TWM501580U

TWM501580U - 可調整近軸區光線強度的發光二極體發光裝置

Info

Publication number: TWM501580U
Application number: TW102222125U
Authority: TW
Inventors: Huang-Chang Chen; Zhi-Xin Tu; Hong-Ying Su; Chong-Jie Lian
Original assignee: E Pin Optical Industry Co Ltd
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2015-05-21

Description

可調整近軸區光線強度的發光二極體發光裝置

本創作係有關一種可調整近軸區光線強度的發光二極體(LED)發光裝置，尤指一種在透鏡之底面與LED光源所耦合之基板(如印刷電路板，PCB)之間設置至少一光吸收層，用以使透鏡內經其光出射面而部分反射或全內反射的光線在照射到透鏡之底面時，可被該光吸收層全部或部份吸收。

以一般傳統之發光裝置而言，其係由一發光元件出射之光入射於一透鏡之一光入射面以進入該透鏡內，之後再經一光出射面而出射向外；其中，一部分之光在該透鏡內會被該光出射面反射至底面，進一步在該底面被反射，再度到達該光出射面而再被該光出射面折射以朝光軸方向前進。如此，當應用於實際背光照明時，在液晶面板上相應於每個透鏡中央的位置會出現亮圈，致而造成亮度不均的問題。此問題對於早期較厚的背光模組(30-50mm)而言，由於光源與擴散板距離較遠，不易察覺亮度不均的問題，但對於現在較薄的背光模組(30mm以下)而言，由於光源與擴散板之間的距離較近，中央亮圈相對地變得明顯，因此在實際應用上此問題有必要加以解決。

針對上述問題，美國發明專利US7,798,679揭露一解決問題之技術手段，其係在一發光裝置之一透鏡之底面設置楔形光散射部；由發光元件出射之光先入射於該透鏡之一光入射面，再由一光出射面向外出射，其中一部分的光被該光出射面反射至設在透鏡底面之該楔形光散射部，再被該楔形光散射部反射而由透鏡之側邊面出射，藉此可避免反射至透鏡底面的光再度被反射出透鏡之出射面而集中於近軸處。但當光線被該楔形光散射部反射時，此階段所反射的光線會匯聚在透鏡之側邊面，使透鏡周圍的光線較近軸處亮，會變相造成透鏡中央與透鏡周圍明暗差過大，一樣有光線不均勻的問題。

此外，美國專利US2009/225550號揭示另一解決問題之技術手段，其係在透鏡之底面設置額外之微結構，用以使入射於微結構的光線能被散射，使出射於液晶顯示面板上之亮圈能變得模糊，用以解決反射光線集中於光軸處的問題；但美國專利US2009/225550號在實際使用上仍有效果不彰之缺點。

由上可知，在背光模組之技術領域中，雖然已有部分先前技術已揭示用以解決中央亮圈相對地變得明顯及/或光線不均勻之技術手段，然而在實際應用上仍存在一些結構設計不足之處，致無法滿足使用之需求，因此在實際應用上仍有研發以解決此問題之必要性。

因此，本創作的主要目的乃在於提供一技術手段用以解決因部分反射或全反射而入射至透鏡底面的光線會再由底面反射至透鏡近光軸處所造成近軸處光線過量以致使背光照明時形成中央亮點的問題，即利用在該透鏡之底面與該基板之間設置至少一光吸收層之技術手段，用以解決經該透鏡之底面反射再向上的光會集中在接近中心軸半徑約2cm左右的範圍而導致中心部分的光過亮的問題。

本創作的主要目的乃在於提供一種可調整近軸區光線強度的發光二極體(LED)發光裝置，其包含：一發光二極體(LED)光源耦合於一基板如印刷電路板(PCB)上用以產生出射光；一透鏡設在該LED光源之出射光之方向上，其具有一光入射面、一光出射面及一底面，使該LED光源之出射光能由該光入射面入射至該透鏡內再由該光出射面出射向外，其中該底面係面向該基板並與該光出射面相接；該LED發光裝置之特徵在於：在該透鏡之底面與該基板之間設置至少一光吸收層，用以使該LED光源之出射光在該透鏡內經該光出射面而反射(包含部分反射或全內反射)的光線在照射到該透鏡之底面時，可被該光吸收層全部或部份吸收，用以使再度由該透鏡底面反射至出射面並由出射面折射朝光軸方向前進的光線得有效地被抑制或減少，藉以解決因部分反射或全反射而入射至透鏡底面的光線會再由底面反射至透鏡近光軸處所造成近軸處光線過量以致使背光照明時形成中央亮點的問題，即用以解決經該透鏡之底面反射再向上的光會集中在接近中心軸半徑約2mm左右的範圍而導致中心部分的光過亮的問題。

在本創作的一實施例中，所選用之該至少一光吸收層的材質與所應用之背光模組的厚度有關，若背光模組較厚時，則可選用光吸收係數較低之材質來當作該光吸收層，此乃因LED光源與擴散板相距較遠，由透鏡之底面反射並由出射面出射的光線之集中現象較不明顯；若背光模組較薄時，則可選用光吸收係數較高之材質來當作該光吸收層，藉以減少由透鏡之底面反射再由出射面出射的光線，此乃因LED光源與擴散板相距較近，由透鏡之底面反射並由出射面出射的光線之集中現象較為明顯。

在本創作的一實施例中，其中該至少一光吸收層可設置在該基板如印刷電路板(PCB)之表面，其中該至少一光吸收層可利用印刷方式形成在該基板如印刷電路板(PCB)之表面上，以使所形成之該光吸收層能對應於該透鏡之底面的全反射光之入射區域。

在本創作的一實施例中，其中該至少一光吸收層可設置在該透鏡之底面的全反射之入射區域上，其中該至少一光吸收層可利用鍍膜方式形成在該透鏡之底面上，以使所形成之該光吸收層能對應於該透鏡之底面的全反射光之入射區域。

在本創作的一實施例中，其中該至少一光吸收層可利用印刷方式先形成在一薄膜片上，再將該薄膜片對應設置在該透鏡之底面與該基板之間，以使該光吸收層能對應於透鏡之底面的全反射之入射區域。

在本創作的一實施例中，其中該至少一光吸收層可利用深色漆料形成。

1‧‧‧發光二極體(LED)發光裝置

10‧‧‧發光二極體(LED)光源

11‧‧‧第一出射光

12‧‧‧第二出射光

13‧‧‧反射光

14‧‧‧第三出射光

20‧‧‧基板

30‧‧‧透鏡

31‧‧‧光入射面

32‧‧‧光出射面

33‧‧‧底面

40‧‧‧光吸收層

50‧‧‧薄膜片

2‧‧‧擴散板

D‧‧‧為LED光源之光源發光面到擴散板的距離

圖1係本創作之可調整近軸區光線強度的發光二極體(LED)發光裝置應用於背光模組之一側面剖視示意圖。

圖2係圖1中該光吸收層形成在該基板(印刷電路板PCB)表面上之側面剖視放大(局部分解)示意圖。

圖2A係圖2中該光吸收層形成在該基板(印刷電路板PCB)表面上之上視示意圖。

圖3係圖1中該光吸收層形成在該透鏡之底面的全反射之入射區域上之側面剖視放大(局部分解)示意圖。

圖3A係圖1中該光吸收層形成在該透鏡之底面的全反射之入射區域上之底視示意圖。

圖4係圖1中該光吸收層形成在一薄膜片上且該薄膜片係設置在該透鏡之底面與該基板之間以使該光吸收層能對應於透鏡之底面的全反射之入射區域之側面剖視放大(局部分解)示意圖(但圖中仍保留光程)。

圖5係本創作之可調整近軸區光線強度的發光二極體(LED)發光裝置中所使用之透鏡之另一實施例之一側面剖視示意圖。

圖6A~6C係本創作在相同D值(15mm)及光吸收層之光吸收率分別為0%、50%、90%的情況下進行模擬實驗所得之中央光強度平均值示意圖(橫軸為與光軸距離，直軸為光強度)。

圖7A、7B分別係本創作在D值為15mm及未使用光吸收層的情況下進行模擬實驗所得之光圖及原本中央光強度示意圖(橫軸為與光軸距離，直軸為光強度)。

圖7C、7D分別係本創作在D值為15mm及使用光吸收層光吸收率100%的情況下進行模擬實驗所得之光圖及使用吸收層後之中央光強度示意圖(橫軸為與光軸距離，直軸為光強度)。

圖8A、8B分別係本創作在D值為20mm及未使用光吸收層的情況下進行模擬實驗所得之光圖及原本中央光強度示意圖(橫軸為與光軸距離，直軸為光強度)。

圖8C、8D分別係本創作在D值為20mm及使用光吸收層光吸收率100%的情況下進行模擬實驗所得之光圖及使用吸收層後之中央光強度示意圖(橫軸為與光軸距離，直軸為光強度)。

圖9A、9B分別係本創作在D值為25mm及未使用光吸收層的情況下進行模擬實驗所得之光圖及原本中央光強度示意圖(橫軸為與光軸距離，直軸為光強度)。

圖9C、9D分別係本創作在D值為25mm及使用光吸收層光吸收率100%的情況下進行模擬實驗所得之光圖及使用吸收層後之中央光強度示意圖(橫軸為與光軸距離，直軸為光強度)。

請參考圖1-4，為使本創作更加明確詳實，茲列舉較佳實施例並配合圖1-4，將本創作之結構及其技術特徵詳述如後，其中圖1-4主要係用以說明本創作之結構及其技術特徵，故各元件之間並非依實際尺寸及比例繪示也非用以限制本創作。

參考圖1所示，本創作係一可調整近軸區光線強度的發光二極體(LED)發光裝置1，供應用於一背光模組中使用如在該LED發光裝置1之前方設有一擴散板2。該LED發光裝置1包含：一發光二極體(LED)光源10耦合於一基板20如印刷電路板(PCB)上用以產生第一出射光11；一透鏡30設在該LED光源10之出射光11之方向上，其具有一光入射面31、一光出射面32及一底面33；其中該LED光源10之出射光如圖1中所示之第一出射光11能由該光入射面31入射至該透鏡30內再由該光出射面32出射向外而成為第二出射光12如圖1所示；其中該底面33係面向該基板20並與該光出射面32相接如圖1所示；其中當該LED光源10之出射光11由該透鏡 30之光入射面31入射至該透鏡30內時，隨著光出射面32之形狀設計的不同，光在該透鏡30內會被該光出射面32部分反射或全反射至底面33，即上述之部分反射(部分折射)或全反射並非用以限制本創作；在此以圖1所示之第一出射光11為例說明但非用以限制本創作，即圖1所示之第一出射光11在入射至該透鏡30內之後，其中有一部份之光，會被該光出射面32部分反射至底面33(如圖1中所示之反射光13)而有部分折射並由該光出射面32出射(如圖1中所示之第二出射光12)；或其中有一部分之光，在該透鏡30內是會被該光出射面32全反射至底面33(如圖1中所示之反射光13但沒有部分折射故未產生第二出射光12)，進一步再於該底面33被反射而再度到達該光出射面32而再由該光出射面32折射以朝光軸Z方向前進如圖1中所示之第三出射光14。

在本創作的實施例中，該透鏡30之底面33係自該光入射面31向外延伸出並與該光出射面32相接，而該透鏡30之底面33係設置於該LED光源10之一發光面上緣，但本創作之透鏡並非只限制於圖1~4所示之透鏡30之形狀，也就是其他形狀之透鏡如圖5所示之透鏡30a，只要在使用中會遇到因部分反射或全反射而入射至透鏡底面33的光線會再由底面33反射至透鏡近光軸處所造成近軸處光線過量以致使背光照明時形成中央亮點的問題時，就可利用本創作的技術手段來解決及克服該些問題。

以圖1~4為例說明，本創作之LED發光裝置1之特徵在於：在該透鏡30之底面33與該基板20之間設置至少一光吸收層40，該至少一光吸收層40係用以使該LED光源10之第一出射光11在該透鏡30內經該光出射面32部分反射或全內反射的反射光13在照射到該透鏡30之底面33時，可被該至少一光吸收層40全部或部份吸收，用以使再度由該透鏡30之底面33反射至該光出射面32並由該光出射面32折射朝光軸Z方向前進的光線，如圖1~4所示之第三出射光14，得有效地被抑制或減少，藉以解決因部分反射或全反射而投射至透鏡底面33的光線，如圖1~4所示之反射光13，會再由底面33反射至透鏡30之近光軸Z處所造成近光軸Z處光線過量以致使背光照明時形成中央亮點的問題；其中，該反射光13可為部分反射光或全內反射光，但上述之部分反射光或全反射光並非用以限制本創作。

在本創作的實施例中，該至少一光吸收層40所使用之材質可利用深色漆料形成，且其所使用之材質的光吸收係數(光吸收率)與所應用之背光模組的厚度有關，即其材質之光吸收係數(光吸收率)可因應所應用之背光模組的厚度而做適當選擇，例如：若背光模組較厚時，則該光吸收層40可選用光吸收係數較低之材質來製作形成，此乃因該LED光源10與擴散板2(如圖1所示)之間的距雖(D)較遠，以致由該透鏡30之底面33反射並由該出射面32出射的光線(即第三出射光14)之集中現象較不明顯；而若背光模組較薄時，則該光吸收層40可選用光吸收係數較高之材質來製作形成，藉以減少由該透鏡30之底面33反射再由該出射面32出射的光線(即第三出射光14)，此乃因該LED光源10與擴散板2(如圖1所示)之間的距雖(D)較近，以致由該透鏡30之底面33反射並由該出射面32出射的光線(即第三出射光14)之集中現象較為明顯。

以本創作一實施例進行模擬實驗，其中該至少一光吸收層40所使用之材質的光吸收係數(光吸收率)為100%，即該LED光源10之第一出射光11在該透鏡30內經該光出射面32反射(可為部分反射或全內反射)的反射光13在照射到該透鏡30之底面33時可被該至少一光吸收層40全部吸收，並在不同D值的情況下進行模擬實驗，則完成之測試結果如下表(一)所示：其中，請同時參考圖1所示，中央光強度的中央是指距離光軸(Z)2公分的範圍內。D值(mm)指該LED光源10之光源發光面到擴散板2的距離。中央光強度的範圍(range)是取最大光強度的±500。

由表(一)中「使用吸收層後之中央光強度」與「原本中央光強度」或參考圖7A~7D、8A~8D、9A~9D可知，反射光13再度由該透鏡30之底面33反射至該光出射面32並由該光出射面32折射朝光軸Z方向前進的光線(即第三出射光14)確實被有效地抑制或減少。其中，圖7A、7B分別係本創作在D值為15mm及未使用光吸收層的情況下進行模擬實驗所得之光圖及原本中央光強度示意圖(橫軸為與光軸距離，直軸為光強度)。

再以本創作另一實施例進行模擬實驗，其中該至少一光吸收層40所使用之材質的光吸收係數(光吸收率)分別為10%、50%及100%，即該LED光源10之第一出射光11在該透鏡30內經該光出射面32反射(可為部分反射或全內反射)的反射光13在照射到該透鏡30之底面33時可被該至少一光吸收層40部份吸收(10%、50%)或全部吸收(100%)，並在相同D值(皆為15mm)的情況下進行模擬實驗，則完成之測試結果如下表(二)所示：

由表(二)中「使用吸收層後之中央光強度平均值」與「原本中央光強度平均值」或參考圖6A~6C可知，使用光吸收層40後之中央光強度平均值會隨著該光吸收層40之光吸收率(%)之遞增而遞減，即反射光13(可為部分反射光或全內反射光)再度由該透鏡30之底面33反射至該光出射面32並由該光出射面32折射朝光軸Z方向前進的光線(如圖示之第三出射光14)確實被有效地抑制或減少。其中，圖6A~6C係本創作在相同D值(15mm)及光吸收層之光吸收率分別為0%、50%、90%的情況下進行模擬實驗所得之中央光強度平均值示意圖(橫軸為與光軸距離，直軸為光強度)。

在本創作的一實施例中如圖2及2A所示，其中該至少一光吸收層40可設置在該基板20如印刷電路板(PCB)之表面，其中該至少一光吸收層40可利用印刷方式如網版印刷方式形成在該基板40如印刷電路板(PCB)之表面上，以使所形成之該光吸收層40能對應於該透鏡30之底面33的全反射光13之入射區域，如圖2所示該光吸收層40係對應涵蓋該透鏡30之底面33的全部但不限制。

在本創作的一實施例中如圖3及3A所示，其中該至少一光吸收層40可設置在該透鏡30之底面33上的全反射光之入射區域上，其中該至少一光吸收層40可利用鍍膜方式形成在該透鏡30之底面33的全反射光之入射區域上，如圖3所示該光吸收層40係包含該透鏡30之底面33的全部但不限制。

在本創作的一實施例中如圖4所示，其中該至少一光吸收層40可利用印刷方式先形成在一薄膜片50上，即該薄膜片50可視為該至少一光吸收層40之載體，再將該薄膜片50對應設置在該透鏡30之底面33與該基板20(如PCB，印刷電路板)之間，並使該光吸收層40能對應遮覆於透鏡30之底面33的全反射光之入射區域，如圖4所示該光吸收層40係對應遮覆該透鏡30之底面33的全部區域但不限制。

在本創作的一實施例中，其中該至少一光吸收層40可直接形成一薄膜片(40)(圖未示，但可參考如圖4，其中並未設置該薄膜片50，即該至少一光吸收層40未設該薄膜片50當作載體)，再將如一薄膜片狀之該至少一光吸收層40對應設置在該透鏡30之底面33與該基板20(如印刷電路板PCB)之間，並使該光吸收層40能對應遮覆於透鏡30之底面33的全反射光之入射區域，如圖4所示該光吸收層40係對應遮覆該透鏡30之底面33的全部區域但不限制。

在本創作的一實施例中，其中該至少一光吸收層可利用深色漆料形成，而藉由該深色漆料之深色程度以控制該光吸收層40之光吸收率(%)。

當利用印刷方式或鍍膜方式以塗佈形成該光吸收層40時，該光吸收層40可以是全面式均勻塗佈之模式，也就是使該光吸收層40能均勻地完整對應遮覆該透鏡30之底面33的全反射光13之入射區域，但如此全面式均勻塗佈之方式非用以限制本創作，即該光吸收層40除可全面式均勻塗佈之模式以外，亦可形成圖案(pattern)模式，如在該透鏡30之底面33上形成一由多個不同直徑之同心圓以等徑距構成之圖案，使得可藉由該圖案中該光吸收層40之實際塗佈區域以調節控制該光吸收層40對該全反射光13之實際光吸收率或實際光吸收係數，換言之，藉由該光吸收層40之圖案化設計，可進一步使該全反射光13再度由該透鏡30之底面33反射至該光出射面32時得有效地控制該全反射光13被抑制或減少之後的剩餘總量。

本創作之技術手段係在透鏡30之底面33與LED光源10所耦合之基板20之間設置至少一光吸收層40，因此本創作與本領域之習知技術比較，本創作之技術具有下列區別特徵及其為本創作帶來之優勢：

(1)、本創作所提供之光吸收層的設置位置及其所用材質係可依據各種不同厚度的背光模組來做選擇，而習知技術如在透鏡體上直接設置反射結構(如US7,798,679)或微結構(如US2009/225550)用以反射光線的做法，卻只能針對某一特定尺寸範圍的背光模組或者透鏡厚度做應用，因此本創作的技術之適用範圍較廣且較佳。

(2)習知技術是利用反射光線之技術手段，然本創作卻是利用吸收光線之技術手段，因此本創作的技術手段與習知技術不同。

(3)、以技術手段之實施難易度而言，本創作之該光吸收層只要在基板(如印刷電路板，PCB)之表面或透鏡之底面上進行塗布作業即可形成，如利用印刷方式在該基板如印刷電路板(PCB)之表面上形成該光吸收層，或利用鍍膜方式在該透鏡之底面上形成該光吸收層，故塗布作業較簡單而適合大量生產；然，習知技術如在透鏡體上直接設置反射結構(如US7,798,679)或微結構(如US2009/225550)的做法，都需進一步做複雜的模具設計，反而增加製作成本。

此外，習知技術如US7,798,679所利用之楔形光散射部或US 2009/225550所利用之微結構等，大都是直接成形在一LED透鏡本體上，除了增加該LED透鏡成形模具在設計上之困難度之外，而且當一LED透鏡成形模具在設計完成之後，該些結構如楔形光散射部或微結構就不容易或無法再進行修改，因此也會相對減損該等結構之使用效果，使該一體成形之LED透鏡無法達成所預期之使用功效。然而，本創作的光吸收層只須在基板(如印刷電路板，PCB)之表面或透鏡之底面上進行塗布作業即可形成，因此當一LED透鏡已製作完成但光吸收層卻未達成所預期之使用效果時，例如該光吸收層之塗佈區域或塗佈材料須進一步因應LED透鏡之功能需要而進行修改時，則該光吸收層可較容易修改或變更設計，如此有利於提昇LED透鏡之品質及使用功效。

以上所述僅為本新型的優選實施例，對本新型而言僅是說明性的，而非限制性的；本領域普通技術人員理解，在本新型權利要求所限定的精神和範圍內可對其進行許多改變，修改，甚至等效變更，但都將落入本新型的保護範圍內。