一种具有非平滑曲线的直下式背光透镜的制作方法

本发明属于光学器件领域，具体涉及一种具有非平滑曲线的直下式背光透镜。

背景技术：

目前，在背光照明当中，为了均匀光线，通常会搭配扩散透镜使用，使光源发出的光线能以较大角度出射，从而达到大面积照明的效果。然而，在实际使用中，光源发出的光线经过透镜的扩散之后，由于光线在光源的光轴附近比较集中，有时并不能完全消除中央亮点的现象，不利于背光照明。

直下式背光模块是在通过透镜将led器件发出的光线扩散均匀地扩散在尽量大的范围内，并通过这些光斑的相互交叠在被照面上形成均匀亮度出射。现有技术中，一种方式是通过折射的方式将光线扩散，或者通过将光线压缩在透镜侧面出射的形式并凭借反射纸的作用，将光线在很小的混光距离的情况下分布在较大的范围。

然而，已经有很多实际应用发现，当混光距离和led器件间距的比值小于1:3的情况下，容易在被照明面上出现局部色空间分布不均匀的情况，通常是偏黄或偏蓝的色斑。通常情况下，在其他照明应用中，可以通过调节表面微结构来进行混光，也可以通过将出光面进行磨砂处理来实现混光。然而，由于直下式背光的混光距离很短而器件间距很大，需要在一个很大出射角范围内形成均匀照明，光学曲面的冗余度很低；如果是通过磨砂的方式，会破坏原有的光学面对光线的控制，使得光斑严重缩小；而通过微结构的方式在很短混光距离的情况下会形成近场效应，将微结构的形态“成像”在很近的接受屏上面，使得光斑斑斑点点，无法形成均匀亮度分布的照明效果。

技术实现要素：

为解决现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种具有非平滑曲线的直下式背光透镜。

本发明的方案为：一种具有非平滑曲线的直下式背光透镜，该透镜为旋转对称体，该透镜包括底面、入射面和出射面，光线自入射面射入透镜内，自出射面射出透明外；该旋转对称体的对称轴为光轴z，穿过z轴的截面沿z轴的一侧与入射面的相交线为入射曲线c1，与出射面的相交线为出射曲线c2；以z轴为y轴建立直角坐标系，x轴位于截面上，则c1和c2中至少有一条曲线是按以下方式生成：

1)给定一平滑曲线c,该曲线c满足函数y＝c(x)，且其二阶导数为连续函数；

2)在曲线c上等间隔取n个点，这些点的坐标为：

yi＝c(xi)，(i＝1,2,…，n)，

其中x＝0时的点为第一个点，最后一个点为第n个点；

3)将第奇数个点向上移动一个偏移量du，这些奇数点的坐标为：

yi_1＝c(x)+du1；

将第偶数个点向下移动相同的偏移量du，这些偶数点的坐标为：

yi_2＝c(x)-du2；

经过位移的这些点的新坐标函数为yi＝cj(x)，其中yi为第i个点的纵坐标；

4)用平滑连接方式逐段连接各点，形成新曲线y＝cj(x)，即c1或/和c2。

优先的，所述步骤4)中，一种平滑连接的方式为，任意一个点的前段连接的曲线导数与后段连接的曲线导数相等。

优先的，所述曲线y＝cj(x)的二阶导数在xi处不连续。

优先的，当c1为y＝cj(x)时，c1上任意点与坐标原点的直线，与y轴的夹角为α1，与原点的距离为r1，则，在α1＜π/3的范围内，r1随α1单调递减。

优先的，当c2为y＝cj(x)时，c2上任意点与坐标原点的直线，与y轴的夹角为α2，与原点的距离为r2，则，在α2＜π/3的范围内，r2随α2单调递减。

优先的，若透镜折射率为n，则相对于α2的增量δα2的r2的增量δr2，有如下关系：

优先的，所述步骤4)中，所述平滑连接方式，为余弦拟合连接、多项式拟合连接或b-spline拟合连接。

优先的，du1和du2的绝对值与c2最后一个点的横坐标xn的比值，均不大于0.001。

优先的，du1＝du2＞0。

优先的，du1＝du2＜0。

优选的，n大于10。

本发明的原理为：

图1a和图1b解释了直下式背光透镜形成色空间分布不一致的原因，图中方形部分为蓝光led芯片，圆形部分为黄色荧光粉：由于白光led由芯片和荧光粉组成，在现有技术中，大多采用3030或3528或2835等圆形发光面的封装形态进行封装，蓝光的等效发光面是led芯片的发光面；而荧光粉涂层面积是一大于芯片发光面的圆形发光面。

如图2a和图2b，1mm发光面和一个2.5mm发光面的朗伯发光体经过同一个扩散性光学系统后在被照面上的照度分布图，可以看到，这两个照度分布是明显不同的，这就是说明这两个光斑在叠加的时候，一定会出现有的地方偏蓝有的地方偏黄的问题。

如图3a和图3b，同为2.5mm圆形发光面光强分布不同的两种光源经过同一个扩散性光学系统后在被照面上的照度分布图；其中一种光强分布是led器件中黄光的分布，另一种是led器件中蓝光部分的光强分布。我们发现，两个照度分布图差异较小。由此可见，相对于蓝光和黄光光强分布的不同，led芯片和发光面的尺度差异才是造成被照面色空间分布不均匀的主要原因。

本发明的主要原理在于，首先设计和优化一个能够实现均匀照明分布的光斑的透镜内曲面和外曲面。内曲面和外曲面是平滑的，其二阶导数是连续的。对于屏幕上的某一个位置，黄光和蓝光形成光束所覆盖的透镜出光面的范围是不同的，在某些位置有较大差别。通过本发明的技术方案，将外曲面在原有曲线的斜率分布上进行震荡，可以改变原有黄光和蓝光形成的光束覆盖范围，其特征在于，蓝光的范围会较为明显的向两端扩大；而黄光(大面积光源)的范围也会扩大，但扩大幅度不及小光源。原理是，通过震荡的结构形成了凸凹相间的微结构，这种微结构通过对黄光和蓝光成二次像，再从二次像位置发射。从光路上看，重新发射的光线由于成像位置远，黄光和蓝光的覆盖范围就会变小。最终这样的结果是，在原有透镜轮廓线斜率值周期性调制的光学曲面，可以降低光束覆盖范围对于发光光源尺寸的敏感性，从而改善颜色空间分布。

在原连续曲线(母线)的基础上，通过周期性地调整曲面每点斜率差值，可以实现上述功能；同时，在已经能够实现较大光斑的情况下使用这种曲面斜率调制，且保证这种斜率的调整足够微小，可以避免光斑尺寸、大小和均匀性不会有太大变化，且能够很好地实现局部色斑的改善。图4a和图4b分别为改善前后的照度分布图；图5a和图5b分别为改善前后的色差分布图。从二者的比较可以看出，本发明的方案降低了原有图4a的照度分布的“亮环”即照度突变的情况下，同时也获得了更加均匀的色差分布。图4a为使用平滑曲线的照度分布，图4b为使用本发明的照度分布，后者的光斑火毒更均匀，环状的结构更少。图5a为使用平滑曲线的色差分布，图5b为使用本发明的色差分布，后者的色均匀性也有所改善。

附图说明

图1a为现有技术中蓝光led芯片和黄色荧光粉形成的白光器件组合的仰视图

图1b为图1a的侧视光路图

图2a为1mm尺寸光源经过透镜后形成的照度分布图

图2b为2.5mm尺寸光源经过透镜后形成的照度分布图

图3a为2.5mm尺寸光源中的黄光照度分布图

图3b为2.5mm尺寸光源中的蓝光照度分布图

图4a为现有技术透镜的照度分布图

图4b为本发明透镜的照度分布图

图5a为现有技术透镜的色差分布图

图5b为本发明透镜的色差分布图

图6为本发明透镜的截面曲线图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图6所示，本实施例一种具有非平滑曲线的直下式背光透镜，该透镜为旋转对称体，该透镜包括底面、入射面和出射面，光线自入射面射入透镜内，自出射面射出透明外；该旋转对称体的对称轴为光轴z，穿过z轴的截面沿z轴的一侧与入射面的相交线为入射曲线c1，与出射面的相交线为出射曲线c2；以z轴为y轴建立直角坐标系，x轴位于截面上，则c1和c2中至少有一条曲线是按以下方式生成：

1)给定一平滑曲线c,该曲线c满足函数y＝c(x)，且其二阶导数为连续函数；

2)在曲线c上等间隔取n个点，这些点的坐标为：

yi＝c(xi)，(i＝1,2,…，n)，

其中x＝0时的点为第一个点，最后一个点为第n个点；

3)将第奇数个点向上移动一个偏移量du，这些奇数点的坐标为：

yi_1＝c(x)+du1；

将第偶数个点向下移动相同的偏移量du，这些偶数点的坐标为：

yi_2＝c(x)-du2；

经过位移的这些点的新坐标函数为yi＝cj(x)，其中yi为第i个点的纵坐标；

4)用平滑连接方式逐段连接各点，形成新曲线y＝cj(x)，即c1或/和c2。

透镜的曲线如图6所示，深黑色曲线为原平滑曲线，相对浅灰色的曲线为改进后的透镜曲线；原深黑色平滑曲线被多个点分割为若干段，改进后的相对浅灰色曲线绕于深黑色线段之间。

所述步骤4)中，一种平滑连接的方式为，任意一个点的前段连接的曲线导数与后段连接的曲线导数相等。

所述曲线y＝cj(x)的二阶导数在xi处不连续。

当c1为y＝cj(x)时，c1上任意点与坐标原点的直线，与y轴的夹角为α1，与原点的距离为r1，则，在α1＜π/3的范围内，r1随α1单调递减。

当c2为y＝cj(x)时，c2上任意点与坐标原点的直线，与y轴的夹角为α2，与原点的距离为r2，则，在α2＜π/3的范围内，r2随α2单调递减。

若透镜折射率为n，则相对于α2的增量δα2的r2的增量δr2，有如下关系：

所述步骤4)中，所述平滑连接方式，为余弦拟合连接、多项式拟合连接或b-spline拟合连接。(b-spline，即b-样条曲线，是现有数学函数的一种。)

du1和du2的绝对值与c2最后一个点的横坐标xn的比值，均不大于0.001。

du1＝du2＞0。

n大于10。

本实施例的原理为：

图1a和图1b解释了直下式背光透镜形成色空间分布不一致的原因，图中方形部分为蓝光led芯片，圆形部分为黄色荧光粉：由于白光led由芯片和荧光粉组成，在现有技术中，大多采用3030或3528或2835等圆形发光面的封装形态进行封装，蓝光的等效发光面是led芯片的发光面；而荧光粉涂层面积是一大于芯片发光面的圆形发光面。

如图2a和图2b，1mm发光面和一个2.5mm发光面的朗伯发光体经过同一个扩散性光学系统后在被照面上的照度分布图，可以看到，这两个照度分布是明显不同的，这就是说明这两个光斑在叠加的时候，一定会出现有的地方偏蓝有的地方偏黄的问题。

如图3a和图3b，同为2.5mm圆形发光面光强分布不同的两种光源经过同一个扩散性光学系统后在被照面上的照度分布图；其中一种光强分布是led器件中黄光的分布，另一种是led器件中蓝光部分的光强分布。我们发现，两个照度分布图差异较小。由此可见，相对于蓝光和黄光光强分布的不同，led芯片和发光面的尺度差异才是造成被照面色空间分布不均匀的主要原因。

本发明的主要原理在于，首先设计和优化一个能够实现均匀照明分布的光斑的透镜内曲面和外曲面。内曲面和外曲面是平滑的，其二阶导数是连续的。对于屏幕上的某一个位置，黄光和蓝光形成光束所覆盖的透镜出光面的范围是不同的，在某些位置有较大差别。通过本发明的技术方案，将外曲面在原有曲线的斜率分布上进行震荡，可以改变原有黄光和蓝光形成的光束覆盖范围，其特征在于，蓝光的范围会较为明显的向两端扩大；而黄光(大面积光源)的范围也会扩大，但扩大幅度不及小光源。原理是，通过震荡的结构形成了凸凹相间的微结构，这种微结构通过对黄光和蓝光成二次像，再从二次像位置发射。从光路上看，重新发射的光线由于成像位置远，黄光和蓝光的覆盖范围就会变小。最终这样的结果是，在原有透镜轮廓线斜率值周期性调制的光学曲面，可以降低光束覆盖范围对于发光光源尺寸的敏感性，从而改善颜色空间分布。

在原连续曲线(母线)的基础上，通过周期性地调整曲面每点斜率差值，可以实现上述功能；同时，在已经能够实现较大光斑的情况下使用这种曲面斜率调制，且保证这种斜率的调整足够微小，可以避免光斑尺寸、大小和均匀性不会有太大变化，且能够很好地实现局部色斑的改善。图4a和图4b分别为改善前后的照度分布图；图5a和图5b分别为改善前后的色差分布图。从二者的比较可以看出，本发明的方案降低了原有图4a的照度分布的“亮环”即照度突变的情况下，同时也获得了更加均匀的色差分布。图4a为使用平滑曲线的照度分布，图4b为使用本发明的照度分布，后者的光斑火毒更均匀，环状的结构更少。图5a为使用平滑曲线的色差分布，图5b为使用本发明的色差分布，后者的色均匀性也有所改善。

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，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。