光強呈余弦分布，中心光強較大，從中心向兩邊逐漸減小，使其在目標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。

實用新型內容

針對直下式背光系統的超薄化設計及朗伯型LED配光設計中面臨的主要問題，本實用新型提供了一種一種超薄直下式LED背光系統的雙自由曲面光學透鏡，該透鏡體積小，光能利用率高，制造、安裝方便，并能產生均勻的照度分布。本實用新型采用如下技術方案：

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。

進一步的，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