CN108351088B - 透镜结构及使用该透镜结构的灯具、背光模块与显示设备 - Google Patents

透镜结构及使用该透镜结构的灯具、背光模块与显示设备 Download PDF

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Abstract

一种透镜结构(1)，光耦合于光源，包括第一表面(10)、第二表面(20)以及出光面(30)，其中第一表面(10)具有朝光源的方向突出的凸面，第二表面(20)相对于第一表面(10)，而出光面(30)连接第一表面(10)及第二表面(20)。本发明还提供包括上述透镜结构的一种灯具、一种背光模块与一种显示设备。

Description

透镜结构及使用该透镜结构的灯具、背光模块与显示设备
技术领域
本发明涉及一种照明技术；特别是涉及一种适用于直下式(direct type)背光技术或照明灯具，且出光均匀度较佳的透镜结构及使用该透镜结构的灯具、背光模块与显示设备。
背景技术
目前照明技术(例如直下式背光模块或灯具)中，基于厚度以及成本等考虑，多会使用二次光学透镜(secondary optical lens)以满足其光学效果。现有的二次光学透镜分为反射式及折射式两种形式，其中反射式透镜的混光距离较折射式透镜的混光距离长，故可使用较少量的发光二极管(LED)以达到所需的光学效果。
图1A显示已知反射式透镜的出光方式示意图。其中，该已知反射式透镜300包括全反射(Total Internally Reflect，简称TIR)面302，可将发光二极管304所发出的光线L反射，并由位于侧方的出光面306穿出。然而，此种出光方式易造成使用者从该已知反射式透镜300的正上方(亦即全反射面302上方)观看到暗影。
因此，业界亟需一种能够改善上述暗影问题，并具有较佳的出光均匀度的透镜结构。
发明内容
鉴于前述已知问题点，本发明实施例提供一种透镜结构，适用于光耦合于光源，包括第一表面、第二表面以及出光面，其中第一表面具有朝光源的方向突出的凸面，第二表面相对于第一表面，而出光面连接第一表面及第二表面。
根据本发明实施例，前述第一表面还形成有凹槽，且前述凸面形成于凹槽内，前述光源邻近于凹槽。
根据本发明实施例，前述透镜结构还包括环形沟槽，形成于前述凹槽内，且围绕前述凸面设置。
根据本发明实施例，前述环形沟槽的横截面为三角形，具有第一侧壁及第二侧壁，其中第一侧壁与前述凸面相邻，而第二侧壁与第一侧壁之间夹有角度。
根据本发明实施例，前述光源所提供的部分光线经由前述第一侧壁反射而穿过前述第二表面。
根据本发明实施例，由前述第二表面所穿出的光线的量被前述第一侧壁的高度影响，且两者呈正相关。
根据本发明实施例，由前述出光面所穿出的光线的出光位置与前述透镜结构的光轴两者之间的距离被前述第二侧壁与第一侧壁之间的前述角度影响，且两者呈负相关。
根据本发明实施例，前述出光面为单一斜率的斜面。
根据本发明实施例，前述透镜结构还包括环形沟槽，形成于前述第一表面上，且围绕前述凸面设置。
根据本发明实施例，前述环形沟槽的横截面为三角形，具有第一侧壁及第二侧壁，其中第一侧壁与前述凸面相邻，而前述第二侧壁与第一侧壁之间夹有角度。
在前述透镜结构中，通过凸面的设计，可有效地聚集光线，并使得透镜结构的出光效率提升。除此之外，可通过于透镜结构的邻近光源的第一表面上的环形沟槽设计，令一部分的光线从第二表面的位置穿出透镜结构(相当于具有部分折射式透镜的出光效果)，以提升透镜结构的出光均匀度，并使得使用者不易从透镜结构的正上方观看到暗影。再者，也能通过适当选择第一侧壁的高度，可令由第二表面及出光面所穿出的光线的量较为接近，并使得透镜结构具有较佳的出光均匀度，或是通过适当选择第二侧壁与第一侧壁之间的角度，亦可改变透镜结构的亮环大小。
根据本发明实施例，亦提供一种灯具，包括至少一个前述透镜结构、至少一个光源，以及灯壳，其中，该至少一个光源所发出的光线经由前述至少一个透镜结构予以折射且/或反射后出光，再经由该灯壳穿出。
根据本发明实施例，亦提供一种背光模块，包括至少一个前述透镜结构、至少一个光源、以及光学板，前述至少一个光源所发出的光线经由前述至少一个透镜结构予以折射且/或反射后出光，再经由前述光学板转换为面状出光。
根据本发明实施例，亦提供一种显示设备，包括至少一个前述透镜结构、至少一个光源、光学板、以及显示面板，前述至少一个光源所发出的光线经由前述至少一个透镜结构予以折射且/或反射后出光，再经由前述光学板转换为面状出光，以作为前述显示面板的背光源。
为让本发明上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1A是显示已知反射式透镜的出光方式示意图。
图1B是显示从正上方观看图1A中的已知反射式透镜的光形模拟图。
图1C是显示图1B中的已知反射式透镜的照度与(X方向或Y方向上)距离之间的关系图。
图2A是显示根据本发明实施例的透镜结构的剖视图。
图2B是显示图2A中A部分的放大图。
图3A是显示图2A中的透镜结构的立体透视图。
图3B是显示图3A中的透镜结构于另一视角的立体剖视图。
图4是显示图2A中的透镜结构的出光方式示意图。
图5A是显示从正上方观看图2A中的透镜结构的光形仿真图。
图5B是显示图5A中的透镜结构的照度与(X方向或Y方向上)距离之间的关系图。
图6A是显示环形沟槽的第一侧壁的高度较低时的出光方式示意图。
图6B是显示从正上方观看图6A中的透镜结构的光形仿真图。
图6C是显示图6B中的透镜结构的照度与(X方向或Y方向上)距离之间的关系图。
图7A是显示环形沟槽的第一侧壁的高度较高时的出光方式示意图。
图7B是显示从正上方观看图7A中的透镜结构的光形仿真图。
图7C是显示图7B中的透镜结构的照度与(X方向或Y方向上)距离之间的关系图。
图8A是显示环形沟槽的第二侧壁与第一侧壁之间的角度较小时的出光方式示意图。
图8B是显示从正上方观看图8A中的透镜结构的光形仿真图。
图8C是显示图8B中的透镜结构的照度与(X方向或Y方向上)距离之间的关系图。
图9A是显示环形沟槽的第二侧壁与第一侧壁之间的角度较大时的出光方式示意图。
图9B是显示从正上方观看图9A中的透镜结构的光形仿真图。
图9C是显示图9B中的透镜结构的照度与(X方向或Y方向上)距离之间的关系图。
图10是显示根据本发明另一实施例的透镜结构的剖视图。
图11A是显示根据本发明另一实施例的灯具的示意图。
图11B是显示根据本发明另一实施例的灯具的示意图。
图12是显示根据本发明另一实施例的背光模块的示意图。
图13是显示根据本发明另一实施例的显示设备的示意图。
具体实施方式
需先说明的是，以下将介绍的本发明的透镜结构适用于直下式(direct type)背光技术，例如可应用于直下式灯具(lamp)、背光模块(backlight module)或显示设备(display device)中，除此之外，也可以运用在照明灯具上。
先参阅图2A、2B、3A及3B，本发明实施例的透镜结构1包括第一表面10、第二表面20以及出光面30。具体而言，如图2A至3B所示，第一表面10为圆形表面，且形成有圆形凹槽100在其中央处。凸面102可形成于凹槽100内，其中凸面102朝光源S(参阅图4)的方向突出。另一方面，第二表面20相对于第一表面10，并形成凹陷。此外，出光面30连接第一表面10及第二表面20，其中出光面30与第一表面10、第二表面20分别交接处的夹角θ1及θ2可依据使用需求来设计及改变。另外，在本实施例中，出光面30为单一斜率的斜面，但本发明并不以此为限。
更具体而言，前述透镜结构1还包括光轴O，其中透镜结构1相对于光轴O为轴对称。更详细而言，在本实施例中，透镜结构1的位于第一表面10的凸面102的最凸点位于光轴O上，且凸面102相对于光轴O的倾斜角α从靠近光轴O处往远离光轴O处递减，而透镜结构1的第二表面20的最凹点位于光轴O上，且第二表面20相对于光轴O的倾斜角β从靠近光轴O处往远离光轴O处递增。
进一步而言，参阅图4，光源S(例如为发光二极管)可光耦合于上述透镜结构1。具体而言，在本实施例中，光源S设置于光轴O上，且邻近于透镜结构1的位于第一表面10的凹槽100。由此，当光源S发光时，从光源S中央处所发出的光线L1(为了简明，图4中仅绘出部分从光源S中央处所发出的光线L1)可向上行进经由凹槽100内的凸面102进入透镜结构1。需特别说明的是，在本实施例中，光线L1经由凸面102被集中射向第二表面20，接着再被第二表面20反射后，由出光面30的位置穿出透镜结构1。如此一来，通过凸面102的设计，可有效地聚集光线L1，并使得透镜结构1的出光效率提升。
再回到图2A、2B、3A及3B，在本实施例中，透镜结构1还包括环形沟槽104，形成于位于第一表面10的凹槽100内，且围绕凸面102设置。更具体而言，前述环形沟槽104的横截面为三角形(如图2B所示)，具有第一侧壁104A及第二侧壁104B，其中第一侧壁104A与凸面102相邻，且第二侧壁104B与第一侧壁104A之间夹有角度γ。此外，第一侧壁104A与透镜结构1的光轴O可为平行设置，但本发明并不以此为限。
藉此，当光源S发光时(参照图4)，从光源S非中央处所发出的光线L2(为了简明，图4中仅绘出部分从光源S非中央处所发出的光线L2)，在经由凹槽100内的凸面102进入透镜结构1后，可经由环形沟槽104的第一侧壁104A反射而向上行进穿过第二表面20，并穿出透镜结构1。
需特别说明的是，通过前述环形沟槽104(的第一侧壁104A)的设计，可令光源S所发出的一部分光线从第二表面20的位置穿出透镜结构1(相当于具有部分折射式透镜的出光效果)，如此一来，除可提升透镜结构1的出光均匀度，亦使得使用者不易从透镜结构1的正上方观看到暗影，由图5A及5B可看出，本实施例的透镜结构1的正上方的照度(单位为流明(lux))相当一致，亦即已知暗影问题被改善。相对地，在图1A的已知反射式透镜300中，光线L并无法(向上)穿出全反射面302，因此使用者从已知反射式透镜300的正上方会观看到暗影，由图1B及1C可看出，已知反射式透镜300的正上方的照度(单位为流明(lux))具有明显差异，亦即存在暗影问题。
再参阅图6A及7A，在本实施例中，当环形沟槽104的第一侧壁104A的高度H(图2B)越高，由第二表面20的位置穿出透镜结构1的光线的量(以光线L2的数量表示)越多，换言之，由第二表面20所穿出的光线的量被第一侧壁104A的高度H影响，且两者呈正相关。再对照参阅图6B、6C、7B及7C，当环形沟槽104的第一侧壁104A的高度H越低时(图6B及6C)，从正上方观看透镜结构1的光形较发散(相对于光轴O)且照度较低，另一方面，当环形沟槽104的第一侧壁104A的高度H越高时(图7B及7C)，从正上方观看透镜结构1的光形较集中(相对于光轴O)且照度较高。因此，通过适当选择第一侧壁104A的高度H，可令由第二表面20及出光面30所穿出的光线的量较为接近，并使得透镜结构1具有较佳的出光均匀度。
接着参阅图8A，当光源S发光时，从光源S非中央处所发出的光线L2(为了简明，图8A中仅绘出部分从光源S非中央处所发出的光线L2)亦可能经由环形沟槽104的第二侧壁104B进入透镜结构1，并由出光面30的位置直接穿出透镜结构1(不再经由第二表面20反射)。再一并参阅图8A至9C，当第二侧壁104B与第一侧壁104A之间的角度γ越大时(图9A)，由出光面30所穿出光线的出光位置愈偏向光轴O，亮环(如图9B中的箭头所指)较小，另一方面，当角度γ越小时(图8A)，由出光面30所穿出光线的出光位置则愈偏离光轴O，亮环(如图8B中的箭头所指)较大，换言之，由出光面30所穿出的光线的出光位置与透镜结构1的光轴O两者之间的距离被第二侧壁104B与第一侧壁104A之间的角度γ影响，且两者呈负相关。如此一来，通过适当选择第二侧壁104B与第一侧壁104A之间的角度γ，亦可改变透镜结构1的亮环大小。
另外，参阅图4的实施例，光源S设置于透镜结构1的位于第一表面10的凹槽100之外，更详细而言，光源S可设置于第一表面10与承载面F之间的空间(由突出于第一表面10的脚座B将透镜结构1向上抬升所形成)，但本发明并不以此为限，在一些实施例中，光源S亦可设置于凹槽100以内，而第一表面10上的脚座B可被省略。
图10是显示根据本发明另一实施例的透镜结构2的剖视图。如图10所示，在本实施例中，透镜结构2包括第一表面10、第二表面20以及出光面30。具体而言，第一表面10为圆形表面，并形成有凸面102在其中央处，其中凸面102朝光源的方向突出(同前述图2A至4的实施例)。此外，环形沟槽104亦形成于第一表面10上，且围绕凸面102设置。更详细而言，在本实施例中，前述环形沟槽104的横截面为三角形，具有第一侧壁104A及第二侧壁104B，其中第一侧壁104A与凸面102相邻，且第二侧壁104B与第一侧壁104A之间夹有角度。值得一提的是，在本实施例中，透镜结构2的第二表面20及出光面30的设计与前述实施例为相同或相似，差异仅在于透镜结构2的凸面102及环形沟槽104直接形成于第一表面10上(第一表面10上未形成有凹槽)。透镜结构2所可达成的光学效果与前述实施例的透镜结构1大致相同。
参阅图11A，其显示根据本发明另一实施例的灯具400的示意图。如图11A所示，灯具400包括灯罩402、灯座403、灯座接头404、如前述实施例(图4)的透镜结构1、光源S、及反射板405。其中，灯罩402、灯座403、以及灯座接头404组合成为灯壳，灯罩402与灯座403适于组合以形成容置空间，灯座接头404设置于灯座403的底部，透镜结构1及光源S设置于灯座403的靠近灯罩402的一侧的承载面F上(承载面F上可设有电路板，用以电性连接光源S)，且反射板405亦覆盖于承载面F上，用以将部分从透镜结构1穿出的光线进行反射以由灯具400的灯罩402穿出(图未示)。值得一提的是，前述透镜结构1亦可换为图10实施例的透镜结构2，且透镜结构1(或透镜结构2)可将光源S所发出的光线予以折射且/或反射后出光。
参阅图11B，其显示根据本发明另一实施例的灯具400’的示意图。如图11B所示，灯具400’包括灯罩402、灯座403，复数个如前述实施例(图4)的透镜结构1、及复数个光源S。类似地，灯罩402与灯座403适于组合成为灯壳以形成容置空间，复数个透镜结构1及光源S彼此相互对应并设置于灯座403的靠近灯罩402的一侧的承载面F上(承载面F上可设有电路板，用以电性连接光源S)。另外，前述透镜结构1亦可换为图10实施例的透镜结构2，且透镜结构1(或透镜结构2)可将光源S所发出的光线予以折射且/或反射后出光。
参阅图12，其显示根据本发明另一实施例的背光模块500的示意图。如图12所示，背光模块500包括底板502、电路板504、至少一个(复数个)如前述实施例(图4)的透镜结构1、至少一个(复数个)光源S、反射板506、及扩散板508(光学板)。其中，电路板504设置于底板502上，复数个透镜结构1及光源S彼此相互对应并设置于电路板504上，且光源S电性连接电路板504，反射板506亦设置于电路板504上，用以将部分从透镜结构1穿出的光线向上反射(图未示)以提高背光模块500的发光效率，另外扩散板508设置于透镜结构1的上方(背光模块500的出光侧)，可改善背光模块500的出光均匀度(使背光模块500具面状出光形态)。值得一提的是，前述透镜结构1亦可换为图10实施例的透镜结构2，且透镜结构1(或透镜结构2)可将光源S所发出的光线予以折射且/或反射后出光。
参阅图13，其显示根据本发明另一实施例的显示设备600的示意图。如图13所示，显示设备600包括如前述实施例(图12)的背光模块500，及设置于背光模块500的出光侧的显示面板601(例如液晶显示面板)，可利用背光模块500作为其背光源。在一些实施例中，背光模块500中的透镜结构1亦可换为图10实施例的透镜结构2，且透镜结构1(或透镜结构2)可将光源S所发出的光线予以折射且/或反射后出光。
综上所述，在本发明实施例所提供的透镜结构及使用该透镜结构的灯具、背光模块与显示设备中，通过凸面102的设计，可有效地聚集光线L1，并使得透镜结构的出光效率提升。除此之外，可通过于该透镜结构的第一表面上10的环形沟槽104设计，令一部分的光线从第二表面20的位置穿出透镜结构(相当于具有部分折射式透镜的出光效果)，以提升该透镜结构的出光均匀度，并使得使用者不易从该透镜结构的正上方观看到暗影。再者，也能通过适当选择第一侧壁104A的高度H，可令由第二表面20及出光面30所穿出的光线的量较为接近，并使得透镜结构具有较佳的出光均匀度，或是通过适当选择第二侧壁104B与第一侧壁104A之间的角度γ，亦可改变透镜结构的亮环大小。
虽然本发明以前述的实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰。因此本发明的保护范围当以权利要求所界定者为准。
符号说明
1、2～透镜结构；
10～第一表面；
20～第二表面；
30～出光面；
100～凹槽；
102～凸面；
104～环形沟槽；
104A～第一侧壁；
104B～第二侧壁；
300～已知反射式透镜；
302～全反射面；
304～发光二极管；
306～出光面；
400、400’～灯具；
402～灯罩；
403～灯座；
404～灯座接头；
405～反射板；
500～背光模块；
502～底板；
504～电路板；
506～反射板；
508～扩散板、光学板；
600～显示设备；
601～显示面板；
B～脚座；
F～承载面；
H～高度；
L、L1、L2～光线；
O～光轴；
S～光源；
θ1、θ2～夹角；
α、β～倾斜角；
γ～角度。

Claims (7)

1.一种透镜结构，光耦合于光源，所述透镜结构包括：
第一表面，具有朝所述光源的方向突出的凸面；
第二表面，相对于所述第一表面；以及
出光面，连接所述第一表面及所述第二表面；
其中，所述第一表面还形成有凹槽，且所述凸面形成于所述凹槽内，所述光源邻近于所述凹槽；
其中，所述的透镜结构还包括环形沟槽，形成于所述凹槽内，且围绕所述凸面设置；
其中，所述环形沟槽的横截面为三角形，具有第一侧壁及第二侧壁，所述第一侧壁与所述凸面相邻，而所述第二侧壁与所述第一侧壁之间夹有角度；
其中，由所述光源所提供的部分光线经由所述第一侧壁反射而穿过所述第二表面；
其中，由所述第二表面所穿出的光线的量被所述第一侧壁的高度影响，且两者呈正相关。
2.一种透镜结构，光耦合于光源，所述透镜结构包括：
第一表面，具有朝所述光源的方向突出的凸面；
第二表面，相对于所述第一表面；以及
出光面，连接所述第一表面及所述第二表面；
其中，所述第一表面还形成有凹槽，且所述凸面形成于所述凹槽内，所述光源邻近于所述凹槽；
其中，所述的透镜结构还包括环形沟槽，形成于所述凹槽内，且围绕所述凸面设置；
其中，所述环形沟槽的横截面为三角形，具有第一侧壁及第二侧壁，所述第一侧壁与所述凸面相邻，而所述第二侧壁与所述第一侧壁之间夹有角度；
其中，由所述出光面所穿出的光线的出光位置与所述透镜结构的光轴之间的距离被所述第二侧壁与所述第一侧壁之间的所述角度影响，且两者呈负相关。
3.如权利要求1或2所述的透镜结构，其中，所述出光面为单一斜率的斜面。
4.如权利要求1或2所述的透镜结构，还包括环形沟槽，形成于所述第一表面上，且围绕所述凸面设置。
5.一种灯具，包括至少一个如权利要求1-4中任一项所述的透镜结构、至少一个光源，以及灯壳，所述至少一个光源所发出的光线经由所述至少一个透镜结构予以折射且/或反射后出光，再经由所述灯壳穿出。
6.一种背光模块，包括至少一个如权利要求1-4中任一项所述的透镜结构、至少一个光源、以及光学板，所述至少一个光源所发出的光线经由所述至少一个透镜结构予以折射且/或反射后出光，再经由所述光学板转换为面状出光。
7.一种显示设备，包括至少一个如权利要求1-4中任一项所述的透镜结构、至少一个光源、光学板、以及显示面板，所述至少一个光源所发出的光线经由所述至少一个透镜结构予以折射且/或反射后出光，再经由所述光学板转换为面状出光，以作为所述显示面板的背光源。
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