CN110989055B - 透镜及发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种透镜及发光装置，透镜底部及顶部分别凹设有第一表面及第二表面。于底部定义一参考点，并定义通过参考点的水平轴及垂直轴。第一表面于水平轴及垂直轴定义的假想平面投影为依序连接的第一至第四线段。参考点至第一线段及第二线段之间的第一转折点的方向，与水平轴之间形成第一参考角，第一参考角的角度小于15度；参考点至第二线段与第三线段之间的第二转折点的方向，与水平轴之间形成第二参考角，第二参考角的角度介于2～40度；以及参考点至第三线段与第四线段之间的第三转折点的方向，与水平轴之间形成第三参考角，第三参考角的角度介于20～88度。本发明可改善光形，减少正向及背向漏光。

Description

透镜及发光装置

技术领域

本发明涉及背光装置，特别是一种用于背光源的透镜以及具有透镜的发光装置。

背景技术

以点光源(例如LED)作为背光源的直下式背光模块中，为了使得光强度均匀地分布，通常是以尺寸较小的点光源，以阵列形式配置于基板上。点光源之间必须安排的较小，以避免点光源之间形成明显的亮/暗区。

若以大功率点光源的配置来减少点光源数量时，需另外以透镜对每一光源的光形进行处理，使得光线通过透镜后可以转换为侧向光。

现有的透镜包含折射式及反射式。折射式以入光面及出光面将进行二次折射之后，转向至侧向方光。反射式则是在二次折射之间再增加一道反射结构，以在第二次折射之前，先以反射结构将光线的方向改变为侧向，在经由第二次折射调整方向。

现有的折射式或反射式透镜，仍有相当程度的正向漏光或背向漏光，不论是正向漏光或背向漏光，都会在点光源上方形成一个亮区。因此，实际配置上仍然会尺寸较小、功率较低但数量较多的点光源来形成光源阵列，以使前述亮区不会太过明显。

发明内容

本发明的目的在于提出一种透镜及发光装置，可改善光形，减少正向及背向漏光，并缩小发光半强角度(full width at half maximum,FWHM)范围。

为实现上述目的，本发明至少一实施例提出一种透镜，包含相对的一底部以及一顶部；底部凹设有一第一表面，顶部凹设有一第二表面，且底部以及顶部的边缘以一第三表面连接；于底部定义一参考点，并定义通过参考点的一水平轴以及一垂直轴，水平轴平行于底部，垂直轴垂直于底部，且水平轴以及垂直轴定义一假想平面。

其中，第一表面于假想平面投影为依序连接的一第一线段、一第二线段、一第三线段以及一第四线段，第一线段延伸自水平轴，且第四线段连接于垂直轴，第一线段以及第二线段连接于一第一转折点，第二线段与第三线段连接于一第二转折点，第三线段与第四线段连接于一第三转折点；第一线段、第二线段、第三线段以及第四线段满足下列关系：

参考点至第一转折点的方向，与水平轴之间形成一第一参考角，第一参考角的角度小于15度；

参考点至第二转折点的方向，与水平轴之间形成一第二参考角，第二参考角的角度介于2度至40度；以及

参考点至第三转折点的方向，与水平轴之间形成一第三参考角，第三参考角的角度介于20度至88度。

于本发明至少一实施例中，第一参考角小于5度，第二参考角介于5度至30度，且第三参考角介于30度至85度。

于本发明至少一实施例中，参考点至第二表面的一外周缘的方向，与水平轴之间形成一第四参考角，第四参考角与第二参考角的角度差值，介于正负10度之间。

于本发明至少一实施例中，角度差值为零。

于本发明至少一实施例中，第二线段的平均斜率小于第一线段的平均斜率，第三线段的平均斜率大于第二线段的平均斜率，且第四线段的平均斜率小于第三线段的平均斜率。

于本发明至少一实施例中，第一线段为一曲线或一直线，第二线段为一直线或一曲线，第三线段为一直线或一曲线，且第四线段为一直线。

于本发明至少一实施例中，第一表面具有一上顶点，第二表面具有一下顶点，上顶点及下顶点分别位于垂直轴，且保持一间隔距离。

于本发明至少一实施例中，以垂直轴为对称轴，第一表面于假想平面投影形成另一组线段，与第一线段、第二线段、第三线段以及第四线段为轴对称，且两组线段于上顶点连接。

于本发明至少一实施例中，第一表面与第二表面是以垂直轴为依据辐射对称型态。

于本发明至少一实施例中，定义垂直于垂直轴以及水平轴的一纵向轴，第一表面呈现长凹槽型态，且为以纵向轴为依据的轴对称型态。

于本发明至少一实施例中，以参考点为一坐标原点，第一转折点、第二转折点以及第三转折点于水平轴与垂直轴的一坐标值关系，为垂直轴的坐标值等于水平轴的坐标值的m倍，且第一转折点的m值为0.03～0.13，第二转折点的m值为0.17～0.87，第三转折点的m值为1.7～8.51。

本发明至少一实施例又提出一种发光装置，包含一基板、一光源以及如前所述的透镜。基板具有一上表面；光源设置于基板的上表面；透镜的底部固定于基板，并覆盖于光源，且位于参考点。

在本发明的透镜及发光装置中，将入光的第一表面由外缘至中心分别以不同平均曲率的曲面(对应于第一线段、第二线段、第三线段及第四线段部分)接收光线并折射，以处理以不同参考角入光的光线。因此不同参考角入光的光线都可以经由或不经由反射后经过第二次折射，集中于侧向出光。因此，本发明可以有效地减少正向漏光或被向漏光的强度，而达成良好光形。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明实施例的剖面示意图。

图2为图1的局部放大图。

图3为本发明实施例的局部剖面示意图。

图4为本发明实施例的另一剖面示意图。

图5为本发明实施例的立体图。

图6为本发明实施例的另一局部剖面示意图。

图7为本发明实施例的光形分布曲线图。

图8为本发明另一实施例中，部分结构的立体图。

其中，附图标记：

1 发光装置

100 基板 110 上表面

200 光源 300 透镜

310 底部 320 顶部

S1 第一表面 S2 第二表面

S3 第三表面 Ref 参考点

X 水平轴 Y 垂直轴

UP 上顶点 DP 下顶点

C1 第一线段 C2 第二线段

C3 第三线段 C4 第四线段

CP1 第一转折点 CP2 第二转折点

CP3 第三转折点 θ1 第一参考角

θ2 第二参考角 θ3 第三参考角

θ4 第四参考角 Z 纵向轴

具体实施方式

在图式中，为了清楚起见，放大了部分元件、区域等的宽度。在整份说明书中相同的元件符号表示相同的元件。应当理解，当诸如元件被称为在另一个元件「上」或「连接到」另一个元件时，其可以直接在另一元件上或与另一元件连接，或者中间元件也可以存在。相反地，当元件被称为「直接在另一个元件上」或「直接连接到」另一个元件时，不存在中间元件。

应当理解，尽管术语「第一」、「第二」、「第三」等在整份说明书中可以用于叙述各种元件、部件、区域或部分。但是这些元件、部件、区域、及/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分区分开。因此，下面讨论的「第一元件」、「部件」、「区域」或「部分」可以被称为第二元件、部件、区域或部分而不脱离本文的教示。

此外，诸如「下」或「底板」和「上」或「顶面」的相对术语可以在本文用于叙述一个元件与另一个元件的关系，如图所示。应当理解，相对术语旨在包括除了图中所示的方位之外的装置的不同方位。例如，如果一个图式中的装置翻转，则被叙述为在其他元件的「下」侧的元件将被定向在其他元件的「上」侧。因此，例示性用语「下」可以包括「下」和「上」的取向，取决于图式的特定取向。

请参阅图1以及图2所示，为本发明实施列所揭露的一种发光装置1，包含一基板100、一光源200以及一透镜300。

如图1与图2所示，基板100用于作为设置基础，以供光源200以及透镜300设置于其上。基板100同时提供必要电路(图未示)，以供应驱动电力至光源200。此外，基板100的上表面110也可以配置必要的光学结构，以对光线进行反射或扩散，例如于上表面110配置一白反射片，并于基板100上方设置扩散板。

如图1以及图2所示，光源200设置于基板100的上表面110，用于在上表面110上发出光线。光源200为点发光形式，可为但不限定于发光二极管。光源200发出光线的方向范围，涵盖直接沿着上表面110的法线，至接近平行于上表面110的方向；也就是说光源200发出光线的方向包含正向发光以及侧向发光。

如图1、图2以及图3所示，透镜300具有二次折射功能，于光线进入透镜300时对光线进行第一次折射，再于光线离开透镜300时进行第二次折射。

如图1、图2以及图3所示，透镜300具有相对的一底部310以及一顶部320。底部310固定于基板100，并覆盖于光源200上。底部310凹设有一第一表面S1，顶部320凹设有一第二表面S2，且底部310以及顶部320的边缘以一第三表面S3连接，使第三表面S3环绕透镜300的侧向。透镜300为具有良好透光特性的材质所制成，前述的材质包含但不限定于PMMA(压克力)、PC(聚碳酸酯)或PS(聚苯乙烯)，以模具进行模造射出成形或CNC切削加工成形。

如图1、图2以及图3所示，第一表面S1定义一容置空间，且光源200位于容置空间中。光源200发出的光线由第一表面S1进入透镜300，而经由或不经由第二表面S2反射，而朝向第三表面S3出光，以使光源200发出的光线被导引至透镜300的侧向出光，而在基板100的上表面110形成均匀的亮度分布。

如图3所示，于底部310定义一参考点Ref，并定义通过参考点Ref的一水平轴X以及一垂直轴Y，水平轴X平行于底部310，垂直轴Y垂直于底部310，且水平轴X以及垂直轴Y可定义一假想平面XY。光源200位于参考点Ref，第一表面S1的一上顶点UP以及第二表面S2的一下顶点DP分别位于垂直轴Y，且保持一间隔距离。

如图3所示，第一表面S1于假想平面XY投影为一第一线段C1、一第二线段C2、一第三线段C3以及一第四线段C4。第一线段C1、第二线段C2、第三线段C3以及第四线段C4依序连接，第一线段C1延伸自水平轴X，且第四线段C4连接于垂直轴Y及上顶点UP。第一线段C1以及第二线段C2连接于一第一转折点CP1，第二线段C2与第三线段C3连接于一第二转折点CP2，第三线段C3与第四线段C4连接于一第三转折点CP3，且第四线段C4与垂直轴Y连接于上顶点UP。

结合参照图2与图3，以垂直轴Y为对称轴，第一表面S1于假想平面XY投影形成另一组线段，与第一线段C1、第二线段C2、第三线段C3以及第四线段C4为轴对称，且两组线段于上顶点UP连接。

如图3以及图4所示，前述第一线段C1、第二线段C2、第三线段C3以及第四线段C4满足下列关系，使得光源200发出的光线由第一表面S1入光后，可以朝向第三表面S3出光，减少通过第二表面S2而由顶部320出光的出光量。图3以及图4中以虚线代表光线，并省略表示透镜300实体部分的剖面线，以使图式能够简洁呈现。

如图3以及图4所示，参考点Ref至第一转折点CP1的方向，与水平轴X之间形成一第一参考角θ1，第一参考角θ1的角度小于15度(θ1<15°)，较佳为小于5度(θ1<5°)。第一线段C1可为曲线或直线，于第一线段C1为直线的场合，第一线段C1可以是平行于垂直轴Y，亦即垂直于水平轴X。第一表面S1对应于第一线段C1的部分，是用于处理出光仰角较小的光线，使光线以趋近于水平(平行于水平轴X)的方向经由第三表面S3朝透镜300侧向出光。

如图3以及图4所示，参考点Ref至第二转折点CP2的方向，与水平轴X之间形成一第二参考角θ2，第二参考角θ2的角度介于2度至40度(2°≦θ2≦40°)，较佳为介于5度至30度(5°≦θ2≦30°)；前述第二参考角θ2的下限值，主要取决于第一参考角θ1的设定值，第二参考角θ2需大于第一参考角θ1。第二线段C2同样可为曲线或直线，并且第二线段C2的平均斜率小于第一线段C1的平均斜率。第一表面S1对应于第二线段C2的部分，是用于处理出光仰角略大的光线，使光线以较大的入射角入射第二表面S2，而被第二表面S2全反射为趋近于水平后，再经由第三表面S3朝透镜300侧向出光。

如图3以及图4所示，参考点Ref至第三转折点CP3的方向，与水平轴X之间形成一第三参考角θ3，第三参考角θ3的角度介于20度至88度(20°≦θ3≦88°)，较佳为介于30度至85度(30°≦θ3≦85°)；前述第三参考角θ3的下限值，主要取决于第二参考角θ2的设定值，第三参考角θ3需大于第二参考角θ2。第三线段C3为曲线，并且第三线段C3的平均斜率大于第二线段C2的平均斜率。第一表面S1对应于第三线段C3的部分，是用于处理出光仰角更大的光线，使光线能以较大的入射角入射第二表面S2，而被第二表面S2全反射为趋近于水平后，再经由第三表面S3朝透镜300侧向出光。

如图3以及图4所示，第一表面S1由第三转折点CP3至上顶点UP的部份为第四线段C4，第四线段C4的部份用于供出光仰角接近接近90度的入射，并进行较大幅度的折射，而被第二表面S2全反射为趋近于水平后，再经由第三表面S3朝透镜300侧向出光。第四线段C4为直线，且平均斜率小于第三线段C3的平均斜率。第四线段C4为直线有利于加工，避免上顶点UP以及第四线段C4因为加工公差对光学表现造成影响。

此外，关于第一表面S1与第二表面S2的相对关系部分，由参考点Ref至第二表面S2的外周缘的方向，与水平轴X之间形成一第四参考角θ4。第四参考角θ4与第二参考角θ2的角度差值，介于正负10度之间，较佳为第四参考角θ4等于第二参考角θ2，亦即角度差值为零。

如图5所示，第一表面S1与第二表面S2可以是以垂直轴Y为依据辐射对称型态，亦即以垂直轴Y为依据，取任意包含垂直轴Y的假想平面XY，都可以得到依据垂直轴Y互为轴对称的两组第一线段C1、第二线段C2、第三线段C3以及第四线段C4。换句话说，第一表面S1与第二表面S2都呈现内凹的圆锥孔型态，且二圆锥孔的尖点，亦即如图3所示的上顶点UP及下顶点DP都位于垂直轴Y上，并且相隔一间隔距离而不连通。

以下进一步举一具体范例说明。透镜300为辐射对称型态，顶部320及底部310呈现圆形，且顶部320直径为30m，底部310直径为26mm；透镜300高度为8mm。以参考点Ref为坐标原点，各线段以及各转折点于水平轴X与垂直轴Y上的相对关系说明如表一所示。

表一

如表一所示，第一线段C1的一端位于水平轴X上，坐标值为(3.50,0)，另一端为第一转折点CP1，坐标值为(3.50,0.20)，第一线段C1的斜率为无限大(设定第一线段C1为直线)，亦即第一线段C1平行于垂直轴Y，而垂直于水平轴X。此时，第一参考角θ1的角度，约为3.3度，落在小于15度或小于5度的范围内。此时，第一线段C1相对于水平轴X的相对角，则为90度。

如表一所示，第二线段C2的一端以第一转折点CP1与第一线段C1连接，另一端为第二转折点CP2，第二转折点CP2的坐标值为(1.50,0.60)。第二线段C2的斜率为0.20(设定第二线段C2为直线)，亦即由第一线段C1到第二线段C2的斜率变化趋势为减少。此时，第二参考角θ2的角度，约为21.8度，落在2度至40度或5度至30度的范围内。第二线段C2相对于水平轴X的相对角，则为11.3度。

如表一所示，第三线段C3的一端以第二转折点CP2与第二线段C2连接，另一端为第三转折点CP3，第三转折点CP3的坐标值为(0.54,1.40)。第三线段C3的斜率为0.83(设定第三线段C3为直线)，亦即由第二线段C2到第三线段C3的斜率变化趋势为增加。此时，第三参考角θ3的角度，约为68.9度，落在20度至88度或30度至85度的范围内。第三线段C3相对于水平轴X的相对角，则为39.8度。

如表一所示，第四线段C4的一端以第三转折点CP3与第三线段C3连接，另一端为上顶点UP，上顶点UP的坐标值为(0.00,1.70)。第四线段C4的斜率为0.56(设定第四线段C4为直线)，亦即由第三线段C3到第四线段C4的斜率变化趋势为减少。此时，第四线段C4相对于水平轴X的相对角，则为29.1度。

前述的尺寸、相对位置关系，仅为例示，并非用以限定本发明具体实施的态样。由表一的比较以及前述说明可知，第一线段C1、第二线段C2、第三线段C3以及第四线段C4的斜率变化趋势，为减少、增加再减少，以确保不同出光仰角的光线，都可以先被第一表面S1折射至趋近水平的方向，而直接经由第三表面S3出光，或大角度落在第二表面S2上而被第二表面S2全反射至第三表面S3出光。第二表面S2的曲率配置，主要配合第二线段C2、第三线段C3以及第四线段C4，使得被折射而投射至第二表面S2的光线都可以被全反射至水平方向，减少通过顶部320的正向漏光。

如表二以及图6所示，以参考点Ref为坐标原点，各转折点于水平轴X与垂直轴Y的坐标值关系，也可以用Y＝mX表示。亦即，于垂直轴Y的坐标值满足为水平轴X的坐标值的m倍。第一转折点CP1、第二转折点CP2以及第三转折点CP3分别具有不同m值范围。如表二所示，第一转折点CP1的坐标值中，m＝Y/X的比例可以为0.03～0.13，对应的第一参考角θ1范围为0.15度至7.48度；第二转折点CP2的坐标值中，m＝Y/X的比例可以为0.17～0.87，对应的第二参考角θ2范围为9.83度至40.89度；第三转折点CP3的坐标值中，m＝Y/X的比例可以为1.7～8.51，对应的第三参考角θ3范围为59.55度至83.30度。

表二

如图7所示，通过上述的第一表面S1配置，应用透镜300的发光装置1的出光分布。图7中标记的角度是出光方向与正向的夹角，亦即出光方向与垂直轴Y的夹角。图中可见，由透镜300出光的发光半强角度(full width at half maximum,FWHM)集中于90度，且发光半强角度落于14度的范围内，亦即出光集中指向于侧向，而有较小的正向漏光。此外，前述发光半强角度峰值也落在90度以下，从而降低背向漏光。因此，不论是光源200的正向或背向(接近0度或大于90度)，光强度都偏低而无明显噪声，可有效减缓光源200上方过亮问题。

如图8所示，透镜300的结构不限定辐射对称型态。定义垂直于垂直轴Y以及水平轴X的一纵向轴Z，第一表面S1在XZ平面上的投影呈现接近椭圆形或橄榄形的形态，换句话说，第一表面S1呈现长凹槽型态，而非依据垂直轴Y形成辐射对称的锥孔，而是以纵向轴Z为依据的轴对称型态。

在本发明的透镜300及发光装置1中，将入光的第一表面S1由外缘至中心分别以不同平均曲率的曲面(对应于第一线段C1、第二线段C2、第三线段C3及第四线段C4部分)接收光线并折射，以处理以不同参考角入光的光线。因此不同参考角入光的光线都可以经由或不经由反射后经过第二次折射，集中于侧向出光。因此，本发明可以有效地减少正向漏光或被向漏光的强度，而达成良好光形。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种透镜，其特征在于，包含：

相对的一底部以及一顶部；该底部凹设有一第一表面，该顶部凹设有一第二表面，且该底部以及该顶部的边缘以一第三表面连接；于该底部定义一参考点，并定义通过该参考点的一水平轴以及一垂直轴，该水平轴平行于该底部，该垂直轴垂直于该底部，且该水平轴以及该垂直轴定义一假想平面；

其中，该第一表面于该假想平面投影为依序连接的一第一线段、一第二线段、一第三线段以及一第四线段，该第一线段延伸自该水平轴，且该第四线段连接于该垂直轴，该第一线段以及该第二线段连接于一第一转折点，该第二线段与该第三线段连接于一第二转折点，该第三线段与该第四线段连接于一第三转折点；该第一线段、该第二线段、该第三线段以及该第四线段满足下列关系：

该参考点至该第一转折点的方向，与该水平轴之间形成一第一参考角，该第一参考角的角度小于15度；

该参考点至该第二转折点的方向，与该水平轴之间形成一第二参考角，该第二参考角的角度介于2度至40度；以及

该参考点至该第三转折点的方向，与该水平轴之间形成一第三参考角，该第三参考角的角度介于20度至88度。

2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，该第一参考角小于5度，该第二参考角介于5度至30度，且该第三参考角介于30度至85度。

3.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，该参考点至该第二表面的一外周缘的方向，与该水平轴之间形成一第四参考角，该第四参考角与该第二参考角的角度差值，介于正负10度之间。

4.根据权利要求3所述的透镜，其特征在于，该角度差值为零。

5.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，该第二线段的平均斜率小于该第一线段的平均斜率，该第三线段的平均斜率大于该第二线段的平均斜率，且第四线段的平均斜率小于该第三线段的平均斜率。

6.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，该第一线段为一曲线或一直线，第二线段为一直线或一曲线，该第三线段为一直线或一曲线，且该第四线段为一直线。

7.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，该第一表面具有一上顶点，该第二表面具有一下顶点，该上顶点及该下顶点分别位于该垂直轴，且保持一间隔距离。

8.根据权利要求7所述的透镜，其特征在于，以该垂直轴为对称轴，该第一表面于该假想平面投影形成另一组线段，与该第一线段、该第二线段、该第三线段以及该第四线段为轴对称，且该另一组线段与该第一线段、该第二线段、该第三线段以及该第四线段于该上顶点连接。

9.根据权利要求7所述的透镜，其特征在于，该第一表面与该第二表面是以该垂直轴为依据辐射对称型态。

10.根据权利要求7所述的透镜，其特征在于，定义垂直于该垂直轴以及水平轴的一纵向轴，该第一表面呈现长凹槽型态，且为以该纵向轴为依据的轴对称型态。

11.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，以该参考点为一坐标原点，该第一转折点、该第二转折点以及该第三转折点于该水平轴与该垂直轴的一坐标值关系，为该垂直轴的该坐标值等于该水平轴的坐标值的m倍，且该第一转折点的m值为0.03～0.13，该第二转折点的m值为0.17～0.87，该第三转折点的m值为1.7～8.51。

12.一种发光装置，其特征在于，包含：

一基板，具有一上表面；

一光源，设置于该基板的该上表面；以及

权利要求1至权利要求11任一项所述的透镜，其中，该透镜的该底部固定于该基板，并覆盖于该光源，且位于该参考点。

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