本发明涉及一种应用于液晶显示器背光时提高均匀度，实现光束控制的高均匀度的背光照明系统。
背景技术：
发光二极管是一种基于电子空穴复合的发光原理制成的半导体发光器件，具有光电转换效率高、寿命长、节能环保等优点，已经在许多领域得到广泛应用。
现有的显示器背光照明系统主要分直下式和侧入式，一般采用大量的圆形光斑阵列化提供照明，因为旋转对称结构的圆形光斑存在过填充和欠填充的问题，因此难以满足显示屏均匀度的要求。
技术实现要素：
本发明的主要目的是提供一种产生高均匀度的LED直下式背光透镜照明系统，目的在于消除传统光斑过填充和欠填充的情况，不仅能达到特定的照明需求，而且能提高直下式背光系统的均匀度。
为了达到上述目的，本发明提供一种产生高均匀度光斑的LED直下式背光照明系统，包括光源以及位于所述光源上方的曲面透镜。
曲面透镜内表面为球面，所述光源位于所述曲面透镜内表面围成的几何体积内部；曲面透镜外表面为自由曲面。
所述光源、所述曲面透镜内表面和所述曲面透镜外表面的中心在一条直线上。
所述曲面透镜外表面自由曲面的设计方法包括如下步骤：
S1、以任意一个过光轴Z的平面为入射面，所述光源(1)位于坐标原点O，光源发光角度θ为光线传播方向与光轴正向OZ的夹角。将一个直角分为无限多份，设定一条起始光线为i，与其相邻的下一条光线为i+1；
S2、设第一条光线i通过自由曲面母线上A点坐标为(xi,yi)，母线是指对角母线、横向母线和纵向母线中的一条；与其相邻的第二条光线i+1通过自由曲面母线上的点为B点坐标为(xi+1,yi+1)，连接A点和B点，A点和B点的连线与OX方向的夹角为β，则可知：
根据透镜安装角度和所需光斑形状的边界，确定最大发光角度θb，第i条光线与竖直方向的夹角为θi，经过自由曲面折射后的光线与竖直方向的夹角为αi；
当θi＜θb时，使折射光线发散，此时：
当θi＞θb时，使折射光线会聚，此时：
通过折射定律公式：nsin(θi+βi)＝sin(αi+αi)，
可知则
根据公式1：
确定相邻两条光线间的对应关系；
其中ri+1为原点O与自由曲面母线上所述B点的距离，ri为原点O与自由曲面母线上所述A点的距离；
再根据xi＝risinθi，yi＝ricosθi，得到自由曲面母线上的点集；
S3、通过所述S2中得到代表自由曲面母线上的点集，将点集连同母线，通过不同母线和底部轮廓线之间拟合得出自由曲面。
上述产生高均匀度光斑的LED直下式背光照明系统，优选方式下，所述光源为LED灯。
上述产生高均匀度光斑的LED直下式背光照明系统，优选方式下，所述曲面透镜为透光率大于90％的PMMA聚甲基丙烯酸甲酯或玻璃透光材料。
上述产生高均匀度光斑的LED直下式背光照明系统，优选方式下，所述曲面透镜的加工方式为熔融压铸或开模注塑的一种。
本发明与现有技术相比，由于在自由曲面构建的过程中，采用不同母线与底部轮廓线拟合，从而具有下列有益效果：
1、在自由曲面的构造过程中，通过对不同角度θ时母线上点距原点的距离r，定义了自由曲面的母线，从而控制光线的能量分配。
2、相对于传统的直下式背光系统采用的旋转对称式的圆形光斑所存在的过填充和欠填充问题，本发明可以让相邻的自由曲面透镜形成的光斑的边缘相交，从而提高整体的均匀度。
3、自由曲面透镜的内表面高度可以根据LED光源不同的封装形式进行设计，增加系统设计时的可调控性。
本发明所述自由曲面构建的过程中，采用不同母线与底部轮廓线拟合，每条母线和底部轮廓线在空间坐标中的位置是固定而且互相连接的，所以根据不同母线和底部轮廓线自身的曲率和在空间坐标中的位置，可以形成所需的自由曲面。
本发明的技术方案将光源发出的光线，经过内表面进行第一次调整，中心光线向四周扩散，大角度光线向中心调整。经过第一次调整的光线到达母线拟合形成的自由曲面进行第二次均匀度的调整。通过本发明发射出的光线具有高均匀度的特点。
本发明设计出的光斑包括不同长宽比的、高均匀度的矩形光斑，也包括方形光斑。
本发明的技术方案中，采用局部调光的方法，对每一个光源进行控制，通过调节单个光源发光的强弱，使整体的亮暗对比度更高。
本发明的设计方法简单，通过对母线关系进行设计，可以实现特定的照明光型，满足不同照明需求。采用点集生成特定母线后拟合形成自由曲面，可以优化透镜形状，使光能损失最小。由于透镜选择的材料为常见的透光性材料，所以生产成本低，适于批量生产。
附图说明
图1是位本发明中曲面透镜的母线的计算方法示意图；
图2为本发明一实例结构示意图；
图3为本发明的母线及底部轮廓线的示意图；
图4为对角母线和底部轮廓线拟合形成的自由曲面的示意图；
图5为横向母线和纵向母线拟合形成的自由曲面示意图；
图6为横向母线和纵向母线其中的一个与对角母线拟合形成自由曲面示意图。
图中，1、光源，2、曲面透镜内表面，3、曲面透镜外表面，4、底部轮廓线，5、对角母线，6、横向母线，7、纵向母线。
具体实施方式
下面将结合本发明专利实施例中的附图，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。
需要说明，本发明专利实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
如图2、图3所示，本发明产生高均匀度光斑的LED直下式背光照明系统，包括光源1、曲面透镜，位于曲面透镜上的曲面透镜内表面2、曲面透镜外表面3、底部轮廓线4、对角母线5、横向母线6和纵向母线7。
曲面透镜位于光源1的上方，曲面透镜内表面2为球面，所述光源1位于所述曲面透镜内表面2围成的几何体积内部；曲面透镜外表面3为自由曲面。优选方式下，所述光源1为LED灯。
所述曲面透镜为透光率大于90％的PMMA聚甲基丙烯酸甲酯或玻璃透光材料，并且所述曲面透镜的加工方式为熔融压铸或开模注塑的一种。
所述光源1、所述曲面透镜内表面2和所述曲面透镜外表面3的中心在一条直线上。
所述光源1发出的光线经过曲面透镜内表面2，再经过曲面透镜外表面3，出射可以形成高均匀度光斑的光线。
所述曲面透镜外表面3自由曲面的设计方法包括如下步骤：
S1、如图1所示，以任意一个过光轴Z的平面为入射面，所述光源1位于坐标原点O，光源发光角度θ为光线传播方向与光轴正向OZ的夹角。将一个直角分为无限多份，设定一条起始光线为i，与其相邻的下一条光线为i+1；
S2、设第一条光线i通过自由曲面母线上A点坐标为(xi,yi)，母线是指对角母线5、横向母线6和纵向母线7中的一条；与其相邻的第二条光线i+1通过自由曲面母线上的点为B点坐标为(xi+1,yi+1)，连接A点和B点，A点和B点的连线与OX方向的夹角为β，则可知：
根据透镜安装角度和所需光斑形状的边界，确定最大发光角度θb，第i条光线与竖直方向的夹角为θi，经过自由曲面折射后的光线与竖直方向的夹角为αi；
当θi＜θb时，使折射光线发散，此时：
当θi＞θb时，使折射光线会聚，此时：
通过折射定律公式：nsin(θi+βi)＝sin(αi+αi)，
可知则
根据公式1：
确定相邻两条光线间的对应关系；
其中ri+1为原点O与自由曲面母线上所述B点的距离，ri为原点O与自由曲面母线上所述A点的距离；
再根据xi＝risinθi，yi＝ricosθi，得到自由曲面母线上的点集；
S3、通过所述S2中得到代表自由曲面母线上的点集，将点集连同母线，通过不同母线和底部轮廓线之间拟合得出自由曲面。
在得出自由曲面的过程中，可以按照如图4所示的方式，根据对角母线5和底部轮廓线4拟合形成；也可以按照如图5所示的方式，根据横向母线5和纵向母线7拟合形成；或者按照如图6所示的方式，根据横向母线6和纵向母线7其中的一个，与对角母线5拟合，最终得到自由曲面。
本发明所述自由曲面构建的过程中，采用不同母线与底部轮廓线拟合，每条母线和底部轮廓线在空间坐标中的位置是固定而且互相连接的，所以根据不同母线和底部轮廓线自身的曲率和在空间坐标中的位置，可以形成所需的自由曲面。
本发明设计出的光斑包括不同长宽比的、高均匀度的矩形光斑，也包括方形光斑。本发明通电使LED光源处于工作状态，将光源发出的光线，经过内表面进行第一次调整，中心光线向四周扩散，大角度光线向中心调整。经过第一次调整的光线到达母线拟合形成的自由曲面进行第二次均匀度的调整。使通过本发明发射出的光线具有高均匀度的特点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。