CN111164772B - 用于薄直下式背光的极宽分布发光二极管（led）透镜 - Google Patents

Abstract

所公开的透镜设计使能实现没有热斑的均匀光分布、从而实现与传统透镜相比的更宽的光传递函数，其得益于减小针对直下式背光设备的总体成本以及所需要的光源数目。所公开的透镜在其顶上包括射束成形元件，并且背光设备并入了所述透镜和射束成形元件，以消除由背光设备产生的光热斑并且在照明场处获得均匀的光分布。当需要极度更宽的传递函数或极薄的背光的时候，所公开的透镜是特别有用的。

Description

用于薄直下式背光的极宽分布发光二极管（LED）透镜

技术领域

本文中的公开内容一般地涉及发光设备以及用于改进照度均匀性的光学透镜。

背景技术

发光二极管（LED）光源通常并且广泛地用于直下式（direct-lit）背光照明。计算机、个人数字助理（PDA）、移动电话和薄的液晶显示器（LCD）电视（TV）是使用直下式LED背光的背光屏设备的一些示例。然而，LED的光强度分度范围很窄，因此可以在LED上使用透镜以帮助分布光。

在直下式背光中，透镜的阵列被安置在光源的前方，以在背光设备的表面上提供更均匀的光输出。取决于正好在透镜上方的光斑的大小或者如果透镜的弧度角很窄，则可能需要大量LED，因而增加成本。可以通过增大每个单独的LED设备的光斑大小来减小对于背光而言所需要的LED数目。

发明内容

本文中的公开内容描述了用于实现均匀光分布、而不产生光热斑的光学透镜和发光设备设计，其得益于减小针对直下式背光设备的总体成本以及所需要的光源数目。本文中的公开内容涉及一种在其顶上具有射束成形元件的光学透镜，以及一种背光设备或其它发光设备，其并入了所述透镜和射束成形元件，用于在目标表面处产生均匀的光分布。当需要背光的宽或极宽传递函数的时候，所公开的透镜和发光设备是特别有用的。

附图说明

图1是具有凹光学透镜的示例性发光二极管（LED）设备的横截面视图；

图2是具有光学透镜和射束成形元件的示例性背光设备的横截面视图；

图3是图2中所示的示例性背光设备200的三维（3D）透视（侧）视图；

图4A和图4B是图2中所示的示例性背光设备中的射束成形元件的底表面的平面视图，其示出了示例性的点图案；

图5是具有光学透镜和射束成形元件的另一示例性背光设备的横截面视图；并且

图6是图5中所示的示例性背光设备的3D透视（底和侧）视图。

具体实施方式

本文中，LED设备可以与发光设备或背光设备可互换地被使用，使得LED光源或任何其它类型的光源可以类似地被使用在发光设备中。直下式背光工业中的迅速发展已经产生了对于创新的更宽且更均匀的透镜设计的需要。由LED透镜提供的宽得多的光分布可以通过减小在背光中所需要的LED设备的总体数目而显著降低背光的成本。图1是具有凹的光学透镜102的示例性LED设备100（或发光设备100）的横截面视图（在X-Z平面中所示的横截面）。LED设备100可以包括但不限于包括以下部件：透镜102，其包括内弯曲表面112（也被称为光入射表面112）以及外弯曲表面122（也被称为光出射表面122）；光源104（例如LED）；基础表面114；和/或扩散板116（或更一般地光接收器116）。

光源104可以被布置在光学透镜102的中央和下部分处（例如以透镜102的光轴Z为中心）。例如，可以采用红色LED、蓝色LED或绿色LED作为光源104。光源104可以通过插槽和端子（未被示出）而被电连接到电路板（未被示出），以向光源104施加电功率。扩散板116可以被使用在屏幕背光中，以均匀地分布来自光源104的光，从而减小或消除亮斑，并且可以由例如以不同厚度、不透明度或反射率的许多塑料板材组成。

凹的光学透镜102的形状增大从光源104发射的光的光散射角，其由箭头示出，从而放大在LED设备100上方的光斑。从光源104发射的光首先在光入射表面112处并且然后在透镜102的光出射表面122处被折射，使得来自光源104的射线成扇形散开并且分布在更宽的区域之上（例如相比于没有透镜的单个LED光源）。在一示例中，外弯曲表面122可以包括以光学Z轴为中心的凹进部分，其向内朝向透镜102的光入射表面112凹进。

然而，从光源104生成的光的一部分很可能由于在透镜-空气界面处、大多数在光出射表面122的中心（Z轴）周围发生的全内反射而被反射。反射的光的部分进一步被底表面反射回到照明场的中心，因而贡献于在照明场的中心（在Z轴处以及在Z轴周围）中的相当强烈的光的“热斑”。因而，当所需要的弧度角不太宽的时候，透镜102很好地起作用以用于分布光。然而，当所需要的光斑大小足够大的时候，使用凹透镜102的背光设备100可能产生不令人满意的非均匀的光分布图案。

在引入了能量节约策略的情况下，降低成本变成重要的挑战。在许多应用中，光斑大小要求增大以便通过减小所使用的LED和透镜的数目来节省成本。因而，减小LED设备中的热斑在现有透镜结构和LED设备设计的情况下继续是悬而未决的问题。用于降低成本的示例性途径是使用低成本中间功率LED来替换高功率LED。然而，由中间功率LED典型采用的较大的管芯大小（相比于高功率LED的小管芯大小）可能进一步加重热斑现象。用于降低成本的其它示例性途径可以包括但不限于减小所使用的LED、印刷电路板（PCB）集和/或箔（薄膜）的数目。

因此，本公开内容的目的是提供一种用于光源的光学透镜，其可以减轻现有光学透镜的先前提及的缺点，并且实现照度场上的均匀光分布。直下式背光工业中的迅速发展已经引发了对于创新的更宽且更均匀的透镜设计的需要。本文中所公开的透镜设计使能实现均匀光分布而不产生光热斑，并且因而与其它透镜相比具有更宽的光传递函数，并且减小直下式背光设备的总体成本。

本公开内容涉及一种在其顶表面上具有射束成形元件的LED透镜，以及一种背光设备或其它发光设备，其并入了所述透镜以在目标表面处产生均匀的光分布。发光设备包括光源（例如LED光源）和透镜主体，使得LED光源被容纳在其入射表面中，并且从LED光源发射的光在透镜主体的垂直方向上辐射。射束成形元件被紧固到透镜主体的顶部，并且被配置成调节通过透镜主体的出射表面（光出射表面）所辐射的光射束。在垂直方向上辐射的光的量可以根据背光的要求、使用至少射束成形元件来被调节。射束成形元件将光往回辐射或辐射到其它方向上以减小中心强度，并且减轻发光设备的照明场上的热斑，因而改进总体背光均匀性。当需要背光的极宽传递函数的时候，所公开的透镜是特别有用的。以下更详细地描述本公开内容。虽然关于背光设备和LED光源而描述了本公开内容，但是本领域技术人员理解到：在其它光源和光源设备的情况下可以类似地使用所公开的透镜设计。

图2是根据本文中的公开内容的示例性发光设备200（例如背光设备）的横截面视图。背光设备200可以包括但不限于包括以下部件：光学透镜202，其包括光入射表面212（也被称为内弯曲表面212）和光出射表面222（也被称为外弯曲表面222）；被耦合到透镜202的LED光源204；被耦合到透镜202和LED光源204的基底206；和/或射束成形元件210，其位于透镜202上方并且通过突出部214而被紧固到透镜202的顶部。背光设备200可以此外包括未被示出的其它元件。例如，背光设备200可以包括扩散板（未被示出），所述扩散板（未被示出）可以位于射束成形元件210上方。

LED光源204位于圆（X,Y,Z）坐标的中心处，并且以透镜202的光轴Z为中心。透镜202的入射表面212被配置成在其下部分中容纳LED光源204。可以在基底206上形成LED光源204。基底206可以是平坦的板，并且可以由电绝缘材料制成，所述电绝缘材料包括但不限于以下示例性材料：陶瓷、硅、蓝宝石和/或碳化硅。基底206的顶表面与LED光源204电连接，并且向LED光源204提供电功率。

透镜202是关于Z轴成中心对称的。入射表面212位于LED光源204的中央部分处，并且接收从LED光源204出来的光。光出射表面222被布置以形成预定的光分布，并且还关于中央Z轴而对称。可以根据针对背光设备200的弧度角要求来调节入射表面212和光出射表面222的弯曲和相对定位。在一示例中，光出射表面222可以包括以光学Z轴为中心的凹进部分，其向内朝向透镜102的光入射表面112凹进。射束成形元件210可以通过突出部214而被紧固到透镜202的光出射表面222的顶部，使得透镜202和射束成形元件210可以更准确地执行它们的相应的光扩散功能。在一些实施例中，透镜包括关于发光二极管和透镜的光轴而径向对称的内弯曲表面和外弯曲表面。在一些实施例中，射束成形元件关于发光二极管和透镜的光轴而径向对称。

用于射束成形元件210的材料的示例包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）或玻璃。用于射束成形元件210的材料可以与用于透镜202的材料相同或不同。在一示例中，三个或更多个突出部214可以用于将射束成形元件210紧固到透镜202，尽管可以使用任何数目的突出部214。在一示例中，多个突出部214中的每一个的高度可以相同，以便使得射束成形元件210与基底206呈水平。在另一示例中，突出部214可以尽可能地薄以避免阻断光。在另一示例中，突出部214可以利用紫外（UV）胶或其它粘合材料而被固定到透镜202。然而，突出部的高度、厚度和数目可以被调节成本文中公开内容的范围内的其它值。

射束成形元件210可以被紧固到光出射表面222的中央部分，并且可以以光学Z轴为中心。根据本文中的公开内容，源自光源204并且从光出射表面222被发射的光的一部分通过射束成形元件210而被反射回去，而所述光的另一部分直接辐射通过射束成形元件210。这可以通过将射束成形元件210的底表面216形成为部分地辐射并且部分地反射光来被实现。在一示例中，射束成形元件210可以被形成为在射束成形元件210的底表面216上具有点图案，使得所述点图案允许光的一部分辐射通过射束成形元件210（例如通过点之间的空间）而（例如通过点）反射光的其它部分。在以下参考图4A和图4B来更详细地描述点图案的示例性设计。可以根据从透镜202出来的热斑大小来调节射束成形元件210的大小和/或定位，以便减小或消除透镜202的中心部分处的光热斑。

图3是图2中所示的示例性背光设备200的三维（3D）透视（侧）视图。从透镜202的光出射表面222发射的光入射到射束成形元件210的底部上，并且形成一光区，到所述光区的光根据射束成形元件210的底表面216上的图案（例如点图案）的分布来被调制。例如，如果使用点图案，则光的一部分在存在点的地方被反射回去，并且光的另一部分在不存在点的地方辐射通过射束成形元件210。作为结果，防止照度（即在给定方向上从每单位面积的表面发射的光的强度）集中在透镜202的中央Z轴上，因而消除在透镜202上方的热斑。射束成形元件210的大小、高度和/或厚度可以基于例如背光设备200的要求而变化以及被调节。

在一示例中，射束成形元件210可以在组装容差内位于尽可能靠近于透镜202处（例如射束成形元件210距透镜202之间或0.2mm的距离）。在另一示例中，可以使得射束成形元件210的厚度尽可能地薄以避免吸收更多的光。可以根据透镜202的热斑大小来优化射束成形元件210的大小。例如，射束成形元件210的大小可以与热斑大小成比例（即较大的射束成形元件210用于较大的热斑大小）。

图4A和图4B是图2中所示的示例性背光设备200中的射束成形元件210的底表面216的平面视图，并且图示了示例性的点图案213A和213B。如上所述，诸如点图案213A或213B之类的图案可以被形成在射束成形元件210的底表面216上。点图案213A和213B被分布使得在光太亮的地方，光被射束成形元件210的底表面216上的点反射回去。可以通过使点的数目、大小、位置和/或形状变化来实现点图案。例如，相比于点图案213B，点图案213A示出了更靠近在一起的更大的点。尽管示出了圆形的点，但是可以使用其它形状的点（例如菱形、椭圆形、矩形等等）。此外，虽然点图案213A和213B被示出为是规则的，但是可以使用不规则的点图案。在一示例中，可以使用反射涂层来制成点图案，所述反射涂层诸如反射光而不是透射光的镀铝表面（铝薄膜）。例如，铝薄膜可以反射进入到它中的光的多于85%。在另一示例中，可以使用墨涂层来制成点，所述墨涂层吸收进入到它中的光的部分（例如光的40%~50%），并且将光的其余部分反射回去。

图5是根据本文中的公开内容的另一示例性发光设备500（例如背光设备）的横截面视图。背光设备500可以包括但不限于包括以下部件：透镜502，其包括光入射表面512（也被称为内弯曲表面512）、光出射表面522（也被称为外弯曲表面522）、支撑基座538和底表面540；被耦合到透镜502的LED光源504；被耦合到透镜502和LED光源504的基底506；和/或射束成形元件530，其包括内表面532和外表面534。背光设备200可以此外包括未被示出的其它元件。

LED光源504位于圆（X,Y,Z）坐标的中心处，并且以透镜502的光轴Z为中心。如图5中所示，透镜502和射束成形元件530关于中央Z轴而中心对称。射束成形元件530可以被固定在透镜502的支撑基座538上。射束成形元件530的内表面532可以与透镜502的光出射表面522间隔开。换言之，在射束成形元件530的内表面532与透镜502的光出射表面522之间可以存在间隙。例如，间隙可以是0.2mm或更大以避免射束成形元件530和透镜502的组装冲突。

射束成形元件530的外表面534可以具有与光出射表面522的曲率相同或不同的曲率。在一示例中，外表面534、内表面532和光出射表面522没有相同的曲率。例如，外表面534或内表面532可以具有与光出射表面522相同的曲率，或者外表面534和内表面532二者都具有与出射表面522不同的曲率。

从LED光源504生成的光通过光入射表面512而被折射到透镜502中。光的部分通过光出射表面522而直接从透镜502折射出去并且折射到射束成形元件530上，而光中的一些或大部分由于全内反射而被光出射表面522反射回去。所反射的光的部分通过射束成形元件530的内表面532进一步被透镜502的底表面540反射回到射束成形元件530的中央部分（在Z轴周围）。被折射到射束成形元件530的光进一步被透射通过射束成形元件530。具有比外表面534的空气-表面界面处的全内反射的临界角大的入射角的光由于全内反射而被反射回去。因而，通过射束成形元件530的反射消除了发光设备500上方的热斑。

在一示例中，射束成形元件530的内表面532和外表面534可以是平滑表面。射束成形元件530可以在Z轴周围的中央部分处凹进，使得通过射束成形元件530的中央轴Z的垂直横截面具有大体上“M”形状的构型。在一示例中，射束成形元件530在最薄的定位处可以尽可能地薄以便节省材料并且减少材料吸收。例如，射束成形元件530可以是0.4mm厚的。在射束成形元件530与透镜502之间的空间或间隙可以是至少0.2mm以计及组装容差。

图6是来自图5中所示的示例性背光设备500的射束成形元件530（在左侧）以及透镜502（在右侧）的3D透视（底和侧）视图。从LED光源504发射的光循序地被透镜502的入射表面512和光出射表面522、以及然后被射束成形元件530的内表面532和外表面534扩散。光通过透镜502和射束成形元件530而以不同的角度发散地扩散，并且因而变得更均匀地分布。射束成形元件530可以被固定在透镜502的支撑基座538的顶表面上。

根据本文中的公开内容，通过透镜发射的光的一部分进一步从光学透镜的射束成形元件被反射和折射，使得消除热斑。以上所述的实施例提供了所公开的射束成形元件的示例，使得在本文中的公开内容的范围内，其它形状、材料和结构可以用于重定向光。

在本文中所述的公开内容中，光学透镜和/或射束成形元件可以由包括但不限于以下材料的任何材料制成：PMMA；PET；PC和/或玻璃。用于射束成形元件的材料可以与用于透镜的材料相同或不同。本文中所述的公开内容包括示例性实施例，使得本领域技术人员可以利用等同元素来修改、变更、省略或替换所述元素。

Claims (18)

1.一种用于重定向光的系统，包括：

透镜，其被配置成使从发光二极管发射的光成形以形成经成形的光；以及

射束成形元件，其被耦合到所述透镜并且被定位成接收所述经成形的光中的至少一些，

所述射束成形元件包括面向所述透镜的入射表面，

所述入射表面包括反射元件的图案，所述反射元件被配置成将所述经成形的光的第一部分反射朝向所述透镜，

所述入射表面允许所述经成形的光的第二部分传播通过所述射束成形元件、通过在所述图案中相邻的反射元件之间的一个或多个空间，

其中所述射束成形元件在位于所述透镜的光轴周围的中央部分处凹进，使得通过所述光轴的垂直横截面具有大体上“M”形状的构型，

所述系统此外包括多个突出部，所述多个突出部将所述射束成形元件紧固到所述透镜的出射表面。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述射束成形元件在底表面上形成有点图案，所述点图案被分布使得在光太亮的地方光被所述射束成形元件的所述底表面上的点反射回去，以及其中所述点图案是规则的。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述反射元件以不规则的图案被布置。

4.根据权利要求2所述的系统，其中通过使点的数目、大小、位置和/或形状变化来实现所述点图案。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述反射元件包括至少一些大体上圆形的反射点。

6.根据权利要求2所述的系统，其中使用反射涂层来制成所述点图案。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述反射涂层包括铝薄膜。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述射束成形元件被定位并且被定大小成接收来自所述透镜的经成形的光的仅一部分。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述射束成形元件被紧固到所述透镜的光出射表面的中央部分。

10.根据权利要求8所述的系统，其中所述射束成形元件被定位并且被定大小成接收来自所述透镜的经成形的光的仅中央部分。

11.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述透镜限定光轴；并且

所述射束成形元件以所述光轴为中心。

12.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述透镜包括关于所述发光二极管和所述透镜的光轴而径向对称的内弯曲表面和外弯曲表面；并且

所述射束成形元件关于所述发光二极管和所述透镜的光轴而径向对称。

13.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述透镜的出射表面包括被凸外围部分围绕的凹中央部分；并且

所述多个突出部将所述射束成形元件紧固到所述透镜的出射表面的凸外围部分。

14.根据权利要求1所述的系统，此外包括发光二极管，所述发光二极管被配置成朝向所述透镜发射光以形成经成形的光。

15.一种用于重定向光的方法，包括：

利用发光二极管来产生光；

利用透镜来使光成形以形成经成形的光，所述经成形的光包括中央部分以及围绕所述中央部分的外围部分；

利用被定位在耦合到所述透镜的射束成形元件的入射表面上的反射元件的图案来将所述经成形的光的中央部分中的至少一些反射朝向所述透镜；以及

通过所述图案中相邻的反射元件之间的一个或多个空间来使所述经成形的光的中央部分中的至少一些透射通过所述射束成形元件，

其中所述射束成形元件在位于所述透镜的光轴周围的中央部分处凹进，使得通过所述光轴的垂直横截面具有大体上“M”形状的构型，以及

所述射束成形元件通过多个突出部被紧固到所述透镜的出射表面。

16.根据权利要求15所述的方法，其中：

所述透镜包括关于所述发光二极管和所述透镜的光轴而径向对称的内弯曲表面和外弯曲表面；并且

所述射束成形元件关于所述发光二极管和所述透镜的光轴而径向对称。

17.根据权利要求16所述的方法，此外包括：

将所述经成形的光的外围部分指引到所述射束成形元件的周围，使得所述经成形的光的外围部分不照射所述射束成形元件。

18.一种用于重定向光的系统，包括：

发光二极管，其被配置成发射以光轴为中心的光；

透镜，其被配置成使所发射的光成形以形成经成形的光，所述透镜包括关于所述发光二极管和所述透镜的光轴而径向对称的内弯曲表面和外弯曲表面；以及

射束成形元件，其被耦合到所述透镜，

所述射束成形元件关于所述光轴而径向对称，

所述射束成形元件被定位并且被定大小成接收所述经成形的光的仅中央部分，

所述射束成形元件包括面向所述透镜的出射表面的入射表面，

所述入射表面包括反射元件的图案，所述反射元件被配置成将所述经成形的光的第一部分反射朝向所述透镜，

所述入射表面允许所述经成形的光的第二部分传播通过射束成形元件、通过在所述图案中相邻的反射元件之间的一个或多个空间，

其中所述射束成形元件在位于所述透镜的光轴周围的中央部分处凹进，使得通过所述光轴的垂直横截面具有大体上“M”形状的构型，

所述系统此外包括多个突出部，所述多个突出部将所述射束成形元件紧固到所述透镜的出射表面。

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