CN103925557A - 匀光透镜及包括该匀光透镜的led光源模组 - Google Patents

Abstract

匀光透镜，所述匀光透镜为回转体，包括顶部出射面、侧部出射面、入射面和底平面，所述顶部出射面和所述入射面均为沿匀光透镜的旋转对称轴对称的内凹型结构；在旋转对称轴的截面上，所述顶部出射面包括延伸曲线和抛物线；所述侧部出射面包括直线段和弧线段；所述入射面包括依次连接的顶部弧形曲线、第一梯形曲线、第二梯形曲线和侧向曲线。本发明的匀光透镜的结构精细，能够在超薄混光距离、超大光源间距的情况下实现均匀照明。

Description

匀光透镜及包括该匀光透镜的LED光源模组

技术领域

本发明涉及光学设计领域，特别涉及一种匀光透镜及包括该匀光透镜的LED光源模组。

背景技术

LED因其节能、色域宽、寿命长、调节速度快等特点，较传统的紧致型荧光灯光源，已经逐渐显现出巨大优势。在LED背光照明主流技术路线中，有侧入式和直下式两种主流技术路线。相比侧入式（LED安装在显示区域的侧面），直下式技术（LED放置在显示器底部）的核心优势包括：光源散热面积大，便于散热，可靠性高；易于控制局部区域亮度，对比度和动态特性更好；直下式光路的光损失更少；省去导光板，背光成本大大降低。

然而，基于光源成本考虑，需要尽量加大直下式背光光源间距来减少光源使用数量；同时，相比侧入式技术，直下式背光技术要求有较大的混光距离，从而造成电视机机身较厚。因此，如何在大间距的光源排布情况下，对光源设计光学系统，使得用最薄的厚度完成均匀照明设计，是直下式背光技术的一大挑战。

针对直下式背光光学设计技术，现有技术中CN202521495U和US8348475都是通过类似马鞍形形状的外曲面配合入射曲面实现，可形成较为均匀的圆形光斑，但该技术只能基本满足25mm以上混光距离（即光源发光面到显示屏的距离）、光源间距80mm左右的背光产品应用，目前可用于25mm厚度背光技术中。但若将机身混光距离降低到15mm，光斑半径将缩小近一倍，如果达到相同均匀性水平所需要的光源数量将增加3倍，不能满足超薄直下式背光设计要求。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种适用于光源间距大且混光距离短的背光产品的匀光透镜。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种匀光透镜，所述匀光透镜为回转体，包括顶部出射面、侧部出射面、入射面和底平面，所述顶部出射面和所述入射面均为沿匀光透镜的旋转对称轴对称的内凹型结构；在旋转对称轴的截面上，

所述顶部出射面包括延伸曲线和抛物线；

所述侧部出射面包括直线段和弧线段；

所述入射面包括依次连接的顶部弧形曲线、第一梯形曲线、第二梯形曲线和侧向曲线。

所述延伸曲线的起点位于所述旋转对称轴上，此处的斜率最大，所述延伸曲线的末端与所述抛物线相交，此处斜率最小。

所述延伸曲线的起点斜率大于1。

所述侧部出射面的直线段与旋转对称轴之间的距离沿着自上而下的方向逐渐变大，所述弧线段与旋转对称轴之间的距离沿着自上而下的方向逐渐变大。

所述顶部弧形曲线为中部平缓而两侧斜率分别逐渐增大的曲线。

所述第一梯形曲线的斜率沿远离所述旋转对称轴方向而逐渐减小，并分别与顶部弧形曲线及第二梯形曲线平滑连接。

所述第二梯形曲线为平滑曲线。

所述侧向曲线包括直线段和逐渐向外展开且斜率逐渐减小的曲线段。

所述侧向曲线与所述第二梯形曲线的相交角度的范围为90度到95度。

连接所述第二梯形曲线和所述侧向曲线的过渡倒角的半径≦0.1mm。

所述匀光透镜的材料为PMMA或PC树脂。

所述底平面为磨砂面。

所述顶部出射面的抛物线与所述侧部出射面的直线段连接，所述直线段的上端区域为磨砂面，所述磨砂面的高度≦0.5mm。

本发明的又一目的在于：提供一种包括上述匀光透镜的LED光源模组，还包括反射纸和基板，所述反射纸粘接于所述基板上；所述LED光源为贴片式光源，LED光源的出光面为圆形平面，所述出光面与匀光透镜的底平面齐平；所述LED光源设置在所述基板上，匀光透镜的底平面设有多个固定脚，所述多个固定脚通过黏性材料与所述基板粘接。

所述LED光源和匀光透镜均为多个，按照阵列排布，置于所述基板上，形成大面积照明。

所述匀光透镜的底平面采用平面式加厚的结构，其增厚高度等于LED光源的厚度。

所述入射面镀有增透膜。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的匀光透镜的结构精细，能够在超薄混光距离、超大光源间距的情况下实现均匀照明。其中，顶部出射面设置了一段延伸曲线和一段抛物曲线，分别将LED发出的光线向两个不同方向形成全反射，最大程度保证了光斑大小和色度、照度的均匀度。

2、本发明的匀光透镜的底平面为磨砂面，从而保证从匀光透镜内腔反射回来的光线不再垂直射向屏幕形成亮点。

3、本发明的匀光透镜的顶部出射面的述抛物线的上端区域为磨砂面，将导入中心位置的光线均匀散开，可避免屏幕靠近LED发光中心局部位置出现亮线。

4、本发明的匀光透镜本体只需上下分模，加工方便，加工成本低；本发明匀光透镜的设计结构包括不连续结构、磨砂设置等，都能够保证曲面不出现倒扣，使得模具只需上下两个模，模具结构极为简单，加工成本低。

5、本发明的匀光透镜能够对不同类型配光的贴片式LED光源，精确地实现照度均匀分布，应用广泛。

6、透镜尺度适中，既保证了设计精度又避免了透镜过大造成的实际混光距离大幅减少。

附图说明

图1为本发明实施例一的立体示意图；

图2为本发明实施例一的剖视图；

图3为本发明实施例一的光线示意图；

图4为本发明实施例二光线示意图之一；

图5为发明实施例二的光线示意图之二；

图6为本发明实施例三的光线示意图之一；

图7为本发明实施例三的光线示意图之二；

图8为本发明实施例四的示意图；

图9为本发明实施例四包括多个光源模组的示意图；

图10为本发明实施例四的模拟照度分布图；

图11为本发明实施例五的示意图。

具体实施方式

实施例一

参见图1—3。一种匀光透镜，所述匀光透镜为回转体，包括顶部出射面12、侧部出射面13、入射面14和底平面15，所述顶部出射面12和所述入射面14均为沿匀光透镜的旋转对称轴21对称的内凹型结构；在旋转对称轴21的截面上，

所述顶部出射面12包括延伸曲线221和抛物线222；

所述侧部出射面13包括直线段231和弧线段232；

所述入射面14包括依次连接的顶部弧形曲线241、第一梯形曲线242、第二梯形曲线243和侧向曲线244。

为了更加直观地表述匀光透镜的结构，从截面上，采用“线”来描述顶部出射面、侧部出射面、入射面；所述“线”实际上对应立体图中的曲面。

所述延伸曲线221（自旋转对称轴21起向外延伸）的起点位于所述的旋转对称轴21上，此处的斜率最大，所述延伸曲线221的末端与所述抛物线222相交，此处斜率最小。

所述顶部出射面的抛物线222与所述侧部出射面的直线段231连接。

所述延伸曲线221的起点斜率大于1。

所述直线段231与旋转对称轴21之间的距离沿着自上而下的方向逐渐变大，所述弧线段232与旋转对称轴21之间的距离沿着自上而下的方向逐渐变大。

所述顶部弧形曲线241靠近旋转对称轴21的中部平缓，约0.3mm后斜率逐渐增大。该部分的光路为：从LED光源301发射出来的光线302，经过顶部弧形曲线241入射后，再经过顶部出射面12的延伸曲线221全反射后，然后从侧部出射面13的直线段231出射，出射后的光线与光轴成60-75度方向出射。该部分的作用是将LED光源301与光轴的夹角较小的光线经过顶部出射面12的延伸曲线221全反射，再经过侧部出射面13的直线段231出射，形成直接射向屏幕的光线302。

所述第一梯形曲线242的斜率沿远离所述旋转对称轴21方向而逐渐减小，分别与顶部弧形曲线241及第二梯形曲线243平滑连接。该部分的光路为：从LED光源301发射出来的光线303，经第一梯形曲线242入射后，再经过顶部出射面12的抛物线222全反射，然后从侧部出射面13的直线段231出射；最终出射的光线303中有一半（部分）3031直接射向屏幕，另一半（部分）3032射向反射纸，经过反射纸反射而投射到屏幕。直接射向屏幕的光线3031以及射向反射纸的光线3032与光轴夹角均为70度到90度。这部分光线形成了最大角度的主要光线，对于混光距离15mm混光距离而言，在屏幕上覆盖的区间主要是半径大于60mm的区域。

所述第二梯形曲线243为平滑曲线。该部分的光路为：从LED光源301发射出来的光线304，经第二梯形曲线243入射后，再经过顶部出射面12的抛物线222全反射，然后从侧部出射面13的直线段231出射，出射后的光线与光轴之间的夹角小于75度，再经反射纸反射而投射到屏幕。这部分光线几乎将全部射到反射纸后反射到屏幕，其在屏幕上覆盖的区间半径小于光线303。

所述侧向曲线244包括直线段和逐渐向外展开且斜率逐渐减小的曲线段。

所述侧向曲线244与所述第二梯形曲线243的相交角度为90度到95度。优选地，所述侧向曲线244与所述第二梯形曲线243之间的连接倒角的半径≦0.1mm。该部分的光路为：从LED光源301发射出来的光线305，经侧向曲线244入射后，然后从侧部出射面13的弧线段232出射，然后投射到屏幕。这部分光线入射角度为65-75度之间，对15mm的混光距离而言，在屏幕上覆盖的区间主要是半径大于40mm小于70mm的区域。

所述匀光透镜的材料为PMMA或PC树脂。

本实施例的匀光透镜的所有曲面都只需要上下模出模，模具简单，模具成本和加工成本较低。

实施例二

参见图4—5。实施例二与实施例一的不同之处在于：所述底平面15为磨砂面。

值得注意的是，整个设计中，没有光线不经过周围反射纸直接到达最靠近轴心的位置，这是因为混光距离极小的情况下，中心照度值要降低为原有状况的10%以下，任何直接入射的形式都可能出现亮点。而在本设计中，即使原本没有直接射到中心的设计，由于加工误差和光源发光属性偏离设计值也极有可能造成中心照度明显高于周围形成亮点的问题。

经研究发现，侧向曲线244上靠近边缘的位置的光线折射后向下角度最小，这部分光线经基板反射后非常容易形成较高的中心照度。参见图4，从LED光源301发射出来的光线401，经侧向曲线244上靠近边缘的位置入射，然后经过侧部出射面13射出，由于菲涅尔损耗的形式有部分光线反射回透镜。这部分光线将射到透镜底部，射出透镜后再经过反射纸或基板反射后出射。由于反射纸或基板的漫反射能力较低，而这部分光线恰好会在镜面方向形成直线光线402；而由于混光距离很小，只需极小部分这样的直射光线402，就会造成接收屏幕上很高的中心亮度。

本实施例中，参见图5，将透镜底部即底平面15全部设置磨砂结构，使得原本可能形成较小角度出射的光线401由于底部的磨砂结构造成光线弥散403，形成发散光线404向各个方向出射，防止了这部分光线直接射到小角度靠近中心的位置。

实施例三

参见图6—7。实施例三与实施例一的不同之处在于：所述侧部出射面13的直线段231的上端区域502为磨砂面，所述磨砂面的高度≦0.5mm。

参见图6，由于加工误差和光源发光属性偏离设计值的缘故，从LED光源301发射出来的光线501，经第二梯形曲线243上靠近边缘的位置入射，经抛物线222反射，然后侧部出射面13的直线段射出231出射；由于光线501向下出射到达反射纸的角度很小，经过反射纸反射后极易出现与中心较近的位置亮度提高的问题。经过研究发现，这部分光线501都集中在顶部出射面222的抛物线222的上端区域502，其高度一般不超过0.5mm。参见图7，将该上端区域502进行磨砂处理后，原本较小角度出射的光线501弥散为多个角度出射的光线503，使得到达中心位置的光能量降低。

实施例四

参见图8—10。本实施例为包括匀光透镜的LED光源模组，还包括反射纸（图中未示出）和基板603，所述反射纸粘接于所述基板603上；所述LED光源601为贴片式光源，LED光源601的出光面6011为圆形平面，所述出光面6011与匀光透镜的底平面15齐平；所述LED光源601设置在所述基板603上，匀光透镜的底平面15设有多个固定脚602，所述多个固定脚602通过黏性材料与所述基板603粘接。

所述贴片式LED光源601的尺寸为3.5×2.8mm。

所述LED光源601和匀光透镜均为多个，按照阵列排布，置于所述基板603上，形成大面积照明。

本实施例中，背光接收器604与所述出光面6011之间的距离为15mm。

图10为本实施例的光学模拟结果。设置反射层为较高反射率的背光反射纸，反射率为80-90%。模拟效果可见，在15mm混光距离的情况下，可在半径80mm以内形成均匀照度分布，应用于背光照明的光源间隔可达80mm以上，大大减少了光源数量节约了成本。

实施例五

参见图11。实施例五与实施例一的不同支持在于：匀光透镜的底平面15采用平面式加厚的结构702，其增厚高度等于LED光源701的厚度；并在加厚的结构702的底部703进行磨砂处理。

优选地，为避免中心照度过高，所述入射面14镀有增透膜。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语和方位词，但这些术语和方位词只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.匀光透镜，所述匀光透镜为回转体，其特征在于：包括顶部出射面、侧部出射面、入射面和底平面，所述顶部出射面和所述入射面均为沿匀光透镜的旋转对称轴对称的内凹型结构；在旋转对称轴的截面上，

所述顶部出射面包括延伸曲线和抛物线；

所述侧部出射面包括直线段和弧线段；

所述入射面包括依次连接的顶部弧形曲线、第一梯形曲线、第二梯形曲线和侧向曲线。

2.根据权利要求1所述的匀光透镜，其特征在于：所述底平面为磨砂面。

3.根据权利要求2所述的匀光透镜，其特征在于：所述抛物线与所述直线段连接，所述直线段的上端区域为磨砂面，所述磨砂面的高度≦0.5mm。

4.根据权利要求1所述的匀光透镜，其特征在于：所述延伸曲线的起点位于所述旋转对称轴上，此处的斜率最大，所述延伸曲线的末端与所述抛物线相交，此处斜率最小；延伸曲线的起点斜率大于1。

5.根据权利要求1所述的匀光透镜，其特征在于：所述直线段与旋转对称轴之间的距离沿着自上而下的方向逐渐变大，所述弧线段与旋转对称轴之间的距离沿着自上而下的方向逐渐变大。

6.根据权利要求1所述的匀光透镜，其特征在于：所述顶部弧形曲线为中部平缓而两侧斜率分别逐渐增大的曲线，所述第一梯形曲线的斜率沿远离所述旋转对称轴方向而逐渐减小，并分别与所述顶部弧形曲线及所述第二梯形曲线平滑连接，所述第二梯形曲线为平滑曲线，所述侧向曲线包括直线段和逐渐向外展开且斜率逐渐减小的曲线段。

7.根据权利要求6所述的匀光透镜，其特征在于：所述侧向曲线与所述第二梯形曲线的相交角度的范围为90度到95度，连接所述第二梯形曲线和所述侧向曲线的过渡倒角的半径≦0.1mm。

8.根据权利要求1所述的匀光透镜，其特征在于：所述入射面镀有增透膜。

9.包括权利要求1-8任一项所述匀光透镜的LED光源模组，其特征在于：还包括反射纸和基板，所述反射纸粘接于所述基板上；所述LED光源为贴片式光源，LED光源的出光面为圆形平面，所述出光面与匀光透镜的底平面齐平，所述LED光源设置在所述基板上；匀光透镜的底平面设有多个固定脚，所述多个固定脚通过黏性材料与所述基板粘接。

10.根据权利要求9所述的LED光源模组，其特征在于：所述匀光透镜的底平面采用平面式加厚的结构，其增厚高度等于LED光源的厚度。