CN101639197A - 一种发光二极管透镜、照明装置和背光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发光二极管透镜、照明装置和背光装置，所述透镜的形状为以相交的平面截出的中空的球体的一部分，截面形状为环形；截出的部分中空的球体的外表面具有不规则的形状，并且所述部分中空的球体的顶部向下凹陷，透镜变薄；中空的部分球体的内表面为透镜的入光面，外表面为透镜的出光面。本发明公开的透镜，由于采用了特定的透镜形状，可以获得特定的光强分布，同时光源转换率更高，整体上提高了发光二极管的发光亮度均匀性和色彩均匀性，减少了光源眩光。本发明公开的一种发光二极管照明装置和背光装置，采用本发明的全透镜的阵列组合，产品制成容易，组合成本低，可一体化大面积阵列组合。

Description

一种发光二极管透镜、照明装置和背光装置

技术领域

本发明涉及一种发光二极管透镜、照明装置和背光装置。

背景技术

大功率发光二极管是一种定向发光的点光源，需要使用光学透镜来定向改变光强分布曲线，光学透镜的设计会影响发光二极管的光源转换率，好的光学透镜的设计不仅能调整发光二极管的发光亮度均匀性和色彩均匀性，还能最大限度提高光源转换率，并且减少光源眩光。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种发光二极管透镜、照明装置和背光装置，使用光学透镜来定向改变光强分布，改善发光二极管的发光亮度均匀性和色彩均匀性，最大限度提高光源转换率，减少光源眩光。

本发明公开的一种发光二极管透镜，所述透镜的形状为以相交的平面截出的中空的球体的一部分，截面形状为环形；所述部分中空的球体的顶部向下凹陷，凹陷处透镜较薄；所述中空的部分球体的内表面为所述透镜的入光面，外表面为所述透镜的出光面。

本发明公开的发光二极管透镜，还包括如下从属技术特征：

所述透镜是轴对称的，在对称轴附近透镜的厚度较小，往两边的厚度较大。

所述环形的截面形状是外园为中心与内园的圆心重合的椭圆，所述透镜关于过该椭圆的长轴和短轴的垂直截面对称，在所述对称面附近透镜的厚度较小，离所述对称面较远处透镜的厚度较大，并在某一个距离处厚度达到最大。

以所述透镜出光面指向光源中心和入光面交点之间的最短距离h为透镜基本厚度，所述透镜出光面指向光源中心并且和入光面交点之间的最大距离H为透镜参考厚度；所述透镜基本厚度h和透镜参考厚度H的比例关系为：7.5h≥H≥h。

设光源中轴线上透镜曲面点切线和光源轴线的最小夹角b为透镜中心切线夹角，则透镜中心切线夹角的角度为：90°≥b≥48°。

设透镜出光曲面边缘的任意一点指向光源中心的连接线和光源中轴线的夹角a为透镜曲面夹角，则透镜曲率面夹角的角度为：a≤45°。

所述透镜的入光面和透镜的出光面为镜面；或者所述透镜的入光面为非镜面，出光面为镜面。

本发明还公开了一种发光二极管照明装置，包括多个如权利要求1至6所述的任意一种发光二极管透镜组成的发光二极管透镜组，所述发光二极管透镜组的透镜区与非透镜区的分界面相互重合、发光面在同一侧；还包括与每一个所述发光二极管透镜的位置一一对应的、作为光源的发光二极管。

所述发光二极管透镜组和发光二极管多个平行排列成行，相邻行上的发光二极管透镜位置交错不对齐。

本发明还公开了一种发光二极管背光装置，包括均匀排列在基板上的多个发光二极管光源，和位置与所述发光二极管光源一一对应的如权利要求1至6所述的任意一种发光二极管透镜，所述基板之下还有保护板，所述透镜组之上还有扩散板和显示屏。

本发明公开的一种发光二极管透镜，由于采用了特定的透镜形状，可以获得特定的光强分布，同时光源转换率更高，整体上提高了发光二极管的发光亮度均匀性和色彩均匀性，减少了光源眩光。本发明公开的一种发光二极管照明装置和背光装置，采用本发明的全透镜的阵列组合，产品制成容易，组合成本低，可一体化大面积阵列组合。

附图说明

图1为本发明的对称型全透镜的实施例的立体结构图和剖面图。

图2为如图1所示的对称型全透镜的光强分布图。

图3-1和图3-2为本发明的对称型全透镜的另两个实施例的立体结构图。

图4为如图3所示的对称型全透镜的光强分布示意图。

图5为本发明的全透镜的透镜区非透镜区的分界面位置示意图。

图6为本发明的一种全透镜光源装置的实施例的立体结构示意图。

图7-1、7-2为本发明的一种全透镜背光光源装置的实施例的剖面结构示意图和立体结构示意图。

图8为透镜基本厚度示意图。

图9为透镜参考厚度示意图。

图10是透镜曲率面夹角和透镜中心切线夹角示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，为本发明的对称型全透镜的实施例的立体结构图和剖面图，在这个实施例中，透镜的形状为在中空的球体上以相交的平面截出的一部分，在该平面上的截面的形状是一个圆环形，这个截面就是透镜的透镜区与非透镜区的分界面。这个截出的部分球体的外表面具有不规则的形状，在该部分球体的顶部向下凹陷，透镜变薄；部分球体的其他部位的厚度也有不同。

该中空的部分球体的内表面为透镜的入光面，外表面为透镜的出光面。

发光二极管位于透镜区与非透镜区的透镜之下、为透镜所覆盖，这就是光源的物理发光区。发光二极管的光源物理发光区域的最大截面的中心点称为光源中心点，从出光面垂直指向透镜区与非透镜区的分界面并和光源中心点连接的直线称为光源中轴线。

图1所示的透镜是轴对称的，在对称轴附近透镜的厚度较小，往两边的厚度较大。

光学透镜一般以光学级PMMA/PC材料，以注塑或挤出的方式制成，本发明的透镜和光源物理出光面均匀紧密接近的透镜面称为透镜入光面，透镜入光面根据需要可生成光滑镜面、磨砂面、点面或齿形面。透镜上光线从透镜出来的物理表面为出光面，图1所示的透镜在不规则的部分球体上由相同曲率或不同曲率组合生成的出光面，根据需要也可生成光滑镜面，磨砂面，点面或齿形面。从光源中心发出的光在垂直于厚度的平面上直接进入透镜，再折射到空气中。光学透镜的所有光线都以折射出光为基本要求，同时满足光强有效分布，使光源系统转换率最大化，实现光源亮度和色彩均匀性要求。

如图2所示为图1所示的本发明的对称型全透镜的实施例的光强分布图，可见在相互垂直同时又垂直于透镜非透镜的分界面的两个面上，光强的分布相同，这样在透镜下面形成圆形照亮区。调整透镜的相关部分的厚度可以调整透镜的光强分布图形状，所以可以根据实际需要调整透镜获得满足需要的光强分布图。

当透镜的入光面为镜面时从光源中心点发出的入射光直接进入透镜内；当透镜的入光面为非镜面时入射光会在入光面部分发生无效反射。本发明中光源LED的发光区为半球形，实际应用中，光源LED的发光区还可以是平圆或凹圆发光光源，本发明的技术方案完全可以应用于这两种光源。

当出光面为镜面时，射出透镜的光不改变方向进入空气中；当出光面为非镜面时，射出透镜的光会改变为不同的方向进入空气中。

在本发明中透镜入光面和光源物理出光面均匀紧密接近，尽可能减少光通量在空气介质中的距离传导损失，光滑镜面要求是在不改变原光源光线的路径直接进入透镜中，实际应用中，可以根据设计需要，适当进行雾化处理，雾化处理提前改变了光线路径，会有一定的光通量损失，所以如果产品实现上达不到设计均匀性和眩光要求，可适当进行雾化处理弥补。

如图3-1所示为本发明的对称型全透镜的另一个实施例的立体结构图，图中可见，透镜的基本形状还是中空的部分球体，该部分球体的不规则外表面类似马鞍形，在截出该部分球体的平面上的截面的形状为圆环状，这个圆环的外园是椭圆，内园是一个圆心与椭圆形外园的中心重合的园。

在透镜上过前述椭圆的短直径的垂直截面是透镜的对称面，在对称面附近，透镜的厚度比较薄，离对称面远处的透镜的厚度比较厚，并在某一个距离上达到最厚。

如图3-2所示为本发明的对称型全透镜的另一个实施例的立体结构图，透镜的基本形状也是中空的部分球体，具有类似马鞍形的不规则外表面，在截出该部分球体的平面上的截面的形状为圆环状，这个圆环的外园是个中间具有如花瓣样突出的长圆形，内园是一个圆心与长圆形外园的中心重合的园。过与这个长圆形的长直径正交的短直径的垂直截面是透镜的对称面，在对称面附近，透镜的厚度比较薄，离对称面远处的透镜的厚度比较厚，并在某一个距离上达到最厚。在对称面上，中间的透镜厚度比较薄，两侧的透镜厚度比较厚。

如图4所示为如图3-1和图3-2所示的透镜的光强分布图，在相互垂直同时又垂直于截面的两个面上光强分布图对称但是不相同，在透镜比较厚的平面上对应的光强更强，面积分布更广。在透镜比较薄的面上对应的光强比较弱，分布面积比较小。同样可根据实际需要调整透镜的相关部分的厚度获得满足需要的光强分布图。

如图5所示为本发明的全透镜的透镜区非透镜区的分界面位置示意图，分界面之上是透镜和物理光源，分界面之下的圆盘是光源底座。

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和背光显示模块的要求，将逐步替代传统该该领域光源产品，现有的直射式LED光源产品，因LED自身定向饱和发光的特性，难以实现亮度和色彩均匀性要求，必须进行二次光学透镜设计。传统应用设计中，为消除产品的眩光和实现均匀性要求的问题，需要进行雾化处理，这样造成很大比例的光通量损失，实际产品的光源有效转换率很低，同样为克服上述因素，弥补光通量损失，会额外增加很多结构和光源成本，能源节俭效果也不明显，本发明所揭示的方案可以最低限度降低系统成本，满足市场化要求。

如图6所示为本发明的一种全透镜光源装置的实施例的立体结构示意图，7个具有二次透镜的发光二极管在透镜与非透镜的分界面上重合一致地排列在一个圆盘上，共同组成一个面积较大的光源。中心位置是三个透镜一行，两边位置是两个透镜一行，相邻行上的透镜位置交错不对齐。

如图7-1、7-2所示为本发明的一种全透镜背光光源装置的实施例的剖面结构示意图和立体结构示意图，多个发光二极管以透镜与非透镜的分界面重合的方式，交错排列在基板上。与发光二极管一一对应的全透镜罩在二极管之上；在透镜之上具有扩散板，在扩散板之上具有显示屏。在基板之下还有一层保护板。

透镜出光面指向光源中心和入光面相交之间的最短距离h为透镜基本厚度，其位置在光源中心线上或出光面边缘线上，如图8所示。透镜基本厚度，是个基本设计数据，当透镜围绕光源中轴线为透镜中轴线时，其基本厚度位置在轴线上。

透镜出光面指向光源中心和和入光面相交之间的最大距离H为透镜参考厚度，其位置在光源中心线以外区域，如图9所示。透镜参考设计数据，透镜参考厚度和基本厚度有一定的配比关系，曲面角度和中心切线角度设定一定的范围，目的是使所有光线均以一次折射出光；折射出去的光强分布角度控制是有效方向的，否则容易出现无效分布，无法利用造成系统光通量损失。

透镜出光曲面边缘的任意一点指向光源中心的连接线和光源中轴线的夹角a为透镜曲面夹角。如图10所示。

光源中轴线上透镜曲面点切线和光源轴线的最小夹角b为透镜中心切线夹角。如图10所示。

在本发明的一个实施例中，二次透镜的基本厚度h和透镜参考厚度H的比例关系如下：

7.5h≥H≥h

透镜曲率面夹角：a≤45°

透镜中心切线夹角：90°≥b≥48°

本发明的透镜出光面是由相同曲面或不同曲面组合而成，且不同曲面数n≥2；由于透镜设计本身已经改变了进入透镜面的光线路径，所以要求透镜出光面为光滑镜面，因为在达到设计光强分布的要求的情况下，镜面处理最好，有时很难达到分布要求或为进一步降低眩光影响，也可以进行全部或局部雾化处理。

雾化处理是改变透镜光线路径，光通量损失相对较小。

本发明公开的发光二极管二次透镜，光源转换率可达92％以上，产品亮度均匀性和色彩均匀性可达80％以上，可以最低限度的降低光源的使用数量，从而最大限度的节省功耗。产品阵列规格设计灵活，产品实现容易。

本方案设计上进行了光强均匀性调整，降低了眩光影响，因此不需要额外辅助结构材料处理相关影响，透镜本身既可以发挥透镜功能，又可以兼外观防护件作用；同时因高效率转换，相应的散热成本也跟随降低，产品结构成本最低。

Claims (10)

1.一种发光二极管透镜，其特征在于，所述透镜的形状为以相交的平面截出的中空的球体的一部分，截面形状为环形；所述部分中空的球体的顶部向下凹陷，凹陷处透镜较薄；所述中空的部分球体的内表面为所述透镜的入光面，外表面为所述透镜的出光面。

2.如权1所述的发光二极管透镜，其特征在于，所述透镜是轴对称的，在对称轴附近透镜的厚度较小，往两边的厚度较大。

3.如权1所述的发光二极管透镜，其特征在于，所述环形的截面形状是外园为中心与内园的圆心重合的椭圆，所述透镜关于过该椭圆的长轴和短轴的垂直截面对称，在所述对称面附近透镜的厚度较小，离所述对称面较远处透镜的厚度较大，并在某一个距离处厚度达到最大。

4.如权2或者3所述的发光二极管透镜，其特征在于，以所述透镜出光面指向光源中心和入光面交点之间的最短距离h为透镜基本厚度，所述透镜出光面指向光源中心并且和入光面交点之间的最大距离H为透镜参考厚度；所述透镜基本厚度h和透镜参考厚度H的比例关系为：7.5h≥H≥h。

5.如权2或者3所述的发光二极管透镜，其特征在于，设光源中轴线上透镜曲面点切线和光源轴线的最小夹角b为透镜中心切线夹角，则透镜中心切线夹角的角度为：90°≥b≥48°。

6.如权2或者3所述的发光二极管透镜，其特征在于，设透镜出光曲面边缘的任意一点指向光源中心的连接线和光源中轴线的夹角a为透镜曲面夹角，则透镜曲率面夹角的角度为：a≤45°。

7.如权1所述的发光二极管透镜，其特征在于，所述透镜的入光面和透镜的出光面为镜面；或者所述透镜的入光面为非镜面，出光面为镜面。

8.一种发光二极管照明装置，其特征在于，包括多个如权利要求1至6所述的任意一种发光二极管透镜组成的发光二极管透镜组，所述发光二极管透镜组的透镜区与非透镜区的分界面相互重合、发光面在同一侧；还包括与每一个所述发光二极管透镜的位置一一对应的、作为光源的发光二极管。

9.如权8所述的发光二极管照明装置，其特征在于，所述发光二极管透镜组和发光二极管多个平行排列成行，相邻行上的发光二极管透镜位置交错不对齐。

10.一种发光二极管背光装置，其特征在于，包括均匀排列在基板上的多个发光二极管光源，和位置与所述发光二极管光源一一对应的如权利要求1至6所述的任意一种发光二极管透镜，所述基板之下还有保护板，所述透镜组之上还有扩散板和显示屏。

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