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1、(10)申请公布号 CN 103322505 A (43)申请公布日 2013.09.25 CN 103322505 A *CN103322505A* (21)申请号 201210086784.5 (22)申请日 2012.03.19 F21V 5/04(2006.01) G02F 1/13357(2006.01) F21Y 101/02(2006.01) (71)申请人 郎欢标 地址 523780 广东省东莞市大朗镇松柏朗工 业区碧湖路 18 号 (72)发明人 郎欢标 (54) 发明名称 用于液晶显示背光系统的二次光学透镜 (57) 摘要 本发明公开了一种用于液晶显示背光系统的 二次光学透。
2、镜， 包括底面及配光曲面， 所述配光曲 面顶部的中间部位向上凸出形成凸起， 所述凸起 的外侧面为圆柱形出光面， 所述凸起顶部的中间 部位向下凹入形成反射面， 所述全反射面内设有 台阶， 自所述底面的中间部位向上凹入形成内凹 槽， 所述内凹槽具有侧面及位于所述侧面顶部的 聚光面， 所述侧面为回转面， 使入射光线的一部分 被所述聚光面会聚后， 射向所述全反射面， 反射后 的光线通过所述凸起的外侧面出射。该二次光学 透镜， 采用折射和全反射组合的方法实现光束角 全角大于或等于 170的配光， 可以进一步的缩 短LED基板与LCD屏幕之间的距离， 大大缩减了背 光系统的厚度。 (51)Int.Cl. 。
3、权利要求书 2 页 说明书 9 页 附图 15 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书9页 附图15页 (10)申请公布号 CN 103322505 A CN 103322505 A *CN103322505A* 1/2 页 2 1. 一种二次光学透镜， 包括底面及自所述底面的边缘向上拱起形成的配光曲面， 其特 征在于 ： 所述配光曲面顶部的中间部位向上凸出形成凸起， 所述凸起的外侧面为作为出光 面的柱形曲面， 所述凸起顶部的中间部位向下凹入形成反射面， 所述反射面内设有台阶， 自 所述底面的中间部位向上凹入形成内凹槽， 所述内凹槽具有侧面及位于。
4、所述侧面顶部的聚 光面， 所述侧面为回转面， 使入射光线的一部分被所述聚光面会聚后， 射向所述反射面， 反 射后的光线通过所述凸起的外侧面出射 ； 所述入射光线的另一部分经所述内凹槽的侧面折 射后， 经所述配光曲面出射。 2. 如权利要求 1 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述内凹槽的侧面为圆弧形回转 面， 所述圆弧形回转面的剖面线为圆弧， 所述圆弧的所有法线都相交于 N 点， 所述 N 点与圆 弧的顶点 P 在同一水平面。 3. 如权利要求 1 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述内凹槽的侧面为圆弧形回转 面、 剖面为非正圆的回转曲面或锥面。 4. 如权利要求 1 所述的二次光。
5、学透镜， 其特征在于 ： 所述凸起的柱形曲面为正圆或非 正圆的扫描曲面。 5. 如权利要求 1 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述反射面是圆锥形面、 带菲涅尔 纹的锥面、 剖面轮廓线由微小线段及曲线组成的环纹复合锥面、 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。 6. 如权利要求 1 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述的反射面的反射方式为全反 射、 非全反射或部分全反射。 7. 如权利要求 1 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述内凹槽的侧面和聚光面尖角 过渡或圆弧过渡。 8. 如权利要求 1 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述配光曲面附有环纹微。
6、结构的 衍射面， 使出射光围绕主出射光线产生 的小角度的混光， 所述 在 2 8范 围内。 9. 如权利要求 5 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述环纹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， 环纹的间距 P 为 0.02 5 毫米。 10. 如权利要求 1 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述配光曲面为连续光滑的曲 面、 具有混光作用的环纹衍射面、 具有混光作用的带有鳞片状多面体曲面、 具有混光作用的 带有蜂窝状组合曲面、 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、 蜂窝状多面体曲面、 菲涅。
7、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或非轴对称的自由曲面。 11. 如权利要求 1 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 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、 蜂窝状多面体曲面、 菲涅尔曲面、 带有鳞 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。 12. 如权利要求 1 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述聚光面为菲涅尔环纹聚光 面、 非球面聚光面或自由曲面。 13. 如权利要求 1 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述反射面上附着有半透明的树 脂或胶体， 或者附着有不透。
8、明的介质。 14. 如权利要求 1 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述反射面涂覆反射膜或贴覆反 权 利 要 求 书 CN 103322505 A 2 2/2 页 3 射片材。 15. 如权利要求 1 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述滤光片为半透明滤光片或非 透明滤光片。 16. 如权利要求 15 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述滤光片为镀覆或贴覆光学 滤光膜、 挡光膜、 反光膜、 偏光膜及导光膜。 17. 如权利要求 15 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述滤光片其表面可为印刷光 学网点及印刷各种调光图案， 或用镭射雕刻光学网点及各种调光图案。 18. 如权。
9、利要求 1 所述的二次光学透镜， 其特征在于 ： 所述底面为 90 度 V 形槽环纹面、 四方锥金字塔形棱镜阵列面、 六边形排列的圆锥面、 磨砂面或角锥棱镜结构阵列面。 19. 一种用于液晶显示背光系统的 LED 透镜装置， 包括 LED 光源， 其特征在于 ： 还包括 滤光片及权利要求 1-16 中任意一项所述的二次光学透镜， 所述滤光片固定于所述台阶上， 所述 LED 光源位于所述内凹槽内。 20. 如权利要求 19 所述的 LED 透镜装置， 其特征在于 ： 所述滤光片与所述二次光学透 镜组合成一体， 也可为分体。 21. 一种液晶显示背光系统， 其特征在于 ： 包括权利要求 20 所述。
10、的 LED 透镜装置。 22. 如权利要求 21 所述的液晶显示背光系统， 其特征在于 ： 所述 LED 透镜装置有一个 或多个。 23. 一种照明系统， 其特征在于 ： 包括权利要求 20 所述的 LED 透镜装置。 权 利 要 求 书 CN 103322505 A 3 1/9 页 4 用于液晶显示背光系统的二次光学透镜 技术领域 0001 本发明是关于一种用于大屏幕液晶显示背光系统的二次光学透镜。 背景技术 0002 直下式的 LED 背光系统 ( 即将 LED 排列于液晶屏幕的下方直接照明液晶屏面板的 照明系统 )， 因为其结构简单、 光损少、 显色质数高、 均匀度好、 LED 可以随意。
11、排布、 无须进行 复杂的导光板网点设计等特征， 得到了越来越广泛的应用。追求越来越薄并且均匀的照明 是大屏幕LCD(液晶显示)的背光系统的发展趋势， 二次光学透镜是起决定性作用的关键因 素。现有的大部分二次光学透镜虽然可以很大程度上降低背光系统的厚度， 但其有一个很 难逾越的瓶颈， 目前市场上可以做到的背光系统中， 其二次光学透镜的极限的高/宽比(即 从 LED 的基板到 LCD 屏幕的距离与 LED 排列间距的比率 ) 一般为 0.25 左右， 就是当 LED 间 距为 100mm 排列的时候， 从 LED 的基板到 LCD 屏幕的距离需要大约为 25mm， 小于 0.25 就会 产生正对 。
12、LED 位置的光斑中心过亮， 从而很难实现 LCD 屏幕的均匀照明。 发明内容 0003 本发明的目的是针对现有技术的不足， 提供一种能够有效减少背光系统厚度的二 次光学透镜。 0004 为实现上述目的， 本发明采用了以下技术方式 ： 一种二次光学透镜， 包括底面及自 所述底面的边缘向上拱起形成的配光曲面， 所述配光曲面顶部的中间部位向上凸出形成凸 起， 所述凸起的外侧面为圆柱形出光面， 所述凸起顶部的中间部位向下凹入形成全反射面， 所述全反射面内设有台阶， 自所述底面的中间部位向上凹入形成内凹槽， 所述内凹槽具有 侧面及位于所述侧面顶部的聚光面， 所述侧面为回转面， 使入射光线的一部分被所述。
13、聚光 面会聚后， 射向所述全反射面， 全反射后的光线通过所述凸起的外侧面出射 ； 所述入射光线 的另一部分经所述内凹槽的侧面折射后， 经所述配光曲面出射。该二次光学透镜可以用于 液晶显示背光系统。 0005 进一步的， 所述内凹槽的侧面为圆弧形回转面， 所述圆弧形回转面的剖面线为圆 弧， 所述圆弧的所有法线都相交于 N 点， 所述 N 点与圆弧的顶点 P 在同一水平面。 0006 进一步的， 所述柱形曲面为正圆或非正圆的扫描曲面 (Sweep Surface)。 0007 进一步的， 所述反射面是圆锥形面、 带菲涅尔纹的锥面、 剖面轮廓线由微小线段及 曲线组成的环纹复合锥面、 四面锥形面、 多。
14、面锥形面或由圆锥形面和多面锥形面复合组成。 0008 进一步的， 所述的反射面的反射方式为全反射、 非全反射或部分全反射。 0009 进一步的， 所述内凹槽的侧面和聚光面尖角过渡或圆弧过渡。 0010 进一步的， 所述配光曲面附有环纹微结构的衍射面， 使出射光围绕主出射光线产 生 的小角度的混光， 所述 在 2 8范围内。 0011 进一步的， 所述环纹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， 环纹的间距 P 为 0.02 5 毫米。 说 明 书 CN 103322505 A 4 2/9 页 5 0012 进一步的， 所述配光曲面为连续光滑的曲面、 具有混光作用的环。
15、纹衍射面、 具有混 光作用的带有鳞片状多面体曲面、 具有混光作用的带有蜂窝状组合曲面、 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、 蜂窝状多面 体曲面、 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或 非轴对称的自由曲面。 0013 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、 蜂窝状多面体曲面、 菲涅尔曲面、 带有鳞片状曲面、 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。 0014 进一步的， 所述聚光面为菲涅尔环纹聚光面、 非球面聚光面或自。
16、由曲面。 0015 进一步的， 所述反射面上附着有半透明的树脂或胶体， 或者附着有不透明的介质。 0016 进一步的， 所述反射面涂覆反射膜或贴覆反射片材。 0017 进一步的， 所述滤光片为半透明滤光片或非透明滤光片。 0018 进一步的， 所述底面为90度V形槽环纹面、 四方锥金字塔形棱镜阵列面、 六边形排 列的圆锥面、 磨砂面或角锥棱镜结构阵列面。 0019 一种用于液晶显示背光系统的LED透镜装置， 包括LED光源、 滤光片及所述的二次 光学透镜， 所述滤光片固定于所述台阶上， 所述 LED 光源位于所述内凹槽内。 0020 进一步的， 所述滤光片与所述二次光学透镜组合成一体。 002。
17、1 一种液晶显示背光系统， 包括所述的 LED 透镜装置。 0022 进一步的， 所述 LED 透镜装置有一个或多个。 0023 一种照明系统， 包括所述的 LED 透镜装置。 0024 本发明的有益效果是 ： 本发明提出一种 LED 的二次光学透镜， 采用折射和全反射 组合的方法， 可以进一步的缩短LED基板与LCD屏幕之间的距离， 大大缩减了背光系统的厚 度， 其高宽比可以做到 0.15 以下。 附图说明 0025 图 1 是 LED 透镜装置第一具体实施方式的剖面图 ； 0026 图 2a 2e 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 ； 0027 图 3。
18、 是第一具体实施方式的设计原理图 ； 0028 图 4 是第一具体实施方式的二次光学透镜的配光曲面对单根光线的配光原理图 ； 0029 图 5 是第一具体实施方式的三维模型图 ； 0030 图 6a、 6b 是第一具体实施方式的光线追迹图 ； 0031 图 7 是第一具体实施方式在距离 LED 基板 15mm 的 LCD 屏幕上的照度等高线分布 图 ； 0032 图 8 是第一具体实施方式的坎德拉直角坐标分布图 ( 配光曲线 ) ； 0033 图 9 是第一具体实施方式的坎德拉极坐标分布图 ( 配光曲线 ) ； 0034 图 10a、 10b 是第一具体实施方式的 6*6 阵列的背光模组的光线。
19、追迹图， 其中， LED 间距为 12mm， LCD 屏幕离 PCB 板的距离为 15mm， 此光线追迹只显示出射到屏幕上的光线 ； 0035 图 11 是第一具体实施方式的 66 阵列， LED 间距为 120mm， LCD 屏幕到 PCB 板的 说 明 书 CN 103322505 A 5 3/9 页 6 距离为 15mm 时， 屏幕上的照度分布等高线图 ； 0036 图 12 是 LED 透镜装置的第二具体实施方式的设计原理图 ； 0037 图 13 是第二具体实施方式的坎德拉直角坐标分布图 ； 0038 图 14 是第二具体实施方式的坎德拉极坐标分布图 ； 0039 图 15 是 LE。
20、D 透镜装置的第三具体实施方式的剖面图 ； 0040 图 16 是第三具体实施方式的设计原理图 ； 0041 图 17 是 LED 透镜装置的第四具体实施方式的设计原理图 ； 0042 图 18a 18e 分别是第四具体实施方式的主视图、 俯视图、 右视图、 仰视图及立体 图 ； 0043 图 19a 19e 分别是 LED 透镜装置的第五具体实施方式的主视图、 俯视图、 右视 图、 仰视图及立体图 ； 0044 图 20 是 LED 透镜装置的第五具体实施方式的混光原理图 ； 0045 图 21a、 21b 分别是 LED 透镜装置的第六具体实施方式的剖面图和仰视图 ； 0046 图 22a。
21、、 22b 分别是 LED 透镜装置的第七具体实施方式的剖面图和仰视图 ； 0047 图 23a 23d 分别是第八十一具体实施方式的二次光学透镜的杨视图。 具体实施方式 0048 下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。 0049 本发明所涉及的 LED 透镜装置的第一具体实施方式， 该透镜装置的剖面图如图 1 所示， 该实施方式所涉及的透镜的主视图、 立体图、 俯视图、 右视图以及仰视图如图 2 所示。 该透镜装置包括 LED 光源、 二次光学透镜 1 以及滤光片 2。所述二次光学透镜 1 的特征为 ： 透镜下方靠近 LED 光源的中间位置有一内凹槽， 内凹槽的侧面 11 为。
22、圆弧形回转面 ( 即其剖 面线为圆弧 )， 内凹槽的顶面 13 为一非球面聚光面 ； 透镜上方有一圆柱状凸起， 凸起的中间 位置有一往下凹陷的圆锥形反射面 14， 其上有用于放置滤光片的台阶 16， 凸起的外侧面 15 为稍微有点斜度的作为出光面的柱形曲面 ； 二次光学透镜的外圈侧面 12 也为出光面， 其起 配光作用， 其为连续光滑的曲面 ； 二次光学透镜的底面 17 为非光学表面， 其上面有按照六 边形排列的用来收集杂光的回复反射微型角锥棱镜面18。 另外二次光学透镜的底部还可以 有用来固定的卡脚 19， 其用来将该透镜固定于 LED 的电路板上。所述 LED 的照明装置的滤 光片 2， 。
23、其放置于透镜上方圆柱状凸起的台阶 16 内， 其可以为乳白色半透明的胶片， 或者磨 砂效果的散射片， 或者也可为带有涂层及镀层的片材。所述 LED 的照明装置使用的 LED， 其 可以为各种朗伯形分布的 LED。 0050 发射面的反射方式可以是全反射、 非全反射或部分全反射。凸起的外侧面是柱形 曲面， 该柱形曲面可以为正圆或非正圆的扫描曲面， 其一种形状是圆柱形曲面或带有拔模 斜度的圆柱形曲面。 反射面可以是圆锥形面、 带菲涅尔纹的锥面、 剖面轮廓线由微小线段及 曲线组成的环纹复合锥面、 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。 0051 配光曲面可以为连续光滑的曲面、 具。
24、有混光作用的环纹衍射面、 具有混光作用的 带有鳞片状多面体曲面、 具有混光作用的带有蜂窝状组合曲面、 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、 蜂窝状多面体曲面、 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或非轴对称的 说 明 书 CN 103322505 A 6 4/9 页 7 自由曲面。 0052 配光曲面也可以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、 蜂窝状多面体曲面、 菲涅尔曲面、 带有鳞片状曲面、 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。 00。
25、53 聚光面可以为菲涅尔环纹聚光面、 非球面聚光面或自由曲面。 0054 反射面上可以附着有半透明的树脂或胶体， 或者附着有不透明的介质。 0055 反射面可以涂覆反射膜或贴覆反射片材。 0056 滤光片可以为半透明滤光片或非透明滤光片。 0057 图 3 为第一具体实施方式的设计原理图。从 LED 光源发光面中心点 O 射出的光 线， 其中间部分的光线被非球面的顶面 13 会聚， 会聚后射向其上方的圆锥形全反射面 14 上， 反射后的光线通过圆柱形外侧面 15 射出， 所有的出射光线与光轴 OZ 呈 max角， max在 85 90之间， 这里优选为 85。为了方便注塑， 圆柱形外侧面 15。
26、 的外侧面上边稍细、 下边稍粗， 稍微有一点拔模斜度， 拔模斜角在 1 5之间， 这里优选为 2。剩下从 LED 光源发光面中心O点射出的侧面部分的光线， 经过为圆弧形回转面的侧面11折射后入射到 透镜外侧的配光曲面 12 上， 从配光曲面 12 出射的光线， 从上到下， 其与光轴 OZ 的夹角分别 均匀地分布在 0 max角之间， max在 85 90之间， 这里也优选为 85。所述的为圆 弧形回转面的侧面 11， 其剖面线为圆弧， 其所有法线都相交于 N 点， N 点与圆弧的顶点 P 在 同一水平。当 LED 的荧光粉涂敷面较大时， 会有一些光从透镜顶部的圆锥面全反射面 14 漏 出， 在。
27、出射光斑中形成光环， 这里在其上方放置了一片滤光片 2， 其为半透明乳白色的胶片 或者是带磨砂的散射片， 用来将杂光打散， 消除光环， 也可通过在透镜顶部的圆锥面反射面 上镀膜或涂覆涂层阻挡杂光及消除光环， 使形成范围比较大的均匀光的分布。另外， 当 LED 的荧光粉涂敷面较大时， 还会有些杂光会被配光曲面 12 往透镜的下方反射， 因此这里在透 镜底面设计了按照六边形排列的微型角锥棱镜阵列的回复反射面， 用来收集杂光， 并往透 镜的上方反射。 0058 图 4 为配光曲面 12 对单根光线 QR 的配光图， 其配光角度 ( 出射光线与光轴 OZ 的 夹角 ) 满足以下的正切条件 ： 0059。
28、 0060 配光曲面 12 的轮廓线的 (X， Y) 坐标值根据上述的式子， 由积分迭代法算出。聚光 顶面 13 则可以由成像设计软件优化出。将计算和优化出来的各个曲面组成二次光学透镜 的三维实体模型， 如图 5 所示。 0061 将本具体实施方式的二次光学透镜的三维实体模型输入到光度分析软件中进 行光线追迹及计算机模拟。假设 LED 光源的型号为飞利浦公司的 Luxeon Rebel White Display LED， 光通量为 90 流明， 所需要照明的 LCD 屏幕距离 LED 基板的高度为 15mm， 透 镜上方的滤光片 2 的光学特性为散射白 (Diffuse White)， 实际。
29、中可以根据屏幕上光斑中 间的明暗及是否有光环的情况调节滤光片的透明度及磨砂程度。图 6 为第一具体实施方 式的光线追迹图。图 7 为屏幕上的光照度等高线分布图， 可以看出光斑的直径范围超过了 200mm。 第一具体实施方式的光强的远场角度分布(配光曲线)， 如图8及图9所示， 图8为坎 德拉直角坐标分布图， 图 9 为坎德拉极坐标分布图， 可以看出大部分光强分布在 75 说 明 书 CN 103322505 A 7 5/9 页 8 90之间， 其最大光强值的位置在 85左右， 中间部分 65以内的光强值比较低而 且平滑， 其值约为最大光强值的 3.5， 这部分光线主要用来照明屏幕上正对 LED。
30、 上方的位 置。 0062 图 10 为第一具体实施方式的 66 阵列的背光模组的光线追迹图， LED 间距为 120mm， 所需要照明的 LCD 屏幕离 PCB 板的距离为 15mm， 这里只显示射到屏幕上的光线。图 中较少的黑色线条是从二次光学透镜射出的光线， 这透镜正上方区域的配光来自其相邻的 透镜装置射来的光线， 从而使达到照度均匀的照射。图 11 为屏幕上的照度分布等高线图， 可以看出照度分布的极大值约6500Lux(勒克斯)， 照度分布的极小值约为5500Lux， 可得屏 幕上的照度分布的均匀度约为 ： 0063 0064 图 10 是第一具体实施方式的 66 阵列的背光模组的光线。
31、追迹图， LED 间距为 120mm， 屏幕离 PCB 板的距离为 15mm， 此光线追踪图只显示出射到屏幕上的光线。 0065 第二具体实施方式 ： 0066 第二具体实施方式中， 除了二次光学透镜外侧面的配光曲面 122 与第一具体实施 方式不一样之外， 其他结构都与第一具体实施方式基本相同。第二具体实施方式的设计原 理如图 12 所示， 其所有经过配光曲面 122 配光的输出光线， 其与光轴的夹角都为 max， 而 具体实施方式中经过配光曲面 12 配光的输出光线， 其与光轴 OZ 的夹角均匀地分布在 0 max角之间， 这里max也优选为85。 在外形上， 第二具体实施方式的曲面122。
32、更加扁平， 而第一具体实施方式的配光曲面12与透镜上方圆柱形外侧面15衔接的处看起来有一个类 似于圆角的弧形面。 0067 第二具体实施方式比第一具体实施方式具有更宽的照射范围， 当 LED 间距为 150mm 时， 距离 PCB 板 15mm 高的 LCD 屏幕上的照度分布均匀度可以超过 80。第二具体实 施方式的光强的远场角度分布 ( 配光曲线 ) 如图 13 及图 14 所示， 图 13 为坎德拉直角坐标 分布， 图 14 为坎德拉极坐标分布， 可以看出大部分光强分布在 75 90之间， 其最 大光强值的位置在 85左右， 中间 65范围以内的光强值比第一具体实施方式更低， 部分角度的光。
33、强值接近于 0。 0068 第三具体实施方式 ： 0069 本发明所涉及的二次光学透镜的第三具体实施方式， 其剖面图如图 15 所示。与 第一具体实施方式不同的是， 透镜下方靠近 LED 的中间位置的内凹部分的侧面 113， 其为锥 面。其他几个面的设计方法则与第一具体实施方式相同， 包括内凹的顶面 133 为一非球面 聚光面 ； 透镜上方有一圆柱状凸起， 凸起的中间位置有一往下凹陷的圆锥形全反射面 143， 其上有用于放置滤光片的台阶 163， 凸起的外侧面 153 为稍微有点斜度的圆柱形出光面 ； 透 镜的外圈侧面 123 也为出光面， 其起配光作用， 其为连续光滑的曲面 ； 透镜的底面 。
34、173 为非 光学表面， 其上面有按照六边形排列的用来收集杂光的回复反射微型角锥棱镜面 183 等。 另外透镜的底部还可以有用来固定的卡脚193， 其用来将透镜固定于LED的电路板上。 所述 LED 的照明装置的滤光片 2， 其放置于透镜上方圆柱状凸起的台阶 163 内， 其可以为乳白色 半透明的胶片， 或者磨砂效果的散射片， 或者也可为带有涂层及镀层的片材。 所述光学装置 使用的 LED， 其可以为各种朗伯形分布的 LED。 说 明 书 CN 103322505 A 8 6/9 页 9 0070 第三具体实施方式的设计原理和具体实施方式 1 类似。如图 16 所示， 从 LED 芯片 发光面。
35、中心点O射出的光线， 其中间部分的光线被非球面顶面133会聚， 会聚后射向其上方 的锥形全反射面143上， 反射后的光线通过圆柱形外侧面153射出， 所有的出射光线与光轴 OZ 呈 max角， max在 85 90之间， 这里优选为 85。为了方便注塑， 圆柱形外侧面 153 的上边稍细、 下边稍粗， 稍微有一点拔模斜度， 拔模斜角在 1 5之间， 这里优选为 2。剩下从 LED 芯片发光面中心 O 点射出的侧面部分的光线， 经过锥形侧面 113 折射后入 射到透镜外侧的配光曲面 123 上， 从配光曲面 123 出射的光线， 从上到下， 其与光轴 OZ 的夹 角均匀地分布在 0 max角之间。
36、， max在 85 90之间， 这里也优选为 85。 0071 第四具体实施方式 ： 0072 当 LED 光源上的荧光粉涂敷得比较稀， 涂敷面积相对较大时， 采用第一三具体 实施方式所述的二次光学透镜对 LED 出射光进行配光， 由于配光角度非常大， 有可能在屏 幕上会产生光斑中间色温高、 光斑边缘色温低的不一致的情况， 从而导致 LCD 屏幕的色彩 均匀度不好。本发明所述的第四具体实施方式提出了针对这种情况的解决方法。 0073 第四具体实施方式的剖面图如图 17 所示， 除了外侧的曲面 124 之外， 其它所有的 特征都与第一具体实施方式一样， 这里将外侧的配光曲面 124 设计成附有环。
37、纹微结构的衍 射面， 使出射光围绕主出射光线 QR 产生 的小角度的混光， 可以改善色温的差异。一 般来讲 在 2 5范围内， 这里优选为 3。这里所述的环纹微结构优选为波浪形 周期性的环纹微结构， 其波峰波谷值 H 为 8 微米， 环纹的间距 P 为 0.5 毫米。所述的主光线 QR， 其配光角度 ( 出射光线与光轴 OZ 的夹角 ) 也满足以下的正切条件 ： 0074 0075 在外侧配光曲面 124 上加上所述的环纹微结构， 其可以产生约 3的混光， 从而 解决 LCD 面板上色温差异的问题。所述的第四具体实施方式， 外侧的配光曲面除了波浪形 的环纹衍射面之外， 其还可以为剖面轮廓线由微。
38、小直线段组成的环纹面， 也可以起很好的 一个小角度内的混光效果。 0076 图18为所涉及的第四具体实施方式的三维视图， 透镜的底面174也附有用来收集 杂光的角锥棱镜型回复反射微结构面 184， 透镜外侧曲面 124 为环纹微结构的衍射面。 0077 第五具体实施方式 ： 0078 另外， 对于有可能在屏幕上会产生光斑中间色温高、 光斑边缘色温低的不一致的 情况的混光方法， 除了采用第四具体实施方式的方法之外， 还可以将侧面设计成鳞片状多 面体的方法， 进行小角度内的混光。图 19 为本具体实施方式的主视图、 立体图、 俯视图、 右 视图、 以及仰视图。图中除了外侧的配光曲面 125 为按照。
39、六边形排列的鳞片状多面体之外， 其他曲面的设计都与第一具体实施方式相同。 0079 图 20 为第五具体实施方式的混光原理图， Q1Q2 为其中一个鳞片的剖面轮廓线， 光 线经过此鳞片的中心点 Q， 输出光线的配光角度遵循第一具体实施方式或第二具体实施方 式的配光方法。由于所涉及的鳞片为平面， 光线经过鳞片的上下边缘 Q1 和 Q2， 其围绕主光 线QR有一很小的发散角， 其可以和相邻的鳞片出来的发散光束起到混光的作用。 这 里优选每个鳞片的大小使其与第一具体实施方式的剖面轮廓线在相应位置处的矢高差约 为 8 微米， 从而产生约 3的混光， 从而解决 LCD 面板上色温差异的问题。 说 明 书。
40、 CN 103322505 A 9 7/9 页 10 0080 另外本实施方式所述的鳞片状多面体配光曲面 125， 其还可以为按照四边形或其 他形状排列的鳞片状多面体。 0081 第六具体实施方式 ： 0082 本发明所涉及的 LED 透镜装置的二次光学透镜， 其透镜下方靠近 LED 光源的中间 位置的内凹的顶面还可以设计为菲涅尔 (Fresnel) 环纹聚光面。 0083 图 21 为所述第六具体实施方式的剖面图及仰视图， 图中将第一具体实施方式中 的内凹部分顶部的非球面聚光镜变成了 Fresnel 透镜， 光学方面其与非球面聚光镜的同样 起到聚光的作用， 而结构方面其可以减少透镜的空间， 。
41、从而采用这个结构可以将透镜的尺 寸设计的更小一些。 0084 第七具体实施方式 ： 0085 本发明所涉及的 LED 透镜装置的二次光学透镜， 另一方法在其透镜上方中间内凹 的反射面上填充或设置与透镜不同光学特性的物体， 此物体可以为半透状的树脂或胶体， 也可以是带有镀层或涂层的物体， 或者是不透明的物体。 0086 图 22 为所述第七具体实施方式的剖面图及仰视图， 图中将第一具体实施方式中， 透镜上方反射面上的散射片变成填充物件， 同样可以实现阻挡杂光及消除光环的功能， 从 而使形成范围比较大的均匀光照的分布。 0087 其他具体实施方式 ： 0088 所述的用于大屏幕液晶显示的 LED 。
42、背光系统的光学装置， 其所述的二次光学透镜 的底部为非光学表面， 其可以为任何表面， 上面可以做任何处理， 包括普通机加工面、 磨砂 面、 用来收集杂光的回复反射微结构面等。 0089 图 23a 23d 分别为二次光学透镜的底面为微型 90 度 V- 槽形环纹面 187、 微型 4 方锥金字塔形棱镜阵列面 188、 微型 6 边形排列的圆锥面 189、 以及磨砂面 1810， 图中具体 实施方式八、 九、 十底面都为微型角锥棱镜结构阵列面， 其可以将入射到透镜底面的光反射 回到透镜前方。具体实施方式十一的二次光学透镜的底面为磨砂面， 其将射向透镜后方的 杂光打散， 并部分反射回透镜的前方， 。
43、如果其上面涂上白色的漆， 则收集杂光的效果会更理 想。 0090 本发明涉及一种用于大屏幕液晶显示的 LED 背光系统的光学装置， 其特点为该装 置由 LED 光源、 二次光学透镜、 以及滤光片组成。所述装置的二次光学透镜， 其特征为 ： 透 镜下方靠近 LED 的中间位置有一内凹槽， 内凹槽的侧面为圆弧形回转面或圆锥形回转面， 内凹的顶面为一非球面或为菲涅尔 (Fresnel) 聚光面 ； 透镜上方有一圆柱状凸起， 凸起的 中间位置有一往下凹陷的圆锥形全反射面， 其上有用于放置滤光片的台阶， 凸起的外侧面 为稍微有点斜度的圆柱形出光面 ； 透镜的外圈侧面也为出光面， 其为配光曲面， 其可以为。
44、连 续光滑的曲面， 也可以为稍微带有混光作用的环纹衍射面、 剖面轮廓线由微小直线段组成 的环纹面、 或者为多面体鳞片面 ； 透镜的底面为非光学表面， 其可以为任何表面， 上面可以 做任何处理， 包括普通机加工面、 磨砂面、 用来收集杂光的回复反射微结构面等。另外透镜 的底部还可以有用来固定的卡脚， 根据需要可以有不同的形状、 大小、 及位置， 用来将透镜 固定于 LED 的电路板上。所述 LED 的照明装置的滤光片， 其放置于透镜上方圆柱状凸起的 台阶内， 其可以为乳白色半透明的胶片， 或者磨砂效果的散射片， 或者具有带有网点的滤光 片， 或者也可为带有涂层及镀层的片材。所述 LED 的照明装。
45、置使用的 LED， 其可以为各种朗 说 明 书 CN 103322505 A 10 8/9 页 11 伯形分布的 LED。 0091 二次光学透镜下方靠近LED的内凹的侧面11可以为圆弧形回转面， 其剖面线为圆 弧， 其所有法线都相交于 N 点， N 点与圆弧线的顶点 P 在同一水平。 0092 二次光学透镜的设计原理可以为， 从LED芯片发光面中心点O射出的光线， 其中间 部分的光线被非球面顶面13会聚， 会聚后射向其上方的锥形全反射面14上， 反射后的光线 通过圆柱形外侧面 15 射出， 所有的出射光线与光轴 OZ 呈 max角， max在 85 90之 间。为了方便注塑， 圆柱形外侧面 。
46、15 的上边稍细、 下边稍粗， 稍微有一点拔模斜度， 拔模斜 角在 1 5之间。剩下从 LED 芯片发光面中心 O 点射出的侧面部分的光线， 经过为弧形 回转面的侧面 11 折射后入射到透镜外侧的配光曲面 12 上， 从配光曲面 12 出射的光线， 从 上到下， 其与光轴 OZ 的夹角均匀地分布在 0 max角之间， max在 85 90之间。外 侧配光曲面 12 对单根光线 QR 的配光方法， 其配光角度 ( 出射光线与光轴 OZ 的夹角 ) 满足 以下的正切条件 ： 0093 0094 二次光学透镜上方的滤光片 2 的光学特性可以根据实际的光斑中间的明暗及是 否有光环的配光情况调节滤光片的。
47、透明度及磨砂程度， 其也可以为带有网点的滤光片， 或 者是带有涂层及镀层的片材。 0095 二次光学透镜上方凸起的中间位置有一的往下凹陷的圆锥形全反射面， 此内凹的 反射面也可以为弧面或平面， 其反射面上也可带有一层或多层的反射镀层或涂层， 也可以 为带有网点或环纹的微结构。 0096 所述的透镜装置， 其所有经过配光曲面 122 配光的输出光线， 其与光轴的夹角也 可以都为 max。 0097 所述的透镜装置， 其二次光学透镜下方靠近 LED 的中间位置的内凹部分的侧面 113， 也可以为圆锥面。 0098 所述的透镜装置， 针对于当 LED 芯片的荧光粉涂敷得比较稀， 涂敷面积相对较大 时。
48、， 由于配光角度非常大， 有可能在屏幕上会产生光斑中间色温高、 光斑边缘色温低的不一 致的情况。针对这种情况， 可以将所述的二次光学透镜的外侧配光曲面 124 设计成附有环 纹微结构的衍射面， 使出射光围绕主出射光线QR产生的小角度的混光， 可以改善色 温的差异， 在 2 5范围内。 0099 所述的透镜装置， 针对光斑中间色温高、 光斑边缘色温低的不一致的情况， 可以将 所述的二次光学透镜的外侧配光曲面 124 设计成剖面轮廓线由微小直线段组成的环纹面。 0100 所述的透镜装置， 针对光斑中间色温高、 光斑边缘色温低的不一致的情况， 可以将 透镜外侧的配光曲面 125 设计成鳞片状多面体的配光曲面， 其还可以为按照四边形或其他 形状排列的鳞片状多面体， 光线经过鳞片的边缘Q1和Q2， 其围绕主光线QR有一很小的发散 角 ， 其可以和相邻的鳞片出来的发散光起到混光的作用。 0101 所述的透镜装置， 其二次光学透镜下方靠近 LED 的内凹的顶面还可以为菲涅尔 (Fresnel)环纹聚光面。 其与非球面聚光镜的同样起到聚光的作用， 而结构方面其可以减少 透镜的空间， 从而采用这个结构可以将透镜设计的更小一些。 0102 所述的透镜装置， 该 LED 背光系统的光学装置应用在。