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用于液晶像源LED背光的双自由曲面透镜阵列设计

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摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 高亮背光的发展现状

1.3 非成像光学的国内外研究现状

1.4 课题的研究目的和意义

1.5 论文工作内容和章节安排

第二章 液晶像源及LED背光介绍

2.1 液晶像源简介

2.2 LED背光模组简介

2.3 自由曲面设计方法介绍

2.4 本章小结

第三章 双自由曲面透镜设计及仿真

3.1 单个双自由曲面透镜设计及仿真

3.1.1 单个双自由曲面透镜设计原理

3.1.2 单个双自由曲面透镜设计

3.1.3 单个双自由曲面透镜仿真

3.2 双自由曲面透镜阵列仿真分析

3.3 透镜优化设计及仿真

3.3.1 透镜切割方式优化

3.3.2 透镜均匀性优化

3.4 本章小结

第四章 透镜阵列的实测结果及改进分析

4.1 杂散光斑消除方案

4.2 透镜阵列的实测结果及分析

4.2.1 亮度及均匀性测试结果

4.2.2 视角测试结果

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

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摘要

高亮度、低功耗、小体积和轻重量是液晶像源产品的主要发展趋势。现有的液晶像源产品存在光效和亮度不高的问题,无法满足平视显示器的特殊使用要求。发光二极管(LED)已经成为液晶像源中的主流背光源。使用LED作为液晶像源的背光光源时,必须对功率、亮度、体积等进行深入的研究。
  本文对这一问题进行研究,采用了一种计算简易的LED二次光学自由曲面透镜的设计方法,应用了能量守恒定律和Snell定理,建立方程组得到透镜两个自由曲面的面型数据。由此得到单个圆形自由曲面透镜,再经过切割,拼接为满足照明面积的自由曲面透镜阵列。根据仿真结果确定了透镜最优切割方式。针对扩展光源带来的均匀性劣化问题,根据边缘光线理论提出了可以改善均匀性的透镜优化设计方法。针对透镜拼接带来的均匀性问题,提出了基于仿真反馈优化的设计方法,通过修改目标面上的能量分布来改善目标面的均匀性。通过多次优化,获得了亮度和均匀性满足要求的自由曲面透镜阵列。
  根据设计结果加工了透镜阵列并对背光进行了实际测试。为解决杂散光斑问题设计了反射型光阑并加工了实际样品。测试结果表明:反射型光阑有效改善了斜视时的均匀性问题;和传统背光结构相比,采用两层扩散膜和透镜阵列以及光阑后,最高点亮度值可达到429360nit,背光平均亮度提高了179.7%,非均匀性由18.32%降为12.46%,半亮度视角由32°降低到18°。满足液晶像源背光的使用要求。
  采用本论文提出的设计及优化方法得到的双自由曲面透镜阵列用在LED背光模块时,在满足尺寸限制以及LED数量和功率限制的条件下,可达到超高的显示亮度和良好的均匀性。可为其他限制尺寸、需要提高中心亮度的光学系统提供设计思路。

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