TWI286614B - A set of optical prisms and associated application for a light-emitting apparatus - Google Patents

Description

1286614 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種光學稜鏡組及應用該稜鏡纟且之 置，特別是關於一種應用於發光二極體光源的背光模組;，= 善光線均勻度的光學稜鏡組。 '' 【先前技術】 -

發光二極體(LED)是一種直接把電能轉化爲光能的發光 元件，並具有工作電壓低，耗電量少；性能穩定，壽命長X(一 又爲10萬到1〇〇〇萬小時），抗衝擊’耐振動性強；重量輕，體 積小’成本低專優點。發光^一極體主要用於顯示元件和短距 離、低速率的光纖通信用光源’如各種儀器儀錶指示器的文 字、數位及其他符號的顯示等。近年來，液晶顯示器^背光 模組亦採用了發光二極體為其内部的發光充件。因此，分散 發光二極體光線的技術亦成為研究重點之一。 發光二極體包括一發光晶元(Die)及兩條導線，其可視為 符合朗伯餘弦定律(Lambert’s cosine law)的光源，稱為朗伯光 源(Lambertian source)，其特性為發光強度與其視角的餘弦約 成正比，且亮度和視角方向無關。為了控制不同方向上的亮 度，發光二極體之封裝結構中通常包括一鏡片罩住該發光晶 元以引導該發光晶元所發射的光線。請參照圖1A，係為傳統 發光二極體的鏡片（Lens)構造。封襞於發光二極體外部的鏡 片10形如一圓頂燈罩，視角依圖示箭頭方向由〇度增加至9〇 度。 請參照圖1B_1C，圖1B係為光線射出傳統鏡片10後的亮度 ，角度關係圖(Candela Distribution)。圖中顯示視角0度時亮度 最大為90xl〇3nits，亮度隨視角增加而遞減。當視角增加至90 度時’亮度已趨近於0 nits。由此可知光線穿透傳統鏡片10後 5 1286614 向視角〇度之方向集中。以傳統鏡片10封裝的發光二極體經由 背光光學模擬之結果如圖1C所示。圖示之縱軸為亮度，單位 為nits ;橫軸由左而右代表背光橫軸之距離。由亮度曲線變化 狀況，可知光線射出傳統鏡片10後，不同區域的亮度相當不 均勻。 為了增加背光光亮度的均勻性，目前以發光二極體為光 源的直下式背光模組(Direct-type LED backlight)大多是使用 Lumileds公司的背光架構。 _ 請參照圖2A，係為習知以發光二極齄為光源的直下式背 光模組。背光模組20具有一容置槽21，通常為一金屬外框。 容置槽21内部底板上設置複數個發光二極體22排列成直線形 (Lighting Bar)。容置槽21上方覆蓋一擴散板23以擴散該些直 線形排列的發光二極體22所發射之光線。 請參照圖2B ’係為Lumileds公司的發光二極體封裝結 構。在背光模組20的容置槽21内部，發光二極體22係固定於 底板211上。如圖所示，發光二極體22之封裝結構包括一殼體 221及一鏡片222,殼體221外部具有複數固定件2211。殼體221 ，内部設有發光二極體22的發光晶元(未圖示）。鏡片222設於殼 體221上方以引導發光晶元發射之光線至正負90度出光。 睛參照圖2C-2E，圖2C係為Lumileds公司所設計的發光二 極體1兄片構造。Lumileds公司所設計的發光二極體鏡片222頂 部向下凹陷呈一倒立圓錐狀，其頂部内壁具有反射光線的作 用。如圖所示，當一光線由固定件2211内部往上射出至鏡片 222之頂部内壁時，被頂部内壁的倒立圓錐面反射而朝正負9〇 度方向分散。圖2D係為Lumileds公司的發光二極體之亮度與 角度關係圖。由圖可知亮度集中於8〇士2〇度之間，換言之，幾 乎沒有光線由鏡片222正上方射出。圖2E係為圖2C之發光二 極體鏡片222之背光光學模擬。圖示之縱軸為亮度，單位為 6 1286614 Ξ兄光橫軸之距離。由其亮度曲線變化 不同區域㈣極體鏡片222後， 不同視角方j”:鏡片10後，不同色光或 Γΐ，但其頂部向下凹陷為倒立圓錐狀的構造 便传鏡片4、製造及封裝成本過高，量產不易。 【發明内容】

線在目的在於提供—種發絲置，其發射的光 、、’在不冋視角方向的亮度具有高均勻性。 同色目的在於提供—種發光裝置，其發射的不 一人光學稜鏡組，包括—第-稜鏡、—第二稜鏡及 二二日，"質層夾置於兩稜鏡之間。第一稜鏡具有一第一 粉而面$帛—光折射面。第—光入射面鄰接於第一光折 ^面丄兩者具有—約為％度至鱗之夾角。第二稜鏡具有一 ==光入射面，第二光人射面相向且約略平行於第一稜鏡之 光折射面。介質層係夾置於第—光折射面與第二光入射 之間，且具有小於第一稜鏡及第二稜鏡之折射率。 本發明之光學稜鏡組可以與一光源組合成一基本的發光 ，置，若將該發光裝置安裝於一容置槽中，並於光學稜鏡組 ^方加上一擴散片則形成一背光模組。光線射入該光學稜鏡 =後，依第一稜鏡與第二棱鏡之折射率大小關係及改變兩稜 ，之部分夾角角度而造成不同程度的偏向。藉由本發明之構 造可初步分散光源所發出之光線，進而改善發光裝置或背光 模叙之亮度均勻性，並降低生產成本。~ ’ 7 1286614 【實施方式】 茲配合圖示詳述本發明「光學稜鏡組及應用該稜鏡組之發 光裝置」，並列舉較佳實施例說明如下： 請參照圖3，係為本發明光學稜鏡組之側剖面圖。光學稜 鏡組30係由一第一稜鏡31、一第二稜鏡32與一介質層33所組 成，其中§亥兩稜鏡31，32皆具有二端面及至少三個斜面。介質 一 層33則夾置於兩稜鏡31,32之間。第一稜鏡31具有一第一光入 射面312及一第一光折射面311。第一光入射面312鄰接於第一 φ 光折射面311，兩者具有一約為50度至70¾之夾角。第二稜鏡 32具有一第二光入射面321，第二光入射面321相向且約略平 行於第一光折射面311。介質層33位於第一光折射面311與第 二光入射面321之間，且介質層33材料具有小於第一稜^31 及第一稜鏡32之折射率。本發明中，第一稜鏡31與第二棱鏡 32之折射率可為相等或不相等，其種類亦禾限，例如直角稜 鏡、屋脊稜鏡等皆可適用。此外第一稜鏡31與第二稜鏡32之 端面形狀亦不限於三角形、四邊形或四個邊以上之多邊形， 意即不限於三稜鏡、四稜鏡或多稜鏡。 ， 較佳的介質層33為一空氣層，其厚度係為〇1111111至 0.3mm。第一光折射面311與第一光入射面312之夾角a係為55 ，至度。此外，第一稜鏡31更具有一第三光折射面313鄰接 第二光入射面312，且第三光折射面313與第一光入射面312 形成80度至85度之夾角β。第二稜鏡32具有一第二光折射面 ^鄰接s第1光入射面切且形成35度至45度之夾角C。值得 一提的是，第二光折射面322與第二光入射面321之夾角C係 與第一光折射面311與第一光入射面312之夾角A位於空氣層 兩側^目對應之位置。上述兩稜鏡31，32可以高折射率的玻璃 或塑膠材料製造，如硼矽酸鹽冕玻璃(BK7)、聚甲基丙烯酸甲 酉曰(PMMA)、聚碳酸酉旨㈣等，且可依背光尺寸及發光二極體 8 1286614 排列微調。 請參照圖4A ’係為應用本發明光學稜鏡組之光源模組 40’包括一如圖3所示之光學稜鏡組3〇以及一光源42。光源42 與光學稜鏡組30保持一間距t。光源42設於一底板41上，投射 光線至光學稜鏡組30中，並藉由空氣層33a與兩稜鏡31，32之 折射率差異、角A、角B或角C之大小，以及上述第一光折射 面311或第二光入射面321之斜率以決定光線之導向。封裝於 •光源42外部之鏡片1〇採用如圖丨人之傳統鏡片即可。光線穿過 . 鏡片10後，經由第一光入射面312入射至Γ光學稜鏡組30。光源 • 42除了採用發光二極體等點光源之外，亦可使用線光源，例 如冷陰極射線管。 在一較佳實施方式中，光源42與光學稜鏡組30之較佳間 距t為0mm至3mm。更具體的來說，間距t為光源42與第一光 入射面312之距離。此外，兩塊稜鏡31，32辦夾置的空氣層33a 厚度較佳為0.1mm至0.3mm。如前所述，較佳的光學稜鏡組30 具有夾角A為55度至65度、夾角B為80度至85度、夾角C為35 度至45度。上述兩稜鏡31，32可以高折射率的玻璃或塑膠材料 -製造，如硼矽酸鹽冕玻璃(BK7)、聚甲基丙烯酸甲酯 f (PMMA)、聚碳酸酯(PC)等。值得一提的是，上述三個夾角皆 位於光學稜鏡組30靠近光源42之一側。 請參照圖4B，係為本發明光學稜鏡組30之導光路徑示意 圖。光線由第一光入射面312垂直入射第一稜鏡31後，首先到 達第一光折射面311。此時’若光線行進方向與第一光折射面 311法線方向之夾角大於臨界角時，則在第一光折射面311之& 點造成全反射，再經第三光折射面313之折射後穿出，其行進 路線如光徑34。若光線行進方向與第一光折射面311法線方向 之夾角小於臨界角時，則在第一光折射面311折射進入介質層 33,再由介質層33通過第二光入射面321再次折射進入第二稜 1286614 與第—銳31讀料大小相等， ΐίϊ iri中的行進方向平行於第—稜細中的行 I . 。若第二稜鏡32之折射率大於第-稜鏡31 徑S先線於第二稜瓣的行進方向偏向細之 I丨^1—提的是’無論第一稜鏡Μ與第二稜鏡Μ之折射率 將二二:光大於介質層33之折射率方能達到 肘邛刀入射先線導至集中於光學稜鏡組30左侧出射，另一 使

部分入射光線導至針於光學稜餘3(^細射的目的 光學稜鏡組30兩侧亮度高而中央部分亮度低。 請參照圖4C，係為光學透鏡於視角正負8〇度内之光通量 、吏化圖、。如曲線37所示，光線行經光學稜鏡組3〇後，明顯地 集中於視角正負30-50度兩個區域中。 請參照圖4D ,本發明之光學稜鏡組3〇經由背光光學模擬 =結^。圖示之縱軸為亮度，單位為nits ;橫轴由左而右代表 为光橫軸之距離。比較圖4D與圖2E之亮度曲線變化狀況，可 知本發明之光學稜鏡組30除了使不同區域的亮度達到相當不 錯的均勻度以外，其光強度亦高於目前市場上慣用的背光架 構。利用光學稜鏡組30具有將一部分入射光線導至集中於左 側出射，另一部分入射光線導至集中於右側出射的特性，可 適當排列於背光模組中以增加光線的分散情況。 請參照圖5A，係為應用本光學稜鏡組之背光模組5〇，包 括一谷置槽21、至少一光源42、一如圖3所示之光學稜鏡組3〇 及一擴散板23。容置槽21包括一底板211以供至少一光源42 設=其上。光學稜鏡組30設於每個光源42之上，擴散板23則 覆蓋於光學稜鏡組3〇之上。圖5A例示之至少一光源42係為排 列成直線形之複數點光源。 1286614 請參照圖5B ’係為圖5A背光模組之側視圖。光學稜鏡組 30之兩稜鏡可黏合後以一外加固定件(未圖示）固定於背光模 組50之谷置槽21上，或疋不經黏合而分別以固定件固定於背 光模組50之容置槽21上。因此，上述兩稜鏡31,32可依背光模 組50之尺寸及點光源42排列微調。在一較佳實施方式中，上 述複數點光源42係排列成複數條直線，且相鄰兩直線排列之 點光源42上方之光學稜鏡組30具有斜率相反之第一光折射面 3n。

凊參照圖6，其中該複數點光源係排知成陣列型式。該排 列成陣列的每個點光源42上方皆有一光學稜鏡組3〇，相鄰的 光學稜鏡組30之第一光折射面311方向不同。如圖所示，光學 稜鏡組30經由適當的排列使其第一光折射面3丨丨朝背光模组 6〇之前、後、、左、右傾斜以充分利用光學稜鏡組3〇的特性使 光線分散更為均勻。除了上述構造之外，真下式背光模組尚 可視需要增設其他元件，例如可以增加均勻度的散射片及辩 加亮度的光增強膜。 曰 更 本發明所提供之方法及裝置，與習知技術相互比較時 具傷下列特性及優點： 1·不需改變傳統發光二極體低單價封裝方式，僅增加本發 ，之光學稜鏡組即可取代目前市場上慣用的側面 發光二極體。 2. t發明之光學稜鏡組以一般高折射率玻璃或塑膠材料 1可達成，如硼矽酸鹽冕玻璃(BK7)、聚〒基丙烯酸甲 酿(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等，價格便宜。 3·光模組之尺寸及發光二極體排列微調，設計變動 ο平τ生大。 11 1286614 專利要件。 上列詳細S兒明係針對本發明較佳實施例之具體說明，惟上 述貫施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技 藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍 中。 【圖式簡單說明】 圖1A係為傳統發光二極體的鏡片設計； • 圖1B係為光線射出傳統鏡片後的亮&與角度關係圖； _ 圖1C係為具有圖1A之封裝結構的發光二極體以背光光學 模擬之結果； 圖2A係為習知以發光二極體為光源的直下式背光模組； 圖2B係為Lumileds公司的發光二極體封裝結構； 圖2C係為Lumileds公司所使用的發光云極體鏡片構造； 圖2D係為Lumileds公司的發光二極體之亮度與角度關係 圖； 圖2E係為圖2C之發光二極體鏡片之背光光學模擬； 圖3係為本發明光學稜鏡組之側剖面圖； _ 圖4A係為應用本發明光學稜鏡組之光源模組； 圖4B係為本發明光學稜鏡組之導光路徑示意圖； 圖4C係為光學稜鏡組於視角正負8〇度内之光通量變化 固 · 圖， 圖4D係為本發明光學稜鏡組之背光光學模擬； 圖5A係為應用本光學稜鏡組之背光模組； 圖5B係為圖5A背光模組之側視圖； 圖6係為方光模組之另一實施例。 【主要元件符號說明】 12 1286614 10 鏡片 312 第一光入射面 20 背光模組(習知） 313 第三光折射面 21 容置槽 32 第二稜鏡 211 底板 321 第二光入射面 22 發光二極體 322 第二光折射面 221 殼體 33 介質層 2211 固定座 33a 空氣層 222 鏡片 40 光源模組 23 擴散板 41 底板 30 光學稜鏡組 42 先源 31 第一稜鏡 50 背光模組 311 第一光折射面 60 背光模組

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Claims (1)

1286614 十、申請專利範圍： L 一種光學稜鏡組，包括： φ 一稜鏡，具有一第一光入射面及一第一光折射面，复 y，邊第一光入射面鄰接於該第一光折射面，且具有一 ς 50度至70度之夾角； 、有約為 a /it二稜鏡，具有一第二光入射面，該第二光入射面儀相 向且^平行於該第一光折射面；以及 ’、 兮入^1質日層’夾置於該第—光折射面》該第二光人射面，且 Μ ;ι貝層具有小於該第一稜鏡及該第二稜鏡之折射率。 層^為利範圍第1項所述之光學棱鏡組，其中該介質 如申請專利範圍第丨項所述之光學稜鏡組， 層厚度係為0.1mm至〇.3mm。 T^；，^ 萨於4盘it’:專利範圍第1項所述之光學猿鏡組，其中該第-穿文鏡，、邊第二稜鏡之折射率相等。 水入^如申請專利範圍第1項所述之光學稜鏡組，其中該第-先射面與該第一光折射面之夾角係為55度至65度。 請，範圍第1項所述之光學稜鏡組，其中該第一 折射面鄰接於該第-光入射面，且該第三 ί \Ζ1Λ^光入射面具有一約為80度至85度之夾角。 卿她圍第1項所述之光學稜鏡組，其中該第二 二光折射面鄰接於該第二光入射面，且該第二 亥苐一光入射面具有一約為35度至45度之夾角。 8· —種光源模組，包括： 一光學稜鏡組，包括： *，其中，:第第射八=-面第=射 約為50度至70度之夾角；州硬於料一級射面，且具有一 —第—稜鏡’具有—第二光人射面，該第二光入射 14 1286614 面係相向且，略平行於_-光折射面；以及 二且該介射 第一下方.，並投射—光線經該 係為-專利關第8項所述之光源模組，其中該介質層 係配置於11帛8項所述之光賴組，其巾該光源 離小=1^干錄狀第—稜鏡下方，且與鮮—稜鏡之距 經第1 上二8項_之杨歡，其巾該光線 進部分料職料賴㈣^光入射面 係為-㈣帛8項所述之光_組，其中該光源 之光源模組，其中該第一 65*/〇^' ‘二第專二:圍= 射面與該第二光人射面具有—約為3&m：4角 18· —種背光模組，包括·· 15 1286614 一容置槽，包括一底板； 至^了光源，設於該底板之上；以及 光學稜气組，設於該至少-光源之上，其包括： ^ 一第一稜鏡，具有一第一光入射面及一第一光拼鼾 約為^度鄰胁鮮"光折_，且具有- 面係相向且=二口折二射=面及該第二光入射 面，且該介ίΐίί |夹_謂—祕射減料二光入射 :及亥，丨質層具有小於該第-稜鏡及該第二稜鏡之折射率 一擴散板，覆蓋於該光學稜鏡組之上。 層係2-如空申氣請/。利1_18項所述之糊組，其中該介質 ;，其中該至少 點以=專複r線第該複數 光學稜餘*餅率減之該細上方之 點=係如排==圍第20項所述之背光模.组，其中該複數 組之第-光折射面方向^同冑先子域組’相鄰的光學稜鏡