CN111207365A - 光学透镜、发光装置及背光模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学透镜、发光装置及背光模块。光学透镜用以调整发光单元发出的光线。光学透镜包括一入光面与一出光面。入光面围设出用以容置发光单元的空间。出光面用以接收并发出自入光面进入光学透镜的光线。光学透镜具有一光轴，入光面相对该光轴不对称。

Description

光学透镜、发光装置及背光模块

技术领域

本发明涉及一种光学透镜、发光装置及背光模块，尤其是涉及一种调整出光分布的光学透镜、发光装置及背光模块。

背景技术

现有技术中用于发光单元(例如发光二极管)的光学透镜一般来说为Z轴对称，亦即，相对发光单元的出光方向对称。然而，在发光单元呈方向性分布的前提下，这种对称设计的光学透镜容易导致出光在特定方向叠加，造成该特定方向过亮或其他方向出光量不足的问题。例如，随着显示技术的发展，背光模块的设计愈趋于减少发光单元的数量以降低成本并提高组装效率，因此发光单元的排列通常是沿着特定方向分布，故有上述光线分布不均的情况发生。

发明内容

因此，本发明提出一种光学透镜、发光装置及背光模块，使光学透镜入光面为相对光轴不对称，以降低特定方向光线过亮以及特定方向光线不足的情形问题。

本发明的一实施例提供一种光学透镜，用以调整发光单元发出的光线，包含入光面以及出光面。入光面围设出用以容置发光单元的空间。出光面接收并发出自入光面进入光学透镜的光线。光学透镜具有一光轴，入光面相对光轴不对称。

本发明另一实施例提供一种发光装置，包含发光单元以及上述光学透镜。发光单元设置于入光面围设出的空间中。

本发明另一实施例提供一种背光模块，包括多个上述发光装置。发光装置沿垂直于短轴的方向排列。

为更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与图式，然而所提供的图式仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1A显示本发明第一实施例的光学透镜的立体示意图。

图1B显示本发明第一实施例的光学透镜的入光面的立体示意图。

图2A显示本发明第一实施例的显示装置的侧面示意图。

图2B显示本发明第一实施例的显示装置另一方向的侧面示意图。

图3A显示本发明第一实施例的光学透镜的边缘轨迹的变化实施例。

图3B显示本发明第一实施例的光学透镜的边缘轨迹的另一变化实施例。

图4显示本发明第一实施例的发光装置在入光面的一长轴与短轴比值范围内的短轴方向与长轴方向光通量比值。

图5显示本发明第一实施例的发光装置在不同的发光面与短轴长的比值下的光强度方位角分布。

图6显示本发明第一实施例的背光模块的示意图。

图7A显示本发明第二实施例的光学透镜的侧面示意图。

图7B显示本发明第二实施例的光学透镜另一方向的侧面示意图。

其中，附图标记：

发光装置 U

光学透镜 1

入光面 101

出光面 102

凹陷部 11

反射面 103

设置面 104

发光单元 2

发光面 20

最大长度 L

空间 S

光轴 Z

短轴方向 Y

长轴方向 X

第一弧度曲面 E1

第二弧度曲面 E2

边缘轨迹 T

长轴 a

短轴 b

高度 c

背光模块 B

光源基板 3

方向 D

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例并配合图1A至图7B以说明本发明所公开的光学透镜、发光装置以及背光模块的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。然而，以下所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围，在不悖离本发明构思精神的原则下，本领域技术人员可基于不同观点与应用以其他不同实施例实现本发明。

在附图中，为了清楚说明，所示者均为简化示意图，用以示意本发明的基本架构。因此，附图中所显示结构并非依实际实施的形状与尺寸比例会至。例如，为方便说明，放大了特定元件的尺寸。此外，应当理解，当诸如层、膜、区域或基板的元件被称为在另一元件“上”或“连接到”另一元件时，其可以直接在另一元件上或与另一元件连接，或者中间元件可以也存在。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。如本文所使用的，“连接”可以指物理及/或电性连接。再者，“电性连接”或“耦合”系可为二元件间存在其它元件。

除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，诸如在通常使用的字典中定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术和本发明的上下文中的含义一致的含义，并且将不被解释为理想化的或过度正式的意义，除非本文中明确地这样定义。

以下配合图1A至图6说明本发明第一实施例的光学透镜1、发光装置U以及背光模块B。首先，请参阅图1A，光学透镜1具有一入光面101与一出光面102。入光面101围设出用以容置一发光单元2的空间S。出光面102用以接收自入光面101进入光学透镜1的光线，并向光学透镜1外并发出此光线。请配合参阅图1A及图1B所示，本实施例中，光学透镜1具有光轴Z，且光学透镜1的入光面101相对光轴Z不对称。明确来说，光轴Z为一假想线，在本实施例中指通过光学透镜1发出的光线的轴对称中心。上述“入光面101相对光轴Z不对称”意指入光面101相对光轴Z不完全对称。明确来说，当入光面101相对光轴Z不完全对称，表示入光面101在垂直光轴Z的某一特定方向上具有大的光接收面。本实施例中，通过入光面101相对光轴Z不对称的技术手段，可使发光装置U调整发光单元2的光线分布。

图2A显示本发明提供的发光装置U，其包括如图1A所示的光学透镜1以及发光单元2，其中发光单元2设置于空间S。本实施例中，发光单元2例如为发光二极管，光学透镜1可以透明材料(例如：压克力)射出成形制成，然而，本发明不限于此。

进一步来说，本实施例中，入光面101在光轴Z方向上的垂直投影具有长度不同的长轴及短轴。请参阅图1B，本实施例中，长轴a沿长轴方向X延伸，短轴b沿短轴方向Y延伸，且长轴a的定义为入光面101在光轴Z方向上的垂直投影(即入光面101的边缘轨迹T所围绕的区域)通过中心的最大宽度；短轴b定义为通过上述垂直投影中心且垂直于长轴的最大宽度。本实施例中，长轴a与短轴b长度不同，换句话说，在垂直于光轴Z的平面上，入光面101的垂直投影轮廓上的每一点相对于垂直投影中心并非等距。藉此，入光面101会在垂直于光轴Z的至少一方向上接收相较其他垂直于光轴Z的方向更多的光线。藉此，本发明实施例的发光装置U可解决特定方向上出光量太高或太低的问题。

图2A显示图1A的光学透镜1沿剖线AA的剖面图配合发光单元2的设置，其中剖线AA与长轴a重叠；图2B为图1A的光学透镜1沿剖线BB的剖面示意图配合发光单元2的设置，其中，剖线BB与短轴b重叠。比较图2A与图2B可知，由于长轴a长度较短轴b长度长，入光面101沿长轴a方向将有较多面积接收发光单元2的入射光线，此入射光线将朝短轴方向Y或接近短轴方向Y入射光学透镜1；而沿短轴b方向将有相对较少面积接收发光单元2的光线，因此有相对较少的光线朝长轴方向X或接近长轴方向X入射光学透镜1。因此，本发明实施例的发光装置U可提升增加短轴方向Y出光量与长轴方向X出光量之比。

此外，如图1A、图2A及图2B所示，本实施例中，光学透镜1进一步具有凹陷部11，自光学透镜1远离入光面101的一侧凹入光学透镜1，凹陷部11面向入光面101的一侧具有反射面103。反射面103用以接收自入光面101进入光学透镜1的光线，且出光面102连接反射面103的边缘与入光面101，以接收自反射面103反射的光线并将该光线射出光学透镜1。明确来说，出光面102可以是通过一设置面104与入光面101相连接，如图2A及图2B所示，其中设置面104是发光单元2用以与设置处(例如：光源基板)接触的部位。或者，在其他实施例中，出光面102可以是直接与入光面101的边缘相连接，亦即出光面102的边缘与入光面101的边缘共同作为发光单元2的支撑部位。需要说明的是，本发明不限于上述。在其他实施例中，光学透镜1也可不包括凹陷部11与反射面103，进入入光面101的光线将直接自出光面102折射而出，相关实施例将在下文以图7A及图7B说明。

更进一步来说，请参阅图2B，本实施例的入光面101在相对长轴方向X的两侧各具有第一弧度曲面E1以及第二弧度曲面E2。第一弧度曲面E1连接于第二弧度曲面E2，且第一弧度曲面E1与第二弧度曲面E2沿光轴Z排列。如图所示，本实施例中，第一弧度曲面E1的平均斜率大于第二弧度曲面E2的平均斜率。上述的平均斜率指第一弧度曲面E1与第二弧度曲面E2对应光轴Z方向的两端之间的斜率。藉由上述技术手段，本实施例可使入光面101接收的入射光朝反射面103集中，提高入射光线的使用效率。然而，本发明不限于此。在其他实施例中，入光面101也可由连续曲率的曲面构成。

请参阅图1B、图3A及图3B，图1B的实施例中，入光面101的边缘轨迹T为一接近椭圆的曲线。然而，本发明不限于此。入光面101的边缘轨迹T可为直线或曲线，或两者的组合。例如，在图3A的变化实施例中，边缘轨迹T由线段组成，而在图3B的变化实施例中，边缘轨迹T由线段与曲线组合而成。本领域技术人员可根据出光方向、光学效果等实际需求，对边缘轨迹T做相应的设计。

在本发明一较佳实施例中，入光面101垂直投影的长轴a与短轴b的比值介于200％与6000％之间，且入光面101高度与短轴b的比值介于100％与1000％之间。详细来说，请配合参阅图1B、图2A及图4。图4显示本发明第一实施例的发光装置U在入光面101的一长轴a与短轴b比值范围内，短轴方向Y与长轴方向X光通量比值，其中，第一实验例为高度c为1.8mm，短轴b为1.5mm的光学透镜1搭配尺寸为1.3mm的发光单元2；第二实验例为高度c为3.6mm，短轴b为1.5mm的光学透镜1搭配尺寸为1.3mm的发光单元；第三实验例为高度c为7.2mm，短轴b为1.5mm的光学透镜1搭配尺寸为1.3mm的发光单元；第四实验例为高度c为7.2mm，短轴b为1.0mm的光学透镜1搭配尺寸为1.3mm的发光单元；第五实验例为高度c为7.2mm，短轴b为1.0mm的光学透镜1搭配尺寸为0.5mm的发光单元。

如图4所示，长轴a与短轴b的比值越高，短轴方向Y相对长轴方向X的光通量就越高。亦即，在同样的入射光量下，当长轴a相对短轴b越长，入光面101可将越多入射光线往短轴方向Y分配。在光学透镜1高度c较低的第一实验例与第二实验例中，长轴a与短轴b比值在20左右时配光效果趋于饱和。在高度较高的第三实验例、第四实验例与第五实验例中，以发光单元2尺寸最小的第五实验例有最高的配光效果。上述配光效果指光学透镜1将入射光以较高的比例朝短轴方向Y射出的效果，即横轴数值越高，配光效果越好。故由图4可知，当长轴a与短轴b的比值介于200％与6000％之间，且入光面101高度与短轴b的比值介于100％与1000％之间，可达到较佳的配光效果。

请配合参阅图1B、图2A及图5。发光单元2具有发光面20，且在本发明一较佳实施例中，发光面20的最大长度L与短轴b的比值介于1％至50％之间，且发光面20的最大长度较佳介于0.02mm与5mm之间。上述发光面20意指等效发光面20，亦即发光单元2的实际发光面在光轴Z方向上的垂直投影范围。最大长度L指发光面20可量得的最大长度，例如，当发光单元2为方形的LED晶片，最大长度指此LED晶片的对角宽；当发光单元2为圆形，最大长度指此发光单元2的直径。图5中，0度方位角对应长轴方向X，90度方位角对应短轴方向Y，图中以最大长度L与短轴b的比值分别在1％、50％以及83％的三个实验例在不同方位角发出的光强度作为示例。由图5可知，当发光面20的最大长度L与短轴b比例介于1％至50％之间(请见图中分别以虚线及粗线表示、L/b比值分别为1％及50％的两个实验例)，发光装置U具有较低的漏光现象，亦即光线朝90度以外的角度出射的比率较小，因而具有较佳的配光效果。而相较之下，当发光面20的最大长度L越接近短轴b的长度(请见图中以细线表示、L/b比值为83％的实验例)，漏光比率越高，配光效果越差。此外，本实施例的发光单元2为矩形的发光二极管，且其发光面20为平面，然而，本发明不限于此。在其他实施例中，发光二极管亦可例如为圆形，且发光面不限于平面。

图6显示本实施例提供的背光模块B，其具有多个发光装置U设置于光源基板3，且发光装置U沿方向D排列。如图所示，本实施例中，方向D垂直于短轴方向Y，平行于长轴方向X。因此，当搭配本实施例提供的发光装置U，由于其能提供短轴方向Y相较长轴方向X较高的光通量，故解决了现有发光装置在方向D排列所造成沿方向D光通量过高、沿垂直于方向D的方向光通量过低的问题。藉此，本发明提供的光学透镜1、发光装置U以及背光模块B能够调整光线在特定方向的出光量，以解决因发光装置U的排列方式所造成的光通量过高或过低的问题。

图7A及图7B显示本发明第二实施例提供的光学透镜1在不同角度的侧面示意图。相较于第一实施例，本发明第二实施例与第一实施例的主要差异在于自入光面101入射的光的出光路径。详细而言，比较图7A与图1A所示，第二实施例不具有第一实施例的凹陷部11，第二实施例的出光面102为一对应入光面101的凸面，以接收自入光面101入射光学透镜1的光线。此外，第一实施例中，入光面101具有第一弧度曲面E1以及第二弧度曲面E2；本实施例中，入光面101为由连续曲率的曲面构成。本实施例与第一实施例的其他主要技术特征大致相同，于此不再赘述。比较图7A与图7B可知，本实施例同样具有较短轴b长的长轴a，以将入射光以较大的比例朝短轴方向Y分配。

综合上述，本发明实施例提供的光学透镜1、发光装置U以及背光模块通过“光学透镜具有光轴，入光面相对光轴不完全对称”的技术手段，以提高短轴方向Y与长轴方向X出光量的比值。

上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的申请专利范围，所以凡是运用本发明说明书及图式内容所做的等效技术变化，均落入本发明的申请专利范围内。

Claims (15)

1.一种光学透镜，其特征在于，用以调整一发光单元发出的光线，包含：

一入光面，该入光面围设出用以容置该发光单元的一空间；以及

一出光面，用以接收并发出自该入光面进入该光学透镜的光线；

其中，该光学透镜具有一光轴，该入光面相对该光轴不完全对称。

2.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该入光面在该光轴方向上的垂直投影具有长度不同的一长轴及一短轴。

3.如权利要求2所述的光学透镜，其特征在于，该长轴与该短轴的比值介于200％与6000％之间。

4.如权利要求2所述的光学透镜，其特征在于，该入光面的一高度与该短轴的比值介于100％与1000％之间。

5.如权利要求2所述的光学透镜，其特征在于，该入光面在对应该长轴的相对两侧各具有一第一弧度曲面以及一第二弧度曲面，该第一弧度曲面连接于该第二弧度曲面，且该第一弧度曲面与该第二弧度曲面沿该光轴排列，其中，该第一弧度曲面与该第二弧度曲面具有不同的平均斜率。

6.如权利要求5所述的光学透镜，其特征在于，该第一弧度曲面的平均斜率大于该第二弧度曲面的平均斜率。

7.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该入光面的一边缘轨迹为直线以及曲线的至少其一的组合。

8.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该出光面为背向该入光面的一凸面且对应该入光面。

9.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，进一步包括：

一凹陷部，自该光学透镜远离该入光面的一侧凹入该光学透镜，该凹陷部面向该入光面的一侧具有一反射面，其中，该出光面连接该反射面的边缘与该入光面。

10.一种发光装置，其特征在于，包含一发光单元以及如权利要求1至9中任一项所述的光学透镜，该发光单元设置于该空间。

11.如权利要求10所述的发光装置，其特征在于，该发光单元具有一发光面，该发光面的一最大长度与该短轴的比值介于1％至50％之间。

12.如权利要求10所述的发光装置，其特征在于，该发光单元具有一发光面，该发光面的一最大长度介于0.02mm与5mm之间。

13.一种背光模块，其特征在于，包含：多个如权利要求10所述的发光装置，其中，该些发光装置沿一方向排列，该方向垂直于该短轴。

14.如权利要求13所述的背光模块，其特征在于，该发光单元具有一发光面，该发光面的一最大长度与该短轴的比值介于1％至50％之间。

15.如权利要求13所述的背光模块，其特征在于，该发光单元具有一发光面，该发光面的一最大长度介于0.02mm与5mm之间。

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