TW201539047A - 透鏡與直下式光源模組 - Google Patents

Abstract

一種透鏡，包括一入光面、一反射曲面以及一出光側面。入光面包括一第一光學面以及一第二光學面。第一光學面為平面或凸面，且與第二光學面連接。第一光學面與第二光學面的相接處的梯度呈急劇地變化，且第二光學面往靠近透鏡的一光軸的方向凸起。反射曲面相對於入光面，且於透鏡的中央形成一第一凹陷。出光側面連接入光面與反射曲面。此外，一種直下式光源模組亦被提出。

Description

透鏡與直下式光源模組

本發明是有關於一種光學元件以及光學模組，且特別是有關於一種透鏡與直下式光源模組。

近年來，隨著發光二極體(Light Emitting Diode,LED)的發光效率與壽命提升，加上具備低耗能、低污染、高效率、高反應速度、體積小、重量輕與可在各種表面設置等元件特色與優勢，發光二極體目前亦已被積極應用於各光學領域中。一般而言，發光二極體可應用於日常生活中的各式照明裝置以及各種平面顯示器(例如液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD))的光源上。

此外，隨著光學技術的進步，越來越多光源裝置所能提供的照明光形被開發出來。然而，由於發光二極體是一種具有指向性的光源，其本身所能提供的照明光形的變化較小。為了提供更多光形的可能性，將各種適當形狀的透鏡配置在發光二極體的發光路徑上以提供適當的光形之技術，便成為照明領域的研發重點。

然而，目前在用於直下式光源模組中的側向發光式發光二極體封裝體中，透鏡配置在發光二極體的發光路徑上時，將會使發光二極體所能提供的光形在近光軸處會出現中心暗區的情形。如此，當發光二極體光源應用於光源模組時，將可能會影響有效照明區域內的亮度均勻，進而影響顯示器的畫面品質。

本發明提供一種透鏡，其可消除光源所形成的暗區現象。

本發明提供一種直下式光源模組，其可提供一均勻的面光源。

本發明的一實施例的透鏡包括一入光面、一反射曲面以及一出光側面。入光面包括一第一光學面以及一第二光學面。第一光學面為平面或凸面。第一光學面與第二光學面連接。第一光學面與第二光學面的相接處的梯度呈急劇地變化，且第二光學面往靠近透鏡的一光軸的方向凸起。反射曲面相對於入光面，且反射曲面於透鏡的中央形成一第一凹陷。出光側面連接入光面與反射曲面。

本發明的一實施例的直下式光源模組包括多個發光單元。這些發光單元排成一陣列，且每一發光單元包括一前述的透鏡以及一發光元件。發光元件發出一光束，其中當第一光學面為凸面時，第一光學面朝向發光元件凸起，且光束經由入光面進入透鏡中。

在本發明的一實施例中，上述的透鏡相對於光軸為軸對稱。

在本發明的一實施例中，上述的第一光學面位於光軸上。

在本發明的一實施例中，上述的第一光學面與第二光學面於透鏡外的外角的角度是落在114度至124度的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述的第一光學面沿著實質上平行於光軸的方向凸起。

在本發明的一實施例中，上述的透鏡更包括一外圍表面，環繞第二光學面，其中第一光學面與第二光學面相對於外圍表面陷下，以形成相對於第一凹陷的一第二凹陷。

在本發明的一實施例中，上述的光束包括一第一子光束以及一第二子光束，部份第一子光束依序穿透入光面的第一光學面、被反射曲面反射及穿透出光側面，部份第一子光束穿透第一光學面後，於近光軸處經由反射曲面出射該透鏡，第二子光束依序穿透入光面的第二光學面、被反射曲面反射及穿透出光側面，且第一子光束的光發散角度小於第二子光束的光發散角度。

在本發明的一實施例中，當上述的第一子光束穿透第一光學面後，會朝著靠近光軸的方向轉向，且當上述的第二子光束穿透第二光學面後，會朝著靠近光軸的方向轉向。

基於上述，本發明的實施例的透鏡、發光單元及直下式光源模組藉由第一光學面以及第二光學面所形成的第二凹陷的結構設計，可使得發光元件所能提供的部份光束的光線可被適當地 穿透透鏡的近光軸處，其他部分的光束則可藉由反射曲面被全反射至出光側面，而使發光單元能避免在近光軸處產生中心暗區，並因此能達到均勻的整體光能量分佈，進而使直下式光源模組提供均勻的面光源。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

60‧‧‧光束

61‧‧‧第一子光束

63‧‧‧第二子光束

65‧‧‧第三子光束

100、100a‧‧‧透鏡

110、110a‧‧‧入光面

111、111a‧‧‧第一光學面

113‧‧‧第二光學面

120‧‧‧反射曲面

130‧‧‧出光側面

140‧‧‧外圍表面

200、200a‧‧‧發光單元

210‧‧‧發光元件

300‧‧‧直下式光源模組

310‧‧‧反射單元

320‧‧‧擴散板

330‧‧‧光學膜片

S1‧‧‧容置空間

RS1‧‧‧第一凹陷

RS2‧‧‧第二凹陷

PS‧‧‧表面

JT‧‧‧相接處

O‧‧‧光軸

α、β、γ、θ‧‧‧角度

d、D‧‧‧距離

圖1A是本發明一實施例的一種發光單元的剖面示意圖。

圖1B是本發明另一實施例的一種發光單元的剖面示意圖。

圖2是圖1A的發光單元的光跡圖。

圖3是本發明一實施例的一種直下式光源模組的架構示意圖。

圖1A是本發明一實施例的一種發光單元的剖面示意圖。圖1B是本發明另一實施例的一種發光單元的剖面示意圖。圖2是圖1A的發光單元的光跡圖。請參照圖1A、圖1B及圖2，在本實施例中，發光單元200包括一透鏡100以及一發光元件210。此外，本實施例的發光元件210例如為發光二極體，但本發明不以此為限。

具體而言，如圖1A所示，在本實施例中，透鏡100包括 一入光面110、一反射曲面120以及一出光側面130，且透鏡100更包括一光軸O，並相對於光軸O為軸對稱。入光面110包括一第一光學面111以及一第二光學面113，第一光學面111與第二光學面113連接。詳細而言，第一光學面111位於光軸O上，並沿著實質上平行於光軸O的方向凸起，且第二光學面113往靠近透鏡100的光軸O的方向凸起。更詳細而言，在本實施例中第一光學面111為凸面，且第一光學面111朝向發光元件210凸起，發光元件210則配置於光軸O上，但本發明不以此為限。在另一實施例中，如圖1B所示，發光單元200a與發光單元200的結構類似，但透鏡100a的入光面110a的第一光學面111a亦可為平面。

另一方面，請再次參照圖1A，更詳細而言，在圖1A的 實施例中，第一光學面111與第二光學面113的相接處JT的梯度可設計為實質上不連續，亦即將相接處JT設計成一轉折處，而非弧形的彎曲處。然而，一般而言，當以射出成型的方式製作透鏡100時，透鏡100在脫模時，會於第一光學面111與第二光學面113的相接處JT形成一個梯度呈急劇變化的微小弧面。舉例而言，在本實施例中，第一光學面111與第二光學面113於透鏡100外的外角的角度α是落在114度至124度的範圍內。在此，外角的定義為第一光學面111於相接處JT的切平面與第二光學面113於相接處JT的切平面於透鏡100外的夾角。此外，第一光學面111的寬度d與第二光學面113的寬度D的比值是落在1/13至1/11 的範圍內。應注意的是，此處的數值範圍皆僅是做為例示說明之用，其並非用以限定本發明。

此外，如圖1A所示，在本實施例中，反射曲面120相對於入光面110，並於透鏡100的中央形成一第一凹陷RS1。出光側面130連接入光面110與反射曲面120。此外，在本實施例中，透鏡100更包括一外圍表面140，環繞第二光學面113，且外圍表面140經由一表面PS連接第二光學面113，其中第一光學面111與第二光學面113相對於外圍表面140陷下，以形成相對於第一凹陷RS1的一第二凹陷RS2。舉例而言，在本實施例中，反射曲面120與出光側面130的相接處的夾角β例如是落在73度至83度的範圍內，出光側面130與外圍表面140的相接處的夾角γ例如是落在79度至89度的範圍內。此外，第一凹陷RS1沿著光軸O切開所得到的截線的夾角θ例如是落在42度至52度的範圍內。應注意的是，此處角度的數值範圍皆僅是做為例示說明之用，其並非用以限定本發明。

舉例而言，在另一實施例中，第一光學面111與第二光學面113於透鏡100外的外角的角度α可以是落在153度至163度的範圍內，第一光學面111的寬度d與第二光學面113的寬度D的比值可以是落在1/13至1/11的範圍內。而反射曲面120與出光側面130的相接處的夾角β可以是落在77度至87度的範圍內，出光側面130與外圍表面140的相接處的夾角γ可以是落在79度至89度的範圍內。此外，第一凹陷RS1沿著光軸O切開所得到 的截線的夾角θ可以是落在38度至48度的範圍內。其中，當光線通過在第二光學面113上的位置處的第二光學面113的切線相對於光軸O所夾的銳角大到一定程度時，光線會被會聚，即朝靠近光軸O的方向轉向，而當光線通過在第二光學面113上的位置處的第二光學面113的切線相對於光軸O所夾的銳角小到一定程度時，則光線會被發散，即朝遠離光軸O的方向轉向。本發明不限定此切線與光軸O所夾的銳角是大到會使光線會聚的程度，或是小到會使光線發散的程度，此點可依實際需求來作調整。

進一步而言，在本實施例中，當發光元件210發光時， 發光元件210可發出一光束60，光束60經由入光面110進入透鏡100中。更具體而言，在本實施例中，光束60包括以不同角度入射至透鏡100中的一第一子光束61、一第二子光束63以及一第三子光束65。在本實施例中，部份第一子光束61依序穿透入光面110的第一光學面111、被反射曲面120反射及穿透出光側面130，部份第一子光束61穿透該第一光學面111後，於近光軸O處經由反射曲面120出射透鏡100，第二子光束63依序穿透入光面110的第二光學面113、被反射曲面120反射及穿透出光側面130，第三子光束65則在穿透連接外圍表面140與第二光學面113的表面PS後，經由出光側面130出射透鏡100。更詳細而言，如圖1A及圖2所示，當第一子光束61穿透第一光學面111後，會朝著靠近光軸O的方向轉向，而當第二子光束63穿透第二光學面113後，會朝著靠近光軸O的方向轉向。進一步而言，在本實施例中，藉 由透鏡100的第一光學面111以及第二光學面113所形成的第二凹陷RS2的結構設計，第一子光束61的光發散角度將會小於第二子光束63的光發散角度。

此外，在本實施例中，亦可選擇性地於外圍表面140上設置反射片、反射板或反射層等可用以反射光線的反射結構(未繪示)。如此一來，如圖2所示，部分光線則在穿透第二光學面113之靠近表面PS之斜率較為平緩的部分後，會依序被反射曲面120及出光側面130反射回透鏡100的外圍表面140處時，將可再被上述反射結構反射至光軸O附近，以補足發光單元200中央上方處的光線。

如此一來，圖1A的發光單元200將可使得發光元件210所能提供的部份光束60的光線可被適當地會聚在近光軸O處，其他部分的光束60則可藉由反射曲面120被全反射至出光側面130，而可避免在近光軸O處會產生中心暗區，並能達到均勻的整體光能量分佈。

另一方面，請再次參照圖1B，由於圖1B的發光單元200a亦與發光單元200的結構類似，因此亦可使得發光元件210所能提供的部份光束60的光線可被適當地穿透透鏡的近光軸O處，其他部分的光束60則可藉由反射曲面120被全反射至出光側面130，而可避免在近光軸O處會產生中心暗區，並能達到與發光單元200類似的功能，在此就不予贅述。

圖3是本發明一實施例的一種直下式光源模組的架構示 意圖。請參照圖3，本實施例的直下式光源模組300包括多個發光單元200，一反射單元310、一擴散板320以及至少一光學膜片330。詳細而言，在本實施例中，反射單元310及擴散板320共同形成一容置空間S1，發光單元200排成一陣列，並被容置在容置空間S1中，亦即反射單元310為一燈箱，但本發明不以此為限。在另一實施例中，反射單元310亦可以是設於燈箱底部的反射片。此外，擴散板320並位於反射單元310及一光學膜片330之間。在本實施例中，光學膜片330可包括稜鏡片、擴散片、其他光學膜片的至少其中之一，但本發明不以此為限。

具體而言，請參照圖2與圖3，在本實施例中，反射單元310及擴散板320配置於來自發光單元200的光束60的傳遞路徑上，且發光單元200分佈於擴散板320的一側。進一步而言，當光束60自透鏡100出光後，光束60大部份會經由出光側面130的上半部射出透鏡100，再直接傳遞至擴散板320。如此，將可減少光束60會經由出光側面130而水平射出，並再經由反射單元310向上反射的光會在擴散板320上集中的現象，而可避免於擴散板320上會產生較大的亮暗比。更進一步而言，當光線被傳遞擴散板320處時，直下式光源模組300將可透過擴散板320使光線分佈均勻化，並藉由光學膜片330來修正出光方向，以提升直下式光源模組300的正向輝度。

此外，在本實施例的透鏡100、發光單元200及直下式光源模組300中，由於發光元件210所能提供的部份光束60的光線 可被適當地會聚在近光軸O處，其他部分的光束60則可藉由反射曲面120被全反射至出光側面130，因此當將發光單元200應用於直下式光源模組300中時，將可避免在發光單元200的近光軸O處會產生中心暗區的情形。如此一來，本實施例的直下式光源模組300可提供均勻的面光源。

綜上所述，本發明的實施例的透鏡、發光單元及直下式光源模組藉由第一光學面以及第二光學面所形成的第二凹陷的結構設計，可使得發光元件所能提供的部份光束的光線可被適當地穿透透鏡的近光軸處，其他部分的光束則可藉由反射曲面被全反射至出光側面，而使發光單元能避免在近光軸處產生中心暗區，並因此能達到均勻的整體光能量分佈，進而使直下式光源模組提供均勻的面光源。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

60‧‧‧光束

61‧‧‧第一子光束

63‧‧‧第二子光束

65‧‧‧第三子光束

100‧‧‧透鏡

110‧‧‧入光面

111‧‧‧第一光學面

113‧‧‧第二光學面

120‧‧‧反射曲面

130‧‧‧出光側面

140‧‧‧外圍表面

200‧‧‧發光單元

210‧‧‧發光元件

RS1‧‧‧第一凹陷

RS2‧‧‧第二凹陷

PS‧‧‧表面

JT‧‧‧相接處

O‧‧‧光軸

α、β、γ、θ‧‧‧角度

d、D‧‧‧距離

Claims (10)

1. 一種透鏡，包括：一入光面，包括：一第一光學面，該第一光學面為平面或凸面；以及一第二光學面，該第一光學面與該第二光學面連接，該第一光學面與該第二光學面的相接處的梯度呈急劇地變化，且該第二光學面往靠近該透鏡的一光軸的方向凸起；一反射曲面，相對於該入光面，且該反射曲面於該透鏡的中央形成一第一凹陷；以及一出光側面，連接該入光面與該反射曲面。
2. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡，其中該透鏡相對於該光軸為軸對稱。
3. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡，其中該第一光學面位於該光軸上。
4. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡，其中該第一光學面與該第二光學面於該透鏡外的外角的角度是落在114度至124度的範圍內。
5. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡，其中該第一光學面沿著實質上平行於該光軸的方向凸起。
6. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡，更包括：一外圍表面，環繞該第二光學面，其中該第一光學面與該第二光學面相對於該外圍表面陷下，以形成相對於該第一凹陷的一 第二凹陷。
7. 一種直下式光源模組，包括：多個發光單元，排成一陣列，每一該發光單元包括：一透鏡，包括：一入光面，包括：一第一光學面，該第一光學面為平面或凸面；以及一第二光學面，該第一光學面與該第二光學面連接，該第一光學面與該第二光學面的相接處的梯度呈急劇地變化，且該第二光學面往靠近該透鏡的一光軸的方向凸起；一反射曲面，相對於該入光面，且該反射曲面於該透鏡的中央形成一第一凹陷；以及一出光側面，連接該入光面與該反射曲面；以及一發光元件，發出一光束，其中當該第一光學面為凸面時，該第一光學面朝向該發光元件凸起，且該光束經由該入光面進入該透鏡中。
8. 如申請專利範圍第7項所述的直下式光源模組，其中該光束包括一第一子光束以及一第二子光束，部份該第一子光束依序穿透該入光面的該第一光學面、被該反射曲面反射及穿透該出光側面，部份該第一子光束穿透該第一光學面後，於近光軸處經由該反射曲面出射該透鏡，該第二子光束依序穿透該入光面的該第 二光學面、被該反射曲面反射及穿透該出光側面，且該第一子光束的光發散角度小於該第二子光束的光發散角度。
9. 如申請專利範圍第8項所述的直下式光源模組，其中當該第一子光束穿透該第一光學面後，會朝著靠近該光軸的方向轉向，且當該第二子光束穿透該第二光學面後，會朝著靠近該光軸的方向轉向。
10. 如申請專利範圍第7項所述的直下式光源模組，其中該透鏡更包括一外圍表面，該外圍表面環繞該第二光學面，且該第一光學面與該第二光學面相對於該外圍表面陷下，以形成相對於該第一凹陷的一第二凹陷。