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TW201235707A - LED lens and light emitting device using the same - Google Patents

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TW201235707A
TW201235707A TW100146100A TW100146100A TW201235707A TW 201235707 A TW201235707 A TW 201235707A TW 100146100 A TW100146100 A TW 100146100A TW 100146100 A TW100146100 A TW 100146100A TW 201235707 A TW201235707 A TW 201235707A
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Taiwan
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light
lens
emitting diode
incident
emitting
Prior art date
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TW100146100A
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TWI397721B (zh
Inventor
Huang-Chang Chen
zhi-peng Wang
Guo-Xuan Xu
Original Assignee
E Pin Optical Industry Co Ltd
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Publication date
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Priority to US13/684,385 priority patent/US8926142B2/en
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Description

201235707 411 :凸出部 412 :垂直部 P〇 :光程變化點 Z :光轴 L :光束 五、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： 六、 發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種發光二極體鏡片及其發光裝 置，尤指一種適用於液晶顯示面板的背光模組，用以 成均勻光型。 【先前技術】 液晶顯示器係廣泛地應用於電視、筆記型電腦、 版型，腦及手機等具有顯示功能的電子產品上。於液 顯ΐ器中，已知可採用冷陰極螢光燈（CCFL·)、場效.
^ 时（EL )與發光一極體（Light-Emitting Diodes，LEI 見光源來作為其背光源。近年來，由於LED具有 句勻、使用壽命長、體積自由度大、低電壓（戋
Ϊ 需要逆變器及色域寬廣等的優點，使得U 漸漸取代傳統的冷陰極螢光燈而成為主流的趨勢。 小相裝置係由多個LED排列成與液晶顯示器
真點吝也。為使顯示器各點的光度均勻且儘量沒: 生，於先前技術中，主要藉由改良覆蓋於LED ΙΤΛΙΤ·\：^.LED ^ ; 光、原的故為月光源的顯不器中，如何增進LED : "、、先冗度均勻性或加大光分布範圍，則為主要的ί 3 201235707 善重點，如 US7,348,723、US7,963,680、US7,621,657、 US7,798,679 、 US7,866,844 、 US7,766,530 、 US2009/0116245、US7,474,475 及 US7,746,565。 US7,348,723揭示一種鏡片及發光裝置，其發光裝置 ^如圖1所示，包含一固定於基板12的發光元件u及 一鏡片13。發光元件！！係容置於鏡片13的半球狀凹槽 10中，且光束自發光元件11發出後係穿透出鏡片13的 光出射面130。光出射面130包括一第一出光區域13〇& 以及一第二出光區域130b，其中第一出光區域13〇&為 向光軸略微向下凹曲的凸起配置。發光裝置丨構成的光 型分佈如圖2(其座標之單位請詳見US7,348,723)，為一 近軸區的焭度尚於離軸區Regi〇n)亮度的單 ，所構成的圓形光型。然，如此的光型分佈將造成各發 ，裝置的近軸區的亮度明顯地高於離軸區亮度，而有均 光性不足的缺點，使其應用時容易在背光模組產生亮 點；更由於近軸區較亮，使得採用此發光裝置的背光模 、.且必/頁縮短各發光裝置間的距離，以解決均光性不足的 問題。，者，由於顯示螢幕趨於薄型化的需求以及成本 f的考量，增加發光裝置的散光性以縮短發光元件至液 晶面板的距離或增加各發光元件間的距離，是此類發光 裝置必須改進的問題。然，若藉由增加光出射面u〇X的 折射能力以增加發光裝置i的散光性，將可能導致菲涅 耳反射現象發生，而造成光通量降低。此外，由於發光 震置」具有入射角愈大則出射角與入射角比值愈小以 ^畲入射角大於半功率角的範圍 Q Half-Intensity_Angular_Range)時，入射角等於出射角 ，特性，造成入射角等於出射角的區域的光被集中而 產生了明顯亮圈。進一步，為了使此亮圈不明顯，需藉 由降低發光裝置1的散光性而克服，亦即此發光裝置^ 201235707 難以使散光性與均光性兼備。 甘^7,621，657揭不的發光裝置類似於US7,348,723， ^同樣具有近軸區過亮且難以達到高散光性要求的缺 點0 品《H766530揭示一種發光裝置’其光學鏡片的入射 設有凸面及凹面，其中各凸面皆設置於發 ^裝置的光軸上’而各凹面係位於鏡片的邊緣處，且兩 ，面，及兩凹面間的曲率不同，進而形成近似鐘型的鏡 片。然而，其亦為近軸區亮度較高的設計，且由於各凹 面係使侧向光束被折射成向上光束，而各凸面係使向上 光束被折射成侧向光束，故此類發光裝置仍具有均光性 及散光性不足的缺點。 US7,866,844 及 US2009/0116245 進一步揭示入射面 具有鋸齒狀結構與凹部的光學鏡片，以達到散熱及避免 產生亮圈的目的’然而其同樣為近軸區亮度較高的設 計’而無法滿足高均光與高散光的需求。 為加強發光裝置的散光性，US7 963 680、 US7,798,679、US7,474,475 及 US7 746,565 所揭示的發 光裝置的光學鏡片中，其入射側皆具有凹槽（或凹曲部） 且出射側皆具有設置於中央的凹部與圍繞該凹部的凸 部。其中，US7,963,680的光學鏡片之出射面的中央凹部 為錐狀且入射側的凹槽為圓頭的子彈狀，其入射側的凹 槽的開口直徑小於高度，並符合特定條件使得中央凹部 處僅發生折射而不反射。如此’當US7,963,680的光學 鏡片覆蓋於LED上時，會產生一光分佈較廣且近轴區亮 度較弱的光型，然而如此的設計仍然無法達到薄型化的 要求。另外’ US7,798,679雖減低近軸區的亮度，並藉由 光入射面的曲面來增進鏡片的屈折力並同時達到均光目 5 201235707 的，但此類的技術於實際應用時，其所構成的發光裝置 所發出的光型仍有中央暗區過大的問題，以至於其較難 應用於要求更薄型化的顯示裝置中。 US7,474,475及US7,746,565分別揭示一種發光裝 置，其發光二極體鏡片的面形均較為複雜，不易製造， 且其鏡片的出射側之光軸上皆設置有一凹部，且入射至 凹部的光束會被全反射至鏡片的折射部，藉此，減弱近 轴區的光強度並增加光的發散角度。然而，US7,474,475 及US7,746,565除了有加工繁雜的缺點外，其複合球面 的面形還導致鏡片的厚度較大且精度較低，不利於 顯示器的製作。 ☆從廣義上來說，除了球面和平面以外的表面都可以 稱為非球面，包括非對稱性的空間曲面（或稱自由曲 面）。由於非球面鏡片在簡化光電裝置的結構、減小系 統的尺寸和重量等方面有顯著的作用，因此非球面鏡片 在各領域的光電儀器中得到愈來愈廣泛的應用。 若應用於液晶螢幕的led組件設計不良時，可能會 造成亮點、色差、需高密度佈局或增加其他可加強均^ 等功，的元件的配置的缺點。其中，當LED組件具有近 軸區，度過高的問題時，可能會導致色差而影響液晶螢 幕的演色性。此外，高密度佈局的LED組件更影響了製 造成本:散熱及裝置壽命，而增加其他元件的配^更影 響了顯示螢幕的體積。由於顯示螢幕趨於薄型化、晝g ^真及成本最小化的需求，如何在高均光度的要求下 時增加發光裝置的散光性、降低色差並使發光二極體 片趨於薄型化，為現今LED背光模組的製造商急欲改善 的問題。 。 【發明内容】 6 201235707 本發明主要目的在於提供一種發光二極體鏡：M n 光裝置，以應用於LED背光模組中，其能形成均句且/光^ 散角度（emission angle)至少為120。的光型，用以 : 示品質、降低色差及滿足高均光、高散光性與薄型化^ 求，並有效減少LED發光裝置的配置數目，進而 ，而 背光模組的體積、減少背光模組中熱能的累積與降低^成 為達成上述之目的，本發明提出一種發光二極髀。 片，適用於一發光二極體背光源之一發光裝置，旅’兄 置包含一發光二極體及該發光二極體鏡片，該於=二光褽 鏡片用以偏折發光二極體所發出的光束。發光二二極體 係具有-旋轉對稱轴，且包括—光人射面、鏡片 一鏡片底表面。發光二極體鏡片之鏡片底表面係杏面與 面延伸出並與光出射面相接。光出射面為非球面，^射 一出射凹陷部及一凸出部，該出射凹陷部係位於 匕含 的中央，該凸出部係連接於出射凹陷部之外圍。 射面 面 係滿足下列條件： 九出射
Lt/Re^〇.4 其中，Lt為光出射面任一點沿旋轉對稱 入射面或鏡片底表面之距離的最大值；R 向至光 沾古您。 1叱出射面 的直徑 發光二極體鏡片之光入射面係構成具有〜 凹穴:其包含-第一光學作用區及一第二光學的 第一光學作用區係設置於該光入射面的中央用區。 入射凹陷部；第二光學作用區係連接第一光學伟、有〜 外圍，其光學面為一凹面。第一光學作用區與=用區之 作用區之鄰接點為一光程變化點，設光入射；光學 中〜為一入射原點，該光程變化點至入射原點、開 旋轉對稱轴間具有夾角θ〇。光入射面滿足以^迷線輿 Γ條件· 7 201235707
Rir/Ri^ 0.3 ·....·式（2) 0.6<^°xtan^<i ......式（3)
Sir 其中，Rir為第一光學作用區在光程變化點的直徑，亦 即，自光程變化點沿垂直於旋轉對稱軸的方向至旋轉對稱 轴之距離的兩倍；Ri為光入射面相對於發光二極體所形成 的開口之直徑；瓦為入射原點至光入射面與旋轉對稱轴的 一交點的連線長度；Sir為自第一光學作用區與旋轉對稱軸 之交點沿著其光學面至光程變化點的長度； 其中，入射原點至光入射面上任一點的連線與旋轉對 稱轴的夾角為Θ，當θ<θ〇時，隨著Θ漸大，自入射原點至 光入射面的距離將漸增；當45°時，隨著Θ漸大， 自入射原點至光入射面的距離將漸減。 較佳地，為使本發明的發光二極體鏡片之光入射面可 進一步地使光束分配的更均勻，以增進發光裝置的均光 性，發光二極體鏡片更滿足以下條件： 1.〇1<^<1.1 ......式（4 ) 〇h 其中，死為入射原點至光程變化點的距離；瓦為 入射原點至光入射面與旋轉對稱轴的一交點的連線長 度。藉此，光入射面之第一光學作用區將使光束被適當 地折射，以修正發光二極體所發出的朗伯型光源為較均 勻光型。此外，當式（2)與式（3)的值固定時，隨著 式（4)的值提高，光入射面將使出射自第一光學作用 區的光束被以較低的密度分配到較靠近光轴的區域。 較佳地，為使本發明的發光二極體鏡片之光出射面可 進一步地具有適當的屈折力，以增進光源裝置的均光性， 8 201235707 發光一極體鏡片更滿足以下條件： 式（5 自光ΐ Dr ί ί出射面的出射凹陷部之直徑，亦即 為光出射面上，自光出射射面之至局點定義 具有最大距離的對應位置；RE為光 出射面的直徑。若滿足式（5)，即出射凹 /為_先 於等於光出射面的直徑的六分之—時，可加^ 徑^ 部的相對長度，使出射自出射 2凹陷 於過度』rm?效射果自出射凹陷部的光線不致 其中，光入射面之第一光學作用區 點朝光出射面的方向延伸至一入射為自化
Si开點；漸朝鏡片底表面所處的平面；凹並:旋入轉射 對稱軸形成一頂點之凹面，亦即，光赞、靛轉 ”對於光源（即發光二極體）而言為凹：以 ί 於該光源側)。入射面至高點 i右曰* ^ 自光人射面至鏡片底表面所處的平面 具有取大距離之對應位置。 卞曲 其中，光入射面之入射凹陷部的光學面可 變化點朝鏡片底表面所處的平面下凹之几 王 即，入射凹陷部的光學面相對於光 ，凸面，亦 或凸面。 干々日耽九源而吕分別可為凹面 f； 其中’光入射面的第一光學作用區可形成與旋轉 201235707 錐f凹穴或以旋轉對稱軸為頂點且開 朝：出射面的-拋物面凹穴的其中之-或其組合。 部的=先来出入射二之出射凹陷部的光學面可為自凸出 成一頂點的ί面=的方向下凹並於旋轉對稱軸上形 源而言為凹面。5/、即’出射凹陷部的光學面相對於光 部的=朝 陷部的光學面相對於光源而言為凸面。，、p射凹 光源J部更具有-光源固定部，該 源(即表面向下延伸出’用以固定-光 根據本發明之目的，再提出一種 的！光二極體鏡片與發光二i體發光 體之發光面中心係設置於發A __ t佳地，發光二極 120。的均勻光型。 τ办成角度大於 於發光裝置中，發光二極體的私“ 二極體鏡片的光入射面之開處^置於發光 一步地，為使發光二極體鏡片可其下方。進 發光二極體的光束，該間距d係可滿足:二射來自 °~d-2Lt ......式（6) 其中’d為發光二極體鏡片之光入射 .I片面體的發光面間的-間距;Lt為發光二:體 鏡片之先出射面任一點沿旋轉對稱軸方向至光入射面j 10 201235707 片底表面之距離的最大值。 於發光裝置中，自發光二極體發出的光束係先經過低 折射率的介質’再入射至發光二極體鏡片，其中低折射率 的介質係指折射率較發光二極體鏡片的折射率低的介質； 在不同的應用中’此介質可為空氣、透明的石夕膠或混入螢 光粉的矽膠（光波長轉換元件、WCC、wavelength conversion component)等，但不為所限。 藉由本發明之發光二極體鏡片及其發光裝置，可具有 下列一個或多個優點： 1、藉由本發明的發光二極體鏡片所構成的發光裝置， =產生光發散角度大於120。的均勻光型，以改.善近軸區過 ，，過暗的問題及增進色均勻度。此外，更可有效地減少 背光模j中的發光裝置與其他可加強均光等功效的元件的 ϊίΐί二進而減少LED背光模組的體積、減少背光模組 中熱i的累積與降低成本。 Γ5)2的進—步地，藉由選擇性地配合本發明的式（4)或 而式，分別控制本發明之發光二極體鏡片的光入射 面的光學面，使發光二極體鏡片可進一步地將 = 句’以避免其構成的發光裝置所產生的光 佳^光ίί圈或過大的中央暗區。如此-來’均光性較 的知九裝置將更容易製作。 【實施方式】 下列 ίί本f明更加明破詳實’兹列舉較佳實施例並配合 f本發明之結構及其技術特徵詳述如後。 置之=圖i’其係為本發明之發光二極體鏡>5及其發光袭 置H意圖。本發明之發域置2適用於發光二極^ 201235707 二光模，、且中，其包括發光二極 盘 — 光二極體3可包括基板3G j先—極體鏡片4。發 膠層32,而基板30可包括一、體晶片31以及螢光黏 31。於較佳實關中，基板巧設置發光二極體晶片 32 ’使發*二極體晶片31被覆蓋填f有螢光黏膠層 板3〇的凹部的表面做為發基板上，並使基
==例如為彻例::光J 4；^ίΓ ^ 貼上可反射鏡片底表面42上可鍍有反射層或 另—mm丄以増加發光裝置2的光利用率。於 w 也例中’鏡片底表面42設置有多個不規則 以避免自鏡片底表面 if ΐ照度不均之現象。發光裝置2的光轴是指自宜 4出射的立體光束之中心軸。於發光裝置2 3的, 4之光人射面4G係設置於發光二極體 的毛光面上’較佳地，需使發光二極體鏡片4的旋轉對稱 Z垂直於發，二極體3之發光面。對於較精確的組合工 二’可使發光二極體鏡片4之旋轉對稱轴Z通過發光二極 ，3的發光面之幾何中心〇,，更佳地，可使發光二極體鏡 ^ 4之旋轉對稱轴Z與發光二極體3的機械軸重疊。於本 以發光二極體鏡片4之旋轉對稱軸2 二發先：極體3的機械軸重疊的情況為例進行說明，如圖3 拼ϋΪΪ鏡片4可使來自發光二極體3的光束L 皮偏折而退離^光裝置2的光袖，以提升光發散角度。 菸糸於性的實施例中’發光二極體3係可埋入 X先-極體鏡片4之光人射面4〇所形成的凹穴中（如圖8 12 201235707 所示）。设光入射面40所形成的凹穴之開口中心為一入射 原點Ο ’於另一些非限制性的實施例中，發光二極體3之 發光面中心0’係可設置於發光二極體鏡片4之入射原點〇 上（如圖9所示）。於較佳實施例中，發光二極體3之發光面 中心0’係設置於發光二極體鏡片4的光入射面4〇之入射原 點〇下方且具有一間距d(如圖4所示），如此將更有利於 散熱。為使發光一極體鏡片4可有效地聚集並投射來自發 光二極體3的光束，間距d可進一步地滿足式（ό)的條件。 例如，在不同的應用中，此間距d可為發光二極體3發光 層厚度之1〜3倍距離如ο ι〜〇 3mm，但不為所限。其中，鏡 片底表面42所處的平面與發光二極體3的發光面之間的間 距d可填入低於發光二極體鏡片4折射率的介質，此介質 可為空氣、透明的矽膠或混入螢光粉的矽膠等不為所限。 、製作發光二極體鏡片4的材料可為玻璃或透明樹脂， 透明樹脂例如聚甲基丙烯酸甲酯（P〇lyrnethyl Methacrylate， PMMA)、聚碳酸酯（p〇iyCarb〇nate，pc)、聚乳酸（pla)， 但不為所限。為節省成本，可採用折射率為149至153的 光學塑料。 發光二極體鏡片4的光出射面41係為對稱於旋轉對稱 ，z的非球面，其包含一出射凹陷部41〇及一凸出部411， 该出射凹陷部410係位於光出射面41的中央，該凸出部411 係連接於出射凹陷部41 〇之外圍。於其中一實施例中，光 面41可更包括一垂直部412，該垂直部412係大致上 〃旋轉對稱轴z平行，並連接於凸出部411外圍，其有助 =降低雜光現象。出射凹陷部410係使光束更進一步地往 =直於光軸的方向偏折，以分配近軸處光束的密度並降低 X光裝置2所發出光型的中央區亮度，同時可増加其光發 散角度。 、 同時參閱圖3、4’旋轉對稱軸z與光出射面41的出射 13 201235707 ::=旋轉對稱軸Z方向至光入射 自 具有最大距離Lt的對應位置。如 X 面42 2稱軸間z具有夾角^。 的 ί I lilttt;; ^ ί 眚L t先出射 需滿足式⑴的條件。於較佳的 ’為使發光二極體鏡片4的光出射面41可Ϊ當地 二fi束分佈得更均勾同時降低亮圈的產： “滿足式二二出射面41之出射 另外，於一些實施例中，發光二極體鏡片4的光 朝光入If面射4^部410的光學面可為自凸出部4U的内緣 ，先入射面40的方向下凹並於旋轉對稱軸z =凹二如圖4所示，出射凹陷部41〇的光學=對= ίΐΪ 而言為凹面。於另—些實施例中，光出射面41 出射凹陷部410的光學面可為自凸出部411的内緣朝光 入射面40的方向下凹的凸面，如圖3所示，出射凹陷部41〇 的光學面相對於發光二極體3而言為凸面。 本發明之發光二極體鏡片4的光出射面41為非球面， 於本發明的各實施例中，係採用如下的非球面方程式 (aspherical surface formula )來表示非球面的形狀： 稱=T^rS^r#2+#4+#6+#8+^10 …式（？） 其中’ Z(h)為鏡片之光學面上任一點以光軸方向至鏡 片中心點切平面的距離(SAG值），c*非球面頂點的曲率， h為鏡片之光學面上任一點沿垂直光軸的方向至光轴的距 14 201235707 離 ’ K 為圓錐係數（conic c〇nstant)、A2、A4、A6、A8、A10 分別一、四、六、八、十階的非球面修正係數（Nth Order Aspherical Coefficient)。需注意的是，這裡所列的非球面 方程式僅為非球面形狀表現的一種方式，任何可表示軸對 稱的非球面方程式應當皆可利用以製作出本發明之發光二 極體鏡片4 ’而不應當為此所限。 發光二極體鏡片4的光入射面40構成具有開口的凹 穴’其包含一第一光學作用區400及一第二光學作用區 401。第一光學作用區400與第二光學作用區401之鄰接點 為一光程變化點Po’該光程變化點Pg至入射原點◦的連線 與旋轉對稱軸Z間具有夾角其中，第一光學作用區4〇0 係设置於光入射面40的中央且具有一入射凹陷部4〇〇a。 入^凹陷部400a係為入射面至高點所圍成的區域。入射面 至咼點延旋轉對稱轴Z方向至通過光入射面4〇與旋轉對稱 軸Z之交點且垂直於旋轉對稱轴z的平面的距離定義為入 f凹陷^M00a的深度Dir。入射面至高點至光入射面4〇與 旋轉對稱軸Z之交點的連線與旋轉對稱軸z間具有夾角 eir。設入射原點〇至光入射面4〇上任一點的連線與旋轉對 稱軸Z的夾角為0，如圖5所示，當θ<θ〇時，隨著㊀漸大， 自入射原點Ο至光入射面4〇的距離將漸增。第二光學作 用區401係連接於第一光學作用區4〇〇之外圍，且其光學 面為、凹面。g θ〇 g G g 45。時，隨著Θ漸大，自入射原點 〇至光入射面40的距離將漸減。由此，入射至第一作 用區400與第二光學作用區401的光束可依各曲面設計而 有不同的偏折效果，以增進光發散角度與光束分佈的均勻 性。 二公射凹陷部4〇〇a係可使射人人射凹陷部400a 的光束被匯攻，以補償發光裝置2所產生的光型的中央區 域之光強度’以克服為了提高發光裝置2的光發散角度， 15 201235707 發光二極體鏡片4將大部分的光束偏折向垂直於光軸的平 面，使發光裝置2所發出的光型具有中央暗區的問題。铁 而，於設^不佳的入射凹陷部400a將使發光裝置2的近車由 區亮度過高，因此本發明的發光二極體鏡片4的光入射面 4〇品滿足式（2 )及（3 )的條件，使發光農置2所發出的 型同時具有高光發散角度與高均光性的優點。另外，於 較佳實施例中，為避免光束過度地匯聚於近軸區，可於入 射凹陷部400a設置微結構(micro-structure)，該微紝槿之！ 寬比甚小，不影響自入射原點〇至入射凹“二: 的距離；又微結構可為菲涅爾結構、鋸齒結構或不規則表 面’不為所限。 、另外，為利於製作本發明之發光二極體鏡片4，並增 ^發光裝置2的均光性，於較佳的實施例中，發光二極^ =片4更可滿足式（4)的條件，^限定入射原點〇至第 一光學作用區400的最大距離（即死）與最小距離（即瓦） 的比值範圍，來說明本發明較佳實施例之發光二極體鏡片 4的光入射面40的形狀。 於些實施例中，光入射面4〇相對於發光二極體3所 的開口直徑R;可略大於或等於發光二極體3的發光面 ，。為有效固定發光二極體鏡片4與發光二極體3，並 空間以容許發光二極體3與發光二極體鏡片4的安 =，，，發光二極體鏡片4可具有一光源固定部43,該光 二*定部43係自鏡片底表面42向下延伸出（如圖14所 =。發光二極體3所發出的光束係可先經過低折射率的介 再依序入射至發光二極體鏡片4的光入射面40與光出 ’以增加發光裝置2的光發散角度 。其中，所述低 彻f的介質係指折射率較發光二極體鏡片4低的介質， 二J或㈣；以下實施例為方便比較說明，則均採用 上虱介質為說明。 201235707 光入射面40的第—光學作用區4〇〇之入射凹陷部400汪 的光學面可為球面、非球面、拋物面或平面之一或其組合。 於一些·實施例中，光入射面40的第一光學作用400區^形 成與旋轉對稱轴Z斜交的一圓錐狀凹穴（未繪示出）。以 下將以光入射面40之第一光學作用區4〇〇相對於發光 二極體3而言為凹面或凸面來定義第一光學作用區 之光學面。於一些較佳實施例中，光入射面4〇的第一光 學作用區400可為自光程變化點P〇朝光出射面41的方向 延伸至入射面至高點，且自該入射面至高點逐漸朝鏡片底 表面42所處的_平面下凹並與旋轉對稱軸2形成一頂點之凹 面（如圖8所示）。又，於較佳實施例中，光入射面4〇之 第一光學作用區400的光學面可為自光程變化點p〇朝鏡片 底表面42所處的平面下凹並與旋轉對稱軸z形成一頂點之 凹面（如圖9-12所示）。於另一些較佳實施例中，光入射 面40之第一光學作用區400的光學面可為自光程變化點 p0朝鏡片底表面42所處的平面下凹之凸面，例如，如圖 13所示，第一光學作用區400可形成以旋轉對稱轴Z為頂 點真開口朝光出射面41的一拋物面凹穴，但凸面可如上說 明或依據光學效果而設置，不為此限。 參閱圖6 ’其係為本發明之發光裝置2的極座標光強 度分佈圖（polar candela distribution plot)，以表示發光裝 置2之光出射面正上方的光強度分布情形。如圖6所示， 於發光裝置2所產生之光型中，中央區域（此例為當光束 與光柏Z的夾角小於40。時）其各立體角内之光通量大小， 即坎德拉值（candela, cd)，均小於2 cd，而於中央區域之 外園’隨著光束與光轴Z的夾角上升，其坎德拉值陡升。 於本例中’發光二極體3之發光面中心〇,至其所發出光型 的光強度峰值的連線與發光裝置2的光軸間的夾角θτ約為 72。；而最大有效發散角ΘΜ約為163。。其中，有效發散角 201235707 疋義為具有最大光通量的半值的臨界角。 參關7$其係為本發明之發光裝置2照射於相距為 =5 mm之薄板（大小為1〇〇 χ 1〇〇職〕上的照J (ummance)曲線圖。由圖7可知，本發明之發光 型：的最大照度與最小照度分別與平均‘度的差 異均甚小’亦即’發光裝置2具有優㈣均自性，以利於 使用在薄型化的顯示裝置中。 、 為說明根據本發明的主要技術特徵所衍生的各實施 例，以下將列出共6種態樣的發光二極體鏡片4，然而本 發明的發光二極體鏡片4的尺寸、各項係數及各組成的數 據皆應不為所限。另外，於各實施例中所採用的發光二極 體3的發光面的直徑均為2.1 mm。又本發明所揭示之實施 例係為了說明本發明的實施態樣，選其技術特徵係符合式 (1)〜式（6)者，但不以此為限制。 <第一實施例> 參考圖8 ’其為本發明之發光裝置2的第一實施例示 意圖。 下列表（一）為本例中發光二極體鏡片4的光出射面 41於式（7)中的各項係數： 表（一）、本實施例光出射面之非球面係數 —曲 4⑹__A4_Αβ_As_Αιο_Αΐ2 -6.42Ε+12 -2.23Ε+06 2.01Ε-02 -1.44Ε-03 2.08Ε-05 -4.89Ε-07 9.44Ε-09-9.54Ε-11 下列表（二）列有本例中發光二極體鏡片4的各項 數值（如圖4所示）、折射率（Nd)，與發光二極體鏡片 與發光二極體3的發光面的距離d : 表（二）、本實施例發光裝置的各項數值 Lt Re Rer (mm) tan0er R, Rir 〇Γ〇 θτ (°) 201235707 (mm) 4.694 (mm) 15.200 5.660 12.926 (mm) 3.500 (mm) 0.468 (mm) 2.250 71 tan0〇 0.097 Sir (mm) 0.311 〇p〇 (mm) 2.425 Dir (mm) 0.164 tan0ir 1.430 d (mm) -0.800 Nd 1.49 ΘΜ(°) 156 本實施例中，光入射面40的第一光學作用區400之光 學面為自光程變化點PQ朝光出射面41的方向延伸至入射 面至高點，且自該入射面至高點逐漸朝鏡片底表面所處的 平面下凹並與旋轉對稱轴Z形成一頂點之凹面。光出射面 之出射凹陷部的光學面為自凸出部的内緣朝光入射面的方 向下凹之凸面，且於光出射面的近轴區内，光出射面近似 垂直於旋轉對稱轴Z。於本實施例中，發光二極體3係埋 入發光二極體鏡片4之光入射面40所形成的凹穴中，因此 發光二極體3與發光二極體鏡片4的間距為負值。另外， 發光二極體鏡片4的光入射面40與光出射面41之其他的 技術特徵已載於先前的描述中，故於此便不再贅述。 於本實施例中，式（1)至（5)的計算結果如下：
Lt/Re = 0.309 Rir/Ri = 0.134 OIo xtan0o Sir ' 0.702 〇p〇 _ 1.078 01Q Rer Re 0.372 因此，本實施例的發光二極體鏡片4係符合式（1)至 19 201235707 (5)之要求，使光束分配的廣而均勻，以構成高均 散光性及低色差的發光裝置2。 ' <第二實施例> 立參考圖9,其為本發明之發光裝置的第二實施例示 意圖。 、 下列表（三）為本例中發光二極體鏡片4的光出射 面41於式（7)中的各項係數： 表（三）、本實施例光出射面之非球面係數
下列表（四）列有本例中發光二極體鏡片4的各項 數值、折射率（Nd)，與發光二極體鏡片與發光二極體 3的發光面的距離d :
丨 M(〇) 156 tanG〇 (mm) (mm) (mm) d(mm) Nd 0.370 2.961 0.200 1.553 0.000 1.49 本實施例中，光入射面4〇的第一光學作用區的光學面 為自光程變化點朝鏡片底表面所處的平面下凹並與旋轉 對稱轴Z形成一頂點之凹面。於本實施例中，發光二極體 3之發光面係設置於發光二極體鏡片4之光入射面4〇所形 成的凹穴開口’且恰巧位於發光二極體鏡片4之鏡片底表 面所處的平面上，因此發光二極體3與發光二極體鏡片4 的間距為零。另外，發光二極體鏡片4的光入射面40與光 出射面41之其他的技術特徵已載於先前的描述中，故於此 201235707 便不再贅述。 於本實施例中，式（1)至（5)的計算結果如下：
Lt/Re = 0.305 Rir/Ri = 0.172 Oh xtan^0 0.780 〇p〇 _ 〇h~ 1.079 K 0.346 因此，本實施例的發光二極體鏡片4係符合式（丨）至 (5)之要求’使光束分配的廣而均勻，以構成高均光、高 散光性及低色差的發光裝置2。 <第三實施例> 參考圖10，其為本發明之發光裝置的第三實施例示意 圖。 一 下列表（五）為本例中發光二極體鏡片4的光出射面 41於式（7)中的各項係數： 表（五）、本實施例光出射面之非球面係數_ 曲率(C) κ A2_A4 Αβ Α8 A10 Ai2 -6.42E+12 -2.23E+06 2.01E-02 -1.44E-03 2.08E-05 -4.89E-07 9.44E-09-9.54E-11 下列表（六）列有本例中發光二極體鏡片4的各項 數值、折射率（Nd)’與發光二極體鏡片與發光二極體 3的發光面的距離d: 表（六）、本實施例發光裝置的各項數值 201235707
Lt (mm) 4.694 Re (mm) 15.500 Rer (mm) 5.360 tan0er 49.604 Ri (mm) 3.800 Rir (mm) 0.616 oil (mm) 3.194 θτ(°) 71 tan0〇 0.092 Sir (mm) 0.344 〇p, (mm) 3.362 Dir (mm) 0.154 tan0ir 1.999 d (mm) 0.200 Nd 1.49 Θμ(°) 156 本實施例中，光入射面40的第一光學作用區的光學面 為自光程變化點P〇朝鏡片底表面所處的平面下凹並與旋轉 對稱軸Z形成一頂點之凹面。另外，發光二極體鏡片4的 光入射面40與光出射面41之其他的技術特徵已載於先前 的描述中，故於此便不再贅述。 於本實施例中’式（1)至（5)的計算結果如了：
Lt/Re = 0.303 Rir/Ri = 0.162 OI〇 x tan^ft S- — ^\x 0.853 〇p, 〇Γϋ~ 1.053 K R 0.346 因此，本實施例的發光二極體鏡片4係符合式至 (5)之要求，使光束分配的廣而均勻，以構成高均光、高 散光性及低色差的發光裝置2。 ° <第四實施例> 參考圖11 ’其為本發明之發光裝置的第四實施例示意 圖。 " 22 201235707 下列表（七）為本例中發光二極體鏡片4的光出射面 41於式（7 )中的各項係數： 表（七）、本實施例光出射面之非球面係數_ 曲率(c) κ α2 μ α6 α8 α10~ -6.42Ε+12 -1.66Ε+03 1.93Ε-02 -1.44Ε-03 2.08Ε-05 -4.89Ε-07 9.44Ε-09-9.54Ε^ΪΤ 下列表（八）列有本例中發光二極體鏡片4的各項 數值、其折射率（Nd)，與發光二極體鏡片與發光二極 體3的發光面的距離d :
Lt (mm) 4.592 表（八） I (mm) 15.500 峑實施例發光裝置的各項數值 er (mm) tan0er / Ri N OI〇 (mm) (mm) (mm) 4,640 291.596 3.770 0 719 3.655 θτ(°) 72
(mm) (mm) (mm) tan0ir d(mm) Nd ΘΜ (°)
本實施例中，光入射面40的第一光學作用區的光學面 為自光程變化點P〇朝鏡片底表面所處的平面下凹並與旋轉 對稱轴Z形成一頂點之凹面。另外，發光二極體鏡片' 4的 光入射面40與光出射面41之其他的技術特徵已載於先前 的描述中，故於此便不再贅述。 於本實施例中，式（1 )至（5 )的計算結果如下：
Lt/R-e ~ 0.296 Rir/Ri = 0.189 OIo xtan^n sir ~ 0.842 〇p〇 1.056 23 201235707
R
R 0.299 因此，本實施例的發光二極體鏡片4係符合式（i)至 (5)之要求’使光束分配的廣而均勻，以構成高均光、高 散光性及低色差的發光裝置2。 <第五實施例> 參考圖12 ’其為本發明之發光裝置的第五實施例示意 圖。 下列表（九）為本例中發光二極體鏡片4的光出射面 41於式（7)中的各項係數： 表（九）、本實施例光出射面之非球面係數 _ 曲率(c) K A2 Aa A6 As Aio Ai2 ~ 6.42E+12 -2.00E+01 -2.58E-02 -1.11E-03 2.31E-05 -4.85E-07 9.44E-09 -9.54E-11 下列表（十）列有本例中發光二極體鏡片4的各項 數值、其折射率（Nd)，與發光二極體鏡片與發光二極 體3的發光面的距離d: 表（十）、本實施例發光裝置的各項數值
Lt (mm) 5.032 Re (mm) 15.500 Rer (mm) 5.720 tan0er 7.496 (mm) 3.500 Rir (mm) 0.712 〇h (mm) 2.999 θτ(。） 70 tan0〇 0.148 Sir (mm) 0.509 〇p〇 (mm) 3.226 〇ir (mm) 0.192 tan9ir 1.858 d (mm) 0.200 Nd 1.53 ΘΜ(°) 156 本實施例中，光入射面40的第一光學作用區的光學面 為自光程變化點PG朝鏡片底表面所處的平面下凹並與旋轉 對稱軸Z形成一頂點之凹面。光出射面之出射凹陷部的光 ，面為自凸出部的内緣朝光入射面的方向下凹並於旋轉對 稱軸Z上形成一頂點的凹面。另外，發光二極體鏡片4的 24 201235707 4〇與光出射面41之其他的技術特徵已載於先前 的描述中，故於此便不再贅述。 於本實施例中，式（1)至（5)的計算結果如下：
Lt/Rt 0.325 0.203
Rir/Ri = ΟΙ〇 xtan^ft
〇h Κ 0.871 1.075 0.369 因此，本實施例的發光二極體鏡片4係符合式（ι )至 (5)之要求，使光束分配的廣而均勻，以構成高均光、高 散光性及低色差的發光裝置2。 <第六實施例> 參考圖13,其為本發明之發光裝置的第六實施例示意 圖0 下列表（十一）為本例中發光二極體鏡片4的光出射 面41於式（7)中的各項係數： 表（十一）、本實施例光出射面之非球面係數__ 曲率(c) K A2 Aa A6 As Aj〇 ~~ ~4.55Ε-02 6.29Ε+00 ^1.68Ε-02 -1.36Ε-03 2.06Ε-05 -4.81Ε-07 8.82Ε-09-9.54Ε-11 下列表（十二）列有本例中發光二極體鏡片4的各 項數值、其折射率（Nd)，與發光二極體鏡片與發光二 極體3的發光面的距離d: 表（十二）、本實施例發光裝置的各項數值 25 201235707 (mm) (mm) Rer(mm) tan〇er (mm) (mm) (mm) θτ (°) sni7 issno 3.140 217.854 3.860 0.650 3.8〇〇 _：----- —~~t___ ―。i (=) ώ tan0ir d(mm) Nd M。) 0.083 0.347 ^ 3·916 °·102 3·174 °·200 -·49___158^ 本實施例中’光入射面40的第一光學作用區係形 成以旋轉對稱軸Ζ為頂點且開口朝光出射面41的一拋 物面凹穴。另外’發光二極體鏡片4的光入射面4〇邀 光出射面41之其他的技術特徵已載於先前的描述中7 故於此便不再贅述。 於本實施例中’式（1 )至（5 )的計算結果如下.
Lt/Re = 0.324 Rir/Ri = 0.168 OIo xtan^0 sir " 0.913 0P〇_ 〇il~ 1.031 K K 0.203 因此，本實施例的發光二極體鏡片4係符合式（1)至 (5)之要求’使卷束分配的廣而均勻，以構成馬均光、g 散光性及低色差的發光裝置2。 綜上所述’藉由本發明的發光二極體鏡片及其發光裝 置，可產生光發散角度大於120。的均勻光型。藉此，當本 發明的發光二極體鏡片及其發光裝置應用於LED背光模組 26 201235707 中時，可有效提升顯示品質、降低色差及滿足高均光與高 散光性的需求，並有效減少LED組件的配置數目進而i咸$ LED背光模組的體積、減少背光模組中熱能的累積與降低 成本。再者，更可藉由式（4)至式（6)的其中一式或其 組合來製作出均光性更佳的發光裝置，尤其，用以修正^ 光裝置中央區域的亮度，並提高光分配的廣度及均勻度， 以進一步提升其發散角度、均光性、修正色差並且使^易 於使用在薄型的顯示器中。 八 a以上所示僅為本發明之優選實施例，對本發明而言僅 是說，性的，而非限制性的。在本專業技術領域具通常知 識人員理解，在本發明權利要求所限定的精神和範圍内可 對其進行許多改變、修改，甚至等效的變更，但都將落入 本發明的保護範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1係習知技藝之發光裝置之示意圖； 圖2係習知技藝之發光裝置之光型示意圖； ，3係本發明之發光二極體鏡片及其 之結 意 圖； 明之發光褒置之另-結構示意圖； ΰ λαΙ本發明之發光二極體鏡片之夾角0與光束入射至鏡 圖的任一點之光程長的關係圖； i角度产it)月之發光裝置的極座標光強度分佈圖（單位為cd 之發光裝置照射於薄板上的照度曲線圖； 係本發明之發光裝置之第—至第六實施例的示意圖 圖14係本發明之發光裝置之實施例的爆炸透視圖。 【主要元件符號說明】 27 201235707 I :發光裝置 10 :凹槽 II :發光元件 12 :基板 13 :鏡片 130 :光出射面 130a :第一出光區域 130b :第二出光區域 2:發光裝置 3:發光二極體 30 :基板 31 :發光二極體晶片 32 :螢光黏膠層 4:發光二極體鏡片 40 :光入射面 41 :光出射面 42 :鏡片底表面 43 :光源固定部 400 :第一光學作用區 400a :入射凹陷部 401 :第二光學作用區 410 :凹陷部 411 :凸出部 412 :垂直部 L :光束 Z :旋轉對稱軸(rotating symmetric axis) P〇 :光程變化點（optical path change point) E〇:光軸與光出射面的凹陷部之交點 Et :光出射面的至高點 28 201235707 〇:入射原點 _2’ ：發光二極體之發光面中心 σ/。：發光二極體的發光面中心至光入射面與光轴的交 點的連線長度 d:發光二極體鏡片之鏡片底表面所處的平面與發光二 極體的發光面所處的平面間的間距 θ〇:光程變化點至發光二極體的發光面中心之連線與 光轴間的夾角 29

Claims (1)

  1. 201235707 七 申睛專利範圍： .一種發光二極體鏡片，其具有一旋轉對稱軸，包含一光 、一光出射面及一鏡片底表面，該鏡片底表面係 目該光入射面延伸出並與該光出射面相接； 該光出射面為非球面，且包含一出射凹陷部及一凸 ，吾I5，該出射凹陷部係位於該光出射面的中央，該凸出 部係連接於該出射凹陷部之外圍；該光出射面係^足下 列條件： WRe$ 0.4 ^中，Lt為該光出射面任一點沿該旋轉對稱軸方向至該 射該鏡片底表面之距離的最大值;心為該光出 該光入射面係構成具有一開口的一凹穴，其包含一 ^了光學作用區及-第二光學作用區；該第學作用 面的中央並具有一入射凹陷部；該 該第一光學作用區，其光學面為 稱軸間具;夾= ; = = =二該旋轉對 RW 0.3 < 為該光面^直予呈變化點的直徑；Ri ，轉對稱軸的-交點的連;3原 旋轉對稱轴之交點沿著其光r學面至W 201235707 其中該入射原點至該光入射面上任一點的連線與該 旋轉對稱軸的夾角Θ，當θ<θ〇時，隨著Θ漸大，自該入 射原點至該光入射面的距離將漸增；當θ()^θ$45。時， 隨著Θ漸大，自該入射原點至該光入射面的距離將漸減。 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體鏡片，其中該 發光二極體鏡片更滿足以下條件： '、^ 1.01<^<1.1 ; —〇h 其中’ op。為該入射原點至該光程變化點的距離；瓦為該 入射原點至該光入射面與該旋轉對稱轴的一交點的連線 長度。 、 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體鏡片，其中該 發光二極體鏡片更滿足以下條件： 其中’ Rer為該光出射面的該出射凹陷部之直徑；Re 為該發光二極體鏡片之該光出射面的直徑。 4·^申請專利範圍第1項所述的發光二極體鏡片，其中該 ，入射面的該第一光學作用區之該入射凹陷部的光學面 係為球面、非球面、拋物面或平面之一或其組合。 5·=申請專利範圍第1項所述的發光二極體鏡片’其中該 光入射面之該第一光學作用區為自該光程變化點朝該光 士射面的方向延伸至一入射面至高點，且自該入射面至 高點逐漸朝該鏡片底表面所處的平面下凹並與該旋轉對 稱軸形成一頂點之凹面。 6·如申凊專利範圍第1項所述的發光二極體鏡片，其中該 光入射面之該第一光學作用區的光學面為自該光程變化 點朝該鏡片底表面所處的平面下凹並與該旋轉對稱軸形 成一頂點之凹面。 31 201235707 7_如申請專利範圍第1項所述的發光二極體鏡片，其中該 光入射面之該第一光學作用區的光學面為自該光^變化 點朝該鏡片底表面所處的平面下凹之凸面。 8. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體鏡片，其中該 ，入射面的該第一光學作用區係形成與該旋轉對稱軸斜 =的一圓錐狀凹穴或以該旋轉對稱軸為頂點且開口朝該 光出射面的一拋物面凹穴的其中之一或其組合。 9. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體鏡片，其中該 光出射面之該出射凹陷部的光學面為自該凸出部的内緣 朝該光入射面的方向下凹並於該旋轉對稱軸上形成一頂 點的凹面。 io·如申請專利範圍第丨項所述的發光二極體鏡片，其中該 光出射面之該出射凹陷部的光學面為自該凸出部的内緣 朝該光入射面的方向下凹之凸面。 11.如申請專利範圍第1項所述的發光二極體鏡片，更具有 光源固定部，該光源固定部係自該鏡片底表面向下延 伸出’其用以固定一光源。 12·—種發光装置，包含： 一發光二極體，其具有一發光面，用以發出光束； 及 一發光二極體鏡片’其係如申請專利範圍第！項 至第Π項之任一項所述之發光二極體鏡片，發自該發 光二極體的該光束係先通過該發光二極體鏡片的該光 入射面’而後出射於該發光二極體鏡片的該光出射 面’以形成角度大於120。的均勻光型。 13.如申請專利範圍第12項所述的發光裝置，其中該發光 二極體的該發光面係設置於該發光二極體鏡片的該^入 射面之該開口所處的平面或其下方，且更滿足以下條件： 〇^d^2Lt ’、 32 201235707 其中，d為該發光二極體鏡片之該光入射面的該開口所 處的平面與該發光二極體的該發光面間的一間距；1^為 該發光二極體鏡片之該光出射面任一點沿該旋轉對稱軸 方向至該光入射面或該鏡片底表面之距離的最大值。 14. 如申請專利範圍第12項所述的發光裝置，其中該發光 二極體的該發光面係設置於該發光二極體鏡片之該光 入射面所構成的該凹穴中。 15. 如申請專利範圍第12項所述的發光裝置，其中該發光 二極體發出的該光束係先經過低折射率的一介質，再入 射至該發光二極體鏡片，其中該介質係為折射率較該發 光二極體鏡片的折射率低的介質。 33 S
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