TWI596304B - 透鏡結構及使用該透鏡結構的燈具、背光模組與顯示裝置 - Google Patents

透鏡結構及使用該透鏡結構的燈具、背光模組與顯示裝置 Download PDF

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TWI596304B
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Description

透鏡結構及使用該透鏡結構的燈具、背光模組與顯示裝置
本發明係關於一種照明技術；特別係有關於一種適用於直下式(direct type)背光技術或照明燈具，且出光均勻度較佳的透鏡結構及使用該透鏡結構的燈具、背光模組與顯示裝置。
目前照明技術(例如直下式背光模組或燈具)中，基於厚度以及成本等考量，多會使用二次光學透鏡(secondary optical lens)以滿足其光學效果。現有的二次光學透鏡分為反射式及折射式兩種形式，其中反射式透鏡的混光距離較折射式透鏡的混光距離長，故可使用較少量的發光二極體(LED)以達到所需的光學效果。
第1A圖係顯示一習知反射式透鏡的出光方式示意圖。其中，該習知反射式透鏡300包括一全反射(Total Internally Reflect，簡稱TIR)面302，可將發光二極體304所發出的光線L反射，並由位於側方的出光面306穿出。然而，此種出光方式易造成使用者從該習知反射式透鏡300的正上方(亦即全反射 面302上方)觀看到暗影。
因此，業界亟需一種能夠改善上述暗影問題，並具有較佳的出光均勻度的透鏡結構。
有鑑於前述習知問題點，本發明之一實施例提供一種透鏡結構，適用於光耦合於一光源，包括一第一表面、一第二表面以及一出光面，其中第一表面具有朝光源的方向突出的一凸面，第二表面係相對於第一表面，而出光面係連接第一表面及第二表面。
根據本發明之一實施例，前述第一表面更形成有一凹槽，且前述凸面形成於凹槽內，前述光源係鄰近於凹槽。
根據本發明之一實施例，前述透鏡結構更包括一環形溝槽，形成於前述凹槽內，且圍繞前述凸面設置。
根據本發明之一實施例，前述環形溝槽的橫截面為三角形，具有一第一側牆及一第二側牆，其中第一側牆與前述凸面相鄰，而第二側牆與第一側牆之間夾有一角度。
根據本發明之一實施例，前述光源所提供之部分光線經由前述第一側牆反射而穿過前述第二表面。
根據本發明之一實施例，由前述第二表面所穿出之光線的量，是被前述第一側牆的高度所影響，且兩者是呈正相關。
根據本發明之一實施例，由前述出光面所穿出之光線的出光位置與前述透鏡結構的光軸，兩者之間的距離，是被前述第二側牆與第一側牆之間的前述角度所影響，且兩者是 呈負相關。
根據本發明之一實施例，前述出光面為一單一斜率的斜面。
根據本發明之一實施例，前述透鏡結構更包括一環形溝槽，形成於前述第一表面上，且圍繞前述凸面設置。
根據本發明之一實施例，前述環形溝槽的橫截面為三角形，具有一第一側牆及一第二側牆，其中第一側牆與前述凸面相鄰，而前述第二側牆與第一側牆之間夾有一角度。
在前述透鏡結構中，透過凸面的設計，可有效地聚集光線，並使得透鏡結構的出光效率提升。除此之外，可透過於透鏡結構之鄰近光源之第一表面上的環形溝槽設計，令一部分的光線從第二表面的位置穿出透鏡結構(相當於具有部分折射式透鏡的出光效果)，以提升透鏡結構的出光均勻度，並使得使用者不易從透鏡結構的正上方觀看到暗影。再者，也能透過適當選擇第一側牆的高度，可令由第二表面及出光面所穿出之光線的量較為接近，並使得透鏡結構具有較佳的出光均勻度，或是透過適當選擇第二側牆與第一側牆之間的角度，亦可改變透鏡結構的亮環大小。
根據本發明之一實施例，亦提供一種燈具，包括至少一前述透鏡結構、至少一光源、以及一燈殼，其中，前述至少一光源所發出的光線是經由前述至少一透鏡結構予以折射且/或反射後出光，再經由前述燈殼穿出。
根據本發明之一實施例，亦提供一種背光模組，包括至少一前述透鏡結構、至少一光源、以及一光學板，前述 至少一光源所發出的光線是經由前述至少一透鏡結構予以折射且/或反射後出光，再經由前述光學板轉換為面狀出光。
根據本發明之一實施例，亦提供一種顯示裝置，包括至少一前述透鏡結構、至少一光源、一光學板、以及一顯示面板，前述至少一光源所發出的光線是經由前述至少一透鏡結構予以折射且/或反射後出光，再經由前述光學板轉換為面狀出光，以作為前述顯示面板的背光源。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
1、2‧‧‧透鏡結構
10‧‧‧第一表面
20‧‧‧第二表面
30‧‧‧出光面
100‧‧‧凹槽
102‧‧‧凸面
104‧‧‧環形溝槽
104A‧‧‧第一側牆
104B‧‧‧第二側牆
300‧‧‧習知反射式透鏡
302‧‧‧全反射面
304‧‧‧發光二極體
306‧‧‧出光面
400、400’‧‧‧燈具
402‧‧‧燈罩
403‧‧‧燈座
404‧‧‧燈座接頭
405‧‧‧反射板
500‧‧‧背光模組
502‧‧‧底板
504‧‧‧電路板
506‧‧‧反射板
508‧‧‧擴散板、光學板
600‧‧‧顯示裝置
601‧‧‧顯示面板
B‧‧‧腳座
F‧‧‧承載面
H‧‧‧高度
L、L1、L2‧‧‧光線
O‧‧‧光軸
S‧‧‧光源
θ1、θ2‧‧‧夾角
α、β‧‧‧傾斜角
γ‧‧‧角度
第1A圖係顯示一習知反射式透鏡的出光方式示意圖。
第1B圖係顯示從正上方觀看第1A圖中之習知反射式透鏡的光形模擬圖。
第1C圖係顯示第1B圖中之習知反射式透鏡的照度與(X方向或Y方向上)距離之間的關係圖。
第2A圖係顯示根據本發明一實施例之透鏡結構的剖視圖。
第2B圖係顯示第2A圖中A部分之放大圖。
第3A圖係顯示第2A圖中之透鏡結構的立體透視圖。
第3B圖係顯示第3A圖中之透鏡結構於另一視角的立體剖視圖。
第4圖係顯示第2A圖中之透鏡結構的出光方式示意圖。
第5A圖係顯示從正上方觀看第2A圖中之透鏡結構的光形 模擬圖。
第5B圖係顯示第5A圖中之透鏡結構的照度與(X方向或Y方向上)距離之間的關係圖。
第6A圖係顯示環形溝槽之第一側牆的高度較低時的出光方式示意圖。
第6B圖係顯示從正上方觀看第6A圖中之透鏡結構的光形模擬圖。
第6C圖係顯示第6B圖中之透鏡結構的照度與(X方向或Y方向上)距離之間的關係圖。
第7A圖係顯示環形溝槽之第一側牆的高度較高時的出光方式示意圖。
第7B圖係顯示從正上方觀看第7A圖中之透鏡結構的光形模擬圖。
第7C圖係顯示第7B圖中之透鏡結構的照度與(X方向或Y方向上)距離之間的關係圖。
第8A圖係顯示環形溝槽之第二側牆與第一側牆之間的角度較小時的出光方式示意圖。
第8B圖係顯示從正上方觀看第8A圖中之透鏡結構的光形模擬圖。
第8C圖係顯示第8B圖中之透鏡結構的照度與(X方向或Y方向上)距離之間的關係圖。
第9A圖係顯示環形溝槽之第二側牆與第一側牆之間的角度較大時的出光方式示意圖。
第9B圖係顯示從正上方觀看第9A圖中之透鏡結構的光形 模擬圖。
第9C圖係顯示第9B圖中之透鏡結構的照度與(X方向或Y方向上)距離之間的關係圖。
第10圖係顯示根據本發明另一實施例之透鏡結構的剖視圖。
第11A圖係顯示根據本發明另一實施例之燈具的示意圖。
第11B圖係顯示根據本發明另一實施例之燈具的示意圖。
第12圖係顯示根據本發明另一實施例之背光模組的示意圖。
第13圖係顯示根據本發明另一實施例之顯示裝置的示意圖。
需先說明的是，以下將介紹之本發明的透鏡結構，係適用於一直下式(direct type)背光技術，例如可應用於一直下式燈具(lamp)、背光模組(backlight module)或顯示裝置(display device)中，除此之外，也可以運用在照明燈具上。
請先參閱第2A、2B、3A及3B圖，本發明一實施例之透鏡結構1，包括一第一表面10、一第二表面20以及一出光面30。具體而言，如第2A至3B圖所示，第一表面10係為一圓形表面，且形成有一圓形凹槽100在其中央處。一凸面102，可形成於凹槽100內，其中凸面102係朝一光源S(請參閱第4圖)的方向突出。另一方面，第二表面20係相對於第一表面10，並形成一凹陷。此外，出光面30係連接第一表面10及第二表面20，其中出光面30與第一表面10、第二表面20分別交接處的夾角θ1 及θ2可依據使用需求來設計及改變。另外，在本實施例中，出光面30係為一單一斜率的斜面，但本發明並不以此為限。
更具體而言，前述透鏡結構1更包括一光軸O，其中透鏡結構1相對於光軸O為軸對稱。更詳細而言，在本實施例中，透鏡結構1之位於第一表面10的凸面102，其最凸點係位於光軸O上，且凸面102相對於光軸O的傾斜角α從靠近光軸O處往遠離光軸O處遞減，而透鏡結構1之第二表面20，其最凹點係位於光軸O上，且第二表面20相對於光軸O的傾斜角β從靠近光軸O處往遠離光軸O處遞增。
進一步而言，請參閱第4圖，一光源S(例如為發光二極體)可光耦合於上述透鏡結構1。具體而言，在本實施例中，光源S係設置於光軸O上，且鄰近於透鏡結構1之位於第一表面10的凹槽100。由此，當光源S發光時，從光源S中央處所發出的光線L1(為了簡明，第4圖中僅繪出部分從光源S中央處所發出的光線L1)可向上行進經由凹槽100內的凸面102進入透鏡結構1。需特別說明的是，在本實施例中，光線L1經由凸面102被集中射向第二表面20，接著再被第二表面20反射後，由出光面30的位置穿出透鏡結構1。如此一來，透過凸面102的設計，可有效地聚集光線L1，並使得透鏡結構1的出光效率提升。
請再回到第2A、2B、3A及3B圖，在本實施例中，透鏡結構1更包括一環形溝槽104，形成於位於第一表面10的凹槽100內，且圍繞凸面102設置。更具體而言，前述環形溝槽104的橫截面為一三角形(如第2B圖所示)，具有一第一側牆104A及一第二側牆104B，其中第一側牆104A與凸面102相鄰，且第二 側牆104B與第一側牆104A之間夾有一角度γ。此外，第一側牆104A與透鏡結構1之光軸O可為平行設置，但本發明並不以此為限。
藉此，當光源S發光時(請參照第4圖)，從光源S非中央處所發出的光線L2(為了簡明，第4圖中僅繪出部分從光源S非中央處所發出的光線L2)，在經由凹槽100內的凸面102進入透鏡結構1後，可經由環形溝槽104之第一側牆104A反射而向上行進穿過第二表面20，並穿出透鏡結構1。
需特別說明的是，透過前述環形溝槽104(的第一側牆104A)之設計，可令光源S所發出的一部分光線從第二表面20的位置穿出透鏡結構1(相當於具有部分折射式透鏡的出光效果)，如此一來，除可提升透鏡結構1的出光均勻度，亦使得使用者不易從透鏡結構1的正上方觀看到暗影，由第5A及5B圖可看出，本實施例之透鏡結構1的正上方的照度(單位為流明(lux))相當一致，亦即習知暗影問題係被改善。相對地，在第1A圖之習知反射式透鏡300中，光線L並無法(向上)穿出全反射面302，因此使用者從習知反射式透鏡300的正上方會觀看到暗影，由第1B及1C圖可看出，習知反射式透鏡300的正上方的照度(單位為流明(lux))具有明顯差異，亦即存在暗影問題。
請再參閱第6A及7A圖，在本實施例中，當環形溝槽104之第一側牆104A的高度H(第2B圖)越高，由第二表面20的位置穿出穿出透鏡結構1之光線的量(以光線L2的數量表示)越多，換言之，由第二表面20所穿出之光線的量，是被第一側牆104A的高度H所影響，且兩者是呈正相關。請再對照參閱第 6B、6C、7B及7C圖，當環形溝槽104之第一側牆104A的高度H越低時(第6B及6C圖)，從正上方觀看透鏡結構1的光形較發散(相對於光軸O)且照度較低，另一方面，當環形溝槽104之第一側牆104A的高度H越高時(第7B及7C圖)，從正上方觀看透鏡結構1的光形較集中(相對於光軸O)且照度較高。因此，透過適當選擇第一側牆104A的高度H，可令由第二表面20及出光面30所穿出之光線的量較為接近，並使得透鏡結構1具有較佳的出光均勻度。
接著請參閱第8A圖，當光源S發光時，從光源S非中央處所發出的光線L2(為了簡明，第8A圖中僅繪出部分從光源S非中央處所發出的光線L2)亦可能經由環形溝槽104的第二側牆104B進入透鏡結構1，並由出光面30的位置直接穿出透鏡結構1(不再經由第二表面20反射)。請再一併參閱第8A至9C圖，當第二側牆104B與第一側牆104A之間的角度γ越大時(第9A圖)，由出光面30所穿出光線的出光位置愈偏向光軸O，亮環(如第9B圖中之箭頭所指)較小，另一方面，當角度γ越小時(第8A圖)，由出光面30所穿出光線的出光位置則愈偏離光軸O，亮環(如第8B圖中之箭頭所指)較大，換言之，由出光面30所穿出之光線的出光位置與透鏡結構1的光軸O，兩者之間的距離，是被第二側牆104B與第一側牆104A之間的角度γ所影響，且兩者是呈負相關。如此一來，透過適當選擇第二側牆104B與第一側牆104A之間的角度γ，亦可改變透鏡結構1的亮環大小。
另外，請參閱第4圖之實施例，光源S係設置於透鏡結構1之位於第一表面10的凹槽100之外，更詳細而言，光源 S可設置於第一表面10與一承載面F之間的空間(由突出於第一表面10之腳座B將透鏡結構1向上抬升所形成)，但本發明並不以此為限，於一些實施例中，光源S亦可設置於凹槽100之內，而第一表面10上之腳座B可被省略。
第10圖係顯示根據本發明另一實施例之透鏡結構2的剖視圖。如第10圖所示，在本實施例中，透鏡結構2包括一第一表面10、一第二表面20以及一出光面30。具體而言，第一表面10係為一圓形表面，並形成有一凸面102在其中央處，其中凸面102係朝一光源的方向突出(同前述第2A至4圖之實施例)。此外，一環形溝槽104亦形成於第一表面10上，且圍繞凸面102設置。更詳細而言，在本實施例中，前述環形溝槽104的橫截面為一三角形，具有一第一側牆104A及一第二側牆104B，其中第一側牆104A與凸面102相鄰，且第二側牆104B與第一側牆104A之間夾有一角度。值得一提的是，在本實施例中，透鏡結構2之第二表面20及出光面30的設計與前述實施例為相同或相似，差異僅在於透鏡結構2之凸面102及環形溝槽104係直接形成於第一表面10上(第一表面10上未形成有一凹槽)。透鏡結構2所可達成的光學效果與前述實施例之透鏡結構1大致相同。
請參閱第11A圖，其顯示根據本發明另一實施例之燈具400的示意圖。如第11A圖所示，燈具400包括一燈罩402、一燈座403、一燈座接頭404、一如前述實施例(第4圖)之透鏡結構1、一光源S、及一反射板405。其中，燈罩402、燈座403、以及燈座接頭404組合成為一燈殼，燈罩402與燈座403適於組 合以形成一容置空間，燈座接頭404設置於燈座403之底部，透鏡結構1及光源S設置於燈座403之靠近燈罩402之一側的承載面F上(承載面F上可設有電路板，用以電性連接光源S)，且反射板405亦覆蓋於承載面F上，用以將部分從透鏡結構1穿出的光線進行反射以由燈具400之燈罩402穿出(圖未示)。值得一提的是，前述透鏡結構1亦可換為第10圖實施例之透鏡結構2，且透鏡結構1(或透鏡結構2)可將光源S所發出的光線予以折射且/或反射後出光。
請參閱第11B圖，其顯示根據本發明另一實施例之燈具400’的示意圖。如第11B圖所示，燈具400’包括一燈罩402、一燈座403，複數個如前述實施例(第4圖)之透鏡結構1、及複數個光源S。類似地，燈罩402與燈座403適於組合成為一燈殼以形成一容置空間，複數個透鏡結構1及光源S彼此相互對應並設置於燈座403之靠近燈罩402之一側的承載面F上(承載面F上可設有電路板，用以電性連接光源S)。另外，前述透鏡結構1亦可換為第10圖實施例之透鏡結構2，且透鏡結構1(或透鏡結構2)可將光源S所發出的光線予以折射且/或反射後出光。
請參閱第12圖，其顯示根據本發明另一實施例之背光模組500的示意圖。如第12圖所示，背光模組500包括一底板502、一電路板504、至少一(複數個)如前述實施例(第4圖)之透鏡結構1、至少一(複數個)光源S、一反射板506、及一擴散板508(光學板)。其中，電路板504設置於底板502上，複數個透鏡結構1及光源S彼此相互對應並設置於電路板504上，且光源S電性連接電路板504，反射板506亦設置於電路板504上，用 以將部分從透鏡結構1穿出的光線向上反射(圖未示)以提高背光模組500之發光效率，另外擴散板508設置於透鏡結構1之上方(背光模組500之出光側)，可改善背光模組500之出光均勻度(使背光模組500具面狀出光形態)。值得一提的是，前述透鏡結構1亦可換為第10圖實施例之透鏡結構2，且透鏡結構1(或透鏡結構2)可將光源S所發出的光線予以折射且/或反射後出光。
請參閱第13圖，其顯示根據本發明另一實施例之顯示裝置600的示意圖。如第13圖所示，顯示裝置600包括一如前述實施例(第12圖)之背光模組500，及一設置於背光模組500之出光側之顯示面板601(例如一液晶顯示面板)，可利用背光模組500作為其背光源。在一些實施例中，背光模組500中之透鏡結構1亦可換為第10圖實施例之透鏡結構2，且透鏡結構1(或透鏡結構2)可將光源S所發出的光線予以折射且/或反射後出光。
綜上所述，在本發明實施例所提供之透鏡結構及使用該透鏡結構的燈具、背光模組與顯示裝置中，透過凸面102的設計，可有效地聚集光線L1，並使得透鏡結構的出光效率提升。除此之外，可透過於該透鏡結構之第一表面上10的環形溝槽104設計，令一部分的光線從第二表面20的位置穿出透鏡結構(相當於具有部分折射式透鏡的出光效果)，以提升該透鏡結構的出光均勻度，並使得使用者不易從該透鏡結構的正上方觀看到暗影。再者，也能透過適當選擇第一側牆104A的高度H，可令由第二表面20及出光面30所穿出之光線的量較為接近，並使得透鏡結構具有較佳的出光均勻度，或是透過適當選擇第二側牆104B與第一側牆104A之間的角度γ，亦可改變透鏡結構的 亮環大小。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，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，當可做些許之更動與潤飾。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。
1‧‧‧透鏡結構
10‧‧‧第一表面
20‧‧‧第二表面
30‧‧‧出光面
100‧‧‧凹槽
102‧‧‧凸面
104‧‧‧環形溝槽
O‧‧‧光軸
θ1、θ2‧‧‧夾角
α、β‧‧‧傾斜角

Claims (11)

  1. 一種透鏡結構，光耦合於一光源，該透鏡結構包括：一第一表面，具有朝該光源的方向突出的一凸面；一第二表面，係相對於該第一表面；以及一出光面，係連接該第一表面及該第二表面；一環形溝槽，圍繞該凸面設置，其中該環形溝槽的橫截面為三角形，具有一第一側牆及一第二側牆，該第一側牆與該凸面相鄰，而該第二側牆與該第一側牆之間夾有一角度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡結構，其中該第一表面更形成有一凹槽，且該凸面形成於該凹槽內，該光源係鄰近於該凹槽。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡結構，其中該環形溝槽，形成於該凹槽內。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡結構，其中由該光源所提供之部分光線經由該第一側牆反射而穿過該第二表面。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的透鏡結構，其中由該第二表面所穿出之光線的量，是被該第一側牆的高度所影響，且兩者是呈正相關。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡結構，其中由該出光面所穿出之光線的出光位置與該透鏡結構的光軸，兩者之間的距離，是被該第二側牆與該第一側牆之間的該角度所影響，且兩者是呈負相關。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡結構，其中該出光面為一單一斜率的斜面。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡結構，其中該環形溝槽，形成於該第一表面上。
  9. 一種燈具，包含至少一如申請專利範圍第1-8項中任一項所述的透鏡結構、至少一光源、以及一燈殼，該至少一光源所發出的光線是經由該至少一透鏡結構予以折射且/或反射後出光，再經由該燈殼穿出。
  10. 一種背光模組，包含至少一如申請專利範圍第1-8項中任一項所述的透鏡結構、至少一光源、以及一光學板，該至少一光源所發出的光線是經由該至少一透鏡結構予以折射且/或反射後出光，再經由該光學板轉換為面狀出光。
  11. 一種顯示裝置，包含至少一如申請專利範圍第1-8項中任一項所述的透鏡結構、至少一光源、一光學板、以及一顯示面板，該至少一光源所發出的光線是經由該至少一透鏡結構予以折射且/或反射後出光，再經由該光學板轉換為面狀出光，以作為該顯示面板的背光源。
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