CN111007681B - 表面光源设备及显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的示例性实施例涉及一种设置在发光二极管(LED)上方的照明透镜。照明透镜包括围绕LED并被构造为由LED发射的光照射的内表面，其中，内表面包括拱形的非旋转对称的拉长的水平剖面。照明透镜还包括外表面，外表面包括中央尖端，外表面在不同的水平方向上以非轴对称的轮廓侧向延伸，非轴对称的轮廓相对于照明透镜的倾斜的主轴呈椭圆形，其中，发光装置被构造为产生拉长的照明图案。

Description

表面光源设备及显示装置
本申请是国际申请日为2013年8月22日、申请号为201380044465.0的发明专利申请“LED背光源的照明透镜”的分案申请。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及一种发光设备、平面光源设备和光通量控制或确定性光偏转构件(deterministic light deviating member)(更普遍地被称为光学透镜)。
背景技术
在过去的十数年中，平面屏幕电视已经完成了从奢侈品变为了市场的主导，阴极射线管(CRT)电视已停止生产，且老旧的CRT电视也无法出售。虽然等离子体平面屏幕与CRT相似地具有发射式的像素，但是LCD的像素是被动式的，仅用于使穿过它们的光的偏振方向旋转，从而它们必须被设置在两个正交的偏振器之间，以使像素用作亮度调制器。最初，平面屏幕LCD通过利用由荧光管在边缘进行照明的基于波导的背光源来提供这样的亮度。随着LED的亮度和效率的快速提高，它们在保留了边缘照明式的波导的同时取代了荧光管。然而，用于大屏幕尺寸的波导可能是很厚和很重的，从而可能期望包括中空灯箱的直视区域背光源，这是因为它们的光分布遍及整个灯箱的背部。直视区域背光源可能需要将光均匀地传播出去，以消除每个LED光源的正上方的屏幕上的热点，这是不具有专用的局部透镜的LED不能实现的。
因为LED已经变得十分成熟，所以它们的增加的功率输出意味着可能需要越来越少的LED来实现任何特定的照明任务。当区域背光源尝试使用更少的LED(尤其是16:9比例的典型的高清电视的区域背光源尝试使用更少的LED)时，为了以几种方式实现均匀的照明，它们的照明几何结构可能变得更加困难。
首先，在LED之间的中间位置被设计为三次方下降的余弦函数(其甚至在60°处以8:1的比例离轴)。这可能在侧向强度较小的典型的LED的之上。其次，照明透镜可能因注射成型的透镜材料的固有缺陷而具有不可避免的散射性，这随着LED亮度的增加而变得更为重要。这可将热点添加到透镜产生的需要补偿的直射光图案上，所述图案具有中央暗区。
在一些应用中，与LED的尺寸相比，可以通过增加照明透镜的相对尺寸来处理这些不利的因素。然而，LCD背光源可能具有一英尺或者更薄的厚度，从而严重限制了透镜尺寸。此外，这样的很薄的几何结构增加了由透镜散射的光的强度。
LED背光源用于包括LCD、大型冷柜(reach-in refrigeration)照明和一般照明(照明器具)的多种应用中。所有的这些应用的投距(面板厚度)远小于LED光源之间的间距。因为LED以准朗伯体的方式进行发射，所以使用发散透镜以将发射的光传播至遍及很大的侧部区域。这就导致需要可以将LED光源前向发射角度分布调节为最大程度的侧部发射角度分布的透镜。现有技术已经几乎全部集中在了具有旋转对称性的方案上。虽然这些方案中的一些方案预计了一维空间的近乎理想的均匀性，但是在实现二维空间的近乎理想的均匀性方面，它们在根本上受到了集光率(尤其是其偏度(skewness))的限制。
在LED背光源中，支撑LED的电路板可被分开达到大于板上的LED的节距的跨距。这可能需要照明透镜产生不对称的或者矩形的图案，这就增加了由于LED的近乎圆形的图案与光必须被水平偏转朝向矩形的长端的拓扑不兼容性而导致的进一步的困难。
照明透镜的阵列可能在中间位置叠加它们的图案，但是可能导致在背光源的边缘周围的潜在的照明不足。灯箱可以包括围绕其边缘的反射镜或45°斜面(beveling)，但是出于成本的原因，这可能是不能实施的。背光源可以采用围绕其周边的45°斜面，这将导致可以使用很少的LED但是仍然实现照明均匀性。
现有技术公开了如何使用多个LED为用于个人计算机、LCD电视、平板显示器以及智能电话的LCD监视器提供背光照明的照明器件来构造表面光源装置。第7,798,679号美国专利公开了这样的架构的示例。其中教导的表面光源装置使用多个LED，所述多个LED具有被设计为使从LED发射的光以确定性的方式偏转的透镜；此外，这些发光元件被置于与将被照明的LCD面板的形状基本相同的形状的平面阵列中。这样的表面光源装置从LCD的背表面侧对LCD装置进行照明。
'679号专利还公开了当一者使从LED发射的光在50°-70°的范围内偏转以在LCD屏幕上实现良好的均匀性时，一者可能在透镜外周的底部和内部面临不期望的菲涅耳反射(Fresnel reflection)。这可产生在LCD背光显示器中导致不均匀性的二次亮源，并可通过包括面式结构以随机地散射这样的来自透镜的底表面的不期望的光以在一定程度上进行补偿。
第8,227,969号美国专利提出了集成多种类型的光散射底表面特征以及如何构造光通量控制和光发散透镜的面式底表面。对线性的和对角几何结构的凹面和凸面以及锥形的散射面(包括这些多种面式结构上的粗糙蚀刻的表面)进行建模。第'969号专利公开了在不具有透镜特征的有效散射底部的情况下，折射透镜不能产生良好的LCD屏幕均匀性。
第8,328,395号美国专利公开了透镜腿附件相对于印刷电路板(PCB)的尺寸和位置以及面处理对于克服很强的菲涅尔反射的重要性。'395号专利公开了针对轴对称的透镜形状策略性地将腿附件放置到非常特定的空间位置，并将这些腿用作光学导体以去除一些不期望的菲涅尔反射，同时甚至包括使这些腿变黑来增加对不期望的光的吸收。
发明内容
技术问题
本发明的示例性实施例提供一种具有非轴对称内腔的非轴对称透镜，所述非轴对称透镜甚至对于16:9的屏幕几何结构的面板也实现良好的LCD屏幕均匀性。
本发明的另外的特征将在下面的描述中进行阐述，且一部分将通过描述而变得清楚，或者可以通过实施本发明而获知。
解决问题的方案
本发明的示例性实施例公开了一种发光装置，该发光装置包括设置在发光二极管(LED)上方的照明透镜。照明透镜包括围绕LED并被构造为接收由LED发射的光的内表面，其中，内表面包括拱形的非旋转对称的拉长的水平剖面。照明透镜还包括外表面，外表面包括中央尖端，外表面在不同的水平方向上以非轴对称的轮廓侧向延伸，非轴对称的轮廓相对于照明透镜的倾斜的主轴呈椭圆形，其中，发光装置被构造为产生拉长的照明图案。
本发明的有益效果
本发明的示例性实施例还公开了一种发光设备，该发光设备包括设置在基板上的发光元件和设置在发光元件上的光通量控制构件。光通量控制构件包括：底表面部分，设置在基板上；非旋转对称的输入表面部分，包括设置在底表面部分中的在发光元件正上方的向内凹陷；非旋转对称的输出表面，被构造为折射穿过入射表面部分的光并将光发送到外部；至少两个腿部分，从底表面部分突出并接触基板。
应该理解的是，前面的总体描述和下面的详细描述均是示例性的和说明性的，且意在为要求保护的本发明提供进一步的解释。
附图说明
图1A是示出了非轴对称形状的光发射外表面的本发明示例性实施例的俯视图；
图1B是示例性实施例在x方向上的侧视图，示出了当从x方向观察时的内腔的截面图。
图1C是示例性实施例在y方向上的侧视图，示出了内腔的非轴对称性。
图1D是沿x轴正方向观察的图1A的截面图，示出了示例性实施例中的从LED发射的光线在入射表面和出射表面处所经历的折射。
图1E是与图1D中的示图一样的示图，且示出了当离开LED的光线的光束超过大约50°时在透镜内部发生的菲涅尔反射。
图2是根据本发明的示例性实施例的来自灯箱的一部分的两个透镜的侧视图。
图3是根据本示例性实施例的非对称透镜形式的灯箱布局中的透镜的矩形阵列的俯视图。
图4是根据本发明的示例性实施例的在透镜的底表面上不具有微锥面式结构的平滑效果的情况下的输出照度的等值线图。
图5示出了当沿x轴正方向观察时根据本发明的示例性实施例的透镜的内部和外部的菲涅尔反射光线。
具体实施方式
下文中，将参照示出了本发明的实施例的附图对本发明进行更充分地描述。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应被解释为受限于这里阐述的实施例。更确切地说，提供这些实施例以使得本公开变得彻底，并将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见，可夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。附图中的相同的标号指示相同的元件。
应该理解的是，当一个元件或层被称为“位于”另一元件或层“上”或“连接到”另一元件或层时，其可能直接位于另一元件或层上或直接连接到另一元件或层，或者可能存在中间元件或层。相反，当一个元件被称为“直接位于”另一元件或层“上”或者“直接连接到”另一元件或层时，不存在中间元件或层。应该理解的是，出于本公开的目的，“X、Y和Z中的至少一个”可以被解释为仅有X、仅有Y、仅有Z、或者X、Y和Z中的两项或更多项的任意组合(例如，XYZ、XYY、YZ、ZZ)。
这里，可以为了便于描述的目的而使用诸如“在……下面”、“在……下方”、“下”、“在……上方”和“上”等的空间相对术语，来描述如附图中所示出的一个元件或特征与其他的元件或特征的关系。应该理解的是，空间相对术语除了在附图中绘示的方位之外还意在包括装置在使用或操作中的不同的方位。例如，如果在附图中装置被翻转，则被描述为“在”其他元件或特征“下方”或“下面”的元件将被随后定位为“在”其他元件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可能包括上方和下方两种方位。可以另外地对装置定位(例如，旋转90度或处于其他方位)，并相应地解释这里使用的空间相对描述符。
通过参照下面阐述了利用本发明的原理的示例性实施例的本发明的具体实施方式和附图，将得到对本发明的特征和优点的更好的理解。
LED直视背光源的照明透镜可以被归类为使用具有最小化的轴上强度且其最大的强度位于高的侧角处的透镜的短投照明器(short-throw illuminator)。短投透镜必须相应地具有最小化的中心厚度，以具有围绕LED的弧形形状的内表面和向外延伸以产生使侧部强度最大化的侧部透镜厚度的外表面。现有技术中的透镜是旋转对称的，且具有绕中心轴扫动的轮廓从而产生立体的透镜。这些透镜在其或者凹-平、凹-凹或者平-凹的透镜形状的中央典型地具有负屈光力。为了实现更大的均匀性并为了引入另外的自由度，根据本发明的示例性实施例的透镜打破了旋转对称性。具体地讲，在序数方向和对角方向上的透镜轮廓是独立的。在背光源的应用中的结果即为将来自序数方向的光的一部分引导向对角方向的略呈“方形”的透镜。
利用不呈圆形对称的自由形式的透镜可产生矩形条件图案，所以所述透镜可将更多的光朝向矩形的长端投射，并将较少的光朝向矩形的短端投射。在本发明的示例性实施例中，内表面比外表面更不圆，并且内表面具有中央尖端，以产生负透镜，降低轴上输出并补偿透镜正方上的杂散光热点。本发明的示例性实施例涉及布置在灯箱内的2:1矩形、PCB板间隔为200mm、板上间隔为100mm的透镜(即，LED)，所述灯箱具有仅1英寸厚度并具有位于LED上方仅23mm的内部顶部漫射器。
下面参照图1A至图1E来描述根据本发明的示例性实施例的发光装置。
图1A是光通量控制构件(或者更简单地，称为照明透镜)10的俯视图，照明透镜10包括水平(即，x轴方向)拉长的具有纵向拱形的内表面11和更大的凸出的外表面12的内腔。虚线圆13具有18mm的直径，且示出了表面12是非旋转对称的外表面。内表面11在其底部处的长宽比可以为2.5:1。外表面12可以沿与内表面11的拉长截面相同的方向水平拉长，并可以具有大约16:15的长宽比。
根据图1A中示出的本示例性实施例的发光装置包括位于X-Y轴的交叉位置处的发光元件(通常为LED)(在图1A中未示出)和被布置为围绕并覆盖LED的光学照明透镜10。光轴Z(参考光轴)的方向没有示出，但假设其沿右手坐标系XYZ的Z轴，并假设其从图1A的中心竖直向外延伸并与如图1D中所示的纸面垂直。
此外，照明透镜10具有关于光轴Z的非旋转对称形状，此外，接收来自LED的照射的中央内腔是高度非对称的。照明透镜10沿着与垂直于光轴Z的方向较为平行的方向折射从LED发射的光，从而沿对于LCD屏幕的LED背光来说更有用的方向对来自LED的光重新定向。
照明透镜10是改变从LED发射的光的方向的构件。然而，光通量控制构件10可以由折射率在1.45至1.65的范围内的透明材料制成。另外，照明透镜10可以由透镜树脂材料或透明玻璃制成。这样的透明树脂材料的示例为折射率为1.49的聚甲基丙烯酸甲酯(亚克力或PMMA)、折射率为1.59的聚碳酸酯(PC)和环氧树脂(EP)等。
现在，我们关注图1B和图1C，我们看到照明透镜10具有作为内表面的光入射表面11、作为外表面的光出射表面12、中央尖端14和将光入射表面11与光出射表面12和中央尖端14相互连接的底表面16。照明透镜10在其中具有空的高度非对称的腔空间，LED设置在空的腔空间中。LED是以光轴Z作为其发光的中心的将光发射到其周围的构件。LED没有特定的限制，且可以将传统的LED芯片用作发光元件。
图1B是沿透镜10的y轴负方向和y轴正方向截取的剖视图，其也示出了内表面11、外表面12以及中央尖端14。
图1C是沿照明透镜10的x轴正方向和x轴负方向截取的并沿y轴正方向观看的剖视图，与图1B相比较，图1C也示出了高度非对称的内表面11、外表面12以及中央尖端14。图1B和图1C示出了根据本示例性实施例的发光装置的剖视图。根据本示例性实施例，在内表面11、外表面12和中央尖端14上改变光的方向，所以在光轴Z的附近可以以凸起的形状(即，中央尖端14)来形成外表面12。例如，中央尖端14可以设置在外表面12的最大高度的大约5/6高度处。内表面11可以具有照明透镜10的最大高度的大约55％的中心顶点高度。
图1D是沿X轴正方向观看的照明透镜10的示图。这里，LED 1发射的光子在表面2a处被折射，并然后传播通过透镜10直到其在表面2b处再次折射。底表面2c连接内腔2a与外表面2b。
图1E是示出了以大约正向50°的角度倾斜的从LED 1离开的光子束的照明透镜15的示图，其示出了传递到表面2c的底部的很强的菲涅尔反射，其中，其在P点处反射并返回传播通过照明透镜15且从顶表面2出射并到达顶部漫射器6，从而导致可能难以在漫射器6上形成均匀分布的光的二次光源。为了克服该效应，图1E示出了可以使从例如P点反射的光随机化的表面3，例如，表面3可以是多面锥形的漫射器和/或粗糙化的表面。表面3和表面2c也可以为相同的表面，且这样的漫射结构可以被包括在用于形成透镜15的注射成型工具中。
图2是灯箱20的一部分的侧视图，其中该部分包括底表面21和侧壁22，侧壁22涂覆有漫反射率超过95％的且在灯箱侧壁22的最端部处将以45°的斜角倾斜的高漫反射白色材料。水平地设置了顶表面膜堆叠件23，且顶表面膜堆叠件23可以包括下部漫射器片、具有水平(x轴)排列的棱镜的棱镜片以及最顶部的偏振反射层。膜堆叠件将超过一半的向上传播的光向下漫反射返回到白色底表面21，白色底表面21因此将其向上反射回去，从而改进了从膜堆叠件23的向上出射的光的总体均匀性。与上面描述的照明透镜10基本相似的透镜24在作为高清电视屏幕的水平的长轴的x方向上间隔100mm而设置在电路板25上。此外，从图2注意到，非对称内腔的长轴的方向为垂直于200mm的方向。
图3示出了如图2中所示的透镜24的空间布置，应注意的是，对于表面积大约为700mm乘以400mm的典型的32英寸LCD电视来说，可以沿长度方向排列六个透镜24并在400mm方向排列三行透镜。应该注意的是，在制造这些背光面板时，PCB材料可以为暗绿色或黑色，以帮助吸收来自透镜的底部的不期望的菲涅尔反射，或在一些实例中透镜可在底表面上涂覆有高吸收性的黑色涂料。此外，具有预定的切口孔(cutout hole)的大片的白色或高反射性漫射材料将与PCB 31叠置并允许透镜24穿过。透镜24具有从其底部延伸并进入到PCB基板中的两个或更多个腿(未示出)，以将透镜24永久地固定在相对于PCB 31的特定位置，并保证正确地定位非旋转对称内腔，以优化地发散来自透镜24的矩形光发射图案。
图4示出了等值线图40的透视图，图4示出了在图1中示出的照明透镜10和由SeoulSemiconductor Co.,Ltd制造的125流明LED的商业光线轨迹包光适应(commercial ray-tracing package Photopia)中1000万光线模拟(10million-ray simulation)的照度结果。该图表示出了在图2中示出的灯箱20的膜堆叠件23上方得到的照度水平。x轴41和y轴42以毫米为单位。图例43指示针对透镜的多个位于中央的区域的照度(勒克斯)。该等值线图40是在底表面漫射器或面式棱镜阵列将改善照明均匀性的平滑之前得到的。
图5是示出菲涅尔反射光线的情况的光线图。与图1的照明透镜10基本相同的透镜50具有内表面51和外表面52。诊断径向光线扇53包括从坐标原点O(LED芯片的位置)向内表面51行进的光线，由此其光通量的一部分被反射而变为菲涅尔光线54。这些光线向外偏斜以朝向外表面52行进，由此其光通量的一部分被反射而变成菲涅尔光线55，同时该光通量的绝大部分进一步向外偏斜而变成直接照明光线56。在图5中未示出的是两组菲涅尔光线多少可能对由光线56产生的照明图案产生不期望的影响。菲涅尔光线将被电路板(如图1E中所示)反射，并变为具有靠近透镜的短程图案的局部光源。这是中央尖端14位于透镜的顶部中央的原因，这是因为直接照明图案具有由菲涅尔光线补偿的过量的中央照明的中央暗区。使用在第7,674,019号美国专利中教导的方法来构造透镜50，并将其全部内容通过引用包含于此。
在图2中示出的狭窄的灯箱几何结构通过透镜表面产生很大的侧向偏转，这导致更强的菲涅尔光线。在图3中示出的200mm的板间距使到达图2的膜堆叠件23的光线的入射角度增加得非常大。可以通过足够的透镜高度来得到很强的侧向强度，但是该高度受到光箱20的期望的厚度的限制，使得LED上方的膜堆叠件23的高度(相对于透镜24的距离)成为非常重要的参数。使透镜24大于根据这里的示例性实施例公开的尺寸可能会因膜堆叠件目标的接近程度而对自身不利。
本发明的示例性实施例公开了使用非轴对称透镜腔以及外部透镜形状。当这些透镜内表面和透镜外表面协调时，发射的照射图案可以更近地接近用于较新的型号的LCD显示器的期望的16:9几何结构。另外，可以需要使用较少的LED来实现与旋转对称透镜可以实现的效果一样的效果，当采用根据本发明的示例性实施例的独特的非旋转对称(自由形式或变形)的架构时，允许更低的制造成本和在较少的LED和透镜方面上的节约。
本领域技术人员应该清楚的是，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下对本发明进行多种修改和变形。因此，本发明意在包括本发明的修改和变形，只要它们落入权利要求及其等同物的范围内即可。

Claims (12)

1.一种表面光源设备，包括：
PCB，彼此平行地排列；
发光元件，排列在所述PCB上；以及
照明透镜，设置在所述发光元件上，
所述照明透镜包括：
拱形的非旋转对称的内表面，被构造为被由所述发光元件发射的光照射；以及
非旋转对称外表面，包括中央尖端，
所述PCB具有沿第一方向的长形形状，
所述内表面的水平剖面在其底部的所述第一方向的长度与第二方向的长度的比大于所述外表面的水平剖面在其底部的所述第一方向的长度与所述第二方向的长度的比，
其中，所述第二方向为与所述第一方向垂直的方向。
2.如权利要求1所述的表面光源设备，其中，
所述PCB以第一间距彼此平行地排列，
所述发光元件在所述PCB上以第二间距排列，
所述第一间距大于所述第二间距。
3.如权利要求1或2所述的表面光源设备，其中，
所述照明透镜的内表面的水平剖面在底部处具有2.5:1的长宽比。
4.如权利要求1或2所述的表面光源设备，其中，
所述外表面沿与所述内表面的拉长的水平剖面相同的方向水平拉长，
所述外表面具有16:15的长宽比。
5.如权利要求1或2所述的表面光源设备，其中，
所述中央尖端设置在所述外表面的最大高度的5/6高度处。
6.如权利要求1或2所述的表面光源设备，其中，
所述内表面的顶点高度为所述外表面的最大高度的55％。
7.如权利要求1或2所述的表面光源设备，其中，
所述照明透镜包含折射率在1.45至1.65的范围内的透明材料。
8.如权利要求1或2所述的表面光源设备，其中，
所述照明透镜还包括将所述内表面和所述外表面彼此连接的底表面，
所述底表面被构造为吸收来自所述内表面的菲涅尔反射光。
9.如权利要求8所述的表面光源设备，其中，
所述底表面包括纹理化部分或具有多面式锥形构件的阵列的漫射部分，或者包括所述纹理化部分和所述漫射部分两者。
10.如权利要求8所述的表面光源设备，其中，
所述照明透镜包括：至少两个腿部分，从所述底表面突出并接触所述PCB。
11.如权利要求1或2所述的表面光源设备，其中，包括：
光漫射构件，设置在所述照明透镜的外表面的侧表面上；以及
漫反射片，设置在所述PCB上，所述漫反射片包括被构造为允许从所述照明透镜发射的光出射的孔，并且所述漫反射片被构造为阻挡在所述照明透镜的外部出现的菲涅尔反射光。
12.一种显示装置，其中，包括：
如权利要求1至权利要求11中的任意一项所述的表面光源设备；以及
照明目标构件，被构造为接收来自所述表面光源设备的光。
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