CN103742863A - 一种光束调整元件、发光组件及背光模组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及到一种光束调整元件、发光组件及背光模组，用以改善光斑亮度的均匀性并增大光斑，从而有效地改善背光模组的亮度均匀性。本发明提供的光束调整元件为回转体，所述回转体的顶部具有凹向底面的异形锥面，所述异形锥面包括靠近顶点的凸出回转面和远离顶点的凹陷回转面，光源射入回转体的光线在所述异形锥面全反射后从回转体的侧面射出。

Description

一种光束调整元件、发光组件及背光模组

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种光束调整元件、发光组件及背光模组。

背景技术

目前，液晶显示装置的背光模组普遍采用LED（light-emitting diode，发光二极管，简称LED）作为光源，根据光源的分布位置，背光模组可分为侧入式和直下式两种。

直下式背光模组的光源分布于背光模组的背板上，光源的主光轴方向垂直于背光模组的出光面，LED点光源射出的光线在背光模组的出光面形成多个光斑，光斑之间彼此重叠形成一片完整的发光面，进而照亮显示装置的显示区域。

然而，现有技术存在的缺陷在于，LED属于点光源，这使得每个光斑的中间区域亮度高，周围区域亮度低，即便相邻光斑在光斑的周围区域相互重叠能够提高光斑周围区域的亮度，但终究光斑亮度的均匀性较差，进而导致直下式背光模组的亮度不均匀。

发明内容

本发明实施例提供一种光束调整元件、发光组件及背光模组，用以改善光斑亮度的均匀性并增大光斑，从而有效地改善背光模组的亮度均匀性。

为实现上述目的，本发明实施例提供的光束调整元件为回转体，所述回转体的顶部具有凹向底部的异形锥面，所述异形锥面包括靠近顶点的凸出回转面和远离顶点的凹陷回转面；光源射入回转体的光线在所述异形锥面全反射后从回转体的侧面射出。

本发明实施例还提供一种发光组件，包括光源，以及前述技术方案所述的光束调整元件，所述光源设置于所述光束调整元件的回转轴的下方。

本发明实施例还提供一种背光模组，包括前述技术方案所述的发光组件。

本发明实施例的光束调整元件的顶部采用靠近顶点的凸出回转面与远离顶点的凹陷回转面结合的异形锥面，当光源射向回转体的入射角度较小的光线（即光源射出的靠近主光轴方向的光线）射向凸出回转面时发生全反射射向回转体的侧面并从回转体的侧面射出；当光源射向回转体的光线的入射角度逐渐增大（即光源射出的远离主光轴方向的光线）时，凹陷回转面的设计，能够使得进入回转体内部的光线射向凹陷回转面的入射角度逐渐减小，使得射向凹陷回转面的光线能够发生全反射射向回转体的侧面且能够从回转体的侧面射出，有效地防止光源射向回转体的入射角度较大的光线从顶部全反射至侧面时，在回转体的侧面发生全反射而不能折射出去的情况发生，由此，能够充分利用光源射入回转体内部的入射光线，并且由于光线由回转体的侧面全部出射，即更多能量的光线向远离光源的主光轴的方向射出，有效地增大了光斑，扩大了光能量的传播范围，同时降低了光斑中间区域的亮度，使得出光面上的光斑亮度较为均匀，进而改善背光模组的亮度均匀性，从而提高了产品的显示质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光束调整元件的立体结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的光束调整元件的纵向截面结构示意图；

图3为本发明第二实施例提供的光束调整元件的纵向截面结构示意图；

图4为本发明第三实施例提供的光束调整元件的主视结构示意图；

图5为本发明第四实施例提供的光束调整元件的纵向截面结构局部示意图；

图6为本发明第五实施例提供的光束调整元件的纵向截面结构局部示意图；

图7为本发明第五实施例提供的光束调整元件对应的光路示意图；

图8为本发明第二实施例提供的光束调整元件调整光源光束的光路仿真示意图；

图9为本发明第二实施例提供的光束调整元件调整光源光束的局部光路仿真放大示意图；

图10为本发明第三实施例提供的光束调整元件调整光源光束的光路仿真示意图；

图11为本发明第三实施例提供的光束调整元件调整光源光束的局部光路仿真放大示意图；

图12为本发明第二实施例提供的光束调整元件调整光源的光束后在一出光平面上的光照度仿真分布示意图；

图13为本发明第三实施例提供的光束调整元件调整光源的光束后在一出光平面上的光照度仿真分布示意图。

附图标记：

10-异形锥面  101-凹陷回转面  102-凸出回转面

11-侧面      12-底面         13-同轴回转凸起

14-V形槽     141-上槽壁      142-下槽壁

15-光源

具体实施方式

为了改善光斑亮度的均匀性并增大光斑，本发明实施例提供了一种光束调整元件、发光组件及背光模组。在本发明的技术方案中，顶部的异形锥面能够将射向异形锥面的光线全反射至侧面出射，从而能够有效地防止光线从光束调整元件的顶部射出，适当地降低光斑中间区域的亮度，增大光斑，使得出光面上的光斑亮度较为均匀，进而改善背光模组的亮度均匀性。为了让本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下以非限制性的实施例为例对本发明作进一步详细说明。

参照图1和图2所示，图1为本发明第一实施例提供的光束调整元件的立体结构示意图；图2为本发明第一实施例提供的光束调整元件的纵向截面结构示意图，本发明实施例提供了一种光束调整元件，光束调整元件为回转体，回转体的顶部具有凹向底部的异形锥面10，异形锥面10包括靠近顶点的凸出回转面102和远离顶点的凹陷回转面101，光源15射入回转体的光线在异形锥面10全反射后从回转体的侧面11射出。

如图2所示，以点光源LED为例，将LED置于上述实施例提供的光束调整元件的回转轴的下方，LED射出的光线（图2中的带箭头直线所示）经过光束调整元件的底面12入射至异形锥面10，再由异形锥面10全反射至光束调整元件的侧面11，并从侧面11射出。

相较于现有技术，当光源15射向回转体的入射角度较小的光线（即光源射出的靠近主光轴方向的光线）射向凸出回转面102时发生全反射射向回转体的侧面11并从回转体的侧面11射出；当光源15射向回转体的光线的入射角度逐渐增大时，凹陷回转面101的设计，能够逐渐减小进入回转体内部的光线射向凹陷回转面101的入射角度，使得射向凹陷回转面101的光线能够发生全反射射向回转体的侧面11且能够从回转体的侧面11射出，有效地防止光源射向回转体的入射角度较大的光线（即光源射出的远离主光轴方向的光线）进入回转体的内部从顶部全反射至侧面时，在回转体的侧面发生全反射而不能折射出去的情况发生，由此，能够充分利用光源射入回转体内部的入射光线，并且由于光线由回转体的侧面全部出射，即更多能量的光线向远离光源的主光轴的方向射出，有效地增大了光斑，扩大了光能量的传播范围，同时降低了光斑中间区域的亮度，从而使得距离光源较近的出光面上的光斑亮度较为均匀，进而改善背光模组的亮度均匀性；

并且，参照图2、图8、图9和图12所示，其中，图8为本发明第二实施例提供的光束调整元件调整光源光束的光路仿真示意图，图9为本发明第二实施例提供的光束调整元件调整光源光束的局部光路仿真放大示意图，图12为本发明第二实施例提供的光束调整元件调整光源的光束后在一出光平面上的光照度仿真分布示意图，该实施例提供的光束调整元件使得与光源的光轴垂直的出光平面上的光能与出光平面和光束调整元件之间的距离成反比，即距离光束调整元件较近的出光平面上的光能较高，且光束调整元件将进入其内部的光线从光束调整元件的侧面11射出，即更多能量的光线向远离光源的主光轴的方向射出，因此能够有效地增大光斑，同时提高距离光源较近的出光面上光斑的光照度，进而提高产品的显示质量。

同时，本发明各实施例提供的光束调整元件采用一种材料一次成型，能够有效地简化生产工艺，降低生产成本。

异形锥面的具体结构形式有多种，在此不做具体限制，例如图2中所示，异形锥面10包括靠近顶点的凸出回转面102和远离顶点的凹陷回转面101，即异形锥面10的纵截面的侧边呈S形，位于S形侧边的靠近顶点的凸出部分上的任一点处的切线与回转轴的夹角为δ，夹角δ随着该点远离顶点而增大；位于S形侧边的远离顶点的凹陷部分上的任一点处的切线与回转轴的夹角为ε，夹角ε随着该点远离顶点而减小，并且，凸出回转面和凹陷回转面的分界线上的任一点（即呈S形侧边的拐点）处的反射光线与回转轴的夹角满足以下关系式:

其中，η为凸出回转面和凹陷回转面的分界线上的任一点处的反射光线与回转轴的夹角，α为回转体的侧面与回转轴的夹角，n₁为光束调整元件工作环境的折射率，n₂为光束调整元件材料的折射率，且n₂>n₁。

根据上述公式可知，射向凸出回转面和凹陷回转面的分界线上任一点处的光线发生全反射，且该反射光线与回转轴的夹角满足关系式η=α+90°-arcsin(n₁/n₂)，使得该反射光线与回转体的侧面的法线方向的夹角等于在侧面发生全反射时的临界角，从前述可知，δ>δmax>ε,δmax为S形侧边的拐点处的切线与回转轴的夹角，当光源射出的靠近主光轴方向的光线射向凸出回转面时发生全反射射向回转体的侧面并从回转体的侧面射出；当光源射出的远离主光轴方向的光线射向回转体的内部时，凹陷回转面的设计，夹角ε随着该点远离顶点而减小，能够使得进入回转体内部的光线射向凹陷回转面的入射角度逐渐减小，使得射向凹陷回转面的光线能够发生全反射射向回转体的侧面，且反射光线与回转轴的夹角小于在侧面发生全反射时的临界角，即从凹陷回转面反射的光线能够从回转体的侧面射出，由此，能够充分利用光源射入回转体内部的入射光线，并且由于光线由回转体的侧面全部出射。

当然，上述实施例为本发明较佳的一种实施方式，当然，凸出回转面和凹陷回转面的分界线上的任一点（即呈S形侧边的拐点）处的反射光线与回转轴的夹角还可以满足关系式:η<α+90°-arcsin(n₁/n₂)。

在本发明各实施例中，回转体的侧面与回转轴的夹角α不做具体限定，具体根据光束调整元件的应用场合和安装方法确定。

进一步的，参照图3中所示，作为本发明的第二优选实施例，回转体的底部具有同轴回转凸起13，同轴回转凸起13能够将光源射向该同轴回转凸起的光线向光源的主光轴方向偏折，具有一定的聚光效果，使得面积较小的顶部即可接收从同轴回转凸起进入的光线，从而减小光束调整元件的体积，使得背光模组的组装布局较为简单。同轴回转凸起13的类型有多种，能够起到聚光效果即可，例如，同轴回转凸起13可以为锥状凸起或球状凸起。

上述实施例中，同轴回转凸起与回转体的底面相交的截面圆的半径不限，为了能够进一步改善光斑的均匀性，同轴回转凸起与回转体的底面相交的截面圆的半径不小于光源到回转体的底面的距离的

倍，例如，当同轴回转凸起与底面相交的截面圆的半径不小于光源到回转体的底面的距离的3倍时，使得与光源的射出的能量最强的光线方向（即主光轴方向）的夹角小于60°的高能量光线从同轴回转凸起入射，与光源的主光轴方向的夹角大于60°的低能量光线从回转体除同轴回转凸起的底面入射，使得高能量光线经同轴回转凸起射向异形锥面后全反射至侧面射出，从而有效地提高光斑的均匀性。

当然，低能量光线为相对概念，低能量光线通常是指点光源射出的光线强度低于0.9I_max的光线，I_max为点光源射出的能量最高的光线强度，当点光源为朗伯型光源，则低能量光线指点光源射出的光线强度低于0.5I_max的光线。在本实施例中，低能量光线是指与光源的主光轴方向的夹角大于60°的光线。

如图4所示，在前述实施例的基础上，本发明提供的光束调整元件的第三实施例中，回转体的侧面11具有凹入回转体内部的多圈V形槽14，多圈V形槽具体设置于回转体的底面12与侧面11的横截面上的一条环线之间，该环线的位置满足以下关系式：

n₁·sinβ=n₂·sinγ

由上述公式可以得到，

$\mathrm{\&gamma;}=\arcsin (\frac{n_1}{n_2}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&beta;}),$

其中，γ为位于同一纵截面上环线上的点B与截面圆的点A之间连线的反向延长线与回转轴相交的夹角（如图6中所示∠BO₁D），β为截面圆的任一点A和光源O的连线与回转轴的夹角（如图6中所示∠AOD），n₁为光束调整元件工作环境的折射率，n₂为光束调整元件材料的折射率，且n₂>n₁；

由于多圈V形槽的具体设置于回转体的底面12与侧面11的横截面上的一条环线之间，由此可知，多圈V形槽的顶部轮廓线上的任一点的位置满足以下关系式：

$\mathrm{\&sigma;}\&GreaterEqual;\mathrm{\&gamma;}=\arcsin (\frac{n_1}{n_2}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&beta;}),$

其中，σ为位于同一纵截面的多圈V形槽的顶部轮廓线上的点与所述截面圆的点之间连线的反向延长线与回转轴相交的夹角（如图6中所示∠EFD）；

且V形槽14的上槽壁141与回转轴的夹角满足以下关系式：

V形槽14的上槽壁141与下槽壁142的锐角夹角满足以下关系式：

$\mathrm{\&theta;}<\arcsin \left(\frac{n_1}{n_2}\right)$

其中，

为上槽壁与回转轴的夹角（如图6中所示∠CO₂D），θ为上槽壁与下槽壁的锐角夹角。

参照图10、图11和图13所示，其中，图10为本发明第三实施例提供的光束调整元件调整光源光束的光路仿真示意图；图11为本发明第三实施例提供的光束调整元件调整光源光束的局部光路仿真放大示意图；图13为本发明第三实施例提供的光束调整元件调整光源的光束后在一出光平面上的光照度仿真分布示意图，光源射出的低能量光线（图6中带箭头直线所示）经过回转体的底面11进入并射向该V形槽14的下槽壁142发生全反射至上槽壁141，经过上槽壁141向远离主光轴的方向偏折，相较于图12和图13所示，进一步增大了光斑，光照度较高的区域明显增大，即提高了光源低能量光线的利用率。

上述第三实施例为本发明较佳的一个实施方式，当然，V形槽还可以凸出回转体设置，即如图5所示的第四实施例，回转体的侧面11具有凸出回转体的多圈V形槽14，多圈V形槽的顶部轮廓线上的任一点的位置，V形槽的下槽壁与回转轴的夹角，V形槽的上槽壁与下槽壁的锐角夹角分别与前述第三实施例中所满足的关系式一致。

更优的，在第三实施例的基础上，图6和图7所示的本发明第五实施例中，各个V形槽的上槽壁141与回转轴的夹角自上而下逐渐增大，各个V形槽的上槽壁141与下槽壁142的锐角夹角自上而下逐渐增大。采用本方案能够使得更多的光源射出的低能量光线经过回转体的底面进入并射向该V形槽的下槽壁发生全反射至上槽壁，经过上槽壁向远离主光轴的方向偏折，进一步增大了光斑，从而提高了对光源低能量光线的利用率。

当然，上述实施实施例为本发明较佳的一种实施方式，例如，还可以实现的实施方式包括：各个V形槽的上槽壁141与回转轴的夹角自上而下逐渐增大，或者，各个V形槽的上槽壁141与下槽壁142的锐角夹角自上而下逐渐增大。

在上述实施例中多圈V形槽连接呈锯齿形。多圈V形槽设置于回转体的侧面时，多圈V形槽连接呈锯齿形能够在侧面的同一出光面范围内设置更多圈的V形槽，能够进一步增大光斑，提高产品的显示质量。多圈V形槽的齿顶具有倒角或倒圆角，倒角或倒圆角处理后的V形槽的上槽壁的宽度不小于处理前上槽壁的宽度的80%，倒角或倒圆角处理后的V形槽的下槽壁的宽度不小于处理前下槽壁的宽度的80%。倒角或倒圆角的结构能够有效地降低光束调整元件的加工难度，从而降低产品的生产成本。

基于上述实施例中提供的光束调整元件，本发明实施例还提供了一种发光组件，包括光源，以及前述任一实施例的光束调整元件，光源设置于光束调整元件的回转轴的下方。由于该发光组件采用了上述实施例中的光束调整元件，所以该发光组件的有益效果请参考上述实施例。

本发明实施例还提供了一种背光模组，包括前述实施例的发光组件。相较于现有技术，本实施例中的光束调整元件的顶部的异形锥面能够有效地防止光线从光束调整元件的顶部射出而直接射向背光模组的出光面，适当地降低光斑中间区域的亮度；且光束调整元件将进入其内部的光线从光束调整元件的侧面射出，即更多能量的光线向远离光源的主光轴的方向射出，有效地增大了光斑，使得出光面上的光斑亮度较为均匀，进而改善背光模组的亮度均匀性，从而提高了产品的显示质量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种光束调整元件，其特征在于，所述光束调整元件为回转体，所述回转体的顶部具有凹向底部的异形锥面，所述异形锥面包括靠近顶点的凸出回转面和远离顶点的凹陷回转面，光源射入所述回转体的光线在所述异形锥面全反射后从所述回转体的侧面射出。

2.根据权利要求1所述的光束调整元件，其特征在于，所述凸出回转面和凹陷回转面的分界线上的任一点处的反射光线与所述回转体的回转轴的夹角满足以下关系式:

其中，η为凸出回转面和凹陷回转面的分界线上的任一点处的反射光线与所述回转轴的夹角，α为所述回转体的侧面与所述回转轴的夹角，n₁为光束调整元件工作环境的折射率，n₂为光束调整元件材料的折射率，且n₂>n₁。

3.根据权利要求1所述的光束调整元件，其特征在于，所述回转体的底部具有同轴回转凸起，所述同轴回转凸起包括锥状凸起或球状凸起。

4.根据权利要求3所述的光束调整元件，其特征在于，所述同轴回转凸起与所述回转体的底面相交的截面圆的半径不小于所述光源到所述回转体的底面的距离的

倍。

5.根据权利要求4所述的光束调整元件，其特征在于，所述回转体的侧面具有凹入所述回转体内部的多圈V形槽，或者，所述回转体的侧面具有凸出所述回转体的多圈V形槽，

其中，所述多圈V形槽的顶部轮廓线上的任一点的位置满足以下关系式：

$\mathrm{\&sigma;}\&GreaterEqual;\arcsin (\frac{n_1}{n_2}\&CenterDot;\sin \mathrm{\&beta;}),$

且所述V形槽的上槽壁与所述回转轴的夹角满足以下关系式

所述V形槽的上槽壁与下槽壁的锐角夹角满足以下关系式：

$\mathrm{\&theta;}<\arcsin \left(\frac{n_1}{n_2}\right)$

其中，σ为位于同一纵截面的多圈V形槽的顶部轮廓线上的点与所述截面圆的点之间连线的反向延长线与回转轴相交的夹角，β为所述截面圆的任一点和光源的连线与回转轴的夹角，

为上槽壁与回转轴的夹角，θ为上槽壁与下槽壁的锐角夹角，n₁为光束调整元件工作环境的折射率，n₂为光束调整元件材料的折射率，且n₂>n₁。

6.根据权利要求5所述的光束调整元件，其特征在于，各个V形槽的上槽壁与所述回转轴的夹角自上而下逐渐增大，和/或，各个V形槽的上槽壁与下槽壁的锐角夹角自上而下逐渐增大。

7.根据权利要求6所述的光束调整元件，其特征在于，所述多圈V形槽连接呈锯齿形。

8.根据权利要求7所述的光束调整元件，其特征在于，所述多圈V形槽的齿顶具有倒角或倒圆角。

9.一种发光组件，其特征在于，包括光源，以及如权利要求1～8任一所述的光束调整元件，所述光源设置于所述光束调整元件的回转轴的下方。

10.一种背光模组，其特征在于，包括如权利要求9所述的发光组件。

Images