CN103912820A - 发光装置及其相关显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种发光装置及其相关显示系统。该发光装置包括腔体、发光元件阵列和透镜阵列，其中透镜阵列和发光元件阵列一一对应，每个透镜包括全内反射曲面、第一折射面和第二折射曲面，每个发光元件所发光经与其对应的透镜后在腔体的出光面上形成一个完整光斑，且各发光元件所对应的光斑相互至少部分叠加，以在出光面上形成一个均匀照度。本发明能够提供一种能实现均匀照度和高效率的发光装置。

Description

发光装置及其相关显示系统

技术领域

本发明涉及显示及照明技术领域，特别是涉及一种发光装置及其相关显示系统。

背景技术

近年来，平板显示器的市场随着消费电子产品的发展越来越大，其中，液晶显示器（Liquid Crystal Display,LCD）占平板显示的份额接近90%。液晶显示器作为一种被动发光器件，本身不会发光，对于透射型液晶显示器，必须依靠背光光源将光线穿过显示面板，展现图形图像。冷阴极管（Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL）和发光二极管（LightEmitting Diodes，LED）是目前液晶背光的两种只要技术。LED背光只要优势在于：色彩还原性好、低能耗、超长寿命、响应速度快、材料无环境公害、更好的电学光学控制性能等等，尤其是使用了红绿蓝三基色LED后，其色彩还原性，可做到NTSC标准的105%以上，远远高于CCFL背光的79%左右。从长远来看，RGB三基色LED背光是液晶显色背光技术中最有前途的。

LED背光根据其光学结构分为侧下式和直下式两种。侧下式的光源布置在面板侧面，通过导光板将光线分布到面板上，直下式的光源直接布置在液晶面板下方。一般来说，侧下式LED背光总体效率高，背光板厚度较薄；直下式LED背光光线均匀度高，易于实现动态区域对比度控制。

LED直接出光的光分布为朗伯型，光能量集中在轴向小角度内，直接将这种配光的LED放置在面板下方很难实现面板上的均匀照明。目前的直下式LED背光多是基于侧面发光LED，其出射的光能量集中在水平方向±20°的范围内。在这种基于侧面发光LED的背光系统中，背光腔的内壁涂覆以高反射率材料，LED发出的光线在背光腔内反复反射，最终在面板处形成照度色度都均匀的光分布。这种背光结构的优点是均匀度高，缺点是光线在反复的反射过程中损失了很多能量，整体效率偏低，而且单颗LED并不直接对应面板上的某一区域，很难实现动态区域对比度控制。

为了克服基于侧面发光LED的背光系统的缺点，现有技术提出将一种具有自由曲面表面的透镜运用到背光源中。如图1所示，图1是现有技术中的一种具有自由曲面表面的透镜的剖视图。在这种方法中，每颗LED外部安装一个自由曲面透镜，透镜将LED封装模块发出的光束进行重新控制，每颗LED出射的光线在面板出形成一定形状的光斑，带有自由曲面透镜的LED按一定规则排列，就可在面板上形成大范围均匀白光照明。但是，为实现背光腔的薄型化，每颗LED所对应的自由曲面透镜的宽纵比需较大，其中该宽纵比为经该透镜发出的光在背光腔的出光面上形成的光斑的直径与该出光面距离该透镜的距离的比值。背光腔越薄，则透镜的宽纵比越大，相对应地，该透镜需将LED出射的小角度的光更大程度地折射向大角度，即在透镜的界面上出射光线方向与入射光线方向的夹角（偏折角度）越大。偏折角度越大，则透镜内光束入射于透镜界面的入射角就需要越大，而界面反射率也就越高。较高的界面反射不仅使透镜的出光效率降低，且其产生的更加强的杂散光会更严重地影响透镜照明效果。

一般可通过在透镜表面镀增透膜的方式来减小界面反射，但这种方式会增加较大的成本，尤其是透镜曲面上光线入射角越大时，增透膜的设计与镀膜也就越困难，增透效果也越差，成本也就越高。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种能实现均匀照度和高效率的发光装置。

本发明实施例提供一种发光装置，包括：

腔体，该腔体包括出光面；

发光元件阵列，包括至少两个发光元件，其中每个发光元件均包括发光面；该发光元件阵列位于所述腔体内，且各发光元件的发光面均朝向该腔体的出光面；

透镜阵列，该透镜阵列中的每个透镜与该发光元件阵列中的每个发光元件一一对应，其中每个透镜包括底面、全内反射曲面、第一折射面和第二折射曲面；各发光元件出射的光经与其对应的透镜的底面进入该透镜，其中第一角度范围光入射至所述全内反射曲面，经反射后从第一折射面出射，第二角度范围光入射至第二折射曲面并折射出射，其中第一角度范围小于该第二角度范围，从该第一折射面和第二折射曲面出射的光与该发光元件的中心轴M的夹角小于85度，其中每个发光元件的中心轴M垂直于所述腔体的出光面，且方向指向该出光面；

每个发光元件所发光经与其对应的透镜后在所述腔体的出光面上形成的完整光斑覆盖该出光面的至少部分，而任意相邻两个发光元件之间的距离小于其中任意一个发光元件在所述腔体的出光面上形成的光斑的口径，使得所述发光元件阵列中各发光元件在所述腔体的出光面上形成的光斑相互至少部分叠加，以在所述腔体的出光面的至少部分上形成均匀照度。

本发明实施例还提供一种发光装置，包括：

腔体，该腔体包括出光面；

发光元件阵列，包括至少两个发光元件，其中每个发光元件均包括发光面；该发光元件阵列位于所述腔体内，且各发光元件的发光面均朝向该腔体的出光面；

透镜阵列，该透镜阵列中的每个透镜与该发光元件阵列中的每个发光元件一一对应，其中每个透镜包括底面、反射曲面和第一折射面、第二折射曲面和第三折射曲面，其中该反射曲面上镀有反射膜；各发光元件出射的光经与其对应的透镜的底面进入该透镜，其中第一角度范围光入射至所述反射曲面，经反射后从第一折射面出射，第二角度范围光入射至第二折射曲面并折射出射，第三角度范围光入射至第三折射曲面并折射出射，其中第三角度范围小于第一角度范围且第一角度范围小于第二角度范围，从该第一折射面、第二折射曲面和第三折射面出射的光与该发光元件的中心轴M的夹角小于85度，其中每个发光元件的中心轴M垂直于所述腔体的出光面，且方向指向该出光面；

每个发光元件发出的光经与其对应的透镜后在所述腔体的出光面上形成的光斑覆盖该出光面的至少部分，而任意相邻两个发光元件之间的距离小于其中任意一个发光元件在所述腔体的出光面上形成的光斑的口径，使得所述发光元件阵列中各发光元件在所述腔体的出光面上形成的光斑相互至少部分叠加，以在所述腔体的出光面的至少部分上形成均匀照度。

本发明实施例还提供一种显示系统，包括上述发光装置。

与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：

由于发光元件出射的光中小角度范围光束占的比例较大，要实现透镜较大的宽纵比，则需对这些小角度范围的光进行较大角度的偏折；在本发明中，通过采用全内反射曲面来改变角度较小的第一角度范围光的传播路径，这样，可以避免光束在透镜表面上的界面反射率较高，且由于反射曲面改变光的传播方向的角度可以很大，能够实现透镜较大的宽纵比；从第一折射面和第二折射曲面出射的光与发光元件出射光的光轴的夹角均小于85度，即发光元件出射的光经透镜后直接出射至腔体的出光面上形成光斑，且由于反射曲面为全内反射曲面，光束在经过第一折射面和第二折射曲面时由于界面反射而导致的被反射的部分光可以透射过全内反射曲面并出射至腔体的出光面上，与第一折射面和第二折射曲面发出的光一起在腔体的出光面上形成一个完整的光斑，而发光元件阵列中各发光元件在所述腔体的出光面上形成的光斑相互至少部分叠加，以在所述腔体的出光面上形成均匀照度；相比背景技术中的基于侧面发光LED的背光系统中LED发出的光线需在背光腔内反复反射后才能在面板上形成运用的光分布，本发明中由于各LED发出的光直接出射至腔体的出光面并在上面相互叠加形成均匀的光分布，避免了在腔体内多次反射造成的光损失，提高了整体效率。

附图说明

图1是现有技术中的一种具有自由曲面表面的透镜的剖视图；

图2A是本发明的发光装置的一个实施例的结构示意图；

图2B是图1所示的发光装置的透镜阵列中透镜的结构示意图；

图2C是图2B所示透镜沿该透镜的中心轴M的任意一个截面上的光路示意图；

图2D是实现均匀照度的透镜原理设计图。图中所示为过透镜中心轴的截面图；

图3A是出光面11上各光斑O相互叠加的示意图；

图3B图3A所示的出光面11上一个光斑O的光分布；

图3C是两个相邻的图3B所示的光斑O叠加后的光分布；

图4是本发明的发光装置中各发光元件在出光面11所在平面上形成的光斑的示意图；

图5是图1所示发光装置的透镜阵列中另一种结构的透镜的沿该透镜的中心轴M的一个截面上的光路示意图；

图6是图1所示发光装置的透镜阵列中另一种结构的透镜的沿该透镜的中心轴M的一个截面上的光路示意图；

图7是图1所示发光装置的透镜阵列中另一种结构的透镜的沿该透镜的中心轴M的一个截面上的光路示意图；

图8是图1所示发光装置的透镜阵列中另一种结构的透镜的沿该透镜的中心轴M的一个截面上的光路示意图；

图9A是本发明的发光装置的一个实施例的结构示意图；

图9B是图9A所示发光装置中一个透镜沿该透镜的中心轴M的一个截面上的光路示意图；

图10是本发明的发光装置中另一种透镜的沿该透镜的中心轴M的一个截面上的光路示意图；

图11A是本发明的发光装置的一个实施例的结构示意图；

图11B是图11A所示发光装置中一个透镜沿该透镜的中心轴M的一个截面上的光路示意图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的“均匀照度”指的是最低照度和平均照度的比值大于50%。

下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。

实施例一

请参阅图2A，图2A是本发明的发光装置的一个实施例的结构示意图。该实施例的发光装置100包括具有出光面11的腔体1、发光元件阵列2和透镜阵列3。

发光元件阵列2包括至少两个发光元件21，其中每个发光元件均包括发光面201，且各发光元件21的发光面201均朝向腔体1的出光面11。每个发光元件21的中心轴M均垂直于腔体1的出光面11，且方向指向该出光面11。在本实施例中，腔体1呈长方体状，该长方体的长边与宽边围成的两个相对的面中其中一个面为出光面11。发光元件阵列2设于与出光面11相对的另一个面13上。发光元件阵列2中各发光元件21为LED（Light Emitting Diode，发光二极管）。在实际运用中，各发光元件也可以为LD（Laser Diode，激光二极管）或者OLED（Organic LightEmitting Diode，有机发光二极管）等其他发光元件。

透镜阵列3中的每个透镜31与发光元件阵列2中的每个发光元件21一一对应，且每个透镜31的中心轴和与其对应的发光元件的中心轴M相重合。如图2B和图2C所示，图2B是图1所示的发光装置的透镜阵列中透镜的结构示意图，图2C是图2B所示透镜沿该透镜的中心轴M的任意一个截面上的光路示意图。透镜31包括底面31a、全内反射曲面31b、第一折射面31c和第二折射曲面31d。在本实施例中，透镜31根据中心轴M旋转对称。当然，在实际运用中，透镜31也可以不是根据中心轴M旋转对称，那么该透镜31出射的光线在出光面11上形成的光斑在不同的方向上光分布不同，而透镜31沿其中心轴M的任意一个截面上的全内反射曲线、第一折射线和第二折射曲线的斜率根据具体需要的光分布来具体设计。

本实施例中，发光元件21位于透镜31的底面31a一侧，发光元件21所发光经该透镜31的底面31a进入该透镜内。发光元件21所发光中角度较小的第一角度范围光直接入射至全内反射曲面31b，全内反射曲面31b上每一处的斜率设置使得在任意一处第一角度范围光的入射角度均大于全反射的临界角，以使得第一角度范围光均被全反射。在本实施例中，第一角度范围光包括与发光元件21中心轴M夹角为0至30度的光。第一折射面31c位于经全内反射曲面31b反射的光束的传播路径上，且平行于发光元件21的中心轴M，使得经全内反射曲面31b反射的光束直接入射至第一折射面31c并折射出射至腔体1的出光面11上，形成呈环状的光斑S。

角度较第一角度范围光大的第二角度范围光直接入射至第二折射曲面31d并折射出射至腔体1的出光面11上，形成呈环状的光斑T。在本实施例中，第二角度范围光包括与发光元件21中心轴M夹角为50至90度的光。

在透镜的表面上第一折射面31c位于全内反射曲面31b和第二折射曲面31d之间，因此位于第一角度范围光和第二角度范围光之间的部分光则直接出射至第一折射面31c。而另一小部分光则由于入射角度大于临界角而在第一折射面31c上发生全反射至全内反射曲面31b，如图2C中所示光线L1，然后在全内反射曲面31b上折射出射至光斑S的中心区域。

由于光束在两种不同介质相接的界面上发生折射时会产生界面反射，其中偏折角度越大，则界面反射率越大。因此，光束在入射于第一折射面31c和第二折射曲面31d时有一部分光发生界面反射（如图2C中虚线所示的光线），其中入射于第一折射面31c上发生界面反射的光直接被反射至全内反射曲面31b，而入射于第二折射曲面31d上发生界面反射的光被反射至位于底面31a一侧的发光元件21上后至少部分再被反射回第二折射曲面31d。由于这两部分光在入射于全内反射曲面31b时的入射角度大部分小于临界角，进而未发生全反射而是直接出射至出光面11上的呈环状的光斑S的中心区域，和在第一折射面31c上发生全反射并从全内反射曲面31b折射出射的光一起在光斑S的中心区域形成光斑R。

以下对透镜阵列3中透镜31的表面的设计方法进行说明：

请参阅图2D，图2D是实现均匀照度的透镜原理设计图。图中所示为过透镜中心轴的截面图。对于旋转对称系统，通过设计曲线A，使光源C发出的光线在曲线A的介质-空气界面上发生折射而重新分布，从而在屏幕上形成预定的照度。在此系统中，设计目标是在屏幕上形成半径为r的给定照度分布的圆形光斑。

先将屏幕划分为若干小段，根据预定的照度分布，可以计算出每个小段dr需要的光能量，假设光源C发出的中心光线在A0处被折射向B点，根据屏幕上第一小段dr₁内的光能量，再根据光源C的发光光分布，可以计算出光源C发出指向A1点的光线应该被折射向第一小段dr₁的边缘。如此，可以将每个小段的边缘点与光源的发光方向建立一一对应的关系。再根据折射定律可以进而计算出曲线上每点的法线方向。然后从起始点A0开始利用计算出的法线方向将整条曲线A积分出来。同样道理的，若是通过反射曲面来在屏幕上形成预定照度，则根据反射定律可以计算出曲线上每点的法线方向。

若设计曲线A与光源之间有其他光源元件或光学曲面，则设计方法类似，不同点在于需先用光线追迹的方式，计算出光源出射的某个方向的光线经过这些光学曲面之后的位置和方向。若设计曲线A之后仍有光学曲面，例如设计曲线为旋转对称透镜的第一曲面（靠近光源），透镜的第二曲面为一球面；这时，同理地，在建立入射光线和目标平面上的点或出射光线方向之间的对应关系后，将出射光线逆向追迹，可以计算出入射到第二曲面上的光线，即确定了设计曲线A的出射光线，其余设计方法类同。这样，通过控制设计曲线A上每一点的法线，可以改变屏幕上各处的照度。

因此，在设计透镜31的设计过程中，是先确定光斑R、S、T在出光面11上的位置在根据该光斑位置去设计透镜上的三个面的斜率和起始点位置，其中该三个光斑相互拼接以形成一个圆形或者接近圆形完整光斑O。在本实施例中，光斑R、S、T依序拼接且相互刚好邻接。在设计时，由于光斑R中大部分光来自杂散光，因此先确定杂散光所形成的光斑的大概位置，再根据该位置确定全内反射曲面所反射的光形成的光斑S的位置。光斑S的位置和光分布定好后，就可以根据发光元件21的光分布来设计全内反射曲面31b上各点的斜率。由于全内反射曲面31b的起点是确定好的，即透镜表面上过其中心轴的点，全内反射曲面31b经积分确定曲面后其终点也随之确定出来，进而经全内反射曲面31b反射的光束的第一角度范围也确定出来，因此可根据全内反射曲面31b和第一角度范围确定第一折射面31c的大小，这样，第二折射曲面31d的起始点也确定。而光斑T的位置和光分布已经确定，那么，可根据该光分布和位置以及发光元件21所发光的光分布来设计第二折射曲面31d各点的斜率。

在本实施例中，由于发光元件21所发光小角度范围内的光的光强较大，随着出射角度的增大，光强逐渐减小。为使全内反射曲面31b所对应的第一角度范围光能够在较大范围内分布，被全内反射曲面31b反射的入射光线，随着该入射光线与发光元件21的中心轴M的夹角增加，被全内反射曲面31b反射后的光线与该中心轴M的夹角减小。因此，在设计全内反射曲面31b时，先从光斑S远离中心轴M的边缘处开始，该处一小段宽度为dr的环形光斑所对应的光束来自第一角度范围光内角度最小的范围为的光束；光斑S中离中心轴M距离越近的宽度为dr的环形光斑内，对应的来自第一角度范围光的范围为的光束的角度越大。

发光元件阵列2中各发光元件21所发光经与其对应的透镜后在出光面11上形成的光斑O覆盖该出光面11的至少部分，而任意相邻两个发光元件21之间的距离小于其中任意一个发光元件在出光面11上形成的光斑O的口径，使得各发光元件21形成的光斑O相互至少部分叠加，以使得出光面11上形成均匀的照度。

具体举例来说，如图3A所示，图3A是出光面11上各光斑O相互叠加的示意图。发光元件阵列2为2*4的长方形阵列，其中每个发光元件在出光面11上形成的光斑O呈圆形。任意相邻两个发光元件21之间的排布距离等于其中任意一个发光元件在出光面11上形成的光斑O的半径。发光元件阵列2中各发光元件21在出光面11上形成的光斑O相互部分叠加。如图3B所示，图3B图3A所示的出光面11上一个光斑O的光分布。每个发光元件21所发光在出光面11上形成的光斑O的光分布从中心往四周逐渐递减。如图3C所示，图3C是两个相邻的图3B所示的光斑O叠加后的光分布。由于任意相邻的两个光斑的位置均对称，且光分布也对称，在光斑叠加的部分，第一个光斑O1中光分布较强的部分与第二个光斑O2中光分布较弱的部分叠加，第二个光斑O2的光分布较弱的部分与第一个光斑O1的光分布较强的部分叠加，进而使得光斑O1和光斑O2叠加后得到的光斑O12上照度均匀。同理，其他任意只有两个光斑叠加的部分和光斑O1与光斑O2的叠加一样，以使得叠加部分得到均匀照度；而在至少有三个光斑相互叠加的区域上，由于各光斑中至少两个光斑该区域的光均为光分布最弱的一部分，经过三个光斑或者四个光斑叠加后的光斑光分布与其他只有两个光斑叠加的区域的光分布差别并不大；因此，总体上出光面11大部分区域上能够形成均匀照度。而在实际运用中，出光面11上未有光斑O覆盖的区域由于杂散光的存在，使得该部分区域上也会有光分布。

由于发光元件出射的光中小角度范围光束占的比例较大，要在出光面11上形成均匀照度的同时实现透镜较大的宽纵比，则需对这些小角度范围的光进行较大角度的偏折；在本实施例中，通过采用全内反射曲面来改变角度较小的第一角度范围光的传播路径，这样，可以避免光束在透镜表面上的界面反射率较高而导致的出光效率低，且由于全内反射曲面可以实现光偏折的程度很大，能够实现透镜较大的宽纵比。而且，与现有技术中的基于侧面发光LED的背光系统不同的是，从第一折射面和第二折射曲面出射的光与发光元件出射光的光轴的夹角均小于85度，即发光元件出射的光经透镜后直接出射至腔体的出光面上形成光斑S和光斑T，且由于反射曲面为全内反射曲面，光束在经过第一折射面和第二折射曲面时由于界面反射而导致的被反射的部分光可以透射过全内反射曲面并出射至腔体的出光面上，与第一折射面和第二折射曲面发出的光一起在腔体的出光面上形成一个完整的光斑，而发光元件阵列中各发光元件在所述腔体的出光面上形成的光斑相互至少部分叠加，得以在所述腔体的出光面上形成均匀照度；而且从第一折射面和第二折射曲面出射的光与发光元件出射光的光轴的夹角大至85度，以使得能够实现透镜较大的宽纵比。

在本实施例中，腔体1的与出光面11垂直的四个侧面还可以设有反射面。相对应地，发光元件阵列2中位于最靠外一圈中的发光元件，也即分别距离该四个侧面最近的四行发光元件中，每一行发光元件在出光面11所在平面上形成的各个光斑O′的中心和与该行最近的侧面的距离为该光斑O′的半径的1/2。如图4所示，图4是本发明的发光装置中各发光元件在出光面11所在平面上形成的光斑的示意图。为方便描述，以下采用其中一个侧面12和与其最近的一行发光元件中的其中一个发光元件21形成的光斑O"来进行说明。假设腔体1的侧面12为透光的，由于发光元件21在出光面11所在平面上形成的光斑O"的中心与侧面12的距离为光斑O"的半径的1/2，那么侧面12将光斑O"划分成了位于腔体1外的光斑101和位于腔体内的光斑102两部分。现在在侧面12上设有反射面，则原本出射于腔体1外形成光斑101的光线被该反射面12反射并在出光面11上形成光斑101′，该光斑101′与光斑101互为镜像，且与光斑102重叠，使得该发光元件21所发光在出光面11上形成的光斑O"的照度更加均匀。发光元件阵列2中位于最靠外一圈中的各发光元件（由于本实施例中发光元件阵列2为2*4的，因此最靠外一圈的发光元件为全部发光元件）在出光面11上形成的光斑O'均和光斑O"一样，进而使得发光元件阵列2所发光在出光面11上形成更加均匀的照度。

在本实施例中，也可以通过对透镜31表面的设计来使得光斑O呈方形或者其他形状。各光斑O的光分布也可以不是从中心往四周递减，而是其他分布，只要可以使得各光斑O相互部分叠加后在出光面11上形成均匀照度即可。

在本实施例中，也可以是各发光元件21在出光面11上形成的光斑O均覆盖出光面11。相对应地，每个光斑O的光分布可以为均匀的，那么每个光斑O在出光面11上相互叠加后就可以形成均匀的照度。或者，也可以是发光元件阵列2中有一半的发光元件所发光在出光面11上形成的光斑O的光分布一致，均为沿着第一方向以第一速度递减；而另一半发光元件所发光在出光面11上形成的光斑O的光分布也一致，均为沿着与第一方向相反的方向以第一速度递减；这样，这两部分发光元件所发光在出光面11上形成的光斑O相互重叠后能够形成均匀的照度。

在本实施中，第一角度范围光优选包括与LED21的发光轴的夹角为0至50度的光，由于经全内反射曲面反射的光出射的角度可以是大于临界角的任意角度，这样，大部分光能量通过全内反射曲面31b反射后再折射出射，出射时可以达到较大的角度，进而有利于实现较大的宽纵比。

在本实施例中，同一个透镜出射的光在出光面11上形成的光斑O中，第一折射面31c出射的光在出光面11上形成的光斑S和第二折射曲面31d出射的光在出光面11上形成的光斑T的关系也可以不是刚好衔接，而是之间有空隙或者部分交叠或者完全重合。若是考虑到要使该两者组合成的光斑的照度从中心到四周可以比较连续且光滑，避免出现突然亮或者突然暗的峰值，光斑S和光斑T优选部分交叠或者刚好衔接。若是考虑到要使透镜的设计具有较大的装配容差，即当光斑S和光斑T的实际位置偏离设计位置或者该两个光斑的照度偏离设计的分布时，该两者组合成的光斑的变化可以不至于很大，光斑S和光斑T优选完全重合或者部分重合。

在本实施例中，同一个透镜出射的光在出光面11上形成的光斑O中，第一折射面31c出射的光在出光面11上形成的光斑S也可以不是位于第二折射曲面31d出射的光在出光面11上形成的光斑T的内侧，而是位于光斑T的外侧。但是，由于仅通过第二折射曲面31d出射的第二角度范围光从发光元件21出射时已是大角度光线，因此光斑T优选位于光斑R的外侧，或者光斑T的一部分位于光斑R的外侧，这样可以使得透镜的设计容易而且高效。

在本实施例中，透镜阵列3中的各透镜的第一折射面31c和发光元件21的中心轴M平行，这样在设计透镜曲面时光线经全内反射曲面后从第一折射面31c折射出去的折射角度便可提前知道，因此便于设计全内反射曲面。但是，由于从第一折射面31c不是设计曲面，发光元件21所发光中直接从该面出射的光属于不可控光，而这部分光一般以较小的角度出射，且经折射后出射的角度范围较小，光线较集中，因此容易在发光元件21所发光在出光面11上形成的光斑S上容易出现亮斑。因此，本实施例中第一折射面31c也可以不是和中心轴M平行，而是和发光元件21的中心轴M有一夹角。

如图5所示，图5是图1所示发光装置的透镜阵列中另一种结构的透镜的沿该透镜的中心轴M的一个截面上的光路示意图。第一折射面31c上各点与发光元件21的中心轴M的距离沿着与中心轴M相反的方向渐减。这样，相比图2B所示透镜，图5所示透镜中发光元件21所发光入射到第一折射面31c上的光的角度范围变小，进而光能量减小。在本实施例中，直接入射到第一折射面31c上的光能量减小，可以减弱出现亮斑的问题；直接入射于第一折射面31c的光线的入射角度增大，进而界面反射率提高，使得在出光面11上形成的光斑R的光分布提高。

在实际运用中，也可通过先模拟第一折射面31c在出光面11上形成的照度，然后再设定出光面11上该处的目标照度来避免该部分光不可控而造成的出光面11上照度不均匀的情况。

请参阅图6，图6是图1所示发光装置的透镜阵列中另一种结构的透镜的沿该透镜的中心轴M的一个截面上的光路示意图。在本实施例中，透镜阵列3中的各透镜的第一折射面31c上各点与发光元件21的中心轴M的距离沿着中心轴M的方向渐减。相比图5所示实施例中透镜的侧面向发光元件21的中心轴M凹陷使得铸模时需要四个分离的模具，本实施例中的透镜由于侧面没有凹陷，使得在模铸时只需要2个上下分离的模具即可，更易于加工。而且，由于第一折射面31c有一斜度，更便于脱模。

请参阅图7，图7是图1所示发光装置的透镜阵列中另一种结构的透镜的沿该透镜的中心轴M的一个截面上的光路示意图。在本实施例中，透镜阵列3中的各透镜的第一折射面31c并不是和发光元件21的中心轴M平行，而是该折射面31c上每一处的法线均与被全内反射曲面31b反射至第一折射面31c该处的入射光线平行，即全内反射曲面31b所反射的光线均垂直入射于第一折射面31c上。这样，由于光线在垂直入射于界面时界面反射最小，因此使得全内反射曲面31b所反射的光的出射效率最高。同时，由于该部分光线垂直入射，第一折射面31c对这部分光的界面反射光按入射光线路径原路返回到发光元件21，经发光元件21反射或散射后重新入射于透镜内，使得该界面反射光能够循环利用。而且，由于第一折射面31是往中心轴M弯曲的，这样有利于在加工时脱模。

如图8所示，图8是图1所示发光装置的透镜阵列中另一种结构的透镜的沿该透镜的中心轴M的一个截面上的光路示意图。在本实施例中，全内反射曲面31b也可以是使得随着入射于该全内反射曲面31b的入射光线与发光元件21的中心轴M的夹角增加，被全内反射曲面31b反射后的光线与该中心轴M的夹角增加。这样，经全内反射曲面31b反射的光线先在透镜内进行交叉，以使得该部分光束在经过第一折射面31c时所占的出光面积更小，第一折射面31c的面积可以减小，进而能够减小发光元件所发光直接入射到第一折射面31c上的光能量。

或者，还可以采用另外一种方案来减少发光元件所发光直接入射到透镜的第一折射面上的能量，具体说明请参阅实施例二。

实施例二

请参阅图9A和图9B，图9A是本发明的发光装置的一个实施例的结构示意图，图9B是图9A所示发光装置中一个透镜沿该透镜的中心轴M的一个截面上的光路示意图。该实施例的发光装置200包括具有出光面11的腔体1、发光元件阵列2和透镜阵列3。透镜阵列中的每个透镜32包括底面32a、全内反射曲面32b、第一折射面32c和第二折射曲面32d。

本实施例与实施例一的区别在于：

透镜阵列3中各透镜32的底面32a还包括一凹腔，发光元件阵列2中各发光元件21位于与其对应的透镜32的凹腔内。

本实施例中，各发光元件21可以被密封在透镜32底部的凹腔内，以对各发光元件21进行保护；透镜32增加一个曲面对光束进行折射，从而增加对光线的控制能力；而且第二角度范围光依次经过两次折射，能够实现更大的出射角度，有利于实现更大的透镜32的宽纵比。

在本实施例中，透镜对凹腔内还可以填充其他折射率接近1.0的气体或者透明介质，其中该透明介质的折射率接近或者等于透镜材料折射率的介质，以减少填充物质与透镜凹腔表面302间的界面反射，提高透镜的出光效率。

进一步地，如图10所示，图10是本发明的发光装置中另一种透镜的沿该透镜的中心轴M的一个截面上的光路示意图。图10所示透镜与图9B所示透镜的区别在于：

凹腔表面302还包括相邻的第一曲面302a和第二曲面302b，其中该两个曲面的连接处不平滑，使得发光元件21所发光入射于第一曲面302a中的第一部分光往发光元件21的中心轴M偏折，入射于第二曲面302b中的第二部分光背向发光元件21的中心轴M偏折，其中第一部分光的出射角度小于第二部分光的出射角度，以分开第一部分光和第二部分光的传播路径，进而在透镜32的表面上形成一个无光区；每个透镜32的第一折射面32c的至少部分位于该无光区内。优选地，每个透镜32的第一折射面32c的全部均位于该无光区内，使得发光元件21所发光中没有直接入射到该第一折射面32c上的。

在本实施例中，由于透镜32的第一折射面32c的至少部分位于该无光区内，以减少发光元件21所发光直接入射到第一折射面32c的光能量，避免了该部分光在出光面11上形成亮斑的问题。同时，由于第一部分光往中心轴M偏折后全部入射于全内反射曲面32b，使得入射于全内反射曲面32b的第一角度范围光的角度范围变小，有利于全内反射曲面32b的面积减小，进而减小透镜32的尺寸；且第二角度范围光因依次经过第二曲面和第二折射曲面两次折射后出射，使得出射的角度可以更大，有利于实现透镜更大的宽纵比。

优选地，无光区略大于第一折射面32c，使得第一折射面32c和全内反射曲面32b的衔接部分以及和第二折射曲面32d的衔接部分均位于该无光区内，以防止透镜在加工中在该两处衔接部分形成一定的圆角而从圆角处出射不可控的光线。

在本实施例中，也可以只有一个曲面对发光元件21所发光的传播路径进行偏折。第一曲面302a或者第二曲面302b也可以不改变发光元件21所发光入射于该曲面上的光的传播路径，即第一曲面302a或者第二曲面302b上的每一处的法线均与发光元件21所发光入射于该处上的光线平行。这样，虽然只有一个曲面使得发光元件21所发光的传播路径发生偏折，在第一部分光和第二部分光之间的也可以形成无光区。

为减小发光元件21所发光在凹腔表面302上的偏折角度进而减少界面反射，优选的方案是：随着入射于全内反射曲面32b的入射光线与发光元件21的中心轴M的夹角增加，被全内反射曲面32b反射后的光线与该该中心轴M的夹角增加。这样使得第一折射面32c的面积较小，相应地需要的无光区也较小，因此第一部分光和第二部分光所需要偏折的角度也就较小。

实施例三

请参阅图11A和图11B所示，图11A是本发明的发光装置的一个实施例的结构示意图，图11B是图11A所示发光装置中一个透镜沿该透镜的中心轴M的一个截面上的光路示意图。该实施例的发光装置300包括具有出光面11的腔体1、发光元件阵列2和透镜阵列3。透镜阵列中的每个透镜33包括底面33a、全内反射曲面33b、第一折射面33c和第二折射曲面33d。

本实施例与实施例一的区别在于：本实施例中在透镜阵列3中各透镜33的表面上，该透镜33的中心轴M和全内反射曲面33b之间还设有第三折射面33e，该第三折射面33e可以是曲面或者平面，使得各发光元件21所发光中第三角度范围光入射于与其对应的透镜33的第三折射面33e上，其中该第三角度范围小于第一角度范围。这样，经第三折射面33e折射的光线在出光面11上形成的光斑位于该透镜33所出射的光在出光面11上形成的光斑O中光斑R处的位置。

在本实施例中，在由于杂散光较少而导致的出光面11上各光斑O的中心光斑R位置上的亮度不够的场合中，各发光元件21沿中心轴M附近出射的小角度的光直接从与其对应的透镜33的第三折射面33e出射至光斑R的位置上，对该位置上的光能量进行补充，以保证出光面11上各处光分布均匀。由于发光元件21所发光在中心轴M方向以及中心轴M附近小角度范围内的光分布最强，因此第三角度范围光优选为与中心轴M的夹角小于10度的光。

优选地，第三折射面33e上设置有散射结构或者散射材料，以对第三角度范围光有散射作用，使得第三角度范围光经散射后能够更加均匀地分布在光斑O的中心区域上，避免在该中心区域上形成亮点。具有散射作用的第三折射面33e可通过多种方式获得，例如，在模铸时不将该部分面对应的模具进行抛光，则铸成的第三折射面33e不光滑而具有散射效果；或者在第三折射面33e上涂散射颗粒。

优选地，在本实施例中，透镜阵列3中每个透镜33的底面33a上还包括如实施例二中所描述的凹腔表面。

在本实施例中，由于出光面11上的光斑O的中心区域上的光能量可以是来自第三折射面33e所出射的光，因此全内反射曲面33b也可以是镀有反射膜的反射曲面以实现光线的反射，而不是利用全内反射来实现。该反射膜可以是铝膜、银膜等金属膜或者其他介质膜。这样，虽然第一折射面和第二折射曲面上的界面反射光不能通过该反射曲面33b出射至光斑O的中心区域，但是可以通过改变第一角度范围光的大小来调整出射至该光斑O的中心区域的光能量的大小以使得出光面11上光分布均匀。本实施例与实施例一相比，采用全内反射来实现光线的反射的方法效率较高，反射率接近100%，而且成本低；采用镀反射膜的方法会增加成本，但发生反射的入射光的入射角度不需控制在大于临界角，因而反射曲面的形状更加自由，并有利于设计尺寸相对较小的透镜。另外，由于反射膜的反射特性可以与入射光的入射角度无关，因此这个反射曲面可以将界面反射等产生的杂散光反射向下，从而阻碍一部分杂散光从透镜中心正上方出射，避免杂散光在透镜正上方中心区域形成亮斑。因此，可根据具体需要来选择适合的方案。

在以上各实施例中，出光面11上各光斑O的中心区域也可以不形成光斑R，即每个透镜出射的光在出光面11上形成的光斑呈环形而不是一个完整的光斑。那么相应地，任意相邻两个发光元件的排布距离需使得每一个发光元件形成的光斑O都能覆盖到与其相邻的发光元件形成的光斑O的中心区域，以使得各光斑O相互叠加后能够填充各光斑O之间的中心区域，进而在出光面11上形成均匀照度。

在以上各实施例中，还可以在出光面11上添加扩散板，以使得在出光面11上形成的照度更加均匀。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本发明实施例还提供一种显示系统，包括发光装置，该发光装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。该显示系统可以为液晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display）或者电视中。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种发光装置，其特征在于，包括：

腔体，该腔体包括出光面；

发光元件阵列，包括至少两个发光元件，其中每个发光元件均包括发光面；该发光元件阵列位于所述腔体内，且各发光元件的发光面均朝向该腔体的出光面；

透镜阵列，该透镜阵列中的每个透镜与该发光元件阵列中的每个发光元件一一对应，其中每个透镜包括底面、全内反射曲面、第一折射面和第二折射曲面；各发光元件出射的光经与其对应的透镜的底面进入该透镜，其中第一角度范围光入射至所述全内反射曲面，经反射后从第一折射面出射，第二角度范围光入射至第二折射曲面并折射出射，其中第一角度范围小于该第二角度范围，从该第一折射面和第二折射曲面出射的光与该发光元件的中心轴M的夹角小于85度，其中每个发光元件的中心轴M垂直于所述腔体的出光面，且方向指向该出光面；

每个发光元件所发光经与其对应的透镜后在所述腔体的出光面上形成的完整光斑覆盖该出光面的至少部分，而任意相邻两个发光元件之间的距离小于其中任意一个发光元件在所述腔体的出光面上形成的光斑的口径，使得所述发光元件阵列中各发光元件在所述腔体的出光面上形成的光斑相互至少部分叠加，以在所述腔体的出光面的至少部分上形成均匀照度。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：

所述透镜阵列中每个透镜的底面还包括一凹腔，所述每个发光元件位于与其对应的透镜的凹腔内；

该凹腔表面包括相邻的第一曲面和第二曲面，使得每个发光元件的入射于第一曲面的第一部分光和入射于第二曲面的第二部分光中的至少一部分光发生偏折，以分开第一部分光和第二部分光的传播路径并形成无光区，每个透镜的第一折射面的至少部分位于该无光区内。

3.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：入射于所述透镜阵列中的每个透镜的反射曲面的光束包括：各个发光元件发出的与其中心轴M夹角为0至50度的光。

4.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述透镜阵列中每个透镜的第一折射面上各点和与其对应的发光元件的中心轴M的距离沿着该光轴的方向逐渐增大或者逐渐减小，或者每个透镜的第一折射面上每一点的法线与入射于该处的光线平行。

5.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述发光元件发出的入射于每个透镜的反射曲面的入射光线中，随着该入射光线与该发光元件的中心轴M的夹角的增大，该入射光线被该反射曲面反射后的光线与该发光元件的中心轴M的夹角越小。

6.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述发光元件发出的入射于每个透镜的反射曲面的入射光线中，随着该入射光线与该发光元件的中心轴M的夹角的增大，该入射光线被该反射曲面反射后的光线与该发光元件的中心轴M的夹角越大。

7.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述每个透镜还包括第三折射面，所述各发光元件出射的光中第三角度范围光入射于与其对应的透镜的第三折射面上并折射出射，其中第三角度范围小于第一角度范围。

8.根据权利要求7所述的发光装置，其特征在于：所述每个透镜的第三折射面上设置有散射结构或者散射材料。

9.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述每个透镜中，经该透镜的第一折射面出射的光束在所述腔体的出光面上形成光斑R，经该透镜的第二折射曲面出射的光束在所述腔体的出光面上形成光斑T，该透镜的光斑R和光斑T刚好衔接或者有部分交叠。

10.一种发光装置，其特征在于，包括：

腔体，该腔体包括出光面；

发光元件阵列，包括至少两个发光元件，其中每个发光元件均包括发光面；该发光元件阵列位于所述腔体内，且各发光元件的发光面均朝向该腔体的出光面；

透镜阵列，该透镜阵列中的每个透镜与该发光元件阵列中的每个发光元件一一对应，其中每个透镜包括底面、反射曲面和第一折射面、第二折射曲面和第三折射曲面，其中该反射曲面上镀有反射膜；各发光元件出射的光经与其对应的透镜的底面进入该透镜，其中第一角度范围光入射至所述反射曲面，经反射后从第一折射面出射，第二角度范围光入射至第二折射曲面并折射出射，第三角度范围光入射至第三折射曲面并折射出射，其中第三角度范围小于第一角度范围且第一角度范围小于第二角度范围，从该第一折射面、第二折射曲面和第三折射面出射的光与该发光元件的中心轴M的夹角小于85度，其中每个发光元件的中心轴M垂直于所述腔体的出光面，且方向指向该出光面；

每个发光元件发出的光经与其对应的透镜后在所述腔体的出光面上形成的光斑覆盖该出光面的至少部分，而任意相邻两个发光元件之间的距离小于其中任意一个发光元件在所述腔体的出光面上形成的光斑的口径，使得所述发光元件阵列中各发光元件在所述腔体的出光面上形成的光斑相互至少部分叠加，以在所述腔体的出光面的至少部分上形成均匀照度。

11.一种显示系统，其特征在于，包括如权利要求1至10中任一项项所述的发光装置。