CN112303593A - 一种光学透镜、发光装置及显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学透镜、发光装置及显示器，光学透镜包括：第一表面、第二表面及第三表面，第二表面包括第一入射区域以及第二入射区域；第三表面包括第一出射面以及第二出射面；所述发光元件发出的相对于所述光学透镜的中心轴大于预设角度的部分光线经过所述第二入射区域和所述第二出射面的折射穿过所述光学透镜；通过光学透镜的第二凹陷部对光源的与中心轴形成的角度不同的光线进行折射，部分光线经过第一入射区域的折射直接到达第一表面后经第一表面的反射面的全反射；部分光线经过第一入射区域的折射后再经过所述第二出射面的折射穿过所述光学透镜；本发明的光学透镜可以使光源经过该光学透镜的发出的光更加均匀，提高了能量的利用率。

Description

一种光学透镜、发光装置及显示器
技术领域
本发明涉及光学领域，特别是涉及一种光学透镜、发光装置及显示器。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)由于启动电压低、寿命长、光效高、绿色环保而成为主流的照明用光源，目前在商业及家用照明、液晶显示等领域获得广泛应用。为了形成亮度均匀的面光源，通常需要采用多个LED组成透镜阵列。为了降低混光高度，通常需要采用透镜对LED发出的光线进行调控，要求通过光学透镜对发光二极管的光源充分利用，且需要保证发光二极管的光源通过光学透镜的变换，光线更加均匀，传统的折射透镜或反射透镜无法满足前述要求
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光学透镜、发光装置及显示器，用于解决现有技术中光源利用率不高以及出射不均匀的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光学透镜，包括：第一表面，包括所述包围所述光学透镜的中心轴的第一凹陷部，所述第一凹陷部包括至少一反射面；第二表面，至少包括用于放置发光元件的第二凹陷部，所述第二凹陷部包括第一入射区域以及第二入射区域；第三表面，至少包括第一出射面以及第二出射面；其中，从所述发光元件发出的相对于所述光学透镜的中心轴大于预设角度的部分光线经过所述第二入射区域和所述第二出射面的折射穿过所述光学透镜。
可选的，所述第二表面还包括底表面，所述第二凹陷部包围所述光学透镜的中心轴，所述发光元件沿所述光学透镜的中心轴设置在所述第二凹陷部的内部。
可选的，所述光学透镜设置在一基板的一侧；所述基板的一侧形成有反射层，所述光学透镜的底表面设置在所述反射层上。
可选的，垂直于所述光学透镜的中心轴的方向为第一方向，平行于所述光学透镜的中心轴的方向为第二方向，所述第一出射面以及所述第二出射面包围所述光学透镜的中心轴设置。
可选的，所述第三表面包括一包围所述光学透镜的中心轴第三凹陷部，所述第一出射面邻接于所述第三凹陷部且与所述第一表面连接；所述第二出射面邻接于所述第三凹陷部且与所述底表面连接。
可选的，所述第一出射面在所述第一方向上的投影坐标的最大值大于所述第二出射面在第一方向上的投影坐标的最大值。
可选的，从所述发光元件发出的相对于所述光学透镜的中心轴小于或等于所述预设角度的部分光线至少经过所述第一入射区域折射、所述反射面的反射以及所述第一出射面的折射穿过所述光学透镜。
可选的，所述预设角度的取值大于等于30°且小于等于60°。
本发明还提供一种发光装置，包括：发光元件以及上述光学透镜。
本发明还提供一种显示器，包括：显示面板；驱动电路，与所述显示面板连接；背光模组，设置在所述显示面板的入光面一侧；其中，所述背光模组包括上述的发光装置。
本发明的光学透镜，通过光学透镜的第二凹陷部对光源的与中心轴形成的角度不同的光线进行折射，部分光线经过第一入射区域的折射直接到达第一表面，再经过第一表面的反射面的全反射后光线沿着第一出射面穿过所述光学透镜；还有部分光线经过第一入射区域的折射后再经过所述第二出射面的折射穿过所述光学透镜；本发明的光学透镜可以与光源的部分光线实现的多次折射与反射，还有部分光线实现双折射，本发明的光学透镜可以使光源经过该光学透镜的发出的光更加均匀，提高了光线的利用率。
附图说明
图1显示为本发明一实施例的一种光学透镜示意图。
图2显示为本发明又一实施例的一种光学透镜示意图。
图3显示为本发明又一实施例的一种光学透镜示意图。
图4显示为本发明又一实施例的一种光学透镜示意图。
图5显示为本发明一种显示器中的背光模组的示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1-2，本发明提供一种光学透镜，包括：分别包围所述光学透镜的中心轴OE的第一表面D1、第二表面D2以及第三表面D3；所述第二表面D2与所述第一表面D1相对；所述第三表面D3连接于所述第一表面D1以及所述第二表面D2之间，且形成于所述光学透镜的周围侧边上；其中，所述第一表面D1包括：一第一凹陷部，所述第一凹陷部向所述第二表面D2方向凹进，所述第一凹陷部包括一第一凹陷中心点；所述第二表面D2包括：底表面F，所述底表面F为一平面，平行于所述底表面F的方向为第一方向，垂直于所述底表面F的方向为第二方向，所述第二方向与所述光学透镜的中心轴OE的方向平行；以及一第二凹陷部，所述第二凹陷部沿着所述第二方向向所述第一表面D1凹进，发光元件10设置在所述第二凹陷部的内部；所述第三表面包括至少一第三凹陷部。
在某些实施方式中，所述第二凹陷部包括一第二凹陷中心点；第一入射区域，所述第一入射区域从所述第二凹陷中心点向所述底表面F的外周倾斜地延伸，所述第二凹陷中心点具有朝着所述第一表面D1的最小深度；第二入射区域，所述第二入射区域从所述第一入射区域延伸到所述底表面F。
可以理解的，此处的最小深度是指第二凹陷部的中心高度与所述第一凹陷部的中心高度的差值的最小值，即第二凹陷部的中心高度取最大值。
本发明的一种光学透镜，通过光学透镜的第二凹陷部对光源的光线进行折射后，部分光线再经过第一表面D1的多个面对不同角度的光线进行反射到达第三表面D3，还有部分光线经过第二凹陷部的折射直接到达第三表面D3，光源通过本发明的光学透镜的多次折射与反射，如此，可以以较小的混光距离来实现半径更大的光斑，发出的光更加均匀，提高了光线的利用率。
可以理解的，请参阅图1-4，第二凹陷中心点即面S1与中心轴OE的交点，第一凹陷中心点即曲面S2与中心轴OE的交点；第一凹陷中心点即OA，第二凹陷中心点即OB。在某些实施方式中，所述第一凹陷中心点与所述第二凹陷中心点的连线与所述底表面F垂直，该连线与光学透镜的主光轴所在的位置重叠。
在某些实施方式中，本发明提供的光学透镜是一个对称结构，所述光学透镜沿着所述中心轴OE中心对称，所述第一表面D1、所述第二表面D2以及所述第三表面D3皆沿着所述中心轴OE中心对称。
可以理解的，本发明的光学透镜正常放置时，第二表面D2的底表面F与基板接触设置，此时第二表面D2即所述光学透镜的下表面，所述第一表面D1与所述第二表面D2相对，第一表面D1即为所述光学透镜的上表面，第三表面D3为连接上表面与下表面的侧表面，该侧表面关于光学透镜的中心轴OE对称。
在某些实施方式中，所述第三表面D3包括与所述第一表面D1连接的第一出射面，以及与所述底表面F连接的第二出射面，所述第一出射面以及所述第二出射面分别设置在所述第三凹陷部的两侧；所述第二出射面与所述底表面连接。
在某些实施方式中，形成于第三表面D3的第三凹陷部具有凹陷中心点，诸如图1中面S7与面S6的交点，图2中面S7与面S6的交点，图3中的面S7与面S6的交点，图4中的面S7与面S6的交点；第三凹陷部也可以是一个向所述光学透镜的内部凹陷的曲面，第三凹陷部的凹陷形式在此不做限定。
在某些实施方式中，第三表面的第一出射面沿着第二方向在第一方向上的投影坐标的最大值大于第三表面的第二出射面沿着第二方向在第一方向上的投影坐标的最大值；即所述第一出射面沿着所述第二方向在所述第一方向上形成的投影的面积覆盖并大于所述第二出射面沿着第二方向在第一方向上形成的投影的面积。可以理解的，图1至图4中，以第三凹陷部作为区分界限，第三表面D3即侧表面与第一表面D1即上表面邻接的部分可以称之为光学透镜的上半部分，第三表面D3即侧表面与底表面F邻接的部分可以称之为光学透镜的下半部分，本发明的光学透镜的上半部分到中心轴OE到的最大垂直距离大于光学透镜的下半部分到中心轴OE到的最大垂直距离。在某些实施方式中，所述第一入射区域的曲率使得所述发光元件10发出的相对于所述光学透镜的中心轴OE等于或小于预设角度的光线经过所述第一入射区域的折射达到所述第一表面D1，到达所述第一表面D1的光线经过所述第一表面D1的全反射到达所述第一出射面并经所述第一出射面折射出射；所述第二入射区域的曲率使得所述发光元件10发出的相对于所述光学透镜的中心轴OE大于所述预设角度的光线经过所述第二入射区域的折射达到所述第二出射面并经所述第二出射面折射。
在某些实施方式中，所述预设角度为与所述光学透镜的中心轴OE形成的夹角，所述预设角度的取值大于等于30°且小于等于60°。
在某些实施方式中，所述第一表面D1至少包括一直面或至少包括一曲面。
请再参阅图1-2，在某些实施方式中，本发明提供的一种光学透镜，包括：第一表面D1，包括所述包围所述光学透镜的中心轴OE的第一凹陷部，所述第一凹陷部包括至少一反射面；第二表面D2，至少包括用于放置发光元件10的第二凹陷部，所述第二凹陷部包括第一入射区域以及第二入射区域；第三表面D3，至少包括第一出射面以及第二出射面；其中，从所述发光元件10发出的相对于所述光学透镜的中心轴OE大于预设角度的部分光线经过所述第二入射区域和所述第二出射面的折射穿过所述光学透镜。可以理解的，第一入射区域即曲面S1形成的区域，第二入射区域即曲面S2形成的区域。
本发明的光学透镜，通过光学透镜的第二凹陷部对光源的与中心轴OE形成的角度不同的光线进行折射，部分光线经过第一入射区域的折射直接到达第一表面D1，再经过第一表面D1的反射面的全反射后光线沿着第一出射面穿过所述光学透镜；还有部分光线经过第二入射区域的折射后再经过所述第二出射面的折射穿过所述光学透镜；本发明的光学透镜可以与光源的部分光线实现的多次折射与反射，还有部分光线实现双折射，本发明的光学透镜可以使光源经过该光学透镜的发出的光更加均匀，以较小的混光距离来实现半径更大的光斑，提高了能量的利用率；部分光线再经过第一表面D1的多个面对不同角度的光线进行反射到达第三表面D3，还有部分光线经过第二凹陷部的折射直接到达第三表面D3，光源通过本发明的光学透镜的多次折射与反射，以较小的混光距离来实现半径更大的光斑，发出的光更加均匀，提高了光线的利用率。
在某些实施方式中，所述第二表面D2还包括底表面F，所述第二凹陷部包围所述光学透镜的中心轴OE，所述发光元件10沿所述光学透镜的中心轴OE设置在所述第二凹陷部的内部。
请参阅图1-图2，可以理解的，对本发明提供的光学透镜的各个面的特征进行分析：对发光元件10发出的光通量进行等分，假设发光元件10的光源出射的光线与中心轴OE的夹角为θ，令θ1＝0，根据如下公式即公式组(1)等分光源光通量，其中I(θ)为光源的光强随角度的分布，I0为光源中心光强，Φt为发光元件的光源的总光通量，等分份数为N，可以得到θi的分布，θi(i＝1，2，...，N)为等分发光光源光通量的采样光线角度，即每份θi之间的光通量相等。
Figure BDA0002150411010000051
对光源的光通量划定一个等分角α即预设角度，α角度范围为30-60°，第一部分的光线通过透镜的面S1、S2、S3、S4、S7在目标面上进行分布。可以理解的，此处的目标面是指与光学透镜有一定距离的成像面，该目标面为一平面，该目标面垂直于所述光学透镜的中心轴，即发光元件10发出的相对于所述光学透镜的中心轴OE等于或小于预设角度的光线经过所述第一入射区域的折射达到所述第一表面D1，到达所述第一表面D1的光线中的部分光线经过所述第一表面D1的反射面S3的全反射到达所述第一出射面并经所述第一出射面折射。在图1-2中，第一入射区域即曲面S1形成的区域，第二入射区域即S5形成的区域，第一出射面即面S4以及面S7，第二出射面即面S6。
可以理解的，角度0-α°以内的光线即发光元件10发出的相对于所述光学透镜的中心轴OE等于或小于预设角度的光线，由第一入射区域即图1-2中的S1曲面调控为沿角度β1方向收缩折射，其中β1角度范围为20-50°。经过第一入射区域即曲面S1折射后的光线通过第一表面D1的反射面即S3面进行反射，反射的光线沿角度为γ的方向反射至第一出射面即曲面S4并经由第一出射面折射后穿过该光学透镜，其中γ角度范围为80-100°。
请参阅图2，第一表面D1的反射面即S3面关系由公式(2)决定：
β1+γ＝2×(90-arctg(k_S3)) 公式(2)
其中，β1为曲面S1的出射光线角，γ为反射面S3的出射光线角，k_S3为反射面的斜率。
在某些实施方式中，第一入射区域即曲面S1与反射面还满足以下关系，若S1曲面的折射光线为沿固定角度的平行光线，则k_S3为某一定值，反射面S3为斜率固定的斜面，如图1以及图2中的结构所示；若S1曲面的折射光线为在某个范围角度的光线，则k_S3为不断变化的值，反射面S3为一曲面，如图3以及图4的结构所示。
对光源的光通量划定一个等分角α(α角度范围为30-60°)，第二部分的光线发光元件10发出的相对于所述光学透镜的中心轴OE大于所述预设角度的光线，通过透镜的第二入射区域即曲面S5、第二出射面即面S6在目标面上进行分布。发光元件的光线角度在α-90°以内的光线由S5曲面调控为沿角度β2方向收缩出射，其中β2角度范围为50-90°，可以理解的，上述的角度的大小皆是指与中心轴形成的夹角的大小。
对于扩展光源的光线，同一轴向内光线会有部分由S2曲面折射出射，这里通过调节面S2的斜率使最后阵列目标面中心照度和边缘照度均齐。光线经过面S3反射后，大部分是沿角度为γ的方向左右的范围进行出射，还有部分光线经由S7斜面折射到基板反射层上，再次反射到目标面上。这里的S2和S7斜面是根据实际光源大小进行调整，提高了光线的利用率。在某些实施方式中，所述光学透镜设置在一基板的一侧；所述基板的一侧形成有反射层，所述光学透镜的底表面F设置在所述反射层上。
在某些实施方式中，垂直于所述光学透镜的中心轴的方向为第一方向，平行于所述光学透镜的中心轴OE的方向为第二方向，所述第一出射面以及所述第二出射面包围所述光学透镜的中心轴OE设置。
在某些实施方式中，所述第三表面D3包括一包围所述光学透镜的中心轴OE第三凹陷部，所述第一出射面邻接于所述第三凹陷部且与所述第一表面D1连接；所述第二出射面邻接于所述第三凹陷部且与所述底表面F连接。
在某些实施方式中，第三表面的第一出射面在第一方向上的投影坐标的最大值大于第三表面的第二出射面在第一方向上的投影坐标的最大值；即所述第一出射面沿着所述第二方向在所述第一方向上形成的投影的面积覆盖并大于所述第二出射面沿着第二方向在第一方向上形成的投影的面积。可以理解的，图1至图4中，以第三凹陷部作为区分界限，第三表面D3即侧表面与第一表面D1即上表面邻接的部分可以称之为光学透镜的上半部分，第三表面D3即侧表面与底表面F邻接的部分可以称之为光学透镜的下半部分，本发明的光学透镜的上半部分到中心轴OE到的最大垂直距离大于光学透镜的下半部分到中心轴OE到的最大垂直距离。在某些实施方式中，从所述发光元件10发出的相对于所述光学透镜的中心轴OE小于或等于所述预设角度的部分光线至少经过所述第一入射区域折射、所述反射面的反射以及所述第一出射面的折射穿过所述光学透镜。
在某些实施方式中，或所述预设角度的取值大于等于30°且小于等于60°。
在某些实施方式中，所述第一表面D1包括三个斜面，所述第一出射面可以包括一个曲面以及两个折面。
请参阅图1-4，在某些实施方式中，第三凹陷部可以由一个曲面以及一个直面连接组成的凹陷部；在另一些实施方式中，第三凹陷部也可以是由一个曲面构成，在此不做限定。
在某些实施方式中，在某些实施方式中，发光元件10发出的相对于所述光学透镜的中心轴OE等于或小于预设角度的光线经过所述第一入射区域的折射达到所述第一表面D1，到达所述第一表面D1的光线经过所述第一表面D1的全反射到达所述第三表面D3的反射面的全反射最后到达第一出射面，并经所述第一出射面折射穿过所述光学透镜。
本发明还提供一种发光装置，包括：发光元件10以及上述光学透镜。
请参阅图1-图4，第二凹陷部的中心高度h1，第一凹陷部的中心高度h2，目标面的高度H，3<h1<h2<10mm，目标面距离第一凹陷点OA的距离范围为10mm～20mm。在某些实施方式中，第二凹陷部的中心高度与所述第一凹陷部的中心高度的皆取最大值。
本发明还提供一种显示器，包括：显示面板；驱动电路，与所述显示面板连接；背光模组，设置在所述显示面板的入光面一侧；其中，所述背光模组包括上述的发光装置。
请参阅图5，本发明的多个发光装置可以设置在同一个基板30上作为上述背光模组的一部分。本发明的光学透镜，提高了能量的利用率；本发明的发光装置以较小的混光距离OD来实现半径更大的光斑，光线更加均匀。
如上所述，本发明的一种光学透镜20、发光装置及显示器，通过光学透镜20的第二凹陷部对光源的光线进行折射；再经过第一表面D1的多个面对不同角度的光线进行反射，光线再通过至少包括两个曲面的第三表面D3进行折射出光，光源通过本发明的光学透镜20的多次折射与反射，以较小的混光距离来实现半径更大的光斑，发出的光更加均匀，提高了光线的利用率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。“第一”“第二”等表述仅为表示区分，并未排序或者特指。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。。

Claims (10)

1.一种光学透镜，其特征在于，包括：
第一表面，包括所述包围所述光学透镜的中心轴的第一凹陷部，所述第一凹陷部包括至少一反射面；
第二表面，至少包括用于放置发光元件的第二凹陷部，所述第二凹陷部包括第一入射区域以及第二入射区域；
第三表面，至少包括第一出射面以及第二出射面；
其中，从所述发光元件发出的相对于所述光学透镜的中心轴大于预设角度的部分光线经过所述第二入射区域和所述第二出射面的折射穿过所述光学透镜。
2.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述第二表面还包括底表面，所述第二凹陷部包围所述光学透镜的中心轴，所述发光元件沿所述光学透镜的中心轴设置在所述第二凹陷部的内部。
3.根据权利要求2所述的光学透镜，其特征在于，所述光学透镜设置在一基板的一侧；所述基板的一侧形成有反射层，所述光学透镜的底表面设置在所述反射层上。
4.根据权利要求2所述的光学透镜，其特征在于，垂直于所述光学透镜的中心轴的方向为第一方向，平行于所述光学透镜的中心轴的方向为第二方向，所述第一出射面以及所述第二出射面包围所述光学透镜的中心轴设置。
5.根据权利要求4所述的光学透镜，其特征在于，所述第三表面包括一包围所述光学透镜的中心轴第三凹陷部，所述第一出射面邻接于所述第三凹陷部且与所述第一表面连接；所述第二出射面邻接于所述第三凹陷部且与所述底表面连接。
6.根据权利要求5所述的光学透镜，其特征在于，所述第一出射面在所述第一方向上的投影坐标的最大值大于所述第二出射面在第一方向上的投影坐标的最大值。
7.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，从所述发光元件发出的相对于所述光学透镜的中心轴小于或等于所述预设角度的部分光线至少经过所述第一入射区域折射、所述反射面的反射以及所述第一出射面的折射穿过所述光学透镜。
8.根据权利要求7所述的光透镜，其特征在于，或所述预设角度的取值大于等于30°且小于等于60°。
9.一种发光装置，其特征在于，包括：发光元件以及如权利要求1-8所述的光学透镜。
10.一种显示器，其特征在于，包括：
显示面板；
驱动电路，与所述显示面板连接；
背光模组，设置在所述显示面板的入光面一侧；
其中，所述背光模组包括如权利要求9所述的发光装置。
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