侧出射型led透镜、具有该透镜的背光单元及显示装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了侧出射型LED透镜、具有该透镜的背光单元及显示装置。所述侧出射型LED透镜包括：下表面，其具有入射表面，来自所述LED的光经过所述入射表面进入所述透镜；上表面，其反射光；以及侧表面，其将所述下表面连接至所述上表面，并且光经过所述侧表面从所述透镜出射。在所述入射表面内，中心区域通过将从所述LED发出的光沿远离光轴的方向折射来将该光引导至所述上表面，由此能够减小所述透镜的高度。与所述中心区域连接的周边区域通过将从所述LED发出的光沿趋近所述光轴的方向折射光来将该光引导至所述上表面，由此能够减小所述透镜的宽度或半径。本发明能减小透镜的整体体积以降低整体制造成本。当LED光源是平面光源时，还能够提高整体光效率。
【专利说明】侧出射型LED透镜、具有该透镜的背光单元及显示装置
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求2012年12月18日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请N0.10-2012-0147982的优先权，因此将该韩国专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明总体上涉及侧出射型发光二极管(light-emitting diode ；LED)透镜以及具有这种透镜的背光单元(backlight unit ；BLU)和显示装置，所述侧出射型LED透镜被构造成使得能够降低其整体体积。
【背景技术】
[0004]通常,液晶显示器(liquid crystal display ;LCD)被设置在用于计算机显示器、TV等的显示装置中。这样的IXD需要独立的光源，因为它们自身不能产生光。
[0005]作为LCD的光源，使用诸如冷阴极突光灯(cold cathode fluorescent lamp ；CCFL)、外部电极突光灯(external electrode fluorescent lamp ;EEFL)、或多个发光二极管(LED)等几种荧光灯。光源与导光板(light guide plate ;LGP)、多个光学片、反射镜板等一起设置于背光单元(BLU)上。
[0006]近来，在这些光源之中，LED作为下一代光源而引起了人们的兴趣，这是由于它们耗电更少，具有良好的耐久性，且能降低制造成本。然而，当将LED用作光源时，光往往是在被局限于有限区域的同时被出射。因此，为了将LED应用于诸如显示装置等的平面光源，需要使光均匀地分布在更宽的区域上。
[0007]于是，近来，人们正在积极研究能够执行这种功能的LED透镜。美国专利N0.6，679，621中批露了 “SIDE-EMITTING LED LENS (侧出射型LED透镜)”。然而，该发明具有与制造方面的困难相关的问题。
[0008]韩国专利N0.10-0639873 批露 了 “SIDE-EMITTING LED AND LENS ADAPTEDTHERETO (侧出射型LED和与其适应的透镜)”。图1是示出了相关技术的透镜的图。
[0009]如图1所示，透镜I具有入射面、上表面2和侧表面3。该入射面包括凸表面4、入射表面5和较低的全反射表面6。入射表面5和较低的全反射表面6彼此连接且彼此交替。
[0010]利用该构造，由LED7产生的一束光线进入入射面的凸表面4，然后穿过凸表面4沿大体上垂直的方向入射到上表面2。与此不同的是，由LED7产生的另一束光线进入一个入射表面5，然后在沿大体上垂直的方向入射到上表面2之前，从较低的全反射表面6被反射。此外，沿大体上垂直的方向已经照射到上表面2的光从该上表面2被全部反射，从而穿过侧表面3出射到外面。
[0011]然而，如在透镜I中那样，为了将沿大体上垂直的方向入射到上表面2的光全部反射，上表面2必须向上陡峭地倾斜。这显著地增加了透镜I的整体高度和透镜I的整体体积，这些都可能成为问题。此外，当如此增加了透镜I的整体体积时，用于制造透镜I的材料成本也会增加，从而增加了透镜的整体制造成本。
[0012]前述内容仅仅旨在帮助理解本发明的背景，而不旨在表明本发明落入到已经知晓的相关技术的范围内。
【发明内容】
[0013]于是，本发明是因为认识到在相关技术中出现的上述问题而做出的，并且本发明旨在提供一种侧出射型发光二极管(LED)透镜，其能减小所述透镜的整体体积。
[0014]本发明还提供了一种侧出射型LED透镜，其中当LED光源是平面光源而不是点光源时，能提高整体光效率。
[0015]为了实现至少一个上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种侧出射型LED透镜，其致使从LED发出的光穿过该透镜的侧表面从该透镜出射。所述侧出射型LED透镜包括:下表面，其具有入射表面，从LED发出的光经过所述入射表面进入所述透镜中；上表面，其反射已经经过所述入射表面进入所述透镜中然后直接入射到所述上表面的光；以及侧表面，其将所述下表面连接至所述上表面，直接入射到所述侧表面的光和从所述上表面被反射的光一它们均来源于已经经过所述入射表面进入所述透镜中的光一经过所述侧表面从所述透镜出射。所述入射表面包括:中心区域，其还包括所述LED的光轴，这里所述中心区域通过将从所述LED发出的光沿远离所述光轴的方向折射来将该光引导至所述上表面，由此能够减小所述透镜的高度；以及周边区域，其与所述中心区域连接，这里所述周边区域通过将从所述LED发出的光沿趋近所述光轴的方向折射来将该光引导至所述上表面，由此能够减小所述透镜的宽度或半径。
[0016]根据本发明的另一方面，提供了一种背光单元，其包括:LED光源；以及放置于所述LED光源上方的上述LED透镜。
[0017]根据本发明的又一方面，提供了一种显示装置，其包括:LED光源；以及放置于所述LED光源上方的上述LED透镜。
[0018]根据具有上述构造的本发明的一个方面，由于所述入射表面的所包含的所述中心区域，所以能够减小所述侧出射型LED透镜的高度，且由于所述入射表面的所包含的所述周边区域，所以能够减小所述侧出射型LED透镜的宽度，由此减小了所述透镜的整体体积。所以，这能够降低材料成本，且因而降低所述侧出射型LED透镜的整体制造成本。
[0019]此外，由于LED光源是平面光源而不是点光源，所以本发明的侧出射型LED透镜解决了 LED的整体光效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]根据下面的结合附图所做出的详细说明，将会更清楚地理解本发明的上述和别的目的、特征和其他优势。在附图中:
[0021]图1是示出了相关技术的透镜的垂直截面图；
[0022]图2是示出了本发明的一个实施例的侧出射型LED透镜的垂直截面图；
[0023]图3至图5是图示了上表面的一些实施例的图；
[0024]图6至图8是图示了侧表面的一些实施例的图；
[0025]图9是图示了中心区域的构造和作用的图；[0026]图10是图示了周边区域的构造和作用的图；
[0027]图11是示出了本发明的另一实施例的透镜的垂直截面图；
[0028]图12是图示了周边区域的理想条件的图；
[0029]图13是图示了本发明的透镜的体积确定的示例的图；以及
[0030]图14和图15是示出了本发明的实施例的透镜的示意平面图。
【具体实施方式】
[0031]现在，参照附图，将详细地叙述本发明的各实施例，以便本发明所属领域的普通技术人员能容易地实施本发明。
[0032]本发明旨在不仅覆盖各示例性实施例，而且还覆盖各种替代、修改、等同物和其他实施例(在附图中图示了和在下面说明了它们的示例)。然而，应当理解的是，本说明书并不旨在将本发明限制于这些示例性实施例，而是应当包括不背离权利要求书所界定的本发明要旨的所有更改、等同物和替换。
[0033]在附图中，为了对说明书的清楚理解，可能夸大了相对厚度和尺寸，且因此，本发明并不局限于附图中所图示的相对尺寸或厚度。
[0034]本发明涉及一种侧出射型LED透镜，其能够减小整体体积从而降低材料成本，且其通过将LED光源考虑为平面光源来提高光效率。此外，本发明涉及一种包括上述LED透镜的背光单元(BLU)和一种包括上述LED透镜的显示装置。然而，这里除了详细说明本发明的LED透镜的构造以外，将会省略对背光单元和显示装置的构造的详细说明，这是因为本发明所属领域的普通技术人员能够容易地实施它们。
[0035]图2是示出了本发明的一个实施例的侧出射型LED透镜的垂直截面图。
[0036]参照图2，本发明的侧出射型LED透镜10包括下表面20、上表面30以及将下表面20连接至上表面30的侧表面40。
[0037]下表面20具有入射表面100，从发光二极管(LED，下面均称为“LED”)发出的光入射到入射表面100上。入射表面100能够被形成为位于下表面20的中心部分中的凹部21的内表面。
[0038]此外，入射表面100包括上入射表面110和侧入射表面120。上入射表面110将光线LI和L2引导至上表面30。来自于从LEDll发出的光线之中的光线LI和L2处在相对于光轴12的预设角度范围内。侧入射表面120将来自于从LEDll发出的光线之中的不入射到上入射表面110的光线L3引导至侧表面40。
[0039]上入射表面110包括中心区域112和周边区域114。中心区域112通过将从LEDll发出的光沿远离光轴12的方向折射从而将该光以及沿LEDll的光轴12传播的光引导至上表面30。周边区域114被连接至中心区域112，并且通过将从LEDll发出的光沿趋近光轴12的方向折射从而将该光引导至上表面30。
[0040]中心区域112将从LEDll发出的且在光轴12附近传播的光LI (即，朝着上入射表面110的中心部分发出的光LI)沿远离光轴12的方向折射，以使得该光LI入射到上表面30。周边区域114致使从LEDll发出的且是围绕上入射表面110的周边部分而发出的光L2沿趋近光轴12的方向发生折射，以使得该光L2入射到上表面30。侧入射表面120将周边区域114连接至下表面20，并且通过将不入射到上入射表面110的光L3折射从而将该光L3引导至侧表面40。
[0041]在透镜10中，根据具有上述构造的本发明，能够实现下述效果:因为有中心区域112所以减小了透镜10的高度(H)，且因为有周边区域114所以减小了透镜10的宽度(W)。下文中将更详细地说明这些。
[0042]虽然可以将上表面30设置成使其利用涂层或其他构件来将直接入射光反射，但优选地是，在光学上设计上表面30以使其能够将入射光全部反射。此外，优选地是，在光学上设计侧表面40以使其能够将直接入射光出射到外面。下文中将会详细地说明这些。
[0043]上表面30是一个关于LEDl I的光轴12对称的兀件,并且它将在穿过入射表面100的上入射表面110的同时被折射、然后直接入射到上表面30的光LI和L2反射。侧表面40是将下列光出射的元件:从上表面30反射过来的光LI和L2 ;以及在穿过侧入射表面120的同时被折射、然后直接入射到侧表面40的光L3。
[0044]侧表面40能够被构造成使其以预设角度Θ向内倾斜。例如，侧表面40能够被形成为以相对于LEDll的光轴12的预设方位且在向上方向上向外伸展的斜面，或者具有向下弯曲的构造。因此，当通过注射成型来制造透镜10时，能够容易地除掉下模具(lowermold),从而使制造工艺便利化。
[0045]典型地，LED透镜是通过注射成型从具有良好透光率的透明材料被制成为一体结构(one-body structure),所述具有良好透光率的透明材料例如是玻璃、甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。虽然通过注射成型来制造这样的LED透镜需要多个模具，但是仅使用两个模具(即，上模具和下模具)就能够通过注射成型制造出本发明的LED透镜10，并且由于侧表面40被构造成使其向内和沿向下方向倾斜，因此沿向下方向能够容易地移除下模具。
[0046]此外，本发明的透镜10还包括腿部50，腿部50从下表面20的预设位置向下延伸以用于支撑该透镜10。
[0047]此外，优选地是，在光学上设计上表面30以使其能够将入射光全部反射。参照一些附图，下面将给出上表面30的一些实施例的详细说明。
[0048]图3是图示了上表面30的一个实施例的图。
[0049]参照图3，当将LEDll与LEDll的光轴12之间的交叉点设定为第一参考点Pl时，上表面30被构造成满足如下关系:
[0050]
【权利要求】
1.一种侧出射型LED透镜，其使从LED发出的光经过所述透镜的侧表面从所述透镜出射，所述透镜包括上表面、下表面和侧表面， 所述上表面反射已经经过入射表面进入所述透镜然后直接入射到所述上表面的光， 所述下表面具有所述入射表面，从所述LED发出的光经过所述入射表面进入所述透镜，所述入射表面包括: 中心区域，它包括所述LED的光轴，其中所述中心区域通过将从所述LED发出的光沿远离所述光轴的方向折射来将该光引导至所述上表面，由此能减小所述透镜的高度；以及 周边区域，它与所述中心区域连接，其中所述周边区域通过将从所述LED发出的光沿趋近所述光轴的方向折射来将该光引导至所述上表面，由此能减小所述透镜的宽度或半径， 所述侧表面将所述下表面连接至所述上表面，并且已经经过所述入射表面进入所述透镜的光之中的直接入射到所述侧表面的光和从所述上表面反射的光均经过所述侧表面从所述透镜出射。
2.根据权利要求1所述的侧出射型LED透镜，其中，当将所述LED与所述LED的所述光轴之间的交叉点设定为第一参考点(PD时，所述上表面被构造成满足公式I的关系: AR1 HRiAai) > /^(rr-\) 公式 I 这里，α !是将所述上表面上的预定点连接至所述第一参考点(PD的线与所述光轴之间所界定的角度，R1是从所述上表面上的所述预定点至所述第一参考点(Pl)的距离，Aa1是α ,的增量，Λ R1是R1的与Λ a i对应的增量，并且η是所述透镜的材料的折射率。
3.根据权利要求1所`述的侧出射型LED透镜，其中，当所述LED的与所述上表面上的预定点相对于所述光轴处于同一侧的端点被设定为第二参考点(Ρ2)时，所述上表面被构造成满足公式2的关系:
AR2 /(R2Aa2) > I々("2 — I) 公式 2 这里，α2是将所述上表面上的所述预定点连接至所述第二参考点(Ρ2)的线与平行于所述光轴的参考轴之间所界定的角度，R2是从所述上表面上的所述预定点至所述第二参考点(Ρ2)的距离，Λ α 2是α 2的增量，Λ R2是R2的与Λ α 2对应的增量，并且η是所述透镜的材料的折射率。
4.根据权利要求1所述的侧出射型LED透镜，其中，当将所述光轴和所述LED之间的交叉点设定为第一参考点(PD时，所述侧表面被构造成满足公式3的关系: AR, /(R,Aa,)< I/公式 3 这里，03是将所述侧表面上的预定点连接至所述第一参考点(pi)的线与垂直于所述光轴的水平轴之间所界定的角度，R3是从所述侧表面上的所述预定点至所述第一参考点(PD的距离，Λ α 3是α 3的增量，Λ R3是R3的与Λ α 3对应的增量，并且η是所述透镜的材料的折射率。
5.根据权利要求1所述的侧出射型LED透镜，其中，当所述LED的与所述侧表面上的预定点相对于所述光轴处于同一侧的端点被设定为第二参考点(Ρ2)时，所述侧表面被构造成满足公式4的关系:AR4 /(R4Aa4) < I /^(/?: -1) 公式 4 这里，α4是将所述侧表面上的所述预定点连接至所述第二参考点(Ρ2)的线与垂直于所述光轴的水平轴之间所界定的角度，R4是从所述侧表面上的所述预定点至所述第二参考点(Ρ2)的距离，Aaja4的增量，Λ R4是R4的与Λ α 4对应的增量，并且η是所述透镜的材料的折射率。
6.根据权利要求1所述的侧出射型LED透镜，其中，所述侧表面的形状平行于所述LED的所述光轴或者是向内倾斜的。
7.根据权利要求1所述的侧出射型LED透镜，其还包括腿部，所述腿部从所述下表面的预定位置向下延伸以支撑所述透镜。
8.根据权利要求1所述的侧出射型LED透镜，其中，所述中心区域的形状是沿远离所述光轴的方向向下倾斜的，且所述周边区域的形状是沿远离所述光轴的方向向上倾斜的。
9.根据权利要求8所述的侧出射型LED透镜，其中，所述中心区域的垂直截面具有峰值点处于所述光轴上的弯曲形状，且所述周边区域的垂直截面具有沿远离所述光轴的方向更加指向上方的弯曲形状。
10.根据权利要求8所述的侧出射型LED透镜，其中，所述中心区域的垂直截面具有沿远离所述光轴的方向向下倾斜的线性形状，且所述周边区域的垂直截面具有沿远离所述光轴的方向向上倾斜的线性形状。
11.根据权利要求1所述的侧出射型LED透镜，其中，所述中心区域与所述周边区域之间的交叉点位于将如下两点连接起来的虚构直线上，该两点中:一个是所述周边区域的边缘上的端点，另一个是所述LED的与所述周边区域的所述边缘上的所述端点相对于所述光轴处于相反侧的端点。
12.根据权利要求1所述 的侧出射型LED透镜，其中，在垂直截面中，从所述光轴和所述LED之间的交叉点发出之后、入射到所述周边区域的边缘上的端点处的光在所述周边区域的所述边缘上的所述端点处被折射，以照射到所述上表面的边缘上的端点。
13.根据权利要求1所述的侧出射型LED透镜，其中，在垂直截面中，从所述LED的与所述周边区域的边缘上的端点相对于所述光轴处于相反侧的端点发出之后、入射到所述周边区域的所述边缘上的所述端点处的光在所述周边区域的所述边缘上的所述端点处被折射，以照射到所述上表面的边缘上的端点。
14.根据权利要求1所述的侧出射型LED透镜，其中，在垂直截面中从所述光轴至所述上表面的边缘上的端点的距离或宽度满足公式5:
W1=W2+ (H1-H2).tan (sirf1 ((1/η).sin ( Θ f α )) - α ) 公式 5 这里，W1是从所述光轴至所述上表面的所述边缘上的所述端点的距离或宽度，W2是从所述光轴至所述周边区域的边缘上的端点的距离、宽度或半径，H1是所述透镜的高度或者所述上表面的所述边缘上的所述端点处的高度，H2是所述周边区域的所述边缘上的所述端点处的高度，η是所述透镜的材料的折射率，Θ i是所述光轴与从所述光轴和所述LED之间的交叉点发出之后、入射到所述周边区域的所述边缘上的所述端点处的光之间所界定的角度，并且α是所述周边区域的所述边缘上的所述端点处的法线与虚构垂线之间所界定的角度，所述虚构垂线平行于所述光轴。
15.根据权利要求1所述的侧出射型LED透镜，其中，在垂直截面中从所述光轴至所述上表面的边缘上的端点的距离或宽度满足公式5:
W1=W2+ (H1-H2).tan (sirf1 ((1/η).sin ( Θ f α )) - α ) 公式 5 这里，W1是从所述光轴至所述上表面的所述边缘上的所述端点的距离或宽度，W2是从所述光轴至所述周边区域的边缘上的端点的距离、宽度或半径，H1是所述透镜的高度或者所述上表面的所述边缘上的所述端点处的高度，H2是所述周边区域的所述边缘上的端点处的高度，η是所述透镜的材料的折射率，Θ i是所述光轴与从所述LED的与所述周边区域的所述边缘上的所述端点处于相反侧的端点发出之后、入射到所述周边区域的所述边缘上的所述端点处的光之间所界定的角度，并且α是所述周边区域的所述边缘上的所述端点处的法线与虚构垂线之间所界定的角度，所述虚构垂线平行于所述光轴。
16.—种背光单兀,其包括: LED光源；以及 权利要求1所述的侧出射型LED透镜，它放置于所述LED光源上方。
17.一种显示装置，其包括: LED光源；以及 权利 要求1所述的侧出射型LED透镜，它放置于所述LED光源上方。
【文档编号】F21S8/00GK103868021SQ201310684700
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2012年12月18日
【发明者】金诚斌, 金秉郁, 李文宰, 郑在裕 申请人:韩国艾尼凯斯特有限公司