一种led二次透镜和led灯的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种LED二次透镜和LED灯，其中，所述LED二次透镜包括第一透镜和罩设在第一透镜上的第二透镜，所述第一透镜包括底面和位于底面上方的第一外曲面，所述第一透镜的底面的中部向上内凹形成第一内曲面；所述第二透镜包括与第一透镜的第一外曲面接触的第二内曲面和位于第二内曲面上方的第二外曲面，所述第一外曲面和第二外曲面均为中部向下内凹、四周向外凸的曲面。本发明采用双层透镜结构，光线经过二次透镜至少发生三次折射，使入射的光更加分散，避免色差现象和黄斑现象的产生。针对LED发光芯片的发光特点调整第一内曲面、第一外曲面和第二外曲面的曲率，极大的优化了光的亮度和色度的均匀性，提高了背光模组的品质。
【专利说明】—种LED 二次透镜和LED灯
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电领域，具体涉及一种LED 二次透镜和LED灯。
【背景技术】
[0002]直下式背光模组中，LED发光芯片发出的光经二次透镜进行配光，形成均匀的光斑，多个LED发光芯片形成的多个光斑叠加到扩散板上，从而达到直下背光模组对光源亮度和色度均匀性的要求。
[0003]二次透镜与LED发光芯片是两个独立的物体，但又密不可分，其主要功能是将LED发光芯片发出的光的角度汇聚成5°至160°之间的任意想要的角度，形成均匀光斑。二次透镜的材料一般使用光学级PMMA材料或者PC材料；在特殊情况下可选择玻璃，其折射率均大于空气的折射率。
[0004]色散现象是指复色光从一种介质进入到折射率不同的另一介质后，由于另一介质对不同频率的光具有不同的折射率，各种频率的光的传播方向有不同程度的偏折。当复色光通过棱镜时，在传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜时便各自分散，形成光谱。
[0005]现有的直下式LED背光液晶电视多采用在LED发光芯片前加单层二次透镜，通过单层二次透镜对LED发光芯片发出的光进行二次配光，以减少背光模组厚度以及LED发光芯片的使用量，同时满足背光模组对背光源辉度及均匀性的要求。
[0006]常用的白光LED发光芯片使用蓝光芯片激发黄色荧光粉发光，其光线是黄光和蓝光混合形成的白光。蓝光和白光的折射率在二次透镜中是不同的，所以二次透镜出射光形成的光斑会形成有规律的黄色与蓝色区域，黄色区域统称为黄斑，黄斑的出现降低了背光源的亮度和色度的均匀性，严重影响了背光模组的品味。图1为LED发光芯片通过传统二次透镜形成的光斑的亮度示意图，X和Y为表示光斑大小的横坐标和纵坐标，灰色部分为光斑，光斑中灰色越淡表示亮度越高。由图1可知，传统二次透镜形成的光斑亮度均匀性不佳，中间部分较亮。图2为LED发光芯片通过传统二次透镜形成的光斑的色度示意图，X和Y为表不光斑大小的横坐标和纵坐标，灰色部分为光斑，光斑中部灰色较淡的区域为黄光集中区，即黄斑，外围灰色较暗的区域为蓝光集中区。由此可知，传统二次透镜形成的光斑色度均匀性不佳，黄斑现象严重。
[0007]LED发光芯片发出的光线传过二次透镜后会根据二次透镜表面的曲率进行折射和全反射，由于不同颜色(频率)的光折射率的差异，会影响光斑的亮度均匀性和色度均匀性。在目前直下式背光模组越来越薄、同时LED发光芯片的颗数越来越少的趋势下，LED发光芯片发出的光通过单层二次透镜入射到扩散板上较易形成“黄斑”和灯影的现象。
[0008]因此，现有技术还有待改进和创新。
【发明内容】
[0009]鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种LED 二次透镜和LED灯，通过所述LED 二次透镜的第一透镜和第二透镜，将光线调整两次，来优化光斑的亮度均匀性和色度均匀性，提高背光模组的品质。
[0010]为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案:
一种LED 二次透镜，包括第一透镜和罩设在第一透镜上的第二透镜，所述第一透镜包括底面和位于底面上方的第一外曲面，所述第一透镜的底面的中部向上内凹形成第一内曲面；所述第二透镜包括与第一透镜的第一外曲面接触的第二内曲面和位于第二内曲面上方的第二外曲面，所述第一外曲面和第二外曲面均为中部向下内凹、四周向外凸的曲面。
[0011]所述的LED 二次透镜中，所述第二内曲面与第一外曲面形状相同且贴合。
[0012]所述的LED 二次透镜中，所述第二透镜的折射率大于第一透镜的折射率，所述第一透镜的折射率大于空气的折射率。
[0013]所述的LED 二次透镜中，所述第二透镜还包括环状底面，所述第二外曲面通过所述环状底面与第二内曲面连接。
[0014]所述的LED 二次透镜中，所述第一透镜的第一内曲面为光的入射面，形状为半椭球面。
[0015]所述的LED 二次透镜中，所述第一透镜的第一内曲面为光的入射面，形状为圆柱面。
[0016]所述的LED 二次透镜中，所述第一透镜还包括与第一透镜的底面垂直的柱状侧面，所述第一外曲面通过所述柱状侧面与第一透镜的底面连接。
所述的LED 二次透镜中，所述第二透镜还包括与第二透镜的环状底面呈预定夹角的斜侧面，所述第二外曲面通过所述斜侧面与第二透镜的环状底面连接。
[0017]所述的LED 二次透镜中，所述第一透镜的第一外曲面和第二透镜的第二外曲面均为自由曲面。
[0018]本发明还提供一种LED灯，所述LED灯包括LED发光芯片和如上所述的LED 二次透镜，所述LED发光芯片装设在所述LED 二次透镜的第一内曲面内。
[0019]相较于现有技术，本发明提供的LED 二次透镜和LED灯，采用第一透镜和第二透镜叠加的双层结构，可将光线的路径调整两次，避免了色差现象和黄斑现象的产生；通过第一透镜和第二透镜上的曲面设计，将入射的光更加分散的出射出去，优化了穿过二次透镜的光的亮度和色度的均匀性，提高了背光模组的品质。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为LED发光芯片通过传统二次透镜形成的光斑的亮度示意图。
[0021]图2为LED发光芯片通过传统二次透镜形成的光斑的色度示意图。
[0022]图3为本发明LED 二次透镜的第一较佳实施例的剖视图。
[0023]图4为本发明LED 二次透镜的第一较佳实施例的光路示意图。
[0024]图5为本发明LED 二次透镜的第二较佳实施例的剖视图。
[0025]图6为本发明LED 二次透镜的第二较佳实施例的光路示意图。
[0026]图7为LED发光芯片通过本发明提供的二次透镜形成的光斑的亮度示意图。
[0027]图8为LED发光芯片通过本发明提供的二次透镜形成的光斑的色度示意图。
【具体实施方式】
[0028]本发明提供一种LED 二次透镜和LED灯，通过设置第一透镜和罩设在第一透镜上的第二透镜，可将入射进来的光线的方向调整两次，增强了二次透镜的调光能力，优化了光斑的亮度均匀性和色度均匀性。
[0029]为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0030]请参阅图3，本发明提供的LED 二次透镜，包括第一透镜10和罩设在第一透镜10上的第二透镜20，所述第一透镜10包括底面110和位于底面110上方的第一外曲面120，所述第一透镜10的底面110的中部向上内凹形成第一内曲面111 ;所述第二透镜20包括与第一透镜10的第一外曲面120接触的第二内曲面210和位于第二内曲面210上方的第二外曲面220，所述第一外曲面120和第二外曲面220均为中部向下内凹、四周向外凸的曲面。
[0031]本发明通过将所述第二透镜20罩设在第一透镜10上，可将第一透镜10出射的光再一次的分散，优化了光亮度和色度的均匀性。所述第一内曲面111用于使LED发光芯片发出的光在经过折射后进入第一透镜内。由于LED发光芯片属于类朗伯发光源，中心亮度较高，所以根据LED发光芯片的光型设计的LED 二次透镜的外形，将所述第一外曲面120和第二外曲面220均设计成中部向下内凹、四周向外凸的曲面，有利于将LED发光芯片发出的光折射出更加均匀的光斑。
[0032]本发明提供的LED 二次透镜中，所述第二内曲面210与第一外曲面120形状相同且贴合，在图3中两个曲面重合。第二内曲面210与第一外曲面120采用相同形状的设计，不仅有利于安装和固定第二透镜，亦有利于简化整个LED 二次透镜的光路设计，使设计光路时不需考虑第二内曲面210与第一外曲面120之间的空隙。
[0033]请继续参阅图3，本发明第一较佳实施例所述的LED 二次透镜为折射式透镜，适用于混光距离(LED发光芯片发光面到背光模组的扩散板的距离)大于等于25mm，同时LED发光芯片颗数较少的直下式背光模组中，其通过顶面(第二外曲面)出射光线。所述LED 二次透镜由玻璃或光学树脂制成，优选的，采用光学级PMMA或者PC材料较佳，其主要通过模具进行注塑成型，本实施例需要通过二次注塑成型或者分两次注塑后组合搭配使用。所述第二透镜20的折射率大于第一透镜10的折射率，所述第一透镜10的折射率大于空气的折射率，这样使得从外部入射的光依次经过第一透镜10和第二透镜20折射后，得到最大的发散。
[0034]本发明提供的第一较佳实施例中，所述第一透镜10的底面110除中部向上内凹成第一内曲面111外，其他部分为平面。所述第二透镜20还包括环状底面230，所述第二外曲面220通过所述环状底面230与第二内曲面210连接。所述环状底面230为平面，与第一透镜10的底面110在同一平面上，有利于第二透镜20的安装和固定。
[0035]请继续参阅图3，所述第一透镜10的第一内曲面111为光的入射面，形状为半椭球面，当然也可以是半球面或双曲面，只要能将入射的光线尽量折射发散即可。
[0036]请参阅图4，图中箭头表示LED发光芯片30发出的光束中一条光线通过的路径。所述LED发光芯片30位于第一内曲面111的正下方，所述LED发光芯片30发出的光线经第一内曲面111折射到第一透镜10内部，再经第一外曲面120或第二内曲面210 (第一外曲面120和第二内曲面210紧密贴合)折射到第二透镜20的内部，最后经过第二外曲面220折射到外部背光模组的扩散板上。所述LED发光芯片30是一个面光源，其光线的角度在0°?180°内，不同角度的光线经过LED二次透镜时的路径不同，在此不一一赘述。所述LED发光芯片30发出的光线穿过所述LED 二次透镜的过程中，经过了三次折射，使光线充分的分散，而且LED发光芯片30中心发出的光线分散得更开，使光线最终从LED 二次透镜出射时，汇聚成发光角度在5°至160°之间，亮度和色度均匀的光斑。
[0037]进一步的，所述第一透镜10的第一外曲面120和第二透镜20的第二外曲面220均为自由曲面，其曲率可以自由调整，因此可以通过调整第一外曲面120和第二外曲面220的曲率进行光斑优化，最大限度的提高光斑的亮度和色度的均匀性。在设计LED 二次透镜的各个曲面时，由于曲面为曲线绕LED 二次透镜的竖直中心轴旋转180°而成，因此只需得出各曲线的方程即可。先根据现有的LED发光芯片的发光曲线(发光角度与光强的关系)和第一内曲面111的曲线方程，推导出第一外曲面120的曲线方程，再由第一外曲面120的曲线方程针对性的计算出第二外曲面220的曲线方程。最后将各曲线方程在绘图软件如PRO-E中绘制出来，旋转曲线即可得出LED 二次透镜的基本外形。当然，在实际运用中，还需将设计好的LED 二次透镜进行光学模拟，并根据实际的发光现象微调二次透镜的曲线方程，最后再开模制作二次透镜的实物。
[0038]请参阅图5，本发明第二较佳实施例所述的LED 二次透镜为折反射式透镜，适用于混光距离(LED发光芯片发光面到背光模组扩散板的距离)小于20mm，同时LED发光芯片颗数较少的直下式背光模组中。其中，所述第一透镜10的第一内曲面111为光的入射面，形状为圆柱面，当然也可以是椭球面、半球面或双曲面，只要能将入射的光线尽量折射发散即可。
[0039]所述第一透镜10还包括与第一透镜10的底面110垂直的柱状侧面130，所述第一外曲面120通过所述柱状侧面130与第一透镜10的底面110连接。
所述第二透镜20还包括与第二透镜20的环状底面230呈预定夹角的斜侧面240，所述第二外曲面220通过所述斜侧面240与第二透镜20的环状底面230连接。所述预定夹角为大于0°小于等于90°的区间内的任意一个角度。LED发光芯片发出的光经过所述LED二次透镜后，一部分光通过顶面(第二外曲面220)后出射，一部分光通过所述斜侧面240出射。所述柱状侧面130和斜侧面240可将第一内曲面111折射出的光、第一外曲面120和第二外曲面220全反射出的光再次折射后出射到外部，使光线更加分散，优化LED 二次透镜光斑的亮度和色度均匀性。
[0040]请参阅图6，图中箭头表示LED发光芯片30发出的光束中的四条光线通过的路径。所述LED发光芯片30位于第一内曲面111的正下方，所述LED发光芯片发出的第一光线I经第一内曲面111折射到第一透镜10内部，再经第一外曲面120或第二内曲面210 (第一外曲面120和第二内曲面210紧密贴合)折射到第二透镜20的内部，最后经过第二外曲面220折射到外部背光模组的扩散板上。所述LED发光芯片发出的第二光线2经第一内曲面111折射到第一透镜10内部,然后经第一外曲面120全反射到柱状侧面130，再经柱状侧面130折射到第二透镜20内部，最后经斜侧面240折射到外部背光模组的扩散板上。所述LED发光芯片发出的第三光线3经第一内曲面111折射到第一透镜10内部，然后经第一外曲面120折射到第二透镜20的内部，再由第二外曲面220全反射到斜侧面240，最后经斜侧面240折射到外部背光模组的扩散板上。所述LED发光芯片发出的第四光线4经第一内曲面111折射到第一透镜10内部，再经柱状侧面130折射到第二透镜20的内部，最后经过斜侧面240折射到外部背光模组的扩散板上。光线在LED 二次透镜中传播的路径主要以上述四条为主，当然，LED发光芯片30发出的光线还有其他路径，在此不一一赘述。由此可知，所述LED发光芯片30发出的光线穿过所述LED 二次透镜的过程中，不仅经过了三次折射，而且还经过了第一外曲面或者第二外曲面的全反射，光线传播的方向更加多样，各个方向的光线混合得更加充分和均匀，进一步的优化了出射光线的亮度和色度的均匀性。
[0041]进一步的，所述第一透镜10的第一外曲面120和第二透镜20的第二外曲面220均为自由曲面，其曲率可以自由调整，具体调整和设计过程在上一实施例中已详细阐述，在此不再赘述。
[0042]图7为LED发光芯片通过本发明提供的二次透镜形成的光斑的亮度示意图，X和Y为表示光斑大小的横坐标和纵坐标，灰色部分为光斑，光斑中灰色越淡表示亮度越高。由图7可知，采用本发明提供的二次透镜形成的光斑亮度均匀性佳，较图1所示的光斑有明显改善。图8为LED发光芯片通过本发明提供的二次透镜形成的光斑的色度示意图，X和Y为表示光斑大小的横坐标和纵坐标，灰色部分为光斑，光斑中灰色越淡表示颜色越黄，灰色越暗表示颜色越蓝。由图8可知，采用本发明提供的二次透镜形成的光斑色度均匀性佳，较图2所示的光斑有明显改善。
[0043]请参阅图4和图6，本发明还提供一种LED灯，所述LED灯包括LED发光芯片30和如上所述的LED 二次透镜，所述LED发光芯片30装设在所述LED 二次透镜的第一内曲面内。所述LED灯的详细结构、优化出射光亮度和色度均匀性的原理在上述两个较佳实施例中已详细阐述，在此不再赘述。
[0044]综上所述，本发明提供的LED 二次透镜和LED灯，采用第一透镜和第二透镜叠加的双层结构，可将光线的路径调整两次，避免了色差现象和黄斑现象的产生，避免了单层透镜调整光斑能力不足的问题；通过第一透镜和第二透镜上的曲面设计，将入射的光更加分散的出射出去，优化了穿过二次透镜的光的亮度和色度的均匀性，提高了背光模组的品质。
[0045]可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以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，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种LED 二次透镜，其特征在于，包括第一透镜和罩设在第一透镜上的第二透镜，所述第一透镜包括底面和位于底面上方的第一外曲面，所述第一透镜的底面的中部向上内凹形成第一内曲面；所述第二透镜包括与第一透镜的第一外曲面接触的第二内曲面和位于第二内曲面上方的第二外曲面，所述第一外曲面和第二外曲面均为中部向下内凹、四周向外凸的曲面。
2.根据权利要求1所述的LED二次透镜，其特征在于，所述第二内曲面与第一外曲面形状相同且贴合。
3.根据权利要求1或2所述的LED二次透镜，其特征在于，所述第二透镜的折射率大于第一透镜的折射率，所述第一透镜的折射率大于空气的折射率。
4.根据权利要求3所述的LED二次透镜，其特征在于，所述第二透镜还包括环状底面，所述第二外曲面通过所述环状底面与第二内曲面连接。
5.根据权利要求1所述的LED二次透镜，其特征在于，所述第一透镜的第一内曲面为光的入射面，形状为半椭球面。
6.根据权利要求1所述的LED二次透镜，其特征在于，所述第一透镜的第一内曲面为光的入射面，形状为圆柱面。
7.根据权利要求4所述的LED二次透镜，其特征在于，所述第一透镜还包括与第一透镜的底面垂直的柱状侧面，所述第一外曲面通过所述柱状侧面与第一透镜的底面连接。
8.根据权利要求7所述的LED二次透镜，其特征在于，所述第二透镜还包括与第二透镜的环状底面呈预定夹角的斜侧面，所述第二外曲面通过所述斜侧面与第二透镜的环状底面连接。
9.根据权利要求1或8所述的LED二次透镜，其特征在于，所述第一透镜的第一外曲面和第二透镜的第二外曲面均为自由曲面。
10.一种LED灯，其特征在于，所述LED灯包括LED发光芯片和如权利要求1_9任意一项所述的LED 二次透镜，所述LED发光芯片装设在所述LED 二次透镜的第一内曲面内。
【文档编号】F21Y101/02GK104373897SQ201410681761
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】孟长军 申请人:创维液晶器件(深圳)有限公司