CN200953347Y

CN200953347Y - Led光学器件和使用该器件的发光装置

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Publication number: CN200953347Y
Application number: CNU2006201233014U
Authority: CN
Inventors: 赵金凌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2016-08-01

Abstract

本实用新型涉及一种LED光学器件和由此形成的发光装置。所述LED光学器件包括LED光源部件和扩散部件，所述扩散部件由扩散部件顶部、扩散部件侧面以及扩散部件底面构成，所述扩散部件顶部的中心有孔，所述LED光源部件固定于所述孔中，在所述扩散部件侧面上分布有微结构，所述LED光学器件能够无缝地拼接在一起，以获得任意尺寸的可作为面光源的发光装置。本实用新型具有寿命长，节能，无环境污染，亮度均匀性好，厚度小等优点。

Description

LED光学器件和使用该器件的发光装置

技术领域

本实用新型涉及一种LED(发光二极管)光源装置，具体地说，涉及一种将LED点光源转变成LED面光源的LED光学器件和使用该LED光学器件的发光装置。

背景技术

在平面显示领域中，例如广告牌、液晶显示器(LCD)等，传统上采用冷阴极荧光管(CCFL)作为光源。由于LED的诸多优点，在平面显示领域替代CCFL也将成为必然趋势。但LED芯片发光部分面积较小，通常可以看作是点光源，而在实际应用里，特别是在平面显示领域中，大多需要面光源，即要求光源具有较大的发光面积及较好的亮度均匀性。因此，必须采用特殊的光学器件将具有点光源发光特性的LED转变为面光源。

目前在LCD液晶显示屏中采用的背光系统，依光源位置可分为侧光式和直射式。由于侧光式背光系统厚度较小，被中小尺寸LCD液晶显示器广泛采用，其工作方式如下：

CCFL光源发出的光自导光板侧面(入光面)耦合入导光板，基于全反射在导光板内传播。在导光板的底面(反光面)设计有网点等微结构，这些微结构会引起反射、折射或散射破坏全反射条件，导致光束从导光板上表面(出光面)出射。导光板反光面微结构实现光能均匀分布的同时，也会导致部分光能在导光板下方泄漏。为了提高光能利用率，在导光板下方通常放置反光片，将漏出的光反射回导光板。在导光板上表面还有散射板、增亮膜等进一步提高光学性能。

侧光式背光系统优点在于亮度均匀性较好，厚度薄等，缺点在于光能利用率不高，通常只有60％左右的光能量可以从导光板上表面出射。而且，光源在导光板侧面，受空间所限，光源数目不能太多，导致面光源面积受到限制。因此，在大尺寸LCD液晶显示领域中通常采用直射式背光系统，即采用CCFL以及反射器在扩散板下方直接照射。为了得到均匀的面光源，必须采用较厚的散射板。这种方式存在的缺点主要是能量利用率不高，并且整个背光系统厚度较大。

实用新型内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的在于，利用具有点光源发光特性的LED获得面光源，从根本上解决现有的采用CCFL作为光源的绝大多数背光系统存在的灯管寿命短、环境污染等问题，并且具有能量利用率高、光均匀性好等特点。本实用新型能够克服侧光式背光系统尺寸小、直射式背光系统能量利用率低，厚度大等缺点。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种LED光学器件，包括LED光源部件和扩散部件。其中所述扩散部件形成为锥体形状，例如可呈金字塔形。所述扩散部件顶部的中心有孔，用于放置所述LED光源部件。所述孔的形状与所述LED光源部件的形状相适应。所述LED光源部件在所孔中的位置设置成能够使LED光源部件发出的光出射到扩散部件的整个侧面。所述扩散部件的侧面形成有反光部件，能够将所述LED光源部件出射到所述扩散部件侧面的光反射到所述扩散部件的底面，以从所述扩散部件底面透射。所述扩散部件侧面的反光部件是在所述扩散部件侧面上分布的微结构或能够反射光的涂层。

所述LED光源部件可以具有侧面发光特性，也可以具有非侧面发光特性。

对于具有侧面发光特性的LED光源部件来说，LED光源部件的绝大部分的光从其侧面发出，经所述扩散部件的各个侧面反射后通过扩散部件底面出射。

对于具有非侧面发光特性的LED光源部件来说，例如具有朗伯发光特性的LED光源部件，根据本实用新型的LED光学器件进一步包括设置于所述扩散部件内部的反射体，所述反射体顶部与所述LED光源部件相对，其间有空隙，所述反射体的反射面接收所述LED光源部件发出的光并将接收的光反射至所述扩散部件的侧面。所述反射体的形状可以为锥体，其母线可以为直线或曲线。

所述扩散部件可以是由PMMA材料注塑而成的实心锥体，也可以是空心锥体。由LED光源部件发出的光经扩散部件的各个侧面反射后由扩散部件底面出射。

上述方案可以实现将LED光源部件发出的光以较大面积出射，从而形成面光源。此外，为了获得更为均匀的面光源，根据本实用新型的LED光学器件还可包括如下特征：

1)在扩散部件侧面上可形成分布于整个侧面的微结构，以改变从扩散部件底面出射的光能的分布状况。扩散部件的所述微结构可以是微透镜，其形状可以是部分球形的凹坑、圆锥形凹坑(圆锥的顶部向着扩散部件底面)、三棱柱形凹坑、圆柱形凹坑以及其他类型的多面体等；所述微结构也可以是微沟槽，其中每个微沟槽都是部分圆弧，这些圆弧的圆心都在所述扩散部件的锥体中心线上。所述微结构的尺寸和分布密度可按照一定的函数规律变化，例如小球的半径和密度可以按照Bezier函数进行变化。为了提高光能利用率，扩散部件侧面可以镀常规的具有高反射率的金属反射膜或是粘贴具有高反射率的常规的光学膜片。

2)为了实现扩散部件底面的均匀照明，也可以将扩散部件侧面进行其他处理，使其具有朗伯反射特性。例如，喷涂常规的具有高反射率的涂料，例如水基的硫酸钡白色反射涂料。另外，也可以对底面进行处理(例如打磨成毛面)使其具有朗伯透光特性，从而使从扩散部件侧面反射的光更均匀地从扩散部件底面射出，实现均匀照明。

此外，为了获得更为均匀的面光源，还可以对本实用新型的LED光学器件的结构参数进行优化设计。例如，将扩散部件侧面的倾角、底面边长、微结构的尺寸参数以及微结构的分布参数等作为优化变量，并构造合适的评价函数以评价所述LED光学器件的光学性能。根据经验，设定各个优化变量的初始值，利用美国Optical Research Associates(ORA)公司开发的LightTools软件按照各个优化变量的初始值建立所述LED光学器件的三维模型，利用计算机计算所述模型的扩散部件底面的各个位置处的照度值，将这些照度值代入所述评价函数计算所述模型的评价函数值。

使用遗传算法、阻尼最小二乘法等优化算法，对上述参数进行优化设计，算法会自动调整各个参数的值，以减小所述评价函数值(评价函数值越小，所述LED光学器件的光学性能越优)，经过大量迭代运算，最终得到满足亮度以及均匀性要求的各个参数值。

可以理解，对于具有非侧面发光特性的LED光源部件来说，由于反射体置于扩散部件的侧面与底面之间，因而有可能会阻挡由扩散部件侧面反射到扩散部件底面的一部分光。因此，在进行优化设计时，通过将反射体的体积、反射体的反射面的倾角、反射体距扩散部件底面的距离等因素进行综合考虑，可以减小这种影响。此外，所述扩散部件的侧面经过上述处理之后，光线打在上面会形成杂乱散射光，从而也可以进一步减小所述反射体的阻挡效应。

与传统的使用CCFL作为光源的各种面光源装置相比，本实用新型的LED光学器件利用LED作为光源，具有寿命长，无环境污染，亮度均匀性好，厚度小等优点。而且，由于本实用新型的装置能够使光经过较少的反射次数就可以出射，所以能量利用率高，LED发出的光至少70％可以出射。而且，本实用新型的LED光学器件可以任意拼接，可以获得任意尺寸的面光源，而厚度保持不变。

附图说明

图1是根据本实用新型的LED光学器件的第一实施例的示意图；

图2是根据本实用新型的LED光学器件的第一实施例的立体示意图；

图3是根据本实用新型的LED光学器件的第二实施例的示意图；

图4(A)和4(B)示出在扩散部件侧面分布的微透镜的形状为部分球形凹坑；

图5(A)和5(B)示出在扩散部件侧面分布的微透镜的形状为部分三棱柱形凹坑；

图6(A)和6(B)示出在扩散部件侧面分布的微透镜的形状为部分圆锥形凹坑(圆锥的顶部向着扩散部件的底面)；

图7(A)是在扩散部件侧面上分布微沟槽以产生均匀照明的示意图；

图7(B)是扩散部件侧面上分布的微沟槽的示意图；

图8是根据本实用新型将四个LED光学器件单体进行无缝拼接的立体示意图；以及

图9是根据本实用新型的正六边形的扩散部件底面的立体示意图。

具体实施方式

如图1所示，根据本实用新型的第一实施例的LED光学器件包括LED光源部件1和扩散部件2。扩散部件2优选由PMMA材料注塑而形成实心的锥体。扩散部件2包括顶部21、扩散部件侧面22以及扩散部件底面23。在扩散部件顶部21的中心形成有圆柱形孔24，LED光源部件1被固定于所述圆柱形孔中。

在本实施例中，LED光源部件1可以采用目前能够从市场上买到的LED，例如Lumileds公司生产的型号为LXHL-DW01的产品，其具有公知的侧面发光特性。当然，点光源的数量也可以超过1个，以增加面光源的亮度。这种LED光源部件的绝大部分的光从LED光源部件的侧面发出，经扩散部件2的各个侧面22反射后通过扩散部件底面23出射。

图2是根据本实用新型的LED光学器件的第一实施例的立体示意图。

如图3所示，根据本实用新型的第二实施例的LED光学器件包括LED光源部件1、扩散部件2以及置于扩散部件2内部的反射锥体3。在本实施例中，LED光源部件1只要是具有通常的朗伯发光特性(即发光强度沿着LED中心线方向最大，其余方向上的发光强度按照该方向与LED中心线夹角的余弦规律衰减)的光源部件就可以。这种LED光源部件可以采用目前能够从市场上买到的产品，例如OSRAM公司生产的型号为W5SG的LED产品。

反射锥体3的母线可以是直线或曲线。反射锥体3与扩散部件2可以通过一次注塑而成形为一体。在该实施例中，LED光源部件1发出的光被反射锥体3的反射面反射到扩散部件侧面22，再经扩散部件侧面22反射后从扩散部件底面23出射。

在本实用新型的第一和第二实施例中，扩散部件侧面22上形成有反光部件25，其能够将LED光源部件1出射到扩散部件侧面22的光反射到扩散部件底面23，以从扩散部件底面23透射。反光部件25是在扩散部件侧面22上分布的微结构或能够反射光的涂层。

所述微结构可以是微透镜或微沟槽。所述微透镜的形状可以是部分球形的凹坑、圆锥形凹坑(圆锥的顶部向着扩散部件底面)、三棱柱形凹坑、圆柱形凹坑以及其他类型的多面体。图4(A)和4(B)示出在扩散部件侧面分布的微透镜的形状为部分球形凹坑。图5(A)和5(B)示出在扩散部件侧面分布的微透镜的形状为部分三棱柱形凹坑。图6(A)和6(B)示出在扩散部件侧面分布的微透镜的形状为部分圆锥形凹坑(圆锥的顶部向着扩散部件的底面)。为了便于说明扩散部件侧面上分布的微透镜的结构，在图4至图6中未示出LED光源部件1，并且仅示出了在所述扩散部件的一个侧面上分布的微透镜。

所述微透镜的尺寸和分布密度可按照一定的函数规律变化。例如，小球的半径和分布密度可以分别按照Bezier函数进行变化，但二者所对应的函数的参数可以不同。另外，也可以是小球的半径和分布密度之一发生变化，这主要取决于对扩散部件底面出射的光的均匀性要求。小球的半径和密度也可以按照其他的函数规律变化，例如等差数列、等比数列、指数函数等。以下将对此进行说明。

以扩散部件的一个侧面(例如图4(B)所示的上侧面)为例。如图4(A)和4(B)所示，小球的半径和高度不变，沿x轴方向均匀分布，同时沿y轴方向变化，每行小球的y轴坐标通过以下函数计算得到

y＝A+Bi+Ci² i＝0，1，2，…

上式中系数A、B和C由优化算法得到，i为沿y轴方向小球所在行的编号。将扩散部件侧面的倾角、底面边长、小球的半径和高度以及系数A、B和C等作为优化变量，并构造合适的评价函数以评价根据上述参数构造的LED光学器件的光学性能。根据经验，设定各个优化变量的初始值，利用美国Optical Research Associates(ORA)公司开发的LightTools软件按照各个优化变量的初始值建立所述LED光学器件的三维模型，利用计算机计算所述模型的扩散部件底面的各个位置处的照度值，将这些照度值代入所述评价函数以计算所述模型的评价函数值。

利用遗传算法、阻尼最小二乘法等优化算法，对上述参数进行优化设计，算法会自动调整各个参数的值，以减小所述评价函数值(评价函数值越小，所述LED光学器件的光学性能越优)，经过大量迭代运算，最终得到满足亮度以及均匀性要求的各个参数值。

如图7(A)所示，在扩散部件侧面22上分布的微结构还可以是微沟槽结构，其中每个微沟槽都是部分圆弧，这些圆弧的圆心都在所述扩散部件的锥体中心线上。所述微沟槽的横截面轮廓如图7(B)所示。为了便于说明扩散部件侧面上分布的微沟槽的结构，在图7(A)中仅示出了在扩散部件的一个侧面上分布的微沟槽。

此外，当扩散部件侧面22上分布有所述微结构时，为了提高光能的利用率，需要在扩散部件侧面22上镀常规的具有高反射率的金属反射膜或是粘贴具有高反射率的常规的光学膜片(未示出)，以使其具有镜面反射特性。

另一方面，当扩散部件侧面22上没有采用所述微结构时，为了实现扩散部件底面23的均匀照明，可以将扩散部件侧面22进行其他处理，以使其具有朗伯反射特性。例如，喷涂常规的具有高反射率的涂料(例如水基的硫酸钡白色反射涂料)。另外，也可以对扩散部件底面23进行处理(例如打磨成毛面)使其具有朗伯透光特性，从而使从扩散部件侧面22反射的光更均匀地从扩散部件底面23射出，实现均匀照明。

为了获得任意尺寸的发光装置并形成均匀的面光源，可以将多个本实用新型的LED光学器件进行无缝拼接，图8是将四个本实用新型的LED光学器件进行无缝拼接成四倍于单个LED光学器件面积的面光源的示意图。另外，也可以使用大型模具以及注塑机一次成型出互相连接的若干套装置。

考虑到矩形的扩散部件底面拼接后可能会在LED光学器件装置的交界处发光亮度不均匀，可以将所述扩散部件底面(出光面)的形状形成为多边形，例如选择所述扩散部件底面为正六边形，如图9所示。由于具有正六边形底面的扩散部件的侧面比矩形底面的扩散部件的侧面(反射面)更多，因此光能利用率更高，相对于矩形底面的扩散部件可提高约5％，并且有利于均匀性的控制。另外，根据需要，也可以将扩散部件的底部形成为圆形或椭圆形。

类似于底面为矩形的扩散部件，底面为正六边形的扩散部件的六个侧面也形成有所述微结构或处理成具有朗伯表面反射特性，以使得亮度均匀。根据所需要的面光源尺寸，可以对这种多边形底面的扩散部件进行拼接，或一次注塑成形。

以上对本实用新型的具体实施方式进行了示例性的说明。但是这些说明并不应理解为构成对本实用新型的范围的限定。本领域技术人员可以在上述说明的教导和提示下对本实用新型的技术方案进行变化和改型。这些变化和改型都应在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种LED光学器件，其特征在于包括LED光源部件和扩散部件，其中所述扩散部件形成为锥体，其顶部有孔，所述LED光源部件固定于所述孔中，所述扩散部件的侧面形成有反光部件，能够将所述LED光源部件出射到所述扩散部件侧面的光反射到所述扩散部件的底面，以从所述扩散部件底面透射。

2.根据权利要求1所述的LED光学器件，其特征在于，所述LED光源部件具有朗伯发光特性，所述LED光学器件还包括设置于所述扩散部件内部的反射体，所述反射体顶部与所述LED光源部件相对，所述反射体的反射面接收所述LED光源部件发出的光并将所接收的光反射至所述扩散部件的侧面，所述反射体的形状为锥体，其母线为直线或曲线。

3.如权利要求1或2所述的LED光学器件，其特征在于，所述扩散部件底面为多边形，所述多边形至少为矩形和正六边形中的一种。

4.如权利要求1或2所述的LED光学器件，其特征在于，所述扩散部件侧面的反光部件是在所述扩散部件侧面上分布的微结构或能够反射光的涂层。

5.如权利要求4所述的LED光学器件，其特征在于，在所述扩散部件的侧面形成的微结构是微透镜或微沟槽。

6.如权利要求5所述的LED光学器件，其特征在于，所述微透镜的形状是部分球形的凹坑、顶部向着所述扩散部件底面的圆锥形凹坑、三棱柱形凹坑、圆柱形凹坑以及其他类型的多面体之一。

7.如权利要求5所述的LED光学器件，其特征在于，所述扩散部件的侧面的所述微沟槽形成为部分圆弧，所述圆弧的圆心在所述扩散部件的锥体中心线上。

8.如权利要求1或2所述的LED光学器件，其特征在于，所述扩散部件的底面为经过打磨的毛面，使得底面具有朗伯透射特性。

9.如权利要求2所述的LED光学器件，其特征在于，所述反射体和所述扩散部件成形为一体。

10.一种发光装置，其特征在于包括多个如权利要求1或2所述的LED光学器件，所述LED光学器件无缝地拼接在一起。