CN101021651A - 具聚光效果的光源装置以及使用此光源装置的背光模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源装置以及使用此光源装置的背光模块。光源装置包含发光元件及光学透镜，光学透镜包覆于发光元件的外侧。发光元件具有上发光面；上发光面面向导光元件的入光侧边。光学透镜包含顶面及集光侧壁面。顶面对应于发光元件的上发光面，并位于发光元件的上发光面及导光元件的入光侧边间。集光侧壁面位于光学透镜的长侧边，并自顶面的长边端缘向发光元件弯曲延伸。集光侧壁面系设置对应于发光元件产生光线的第一行进方向；集光侧壁面改变较偏离的第一行进方向为较靠近顶面的第二行进方向。本发明克服了现有技术的缺陷，不仅具有较佳光使用效率，且具有较均匀的光线输出效果。

Description

具聚光效果的光源装置以及使用此光源装置的背光模块

技术领域

本发明关于一种光源装置；具体而言，本发明是关于一种光源装置以及使用此光源装置的背光模块，供液晶显示装置使用。

背景技术

显示面板及使用显示面板的面板显示装置已渐渐成为各类显示装置的主流。例如各式面板显示屏、家用的平面电视、个人电脑及膝上型电脑的平板型监视器、移动电话及数码相机的显示屏等，均为大量使用显示面板的产品。特别是近年来液晶显示装置的市场需求大幅成长，为配合液晶显示装置在功能上及外观上的要求，液晶显示装置所使用的背光模块设计也日趋多元化。

以侧光式的背光模块而言，其所使用的光源装置主要包含线性光源及点光源。线性光源主要以灯管光源为代表，而点光源则以发光二极管光源为代表。如图1a所示，传统的侧光式背光模块是将发光二极管模块13设置于导光板11的一侧。发光二极管模块13发出的光线则经由导光板11的侧边，再由导光板11的出光面15输出。

然而由于面板的薄型化趋势，导光板的厚度亦不断减少。为了增加产生光线的使用效率，并有效控制光线进入导光板，通常会在各发光二极管周边加设光学结构。如图1b所示，其将发光二极管21设置于一腔体23内。发光二极管21产生的光线部分可直接进入导光板11，而其他部分则经由腔体23内壁25的反射后再进入导光板11。在此结构中，腔体23内壁25的反射率对光线使用的效率影响甚巨。此外，此结构会使光线在平行导光板11方向上的角度分布受到限制，进而造成导光板11上光线分布不均的状况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种光源装置及使用此光源装置的背光模块，具有较佳光使用效率。

本发明的技术解决方案是：一种光源装置，其包含：一发光元件，产生一光线，该发光元件包含一上发光面；以及一光学透镜，包围该发光元件，该光学透镜包含一顶面以及一集光侧壁面，该顶面对应于该发光元件的该上发光面；该集光侧壁面位于该光学透镜的一长侧边，且自该顶面的一长边端缘向该发光元件弯曲延伸，其中该集光侧壁面设置对应于该发光元件产生光线的一第一行进方向，并改变该光线的该第一行进方向为一第二行进方向，该第一行进方向比该第二行进方向偏离该顶面及该发光元件的该上发光面。

本发明还提出一种使用上述光源装置的背光模块，该背光模块还包含一导光元件，具有一入光侧边；该光源装置，对应于该导光元件的该入光侧边，该光源装置包含一发光元件以及一光学透镜，发光元件可产生一光线，该发光元件包含一上发光面，该上发光面面向该导光元件的该入光侧边；该光学透镜包围该发光元件，该光学透镜包含一顶面以及一集光侧壁面，该顶面对应于该发光元件的该上发光面，并介于该上发光面与该导光元件的该入光侧边间；该集光侧壁面位于该光学透镜的一长侧边，且自该顶面的一长边端缘向该发光元件弯曲延伸，其中该集光侧壁面设置对应于该发光元件产生光线的一第一行进方向，并改变该光线的该第一行进方向为一第二行进方向，该第一行进方向比该第二行进方向偏离该顶面及该发光元件的该上发光面。

本发明的特点和优点是：本发明的背光模块包含导光元件及光源装置。光源装置设置对应于导光元件的入光侧边。导光元件是自入光侧边接收光源装置射出的光，通过导光元件内部的结构及材料特性，将接收的光线引导分布于整块导光元件的出光面上。光源装置包含发光元件及光学透镜，光学透镜包覆于发光元件的外侧。发光元件具有上发光面；上发光面面向导光元件的入光侧边。

光学透镜包含顶面及集光侧壁面。顶面对应于发光元件的上发光面；换言之，顶面位于发光元件的上发光面及导光元件的入光侧边间。集光侧壁面位于光学透镜的长侧边，并自顶面的长边端缘向发光元件弯曲延伸。集光侧壁面设置对应于发光元件产生光线的第一行进方向，其中第一行进方向偏离于光学透镜的顶面。集光侧壁面并改变光线的第一行进方向为第二行进方向，使光线较接近于顶面、发光元件上发光面及此二者的法线方向。

集光侧壁面较佳包含折射部及全反射部。折射部自顶面的端缘延伸而出；全反射部则自折射部的底缘接续向发光元件延伸。折射部的底缘为集光侧壁面上在平行上发光面的方向上距发光元件最远的位置。当发光元件产生的光线沿第一行进方向抵达集光侧壁面的折射部时，折射部利用其外表面的角度并配合光学透镜与外界折射率的差异，产生一折射效果将光线的行进方向折射为较靠近顶面的第二行进方向。然而当发光元件产生的光线沿第一行进方向抵达集光侧壁面的全反射部时，折射部则利用其外表面的角度并配合光学透镜与外界折射率的差异，产生一全反射效果将光线的行进方向反射为较靠近顶面的第二行进方向。

本发明的光源装置及使用此光源装置的背光模块不仅具有较佳光使用效率，且具有较均匀的光线输出效果。

附图说明

图1a及图1b为传统光源装置的示意图；

图2a为本发明背光模块实施例的元件分解图；

图2b为导光元件的另一实施例示意图；

图3为光源装置的实施例示意图；

图4为图3所示实施例的剖面图；

图5为集光侧壁面的折射部改变光线行进方向的示意图；

图6为集光侧壁面的全反射部改变光线行进方向的示意图；

图7为集光侧壁面角度变化的示意图；

图8为光源装置的另一实施例示意图；

图9为图8所示实施例的剖面图；

图10为图9所示实施例中全反射部改变光线行进方向的示意图。

主要元件符号说明：

100背光模块    110导光元件        113入光侧边

115出光面      117凹陷部          130光源装置

131基板        150反射片          300发光元件

310上发光面    311长边            313短边

330侧壁        500光学透镜        510顶面

511长边        513短边            530集光侧壁面

531折射部      533全反射部        535底部

540底缘        610第一行进方向    620第二行进方向

710上半部分    730下半部分        731顶缘

733底缘

具体实施方式

本发明提供一种光源装置以及使用此光源装置的背光模块。以较佳实施例而言，此背光模块供液晶显示装置使用。然而在不同实施例中，此背光模块亦可供电脑键盘、移动电话按键、看板及其他需要平面光源的装置使用。进一步而言，本发明更包含使用此光源装置及背光模块的液晶显示装置。在较佳实施例中，本发明的液晶显示装置包含一彩色液晶显示装置。然而在不同实施例中，本发明的液晶装置亦可包含单色的液晶显示装置。此外，液晶显示装置是泛指使用液晶面板的显示装置，包含家用的液晶电视、个人电脑及膝上型电脑的液晶监视器、移动电话及数码相机的液晶显示屏等。

在图2a所示的实施例中，背光模块100包含导光元件110及光源装置130。光源装置130对应于导光元件110的入光侧边113设置。在较佳实施例中，导光元件110包含一导光板。如图2a所示，导光元件110是自入光侧边113接收光源装置130射出的光线。利用导光元件110内部的结构及材料特性，将接收的光线引导分布于整块导光元件110的出光面115上。此外，导光元件110的下方较佳加设一反射片150，将导光元件110下方的漏失光线反射再次进入导光元件110，以提升光线的使用效率。

图2b所示为导光元件110的另一实施例。在此实施例中，导光元件110的入光侧边113具有凹陷部117，光源装置130则嵌入凹陷部117内。利用此结构，以减少漏失光线的比率，提高光源装置130产生光线的利用率。然而在此实施例中，光源装置130较佳是与凹陷部117的内壁面保持一适当间距，以维持光线折射的角度，不至因接触而产生材质介面的影响。

如图3所示，光源装置130包含发光元件300及光学透镜500，光学透镜500包覆于发光元件300的外侧。发光元件300具有上发光面310；上发光面310面向导光元件110的入光侧边113。如图3所示，上发光面310较佳为矩形，且其长边311平行于导光元件110的入光侧边113。然而在不同实施例中，上发光面310亦可为一正方形或其他形状。此外，上发光面310可视设计需求而为弧面或平面。在此较佳实施例中，发光元件300包含发光二极管(LED)元件；然而在不同实施例中，发光元件300亦可为灯管或其他使用电力发光的光源。此外，光源装置130较佳还包含基板131。发光元件300及光学透镜500均设置于基板131上，发光元件300可通过与基板131上的线路电连接以接收电力或信号。

如图3所示，光学透镜500主要包围发光元件300的上发光面310及侧壁330。换言之，发光元件300自上发光面310及侧壁330射出的光线均会先经过光学透镜500后才会射出光源装置130外。如图3及图4所示，光学透镜500包含顶面510及集光侧壁面530。顶面510对应于发光元件300的上发光面310；换言之，顶面510位于发光元件300的上发光面310及导光元件110的入光侧边113间。在较佳实施例中，顶面510至上发光面310的距离为发光元件300本身高度H的5倍至10倍间。如图3所示，顶面510较佳为矩形；此外，顶面510可视实际需要而为弧面或平面。顶面510的长边511较佳与上发光面310的长边311对应或平行，且顶面510的长边511宽度较佳为上发光面310的长边311宽度的4倍至7倍之间。此外，如图4所示，上发光面310的短边313宽度较佳近似于顶面510短边513宽度的两倍；然而在不同实施例中，上发光面310的短边313宽度亦可大于或小于顶面510短边513的宽度。光学透镜500所使用的材质例如是光学级的环氧树脂(Epoxy)。

如图3及图4所示，集光侧壁面530位于光学透镜500的长侧边，并自顶面510的长边511端缘向发光元件300弯曲延伸。此处所谓的弯曲延伸，是表示集光侧壁面530在顶面510及发光元件30间整体形成一弧曲面。集光侧壁面530较佳成对设置，亦即分别形成于顶面510的两长边侧。在图4所示的实施例中，集光侧壁面530与顶面510共同形成为外凸面；然而在不同实施例中，集光侧壁面530亦可为一内凹面。此外，集光侧壁面530较佳为光滑的连续曲面；然而在不同实施例中，集光侧壁面530亦可为由数个彼此夹一角度相交的平面共同组合的不连续曲面。

如图5所示，集光侧壁面530是对应于发光元件300产生光线的第一行进方向610设置，其中第一行进方向610偏离于光学透镜的顶面510。集光侧壁面530改变光线的第一行进方向610为第二行进方向620，使光线较接近于顶面510、发光元件300上发光面310及此二者的法线方向。

如图5所示，集光侧壁面530包含折射部531及全反射部533。折射部531为较接近顶面510的部分，并自顶面510的端缘延伸而出。全反射部533则为较接近发光元件300的部分，且自折射部531的底缘540接续向发光元件300延伸。折射部531的底缘540，亦即折射部531与全反射部533的接续处，为集光侧壁面530上在平行上发光面310的方向上距发光元件300最远的位置。换言之，若以发光元件300的侧壁330作一延伸平面，折射部531的底缘540为集光侧壁面530上相对此延伸平面最为外凸的部分。

如图5所示，当发光元件300产生的光线沿第一行进方向610抵达集光侧壁面530的折射部531时，折射部531利用其外表面的角度并配合光学透镜500与外界折射率的差异，产生一折射效果将光线的行进方向折射为较靠近顶面510的第二行进方向620。然而在图6所的实施例中，当发光元件300产生的光线沿第一行进方向610抵达集光侧壁面530的全反射部533时，折射部531则利用其外表面的角度并配合光学透镜500与外界折射率的差异，产生一全反射效果将光线的行进方向反射为较靠近顶面510的第二行进方向620。

以较佳实施例而言，集光侧壁面530上折射部531及全反射部533的剖面线可分别以下列函数模拟计算：

P(t)＝((1-t)²P₀+2t(1-t)w₁P₁+t²P₂)/((1-t)²+2t(1-t)w₁+t²)

其中：P₀为剖面线起始点坐标

P₂为剖面线终点坐标

P₁为剖面线中段参考三角点坐标

w₁为一曲率参数；当计算折射部531时，w₁≈2；当计算全反射部533时，w₁≈1

0＜t＜1

如图5及图6所示，折射部531的剖面长度比全反射部533的剖面长度长。折射部531的平均曲率较佳亦大于全反射部533的平均曲率。此外，如图7所示，为达成较佳的折线效果，顶面510端缘与折射部531底缘540的连线与上发光面310法线的夹角θ₁较佳是介于30度至60度之间。为达成较佳的全反射效果，上发光面310上任一点与折射部531底缘540的连线与上发光面310法线的夹角θ₂介于40度至70度间。

如图4至图7所示，集光侧壁面530较佳包含底部535。底部535是自全反射部533的底缘延伸而出，并位于发光元件300的长边311侧。底部535主要包覆发光元件300的侧壁330，并连接至基板131。如图4至图7所示，以底部535所在的参考平面作为基准观之，折射部531的底缘540突出于底部535之外。以较佳实施例而言，集光侧壁面530的底部535约略与发光元件300的高度相等。然而在不同实施例中，集光侧壁面530亦可不设置底部535，而由全反射部533直接包覆发光元件300的侧壁330。

图8及图9所示为本发明光源装置的另一实施例。在此实施例中，集光侧壁面530形成为内凹面，是自顶面510的端缘向下及向内延伸。集光侧壁面530与光学透镜500的顶面510夹一锐角θ₃。集光侧壁面530与顶面510夹角θ₃的范围较佳是介于50度至70度间。如图9所示，集光侧壁面530主要包含全反射部533及底部535。全反射部533为较接近顶面510的部分，并为自顶面510的端缘向下向内延伸而出的内凹弧面。此外，全反射部533的顶缘与顶面510端缘相接处为集光侧壁面530上在平行上发光面310的方向上距发光元件300最远的位置。换言之，若以发光元件300的侧壁330作一延伸平面，全反射部533的顶缘为集光侧壁面530上相对此延伸平面最为外凸的部分。

如图8及图9所示，底部535是自全反射部533的底缘延伸而出，并位于发光元件300的长边311侧。底部535主要是包覆发光元件300的侧壁330，并连接至基板131。以较佳实施例而言，集光侧壁面530的底部535约略与发光元件300的高度H相等；光学透镜500顶面510的短边513宽度较佳则为集光侧壁面530底部535至发光元件300中心位置距离的4倍。此外，在不同实施例中，集光侧壁面530亦可不设置底部535，而由全反射部533直接包覆发光元件300的侧壁330。

在图9所示的实施例中，全反射部533可分为上半部分710及下半部分730。上半部分710较接近于顶面510，而下半部分730较接近于发光元件300。其中上半部分710的平均曲率较佳大于下半部分的平均曲率，以提供较佳的光反射效率。此外，全反射部533的上半部分710顶缘731于发光元件300侧壁330延伸面的投影与下半部分730底缘733的连线与侧壁330的延伸面夹一角度θ₄，θ₄较佳是介于5度至30度之间。

全反射部533的上半部分710及下半部分730的剖面线可分别以下列函数模拟计算：

P(t)＝((1-t)²P₀+2t(1-t)w₁P₁+t²P₂)/((1-t)²+2t(1-t)w₁+t²)

其中：P₀为剖面线起始点坐标

P₂为剖面线终点坐标

P₁为剖面线中段参考三角点坐标

w₁为一曲率参数；当计算上半部分710时，w₁≈10；当计算下半部分730时，w₁≈0.2

0＜t＜1

如图10所示，当发光元件300产生的光线沿第一行进方向610抵达集光侧壁面530的全反射部533时，全反射部533利用其外表面的角度并配合光学透镜500与外界折射率的差异，产生一全反射效果将光线的行进方向反射为朝向顶面510的第二行进方向620。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于申请专利范围的精神及范围的修改及均等设置均包含于本发明的范围内。

Claims (37)

1.一种光源装置，其特征在于，包含：

一发光元件，产生一光线，该发光元件包含一上发光面；以及

一光学透镜，包围该发光元件，该光学透镜包含：

一顶面，对应于该发光元件的该上发光面；以及

一集光侧壁面，位于该光学透镜的一长侧边，且自该顶面的一长边端缘向该发光元件弯曲延伸，该集光侧壁面设置对应于该发光元件产生光线的一第一行进方向，并改变该光线的该第一行进方向为一第二行进方向，该第一行进方向比该第二行进方向偏离该顶面及该发光元件的上发光面。

2.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，该上发光面的一短边宽度近似于该顶面的一短边宽度的两倍。

3.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，该顶面至该上发光面的距离介于该发光元件高度的5倍至10倍之间。

4.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，该集光侧壁面与该顶面共同形成一外凸面。

5.如权利要求4所述的光源装置，其特征在于，该集光侧壁面包含一折射部及一全反射部，该折射部是自该顶面的端缘延伸而出，而该全反射部是自该折射部的底缘延伸而出，其中该折射部的底缘为该集光侧壁面上在平行该上发光面的方向上距该发光元件最远的位置。

6.如权利要求5所述的光源装置，其特征在于，该折射部的平均曲率大于该全反射部的平均曲率。

7.如权利要求5所述的光源装置，其特征在于，该顶面端缘与该折射部底缘的连线与该上发光面法线的夹角介于30度至60度之间。

8.如权利要求5所述的光源装置，其特征在于，该上发光面上任一点与该折射部底缘的连线与该上发光面法线的夹角介于40度至70度间。

9.如权利要求5所述的光源装置，其特征在于，该集光侧壁面包含一底部，该底部是自该全反射部的底缘延伸而出，并位于该发光元件的长侧边，该折射部的底缘突出于该底部之外。

10.如权利要求9所述的光源装置，其特征在于，该集光侧壁面的该底部约略与该发光元件等高。

11.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，该集光侧壁面形成一内凹面，并与该顶面夹一锐角。

12.如权利要求11所述的光源装置，其特征在于，该集光侧壁面与该顶角所夹锐角介于50度至70度之间。

13.如权利要求11所述的光源装置，其特征在于，该集光侧壁面包含一全反射部与一底部，该全反射部是自该顶面的端缘延伸而出，而该底部是自该全反射部的底缘延伸而出，并位于该发光元件的长侧边，其中该全反射部的顶缘为该集光侧壁面上在平行该上发光面的方向上距该发光元件最远的位置。

14.如权利要求13所述的光源装置，其特征在于，该集光侧壁面的该底部约略与该发光元件等高。

15.如权利要求13所述的光源装置，其特征在于，顶面的短边宽度为该集光侧壁面的该底部至该发光元件中心位置距离的4倍。

16.如权利要求13所述的光源装置，其特征在于，该全反射部包含一上半部分及一下半部分，该上半部分的平均曲率大于该下半部分的平均曲率。

17.如权利要求16所述的光源装置，其特征在于，该下半部分顶缘于该发光元件的一侧壁延伸面的投影与该下半部分底缘的连线与该侧壁延伸面夹一角度，该角度介于5度至30度之间。

18.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，该光学透镜的该顶面长边宽度介于该发光元件长边长度的4倍至7倍之间。

19.一种背光模块，包含：

一导光元件，具有一入光侧边；以及

一光源装置，对应于该导光元件的该入光侧边，该光源装置包含：

一发光元件，产生一光线，该发光元件包含一上发光面，该上发光面面向该导光元件的该入光侧边；以及

一光学透镜，包围该发光元件，该光学透镜包含：

一顶面，对应于该发光元件的该上发光面，并介于该上发光面与该导光元件的该入光侧边间；以及

一集光侧壁面，位于该光学透镜的一长侧边，且自该顶面的一长边端缘向该发光元件弯曲延伸，其中该集光侧壁面设置对应于该发光元件产生光线的一第一行进方向，并改变该光线的该第一行进方向为一第二行进方向，该第一行进方向比该第二行进方向偏离该顶面及该发光元件的该上发光面。

20.如权利要求19所述的背光模块，其特征在于，该导光元件的该入光侧边具有一凹陷部，该光源装置嵌入该凹陷部。

21.如权利要求19所述的背光模块，其特征在于，该上发光面的一短边宽度近似于该顶面的一短边宽度的两倍。

22.如权利要求19所述的背光模块，其特征在于，该顶面至该上发光面的距离介于该发光元件高度的5倍至10倍之间。

23.如权利要求19所述的背光模块，其特征在于，该集光侧壁面与该顶面共同形成一外凸面。

24.如权利要求23所述的背光模块，其特征在于，该集光侧壁面包含一折射部及一全反射部，该折射部是自该顶面的端缘延伸而出，而该全反射部是自该折射部的底缘延伸而出，其中该折射部的底缘为该集光侧壁面上在平行该上发光面的方向上距该发光元件最远的位置。

25.如权利要求24所述的背光模块，其特征在于，该折射部的平均曲率大于该全反射部的平均曲率。

26.如权利要求24所述的背光模块，其特征在于，该顶面端缘与该折射部底缘的连线与该上发光面法线的夹角介于30度至60度之间。

27.如权利要求24所述的背光模块，其特征在于，该上发光面上任一点与该折射部底缘的连线与该上发光面法线的夹角介于40度至70度间。

28.如权利要求24所述的背光模块，其特征在于，该集光侧壁面包含一底部，该底部是自该全反射部的底缘延伸而出，并位于该发光元件的长侧边，该折射部的底缘突出于该底部之外。

29.如权利要求28所述的背光模块，其特征在于，该集光侧壁面的该底部约略与该发光元件等高。

30.如权利要求19所述的背光模块，其特征在于，该集光侧壁面是形成一内凹面，并与该顶面夹一锐角。

31.如权利要求30所述的背光模块，其特征在于，该集光侧壁面与该顶角所夹锐角介于50度至70度之间。

32.如权利要求30所述的背光模块，其特征在于，该集光侧壁面包含一全反射部与一底部，该全反射部是自该顶面的端缘延伸而出，而该底部是自该全反射部的底缘延伸而出，并位于该发光元件的长侧边，其中该全反射部的顶缘为该集光侧壁面上在平行该上发光面的方向上距该发光元件最远的位置。

33.如权利要求32所述的背光模块，其特征在于，该集光侧壁面的该底部约略与该发光元件等高。

34.如权利要求32所述的背光模块，其特征在于，该顶面的短边宽度为该集光侧壁面的该底部至该发光元件中心位置距离的4倍。

35.如权利要求32所述的背光模块，其特征在于，该全反射部包含一上半部分及一下半部分，该上半部分的平均曲率大于该下半部分的平均曲率。

36.如权利要求35所述的背光模块，其特征在于，该下半部分顶缘于该发光元件的一侧壁延伸面的投影与该下半部分底缘的连线与该侧壁延伸面夹一角度，该角度介于5度至30度之间。

37.如权利要求19所述的背光模块，其特征在于，该光学透镜的该顶面长边宽度介于该发光元件长边长度的4倍至7倍之间。

Images