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透鏡及發光裝置.pdf

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透鏡 發光 裝置
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摘要
申請專利號:

CN201310050243.1

申請日:

2013.02.08

公開號:

CN103982855A

公開日:

2014.08.13

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||專利申請權的轉移IPC(主分類):F21V 5/04登記生效日:20161221變更事項:申請人變更前權利人:香港理工大學變更后權利人:香港理工大學變更事項:地址變更前權利人:中國香港特別行政區九龍變更后權利人:中國香港九龍紅磡變更事項:申請人變更前權利人:京港理大科技有限公司|||實質審查的生效IPC(主分類):F21V 5/04申請日:20130208|||公開
IPC分類號: F21V5/04; F21Y101/02(2006.01)N 主分類號: F21V5/04
申請人: 香港理工大學; 京港理大科技有限公司
發明人: 杜雪; 王波; 張家儁; 李榮彬; 李敏行; 王文奎; 黃卓明; 鄭伯龍; 鄭小虎; 寇曉君; 李力行; 何熙
地址: 中國香港九龍
優先權:
專利代理機構: 隆天國際知識產權代理有限公司 72003 代理人: 聶慧荃;鄭特強
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201310050243.1

授權公告號:

|||||||||

法律狀態公告日:

2017.01.11|||2017.01.11|||2014.09.10|||2014.08.13

法律狀態類型:

授權|||專利申請權、專利權的轉移|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供一種透鏡和發光裝置,透鏡包括第一透鏡本體、第二透鏡本體和反射膜。第一透鏡本體具有底面、入光面和周側表面,周側表面為第一出光面,且入光面居中設置;第二透鏡本體連接于第一透鏡本體的頂面,頂面為平滑曲面形狀的全反射面,周側表面為平滑曲面形狀的第二出光面;反射膜設于全反射面的中心區域,用于遮掩熱點。入射光線分成兩部分出射,第一部分由第一出光面射出形成若干條第一出射光線;第二部分經第二透鏡本體、反射膜和全反射面反射后由第二出光面射出形成若干條第二出射光線,若干條第一出射光線分別相對于該底面向上傾斜,若干條第二出射光線分別相對于該底面向下傾斜。發光裝置包括透鏡及LED面光源。

權利要求書

權利要求書
1.  一種透鏡,其特征在于,包括:
第一透鏡本體(1),其具有底面(10)和由所述底面(10)向內凹的平滑曲面形狀的入光面(11),周側表面為第一出光面(12),且所述入光面(11)居中設置;
第二透鏡本體(2),呈柱體狀,連接于所述第一透鏡本體(1)的頂面,該第二透鏡本體(2)的頂面為平滑曲面形狀的全反射面(21),周側表面為平滑曲面形狀的第二出光面(22),所述全反射面(21)的中心對應于所述入光面(11)的中心(O);
反射膜(3),設于所述全反射面(21)的中心區域,用于遮掩熱點;
由所述入光面(11)射入所述透鏡的入射光線分成兩部分出射,第一部分由所述第一出光面(12)射出形成若干條第一出射光線;第二部分經第二透鏡本體(2)、所述反射膜(3)和所述全反射面(21)反射后由所述第二出光面(22)射出形成若干條第二出射光線,所述若干條第一出射光線分別相對于該底面(10)向上傾斜0°~60°,所述若干條第二出射光線分別相對于該底面(10)向下傾斜0°~80°。

2.  如權利要求1所述的透鏡,其特征在于,所述若干條第一出射光線分別相對于該底面(10)向上傾斜0°~10°。

3.  如權利要求1所述的透鏡,其特征在于,所述若干條第二出射光線分別相對于該底面(10)向下傾斜0°~20°。

4.  如權利要求1所述的透鏡,其特征在于,在沿著所述第一透鏡本體(1)的底面(10)向頂面方向,所述入光面(11)的中心點(O)到所述第一出光面(12)各點之間的距離逐漸變小。

5.  如權利要求4所述的透鏡,其特征在于,所述第一透鏡本體(1)的頂面邊緣與所述第二透鏡本體(2)的頂面邊緣在同一個以所述入光面(11)的中心(O)為頂點的錐筒側壁上。

6.  如權利要求5所述的透鏡,其特征在于,所述錐筒是圓錐筒,且其錐角(β)為30°~160°,所述第二部分入射光線分布在該錐角(β)范圍內,所述第一部分入射光線分布在所述圓錐筒的側壁與所述第一透鏡 本體(1)的底面(10)之間的范圍內。

7.  如權利要求6所述的透鏡,其特征在于,所述錐角(β)為80°~130°。

8.  如權利要求1-7中任意一項所述的透鏡,其特征在于,所述反射膜(3)在所述第一透鏡本體(1)的底面(10)的投影面積是所述入光面(11)在所述第一透鏡本體(1)底面(10)的投影面積的1~10倍。

9.  如權利要求8所述的透鏡,其特征在于,所述反射膜(3)在所述第一透鏡本體(1)的底面(10)的投影面積是所述入光面(11)在所述第一透鏡本體(1)底面(10)的投影面積的2~5倍。

10.  如權利要求1所述的透鏡,其特征在于,所述第一透鏡本體(1)與所述第二透鏡本體(2)的材質相同,且為一體結構。

11.  如權利要求1所述的透鏡,其特征在于,所述第一透鏡本體(1)與所述第二透鏡本體(2)具有共同的中心對稱線。

12.  如權利要求1所述的透鏡,其特征在于,所述反射膜(3)是鍍鋁膜或鍍銀膜。

13.  如權利要求1所述的透鏡,其特征在于,所述全反射面(21)設有若干個波紋,相鄰兩個波紋之間交叉形成尖峰。

14.  如權利要求1所述的透鏡,其特征在于,所述入光面(11)為球面形狀。

15.  如權利要求1所述的透鏡,其特征在于,所述第二出光面(22)的橫截面呈圓形或橢圓形。

16.  如權利要求1所述的透鏡,其特征在于,所述第二出光面(22)的縱截面呈矩形或梯形。

17.  如權利要求1所述的透鏡,其特征在于,所述第二出光面(22)相對于所述第二透鏡本體(2)的中心線向內凹入或向外凸出。

18.  如權利要求1所述的透鏡,其特征在于,所述第二出光面(22)的上半部分和/或下半部分具有多條環形波紋。

19.  一種發光裝置,包括透鏡和光源,其特征在于,所述透鏡是如權利要求1-18中任一項所述的透鏡,所述光源是LED發光芯片面光源。

說明書

說明書透鏡及發光裝置
技術領域
本發明涉及一種透鏡及發光裝置,特別是一種適用于超薄大尺寸直下式背光模塊的透鏡及發光裝置。
背景技術
液晶顯示面板的背光模塊依光源結構可分成側向式背光模塊及直下式背光模塊。側向式背光模塊的結構是將LED置于面板側邊,并利用楔型的導光板及反射片將光線導引向上,再透過擴散片及菱鏡片組合的光學系統將光線均勻化。直下式背光模塊則是將LED陣列直接置于擴散板下方,利用光線直射的方式通過液晶開關。兩種設計各有優缺點,側光式背光模塊中背光源受限于LED數量,亮度及輝度較差,但是結構的厚度較薄,適用于需要薄型化的液晶面板應用,如小尺寸或是低成本的監視器面板。直下式背光模塊因可采用較多組的燈源,因此可提供較高的亮度及輝度,但相對的操作溫度較高,因此過去常用于大尺寸液晶電視。然而,隨著全高清風潮的盛行,液晶面板的尺寸、規格要求也越來越高,如色域、亮度、對比度、可視角等。在適應液晶面板大型化的趨勢下,直下式LED背光模塊已成為現階段的開發重點。采用LED作為直下式背光源的挑戰,主要在于傳統透鏡由于形狀單一而導致出光均勻性差、發光效率低,要求混光距離大且存在熱點等缺陷,難于適用到直下式背光模塊,特別是超薄大尺寸直下式背光模塊。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的不足,提供一種出光均勻,且適用于超薄大尺寸直下式背光模塊的透鏡和發光裝置。
為實現上述目的,本發明采用如下技術方案:
本發明提供一種透鏡,包括第一透鏡本體、第二透鏡本體和反射膜。其中第一透鏡本體具有底面和由所述底面向內凹的平滑曲面形狀的入光面,周側表面為第一出光面,且所述入光面居中設置;第二透鏡本體呈柱體狀,連接于所述第一透鏡本體的頂面,該第二透鏡本體的頂面為平滑曲面形狀的全反射面,周側表面為平滑曲面形狀的第二出光面,所述全反射面的中心對應于所述入光面的中心;反射膜,設于所述全反射面的中心區域,用于遮掩熱點。由所述入光面射入所述透鏡的入射光線分成兩部分出射,第一部分由所述第一出光面射出形成若干條第一出射光線;第二部分經第二透鏡本體、所述反射膜和所述全反射面反射后由所述第二出光面射出形成若干條第二出射光線,所述若干條第一出射光線分別相對于該底面向上傾斜0°~60°,所述若干條第二出射光線分別相對于該底面向下傾斜0°~80°。
根據本發明的一實施方式,所述若干條第一出射光線分別相對于該底面向上傾斜0°~10°。
根據本發明的一實施方式,所述若干條第二出射光線分別相對于該底面向下傾斜0°~20°。
根據本發明的一實施方式,在沿著所述第一透鏡本體的底面向頂面方向,所述入光面的中心點到所述第一出光面各點之間的距離逐漸變小。
根據本發明的一實施方式,所述第一透鏡本體的頂面邊緣與所述第二透鏡本體的頂面邊緣在同一個以所述入光面的中心為頂點的錐筒側壁上。
根據本發明的一實施方式,所述錐筒是圓錐筒,且其錐角為30°~160°,所述第二部分入射光線分布在該錐角范圍內,所述第一部分入射光線分布在所述圓錐筒的側壁與所述第一透鏡本體的底面之間的范圍內,優選為80°~130°。
根據本發明的一實施方式,所述反射膜在所述第一透鏡本體的底面的投影面積是所述入光面在所述第一透鏡本體底面的投影面積的1~10倍,優選為2~5倍。
根據本發明的一實施方式,所述第一透鏡本體與所述第二透鏡本體的材質相同,且為一體結構。
根據本發明的一實施方式,所述第一透鏡本體與所述第二透鏡本體具有共同的中心對稱線。
根據本發明的一實施方式,所述反射膜是鍍鋁膜或鍍銀膜。
根據本發明的一實施方式,所述全反射面設有若干個波紋,相鄰兩個波紋之間交叉形成尖峰。
根據本發明的一實施方式,所述入光面為球面形狀。
根據本發明的一實施方式,所述第二出光面的橫截面呈圓形或橢圓形;所述第二出光面的縱截面呈矩形或梯形。
根據本發明的一實施方式,所述第二出光面相對于所述第二透鏡本體的中心線向內凹入或向外凸出。
根據本發明的一實施方式,所述第二出光面的上半部分和/或下半部分具有多條環形波紋。
本發明提供一種發光裝置,包括透鏡和光源。其中所述透鏡是本發明所述的透鏡,所述光源是LED發光芯片面光源。
由上述技術方案可知,本發明的優點和積極效果在于:透鏡包括兩部分本體,并具有全反射面。進入透鏡的入射光線分為兩部分分別從第一透鏡本體側面的第一出光面和第二透鏡本體側面的第二出光面射出。而且兩部分出射光線向居中的方向傾斜,即由第一出光面的出射光線向下傾斜,第二出光面的出射光線向上傾斜。因此經本發明的透鏡配光后光線均勻地分布于透鏡側面。特別是,本發明中由于在全反射面中央易形成熱點位置設置了反射膜,避免熱點出現,極大提升了出光均勻性,保證了透鏡的質量。本發明綜合運用光的波動特性和粒子特性,通過入光面、第一出光面、第二出光面以及全反射面的組合設計,實現了在很短耦合距離內,提供均勻的出光,特別適用于超薄大尺寸直下式背光模塊。同時,本發明的透鏡中,在保證均勻出光的基礎上,最大程度地減少了光線的折射、反射次數,進而減少了透鏡本體對能量的損耗。
本發明的透鏡特別適用于面光源,如LED發光芯片面光源,因此由本發明的透鏡和LED發光芯片面光源構成的發光裝置同樣具有出光均勻且能量高的特點。
通過以下參照附圖對優選實施例的說明,本發明的上述以及其它目的、特征和優點將更加明顯。
附圖說明
圖1是本發明透鏡的剖面結構示意圖;
圖2是圖1中的A部分放大圖;
圖3是圖1中A部分的全反射面的放大圖,表示本發明中的全反射面中央部分的實際形狀與設計形狀差異的示意圖;
圖4a至圖4g表示本發明中的第二出光面各種形狀的示意圖;
圖5表示本發明中全反射面的局部放大圖;
圖6表示本發明的透鏡的配光示意圖;
圖7表示本發明的透鏡用于超薄大尺寸直下式背光模塊的照度模擬線條圖;
圖8表示本發明透鏡用于超薄大尺寸直下式背光模塊時透鏡正上方的照度模擬光柵圖。
下面將詳細描述本發明的具體實施例。應當注意,這里描述的實施例只用于舉例說明,并不用于限制本發明。
具體實施方式
參見圖1。本發明的透鏡,包括第一透鏡本體1、第二透鏡本體2和反射膜3。
第一透鏡本體1具有底面10、與底面10相對的頂面以及連接頂面和底面的周側表面。底面10中央位置向第一透鏡本體1內凹入而形成平滑曲面形狀的入光面11,周側表面為第一出光面12,第一出光面12為平滑曲面形狀。優選地,入光面11為球面形狀,但不以此為限。
第二透鏡本體2呈柱體狀,優選地,其徑向尺寸大于軸向尺寸3~6倍,形成扁柱體形狀,特別優選為扁圓柱體形狀。該第二透鏡本體2具有頂面、與頂面相對的底面23以及連接頂面和底面23的周側表面。第二透鏡本體2的底面23面積大于第一透鏡本體1的頂面面積的1.5~5倍,且第二透鏡本體2的底面23在中央位置連接于第一透鏡本體1的頂面,二者可由同種材料一體成型制成,且具有共同的中心對稱線。在沿著第一透鏡本體1的底面10向頂面方向,入光面11的中心點O到第一出光面12各點之間的距離逐漸變 小。
參見圖1和圖4a至圖4g。第二透鏡本體2的頂面為全反射面21,全反射面21為自由曲面,光線到達此面會發生全反射。全反射面21的中心對應于入光面11的中心O。全反射面21的形狀可以類似于母線略向內凹的圓錐面,當然不以此為限,只要能形成全反射面的其它平滑曲面形狀也是可行的。第二透鏡本體2的周側表面為第二出光面22。第二出光面22的橫截面(平行于底面23的平面)呈圓形、橢圓形或其它平滑曲線形狀。第二出光面22的縱截面呈矩形(參見圖1)或梯形(參見圖4a、圖4b);或者第二出光面22相對于第二透鏡本體2的中心線向內凹入(參見圖4d)或向外凸出(參見圖4c);進一步地,第二出光面22的上半部分具有多條環形波紋(參見圖4f),或下半部分具有多條環形波紋(參見圖4g),或第二出光面22整體具有多條環形波紋(參見圖4e)。總之,第二出光面22的形狀可多種多樣。
參見圖1、圖2和圖3。反射膜3通過真空鍍等方式貼覆于全反射面21的中心區域。反射膜3在第一透鏡本體1的底面10的投影面積是入光面11在第一透鏡本體1底面10的投影面積的1~10倍。優選地,反射膜3在第一透鏡本體1的底面10的投影面積是入光面11在第一透鏡本體1底面10的投影面積的2~5倍。反射膜3可以是鍍鋁膜或鍍銀膜或其具有反射功能的膜片。反射膜3的用于在于遮掩熱點。
參見圖2和圖3。設計中,在全反射面中央(即距離入光面11最近的位置)具有尖點M,理論上21′為全反射面形狀,如圖3中雙點劃線所示。入射光線由該理論上的全反射面21′反射,如圖3中虛線所示。但是,由于透鏡加工和注塑工藝等原因,沒有辦法做到實際結構與設計的理想結構保持一致,實際加工出來的透鏡,在全反射面中央呈弧形,即實際的全反射面21的形狀為弧形。因此,根據理論設計的全反射面形狀,所有的入射光線均會被反射出去,而不易穿過全反射面;實際結構中,會存在一小部分入射光,特別是LED中央的入射光透過全反射面,如圖3中細實線所示,LED中央光強最大,從而這部分透射的光線形成了中央熱點。本發明中在全反射面的該中央區域設置反射膜3,從而遮掩了熱點。
參見圖6。AB為LED發光芯片面光源,其發出的光入射光,入射光線由入光面11射入透鏡后分成兩部分出射,第一部分由第一出光面12射出形 成若干條第一出射光線;第二部分經第二透鏡本體2、反射膜3和全反射面21反射后由第二出光面22射出形成若干條第二出射光線。其中若干條第一出射光線分別相對于該底面10向上傾斜0°~60°,優選為,若干條第一出射光線分別相對于該底面10向上傾斜0°~10°,進一步優選為,0°~5°。若干條第二出射光線分別相對于該底面10向下傾斜0°~80°,優選為,若干條第二出射光線分別相對于該底面10向下傾斜0°~20°,進一步優選為,0°~10°。
參見圖6。第一透鏡本體1的頂面邊緣與第二透鏡本體2的頂面邊緣在同一個以入光面11的中心O為頂點的錐筒側壁上,優選地,錐筒是圓錐筒,且其錐角β為30°~160°,優選的錐角β為80°~130°,第二部分入射光線分布在該錐角β范圍內,第一部分入射光線分布在圓錐筒的側壁與第一透鏡本體1的底面10之間的范圍內。
本發明的發光裝置,包括本發明的透鏡和具有一定發光面積的LED發光芯片面光源。
再參見圖6。LED發光芯片面光源AB都是有一定面積的。運用邊界光線原理,針對擴展光源設計透鏡。從B發出的光線,經全反射面21全反射后平行,經第一出光面12折射后平行;從O發出的光線,經全反射面21全反射和第二出光面22折射后,以-θ1的角度射出,經第一出光面12折射后以+θ3的角度射出;從A發出的光線,經全反射面21全反射和第二出光面22折射后,以-θ2的角度射出,經第一出光面12折射后以+θ4的角度射出。θ1、θ2、θ3和θ4的大小可由LED發光芯片大小、第一出光面12、透鏡全反射面21和第二出光面22具體確定。針對擴展光源的設計,使得所有的光線都是經過透鏡后,由側邊發出。
參見圖5和圖6。實際加工出來的全反射面21客觀上不可能是一條絕對平滑完美的曲面,如圖5所示。全反射面21設有若干個波紋,相鄰兩個波紋之間交叉形成尖峰,這是加工全反射面21時形成的刀紋,這些刀紋形成了一個類似多縫衍射曲面光柵,d為光柵常數。整個曲面按光柵常數被分為N個部分,每個部分成為一個單縫夫瑯禾費衍射。由于單縫衍射場之間是相干的,因此多縫夫瑯禾費的復振幅是所有單縫的疊加。光柵常數d的確定由設計曲線在這點的切線和切削時刀的進給量來確定。設P為透鏡前的一點,在P點 的光強為:
I(P)=I0(sinαα)2(sinN2δsinδ2)2]]>
I0=|A|2I0=|A|2是單縫在P0點產生的光強。上式中包含了兩個因子:單縫衍射因子和多光束干涉因子說明了多縫夫瑯禾費衍射是衍射和干涉兩種效應共同作用的結果。單縫衍射因子與單縫本身的性質有關,包括縫寬以致其引起的振幅和相位變化。而多光束干涉因子來源于狹縫的周期性排列。因此,他們的夫瑯禾費衍射圖樣的強度分布,只要把單個衍射環的衍射因子求出來,再乘上多光束干涉因子就可以得到了。
本發明的透鏡是一款運用光的波動特性設計的側出式二次透鏡,該透鏡特別適用于超薄大尺寸直下式背光模塊,能在很短的耦合距離下形成均勻的照射面。
例如:將本發明的透鏡用于超薄大尺寸直下式背光模塊,其中透鏡高度即第一透鏡本體1的底面10到第二透鏡本體2的頂端面之間的垂直距離為7.5mm,透鏡頂面(指第二透鏡本體2頂面)到擴散板下表面的垂直距離,即耦合距離為5.5mm,則超薄大尺寸直下式背光模塊的總厚度為13mm。Lambertion LED發光芯片面光源發出的光線,其空間光強分布為:
Iθ=INcosθ
IN為正向發光面在法線方向的發光強度,即最大光強處。其光亮度在各個方向相同,在平面孔徑角為U的立體角范圍內發出的光通量為:

經綜合計算夫瑯禾費衍射和全反射配光,LED發光芯片面光源發出的在錐角β為124°的錐筒范圍內的光線經過全反射面21反射,由第二出光面22出射;其余入射光線由第一出光面12射出。加工時刀具半徑為0.1mm~0.5mm,轉速為1500rpm~2000rpm。模擬結果見如圖7和圖8,均勻度大于80%。
參見圖7和圖8。圖7和圖8為上述例子的照度模擬效果圖。圖7中, 淺色線條表示水平方向照度,深色線條表示垂直方向照度。從圖7中可以看出:不管是水平方向還是垂直方向的照度均勻度(最小照度值與最大照度值的比值)都大于80%。圖8表示在超薄大尺寸直下式背光模塊的擴散板下表面的照度模擬光柵圖。左邊圖的面積與擴散板的面積大致相當,圖中用灰度來表示其照度的分布;右邊的圖表示不同灰度相對應的照度值。整個圖8直觀地顯示出在擴散板下表面的照度分布非常均勻。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明,但應當理解,所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由于本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質,所以應當理解,上述實施例不限于任何前述的細節,而應在隨附權利要求所限定的精神和范圍內廣泛地解釋,因此落入權利要求或其等效范圍內的全部變化和改型都應為隨附權利要求所涵蓋。

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