[发明专利]用于超薄直下式LED背光系统的双自由曲面光学透镜

摘要

本发明提供用于超薄直下式LED背光系统的双自由曲面光学透镜。其包括两个自由曲面，分别构成入射面及出射面；自由曲面透镜的形状确定如下以LED光源为原点O建立空间直角坐标系，以LED底面所在平面为平面，过原点并与平面垂直的轴为轴，首先对光源立体角进行划分，并把目标照明面上的照明区域进行环带划分，接着运用能量守恒定律，建立光源立体角和目标照明面上环带区域的映射关，然后运用折反射定律，通过几何关系得到最后的双自由曲面透镜。本发明体积小巧，从LED出射的光线通过双自由曲面透镜后，能够在目标照明面上形成照度分布均匀的圆形光斑，并且透镜的输出效率很高。

主权项

用于超薄直下式LED背光系统的双自由曲面光学透镜，其特征在于包括两个自由曲面，分别构成入射面及出射面；所述透镜的底面中心有一个供LED安装于腔内的空腔，空腔的腔壁是自由曲面即内侧自由曲面，构成所述的入射面；透镜的外侧面也是自由曲面即外侧自由曲面，构成所述的出射面；自由曲面透镜的形状确定如下：设定初始条件并将LED光源立体角划分；首先，目标照明面与LED的距离为12mm，目标照明区域是一个圆形区域，其半径为30mm，LED光源的总光通量为200lm，中心光强为I0＝200/πcd，目标照明区域的平均照度为Eaverage；坐标系中为出射光线与Z轴正方向的夹角，其值为对光源的立体角进行离散化，把等分成200份，这样就得到了的数组，且0<i≤200，i表示等分的份数；对于内侧自由曲面，由于其主要作用是控制光线的出射角度，可以根据需要进行设定，这里设置其控制的角度取值范围为[0,θmax]，且并将其均匀划分为200份，每一份记为θ(i)，使之与光源立体角数组一一对应；以每一份角为研究对象，其光通量为：这里且表示从LED发出光线的最大散射半角；利用能量守恒定律将目标照明区域进行环带划分；对圆形照明区域进行离散化，对应于光源立体角的划分，将r也等分成200份，记为r(i)；这样就在目标照明面圆形照明区域r(i)与光源立体角数组之间建立起一一对应关系；目标照明区域的平均照度为与LED光源总光通量之间的关系可表示为通过上式可以计算出Eaverage的值；通过能量守恒建立光源立体角与环带区域的对应关系：S(i)为目标面上环带区域的面积，且S(i)＝π·[r(i)2‑r(i‑1)2]，可以计算相对应的每一个环带区域的半径r(i)；计算双自由曲面透镜的离散坐标：假设从LED出射光线与z轴的夹角为并与内侧自由曲面相交于Bi(x1(i),z1(i))点，经过内侧自由曲面折射后与外层自由曲面相交于Ci(x2(i),z2(i))点，穿过外层自由曲面后与目标照明面相交于Di(r(i),H)点，Bi点处的单位法向量Ci点处的单位法向量在进行自由曲面构建时，由折反射定律求出曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标，折反射定律公式如下：其中n为透镜折射率，其取值视透镜材料而定，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为单位法向量；对于内侧自由曲面，由光源立体角可以得到入射向量，由θ(i)可以求得出射向量，结合折反射定律可解得内侧自由曲面上下一点的坐标值，如下所示：且对于外层自由曲面，由上式与折反射定律联立可以解得外侧自由曲面上下一点的坐标值：且a,b,c,d可以由折反射定律计算得到；具体计算方法：(1)分别确定内、外层自由曲面的起始点，其值分别为(0，2.9)，(0，3.2)，单位mm；(2)对于内侧自由曲面，由和θ可以得到入射向量和出射向量，通过折反射定律，可以计算出起始点的法向向量，从而确定该点的切平面，第二条入射光线与该切平面相交从而确定第二点；(3)对于外层自由曲面，利用折反射定理计算出起始点的切平面，将内侧曲面的第二条光线出射向量作为外层曲面的第二条光线的入射向量，由起始点的切平面与第二条光线的入射向量所在的直线相交可得出第二点；(4)同理，由前一点的切平面与下一条光线的入射向量所在的直线相交可得出下一点坐标，通过计算机迭代可分别得出内、外层自由曲面上全部点的坐标，由此确定了透镜轮廓曲线，然后将透镜轮廓曲线绕中心轴旋转构成整个自由曲面；环带区域优化：给每个环带区域r(i)设置一个优化系数ai，改变这个优化系数即可改变环带区域的半径，从而改变投射到每个环带区域的能量大小；增加优化系数后，每个环带区域的能量可以由5式表示，如下：Φ(i)＝ai×Eaverage×π×[r(i)2‑r(i‑1)2]这里ai为常数，且0<ai，0<i≤200；由能量守恒可以得到：进一步得：通过迭代计算可以得到新的半径序列，利用这个新的半径序列重新计算透镜轮廓曲线；然后，将新的透镜轮廓曲线拟合成实体并对其进行仿真，根据实际的仿真结果，反复修改ai的值直至目标面上的照度达到均匀分布；利用机械建模软件将得到的点拟合为实体；将得到的离散点的坐标依次导入到机械建模软件，进行拟合，然后将得到的曲线绕中心轴旋转，可以得到最终的双自由曲面光学透镜实体。