光學棱鏡組的制作方法

專利名稱：光學棱鏡組的制作方法
技術領域：
本發明屬于發光裝置部件，特別是一種光學棱鏡組。
背景技術：
發光二極管(LED)是一種直接把電能轉化為光能的發光元件，并具有工作電壓低，耗電量少；性能穩定，壽命長(一般為10萬到1000萬小時)；抗沖擊，耐振動性強；重量輕，體積小，成本低等優點。
發光二極管主要用作顯示元件和短距離、低速率的光纖通信用光源，如各種儀器儀表指示器的文字、數位及其他符號的顯示等。
近年來，液晶顯示器的背光模組亦采用了發光二極管作為其內部的發光元件。因此，分散發光二極管光線的技術亦成為研究重點之一。
發光二極管包括發光小片(Die)及兩條導線，其可視為符合朗伯余弦定律(Lambert′s cosine law)的光源，稱為朗伯光源(Lambertian source)，發光二極管的特性為發光強度與發光視角的余弦約成正比，且亮度和視角方向無關。為了控制不同方向上的亮度，發光二極管的封裝結構中通常包括罩住發光小片的鏡片，借以引導發光小片所發射的光線。
如圖1所示，傳統的封裝于發光二極管外部的鏡片(Lens)10形如圓頂燈罩，視角依圖示箭頭方向由0°增加至90°。
如圖2、圖3所示，為光線射出傳統鏡片10后的亮度與角度關系圖(CandelaDistribution)。圖中顯示視角0°時亮度最大為90×103nits，亮度隨視角增加而遞減。當視角增加至90°時，亮度已趨近于0nits。
由此可知，光線穿透傳統鏡片10后朝向視角0°的方向集中。以傳統鏡片10封裝的發光二極管經由背光光學模擬的結果如圖3所示。圖示的縱軸為亮度，單位為nits；橫軸由左而右代表背光橫軸的距離。由亮度曲線變化狀況，可知光線射出傳統鏡片10后，不同區域的亮度相當不均勻。
為了增加背光光亮度的均勻性，目前以發光二極管為光源的直下式背光模組(Direct-type LED backlight)大多是使用Lumileds公司的背光架構。
如圖4所示，已有的以發光二極管為光源的直下式背光模組20具有容置槽21、數個發光二極管22及擴散板23。
容置槽21通常為金屬外框。
發光二極管22設置于容置槽21內部底板上，數個發光二極管22排列成直線形(Lighting Bar)。
擴散板23覆蓋于容置槽21上方，借由擴散板23擴散直線形排列的數個發光二極管22所發射的光線。
如圖5所示，為Lumileds公司的發光二極管封裝結構。在背光模組20的容置槽21內部，發光二極管22固定于底板211上。如圖所示，發光二極管22的封裝結構包括殼體221及鏡片222。
殼體221外部具有數個固定件2211。殼體221內部設有發光二極管22的發光小片(圖中未示)。
鏡片222設置于殼體221上方，借以引導發光小片發射的光線至正負90°出光。
如圖6所示，Lumileds公司設計的發光二極管22的鏡片222頂部向下凹陷呈倒立圓錐狀，鏡片222頂部內壁具有反射光線的作用。當光線由固定件2211內部往上射出至鏡片222的頂部內壁時，被頂部內壁的倒立圓錐面反射而朝正負90°方向分散。
如圖7所示，為Lumileds公司的發光二極管22的亮度與角度關系圖。由圖可知亮度集中于80±20°之間，換言之，幾乎沒有光線由鏡片222正上方射出。如圖8所示，為圖6的發光二極管鏡片222的背光光學模擬。圖示的縱軸為亮度，單位為nits；橫軸由左而右代表背光橫軸的距離。由其亮度曲線變化狀況，可知光線穿過Lumileds公司的發光二極管22的鏡片222后，不同區域的亮度可達到相當不錯的均勻度。
由以上說明可知，光線穿過傳統鏡片10后，不同色光或不同視角方向的亮度皆不均勻。若使用Lumileds鏡片222，雖然有不錯的均勻度，但其頂部向下凹陷為倒立圓錐狀的構造使得鏡片設計、制造及封裝成本過高，不易形成量產。

發明內容
本發明的目的是提供一種提高光線亮度在不同視角方向均勻性、使不同色光亮度均勻的光學棱鏡組。
本發明適用于背光模組內；光學棱鏡組包括第一棱鏡、第二棱鏡及夾置于第一、二棱鏡之間的介質層；第一棱鏡具有第一光折射面及鄰接于第一光折射面的第一光入射面；第一光折射面及第一光入射面具有50°至70°的夾角；第二棱鏡具有相向且略平行于第一光折射面的第二光入射面；介質層具有小于第一棱鏡及第二棱鏡的折射率。
其中介質層為空氣層。
介質層的厚度為0.1mm至0.3mm。
第一棱鏡與第二棱鏡的折射率可為相等。
第一光折射面與第一光入射面的夾角為55°至65°。
第一棱鏡更具有鄰接第一光入射面的第三光折射面，且第三光折射面與第一光入射面形成80°至85°的夾角。
第二棱鏡具有鄰接第二光入射面的第二光折射面，且第二光折射面與第二光入射面之間形成35°至45°的夾角。
應用本發明光學棱鏡組的光源模組包括配置于光學棱鏡組下方的光源，并投射光線經第一光入射面至光學棱鏡組中。
應用本發明光學棱鏡組的光源模組更包括容置槽及覆蓋于光學棱鏡組之上的擴散板；容置槽包括供至少一光源設置的底板。
由于本發明適用于背光模組內；光學棱鏡組包括第一棱鏡、第二棱鏡及夾置于第一、二棱鏡之間的介質層；第一棱鏡具有第一光折射面及鄰接于第一光折射面的第一光入射面；第一光折射面及第一光入射面具有50°至70°的夾角；第二棱鏡具有相向且略平行于第一光折射面的第二光入射面；介質層具有小于第一棱鏡及第二棱鏡的折射率。使用時，將本發明組裝于光源模組的光源上方，使光源投射出的光線由第一光入射面垂直入射第一棱鏡后，首先到達第一光折射面。此時，若光線行進方向與第一光折射面法線方向的夾角大于臨界角時，則在第一光折射面造成全反射，并折射后穿出。若光線行進方向與第一光折射面法線方向的夾角小于臨界角時，則在第一光折射面折射進入介質層，再由介質層通過第二光入射面再次折射進入第二棱鏡。并借由第一、二棱鏡的折射率大于介質層的折射率，使一部分入射光線導至集中于光學棱鏡組左側出射，另一部分入射光線導至集中于光學棱鏡組右側出射的目的，使光學棱鏡組兩側亮度高而中央部分亮度低。即設置本發明后不需改變傳統發光二極管低單價封裝方式，即可取代目前市場上慣用的側面出光發光二極管；光學棱鏡組以一般高折射率玻璃或塑膠材料均可達成，如硼矽酸鹽冕玻璃(BK7)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等，價格便宜；使用時，可依背光模組的尺寸及發光二極管排列進行微調，設計變動彈性大。不僅提高光線亮度在不同視角方向均勻性，而且使不同色光亮度均勻，從而達到本發明的目的。


圖1、為傳統發光二極管鏡片結構示意側視圖。
圖2、為光線射出傳統鏡片后的亮度與角度關系示意圖。
圖3、為以傳統鏡片封裝的發光二極管以背光光學模擬結果示意圖。
圖4、為習知以發光二極管為光源的直下式背光模組分解結構示意立體圖。
圖5、為Lumileds公司的發光二極管結構示意立體圖。
圖6、為Lumileds公司的發光二極管鏡片結構示意側視圖。
圖7、為光線射出Lumileds公司的發光二極管后的亮度與角度關系示意圖。
圖8、為以Lumileds公司鏡片封裝的發光二極管以背光光學模擬結果示意圖。
圖9、為本發明側視結構示意剖面圖。
圖10、為應用本發明的光源模組結構示意側視圖。
圖11、為本發明導光路徑示意圖。
圖12、為本發明于視角正負80°內的光通量變化圖。
圖13、為本發明以以背光光學模擬結果示意圖。
圖14、為應用本發明的背光模組結構示意立體圖。
圖15、為應用本發明的背光模組結構示意側視圖。
圖16、為應用本發明的背光模組結構示意立體圖(數個點光源排列成陣列型式)。
圖17、為圖16中A部局部放大圖。
具體實施例方式
如圖9所示，本發明光學棱鏡組30是由第一棱鏡31、第二棱鏡32及夾置于第一、二棱鏡31、32之間的介質層33組成。
第一、二棱鏡31、32皆具有兩個端面及至少三個斜面。
第一棱鏡31具有第一光折射面311及鄰接于第一光折射面311的第一光入射面312。第一光折射面311及第一光入射面312具有約為50°至70°的夾角。
第二棱鏡32具有相向且約略平行于第一光折射面311的第二光入射面321。
位于第一光折射面311與第二光入射面321之間的介質層33材料具有小于第一棱鏡31及第二棱鏡32的折射率。
本發明實施例中，第一棱鏡31與第二棱鏡32的折射率可為相等或不相等，其種類亦不限，例如直角棱鏡、屋脊棱鏡等皆可適用。此外第一、二棱鏡31、32的端面形狀亦不限于三角形、四邊形或四個邊以上的多邊形，意即不限于三棱鏡、四棱鏡或多棱鏡。
介質層33較佳為空氣層，其厚度為0.1mm至0.3mm。
第一光折射面311與第一光入射面312的夾角A為55°至65°。此外，第一棱鏡31更具有鄰接第一光入射面312的第三光折射面313，且第三光折射面313與第一光入射面312形成80°至85°的夾角B。
第二棱鏡32具有鄰接第二光入射面321的第二光折射面322，且第二光折射面322與第二光入射面321之間形成35°至45°的夾角C。值得一提的是，第二光折射面322與第二光入射面321的夾角C是與第一光折射面311與第一光入射面312的夾角A位于為空氣層的介質層33兩側的相對應的位置。第一、二棱鏡31、32可以高折射率的玻璃或塑膠材料制造，如硼矽酸鹽冕玻璃(BK7)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等，且可依背光尺寸及發光二極管排列微調。
如圖10所示，應用本發明光學棱鏡組的光源模組40包括本發明光學棱鏡組30及與光學棱鏡組30保持間距t的光源42。
光源42設于底板41上以將光線投射至本發明光學棱鏡組30中，并借由空氣層33a、第一、二棱鏡31、32的折射率差異、夾角A、夾角B或夾角C的大小及第一光折射面311或第二光入射面321的斜率以決定光線的導向。
封裝于光源42外部的鏡片10采用如圖1所示的傳統鏡片即可。光線穿過鏡片10后，經由第一光入射面312入射至光學棱鏡組30。光源42除了采用發光二極管等點光源之外，亦可使用線光源，例如冷陰極射線管。
在較佳實施方式中，光源42與光學棱鏡組30的較佳間距t為0mm至3mm。更具體的來說，間距t為光源42與第一光入射面312的距離。此外，第一、二棱鏡31、32所夾置的空氣層33a厚度較佳為0.1mm至0.3mm。如前所述，較佳的光學棱鏡組30具有夾角A為55°至65°、夾角B為80°至85°、夾角C為35°至45°。第一、二棱鏡31、32可以高折射率的玻璃或塑膠材料制造，如硼矽酸鹽冕玻璃(BK7)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等。值得一提的是，夾角A、夾角B、夾角C皆位于本發明光學棱鏡組30靠近光源42的一側。
如圖11所示，為本發明光學棱鏡組30的導光路徑示意圖。光線由第一光入射面312垂直入射第一棱鏡31后，首先到達第一光折射面311。此時，若光線行進方向與第一光折射面311法線方向的夾角大于臨界角時，則在第一光折射面311的a點造成全反射，再經第三光折射面313的折射后穿出，其行進路線如光徑34。若光線行進方向與第一光折射面311法線方向的夾角小于臨界角時，則在第一光折射面311折射進入介質層33，再由介質層33通過第二光入射面321再次折射進入第二棱鏡32。此時，若第二棱鏡32與第一棱鏡31的折射率大小相等，則光線于第二棱鏡32中的行進方向平行于第一棱鏡31中的行進方向，如光徑35。若第二棱鏡32的折射率大于第一棱鏡31的折射率，則光線于第二棱鏡32中的行進方向偏向光徑35的左側如光徑36。
值得一提的是，無論第一棱鏡31與第二棱鏡32的折射率大小關系如何，兩者皆必須大于介質層33的折射率方能達到將一部分入射光線導至集中于光學棱鏡組30左側出射，另一部分入射光線導至集中于光學棱鏡組30右側出射的目的，使光學棱鏡組30兩側亮度高而中央部分亮度低。
如圖12所示，為本發明光學棱鏡組30于視角正負80°內的光通量變化圖。如曲線37所示，光線行經光學棱鏡組30后，明顯地集中于視角正負30-50°兩個區域中。
如圖13所示，為本發明的光學棱鏡組30經由背光光學模擬的結果。圖示的縱軸為亮度，單位為nits；橫軸由左而右代表背光橫軸的距離。比較圖13與圖8的亮度曲線變化狀況，可知本發明的光學棱鏡組30除了使不同區域的亮度達到相當不錯的均勻度以外，其光強度亦高于目前市場上慣用的背光架構。利用光學棱鏡組30具有將一部分入射光線導至集中于左側出射，另一部分入射光線導至集中于右側出射的特性，可適當排列于背光模組中以增加光線的分散情況。
如圖14、圖15所示，應用本光學棱鏡組30的背光模組50包括容置槽21、至少一光源42、設于每個光源42之上的光學棱鏡組30及覆蓋于光學棱鏡組30之上的擴散板23。
容置槽21包括供至少一光源42設置的底板211。本實施例中至少一光源42為排列成直線形的數個點光源。
如圖9、圖15所示，光學棱鏡組30的第一、二棱鏡31、32可黏合后以外加固定件(圖中未示)固定于背光模組50的容置槽21上，或是不經黏合而分別以固定件固定于背光模組50的容置槽21上。因此，第一、二棱鏡31、32可依背光模組50的尺寸及點光源42排列進行微調。在較佳實施方式中，數個點光源42是排列成數條直線，且相鄰兩直線排列的點光源42上方的光學棱鏡組30具有斜率相反的第一光折射面311。
如圖16、17所示，數個點光源42亦可排列成陣列型式。排列成陣列的每個點光源42上方皆設有光學棱鏡組30，相鄰的光學棱鏡組30的第一光折射面311方向不同。光學棱鏡組30經由適當的排列使其第一光折射面311朝背光模組60的前、后、左、右傾斜以充分利用光學棱鏡組30的特性，使光線分散更為均勻。除了上述構造之外，直下式背光模組尚可視需要增設其他元件，例如增加均勻度的散射片及增加亮度的光增強膜。
本發明所提供的方法及裝置，與習知技術相互比較時，更具備下列特性及優點1、不需改變傳統發光二極管低單價封裝方式，僅增加本發明的光學棱鏡組即可取代目前市場上慣用的側面出光發光二極管。
2、本發明的光學棱鏡組以一般高折射率玻璃或塑膠材料均可達成，如硼矽酸鹽冕玻璃(BK7)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等，價格便宜。
3、可依背光模組的尺寸及發光二極管排列進行微調，設計變動彈性大。綜上所述，本發明不但在技術思想上確屬創新，并能較習用方法增進上述功效，應已充分符合新穎性及進步性的法定發明專利要件。
權利要求
1.一種光學棱鏡組，它適用于光源模組內，其特征在于光學棱鏡組包括第一棱鏡、第二棱鏡及夾置于第一、二棱鏡之間的介質層；第一棱鏡具有第一光折射面及鄰接于第一光折射面的第一光入射面；第一光折射面及第一光入射面具有50°至70°的夾角；第二棱鏡具有相向且略平行于第一光折射面的第二光入射面；介質層具有小于第一棱鏡及第二棱鏡的折射率。
2.根據權利要求1所述的光學棱鏡組，其特征在于所述的介質層為空氣層。
3.根據權利要求1所述的光學棱鏡組，其特征在于所述的介質層的厚度為0.1mm至0.3mm。
4.根據權利要求1所述的光學棱鏡組，其特征在于所述的第一棱鏡與第二棱鏡的折射率可為相等。
5.根據權利要求1所述的光學棱鏡組，其特征在于所述的第一光折射面與第一光入射面的夾角為55°至65°。
6.根據權利要求1所述的光學棱鏡組，其特征在于所述的第一棱鏡更具有鄰接第一光入射面的第三光折射面，且第三光折射面與第一光入射面形成80°至85°的夾角。
7.根據權利要求1所述的光學棱鏡組，其特征在于所述的第二棱鏡具有鄰接第二光入射面的第二光折射面，且第二光折射面與第二光入射面之間形成35°至45°的夾角。
8.根據權利要求1所述的光學棱鏡組，其特征在于所述的應用本發明光學棱鏡組的光源模組包括配置于光學棱鏡組下方的光源，并投射光線經第一光入射面至光學棱鏡組中。
9.根據權利要求8所述的光學棱鏡組，其特征在于所述的應用本發明光學棱鏡組的光源模組更包括容置槽及覆蓋于光學棱鏡組之上的擴散板；容置槽包括供至少一光源設置的底板。
全文摘要
一種光學棱鏡組。為提供一種提高光線亮度在不同視角方向均勻性、使不同色光亮度均勻的發光裝置部件，提出本發明，它適用于背光模組內；光學棱鏡組包括第一棱鏡、第二棱鏡及夾置于第一、二棱鏡之間的介質層；第一棱鏡具有第一光折射面及鄰接于第一光折射面的第一光入射面；第一光折射面及第一光入射面具有50°至70°的夾角；第二棱鏡具有相向且略平行于第一光折射面的第二光入射面；介質層具有小于第一棱鏡及第二棱鏡的折射率。
文檔編號H01L33/00GK1866058SQ20051006809
公開日2006年11月22日 申請日期2005年5月16日 優先權日2005年5月16日
發明者黃志濠, 廖經桓, 王明發, 陳志光 申請人:友達光電股份有限公司