勻光透鏡及包括該勻光透鏡的led光源模組的制作方法
【專利摘要】勻光透鏡，所述勻光透鏡為回轉(zhuǎn)體，包括頂部出射面、側(cè)部出射面、入射面和底平面，所述頂部出射面和所述入射面均為沿勻光透鏡的旋轉(zhuǎn)對稱軸對稱的內(nèi)凹型結(jié)構(gòu)；在旋轉(zhuǎn)對稱軸的截面上，所述頂部出射面包括延伸曲線和拋物線；所述側(cè)部出射面包括直線段和弧線段；所述入射面包括依次連接的頂部弧形曲線、第一梯形曲線、第二梯形曲線和側(cè)向曲線。本發(fā)明的勻光透鏡的結(jié)構(gòu)精細，能夠在超薄混光距離、超大光源間距的情況下實現(xiàn)均勻照明。
【專利說明】勻光透鏡及包括該勻光透鏡的LED光源模組
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及一種勻光透鏡及包括該勻光透鏡的LED光源模組。
【背景技術(shù)】
[0002]LED因其節(jié)能、色域?qū)挕勖L、調(diào)節(jié)速度快等特點，較傳統(tǒng)的緊致型熒光燈光源，已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。在LED背光照明主流技術(shù)路線中，有側(cè)入式和直下式兩種主流技術(shù)路線。相比側(cè)入式(LED安裝在顯示區(qū)域的側(cè)面)，直下式技術(shù)(LED放置在顯示器底部)的核心優(yōu)勢包括:光源散熱面積大，便于散熱，可靠性高；易于控制局部區(qū)域亮度，對比度和動態(tài)特性更好；直下式光路的光損失更少；省去導(dǎo)光板，背光成本大大降低。
[0003]然而，基于光源成本考慮，需要盡量加大直下式背光光源間距來減少光源使用數(shù)量；同時，相比側(cè)入式技術(shù)，直下式背光技術(shù)要求有較大的混光距離，從而造成電視機機身較厚。因此，如何在大間距的光源排布情況下，對光源設(shè)計光學系統(tǒng)，使得用最薄的厚度完成均勻照明設(shè)計，是直下式背光技術(shù)的一大挑戰(zhàn)。
[0004]針對直下式背光光學設(shè)計技術(shù)，現(xiàn)有技術(shù)中CN202521495U和US8348475都是通過類似馬鞍形形狀的外曲面配合入射曲面實現(xiàn)，可形成較為均勻的圓形光斑，但該技術(shù)只能基本滿足25mm以上混光距離(即光源發(fā)光面到顯示屏的距離)、光源間距80mm左右的背光產(chǎn)品應(yīng)用，目前可用于25mm厚度背光技術(shù)中。但若將機身混光距離降低到15mm,光斑半徑將縮小近一倍，如果達到相同均勻性水平所需要的光源數(shù)量將增加3倍，不能滿足超薄直下式背光設(shè)計要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于:提供一種適用于光源間距大且混光距離短的背光產(chǎn)品的勻光透鏡。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種勻光透鏡，所述勻光透鏡為回轉(zhuǎn)體，包括頂部出射面、側(cè)部出射面、入射面和底平面，所述頂部出射面和所述入射面均為沿勻光透鏡的旋轉(zhuǎn)對稱軸對稱的內(nèi)凹型結(jié)構(gòu)；在旋轉(zhuǎn)對稱軸的截面上，
[0007]所述頂部出射面包括延伸曲線和拋物線；
[0008]所述側(cè)部出射面包括直線段和弧線段；
[0009]所述入射面包括依次連接的頂部弧形曲線、第一梯形曲線、第二梯形曲線和側(cè)向曲線。
[0010]所述延伸曲線的起點位于所述旋轉(zhuǎn)對稱軸上,此處的斜率最大,所述延伸曲線的末端與所述拋物線相交，此處斜率最小。
[0011]所述延伸曲線的起點斜率大于I。
[0012]所述側(cè)部出射面的直線段與旋轉(zhuǎn)對稱軸之間的距離沿著自上而下的方向逐漸變大，所述弧線段與旋轉(zhuǎn)對稱軸之間的距離沿著自上而下的方向逐漸變大。[0013]所述頂部弧形曲線為中部平緩而兩側(cè)斜率分別逐漸增大的曲線。
[0014]所述第一梯形曲線的斜率沿遠離所述旋轉(zhuǎn)對稱軸方向而逐漸減小，并分別與頂部弧形曲線及第二梯形曲線平滑連接。
[0015]所述第二梯形曲線為平滑曲線。
[0016]所述側(cè)向曲線包括直線段和逐漸向外展開且斜率逐漸減小的曲線段。
[0017]所述側(cè)向曲線與所述第二梯形曲線的相交角度的范圍為90度到95度。
[0018]連接所述第二梯形曲線和所述側(cè)向曲線的過渡倒角的半徑=0.1_。
[0019]所述勻光透鏡的材料為PMMA或PC樹脂。
[0020]所述底平面為磨砂面。
[0021]所述頂部出射面的拋物線與所述側(cè)部出射面的直線段連接，所述直線段的上端區(qū)域為磨砂面，所述磨砂面的高度g 0.5mm。
[0022]本發(fā)明的又一目的在于:提供一種包括上述勻光透鏡的LED光源模組，還包括反射紙和基板，所述反射紙粘接于所述基板上；所述LED光源為貼片式光源，LED光源的出光面為圓形平面，所述出光面與勻光透鏡的底平面齊平；所述LED光源設(shè)置在所述基板上，勻光透鏡的底平面設(shè)有多個固定腳，所述多個固定腳通過黏性材料與所述基板粘接。
[0023]所述LED光源和勻光透鏡均為多個，按照陣列排布，置于所述基板上，形成大面積照明。
[0024]所述勻光透鏡的底平面采用平面式加厚的結(jié)構(gòu)，其增厚高度等于LED光源的厚度。
[0025]所述入射面鍍有增透膜。
[0026]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0027]1、本發(fā)明的勻光透鏡的結(jié)構(gòu)精細，能夠在超薄混光距離、超大光源間距的情況下實現(xiàn)均勻照明。其中，頂部出射面設(shè)置了一段延伸曲線和一段拋物曲線，分別將LED發(fā)出的光線向兩個不同方向形成全反射，最大程度保證了光斑大小和色度、照度的均勻度。
[0028]2、本發(fā)明的勻光透鏡的底平面為磨砂面，從而保證從勻光透鏡內(nèi)腔反射回來的光線不再垂直射向屏幕形成亮點。
[0029]3、本發(fā)明的勻光透鏡的頂部出射面的述拋物線的上端區(qū)域為磨砂面，將導(dǎo)入中心位置的光線均勻散開，可避免屏幕靠近LED發(fā)光中心局部位置出現(xiàn)亮線。
[0030]4、本發(fā)明的勻光透鏡本體只需上下分模，加工方便，加工成本低；本發(fā)明勻光透鏡的設(shè)計結(jié)構(gòu)包括不連續(xù)結(jié)構(gòu)、磨砂設(shè)置等，都能夠保證曲面不出現(xiàn)倒扣，使得模具只需上下兩個模，模具結(jié)構(gòu)極為簡單，加工成本低。
[0031]5、本發(fā)明的勻光透鏡能夠?qū)Σ煌愋团涔獾馁N片式LED光源，精確地實現(xiàn)照度均勻分布，應(yīng)用廣泛。
[0032]6、透鏡尺度適中，既保證了設(shè)計精度又避免了透鏡過大造成的實際混光距離大幅減少。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明實施例一的立體示意圖；
[0034]圖2為本發(fā)明實施例一的剖視圖；[0035]圖3為本發(fā)明實施例一的光線示意圖；
[0036]圖4為本發(fā)明實施例二光線示意圖之一；
[0037]圖5為發(fā)明實施例二的光線示意圖之二；
[0038]圖6為本發(fā)明實施例三的光線示意圖之一；
[0039]圖7為本發(fā)明實施例三的光線示意圖之二；
[0040]圖8為本發(fā)明實施例四的示意圖；
[0041]圖9為本發(fā)明實施例四包括多個光源模組的示意圖；
[0042]圖10為本發(fā)明實施例四的模擬照度分布圖；
[0043]圖11為本發(fā)明實施例五的示意圖。
【具體實施方式】
[0044]實施例一
[0045]參見圖1一3。一種勻光透鏡，所述勻光透鏡為回轉(zhuǎn)體，包括頂部出射面12、側(cè)部出射面13、入射面14和底平面15，所述頂部出射面12和所述入射面14均為沿勻光透鏡的旋轉(zhuǎn)對稱軸21對稱的內(nèi)凹型結(jié)構(gòu)；在旋轉(zhuǎn)對稱軸21的截面上，
[0046]所述頂部出射面12包括延伸曲線221和拋物線222 ；
[0047]所述側(cè)部出射面13包括直線段231和弧線段232 ；
[0048]所述入射面14包括依次連接的頂部弧形曲線241、第一梯形曲線242、第二梯形曲線243和側(cè)向曲線244。
[0049]為了更加直觀地表述勻光透鏡的結(jié)構(gòu)，從截面上，采用“線”來描述頂部出射面、側(cè)部出射面、入射面；所述“線”實際上對應(yīng)立體圖中的曲面。
[0050]所述延伸曲線221 (自旋轉(zhuǎn)對稱軸21起向外延伸)的起點位于所述的旋轉(zhuǎn)對稱軸21上，此處的斜率最大，所述延伸曲線221的末端與所述拋物線222相交，此處斜率最小。
[0051]所述頂部出射面的拋物線222與所述側(cè)部出射面的直線段231連接。
[0052]所述延伸曲線221的起點斜率大于I。
[0053]所述直線段231與旋轉(zhuǎn)對稱軸21之間的距離沿著自上而下的方向逐漸變大，所述弧線段232與旋轉(zhuǎn)對稱軸21之間的距離沿著自上而下的方向逐漸變大。
[0054]所述頂部弧形曲線241靠近旋轉(zhuǎn)對稱軸21的中部平緩，約0.3mm后斜率逐漸增大。該部分的光路為:從LED光源301發(fā)射出來的光線302，經(jīng)過頂部弧形曲線241入射后，再經(jīng)過頂部出射面12的延伸曲線221全反射后，然后從側(cè)部出射面13的直線段231出射，出射后的光線與光軸成60-75度方向出射。該部分的作用是將LED光源301與光軸的夾角較小的光線經(jīng)過頂部出射面12的延伸曲線221全反射，再經(jīng)過側(cè)部出射面13的直線段231出射，形成直接射向屏幕的光線302。
[0055]所述第一梯形曲線242的斜率沿遠離所述旋轉(zhuǎn)對稱軸21方向而逐漸減小，分別與頂部弧形曲線241及第二梯形曲線243平滑連接。該部分的光路為:從LED光源301發(fā)射出來的光線303，經(jīng)第一梯形曲線242入射后，再經(jīng)過頂部出射面12的拋物線222全反射，然后從側(cè)部出射面13的直線段231出射；最終出射的光線303中有一半(部分)3031直接射向屏幕，另一半(部分)3032射向反射紙，經(jīng)過反射紙反射而投射到屏幕。直接射向屏幕的光線3031以及射向反射紙的光線3032與光軸夾角均為70度到90度。這部分光線形成了最大角度的主要光線，對于混光距離15mm混光距離而言，在屏幕上覆蓋的區(qū)間主要是半徑大于60mm的區(qū)域。
[0056]所述第二梯形曲線243為平滑曲線。該部分的光路為:從LED光源301發(fā)射出來的光線304，經(jīng)第二梯形曲線243入射后，再經(jīng)過頂部出射面12的拋物線222全反射，然后從側(cè)部出射面13的直線段231出射，出射后的光線與光軸之間的夾角小于75度，再經(jīng)反射紙反射而投射到屏幕。這部分光線幾乎將全部射到反射紙后反射到屏幕，其在屏幕上覆蓋的區(qū)間半徑小于光線303。
[0057]所述側(cè)向曲線244包括直線段和逐漸向外展開且斜率逐漸減小的曲線段。
[0058]所述側(cè)向曲線244與所述第二梯形曲線243的相交角度為90度到95度。優(yōu)選地，所述側(cè)向曲線244與所述第二梯形曲線243之間的連接倒角的半徑=0.1mm。該部分的光路為=WLED光源301發(fā)射出來的光線305，經(jīng)側(cè)向曲線244入射后，然后從側(cè)部出射面13的弧線段232出射，然后投射到屏幕。這部分光線入射角度為65-75度之間，對15mm的混光距離而言，在屏幕上覆蓋的區(qū)間主要是半徑大于40mm小于70mm的區(qū)域。
[0059]所述勻光透鏡的材料為PMMA或PC樹脂。
[0060]本實施例的勻光透鏡的所有曲面都只需要上下模出模，模具簡單，模具成本和加工成本較低。
[0061]實施例二
[0062]參見圖4一5。實施例二與實施例一的不同之處在于:所述底平面15為磨砂面。
[0063]值得注意的是，整個設(shè)計中，沒有光線不經(jīng)過周圍反射紙直接到達最靠近軸心的位置，這是因為混光距離極小的情況下，中心照度值要降低為原有狀況的10%以下，任何直接入射的形式都可能出現(xiàn)亮點。而在本設(shè)計中，即使原本沒有直接射到中心的設(shè)計，由于加工誤差和光源發(fā)光屬性偏離設(shè)計值也極有可能造成中心照度明顯高于周圍形成亮點的問題。
[0064]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)向曲線244上靠近邊緣的位置的光線折射后向下角度最小，這部分光線經(jīng)基板反射后非常容易形成較高的中心照度。參見圖4，從LED光源301發(fā)射出來的光線401，經(jīng)側(cè)向曲線244上靠近邊緣的位置入射，然后經(jīng)過側(cè)部出射面13射出，由于菲涅爾損耗的形式有部分光線反射回透鏡。這部分光線將射到透鏡底部，射出透鏡后再經(jīng)過反射紙或基板反射后出射。由于反射紙或基板的漫反射能力較低，而這部分光線恰好會在鏡面方向形成直線光線402 ;而由于混光距離很小，只需極小部分這樣的直射光線402，就會造成接收屏幕上很高的中心亮度。
[0065]本實施例中，參見圖5，將透鏡底部即底平面15全部設(shè)置磨砂結(jié)構(gòu)，使得原本可能形成較小角度出射的光線401由于底部的磨砂結(jié)構(gòu)造成光線彌散403，形成發(fā)散光線404向各個方向出射，防止了這部分光線直接射到小角度靠近中心的位置。
[0066]實施例三
[0067]參見圖6—7ο實施例三與實施例一的不同之處在于:所述側(cè)部出射面13的直線段231的上端區(qū)域502為磨砂面，所述磨砂面的高度=0.5mm。
[0068]參見圖6，由于加工誤差和光源發(fā)光屬性偏離設(shè)計值的緣故，從LED光源301發(fā)射出來的光線501，經(jīng)第二梯形曲線243上靠近邊緣的位置入射，經(jīng)拋物線222反射，然后側(cè)部出射面13的直線段射出231出射；由于光線501向下出射到達反射紙的角度很小，經(jīng)過反射紙反射后極易出現(xiàn)與中心較近的位置亮度提高的問題。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，這部分光線501都集中在頂部出射面222的拋物線222的上端區(qū)域502，其高度一般不超過0.5mm。參見圖7，將該上端區(qū)域502進行磨砂處理后，原本較小角度出射的光線501彌散為多個角度出射的光線503，使得到達中心位置的光能量降低。
[0069]實施例四
[0070]參見圖8 —10。本實施例為包括勻光透鏡的LED光源模組，還包括反射紙(圖中未示出)和基板603，所述反射紙粘接于所述基板603上；所述LED光源601為貼片式光源，LED光源601的出光面6011為圓形平面，所述出光面6011與勻光透鏡的底平面15齊平；所述LED光源601設(shè)置在所述基板603上，勻光透鏡的底平面15設(shè)有多個固定腳602，所述多個固定腳602通過黏性材料與所述基板603粘接。
[0071]所述貼片式LED光源601的尺寸為3.5X2.8_。
[0072]所述LED光源601和勻光透鏡均為多個，按照陣列排布，置于所述基板603上，形成大面積照明。
[0073]本實施例中，背光接收器604與所述出光面6011之間的距離為15mm。
[0074]圖10為本實施例的光學模擬結(jié)果。設(shè)置反射層為較高反射率的背光反射紙，反射率為80-90%。模擬效果可見，在15mm混光距離的情況下，可在半徑80mm以內(nèi)形成均勻照度分布，應(yīng)用于背光照明的光源間隔可達80mm以上，大大減少了光源數(shù)量節(jié)約了成本。
[0075]實施例五
[0076]參見圖11。實施例五與實施例一的不同支持在于:勻光透鏡的底平面15采用平面式加厚的結(jié)構(gòu)702，其增厚高度等于LED光源701的厚度；并在加厚的結(jié)構(gòu)702的底部703進行磨砂處理。
[0077]優(yōu)選地，為避免中心照度過高，所述入射面14鍍有增透膜。
[0078]根據(jù)上述說明書的揭示和教導(dǎo)，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的【具體實施方式】，對本發(fā)明的一些修改和變更也應(yīng)當落入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術(shù)語和方位詞，但這些術(shù)語和方位詞只是為了方便說明，并不對本發(fā)明構(gòu)成任何限制。
【權(quán)利要求】
1.勻光透鏡，所述勻光透鏡為回轉(zhuǎn)體，其特征在于:包括頂部出射面、側(cè)部出射面、入射面和底平面，所述頂部出射面和所述入射面均為沿勻光透鏡的旋轉(zhuǎn)對稱軸對稱的內(nèi)凹型結(jié)構(gòu)；在旋轉(zhuǎn)對稱軸的截面上， 所述頂部出射面包括延伸曲線和拋物線； 所述側(cè)部出射面包括直線段和弧線段； 所述入射面包括依次連接的頂部弧形曲線、第一梯形曲線、第二梯形曲線和側(cè)向曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的勻光透鏡，其特征在于:所述底平面為磨砂面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的勻光透鏡，其特征在于:所述拋物線與所述直線段連接，所述直線段的上端區(qū)域為磨砂面，所述磨砂面的高度=0.5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的勻光透鏡，其特征在于:所述延伸曲線的起點位于所述旋轉(zhuǎn)對稱軸上，此處的斜率最大，所述延伸曲線的末端與所述拋物線相交，此處斜率最?。谎由烨€的起點斜率大于I。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的勻光透鏡，其特征在于:所述直線段與旋轉(zhuǎn)對稱軸之間的距離沿著自上而下的方向逐漸變大，所述弧線段與旋轉(zhuǎn)對稱軸之間的距離沿著自上而下的方向逐漸變大。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的勻光透鏡，其特征在于:所述頂部弧形曲線為中部平緩而兩側(cè)斜率分別逐漸增大的曲線，所述第一梯形曲線的斜率沿遠離所述旋轉(zhuǎn)對稱軸方向而逐漸減小，并分別與所述頂部弧形曲線及所述第二梯形曲線平滑連接，所述第二梯形曲線為平滑曲線，所述側(cè)向曲線包括直線段和逐漸向外展開且斜率逐漸減小的曲線段。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的勻光透鏡，其特征在于:所述側(cè)向曲線與所述第二梯形曲線的相交角度的范圍為90度到95度，連接所述第二梯形曲線和所述側(cè)向曲線的過渡倒角的半徑蘭0.1mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的勻光透鏡，其特征在于:所述入射面鍍有增透膜。
9.包括權(quán)利要求1-8任一項所述勻光透鏡的LED光源模組，其特征在于:還包括反射紙和基板，所述反射紙粘接于所述基板上；所述LED光源為貼片式光源，LED光源的出光面為圓形平面，所述出光面與勻光透鏡的底平面齊平，所述LED光源設(shè)置在所述基板上；勻光透鏡的底平面設(shè)有多個固定腳，所述多個固定腳通過黏性材料與所述基板粘接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的LED光源模組，其特征在于:所述勻光透鏡的底平面采用平面式加厚的結(jié)構(gòu)，其增厚高度等于LED光源的厚度。
【文檔編號】F21V5/04GK103925557SQ201410117760
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】羅滔, 王鋼 申請人:佛山市中山大學研究院, 周燁