CN112799251A - 直下式发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直下式发光装置。该直下式发光装置包括多个LED光源以及多个被耦合到LED光源并且位于LED光源上方的光学透镜。光学透镜设置有中空结构，中空结构与光源和光学透镜的光轴径向对称。光学透镜的外表面设置有微型扩散结构。在中空结构中，近光轴的表面之切面与光轴的夹角小于远光轴的表面之切面与光轴的夹角；近光轴的微型扩散结构之密度大于远光轴的微型扩散结构之密度，以使得入射至近光轴的表面的光以更高比例的被反射和重定向，进而在直下式发光装置之上方形成均匀光强度分布的光场。

Description

直下式发光装置
技术领域
本发明涉及半导体器件制造和光学系统，尤其涉及一种直下式发光装置。
背景技术
液晶显示装置具有的液晶面板自身不发光。因此，液晶显示装置在液晶面板的背面侧设置有作为面光源装置的背光装置作为对液晶面板进行照明的光源。直下式的背光装置的主要构件有光学模片、扩散板、LED光源与反射片等，在此组成架构中，如何在不增加成本与出光均匀度的条件下，有效地缩减LED光源与扩散板之间的间距使得背光装置达到薄型化的需求实为一项重要的课题。
美国专利公开第20080231780号揭露了一种采用直下式背光装置的显示器组件。扩散片(diffuser film)设置于支撑基板与光源之间，且支撑基板(supportingsubstrate)具有低光吸收率及低光散射率，其中支撑基板由透光材料所制成。另外，美国专利公开第20080231780号专利中揭露了扩散片与支撑基板之间不同间隔关系。另外，美国专利公开第20080231780号中亦揭露其设计具有足够的光散射效果以遮蔽光源，且可提供较均匀的面光源，并可提供较薄的光学散射架构。
另外，美国公告第7068332号揭露一直下式背光单元，其中扩散膜(diffusionfilm)设置于扩散片(diffusing sheet)与灯之间。
中国台湾新型专利第M271174号揭露一直下式背光装置，包括光源、扩散板、及设置于扩散板下方的透明片。透明片可经网点印刷、喷砂、蚀刻或者雾化处理，使光源的光线可先通过透明片均匀散出。接着，再由扩散板散出，使光源的光线均匀由液晶面板散出。另外，此专利亦揭露另一实施方式，其为透明片任一侧固设有扩散片或二侧固设有扩散片，其固定方式可以为贴附、溅镀、或者于扩散片上设有可与透明片相互嵌合的嵌合机构。
但是，上述现有技术的LED阵列的分布面积越大，组成的LED阵列的光源数目越多间距越小，出光越均匀，但限于成本及现有工艺水平，采用增加光源数目或者缩小光源间距的方法产生效果有限，因此，如何进一步提高出光均匀性，解决直下式背光模组容易出现亮暗不均的光斑(mura)的问题还需要进一步的探索。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种改善面光源均匀出光且消除灯斑(mura)的直下式发光装置，该直下式发光装置的光学透镜设计使能实现均匀光分布而不产生光斑，并且因而与其它光学透镜相比具有更宽的光传递函数和更大的扩散角度，在保持出光均匀度的条件下，可以减少LED光源的使用数量从而降低成本，并且提高了光的利用效率。另外，本发明的直下式发光装置可以用于直接显示的Mini/Micro LED。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种直下式发光装置，其包括多个LED光源以及多个被耦合到所述LED光源并且位于所述LED光源上方的光学透镜。所述光学透镜设置有中空结构，所述中空结构与所述LED光源和所述光学透镜的光轴径向对称。所述光学透镜的外表面设置有微型扩散结构。在所述中空结构中，近所述光轴的表面之切面与所述光轴的夹角小于远所述光轴的表面之切面与所述光轴的夹角；近所述光轴的所述微型扩散结构之密度大于远所述光轴的所述微型扩散结构之密度，以使得入射至所述近所述光轴的表面的光以更高比例的被反射和重定向，进而在所述直下式发光装置之上方形成均匀光强度分布的光场。
在常规的光学透镜中，如图1所示，从光源100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101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”(mura)。本发明的光学透镜具有中空结构中，并且近光轴的表面之切面与光轴的夹角小于远光轴的表面之切面与光轴的夹角；近光轴的光学透镜的外表面的微型扩散结构之密度大于远光轴的微型扩散结构之密度，用来被配置成调节通过光学透镜的出射表面(光出射表面)所辐射的光射束。光轴的表面之切面使得入射至近所述光轴的表面的光以更高比例的被反射或辐射到其它方向上以减小中心强度，同时微型扩散结构对出射光进行重定向并且减轻发光设备的照明场上的光斑，因而改进总体背光均匀性。
在一个优选实施例中，所述中空结构沿所述光轴形成一近圆锥机构，所述近圆锥机构的顶角远所述LED光源。LED光源的出射光在所述近圆锥机构的顶角位置的反射率更高，以使得直下式发光装置达到更宽的光传递函数和更大的扩散角度。
在一个优选实施例中，所述光学透镜沿所述光轴形成一近圆锥机构，所述近圆锥机构的顶角近所述LED光源。LED光源的出射光在所述近圆锥机构的顶角位置的反射率更高，以使得直下式发光装置达到更宽的光传递函数和更大的扩散角度。
在一个优选实施例中，所述微型扩散结构为凸起，其为半球结构、四面体结构、多面体结构、圆柱体结构或者近圆锥体结构。
在一个优选实施例中，所述微型扩散结构与所述光学透镜一体成型连接。
在一个优选实施例中，所述光学透镜还包括光转换材料。光转换材料可以为量子点、荧光粉等材料。
在一个优选实施例中，所述直下式发光装置还包括设置在所述LED光源的周围的多个第一反射结构；连接多个所述第一反射结构的导光结构，用以光学密封所述LED光源的阵列；以及设置在所述导光结构上的第二反射结构；
其中，所述第一反射结构将所述光学透镜的一部分的配光向所述直下式发光装置的出光面的一侧反射；所述第二反射结构设置于所述光学透镜的顶部出光的上方。从各光学透镜射出的光，虽然仍然具有一定的聚集度，但通过向各光源射出的光在第一反射结构和第二反射结构的散射传播的反射从而能进一步扩大扩散角，克服亮暗不均(mura)的问题，实现均匀的面光源出光。
附图说明
本发明及其优点将通过研究以非限制性实施例的方式给出，并通过所附附图所示的特定实施方式的详细描述而更好的理解，其中：
图1是现有技术的光学透镜的结构示图。
图2是本发明实施例1的光学透镜的结构示图。
图3是本发明实施例1的光学透镜的截面视图及其光学原理。
图4是本发明实施例1的光学透镜的光场分布截面的直角坐标分布示图。
图5是本发明实施例1的光学透镜的光场分布的极坐标分布示图。
图6是本发明实施例1的直下式发光装置的爆炸视图。
图7是本发明实施例2的光学透镜的结构示图。
图8是本发明实施例3的光学透镜的结构示图。
具体实施方式
请参照附图中的图式，其中相同的组件符号代表相同的组件，本发明的原理是以实施在一适当的环境中来举例说明。以下的说明是基于所示例的本发明的具体实施例，其不应被视为限制本发明未在此详述的其它具体实施例。
本说明书所使用的词语“实施例”意指用作实例、示例或例证。此外，本说明书和所附权利要求中所使用的冠词“一”一般地可以被解释为意指“一个或多个”，除非另外指定或从上下文清楚导向单数形式。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
实施例1
首先，通过图2-6，就本发明的实施例1的直下式发光装置进行说明。本发明的实施例1之直下式发光装置，如图3所示，一种直下式发光装置，其包括多个LED光源10以及多个被耦合到所述LED光源10并且位于所述LED光源10上方的光学透镜20。所述光学透镜20设置有中空结构201，所述中空结构201与所述光源和所述光学透镜20的光轴径向对称。如图2所示，所述光学透镜20的外表面设置有微型扩散结构202。在所述中空结构201中，近所述光轴的表面之切面与所述光轴的夹角小于远所述光轴的表面之切面与所述光轴的夹角；近所述光轴的所述微型扩散结构之密度大于远所述光轴的所述微型扩散结构之密度，以使得入射至所述近所述光轴的表面的光以更高比例的被反射和重定向，进而在所述直下式发光装置之上方形成均匀光强度分布的光场。
本发明的光学透镜20具有中空结构201中，并且近光轴的表面之切面与光轴(Z抽)的夹角小于远光轴的表面之切面与光轴的夹角；近光轴的光学透镜20的外表面的微型扩散结构之密度大于远光轴的微型扩散结构之密度，用来被配置成调节通过光学透镜20的出射表面(光出射表面)所辐射的光射束。如图4所示，本发明的光学透镜20产生的光场分布截面301，其扩散角度达到140°，明显优于传统的光学透镜的扩散角度90°左右(光场分布截面300)。一般定义“M”型峰的出光的两峰之间的夹角说明其扩散程度，夹角越大其扩散效果越好。如5图所示，本发明的光学透镜20产生的光场分布的极坐标401，其具有更宽的光传递函数，明显优于传统的光学透镜的光传递函数402。现有技术为解决光斑通常采用更多的光学膜片，例如扩散片等，实现均匀的光场。但是，多层的光学膜片导致亮度降低，达到相同的亮度的情况下需要增加LED的数目或者LED的发光亮度，导致能耗增加。本实施例的光学透镜20直接设置在LED光源10上，减少甚至可以避免了光学膜片的使用，尤其适用于直接显示的MinLED和Micro LED。在光学透镜20中，接近光轴的表面之切面使得入射至近所述光轴的表面的光以更高比例的被反射或辐射到其它方向上以减小中心强度，同时微型扩散结构对出射光进行重定向并且减轻发光设备的照明场上的光斑，因而改进总体背光均匀性。所述微型扩散结构为凸起，四面体结构。可以替换的，所述微型扩散结构还可以为半球结构、多面体结构、圆柱体结构或者近圆锥体结构。
所述微型扩散结构与所述光学透镜20一体成型连接。
所述光学透镜20还包括光转换材料量子点。
如图7所示，所述直下式发光装置还包括设置在所述光学透镜20的周围的多个第一反射结构12；连接多个所述第一反射结构12的导光结构13，用以光学密封所述光学透镜20的阵列；以及设置在所述导光结构13上的第二反射结构14；
其中，所述第一反射结构12将所述光学透镜20的一部分的配光向所述直下式发光装置的出光面的一侧反射；所述第二反射结构14设置于所述光学透镜20的顶部出光的上方。从各光学透镜20射出的光，虽然仍然具有一定的聚集度，但通过向各光源射出的光在第一反射结构12和第二反射结构14的散射传播的反射从而能进一步扩大扩散角，克服亮暗不均(mura)的问题，实现均匀的面光源出光。
实施例2
请参照图7，是本发明的实施例2的直下式发光装置的光学透镜之结构示意图。以下仅就实施例2与实施例1的相异之处进行说明，关于相似之处在此不再赘述。
所述中空结构201沿所述光轴形成一近圆锥机构202，所述近圆锥机构202的顶角远所述LED光源10。LED光源10的出射光在所述近圆锥机构202的顶角位置的反射率更高，以使得直下式发光装置达到更宽的光传递函数和更大的扩散角度。多个光学透镜20一体连接。
实施例3
请参照图8，是本发明的实施例3的直下式发光装置的光学透镜之结构示意图。以下仅就实施例3与实施例1的相异之处进行说明，关于相似之处在此不再赘述。
所述光学透镜20沿所述光轴形成一近圆锥机构202，所述近圆锥机构202的顶角近所述LED光源10。LED光源10的出射光在所述近圆锥机构202的顶角位置的反射率更高，以使得直下式发光装置达到更宽的光传递函数和更大的扩散角度。
虽然在上文中已经参考一些实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的各个实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种直下式发光装置，包括：
多个LED光源以及多个被耦合到所述LED光源并且位于所述LED光源上方的光学透镜；
其特征在于，所述光学透镜设置有中空结构，所述中空结构与所述LED光源和所述光学透镜的光轴径向对称；
所述光学透镜的外表面设置有微型扩散结构；
其中，所述中空结构中，近所述光轴的表面之切面与所述光轴的夹角小于远所述光轴的表面之切面与所述光轴的夹角；近所述光轴的所述微型扩散结构之密度大于远所述光轴的所述微型扩散结构之密度，以使得入射至所述近所述光轴的表面的光以更高比例的被反射和重定向，进而在所述直下式发光装置之上方形成均匀光强度分布的光场。
2.根据权利要求1所述的直下式发光装置，其特征在于：所述中空结构沿所述光轴形成一近圆锥机构，所述近圆锥机构的顶角远所述LED光源。
3.根据权利要求1所述的直下式发光装置，其特征在于：所述光学透镜沿所述光轴形成一近圆锥机构，所述近圆锥机构的顶角近所述LED光源。
4.根据权利要求1所述的直下式发光装置，其特征在于：所述微型扩散结构为凸起，其为半球结构、四面体结构、多面体结构、圆柱体结构或者近圆锥体结构。
5.根据权利要求1所述的直下式发光装置，其特征在于：所述微型扩散结构与所述光学透镜一体成型连接。
6.根据权利要求1所述的直下式发光装置，其特征在于：所述光学透镜还包括光转换材料。
7.根据权利要求1所述的直下式发光装置，其特征在于：所述直下式发光装置还包括设置在所述光学透镜的周围的多个第一反射结构；连接多个所述第一反射结构的导光结构，用以光学密封所述光学透镜的阵列；以及设置在所述导光结构上的第二反射结构；其中，所述第一反射结构将所述光学透镜的一部分的配光向所述直下式发光装置的出光面的一侧反射；所述第二反射结构设置于所述光学透镜的顶部出光的上方。
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