CN103322504B - 用于平面液晶显示的led背光系统的二次光学透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
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，本发明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。
本发明的有益效果是：本发明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是显示加了本发明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发明作进一步详细说明。
第一具体实施方式：
如图1所示，其为本发明用于平面液晶显示的LED背光系统的二次光学透镜的第一具体实施方式，该光学透镜底部的中心部位有一个圆锥形的内凹面11，其为入射面；透镜的顶部有一扁平的配光曲面12，其为出射面，其为连续光滑的曲面；所述透镜顶部的曲面12的中心部位有一明显的凸起13，凸起为圆弧形；透镜的底面14为非光学表面，其上面附有用来收集杂光的角锥棱镜型回复反射微结构面141；所谓的角锥棱镜是指由正立方体上切下来的一个角，其三个面都相互垂直，所以叫做角锥棱镜；将微型角锥棱镜按照正六边形的方式排列而成的微结构阵列，其可以将入射的光沿原路返回，起回复反射的作用；放置在透镜底面的角锥棱镜型回复反射微结构面141可以用来将射向透镜后方的杂光反射回前面，照到LCD面板上。另外该透镜的底部还有用来定位的三个卡脚15，相对于透镜中心沿120度间隔放置，用来将透镜固定于LED的电路板上。该实施方式的二次光学透镜的结构如图5a～5e和图1所示。
该具体实施方式二次光学透镜的配光原理如图6所示，从LED芯片发出的光，经过圆锥形内凹面11折射后，分配到两边，入射到外侧配光曲面12上，曲面12将出射光线配成光束角半宽度为±θmax范围之内的光斑分布，θmax角大于80°，这里优选为82°。可以看出，出射光线从中间到边缘，其与光轴OZ的夹角从0°度渐变到θmax角。圆弧形凸起13位于圆锥形内凹面的尖顶的正上方，由于光线被圆锥形内凹面11向侧面折射，没有光线入射到凸起13，因此凸起13不起配光作用，其也可以为其它的形状，见第三、四具体实施方式。
具体的配光曲面12轮廓线的数学建模如图7所示，假设从LED芯片发光面中心O点发出的入射光线OP与光轴OZ夹角为θ，其经过圆锥形内凹面11上的P点折射后，折射光线为PQ，PQ交外侧的配光曲面12于Q点，经再次折射后以出射光线QR射出。PN’为P点位置的法线，PH’为P点位置的水平线，α为光线OP在P点位置的入射角，ε为光线PQ在P点位置的折射角，η为光线PQ在Q点位置的入射角，ρ为出射光线QR在Q点位置的出射角，μ为曲线12的切线QT与水平线QH”的夹角。透镜的出射光线QR与水平线QH”的夹角为τ，与光轴OZ的夹角为θ5。假设透镜的最大配光角度(半宽度)相对于光轴OZ的夹角为±θmax，要使屏幕上的光斑分布均匀，则出射角θ5满足以下的配光条件：
其中θmax为透镜的最大配光角度(半宽度)，其在80°≤θmax≤90°之间。假设θmax为80°，那么当入射角θ＜78.75°时，QR的配光角θ5大于入射光线的角度θ，而当θ慢慢的接近θmax，超过78.75°直至90°这个范围时，其出射光线与光轴OZ的夹角θ5慢慢地收敛，在这个范围内的θ5的增加量小于θ的增加量，因而其可以将LED发出的所有0°～90°范围的入射光线都均匀的分布在出射角为0°～θmax的范围内，没有光能的损耗。
根据图中的三角形OBP，有得出：
根据斯涅尔折射定律(Snell Law)，在P点位置有：
sinα＝n·sinε
上式中n为透镜材料的折射率。根据H’P垂直于光轴OZ，有：
根据P点两侧的夹角相等，有：
式中δ为光线OP与水平线PH’的夹角，由上式可知φ＝β-ε。另外由于PH’平行于QH”
根据斯涅尔折射定律(Snell Law)，在Q点位置有n·sinη＝sinρ
即：
由于QT为曲线12在Q点位置的切线，其斜率dy/dx为相切角的正切值：
图24是第一具体实施方式的配光曲面12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。因为这里采用了圆锥形的入射面，从图中的两条曲线可以看出：当θ1在10°以内时，其θ5的增加量小于θ1的增加量，因而其光斑中心不会产生黑影；当θ1在10°至θmax之间时，其θ5的增加量才大于θ1的增加量；而当θ1接近θmax直至90°时，其出射光线与光轴OZ的夹角θ5又慢慢地收敛，这个范围内的θ5的增加量小于θ1的增加量，因而其可以将LED发出的所有0°～90°范围的入射光线都均匀的分布在出射角为0°～θmax的范围内，没有光能的损耗。
结合配光条件公式(1)，以及公式(5)、(6)、(7)，当LED出射光线OP与光轴的夹角θ从90度～0度变化时，对dx，dy进行数值积分，就可以得出在不同θ角时，曲面12各点的坐标(x，y)数值解。将曲面12各点的坐标(x，y)值，输入到三维建模软件中用B-样条曲线连接起来就可以得到配光曲面12的剖面轮廓线。再结合圆锥形内凹面11、凸起13、底面14、以及角锥棱镜微结构回复反射面，就可以完成第一实施方式所述二次光学透镜的三维模型，如图8所示。
图8为第一实施方式的单颗透镜及LED的三维计算机模型图，LED的底面与三个卡脚的底面在同一个水平面上。
将建立好的本具体实施方式所述透镜的三维实体模型输入到光度分析软件中就可以对其进行模拟。
以下为第一具体实施方式的计算机模拟及光度分析，假设LED的型号为飞利浦公司的Luxeon Rebel White Display LED，光通量为90流明，屏幕距离LED基板的高度为25mm，以下为单颗透镜的计算机模拟。
图9a、9b为第一具体实施方式的二次光学透镜的光线追迹图，可以看出出射光线的角度很广，大部分的光线射向侧面，射向中间的光线比较少。
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LCD面板上的照度分布图。可以看出光斑的范围非常大，最大照度值10％的位置，光斑的大小为300mm左右，最大照度值50％的位置，光斑的大小约150mm左右。
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°。
以下为6乘6颗LED，间隔110mm，距离LED基板的高度为25mm的LCD面板(屏幕)上的光度分析，屏幕大小设置为550mm乘550mm：
图12是6乘6颗LED的光线追迹图。图13是距离LED基板距离为25mm的屏幕上的照度分布图，从图中下边及右边的照度波动曲线可知，屏幕上的极大照度值约7500Lux、极小照度值约6500Lux，其均匀度约为η＝Imin/Imax·100％≈86.6％，达到了比较均匀的照明效果。
第二具体实施方式：
当LED芯片的荧光粉涂敷得比较稀，涂敷面积相对较大时，采用第一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面板的色彩均匀度不好。本发明所述的第二具体实施方式提出了针对这种情况的解决方法。
第二具体实施方式的剖面图如图14所示，除了外侧的配光曲面22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22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±Δτ的小角度的混光，可以改善色温的差异。一般来讲Δτ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，在第一具体实施方式的外侧配光曲面12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。所述的第二具体实施方式，外侧的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。
图15a～15e为所涉及的第二具体实施方式的主视图、俯视图、右视图、仰视图及立体图，透镜的底面24也附有用来收集杂光的角锥棱镜型回复反射微结构面241，透镜外侧曲面22为环纹微结构的衍射面，透镜的顶部也有一圆弧形的凸起23。
第三、四具体实施方式：
本发明所涉及的二次光学透镜，由于透镜圆锥形内凹面将LED的光线向侧面折射，没有光线入射到曲面中心的凸起，因此凸起的部分不起配光作用，其透镜顶部曲面中心的凸起，还可以为平顶形、尖顶形、或者其他形状；
图16为本发明所涉及的第三具体实施方式的二次光学透镜的剖面图。由于透镜圆锥形内凹面将LED的光线向侧面折射，没有光线入射到凸起的顶面33，因此顶面33不起配光作用，本具体实施方式中顶面33为平面。
图17为本发明所涉及的第四具体实施方式的二次光学透镜的剖面图。由于透镜圆锥形内凹锥面将LED的光线向侧面折射，没有光线入射到配光曲面43，因此曲面43不起配光作用，本具体实施方式中配光曲面43为圆锥尖顶面。
第五至第八具体实施方式：
由于本发明所涉及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。
图18a、18b分别是本发明所涉及的第五具体实施方式的二次光学透镜的剖面图及仰视图。透镜的底面附有磨砂面541，其将射向透镜后方的杂光打散，并部分反射回透镜的前方，如果其上面涂上白色的漆，则收集杂光的效果会更理想。
图19a、19b分别是本发明所涉及的第六具体实施方式的二次光学透镜的剖面图及仰视图。透镜的底面附有90度V型槽的环纹微结构面641，其也起回复反射的作用，将射向透镜后方的杂光，反射回透镜的前方。
图20a、20b分别是本发明第七、八具体实施方式的二次光学透镜的仰视图。在第七具体实施方式中，透镜的底面附有按六边形排列的圆锥形微结构面741，其起到回复反射的作用，将射向透镜后方的杂光，反射回透镜的前方。在第八具体实施方式中，透镜的底面附有按四边形排列的金字塔形微结构面841，其也起到回复反射的作用，将射向透镜后方的杂光，反射回透镜的前方。除了透镜的底面之外，第七、八具体实施方式的其它所有面都与第一具体实施方式一样。
如图21a～21d所示，除了二次透镜的外侧的配光曲面92以及底面94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92设计成带有四边形的自由曲面，LED光源经透镜的入射面后，再经由带有四边形自由曲面的外侧曲面射出，使出射的光斑形状成为四边形的光形，同样也可以实现均匀分布的大角度配光效果。
如图22a～22d所示，除了二次透镜的外侧的配光曲面102与入射内凹面101以及底面104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102设计成带有六边形的自由曲面，并将透镜的入射面设计成六面锥形内凹棱镜.。LED光源入射到透镜的六面锥形内凹棱镜后，再经由带有六边形自由曲面的外侧曲面射出，使出射的光斑形状为六边形的光形，同样也可以实现均匀分布的大角度配光效果。
如图23所示，除了二次透镜的外侧的配光曲面112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112设计成具有混光作用的蜂窝状组合曲面。当然，配光曲面也可以是菲涅尔曲面或鳞片状曲面。
本发明涉及一种用于平面液晶显示的LED直下式背光系统的二次光学透镜。该透镜底部中心部位有一个圆锥形的内凹面，其为入射面；透镜的顶部有一扁平的配光曲面，其为出射面，曲面可以为连续光滑的曲面，也可以为带有混光作用的环纹衍射面，或者为剖面轮廓线由微小直线段组成的环纹面或菲涅尔(Fresnel)曲面，或者为四边形混合自由曲面、六边形混合自由曲面、具有混光作用的带有鳞片状曲面、X及Y方向剖面轮廓不同的混合自由曲面、马鞍型自由曲面、六边形混合自由曲以及其他非轴对称的自由曲面；所述透镜顶部的曲面，其中心部位有一明显的凸起，凸起部分可以为圆弧形、平顶形、或者尖顶形；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。另外透镜的底面还可以装配有用来固定的卡脚，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。
所述的二次光学透镜，从LED芯片发出的光，经过锥形内凹面11折射后，射向侧面，并入射到透镜的外侧曲面12上，外侧曲面将出射光线配成光束角的半宽度为±θmax范围之内的光斑分布，θmax角大于或等于80°，即透镜的光束角全角大于或等于160°。经过透镜外侧曲面12配光的出射光线，从中间到边缘，其与光轴OZ的夹角从0°度渐变到θmax角。
所述的二次光学透镜，透镜外侧曲面12满足配光条件：
θmax为透镜的最大配光角度(光束角半宽度)，θmax大于或等于80°。
凸起13位于锥面尖顶的正上方，由于LED发出的光线被圆锥形内凹面劈开并向侧面折射，从而没有光线入射到曲面中间的凸起13，因此凸起部分不起配光作用，其可以为圆弧形、平顶形、圆锥形、或者尖顶形。
所述的二次光学透镜，其透镜出射的曲面也可以为带有混光作用的环纹衍射面，其混光角度Δτ在2°～15°范围内。所述的环纹微结构可以为波浪形周期性的环纹微结构，其波峰波谷值H为5～25微米之间，环纹的间距P为0.05～1.0毫米。
所述的二次光学透镜，其透镜出射曲面也可以为剖面轮廓线由微小直线段组成的环纹面或菲涅尔(Fresnel)曲面。
所述的二次光学透镜，由于透镜内凹圆锥面将LED的光线向侧面折射，没有光线入射到曲面的中心部位的凸起，因此凸起的部分不起配光作用，其透镜顶部曲面的中心部位的凸起，还可以为平顶形、尖顶形、或者其他形状。
所述的二次光学透镜，其底部为非光学表面，其可以为任何表面，上面可以做任何处理，包括普通机加工表面、磨砂面、用来收集杂光的回复、反射微结构面等，其上面也可以涂上白色的反光漆或加反光片。
所述的二次光学透镜，其透镜底部中心部位有一个圆锥形的内凹面，其为入射面，此入射面也可以为带有混光作用的环纹衍射面或菲涅尔(Fresnel)曲面，所述的环纹微结构可以为波浪形周期性的环纹微结构，其可以为圆锥形面、四面锥形面、多面锥形面或由圆锥形面和多面锥形面复合结构。
所述的二次光学透镜，其出射光斑可以为圆形或四方形，也可以为六边形或多边型，也可以为同时带有两种或两种以上的光斑形状。
所述的二次光学透镜，其透镜的出射曲面可以为圆型曲面，也可以为外轮廓是四边形或六边形的自由曲面，或是为外轮廓是多边形的自由曲面，也以为两种或两种以上的曲面复合在此透镜的出射曲面上。
所述的二次光学透镜，其透镜的入射曲面可以为圆锥形或六面锥形，也可以为由多个面复合组成的锥形曲面。
所述的二次光学透镜，其透镜的底座可以为圆形或四边形，也可以六边形或多边形。
所述的二次光学透镜，为更好地达到配光均匀度，透镜的出射曲面也可以在注塑成型后用后加工或印涂调光材料。
所述的二次光学透镜，可以采用两种或两种以上的材质组成一体或分体实现此光学照明系统。
所述的二次光学透镜，透镜的定位卡脚可以为圆形或其它形状，数量可以为两个或多个。
所述的二次光学透镜，透镜底部收集杂光的非光学表面，可以有一种或多种曲面构成。
对比专利CN101526177A，本发明提出了一种合理的配光技术，其可以将所有从LED光源射出的、与光轴夹角为0°～90°范围的入射光线都配在出射光线与光轴的夹角为0°～θmax的范围内，其中θmax为最大的配光角度，其超过专利了CN101526177A所述的75°，80°≤θmax≤90°，从而可以获得混光距离更短的配光，而且光线没有射向透镜的后方，无光能的损耗。本发明还可以采用比较陡峭的圆锥形入光面，可以获得最大光强超过75度的配光。对于外侧配光曲面的配光，当θ1在10°以内时，其θ5的增加量小于θ1的增加量，用以补偿光斑中间的黑影；当θ1在10°至θmax之间时，其θ5的增加量才大于θ1的增加量；而当θ1接近θmax直至90°时，其出射光线与光轴OZ的夹角θ5又慢慢地收敛，这个范围内的θ5的增加量小于θ1的增加量，因而其可以将LED光源发出的所有0°～90°范围的入射光线都均匀的分布在出射角为0°～θmax的范围内，没有光能的损耗。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (16)
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背光系统的二次光学透镜，其特征在于：所述底面设有至少一个卡脚。
7.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：所述配光曲面设有调光材料层。
8.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：所述配光曲面设有调光磨砂或网状纹微结构纹。
9.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：所述透镜内设有调光材料。
10.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：所述透镜由一种或两种以上的材料组合而成。
11.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：所述内凹面为圆锥形面、多面锥形面或由圆锥形面和多面锥形面复合组成。
12.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：所述内凹面上带有混光作用的环纹衍射面或菲涅尔面，所述的环纹微结构为波浪形周期性的环纹微结构。
13.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：所述凸起是圆弧形、平顶形、圆锥形、多面圆锥形或尖顶形。
14.根据权利要求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。
15.一种平面液晶显示的LED背光系统，其特征在于：包括权利要求1‐14中任意一项所述的二次光学透镜。
16.一种LED背光照明系统，其特征在于：包括权利要求1‐14中任意一项所述的二次光学透镜。
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