专利名称：光学棱镜组的制作方法
技术领域：
本发明属于发光装置部件，特别是一种光学棱镜组。
背景技术：
发光二极管(LED)是一种直接把电能转化为光能的发光元件，并具有工作电压低，耗电量少；性能稳定，寿命长(一般为10万到1000万小时)；抗冲击，耐振动性强；重量轻，体积小，成本低等优点。
发光二极管主要用作显示元件和短距离、低速率的光纤通信用光源，如各种仪器仪表指示器的文字、数位及其他符号的显示等。
近年来，液晶显示器的背光模组亦采用了发光二极管作为其内部的发光元件。因此，分散发光二极管光线的技术亦成为研究重点之一。
发光二极管包括发光小片(Die)及两条导线，其可视为符合朗伯余弦定律(Lambert′s cosine law)的光源，称为朗伯光源(Lambertian source)，发光二极管的特性为发光强度与发光视角的余弦约成正比，且亮度和视角方向无关。为了控制不同方向上的亮度，发光二极管的封装结构中通常包括罩住发光小片的镜片，借以引导发光小片所发射的光线。
如图1所示，传统的封装于发光二极管外部的镜片(Lens)10形如圆顶灯罩，视角依图示箭头方向由0°增加至90°。
如图2、图3所示，为光线射出传统镜片10后的亮度与角度关系图(CandelaDistribution)。图中显示视角0°时亮度最大为90×103nits，亮度随视角增加而递减。当视角增加至90°时，亮度已趋近于0nits。
由此可知，光线穿透传统镜片10后朝向视角0°的方向集中。以传统镜片10封装的发光二极管经由背光光学模拟的结果如图3所示。图示的纵轴为亮度，单位为nits；横轴由左而右代表背光横轴的距离。由亮度曲线变化状况，可知光线射出传统镜片10后，不同区域的亮度相当不均匀。
为了增加背光光亮度的均匀性，目前以发光二极管为光源的直下式背光模组(Direct-type LED backlight)大多是使用Lumileds公司的背光架构。
如图4所示，已有的以发光二极管为光源的直下式背光模组20具有容置槽21、数个发光二极管22及扩散板23。
容置槽21通常为金属外框。
发光二极管22设置于容置槽21内部底板上，数个发光二极管22排列成直线形(Lighting Bar)。
扩散板23覆盖于容置槽21上方，借由扩散板23扩散直线形排列的数个发光二极管22所发射的光线。
如图5所示，为Lumileds公司的发光二极管封装结构。在背光模组20的容置槽21内部，发光二极管22固定于底板211上。如图所示，发光二极管22的封装结构包括壳体221及镜片222。
壳体221外部具有数个固定件2211。壳体221内部设有发光二极管22的发光小片(图中未示)。
镜片222设置于壳体221上方，借以引导发光小片发射的光线至正负90°出光。
如图6所示，Lumileds公司设计的发光二极管22的镜片222顶部向下凹陷呈倒立圆锥状，镜片222顶部内壁具有反射光线的作用。当光线由固定件2211内部往上射出至镜片222的顶部内壁时，被顶部内壁的倒立圆锥面反射而朝正负90°方向分散。
如图7所示，为Lumileds公司的发光二极管22的亮度与角度关系图。由图可知亮度集中于80±20°之间，换言之，几乎没有光线由镜片222正上方射出。如图8所示，为图6的发光二极管镜片222的背光光学模拟。图示的纵轴为亮度，单位为nits；横轴由左而右代表背光横轴的距离。由其亮度曲线变化状况，可知光线穿过Lumileds公司的发光二极管22的镜片222后，不同区域的亮度可达到相当不错的均匀度。
由以上说明可知，光线穿过传统镜片10后，不同色光或不同视角方向的亮度皆不均匀。若使用Lumileds镜片222，虽然有不错的均匀度，但其顶部向下凹陷为倒立圆锥状的构造使得镜片设计、制造及封装成本过高，不易形成量产。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高光线亮度在不同视角方向均匀性、使不同色光亮度均匀的光学棱镜组。
本发明适用于背光模组内；光学棱镜组包括第一棱镜、第二棱镜及夹置于第一、二棱镜之间的介质层；第一棱镜具有第一光折射面及邻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°的夹角；第二棱镜具有相向且略平行于第一光折射面的第二光入射面；介质层具有小于第一棱镜及第二棱镜的折射率。
其中介质层为空气层。
介质层的厚度为0.1mm至0.3mm。
第一棱镜与第二棱镜的折射率可为相等。
第一光折射面与第一光入射面的夹角为55°至65°。
第一棱镜更具有邻接第一光入射面的第三光折射面，且第三光折射面与第一光入射面形成80°至85°的夹角。
第二棱镜具有邻接第二光入射面的第二光折射面，且第二光折射面与第二光入射面之间形成35°至45°的夹角。
应用本发明光学棱镜组的光源模组包括配置于光学棱镜组下方的光源，并投射光线经第一光入射面至光学棱镜组中。
应用本发明光学棱镜组的光源模组更包括容置槽及覆盖于光学棱镜组之上的扩散板；容置槽包括供至少一光源设置的底板。
由于本发明适用于背光模组内；光学棱镜组包括第一棱镜、第二棱镜及夹置于第一、二棱镜之间的介质层；第一棱镜具有第一光折射面及邻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°的夹角；第二棱镜具有相向且略平行于第一光折射面的第二光入射面；介质层具有小于第一棱镜及第二棱镜的折射率。使用时，将本发明组装于光源模组的光源上方，使光源投射出的光线由第一光入射面垂直入射第一棱镜后，首先到达第一光折射面。此时，若光线行进方向与第一光折射面法线方向的夹角大于临界角时，则在第一光折射面造成全反射，并折射后穿出。若光线行进方向与第一光折射面法线方向的夹角小于临界角时，则在第一光折射面折射进入介质层，再由介质层通过第二光入射面再次折射进入第二棱镜。并借由第一、二棱镜的折射率大于介质层的折射率，使一部分入射光线导至集中于光学棱镜组左侧出射，另一部分入射光线导至集中于光学棱镜组右侧出射的目的，使光学棱镜组两侧亮度高而中央部分亮度低。即设置本发明后不需改变传统发光二极管低单价封装方式，即可取代目前市场上惯用的侧面出光发光二极管；光学棱镜组以一般高折射率玻璃或塑胶材料均可达成，如硼矽酸盐冕玻璃(BK7)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等，价格便宜；使用时，可依背光模组的尺寸及发光二极管排列进行微调，设计变动弹性大。不仅提高光线亮度在不同视角方向均匀性，而且使不同色光亮度均匀，从而达到本发明的目的。
图1、为传统发光二极管镜片结构示意侧视图。
图2、为光线射出传统镜片后的亮度与角度关系示意图。
图3、为以传统镜片封装的发光二极管以背光光学模拟结果示意图。
图4、为习知以发光二极管为光源的直下式背光模组分解结构示意立体图。
图5、为Lumileds公司的发光二极管结构示意立体图。
图6、为Lumileds公司的发光二极管镜片结构示意侧视图。
图7、为光线射出Lumileds公司的发光二极管后的亮度与角度关系示意图。
图8、为以Lumileds公司镜片封装的发光二极管以背光光学模拟结果示意图。
图9、为本发明侧视结构示意剖面图。
图10、为应用本发明的光源模组结构示意侧视图。
图11、为本发明导光路径示意图。
图12、为本发明于视角正负80°内的光通量变化图。
图13、为本发明以以背光光学模拟结果示意图。
图14、为应用本发明的背光模组结构示意立体图。
图15、为应用本发明的背光模组结构示意侧视图。
图16、为应用本发明的背光模组结构示意立体图(数个点光源排列成阵列型式)。
图17、为图16中A部局部放大图。
具体实施例方式
如图9所示，本发明光学棱镜组30是由第一棱镜31、第二棱镜32及夹置于第一、二棱镜31、32之间的介质层33组成。
第一、二棱镜31、32皆具有两个端面及至少三个斜面。
第一棱镜31具有第一光折射面311及邻接于第一光折射面311的第一光入射面312。第一光折射面311及第一光入射面312具有约为50°至70°的夹角。
第二棱镜32具有相向且约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与第二光入射面321之间的介质层33材料具有小于第一棱镜31及第二棱镜32的折射率。
本发明实施例中，第一棱镜31与第二棱镜32的折射率可为相等或不相等，其种类亦不限，例如直角棱镜、屋脊棱镜等皆可适用。此外第一、二棱镜31、32的端面形状亦不限于三角形、四边形或四个边以上的多边形，意即不限于三棱镜、四棱镜或多棱镜。
介质层33较佳为空气层，其厚度为0.1mm至0.3mm。
第一光折射面311与第一光入射面312的夹角A为55°至65°。此外，第一棱镜31更具有邻接第一光入射面312的第三光折射面313，且第三光折射面313与第一光入射面312形成80°至85°的夹角B。
第二棱镜32具有邻接第二光入射面321的第二光折射面322，且第二光折射面322与第二光入射面321之间形成35°至45°的夹角C。值得一提的是，第二光折射面322与第二光入射面321的夹角C是与第一光折射面311与第一光入射面312的夹角A位于为空气层的介质层33两侧的相对应的位置。第一、二棱镜31、32可以高折射率的玻璃或塑胶材料制造，如硼矽酸盐冕玻璃(BK7)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等，且可依背光尺寸及发光二极管排列微调。
如图10所示，应用本发明光学棱镜组的光源模组40包括本发明光学棱镜组30及与光学棱镜组30保持间距t的光源42。
光源42设于底板41上以将光线投射至本发明光学棱镜组30中，并借由空气层33a、第一、二棱镜31、32的折射率差异、夹角A、夹角B或夹角C的大小及第一光折射面311或第二光入射面321的斜率以决定光线的导向。
封装于光源42外部的镜片10采用如图1所示的传统镜片即可。光线穿过镜片10后，经由第一光入射面312入射至光学棱镜组30。光源42除了采用发光二极管等点光源之外，亦可使用线光源，例如冷阴极射线管。
在较佳实施方式中，光源42与光学棱镜组30的较佳间距t为0mm至3mm。更具体的来说，间距t为光源42与第一光入射面312的距离。此外，第一、二棱镜31、32所夹置的空气层33a厚度较佳为0.1mm至0.3mm。如前所述，较佳的光学棱镜组30具有夹角A为55°至65°、夹角B为80°至85°、夹角C为35°至45°。第一、二棱镜31、32可以高折射率的玻璃或塑胶材料制造，如硼矽酸盐冕玻璃(BK7)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等。值得一提的是，夹角A、夹角B、夹角C皆位于本发明光学棱镜组30靠近光源42的一侧。
如图11所示，为本发明光学棱镜组30的导光路径示意图。光线由第一光入射面312垂直入射第一棱镜31后，首先到达第一光折射面311。此时，若光线行进方向与第一光折射面311法线方向的夹角大于临界角时，则在第一光折射面311的a点造成全反射，再经第三光折射面313的折射后穿出，其行进路线如光径34。若光线行进方向与第一光折射面311法线方向的夹角小于临界角时，则在第一光折射面311折射进入介质层33，再由介质层33通过第二光入射面321再次折射进入第二棱镜32。此时，若第二棱镜32与第一棱镜31的折射率大小相等，则光线于第二棱镜32中的行进方向平行于第一棱镜31中的行进方向，如光径35。若第二棱镜32的折射率大于第一棱镜31的折射率，则光线于第二棱镜32中的行进方向偏向光径35的左侧如光径36。
值得一提的是，无论第一棱镜31与第二棱镜32的折射率大小关系如何，两者皆必须大于介质层33的折射率方能达到将一部分入射光线导至集中于光学棱镜组30左侧出射，另一部分入射光线导至集中于光学棱镜组30右侧出射的目的，使光学棱镜组30两侧亮度高而中央部分亮度低。
如图12所示，为本发明光学棱镜组30于视角正负80°内的光通量变化图。如曲线37所示，光线行经光学棱镜组30后，明显地集中于视角正负30-50°两个区域中。
如图13所示，为本发明的光学棱镜组30经由背光光学模拟的结果。图示的纵轴为亮度，单位为nits；横轴由左而右代表背光横轴的距离。比较图13与图8的亮度曲线变化状况，可知本发明的光学棱镜组30除了使不同区域的亮度达到相当不错的均匀度以外，其光强度亦高于目前市场上惯用的背光架构。利用光学棱镜组30具有将一部分入射光线导至集中于左侧出射，另一部分入射光线导至集中于右侧出射的特性，可适当排列于背光模组中以增加光线的分散情况。
如图14、图15所示，应用本光学棱镜组30的背光模组50包括容置槽21、至少一光源42、设于每个光源42之上的光学棱镜组30及覆盖于光学棱镜组30之上的扩散板23。
容置槽21包括供至少一光源42设置的底板211。本实施例中至少一光源42为排列成直线形的数个点光源。
如图9、图15所示，光学棱镜组30的第一、二棱镜31、32可黏合后以外加固定件(图中未示)固定于背光模组50的容置槽21上，或是不经黏合而分别以固定件固定于背光模组50的容置槽21上。因此，第一、二棱镜31、32可依背光模组50的尺寸及点光源42排列进行微调。在较佳实施方式中，数个点光源42是排列成数条直线，且相邻两直线排列的点光源42上方的光学棱镜组30具有斜率相反的第一光折射面311。
如图16、17所示，数个点光源42亦可排列成阵列型式。排列成阵列的每个点光源42上方皆设有光学棱镜组30，相邻的光学棱镜组30的第一光折射面311方向不同。光学棱镜组30经由适当的排列使其第一光折射面311朝背光模组60的前、后、左、右倾斜以充分利用光学棱镜组30的特性，使光线分散更为均匀。除了上述构造之外，直下式背光模组尚可视需要增设其他元件，例如增加均匀度的散射片及增加亮度的光增强膜。
本发明所提供的方法及装置，与习知技术相互比较时，更具备下列特性及优点1、不需改变传统发光二极管低单价封装方式，仅增加本发明的光学棱镜组即可取代目前市场上惯用的侧面出光发光二极管。
2、本发明的光学棱镜组以一般高折射率玻璃或塑胶材料均可达成，如硼矽酸盐冕玻璃(BK7)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等，价格便宜。
3、可依背光模组的尺寸及发光二极管排列进行微调，设计变动弹性大。综上所述，本发明不但在技术思想上确属创新，并能较习用方法增进上述功效，应已充分符合新颖性及进步性的法定发明专利要件。
权利要求
1.一种光学棱镜组，它适用于光源模组内，其特征在于光学棱镜组包括第一棱镜、第二棱镜及夹置于第一、二棱镜之间的介质层；第一棱镜具有第一光折射面及邻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°的夹角；第二棱镜具有相向且略平行于第一光折射面的第二光入射面；介质层具有小于第一棱镜及第二棱镜的折射率。
2.根据权利要求1所述的光学棱镜组，其特征在于所述的介质层为空气层。
3.根据权利要求1所述的光学棱镜组，其特征在于所述的介质层的厚度为0.1mm至0.3mm。
4.根据权利要求1所述的光学棱镜组，其特征在于所述的第一棱镜与第二棱镜的折射率可为相等。
5.根据权利要求1所述的光学棱镜组，其特征在于所述的第一光折射面与第一光入射面的夹角为55°至65°。
6.根据权利要求1所述的光学棱镜组，其特征在于所述的第一棱镜更具有邻接第一光入射面的第三光折射面，且第三光折射面与第一光入射面形成80°至85°的夹角。
7.根据权利要求1所述的光学棱镜组，其特征在于所述的第二棱镜具有邻接第二光入射面的第二光折射面，且第二光折射面与第二光入射面之间形成35°至45°的夹角。
8.根据权利要求1所述的光学棱镜组，其特征在于所述的应用本发明光学棱镜组的光源模组包括配置于光学棱镜组下方的光源，并投射光线经第一光入射面至光学棱镜组中。
9.根据权利要求8所述的光学棱镜组，其特征在于所述的应用本发明光学棱镜组的光源模组更包括容置槽及覆盖于光学棱镜组之上的扩散板；容置槽包括供至少一光源设置的底板。
全文摘要
一种光学棱镜组。为提供一种提高光线亮度在不同视角方向均匀性、使不同色光亮度均匀的发光装置部件，提出本发明，它适用于背光模组内；光学棱镜组包括第一棱镜、第二棱镜及夹置于第一、二棱镜之间的介质层；第一棱镜具有第一光折射面及邻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°的夹角；第二棱镜具有相向且略平行于第一光折射面的第二光入射面；介质层具有小于第一棱镜及第二棱镜的折射率。
文档编号H01L33/00GK1866058SQ20051006809
公开日2006年11月22日 申请日期2005年5月16日 优先权日2005年5月16日
发明者黄志濠, 廖经桓, 王明发, 陈志光 申请人:友达光电股份有限公司