CN105387425B - 透镜、发光装置及背光模组 - Google Patents

透镜、发光装置及背光模组 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种透镜，包括：中心轴，入光面及出光面。入光面包括第一区域，第一区域中至少有两个点分别到发光单元的光出射面的中心点的距离是相同的。第一区域满足关系式：θa≤θ1≤θb。θ1是发光单元发出的任意光线与中心轴的夹角，θa是上述光线经过第一区域时与中心轴的夹角的最小值，θb是上述夹角的最大值。入光面及出光面满足条件式(1)及(2)，条件式(1)：在满足0°＜θ1≤θb+20°的第二区域内，比值θ2/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且第二区域内的比值θ2/θ1＞0.9。条件式(2)：在满足0°＜θ1≤θb+10°的第三区域内，比值θ3/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且第二区域内的比值θ3/θ1＞0.9。其中，θ2是夹角为θ1的光线进入到透镜内时与该中心轴的夹角，θ3是光线以夹角θ1进入到透镜并从出光面出射时与该中心轴的夹角。

Description

透镜、发光装置及背光模组
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种透镜、一种具有该透镜的发光装置、以及一种具有该发光装置的背光模组。
背景技术
背光模组，作为发光装置，广泛地应用于如手机、电脑、数码相机、个人数字助理等消费性电子产品的液晶显示器中，以用于点亮该液晶显示器。目前，随着显示技术的发展，背光模组中的光源越来越多地采用发光二极体(light emitting diode,LED)。通常地，背光模组中的多个LED呈矩阵式排列并与液晶显示器中的显示面板的形状对应。背光模组发出的光线的亮度分布是由放置在LED前方的透镜来调整的，然而，现有的采用LED的背光模组的中央区域通常有过亮的现象。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种能够解决上述技术问题的透镜、一种具有该透镜的发光装置、以及一种具有该发光装置的背光模组。
一种用于控制由发光单元发出的光线的透镜，包括：中心轴；用于供该光线进入的入光面及与该入光面相背的出光面。该入光面包括第一区域，该第一区域中至少有两个点分别到该发光单元的光出射面的中心点的距离是相同的。该第一区域满足关系式：θa≤θ1≤θb。其中，θ1是该发光单元发出的任意光线与该中心轴之间的夹角，θa是该发光单元发出的任意光线经过该第一区域时与该中心轴之间的夹角的最小值，θb是该发光单元发出的任意光线经过该第一区域时与该中心轴之间的夹角的最大值。该发光单元发出的光线进入该透镜中并从该出光面出射。该入光面及该出光面满足条件式(1)及(2)，条件式(1)：在满足0°＜θ1≤θb+20°的第二区域内，比值θ2/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ2/θ1＞0.9。条件式(2)：在满足0°＜θ1≤θb+10°的第三区域内，比值θ3/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ3/θ1＞0.9。其中，θ2是夹角为θ1的光线进入到该透镜内时与该中心轴的夹角，θ3是光线以夹角θ1进入到该透镜并从该出光面出射时与该中心轴的夹角。
一种发光装置，包括发光单元及与该发光单元对准的透镜。该透镜包括中心轴；用于供该光线进入的入光面及与该入光面相背的出光面。该入光面包括第一区域，该第一区域中至少有两个点分别到该发光单元的光出射面的中心点的距离是相同的。该第一区域满足关系式：θa≤θ1≤θb。其中，θ1是该发光单元发出的任意光线与该中心轴之间的夹角，θa是该发光单元发出的任意光线经过该第一区域时与该中心轴之间的夹角的最小值，θb是该发光单元发出的任意光线经过该第一区域时与该中心轴之间的夹角的最大值。该发光单元发出的光线进入该透镜中并从该出光面出射。该入光面及该出光面满足条件式(1)及(2)，条件式(1)：在满足0°＜θ1≤θb+20°的第二区域内，比值θ2/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ2/θ1＞0.9。条件式(2)：在满足0°＜θ1≤θb+10°的第三区域内，比值θ3/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ3/θ1＞0.9。其中，θ2是夹角为θ1的光线进入到该透镜内时与该中心轴的夹角，θ3是光线以夹角θ1进入到该透镜并从该出光面出射时与该中心轴的夹角。
一种背光模组，包括一个电路板，多个呈矩阵式排列在该电路板上的发光单元，以及一个扩散板。每个发光单元包括一个与该电路板电性连接的发光单元及一个透镜。该透镜包括中心轴；用于供该光线进入的入光面及与该入光面相背的出光面。该入光面包括第一区域，该第一区域中至少有两个点分别到该发光单元的光出射面的中心点的距离是相同的。该第一区域满足关系式：θa≤θ1≤θb。其中，θ1是该发光单元发出的任意光线与该中心轴之间的夹角，θa该发光单元发出的任意光线经过是该第一区域时与该中心轴之间的夹角的最小值，θb是该发光单元发出的任意光线经过该第一区域时与该中心轴之间的夹角的最大值。该发光单元发出的光线进入该透镜中并从该出光面出射。该入光面及该出光面满足条件式(1)及(2)，条件式(1)：在满足0°＜θ1≤θb+20°的第二区域内，比值θ2/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ2/θ1＞0.9。条件式(2)：在满足0°＜θ1≤θb+10°的第三区域内，比值θ3/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ3/θ1＞0.9。其中，θ2是夹角为θ1的光线进入到该透镜内时与该中心轴的夹角，θ3是光线以夹角θ1进入到该透镜并从该出光面出射时与该中心轴的夹角。该扩散板与该发光装置对准以扩散并传输每个发光装置从该出光面出射的光线。
相较于现有技术，本发明提供的背光模组、发光装置及透镜均将出光面设计成满足条件式(1)：在满足0°＜θ1≤θb+20°的该第二区域内，比值θ2/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ2/θ1＞0.9；及满足条件式(2)：在满足0°＜θ1≤θb+10°的该第三区域内，比值θ3/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ3/θ1＞0.9，从而降低中央区域的照明亮度，并减少发光单元LED特性造成的外围黄晕现象，增加直下式背光模组之照明均匀性。
附图说明
图1是本发明第一实施方式提供的发光装置的剖面示意图。
图2是图1中的发光装置的光入射面与发光单元的示意图。
图3是夹角θ1与比值之间的关系图，该比值为夹角θ2与该夹角θ1之间的比值，或者是夹角θ3与该夹角θ1之间的比值。
图4是夹角θ1与第一入光面切线斜率绝对值之间的关系图。
图5是本发明第二实施方式提供的背光模组的剖面示意图。
主要元件符号说明
发光装置 100
发光单元 10
光出射面 12
中心点 120
透镜 20
底面 22
入光面 24
出光面 26
连接面 28
凹陷 29
顶端 24a
第一区域 240
拐点 41
背光模组 200
电路板 30
扩散板 40
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施方式作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明第一实施方式提供的发光装置100包括一个发光单元10以及一个透镜20。该透镜20位于该发光单元10的正上方，用于控制该发光单元10发出的光线。
本实施方式中，该发光单元10为朝该透镜20发光的LED。该发光单元10包括一个朝向该透镜20的光出射面12。该光出射面12具有一个位于中央位置的中心点120及一个垂直穿过该中心点120的中心轴OO’。
该透镜20可为透明材料，如由塑料或玻璃制成。所述塑料可为PMMA(polymethylmethacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(polycarbonate，聚碳酸脂)、或是硅树脂(silicone)等。该透镜20包括一个底面22、一个入光面24、一个出光面26以及一个连接面28。该透镜20开设有一个凹陷29。该底面22及该出光面26分别位于该透镜20的相背两侧，该入光面24位于该底面22与该出光面26之间，且该入光面24相对该底面22向该出光面26的方向凹陷以形成该凹陷29。该连接面28连接在该底面22及该出光面26之间。本实施方式中，该发光单元10位于该凹陷29的下方。具体地，该光出射面12正对该入光面24，该透镜20的中心轴与该发光单元10中心轴OO’重叠，即，该入光面24关于该中心轴OO’轴对称，该出光面26也关于该中心轴OO’轴对称。
使用时，发光单元10发出的光线(此时与该中心轴OO’之间的夹角为θ1，如下所述)从该入光面24进入该透镜20(此时与该中心轴OO’之间的夹角为θ2，如下所述)，经过该透镜20的折射，最后从该出光面26射出(此时与该中心轴之间的夹角为θ3，如下所述)。
请参阅图2，该入光面24呈对称的抛物线状，其顶端24a为一个圆锥形的尖端突起。该入光面24包括一个第一区域240、一个第二区域、一个第三区域以及一个第四区域。该第一区域240中至少有两个点分别到中心点120的距离是相同的，该第一区域240满足关系式：θa≤θ1≤θb。其中，如图1所示，θ1是该发光单元10发出的任意光线与中心轴OO’之间的夹角。θa是该发光单元10发出的任意光线经过该第一区域240时与该中心轴OO’之间的夹角的最小值(如图2所示)，θb是该发光单元10发出的任意光线经过该第一区域240时与该中心轴OO’之间的夹角的最大值(如图2所示)。该第二区域满足关系式：0°＜θ1≤θb+20°。该第三区域满足关系式：0°＜θ1≤θb+10°。该第四区域满足关系式：0°＜θ1≤θ1max。本实施方式中，该第一区域240为非球面区域，例如，该第一区域240中所有的点到该中心点120的距离都相同。
请参阅图3，其中，横坐标为θ1的取值，单位为度；纵坐标为夹角的比值(夹角θ2与夹角θ1的比值θ2/θ1或夹角θ3与该夹角θ1之间的比值θ3/θ1)，是常数。图3描述了该入光面24与该出光面26之间满足下列条件式：
条件式(1)：在满足0°＜θ1≤θb+20°的该第二区域内，比值θ2/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时(即发生在θa≤θ1≤θb时)，且该第二区域内的该比值θ2/θ1＞0.9。其中，θ2是夹角为θ1的光线进入到该透镜20并发生折射后与该中心轴OO’之间的夹角。例如，比值θ2/θ1的最小值发生在θ1取值在7°到10°之间时(即发生在7°≤θ1≤10°时)，且该比值θ2/θ1的最小值小于1.1，最优的，该比值θ2/θ1的最小值为1.0。条件式(2)：在满足0°＜θ1≤θb+10°的该第三区域内，比值θ3/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时(即发生在θa≤θ1≤θb时)，且该第二区域内的该比值θ3/θ1＞0.9。其中，θ3是夹角为θ1的光线进入到该透镜20发生折射并从该出光面26出射后与该中心轴OO’之间的夹角。
请参阅图4，其中，横坐标为θ1的取值，单位为度；纵坐标为入光面24切线斜率绝对值，为常数。图4描述的是该第四区域具有一个拐点41，该拐点41处的切线斜率绝对值最小。此处所述的“斜率”是相对该发光单元10的中心轴OO’而言，因此，垂直该发光单元10的中心轴OO’的表面的斜率为零。在拐点41处，斜率绝对值从逐渐减小(此时θ1<θa)转变为逐渐增大(此时θ1>θb)。例如，打在该拐点41上的光线的夹角θ1的范围在θa到θb之间，而夹角θ1取值为最大值θ1max时，此时具有最大值θ1max的光线进入该透镜20并从该出光面26的最外侧出射。例如，该最大值θ1max为90度。
本发明第一实施方式提供的发光装置100将该透镜20的出光面24设计成满足条件式(1)：在满足0°＜θ1≤θb+20°的该第二区域内，比值θ2/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ2/θ1＞0.9；及满足条件式(2)：在满足0°＜θ1≤θb+10°的该第三区域内，比值θ3/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ3/θ1＞0.9，从而降低中央区域的照明亮度，并减少发光单元LED特性造成的外围黄晕现象。
请参阅图5，本发明第二实施方式提供的背光模组200包括一个电路板30、多个如第一实施方式所述的发光装置100以及一个扩散板40。该多个发光装置100呈矩阵式排列在该电路板30上。具体地，该多个发光装置100的发光单元10均位于该电路板30上并与该电路板30电性连接。从发光单元10发出的光线经该透镜20折射后自该透镜20的出光面26出射。该扩散板40与该多个发光装置100对准以扩散并传输每个发光装置100从该出光面26出射的光线。
本发明第二实施方式提供的背光模组200将透镜20的出光面24设计成满足条件式(1)：在满足0°＜θ1≤θb+20°的该第二区域内，比值θ2/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ2/θ1＞0.9；及满足条件式(2)：在满足0°＜θ1≤θb+10°的该第三区域内，比值θ3/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ3/θ1＞0.9，从而降低中央区域的照明亮度，并减少发光单元LED特性造成的外围黄晕现象，增加直下式背光模组200之照明均匀性。
可以理解的是，对在本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属在本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于控制由发光单元发出的光线的透镜，包括：
中心轴；
用于供该光线进入的入光面，该入光面包括第一区域，该第一区域中至少有两个点分别到该发光单元的光出射面的中心点的距离是相同的，该第一区域满足关系式：θa≤θ1≤θb，其中，θ1是该发光单元发出的任意光线与该中心轴之间的夹角，θa是该发光单元发出的任意光线经过该第一区域时与该中心轴之间的夹角的最小值，θb是该发光单元发出的任意光线经过该第一区域时与该中心轴之间的夹角的最大值；及
与该入光面相背的出光面，该发光单元发出的光线进入该透镜中并从该出光面出射，该入光面及该出光面满足条件式(1)：在满足0°＜θ1≤θb+20°的第二区域内，比值θ2/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ2/θ1＞0.9；及满足条件式(2)：在满足0°＜θ1≤θb+10°的第三区域内，比值θ3/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ3/θ1＞0.9，其中，θ2是夹角为θ1的光线进入到该透镜内时与该中心轴的夹角，θ3是光线以夹角θ1进入到该透镜并从该出光面出射时与该中心轴的夹角。
2.如权利要求1所述的透镜，其特征在于，该入光面包括第四区域，该第四区域满足关系式：0°＜θ1≤θ1max，该第四区域具有一个拐点，该拐点处的切线斜率绝对值最小，打在该拐点上的光线的夹角θ1的范围在θa到θb之间，具有最大值θ1max的光线进入该透镜并从该出光面的最外侧出射。
3.如权利要求2所述的透镜，其特征在于，该入光面关于该发光单元的中心轴轴对称，该出光面关于该发光单元的中心轴轴对称。
4.如权利要求2所述的透镜，其特征在于，该透镜还包括底面并开设凹陷，该底面及该出光面分别位于该透镜的相背两侧，该入光面位于该底面与该出光面之间，且该入光面相对该底面向该出光面的方向凹陷以形成该凹陷。
5.如权利要求4所述的透镜，其特征在于，该入光面呈对称的抛物线状，其顶端为一个圆锥形的尖端突起。
6.一种发光装置，包括发光单元及与该发光单元对准的透镜，该透镜包括：
中心轴；
用于供发光单元发出的光线进入的入光面，该入光面包括第一区域，该第一区域中至少有两个点分别到该发光单元的光出射面的中心点的距离是相同的，该第一区域满足关系式：θa≤θ1≤θb，其中，θ1是该发光单元发出的任意光线与该中心轴之间的夹角，θa是该发光单元发出的任意光线经过该第一区域时与该中心轴之间的夹角的最小值，θb是该发光单元发出的任意光线经过该第一区域时与该中心轴之间的夹角的最大值；及
与该入光面相背的出光面，该发光单元发出的光线进入该透镜中并从该出光面出射，该入光面及该出光面满足条件式(1)：在满足0°＜θ1≤θb+20°的第二区域内，比值θ2/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ2/θ1＞0.9；及满足条件式(2)：在满足0°＜θ1≤θb+10°的第三区域内，比值θ3/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ3/θ1＞0.9，其中，θ2是夹角为θ1的光线进入到该透镜内时与该中心轴的夹角，θ3是光线以夹角θ1进入到该透镜并从该出光面出射时与该中心轴的夹角。
7.如权利要求6所述的发光装置，其特征在于，该入光面包括第四区域，该第四区域满足关系式：0°＜θ1≤θ1max，该第四区域具有一个拐点，该拐点处的切线斜率绝对值最小，打在该拐点上的光线的夹角θ1的范围在θa到θb之间，具有最大值θ1max的光线进入该透镜并从该出光面的最外侧出射。
8.如权利要求7所述的发光装置，其特征在于，该透镜还包括底面并开设凹陷，该底面及该出光面分别位于该透镜的相背两侧，该入光面位于该底面与该出光面之间，且该入光面相对该底面向该出光面的方向凹陷以形成该凹陷。
9.如权利要求8所述的发光装置，其特征在于，该入光面呈对称的抛物线状，其顶端为一个圆锥形的尖端突起。
10.一种背光模组，包括一个电路板，多个呈矩阵式排列在该电路板上的发光单元，以及一个扩散板，每个发光单元包括一个与该电路板电性连接的发光单元及一个透镜，该透镜包括：
中心轴；
用于供发光单元发出的光线进入的入光面，该入光面包括第一区域，该第一区域中至少有两个点分别到该发光单元的光出射面的中心点的距离是相同的，该第一区域满足关系式：θa≤θ1≤θb，其中，θ1是该发光单元发出的任意光线与该中心轴之间的夹角，θa是该发光单元发出的任意光线经过该第一区域时与该中心轴之间的夹角的最小值，θb是该发光单元发出的任意光线经过该第一区域时与该中心轴之间的夹角的最大值；及
与该入光面相背的出光面，该发光单元发出的光线进入该透镜中并从该出光面出射，该入光面及该出光面满足条件式(1)：在满足0°＜θ1≤θb+20°的第二区域内，比值θ2/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ2/θ1＞0.9；及满足条件式(2)：在满足0°＜θ1≤θb+10°的第三区域内，比值θ3/θ1的最小值发生在夹角θ1的取值在θa到θb之间时，且该第二区域内的该比值θ3/θ1＞0.9，其中，θ2是夹角为θ1的光线进入到该透镜内时与该中心轴的夹角，θ3是光线以夹角θ1进入到该透镜并从该出光面出射时与该中心轴的夹角；该扩散板与该发光装置对准以扩散并传输每个发光装置从该出光面出射的光线。
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