TWI471615B - Backlight module and its optical lens - Google Patents

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TWI471615B
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Li-Mei Li
N-Yi Zheng
Po Iem Lin
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Tpv Display Technology Xiamen
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Description

背光模組及其光學透鏡
本發明是有關於一種光學透鏡，特別是指一種應用於大角度發光的發光裝置的光學透鏡。
目前，一平面顯示器應用的一液晶模組多採用TFT-LCD(Thin film transistor liquid crystal display，薄膜電晶體-液晶顯示器)技術。TFT-LCD為非主動式發光顯示，通常由一白光背光模組(Backlight Module)提供均勻的系統亮度，再透過一彩色濾光片(Color Filter)獲得豐富的色彩顯示。
如圖1所示現行的該白光直下式背光模組包含多個光源91及一薄膜基材92(Film substrate)。LED(發光二極體)由於體積小、耗能少，因此成為液晶顯示器背光模組使用的光源91之一。LED發出的光線呈朗伯分佈(Lambertian distribution)，其正上方的光斑較小。因此，以LED作為背光模組的光源91時，需要較多的LED顆數。
如圖2所示，在各該光源91上方增加一光學透鏡90(亦常稱之為二次光學透鏡90)，改變該光源91的光分佈，可增加該光源91的擴散角，降低混光高度。將該光源91結合該光學透鏡90應用於直下式背光模組中，能增加薄膜基材92表面的光斑面積，有效降低該光源91的使用數量，降低直下式背光模組的成本。
如圖3所示，為增加該光源91正上方的光斑大小，該光學透鏡90包含一入光面93、一出光面94，及一底面95。 其中該出光面94為曲面結構，該底面95為平面結構。該光源91發出的光線A經過該底面95入射至該出光面94時，部分光線A反射至該底面95，由該底面95再反射回出光面94時光線A朝向該光學透鏡90的一中心軸N1行進，引起該中心軸N1附近亮度較高，光分佈不均勻。
因此，本發明之目的，即在提供一種能使光分佈均勻的光學透鏡。
於是，本發明光學透鏡，與一光源搭配使用，該光源具有一光學軸，該光學透鏡包含一入光面及一出光面。
該入光面鄰近該光源，該光源發出的光線由該入光面進入該光學透鏡，定義一通過該光學軸地剖切該光學透鏡的透鏡截面，該入光面與該透鏡截面之交界線為該透鏡截面的一入光面輪廓線，該入光面輪廓線彎折而界定出一朝向該光源的第一開口，並具有兩分別位於該光源的兩側的第一端。
該出光面與該入光面相間隔且較遠離該光源，該出光面與該透鏡截面之交界線為該透鏡截面的一出光面輪廓線，該出光面輪廓線彎折而界定出一朝向該光源的大於該第一開口的第二開口，並具有兩分別位於該二第一端的遠離該光源之側的第二端，位於該光源之同側的該第一端與該第二端以一調整面輪廓線相連，該調整面輪廓線彎折而界定出一與該入光面輪廓線之第一開口同向的第三開口。
較佳地，其中，該入光面輪廓線至少部分線段的任意 點與該光源的距離隨著該點與該光學軸的距離增加而遞減。該出光面輪廓線至少部分線段的任意點與該光源的距離隨著其與該光學軸的距離增加而遞增。
較佳地，其中，該入光面輪廓線至少部分線段的任意點與該光源的距離隨著該點與該光學軸的距離增加而遞減。該出光面輪廓線至少部分線段的任意點與該光源的距離隨著其與該光學軸的距離增加而遞增。
較佳地，其中，該調整面輪廓線至少部分線段的任意點與該光源的連線與該光學軸的夾角大於等於80度。
較佳地，其形狀旋轉對稱於該光學軸，並還包含一連接該入光面與該出光面的調整面，該調整面與該透鏡截面之交界線為該二調整面輪廓線。
較佳地，其中，定義一通過該光源且垂直該光學軸的基準面，該調整面輪廓線與該基準面的最大距離除以該基準面上得到該最大距離的點與位於該光源之同側的該第一端在該基準面上的投影點的第一距離所得的比值小於0.34，該第一距離介於該調整面輪廓線在該基準面上的投影長度的0.1至0.6倍。
較佳地，其中，該第一端與第二端其中至少一呈平面，且該平面垂直該光學軸。
較佳地，其中，該出光面輪廓線具有二平行該光學軸且末端為該二第二端的直線段。
更佳地，其形狀旋轉對稱於該光學軸，其中，該出光面包括一圍繞該光學軸的圓柱面部，該圓柱面部與該透鏡 截面之交界線為該二直線段。
較佳地，其中，該二第一端及該二第二端位於一通過該光源且垂直該光學軸的基準面上。
較佳地，其中，該二第二端位於一通過該光源且垂直該光學軸的基準面上，該二第一端不位於該基準面上。
本發明之另一目的，即在提供一種能使光分佈均勻的背光模組。
於是，本發明背光模組，包含依序相間隔設置的一薄膜基材、一光學透鏡及一光源，該光源具有一光學軸，該光學透鏡包含一薄膜基材、一光學透鏡及一光源。
該入光面鄰近該光源，該光源發出的光線由該入光面進入該光學透鏡，定義一通過該光學軸地剖切該光學透鏡的透鏡截面，該入光面與該透鏡截面之交界線為該透鏡截面的一入光面輪廓線，該入光面輪廓線彎折而界定出一朝向該光源的第一開口，並具有兩分別位於該光源的兩側的第一端。
該出光面與該入光面相間隔且較遠離該光源，該出光面與該透鏡截面之交界線為該透鏡截面的一出光面輪廓線，該出光面輪廓線彎折而界定出一朝向該光源的大於該第一開口的第二開口，並具有兩分別位於該二第一端的遠離該光源之側的第二端，位於該光源之同側的該第一端與該第二端以一調整面輪廓線相連，該調整面輪廓線彎折而界定出一與該入光面輪廓線之第一開口同向的第三開口，該光線由該出光面射出，並入射至該薄膜基材。
較佳地，其中，該入光面輪廓線至少部分線段的任意點與該光源的距離隨著該點與該光學軸的距離增加而遞減。該出光面輪廓線至少部分線段的任意點與該光源的距離隨著其與該光學軸的距離增加而遞增。
較佳地，其中，該調整面輪廓線至少部分線段的任意點與該光源的連線與該光學軸的夾角大於等於80度。
較佳地，其中，該光學透鏡的形狀旋轉對稱於該光學軸，並還包含一連接該入光面與該出光面的調整面，該調整面與該透鏡截面之交界線為該二調整面輪廓線。
較佳地，其中，定義一通過該光源且垂直該光學軸的基準面，該調整面輪廓線與該基準面的最大距離除以該基準面上得到該最大距離的點與位於該光源之同側的該第一端在該基準面上的投影點的第一距離所得的比值小於0.34，該第一距離介於該調整面輪廓線在該基準面上的投影長度的0.1至0.6倍。
較佳地，其中，該第一端與第二端其中至少一呈平面，且該平面垂直該光學軸。
較佳地，其中，該出光面輪廓線具有二平行該光學軸且末端為該二第二端的直線段。
更佳地，其中，該光學透鏡的形狀旋轉對稱於該光學軸，其中，該出光面包括一圍繞該光學軸的圓柱面部，該圓柱面部與該透鏡截面之交界線為該二直線段。
較佳地，其中，該二第一端及該二第二端位於一通過該光源且垂直該光學軸的基準面上。
較佳地，其中，該二第二端位於一通過該光源且垂直該光學軸的基準面上，該二第一端不位於該基準面上。
本發明之功效在於：透過該光學透鏡整體及該調整面的彎曲的設計，使部分光線經過二次反射後遠離該光學軸，而部分從該光學透鏡外部入射至該調整面的光線，經過該調整面折射遠離該光學軸，從而使各光線擴散以避免該光學軸附近的亮度過高，而能使光分佈均勻。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之三個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。
參閱圖4與圖5，本發明光學透鏡1應用於一背光模組4之第一較佳實施例包含依序相間隔設置的一薄膜基材41、至少一光學透鏡1及至少一光源3，該光源3例如是一LED或是一雷射，具有一光學軸L1。該背光模組4可使用於例如液晶顯示器或液晶電視中，其類型包括側入式和直下式。圖4為該光學透鏡1使用在一直下式的背光模組4中的示意圖，其中只呈現該背光模組4最基本的元件，至於例如反射片或是液晶模組等其他可能與之相配合的元件，則非本發明重點，在此不再贅述。該光學透鏡1包含：一入光面11、一出光面12，及一調整面13。該光學透鏡1是使用如PET、PC、PMMA、PS或玻璃等透光率較好的 材質。
該入光面11鄰近該光源3，該光源3發出的多條光線由該入光面11進入該光學透鏡1。定義一通過該光學軸L1地剖切該光學透鏡1的透鏡截面2，為使本實施例特徵能夠清楚呈現，以下利用透鏡截面2做說明。該入光面11與該透鏡截面2之交界線為該透鏡截面2的一入光面輪廓線21，該入光面輪廓線21彎折而界定出一朝向該光源3的第一開口212，且至少部分線段的任意點與該光源3的距離隨著該點與該光學軸L1的距離增加而遞減，並具有兩分別位於該光源3的兩側的第一端211。
該出光面12與該入光面11相間隔且較遠離該光源3，該出光面12與該透鏡截面2之交界線為該透鏡截面2的一出光面輪廓線22，該出光面輪廓線22彎折而界定出一朝向該光源3的大於該第一開口212的第二開口222，且至少部分線段的任意點與該光源3的距離隨著其與該光學軸L1的距離增加而遞增，並具有兩分別位於該二第一端211的遠離該光源3之側的第二端221。
位於該光源3之同側的該第一端211與該第二端221以一調整面輪廓線23相連，該調整面輪廓線23彎折而界定出一與該入光面輪廓線21之第一開口212同向的第三開口232，該等光線由該出光面12射出，並入射至該薄膜基材41。
以上為該透鏡截面2之形狀界定，凡截面符合該形狀界定的透鏡，在該截面所在處，即可達成下述本發明使光 分佈均勻的效果。在本實施例中，該光學透鏡的形狀為該透鏡截面2旋轉對稱於該光學軸L1而成。因此，該調整面13與該透鏡截面2之交界線為該二調整面輪廓線23。
上述本實施例的光學透鏡1的設計，能夠產生以下三種光線路徑：
1.部分光線a經過入光面時向外遠離該光學軸L1的方向折射，到達該出光面12時發生反射，至該調整面13時因該調整面13向外傾斜而朝遠離該光學軸L1的方向反射，降低該光學軸L1附近的亮度，並使該光學軸L1附近該薄膜基材41上的光均勻分佈。
2.部分光線b經過入光面時向外遠離該光學軸L1的方向折射，經過該出光面12時再次向外折射，達到光擴散的目的。
3.部分從該光學透鏡1外部入射至該調整面13的光線c，經過該調整面13時，由於該調整面13向外傾斜而影響該光線c向外折射遠離該光學軸L1，使光擴散。
更進一步說明，該調整面輪廓線23至少部分線段的任意點P1與該光源3的連線與該光學軸L1的夾角θ1大於等於80度。定義一通過該光源3且垂直該光學軸L1的基準面S1。該調整面輪廓線23與該基準面S1的最大距離D0除以該基準面S1上得到該最大距離的點P2與位於該光源3之同側的該第一端211在該基準面S1上的投影點的第一距離D1所得的一第一比值D0/D1在較佳的情況下是小於0.34。其理由如下所述。
該最大距離D0較大時可獲得較好的擴散效果，即該部分光線a更容易朝遠離該光學軸L1的方向反射，但是，參閱圖6，過大的最大距離D0會引起部分光線e由該入光面11入射後，被該調整面13反射而折向該光學軸L1引起亮度不均勻，導致該光學軸L1附近該薄膜基材41上的光斑形成例如有一亮圈的情形。由於LED的發光角大於160度時其光強度已接近0，因此限制該夾角θ1大於等於80度可避免光分佈不平均。此外，部分從該光學透鏡1外入射至該調整面13接近該入光面11的一側的光線f經該調整面13折射後會折向該光學軸L1，亦會使該光學軸L1附近該薄膜基材41上的亮度過高，因此限制該第一比值D0/D1，即限制該調整面13的彎曲程度，會減緩該光線f折向該光學軸L1的情形，使本發明的優勢更為突出。補充說明的是，為同時保有前述該部分光線a朝遠離該光學軸L1的方向反射的效果，除了角度與比值的限制外，實驗結果顯示，該第一距離D1介於該調整面輪廓線23在該基準面S1上的投影長度的0.1至0.6倍時，有較佳的效果。
在本實施例中，該二第一端211及該二第二端221位於該基準面上，為一基本的形態。但也可以不如此設計，而設計該二第一端211不位於該基準面S1上，即是使該二第一端211與該入光面輪廓線21的一與該光學軸L1相交的頂點P3位於該基準面S1的同一側(如圖7)以便配合該背光模組不同的組裝方式，或是使該二第一端211位於該基準面S1相反於該頂點P3所在的一側(如圖8)以便配合該 背光模組的組裝公差。
值得一提的是，該出光面12在該光學軸L1附近可以是內凹、平坦(未圖示)或凸起(未圖示)，內凹的設計主要用以將該光學軸L1附近光線a往外側分散，適合搭配普通擴散板的薄膜基材41。而一些特殊設計的擴散板的薄膜基材41，會使該光學軸L1附近的亮度下降，其為了達到光擴散範圍盡可能大(光斑大)，反而導致該光學軸L1附近的亮度過暗，此時可使用該平坦或凸起的設計加以微調，使該光學軸L1附近的亮度平衡。由於擴散板的設計是解決過亮的問題，不能解決過暗的問題，所以該平坦或凸起的設計，可達到均勻性的目的。
參閱圖9，本發明光學透鏡1之第二較佳實施例與第一較佳實施例大致相同，其不同處在於，為提高該光學透鏡1的加工性，該第一端211與第二端221其中至少一呈平面S2，且該平面S2垂直該光學軸L1而位在該基準面S1上。
參閱圖10，本發明光學透鏡1之第三較佳實施例與第一較佳實施例大致相同，其不同處在於，該出光面輪廓線22具有二平行該光學軸L1且末端為該二第二端221的直線段223。如此則大角度的一光線g，經該直線段223折射後會遠離該基準面S1而折向該薄膜基材41的方向，意即，這樣的設計可以充分利用大角度的該光線g來照明。在本實施例中，由於該光學透鏡1是旋轉對稱於該光學軸L1，也就是說該出光面12包括一圍繞該光學軸L1的圓柱面部 121，該圓柱面部121與該透鏡截面2之交界線為該二直線段223。
綜上所述，透過該光學透鏡1整體及該調整面13的彎曲的設計，使部分光線a經過二次反射後遠離該光學軸L1，而部分從該光學透鏡1外部入射至該調整面13的光線c，經過該調整面13折射遠離該光學軸L1，從而使各光線擴散以避免該光學軸L1附近的亮度過高，而能使該薄膜基材41上亮度均勻分佈，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧光學透鏡
11‧‧‧入光面
12‧‧‧出光面
121‧‧‧圓柱面部
13‧‧‧調整面
2‧‧‧透鏡截面
21‧‧‧入光面輪廓線
211‧‧‧第一端
212‧‧‧第一開口
22‧‧‧出光面輪廓線
221‧‧‧第二端
222‧‧‧第二開口
223‧‧‧直線段
23‧‧‧調整面輪廓線
232‧‧‧第三開口
3‧‧‧光源
4‧‧‧背光模組
41‧‧‧薄膜基材
a、b、c、e、f、g‧‧‧光線
D0‧‧‧最大距離
D1‧‧‧第一距離
L1‧‧‧光學軸
P1‧‧‧任意點
P2‧‧‧最大距離的點
P3‧‧‧頂點
S1‧‧‧基準面
S2‧‧‧平面
θ1‧‧‧夾角
圖1是一剖面示意圖，說明不使用光學透鏡的背光模組的先前技術。
圖2是一剖面示意圖，說明使用光學透鏡的背光模組的先前技術。
圖3是一剖面示意圖，說明光學透鏡的先前技術。
圖4是一剖面示意圖，說明本發明光學透鏡應用於一背光模組之第一較佳實施例。
圖5是一剖面示意圖，說明該實施例。
圖6是一剖面示意圖，說明該實施例的一最大距離過大的情形。
圖7是一剖面示意圖，說明該實施例的另一態樣。
圖8是一剖面示意圖，說明該實施例的又一態樣。
圖9是一剖面示意圖，說明本發明光學透鏡之第二較佳實施例。
圖10是一剖面示意圖，說明本發明光學透鏡之第三較佳實施例。
1‧‧‧光學透鏡
11‧‧‧入光面
12‧‧‧出光面
13‧‧‧調整面
2‧‧‧透鏡截面
21‧‧‧入光面輪廓線
211‧‧‧第一端
212‧‧‧第一開口
22‧‧‧出光面輪廓線
221‧‧‧第二端
222‧‧‧第二開口
23‧‧‧調整面輪廓線
232‧‧‧第三開口
3‧‧‧光源
4‧‧‧背光模組
41‧‧‧薄膜基材
a、b、c‧‧‧光線
D0‧‧‧最大距離
D1‧‧‧第一距離
L1‧‧‧光學軸
P1‧‧‧任意點
P2‧‧‧最大距離的點
S1‧‧‧基準面
θ1‧‧‧夾角

Claims (18)

  1. 一種光學透鏡，與一光源搭配使用，該光源具有一光學軸，該光學透鏡包含：一入光面，鄰近該光源，該光源發出的光線由該入光面進入該光學透鏡，定義一通過該光學軸地剖切該光學透鏡的透鏡截面，該入光面與該透鏡截面之交界線為該透鏡截面的一入光面輪廓線，該入光面輪廓線彎折而界定出一朝向該光源的第一開口，並具有兩分別位於該光源的兩側的第一端；及一出光面，與該入光面相間隔且較遠離該光源，該出光面與該透鏡截面之交界線為該透鏡截面的一出光面輪廓線，該出光面輪廓線彎折而界定出一朝向該光源的大於該第一開口的第二開口，並具有兩分別位於該二第一端的遠離該光源之側的第二端，位於該光源之同側的該第一端與該第二端以一調整面輪廓線相連，該調整面輪廓線彎折而界定出一與該入光面輪廓線之第一開口同向的第三開口；其中，定義一通過該光源且垂直該光學軸的基準面，該調整面輪廓線與該基準面的最大距離除以該基準面上得到該最大距離的點與位於該光源之同側的該第一端在該基準面上的投影點的第一距離所得的比值小於0.34，該第一距離介於該調整面輪廓線在該基準面上的投影長度的0.1至0.6倍。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述光學透鏡，其中，該入光面輪廓線至少部分線段的任意點與該光源的距離隨著該點與 該光學軸的距離增加而遞減，該出光面輪廓線至少部分線段的任意點與該光源的距離隨著其與該光學軸的距離增加而遞增。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述光學透鏡，其中，該調整面輪廓線至少部分線段的任意點與該光源的連線與該光學軸的夾角大於等於80度。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述光學透鏡，其形狀旋轉對稱於該光學軸，並還包含一連接該入光面與該出光面的調整面，該調整面與該透鏡截面之交界線為該二調整面輪廓線。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述光學透鏡，其中，該第一端與第二端其中至少一呈平面，且該平面垂直該光學軸。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述光學透鏡，其中，該出光面輪廓線具有二平行該光學軸且末端為該二第二端的直線段。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述光學透鏡，其形狀旋轉對稱於該光學軸，其中，該出光面包括一圍繞該光學軸的圓柱面部，該圓柱面部與該透鏡截面之交界線為該二直線段。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述光學透鏡，其中，該二第一端及該二第二端位於一通過該光源且垂直該光學軸的基準面上。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述光學透鏡，其中，該二第二端位於一通過該光源且垂直該光學軸的基準面上，該二第一端不位於該基準面上。
  10. 一種背光模組，包含依序相間隔設置的一薄膜基材、一光學透鏡及一光源，該光源具有一光學軸，該光學透鏡包含：一入光面，鄰近該光源，該光源發出的光線由該入光面進入該光學透鏡，定義一通過該光學軸地剖切該光學透鏡的透鏡截面，該入光面與該透鏡截面之交界線為該透鏡截面的一入光面輪廓線，該入光面輪廓線彎折而界定出一朝向該光源的第一開口，並具有兩分別位於該光源的兩側的第一端；及一出光面，與該入光面相間隔且較遠離該光源，該出光面與該透鏡截面之交界線為該透鏡截面的一出光面輪廓線，該出光面輪廓線彎折而界定出一朝向該光源的大於該第一開口的第二開口，並具有兩分別位於該二第一端的遠離該光源之側的第二端，位於該光源之同側的該第一端與該第二端以一調整面輪廓線相連，該調整面輪廓線彎折而界定出一與該入光面輪廓線之第一開口同向的第三開口，該光線由該出光面射出，並入射至該薄膜基材；其中，定義一通過該光源且垂直該光學軸的基準面，該調整面輪廓線與該基準面的最大距離除以該基準面上得到該最大距離的點與位於該光源之同側的該第一端在該基準面上的投影點的第一距離所得的比值小於0.34，該第一距離介於該調整面輪廓線在該基準面上的投影長度的0.1至0.6倍。
  11. 根據申請專利範圍第10項所述背光模組，其中，該入光面 輪廓線至少部分線段的任意點與該光源的距離隨著該點與該光學軸的距離增加而遞減，該出光面輪廓線至少部分線段的任意點與該光源的距離隨著其與該光學軸的距離增加而遞增。
  12. 根據申請專利範圍第10項所述背光模組，其中，該調整面輪廓線至少部分線段的任意點與該光源的連線與該光學軸的夾角大於等於80度。
  13. 根據申請專利範圍第10項所述背光模組，其中，該光學透鏡的形狀旋轉對稱於該光學軸，並還包含一連接該入光面與該出光面的調整面，該調整面與該透鏡截面之交界線為該二調整面輪廓線。
  14. 根據申請專利範圍第10項所述背光模組，其中，該第一端與第二端其中至少一呈平面，且該平面垂直該光學軸。
  15. 根據申請專利範圍第10項所述背光模組，其中，該出光面輪廓線具有二平行該光學軸且末端為該二第二端的直線段。
  16. 根據申請專利範圍第15項所述背光模組，其中，該光學透鏡的形狀旋轉對稱於該光學軸，其中，該出光面包括一圍繞該光學軸的圓柱面部，該圓柱面部與該透鏡截面之交界線為該二直線段。
  17. 根據申請專利範圍第10項所述背光模組，其中，該二第一端及該二第二端位於一通過該光源且垂直該光學軸的基準面上。
  18. 根據申請專利範圍第10項所述背光模組，其中，該二第二 端位於一通過該光源且垂直該光學軸的基準面上，該二第一端不位於該基準面上。
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