TW201525526A - 發光模組及其光學透鏡 - Google Patents

Abstract

一種發光模組之光學透鏡包含一本體。本體包括一入光面及一出光面。入光面位在本體底面。出光面是位在本體的外表面。本體底面中心處包括一自本體底面朝出光面方向凹陷的凹陷部，用以容置一光源。凹陷部表面即為入光面。出光面包括一凹陷的中央出光區以及一弧狀週邊出光區。凹陷的中央出光區位於本體外表面的中心部位，對準於本體底面中心處，且朝向入光面方向凹陷。

Description

發光模組及其光學透鏡

本發明係有關於一種發光模組，且特別是有關於一種具有光學透鏡的發光二極體光學模組。

習知的直下式液晶面板顯示器具有高亮度以及高對比的明暗表現等優點，因此為現今產業研發的重點方向之一。直下式發光二極體(LED)背光及照明模組受限於LED發光角度及強度，需搭配有一定的混光距離或者較高的LED密度分佈，並輔以擴散板(Diffuser)方能解決亮度不均勻(亮點/暗帶)的問題，雖然已有廠商設計出所謂的大角度透鏡可在單位面積下減少LED數量並降低混光距離，但是因為光形為圓形，其各個led投射出的光形於接合處的狹縫區仍會產生暗帶。如第1圖係繪示依照習知發光二極體光學模組投射光線在擴散板的示意圖。直下式液晶面板顯示器係利用發光二極體光學模組作為背光模組，習知的發光二極體所投射出的光線，顯示在擴散板300上時為圓形光600。圓形光600之間會有暗帶620。暗帶620會降低畫面的飽合度，影響畫質輸出。

因此本發明的目的就是在提供一種光學透鏡，其包含一本體。本體包括一入光面及一出光面。出光面是位在本體的外表面。入光面位在本體底面。本體底面中心處包括一自本體底面朝出光面方向凹陷的凹陷部(concave part)，用以容置一光源。凹陷部表面即為入光面。出光面包括一凹陷的中央出光區以及一弧狀週邊出光區。凹陷的中央出光區位於本體外表面的中心部位，對準於本體底面中心處，且朝向入光面方向凹陷。位在凹陷的中央出光區與入光面之間的本體厚度(d1)是由凹陷的中央出光區的正中央朝外逐漸增加。弧狀週邊出光區自凹陷的中央出光區向外延伸至與本體底部交接處。弧狀週邊出光區的外緣所圍繞出的形狀，其俯視圖呈現一具四圓弧角的正方形，使得發光二極體發出之光線通過本體後，形成一近似方形之投射光。

依據本發明另一實施例，弧狀週邊出光區包括一鄰接凹陷的中央出光區的第一弧狀週邊出光區以及一鄰接第一弧狀週邊出光區與本體底面的第二弧狀週邊出光區。其中位在第一弧狀週邊出光區與入光面之間的本體厚度(d2)由朝遠離中心部位的方向逐漸變大，而位在第二弧狀週邊出光區與入光面之間的本體厚度(d2’)則朝遠離中心部位的方向逐漸變小。

依據本發明另一實施例，入光面為一弧面。

依據本發明另一實施例，凹陷的中央出光區為一弧 面。

依據本發明另一實施例，入光面具有一曲率中心C1，而凹陷的中央出光區具有一曲率中心C2，且C2的垂直投影與C1重合。光學透鏡具有一個通過C1、C2曲率中心的法線N1，且法線N1通過預定容置於凹陷部內的光源的出光面的中心。本體包含二個虛擬平面X1、Y1。二個虛擬平面X1、Y1彼此垂直且通過C1、C2曲率中心及任二彼此對稱於法線N1的圓弧角。X1、Y1與第一、第二弧狀週邊出光區鄰接邊緣的交點分別為a、b、c、d，且a、b以及c、d彼此對稱於法線N1。本體包含另二個虛擬等分平面X2、Y2，虛擬等分平面X2、Y2分別位在二個虛擬平面X1、Y1之間且等分虛擬平面X1、Y1之間的夾角。虛擬等分平面X2、Y2彼此垂直且與第一、第二弧狀週邊出光區鄰接邊緣的交點分別為m、n、o、p，且m、n以及o、p彼此對稱於法線N1。通過光源的出光面的中心與a、b、c、d中任一交點所形成的連線相對於法線N1具有一傾斜角α，且40度≦α≦70度。通過光源之出光面的中心與m、n、o、p中任一交點形成一連線相對於法線N1具有一傾斜角β，且3度≦α-β≦7度。

依據本發明另一實施例，傾斜角α實質為55度。

依據本發明另一實施例，a、b、c、d交點處之光強度為位在m、n、o、p交點處之光強度的1.1~1.7倍。

依據本發明另一實施例，凹陷的中央出光區之曲率半徑大於入光面之曲率半徑。

本發明提供一種發光模組，其包含一基板、一光源，以及光學透鏡。光源設置於基板上。光學透鏡藉由本體底部固定於基板上，且光源是被容置於本體底面的凹陷部內。

依據本發明另一實施例，光源為一發光二極體。

本發明之發光模組使用時能產生緊密排列的方型投射光並且光強度最強之角度為40至70度，本發明的發光模組應用於螢幕時，發光模組的光線投射至一擴散板，能產生方型的投射光使投射光之間無縫且較精確的連接，減少了暗帶產生同時減少單位面積所需的LED顆數。於另一實施例中，本發明的發光模組產生的投射光因其有效角度大約為55度，表示55度之後光線就會明顯減弱。因此當發光模組應用於檯燈時，檯燈的光線不會直接入射到使用者的眼睛，因此使用者不會因為光線的刺激而感到不適。在檯燈的應用上，本發明的發光模組產生的投射光不會對肉眼產生眩光，能應用於防眩光檯燈而省去濾光片的使用。

100‧‧‧發光模組

100’‧‧‧發光模組

110‧‧‧基板

120‧‧‧光源

130‧‧‧光學透鏡

140‧‧‧本體

142‧‧‧底部

144‧‧‧底面

150‧‧‧入光面

160‧‧‧出光面

170‧‧‧凹陷部

180‧‧‧中央出光區

190‧‧‧弧狀週邊出光區

192‧‧‧第一弧狀週邊出光區

194‧‧‧第二弧狀週邊出光區

200‧‧‧外緣

210‧‧‧圓弧角

220‧‧‧鄰接邊緣

230‧‧‧連線

240‧‧‧連線

250‧‧‧投射光

260‧‧‧光線

270‧‧‧擴散板

280‧‧‧眼睛

300‧‧‧擴散板

600‧‧‧圓形光

620‧‧‧暗帶

700‧‧‧檯燈

α‧‧‧傾斜角

β‧‧‧傾斜角

γ 1‧‧‧有效角度

γ 2‧‧‧有效角度

X1、Y1‧‧‧虛擬平面

X2、Y2‧‧‧虛擬等分平面

a、b、c、d、m、n、o、p‧‧‧交點

L1、L2、K1、K2‧‧‧線段

d1、d2、d2’‧‧‧厚度

r1、r2‧‧‧曲率半徑

第1圖係繪示依照習知發光二極體光學模組投射光線在擴散板的示意圖。

第2圖係繪示依照本發明一實施例之發光模組的立體圖。

第3圖係繪示沿第2圖之發光模組的剖面線3-3’的立體剖 面圖。

第4圖係繪示依照本發明一實施例之發光模組的立體示意圖。

第5圖係繪示依照第4圖之發光模組的上視圖。

第6圖係繪示依照第4圖沿虛擬平面X1之發光模組的剖面圖。

第7圖係繪示依照第4圖沿虛擬等分平面X2之發光模組的剖面圖。

第8圖係繪示依照本發明一實施例之發光模組的配光圖。

第9圖係繪示依照第8圖之發光模組的光強度與角度的關係圖。

第10圖係繪示依照本發明之發光模組應用於檯燈的實施例。

第11圖係繪示依照第10圖之區域A的發光模組的示意圖。

以下將以圖式及詳細說明清楚說明本發明之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本發明之較佳實施例後，當可由本發明所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本發明之精神與範圍。

為了解決習知的發光模組所投射出的光線，顯示在擴散板上在圓形光之間有暗帶的情形，本發明提供一發光模組藉以有效改善此問題。請參照第2圖以及第3圖。第2圖係繪示依照本發明一實施例之發光模組的立體圖。第3 圖係繪示沿第2圖之發光模組的剖面線3-3’的立體剖面圖。本發明提供一種發光模組100，其包含一基板110、一光源120，以及光學透鏡130。光源120設置於基板110上。依據本發明另一實施例，光源120為一發光二極體。光學透鏡130包含一本體140。光學透鏡130藉由其本體140的底部142固定於基板110上。

光學透鏡130的本體140包括一入光面150及一出光面160。出光面160是位在本體140的外表面。入光面150位在本體140底面144。本體140的底面144的中心處包括一自本體140底面144朝出光面160方向凹陷的凹陷部170，用以容置光源120。凹陷部170表面即為入光面150。出光面160包括一凹陷的中央出光區180以及一弧狀週邊出光區190。凹陷的中央出光區180位於本體140外表面的中心部位，對準於本體140的底面144的中心處，且朝向入光面150方向凹陷。弧狀週邊出光區190自凹陷的中央出光區180向外延伸至與本體140底部142交接處。依據本發明另一實施例，入光面150為一弧面。依據本發明另一實施例，凹陷的中央出光區180為一弧面。

位在凹陷的中央出光區180與入光面150之間的本體140的厚度d1是由凹陷的中央出光區180的正中央朝外逐漸增加，換句話說，本體140的厚度d1越接近弧狀週邊出光區190時就越厚。弧狀週邊出光區190包括一鄰接凹陷的中央出光區180的第一弧狀週邊出光區192，以及一鄰接第一弧狀週邊出光區192與本體140底面144的第二弧 狀週邊出光區194。第一弧狀週邊出光區192與第二弧狀週邊出光區194由鄰接邊緣220分開。位在第一弧狀週邊出光區192與入光面150之間的本體厚度d2朝遠離中心部位的方向逐漸變大，換句話說，第一弧狀週邊出光區192的厚度d2越遠離中央出光區180則越厚。而位在第二弧狀週邊出光區194與入光面150之間的本體厚度(d2’)則朝遠離中心部位的方向逐漸變小。

請參照第4圖、第5圖以及第6圖。第4圖係繪示依照本發明一實施例之發光模組的立體示意圖。第5圖係繪示依照第4圖之發光模組的上視圖。第6圖係繪示依照第4圖沿虛擬平面X1之發光模組的剖面圖。依據本發明另一實施例，入光面150具有一曲率中心C1，而凹陷的中央出光區180具有一曲率中心C2，且C2的垂直投影與C1重合。凹陷的中央出光區180之曲率半徑r2大於入光面150之曲率半徑r1。光學透鏡130具有一個通過C1、C2曲率中心的法線N1，且法線N1通過出光面160的中心。

本體140包含二個虛擬平面X1、Y1。二個虛擬平面X1、Y1彼此垂直且通過曲率中心C1、C2及任二彼此對稱於法線N1的圓弧角210。換而言之，虛擬平面X1通過彼此對稱於N1的圓弧角210，亦通過N1。X1、Y1與第一、第二弧狀週邊出光區192、194鄰接邊緣220的交點分別為a、b、c或d，且交點a與b以及c與d彼此對稱於法線N1。通過光源120的出光面160的中心與交點a、b、c或d中任一交點所形成的連線230相對於法線N1具有一傾斜角 α，且40度≦α≦70度。傾斜角α與本體140之間的物理意義為：光學透鏡130的本體140，在虛擬平面X1、Y1的狀況下具有最厚本體140的位置，因此連線230於傾斜角α所穿射出本體140的位置，其聚光能力最佳，光強度最強。

依據本發明另一實施例，傾斜角α實質為55度。換句話說，應用於螢幕時，能精準控制投射光的範圍，相較於習知的發光模組，本發明的發光模組產生的投射光能使螢幕表面更均勻。另一方面，本發明的發光模組產生的投射光於55度之後就會明顯減弱，相較於習知不做角度限制的發光模組，本發明的發光模組產生的投射光較不會對使用者產生眩光，能應用於防眩光檯燈而省去濾光片的使用，不但節省成本而且具有廣大的消費市場，詳情將於第10圖例示說明。於第6圖中，並未繪示連線230通過交點b的實施例，由於交點a與b係對稱於法線N1，其原理同上所述，因此不再贅述連線230通過交點b的實施例。再者，由於本發明以法線N1為對稱中心時為圓對稱，因此本發明沿虛擬平面X1所繪示的圖形與本發明沿虛擬平面Y1所繪示的圖形相同，其原理同上所述，故在此不墜述本發明沿虛擬平面Y1所繪示的圖形暨實施例，亦即，省略說明連線230通過交點c、d的實施例。由第5圖可以看出，弧狀週邊出光區190的外緣200所圍繞出的形狀，其俯視圖呈現一具四個圓弧角210的正方形，使得發光二極體發出之光線通過本體140後，形成一近似方形之投射光。

請參照第4圖、第5圖以及第7圖。第7圖係繪示依照第4圖沿虛擬等分平面X2之發光模組的剖面圖。本體140包含另二個虛擬等分平面X2、Y2，虛擬等分平面X2、Y2分別位在二個虛擬平面X1、Y1之間且等分虛擬平面X1、Y1之間的夾角。虛擬等分平面X2、Y2彼此垂直且與第一、第二弧狀週邊出光區192、194鄰接邊緣220的交點分別為m、n、o與p，且交點m與n以及o與p彼此對稱於法線N1。通過光源120之出光面160的中心與m、n、o或p中任一交點形成一連線240相對於法線N1具有一傾斜角β，且3度≦α-β≦7度(參見第6圖)。上述傾斜角β與本體140之間的物理意義為：光學透鏡130的本體140在虛擬等分平面X2、Y2時傾斜角β之處具有最厚的本體140厚度。

請參照第4圖、第8圖以及第9圖。第8圖係繪示依照本發明一實施例之發光模組的配光圖。第9圖係繪示依照第8圖之發光模組的光強度與角度的關係圖。第9圖所繪示的線段L1與L2係分別對應第8圖所繪示的線段K1與K2。線段L1係沿虛擬平面X1或虛擬平面Y1所量測出來的光強度，而其中P1為交點a、b、c或d所量測的光強度。線段L2係沿虛擬等分平面X2或虛擬等分平面Y2所量測出來的光強度，而其中P2為交點m、n、o或p所量測的光強度。依據本發明一實施例，P1的光強度為P2的1.1~1.7倍，亦即光源透過光學透鏡130的本體140射出至交點a、b、c以及d之光強度為位在交點m、n、o以及p 之光強度的1.1~1.7倍。本發明特別設計的配光圖係為了使發光二極體透射出的光線能形成一近似方形之投射光。由於方形的四角與中心點的距離比起四邊與中心點的距離來的遠。因此在接近圓弧角210的交點a、b、c以及d的光強度要比接近四邊的交點m、n、o以及p的光強度來的強，如此一來，光源透過光學透鏡130所投影出的近似方形之投射光，其對角部分的光強度才能與四邊的光強度相同，而形成一光強度分佈均勻的方形投射光。

由線段L1中清楚揭露，本發明之光學透鏡沿虛擬平面X1或虛擬平面Y1所量測出來的光強度最強之處為40至70度之間(亦即，40度≦α≦70度，請對照第6圖)。由線段L2中清楚揭露，本發明之光學透鏡沿虛擬平面X2或虛擬平面Y2所量測出來的光強度最強之處，與光學透鏡沿虛擬平面X1或虛擬平面Y1所量測出來的光強度最強之處的範圍相差為3度至7度(亦即，3度≦α-β≦7度，請對照第6圖以及第7圖)。於一實施例中，線段L1的光強度於55度之後就會明顯減弱，相較於習知不做限制的發光模組，本發明的發光模組產生的投射光對使用者不易產生眩光，能應用於防眩光檯燈而省去濾光片的使用，可節省成本，詳情將於第10圖例示說明。

請參照第10圖以及第11圖。第10圖係繪示依照本發明之發光模組應用於檯燈的實施例。第11圖係繪示依照第10圖之區域A的發光模組的示意圖。本發明的發光模組100’產生的投射光250因其照射的有效角度γ 1大約為 55度(請參照第9圖及其實施例之說明)，表示55度之後光線就會明顯減弱，相較於習知技術中投射光光照射的有效角度γ 2通常約略為70度，本本發明的發光模組100’產生的投射光250有效範圍較小。因此當發光模組100’應用於檯燈700時，檯燈700的光線不會直接入射到使用者的眼睛280，因此使用者不會因為光線的刺激而感到不適。本發明之發光模組100’使用時能產生緊密排列的方型投射光250。當本發明的發光模組100’應用於螢幕時(例如作為螢幕的背光源)，發光模組100’的光線260投射至一擴散板270，能產生方型的投射光250使投射光250之間無縫且精確的連接，不會有亮點或暗帶產生。因此相較於習知的圓形投射光，本發明的發光模組100’產生的投射光更為均勻。在檯燈的應用上，本發明的發光模組產生的投射光不會對肉眼產生眩光，能應用於防眩光檯燈而省去濾光片的使用，不但節省成本而且具有廣大的消費市場，在螢幕的應用上，本發明的發光模組產生的投射光能使螢幕表現更均勻。綜合上述體現之各實施例，本發明的發光模組十分具有商業價值。

本發明之發光模組使用時能產生緊密排列的方型投射光，本發明的發光模組應用於螢幕時，發光模組的光線投射至一擴散板，能產生方型的投射光使投射光之間無縫而減少暗帶產生，並且減少混光距離和減少單位面積LED的使用顆數。

100‧‧‧發光模組

110‧‧‧基板

120‧‧‧光源

130‧‧‧光學透鏡

140‧‧‧本體

142‧‧‧底部

144‧‧‧底面

150‧‧‧入光面

160‧‧‧出光面

170‧‧‧凹陷部

180‧‧‧中央出光區

190‧‧‧弧狀週邊出光區

192‧‧‧第一弧狀週邊出光區

194‧‧‧第二弧狀週邊出光區

200‧‧‧外緣

220‧‧‧鄰接邊緣

d1、d2、d2’‧‧‧厚度

Claims (10)

1. 一種光學透鏡，包含：一本體，包括一入光面及一出光面，該出光面是位在該本體的外表面，而該入光面則是位在該本體底面，且該本體底面中心處包括一自該本體底面朝該出光面方向凹陷的一凹陷部，用以容置一光源，且該凹陷部表面即為該入光面，其中，該出光面包括：一凹陷的中央出光區，位於該本體外表面的中心部位，對準於該本體底面中心處，且朝向該入光面方向凹陷，其中位在該凹陷的中央出光區與該入光面之間的該本體厚度(d1)是由該凹陷的中央出光區的正中央朝外逐漸增加；以及一弧狀週邊出光區，自該凹陷的中央出光區向外延伸至與該本體底部交接處，其中該弧狀週邊出光區的外緣所圍繞出的形狀，其俯視圖呈現一具四圓弧角的正方形，使得該發光二極體發出之光線通過該本體後，形成一近似方形之投射光。
2. 如請求項1所述之光學透鏡，其中該弧狀週邊出光區包括一鄰接該凹陷的中央出光區的一第一弧狀週邊出光區以及一鄰接該第一弧狀週邊出光區與該本體底面的一第二弧狀週邊出光區，其中位在該第一弧狀週邊出光區與該入光面之間的本體厚度(d2)朝遠離該中心部位的方向逐漸 變大，而位在該第二弧狀週邊出光區與該入光面之間的本體厚度(d2’)則朝遠離該中心部位的方向逐漸變小。
3. 如請求項2所述之光學透鏡，其中該入光面為一弧面。
4. 如請求項3所述之光學透鏡，其中該凹陷的中央出光區為一弧面。
5. 如請求項2所述之光學透鏡，其中該入光面具有一曲率中心C1，而該凹陷的中央出光區具有一曲率中心C2，且該C2的垂直投影與該C1重合，該光學透鏡具有一個通過該C1、C2曲率中心的法線N1，且該法線N1通過預定容置於該凹陷部內的該光源的出光面的中心，二個彼此垂直且通過該C1、C2曲率中心及任二彼此對稱於該法線N1的圓弧角的虛擬平面X1、Y1，且X1、Y1與該第一、第二弧狀週邊出光區鄰接邊緣的交點分別為a、b、c、d，且a、b以及c、d彼此對稱於該法線N1，另二個分別位在該二虛擬平面X1、Y1之間且等分該虛擬平面X1、Y1之間夾角的虛擬等分平面X2、Y2，其中該虛擬等分平面X2、Y2彼此垂直且與該第一、第二週邊透光區域鄰接邊緣的交點分別為m、n、o、p，且m、n以及o、p彼此對稱於該法線N1；其中，通過預定容置於該凹陷部內的該光源的出光面的中心與該a、b、c、d中任一交點所形成的連線相對於該 法線N1具有一傾斜角α，且40度≦α≦70度；其中，通過預定容置於該凹陷部內的該光源的出光面的中心與該m、n、o、p中任一交點所形成的連線相對於該法線N1具有一傾斜角β，且3度≦α-β≦7度。
6. 如請求項5所述之光學透鏡，其中該傾斜角α實質為55度。
7. 如請求項5所述之光學透鏡，其中位於該a、b、c、d交點處之光強度為位在該m、n、o、p交點處之光強度的1.1~1.7倍。
8. 如請求項5所述之光學透鏡，其中該凹陷的中央出光區之曲率半徑r2大於該入光面之曲率半徑r1。
9. 一種發光模組，包含：一基板；一光源，設置於該基板上；以及一如請求項1至8中任一項所述之光學透鏡，藉由該本體底部固定於該基板上，且該光源是被容置於該本體底面的該凹陷部內。
10. 如請求項9所述之發光模組，其中該光源為一發光二極體。