一种用于直下式背光光源的LED二次折反射式透镜

摘要

本发明公开了一种用于直下式背光光源的LED二次折反射式透镜，所述LED二次折反射式透镜为采用透明材料制成的轴对称实体，其特征是LED二次折反射式透镜由入射折射面、中央反射面、侧出射面、底部反射面组成，所述入射折射面、中央反射面、侧出射面、底部反射面均为曲面，所述入射折射面位于LED二次折反射式透镜下部，所述中央反射面与侧出射面连接成为上表面，中央反射面位于入射折射面上方，所述侧出射面是一个连接底反射面和中央反射面的曲面。本发明所述曲面均可由二次多项式表征。本发明结构简洁，在实现大角度照明和不增加LED颗粒数量的同时，降低扩散距离并且无色散现象。本发明安装配置简单，且有效节约能源。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于直下式背光光源的LED二次折反射式透镜，主要适用于直下式背光光源的背光源，LED背光广告板等。

背景技术

背光光源在传统液晶显示器（LCD）以及大型广告板中有大量的应用。而传统的冷阴极管（CCFL）背光源已经逐渐被发光二极管（LED）背光源所取代。而最初的背光源利用背面雕花处理的导光板实现，其光源（线光源的CCFL或点光源的LED）从导光板侧面将光导入，此种方式由于导光板技术的限制，光照效率不高。而直下式液晶显示器背光源则有效提高了光照效率问题。LED属于有限角度光束的点光源，直下式LED背光源需要数百甚至上千白色或三基色LED排列而形成面光源，形成一个大面积平面进行照明，因而所需LED颗粒过多造成成本过高。

将点光源转化成面光源，是LED背光源的关键技术。光源均匀度和混光高度是背光源两个非常重要的性能指标。

对于光均匀性的改进是制约LED直下式背光源的重要因素。LED背光源中基于LED阵列的面光源，均匀度与LED光强分布密切有关。当没有安装透镜时，LED光强分布接近朗伯特分布。当利用传统的半球型透镜作为LED背光源，会改变LED的光强分布，减少光束角度，使得光线更集中在LED中轴线附近。不管采用哪一种LED封装方式，将其用于直下式LCD的背光源时，都会由于光强分布过于集中而使得光线集中在中轴线附近，使得背光源难以得到高均匀度。因此光均匀性成为直下式LCD的背光源最为难于解决的问题。当LED直下式背光源采用传统LED封装形式时，为提高光均匀度，通常采用增加厚度（即增加混光高度），或者增加LED排布密度。此种解决方案增加了背光源的体积和重量，从而制约LCD直下式背光源的推广和发展。如何降低混光高度成为背光源一个关键指标。目前市场上应用较为广泛的为一种圆形二次透镜。该方案将LED光线经过两个圆形凹面，通过折射方式，将LED光发散角度增大，通过阵列排布，实现以较少LED颗粒阵列排布来降低混光高度的背光源解决方案。然而随着混光高度越来越低（即厚度要求越来越薄），每颗透镜必须达到更大的折射角度。然而此方案透镜由于透镜材料本身的色散因子，在过大折射角时，不同波长的折射角度差异也越大，因而造成彩虹现象，即产生色斑影响光源的白色色度，使得这种背光源解决方案无法满足在不增加LED颗粒数量的同时进一步降低混光高度的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述不足，即大角度照明时存在的彩虹色散现象限制了在不增加LED颗粒数量前提下减少混光高度，而提供一种新的用于直下式背光光源的LED二次折反射式透镜，一方面可以有效提高被光源光均匀度，并在不增加LED颗粒数的同时，进一步降低混光高度，技术效果好且成本低。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于直下式背光光源的LED二次折反射式透镜，所述LED二次折反射式透镜为采用透明材料制成的轴对称实体，其特征是所述LED二次折反射式透镜由入射折射面、中央反射面、侧出射面、底部反射面组成，所述入射折射面、中央反射面、侧出射面、底部反射面均为曲面，所述入射折射面位于LED二次透镜下部，所述中央反射面位于入射面上方，所述侧出射面是一个连接底反射面和中央反射面的曲面。

本发明所述中央反射面、侧出射面均为光滑曲面。

本发明所述底部反射面为光滑曲面。

本发明所述入射折射面为一光滑曲面。根据最终效果的需要，可设计为凸面或者凹面，也可设计为菲涅尔透镜面。

本发明所述入射折射面、中央反射面、侧出射面、底部反射面均为光滑曲面，入射折射面、中央反射面、侧出射面、底部反射面的轮廓线均可以由如下多项式表征：

       其中z为轮廓线的高度，r为轮廓线相对于中轴线的距离，c，k，A₁，A₂，A₃，A₄,…为根据设计目标可进行优化的参数。

本发明所述轮廓线的高度z和轮廓线相对于中轴线的距离r均是可根据设计目标进行优化的参数。

 本发明的照明的目标区域按照距离LED中心照明区域的径向距离可分为大角度照明区域（距离中心照明区域最远，易产生彩虹现象）、小角度照明区域（距离中心照明区域不太远，由于折射角度相对较小而彩虹现象不明显）以及正面照明区域（中心照明区域正上方），所述入射折射面、中央反射面、侧出射面、底部反射面的上述参数设计满足（遵循）大角度照明区域、小角度照明区域、正面照明区域的照明亮度均匀化。

本发明的四个主要光学面分别用于产生不同角度的照明，大角度照明主要由中央反射面以全反射方式产生；小角度照明主要由侧出射面的折射形成，正面照明则主要由透镜的内反射以及装配在LED光源底部的反射片实现；而入射折射面、中央反射面、侧出射面、底部反射面则通过如上的多项式优化实现各部分照明的均匀分配以实现最终的所有区域均匀照明的目的。由于大角度（扩散部分）照明由全反射方式构成，故此本发明实施例拥有较好的色散特性，不会因为角度大而形成色散光圈。

本发明结构简洁，在实现高扩散比（大角度扩散）和低混光高度条件下，产品光均匀度高，装配简单，节约能源。

附图说明

图1是现有技术的圆形透镜扩散光束示意图。

图2是本发明实施例的横截面示意图。

图3是本发明实施例部分LED光线通过中央反射面的全反射形式从侧出射面发射出去而产生大角度照明状态示意图。

图4是本发明实施例部分LED光线通过入射折射面直接穿透侧出射面而产生比图3所示状态角度稍小的小角度照明状态示意图，此部分LED光线由折射实现。

图5是本发明实施例部分LED光线通过入射折射面在透镜内全反射或者被LED光源下的反射片反射，以及部分LED光线直接穿透入射折射面、中央反射面区域，最后形成正面照明状态示意图，此时光线是由折射反射混合的方式实现。

图6是本发明实施例沿轴向的光束角度分布示意图。

图7是提供给审查员参考的现有技术应用示意图，显示了一例采用现有技术实现的圆形透镜的透射光色度分析示意图，其有明显的彩虹纹现象。

图8是提供给审查员参考的本实施例应用示意图，显示了本实施例的透射光色度分析示意图，其无彩虹纹现象。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合具体实施案例并参照附图，对本发明做进一步详细说明。

图2示意了本发明实施例所述LED二次折反射式透镜的基本结构，为采用透明材料制成的轴对称实体，此LED二次折反射式透镜包含入射折射面1、中央反射面2、侧出射面3和底部反射面4，所述入射折射面1位于LED光源5上方和LED二次折反射式透镜下部并为曲面，所述中央反射面2位于入射折射面1上方并为曲面，所述侧出射面3是一个连接底部反射面4和中央反射面2的曲面，底部反射面4和侧出射面3均为曲面。

本发明所述入射折射面1、中央反射面2、侧出射面3、底部反射面4均为光滑曲面，入射折射面1、中央反射面2、侧出射面3、底部反射面4的轮廓线均可以由如下多项式表征：

 

其中z为轮廓线的高度（相对于图2所示入射折射面1、底部反射面4最低位置的高度），r为轮廓线相对于中轴线7的距离，c，k，A₁，A₂，A₃，A₄,…为根据设计目标可进行优化的参数。

图3显示了产生大角度照明的部分光线状态示意图，来自LED光源5的光线经过入射折射面1的扩散后，部分光线会在中央反射面2上形成全反射条件，而被中央反射面2反射到侧出射面3，再经由侧出射面3而输出光线，这部分出射光线为大角度，主要经由中央反射面2的全反射形成，反射的特点是反射角度不因波长而改变，因而此部分的大角度照明光线的大扩散角由全反射形成，色散特性可以得到有效控制；需要说明的是中央反射面2反射的部分光线也会通过底部反射面4的反射再经过侧出射面3发出形成大角度照明。如上所述的大角度照明都将用来照亮那些距离LED光源5径向距离较远的区域。

图4显示了产生较小折射角度照明的部分光线状态示意图。一部分光线由LED光源5经过入射折射面1扩散后，直接经由侧出射面3形成发散光线，此部分光线的角度不如图3中示意的那部分光线角度大，虽然这部分照明光线是通过两个面（入射折射面1和侧出射面3）折射形成，由于折射角度不大，因此这部分照明的色散特性可以得到有效控制。这部分的照明光线主要用以照亮那些距离LED光源5径向距离不是很远的区域。

图5显示了产生正面照明的部分光线状态示意图，部分由中央反射面2的全反射光线在透镜内部在其他光面上（例如侧出光面3，底部反射面4）形成多次全反射的情况，有一部分光线最终由底部反射面4以较小角度反射出去形成正面照明，同时部分从底部反射面4穿透出来的光线也会经由垫在LED光源5底部的反射片6反射出去，形成小角度部分的正面照明。这部分主要用于LED光源5正上方区域的照明。

通过对透镜的结构参数和各曲面参数的优化调整，可实现如上所述的三种照明方式光能量的均衡分配，从而实现均匀照明。

图6是一例按照图2所示设计的本发明实施例光束沿柱面横截面方向上的光发散角度分布特性，图中横坐标表示光束沿本实施例（柱面）横截面方向上与中轴线7的夹角（即光发散角度），纵坐标为归一化相对光照度（%），可以看出光线发散角度在横截面上被打开高达70度以上的角度。为了分析在如此大的发散角度条件下的色度情况，图7、图8示意了传统透镜与本发明实施例的色度效果的一个对比，图7是一例采用传统折射方式（图1所示现有技术）设计的大角度透镜的色度分析，可以看出在照明的中间部分由于色散的问题出现了彩虹条纹；图8是本发明实施例的色度效果，可以看到照明区域内的颜色分布均匀，相比图7，色散问题得到了控制，彩虹条纹也被有效抑制。