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TWI381134B - 發光二極體光源模組 - Google Patents

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TWI381134B
TWI381134B TW097120424A TW97120424A TWI381134B TW I381134 B TWI381134 B TW I381134B TW 097120424 A TW097120424 A TW 097120424A TW 97120424 A TW97120424 A TW 97120424A TW I381134 B TWI381134 B TW I381134B
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light source
source module
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TW097120424A
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吳威宏
張家誠
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榮創能源科技股份有限公司
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Description

發光二極體光源模組
本發明係有關於一種發光二極體光源模組，特別是有關於一種條狀式的側向發光之發光二極體光源模組。
由於發光二極體(LED)具有耗電少、效率高、壽命長等特性，亦無汞污染等環保問題，且將之應用於各種平面顯示器的背光源能獲得優越的色彩表現，使得發光二極體於顯示器中的應用在近幾年來受到高度重視與研究。
就背光模組的主要型態，即燈源位置而言，可分為側光式結構與直下式結構。以往液晶顯示器應用產品主要為筆記型電腦與液晶螢幕，其背光模組之特性需求主要在於重量輕、體積小及厚度薄，側光式結構即能符合此需求。但在開發液晶電視用之超大尺寸背光源時，所考慮之要項則必須能有足夠的顯像亮度、寬廣的觀看視角、鮮明的影像對比及較長的使用壽命，鑑於上述之考量，直下式結構便成為大尺寸液晶顯示器的技術主流。
如第一A圖所示，係為美國專利US 6679621所提供的一種使發光二極體產生側向光源的透鏡結構，並使數個裝設有透鏡的發光二極體形成陣列，作為液晶顯示器的背光源，以取代傳統CCFL背光模組。此專利所提供的透鏡包含：一漏斗形狀的反射面、第一折射面以及第二折射面。上述反射面相對於發光二極體正向光軸傾斜一角度，用以反射由發光二極體光源所發射的光線；第一折射面相對於發光二極體正向光軸傾斜成角，用以折射由反 射面所反射的光線；第二折射面以凸曲線或鋸齒狀由第一折射面延伸至發光二極體基座。其中，上述第一折射面連結反射面與第二折射面。
如第一A圖所示，此透鏡的形狀在製作上較有難度，不易精確達成，更何況是要在如此小型的發光二極體燈源上製作如此複雜的透鏡結構，難度更高。此外，為了得到一邊射式(side emitting)背光模組，需於每個發光二極體上均加載上述結構複雜的透鏡，如此繁瑣的製程與高額的成本，不利於大量生產。另外，在某些應用中，需額外設置一防水的裝置以保障成品的可靠度。
有鑑於此，仍有必要開發新的側向發射器結構，以達到側發光之發光二極體光源模組的量產目標，並改善導光形式，降低生產成本，以符合市場需求。
本發明提供一種可經濟且有效得到側向光源的發光二極體光源模組，將此發光二極體光源模組應用於照明裝置，則可有效的得到間接光線，且點光源的發光面積藉由發光二極體光源模組的處理而擴大，可因此降低眩光機率；將之應用於廣告顯示裝置，則可有效的得到均勻面光源，以提高顯示水準。本發明所提供之發光二極體光源模組亦可應用於液晶顯示器背光模組。
本發明提供一種發光二極體光源模組，包含：一陣列式發光構件，與一條狀式導光結構。其中，陣列式發光構件包含複數個正向發光之發光二極體(light emitting diode,LED)光源，上述複數個發光二極體光源係以陣 列式排列。另外，條狀式導光結構設置於陣列式發光構件兩側，上述條狀式導光結構包含一第一曲面與一第二曲面，第一曲面以及第二曲面分別自陣列式發光構件之兩側向陣列式發光構件中央處凹陷，並於陣列式發光構件中央處上方相連接，其中，第一曲面以及第二曲面於連接處以一角度與陣列式發光構件之正向光軸所在平面相切。其中，正向光軸定義為垂直發光二極體所在平面的方向。
本發明在此所探討的方向為一種發光二極體光源模組。為了能徹底地瞭解本發明，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及其組成。顯然地，本發明的施行並未限定於背光模組之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的組成或步驟並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，且本發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。
為了得到一側向發光之發光二極體光源，以下幾篇專利各提出其所主張的結構。
中華民國專利公告號I244227，揭露一種以發光二極體為背光模組的光源模組，此光源模組所使用之發光二極體主要以COB(chip on board)的發光二極體封裝結構為主，即將發光二極體晶粒直接固接於載板上。此專利所提出之發光二極體光源模組包含：一主體燈箱，由四 個側面箱壁與一底面構成，主體燈箱具有反射性；複數個發光二極體之裸晶直接嵌入一散熱基板，並於散熱基板上排成兩直列陣列，再於各列發光二極體陣列光源上方覆蓋一光罩，藉由此光罩產生側向光源，側向光源於主體燈箱的內部空間中傳播混合產生均勻面光源，如第一B圖所示。然而此專利所產生的側向光源藉由主體燈箱混光後，其光指向性差，需藉由額外設置的輝度增強膜改善光學表現。
中華民國專利公告號M272924，揭露一種具有廣角照射的發光二極體燈管，如第一C圖所示，此發光二極體燈管包含：一長條板狀電路板，於電路板表面設置數個發光二極體，使成直列式排列；於發光二極體燈條周圍設置一具有透光性的外罩，此外罩呈一圓形中空管體。此專利所揭露之發光二極體燈管並無光學特性，僅用於保護發光二極體燈條及簡化發光二極體燈條結構。
大陸發明專利公開號CN 1693960，揭露一種發光二極體陣列組件及具有該組件的背光單元。如第一D圖所示，係為該專利提出的發光二極體陣列組件分解圖，此專利提出：以一四方長形的反射體，圍繞於數個排列成行的發光二極體燈條周圍，數個發光二極體燈源所發射之向上的光線藉由此反射體來反射；再於反射體與數個發光二極體燈條上方放置一鏡頭，藉由該鏡頭漫射從發光二極體燈源與反射體所產生的光線，並使光線沿水平方向發射。然而上述反射體係為一固定尺寸的四方體物件，於實際運用上備受限制。
大陸發明專利公開號CN 1779530，揭露一種發光二極體的側向發光裝置，可用於液晶顯示器背光模組，如第一E圖所示，包含第一反射面、第二反射面以及折射面，第一反射面以發光二極體正向光軸為中心軸並圍繞而成圓錐形曲面，第二反射面圍繞發光二極體發光器而成一圓錐形表面，第二反射面連結發光二極體與折射面，折射面連結第一反射面與第二反射面。此專利所揭露之發光二極體側向發光裝置係為針對單一發光二極體元件而提供的側向發光裝置，與前述美國專利US 6679621相同的是，為了得到一邊射式(side emitting)背光模組，需於每個發光二極體上均加載上述結構複雜的反射裝置，且圓錐形曲面的反射面製程難度高，製程繁瑣且成本高，不利於量產。
美國專利US 2006262538，揭露一種能改變光線行進方向的發光二極體模組，如第一F圖所示，此專利所提供之光線行進方向改變單元包含兩個反射斜板與兩個折射面。上述兩個反射斜板以發光二極體正向光軸為中心軸形成一V形平面，折射面連結反射斜板與電路板，發光二極體發光元件則設置於電路板上。此外，兩反射斜板亦能形成一V形曲面，或於兩折射面間形成一圓錐形曲面。此專利亦提出：除了能於單一發光二極體發光元件上設置上述光線行進方向改變單元，且若一電路板上具有數個排列成陣列形式的發光二極體，亦能於此發光二極體陣列上形成一光線行進方向改變單元，則此光線行進方向改變單元分別對應單一發光二極體上方而有V形平面、V 形曲面或獨立的圓錐形曲面。
美國專利US 7224537，請參考第一G圖所示的側視圖，揭露一種使發光二極體產生側向光源的擴散透鏡結構，與美國專利US 6679621相似。此專利所提出之透鏡結構包含：以發光二極體正向光軸為中心軸而圍繞一小三角錐形反射平面，於三角錐形反射平面周圍圍繞有另一圓錐形反射平面，折射平面則連結底面與圓錐形反射平面。此專利所提出的反射面與折射面皆以平面為主，因此製作上較美國專利US 6679621容易。
然而上述傳統技術所提出的側向光線發射結構大多皆針對單一發光二極體元件而設計，對於具由數個發光二極體元件所組成之背光模組而言，製作複雜且成本高昂。因此本專利則提供一種有效且能經濟的得到側向發光特性光源的發光二極體光源模組，其組裝方便，且無尺寸上的限制，並解決於每單一發光二極體元件均須加裝導光透鏡的高程序與高額成本。
本發明提供一種發光二極體光源模組200a，如第二A圖所示，包含：一陣列式發光構件210與一條狀式導光結構230。其中，陣列式發光構件210包含複數個以陣列形式相互排列之正向發光的發光二極體212(light emitting diode,LED)光源，條狀式導光結構230設置於陣列式發光構件210兩側。上述發光二極體212係為正向發光光源，其中，發光二極體係為發光二極體封裝晶片(chip in package)，另外，複數個發光二極體212於陣列式發光構件210中的排列方式係為單一直線或 複數條直線陣列，請參考第二C圖所示，係為三條直列發光二極體光源所構成之發光二極體光源模組的立體示意圖。上述條狀式導光結構230包含一第一曲面231與一第二曲面232，其中，第一曲面231以及第二曲面232分別自陣列式發光構件210之兩側向陣列式發光構件210中央處凹陷，並於陣列式發光構件210中央處上方相連接。
於本發明中所提供之條狀式導光結構230更包含複數個導光幾何表面(請參考第二E圖至第二H圖中的233~236)，上述複數個導光幾何表面分別連接陣列式發光構件210與第一曲面231以及第二曲面232，並形成一完整的條狀式導光結構230。如第二E圖所示，導光幾何表面233的一側連接第一曲面231，另一導光幾何表面234則連結第二曲面232與陣列式發光構件210。另外，上述第一曲面231、第二曲面232與複數個導光幾何表面(233~236)係為透鏡或內面鍍有反射材質之表面，上述內面定義為第一曲面231、第二曲面232或導光幾何表面之靠近發光二極體光源212的表面。另外，導光幾何表面係為下列之一者或其組合：半圓曲面、直立平面、傾斜平面、曲面。
本發明更提供一反射板290，反射板290設置於條狀式導光結構230之一側，或該反射板290可設置於該條狀式導光結構230之相對兩側，如第二D圖所示。反射板290係用以將經由條狀式導光結構230反射或折射後形成的側向光線再次反射成與該陣列式發光構件210之正向光軸平行的方向。
本發明提供四種呈現不同幾何形狀之條狀式導光結構230，如第二E圖、第二F圖、第二G圖與第二H圖等四圖，係為上述四種不同幾何形狀之條狀式導光結構230的剖面圖。由發光二極體212光源所發射出的光線可藉由條狀式導光結構230中，第一曲面231、第二曲面232或各個導光幾何表面的全反射、反射或折射將光線導向與陣列式發光構件210之正向光軸垂直或平行的方向，經由條狀式導光結構230處理後所產生的側向光線，射向前一段落中所提及之反射板290後，可藉由反射板290將上述側向光線再次反射或全反射成正向光線。由發光二極體所發射出之光線經由上述導光處理後所獲得的間接光源，應用於照明場合，則能使得炫光機率降低；上述之間接光源亦可應用於廣告顯示，則能有效的得到均勻光線，以提高顯示水準。
另外，本發明針對條狀式導光結構230中，各導光表面對光線導向的設計提供幾種組合，但導光表面對於光線導向的組合設計並不限於本發明所提及之下列三類型：第一類，可將第一曲面231與第二曲面232鍍上具有反射特性的材質，使光線經由第一曲面231與第二曲面232的反射或全反射後，形成分別射向相對兩側的側向光線，再由幾何導光表面233與234將側向光線導出，如第二I圖中虛線所示意之光線路徑。此第一類所形成的側向光源，其光線強度對應角度分佈圖，請參考第二L圖中的曲線所示，於相對於正向光軸(0°角處)約60°~70°角處的光強度最強；第二類，將第一曲面231或第二曲面232其中 一者鍍上具有反射特性的材質，與未具有反射特性的第一曲面231或第二曲面232鄰近的幾何導光表面，使之鍍上具有反射特性的材質，如第二E圖中的虛線光路所示，射向第一曲面231的光線反射或全反射成側向光線，側向光線由幾何導光表面233導出，另外，射向幾何導光表面234的光線則反射或全反射成正向光線，由第二曲面232將光線導出，以補償正向光線；第三類，使第一曲面231或第二曲面232其中一者鍍上具有反射特性的材質，如第二F圖中的虛線光路所示，射向第一曲面231的光線反射或全反射成側向光線，射向幾何導光表面234的光線則折射成射向另一側的側向光線。
針對前述第一類與第三類導光組合，即經由導光處理後，光線分別形成射向相對兩側的側向光線，反射板的搭配設計為於相對兩側分別設置兩斜板，兩斜板的傾斜方向係為，由條狀式導光結構230的兩相對外側斜向發光二極體光源，請參考第二J圖所示之反射板剖面圖；針對上述第二類導光組合，則反射板的搭配設計為一斜板與一直板，請參考第二K圖所示之反射板剖面圖。
於本發明中更提供一承載結構250，請參考第二A圖所示，上述承載結構250設置於陣列式發光構件210與條狀式導光結構230下方及兩側，用於承載與固定陣列式發光構件210以及條狀式導光結構230，使得上述兩者能更有效的結合。
另外，本發明更提供一散熱結構270，請參考第二B圖所示，上述散熱結構270設置於承載結構250下方，亦可直 接設置於陣列式發光構件210下方而無須外加承載結構250。其中，散熱結構270具有複數個散熱鰭片，其中，散熱鰭片之開口方向為背向發光二極體光源212之正向發光方向。於一較佳範例中，散熱結構270與承載結構250一體成形。
本發明提供一種能有效並經濟的得到側向發光特性光源的發光二極體光源模組，即在原本正向發光的發光二極體燈條上方僅須再外加一個條狀式導光結構即可達成。其組裝方式係為：提供一已設置有陣列式發光構件210的承載結構250，再將一完整的條狀式導光結構230由側面缺口推送卡入承載結構250中，即可完成一發光二極體光源模組200a的組裝。上發光二極體光源模組並無尺寸上的限制，可因應不同長短尺寸的須求剪裁。本發明所提供之發光二極體光源模組解決於每單一發光二極體元件均須加裝導光透鏡的高程序與高額成本。此外，上述條狀式導光結構亦可替發光二極體燈條做防水保護。另外，本發明所提供之承載結構與散熱結構合併一體成形，解決習之技術中發光模組與散熱模組分開設計的盲點。
此外，請參考第三A圖所示，係為根據本發明所提供之另一種發光二極體光源模組200b，包含：一發光構件220與一條狀式導光結構230。其中，發光構件220包含複數列條狀式排列之正向發光的發光二極體組件222，條狀式導光結構230包含複數個類V形導光面240。
上述每一個類V形導光面240由兩個曲面241與242所組成，其中曲面241與242相連接於條狀式發光二極體組件 222之中央上方處。相鄰兩個類V形導光面240相交於兩相鄰條狀式發光二極體組件222之交界處所在的平面。其中曲面241與242係為透鏡或內面鍍有反射材質之表面，上述之內面係為曲面241與242之靠近發光二極體光源212的表面。
上述條狀式導光結構230更包含複數個導光幾何表面(請參考第三C圖至第三F圖中的233~236)，上述複數個導光幾何表面233~236分別連接發光構件220與條狀式導光結構230最外側之曲面。其中導光幾何表面233~236係為透鏡或內面鍍有反射材質之表面，上述之內面係為導光幾何表面233~236之靠近發光二極體光源212的表面，另外，導光幾何表面233~236係為下列之一者或其組合：半圓曲面、直立平面、傾斜平面、曲面。
本發明提供四種呈現不同幾何形狀之條狀式導光結構230，如第三C圖、第三D圖、第三E圖、第三F圖等四圖，係為上述四種不同幾何形狀之條狀式導光結構230的剖面圖。由發光二極體光源212所發射出的光線可藉由條狀式導光結構230中，曲面241、曲面242以及各個導光幾何表面233~236的全反射、反射或折射將光線導向與條狀式發光二極體組件222之正向光軸垂直或平行的方向，請參考第三C圖中的光線路徑示意標線。
本發明更提供一反射板290，反射板290設置於條狀式導光結構230之一側，反射板290亦可設置於條狀式導光結構230之相對兩側，此情形下反射板的搭配設計為兩斜板或者是一斜板與一直板，請參考第三G~H圖所示。反射 板290係用以將經由條狀式導光結構230反射或折射後形成的側向光線再次反射成與條狀式發光二極體組件222之正向光軸平行的方向。
於本發明中更提供一承載結構250，請參考第三A圖，承載結構250設置於發光構件220與條狀式導光結構230下方及兩側，用於承載與固定發光構件220以及條狀式導光結構230。
此外，本發明更提供一散熱結構270，如第三B圖所示，上述散熱結構270連接設置於承載結構250下方，亦可直接設置於發光構件220下方而無須外加承載結構250。其中，散熱結構270具有複數個散熱鰭片，散熱鰭片之開口方向係為背向發光二極體光源212之正向發光方向。於一較佳範例中，散熱結構270與承載結構250一體成形。
本發明所提供之發光二極體光源模組應用於照明裝置，則可有效的得到間接光線，降低眩光機率；亦可應用於廣告顯示裝置，則可有效的得到均勻光線，以提高顯示水準。本發明亦可應用於液晶顯示器背光模組。
顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此需要在其附加的權利要求項之範圍內加以理解，除了上述詳細的描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例中施行。上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。
200a‧‧‧發光二極體光源模組
200b‧‧‧另一種發光二極體光源模組
210‧‧‧陣列式發光構件
212‧‧‧發光二極體
220‧‧‧發光構件
222‧‧‧條狀式發光二極體組件
230‧‧‧條狀式導光結構
231‧‧‧第一曲面
232‧‧‧第二曲面
233~236‧‧‧導光幾何表面
240‧‧‧類V形導光面
241~242‧‧‧曲面
250‧‧‧承載結構
270‧‧‧散熱結構
290‧‧‧反射板
第一A圖 係為傳統技術中之美國專利US 6679621所提供的一種使發光二極體產生側向光源的透鏡結構示意圖。
第一B圖 係為傳統技術中之中華民國專利公告號I244227所揭露的一種以發光二極體為背光模組的光源模組示意圖。
第一C圖 係為傳統技術中之中華民國專利公告號M272924所揭露的一種具有廣角照射的發光二極體燈管示意圖。
第一D圖 係為傳統技術中之大陸發明專利公開號CN 1693960所揭露的一種發光二極體陣列組件及具有該組件的背光單元示意圖。
第一E圖 係為傳統技術中之大陸發明專利公開號CN 1779530所揭露的一種發光二極體的側向發光裝置示意圖。
第一F圖 係為傳統技術中之美國專利US 2006262538所揭露的一種能改變光線行進方向的發光二極體模組示意圖。
第一G圖 係為傳統技術中之美國專利US 7224537所揭露的一種使發光二極體產生側向光源的擴散透鏡結構示意圖。
第二A圖 係為根據本發明所提供的一種發光二極體光源模組200a。
第二B圖 係為根據本發明所提供的一種具有散熱結構與承載結構的發光二極體光源模組200a示意圖。
第二C圖 係為於本發明中所提供之以三條直列發光二極體光源所構成之發光二極體光源模組200a的立體示意圖。
第二D圖 係為根據本發明所提供的一種兩側設置有反射板的發光二極體光源模組200a的示意圖。
第二E~H圖 係為於本發明中所建構的四種不同幾何形狀之條狀式導光結構的剖面圖。
第二I圖 係為根據本發明所建構的一種發光二極體光源模組200a中，發光二極體光線由兩側出光的反射光路示意圖。
第二J圖 係為於本發明中所提供之反射板(兩斜板)配置剖面圖。
第二K圖 係為於本發明中所提供之反射板(一斜板與一直板)配置剖面圖。
第二L圖 虛線部分係為根據本發明所建構之兩側出光的發光二極體光源模組200a其光線強度對應角度分佈圖。
第三A圖 係為根據本發明所提供的另一種發光二極體光源模組200b。
第三B圖 係為根據本發明所提供的一種具有散熱結構與承載結構的發光二極體光源模組200b的示意圖。
第三C~F圖 係為根據本發明所提供的另一種發光二極體光源模組200b，而建構的四種不同幾何形狀之條狀式導光結構的剖面圖。
第三G圖 係為於本發明所提供的另一種發光二極體光源模組200b兩側配置反射板(兩斜板)的剖面示意圖。
第三H圖 係為於本發明所提供的另一種發光二極體光源模組200b兩側配置反射板(一斜板與一直板)的剖面示意圖。
200a‧‧‧發光二極體光源模組
210‧‧‧陣列式發光構件
212‧‧‧發光二極體
230‧‧‧條狀式導光結構
250‧‧‧承載結構
270‧‧‧散熱結構

Claims (10)

  1. 一種發光二極體光源模組，包含：一發光構件，該發光構件包含複數列條狀式排列之正向發光的發光二極體組件；與一條狀式導光結構，該條狀式導光結構包含複數個類V形導光面，每一該類V形導光面由兩個曲面組成，該兩個曲面相連接於該條狀式發光二極體組件之中央上方處，相鄰兩個該類V形導光面相交於該兩相鄰條狀式發光二極體組件之交界處所在的平面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源模組，其中該曲面係為透鏡或內面鍍有反射材質之表面，該內面係為該曲面之靠近該發光二極體光源的表面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源模組，該條狀式導光結構更包含複數個導光幾何表面，該複數個導光幾何表面分別連接該發光構件與該條狀式導光結構最外側之該曲面。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體光源模組，其中該導光幾何表面係為透鏡或內面鍍有反射材質之表面，該內面係為該導光幾何表面之靠近該發光二極體光源的表面。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體光源模組，該導光幾何表面係為下列之一者或其組合：半圓曲面、直立平面、傾斜平面、曲面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源模組，更包含一反射板，該反射板設置於該條狀式導光結構之一側或 相對兩側，該反射板係用以將經由該條狀式導光結構反射或折射後形成的側向光線再次反射成與該條狀式發光二極體組件之正向光軸垂直或平行的方向。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源模組，更包含一承載結構，該承載結構置於該發光構件與該條狀式導光結構下方及兩側，用於承載與固定該陣列式發光構件以及該條狀式導光結構。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體光源模組，該發光二極體光源模組更包含一散熱結構，該散熱結構具有複數個散熱鰭片，該散熱結構連接設置於該承載結構下方，其中，該散熱鰭片之開口方向係為背向該發光二極體光源之正向發光方向。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體光源模組，該散熱結構與該承載結構一體成形。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源模組，更包含一散熱結構，該散熱結構具有複數個散熱鰭片，該散熱結構直接設置於該發光構件下方。
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