CN109541848B - 用于led光源的透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于发光二极管光源的透镜。所述透镜包括：底面；内曲面，由所述底面的中部向上弯曲形成，所述内曲面为入光面；外曲面，由所述底面的所述中部向上弯曲形成，所述外曲面为所述透镜的出光面，所述内曲面设置于所述外曲面内；使用该透镜封装的LED用于液晶显示器直下式LED背光源时，能够提高光的亮度均匀性和色度均匀性，提高背光模组的品质，解决现行背光方案中边缘以及四角偏暗的问题。

Description

用于LED光源的透镜
技术领域
本发明涉及光电显示技术领域，尤其涉及一种可用于直下式液晶显示背光源的LED透镜。
背景技术
传统的液晶显示器的冷阴极管(CCFL)背光源已经逐渐被发光二极管(LED)背光源所取代。但是与线光源冷阴极管不同，LED属于发出一定角度光束的点光源，用于直下式液晶显示器(LCD)背光源时，需要数百甚至上千三基色LED排布成一定的阵列形成面光源，然后对液晶面板进行照明。
从点光源转化成均匀的面光源，是LED背光源的关键技术。LED阵列形成的面光源的均匀度密切与LED的光强分布有关。一部分的LED在没放置透镜前，其光强分布通常接近朗伯分布，传统的半球型透镜安放在LED上后，改变了LED的光强分布，使得光线更集中在LED中轴线的附近
直下式液晶显示模组结构作为液晶显示模组的主流结构，因其优越的成本优势，被业界广泛使用。其结构特征在于LED光源放置于液晶显示面板的背面。
其光学原理为：通过LED光源搭配二次透镜(2ndlens)实现光均匀控制。直下式背光方案的缺点也非常明显，厚度远大于侧入式背光方案。业者为使得直下式背光外观视觉上纤薄化，通常在边缘会进行斜面设计，然而斜面设计导致LED离边距离大，背光模组整体亮度分布呈现出边缘偏暗(特别是四角偏暗)现象。LED搭配二次透镜后出光光斑呈对称性(圆形光斑或椭圆形光斑，其LED中心与光斑中心重合)，此时边缘LED离边距离远(中心区域LED等间距排列)，需求贡献面积大，整体亮度相较于中心区域不足，呈现出偏暗现象。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种透镜，以该透镜封装的LED用于LCD直下式LED背光源时，能够提高光的亮度均匀性和色度均匀性，提高背光模组的品质。解决现行背光方案中边缘以及四角偏暗的问题。
为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：
本发明一种用于LED光源的透镜，所述透镜包括：
底面；
内曲面，由所述底面的中部向上弯曲形成，所述内曲面为所述透镜的入光面；
以及外曲面，由所述底面的所述中部向上弯曲形成，所述外曲面为所述透镜的出光面，所述内曲面设置于所述外曲面内；
所述内曲面的长度为l1，所述内曲面的高度为h1，且满足h1大于l1；所述外曲面的长度为l5，所述外曲面中点与所述底面的高度为h3，所述外曲面的最大高度为h4，其中所述h1、h3、h4及l5之间满足一定的比例关系。
根据本发明实施例所提供的透镜，所述透镜是由透明材料制成的轴对称实体。
根据本发明实施例所提供的透镜，所述底面垂直于所述透镜的中轴线且左右对称。
根据本发明实施例所提供的透镜，所述内曲面为连接所述底面的半椭球面。
根据本发明实施例所提供的透镜，所述h1、h3、h4及l5之间满足一定的比例关系为：
2/3<h1/h3<1,4/5<h3/h4<1,1.5<l5/h4<2.5。
根据本发明实施例所提供的透镜，所述外曲面相对于所述透镜的所述中轴线呈左右对称。
根据本发明实施例所提供的透镜，所述内曲面的宽度为l2，且满足l2>l1,所述内曲面的侧面的高度为h2，且满足h2>h1。
根据本发明实施例所提供的透镜，所述外曲面与y轴交界的宽度为l3，所述外曲面的最大宽度为l4，且满足l3<l4<l5。
根据本发明实施例所提供的透镜所述内曲面以所述内曲面的最高点为分界，分为左右两部分：
所述内曲面的左部分上的一点的切线与水平轴夹角为θ′，满足所述内曲面的所述左部分上的所述点与所述水平轴距离越近，θ′越大，且在在所述内曲面的所述左部分的底面处具有最大值，其中60°<θ′<90°；
所述内曲面的右部分上的一点的切线与水平轴夹角为θ，满足随所述内曲面的所述右部分上的所述点与所述水平轴距离越近，θ越大，且在所述内曲面的所述右部分的底面处具有最大值，其中85°<θ≤90°；
其中所述内曲面与与所述透镜的所述中轴线的交点处的切线与所述水平轴的夹角大于0°。
根据本发明实施例所提供的透镜，所述内曲面的中心点与所述内曲面的所述侧面的中心点重合或所述内曲面的所述中心点位于所述内曲面的所述侧面的中心点左侧。
本发明的有益效果为：本发明提供的透镜可用于直下式液晶显示背光源，该透镜可改变光的折射角度，使得LED的光线经透镜后具有扩散和偏位的效果，整体光线的分布往右侧偏移，从而解决现行背光模组方案中边缘以及四周偏暗的问题。
附图说明
为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的LED透镜的正视图。
图2为本发明提供的LED透镜的侧视图一。
图3为本发明提供的LED透镜的另一侧视图二。
图4为本发明提供的LED透镜的正视光路图。
图5为本发明提供的LED透镜的侧视光路图。
图6为本发明提供的LED透镜的排布方式。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附加的图示，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如[上]、[下]、[前]、[后]、[左]、[右]、[内]、[外]、[侧面]等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。在图中，结构相似的单元是用以相同标号表示。
本发明针对现有技术的直下式背光方案中，斜面设计导致LED离边距离大，背光模组整体亮度分布呈现出边缘偏暗(特别是四角偏暗)现象，边缘LED整体亮度相较于中心区域不足，呈现出偏暗现象等这些问题。
本发明提供一种用于LED光源的透镜，该透镜可以用于于直下式液晶显示背光源。
本实施例以该透镜封装的LED用于LCD直下式LED背光源来说明。
如图1所示为本发明的LED透镜的正视图。本发明提供的LED透镜是由透明材料制成的轴对称实体。本发明提供的LED透镜包括：一个底面11；一个内曲面12，所述内曲面12由所述底面11的中部向上弯曲所形成的，所述内曲面12作为所述透镜的入光面；以及一个外曲面14，由所述底面11的所述中部向上弯曲形成，所述外曲面14为所述透镜的出光面，所述内曲面12设置于所述外曲面14内。
所述内曲面12用于使LED发光芯片10发出的光经过折射后进入LED透镜内。由于LED发光芯片10属于类朗伯发光源，中心亮度较高，所以根据LED发光芯片10的光型设计的LED透镜的外形，即所述内曲面12为连接所述底面11的半椭球面。将所述外曲面14设计成中部向下内凹，四周向外凸的曲面，有利于将LED发光芯片10发出的光折射出更加均匀的光线。
本发明实施例所述的LED透镜为折射是透镜，适用于直下式背光模组中，其通过顶面(外曲面)出射光线。所述LED透镜由玻璃或光学树脂制成，优选的采用光学级聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，简称PMMA)或者聚碳酸酯材料(Polycarbonate，简称PC)较佳，且所述LED透镜的折射率大于空气的折射率。
本发明提供的实施例中，所述LED透镜的底面11除中部向上内凹形成内曲面12外，其他部分为平面，所述底面11垂直于中轴线且左右对称。所述LED透镜的内曲面12为光的入射面，形状为半椭球面，以便将入射的光线尽量折射发散。
如图1所示，在所述LED透镜的正视图中，所述内曲面12的长度为l1，所述内曲面12的高度为h1，且满足h1大于l1。所述外曲面14相对于所述透镜的所述中轴线呈左右对称，所述外曲面14的长度为l5，所述外曲面14中点与所述底面11的高度为h3，所述外曲面14的最大高度为h4，且满足：
2/3<h1/h3<1,4/5<h3/h4<1,1.5<l5/h4<2.5。
如图2、图3所示，在所述LED透镜的侧视图中，所述内曲面12的侧面13宽度为l2，且满足l2>l1,所述内曲面12的侧面13的最高高度为h2，且满足h2>h1。所述外曲面14与y轴交界15的宽度为l3，所述外曲面14的最大宽度为l4，且满足l3<l4<l5。
所述内曲面12的侧面13的最高点将所述内曲面12的侧面13分为左右两部分：所述内曲面侧面13的左部分131上的一点的切线与水平轴夹角为θ′，满足随所述内曲面侧面13的所述左部分131上的所述点与所述水平轴距离越近，θ′越大，且在在所述内曲面侧面13的所述左部分131的底面处具有最大值，其中60°<θ′<90°；所述内曲面侧面13的右部分132上的一点的切线与水平轴夹角为θ，满足随所述内曲面侧面13的所述右部分132上的所述点与所述水平轴距离越近，θ越大，且在所述内曲面侧面13的所述右部分132的底面处具有最大值，其中85°<θ≤90°；其中所述内曲面的侧面13与所述透镜的所述中轴线的交点处的切线与所述水平轴夹角大于0°。而且所述内曲面12的中心点与所述内曲面12的所述侧面13的中心点重合或所述内曲面12的所述中心点位于所述内曲面12的所述侧面13的中心点左侧。
如图4、图5所示，箭头表示LED发光芯片10发出的光束中的一条光线通过的路径。所述LED发光芯片10位于内曲面12的正下方，所述LED发光芯片10发出的光线经内曲面12折射到透镜内部，再经过外曲面14折射到外部背光模组的扩散板上。所述LED芯片10是一个面光源，其光线的角度在0°到180°内，不同角度的光线经过LED透镜的路径不同，在此不一一叙述。
进一步的，在设计LED透镜的各个曲面时，由于曲面为曲线绕LED透镜的竖直中心轴旋转180°而成，因此只需得出各曲线方程即可。可根据现有的LED发光芯片的发光曲线(发光角度与光强的关系)推导出曲线方程。
从图4的正视图光路可见，LED光线经透镜后，具有扩散效果。
从图5的侧视图光路可见，LED光线经透镜后，具有偏位效果，整体光分布往右侧偏移。
在实际模组使用时，相比较于现有方案中LED灯条的LED间距固定的情况，本发明的实施例中LED灯条中LED透镜间距排布在中心区域呈不等距排布。如图6所示，当LED透镜数量为奇数时，中心三颗LED透镜间距为L0，其他区域LED透镜间距为L1，且有L0<L1；当LED透镜数量为偶数时，中心两颗LED透镜间距为L0，其他区域LED透镜间距为L1，且有L0<L1。此时有左侧LED透镜实现整体光斑往左侧偏移，右侧LED透镜实现整体光斑往右侧偏移。从而有效改善背光模组中左右侧偏暗问题。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种用于LED光源的透镜，其特征在于，所述透镜包括：
底面；
内曲面，由所述底面的中部向上弯曲形成，所述内曲面为所述透镜的入光面；以及
外曲面，由所述底面的所述中部向上弯曲形成，所述外曲面为所述透镜的出光面，所述内曲面设置于所述外曲面内；
所述内曲面的长度为l1，在所述外曲面的中点处所述内曲面的高度为h1，且满足h1大于l1；所述外曲面的长度为l5，所述外曲面中点与所述底面的高度为h3，所述外曲面的最大高度为h4，其中所述h1、h3、h4及l5之间满足一定的比例关系；
其中，所述h1、h3、h4及l5之间满足一定的比例关系为：
2/3<h1/h3<1,4/5<h3/h4<1,1.5<l5/h4<2.5；
LED透镜应用于LED灯条中，当LED透镜数量为奇数时，中心三颗LED透镜间距为L0，其他区域LED透镜间距为L1，且有L0<L1；当LED透镜数量为偶数时，中心两颗LED透镜间距为L0，其他区域LED透镜间距为L1，且有L0<L1。
2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜是由透明材料制成的轴对称实体。
3.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述底面垂直于所述透镜的中轴线且左右对称。
4.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述内曲面为连接所述底面的半椭球面。
5.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述外曲面相对于所述透镜的中轴线呈左右对称。
6.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述内曲面的宽度为l2，且满足l2>l1, 所述内曲面的侧面的高度为h2，且满足h2>h1。
7.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述内曲面以所述内曲面的最高点为分界，分为左右两部分：
所述内曲面的左部分上的一点的切线与水平轴夹角为θ′，满足随所述内曲面的所述左部分上的所述点与所述水平轴距离越近，θ′越大，且在所述内曲面的所述左部分的底面处具有最大值，其中60°<θ′<90°；
所述内曲面的右部分上的一点的切线与水平轴夹角为θ，满足随所述内曲面的所述右部分上的所述点与所述水平轴距离越近，θ越大，且在所述内曲面的所述右部分的底面处具有最大值，其中85°<θ≤90°；
其中所述内曲面与所述透镜的中轴线的交点处的切线与所述水平轴的夹角大于0°。
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