CN101463968B - Led导光条装置及使用该装置的平面和桶形光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及LED导光条装置及其组成的平面光源和桶形光源，由导光材料组成的长条形的导光体把LED点光源转换成面光源；导光体上具有入光面，导光网点扩散面、光输出面和虚拟网点面；LED点光源位于虚拟网点面和扩散面的垂直截面上；导光体的最小截面为梯形，导光网点扩散面对应梯形的短边和腰，光输出面对应所述梯形的长边；设所述LED点光源具有直径为Φ的圆形光束，则所述梯形的长边长度H相对于LED点光源的直径Φ的取值范围是2.4Φ-4.8Φ。桶形光源包括由结构尺寸相同的所述导光条装置紧密相连围成柱体，其导光网点扩散面朝向所述柱体轴线、光输出面向外形成所述柱体的外表面。平面光源包括导光条装置的光输出面平行拼接组合。

Description

LED导光条装置及使用该装置的平面和桶形光源

技术领域   本发明涉及一种LED导光条装置及使用该导光条装置的平面光源和桶形光源。

背景技术   LED导光条利用光学的漫射、反射和折射原理，把LED点光源转换成线光源和面光源，导光条的尺寸、角度、形状和光源位置之间的关系都会影响点光源的光转换效率。

发明内容   本发明的目的在于提出一种具有梯形截面的LED导光条装置及使用该LED导光条装置的平面光源和桶形光源。

本发明公开了一种LED导光条装置，由导光材料组成的长条形的导光体把LED点光源转换成面光源；所述导光体上具有导光网点扩散面、光输出面和入光面；所述LED点光源位于所述入光面上，所述导光体的最小截面为梯形，所述导光网点扩散面对应所述梯形的短边和腰，所述光输出面对应所述梯形的长边；设所述LED点光源具有直径为Φ的圆形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围是2.4Φ-4.8Φ；或者，设所述LED点光源具有长半径为h的椭圆形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围是4.0h-4.8h；或者，设所述LED点光源具有过中心对称最长边距为h₁的方形或多边形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围为4.8h₁-6.0h₁。

本发明公开的LED导光条装置，还包括如下从属技术特征：

设所述梯形的长边长度为H，短边长度为c，腰的长度为b，则有 $H=2\sqrt{2}b,$ H＝2c。

所述LED点光源在入光面上位于所述梯形截面的对称中心线上，并相切于所述网点扩散面与所述入光面的交线。

所述出光面和网点面扩散面的夹角为45度，所述网点扩散面之间的夹角为135度，夹角误差不大于±5％。

所述导光体的所述光输出面成型为有弧度的曲面；或者所述导光体的所述光输出面成型为相交的三个平面。

本发明还公开了一种使用LED导光条装置的平面光源，所述导光条装置包括由导光材料组成的长条形的导光体，所述导光体把LED点光源转换成面光源；所述导光体上具有导光网点扩散面和光输出面和入光面；所述LED点光源位于所述入光面上；所述导光条装置的光输出面平行拼接在一起，组合成更大的出光面；所述导光体的最小截面为梯形，所述导光网点扩散面对应所述梯形的短边和腰，所述光输出面对应所述梯形的长边；设所述LED点光源具有直径为Φ的圆形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围是2.4Φ-4.8Φ；或者，设所述LED点光源具有长半径为h的椭圆形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围是4.0h-4.8h；或者，设所述LED点光源具有过中心对称最长边距为h₁的方形或多边形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围为4.8h₁-6.0h₁。所述导光体所述光输出面还可以成型为相交的三个平面。

本发明还公开了一种使用LED导光条装置的桶形光源，所述导光条装置包括由导光材料组成的长条形的导光体，所述导光体把LED点光源转换成面光源；所述导光体上具有导光网点扩散面、入光面和光输出面；所述LED点光源位于所述入光面上；结构尺寸相同的所述导光条装置紧密相连围成柱体，所述光输出面向外形成所述柱体的外表面；所述导光体的最小截面为梯形，所述导光网点扩散面对应所述梯形的短边和腰，所述光输出面对应所述梯形的长边；设所述LED点光源具有直径为Φ的圆形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围是2.4Φ-4.8Φ；或者，设所述LED点光源具有长半径为h的椭圆形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围是4.0h-4.8h；或者，设所述LED点光源具有过中心对称最长边距为h₁的方形或多边形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围为4.8h₁-6.0h₁。所述导光体的所述光输出面还可以成型为有弧度的曲面；或者，所述导光体的所述光输出面成型为相对于所述导光网点扩散面的三个相交的平面。

本发明的导光条结构无需辅助散热片、节约了导光材料，整体结构成本低，本发明揭示的光源和出光面的尺寸的最佳比例关系，可以降低光源的使用数量，节省功耗。由于本发明的导光条中导光体的最佳形比和位置关系，将光源光通量的转换率提高到90％。

附图说明

图1、图2和图3是本发明中光源尺寸与出光面的边长的比例关系示意图。

图4是出光面的边长和网点扩散面的关系。

图5是本发明光源和网点扩散面的位置关系示意图。

图6(1)和图6(2)是本发明中出光面为曲面或多平面的结构示意图。

图7是本发明为提高亮度缩减尺寸的示意图。

图8是本发明的导光条结构尺寸示意图。

图9(1)、图9(2)和图9(3)是本发明的导光条立体结构示意图。

图10(1)和图10(2)是本发明的平面光源结构示意图。

图11(1)、图11(2)、图11(3)和图11(4)是本发明的桶光源结构示意图。

具体实施方式  下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

本发明把LED点光源转换成线光源或者面光源，根据光的漫射、反射和折射原理，最大限度提高点光源的转换效率，可以应用于照明领域和LCD背光模块中。

LED点光源是目前比较成熟的半导体光源产品，由单芯片或组合芯片封装而成，出光为有一定角度的光束，因为其节能和环保的特性正逐步替代现有光源产品。

导光板(条)是由光学级PMMA或者PC材料制成的产品，可以把点光源转换成线光源或者面光源。导光板(条)上具有一个或者多个导光网点扩散面，在导光网点扩散面上具有按照一定的规律以注塑，印刷或雕刻方式生成的扩散点。完全紧密贴合网点扩散面部分的反射装置称为反射面。导光板(条)上还具有一个或者多个光输出面，也称出光面，点光源经扩散面和反射面转换后从光输出面出光。

虚拟网点面是导光板(条)出光范围的最小截面。

虚拟网点面和扩散面的垂直截面为入光面。

当入光面为梯形时，则虚拟网点面视为梯形截面光条的出光面，设光源圆形光束直径为Φ，出光面与入光面相交的边长为(梯形长边)H，如图1所示是本发明光源圆形光束直径Φ和梯形虚拟网点面长边H的比例关系示意图，有：

H＝4.8Φ

设光源椭圆形光束的长半径为h，如图2所示是本发明光源椭圆形光束长半径和出光面边长H的比例关系示意图，有：

H＝4.0h~4.8h

如图3所示，如果光源为方形或多边形(5边以上含5边)，设光源的过中心对称最长边距h₁，则光源的过中心对称最长边距h₁和H的比例关系：

H＝4.8h₁~6.0h₁

如图4所示，入光面是梯形，网点扩散是非曲面，对应网点扩散面的底边和腰的边长分别为b和c，则出光面边长H和网点扩散面边长b和c的关系：

$H=2\sqrt{2}b=2c$

图5是本发明光源和网点扩散面的位置关系示意图。如图5所示，当入光面为梯形时，光源位于入光面的对称中心线上，并相切于网点扩散面与入光面的交线。

导光板(条)的网点设计与制成方式在技术上已经相当成熟，但具体到产品应用，比如导光条的开发中，为最大限度达到有效光扩散率要求，无论何种制成方式，网点形状设计以多边形(三边以上)组合或者其他不规则组合为最佳，网点的形状、大小、厚度和深度，以及间距和排列形式属于本领域普通技术范畴，一般技术人员可根据需要控制。

导光条的出光面可根据光输出角度的要求而改变，在要求完全平面光源输出时，出光面就是平面。如果需要控制出光的角度，出光面可以设计为曲面或相交的多个平面。如图6所示，图6(1)所示为出光面为弧形曲面的导光条，其截面形状为梯形上拼接弧形，弧形曲面的出光面使得光线汇聚，出光的角度减小；如图6(2)所示的导光条有多个出光面，其截面形状类似由两个梯形长边重合拼接而成的菱形。

在实际应用中，单光源可能满足不了设计亮度要求，考虑到整体尺寸实际要求或光源成本，可以不增加光源数量而按照相应比例缩减光条的尺寸，如图7所示，是按比例缩减导光条尺寸的示意图，这里仅以圆形光源为例，其余按照相同的缩减比例类推。其比例缩减范围：

H＝2.4Φ—4.8Φ

光源光束实际代表光源发光区有效边缘尺寸，而实际光源产品有不发光区部分。导光条的端面就是入光面，在实际应用中，要保证整个光源在入光面范围以内。

如图8所示是本发明的导光条结构尺寸示意图，其出光面和网点面夹角a为45度，三面网点面夹角b为135度，考虑到光的折射偏角差和二次转换损失，尺寸比例和各夹角的大小误差应分别控制在±5％范围。

理论上当光源和网点面相切时，其所造成的折射和二次转换损失最少，实际应用中，因光源外形可能非圆形，所以在尺寸比例确定后，原则上以发光中心点最接近入光面对称中心点为最佳位置，光源(单/多)在其它位置也属于本方案揭示范围。

本发明可以应用于照明产品领域，导光条可以替代电棒(灯管)照明产品，如图9(1)、图9(2)好图9(3)所示，是本发明的电棒结构示意图。图9(1)所示是一种具有多个相交的平面出光面的电棒结构，图9(2)所示是一种具有弧形曲面出光面的电棒结构，图9(3)所示为一种具有平面出光面的电棒结构。

本发明也可以应用于背光模块，面光源照明和背光模块使用的平面光源如图10(1)和图10(2)所示，如图10(1)所示具有梯形截面的导光条的出光面平行拼接，组成一个更大的出光面；如图10(2)所示具有多个相交的平面出光面的导光条平行拼接，使得出光面在同一侧，导光发散面在另一侧，从而组成一个更大的出光面。

本发明也可以用于桶光源照明，如图11所示是本发明的桶光源结构示意图，4个或者4个以上结构尺寸相同的导光条的导光发散网点面向内紧密相连围成柱体，各个导光条的发光面向外形成柱形的外表面的发光体。如图11(1)所示是菱形截面的导光条组成的桶光源的结构示意图；如图11(2)所示是梯形截面的导光条组成的桶光源的结构示意图；如图11(3)所示是具有弧形出光面的导光条组成的桶光源的结构示意图；如图11(4)所示是另一种弧度的弧形出光面的导光条组成的桶光源的结构示意图。

本发明介绍的上述方案都是以入光面为单截面，即只在光条的一端入光，根据需要在光条的两个端面同时入光的结构，也属于本发明保护的范畴。

上述介绍的本发明的入光面均以镜面描述，为消除光源亮点或增大入光角度，弥补光源入射角偏小，可对入光面采用本领域通用的v-CUT槽技术。

上述介绍的本发明没有对导光条产品的长度做限定。

本发明也可应用到其它领域中，只要该领域采用本方案基本设计标准，均属本方案应用范畴。

最佳的照明替代方案：目前以LED为光源，其技术成熟度已经基本满足照明应用领域的要求，将逐步替代该领域产品，现有的替代产品均以直射式光源为主，在光源成本和维护成本上比较高，无法进行市场化推广，本发明所揭示发方案可以降低光源成本和维护成本，满足市场化要求。

由于本发明揭示光源和导光条结构的最佳比例关系，可以降低光源的使用数量，从而最大限度的节省功耗，并且提高光源光通量的转换率至90％。

本发明的导光条结构节约了辅助散热片和导光材料，整体结构成本低。

Claims (4)

1.一种LED导光条装置，包括导光体和LED点光源；由导光材料组成的长条形的导光体把LED点光源转换成面光源；所述导光体上具有导光网点扩散面、光输出面和入光面；所述LED点光源位于所述入光面上，所述导光体的最小截面为梯形，所述导光网点扩散面对应所述梯形的短边和腰，所述光输出面对应所述梯形的长边；其特征在于：

所述入光面为梯形截面，设所述梯形的长边长度为H，短边长度为c，腰的长度为b，则有

H＝2c；

所述LED点光源在入光面上位于所述梯形截面的对称中心上，并相切于所述导光网点扩散面与所述入光面的交线；

设所述LED点光源具有直径为Φ的圆形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围是2.4Φ-4.8Φ；或者，设所述LED点光源具有长半径为h的椭圆形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围是4.0h-4.8h；或者，设所述LED点光源具有过中心对称最长边距为h₁的方形或多边形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围为4.8h₁-6.0h₁。

2.根据权利要求1所述的LED导光条装置，其特征在于，所述光输出面和导光网点扩散面的夹角为45度，所述导光网点扩散面之间的夹角为135度，夹角误差不大于±5％。

3.一种使用LED导光条装置的平面光源，所述导光条装置包括由导光材料组成的长条形的导光体和LED点光源，所述导光体把LED点光源转换成面光源；所述导光体上具有导光网点扩散面，光输出面和入光面；所述LED点光源位于所述入光面上；所述导光条装置的光输出面平行拼接在一起，组合成更大的出光面；所述导光体的最小截面为梯形，所述导光网点扩散面对应所述梯形的短边和腰，所述光输出面对应所述梯形的长边；其特征在于：

所述入光面为梯形截面，设所述梯形的长边长度为H，短边长度为c，腰的长度为b，则有

H＝2c；

所述LED点光源在入光面上位于所述梯形截面的对称中心上，并相切于所述导光网点扩散面与所述入光面的交线；

设所述LED点光源具有直径为Φ的圆形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围是2.4Φ-4.8Φ；或者，设所述LED点光源具有长半径为h的椭圆形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围是4.0h-4.8h；或者，设所述LED点光源具有过中心对称最长边距为h₁的方形或多边形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围为4.8h₁-6.0h₁。

4.一种使用LED导光条装置的桶形光源，所述导光条装置包括由导光材料组成的长条形的导光体和LED点光源，所述导光体把LED点光源转换成面光源；所述导光体上具有导光网点扩散面、入光面和光输出面；所述LED点光源位于所述入光面上；其特征在于：

所述桶形光源包括4支以上结构尺寸相同的所述导光条装置，紧密相连围成柱体，所述光输出面向外形成所述柱体的外表面；所述导光体的最小截面为梯形，所述导光网点扩散面对应所述梯形的短边和腰；

所述入光面为梯形截面，设所述梯形的长边长度为H，短边长度为c，腰的长度为b，则有

H＝2c；

所述LED点光源在入光面上位于所述梯形截面的对称中心上，并相切于所述导光网点扩散面与所述入光面的交线；

所述光输出面对应所述梯形的长边；设所述LED点光源具有直径为Φ的圆形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围是2.4Φ-4.8Φ；或者，设所述LED点光源具有长半径为h的椭圆形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围是4.0h-4.8h；或者，设所述LED点光源具有过中心对称最长边距为h₁的方形或多边形光束，则所述梯形的长边长度H的取值范围为4.8h₁-6.0h₁。

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