TW201918660A - 用於薄型直下式背光的極寬分佈發光二極體(led)透鏡 - Google Patents

用於薄型直下式背光的極寬分佈發光二極體(led)透鏡 Download PDF

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Abstract

所揭示的透鏡實現無熱點之均勻光分佈，與傳統透鏡相比，達成較寬之光傳輸功能，其好處在於減少直下式背光裝置之所需光源之數目及總成本。一所揭示的透鏡在其頂部上包含一光束塑形元件及一背光裝置，該背光裝置併入該透鏡及該光束塑形元件，以消除由該背光裝置產生之一光熱點並在照明場處獲得一均勻光分佈。當需要極寬傳輸功能或極薄背光時，該所揭示的透鏡係尤其有用的。

Description

用於薄型直下式背光的極寬分佈發光二極體(LED)透鏡
本文中之揭示大致係關於一種發光裝置及一種用於改良亮度均勻性之光學透鏡。
發光二極體(LED)光源通常及廣泛用於直下式背光照明。電腦、個人數位助理(PDA)、行動電話及薄型液晶顯示器(LCD)電視(TV)係使用直下式LED背光之背光螢幕裝置之一些實例。然而，LED之光強度分佈範圍係窄的，因此，一透鏡可用於一LED上，以幫助分佈光。
在直下式背光中，透鏡之一陣列經放置於光源之前方，以在背光裝置之表面上提供一更均勻光輸出。取決於透鏡之正上方之光點之尺寸或若透鏡之弧度角係窄的，則可需要大量LED，因此增加成本。可藉由增大各個別LED裝置之點尺寸而減少一背光所需之LED之數目。
本文中之揭示描述用以達成均勻光分佈而不產生一光熱點之光學透鏡及發光裝置設計，其好處在於減少直下式背光裝置之所需光源之數目及總成本。本文中之揭示係關於在其頂部上具有一光束塑形元件之一光學透鏡，及併入該透鏡及該光束塑形元件之一背光裝置或其他發光裝置，以在一目標表面處產生一均勻分佈之光。所揭示的透鏡及發光裝置在需要一寬或極寬之背光傳輸功能時係尤其有用的。
本文中，LED裝置可與發光裝置或背光裝置互換地使用，使得一LED光源或任何其他類型之光源可類似地用於一發光裝置中。直下式背光產業中之快速發展已產生對創新較寬及較均勻透鏡設計之一需求。由一LED透鏡提供之一寬得多的光分佈可藉由減少一背光中需要之LED裝置之總數目而顯著地減少該背光之成本。圖1係具有一凹光學透鏡102之一例示性LED裝置100(或發光裝置100)之一截面圖(在X至Z平面中所示之截面)。LED裝置100可包含但不限於包含以下組件：一透鏡102，其包含一內部彎曲表面112(亦稱為一光入射表面112)及一外部彎曲表面122(亦稱為一光出射表面122)；一光源104(例如，LED)；一基底表面114；及/或一擴散板116(或更通常一光接收器116)。
光源104可經安置於光學透鏡102之一中心及下部分處(例如，以透鏡102之光軸Z為中心)。例如，一紅色LED、一藍色LED或一綠色LED可經採用作為光源104。光源104可透過插座及端子(未展示)電連接至一電路板(未展示)以將電力應用至光源104。擴散板116可在螢幕背光中用於均勻地分佈來自光源104之光以減少或消除亮點，並可例如由不同厚度、不透明度或反射率之許多塑膠片組成。
凹光學透鏡102之形狀增大從光源104發射之光之光散射角(藉由箭頭展示)，藉此擴大LED裝置100上方之光點。自光源104發射之光首先在光入射表面112處且接著在透鏡102之光出射表面122處折射，使得來自光源104之射線經扇開並分佈遍及一較寬區域(例如，與無一透鏡之一單一LED光源相比)。在一實例中，外部彎曲表面122可包含以光軸Z為中心之一凹入部分，該凹入部分向透鏡102之光入射表面112向內凹入。
然而，歸因於在透鏡-空氣介面處(主要圍繞光出射表面122之中心(Z軸))發生之全內反射，自光源104產生之光之一部分可能被反射。反射光之部分由底部表面進一步反射回至照明場之中心，因此促成照明場之中心中(處於並圍繞Z軸)之相當強烈光之「熱點」。因此，透鏡102適於在所需輻射角不太寬時，分佈光。然而，當所需點尺寸足夠大時，使用凹透鏡102之背光裝置100可產生一不令人滿意的非均勻光分佈圖案。
隨著節能政策之引入，減少成本變成一重要挑戰。在許多應用中，點尺寸需求增大以藉由減少所使用之LED及透鏡之數目而節省成本。因此，減少LED裝置中之熱點持續為現存透鏡結構及LED裝置設計之一未處理問題。減少成本之一例示性方法係使用低成本中間功率LED來替代高功率LED。然而，通常由中間功率LED採用之較大晶粒尺寸(與高功率LED之小晶粒尺寸相比)可進一步加重熱點現象。用於減少成本之其他例示性方法可包含但不限於減少所使用之LED、印刷電路板(PCB)組及/或箔(膜)之數目。
因此，本發明之一目的係提供一種用於一光源之光學透鏡，該光學透鏡可減輕現存光學透鏡之前述缺點並在照明場上達成均勻光分佈。直下式背光產業中之快速發展已導致對創新較寬及較均勻透鏡設計之一需求。本文中揭示的透鏡設計實現均勻光分佈而不產生一光熱點，且因此具有與其他透鏡相比之一較寬之光傳輸功能並降低直下式背光裝置之總成本。
本發明係關於一種在其頂部表面上具有光束塑形元件之LED透鏡，及併入該透鏡以在一目標表面處產生一均勻分佈之光之一背光裝置或其他發光裝置。發光裝置包含一光源(例如，LED光源)及一透鏡本體，使得LED光源經容納於其入射表面中，且在透鏡本體之垂直方向上輻射自LED光源發射之光。光束塑形元件經緊固至透鏡本體之頂部並經組態以調整透過透鏡本體之出射表面(光出射表面)輻射之光束。可根據背光之需求，使用至少光束塑形元件來調整在垂直方向上輻射之光之量。光束塑形元件向後或向其他方向上輻射光以降低中心強度並緩解發光裝置之照明場上之熱點，因此改良總背光均勻性。當需要背光之極寬傳輸功能時，所揭示的透鏡係尤其有用的。下文更詳細描述本發明。雖然相對於背光裝置及LED光源描述本發明，但熟習此項技術者應瞭解，所揭示的透鏡設計可類似地與其他光源及光源裝置使用。
圖2係根據本文中揭示之一例示性發光裝置200 (例如，一背光裝置)之一截面圖。背光裝置200可包含但不限於包含以下組件：一光學透鏡202，其包含一光入射表面212(亦稱為一內部彎曲表面212)及一光出射表面222(亦稱為一外部彎曲表面222)；一LED光源204，其經耦合至透鏡202；一基板206，其經耦合至透鏡202及LED光源204；及/或一光束塑形元件210，其憑藉突部214而經定位於透鏡202之上方並經緊固至透鏡202之頂部。背光裝置200可進一步包含未展示之其他元件。例如，背光裝置200可包含可經定位於光束塑形元件210之上方之一擴散板(未展示)。
LED光源204經定位於圓形(X,Y,Z)座標之中心處，並以透鏡202之光軸Z為中心。透鏡202之入射表面212經組態以在其下部分中容納LED光源204。LED光源204可經形成於一基板206上。基板206可為一平板，並可由電絕緣材料製成，該等電絕緣材料包含但不限於以下例示性材料：陶瓷、矽、藍寶石及/或碳化矽。基板206之頂部表面與LED光源204電連接並將電力提供至LED光源204。
透鏡202關於Z軸中心對稱。入射表面212經定位於LED光源204之一中心部分處，並接收自LED光源204發出之光。光出射表面222經安置以形成一預定光分佈並亦關於中心Z軸對稱。可根據對背光裝置200之輻射角需求來調整入射表面212及光出射表面222之彎曲及相對位置。在一實例中，光出射表面222可包含以光軸Z為中心之一凹入部分，該凹入部分向透鏡102之光入射表面112向內凹入。光束塑形元件210可藉由突部214而經緊固至透鏡202之光出射表面222之頂部，使得透鏡202及光束塑形元件210可更準確地執行其等各別光擴散功能。
用於光束塑形元件210之材料之實例包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)或玻璃。用於光束塑形元件210之材料可與用於透鏡202之材料相同或不同。在一實例中，三或三個以上突部214可用於將光束塑形元件210緊固至透鏡202，但是可使用任何數目個突部214。在一實例中，多個突部214之各者之高度可為相同的，以便使光束塑形元件210水平於基板206。在另一實例中，突部214可儘可能薄以避免阻擋光。在另一實例中，突部214可用紫外線(UV)膠或其他黏著材料而經固定至透鏡202。然而，在本文中之揭示之範疇內，可將突部之高度、厚度及數目調整至其他值。
光束塑形元件210可經緊固至光出射表面222之中心部分，並可以光軸Z為中心。根據本文中之揭示，源自光源204並自光出射表面222發射之光之一部分係由光束塑形元件210反射回，而光之另一部分直接透過光束塑形元件210輻射。此可藉由形成光束塑形元件210之底部表面216以部分地輻射並部分地反射光而達成。在一實例中，光束塑形元件210可經形成為具有光束塑形元件210之底部表面216上之一點圖案，使得點圖案允許光之一部分透過光束塑形元件210(例如，透過點之間之空間)輻射，同時(例如，藉由點)反射光之其他部分。下文參考圖4A及圖4B更詳細描述點圖案之例示性設計。可根據來自透鏡202之熱點尺寸來調整光束塑形元件210之尺寸及/或位置，以便減少或消除透鏡202之中心部分處之光熱點。
圖3係圖2中所示之例示性背光裝置200之一三維(3D)透視(側視)圖。自透鏡202之光出射表面222發射之光入射於光束塑形元件210之底部上，並形成一光區域，根據光束塑形元件210之底部表面216上之圖案(例如，一點圖案)之分佈將光調變至該光區域。例如，若使用一點圖案，則光之一部分在存在一點的位置被反射回，且光之另一部分在不存在一點的位置透過光束塑形元件210輻射。因此，防止照明(即，在一給定方向上每單位面積自一表面發射之光的強度)集中在透鏡202之中心Z軸上，因此消除透鏡202之上方之熱點。光束塑形元件210之尺寸、高度及/或厚度可例如基於背光裝置200之需求而改變並調整。
在一實例中，光束塑形元件210可在組裝容限(例如，0.2 mm或在光束塑形元件210與透鏡202之間之一距離)內儘可能靠近透鏡202定位。在另一實例中，可使光束塑形元件210之厚度儘可能薄以避免吸收更多光。光束塑形元件210之尺寸可根據透鏡202之熱點尺寸來優化。例如，光束塑形元件210之尺寸可與熱點尺寸成比例(即，一較大光束塑形元件210用於一較大熱點尺寸)。
圖4A及圖4B係圖2中所示之例示性背光裝置200中之光束塑形元件210之底部表面216之平面圖並繪示例示性點圖案213A及213B。如上文所描述，一圖案(諸如點圖案213A或213B)可經形成於光束塑形元件210之底部表面216上。點圖案213A及213B經分佈，使得光係由光束塑形元件210之底部表面216上之點反射回，其中光太亮。可藉由改變點之數目、尺寸、位置及/或形狀而實施一點圖案。例如，點圖案213A展示與點圖案213B相比更靠近在一起之更大點。儘管展示圓點，但可使用其他形狀(例如，菱形、橢圓形、矩形等)之點。此外，雖然點圖案213A及213B經展示為規則的，但可使用不規則點圖案。在一實例中，可使用一反射塗層(諸如反射光而非透射光之鋁化表面(鋁膜))來製造點圖案。例如，鋁膜可反射超過85%之進入其中之光。在另一實例中，可使用一墨塗層來製造點，該墨塗層吸收進入其中之光之部分(例如，光之40%至50%)，並反射回剩餘之光。
圖5係根據本文中之揭示之另一例示性發光裝置500 (例如，一背光裝置)之一截面圖。背光裝置500可包含但不限於包含以下組件：一透鏡502，其包含一光入射表面512(亦稱為一內部彎曲表面512)、一光出射表面522(亦稱為一外部彎曲表面522)、一支撐基底538及一底部表面540；一LED光源504，其經耦合至透鏡502；一基板506，其經耦合至透鏡502及LED光源504；及/或一光束塑形元件530，其包含一內部表面532及一外部表面534。背光裝置200可進一步包含未展示之其他元件。
LED光源504經定位於圓形(X,Y,Z)座標之中心處，並以透鏡502之光軸Z為中心。如圖5中所示，透鏡502及光束塑形元件530關於中心Z軸中心對稱。光束塑形元件530可經固定於透鏡502之支撐基底538上。光束塑形元件530之內部表面532可與透鏡502之光出射表面522間隔開。換言之，在光束塑形元件530之內部表面532與透鏡502之光出射表面522之間可存在一間隙。例如，間隙可為0.2 mm或更大以避免光束塑形元件530及透鏡502之組裝碰撞。
光束塑形元件530之外部表面534可具有與光出射表面522之曲率相同或不同之一曲率。在一實例中，外部表面534、內部表面532及光出射表面522不具有相同曲率。例如，外部表面534或內部表面532可具有與光出射表面522相同之曲率，或外部表面534及內部表面532兩者具有不同於出射表面522之曲率。
自LED光源504產生之光透過光入射表面512折射至透鏡502中。光之部分透過光出射表面522直接折射出透鏡502並折射至光束塑形元件530上，而一些或大部分光歸因於全內反射而由光出射表面522反射回。經反射光之部分進一步由透鏡502之底部表面540透過光束塑形元件530之內部表面532反射回至光束塑形元件530之中心部分(圍繞Z軸)。折射至光束塑形元件530之光進一步透過光束塑形元件530透射。在外部表面534之空氣-表面介面處具有大於全內反射之一臨界角之一入射角之光歸因於全內反射而反射回。因此，藉由光束塑形元件530之反射消除發光裝置500上方之熱點。
在一實例中，光束塑形元件530之內部表面532及外部表面534可為光滑表面。光束塑形元件530可在圍繞Z軸之一中心部分處凹入，使得穿透光束塑形元件530之中心軸Z之一垂直截面具有一實質上「M」形構形。在一實例中，光束塑形元件530可在最薄位置處儘可能薄，以便節省材料並減少材料吸收。例如，光束塑形元件530可為0.4 mm厚。光束塑形元件530與透鏡502之間之空間或間隙可為至少0.2 mm以考慮組裝容限。
圖6係來自圖5中所示之例示性背光裝置500之光束塑形元件530(在左側)及透鏡502(在右側)之3D透視(底部及側視)圖。自LED光源504發射之光係藉由透鏡502之入射表面512及光出射表面522循序擴散，且接著藉由光束塑形元件530之內部表面532及外部表面534擴散。光藉由透鏡502及光束塑形元件530以不同度數發散地擴散，且因此變得較均勻地分佈。光束塑形元件530可經固定於透鏡502之支撐基底538之頂部表面上。
根據本文中之揭示，透過一透鏡發射之光之一部分進一步自光學透鏡之光束塑形元件反射並折射，使得熱點被消除。上文所描述之實施例提供所揭示之光束塑形元件之實例，使得其他形狀、材料及結構可用於在本文中之揭示之範疇內重新引導光。
在本文中描述之揭示中，光學透鏡及/或光束塑形元件可由任何材料製成，該材料包含但不限於以下材料：PMMA；PET；PC；及/或玻璃。用於光束塑形元件之材料可與用於透鏡之材料相同或不同。本文中描述之揭示包含例示性實施例，使得熟習此項技術者可修改、變更、省略所描述之元件或用等效元件替代所描述之元件。
100‧‧‧發光二極體(LED)裝置/背光裝置
102‧‧‧凹光學透鏡
104‧‧‧光源
112‧‧‧光入射表面/內部彎曲表面
114‧‧‧基底表面
116‧‧‧擴散板/光接收器
122‧‧‧光出射表面/外部彎曲表面
200‧‧‧發光裝置/背光裝置
202‧‧‧光學透鏡
204‧‧‧發光二極體(LED)光源
206‧‧‧基板
210‧‧‧光束塑形元件
212‧‧‧光入射表面/內部彎曲表面
213A‧‧‧點圖案
213B‧‧‧點圖案
214‧‧‧突部
216‧‧‧底部表面
222‧‧‧光出射表面/外部彎曲表面
502‧‧‧透鏡
504‧‧‧發光二極體(LED)光源
506‧‧‧基板
512‧‧‧光入射表面/內部彎曲表面
522‧‧‧光出射表面/外部彎曲表面
530‧‧‧光束塑形元件
532‧‧‧內部表面
534‧‧‧外部表面
538‧‧‧支撐基底
540‧‧‧底部表面
圖1係具有一凹光學透鏡之一例示性發光二極體(LED)裝置之一截面圖；
圖2係具有光學透鏡及光束塑形元件之一例示性背光裝置之一截面圖；
圖3係圖2中所示之例示性背光裝置200之一三維(3D)透視(側視)圖；
圖4A及圖4B係展示例示性點圖案之圖2中所示之例示性背光裝置中之光束塑形元件之底部表面之平面圖；
圖5係具有光學透鏡及光束塑形元件之另一例示性背光裝置之一截面圖；及
圖6係圖5中所示之例示性背光裝置之3D透視(底部及側視)圖。

Claims (20)

  1. 一種發光裝置，其包括： 一光源； 一光學透鏡，其經耦合至該光源並定位於該光源之上方，該光學透鏡包含相對於該光學透鏡之一光軸及該光源徑向對稱之一內部彎曲表面及一外部彎曲表面；及 一光束塑形元件，其經耦合至該光學透鏡並定位於該光學透鏡之上方，該光束塑形元件經組態以散射並重新引導源自該光源並自該光學透鏡折射之光之至少一部分，從而在該發光裝置之上方之一光場上產生一均勻光強度分佈圖案。
  2. 如請求項1之發光裝置，其進一步包括： 一基板，該光源經形成於該基板之一頂部表面上。
  3. 如請求項1之發光裝置，其包含相對於該光學透鏡之該光軸及該光源徑向對稱之該光束塑形元件。
  4. 如請求項1之發光裝置，其進一步包括： 經組態以將該光束塑形元件緊固至該光學透鏡之一頂部表面之突部。
  5. 如請求項1之發光裝置，其包含該光束塑形元件之一底部表面，該光束塑形元件之該底部表面進一步包含該光束塑形元件之該底部表面上之一圖案，該圖案反射源自該光源並自該透鏡折射之光之一部分並透過該光束塑形元件輻射源自該光源並自該光學透鏡折射之光之另一部分。
  6. 如請求項5之發光裝置，其包含該圖案係點之一圖案，該等點反射光且點之間之空間輻射光。
  7. 如請求項6之發光裝置，該等點具有如下之一者之一形狀：圓形、菱形、橢圓形或矩形。
  8. 如請求項5之發光裝置，其包含該圖案係由一反射塗層製成。
  9. 如請求項8之發光裝置，其包含該反射塗層係至少部分吸收性之一墨。
  10. 如請求項1之發光裝置，其包含該光束塑形元件包含一內部表面及一外部表面。
  11. 如請求項10之發光裝置，其包含該光學透鏡之該外部彎曲表面與該光束塑形元件之該內部表面之間之一間隙。
  12. 如請求項10之發光裝置，其包含該光束塑形元件之該外部表面具有不同於該光學透鏡之該外部彎曲表面之一曲率。
  13. 如請求項10之發光裝置，其包含該光束塑形元件之該內部表面及該外部表面係光滑表面。
  14. 如請求項10之發光裝置，其包含該光束塑形元件之該外部表面包含以該光軸為中心之一凹入部分，該凹入部分向該光束塑形元件之該內部表面向內凹入。
  15. 如請求項1之發光裝置，其包含該光學透鏡之一支撐基底及固定於該光學透鏡之該支撐基底之一頂部表面上之該光束塑形元件。
  16. 如請求項1之發光裝置，其進一步包括： 定位於該光束塑形元件之上方之一擴散板，該擴散板經組態以均勻分佈自該光束塑形元件輻射之光。
  17. 如請求項1之發光裝置，其包含由以下材料之一者製成之該光學透鏡：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)或玻璃。
  18. 如請求項1之發光裝置，其包含由以下材料之一者製成之該光束塑形元件：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)或玻璃。
  19. 如請求項1之發光裝置，其用作一螢幕背光。
  20. 如請求項1之發光裝置，其包含經組態為一發光二極體(LED)之該光源。
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