TWI636307B - 透鏡、發光裝置及背光模組 - Google Patents

透鏡、發光裝置及背光模組 Download PDF

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Abstract

本發明涉及一種包括入光面及出光面之透鏡。入光面包括滿足關係式之第一區域，θ1係發光單元發出的任意光線的第一入射角，θa與θb分別係第一區域中θ1的最小值及最大值。第一區域中至少兩點分別到發光單元的光出射面的中心點的距離相等。入光面及出光面滿足條件式(1)及(2)，條件式(1)：在滿足0°<θ1 θb+20°的第二區域內，比值θ2/θ1的最小值發生在θ1的取值在θa到θb之間第二區域內θ2/θ1>0.9。條件式(2)：在滿足0°<θ1 θb+10°的第三區域內比值θ3/θ1的最小值發生在θ1的取值在θa到θb之間，第二區域內θ3/θ1>0.9。其中，θ2係第一入射角為θ1的光線進入到透鏡內的第二入射角，θ3係光線以第一入射角θ1進入到透鏡並從出光面出射的第三入射角。

Description

透鏡、發光裝置及背光模組
本發明涉及光學領域，尤其涉及一種透鏡、一種具有該透鏡的發光裝置、以及一種具有該發光裝置的背光模組。
背光模組，作為發光裝置，廣泛地應用於如手機、電腦、數碼相機、個人數位助理等消費性電子產品的液晶顯示器中，以用於點亮該液晶顯示器。目前，隨著顯示技術的發展，背光模組中的光源越來越多地採用發光二極體(light emitting diode,LED)。通常地，背光模組中的多個LED呈矩陣式排列並與液晶顯示器中的顯示面板的形狀對應。背光模組發出的光線的亮度分佈係由放置在LED前方的透鏡來調整的，然而，現有的採用LED的背光模組的中央區域通常有過亮的現象。
有鑑於此，有必要提供一種能夠解決上述技術問題的透鏡、一種具有該透鏡的發光裝置、以及一種具有該發光裝置的背光模組。一種用於控制由發光單元發出的光線的透鏡，包括：用於供該光線進入的入光面及與該入光面相背的出光面。該入光面包括第一區域，該第一區域中至少有兩個點分別到該發光單元的光出射面的中心點的距離係相同的。該第一區域滿足關係式：。其中，θ1係該發光單元發出的任意光 線的第一入射角，θa係該第一區域中第一入射角的最小值，θb係該第一區域中第一入射角的最大值。該發光單元發出的光線進入該透鏡中並從該出光面出射。該入光面及該出光面滿足條件式(1)及(2)，條件式(1)：在滿足0°<θ1 θb+20°的第二區域內，比值θ2/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ2/θ1>0.9。條件式(2)：在滿足0°<θ1 θb+10°的第三區域內，比值θ3/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ3/θ1>0.9。其中，θ2係第一入射角為θ1的光線進入到該透鏡內時的第二入射角，θ3係光線以第一入射角θ1進入到該透鏡並從該出光面出射的第三入射角。
一種發光裝置，包括發光單元及與該發光單元對準的透鏡。該透鏡包括用於供該光線進入的入光面及與該入光面相背的出光面。該入光面包括第一區域，該第一區域中至少有兩個點分別到該發光單元的光出射面的中心點的距離係相同的。該第一區域滿足關係式：。其中，θ1係該發光單元發出的任意光線的第一入射角，θa係該第一區域中第一入射角的最小值 ，θb係該第一區域中第一入射角的最大值。該發光單元發出的光線進入該透鏡中並從該出光面出射。該入光面及該出光面滿足條件式(1)及(2)，條件式(1)：在滿足0°<θ1 θb+20°的第二區域內，比值θ2/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ2/θ1>0.9。條件式(2)：在滿足0°<θ1 θb+10°的第三區域內，比值θ3/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ3/θ1>0.9。其中，θ2係第一入射角為θ1的光線進入到該透鏡內時的第二入射角，θ3係光線以第一入射角θ1進入到該透鏡並從該出光面出射的第三入射角。
一種背光模組，包括一個電路板，多個呈矩陣式排列在該電路板上的發光單元，以及一個擴散板。每個發光單元包括一個與該電路板電性連接的發光單元及一個透鏡。該透鏡包括用於供該光線進入的入光面及與該入光面相背的出光面。該入光面包括第一區域，該第一區域中至少有兩個點分別到該發光單元的光出射面的中心點的距離係相同的。該第一區域滿足關係式：。其中，θ1係該發光單元發出的任意光線的第一入射角，θa係該第一區域中第一入射角的最小值，θb係該第一區域中第一入射角的最大值。該發光單元發出的 光線進入該透鏡中並從該出光面出射。該入光面及該出光面滿足條件式(1)及(2)，條件式(1)：在滿足0°<θ1 θb+20°的第二區域內，比值θ2/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ2/θ1>0.9。條件式(2)：在滿足0°<θ1 θb+10°的第三區域內，比值θ3/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ3/θ1>0.9。其中，θ2係第一入射角為θ1的光線進入到該透鏡內時的第二入射角，θ3係光線以第一入射角θ1進入到該透鏡並從該出光面出射的第三入射角。該擴散板與該發光裝置對準以擴散並傳輸每個發光裝置從該出光面出射的光線。
相較於先前技術，本發明提供的背光模組、發光裝置及透鏡均將出光面設計成滿足條件式(1)：在滿足0°<θ1 θb+20°的該第二區域內，比值θ2/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ2/θ1>0.9；及滿足條件式(2)：在滿足0°<θ1 θb+10°的該第三區域內，比值θ3/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到 θb之間時，且該第二區域內的該比值θ3/θ1>0.9，從而降低中央區域的照明亮度，並減少發光單元LED特性造成的週邊黃暈現象，增加直下式背光模組之照明均勻性。
100‧‧‧發光裝置
10‧‧‧發光單元
12‧‧‧光出射面
120‧‧‧中心點
20‧‧‧透鏡
22‧‧‧底面
24‧‧‧入光面
26‧‧‧出光面
28‧‧‧連接面
29‧‧‧凹陷
24a‧‧‧頂端
240‧‧‧第一區域
41‧‧‧拐點
200‧‧‧背光模組
30‧‧‧電路板
40‧‧‧擴散板
圖1係本發明第一實施方式提供的發光裝置的剖面示意圖。
圖2係圖1中的發光裝置的光入射面與發光單元的示意圖。
圖3係第一入射角與比值之間的關係圖，該比值為第二入射角與該第一入射角之間的比值，或者係第三入射角與該第一入射角之間的比值。
圖4係第一入射角與第一入光面切線斜率絕對值之間的關係圖。
圖5係本發明第二實施方式提供的背光模組的剖面示意圖。
下面結合附圖將對本發明實施方式作進一步的詳細說明。
請參閱圖1，本發明第一實施方式提供的發光裝置100包括一個發光單元10以及一個透鏡20。該透鏡20位於該發光單元10的正上方，用於控制該發光單元10發出的光線。
本實施方式中，該發光單元10為朝該透鏡20發光的LED。該發光單元10包括一個朝向該透鏡20的光出射面12。該光出射面12具有一個位於中央位置的中心點120及一個垂直穿過該中心點120的中心軸00’。
該透鏡20可為透明材料，如由塑膠或玻璃製成。所述塑膠可為PMMA(polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)、 PC(polycarbonate，聚碳酸脂)、或係矽樹脂(silicone)等。該透鏡20包括一個底面22、一個入光面24、一個出光面26以及一個連接面28。該透鏡20開設有一個凹陷29。該底面22及該出光面26分別位於該透鏡20的相背兩側，該入光面24位於該底面22與該出光面26之間，且該入光面24相對該底面22向該出光面26的方向凹陷以形成該凹陷29。該連接面28連接在該底面22及該出光面26之間。本實施方式中，該發光單元10位於該凹陷29的下方。具體地，該光出射面12正對該入光面24，該透鏡20的中心軸與該發光單元10中心軸00’重疊，即，該入光面24關於該中心軸00’軸對稱，該出光面26也關於該中心軸00’軸對稱。
使用時，發光單元10發出的光線(此時具有第一入射角θ1，如下所述)從該入光面24進入該透鏡20(此時具有第三入射角θ2，如下所述)，經過該透鏡20的折射，最後從該出光面26射出(此時具有第一入射角θ3，如下所述)。
請參閱圖2，該入光面24呈對稱的抛物線狀，其頂端24a為一個圓錐形的尖端突起。該入光面24包括一個第一區域240、一個第二區域、一個第三區域以及一個第四區域。該第一區域240中至少有兩個點分別到中心點120的距離係相同的，該第一區域240滿足關係式：。其中，θ1係該發光單元10發出的任意光線進入該透鏡20時的第一入射角(如圖1所示)。換言之，θ1係該發光單元10發出的任意光線與中心軸00’之間的夾角。θa係該第一區域240中第一入射角的最小值(如圖2所示) ，θb係該第一區域240中第一入射角的最大值(如圖2所示)。該第二區域滿足關係式：0°<θ1 θb+20°。該第三區域滿足關係式：0°<θ1 θb+10°。該第四區域滿足關係式：0°<θ1 θ1 max。本實施方式中，該第一區域240為非球面區域，例如，該第一區域240中所有的點到該中心點120的距離都相同。
請參閱圖3，其中，橫坐標為θ1的取值，單位為度；縱坐標為入射角的比值(第二入射角與該第一入射角之間的比值θ2/θ1或第三入射角與該第一入射角之間的比值θ3/θ1)，係常數。圖3描述了該入光面24與該出光面26之間滿足下列條件式：條件式(1)：在滿足0°<θ1 θb+20°的該第二區域內，比值θ2/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時(即發生在時)，且該第二區域內的該比值θ2/θ1>0.9。其中，θ2係第一入射角為θ1的光線進入到該透鏡20內時的第二入射角，換言之，θ2係第一入射角為θ1的光線進入到該透鏡20並發生折射後與該中心軸00’之間的夾角。例如，比值θ2/θ1的最小值發生在θ1取值在7°到10°之間時(即發生在70 θ1100時)，且 該比值θ2/θ1的最小值小於1.1，最優的，該比值θ2/θ1的最小值為1.0。條件式(2)：在滿足0°<θ1 θb+10°的該第三區域內，比值θ3/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時(即發生在時)，且該第二區域內的該比值θ3/θ1>0.9。其中，θ3係光線以第一入射角θ1進入到該透鏡20並從該出光面26出射的第三入射角，換言之，θ3係第一入射角為θ1的光線進入到該透鏡20發生折射並從該出光面26出射後與該中心軸00’之間的夾角。
請參閱圖4，其中，橫坐標為θ1的取值，單位為度；縱坐標為入光面24切線斜率絕對值，為常數。圖4描述的係該第四區域具有一個拐點41，該拐點41處的切線斜率絕對值最小。此處所述的“斜率”係相對該發光單元10的中心軸00’而言，因此，垂直該發光單元10的中心軸00’的表面的斜率為零。在拐點41處，斜率絕對值從逐漸減小(此時θ1<θa)轉變為逐漸增大(此時θ1>θb)。例如，打在該拐點41上的光線的第一入射角θ1的範圍在θa到θb之間，而第一入射角θ1取值為最大值θ1 max時，此時具有最大值θ1 max的光線進入該透鏡20並從該出光面26的最外側出射。例如，該最大值θ1 max為90度 。
本發明第一實施方式提供的發光裝置100將該透鏡20的出光面24設計成滿足條件式(1)：在滿足0°<θ1 θb+20°的該第二區域內，比值θ2/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ2/θ1>0.9；及滿足條件式(2)：在滿足0°<θ1 θb+10°的該第三區域內，比值θ3/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ3/θ1>0.9，從而降低中央區域的照明亮度，並減少發光單元LED特性造成的週邊黃暈現象。
請參閱圖5，本發明第二實施方式提供的背光模組200包括一個電路板30、多個如第一實施方式所述的發光裝置100以及一個擴散板40。該多個發光裝置100呈矩陣式排列在該電路板30上。具體地，該多個發光裝置100的發光單元10均位於該電路板30上並與該電路板30電性連接。從發光單元10發出的光線經該透鏡20折射後自該透鏡20的出光面26出射。該擴散板40與該多個發光裝置100對準以擴散並傳輸每個發光裝置100從該出光面26出射的光線。
本發明第二實施方式提供的背光模組200將透鏡20的出光面24設計成滿足條件式(1)：在滿足0°<θ1 θb+20°的該 第二區域內，比值θ2/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ2/θ1>0.9；及滿足條件式(2)：在滿足0°<θ1 θb+10°的該第三區域內，比值θ3/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ3/θ1>0.9，從而降低中央區域的照明亮度，並減少發光單元LED特性造成的週邊黃暈現象，增加直下式背光模組200之照明均勻性。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士爰依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

Claims (8)

  1. 一種用於控制由發光單元發出的光線的透鏡，包括：用於供該光線進入的入光面，該入光面包括第一區域，該第一區域為一非球面且由中心擴張至特定角度之一特定區域，該第一區域中至少有兩個點分別到該發光單元的光出射面的中心點的距離係相同的，該第一區域滿足關係式：，其中，θ1係該發光單元發出的任意光線與該透鏡中心軸之間的夾角為第一入射角，θa係該第一區域中第一入射角的最小值，θb係該第一區域中第一入射角的最大值；及與該入光面相背的出光面，該發光單元發出的光線進入該透鏡中並從該出光面出射，該入光面及該出光面滿足條件式(1)：在滿足0°<θ1 θb+20°的第二區域內，比值θ2/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ2/θ1>0.9；及滿足條件式(2)：在滿足0°<θ1 θb+10°的第三區域內，比值θ3/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ3/θ1>0.9，其中，θ2係第一入射角為θ1的光線進入到該透鏡內時與該透鏡中心軸之間的夾角為第二入射角，θ3係光線以第一入射角θ1進入到該透鏡並從該出光面出射的與該透鏡中心軸 之間的夾角為第三入射角，該入光面包括第四區域，該第四區域滿足關係式：0°<θ1 θ1 max，該第四區域具有一個拐點，該拐點處的切線斜率絕對值最小，打在該拐點上的光線的第一入射角θ1的範圍在θa到θb之間，具有最大值θ1 max的光線進入該透鏡並從該出光面的最外側出射。
  2. 如請求項1所述之透鏡，其中，該入光面關於該發光單元的中心軸軸對稱，該出光面關於該發光單元的中心軸軸對稱。
  3. 如請求項1所述之透鏡，其中，該透鏡還包括底面並開設凹陷，該底面及該出光面分別位於該透鏡的相背兩側，該入光面位於該底面與該出光面之間，且該入光面相對該底面向該出光面的方向凹陷以形成該凹陷。
  4. 如請求項3所述之透鏡，其中，該出光面呈對稱的抛物線狀，其頂端為一個圓錐形的尖端突起。
  5. 一種發光裝置，包括發光單元及與該發光單元對準的透鏡，該透鏡包括：用於供發光單元發出的光線進入的入光面，該入光面包括第一區域，該第一區域為一非球面且由中心擴張至特定角度之一特定區域，該第一區域中至少有兩個點分別到該發光單元的光出射面的中心點的距離係相同的，該第一區域滿足關係式：，其中，θ1係該發光單元發出的任意光線與該透鏡中心軸之間的夾角為第一入射角，θa係該第一區域中第一入射角的最小值θb係該第一區域中第一入射角的最大值；及與該入光面相背的出光面，該發光單元發出的光線進入該透鏡中並從該 出光面出射，該入光面及該出光面滿足條件式(1)：在滿足0°<θ1 θb+20°的第二區域內，比值θ2/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ2/θ1>0.9；及滿足條件式(2)：在滿足0°<θ1 θb+10°的第三區域內，比值θ3/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ3/θ1>0.9，其中，θ2係第一入射角為θ1的光線進入到該透鏡內時與該透鏡中心軸之間的夾角為第二入射角，θ3係光線以第一入射角θ1進入到該透鏡並從該出光面出射的與該透鏡中心軸之間的夾角為第三入射角，該入光面包括第四區域，該第四區域滿足關係式：0°<θ1 θ1 max，該第四區域具有一個拐點，該拐點處的切線斜率絕對值最小，打在該拐點上的光線的第一入射角θ1的範圍在θa到θb之間，具有最大值θ1 max的光線進入該透鏡並從該出光面的最外側出射。
  6. 如請求項5所述之發光裝置，其中，該透鏡還包括底面並開設凹陷，該底面及該出光面分別位於該透鏡的相背兩側，該入光面位於該底面與該出光面之間，且該入光面相對該底面向該出光面的方向凹陷以形成該凹陷。
  7. 如請求項6所述之發光裝置，其中，該出光面呈對稱的抛物線狀，其頂端為一個圓錐形的尖端突起。
  8. 一種背光模組，包括一個電路板，多個呈矩陣式排列在該電路板上的發光單元，以及一個擴散板，每個發光單元包括一個與該電路板電性連接的發光單元及一個透鏡，該透鏡包括：用於供發光單元發出的光線進入的入光面，該入光面包括第一區域，該第一區域為一非球面且由中心擴張至特定角度之一特定區域，該第一區域中至少有兩個點分別到該發光單元的光出射面的中心點的距離係相同的，該第一區域滿足關係式：，其中，θ1係該發光單元發出的任意光線與該透鏡中心軸之間的夾角為第一入射角，θa係該第一區域中第一入射角的最小值，θb係該第一區域中第一入射角的最大值；及與該入光面相背的出光面，該發光單元發出的光線進入該透鏡中並從該出光面出射，該入光面及該出光面滿足條件式(1)：在滿足0°<θ1 θb+20°的第二區域內，比值θ2/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ2/θ1>0.9；及滿足條件式(2)：在滿足0°<θ1 θb+10°的第三區域內，比值θ3/θ1的最小值發生在第一入射角θ1的取值在θa到θb之間時，且該第二區域內的該比值θ3/θ1>0.9，其中，θ2係第一入射角為θ1的光線進入到該透鏡內時與該透鏡中心軸之間的夾角為第二入射角，θ3係光線以第一入射角θ1進入到該透鏡並從該出光面出射的與該透鏡中心軸 之間的夾角為第三入射角，該入光面包括第四區域，該第四區域滿足關係式：0°<θ1 θ1 max，該第四區域具有一個拐點，該拐點處的切線斜率絕對值最小，打在該拐點上的光線的第一入射角θ1的範圍在θa到θb之間，具有最大值θ1 max的光線進入該透鏡並從該出光面的最外側出射；該擴散板與該發光裝置對準以擴散並傳輸每個發光裝置從該出光面出射的光線。
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