用于平面液晶显示的LED背光系统的二次光学透镜技术方案

本发明专利技术公开了一种用于平面液晶显示的LED背光系统的二次光学透镜，包括作为出射面的配光曲面及位于所述配光曲面底部的底面，自所述底面向上凹入形成作为入射面的内凹面，所述配光曲面的顶部的中心部位设有向上凸出的凸起，使所述二次光学透镜的光束角全角大于或等于160°，且使入射的光线顺次经过所述内凹面、配光曲面后射出。该二次光学透镜具有大于160度以上的光束角，可以将LED的大部分光线往透镜的侧面方向出射，最大光强方向在与光轴夹角为±80度以上的方位，其采用非常短的混光距离就可以在LCD面板上产生同样范围的均匀光分布，混光距离可以降低为现有技术的三分之一以下，并且能够有效减少光能损耗。

【技术实现步骤摘要】
用于平面液晶显示的LED背光系统的二次光学透镜
本专利技术是关于一种用于平面液晶显示的LED背光系统的二次光学透镜。
技术介绍
由于LED具有高效、节能、亮度高、显色指数好等特征，现有的大部分平面液晶显示的背光系统已经采用了LED照明技术(即发光二极管半导体固态照明技术)。而直下式照明方式因为其光损少、均匀度高、LED可以随意排布、无须进行复杂的导光板网点设计等特征，受到很多厂家的推崇。但是，如果直接采用市场上高功率的郎伯形分布(Lambertian)的LED，由于其光束角只有120度，中心光强较强，需要很大的混光距离才可以在LCD(液晶)屏幕上产生均匀的光分布。图2为没有采用二次光学透镜进行配光、只用郎伯形LED直接照明的直下式背光模组，其混光距离较长。公开号CN101526177A的专利提出了一种最大光强方向与光轴夹角为75°角度的一种直下式背光透镜，如图4所示，其提出了“θ5的增加量相对于θ1的增加量(Δθ5/Δθ1)更大”的概念，即透镜的出射光线与光轴的夹角大于入射光线与光轴的夹角，根据这种配光方法，其虽然可以将LED出射光配成一个大角度范围的、最大光强方向与光轴夹角为75°角度的光斑分布。但其配光的方法并不合理，根据“θ5的增加量相对于θ1的增加量(Δθ5/Δθ1)更大”的这一规律，当透镜的入射光线与光轴的夹角θ1为90°时，其出射光线与光轴的夹角θ5将超过90°，从而会射向透镜的后方，打到PCB板上，造成光能的损耗。另外当透镜下方的内凹入射面比较陡峭时，这种配光方法将造成光斑的中心会有黑影。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种能够有效减少光能损耗的用于平面液晶显示的LED背光系统的二次光学透镜、LED背光系统及LED照明系统。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方式：一种用于平面液晶显示的LED背光系统的二次光学透镜，包括作为出射面的配光曲面及位于所述配光曲面底部的底面，自所述底面向上凹入形成作为入射面的内凹面，所述配光曲面的顶部的中心部位设有向上凸出的凸起，使所述二次光学透镜的光束角全角大于或等于160°，且使入射的光线顺次经过所述内凹面、配光曲面后射出。进一步的，所述的用于平面液晶显示的LED背光系统的二次光学透镜，其特征在于：所述配光曲面选自：带有中间凸起的连续光滑的曲面、具有混光作用的环纹衍射面、具有混光作用的鳞片状曲面、具有混光作用的蜂窝状组合曲面、X及Y方向剖面轮廓不同的混合自由曲面、剖面轮廓线由微小线段及曲线组成的环纹复合曲面、马鞍型自由曲面、菲涅尔曲面、四边形混合自由曲面、六边形混合自由曲面、多边形混合自由曲面、非轴对称的自由曲面。进一步的，所述配光曲面是具有混光作用的环纹衍射面，其混光角度Δτ在2°～15°范围内。进一步的，所述环纹衍射面的微结构为波浪形周期性的环纹微结构，其波峰波谷值H为1～25微米之间或更大的波峰波谷值，环纹的间距P为0.05～5.0毫米。进一步的，所述配光曲面由四边形混合自由曲面、六边形混合自由曲面、多边形混合自由曲面、马鞍型自由曲面、菲涅尔曲面、鳞片状曲面、X及Y方向剖面轮廓不同的混合自由曲面中至少两种复合而成。进一步的，所述底面设有至少一个卡脚。进一步的，所述配光曲面设有调光材料层。进一步的，所述配光曲面设有调光磨砂、网状纹等微结构纹。进一步的，所述透镜内设有调光材料。进一步的，所述透镜可以有一种或两种以上的材料组合而成。进一步的，所述内凹面为圆锥形面、四面锥形面、多面锥形面或由圆锥形面和多面锥形面复合组成。进一步的，所述内凹面上带有混光作用的环纹衍射面或菲涅尔(Fresnel)面，所述的环纹微结构可以为波浪形周期性的环纹微结构。进一步的，所述配光曲面的配光条件是：，其中，θmax为透镜的最大配光角度，θmax大于或等于80°，θ5是所述配光曲面的出射角。进一步的，所述凸起是圆弧形、平顶形、圆锥形、多面圆锥形或尖顶形。进一步的，所述配光曲面还可选自带有中间凹下的：连续光滑的曲面、X及Y方向剖面轮廓不同的混合自由曲面、马鞍型自由曲面、菲涅尔曲面、鳞片状曲面、具有混光作用的蜂窝状组合曲面、非轴对称的自由曲面。进一步的，所述底面选自：磨砂微结构面、网状或具有规律性图案的微结构、带有表面喷涂反光材料、环纹微结构、蜂窝状鳞面排列的微结构、六边形圆锥排列的微结构、四边形排列的金字塔微结构或菲涅尔齿形微结构曲面。一种平面液晶显示的LED背光系统，包括所述的二次光学透镜。一种LED背光照明系统，包括所述的二次光学透镜。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种二次光学透镜，其具有大于160度以上的光束角，可以将LED的大部分光线往透镜的侧面方向出射，最大光强方向在与光轴夹角为±80度以上的方位，其采用非常短的混光距离就可以在LCD面板上产生同样范围的均匀光分布，混光距离可以降低为现有技术的三分之一以下，并且能够有效减少光能损耗。附图说明图1是二次光学透镜的第一具体实施方式的剖面图；图2是显示现有没有二次光学透镜的直下式照明的LED背光模组的混光距离的示意图；图3是显示加了本专利技术二次光学透镜的直下式LED背光模组的混光距离的示意图；图4是公开号为CN101526177A的中国专利所公开的透镜的结构示意图；图5a～5e分别是第一具体实施方式的主视图、俯视图、右视图、仰视图及立体图；图6是第一具体实施方式的设计原理图；图7是第一具体实施方式的配光曲面轮廓线的数学建模图；图8是采用第一具体实施方式的单颗透镜的三维模型图；图9a、9b是第一具体实施方式的光线追迹图；图10是第一具体实施方式的二次光学透镜在距离LED基板25mm高的屏幕上的照度分布图；图11是第一具体实施方式的二次光学透镜的配光曲线图，可以看出其配光曲线呈蝙蝠翼分布，最大光强方向在与光轴夹角为±80°的方位，峰值光强一半位置处的光束角宽度约为±82°，图12是采用第一具体实施方式的6乘6颗LED，LED间隔110mm，屏幕距离LED基板的高度为25mm的光线追迹图(只计数射到屏幕上的光线)；图13是采用第一具体实施方式的6乘6颗LED，间隔110mm，距离LED基板的距离为25mm的屏幕上的照度分布图；图14是第二具体实施方式的二次光学透镜的剖面图；图15a～15e分别是第二具体实施方式的二次光学透镜的主视图、俯视图、右视图、仰视图及立体图；图16是第三具体实施方式的二次光学透镜的剖面图；图17是第四具体实施方式的二次光学透镜的剖面图；图18a、18b分别是第五具体实施方式的二次光学透镜的剖面图和仰视图；图19a、19b分别是第六具体实施方式的二次光学透镜的剖面图和仰视图；图20a、20b分别是第七、八具体实施方式的二次光学透镜的仰视图；图21a～21d分别是第九具体实施方式的二次光学透镜的主视图、俯视图、左视图及仰视图；图22a～22d分别是第十具体实施方式的二次光学透镜的主视图、俯视图、左视图及仰视图。图23是第十一具体实施方式的二次光学透镜的结构示意图；图24是第一具体实施方式的配光曲面的入射光线与光轴OZ的夹角θ1以及出射光线与光轴OZ的夹角θ5的关系曲线图。具体实施方式下面通过具体实施方式结合附图对本专利技术作进一步详细说明。第一具体实施方式：如图1所示，其为本专利技术用于平面液晶显本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于平面液晶显示的LED背光系统的二次光学透镜，包括作为出射面的配光曲面及位于所述配光曲面底部的底面，其特征在于：自所述底面向上凹入形成作为入射面的内凹面，所述配光曲面的顶部的中心部位设有向上凸出的凸起，使所述二次光学透镜的光束角全角大于或等于160°，且使入射的光线顺次经过所述内凹面、配光曲面后射出。

【技术特征摘要】
1.一种用于平面液晶显示的LED背光系统的二次光学透镜，包括作为出射面的配光曲面及位于所述配光曲面底部的底面，其特征在于：自所述底面向上凹入形成作为入射面的内凹面，所述配光曲面的顶部的中心部位设有向上凸出的凸起，使所述二次光学透镜的光束角全角大于或等于160°，且使入射的光线顺次经过所述内凹面、配光曲面后射出；所述配光曲面的配光条件是：其中，θmax为透镜的最大配光角度，θmax大于或等于80°，θ5是所述配光曲面的出射角，θ为入射角，τ为透镜的出射光线与水平线的夹角。2.如权利要求1所述的用于平面液晶显示的LED背光系统的二次光学透镜，其特征在于：所述配光曲面选自：带有中间凸起的连续光滑的曲面、具有混光作用的环纹衍射面、具有混光作用的鳞片状曲面、具有混光作用的蜂窝状组合曲面、X及Y方向剖面轮廓不同的混合自由曲面、剖面轮廓线由微小线段及曲线组成的环纹复合曲面、马鞍型自由曲面、菲涅尔曲面、多边形混合自由曲面、非轴对称的自由曲面。3.如权利要求2所述的用于平面液晶显示的LED背光系统的二次光学透镜，其特征在于：所述配光曲面是具有混光作用的环纹衍射面，其混光角度Δτ在2°～15°范围内。4.如权利要求2所述的用于平面液晶显示的LED背光系统的二次光学透镜，其特征在于：所述环纹衍射面的微结构为波浪形周期性的环纹微结构，其波峰波谷值H为1～25微米之间，环纹的间距P为0.02～5.0毫米。5.如权利要求2所述的用于平面液晶显示的LED背光系统的二次光学透镜，其特征在于：所述配光曲面由多边形混合自由曲面、马鞍型自由曲面、菲涅尔曲面、鳞片状曲面、X及Y方向剖面轮廓不同的混合自由曲面中至少两种复合而成。6.如权利要求1所述的用于平面液晶显示的LED...

【专利技术属性】
技术研发人员：郎欢标，
申请(专利权)人：郎欢标，
类型：发明
国别省市：