CN109027737B

CN109027737B - 一种透镜、灯条、背光模组及显示设备

Info

Publication number: CN109027737B
Application number: CN201810642344.0A
Authority: CN
Inventors: 孟长军; 韩继远
Original assignee: Shenzhen Skyworth RGB Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Skyworth RGB Electronics Co Ltd
Priority date: 2018-06-21
Filing date: 2018-06-21
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2038-06-21
Also published as: CN109027737A

Abstract

本发明公开了一种透镜、灯条、背光模组及显示设备，涉及显示设备技术领域。该透镜为长条形，所述透镜的底面形成入光面，所述透镜的外表面形成出光面，且所述透镜的顶面为曲面，所述透镜内的部分光线能够在所述曲面发生全反射后，由所述透镜的侧面透出。本发明提供的透镜的底面为入光面，外表面为出光面，通过设计透镜的外轮廓，使得透镜内部的部分光线直接由透镜的顶面和侧面透出，部分光线在透镜的顶面全反射后由透镜的侧面透出，有利于增大光线的光程和光线的出射角度。

Description

一种透镜、灯条、背光模组及显示设备

技术领域

本发明涉及显示设备技术领域，尤其涉及一种透镜、灯条、背光模组及显示设备。

背景技术

显示设备是一种可输出图形或感触信息的设备，包括电视机、显示器、广告机等。背光模组是显示设备的重要组成部分之一。背光模组可分为侧入式背光模组和直下式背光模组。直下式背光模组是指光源由灯条上的LED芯片射出后，向上经扩散板均匀分散后于扩散板的正面射出。直下式背光模组中，灯条的安置空间变大，但同时也增加了模组的厚度、重量、耗电量等，因其设置的灯条数量多，具有高辉度、良好的出光视角、光利用效率高、结构简易化等有点，因而适用于对可携性及空间要求较低的显示设备。

如图1所示，灯条1＇包括光源和二次透镜，光源包括PCB板以及直线排列在PCB板上的多个LED芯片。LED芯片发出的光依靠二次透镜将光线进行均匀化，并通过透镜获得5°至160°之间的任意出光角度的光线，并由扩散板3＇的正面射出。为了提高光线利用率，分散在背光模组两侧的光线经反射片2＇反射后，再由扩散板3＇的正面射出。现有技术中，二次透镜一般为通过旋转获得的折射式和反射式对称透镜，分散的点光源经过透镜后得到圆形或者椭圆形的光斑。为了在直下式背光模组应用时获得均匀的出光效果，需要在背板内部均匀地排列多个LED芯片，使LED芯片均匀地分布在背光模组的各个部分，从而导致背光模组内灯条1＇增多，组装效率低，成本高。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种透镜，该透镜与光源配合使用，可以增大背光模组中光线的光程以及形成的光斑大小，减少背光模组中使用灯条数量，降低背光模组的成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种透镜，所述透镜为长条形，所述透镜的底面形成入光面，所述透镜的外表面形成出光面，且所述透镜的顶面为曲面，所述透镜内的部分光线能够在所述曲面发生全反射后，由所述透镜的侧面透出。

其中，所述透镜的顶面各点的切线的斜率为：

其中，

n为所述透镜对空气的相对折射率，α为光线在入光面上的入射角，β为光线在入光面上的折射角，φ为光线在出光面上的折射角，X为光线在目标面上形成的照明区域的半径，Z为目标面距离所述透镜的入光面的高度。

其中，所述透镜的侧面包括位于上部的竖直面以及位于下部的斜面，所述透镜的下端的横截面积大于上端的横截面积。

其中，所述透镜的底面内凹形成容纳槽，所述容纳槽的内壁形成所述入光面。

其中，所述容纳槽的侧壁为向所述容纳槽内凸出的弧面。

其中，所述透镜的截面形状为轴对称图形。

本发明的另一个目的在于提出一种灯条，可以增大背光模组中光线的光程以及形成的光斑大小，减少背光模组中使用灯条数量，降低背光模组的成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种灯条，包括LED光源，还包括如上述所述的透镜，所述透镜扣设于所述LED光源外。

其中，所述LED光源包括基座、荧光粉层以及多个LED芯片，所述基座上设置有条形的封装槽，多个所述LED芯片呈直线分布于所述封装槽内，所述荧光粉层覆盖于多个所述LED芯片上。

本发明的再一个目的在于提出一种背光模组，该背光模组能够大幅度减少使用的灯条数量，有利于提高背光模组的组装效率，并降低成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种背光模组，包括：

背板；

如上述所述的灯条，所述灯条设置于所述背板上；

扩散板，所述扩散板设置于所述背板上方；及

反射片，所述反射片叠放于所述背板上，所述反射片上设置有条形孔，所述灯条伸出所述条形孔外，所述反射片的边缘弯折并与所述扩散板连接。

本发明的再一个目的在于提出一种显示设备，该显示设备能够大幅度减少使用的灯条数量，有利于提高组装效率，并降低成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种显示设备，包括上述所述的背光模组。

有益效果：本发明提供了一种透镜、灯条、背光模组及显示设备。本发明提供的透镜的底面为入光面，外表面为出光面，通过设计透镜的外轮廓，使得透镜内部的部分光线直接由透镜的顶面和侧面透出，部分光线在透镜的顶面全反射后由透镜的侧面透出，有利于增大光线的光程和光线的出射角度。

附图说明

图1为现有技术中背光模组的结构示意图；

图2为本发明提供的背光模组的结构示意图；

图3是本发明提供的背光模组内光线传播路径的示意图；

图4为本发明提供的灯条的结构示意图；

图5为本发明提供的透镜的结构示意图；

图6为本发明提供的背光模组的主视图；

图7为本发明提供的透镜的轮廓设计的原理图；

图8为本发明提供的光源的结构示意图；

图9为图8中A处的局部放大图；

图10为本发明提供的光源的剖视图。

其中：

1、LED光源；11、基板；12、支架；13、LED芯片；14、荧光粉层；15、连接器；2、透镜；21、容纳槽；22、顶面；23、侧面；231、竖直面；232、斜面；3、扩散板；4、反射片；

1＇、灯条；2＇、反射片；3＇、扩散板。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例提供了一种显示设备，可以为电视机、显示器、广告机等。显示设备包括背光模组及显示面板。背光模组为显示面板供应充足的亮度与分布均匀的光源，使其能正常显示影像。

如图2所示，背光模组主要包括背板(图中未示出)、反射片4、灯条及扩散板3。扩散板3设置于背板上方，反射片4环绕扩散板3设置，并分别连接扩散板3和背板。灯条可以通过双面胶、螺钉或卡扣的方式设置于背板上。灯条包括LED光源1以及扣设于LED光源1外的透镜2，LED光源1发出的光线经透镜2调整到合适范围的出光角度后，入射至扩散板3，经扩散板3扩散后，在显示面板上形成均匀的光照区域。在本实施例中，LED光源1包括基座以及多个LED芯片13，多个LED芯片13沿基座的长度方向均匀排列。

由于现有技术中，灯条上设置有多个分散的LED芯片13，形成多个分散的点光源。每个LED芯片13上罩设有一个大致呈圆柱形的透镜2，LED光源1发出的光线进入透镜2后，大部分光线直接经透镜2的上端表面折射透出，导致每个点光源形成的圆形或椭圆形的光斑较小。为使直下式背光模组为在显示面板上形成均匀的光照区域，需要在背板上阵列分布有多个LED芯片13，即需要设置多条灯条，不仅增加了背光模组的成本，而且多条灯条组装效率低。

为解决上述问题，本实施例中通过改进透镜2的结构，使得每个背光模组可以只设置一根灯条，灯条位于背板的中间，从而减少背光模组需要设置的灯条数量。如图3-图4所示，通过改进透镜2的结构，使进入透镜2内部的光线，一部分经由透镜2的顶面折射透出，一部分光线在透镜2的顶面发生全反射，全反射的光线经透镜2的侧面折射透出，另有一部分光线直接入射至透镜2的侧面并透出，且由透镜2侧面透出的光线还可以在反射片4的反射作用下入射到扩散板3上。通过控制部分直接射入透镜2顶面的光线发生全反射，使得部分光线经透镜2的侧面射出，且射出的光线还可以在反射片4的作用下向上反射至扩散板3，从而使光线的光程变大，光线经透镜2后获得更大范围的出光角度，进而增大每个LED芯片13形成的光斑面积，从而减少使用的灯条数量，达到降低成本、提高组装效率的目的。

为进一步提高光线利用率，本实施例中，反射片4叠放在背板上，反射片4上设置有条形孔，灯条通过条形孔伸出反射片4外，且反射片4的四周的边缘弯折并与扩散板3连接。在实际使用时，还可以通过调整反射片4的边缘的弯折角度来优化背光模组的显示效果，使背光模组的光线更加均匀。

具体地，如图5所示，透镜2可以采用光学级聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)或聚苯乙烯系(Polystyrene，PS)注塑形成或是光学玻璃烧制而成。透镜2为长条形，其长度与灯条的长度相适配，保证LED芯片13发出的光线均通过透镜2调整出光角度后射出。透镜2的底面可以设置有脚柱，脚柱可以通过卡接的方式固定在LED光源1的基板11上。如图6所示，透镜2的底面为入光面，透镜2的外表面为出光面，其中，透镜2的外表面包括透镜2的侧面和顶面，LED芯片13发出的光线将入光面进入透镜2内部后，在透镜2内部发生反射和折射后由出光面透出。

为了保证LED芯片13发出的光线均进入透镜2内，透镜2的底面可以内凹形成容纳槽21，容纳槽21的内壁形成入光面，LED芯片13容置在容纳槽21内，使得光线全部进入透镜2内，提高光线的利用率。

为了保证经过透镜2的光线具有较大的出光角度，增大光线的光程，透镜2的顶面22为特殊的曲面，使得入射到透镜2的顶面22的部分光线能够发生全反射，并由透镜2的侧面23射出，从而通过背光模组内的反射片4反射至扩散板3上。

具体地，为使透镜2透出的光线更加均匀，透镜2可以为中心对称结构，顶面22可以沿透镜2长度方向的轴线对称。如图7所示，在设计透镜2的顶面22时，可以将LED光源1设定为点光源，并假设透镜2的入光面和侧面23为平面，以透镜2的入光面的中心的原点，建立坐标系，并根据能量守恒定律、光线在透镜2中的传播路径以及期望在目标面上形成的光斑的大小，计算出顶面22各点的切线斜率，进而确定顶面22的初始面型。

背光模组为了实现均匀照明，要求在目标面上的照度一致，本实施例中，可以将目标面设定为扩散板3。假设目标面上的平均照度为E，则目标面上的总光通量为

Φ_入＝E*S；

其中，Φ_入为目标面入射的总光通量，E为目标面上的照度，S为目标面的面积。

为了达到最大的光效利用率，则要求光源1的出射的总光通量与目标面入射的总光通量相等，即

Φ_入＝Φ_出；

其中，Φ_出为目标面入射的总光通量。

为保证均匀照明，目标面上的平均照度为恒定的，因此，目标面上特定区域的光通量与整个照明区域的光通量之比等于该特定区域的面积与整个目标面的面积之比。假设整个目标面的半径为R，目标面上一个半径为X的区域的光通量与整个目标面的光通量之比为X²/R²；此外，光源1在发散角为α的光锥内的光通量与光源1整体的光通量之比为sin²α/sin²α_max，因此，可得：

X²/R²＝sin²α/sin²α_max；

对于LED芯片13而言，一般α_max＝90°，目标面距离入光面的高度为Z,则

光线在透镜2中的传播路径如图7所示，a点为光线在目标面上的入射点。根据折射定律，入射角和折射角的正弦之比为常数，该常数即为第二介质对第一介质的相对折射率。可知在透镜2的入光面以及透镜2的侧面23满足如下关系：

其中，n为透镜2对空气的相对折射率，α为光线在入光面上的入射角，β为光线在入光面上的折射角，φ为光线在出光面上的折射角，λ为由透镜2的侧面23射出的光线与入光面的夹角。

由设计经验可知，由透镜2的侧面23射出的光线与X轴的交点b的横坐标一般为

可知

λ＝arctan(5Z/4X)；

可以得到

根据几何关系，可以计算出透镜2顶面22的入射光线的法线的斜率K_法为：

根据法线的斜率与切线的斜率乘积等于-1，可以得到顶面22该点的切线的斜率K_切为：

其中，δ为顶面22上光线入射点处的切线的倾斜角。

根据上式，可以计算出不同的α值对应的切线的斜率。在模拟软件中，选取不同的α值，例如α＝5°，可以计算出相应的β和φ的值，则可以得到α＝5°时顶面上的入射点d对应的入射光线、全反射光线以及d点切线的斜率。之后，建立边界条件，即选取顶面的中心点c，并以中心点c为起点绘制切线，切线与入射光线的交点即为顶面22上的入射点d。根据迭代法，通过叠加依次计算出α为10°、15°、20°、25°等角度时顶面上的多个入射点，并通过多个点拟合即可得到顶面22的轮廓曲线。

通过使用改进后的透镜2，极大地减少了背光模组中灯条的使用数量，降低了背光模组的生产成本，且节省了生产工时，提高了生产效率。其中，使单条灯条可以满足的背光模组的最大尺寸为55寸，对于更大尺寸的背光模组，例如75寸，可以适当增加一条灯条，即使用两根灯条即可满足使用需要。此外，只需要改变灯条的长度，即可应用于不同尺寸的背光模组中，通用性较强，有利于降低生产成本。

由于现有的灯条中，多个LED芯片13形成的是分散的多个点光源，相邻点光源之间的光照强度不均，将影响背光模组发光的均匀性。为了解决上述问题，提高灯条在长度方向上的各处发光的均匀性，本实施例中LED光源1为线性光源。

具体地，如图8-图10所示，LED光源1包括基座和多个LED芯片13，基座上设置有容纳LED芯片13的封装槽，相比现有技术中多个间隔设置的封装槽，本实施例中，基座上设置有一个条形的封装槽，多个LED芯片13呈直线分布于封装槽内，封装槽内填充有荧光粉层14进行封装。

本实施例中，通过设置条形的封装槽，可以保证发光的连续性，将现有技术中的点光源改善为线光源，从而提升背光模组发光的均匀性。

本实施例中，基座包括基板11和支架12。基板11为PCB板，支架12上设置有条形的封装槽，支架12可以通过胶粘接、螺纹连接或卡扣的方式固定在PCB板上。PCB板上设置有铜层，封装槽内的LED芯片13通过焊脚与铜层电连接。PCB板上还设置有连接器15，连接器15与铜层电连接，连接器15上还可以通过导线与外部进行电气连接。

可选地，LED芯片13可以为蓝光或紫光的倒装芯片。荧光粉层14可以为黄色荧光粉、红绿荧光粉或量子点材料与硅胶的混合材料制成，荧光粉层14可以通过点胶、涂覆或模压的方式覆盖在LED芯片13的上方，荧光粉层14可以被激发产生白光。支架12可以起到封装LED芯片13以及固定透镜2的作用。由于LED芯片13在工作过程中将产生热量，因此，支架12需要采用耐热材料制成，例如可以由聚对苯二甲酸环己撑二亚甲基酯树脂、SMC(SheetMolding Compound)复合材料或环氧树脂模塑料(Epoxy Molding Compound，EMC)材料制成。

由于在设计透镜2的顶面22形状时，假设LED光源为点光源，而真实的LED光源1为改善后的线光源，且LED光源1为郎伯光源，即光强随着光线入射角度的增大而减小。因此在实际建模中需要对透镜2进行进一步的结构优化。

具体地，参照图6所示，透镜2的入光面包括位于顶部的水平面以及环绕水平面设置的侧壁，其中，侧壁可以为外凸的弧面，可以使进入透镜2的光线更加发散，从而使光线由透镜2的侧面23透出后，经反射片4反射后在扩散板3上形成的光斑面积更大。

进一步地，透镜2的侧面23可以包括为与上部的竖直面231以及位于下部的斜面232，且斜面232由上到下逐渐外扩，使得透镜2的下端的横截面积大于上端的横截面积。通过设置斜面232，可以保证进入透镜2内的大角度光线不会在透镜2的侧面23上发生全反射，从而保证光线正常射出，改善透镜2的出模效率。可选地，斜面232与透镜2的底面的夹角可以为60°-70°，例如可以为60°、62°、65°、67°、70°。本实施例中，斜面232与透镜2的底面的夹角选取为65°。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种透镜(2)，其特征在于，所述透镜(2)为长条形，所述透镜(2)的底面形成入光面，所述透镜(2)的外表面形成出光面，且所述透镜(2)的顶面(22)为曲面，所述透镜(2)内的部分光线能够在所述曲面发生全反射后，由所述透镜(2)的侧面(23)透出；

所述透镜(2)的所述侧面(23)包括位于上部的竖直面(231)以及位于下部的斜面(232)，所述透镜(2)的下端的横截面积大于上端的横截面积；

所述透镜(2)的顶面(22)各点的切线的斜率为：

其中，

n为所述透镜(2)对空气的相对折射率，α为光线在入光面上的入射角，β为光线在入光面上的折射角，φ为光线在出光面上的折射角，X为光线在目标面上形成的照明区域的半径，Z为目标面距离所述透镜(2)的入光面的高度。

2.如权利要求1所述的透镜(2)，其特征在于，所述透镜(2)的底面内凹形成容纳槽(21)，所述容纳槽(21)的内壁形成所述入光面。

3.如权利要求2所述的透镜(2)，其特征在于，所述容纳槽(21)的侧壁为向所述容纳槽(21)内凸出的弧面。

4.如权利要求1所述的透镜(2)，其特征在于，所述透镜(2)的截面形状为轴对称图形。

5.一种灯条，包括LED光源(1)，其特征在于，还包括如权利要求1-4中任一项所述的透镜(2)，所述透镜(2)扣设于所述LED光源(1)外。

6.如权利要求5所述的灯条，其特征在于，所述LED光源(1)包括基座、荧光粉层(14)以及多个LED芯片(13)，所述基座上设置有条形的封装槽，多个所述LED芯片(13)呈直线分布于所述封装槽内，所述荧光粉层(14)覆盖于多个所述LED芯片(13)上。

7.一种背光模组，其特征在于，包括：

背板；

如权利要求5或6所述的灯条，所述灯条设置于所述背板上；

扩散板(3)，所述扩散板(3)设置于所述背板上方；及

反射片(4)，所述反射片(4)叠放于所述背板上，所述反射片(4)上设置有条形孔，所述灯条伸出所述条形孔外，所述反射片(4)的边缘弯折并与所述扩散板(3)连接。

8.一种显示设备，其特征在于，包括如权利要求7所述的背光模组。