[减少直下式LED背光混光距离的LED设计]LED直下式背光透镜
摘 要：由于传统的LED无法实现直下式背光产品的超薄化设计，本文提出了一种在传统LED表面增加大出光角的透镜，经过二次光学处理，增大LED的出光角度，从而改变传统直下式LED背光受质于出光角影响，解决无法实现节能超薄的弊端。
关键字：直下式;LED;郎伯光源;混光距离
1引言
在LED背光模组广泛应用的背景下，直下式LED背光作为一种新生技术，有着越来越广阔的发展前景。但直下式LED背光模组也面临着诸多问题，其主要缺点之一便是与侧入光式LED背光模组相比较，厚度较大。本文提出的方法可以极大减少直下式LED背光混光距离，实现背光模组超薄化设计。
2朗伯光源
朗伯光源：在光度学中，朗伯光源在某一方向上的发光强度 等于该光源发光面垂直方向上的发光强度 乘以方向余弦。其示意图，如图1所示。所以朗伯光源又称为余弦发射体光源。
图1 朗伯光源
3 传统直下式LED背光源
传统直下式LED背光所用LED发光透镜属于一次性光学设计，由于受制于透镜设计空间限制，其辐射角一般符合120度的郎伯分布，即：其光线分布在±60°的立体角内。因此应用传统LED座位直下式LED背光源是，一般就有两方面的考虑：
一方面，是优先考虑背光源的能耗问题，基于此，就要尽量减少LED灯的数量。但是LED灯的颗数减少就会带来一个很重要的问题--容易产生Mura（云纹现象）。所谓云纹现象就是在黑暗的环境中，能看出暗与亮交界的痕迹，有的是竖线状，有的呈斜线，甚至有的呈不规则样的黑一块、白一块。
为了消除Mura现象，就需要增加混光距离，也就是增加LED到扩散板的距离，但这样会导致直下式背光模组很厚。因此，传统的LED用在直下式背光模组中，就使背光看起来很“笨”，不符合消费者的审美观点，也不符合我们的设计初衷。这就要求我们寻求更好的方法来实现设计出即美观又能减少能耗的背光。
另一方面，就是首先考虑背光的美观，即，设计出比较薄的背光。但是这样的代价就是，增加传统LED的数量。这样做的直接后果就是，背光的功耗增加，能效指数降低，并且背光的散热问题突出。因此，这种方法很难设计出良好的直下式背光。
4 出光角与混光距离的关系
图2、图3分别为传统的LED灯和加透镜LED灯的出光角及其混光距离示意图。从这两幅图我们可以看出，传统的LED由于受出光角的限制，要想得到我们所需要的混光效果就必须增大混光距离，使背光模组变的比较厚。而且，其光强随出光角的增加衰减很快，不利于消除Mura；而在传统LED上面盖特殊结构的透镜后，其出光角明显增大，并且其光强随出光角的增加衰减速度明显比传统不带透镜的LED慢，这就使得混光距离得以减小，有利于消除Mura现象，也有利于背光模组的薄型化设计。
总之，出光角越大其对应的混光距离就越小。
图2 普通LED出光角及混光距离示意图
图3 加透镜LED出光角及混光距离示意图
5 改进的直下式LED背光
从上面的叙述，我们可以看出，要想设计出既薄又节能的直下式背光，关键得从LED方面入手。我们必须借助先进的LED设计来改善我们的直下式背光模组现状，本文正是基于此方面提出的方案设计。
5.1 增加LED光出光角设计
由于现有的传统LED出光角比较小（120度的郎伯分布），不适合做超薄型直下式LED背光。我们可以考虑让传统LED的出光角增大，为了达到这个目的，本设计提出了一种可以使LED发出的光发散增加出光角的透镜。
增加出光角的原理：如图2所示，当LED射出的光线在法线的下侧时，折射光线就会向下偏转，即：光会发散。基于这个想法，我们考虑可以把透镜的内表面设计成一个锥形面。而这个锥形面的顶角在一定范围的情况下，可以使LED发出的光线完全散射。经过我们研究发现，当顶角A小于LED出光角时，LED发出的光线绝大部分会发散。如果LED得出光角为±60°，则A就可以取在（0°～60°）。然后把透镜的外轮廓做成半径比较大的圆弧状，使圆弧上每一点的出射光线都能相对入射光线向下偏转，即：光从介质出来的时候也会发散。光线进入透镜和穿出透镜两次发散，使普通LED的出光角大大增加。
5.2 背光设计
把上面提到的新型LED应用到我们的直下式背光模组中，按照图5所示进行排列。这种方式的背光有诸多优点：增加光利用率，减小LED颗数，降低LED背光模组功耗并减少直下式背光混光距离，实现背光超薄化设计
图6为普通LED与透镜式LED在直下式背光中混光距离比较图。P为LED与LED间距，若此尺寸为1，则L1（带透镜式LED的背光混光距离）为0.33，L2（普通LED背光混光距离）为1.1。通过比较可以看出应用带透镜的LED灯可以使直下式背光减薄为原来的 。
图8 带透镜LED排列整体效果图
图9 普通LED与透镜式LED混光距离比较图
6 结论
通过在LED外面加特殊透镜的形式，可使指向性强的LED光束进行扩散、并使照度均一化，在混光距离（LED灯条表面到扩散板距离）一定的情况下，应用此透镜式LED可将LED的使用量删减80%以上。相邻LED经过间距调整，通过光线的叠加，获得最优的混光效果，消除mura现象，实现直下式LED背光的超薄化设计。
参考文献
【1】 潘君骅．光学非球面的设计、加工与检测[J]．科学出版社．1994：1-5．