LED直下式背光透镜的研究与设计

摘要

与传统光源相比，LED（发光二极管，Light Emitting Diode）光源在各个重要参数方面均有领先优势。在液晶电视背光领域，LED背光源具有节能、高光效、长寿命、绿色环保等优点，全面取代CCFL（冷阴极管）背光源，成为背光领域的核心。高质量、高品味的LED背光源在市场上往往供不应求，因此针对LED光源设计背光源对于液晶电视的发展有着积极推进的意义。
　　LED光源大多为朗伯发光源，其主要的光通量集中于光源正上方的较小角度范围内，如果直接应用在背光源中，将会导致视觉体验较差，光学品味低等问题，因此需要与LED光源相配合的光学组件对光源的光通量分布进行二次配光。而直下式LED背光透镜可对LED光源进行二次配光，属于近场的非成像光学范畴。目前行业内在背光透镜光学设计方面大多采用试错调试方法，其精准度和效率均有待改善。文中针对目前业内设计问题，研究了多种背光透镜的设计方案，包括一种偏微分方程求解自由曲面设计方案及一种LightTools优化设计方案，也创新性的描述了设计表法设计背光透镜的方案，对于设计效率和细节设计有着重要意义。
　　文中描述了三种背光透镜的设计方法，设计并成功量产了四款背光透镜，包括三款不同方案的折射式背光透镜和一款反射式背光透镜。首先，文中研究了前人提出的偏微分方程解自由曲面的思路，结合笔者在背光透镜方面的设计经验，总结出一套通过偏微分方程求解背光透镜自由曲面的方法。其次，由于LightTools软件的优化功能较为完善，笔者为提高背光透镜设计的便捷性，结合LightTools软件的优点提出了建模、仿真、优化一体的背光透镜设计方法。最后，为了解决试错法的繁杂问题，笔者结合SolidWorks软件建模的便利性和Excel软件的编辑功能提出了设计表法设计背光透镜方案，并用设计表法成功设计并量产背光行业内最主要的两种类型的背光透镜：折射式背光透镜和反射式背光透镜。针对设计最易出现的三个问题（角度、黄斑、照度光斑均匀度）分别做出了优化解决方案，设计结果在产品验证中满足设计要求。
　　文中案例三中提出的折射式背光透镜能够应用于32英寸背光模组，灯珠排列方式为2*6，模组厚度为30mm，相对于市场比较成熟的3*6的排列方案节省了1/3的灯条使用成本，并且满足超过75%的亮度均匀度要求,目前已经开始在市场上批量生产。

目录

声明

1 绪论

1.1、液晶显示背景

1.2、LED背光模组概述

1.3、本文研究内容

2 背光设计理论介绍

2.1、背光模组涉及的光学量介绍

2.2、背光模组设计需求与指标

2.3、背光透镜曲面结构分析与设计

2.4、本章小结

3 背光透镜的结构设计及光学分析

3.1、背光透镜的光学结构设计

3.2、背光透镜的光学仿真分析

3.3、背光透镜产品测试验证

3.4、本章小结

4 LightTools优化背光模组自由曲面设计

4.1、LightTools软件优化功能概述

4.2、LightTools优化设计

4.3、设计成型光效验证

4.4、本章小结

5 SolidWorks设计表配置优化自由曲面

5.1、一款折射式背光透镜的设计

5.2、基于设计表法的反射式背光透镜的设计

本章小结

6 总结与展望

6.1、全文总结

6.2、展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目与科研成果参加项目