TW201426023A

TW201426023A - 光學透鏡

Info

Publication number: TW201426023A
Application number: TW102142500A
Authority: TW
Inventors: 李麗梅; 鄭俊義; 林博瑛
Original assignee: 冠捷顯示科技（廈門）有限公司
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2014-07-01
Also published as: US20140168999A1; CN103062705B; CN103062705A; TWI507738B

Abstract

本發明係有關於一種光學透鏡，其用以設置於光源上方，光學透鏡沿其中心軸旋轉對稱，且光學透鏡的中心軸對齊光源的中心，光學透鏡包括底面、弧形的出光面、弧狀凹形的入光面、環狀凹形的曲面與光擴散結構。出光面連接底面的一端，入光面連接底面的另一端且位於底面的中間，曲面位於底面上且連接入光面，光擴散結構設置於曲面上。本發明可使光源接收面上的光分佈更加均勻，還可避免由於光學透鏡與光源在封裝時，由於封裝公差出現間隙，導致光源接收面出現亮圈的問題

Description

光學透鏡

本發明係關於一種光學透鏡，且特別是關於一種應用於點陣式背光源的背光模組中的光學透鏡。

目前，平面顯示器中所使用的液晶模組多採用TFT-LCD（薄膜電晶體液晶顯示器）技術。TFT-LCD為非主動式發光顯示，通常由白光背光模組（Backlight Module）提供均勻的系統亮度，再透過彩色濾光片（Color Filter）獲得豐富的色彩顯示。

如圖1所示，現有的白光直下式背光模組包含光源4及光學膜片組6，光源4為發光二極體（LED）。發光二極體由於體積小、耗能少，因此成為液晶顯示器點陣式背光模組使用的光源之一。發光二極體為朗伯分佈光源，其於光源4正上方的光源接收面（如圖1之光學膜片組6）產生的光斑較小，在背光模組的使用中需要較多的發光二極體來產生較均勻的面光源。

如圖2所示，目前已有一種技術是在光源4上方增加一塊二次透鏡05，從而改變光源4的光分佈，增加光源4的光線擴散角，降低混光強度。將設有二次透鏡05的光源4應用於直下式背光模組中，可大大增加光學膜片組6表面的光斑面積，有效降低光源4的使用數量，降低直下式背光模組的成本。

如圖3所示，帶二次透鏡的直下式背光模組的工作原理為：光線經過入光面3入射至出光面2時，部分光線反射至底面1，由底面1再反射回出光面2時光線朝向中心軸折射，引起中心軸附近光強較強，從而使光分佈不均勻。

目前已經有對二次透鏡的底面結構進行改進的技術方案，如圖4所示，在專利申請號為CN201210227219.6，專利名稱為《底面為曲面結構的二次透鏡》的中國發明專利中，將底面1的中部設計為弧狀凹形的入光面3，兩側為與該弧狀凹形的入光面3連接的環狀凹形的曲面，從而擴大光源的擴散角，減弱中心軸附近的光強。但採用以上結構時，對二次透鏡的加工精度要求非常高，當精度偏差大於0.01mm時就會在光源接收面上產生亮圈。並且由於底面1反射光線較集中於中心軸附近，當底面1上的曲面的設計稍有偏差或加工精度略有偏差時，就極易在中心軸附近出現亮圈，使光分佈不均勻。

如圖5所示，其係採用圖4中的結構，但二次透鏡與光源4封裝時，由於封裝公差的影響，光源4與二次透鏡間存在一定的間隙，部分光線經過底面1而產生亮圈。

如圖6所示，光源4與二次透鏡封裝時會產生一定的公差，當光源4的發光面與光學透鏡的底面1的間隙（gap）大於0時，將導致部分光線c經過底面1產生亮圈，所述亮圈如圖7所示。

如圖8所示，部分光線a經過入光面3時向外折射，經過出光面2時再次向外折射，達到光擴散的目的。部分光線b到達出光面2時發生反射，至位於底面1上的曲面時，由於底面1的曲面結構的影響光線向外反射,可降低透鏡中心軸附近的光強，並使中心軸附近位於光學膜片組（光源接收面）6上的光均勻分佈。

而光源4與二次透鏡封裝時同樣會產生一定的公差（gap），如圖8所示,當光源4的發光面與二次透鏡的底面1間隙（gap）大於0時，產生的現象與底面1為平面結構的二次透鏡相似，即會導致部分光線c經過底面1產生亮圈，如圖9所示。

有鑑於此，本發明的目的在提出一種光學透鏡，其加工精度要求低、光源擴散角大，可實現光線的大角度擴散，使光分佈均勻。

為達到上述目的，本發明提出第一種光學透鏡，其用以設置於光源上方，光學透鏡沿其中心軸旋轉對稱，且光學透鏡的中心軸對齊光源的中心，光學透鏡包括底面、弧形的出光面、弧狀凹形的入光面、環狀凹形的曲面與光擴散結構。出光面連接底面的一端，入光面連接底面的另一端且位於底面的中間，曲面位於底面上且連接入光面，光擴散結構設置於曲面上。

在本發明第一種光學透鏡中，所述光擴散結構為連續分佈的複數凸點結構或複數凹點結構。

在本發明第一種光學透鏡中，所述凸點結構或凹點結構的半徑小於0.5mm。

在本發明第一種光學透鏡中，所述光擴散結構為咬花結構，咬花結構包括沙紋圖案結構、綢緞圖案結構、皮革紋路結構或波浪狀線條錯開排列的紋路結構。

為達到上述目的，本發明還提出第二種光學透鏡，其用以設置於光源上方，光學透鏡沿其中心軸旋轉對稱，且光學透鏡的中心軸對齊光源的中心，光學透鏡包括底面、弧形的出光面、弧狀凹形的入光面、環狀平面或環狀凹形的曲面與至少一圈光擴散結構。出光面連接底面的一端，入光面連接底面的另一端且位於底面的中間，平面或曲面位於底面上且連接入光面。光擴散結構設置於出光面上，藉此，光擴散結構可解決當光源發光時所產生的位於光學透鏡上方的光源接收面上的局部亮圈。

其中，當以光學透鏡的中心軸為y軸，以與所述中心軸垂直且通過底面最低點的直線為x軸，x軸與y軸的交點為起始點時，光擴散結構的位置為：x_b= x_c-(h-y_b)tanθ₂。式中之x_b為光擴散結構的水平座標位置；x_c為光源接收面上的亮圈的水平座標位置，h為x軸至光源接收面的混光高度；y_b為光擴散結構的垂直座標位置，（x_b、y_b）符合出光面的曲面方程式；θ₂為光線經過出光面後的出射光角度。

在本發明第二種光學透鏡中，所述光擴散結構為凸點結構或凹點結構。

在本發明第二種光學透鏡中，所述凸點結構或凹點結構的半徑小於0.6mm。

在本發明第一種和第二種光學透鏡中，所述底面的外側邊緣設置有至少三個支撐柱。所述支撐柱的截面形狀為圓形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形。

在本發明第一種或第二種光學透鏡中，所述入光面的高度大於入光面的底側寬度，出光面的高度小於出光面的底側寬度。其中，當以光學透鏡的中心軸為y軸，以與所述中心軸垂直且通過底面最低點的直線為x軸，x軸與y軸的交點為起始點時，出光面過所述中心軸截面的曲線的點座標(x,y)滿足：x²+y²的值隨|x|的增加而增加；入光面過所述中心軸截面的曲線的點座標(x,y)滿足： x²+y²的值隨|x|的增加而減小；若底面係具有曲面時，曲面過所述中心軸截面的曲線的點座標(x,y)滿足：y先隨著|x|的增加而增加，當增大到曲面的最高點後，y隨|x|的增加而減少。

本發明所提出的一種光學透鏡，其在底面的環狀凹形的曲面上設置了光擴散結構，可使光源接收面上的光分佈更加均勻，還可避免由於光學透鏡與光源在封裝時，由於封裝公差出現間隙，導致光源接收面出現亮圈的問題，如此即可降低封裝公差要求。本發明的另一種光學透鏡，還可在出光面上設置光擴散結構，使光源接收面上的光分佈更加均勻，特別是可以解決光源接收面上局部亮圈的問題。本發明的光學透鏡將支撐柱設於底面的外側邊緣，從而可避免光源接收面產生支撐柱暗影。

為讓本發明之目的、特徵和優點能使該領域具有通常知識者更易理解，下文舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

O5．．．二次透鏡

1．．．底面

2．．．出光面

3．．．入光面

4．．．光源

5．．．光擴散結構

6．．．光學膜片組

7．．．支撐柱

圖1為現有的直下式背光模組的結構示意圖。
圖2為現有具備光學透鏡的直下式背光模組的結構示意圖。
圖3為現有具備光學透鏡的直下式背光模組的工作原理示意圖。
圖4為現有底面具有曲面的光學透鏡的結構示意圖。
圖5為光學透鏡和光源由於封裝公差產生間隙的結構示意圖。
圖6為現有技術存在封裝公差的光學透鏡的工作原理示意圖。
圖7為採用圖6的光學透鏡的光的照度分佈圖。
圖8為現有技術存在封裝公差的另一光學透鏡的工作原理示意圖。
圖9為採用圖8的光學透鏡的光的照度分佈圖。
圖10為本發明之光擴散結構的波浪狀線條錯開排列的紋路結構的咬花結構示意圖。
圖11為本發明之光擴散結構的綢緞圖案的咬花結構示意圖。
圖12為本發明之光擴散結構的皮革圖案的咬花結構示意圖。
圖13為本發明實施例1之底面設置具有咬花結構的光擴散結構的光學透鏡示意圖。
圖14為本發明採用圖13的光學透鏡的光的照度分佈圖。
圖15為本發明實施例2之底面設置具有凹點結構的光擴散結構的光學透鏡示意圖。
圖16為現有技術之光學透鏡的底面未設置光擴散結構的光的照度分佈圖。
圖17為本發明採用圖15的光學透鏡的光的照度分佈圖。
圖18為本發明實施例3之底面設置具有凸點結構的光擴散結構的光學透鏡示意圖。
圖19為現有技術之光學透鏡的底面未設置光擴散結構的另一光的照度分佈圖。
圖20為本發明採用圖18的光學透鏡的光的照度分佈圖。
圖21為本發明實施例4之底面外側邊緣設置支撐柱的光學透鏡的仰視圖。
圖22為本發明之底面外側邊緣設置支撐柱的光學透鏡的光路圖。
圖23為本發明實施例5之出光面上設置光擴散結構的光學透鏡示意圖。
圖24為現有技術之光學透鏡的出光面未設置光擴散結構的光的照度分佈圖。
圖25為本發明採用圖23的光學透鏡的光的照度分佈圖。

圖26為本發明採用圖23的光學透鏡上的光擴散結構幾何位置的推導圖。

圖27為本發明實施例6之出光面上設置光擴散結構的光學透鏡示意圖。

請參閱第10圖至第27圖，本發明提出第一種光學透鏡，其用以設置於直下式背光模組中的光源4上方，並且，所述光源4採用發光二極體，但不限於此。光學透鏡沿其中心軸旋轉對稱，且光學透鏡的中心軸對齊光源4的中心，光學透鏡包括底面1、弧形的出光面2、弧狀凹形的入光面3、環狀凹形的曲面與光擴散結構5。出光面2連接底面1的一端，入光面3連接底面1的另一端且位於底面1的中間，曲面位於底面1上且連接入光面3，光擴散結構5設置於曲面上，藉此，光擴散結構5可解決當光源4發光時所產生的位於光學透鏡上方的光源接收面上的局部亮圈。

在本發明第一種光學透鏡中，光擴散結構5為連續分佈的複數凸點結構或複數凹點結構。較佳的，所述凸點結構或凹點結構的半徑小於0.5mm。光擴散結構5還可為咬花結構，咬花結構包括沙紋圖案結構、綢緞圖案結構（如圖11所示）、皮革紋路結構（如圖12所示）或波浪狀線條錯開排列的紋路結構（如圖10所示）。

本發明提出的第二種光學透鏡，其用以設置於直下式背光模組中的光源4上方，光學透鏡沿其中心軸旋轉對稱，且光學透鏡的中心軸對齊光源4的中心，光學透鏡包括底面1、弧形的出光面2、弧狀凹形的入光面3、環狀的平面或環狀凹形的曲面與至少一圈光擴散結構5。出光面2連接底面1的一端，入光面3連接底面1的另一端且位於底面1的中間。其中，底面1可包括環狀的平面與環狀凹形的曲面的任一者或兩者組合。平面或曲面位於底面1上且連接入光面3。光擴散結構5設置於出光面2上，藉此，光擴散結構5可解決當光源4發光時所產生的位於光學透鏡上方的光源接收面上的局部亮圈。

其中，當以光學透鏡的中心軸為y軸，以與所述中心軸垂直且通過底面1最低點的直線為x軸，x軸與y軸的交點為起始點時，光擴散結構5的位置為：x_b= x_c-(h-y_b)tanθ₂。式中之x_b為光擴散結構5的水平座標位置；x_c為光源接收面上的亮圈的水平座標位置，h為x軸至光源接收面的混光高度；y_b為光擴散結構5的垂直座標位置，（x_b、y_b）符合出光面2的曲面方程式；θ₂為光線經過出光面2後的出射光角度，根據光學透鏡的折射率及曲面方程式可得。

在本發明第二種光學透鏡中，光擴散結構5為凸點結構或凹點結構，凸點結構或凹點結構的半徑小於0.6mm，較佳的，凸點結構或凹點結構的半徑小於0.4mm。

在本發明第一種和第二種光學透鏡中，所述底面1的外側邊緣設置有至少三個支撐柱7。支撐柱7的截面形狀可為圓形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形。

在本發明第一種或第二種光學透鏡中，所述入光面3的高度大於入光面3的底側寬度，出光面2的高度小於出光面2的底側寬度。其中，當以光學透鏡的中心軸為y軸，以與所述中心軸垂直且通過底面1最低點的直線為x軸，x軸與y軸的交點為起始點時，出光面2過所述中心軸截面的曲線的點座標(x,y)滿足：x²+y²的值隨|x|的增加而增加；入光面3過所述中心軸截面的曲線的點座標(x,y)滿足：x²+y²的值隨|x|的增加而減小；若底面1係具有曲面時，曲面過所述中心軸截面的曲線的點座標(x,y)滿足：y先隨著|x|的增加而增加，當增大到曲面的最高點後，y隨|x|的增加而減少。

在本發明第一種或第二種光學透鏡中，出光面2的中心均可設置有內凹面、平面或凸面。根據需求，將出光面2的中心形狀與入光面3配合，因入光面3為弧狀凹形，當光源接收面需求中心較亮的分佈，則出光面2的中心可採用凸面設計；當光源接收面需求中心較暗或整個光斑均勻的分佈，則出光面2的中心可採用凹面或平面設計。此外，無論是本發明第一種或第二種光學透鏡，均可應用於背光模組中。並且，光學透鏡為聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚碳酸酯 (PC)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚苯乙烯 (PS)或玻璃等透光率較好的材料製品。

實施例1：

如圖13所示，本實施例的光學透鏡的底面1上的曲面設置有光擴散結構5。部分光線a經過入光面3時向外折射，經過出光面2時再次向外折射，達到光擴散的目的。部分光線b到達出光面2時發生反射，至底面11上的曲面時，由於曲面的影響光線向遠離光學透鏡之中心軸的方向反射，可降低光學透鏡中心軸附近的光強，並使中心軸附近光學膜片組6（光源接收面）上的光均勻分佈。

當光源4的發光面與光學透鏡的底面1之間的間隙（gap）大於0時，由於底面1的曲面設有光擴散結構5，當部分光線c經過底面1的曲面時，光線背擴散，解決由於實際封裝公差間隙導致的亮圈問題。本實施例中，如圖13所示，底面1的曲面上的光擴散結構5採用咬花結構，此咬花結構可以為沙紋圖案結構、綢緞圖案結構、皮革紋路等擴散結構或波浪狀線條錯開排列的紋路結構。

圖14為本實施例的光學透鏡於光源接收面上的光的照度分佈圖，光源4與底面1的封裝公差（gap）為0.2mm。由圖14的照度分佈圖可知，採用本實施例的光學透鏡，光源接收面上的光分佈均勻，即證明在光學透鏡的底面1的曲面上設置光擴散結構5後，可有效解決因實際封裝公差導致的間隙所產生的亮圈問題。

實施例2：

如圖15所示，本實施例中在底面1的曲面上設置的光擴散結構5係採用凹點結構。當光線經過底面1時，經由型態為複數連續凹點結構的光擴散結構5的擴散，可解決光源4與光學透鏡的底面1之間的間隙大於0時所產生的亮圈問題。

圖16為光源4與光學透鏡的底面1之間的間隙等於0.2mm時，光學透鏡的底面1無擴散結構（如圖8所示的光學透鏡）時的光的照度分佈圖，此照度分佈圖中存在明顯的亮圈。

本實施例中，圖17為光源4與光學透鏡的底面1之間的間隙等於0.2mm時，光學透鏡的底面1的曲面設置有型態為複數連續凹點結構的光擴散結構5時的光的照度分佈圖。由該圖可知，採用本實施例的光學透鏡，光源接收面上的亮圈得到明顯改善。

申請人進一步模擬使用不同的大小的凹點結構，實驗表明不同的凹點結構尺寸均有光擴散效果，且凹點結構越小，光擴散效果越好。為了使光擴散結構5具有良好的擴散效果，凹點結構應小於0.5mm。

實施例3：

如圖18所示，本實施例中在底面1的曲面上設置採用凸點結構的光擴散結構5 。當光線經過底面1時，經由凸點結構使得光線擴散，可解決光源4與光學透鏡的底面1之間的間隙大於0時所產生的亮圈問題。

圖19為光源4與光學透鏡底面1之間的間隙等於0.2mm時，光學透鏡的底面1的曲面上無光擴散結構5時的光的照度分佈圖。由該圖可知，當光源4與光學透鏡存在封裝公差時，而光學透鏡的底面1未設置光擴散結構5，此時，光學膜片組6（光源接收面）上有明顯的亮圈。

圖20為光源4與光學透鏡底面1之間的間隙等於0.2mm時，光學透鏡的底面1的曲面上設置具有凸點結構的光擴散結構5時的光的照度分佈圖，光學膜片組6（光源接收面）上的亮圈獲得明顯改善。

並且，凸點結構與凹點結構的光擴散原理類似，為使光擴散結構5具有良好的擴散效果，凸點結構應小於0.5mm。

實施例4：

如圖21所示，本實施例在光學透鏡的底面1的外側邊緣設有至少三個支撐柱7。光學透鏡透過在支撐柱7上沾膠與光源4封裝在一起。

如圖22所示，當光線a達到出光面2時，部分光線b反射至底面1，由模擬實驗結果表明，底面1上的曲面的反射光大部分位於內側，即大部分位於底面1中靠近中心軸側，越靠外側反射光越少。所以支撐住7的位置若設於靠近光學透鏡的中心側，易使底面1的反射光線產生散射，進而易形成支撐柱暗影。所以支撐柱7的位置較佳係設置在底面1的外側邊緣。

為了使支撐柱7可以達到支撐光學透鏡的良好效果，在底面1的外側邊緣至少設置3個支撐柱7，但不限於此。

實施例5：

如圖23所示，本實施例在出光面2上設置光擴散結構5，該光擴散結構5為凸點結構。本實施例的光學透鏡中，光線經過入光面3時光線向遠離中心軸方向擴散，經過出光面2時再次向遠離中心軸方向擴散。光學透鏡的底面1具有為環狀凹形的曲面，經過底面1的曲面的光線向遠離中心軸方向折射，從而使本實施例的光學透鏡結構具有較好的光擴散效果。但是光學透鏡精度要求高，當光學透鏡的曲面的精度偏差大於0.01mm時就會產生亮圈。曲面設計稍有偏差或加工精度略有偏差就極易在中心軸附近的光學膜片組6（光源接收面）上出現亮圈, 該光學膜片組6（光源接收面）上的亮圈現象的照度分佈圖如圖24所示。所以在出光面2上相對光學膜片組6（光源接收面）的亮圈產生的位置設計光擴散微結構5，可對光學膜片組6（光源接收面）上的亮圈進行擴散，解決亮圈現象。在出光面2上相應位置設置光擴散結構5後，光學膜片組6（光源接收面）上的光的照度分佈圖如圖25所示，亮圈現象獲得解決。

本實施例中，其光擴散結構5的具體位置，可根據光學膜片組6（光源接收面）上的光斑的位置進行推定。如圖26所示，其推導過程為：對於已設計好的光學透鏡，光學透鏡的入光面3與出光面2的曲面方程式已知。當以光學透鏡中心軸為y軸，通過底面1之最低點並與中心軸垂直的底線為x軸，x軸與y軸的交點為起始點，光學透鏡折射率為n_lens；底面1至光學膜片組6（光源接收面）的混光高度為h；入光面3的A點的斜率為K_a；出光面2的B點的斜率為K_b；x_c為光學膜片組6（光源接收面）的亮圈位置的x座標值，x_b為光擴散結構5的x座標值，y_b為光擴散結構5的y座標值。θ₁為經過光學透鏡入光面3的出射光角度，θ₂為經過光學透鏡出光面2後的出射光角度，β₁為經過入光面3後的折射角，β₂為經過出光面2後的折射角，α₁為入光面3的入射角，α₂為出光面2的入射角，∠2為入光面3的法線位置與水平線的夾角，∠3為入射光角度；

如圖26所示，θ₁=∠2-β₁；

根據折射定律：sinα₁=n_lenssinβ₁；

α₁=∠2-∠3；

tan∠2=K_a；

tan∠3=x_a/y_a；

sin(∠2-∠3)=n_lenssinβ₁，根據入光面3的斜率及相應入光面3上的座標就可求出β₁；

θ₁=∠2-β₁，可求出θ₁（θ₁與光學透鏡的折射率及入光面3的斜率有關）；

x_b=x_a+(y_b- y_a)tanθ₁=x_a+(y_b-y_a)tan(∠2-β₁)；（出光面2的座標位置與入光面3的座標位置、透鏡折射率、相應此入光面3位置處的斜率有關）；

根據折射定律： n_lenssinα₂=sinβ₂；

n_lenssinα₂=sinβ₂；

Tan∠1=K_b；

α₂+∠1=θ₁；

n_lenssin(θ₁-∠1)=sinβ₂，可求出β₂（β₂與光學透鏡的折射率及出光面2斜率有關）；

θ₂=β₂+∠1，可求出θ₂；(θ₂與光學透鏡的折射率、出光面2斜率有關)；

x_c=x_b+(h-y_b)tanθ₂= x_b+(h-y_b)tan(β₂+∠1) ---（1）

由公式（1）可得：

x_b= x_c-(h-y_b)tanθ₂-------------------------------（2）

公式(2)中，x_b為光擴散結構5的水準位置；x_c為光學膜片組6（光源接收面）上的亮圈水準位置，因亮圈位置已知，所以x_c為已知。h為混光高度，y_b為光擴散結構5的y軸座標，tanθ₂可根據透鏡的折射率與出光面2的斜率可計算得到。

根據公式(2)以及設計的出光面2的實際曲面方程式(x_b與y_b的方程式)，可求出亮圈位置x_c對應在出光面2上的光擴散結構5的位置x_b。

實施例6：

如圖27所示，出光面2上的光擴散結構5採用凹點結構，其凹點結構同樣可以解決局部亮圈問題，其凹點結構的位置設置也可根據實施例5中的公式(2)計算得出。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用於限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。