一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法及控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，包括以下步骤：通过仿真软件模拟得到单个扩展光源在目标平面的照度分布，进而拟合得到所述单个扩展光源的照度分布函数；基于照度均匀度判据及LED阵列的目标照度分布，确定基于单个扩展光源的单颗自由曲面透镜的照度分布函数；通过能量映射关系以及上述所得的各照度分布函数，确定所述自由曲面透镜的函数。一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计控制系统，包括：光源照度函数确定模块、透镜照度函数确定模块、透镜函数确定模块。根据本发明专利技术能有效解决大距高比，扩展光源，近场接收面等严苛条件下的照度优化问题，同时还能减小背光模组的厚度以及所用LED芯片的数量，广泛应用于背光领域。

【技术实现步骤摘要】
一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法及控制系统
本专利技术涉及背光领域，具体为实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法。
技术介绍
由于LED具有体积小，响应快，节能环保等优点，因此LED已经成为当今最普遍的光源，被广泛应用在道路照明、汽车大灯和背光显示等方面。LED背光有以下两种方式：直下式背光和侧入式背光。相比较于侧入式背光，直下式背光具有尺寸可调和动态调光的优势。动态背光能有效提高大尺寸液晶显示器的屏幕对比度和能量利用率。直下式背光结构由LED阵列和液晶面板组成。LED阵列的照度均匀性对整个背光模块是非常关键的。大尺寸的超薄LED背光系统能通过LED密集排布实现阵列均匀照明，但这会导致需要大量的LED光源，增大成本和散热等问题。为了用较少的LED实现阵列均匀照明，可以通过增大背光模组的厚度来提高混光距离，从而实现均匀照明，但这与超薄LED背光系统的设计相违背。现有的基于光强度分布的算法，对LED大尺寸超薄背光，在严苛条件下(大距高比，扩展光源，近场接收面)，很难获得均匀的照度分布。当光学透镜中心高度h和LED芯片的直径D的比值h/D小于5时，光源应被当做扩展光源。此时，若仍然基于点光源算法进行设计，扩展光源会使得目标光分布产生较大的偏移，光利用率和照明效果都严重恶化，无法满足基本的照明需求。因此，对于扩展光源，需要通过有效的光学透镜设计来实现超薄LED背光系统的照度均匀性。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于扩展光源的LED阵列均匀照明的透镜设计方法及控制系统。本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术提供一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，包括以下步骤：通过仿真软件模拟得到单个扩展光源在目标平面的照度分布，进而拟合得到所述单个扩展光源的照度分布函数；基于照度均匀度判据及LED阵列的目标照度分布，确定基于单个扩展光源的单颗自由曲面透镜的照度分布函数；通过能量映射关系以及上述所得的各照度分布函数，确定所述自由曲面透镜的函数。作为该技术方案的改进，所述扩展光源的照度分布函数可表示为：E(r)＝a0+a1r+a2r2+…+a10r10，其中，r是所述扩展光源与其在目标平面上的投射点之间的距离，a0,a1,a2…a10均为所述照度分布函数的系数。作为该技术方案的改进，所述通过仿真软件得到的模拟结果包括L个离散点及各点对应的照度值Ei，其中1≦i≤L。作为该技术方案的改进，通过采用最小二乘法计算方差，求得所述方差的最小值，并得到各系数的值，进而拟合确定所述扩展光源的照度分布函数；其中，所述方差可表示为其中E(ri)为i点的拟合目标照度函数。作为该技术方案的改进，所述方法还包括通过引入归一化互相关系数NCC，来确保拟合的准确性；其中，所述归一化互相关系数作为该技术方案的改进，当LED光源个数为P时，所述LED阵列目标照度分布总和E'(x,y)可表示为：其中，E'(rj)表示单个光源时j点的照度，(xj,yj)是第j个LED光源的坐标。作为该技术方案的改进，所述照度均匀度判据包括Sparrow’s判据和进一步地，所述方法还包括划分M×N个能量格子并建立光源与目标平面的能量映射关系。进一步地，其中，每个能量格子的流明功率可表示为进一步地，光源的总流明功率为：另一方面，本专利技术还提供一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计控制系统，包括：光源照度函数确定模块，用于执行步骤通过仿真软件模拟得到单个扩展光源在目标平面的照度分布，进而拟合得到所述单个扩展光源的照度分布函数；透镜照度函数确定模块，用于执行步骤基于照度均匀度判据及LED阵列的目标照度分布，确定基于单个扩展光源的单颗自由曲面透镜的照度分布函数；透镜函数确定模块，用于执行步骤通过能量映射关系以及上述所得的各照度分布函数，确定所述自由曲面透镜的函数。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的一种基于扩展光源的LED阵列均匀照明的透镜设计方法及控制系统，通过求解单个扩展光源的照度分布函数，然后求解单个透镜基于单个扩展光源的照度分布，然后反向求得透镜的曲面设计。本方案基于照度设计算法，把扩展光源因素考虑进去，同时克服现有方法基于光强分布计算照度引入的误差，能更准确、快速的实现LED阵列均匀照明。本专利技术的反向算法是基于照度分布函数，在同时考虑了大距高比、扩展光源、近场接收面的严苛条件下，实现扩展光源的LED阵列均匀照明，同时还能减小背光模组的厚度以及所用LED芯片的数量。本专利技术的算法相较于传统反馈优化算法，具有设计过程简洁，设计效率更高，优化时间更短的优点，并且能实现超大距高比的LED阵列均匀照明，从而能实现更大尺寸的超薄背光，即能减小背光模组的厚度和减少所用LED芯片的数量。除了背光，本专利技术的算法还能帮助制作商在其他应用上节省成本和提高效率，如LED室内照明，商业照明。因此，本专利技术的照度分布函数算法提供了一种更为实际和有效的方法实现均匀照明附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步说明：图1是本专利技术第一实施例的背光模块示意图；图2是本专利技术第二实施例的基于NCC所得的归一化照度分布示意图；图3是本专利技术第三实施例的扩展光源与透镜照度分布示意图；图4是本专利技术第四实施例的透镜截面示意图；图5是本专利技术第五实施例的透镜设计控制系统示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本专利技术提供一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，包括以下步骤：通过仿真软件模拟得到单个扩展光源在目标平面的照度分布，进而拟合得到所述单个扩展光源的照度分布函数；基于照度均匀度判据及LED阵列的目标照度分布，确定基于单个扩展光源的单颗自由曲面透镜的照度分布函数；通过能量映射关系以及上述所得的各照度分布函数，确定所述自由曲面透镜的函数。作为该技术方案的改进，所述扩展光源的照度分布函数可表示为：E(r)＝a0+a1r+a2r2+…+a10r10，其中，r是所述扩展光源与其在目标平面上的投射点之间的距离，a0,a1,a2…a10均为所述照度分布函数的系数。作为该技术方案的改进，所述通过仿真软件得到的模拟结果包括L个离散点及各点对应的照度值Ei，其中1≦i≤L。作为该技术方案的改进，通过采用最小二乘法计算方差，求得所述方差的最小值，并得到各系数的值，进而拟合确定所述扩展光源的照度分布函数；其中，所述方差可表示为其中E(ri)为i点的拟合目标照度函数。作为该技术方案的改进，所述方法还包括通过引入归一化互相关系数NCC，来确保拟合的准确性；其中，所述归一化互相关系数作为该技术方案的改进，当LED光源个数为P时，所述LED阵列目标照度分布总和E'(x,y)可表示为：其中，E'(rj)表示单个光源时j点的照度，(xj,yj)是第j个LED光源的坐标。作为该技术方案的改进，所述照度均匀度判据包括Sparrow’s判据和进一步地，所述方法还包括划分M×N个能量格子并建立光源与目标平面的能量映射关系。进一步地，其中，每个能量格子的流明功率可表示为进一步地，光源的总流明功率为：本专利技术提供一种应用于直下式背光的自由曲面透镜设计算法，该算法能实现LED阵列均匀照明，设计流程主要是以下三步：(1)通过拟合光线追迹的照度参考点来获得单个LED扩展光源的照度分布函数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，包括以下步骤：通过仿真软件模拟得到单个扩展光源在目标平面的照度分布，进而拟合得到所述单个扩展光源的照度分布函数；基于照度均匀度判据及LED阵列的目标照度分布，确定基于单个扩展光源的单颗自由曲面透镜的照度分布函数；通过能量映射关系以及上述所得的各照度分布函数，确定所述自由曲面透镜的函数。

【技术特征摘要】
1.一种实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，包括以下步骤：通过仿真软件模拟得到单个扩展光源在目标平面的照度分布，进而拟合得到所述单个扩展光源的照度分布函数；基于照度均匀度判据及LED阵列的目标照度分布，确定基于单个扩展光源的单颗自由曲面透镜的照度分布函数；通过能量映射关系以及上述所得的各照度分布函数，确定所述自由曲面透镜的函数。2.根据权利要求1所述的实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，所述扩展光源的照度分布函数可表示为：E(r)＝a0+a1r+a2r2+…+a10r10，其中，r是所述扩展光源与其在目标平面上的投射点之间的距离，a0,a1,a2…a10均为所述照度分布函数的系数。3.根据权利要求2所述的实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，所述通过仿真软件得到的模拟结果包括L个离散点及各点对应的照度值Ei，其中1≦i≤L。4.根据权利要求3所述的实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，通过采用最小二乘法计算方差，求得所述方差的最小值，并得到各系数的值，进而拟合确定所述扩展光源的照度分布函数；其中，所述方差可表示为其中E(ri)为i点的拟合目标照度函数。5.根据权利要求4所述的实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，所述方法还包括通过引入归一化互相关系数NCC，来确保拟合的准确性；其中，所述归一化互相关系数6.根据权利要求5所述的实现LED阵列均匀照明的透镜设计方法，其特征在于，当LED光源个数为P时，所述LED阵列目标照度分布总和E'(x,y)可表示为：其中，E'(rj)表示单个光源时j点的照度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王恺，刘胜，赵志力，徐冰，郝俊杰，
申请(专利权)人：广东昭信光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44