CN103163576A - 发光二极管镜片及其发光装置 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管镜片及其发光装置，该发光二极管镜片包含光入射面、光出射面与镜片底表面；该光出射面包含设置于中央的出射凹陷部与连接该出射凹陷部的外围的凸出部，且满足特定条件。该光入射面包含一第一及一第二光学作用区，两者之间具有一光程变化点；该第一光学作用区设置于光入射面的中央并具有一入射凹陷部；该第二光学作用区为凹面且连接于该第一光学作用区的外围；该光程变化点的位置满足特定条件。通过该发光二极管镜片所构成的发光装置，可形成均匀且光发散角度至少为120°的光型，以适用于直下式背光模块或作为光源使用。

Description

发光二极管镜片及其发光装置

技术领域

本发明是有关于一种发光二极管镜片及其发光装置，尤指一种适用于液晶显示面板的背光模块，用以形成均匀光型。

背景技术

液晶显示器广泛地应用于电视、笔记型电脑、平版型电脑及手机等具有显示功能的电子产品上。于液晶显示器中，已知可采用冷阴极荧光灯（CCFL）、场效发光器（EL）与发光二极管（Light-EmittingDiodes，LED）等可见光源来作为其背光源。近年来，由于LED具有光亮度均匀、使用寿命长、体积自由度大、低电压（或交流）驱动、不需要逆变器及色域宽广等的优点，使得LED渐渐取代传统的冷阴极荧光灯而成为主流的趋势。

LED背光装置由多个LED排列成与液晶显示器大小相符的阵列。为使显示器各点的光度均匀且尽量没有亮点产生，于先前技术中，主要通过改良覆盖于LED上的光通量控制镜片，使LED的亮度分布均匀。因此，现今采用LED做为背光源的显示器中，如何增进LED背光源的光亮度均匀性或加大光分布范围，则为主要的改善重点，如US 7,348,723、US 7,963,680、US 7,621,657、US 7,798,679、US 7,866,844、US 7,766,530、US 2009/0116245、US 7,474,475及US 7,746,565。

US 7,348,723揭示一种镜片及发光装置，其发光装置1如图1所示，包含一固定于基板12的发光元件11及一镜片13。发光元件11容置于镜片13的半球状凹槽10中，且光束自发光元件11发出后穿透出镜片13的光出射面130。光出射面130包括一第一出光区域130a以及一第二出光区域130b，其中第一出光区域130a为向光轴略微向下凹曲的凸起配置。发光装置1构成的光型分布如图2(其座标的单位请详见US 7,348,723)，为一近轴区的亮度高于离轴区（Off-AxisRegion）亮度的单峰所构成的圆形光型。然，如此的光型分布将造成各发光装置的近轴区的亮度明显地高于离轴区亮度，而有均光性不足的缺点，使其应用时容易在背光模块产生亮点；更由于近轴区较亮，使得采用此发光装置的背光模块必须缩短各发光装置间的距离，以解决均光性不足的问题。再者，由于显示荧幕趋于薄型化的需求以及成本上的考量，增加发光装置的散光性以缩短发光元件至液晶面板的距离或增加各发光元件间的距离，是此类发光装置必须改进的问题。然而，若通过增加光出射面130的折射能力以增加发光装置1的散光性，将可能导致菲涅耳反射现象发生，而造成光通量降低。此外，由于发光装置1具有入射角愈大则出射角与入射角比值愈小，以及当入射角大于半功率角的范围（Half-Intensity-Angular-Range）时，入射角等于出射角的特性，造成入射角等于出射角的区域的光被集中，而产生了明显亮圈。进一步，为了使此亮圈不明显，需通过降低发光装置1的散光性而克服，亦即此发光装置1难以使散光性与均光性兼备。

US 7,621,657揭示的发光装置类似于US 7,348,723，其同样具有近轴区过亮且难以达到高散光性要求的缺点。

US 7766530揭示一种发光装置，其光学镜片的入射面及出射面皆设有凸面及凹面，其中各凸面皆设置于发光装置的光轴上，而各凹面位于镜片的边缘处，且两凸面间及两凹面间的曲率不同，进而形成近似钟型的镜片。然而，其亦为近轴区亮度较高的设计，且由于各凹面使侧向光束被折射成向上光束，而各凸面使向上光束被折射成侧向光束，故此类发光装置仍具有均光性及散光性不足的缺点。

US 7,866,844及US 2009/0116245进一步揭示入射面具有锯齿状结构与凹部的光学镜片，以达到散热及避免产生亮圈的目的，然而其同样为近轴区亮度较高的设计，而无法满足高均光与高散光的需求。

为加强发光装置的散光性，US 7,963,680、US 7,798,679、US 7,474,475及US 7,746,565所揭示的发光装置的光学镜片中，其入射侧皆具有凹槽（或凹曲部）且出射侧皆具有设置于中央的凹部与围绕该凹部的凸部。其中，US 7,963,680的光学镜片的出射面的中央凹部为锥状且入射侧的凹槽为圆头的子弹状，其入射侧的凹槽的开口直径小于高度，并符合特定条件使得中央凹部处仅发生折射而不反射。如此，当US 7,963,680的光学镜片覆盖于LED上时，会产生一光分布较广且近轴区亮度较弱的光型，然而如此的设计仍然无法达到薄型化的要求。另外，US 7,798,679虽减低近轴区的亮度，并通过光入射面的曲面来增进镜片的屈折力并同时达到均光目的，但此类的技术于实际应用时，其所构成的发光装置所发出的光型仍有中央暗区过大的问题，以至于其较难应用于要求更薄型化的显示装置中。

US 7,474,475及US 7,746,565分别揭示一种发光装置，其发光二极管镜片的面形均较为复杂，不易制造，且其镜片的出射侧的光轴上皆设置有一凹部，且入射至凹部的光束会被全反射至镜片的折射部，藉此，减弱近轴区的光强度并增加光的发散角度。然而，US 7,474,475及US 7,746,565除了有加工繁杂的缺点外，其复合球面的面形还导致镜片的厚度较大且精度较低，不利于薄型显示器的制作。

从广义上来说，除了球面和平面以外的表面都可以称为非球面，包括非对称性的空间曲面（或称自由曲面）。由于非球面镜片在简化光电装置的结构、减小系统的尺寸和重量等方面有显著的作用，因此非球面镜片在各领域的光电仪器中得到愈来愈广泛的应用。

若应用于液晶荧幕的LED组件设计不良时，可能会造成亮点、色差、需高密度布局或增加其他可加强均光等功效的元件的配置的缺点。其中，当LED组件具有近轴区亮度过高的问题时，可能会导致色差而影响液晶荧幕的演色性。此外，高密度布局的LED组件更影响了制造成本、散热及装置寿命，而增加其他元件的配置更影响了显示荧幕的体积。由于显示荧幕趋于薄型化、画质拟真及成本最小化的需求，如何在高均光度的要求下同时增加发光装置的散光性、降低色差并使发光二极管镜片趋于薄型化，为现今LED背光模块的制造商急欲改善的问题。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种发光二极管镜片及其发光装置，以应用于LED背光模块中，其能形成均匀且光发散角度（emission angle）至少为120°的光型，用以提升显示品质、降低色差及满足高均光、高散光性与薄型化的需求，并有效减少LED发光装置的配置数目，进而减少LED背光模块的体积、减少背光模块中热能的累积与降低成本。

为达成上述的目的，本发明提出一种发光二极管镜片，适用于一发光二极管背光源的一发光装置，该发光装置包含一发光二极管及该发光二极管镜片，该发光二极管镜片用以偏折发光二极管所发出的光束。发光二极管镜片具有一旋转对称轴，且包括一光入射面、一光出射面与一镜片底表面。发光二极管镜片的镜片底表面自光入射面延伸出并与光出射面相接。光出射面为非球面，且包含一出射凹陷部及一凸出部，该出射凹陷部位于光出射面的中央，该凸出部连接于出射凹陷部的外围。光出射面满足下列条件：

L_t/R_e≤0.4    ……式（1）

其中，L_t为光出射面任一点沿旋转对称轴方向至光入射面或镜片底表面的距离的最大值；R_e为光出射面的直径。

发光二极管镜片的光入射面构成具有一开口之一凹穴，其包含一第一光学作用区及一第二光学作用区。第一光学作用区设置于该光入射面的中央且具有一入射凹陷部；第二光学作用区连接第一光学作用区的外围，其光学面为一凹面。第一光学作用区与第二光学作用区的邻接点为一光程变化点，设光入射面的开口的中心为一入射原点，该光程变化点至入射原点的连线与旋转对称轴间具有夹角θ₀。光入射面满足以下条件：

R_ir/R_i≤0.3      ……式（2）

$0.6\&le;\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{OI}}}_0\&times;\tan {\mathrm{\&theta;}}_0}{S_{\mathrm{ir}}}<1$ ......式(3)

其中，R_ir为第一光学作用区在光程变化点的直径，亦即，自光程变化点沿垂直于旋转对称轴的方向至旋转对称轴的距离的两倍；R_i为光入射面相对于发光二极管所形成的开口的直径；

为入射原点至光入射面与旋转对称轴的一交点的连线长度；S_ir为自第一光学作用区与旋转对称轴的交点沿着其光学面至光程变化点的长度；

其中，入射原点至光入射面上任一点的连线与旋转对称轴的夹角为θ，当θ＜θ₀时，随着θ渐大，自入射原点至光入射面的距离将渐增；当θ₀≤θ≤45°时，随着θ渐大，自入射原点至光入射面的距离将渐减。

较佳地，为使本发明的发光二极管镜片的光入射面可进一步地使光束分配的更均匀，以增进发光装置的均光性，发光二极管镜片更满足以下条件：

$1.01\&le;\frac{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OP}}_0}}{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OI}}_0}}\&le;1.1$ ……式（4）

其中，

为入射原点至光程变化点的距离；

为入射原点至光入射面与旋转对称轴的一交点的连线长度。藉此，光入射面的第一光学作用区将使光束被适当地折射，以修正发光二极管所发出的朗伯型光源为较均匀光型。此外，当式（2）与式（3）的值固定时，随着式（4）的值提高，光入射面将使出射自第一光学作用区的光束被以较低的密度分配到较靠近光轴的区域。

较佳地，为使本发明的发光二极管镜片的光出射面可进一步地具有适当的屈折力，以增进光源装置的均光性，发光二极管镜片更满足以下条件：

$\frac{1}{6}\&le;\frac{R_{\mathrm{er}}}{R_E}\&le;\frac{5}{12}$ ……式（5）

其中，R_er为光出射面的出射凹陷部的直径，亦即，自光出射面的至高点沿着垂直于旋转对称轴方向至旋转对称轴的距离的两倍，其中，光出射面的至高点定义为光出射面上，自光出射面沿着旋转对称轴方向至镜片底表面所处的平面具有最大距离的对应位置；R_E为光出射面的直径。若满足式（5），即出射凹陷部的直径大于等于光出射面的直径的六分之一时，可加大出射凹陷部的相对长度，使出射自出射凹陷部的光线可以被适当地分散，避免在近轴区域过度集中；或，当出射凹陷部的直径小于光出射面的直径的十二分的五时，可限制出射凹陷部的相对长度，使出射自出射凹陷部的光线不致于过度发散，而达到均光效果。

其中，光入射面的第一光学作用区可为自光程变化点朝光出射面的方向延伸至一入射面至高点，且自入射面至高点逐渐朝镜片底表面所处的平面下凹并与旋转对称轴形成一顶点的凹面，亦即，光入射面的第一光学作用区相对于光源（即发光二极管）而言为凹面（因为该凹面的曲率中心位于该光源侧）。入射面至高点定义为，光入射面上，自光入射面至镜片底表面所处的平面具有最大距离的对应位置。

其中，光入射面的入射凹陷部的光学面可为自光程变化点朝镜片底表面所处的平面下凹的凹面或凸面，亦即，入射凹陷部的光学面相对于光源而言分别可为凹面或凸面。

其中，光入射面的第一光学作用区可形成与旋转对称轴斜交的一圆锥状凹穴或以旋转对称轴为顶点且开口朝光出射面的一抛物面凹穴的其中之一或其组合。

其中，光出射面的出射凹陷部的光学面可为自凸出部的内缘朝光入射面的方向下凹并于旋转对称轴上形成一顶点的凹面，亦即，出射凹陷部的光学面相对于光源而言为凹面。

其中，光出射面的出射凹陷部的光学面可为自凸出部的内缘朝光入射面的方向下凹的凸面，亦即，出射凹陷部的光学面相对于光源而言为凸面。

其中，发光二极管镜片可更具有一光源固定部，该光源固定部系自镜片底表面向下延伸出，用以固定一光源（即发光二极管）。

根据本发明的目的，再提出一种发光装置，其包含如前所述的发光二极管镜片与发光二极管。发光二极管用以发出一光束，且具有一发光面。较佳地，发光二极管的发光面中心系设置于发光二极管镜片的旋转对称轴上。其中，经由发光二极管镜片的光入射面入射且出射于光出射面的光束系以光轴为中心形成角度大于120°的均匀光型。

于发光装置中，发光二极管的发光面可设置于发光二极管镜片的光入射面的开口所处的平面或其下方。进一步地，为使发光二极管镜片可有效地聚集并投射来自发光二极管的光束，该间距d系可满足以下条件：

0≤d≤2L_t    ……式（6）

其中，d为发光二极管镜片的光入射面的开口所处的平面与发光二极管的发光面间的一间距；L_t为发光二极管镜片的光出射面任一点沿旋转对称轴方向至光入射面或镜片底表面的距离的最大值。

于发光装置中，自发光二极管发出的光束先经过低折射率的介质，再入射至发光二极管镜片，其中低折射率的介质是指折射率较发光二极管镜片的折射率低的介质；在不同的应用中，此介质可为空气、透明的硅胶或混入荧光粉的硅胶（光波长转换元件、WCC、wavelengthconversion component）等，但不为所限。

通过本发明的发光二极管镜片及其发光装置，可具有下列一个或多个优点：

1、通过本发明的发光二极管镜片所构成的发光装置，可产生光发散角度大于120°的均匀光型，以改善近轴区过亮或过暗的问题及增进色均匀度。此外，更可有效地减少背光模块中的发光装置与其他可加强均光等功效的元件的配置数量，进而减少LED背光模块的体积、减少背光模块中热能的累积与降低成本。

2、进一步地，通过选择性地配合本发明的式（4）或（5）的限制，分别控制本发明的发光二极管镜片的光入射面或光出射面的光学面，使发光二极管镜片可进一步地将光束分配的更均匀，以避免其构成的发光装置所产生的光型具有明显亮圈或过大的中央暗区。如此一来，均光性较佳的发光装置将更容易制作。

附图说明

图1为现有技术的发光装置的示意图；

图2为现有技术的发光装置的光型示意图；

图3为本发明的发光二极管镜片及其发光装置的结构示意图；

图4为本发明的发光装置的另一结构示意图；

图5为本发明的发光二极管镜片的夹角θ与光束入射至镜片的光入射面的任一点的光程长的关系图；

图6为本发明的发光装置的极座标光强度分布图(单位为cd与角度度数)；

图7为本发明的发光装置照射于薄板上的照度曲线图；

图8-13为本发明的发光装置的第一至第六实施例的示意图；及

图14为本发明的发光装置的实施例的爆炸透视图。

附图标记说明：1-发光装置；10-凹槽；11-发光元件；12-基板；13-镜片；130-光出射面；130a-第一出光区域；130b-第二出光区域；2-发光装置；3-发光二极管；30-基板；31-发光二极管芯片；32-荧光粘胶层；4-发光二极管镜片；40-光入射面；41-光出射面；42-镜片底表面；43-光源固定部；400-第一光学作用区；400a-入射凹陷部；401-第二光学作用区；410-凹陷部；411-凸出部；412-垂直部；L-光束；Z-旋转对称轴(rotatin gsymmetric axis)；P0-光程变化点(optical  path changepoint)；E₀-光轴与光出射面的凹陷部的交点；E_t-光出射面的至高点；O-入射原点；O’-发光二极管的发光面中心；：发光二极管的发光面中心至光入射面与光轴的交点的连线长度；d-发光二极管镜片的镜片底表面所处的平面与发光二极管的发光面所处的平面间的间距；θ₀-光程变化点至发光二极管的发光面中心的连线与光轴间的夹角。

具体实施方式

以下结合附图，就本发明上述的和另外的技术特征和优点做进一步的说明。

参阅图3，为本发明的发光二极管镜片及其发光装置的结构示意图。本发明的发光装置2适用于发光二极管背光模块中，其包括发光二极管3与发光二极管镜片4。发光二极管3可包括基板30、发光二极管芯片31以及荧光粘胶层32，而基板30可包括一凹部以供设置发光二极管芯片31。于较佳实施例中，基板30的凹部可填充有荧光粘胶层32，使发光二极管芯片31被覆盖并固定于基板上，并使基板30的凹部的表面做为发光二极管3的发光面。其中，荧光粘胶层32的材料例如为硅氧树脂，并混合有例如荧光粉的波长转换物质。

发光二极管镜片4具有一旋转对称轴Z，且包括一光入射面40、一光出射面41与一镜片底表面42。其中，镜片底表面42自光入射面40延伸出并与光出射面41相接。于较佳的实施例中，镜片底表面42上可镀有反射层或贴上可反射光的材质，以增加发光装置2的光利用率。于另一些较佳地实施例中，镜片底表面42设置有多个不规则形状的凸部与凹部，以避免自镜片底表面42入射的光束聚集所产生的照度不均的现象。发光装置2的光轴是指自其发光二极管镜片4出射的立体光束的中心轴。于发光装置2中，发光二极管镜片4的光入射面40系设置于发光二极管3的发光面上，较佳地，需使发光二极管镜片4的旋转对称轴Z垂直于发光二极管3的发光面。对于较精确的组合工艺，可使发光二极管镜片4的旋转对称轴Z通过发光二极管3的发光面的几何中心O’，更佳地，可使发光二极管镜片4的旋转对称轴Z与发光二极管3的机械轴重迭。于本发明的所有实施例中，以发光二极管镜片4的旋转对称轴Z与发光二极管3的机械轴重迭的情况为例进行说明，如图3所示，发光二极管镜片4可使来自发光二极管3的光束L被偏折而远离发光装置2的光轴，以提升光发散角度。

于一些非限制性的实施例中，发光二极管3可埋入发光二极管镜片4的光入射面40所形成的凹穴中（如图8所示）。设光入射面40所形成的凹穴的开口中心为一入射原点O，于另一些非限制性的实施例中，发光二极管3的发光面中心O’可设置于发光二极管镜片4的入射原点O上(如图9所示)。于较佳实施例中，发光二极管3的发光面中心O’系设置于发光二极管镜片4的光入射面40的入射原点O下方且具有一间距d（如图4所示），如此将更有利于散热。为使发光二极管镜片4可有效地聚集并投射来自发光二极管3的光束，间距d可进一步地满足式（6）的条件。例如，在不同的应用中，此间距d可为发光二极管3发光层厚度的1-3倍距离如0.1-0.3mm，但不为所限。其中，镜片底表面42所处的平面与发光二极管3的发光面之间的间距d可填入低于发光二极管镜片4折射率的介质，此介质可为空气、透明的硅胶或混入荧光粉的硅胶等不为所限。

制作发光二极管镜片4的材料可为玻璃或透明树脂，透明树脂例如聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）、聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）、聚乳酸（PLA），但不为所限。为节省成本，可采用折射率为1.49至1.53的光学塑料。

发光二极管镜片4的光出射面41为对称于旋转对称轴Z的非球面，其包含一出射凹陷部410及一凸出部411，该出射凹陷部410系位于光出射面41的中央，该凸出部411系连接于出射凹陷部410的外围。于其中一实施例中，光出射面41可更包括一垂直部412，该垂直部412系大致上与旋转对称轴Z平行，并连接于凸出部411外围，其有助于降低杂光现象。出射凹陷部410系使光束更进一步地往垂直于光轴的方向偏折，以分配近轴处光束的密度并降低发光装置2所发出光型的中央区亮度，同时可增加其光发散角度。

同时参阅图3、4，旋转对称轴Z与光出射面41的出射凹陷部410的交点为E₀，于较佳的实施例中，E₀亦通过光轴Z；光出射面41的出射凹陷部410与凸出部411的邻接点为至高点E_t，其定义为光出射面41上，自光出射面41任一点沿旋转对称轴Z方向至光入射面41或镜片底表面42具有最大距离L_t的对应位置。如图4所示，线段

与旋转对称轴间Z具有夹角θ_er。光出射面41的至高点E_t延垂直于旋转对称轴Z方向至旋转对称轴Z的距离的两倍即为出射凹陷部410的直径R_er。为使发光装置2的光发散角度至少为120°，光出射面41需满足式（1）的条件。于较佳的实施例中，为使发光二极管镜片4的光出射面41可适当地偏折光束，以将光束分布得更均匀同时降低亮圈的产生，发光二极管镜片4的光出射面41的出射凹陷部410可进一步地满足式（5）的条件。

另外，于一些实施例中，发光二极管镜片4的光出射面41的出射凹陷部410的光学面可为自凸出部411的内缘朝光入射面40的方向下凹并于旋转对称轴Z上形成一顶点的凹面，如图4所示，出射凹陷部410的光学面相对于发光二极管3而言为凹面。于另一些实施例中，光出射面41的出射凹陷部410的光学面可为自凸出部411的内缘朝光入射面40的方向下凹的凸面，如图3所示，出射凹陷部410的光学面相对于发光二极管3而言为凸面。

本发明的发光二极管镜片4的光出射面41为非球面，于本发明的各实施例中，系采用如下的非球面方程式（aspherical surface formula）来表示非球面的形状：

$Z\left(h\right)=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\sqrt{(1-(1+K)c^2{h}^2)}}+A_2{h}^2+A_4{h}^4+A_6{h}^6+A_8{h}^8+A_{10}{h}^{10}$ …式（7）

其中，Z(h)为镜片的光学面上任一点以光轴方向至镜片中心点切平面的距离(SAG值)，c是非球面顶点的曲率，h为镜片的光学面上任一点沿垂直光轴的方向至光轴的距离，K为圆锥系数(conic constant)、A₂、A₄、A₆、A₈、A₁₀分别二、四、六、八、十阶的非球面修正系数（Nth OrderAspherical Coefficient）。需注意的是，这里所列的非球面方程式仅为非球面形状表现的一种方式，任何可表示轴对称的非球面方程式应当皆可利用以制作出本发明的发光二极管镜片4，而不应当为此所限。

发光二极管镜片4的光入射面40构成具有开口的凹穴，其包含一第一光学作用区400及一第二光学作用区401。第一光学作用区400与第二光学作用区401的邻接点为一光程变化点P₀，该光程变化点P₀至入射原点O的连线与旋转对称轴Z间具有夹角θ₀。其中，第一光学作用区400系设置于光入射面40的中央且具有一入射凹陷部400a。入射凹陷部400a系为入射面至高点所围成的区域。入射面至高点延旋转对称轴Z方向至通过光入射面40与旋转对称轴Z的交点且垂直于旋转对称轴Z的平面的距离定义为入射凹陷部400a的深度D_ir。入射面至高点至光入射面40与旋转对称轴Z的交点的连线与旋转对称轴Z间具有夹角θ_ir。设入射原点O至光入射面40上任一点的连线与旋转对称轴Z的夹角为θ，如图5所示，当θ＜θ₀时，随着θ渐大，自入射原点O至光入射面40的距离将渐增。第二光学作用区401连接于第一光学作用区400的外围，且其光学面为一凹面。当θ₀≤θ≤45°时，随着θ渐大，自入射原点O至光入射面40的距离将渐减。由此，入射至第一光学作用区400与第二光学作用区401的光束可依各曲面设计而有不同的偏折效果，以增进光发散角度与光束分布的均匀性。

其中，入射凹陷部400a可使射入入射凹陷部400a的光束被汇聚，以补偿发光装置2所产生的光型的中央区域的光强度，以克服为了提高发光装置2的光发散角度，发光二极管镜片4将大部分的光束偏折向垂直于光轴的平面，使发光装置2所发出的光型具有中央暗区的问题。然而由于设计不佳的入射凹陷部400a将使发光装置2的近轴区亮度过高，因此本发明的发光二极管镜片4的光入射面40需满足式（2）及（3）的条件，使发光装置2所发出的光型同时具有高光发散角度与高均光性的优点。另外，于较佳实施例中，为避免光束过度地汇聚于近轴区，可于入射凹陷部400a设置微结构(micro-structure)，该微结构的深宽比甚小，不影响自入射原点O至入射凹陷部400a任一点的距离；又微结构可为菲涅尔结构、锯齿结构或不规则表面，不为所限。

另外，为利于制作本发明的发光二极管镜片4，并增进发光装置2的均光性，于较佳的实施例中，发光二极管镜片4更可满足式（4）的条件，以限定入射原点O至第一光学作用区400的最大距离（即）与最小

距离（即）的比值范围，来说明本发明较佳实施例的发光二极管镜片4的光入射面40的形状。

于一些实施例中，光入射面40相对于发光二极管3所形成的开口直径Ri可略大于或等于发光二极管3的发光面直径。为有效固定发光二极管镜片4与发光二极管3，并提供一空间以容许发光二极管3与发光二极管镜片4的安装误差，发光二极管镜片4可具有一光源固定部43，该光源固定部43自镜片底表面42向下延伸出(如图14所示)。发光二极管3所发出的光束可先经过低折射率的介质，再依序入射至发光二极管镜片4的光入射面40与光出射面41，以增加发光装置2的光发散角度。其中，所述低折射率的介质是指折射率较发光二极管镜片4低的介质，例如空气或硅胶；以下实施例为方便比较说明，则均采用空气介质为说明。

光入射面40的第一光学作用区400的入射凹陷部400a的光学面可为球面、非球面、抛物面或平面之一或其组合。于一些实施例中，光入射面40的第一光学作用400区可形成与旋转对称轴Z斜交的一圆锥状凹穴（未绘示出）。以下将以光入射面40的第一光学作用区400相对于发光二极管3而言为凹面或凸面来定义第一光学作用区400的光学面。于一些较佳实施例中，光入射面40的第一光学作用区400可为自光程变化点P₀朝光出射面41的方向延伸至入射面至高点，且自该入射面至高点逐渐朝镜片底表面42所处的平面下凹并与旋转对称轴Z形成一顶点的凹面（如图8所示）。又，于较佳实施例中，光入射面40的第一光学作用区400的光学面可为自光程变化点P₀朝镜片底表面42所处的平面下凹并与旋转对称轴Z形成一顶点的凹面（如图9-12所示)。于另一些较佳实施例中，光入射面40的第一光学作用区400的光学面可为自光程变化点P₀朝镜片底表面42所处的平面下凹的凸面，例如，如图13所示，第一光学作用区400可形成以旋转对称轴Z为顶点且开口朝光出射面41的一抛物面凹穴，但凸面可如上说明或依据光学效果而设置，不为此限。

参阅图6，为本发明的发光装置2的极座标光强度分布图（polarcandela distribution plot），以表示发光装置2的光出射面正上方的光强度分布情形。如图6所示，于发光装置2所产生的光型中，中央区域（此例为当光束与光轴Z的夹角小于40°时）其各立体角内的光通量大小，即坎德拉值（candela,cd），均小于2cd，而于中央区域的外围，随着光束与光轴Z的夹角上升，其坎德拉值陡升。于本例中，发光二极管3的发光面中心O’至其所发出光型的光强度峰值的连线与发光装置2的光轴间的夹角θ_T约为72°；而最大有效发散角θ_M约为163°。其中，有效发散角定义为具有最大光通量的半值的临界角。

参阅图7，为本发明的发光装置2照射于相距为22.5mm的薄板(大小为100x100mm)上的照度(Illuminance)曲线图。由图7可知，本发明的发光装置2所产生的光型中的最大照度与最小照度分别与平均照度的差异均甚小，亦即，发光装置2具有优良的均匀性，以利于使用在薄型化的显示装置中。

为说明根据本发明的主要技术特征所衍生的各实施例，以下将列出共6种态样的发光二极管镜片4，然而本发明的发光二极管镜片4的尺寸、各项系数及各组成的数据皆应不为所限。另外，于各实施例中所采用的发光二极管3的发光面的直径均为2.1mm。又本发明所揭示的实施例为了说明本发明的实施态样，选其技术特征符合式（1）-式（6）者，但不以此为限制。

<第一实施例>

参考图8，其为本发明的发光装置2的第一实施例示意图。

下列表（一）为本例中发光二极管镜片4的光出射面41于式（7）中的各项系数：

表（一）、本实施例光出射面的非球面系数

下列表（二）列有本例中发光二极管镜片4的各项数值（如图4所示)、折射率（N_d），与发光二极管镜片与发光二极管3的发光面的距离d：

表(二)、本实施例发光装置的各项数值

本实施例中，光入射面40的第一光学作用区400的光学面为自光程变化点P₀朝光出射面41的方向延伸至入射面至高点，且自该入射面至高点逐渐朝镜片底表面所处的平面下凹并与旋转对称轴Z形成一顶点的凹面。光出射面的出射凹陷部的光学面为自凸出部的内缘朝光入射面的方向下凹的凸面，且于光出射面的近轴区内，光出射面近似垂直于旋转对称轴Z。于本实施例中，发光二极管3埋入发光二极管镜片4的光入射面40所形成的凹穴中，因此发光二极管3与发光二极管镜片4之间距为负值。另外，发光二极管镜片4的光入射面40与光出射面41的其他的技术特征已载于先前的描述中，故于此便不再赘述。

于本实施例中，式(1)至(5)的计算结果如下：

L_t/R_e=0.309

R_ir/R_i=0.134

$\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{OI}}}_0\&times;\tan {\mathrm{\&theta;}}_0}{S_{\mathrm{ir}}}=0.702$

$\frac{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OP}}_0}}{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OI}}_0}}=1.078$

$\frac{R_{\mathrm{er}}}{R_e}=0.372$

因此，本实施例的发光二极管镜片4符合式（1）至（5）的要求，使光束分配的广而均匀，以构成高均光、高散光性及低色差的发光装置2。

<第二实施例>

参考图9，其为本发明的发光装置的第二实施例示意图。

下列表（三）为本例中发光二极管镜片4的光出射面41于式（7）中的各项系数：

表（三）、本实施例光出射面的非球面系数

下列表（四）列有本例中发光二极管镜片4的各项数值、折射率（N_d），与发光二极管镜片与发光二极管3的发光面的距离d：

表（四）、本实施例发光装置的各项数值

本实施例中，光入射面40的第一光学作用区的光学面为自光程变化点P₀朝镜片底表面所处的平面下凹并与旋转对称轴Z形成一顶点的凹面。于本实施例中，发光二极管3的发光面设置于发光二极管镜片4的光入射面40所形成的凹穴开口，且恰巧位于发光二极管镜片4的镜片底表面所处的平面上，因此发光二极管3与发光二极管镜片4的间距为零。另外，发光二极管镜片4的光入射面40与光出射面41的其他的技术特征已载于先前的描述中，故于此便不再赘述。

于本实施例中，式（1）至（5）的计算结果如下：

L_t/R_e=0.305

R_ir/R_i=0.172

$\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{OI}}}_0\&times;\tan {\mathrm{\&theta;}}_0}{S_{\mathrm{ir}}}=0.780$

$\frac{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OP}}_0}}{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OI}}_0}}=1.079$

$\frac{R_{\mathrm{er}}}{R_e}=0.346$

因此，本实施例的发光二极管镜片4符合式（1）至（5）的要求，使光束分配的广而均匀，以构成高均光、高散光性及低色差的发光装置2。

<第三实施例>

参考图10，其为本发明的发光装置的第三实施例示意图。

下列表（五）为本例中发光二极管镜片4的光出射面41于式（7）中的各项系数：

表（五）、本实施例光出射面的非球面系数

下列表（六）列有本例中发光二极管镜片4的各项数值、折射率（N_d），与发光二极管镜片与发光二极管3的发光面的距离d：

表（六）、本实施例发光装置的各项数值

本实施例中，光入射面40的第一光学作用区的光学面为自光程变化点P₀朝镜片底表面所处的平面下凹并与旋转对称轴Z形成一顶点的凹面。另外，发光二极管镜片4的光入射面40与光出射面41的其他的技术特征已载于先前的描述中，故于此便不再赘述。

于本实施例中，式（1）至（5）的计算结果如下：

L_t/R_e=0.303

R_ir/R_i=0.162

$\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{OI}}}_0\&times;\tan {\mathrm{\&theta;}}_0}{S_{\mathrm{ir}}}=0.853$

$\frac{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OP}}_0}}{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OI}}_0}}=1.053$

$\frac{R_{\mathrm{er}}}{R_{e}16}=$

$0.346$

因此，本实施例的发光二极管镜片4符合式（1）至（5）的要求，使光束分配的广而均匀，以构成高均光、高散光性及低色差的发光装置2。

<第四实施例>

参考图11，其为本发明的发光装置的第四实施例示意图。

下列表（七）为本例中发光二极管镜片4的光出射面41于式（7）中的各项系数：

表（七）、本实施例光出射面的非球面系数

下列表（八）列有本例中发光二极管镜片4的各项数值、其折射率（N_d），与发光二极管镜片与发光二极管3的发光面的距离d：

表（八）、本实施例发光装置的各项数值

本实施例中，光入射面40的第一光学作用区的光学面为自光程变化点P₀朝镜片底表面所处的平面下凹并与旋转对称轴Z形成一顶点的凹面。另外，发光二极管镜片4的光入射面40与光出射面41的其他的技术特征已载于先前的描述中，故于此便不再赘述。

于本实施例中，式（1）至（5）的计算结果如下：

L_t/R_e=0.296

R_ir/R_i=0.189

$\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{OI}}}_0\&times;\tan {\mathrm{\&theta;}}_0}{S_{\mathrm{ir}}}=0.842$

$\frac{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OP}}_0}}{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OI}}_0}}=1.056$

$\frac{R_{\mathrm{er}}}{R_e}=0.299$

因此，本实施例的发光二极管镜片4符合式（1）至（5）的要求，使光束分配的广而均匀，以构成高均光、高散光性及低色差的发光装置2。

<第五实施例>

参考图12，其为本发明的发光装置的第五实施例示意图。

下列表（九）为本例中发光二极管镜片4的光出射面41于式（7）中的各项系数：

表（九）、本实施例光出射面的非球面系数

下列表（十）列有本例中发光二极管镜片4的各项数值、其折射率（N_d），与发光二极管镜片与发光二极管3的发光面的距离d：

表（十）、本实施例发光装置的各项数值

本实施例中，光入射面40的第一光学作用区的光学面为自光程变化点P₀朝镜片底表面所处的平面下凹并与旋转对称轴Z形成一顶点的凹面。光出射面的出射凹陷部的光学面为自凸出部的内缘朝光入射面的方向下凹并于旋转对称轴Z上形成一顶点的凹面。另外，发光二极管镜片4的光入射面40与光出射面41的其他的技术特征已载于先前的描述中，故于此便不再赘述。于本实施例中，式（1）至（5）的计算结果如下：

L_t/R_e=0.325

R_ir/R_i=0.203

$\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{OI}}}_0\&times;\tan {\mathrm{\&theta;}}_0}{S_{\mathrm{ir}}}=0.871$

$\frac{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OP}}_0}}{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OI}}_0}}=1.075$

$\frac{R_{\mathrm{er}}}{R_e}=0.369$

因此，本实施例的发光二极管镜片4符合式（1）至（5）的要求，使光束分配的广而均匀，以构成高均光、高散光性及低色差的发光装置2。

<第六实施例>

参考图13，其为本发明的发光装置的第六实施例示意图。

下列表（十一）为本例中发光二极管镜片4的光出射面41于式（7）中的各项系数：

表(十一)、本实施例光出射面的非球面系数

下列表（十二）列有本例中发光二极管镜片4的各项数值、其折射率（N_d），与发光二极管镜片与发光二极管3的发光面的距离d：

表(十二)、本实施例发光装置的各项数值

本实施例中，光入射面40的第一光学作用区系形成以旋转对称轴Z为顶点且开口朝光出射面41之一抛物面凹穴。另外，发光二极管镜片4的光入射面40与光出射面41的其他的技术特征已载于先前的描述中，故于此便不再赘述。

于本实施例中，式（1）至（5）的计算结果如下：

L_t/R_e=0.324

R_ir/R_i=0.168

$\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{OI}}}_0\&times;\tan {\mathrm{\&theta;}}_0}{S_{\mathrm{ir}}}=0.913$

$\frac{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OP}}_0}}{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OI}}_0}}=1.031$

$\frac{R_{\mathrm{er}}}{R_e}=0.203$

因此，本实施例的发光二极管镜片4符合式（1）至（5）的要求，使光束分配的广而均匀，以构成高均光、高散光性及低色差的发光装置2。

综上所述，通过本发明的发光二极管镜片及其发光装置，可产生光发散角度大于120°的均匀光型。藉此，当本发明的发光二极管镜片及其发光装置应用于LED背光模块中时，可有效提升显示品质、降低色差及满足高均光与高散光性的需求，并有效减少LED组件的配置数目进而减少LE D背光模块的体积、减少背光模块中热能的累积与降低成本。再者，更可通过式（4）至式（6）的其中一式或其组合来制作出均光性更佳的发光装置，尤其，用以修正发光装置中央区域的亮度，并提高光分配的广度及均匀度，以进一步提升其发散角度、均光性、修正色差并且使其易于使用在薄型的显示器中。

以上所示仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的。在本专业技术领域具通常知识人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变、修改，甚至等效的变更，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种发光二极管镜片，其特征在于，该发光二级管镜片具有一旋转对称轴，还包含一光入射面、一光出射面及一镜片底表面，该镜片底表面自该光入射面延伸出并与该光出射面相接；

该光出射面为非球面，且包含一出射凹陷部及一凸出部，该出射凹陷部位于该光出射面的中央，该凸出部连接于该出射凹陷部的外围；该光出射面满足下列条件：

L_t/R_e≤0.4

其中，L_t为该光出射面任一点沿该旋转对称轴方向至该光入射面或该镜片底表面的距离的最大值；R_e为该光出射面的直径；

该光入射面构成具有一开口的一凹穴，其包含一第一光学作用区及一第二光学作用区；该第一光学作用区设置于该光入射面的中央并具有一入射凹陷部；该第二光学作用区连接该第一光学作用区，其光学面为一凹面；该第一光学作用区与该第二光学作用区邻接点为一光程变化点，设该光入射面的该开口的中心为一入射原点，该光程变化点至该入射原点的连线与该旋转对称轴间具有夹角θ₀；该光入射面满足以下条件：

R_ir/R_i≤0.3

$0.6\&le;\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{OI}}}_0\&times;\tan {\mathrm{\&theta;}}_0}{S_{\mathrm{ir}}}<1$

其中，R_ir为该第一光学作用区在光程变化点的直径；R_i为该光入射面的直径；

为该入射原点至该光入射面与该旋转对称轴之一交点的连线长度；S_ir为自该第一光学作用区与该旋转对称轴的交点沿着其光学面至该光程变化点的长度；

其中该入射原点至该光入射面上任一点的连线与该旋转对称轴的夹角θ，当θ＜θ₀时，随着θ渐大，自该入射原点至该光入射面的距离将渐增；当θ₀≤θ≤45°时，随着θ渐大，自该入射原点至该光入射面的距离将渐减。

2.如权利要求1所述的发光二极管镜片，其特征在于，该发光二极管镜片更满足以下条件：

$1.01\&le;\frac{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OP}}_0}}{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{OI}}_0}}\&le;1.1;$

其中，

为该入射原点至该光程变化点的距离；

为该入射原点至该光入射面与该旋转对称轴的一交点的连线长度。

3.如权利要求1所述的发光二极管镜片，其特征在于，该发光二极管镜片更满足以下条件：

$\frac{1}{6}\&le;\frac{R_{\mathrm{er}}}{R_e}\&le;\frac{5}{12}$

其中，R_er为该光出射面的该出射凹陷部的直径；R_e为该发光二极管镜片的该光出射面的直径。

4.如权利要求1所述的发光二极管镜片，其特征在于，该光入射面的该第一光学作用区的该入射凹陷部的光学面为球面、非球面、抛物面或平面之一或其组合。

5.如权利要求1所述的发光二极管镜片，其特征在于，该光入射面的该第一光学作用区为自该光程变化点朝该光出射面的方向延伸至一入射面至高点，且自该入射面至高点逐渐朝该镜片底表面所处的平面下凹并与该旋转对称轴形成一顶点的凹面。

6.如权利要求1所述的发光二极管镜片，其特征在于，该光入射面的该第一光学作用区的光学面为自该光程变化点朝该镜片底表面所处的平面下凹并与该旋转对称轴形成一顶点的凹面。

7.如权利要求1所述的发光二极管镜片，其特征在于，该光入射面的该第一光学作用区的光学面为自该光程变化点朝该镜片底表面所处的平面下凹的凸面。

8.如权利要求1所述的发光二极管镜片，其特征在于，该光入射面的该第一光学作用区形成与该旋转对称轴斜交的一圆锥状凹穴或以该旋转对称轴为顶点且开口朝该光出射面的一抛物面凹穴的其中之一或其组合。

9.如权利要求1所述的发光二极管镜片，其特征在于，该光出射面的该出射凹陷部的光学面为自该凸出部的内缘朝该光入射面的方向下凹并于该旋转对称轴上形成一顶点的凹面。

10.如权利要求1所述的发光二极管镜片，其特征在于，该光出射面的该出射凹陷部的光学面为自该凸出部的内缘朝该光入射面的方向下凹的凸面。

11.如权利要求1所述的发光二极管镜片，其特征在于，更具有一光源固定部，该光源固定部自该镜片底表面向下延伸出，其用以固定一光源。

12.一种发光装置，包含：

一发光二极管，其具有一发光面，用以发出光束；及

一发光二极管镜片，其为如权利要求第1项至第11项的任一项所述的发光二极管镜片，发自该发光二极管的该光束先通过该发光二极管镜片的该光入射面，而后出射于该发光二极管镜片的该光出射面，以形成角度大于120°的均匀光型。

13.如权利要求12所述的发光装置，其特征在于，该发光二极管的该发光面设置于该发光二极管镜片的该光入射面的该开口所处的平面或其下方，且更满足以下条件：

0≤d≤2L_t

其中，d为该发光二极管镜片的该光入射面的该开口所处的平面与该发光二极管的该发光面间的一间距；L_t为该发光二极管镜片的该光出射面任一点沿该旋转对称轴方向至该光入射面或该镜片底表面的距离的最大值。

14.如权利要求12所述的发光装置，其特征在于，该发光二极管的该发光面设置于该发光二极管镜片的该光入射面所构成的该凹穴中。

15.如权利要求12所述的发光装置，其特征在于，该发光二极管发出的该光束先经过低折射率的一介质，再入射至该发光二极管镜片，其中该介质为折射率较该发光二极管镜片的折射率低的介质。

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