CN1854770A - 光学透镜、使用该光学透镜的发光器件组件以及背光单元 - Google Patents

光学透镜、使用该光学透镜的发光器件组件以及背光单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学透镜，使用该光学透镜的发光器件组件，以及一种背光单元，其中，发光器件向上发射的光被从底部折射表面折射，以允许其到达反射表面，并且安装有一光学透镜，用于从该反射表面在该透镜的侧向反射光，以最小化从该透镜向上发射的光量，同时，增加向该透镜的侧面发射的光量，从而极大地限制了热点的产生。本发明省去了热点挡板和复杂的装配过程，从而能够减少零件数量，并减小显示屏板的厚度。

Description

光学透镜、使用该光学透镜的发光器件组件以及背光单元
本申请要求2005年4月26日递交的韩国申请No.10-2005-0034473和2005年4月26日递交的韩国申请No.10-2005-0034543的权益，并在此引用这两篇申请作参考。
技术领域
本说明书涉及一种光学透镜、使用该光学透镜的发光器件组件以及背光单元。
背景技术
常规的发光二极管光学配置有半球形透镜(domed lens)，并且光被限制分布在相对于中心光轴的预定区域中。如果液晶显示(LCD)背光单元用这种发光二极管来制成，一个潜在的问题是由于该发光二极管的发光特性，不能获得均匀的光特性。
这表明，需要足够的距离来均匀地混合从该发光二极管发射出的白光，使得很难从薄的背光单元中获得一致的光特性。换句话说，采用发光二极管的背光单元会带来增加LCD系统厚度的缺点。
图1说明了根据现有技术的来自用于横向发光的透镜的光路，其中发光二极管(LED.10)设置在半球形透镜20上。该半球形透镜20在其上形成有倾斜的锥形凹槽21，其侧部形成有V形凹槽22。
如果从LED10发出的光接触到锥形凹槽21的表面，光被从该倾斜的锥形凹槽21反射向透镜的侧向传播。如果光接触到透镜20的V形凹槽22时，光穿过该透镜20向该透镜的侧向传播。
换句话说，根据现有技术的用于横向发光(或侧向发光)的LED(下文称作横向LED)用于横向传播从使用透镜的LED10发出的光。
同时，如果靠近看(例如，小于1毫米单位)，注模成型的(injection-molded)透镜20形成在与具有凸起和凹陷(不平坦)的V形凹槽22的顶点22a相应的区域中，使得从该区域发出的LED10的光不向透镜10的侧向传播，而沿透镜10向上传播。
图2是图1所示LED组件的示意性透视图，其中该LED被接合到一缓动块(slug)上，该缓动块在其侧部设置有依次与该LED电连接的导线31和32。
此外，该LED和缓动块利用成型装置(molding means)成型，以便暴露LED的发光表面和导片31和32，并且图1中环绕该LED的透镜20接合到该成型装置。
图3是根据现有技术的LED组件的光发射分布图表，其中表明，如该分布图表的“a”和“b”中所表示的大量的光向该组件的侧向传播，而仅有少量的光穿过该组件的中心处传播。
图1表明，虽然大部分光向透镜的侧向传播，但是仍有一些光沿着透镜向上传播。换句话说，如上所述的该LED组件不能实现光理想地向侧面传播，从而，如果将它用作显示的光源，光将部分地从发光二极管相对于该LED组件的中心传播，从而在制造平面光源中产生问题。
更具体地说，部分光相对于该LED组件的中心的传播产生所谓的光不均匀性(light irregularity)，即热点(hot spot)现象，其中，在显示器上所显示的像素中心周围产生热点，导致显示器上图像质量降低。图4详细说明了产生热点的一个原因。
如果发光二极管10的尺寸非常小，利用从根据现有技术的锥形凹槽的表面21反射向透镜的侧面传播的光量将增加，但是如果发光二极管10的尺寸大，存在从该锥形凹槽的表面21以小于临界角的角度行进的光(C)，以允许光从透镜的上表面发出，从而产生热点，因为锥形凹槽的表面21仅仅全反射发光二极管10发出的光中以大于该临界角的角度传播的光(A)。
此时，如图4所示，向透镜侧面传播的光(B)与热点无关。
图5说明了根据现有技术封装在印刷电路板上的发光二极管的截面图，其中，多个横向发光二极管组件50封装在印刷电路板60上。如上所述，封装有横向发光二极管组件的印刷电路板用于图6所示的背光单元。
图6为根据现有技术用于LCD背光单元的发光二极管的示意性截面图。
为了处理发射到发光二极管组件中心处的光的问题，LCD背光单元安装有热点挡板80。换句话说，LCD背光单元90以这样的方式配置，即，热点挡板80安装在封装在印刷电路板60中的每个发光二极管组件70上，光导板85设置在热点挡板80的上表面，并且，远离光导板85的上表面设置有LCD95，以实现背光单元90和LCD95的组装。
如此构成的背光单元90缺点在于，多个个发光二极管组件90应当在其上安装有被称作换向器(diverter)的热点挡板80，使得组装过程复杂化。
另一个缺点在于，如果在多个发光二极管组件70上的热点挡板80具有不正确的布置，将在最终显示的屏幕上产生与热点类似的点。还有一个缺点是显示面板的厚度将增加与热点挡板80一样多的厚度。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种光学透镜，其包括：形成在其上的反射表面，用于反射从其下向上发出的光；底部折射表面，用于折射从其下向上发出的光，并允许该光到达该反射表面。
根据本发明的另一个方面，提供一种发光器件组件，其包括：用于发光的发光器件；光学透镜，其上设置有反射表面，用于反射从该发光器件向上发出的光；以及底部折射表面，用于折射从该发光器件向上发出的光，并允许该光到达该反射表面。
根据本发明的又一个方面，提供一种背光单元，其包括：基片；多个封装在该基片上用于发光的发光器件；多个光学透镜，其上设置有反射表面，用于反射从该多个发光器件向上发出的光；和底部折射表面，用于折射从该多个发光器件向上发出的光，并允许该光到达该反射表面；以及散射板，设置在该多个光学透镜上。
附图说明
图1为根据现有技术的横向光学透镜的光路示意图；
图2为图1中发光二极管组件的示意性透视图；
图3为解释从根据现有技术的光学透镜中产生热点的一个原因的示意图；
图4为根据现有技术的封装有发光二极管的印刷电路板的截面图；
图5为根据现有技术的封装在印刷电路板中的发光二极管的截面图；
图6为根据现有技术的用于LCD背光单元的发光二极管的截面图；
图7为根据本发明第一个实施例的光学透镜和使用该光学透镜的发光器件的截面图；
图8为根据本发明第一个实施例的光学透镜另一功能的示意图；
图9a至9c为根据本发明第一个实施例的不同形状光学透镜的截面图；
图10为使用根据本发明第一个实施例的光学透镜的发光二极管组件的截面图；
图11a至11d为使用根据本发明的光学透镜的发光器件组件的发光分布图；
图12为根据本发明的光学透镜的部分截面图；
图13为根据本发明第二个实施例的光学透镜以及使用该光学透镜的发光器件的截面图；
图14为根据本发明第二个实施例的光学透镜的折射表面形状示意图；
图15a和15b为根据本发明第二个实施例的另一形状的光学透镜的截面图；
图16a和16b为接合到根据本发明的发光器件组件的基底部件上的发光器件截面图；
图17为接合到根据本发明的发光器件的基底部件上的多个发光器件的平面图；
图18为使用根据本发明的光学透镜的发光器件封装的基片截面图；
图19为根据本发明的发光器件封装的基片的截面图；以及
图20为根据本发明的背光单元的示意性截面图。
具体实施方式
参见图7，根据本发明第一个实施例的光学透镜200包括：在其上形成的反射表面210，用于反射从发光器件向上发出的光；底部折射表面220，用于折射从该发光器件向上发出的光，并允许该光到达该反射表面210，其中从其下入射的光路径被改变成到达该光学透镜200的侧面。
同时，该光学透镜200包括一主体(body)。该主体在其上形成有反射表面210，并且还形成有底部折射表面220，从其下入射的光被从该底部折射表面220折射并发射出。
入射在该反射表面210上的光是从该主体的底部向主体的上部发出的，并且从主体底部入射的光由向主体上方折射并发射出的光和向主体侧面发射的光组成。优选地，该光学透镜200进一步包括一外部折射表面230，形成在主体的侧面，用于折射从反射表面210反射的光和向主体侧面发射的光，使之发射向主题的侧面。
换句话说，构成该光学透镜的主体的侧面包括形成有外部折射表面230。优选地，底部折射表面220形成在发光器件100的上侧。
优选地，包括反射表面210、底部折射表面220和外部折射表面230的光学透镜200的主体为如图7所示的半球形。同时，反射表面210通过切除主体的半球形上侧得到，以形成凹陷型(intaglio-type)的外观。优选地，外部折射表面230是向外凸起的曲面，用于形成除了该半球底部部分外的半球。
在根据本发明第一个实施例如上构成的光学透镜200中，从发光器件100向光学透镜上发射的光被底部折射表面220折射到达反射表面210，其中该反射表面210反射该光。光学透镜200的外部折射表面230折射从该反射表面210反射的光，并允许该光向光学透镜200的侧面发射。
更具体地，图7中的箭头“E1”、“E2”和“E3”分别表示发光器件100向上发出的光路，该光通过底部折射表面220、反射表面210和外部折射表面230向光学透镜200的侧面发射。
优选地，反射表面210是倾斜的，并且底部折射表面220也从反射表面210关于水平线对称地倾斜。更优选地，反射表面通过移除主体的上部一个锥形形状形成，并且底部折射表面通过移除主体的底部一个锥形形状形成。
同时，光学透镜200由从PC(聚碳酸酯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、硅、氟烃聚合物、或PEI(聚醚酰亚胺)组成的组中选择的材料制成。
从前述表明，使用根据本发明第一个实施例的光学透镜的发光器件组件包括这样的光学透镜，其包括发光器件100，用于发光，底部折射表面220，用于折射发光器件100向上发射的光，反射表面210，用于接收由底部折射表面220折射的光，并向发光器件100的侧面发射光。
光学透镜还进一步可选地包括外部折射表面230，用于折射从反射表面210反射的光和向发光器件100侧面发射的光，并向发光器件100的侧面发射光。
现在，参见图8，光学透镜的底部折射表面220用于以这样的方式折射从发光器件100入射的光，即，如果形成在光学透镜上的反射表面210通过将以超过临界角的角度(α)入射的光全反射来执行反射操作，光能够以超过临界角的角度入射在反射表面210上。
换句话说，根据本发明的光学透镜上的底部折射表面220用于折射从发光器件100向上发射的光路径，以便光能够以超过临界角的角度入射在反射表面上，从而极大地减少向光学透镜上方发出的光量，同时增加向透镜侧面发射的光量。
因此，其优点在于，如果将光学透镜和使用该透镜的发光器件组件用于显示器的背光源，现有技术中所产生的热点能够被极大地限制。
现在，参见图9a至9c，反射薄膜250涂覆在光学透镜200的反射表面210上。反射薄膜250以金属薄膜或高反射薄膜形成，并且金属薄膜由Ag、Al或Rh、或其混合物中的任一种制成。如果涂覆反射薄膜250，光将不向透镜200上部发射，而是仅仅通过透镜200的侧面发射。换句话说，现有技术中所产生的热点将因此被完全消除，从而能够提高显示器的图像质量。
此外，如图9b所示，如果进一步在涂覆的反射薄膜250上表面上涂覆不可透过的金属薄膜260a，将防止光透过透镜200的反射表面210而从透镜200上部出去。
同时，如图9c所示，V形凹槽反射表面210可涂覆有反射薄膜250，并填充有不可透过的金属薄膜260b。
图10说明了发光器件组件的一个实施例，其中发光器件100被接合到基底部件的碰撞缓动块(hit slug)301上，并利用金属线311与其是设置在远离该碰撞缓动块301的外部接线端的导片310a和31b接合，其中，发光器件100和导片310a和310b电连接。此外，部分发光器件100、碰撞缓动块301和导片310a、310b被成型单元(molding unit)320围绕。
同时，部分热缓动块(heat slug)301暴露在成型单元320的外部，以使从发光器件100产生的热量容易释放出，并且，导片310a和310b暴露在成型单元320的外部，以与外部电连接。光学透镜200利用粘合剂350接合到成型单元320的上部。
虽然发光器件可接合到如同图10所示的热缓动块等基底部件上，但是，如果形成有导线的贴片安装(sub-mount)基片是基底部件，或者如果该基底部件是一形成有反射凹槽的基片，那么发光器件还可通过倒装芯片(flip-chip)接合至导线，发光器件被接合到该副装配基片的反射凹槽上。因此，用于实现使用光学透镜200的发光器件组件结构的方法是多样的。
图11a至11d为使用根据本发明的光学透镜的发光器件组件的光发射分布图。
参见图12，光学透镜200上的反射表面210的倾角(α1)可根据横向光发射特性调整。倾角(α1)是形成在反射表面210和从V形凹槽的顶点延伸的垂直线(O)之间的角度。关于倾角(α1)的光发射分布是这样的，在45度倾角处(图11a)光输出为100％，在55度处(图11b)为98％，在65度处(图11c)为93％，在75度处(图11d)为81％。
然而，从光发射分布图可以看到，在入射角从45度至75度时，光更多地向透镜的侧面发射。
总之，侧面光发射分布和发光效率与倾角相关，从而优选20度和80度之间的倾角，以保持最佳的光分布。
现在，参见图13，根据本发明第二个实施例的光学透镜，在除图7中根据本发明第一个实施例的底部折射表面220之外，还形成有边缘(marginal)折射表面221，用于折射光，以便从发光器件100的上部边缘发出的光能具有这样的一光路，在该光路上光从反射表面210反射。
此外，边缘折射表面221可以是利用垂直线(E)和倾斜的底部折射表面220形成的对称倾斜表面。
为使对该光学透镜结构更有效果，该透镜在其上设置有V形锥形凹槽，其中该锥形凹槽的表面用作反射表面，该透镜在其下还通过移除其底部形成有柱形凹槽，其中发光器件100如图13所示安装。柱形凹槽其上形成有W形(锯齿形)凹陷(intaglio)。
因此，如果根据本发明第二个实施例的光学透镜用于大尺寸光源，那么从发光器件边缘发出的光被底部折射表面220折射，以防止光偏离从反射表面反射的光路。边缘折射表面221用于将从发光器件边缘发出的光折射到用于从反射表面反射光的光路上，并将光发射向透镜的侧面(F1和F2路径)。
光学透镜的结构可以利用光的折射路径(当光从较密介质传播到较疏介质中时，如果入射角小于确定的临界角，则光被反射回较密介质，反之亦然)自由地设计并改变，该折射路径是由发光器件和光所发射到的空气之间的折射系数差异而产生的。
此外，光学透镜由关于中心轴对称的主体组成，其中主体包括反射表面和边缘折射表面。
如果折射表面向中心轴倾斜，优选边缘折射表面也向中心轴倾斜。本发明的目的可通过使用单组元的边缘折射表面的光学透镜、通过允许边缘折射表面执行将从发光器件向上发射的光折射合将光导向反射表面的功能而实现。
同时，图13中的底部折射表面220宽度(W1)可设计成比发光器件的宽度(W2)宽。此外，根据本发明第二个实施例的光学透镜与第一个实施例中的光学透镜，在除了在光学透镜上附加的边缘折射表面外都相同。
现在，参见图14，底部折射表面和边缘折射表面可分别是凹面的。这些类型的凹面也能将从发光器件向上发射的光折射，以允许其到达反射表面210，并能够将该光从反射表面210反射向透镜的侧面。
现在，参见图15a，凸的外部折射表面230形成在光学透镜的外部，在其下形成有锁孔231，用于容易并快速地组装透镜。参见图15b，凸的外部折射表面230可接合凸表面230a和平面230b而形成。
如上所述，与现有技术相比，本发明能够增加向透镜侧面发射的光量。
现在，参见图16a，基底部件380可接合有多个器件，包括：蓝光发光器件101a，用于发射蓝光；黄光发光器件101b，用于发射黄光，从而使得能够向侧面发射白光。如图16b所示，基底部件380可接合有多个器件，包括：红光发光器件102a，用于发射红光；绿光发光器件102b，用于发射绿光；蓝光发光器件102c，用于发射蓝光，从而使得能够向侧面发射白光。
同时，虽然没有在附图中示出，但是还可向该基底部件380接合用于发射白光的单个发光器件，以允许向侧面发射白光。
图17是接合到根据本发明的发光器件的基底部件上的多个发光器件的平面图，其中虚线表示光学透镜安装的区域，发光器件的基底部件设置在安装有透镜的该区域中。
基底部件380在其上接合有多个发光器件103，使得能够提高光输出。多个发光器件103由白光发光器件、红光/蓝光/绿光发光器件以及蓝光、黄光发光器件中的任一种组成。
现在，参见图18，基片400的上表面安装有多个发光器件100，每个器件100利用导电接合方法以预定距离间隔，其中，每个发光器件100被本发明的光学透镜200围绕。
当该发光器件用于背光单元时，如果发光器件100直接接合到基片400上，显示面板的厚度会减少。
图19为封装有根据本发明的发光器件的基片的截面图，其中，多个装配有光学透镜530的发光器件组件被封装在基片400的上表面上，每个组件以一预定距离间隔开。
封装有多个发光器件组件530的基片400可用于显示器的背光单元。然而，与现有技术不一样，其不需要使用称作换向器的热点挡板，从而使得能够简化显示面板的组装工作，并防止热点挡板的不正确布置。另一个优点在于，横向发光效率极好，从而能够提高显示器的图像质量。还有一个优点是，显示面板能够减少与热点挡板相同的厚度，从而能够减少整个显示面板的厚度。
前面所提到的光学透镜和使用该光学透镜的发光器件组件可应用到包括显示器、照明装置、电子公告牌和汽车开关的所有工业设备中，并不限于这里所提到的这些领域。
图20为根据本发明的背光单元的示意性截面图，其中，使用根据本发明的光学透镜的背光单元包括：基片400；封装在基片400上的多个发光器件100，用于发光；多个光学透镜200，其包括反射表面，形成在其上用于反射从其下向上发出的光，和底部折射表面，用于折射从其下向上发出的光，并允许该光到达该反射表面；以及散射板500，设置在该多个光学透镜200上。
图20中的背光单元使用图18中的基片，如果使用图19中的基片，该背光单元还可进一步设置有：上面接合发光器件的基底部件，电连接到发光器件的接线端，用于部分暴露该接线端并围绕发光器件和基底部件的成型单元。换句话说，发光器件通过成型单元封装，并且光学透镜附着于该成型单元的上表面。
同时，散射板500其上安装有液晶显示面板600。
从前述可以明显地看出，上面描述的本发明优点在于，发光器件向上发射的光被从底部折射表面折射，以允许光到达反射表面，并且安装光学透镜用于沿着该透镜从反射表面侧向反射光，以最小化向透镜上方发出的光量，同时增加向透镜侧面发出的光量，从而极大地限制热点的产生。
还有一个优点是，本发明省去了热点挡板和复杂的装配过程，而且能够减少零件的数量并减少面板的厚度。
虽然在这里已经示出并详细描述了利用本发明原理的不同实施例，并且提供了不同的优选操作模式，但是本领域技术人员容易地得出许多其它仍包括本发明原理的变化、改变和延伸。本发明范围包括了所有这种变化，并且不应当认为受限于其中的有效元件数量、其布线选择、或发光器件的极性。

Claims (20)

1.一种光学透镜，包括：
形成在其上的反射表面，用于反射从其底部向上发出的光；和
底部折射表面，用于折射从其底部向上发出的光，以允许到达该反射表面。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中该反射表面是倾斜的，并且该底部折射表面是从该反射表面相对于一垂直线对称地倾斜的。
3.根据权利要求1所述的透镜，进一步包括横向形成的外部折射表面，用于折射从反射表面反射的光和向其底部侧面发出的光，以允许横向发射。
4.根据权利要求3所述的透镜，其中包括该反射表面、底部折射表面和外部折射表面的该光学透镜的主体为半球形。
5.根据权利要求1所述的透镜，其中该反射表面涂覆有反射薄膜。
6.一种发光器件组件，包括：
发光器件，用于发光；和
光学透镜，其设有其上形成的反射表面，用于反射从该发光器件向上发射的光，和底部折射表面，用于折射从该发光器件向上发射的光，并允许该光到达该反射表面。
7.根据权利要求6所述的组件，进一步包括：
基底部件，其上接合有发光器件；
接线端，其电连接到发光器件；以及
成型单元，其用于部分地暴露该接线端并围绕该发光器件和该基底部件，其中该光学透镜被附着于该成型单元的上表面。
8.根据权利要求7所述的组件，其中该基底部件是碰撞缓动块或贴片安装基片。
9.根据权利要求7所述的组件，其中该发光器件由下列器件构成的组中的一种器件制成：包括用于发射蓝光的蓝光发光器件和用于发射黄光的黄光发光器件的器件；包括用于发射红光的红光发光器件、用于发射绿光的绿光发光器件和用于发射蓝光的蓝光发光器件的器件；以及用于发射白光的单个发光器件。
10.根据权利要求6中的组件，进一步包括外部折射表面，其形成在该光学透镜的侧面上，用于将从反射表面反射的光和向发光器件侧面发射的光折射，以向该光学透镜的侧面发射。
11.根据权利要求10所述的组件，其中包括该反射表面、该底部折射表面和该外部折射表面的该光学透镜的主体为半球形。
12.根据权利要求6所述的组件，其中该反射表面是倾斜的，并且该底部折射表面具有从该反射表面对称倾斜的倾角。
13.根据权利要求12所述的组件，其中该底部折射表面进一步包括边缘折射表面，其从该底部折射表面相对于垂直线对称倾斜，用于以这样的方式折射光，即，从该发光器件上部边缘发出的光具有一光路，在该光路上该光被从该反射表面反射。
14.根据权利要求6所述的组件，其中该底部折射表面是凹面的。
15.根据权利要求6所述的组件，其中该反射表面涂覆有反射薄膜。
16.根据权利要求15所述的组件，其中该反射薄膜其上进一步涂覆有不可透过的金属薄膜。
17.一种背光单元，包括：
基片；
多个发光器件，其封装在该基片上，用于发光；
多个光学透镜，其设置有其上形成的反射表面，用于反射从该多个发光器件向上发射的光，和底部折射表面，用于折射从该多个发光器件向上发射的光，并允许该光到达该反射表面；和
散射板，其设置在该多个光学透镜上。
18.根据权利要求17所述的背光单元，其中该散射板其上设置有液晶显示面板。
19.根据权利要求17所述的背光单元，进一步包括外部折射表面，其形成在该光学透镜的侧面上，用于将从该反射表面反射的光和向该发光器件侧面发射的光折射，以向该光学透镜的侧面发射。
20.根据权利要求19所述的背光单元，其中包括该反射表面、该底部折射表面和该外部折射表面的该光学透镜的主体为半球形。
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