專利名稱：光學(xué)元件及包含其之背光模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件，特別涉及一種應(yīng)用于發(fā)光組件與背光模塊之 光學(xué)元件。
背景技術(shù)：
背光模塊系為液晶顯示器的基本組件之一，目前使用的背光模塊可大致 上分為側(cè)照明型背光模塊以及直接照明型背光模塊。
傳統(tǒng)側(cè)照明型背光模塊系在背光模塊的兩側(cè)配置成列的發(fā)光二極管，并 且在顯示器的可視范圍內(nèi)提供一光導(dǎo)，使發(fā)光二極管所產(chǎn)生的光線經(jīng)由光導(dǎo)
均勻的輻射出背光模塊?，F(xiàn)有的美國專利第6,679,621號以及公開號為 20060076568的美國專利申請案皆提供了一種用來罩覆發(fā)光二極管并且嵌入 于光導(dǎo)的兩側(cè)的光學(xué)元件。上述的光學(xué)元件的功能等同于一透鏡，主要是用 來使發(fā)光二極管射出的光線轉(zhuǎn)向并且從光學(xué)元件的兩旁近乎平行地射出。此 外，光學(xué)元件的上表面還會涂覆一層反光涂料，使光學(xué)元件的上方無法射出 任何光線。如此設(shè)計可以降低側(cè)照明型背光模塊的厚度并且可以確保發(fā)光二 極管射出的光線全部進入光導(dǎo)內(nèi)。
直接照明型背光模塊是直接在顯示器的可視范圍內(nèi)提供多個發(fā)光二極 管，所以不需要使用光導(dǎo)。但是因為每個發(fā)光二極管的半能量角受限為大約 正負60度，所以直接照明的背光模塊必須在發(fā)光二極管上方保留一定空間距 離的混光區(qū)以讓每相鄰發(fā)光二極管射出的光線相互重疊而得到均勻的照明。
上兩種背光模塊各有其優(yōu)缺點，例如側(cè)照明型背光模塊較為厚重且光 效率較低，而直接照明型背光模塊厚度較厚或者會使用較多的發(fā)光二極管， 并且當其中某顆發(fā)光二極管損壞時會使背光模塊的亮度不均勻。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明之目的之一在于提供一種光學(xué)元件以增加其覆蓋之發(fā)光二 極管或其它光源的光線射出角度。
本發(fā)明之另一目的在于提供一種用于直接照明型背光模塊的發(fā)光光學(xué)元 件以減少直接照明型背光模塊所使用的發(fā)光二極管個數(shù)或降低背光模塊的混 光區(qū)厚度。
本發(fā)明之一實施例提供一種光學(xué)元件，其包含 一底面；至少一側(cè)折射
表面，用來折射出由所述底面射入之光線之一部分； 一上折射表面，用來折 射出由所述底面射入之光線之另一部分，其中由底面射入并入射到所述側(cè)折 射表面的入射光線與所述底面之夾角最大為第一角度(a )，由所述至少一側(cè) 折射表面射出的光線相對所述底面的夾角小于等于第一角度；以及由底面射 入并入射到所述上折射表面的入射光線與相對于所述發(fā)光組件之一中心軸之 夾角最大為第二角度(yS )，由所述上折射表面射出的光線相對于所述發(fā)光組 件之一中心軸的夾角大于等于第二角度。
本發(fā)明之另一實施例提供一種發(fā)光組件，其包含 一光源； 一底面；至 少一側(cè)折射表面，用來折射出由所述底面射入之光線之一部分， 一上折射表 面，用來折射出由所述底面射入之光線之另一部分，其中由底面射入并入射 到所述側(cè)折射表面的入射光線與所述底面之夾龜最大為第一角度(a )，由所 述至少一側(cè)折射表面射出的光線相對所述底面的夾角小于等于第一角度；以
及由底面射入并入射到所述上折射表面的入射光線與相對于所述發(fā)光組件之 一中心軸之夾角最大為第二角度(/S )，由所述上折射表面射出的光線相對于
所述發(fā)光組件之一中心軸的夾角大于等于第二龜度。
本發(fā)明之另一實施例提供一種直接照明型背光模塊，其包含復(fù)數(shù)個發(fā) 光組件，其中每一發(fā)光組件包含 一光源及一光學(xué)元件。每一光學(xué)元件包含
一底面；至少一側(cè)折射表面，用來折射出由所述底面射入之光線之一部分， 一上折射表面，用來折射出由所述底面射入之光線之另一部分，其中由底面 射入并入射到所述側(cè)折射表面的入射光線與所述底面之夾角最大為第一角度 (a )，由所述至少一側(cè)折射表面射出的光線相對所述底面的夾角小于等于第 一角度；以及由底面射入并入射到所述上折射表面的入射光線與相對于所述 發(fā)光組件之一中心軸之夾角最大為第二角度(/3 )，由所述上折射表面射出的 光線相對于所述發(fā)光組件之一中心軸的夾角大于等于第二角度。
由于本發(fā)明所提供之光學(xué)元件可有效地增加其覆蓋之發(fā)光二極管或其它 光源的光線射出角度，故使用本發(fā)明之光學(xué)元件的發(fā)光組件或直接照明型背 光模塊可以減少所使用之發(fā)光二極管或其它光源的個數(shù)(亦即降低發(fā)光二極 管或其它光源之分布密度)。此外，當習(xí)知背光模塊中的發(fā)光二極管之分布密 度越低時，會需要越厚的背光模塊以使混光區(qū)加大而讓光線充分混合，但使 用本發(fā)明之光學(xué)元件的直接照明型背光模塊時，由于其可有效增加發(fā)光二極 管或其它光源的光線射出角度，故可減少發(fā)光二極管或其它光源的個數(shù)，或 減少混光區(qū)的厚度而達成薄型化的效果。
通過下文中參照附圖，對本發(fā)明所作的描述和權(quán)利要求，本發(fā)明的其它 目的和成就將顯而易見，并可對本發(fā)明有全面的理解。
圖l為本發(fā)明之光學(xué)元件之第一實施例的平面圖。
圖2為圖1中之光學(xué)元件的剖面圖。 圖3A、 3B為光線通過本發(fā)明光學(xué)元件的示意圖。 圖4為本發(fā)明之光學(xué)元件之第二實施例的剖面圖。 圖5為本發(fā)明之光學(xué)元件之第三實施例的剖面圖。 圖6為將本發(fā)明之光學(xué)元件應(yīng)用于直接照明型背光模塊之一實施例示 意圖。
圖7為將本發(fā)明之光學(xué)元件應(yīng)用于直接照明型背光模塊之第二實施例 示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖1與圖2，圖1與圖2分別為本發(fā)明之第一實施例中光學(xué)元件 IOO(例如一透鏡)的平面圖與剖面圖。如圖2所示，光學(xué)元件100包含有一 底面120、至少一個具有凹口向下之光滑非球形表面的側(cè)折射表面(在本實施 例中為4個側(cè)折射面142、 144、 146、 148)、上折射表面160、以及連接側(cè)折 射表面142與上折射表面160或連接各個相鄰側(cè)折射表面的連接面152、 154、 156、 158。虛線170為光學(xué)元件100的中心軸，其垂直于底面160,此外，任 一連接面的延伸平面皆經(jīng)過該底面。較佳地，任一連接面的延伸平面皆經(jīng)過 該底面的中心。需要注意的是，雖然圖2中顯示的光學(xué)元件100左右皆具有 4個側(cè)折射表面，但是本發(fā)明的光學(xué)元件100的側(cè)折射表面亦可為大于等于1 的任何整數(shù)。在本實施例中，左右的側(cè)折射表面系為相對于中心軸對稱的環(huán) 狀折射面。此外，本實施例中，上折射表面160為一凹口向上之光滑非球型 表面，或為其它樣式的曲面，其剖面由一凹口向上的曲線及左右兩個凹口向 下的曲線構(gòu)成。但依據(jù)本發(fā)明之其它實施例，上折射表面之剖面亦可為其它 至少具有三個轉(zhuǎn)折點(criticalpoint)且中間的轉(zhuǎn)折點為一相對低點的曲線。
圖3A為光線通過光學(xué)元件100的示意圖。本發(fā)明之一實施例為組合光 學(xué)元件100與一發(fā)光二極管而得到一發(fā)光組件。然而，依據(jù)本發(fā)明之其它實 施例，亦可使用其它的光源來組合產(chǎn)生一發(fā)光組件而不以發(fā)光二極管為限。 舉例來說，其它光源可為發(fā)光二極管、白熾燈、熒光粉發(fā)光器件或者其他光 源。發(fā)光二極管可為一個或多個白光、紅綠藍單獨芯片或紅綠藍芯片組合。 在本實施例中，上折射表面160與側(cè)折射表面142之間的連接面152的延伸 平面恰好會連接到中心軸與底面的交點，如果光源為理想點光源或者發(fā)光面 積很小的近似點光源0，而一第一角度a則恰好為連接面152與底面120的 夾角。因此，可假設(shè)由底面進入光學(xué)元件100的光線，如果與底面之夾角大 于a的部份會由上折射表面折射出去，如果與底面之夾角小于或等于a的部 份則會由側(cè)折射表面折射出去，在本實施例中，由側(cè)折射表面射出的光線相 對底面的夾角最大為T，且y小于等于a。此外，入射到上折射表面的光 線與光學(xué)元件100的中心軸之夾角為5，由上折射表面射出的光線之角度相 對于光學(xué)元件100之一中心軸的夾角最大為e ，亦即e系介于上折射表面160 邊緣射出的光線與中心軸之間，并且e大于或等于/3夾角。
依據(jù)本發(fā)明之其它實施例，若連接面152之延伸平面不會連接到中心軸 與底面的交點，則a會等于光學(xué)元件底面中心與連接面152之下緣的連線與 底面之夾角。舉例來說，請參閱圖3B，圖3B中連接面152之延伸平面不會 連接到中心軸與底面的交點，并且光源180為一面發(fā)光源或者近似為面發(fā)光 源的體光源。同樣地，可假設(shè)由底面進入光學(xué)元件IOO的光線，如果與底面 之夾角大于a的部份會由上折射表面折射出去，如果與底面之夾角小于或等 于a的部份則會由側(cè)折射表面折射出去，由側(cè)折射表面射出的光線相對底面 的夾角最大為T，且T小于等于a。同樣地，入射到上折射表面的光線與 光學(xué)元件100的中心軸之夾角為/5，由上折射表面射出的光線之角度相對于 光學(xué)元件100之一中心軸的夾角最大為e ，亦即e系介于上折射表面160邊 緣射出的光線與中心軸之間，并且e大于或等于/5夾角。總而言之，不論是
圖3A或圖3B的實施例，第一角度a為由光源發(fā)出并入射到側(cè)折射面的光線 與底面120的最大夾角，第二角度P為由光源的發(fā)光面發(fā)出并入射到上折射 面的光線與發(fā)光元件中心軸的最大夾角。
一般光源所射出光線的大部分能量通常會局限在一定的角度內(nèi)，例如發(fā) 光二極管的半能量角約為正負60度，越靠近中心軸位置的光線能量分布越密 集。然而，當一般光源或發(fā)光二極管被本發(fā)明所提供的光學(xué)元件所罩覆時， 射出光線的能量分布將大幅改變。如圖3A及3B所示，因為從上折射表面射 出的光線被向外折射而分散了，故原本聚集在中心軸附近的光線的能量被向 更寬的角度擴散了。又因為側(cè)折射表面的形狀為一凹口向下之曲面，經(jīng)由側(cè) 折射表面射出的光線也會往與中心軸垂直的方向靠近。因此，經(jīng)過光學(xué)元件 100后，光線的射出角度大大的增加了，并且射出光線的能量被相對較均勻 地分布在相對于中心軸的O度到正負90度之間。
請同時參閱圖2與圖4，圖4為本發(fā)明之第二實施例中光學(xué)元件200的 剖面圖。相較于圖2中光學(xué)元件100的底面為一平面，光學(xué)元件200的底面 為一凹面以容納發(fā)光二極管180或其它的光源，并且凹面的形狀可視光源的 形狀而改變。此外，雖然圖2與圖4中的光學(xué)元件100及200包含4個側(cè)折 射表面，但依據(jù)本發(fā)明之其它實施例，光學(xué)元件亦可為具有大于或等于一個 側(cè)折射表面。
請繼續(xù)參閱圖5，圖5為本發(fā)明之第三實施例中光學(xué)元件500的剖面圖。 相較于圖2中光學(xué)元件100具有四個側(cè)折射面，光學(xué)元件500雖然僅具有兩 個側(cè)折射面，但亦可使射出光線的能量分布更為擴散。在此要特別強調(diào)的是， 本發(fā)明的光學(xué)元件的側(cè)折射表面不論為大于等于1的任何整數(shù)都可達成使光 線的能量分布更為擴散的效果。
請繼續(xù)參閱圖6及圖7，圖6及圖7分別為將本發(fā)明之發(fā)光組件(本發(fā)明 之光學(xué)元件與光源之組合)應(yīng)用于直接照明型背光模塊之示意圖。其中用于每 個發(fā)光組件的光源可為發(fā)光二極管、白熾燈、熒光粉發(fā)光器件或者其他光源。
發(fā)光二極管可為一個或多個白光、紅綠藍單獨芯片或紅綠藍芯片組合。由于 本發(fā)明之發(fā)光組件的照射區(qū)域較廣，故相較于使用習(xí)知發(fā)光組件的直接照明 型背光模塊，在混光區(qū)厚度相同的前提下，本發(fā)明之直接照明型背光模塊可 以有效減少發(fā)光組件的個數(shù)；或者在發(fā)光組件之分布密度不變的前提下，可 有效減少混光區(qū)的厚度。更甚者，當本發(fā)明之背光模塊中某一個發(fā)光組件無 法正常運作時，四周的發(fā)光組件可以對其進行補償，而不至使背光模塊的亮 度明顯地不均勻。
總而言之，由于本發(fā)明所提供的光學(xué)元件組合光源后可形成一發(fā)光組件， 且其所形成的發(fā)光組件可從中心軸的0到正負90度較均勻地射出光線。因此 本發(fā)明之發(fā)光組件其照射區(qū)域較使用相同光源的發(fā)光組件要廣，在各角度上 光線的能量分布相對也較均勻。此外，因為本發(fā)明之發(fā)光組件照射區(qū)域較廣， 并且其高度較習(xí)知使用半球形透鏡的發(fā)光組件要低，故使用本發(fā)明之發(fā)光組 件的直接照明型背光模塊具有厚度較薄，所使用發(fā)光組件個數(shù)較少，以及可 進行相互亮度補償之優(yōu)點。
雖然本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容與特征如上所述，然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員仍 可在不背離本發(fā)明的教示與揭示內(nèi)容的情況下進行許多變化與修改。因此， 本發(fā)明的范圍并非限定于己揭示的實施例，而包含不背離本發(fā)明的其它變化 與修改，其為如所附權(quán)利要求書所涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)元件，其包含一底面；至少一側(cè)折射表面，用來折射出由所述底面射入之光線之一部分；以及一上折射表面，用來折射出由所述底面射入之光線之另一部分；其中由底面射入并入射到所述側(cè)折射表面的入射光線與所述底面之夾角最大為第一角度(α)，由所述至少一側(cè)折射表面射出的光線相對所述底面的夾角小于等于該第一角度；以及由底面射入并入射到所述上折射表面的入射光線與相對于所述發(fā)光組件之一中心軸之夾角最大為第二角度(β)，由所述上折射表面射出的光線相對于所述發(fā)光組件之一中心軸的夾角大于等于該第二角度。
2. 如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，其可與一光源組合成一發(fā)光組件，并且所 述光源可為發(fā)光二極管、白熾燈或熒光粉發(fā)光器件。
3. 如權(quán)力要求2所述光學(xué)元件，其中所述發(fā)光二極管可為白光發(fā)光二極管、 紅綠藍單獨芯片或紅綠藍芯片組合。
4. 如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，其中所述底面為一平面，用來耦接于一光
5. 如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，其中所述底面包含一凹面，用來容置一光源。
6. 如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，其中所述側(cè)折射表面包含一凹口向下之光 滑非球型表面。
7. 如權(quán)利要求1所述之光學(xué)元件，其中所述上折射表面包含一凹口向上之光 滑非球型表面。
8. 如權(quán)利要求l所述之光學(xué)元件，其中所述中心軸系垂直于所述底面。
9. 如權(quán)利要求1所述之光學(xué)元件，其中相鄰的二側(cè)折射表面由一連接面相 連，并且所述連接面的延伸平面經(jīng)過該底面的中心。
10. 如權(quán)利要求1所述之光學(xué)元件，其中所述上折射表面及與所述上折射面相 鄰的一側(cè)折射面由一連接面所連接，并且所述連接面的延伸平面經(jīng)過該底 面的中心。
11. 如權(quán)利要求1所述之光學(xué)元件，其系為一透鏡。
12. —種直接照明型背光模塊，其包含 復(fù)數(shù)個發(fā)光組件，其中每一發(fā)光組件包含一光源；以及一光學(xué)元件，其包含； 一底面，耦接于所述光源； 至少一側(cè)折射表面，用來折射出由所述底面射入之光線之一部 分；以及一上折射表面，用來折射出由所述底面射入之光線之另一部分； 其中由底面射入并入射到所述側(cè)折射表面的入射光線與所述底面之 夾角最大為第一角度(a)，由所述至少一側(cè)折射表面射出的光線相對所述底面的夾角小于等于該第一角度；以及由底面射入并入射到所述上折射表面的入射光線與相對于所述發(fā)光組件之一中心軸之夾角最大為第二角度(yS )，由所述上折射表面射出的光線相對于所述發(fā) 光組件之一中心軸的夾角大于等于該第二角度。
13. 如權(quán)利要求12所述之背光模塊，其中所述光源可為發(fā)光二極管、白熾燈、 熒光粉發(fā)光器件等。
14. 如權(quán)力要求13所述之背光模塊，其中所述發(fā)光二極管可為白光發(fā)光二極 管、紅綠藍單獨芯片或紅綠藍芯片組合。
15. 如權(quán)利要求項12所述之背光模塊，其中所述光學(xué)元件之底面為一平面。
16. 如權(quán)利要求項12所述之背光模塊，其中所述光學(xué)元件之底面包含一凹面， 用來容置所述光源。
17. 如權(quán)利要求項12所述之背光模塊，其中所述光學(xué)元件之側(cè)折射表面包含 一凹口向下之光滑非球型表面。
18. 如權(quán)利要求項12所述之背光模塊，其中所述光學(xué)元件之上折射表面包含 一凹口向上之光滑非球型表面。
19. 如權(quán)利要求12所述之背光模塊，其中光學(xué)元件之中心軸垂直于所述底面。
20. 如權(quán)利要求12所述之背光模塊，其中相鄰的二側(cè)折射表面由一連接面相 連，并且所述連接面的延伸平面經(jīng)過該底面的中心。
21. 如權(quán)利要求12所述之背光模塊，其中所述上折射表面及與所述上折射面 相鄰的一側(cè)折射面由一連接面所連接，并且所述連接面的延伸平面經(jīng)過該 底面的中心。
22. 如權(quán)利要求12所述之背光模塊，其中所述光學(xué)元件系為一透鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)件及包含所述光學(xué)元件之發(fā)光組件與直接照明型背光模塊。該光學(xué)元件包含一底面；至少一側(cè)折射表面，用來折射出由所述底面射入之光線之一部分，一上折射表面，用來折射出由所述底面射入之光線之另一部分，其中由底面射入并入射到所述側(cè)折射表面的入射光線與所述底面之夾角最大為第一角度(α)，由所述至少一側(cè)折射表面射出的光線相對所述底面的夾角小于等于第一角度；以及由底面射入并入射到所述上折射表面的入射光線與相對于所述發(fā)光組件之一中心軸之夾角最大為第二角度(β)，由所述上折射表面射出的光線相對于所述發(fā)光組件之一中心軸的夾角大于等于第二角度。
文檔編號G02F1/1335GK101373223SQ200710142040
公開日2009年2月25日 申請日期2007年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月20日
發(fā)明者穎 劉 申請人:香港應(yīng)用科技研究院有限公司