一種新型勻光直下式led背光照明用配光透鏡的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及背光照明技術領域，具體指一種新型勻光直下式LED背光照明用配光 透鏡。
【背景技術】
[0002] 現在液晶電視用的LED背光照明以及LED面板燈等的背光照明方式和照明結構通 常有兩種：一種為將多顆LED放置在導光板的側面（LED光軸與導光板側面基本垂直），LED 發出的光線經過導光板側面進入到導光板中，在導光板中發生多次全反射和折射后，最終 所有的光線經導光板的正面透射出來，通過精確控制導光板反射與折射的比例，可以在導 光板正面形成均勻的出光面；這種方式常稱之為側入式照明方式。
[0003] 另外一種是將多顆LED光源放置在擴散板背面（本方法中LED光軸與擴散板背面 基本垂直），為了將LED發出的光線均勻的照射在擴散板背面，需要在每個LED與擴散板之 間放置一個二次配光透鏡，配光透鏡將LED發出的光線進行二次分配后，均勻的照射在擴 散板的背面；這樣光線經過擴散板背面進入到擴散板內部再一次擴散，從擴散板的正面出 射出來，可以在擴散板正面形成均勻的出光面，這種方式常稱之為直下式照明方式。
[0004] 上述兩種照明方式相比較，形成同樣的出光面積，側入式的光線行進路徑遠大于 直下式，側入式的出光效率低下，所以采用側入式的照明方式其能耗高、成本高。
[0005] 近年來隨著顯示器（例如平板電視顯示器）用的LED背光照明以及LED面板燈等 的產品的進一步應用和推廣。對對應產品的節能要求和成本控制的需求也越來迫切；這樣 的背景下效率較低的傳統側入式照明方式逐步在被直下式照明方式取代。
[0006] 目前LED直下式背光照明的發展趨勢為：在盡量增大LED之間的間距（主要是為 了在同樣的面積內減少LED數量）的前提下縮小從LED光源到擴散板的厚度（主要是為了 減小系統體積），同時還要保證照射的均勻性。這對配光透鏡提出了更高的要求。
[0007] 現有技術中，為了增大LED之間的間距，同時壓縮LED與擴散板之間的距離，如圖 1所示，有的直下式系統采用反射式透鏡對LED發出的光線進行二次分配，讓相當部分的 LED110發出的光線120通過透鏡130反射到系統內腔上的反光層140上，然后再反射到擴 散板上150。這種照明方式雖然可以減小空間高度，但是對反光層的特性依賴較大，同時對 透鏡的面型精度及安裝精度以及反光層的平整層度等要求較高，因此較難實現均勻照明。
[0008] 現在也有的直下式系統采用折射式透鏡對LED發出的光線進行二次分配，但很難 在LED之間間隔距離大且LED與擴散板之間距離小的情況下實現均勻照明。
[0009] 如圖2所示，造成照明不均勻的原因之一是透鏡220入射面221與出射面223的面 形比較簡單，有的透鏡的入射面及出射面采用多球面拼接而成，有的采用簡單的圓錐曲面， 這使得LED光源發出的光線難以按照背光照明的需求在大角度范圍內進行有效的分配。
[0010] 另一個重要原因是光線在不同介質中傳播時，光線通過界面時總是會存在著菲涅 爾界面反射，而且入射角度越大的菲涅爾界面反射效應越明顯。通常從光疏介質到光密介 質傳播時，入射角大于60°后其菲涅爾界面反射率將隨著入射角的增加而上升；而從光密 介質到光疏介質傳輸時菲涅爾界面反射則更加顯著，入射角大于30°后其菲涅爾界面反 射率將隨著入射角的增加而急劇上升。
[0011] 從LED光源發出的光線經過入射面的折射后進入透鏡本體，達到出射面時部分光 線經出射面折射出去，而另外部分光線被界面反射到透鏡內部，這部分反射光線經過透鏡 底面或者系統內腔反射面等多個面的多次反射與折射后，會在LED上方靠中間部分區域形 成光線（能量）的集聚，嚴重影響了透鏡出射光場的均勻性。
[0012] 參考圖2中，由位于入射面下方的LED光源210發出進入透鏡220的光線231在 到達出射面223時會進行分離，成為折射光線232和菲涅爾反射光線233。通常折射光線 232會攜帶大部分能量直接射到擴散板250,而菲涅爾反射光線233則會攜帶少部分能量反 射回透鏡內部，然后經透鏡本體底部222或透鏡本體底部下的物體反射后形成二次反射光 線234,當二次反射光線234再次碰到出射面223時折射出透鏡成為光線235,光線235行 進一段路程后到達擴散板250。由光線行進路線可以看出光線235會在LED210上方靠中間 部分區域集聚。由于光線231在到達出射面223時是由光密介質進入光疏介質，因此菲涅 爾界面反射效應較為明顯，存在較高的反射率，因此由于菲涅爾界面反射而造成的LED210 上方靠中間部分區域光線（能量）集聚的現象較為顯著，最終影響到背光照明的均勻性。
【發明內容】
[0013] 為了克服現有技術中背光透鏡中心附近小角度光線堆積的問題，本發明提供一種 新型勻光直下式LED背光照明用配光透鏡，能夠減少由于菲涅爾界面反射所引起的出射光 線在中心光場的堆積，合理分布出射光線，在實現同樣照明效果的前提下可以減少LED背 光面板上的LED光源的使用數量同時還可以實現縮小從LED光源到擴散板的厚度，減小系 統的體積。
[0014] 為了實現上述技術效果，本發明采取如下技術方案：一種新型勻光直下式LED背 光照明用配光透鏡，包括透鏡本體，其中所述透鏡本體包括出射面、入射面和底部復合面； 所述底部復合面位于所述透鏡本體的底部，靠近透鏡本體中心軸的一側與所述入射面底部 相連；所述入射面位于所述透鏡本體的底部中心，向透鏡本體頂部方向凹陷；
[0015]所述底部復合面的包含至少一個子復合面，當所述子復合面沿過透鏡本體中心軸 方向剖開時，子復合面的剖面線上任意一點在剖面內的法線與所述透鏡本體的中心軸相交 于透鏡本體的下方；所述子復合面將所述出射面反射回來的菲涅爾界面反射光線向著偏離 所述透鏡本體中心軸的方向反射出去。
[0016] 使用時，LED出光面與所述入射面的底部齊平或者高于所述入射面的底部。使用 時，LED光源所發出的光線，全部經過入射面的折射作用后進入所述透鏡本體。
[0017]進一步的，所述底部復合面靠近透鏡本體中心軸的一側可以設置有一個過渡面， 并通過所述過渡面與所述入射面底部相連。
[0018] 進一步的，所述過渡面的剖面線靠近子復合面的一端距離透鏡本體底部的高度大 于入射面的底部到透鏡本體底部的高度。這樣過渡面相對于透鏡本體，呈現一個整個向下 凹陷的形狀，而且將入射面的底面下拉，可以更好的收集LED光源所發出的光，因為在現階 段LED芯片的高度一般很低，入射面的底面下拉的設計，可以更好的保證LED所發出的光線 全部通過入射面而進入透鏡本體，避免了光能量損失；不僅如此，過渡面的剖面線靠近子復 合面的一端距離透鏡本體底部的高度大于入射面的底部到透鏡本體底部的高度的設計也 為子復合面的設置預留了足夠的空間。
[0019] 本發明中透鏡本體的底部復合面包括子復合面，子復合面為環狀，總體呈向透鏡 本體的頂部方向突起的角度，將經所述出射面所反射的菲涅爾界面反射光線向偏離透鏡 本體中心軸的方向反射出去，這樣有效的降低了由于菲涅爾界面反射光線所引起的中心小 角度光線的堆積，增加了偏離透鏡中心的光場的強度，整體上提高了-90°到90°出射光 場的勾光性。
[0020] 進一步的，所述底部復合面包含至少兩個子復合面，所述子復合面之間通過非工 作面相連；所述底部復合面的子復合面和非工作面構成鋸齒狀環帶；所述子復合面的剖面 線長度大于與其相鄰的非工作面的剖面線長度。所述底部復合面，沿過所述透鏡本體中心 軸的剖面，所剖開形成的剖面線為鋸齒狀；每個鋸齒包含所述非工作面與相鄰的子復合面 的剖面線；本鋸齒結構，可以節約空間，可以在較小的底部空間內，很好的解決子復合面的 設置問題，減小透鏡的厚度，壓縮透鏡的體積，很好的實現了將菲涅爾界面反射光線朝著偏 離透鏡本體中心軸的方向反射出去的技術效果。
[0021] 作為一種優選，所述非工作面與透鏡底面的夾角為75°到90°之間；在上述角度 范圍內形成的鋸齒環可以最大程度的保證子復合面的有效面積，同時也方便了透鏡本體生 產過程中的脫模。
[0022] 作為一種優選，所述底部復合面的鋸齒狀剖面線的鋸齒根部位于同一條直線上， 這種鋸齒根部在相同直線的設計結構簡單，方便加工和生產制造，降低了生產成本。
[0023] 進一步的，所述底部復合面鋸齒狀線上的鋸齒根部位于同一直線之上，該直線與 透鏡本體的中心軸垂直；即所述透鏡本體底部復合面，的子復合面根部位于透鏡本體底部 的同一平面內，這樣的結構設計結構簡單，方便加工和生產制造，降低了生產成本。
[0024] 做為一種優選，所述底部復合面鋸齒狀剖面線上的鋸齒根部位于同一直線上，該 直線與所述透鏡本體的中心軸相傾斜，且與所述透鏡本體的中心軸相交于所述透鏡本體的 底部上方；這樣，相當于將所有鋸齒面位于一個大的傾斜面上，能夠更好的實現將經過從 出射面反射回來的菲涅爾界面反射光線向偏離透鏡本體中心軸的方向反射出去的效果。
[0025] 作為一種優選，所述底部復合面鋸齒狀剖面線上的鋸齒根部位于一個向透鏡本體 頂部凹陷的曲線上；所述曲線上每一點的法線與所述透鏡本體的中心軸相交于所述透鏡本 體的下方；這樣每一個鋸齒之間有一個漸變的傾斜角度，可以更好的保證經鋸齒反射出去 光線的勻光性，同時也有利于提高大角度光線的強度。
[0026] 作為一種優選，所述子復合面剖面線為直線；這樣的子復合面相當于一個圓錐面， 結構簡單，便于制作。
[0027] 作為一種優選，所述子復合面剖面線為曲線，曲線的設計可以根據反射帶的位置， 靈活調節子復合面與所述透鏡本體底面的夾角，以達到最優的出光效果。
[0028] 進一步，所述子復合面與所述透鏡本體底面的傾斜角度相同；相同的傾斜角度，方 便加工制作，減低生產成本。