一种LED背光系统和显示装置的制作方法

一种led背光系统和显示装置
技术领域
1.本发明涉及显示技术领域，更具体地说，本发明涉及一种led背光系统和显示装置。


背景技术：

2.科技发展不断改变着人们的生活方式，手机、平板电脑、电视等各类平板显示器已经成为人们日常生活中必不可少的电子产品。随着平板显示技术的不断完善和发展，人们在注重显示器显示效果的同时，逐渐开始关注显示器对人体健康的影响，舒适性与健康性成为平板显示技术未来发展的重要方向。现阶段，以led为背光源的液晶显示器占据了平板显示器市场的主流地位，但目前关于led背光系统对人体健康，尤其是对视觉舒适度影响的研究还不够完善。
3.现如今，人们在日常使用平板显示器的过程中，经常会产生一些不舒适的感觉，如眼睛干涩、刺痛、流泪、眨眼频繁、视力下降、眼疲劳等眼部不适，同时还可能伴有头痛、恶心、记忆力下降、腰部及颈肩酸痛等症状。随着平板显示器在日常生活中应用的普及，平板显示器产生的闪烁现象、背光源中的蓝光成分，以及与屏幕的光学性能都会对包括视觉舒适度在内的人体健康造成一定负面影响。因此，有必要提出一种led背光系统和显示装置来解决上述问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种led背光系统和显示装置。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种led背光系统，所述背光系统包括电源模块，用于提供电源；led阵列，与所述电源模块电连接，其包括多个并联的led灯串；所述背光系统还包括自由曲面透镜，所述自由曲面透镜改变光源出光角，用于改善背光系统亮度均匀性；所述led阵列为广义朗伯型led光源，所述led阵列在自由曲面透镜作用下存在有改善亮度均匀性的间隙。
7.在一个优选地实施方式中，所述自由曲面透镜根据光源与目标面能量分配的对应关系迭代求出自由曲面在xz平面上的离散点，从而求出自由曲面透镜型的截线。
8.在一个优选地实施方式中，所述led阵列目标面上某点的照度由各个光源叠加而成，将目标面划分为若干个网格；其光源光照强度带入网格内某点(x，y)处的照度即可得到该光源在目标照明面上的照度分布函数，从而推导出光源在某点(x，y)处的归一化照度，进而根据sparrow判据求得该阵列的临界均匀间距d。
9.在一个优选地实施方式中，所述背光系统还包括光学扩散膜，所述光学扩散膜用于重新分配经过模组表面的出射光线的方向，使得透射光在各个方向的光通量尽量达到一致。
10.在一个优选地实施方式中，所述电源模块包括led背光驱动，所述led背光驱动选
用df6113驱动芯片。
11.一种led显示装置，所述显示装置包括显示面板以及为显示面板提供背光的led背光系统，其中，所述led背光系统为如权利要求1-5任一项所述的led背光系统。
12.本发明的技术效果和优点：
13.本发明一种led背光系统和显示装置，通过设置合适的自由曲面透镜与合适的led列阵间隙，从而能够缓解蓝光视网膜危害和光学特性对视疲劳的影响，避免了人们在日常使用平板显示器的过程中，产生一些不舒适的感觉。
附图说明
14.图1为本发明一种led背光系统的结构示意图；
15.图2为本发明自由曲面透镜设计流程示意意图；
16.图3为本发明自由曲面透镜光路原理图；
17.图4为本发明led列阵结构示意图；
18.图5为本发明单颗光源在目标面上的照度示意图；
19.图6为本发明一种led显示装置结构示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.实施例
22.本发明一种led背光系统，所述背光系统包括电源模块，用于提供电源；led阵列，与所述电源模块电连接，其包括多个并联的led灯串；所述背光系统还包括自由曲面透镜，所述自由曲面透镜改变光源出光角，用于改善背光系统亮度均匀性；所述led阵列各灯串在自由曲面透镜作用下存在有改善亮度均匀性的间隙。
23.本发明采用广义朗伯型(lambertian)led光源，其光源辐射亮度不超过规定的危险别值，对视网膜蓝光危害小，较为安全；其光源的光强满足公式1表示的余弦分布：
24.i(θ)＝iocosθ
25.公式1
26.公式1中，io为光源沿轴线方向的光强，θ为led发出的光线与轴线的夹角；忽略光源的尺寸，即将光源视为点光源，设光源为h，则距离光源h的目标平面上的照度分布满足公式2：
27.e(θ)＝iocos4θ/h2
28.公式2
29.本发明基于点光源的设计算法构建自由曲面透镜，使光源h与透镜构成的组合光系统在相距25mm的目标面上实现均匀圆形光斑。总体设计流程如图2。
30.如图3所示，由于目标面上的照度由中心向边界迅速下降。针对液晶显示器这一类对均匀度有很高要求的光系统，要想在目标面上实现均匀照明，就需要对光源进行二次光
学设计。首先，以光源h所在的位置为o点，led芯片的平面为xy平面，平面的法线方向为z轴建立空间直角坐标系。oa为led直接发出的光线(入射光线)，入射光线交透镜于点a(x，y)，ab为光线经透镜折射后的出射光线，出射光线交目标照明面于点b(r，h)，光源到照明面的距离为h，则有公式3：
[0031][0032][0033]
本发明自由曲面透镜根据光源与目标面能量分配的对应关系迭代求出自由曲面在xz平面上的离散点，从而求出自由曲面透镜型的截线。
[0034]
本发明led光源与目标面能量分配的对应关系由以下可得，
[0035]
设光源沿乙轴(即θ＝0)发出的光线在目标面上实现的光斑半径r＝0，光源沿xy平面(即θ＝π/2)发出的光线在目标面上实现的光斑半径r＝r，则根据能量守恒定律可得公式4与公式5：
[0036][0037][0038]
式中，ec为目标面上的照度，io为光源沿z轴方向的光强，其由所选光源决定，θ为led发出的光线与z的夹角，其取值范围为[θ，π/2]。
[0039]
对公式4和公式5积分，可得公式6，
[0040][0041]
则夹角为θ的光线与目标面的交点其x轴的坐标r为公式7：
[0042]
r＝r√1-cos2θ
[0043]
公式7
[0044]
通过将目标面沿x轴方向划分为m等份个能量环，能量环边缘的范围为[ro，rm]，每一个能量环对应的夹角θ的范围为[θo，θm]，每一个夹角对应的入射光线的范围为对应的入射光线与自由曲面交点的坐标范围为[so(0,0,zo),sm(0,0,zm)]，对应的出射光线与目标面交点的坐标范围[p0(ro，0，h),pm(rm，0，h)]。
[0045]
从ro＝0开始，由公式7可求得θo的值，在θo对应的入射光线的传播路径上选择一个点sd(0,0,zo)作为自由曲面的初始点，经透镜折射后的出射光线与目标面的交点坐标为
p0(ro，0，h)，由这两点的坐标根据公式3求得入射光线及出射光线的单位矢量和再由斯涅耳定律就可得到自由曲面在点so处的法向量斯涅耳定律的矢量形式如公式8所示。
[0046][0047]
上式中n为透镜材料的折射率。结合和so(0,0,zo)就可得到初始点的切平面以r
l
对应的入射光线与的交点作为自由曲面上的下一个点s
l
(x
l
,0.z
l
)，结合求出θ
l
；对应的和再根据斯涅耳定律求得重复上述步骤，就可得到自由曲面在xz平面上的离散点s0,s
1，....
sm，即得到了透镜面型的截线。
[0048]
本发明选用直下式led背光模组，设led阵列照明系统的参数如下：系统厚度为z，相邻光源的间距为d，光源的空间光强分布为i
θ
,θ,φ，其中θ为光源沿纬向的出光角，φ为光源沿经向出光角，人眼距离观察点的观察距离为h，观察方向与屏幕轴向的夹角为观察角a。如图4所示，所述led阵列目标面上某点的照度由各个光源叠加而成。将目标面划分为若干个网格，则对于一个规模为n1xn2的光源阵列，其在一个网格内某点(x,y)处的照度e(x,y)可由公式9表示：.
[0049][0050]
公式9中，被称为光源在(x,y)点的归一化照度。单颗光源在目标面上的照度示意图如图5所示，i
ij
θ
ij
，φ
ij
为某颗led指向(x,y)位置处的光强，其中θ
ij
为纬向出光角，φ
ij
为经向出光角，r
ij
为光源到点(x,y)的距离，i。为各颗光源沿θ＝0、φ＝0方向的光强，e。为各颗光源在其正上方产生的照度。如果将r
ij
表示为z和d的关系，归一化照度就可以改写为公式10的形式。
[0051][0052]
针对宽出光角的led光源，其光强分布可以用公式10进行拟合，其中g1i，g2i，g3i；均为拟合参数。
[0053]
将公式10代入公式9中，就得到了该光源在目标照明面上的照度分布函数，从而推导出光源在点(x,y)处的归一化照度根据判断led阵列系统临界均匀性的sparrow判据，在给定系统厚度z的情况下，通过在选取的特征点上计算就可求得该阵列的临界均匀间距d。
[0054]
所述背光系统还包括光学扩散膜，所述光学扩散膜重新分配经过模组表面的出射光线的方向，使得透射光在各个方向的光通量尽量达到一致。扩散膜的这种匀光特性用雾
度来表征。使用雾度为90％以上的光学扩散薄膜，在照度均匀性理论计算值达到90％以上时，而在实际垂直方向的亮度均匀性将能达到85％以上，减轻了上述理论推导中照度大小相等的地方其亮度大小不一定相等的状况。
[0055]
如图6所示，图6为本发明一种显示装置的结构示意图。如图6所示，本发明的显示装置包括显示面板和背光系统，其中背光系统为显示面板提供光源。
[0056]
所述电源模块包括led背光驱动，所述led背光驱动选用df6113驱动芯片。led背光驱动的要求是在一定时间内背光led的发光亮度不变，即需要一个恒流源电路。因此，本发明选用led背光驱动芯片为型号为df6113，df6113是一款专门应用于背光led电源的ic芯片，可应用于不同功率的显示屏的背光。该芯片可以将电压升压至合适的输出电压，并精准控制led灯串的电流输出。
[0057]
本发明一种led背光系统和显示装置，通过设置合适的自由曲面透镜与合适的led列阵间隙，从而能够缓解蓝光视网膜危害和光学特性对视疲劳的影响，避免了人们在日常使用平板显示器的过程中，产生一些不舒适的感觉。
[0058]
最后应说明的几点是：首先，在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
[0059]
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
[0060]
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。