LCD-TV用直下式LED背光源的光学设计

三基色LED背光源是成就高品质液晶显示器的关键技术之一,其色域是传统CCFL背光源的150%以上。其中直下式背光源具有结构简单、光利用率高的特点,是目前大尺寸液晶显示背光源的首选,但是由于没有导光板,直下式背光源的光均匀性变得较差。通过对LED光场分布的模拟和分析,得出了一种新型LED光场分布设计,对由此光场分布的三基色LED组成的66cm(26in)背光源模拟表明,该背光源在未加扩散膜前,灯箱厚度为20～28mm时,亮度均匀度大于83%,ΔU′V′值在0.01左右;加上扩散膜之后,灯箱厚度为20mm时,均匀度可达到89.58%,ΔU′V′值达到0.0041。     

背光模组LED侧照明微棱镜膜的研究

在液晶显示器背光模组LED侧照明中,为了减小近光源处明暗相间非混光区对导光板有效均匀照明面积的影响,对导光板入光面处微结构进行研究。设计了一种具有阵列棱镜结构的微棱镜膜,在不改变LED与入光面距离以及相邻LED间距的前提下,将其贴附于导光板的入光面处。试验结果表明:当棱镜顶角为105°时,入射光线的出射角度最大,微棱镜膜的散光作用可以将非混光区的宽度由原来4mm减缩至2mm。有效地增加了近光源处混光区域的面积,对于LED侧照明式背光模组入光面微结构的设计有一定的指导意义。     

圆锥反光面与抛物面反光面组成的边发射型LED及其在LCD背光源中的应用

设计了一种边发射型的白光LED封装结构,通过全反射和反光镜的反射使LED发出的光由两侧出射,并且可以通过调节锥形反光镜的锥顶角来控制光强角分布中峰值的位置.利用光路追迹软件对所设计的结构进行模拟,并将所设计的边发射型LED用于直下式背光源中.通过对模拟结果的分析,当背光源灯箱大小为228 mm×150 mm,灯箱厚度在20～30 mm时,均匀度可以达到85%以上.利用具有表面布点的导光板结构,使侧向出射的光线经过导光板底面的锥形网点时,经历一次折射和一次全反射.这样将侧向出射的光线导向正向出射,提高了背光源正向的亮度.     

基于无缝平凹透镜阵列的LCD背光模组设计

针对大尺寸LCD直下式背光模组的均匀性问题提出了一种无缝平凹透镜阵列,用以代替常用的扩散膜。模拟了106.68mm(42in)LED背光源的光学分布,得到了合适的透镜半径、结构以及LED阵列间距,分析了平凹透镜阵列半径和平凹透镜阵列与光源的相对位置对匀光作用的影响。结果表明:半径为1mm、厚度为2mm的无缝平凹透镜阵列较好地起到了匀光的效果,接收面的照度均匀性为88.61%。     

基于LED的直下式动态LCD背光源

对液晶显示来说,与静态背光源相比, 直下式动态背光源具有多种优点.提出了一种基于LED的直下式动态背光源结构,将单个LED发出的光投射区域限制在散光膜的单一区域,即每个LED只负责液晶部分区域的背光照明.基于该结构,对240 mm×180 mm尺寸的背光源仿真结果进行了理论分析,结果表明其亮度均匀度达到93.1%,ΔU′V′小至0.003 545,完全满足背光源应用要求.     

侧入式无导光板LED平板灯设计

针对侧入式LED平板灯出光效率低、导光板(LGP)制造成本高、设计流程繁琐等缺点设计了一种无导光板的LED平板灯。利用复合抛物面反光杯(CPC)将LED阵列发出的光束汇聚并投射在出光面板上,并通过掠射和叠加的方法实现了出光面板的照度均匀性。进一步采用Taguchi实验方法进行设计,并借助Tracepro软件仿真分析,将影响该灯具最大照度和照度均匀度的因子进行研究与分析,同时运用ANOVA理论分析出因子对品质的影响程度,进而优化灯具的各项结构参数,设计出一款均匀度95.87%、最大照度39 870 lx无导光板LED平板灯。结果表明:该平板灯的效果达到甚至超过目前市面上的LED平板灯,并且其无导光板的设计可以在很大程度上降低LED平板灯的生产成本;此外,将Taguchi方法引入平板灯的设计简化了设计流程。     

低功耗液晶电视LED背光源设计

通过合理选材并优化机械结构,设计了一款低功耗的118cm(47in)LED背光源。对膜材进行筛选,采用1层扩散膜、2层棱镜膜和1层双层增亮膜(DBEF)进行搭配,保证了背光源的亮度。根据试验确定了LED之间的距离、LED发光面到导光板(LGP)入光面之间的距离和LED发光面与LGP入光面两者的垂直距离。依据上述试验数据进行样品制作并与同类产品对比测试,结果表明:在满足同等光学特性的前提下,所设计的LED背光源具有低功耗的优点。     

直下式LED平板灯的均匀照明设计

针对超薄LED 平板灯导光板价格昂贵以及传统直下 式LED 平板灯厚度厚和LED 数量多等 问题,设 计了新型直下式LED 平板灯。基于边缘光线理论,对光源和目标面进行网格划分并形成映射 关系,由Snell 公式推导出内外自由曲面的微分方程,采用迭代法计算出内外自由曲面数据,设计实现适用 于直下式LED 平板灯的大角度二次光学透镜。研究表明:双自由曲面大角度透镜可实现对LED 150°的大角度配光,其照 度均匀度为0.86,且能量利用率为99.5%。在 不同厚度下,利用大角度二次光学透镜的LED单元阵列距高 比(D/H)约等于3时,目标面上的照度均匀度均达到0.88以上。通过对新型直下式LED平板灯照明效果 进行模拟,结果完全满足国家建筑照明设计标准,且LED的使用数量为相同功率下传统直下 式LED平板灯的30%,减小了20mm的厚度,大 大降低了LED平板灯的生产成本。     

一种导光板网点分布懿计算方法与仿真

导光板网点的分布决定着背光源出光的亮度均匀度。文章通过对导光板中光的传输过程的分析,同时根据LED照度分布,推导出一种网点分布的计算方法,并对仿真结果进行了分析。     

一种带有曲面底板的直下式LED平板灯设计

针对直下式LED平板灯均匀度低且厚度大的缺点,提出了一种带有曲面底板的直下式LED平板灯,采用Taguchi方法设计,并通过TracePro软件进行仿真模拟,对影响直下式LED平板灯照度均匀度和平均照度的参数因子进行分析,并运用ANOVA理论分析出各因子对品质的影响程度,优化各项结构参数,以设计出符合要求的产品,并通过实验对模拟结果进行验证。结果表明:LED芯片排布方式对照度均匀度和平均照度的影响程度都最大,分别有47.4%和50.2%的贡献度。当芯片选择正六边形排布,倾斜角度为30,平板灯无微结构,混光距离为25 mm,得到最优化照明效果。扩散板照度均匀度达到88.3%,与实验结果基本一致,厚度相对于目前直下式平板灯减少37.5%以上。模拟得到的会议室照明效果满足国家建筑照明设计标准,所得结果为设计直下式平板灯提供理论依据。     

基于照度分割反馈法的扩展光源背光源设计

以LED为扩展光源,提出一种基于照度分布分割与反馈的方法为LED设计非常紧凑的光学自由曲面透镜,进而设计实现了大距高比(DHR)的直下式背光源.与子光学面联接构成光学面的过程相对应,总照度分布被分割为子照度分布.通过修正子光学面来调整子照度分布,使得总照度分布足够接近于目标照度分布,所需光学面就被构建出来了.该设计过程不依赖于仿真,简便易行,适用广泛.作为实例,一个非常紧凑(透镜的中心高度与LED尺寸相等)的自由曲面透镜被设计出来,作为直下式背光源的配光透镜.仿真结果表明,背光源照度分布的均匀度达到了0.91,相对标准差(RSD)低至0.020 2,总的光能利用率达到了85.5％.     

高效抑制斜入射光线Fresnel反射的均匀扩散板设计

针对无导光板LED平板灯具设计中常规扩 散板对斜入射光线透过率低的问题,基于几何光 学和Fresnel公式,设计了一种具有高效抑制斜入射光线Fresnel反射的表面微结构扩散板, 并推导了获得 高光传输效率的三棱柱微结构参数计算公式。采用Solidworks软件进行建模,并结合TraceP ro软件对所设计 的扩散板进行光线追迹仿真,分析了扩散板微结构参数对光传输效率和照明面照度均匀度的 影响。结果表 明,入射表面微结构不等腰三棱柱的尺寸和形状、出射表面半凹球面微透镜直径对斜入射光 线传输效率都 有较大影响;参数优化后的扩散板,在距离出光面 1mm处的照明面上的光传输效率为0.92,照度均匀度为 96.8%,并且不同距离照明面上的照度均匀度均能达到80%以上 。根据理论分析得出的优化参数制作扩散板,得到传输效率为0.91。     

实现大范围均匀照明的LED透镜二次光学设计

提出了一种新的、利于实施计算的实现大范围均匀照明的LED灯具透镜设计方法。基于能量守恒定理和光线折射Snell定理,通过Matlab编程计算出自由曲面透镜坐标点。借助CAD软件和光学模拟软件Tracepro,模拟了自由曲面透镜的具体应用,在光源高为3m,接收面直径为10m的圆形照明区域,得到了均匀度达80%以上的照度分布,该设计可以应用在商场、工厂等室内照明灯具上。     

反射式LED二次光学系统研究

为了解决发光二极管(LED)应用于照明时光照不均匀的问题,运用非成像光学和几何光学的基本原理,推导了反射式LED二次光学系统的设计步骤,设计了LED二次光学系统,并对其光照均匀性进行了仿真。针对仿真显示的问题对设计步骤进行了改进,利用改进后的方法重新设计了二次光学系统,并利用光学设计软件对设计的光学系统进行了仿真。结果表明,这种二次光学系统能够达到均匀照明的效果。     

基于菌群算法的飞机铆钉表面缺陷检测系统光源优化控制

由于飞机铆钉缺陷检测系统的光照效果对缺陷检测质量发挥着关键作用,因此本文对其照明系统进行优化。以被测零件背景图像灰度的均匀度为优化目标,在拟合LED点光源照度分布函数的基础上,利用菌群算法对光源系统参数进行寻优运算,根据寻优结果对光源系统进行结构优化同时对各LED点光源进行功率控制,并通过光学元件进一步提高优化效果。实验结果表明:优化后光照均匀度在95%以上,满足铆钉检测的光照要求。该方法实现了照明系统对铆钉顶圆面均匀照射的效果,成像质量显著提高。     

非相干LED白光产生无衍射光的光源设计

非相干光源产生无衍射光束的实验中,入射光束的均匀性对产生无衍射光束的质量有很大影响。文中以非相干光源白光LED为例,通过对LED自身发光特性的分析,对光线传播过程进行数学建模,用非成像光学光通量守恒原理,对均匀照明设计方法进行理论推导,得到了一种基于非成像光学产生均匀光束的透镜设计方法。用三维建模软件进行建模并用光学仿真软件进行光线追迹,确定用该方法设计的透镜能满足实验对入射光束均匀度的要求,并初步实验获得较高质量的零阶无衍射Bessel光,验证了该设计方法的合理性。     

Computer Modeling and Simulation Evaluation of High Power LED Sources for Secondary Optical Design

Proposed and demonstrated is a novel computer modeling method for high power light emitting diodes（LEDs）. It contains geometrical structure and optical property of high power LED as well as LED dies definition with its spatial and angular distribution. Merits and non-merits of traditional modeling methods when applied to high power LEDs based on secondary optical design are discussed. Two commercial high power LEDs are simulated using the proposed computer modeling method. Correlation coefficient is proposed to compare and analyze the simulation results and manufacturing specifications. The source model is precisely demonstrated by obtaining above 99% in correlation coefficient with different surface incident angle intervals.     

基于LED光源的投影LOGO灯设计

根据固体照明LED光源的特点,文中提出了一款基于3.5×3.5 mm朗伯体LED光源的紧凑型投影LOGO灯系统。利用成像设计软件Code V设计一个两片式成像系统,该系统物距为2 900 mm,像距为15 mm,像高为5.792 6 mm。根据光路可逆原理,给该成像系统匹配一个准直度高、均匀度高的光源,在LigtTools软件中设计了一个分级准直透镜组,LED光源经过准直后角度为4.2°,光斑均匀度达到了91.7%。将两个子系统结合在一起,可以在2 900 mm远的接受面投影出菲林的完整清晰的均匀图案,图案直径为1 600 mm。与现有的系统相比,此系统长度短、结构简单、投影图案均匀度高。     

基于分布光度计测试实验的LED二次光学仿真

以LED为研究对象,利用TracePro光学仿真软件和LED分布光度计对其进行光学仿真和光学实验研究,并通过对比验证仿真结果的正确性和仿真方法的可行性。研究结果表明,实验结果和仿真结果吻合,将仿真方法用于LED的光学研究切实可行。利用TracePro对大功率LED的二次光学设计结构进行了仿真,仿真结果表明该LED的二次光学设计结构使LED的光学性能得到了极大的改善,配光效果更理想,光照均匀性更好。