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CN104296072A - 一种发光器件及背光源 - Google Patents

一种发光器件及背光源 Download PDF

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CN104296072A
CN104296072A CN201410527458.2A CN201410527458A CN104296072A CN 104296072 A CN104296072 A CN 104296072A CN 201410527458 A CN201410527458 A CN 201410527458A CN 104296072 A CN104296072 A CN 104296072A
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CN
China
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light
luminescent device
optical lens
face
angle
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Application number
CN201410527458.2A
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李晓平
李富琳
邵坤
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Qingdao Hisense Electronics Co Ltd
Original Assignee
Qingdao Hisense Electronics Co Ltd
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Publication date
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Abstract

本发明实施例提供了一种发光器件及背光源，涉及显示技术领域，改善了现有技术中发光器件的出光角度小，以及发光器件应用于背光源，显示屏幕出现亮点、亮环等亮度不均匀的问题。一种发光器件，包括发光二极管以及光学透镜，光学透镜包括光入射面及光出射面，光入射面包括凹形自由曲面，光出射面包括凸形自由曲面；发光面的中心点与光入射面上任意一点的连线，与对称轴形成第一夹角，光入射面的曲率随第一夹角的增大而减小；发光面的中心点与光出射面上任意一点的连线，与对称轴形成第二夹角，光出射面的曲率随第二夹角的增大而增大；第一夹角和第二夹角不大于90°。应用于发光器件、包含该发光器件的背光源的制造。

Description

一种发光器件及背光源
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种发光器件及背光源。
背景技术
液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)已广泛应用于手机、电脑、电视等具有显示功能的电子产品上。众所周知，液晶显示器需要背光源才能实现显示。而发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有体积小、功耗低、使用寿命长、色域宽广等特点，已成为液晶显示器背光源的主流光源。但由于发光二极管具有发光角度小、均匀性差等固有缺点，应用发光二极管形成的背光源具有显示亮度不均等问题。
为了解决发光二极管发光角度小、均匀性差的固有缺点，现有技术一般通过在发光二极管上增加光学透镜，以增大发光二极管的发光角度以及实现匀光的目的。如图1所示，为现有技术中的一种发光器件100，包括发光二极管10、基板20及光学透镜30，其中，光学透镜30包括一半球形凹槽的光入射面31和一光出射面32，发光二极管10位于光学透镜30的半球状凹槽中，光学透镜30的光出射面32包括第一光出射面32a和第二光出射面32b。此种结构的发光器件虽然通过光学透镜增大了发光二极管发光角度和均匀性，但发光二极管发出的光经光学透镜偏转后会导致近轴区域过亮，发光器件应用于背光源，显示屏幕上容易产生亮点；此外，该发光器件的入射角越大，出射角与入射角的比值就越小，且当入射角大于半功率角时，入射角等于出射角，易产生亮环。
如图2所示，为现有技术中的另一种发光器件，该发光器件100的光学透镜30的光入射面31包括第一光学作用区31a和第二光学作用区31b，光学透镜30的光出射面32分为第一光出射面32a、第二光出射面32b和第三光出射面32c。该光学透镜分别对光入射面和光出射面进行分段设计，一定程度上实现了匀光，但如图3所示，该发光器件的照度曲线图中，在约10mm～50mm区域照度值起伏过多，在50mm以上区域照度值下降过陡，这必然导致显示屏幕存在明暗不均的圆环条纹；并且，如图4所示，从该发光器件的极坐标光强分布图中可以看出，其出光角仅为140度，光扩散范围小。
发明内容
本发明的实施例提供一种发光器件及背光源，改善了现有技术中发光器件的出光角度小，以及发光器件应用于背光源，显示屏幕出现亮点、亮环等亮度不均匀的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一方面，提供了一种发光器件，包括发光二极管以及光学透镜，所述发光二极管包括发光面，所述光学透镜为旋转对称体，设置于所述发光二极管的上方，所述光学透镜包括光入射面及光出射面，所述光入射面包括凹形自由曲面，所述光出射面包括凸形自由曲面；在所述光学透镜的对称轴经过所述发光二极管的发光面的中心点的情况下，所述发光面的中心点与所述光入射面上任意一点的连线，与所述对称轴形成第一夹角，所述光入射面的曲率随第一夹角的增大而减小；所述发光面的中心点与所述光出射面上任意一点的连线，与所述对称轴形成第二夹角，所述光出射面的曲率随第二夹角的增大而增大；其中，所述第一夹角和所述第二夹角不大于90°。
另一方面，提供了一种背光源，包括上述任一项所述的发光器件。
本发明实施例提供了一种发光器件及背光源，本发明实施例通过将光学透镜的入射面设置成凹形自由曲面，使得发光二极管发出的光实现一次偏折，从而降低中心亮度，而光入射面的曲率随第一夹角的增大而减小，使得近轴区域的光经过曲率高的光入射面后偏折角度比较大，从而近轴区域的光被更进一步打散，光强分布趋于均匀，进而实现光照度的平缓过渡；同时将光学透镜的出射面设置成凸形自由曲面，光出射面的曲率随第二夹角的增大而增大，使得光经过曲率不同的光出射面后，光强分布更加均匀，且散射角度增大，进而光的扩散范围增大，即出光角增大，从而改善了现有技术中发光器件的出光角度小，以及发光器件应用于背光源，显示屏幕出现亮点、亮环等亮度不均匀的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中提供的一种发光器件的结构示意图；
图2为现有技术中提供的另一种发光器件的结构示意图；
图3为图2提供的发光器件的照度曲线图；
图4为图2提供的发光器件的极坐标光强分布图；
图5为本发明实施例提供的一种发光器件的示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种发光器件的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种发光器件的底面上的支撑脚的示意图；
图8为图6中近乎平行于底面的光线入射到向内的倾斜面后发生反射的光路示意图；
图9为图5中光出射面和光入射面上的曲率变化示意图；
图10为图5的发光器件照射在距反射面25mm处与反射面平行的接收面的照度曲线图；
图11为图5的发光器件形成的背光源照射在距反射面25mm处与反射面平行的接收面的光斑分布图；
图12为图5的发光器件照射在距反射面25mm处与反射面平行的接收面的光强分布图；
图13为本发明实施例提供的一种背光源的示意图。
附图标记：
10-发光二极管；100-发光器件；101-发光面；11-对称轴；20-基板；30-光学透镜；31-光入射面；31a-第一光学作用区；31b-第二光学作用区；32-光出射面；32a-第一光出射面；32b-第二光出射面；32c-第三光出射面；320-凸形自由曲面；33-底面；330-支撑脚；34-直线面；35-倾斜面；36-反射片；40-第一夹角；41-第二夹角；42-第一距离；43-第二距离；44-第三距离；45-第四距离。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明实施例中，光学透镜的光入射面即光经过该面进入到光学透镜，同理，光出射面即光经过该面发出，离开光学透镜。
本发明实施例提供了一种发光器件100，如图5所示，该发光器件100包括发光二极管10以及光学透镜30，发光二极管10包括发光面101，光学透镜30为旋转对称体，设置于发光二极管10的上方，光学透镜30包括光入射面31及光出射面32，光入射面31包括凹形自由曲面，光出射面32包括凸形自由曲面320。
如图5所示，在光学透镜30的对称轴11经过发光二极管10的发光面101的中心点的情况下，发光面101的中心点与光入射面31上任意一点的连线，与对称轴11形成第一夹角40，光入射面31的曲率随第一夹角40的增大而减小。
如图5所示，发光面101的中心点与光出射面32上任意一点的连线，与对称轴11形成第二夹角41，光出射面32的曲率随第二夹角41的增大而增大；其中，第一夹角40和第二夹角41不大于90°。
上述发光器件中，对称轴与光轴重合的光学透镜由经过对称轴的截面旋转一圈形成，这样形成的光学透镜为旋转对称体；该光学透镜设置于发光二极管的上方，以对发光二极管的发光面发出的光进行方向控制，具体可以是如图5所示，光学透镜30置于发光二极管10的发光面101的上方；还可以是如图1所示，发光二极管10置于光学透镜30内等。本发明实施例及附图以光学透镜置于发光二极管的发光面的上方为例进行详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中，光入射面包括凹形自由曲面，即相对于光学透镜而言，光学透镜凹进部分的表面为光入射面，该光入射面的面型可以是凹形自由曲面；光出射面包括凸形自由曲面，即相对于光学透镜而言，光学透镜凸出部分的表面为光出射面，该光出射面的面型可以是凸形自由曲面。
进一步需要说明的是，本发明实施例中并不对光学透镜的对称轴是否经过发光二极管的发光面的中心点加以限定，即光学透镜的对称轴可以经过发光二极管的发光面的中心点，也可以不经过发光二极管的发光面的中心点。只要将发光二极管设置于其发光面的中心点在光学透镜的对称轴上的位置，光学透镜满足光入射面的曲率随第一夹角的增大而减小、光出射面的曲率随第二夹角的增大而增大即可。本发明实施例仅以光学透镜的对称轴经过发光二极管的发光面的中心点的情况为例详细说明。
更进一步需要说明的是，在发光面的中心点与光入射面上任意一点的连线，与对称轴形成的第一夹角有三种情况，即第一夹角是锐角、直角或者钝角，本发明实施例中，第一夹角是锐角或直角，即第一夹角不大于90°。同理，第二夹角的情况与第一夹角相同，这里不再赘述。
本发明实施例通过将光学透镜的入射面设置成凹形自由曲面，使得发光二极管发出的光实现一次偏折，从而降低光的中心亮度，而光入射面的曲率随第一夹角的增大而减小，使得近轴区域的光经过曲率高的光入射面后偏折角度比较大，从而近轴区域的光被更进一步打散，光强分布趋于均匀，进而实现光照度的平缓过渡；同时将光学透镜的出射面设置成凸形自由曲面，光出射面的曲率随第二夹角的增大而增大，使得光经过曲率不同的光出射面后，光强分布更加均匀，且散射角度增大，进而光的扩散范围增大，即出光角增大，从而改善了现有技术中发光器件的出光角度小，以及发光器件应用于背光源，显示屏幕出现亮点、亮环等亮度不均匀的问题。
可选的，为了使光学透镜易于加工和固定，如图5所示，光学透镜30还包括连接光入射面31和光出射面32的底面33，其中，底面33可以为磨砂结构面，更有利于加工。
需要说明的是，如图5-7所示，光学透镜30置于发光二极管10的发光面101的上方，光学透镜的底面33上还可以设置三个在底面上均匀分布的支撑脚330，用以支撑光学透镜30，使光学透镜30与发光二极管10间隔一定空间，以有利于在发光二极管10长时间发光的情况下进行散热，其中该空间中可以填充折射率低于光学透镜的介质，例如空气、透明硅胶等材料。具体发光器件可以是包括三个支撑脚330，且具体可以是如图7所示以圆周阵列的方式排布。当然，本发明实施例对支撑脚的个数以及排列方式不作具体限定，仅以图7所示的为例进行详细说明。
进一步可选的，如图5-6所示，光出射面32还包括与凸形自由曲面320相连的直线面34或向内的倾斜面35。
其中，如图5所示，与底面33连接的直线面34是由与光学透镜30的对称轴平行的直母线旋转一周形成。直线面34将底面33与凸形自由曲面320连接，使得光学透镜30更容易加工制作。
如图6所示，与底面33连接的向内的倾斜面35的母线延长线与光学透镜30的对称轴11相交，且由斜母线旋转一周形成，向内的倾斜面35在底面33上的投影位于凸形自由曲面320在底面33上的投影区域内，即该向内的倾斜面35是向光学透镜30内部倾斜。
进一步优选的，向内的倾斜面设置有反射片。如图8所示，向内的倾斜面可以使近乎平行于底面的光线发生反射，进而从发光透镜的光出射面射出，使近乎平行于底面的光线得到了充分利用，提高了发光二极管的利用效率。
可选的，如图5所示，发光器件100还包括基板20，发光二极管10固定在基板20上，基板20在固定发光二极管10的一侧设置有反射片36，其中，反射片36可以是设置于光学透镜30在基板20的投影区域以外的区域，可以将射向基板20的光反射出去，从而提高发光二极管10的利用效率。
可选的，为了保证光学透镜的加工精度和满足薄型化要求，如图5所示，光入射面31与光学透镜30的对称轴11的交点到光出射面32与光学透镜30的对称轴11的交点的距离为第一距离42，0.5mm≤第一距离≤1.5mm；若第一距离42小于0.5mm，则光学透镜30加工难度高，若第一距离42大于1.5mm，则不能满足光学透镜30的薄型化要求。
可选的，为了降低成本和提高光学透镜的利用效率，如图5所示，光出射面32上任一点到光学透镜30的对称轴11的最大距离为第二距离43，6.5mm≤第二距离≤8.5mm。
可选的，为了满足发光器件的散热及稳定性要求，如图5所示，底面33到基板20的最小距离为第三距离44，0.2mm≤第三距离≤1mm。
优选的，为了满足发光器件的薄型化要求，如图5所示，光出射面32上任一点到基板20的距离为第四距离45，第四距离≤6.5mm。
下面，以发光器件的光学透镜的对称轴经过发光二极管的发光面的中心点为例，详细说明本发明实施例所提供的发光器件。
如图5所示，该发光器件100包括基板20、固定在基板20上的发光二极管10及光学透镜30，基板20在固定发光二极管10的一侧设置有反射片36，发光二极管10包括发光面101，设置于发光面101上方的光学透镜30为旋转对称体，光学透镜30包括光入射面31、光出射面32、连接光入射面31和光出射面32的底面33，光入射面31包括凹形自由曲面，光出射面32包括凸形自由曲面320和直线面34。
结合图9，发光面101的中心点与光入射面31上任意一点的连线，与对称轴11形成第一夹角40，光入射面31的曲率随第一夹角40的增大而减小；发光面101的中心点与光出射面32上任意一点的连线，与对称轴11形成第二夹角41，光出射面32的曲率随第二夹角41的增大而增大；第一夹角40和第二夹角41不大于90°。
需要说明的是，图9只是示意性的绘示出了光出射面和光入射面上的曲率变化情况，线段越长则表示曲率越大，光出射面和光入射面上的曲率值以实际计算值为准。
如图5所示，光入射面31与光学透镜30的对称轴11的交点到光出射面32与光学透镜30的对称轴11的交点的距离(即第一距离42)是1.24mm，光出射面32上任一点光学透镜30的对称轴11的最大距离(即第二距离43)是7.75mm，底面33到基板20的最小距离(即第三距离44)是0.72mm，光出射面32上任一点到基板20的距离(即第四距离45)是6.81mm。
其中，底面可以为磨砂结构面，光学透镜的材料可以为玻璃或透明树脂，例如聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等。
在未加扩散、增透膜等光学膜片/板的情况下，本发明实施例提供的发光器件照射在距反射面25mm处与反射面平行的接收面的照度曲线图如图10所示，相比图3所示的照度曲线图，本发明实施例提供的发光器件的照度曲线图在约10mm～50mm区域照度值过渡平缓，没有过多起伏。
在上述相同条件下，本发明实施例提供的发光器件形成的背光源在接受面的光斑分布示意图如图11所示，从图中可以看到，本发明实施例提供的发光器件形成的背光源发出的光在整个接收面上照度分布均匀，没有出现因照度曲线下降过陡导致的亮点或亮环。
在上述相同条件下，本发明实施例提供的发光器件的光强分布图如图12所示，峰值光强分布角已达到78°，则出光角为156°，远超过现有技术能达到的出光角，例如图4提供的140°。
本发明实施例通过将光学透镜的入射面设置成凹形自由曲面，使得发光二极管发出的光实现一次偏折，从而降低光的中心亮度，而光入射面的曲率随第一夹角的增大而减小，使得近轴区域的光经过曲率高的光入射面后偏折角度比较大，从而近轴区域的光被更进一步打散，光强分布趋于均匀，进而实现光照度的平缓过渡；同时将光学透镜的出射面设置成凸形自由曲面，光出射面的曲率随第二夹角的增大而增大，使得光经过曲率不同的光出射面后，光强分布更加均匀，且散射角度增大，进而光的扩散范围增大，即出光角增大，从而改善了现有技术中发光器件的出光角度小，以及发光器件应用于背光源，显示屏幕出现亮点、亮环等亮度不均匀的问题。
一种背光源，包括上述任一项所述的发光器件。该背光源可以为液晶显示器以及包括液晶显示器的电视、数码相机、手机、平板电脑等产品或者部件提供光源。
具体地，背光源可以由矩阵排布的发光器件组成，本发明实施例对组成背光源的发光器件的个数和排列方式不加限定，仅以此矩阵排布形成的背光源为例进行说明。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种发光器件，包括发光二极管以及光学透镜，所述发光二极管包括发光面，所述光学透镜为旋转对称体，设置于所述发光二极管的上方，所述光学透镜包括光入射面及光出射面，其特征在于，所述光入射面包括凹形自由曲面，所述光出射面包括凸形自由曲面；
在所述光学透镜的对称轴经过所述发光二极管的发光面的中心点的情况下，所述发光面的中心点与所述光入射面上任意一点的连线，与所述对称轴形成第一夹角，所述光入射面的曲率随第一夹角的增大而减小；
所述发光面的中心点与所述光出射面上任意一点的连线，与所述对称轴形成第二夹角，所述光出射面的曲率随第二夹角的增大而增大；
其中，所述第一夹角和所述第二夹角不大于90°。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述光学透镜还包括连接所述光入射面和所述光出射面的底面。
3.根据权利要求2所述的发光器件，其特征在于，所述光出射面还包括直线面或向内的倾斜面，其中，所述直线面的直母线与所述光学透镜的对称轴平行，所述向内的倾斜面的母线延长线与所述光学透镜的对称轴相交；所述直线面或所述向内的倾斜面与所述底面连接。
4.根据权利要求3所述的发光器件，其特征在于，所述向内的倾斜面设置有反射片。
5.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述发光器件还包括基板，所述发光二极管固定在所述基板上，所述基板在固定发光二极管的一侧设置有反射片。
6.根据权利要求1-5任一项所述的发光器件，其特征在于，所述光入射面与所述光学透镜的对称轴的交点到所述光出射面与所述光学透镜的对称轴的交点的距离为第一距离，0.5mm≤第一距离≤1.5mm。
7.根据权利要求1-5任一项所述的发光器件，其特征在于，所述光出射面上任一点到所述光学透镜的对称轴的最大距离为第二距离，6.5mm≤第二距离≤8.5mm。
8.根据权利要求5所述的发光器件，其特征在于，所述底面到所述基板的最小距离为第三距离，0.2mm≤第三距离≤1mm。
9.根据权利要求5所述的发光器件，其特征在于，所述光出射面上任一点到所述基板的距离为第四距离，第四距离≤6.5mm。
10.一种背光源，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的发光器件。
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