基于自由曲面透镜的量子点直下式背光源设计

论文总字数：26165字

摘 要

本文首先介绍了量子点作为光源的优点以及二次配光透镜设计的研究现状，了解到量子点在受到一定能量的光激发后可发出荧光，并且波长和频率可通过改变量子点的尺寸来进行调节，具有颜色可调谐、宽色域、高光学效率等优点，在下一代显示器中具有广阔的应用前景。二次配光设计是在一次光线设计的基础上，对LED光源进行光线的重新分配，主要是对光学元件（透镜、反光杯、微结构层、遮光板等）进行设计，其中自由曲面设计主要有两种设计方法，分别为试错法、数值法。接下来介绍了一些现有的量子点白光LED器件的制备以及封装工艺，制备主要有两大途径，一种是电致量子点白光器件，另一种是基于蓝光LEDs芯片的光致转换器件。封装方式则可以分为3种类型:“芯片封装型”，“光学膜集成型”和“侧管封装型”。为了实现均匀照明，在调研了目前自由曲面设计的基本方法后，我们提出了一种设计思路，并通过MATLAB构造了基于点光源的自由曲面透镜外表面的二维模型，最后通过Lighttools软件进行光线追迹模拟得到相关反馈参数，优化初始透镜设计了适用于扩展光源的透镜，并通过设计透镜阵列实现更大面积更远距离的均匀照明。

关键词： 量子点 自由曲面 均匀照明 透镜阵列

ABSTRACT

At first the article introduced the advantages of quantum dots as a light source and secondary light distribution lens design research status. We know that the quantum dot after inspired by the light of a certain energy can emit fluorescence. And the wavelength and frequency of light ray can be adjusted by changing the size of quantum dots. The quantum dots have the advantages of color tunable, wide color gamut and high optical efficiency, and it has broad application prospects in the next generation of display. Secondary light distribution design redistributes the lights of LED, mainly by designing optical components (lens, reflective cup, microstructure layer, shade, etc.) based on primary light design. Among them free-surface design mainly has two design methods, namely trial and error method and numerical method. In the following part, the preparation and packaging technology of some quantum dots of white light LED devices are introduced. There are two main approaches for the preparation. One is the electroluminescent quantum dot of white light device, the other is the photo conversion device based on blue LEDs chip. Packaging methods can be divided into three types: "on-chip packaging", "on-surface packaging" and "on-edge packaging ". In order to achieve uniform illumination, after learning about the basic method to design in the research of the current free curved surface, we put forward a design idea, and design a two-dimensional model based on point light source of free surface by MATLAB, and then we import the model in the Lighttools and built a light system. By the light ray tracing, we get relevance feedback parameters of light simulation in order to optimizing the initial lens design to make it suitable for the extension of the lens. In the end we design a lens array for more uniform illumination of large area and greater distances.

Keywords: Quantum dots Free-surface Uniform illumination Lens array

目 录

摘要I

AbstractII

第一章 绪论1

1.1 研究背景1

1.1.1 光型可控1

1.1.2 量子点1

1.1.3 背光源2

1.2 二次配光透镜设计的研究现状3

1.2.1 试错法3

1.2.2 数值法4

1.3 本文研究内容以及意义5

第二章 量子点光源设计6

2.1 量子点白光LED器件的制备6

2.2 量子点封装7

2.3 小结8

第三章 LED自由曲面透镜设计9

3.1 引言9

3.2 基于点光源的自由曲面透镜设计10

3.2.1 设计原理10

3.2.2 透镜模拟结果以及分析14

3.3 基于扩展光源的自由曲面透镜设计17

3.3.1 设计原理17

3.3.2 透镜模拟优化流程19

3.3.3 透镜模拟结果以及分析20

3.4 本章小结21

第四章 透镜阵列的设计23

4.1 引言23

4.2 LED阵列实现均匀照明设计23

4.2.1 设计原理23

4.2.2 阵列间距的选择24

4.3 LED阵列结构模拟分析25

第五章 总结和展望29

致谢30

参考文献31

1. 绪论

1.1研究背景

LED已经成为当今最普遍的光源，因为LED具有适用性强、响应快、高效能等优点，广泛应用在室外大功率照明、微型电筒和背光显示等领域。目前高光效、光型可控、高空间颜色均匀度是照明系统三个不可或缺的衡量指标，可以基于这三个方面展开光学设计研究。

1.1.1光型可控

光型可控主要通过二次配光设计来控制，主要是对反光杯与透镜的参数进行调整。但反光杯体积太大，在有些情况下不便于放在设计系统中，而且反光杯对光束的整体控制能力较弱。而透镜可以会聚、发散光束，改变透镜的大小、焦距以及透镜到光源的距离就可以定量改变光线的出射角度，对光束的控制更加灵活。尤其是近几年随着计算机三维建模软件的兴起，数值计算在二次配光设计中有了越来越多的应用，采用根据目标光斑的思路来设计自由曲面透镜的思路越来越多，非圆形光斑的设计也变得简单起来，因此透镜在照明显示中得到了更加广泛的应用，并成为二次配光设计的一个重要手段。

“自由曲面是无法用具体的数学表达式来表达的，但它可视为由许多曲面片在满足一定连续性的条件下构成的新曲面，并可以用非均匀有理B样条来进行近似表达。”^[1]自由曲面透镜可以控制光线出射角度、光程等，重新分配光源的出射光线，在接收平面形成特定的光斑分布，同时提高能量利用率。同时还方便了光学设计后期的优化步骤。

1.1.2量子点

量子点在光或者电场电压的刺激下便会发出光，光的波长颜色由量子点的材料和大小形状决定，所以量子点会因为外界环境的变化改变光源发出的光线颜色，可以根据需求来控制颜色的变化，而且由于量子点的尺寸种类很多，所以基本可以形成自然界全部颜色，因此相对传统LCD色彩表现更好。目前最多使用的量子点制备方法是胶体化学方法。胶体量子点材料的发光颜色可通过控制温度或者浓度等方式改变，实现广色域，还具有发光效率高，光纯度高，色域覆盖范围宽，溶液合成易于控制和可以获得高密度的量子点阵列等特点，成为近年来人们研究的热点。近年来热注入方法是量子点合成的重要发展技术，这种方法合成的量子点荧光量产率很高。可以通过调节反应时间和组成元素来调节量子点的大小和形状，

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