TW201604605A - 發光裝置及應用其之背光模組與液晶顯示裝置 - Google Patents

Abstract

一種發光裝置，包括一發光元件以及一二次光學元件。發光元件具有一光出射面。二次光學元件具有一出光面、一入光面以及一底面，底面係自入光面延伸並與出光面連接。出光面對稱於發光元件之一光軸，其中出光面包含一平面部、一外凸曲面部，平面部位於出光面之中央，外凸曲面部係位於平面部之外圍。入光面係為一內凹曲面，且對稱於光軸並包含一第一曲面、一第二曲面，形成一內凹開口，以容納發光元件，其中第一曲面位於入光面之中央，第二曲面係連接於底面。

Description

發光裝置及應用其之背光模組與液晶顯示裝置

本發明是有關於一種發光源，且特別是有關於一種發光裝置及應用其之背光模組與液晶顯示裝置。

背光模組主要用於顯示器中，以做為顯示器之背光源。為了節省電力，背光模組以陣列排列的發光二極體(LED)為主，然而發光二極體的亮度分佈不均，常常會因為發光二極體的亮度過度集中而產生光苞(hot spot)，而兩相鄰之發光二極體之間的區域會因為亮度不均勻而出現暗區，影響背光模組的光均勻性(均齊度)。此外，在發光二極體的發光區域內，相對於中心軸以較小角度出射的光線大多集中在中央區域，因而中央區域的亮度明顯大於周圍區域的亮度，若為了改善光均勻性的問題，必須增加擴散片的數量，不僅增加背光模組的製程，且造成背光模組的成本增加。因此，傳統的背光模組的缺陷有待改善。

本發明係有關於一種發光裝置及應用其之背光模組 與液晶顯示裝置，藉以改善發光裝置的光均勻性。

根據本發明之一方面，提出一種發光裝置，包括一發光元件以及二次光學元件。發光元件具有一出光面。二次光學元件具有一出光面、一入光面以及一底面，底面係自入光面延伸並與出光面連接。出光面對稱於發光元件之一光軸，其中出光面包含一平面部、一外凸曲面部，平面部位於出光面之中央，外凸曲面部係位於平面部之外圍。入光面係為一內凹曲面，且對稱於光軸並包含一第一曲面、一第二曲面，形成一圓錐形內凹開口，以容納發光元件，其中第一曲面位於入光面之中央，第二曲面係連接於底面。第一曲面具有一第一曲率半徑(R1)，第二曲面具有一第二曲率半徑(R2)，第一曲率半徑與第二曲率半徑為不同。

根據本發明之一方面，提出一種背光模組，包括：一燈箱；一電路板設置於燈箱內；上述之發光裝置，呈陣列排列，並配置於電路板上；以及一光學膜片，覆蓋上述之發光裝置。

根據本發明之一方面，提出一種液晶顯示器，包括：一液晶顯示面板；一燈箱；一電路板設置於燈箱內；上述之發光裝置，呈陣列排列，並配置於電路板上；以及一光學膜片，覆蓋上述之發光裝置，且光學膜片位於液晶顯示面板與燈箱之間。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

10‧‧‧背光模組

20‧‧‧液晶顯示裝置

100‧‧‧發光裝置

110‧‧‧發光元件

111‧‧‧光出射面

120‧‧‧二次光學元件

121‧‧‧平坦面

121a‧‧‧外連接部

122‧‧‧外凸曲面部

123‧‧‧底面

124‧‧‧入光面

125‧‧‧第一曲面

126‧‧‧第二曲面

127‧‧‧圓錐形內凹開口

128‧‧‧出光面

130‧‧‧電路板

140‧‧‧燈箱

150‧‧‧光學膜片

200‧‧‧液晶顯示面板

C‧‧‧光軸

O‧‧‧光源中心點

T‧‧‧頂點

Hmin‧‧‧最小值

S‧‧‧內連接部

R1‧‧‧第一曲率半徑

R2‧‧‧第二曲率半徑

R3‧‧‧第三曲率半徑

L1‧‧‧第一光線

L2‧‧‧第二光線

L3‧‧‧第三光線

L4‧‧‧第四光線

第1A圖繪示依照本發明一實施例之發光裝置的元件分解圖。

第1B圖繪示第1A圖之二次光學元件的底視圖。

第1C圖繪示第1A圖之二次光學元件沿著A-A線的剖面示意圖。

第1D圖繪示二次光學元件的內凹曲面的曲率設計。

第2圖繪示由光源中心點O發出之光線的光路圖。

第3A圖為經由傳統光學元件射出之光線的輝度相對於出光角度的曲線圖。

第3B圖為經由本發明之二次光學元件射出之光線的輝度相對於出光角度的曲線圖。

第4圖繪示依照本發明一實施例之背光模組的元件分解圖。

第5圖繪示依照本發明一實施例之液晶顯示裝置的元件分解圖。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。

請參照第1A~1C圖，其中第1A圖繪示依照本發明一實施例之發光裝置100的元件分解圖，第1B圖繪示第1A圖之二次光學元件120的底視圖，第1C圖繪示第1A圖之二次光學元件120沿著A-A線的剖面示意圖。發光裝置100包括一發光元件110以及一覆蓋於發光元件110上方的二次光學元件120。二次光學元件120為一透鏡，其折射率例如介於1.45~1.65之間，透鏡的材質可為聚甲基丙烯酸甲酯等之透明材料，可將發光元件110 發出的光線導向遠離光軸C的方向。在一實施例中，發光元件110可為發光二極體或其他半導體發光元件。

在第1A及1B圖中，二次光學元件120的出光面128包含一平面部121以及一外凸曲面部122。平面部121位於出光面128之中央，外凸曲面部122係位於平面部121之外圍。此外，當二次光學元件120配置發光元件110上時，二次光學元件120的出光面128對稱於發光元件110之一光軸C，且入光面124對稱於光軸C並包含一第一曲面125以及一第二曲面126。第一曲面125位於入光面124之中央，第二曲面126係連接於底面123。入光面124形成一內凹開口127，以容納發光元件110。此外，二次光學元件120的底面123係自入光面124延伸並與出光面128連接。

另外，在第1A及1B圖中，出光面128包含一外連接部121a，且外連接部121a連接平面部121以及外凸曲面部122。入光面124包含一內連接部S，且內連接部S連接第一曲面125以及第二曲面126。在一實施例中，內連接部S分別與第一曲面125與第二曲面126相切。此外，外連接部121a之曲率半徑為漸變的曲率半徑。在一實施例中，外連接部121a之曲率半徑由平面部121往外凸曲面部122漸減，以使外連接部121a平順地連接於平面部121與外凸曲面部122之間。

發光元件110具有一光出射面111，且發光元件110的光源中心點O大致上位於光軸C上，由光源中心點O發出的 光線大致上對稱光軸C，並經由內凹開口127入射至二次光學元件120的內部。在第1B及1C圖中，且內凹開口127的尺寸由上而下依序增加，以形成一上窄下寬的對稱開口結構。

此外，入光面124具有一頂點T，位於光軸C上，且平面部121的中心與頂點T之間具有一最小距離。如第1C圖所示，二次光學元件120的厚度於平面部121的中心與入光面124之頂點T之間具有一最小值Hmin，以避免二次光學元件120破孔。

請參照第1D圖，其繪示二次光學元件120的內凹曲面124的曲率設計。具體而言，第一曲面125具有第一曲率半徑R1，第二曲面126具有第二曲率半徑R2，其中第一曲率半徑R1與第二曲率半徑R2不同。第一曲率半徑R1例如大於第二曲率半徑R2。在一實施例中，第一曲率半徑R1的範圍介於4mm~20mm之間，而第二曲率半徑R2的範圍介於0.5mm~2.7mm之間。例如：第一曲率半徑R1介於8mm~10mm之間，而第二曲率半徑R2介於2mm~2.5mm之間。較佳地，第二曲率半徑R2可隨著第一曲率半徑R1調整，例如隨著第一曲率半徑R1的增加而增加，或隨著第一曲率半徑R1的減少而減少，或與上述的情形相反，本發明對此不加以限制。

此外，在第1D圖中，外凸曲面部122具有一第三曲率半徑R3，其可介於第一曲率半徑R1與第二曲率半徑R2之間。例如：第一曲率半徑R1介於8mm~10mm，而第二曲率半徑 R2介於2mm~2.5mm，而第三曲率半徑R3介於5mm~6mm之間。

如第1D圖所示，第一曲面125的曲率中心與第二曲面126的曲率中心位於入光面124的相異側，以使第一曲面125與第二曲面126分別往入光面124的相異側凸出。也可以說，第一曲面125與第二曲面126交會於內連接部S，而第一曲面125為由內連接部S朝平面部121彎曲的內凹曲面，且第二曲面126為由內連接部S朝底面123彎曲的外凸曲面。在一實施例中，內連接部S可為一直線或曲線，其兩端分別連接第一曲面125與第二曲面126，且內連接部S分別與第一曲面125與第二曲面126相切，以使內連接部S平順地連接於第一曲面125與第二曲面126之間。

請參照第2圖，其繪示由光源中心點O發出之光線的光路圖。在第2圖中，L1表示相對於光軸C以較小角度的第一光線入射進二次光學元件120，例如是角度介於30°~60°之間的光線，且第一光線L1經由第一曲面125折射後朝遠離光軸C的方向折射。此外，折射後的第一光線L1再經由外凸曲面部122第二次折射而往遠離光軸C的方向射出二次光學元件120，使第一光線L1控制在朝向相對於光軸C的角度介於50°~80°之間(或60°~70°之間)的目標位置P1。

另外，在第2圖中，L2表示相對於光軸C以較大角度出射的第二光線，例如是角度介於60°~85°之間的光線，且第二光線經由第二曲面126折射後朝靠近光軸C的方向折射。此 外，折射後的第二光線L2再經由外凸曲面部122第二次折射而往遠離光軸C的方向射出二次光學元件120，使第二光線L2控制在朝向相對於光軸C的角度介於50°~80°之間(或60°~70°之間)的目標位置P1。

再者，在第2圖中，L3、L4表示相對於光軸C以更小角度出射的第三光線及第四光線，例如是角度介於20°~35°與0°~20°之間的光線。第三光線L3經由第一曲面125及外連接部121a折射後朝遠離光軸C的方向折射，而第四光線L4經由第一曲面125及平面部121折射後朝遠離光軸C的方向折射，以使第三光線L3、第四光線L4控制在朝向相對於光軸C的角度介於30°~50°之間的目標位置P2。

在上述實施例中，雖未繪示垂直中心區域(對應目標位置P3)出射的光線，但由實驗數據可知，由於光學元件110發出的大部分光線均朝遠離光軸C的方向折射，使得中央區域的輝度值可低於周圍區域的輝度值，以改善光均勻性的問題。

請參照第3A圖及第3B圖，其中第3A圖為經由傳統光學元件射出之光線的輝度相對於出光角度的曲線圖，而第3B圖為經由本發明之二次光學元件120射出之光線的輝度相對於出光角度的曲線圖。在第3A圖中，傳統光學元件之頂面設計為內凹面，而本發明使用之二次光學元件120具有平坦頂面(即平面部)。經比對可發現，利用本發明所測得的中央區域(0°~20°之間)的輝度值，相對於第3A圖中所測得的中央區域的輝度值可 減少50%左右。

此外，本發明採用具有多曲率之內凹曲面124的二次光學元件120，可使光線被控制在朝向相對於光軸C的角度介於30°~50°之間及50°~80°之間的目標位置P1、P2，如第2圖所示。因此，利用本發明所測得的周圍區域(30°~80°之間)的輝度值，相對於第3A圖中所測得的周圍區域的輝度值明顯增加。

此外，由於本發明採用平坦頂面(即平面部)且具有多曲率之內凹曲面124的二次光學元件120，相對於傳統光學元件具有更優異的光學特性，使其厚度相對於傳統光學元件更薄(可減少10%的厚度)，且尺寸相對於傳統光學元件更小，因此組裝後的發光裝置100所佔的體積更小，更能符合薄形化要求。

接著，請參照第4圖，其繪示依照本發明一實施例之背光模組10的元件分解圖。此背光模組10包括上述以陣列排列之複數個發光裝置100、一電路板130、一燈箱140以及一光學膜片150。上述之發光裝置100配置於燈箱140內的電路板130上，並且各個發光元件110與電路板130電性連接。此外，光學膜片150覆蓋發光裝置100的上方。在本實施例中，由於各個發光裝置100之中央區域的輝度值低於周圍區域的輝度值，因此光線可均勻分佈在燈箱140中，再透過光學膜片150射出燈箱140之外。因此，可避免傳統背光模組容易發生光苞及亮度分佈不均勻的現象。

接著，請參照第5圖，其繪示依照本發明一實施例 之液晶顯示裝置20的元件分解圖。液晶顯示裝置20包括一液晶顯示面板200以及上述之背光模組10。液晶顯示面板200位於背光模組10之一側，且光學膜片150配置於液晶顯示面板200與燈箱140之間。發光裝置100產生的光可經由光學膜片150擴散或經由導光板(未繪示)反射之後再經由光學膜片150擴散，以使光均勻入射至液晶顯示面板200。背光模組可為直下出光式或側向出光式，此為本領域熟知之通常知識，本發明對此不加以限制。

本發明上述實施例所揭露之發光裝置及應用其之背光模組與液晶顯示裝置，係利用二次光學元件將發光元件發出的光線導向相對於光軸的角度介於30°~80°之間的目標位置，藉以增加周圍區域的輝度值，且中央區域的輝度值可低於周圍區域的輝度值，以改善光均勻性的問題。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。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。

120‧‧‧二次光學元件

121‧‧‧平面部

122‧‧‧外凸曲面部

123‧‧‧底面

124‧‧‧入光面

125‧‧‧第一曲面

126‧‧‧第二曲面

R1‧‧‧第一曲率半徑

R2‧‧‧第二曲率半徑

R3‧‧‧第三曲率半徑

S‧‧‧第二連接部

T‧‧‧頂點

Claims (10)

1. 一種發光裝置，包括：一發光元件；以及一二次光學元件，具有一出光面、一入光面以及一底面，該底面係自該入光面延伸並與該出光面連接；該出光面對稱於該發光元件之一光軸，其中該出光面包含一平面部、一外凸曲面部，該平面部位於該出光面之中央，該外凸曲面部係位於該平面部之外圍；該入光面係為一內凹曲面，且對稱於該光軸並包含一第一曲面、一第二曲面，形成一內凹開口，以容納該發光元件，其中該第一曲面位於該入光面之中央，該第二曲面係連接於該底面，該第一曲面具有一第一曲率半徑(R1)，該第二曲面具有一第二曲率半徑(R2)，該第一曲率半徑與該第二曲率半徑為不同。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該第一曲率半徑大於該第二曲率半徑。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光裝置，其中該外凸曲面具有一第三曲率半徑(R3)，其介於該第一曲率半徑與該第二曲率半徑之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該出光面更包含一外連接部，其中該外連接部係連接該平面部以及該外凸曲面部，而該外連接部之曲率半徑為漸變的曲率半徑，且該外連接部之曲率半徑由該平面部往該外凸曲面部漸減。
5. 如申請專利範圍2項所述之發光裝置，其中該入光面更包 含一內連接部，其中該內連接部係連接該第一曲面以及該第二曲面，並分別與該第一曲面與該第二曲面相切。
6. 如申請專利範圍第2項所述之發光裝置，其中該第一曲面的曲率中心與該第二曲面的曲率中心位於該入光面的相異側。
7. 如申請專利範圍第2項所述之發光裝置，其中該第一曲面的曲率半徑(R1)係介於4mm≦R1≦20mm。
8. 如申請專利範圍第2項所述之發光裝置，其中該第二曲面的曲率半徑(R2)係介於0.5mm≦R2≦2.7mm。
9. 一種背光模組，包括：一燈箱；一電路板，設置於該燈箱內；如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，呈陣列排列，並配置於該電路板上；以及一光學膜片，覆蓋該些發光裝置。
10. 一種液晶顯示器，包括：一液晶顯示面板；一燈箱；一電路板，設置於該燈箱內；如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，呈陣列排列，並配置於該電路板上；以及一光學膜片，覆蓋該些發光裝置，且位於該液晶顯示面板與該燈箱之間。