CN104698677B - 光学元件和包括光学元件的发光装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种光学元件和包括该光学元件的发光装置。光学元件包括透镜和覆盖物，透镜包括光从光源入射在其上的入射表面、向光源凹进的第一光学表面以及从第一光学表面延伸的第二光学表面，覆盖物布置在透镜上以覆盖第一光学表面的至少一部分。

Description

光学元件和包括光学元件的发光装置

技术领域

本发明涉及一种光学元件和一种包括该光学元件的发光装置。

背景技术

液晶显示器(LCD)是这样的一种装置：其根据施加的电压利用液晶透射率的改变将由各种装置产生的各种电信息转换成可视信息，并传输该可视信息。因其不具有自发光性所以LCD需要背光。然而，由于LCD消耗低的功率，并且具有轻的重量和薄的厚度，所以其被广泛使用。

此外，由于LCD不具有自发光性，所以应该将用作提供光的发光装置的背光单元(BLU)提供在图像显示在其上的液晶面板的背表面处。

LCD包括液晶面板和构造成用光来照射液晶面板的BLU，液晶面板包括彼此隔开预定距离以彼此面对的滤色片基板和阵列基板、置于滤色片基板与阵列基板之间的液晶层。

用于LCD中的BLU根据用作光源的发光二极管的位置可以分成侧光型和直下型。

在侧光型BLU中，用作光源的发光二极管布置在导光板的侧表面处，并且导光板使用从发光二极管辐射的光通过全反射等来照射液晶面板。

在直下型BLU中，使用扩散板而非导光板，并且发光二极管设置在液晶面板的背表面处。因此，发光二极管使用光来照射液晶面板的背表面。

同时，在LCD中，亮度均匀性是决定LCD的质量的重要因素，由此BLU使用光来均匀地照射液晶面板是必要的。

发明内容

本发明涉及一种改善云纹(mura)和提高照度均匀性的光学元件，以及涉及一种包括该光学元件的发光装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种光学元件，该光学元件包括透镜和覆盖物，透镜包括：光从光源入射在其上的入射表面、向光源凹进的第一光学表面以及从第一光学表面延伸的第二光学表面；覆盖物布置在透镜上以覆盖第一光学表面的至少一部分并且具有70％或更小的透光率。

根据本发明的另一方面，提供了一种发光装置，该发光装置包括：驱动基板；布置在驱动基板上的多个发光元件；以及布置在多个发光元件上以覆盖每个发光元件的至少一部分的多个光学元件，其中所述光学元件每个均包括透镜和覆盖物，透镜包括：从发光元件发射的光入射在其上的入射表面、向发光元件凹进的第一光学表面以及从第一光学表面延伸的第二光学表面，覆盖物布置在透镜上以覆盖第一光学表面的至少一部分并且具有70％或更小的透光率。

附图说明

通过参照附图来详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的以上和其他目的、特征和优点对于本领域技术人员而言将变得更加明显，在附图中：

图1是根据本发明的一个实施方案的发光装置的侧向截面图；

图2和图3是根据本发明的一个实施方案的光学元件的分解截面图；

图4是示出了根据本发明的一个实施方案的覆盖物的示例的图；

图5是示出了根据本发明的一个实施方案的液晶显示器的分解透视图；

图6是根据本发明的一个实施方案的包括发光装置的背光单元的沿线A-A′截取的截面图；

图7和图8是示出了其中通过应用根据本发明的一个实施方案的光学元件来改善云纹的效果的图。

具体实施方案

尽管本发明可以进行各种修改并且具有若干实施方案，但是在附图中示出了特定示例性实施方案并且将在具体实施方案中详细地进行说明。然而，本发明并不限于这些实施方案，并且应当理解的是，本发明包括本发明的技术范围和精神中所包含的所有等同物和替代物。

可以使用包括诸如“第一”、“第二”等序数的术语来描述各种部件，但是所述部件不受这些术语的限制。这些术语仅为了将一个部件与另一部件进行区分的目的。例如，在不脱离本发明的权利范围的情况下，第一部件可以称为第二部件，类似地，第二部件可以称为第一部件。术语“和/或”包括多个项的组合或者多个项中的任意一项。

此外，仅为了方便起见，在本说明书中可互换地将部件描述为“模块”和“零件”，并且这些术语不具有独特的含义或作用。

应当注意的是，在本说明书中，当某一部件被认为是连接至另一部件时，所述某一部件可以直接连接至另一部件，或者在所述两个部件之间可以介入有第三部件。另一方面，当某一部件被认为是直接连接至另一部件时，在所述两个部件之间未介入有第三部件。

本文所使用的术语仅仅是为了描述特定的实施方案，并不限制本发明。此外，除非上下文另有明确说明，单数表示应当被理解为包括复数表示。应当理解的是，术语“包括”，“包含”，“含有”或“具有”意在表明说明书所描述的特征、数字、步骤、操作、元件和部件的存在或者所述这些的组合的存在，并不排除一个或更多个其他特征、数字、步骤、操作、元件和部件的存在、所述这些的组合的存在、或者另外的可能性。

除非另有定义，本文中所用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明所属领域的任何普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，术语(例如在常用字典中定义的那些)应被解释为具有与它们在相关领域的背景中的含义一致的含义，并且将不被解释为理想化的或过于正式的含义，除非文中明确进行这样的定义。

下文中，将参照附图来详细描述本发明的示例性实施方案，其中，在整个附图中类似的附图标记指的是类似或相应的元件，并且重复说明将被省略。

图1是根据本发明的一个实施方案的发光装置的侧向截面图。另外，图2和图3是根据本发明的一个实施方案的光学元件的分解截面图。另外，图4是示出了根据本发明的一个实施方案的覆盖物的示例的图。

参照图1，发光装置包括：光源110、光学元件120、驱动基板200等。

光源110布置在驱动基板200上，并且电连接至形成在驱动基板200上的电路图案。光源110用于从驱动基板200的电路图案接收电信号，以将电信号转换成光信号，并且输出转换过的光信号。在本发明的实施方案中，例如，将一种用作点光源的发光二极管用作光源110。在说明书中，术语“光源”和“发光元件”可以互换使用。

光学元件120可以包括：透镜121、布置在透镜121上的覆盖物122等。此外，光学元件120还可以包括至少一个支承部件123，该支承部件123布置在透镜121的入射表面处以支承驱动基板200上的透镜121。

在透镜121和覆盖物122中，彼此面对的面可以通过粘合构件(未示出)(例如包含浸渍在玻璃纤维中的基于聚酰亚胺的树脂或环氧树脂的片和膜)部分地接合。

透镜121可以设置在发光元件110上以覆盖发光元件110的外表面的至少一部分。透镜121是这样的一种光通量控制构件：其使从发光元件110入射的光折射并且控制光路径，从而提高发光装置的亮度均匀性。

如图1所示，透镜121可以布置成与光源110分离。在这种情况下，从光源110发射的光可以通过布置成与光源110相对的一个表面入射在透镜121上。也就是说，入射表面可以在透镜121的外表面处实现。

此外，透镜121可以形成为其中光源110的至少一部分容置在透镜121中的集成光学透镜(IOL)型，即可以与光源一体形成。在这种情况下，从光源110发射的光可以通过其中透镜121接触光源110的外表面的边界表面入射在透镜121上。也就是说，其中透镜121接触光源110的外表面的边界表面可以用作光从光源110入射在其上的入射表面。

参照图2，透镜121包括：光从光源110入射在其上的入射表面S1、形成为向光源110凹进的第一光学表面S2以及形成为从第一光学表面S2的外部延伸的第二光学表面S3，并且可以实现为实心型。图2示出了根据本发明的一个实施方案的光学元件的透镜形状的一个示例，但本发明的实施方案不限于此。根据本发明的一个实施方案的光学元件的透镜形状可以进行各种变化。

当光源110位于透镜121的外侧时，入射表面S1可以形成在透镜121的与光源110相对的下表面处。

同时，在图1中，例如示出了一种其中光源位于透镜121的外侧的实例。然而，可以使用其中透镜121使光源在其中容置的IOL型。在这种情况下，透镜121的入射表面可以为其对应于透镜121与光源之间的边界表面的内表面，而非透镜121的外表面。

入射表面S1可以为球面或非球面。

入射表面S1的沿X轴方向或Y轴方向切割的截面可以包括线性段。入射表面S1的沿X轴方向或Y轴方向切割的截面可以包括弯曲段。

此处，沿X轴方向切割意思是沿垂直于光轴OA的方向切割透镜121，并且沿Y轴方向切割意思是沿光轴OA的轴向切割透镜121。例如，图1示出了其中透镜121被沿Y轴方向切割的示例。此处，光轴OA是指示从点光源发射的三维光通量的中心处的光的移动方向的虚拟直线。光轴OA轴可以与延伸以穿过形成在透镜121的上部处的第一光学表面S2和形成在透镜121的下部处的入射表面S1的中心的虚拟轴一致。

入射表面S1可以包括形成为向透镜121的上部凹进的一个或更多个凹部(未示出)。在这种情况下，光源110的一部分或全部可以容置在形成在透镜121的下表面中的凹部中。另外，从光源110发射的光可以通过凹部的内表面入射在透镜121上。

入射表面S1可以包括形成为向光源110突出的一个或更多个凸部。

入射表面S1可以为围绕光轴OA旋转对称。此外，入射表面S1可以为围绕光轴OA非旋转对称。

第一光学表面S2是使穿过入射表面S1的入射光反射或折射的光学表面，并且可以布置成与入射表面S1相对。

第一光学表面S2可以包括形成在其中心部处以向光源凹进的凹部S21。

凹部S21的顶点可以位于光轴OA上。

凹部S21可以为围绕光轴OA旋转对称。此外，第一光学表面S2可以为围绕光轴OA非旋转对称。

凹部S21可以是球面或非球面。

凹部S21沿X轴方向或Y轴方向切割的截面可以包括线性段。例如，凹部S21沿Y轴方向切割的截面可以形成为线性锥形状。

凹部S21沿X轴方向或Y轴方向切割的截面可以包括弯曲段。

第一光学表面S2还可以包括形成在其边缘部处的平行于覆盖物122的下表面的平坦表面S22。

平坦表面S22是通过粘合构件(未示出)与覆盖物122的一个表面接合的表面，并且可以形成为具有预定宽度W22并由此防止覆盖物分离。平坦表面S22的宽度W22可以根据透镜特性例如透镜121的尺寸和形状而改变。例如，平坦表面S22可以布置成具有0.5mm至1mm的宽度W22。

同时，例如在图1和图2中，示出了一种其中覆盖物122附接在透镜121的平坦表面S22上的实例。然而，当因透镜121的特性而难以形成平坦表面S22时，或平坦表面S22的宽度W22不足时，如图3所示，覆盖物122可以通过形成为从第一光学表面S2延伸的单独的凸缘124而附接在透镜121上。

第二光学表面S3是使穿过入射表面S1的入射光反射或折射的光学表面，并且可以形成为从第一光学表面S2的边缘弯折或弯曲并接着延伸。

第二光学表面S3可以从第一光学表面S2向下延伸以形成光通量控制构件的外表面。

在说明书中，弯折意思是急剧弯折的形状。例如，当两个表面被弯折以形成曲率半径为约0.1mm或更小的曲面时，其可以被称为两个表面是弯折的。此外，弯曲意思是轻微弯折的形状。例如，当两个表面被弯折以形成曲率半径大于约0.1mm的曲面时，其可以被称为两个表面是弯曲的。此外，屈折意思是曲面被弯折同时曲面的变化趋势被改变的形状。例如，当凸曲面被弯折并改变成凹曲面时，其可以被称为曲面被屈折。

第二光学表面S3可以为围绕光轴OA旋转对称。此外，第二光学表面S3可以为围绕光轴OA非旋转对称。

第二光学表面S3可以是球面或非球面。

第二光学表面S3沿X轴方向或Y轴方向切割的截面可以包括线性段。

第二光学表面S3沿X轴方向或Y轴方向切割的截面可以包括弯曲段。

第二光学表面S3的一部分区域可以形成为向透镜121的内侧凹进的凹形状。此外，第二光学表面S3的一部分区域可以形成为向透镜121的外侧凸出的凸形状。

第二光学表面S3的截面可以包括朝向顶部的距光轴OA更远的线性段或弯曲段。

此外，第二光学表面S3的截面可以包括朝向顶部的更接近光轴OA的线性段或弯曲段。

再次参照图1，覆盖物122用于吸收、反射或折射从透镜121的第一光学表面S2输出的一些光，并由此控制移动到发光装置的中心部分的光的量。此处，发光装置的中心部分意思是以光轴OA为中心的预定区域。

穿过第一光学表面S2并入射在覆盖物122上的光的大部分被移动到发光装置的中心部分。因此，覆盖物122用于吸收、反射或折射从透镜121的第一光学表面S2入射的一些光，以防止光被集中于发光装置的中心部分，并防止其中发光装置的中心部分变得过于明亮的云纹，从而扩大发光装置的覆盖区域。

为此，覆盖物122的透光率可以为70％或更小。也就是说，覆盖物122可以布置成使得穿过覆盖物122并移动到发光装置的中心部分的光与从第一光学表面S2入射在覆盖物122的入射表面上的光的比例(下文中称为“透光率”)为70％或更小。

覆盖物122可以设置成覆盖透镜121的光学表面S2的至少一部分。覆盖物122可以设计成具有与透镜121的平行于覆盖物122切割的截面面积相同或小于其的表面面积，使得关于仅移动到发光装置的中心部分的光的透光率被控制。

可以通过在基板上形成覆层来提供覆盖物122。例如，可以通过以下方式来提供覆盖物122：在由丙烯酸类树脂例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂、聚碳酸酯(PC)树脂、环烯烃共聚物(COC)树脂或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)树脂形成的基板上形成覆层例如聚甲基丙烯酸甲酯。

覆盖物122可以包括反射片。在这种情况下，覆盖物122可以使从透镜121的第一光学表面S2入射在覆盖物122的入射表面上的一些光反射，并由此可以控制透光率。

当在覆盖物122的入射表面上布置有反射层时，被覆盖物122反射的光可以移动到发光装置的边缘区而非被透镜121移动到其中心部分。因此，云纹被改善，并且透镜121的覆盖区域也被增大。

此外，覆盖物122可以包括扩散片。在这种情况下，覆盖物122使从透镜121的第一光学表面S2入射在覆盖物122的入射表面上的一些光反射，并使其移动到除发光装置的中心部分之外的其他区域。

另外，如图4所示，覆盖物122可以包括多个通孔5，从透镜121的第一光学表面S2入射在覆盖物122的入射表面上的光仅有一些穿过通孔5。

如图4所示，当覆盖物包括多个通孔以控制透光率时，覆盖物122可以由透光率低于预定值的材料形成，或者在入射表面上形成反射层，由此入射在除通孔之外的其他区域上的光的大部分可以被吸收或反射。此外，透光率可以通过控制通孔的尺寸和分布被控制。例如，假设入射在除通孔之外的其他表面上的光的大部分被反射或吸收，则被覆盖物122中的多个通孔5所占用的总面积可以被控制为70％或更小，并由此覆盖物122的透光率可以被控制为70％或更小。

覆盖物122根据发光装置的特性、透镜的形状等可以形成为具有不同的厚度。例如，当发光装置用于LCD的背光单元时，覆盖物122的厚度可以为500μm或更小。

同时，例如在图1中，示出了一种其中在一个驱动基板200处布置有一个发光装置110和一个光学元件120的实例。然而，本发明的实施方案不限于此。例如，可以在一个驱动基板200处布置多个发光装置。另外，例如，可以将多个光学元件120布置成与一个发光装置110相对应。

如上所述，在根据本发明的一个实施方案的发光装置中，应用了其中透光率为70％或更小的覆盖物耦接到透镜的上表面的光学元件，以减少到达发光装置的中心部分的光，并由此可以解决以下问题：从光源发射的光被集中于发光装置的中心部分，以及出现云纹，以及覆盖区域变窄。

图5是示出了根据本发明的一个实施方案的LCD的分解透视图，其示出了包括参照图1至图4描述的发光装置的LCD。此外，图6是包括根据本发明的一个实施方案的发光装置的背光单元的沿线A-A′截取的截面图。

参照图5和图6，LCD包括背光单元10和液晶面板20。

液晶面板20是LCD的显示部件，并且可以包括薄膜晶体管(TFT)基板、滤色片基板以及置于这两个基板之间的液晶层。TFT基板包括多个栅极线、与多个栅极线交叉的多个数据线以及形成在每个栅极线和每个数据线的交叉区域处的TFT。

液晶面板20的一侧可以连接有驱动电路部件30。

驱动电路部件30包括向TFT基板的栅极线提供扫描信号的印刷电路板(PCB)31和向TFT基板的数据线提供数据信号的PCB 32。

驱动电路部件30以膜上芯片(COF)方式、带载封装(TCP)方式等电连接至液晶面板20。

LCD还可以包括构造成支承液晶面板20的面板导件21、和构造成覆盖液晶面板20的边缘并与面板导件21耦接的上部壳22。

背光单元10以直下型耦接到液晶面板20，并且可以包括底覆盖物300、驱动基板200、多个光源100以及多个光学片400。

底覆盖物300可以由金属材料形成，并且可以形成为上部开放的盒形状。例如，底覆盖物300可以通过使金属板弯折或弯曲来形成。

驱动基板200形成为板形状，并且反射层可以形成在驱动基板200上。反射层用于使从发光二极管110发射的光反射以及提高背光单元10的性能。

可以在驱动基板200上安装多个光源100。

每个光源100可以包括发光元件110和设置成覆盖发光元件110的透镜121。在图6和图7中，例如示出了一种其中发光二极管用于发光元件110的实例。

每个发光二极管110布置在驱动基板200上，并且电连接至驱动基板200。发光二极管110根据从驱动基板200提供的驱动信号来发射光。

每个发光二极管110用作点光源，并且以规则间隔布置在驱动基板200上的发光二极管110阵列可以形成面光源。

每个发光二极管110可以形成为包括发光二极管芯片的发光二极管封装件。每个发光二极管110可以辐射白光，或者可以均匀地辐射蓝光、绿光和红光。

光学元件120用于控制从发光二极管110穿过透镜121和耦接到透镜121的上部的覆盖物122辐射的光的光通量和透光率，并由此以提高背光单元10的亮度均匀性。

当从发光二极管110辐射的光入射在透镜121上时，透镜121用于控制光通量和提高亮度均匀性。透镜121可以布置成与透镜121分离。另外，透镜121可以布置成发光二极管110在其中被容置的IOL型。

覆盖物122通过粘合构件(未示出)接合在透镜121上以覆盖透镜121的上表面的至少一部分，并且布置成具有70％或更小的透光率。

在穿过透镜121并入射在覆盖物122上的光中，覆盖物122可以使仅移动到特定区域(即，对应于发光二极管110的中心部分的区域)的一些光穿过，并由此其中光被集中于发光二极管110的中心部分的现象可以被改善。

同时，例如在图5和图6中，光学元件120以规则间隔布置，但本发明的实施方案不限于此。根据本发明的实施方案，以规则间隔布置以对应于每个发光二极管110的多个光学元件120可以彼此耦接以形成一个结构。

光学片400可以包括扩散片410、偏振片420、棱镜片430等，并且可以用于提高穿过光学片400的光的特性。

扩散片410用于将从光源100入射的光引导至液晶面板20的前部，使光扩散成在大的范围上具有均匀分布，接着将光发射至液晶面板20。

偏振片420用于使倾斜入射在偏振片420上的光偏振，并且使光垂直输出。为了将从扩散片410输出的光的方向改变成垂直方向，可以在液晶面板20之下布置至少一个偏振片420。

棱镜片430使平行于其透光轴的光穿过，以及使垂直于透光轴的光反射。

同时，为了确保背光单元10的照度均匀性，在发光二极管110与透镜121之间形成具有预定尺寸的气隙是必要的。另外，为了具有宽的照度分布，减小发光二极管110的尺寸或增加透镜121的尺寸是必要的，并由此以确保照度均匀性。

近来，随着对TFT-LCD的需求增加，对减小发光二极管110与透镜121之间的气隙的努力在一直进行着。然而，因减小的气隙而在减小透镜121的尺寸方面存在限制，并由此难以确保照度均匀性。特别地，当背光单元10被设计成厚度为10mm或更小时，光被集中于光源100的中心部分，并且出现其中发光装置的中心部分变得过于明亮的云纹，并且被一个光源覆盖的覆盖区域也被减小。

因此，在本发明的实施方案中，由于阻挡被集中于透镜121的中心部分的一些光的覆盖物122耦接到透镜121，所以可以有效地防止从发光二极管110输出的光集中于光源100的中心部分，并且可以增大该一个光源100所覆盖的覆盖区域。

图7和图8是示出了其中通过应用根据本发明的一个实施方案的光学元件来改善云纹的效果的图。

图7示出了当耦接在透镜121上的覆盖物122的反射率和透光率被调节时所得到的发光元件的照度分布的示例。此外，图8示出了当LCD的窗口尺寸被改变时在覆盖物122被应用之前和之后所得到的发光元件的照度分布的示例。

参照图7，随着覆盖物122的透光率降低，光被集中于发光装置的中心部分的现象可以被改善。此外，发光装置的覆盖区域也可以通过控制覆盖物122的透光率和反射率被增大。

图8示出了其中窗口尺寸为75mm×75mm以及200mm×200mm的实例。在这些情况下，可以理解的是，当应用覆盖物122时，云纹被改善。

根据本发明的实施方案，由于透光率为70％或更小的覆盖物布置在透镜上，所以可以改善其中光被集中于光源的中心部分的现象，并且可以确保照度均匀性，并且可以增大发光装置的覆盖区域。

对于本领域技术人员明显的是，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下对本发明的上述示例性实施方式进行各种修改。因此，意图是本发明覆盖所有这些修改，只要这些修改落在所附权利要求及其等同物的范围内即可。

Claims (8)

1.一种光学元件，包括：

透镜，其包括：光从光源入射在其上的入射表面、向所述光源凹进的第一光学表面以及从所述第一光学表面延伸的第二光学表面；和

覆盖物，其布置在所述透镜上以覆盖所述第一光学表面的至少一部分，

其中，所述覆盖物包括均匀分布的多个通孔，

其中，所述多个通孔中的一个位于所述覆盖物的中心部分，并且所述多个通孔中的其他位于以所述覆盖物的中心部分为圆心的多个同心圆上，并且

其中，所述覆盖物的透光率为70％或更小。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，在所述覆盖物中所述多个通孔所占用的总面积为70％或更小。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述覆盖物包括反射片和扩散片中的至少一者。

4.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述覆盖物的尺寸等于或小于所述透镜的平行于所述覆盖物切割的截面面积。

5.根据权利要求1所述的光学元件，还包括用于将所述透镜的至少一部分接合到所述覆盖物的粘合构件。

6.根据权利要求5所述的光学元件，其中，所述覆盖物与所述透镜之间的粘合面的宽度为0.5mm至1mm。

7.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述覆盖物包括基板和形成在所述基板上的覆层，并且

所述基板包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂、聚碳酸酯(PC)树脂、环烯烃共聚物(COC)树脂和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)树脂中的至少之一，并且

所述覆层包含聚甲基丙烯酸甲酯树脂。

8.一种发光装置，包括：

驱动基板；

布置在所述驱动基板上的多个发光元件；和

布置在所述多个发光元件上以覆盖每个发光元件的至少一部分的多个光学元件，

其中，所述光学元件每个均包括透镜和覆盖物，所述透镜包括从所述发光元件发射的光入射在其上的入射表面、向所述发光元件凹进的第一光学表面以及从所述第一光学表面延伸的第二光学表面，所述覆盖物布置在所述透镜上以覆盖所述第一光学表面的至少一部分，

其中，所述覆盖物包括均匀分布的多个通孔，

其中，所述多个通孔中的一个位于所述覆盖物的中心部分，并且所述多个通孔中的其他位于以所述覆盖物的中心部分为圆心的多个同心圆上，并且

其中，所述覆盖物的透光率为70％或更小。