王 一 皓， 張 云 翠， 謝 蓄 芬， 李 元 旗

( 大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

LED為朗伯型光源，出射的光斑大多為圓形，圓形光斑常常不能滿足實(shí)際生產(chǎn)生活中光源陣列化排布時(shí)接收面的照度均勻度的需求。采用二次光學(xué)設(shè)計(jì)可以調(diào)整LED光源發(fā)出的光線的傳播方向，使光線具有特殊的出射角度，或者具有特定的光斑形狀并滿足相應(yīng)的照明標(biāo)準(zhǔn)，例如路燈、顯示屏照明等[1-5]。本設(shè)計(jì)提出了一種應(yīng)用迭代解法來獲得同步多曲面3D技術(shù)的函數(shù)關(guān)系式最優(yōu)解的方法，并獲得能夠產(chǎn)生高均勻度方形光斑的自由曲面透鏡。由于現(xiàn)有的液晶顯示器多采用產(chǎn)生圓形光斑的光源，陣列化時(shí)存在過填充和欠填充現(xiàn)象，造成接收面照度均勻度較差。本設(shè)計(jì)結(jié)合液晶顯示屏的相關(guān)規(guī)范[6]，提出一種應(yīng)用產(chǎn)生方形光斑的自由曲面透鏡的直下式LED背光光學(xué)系統(tǒng)，提高光學(xué)系統(tǒng)的照度均勻度。

1 產(chǎn)生方形光斑自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法

產(chǎn)生方形光斑的自由曲面透鏡中的光束采用同步多曲面3D技術(shù)進(jìn)行控制，引入的評價(jià)函數(shù)定義多個(gè)變量，能夠更好地控制光源發(fā)出的光線，提出使用迭代解法來獲得評價(jià)函數(shù)的局部最優(yōu)解。

根據(jù)方形光斑形狀的需求，在透鏡的設(shè)計(jì)中選取3條關(guān)鍵曲線，分別是基底輪廓線、橫向母線和對角線母線，如圖1所示?；纵喞€控制光線的光型；橫向母線控制光斑橫向照射范圍及照度分布；對角線母線主要控制對角線方向及附近區(qū)域的光線照射范圍及照度分布等。

圖1 特征曲線示意圖Fig.1 The schematic diagram of characteristic curve

定義光線出射方向θ和傳播距離r為變量并進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 透鏡變量分析Fig.2 Variable analysis of lens

通過分析引入特征函數(shù)式。

(1)

通過式(1)迭代解得透鏡的母線并擬合得到產(chǎn)生方形光斑的自由曲面透鏡，如圖3所示。

圖3 透鏡模型圖Fig.3 Lens model diagram

2 Tracepro仿真及分析

利用Tracepro對自由曲面透鏡進(jìn)行仿真。

設(shè)置透鏡材料為PMMA，光源發(fā)射形式為光通量，接收面距透鏡距離為50 mm，得到的輻照度如圖4所示。

圖4 透鏡照度圖Fig.4 Illuminance diagram of lens

使用九點(diǎn)法進(jìn)行采樣[7]，將整個(gè)照明區(qū)域進(jìn)行劃分，得到9個(gè)區(qū)域，如圖5所示。

圖5 九點(diǎn)法采樣Fig.5 Nine point sampling method

設(shè)置每個(gè)區(qū)域的中心點(diǎn)為采樣點(diǎn)，將采樣點(diǎn)編號為E0～E8，Ea為E0～E8的平均值。

(2)

光斑的照度均勻度為N。

N=[1-(max |Ei-Ea|/Ea)]×100%

(3)

使用九點(diǎn)法對方形光斑的照度均勻度進(jìn)行分析，得到的輻照度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)Tab.1 Data of sampling point W/m2

將表1中的數(shù)據(jù)帶入式(2)、式(3)得Ea=835 W/m2，N=0.78。

3 方形光斑自由曲面透鏡在直下式LED背光光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用

選擇42寸顯示屏，尺寸為92.98 cm×53.30 cm，其對角線長107.21 cm，機(jī)身厚度5 cm[8]。因所用產(chǎn)生方形光斑的自由曲面透鏡全出光角度為120°，選擇12×7的布燈方式，如圖6所示。

圖6 布燈圖Fig.6 The arrangement of lamps

在DIALux中進(jìn)行仿真，添加方形光斑的IES為燈具文件，光源參數(shù)如圖7所示。

圖7 光源參數(shù)Fig.7 The parameters of light source

接收面照度均勻度如圖8所示。根據(jù)圖8可知，平均照度為23 310 lx，最小照度為17 573 lx，最大照度為25 854 lx，照度均勻度為0.754。

圖8 接收面等照度圖Fig.8 Diagram of illuminance evenness

4 結(jié) 論

產(chǎn)生高均勻度方形光斑的自由曲面透鏡采用迭代解法對同步多曲面3D技術(shù)的評價(jià)函數(shù)進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，獲得了較好光型。在直下式LED背光光學(xué)系統(tǒng)上的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)圓形光斑存在過填充和欠填充的問題，獲得了較好的照度均勻度。