具高发光效率的光源装置及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种光源装置及其制造方法；具体而言，本发明关于一种可避免光线过度集中且可增加光线使用效率的光源装置及其制造方法。
背景技术
显示面板及使用显示面板的面板显示装置已渐渐成为各类显示装置的主流。例如各式面板显示屏、家用的平面电视、个人电脑及膝上型电脑的平板型监视器、移动电话及数字相机的显示屏等，均为大量使用显示面板的产品。特别是近年来液晶显示装置的市场需求大幅成长，为配合液晶显示装置在功能上及外观上的要求，液晶显示装置所使用的背光模块设计也日趋多元化。
为追求更轻薄的尺寸及较节省的用电量，发光二极管元件已被大量使用作为提供光线的来源。无论采用侧光式或直下式的背光模块设计，均可使用发光二极管作为光源。如图1A所示，传统的发光二极管元件包含有空心杯座10，其内部设置有发光二极管芯片20。空心杯座10内另有灌入的封装胶材30，以对发光二极管芯片20进行封装。封装胶材30的表面31通常可形成为平面、凹面或凸面。如图1A所示，由于封装胶材的折射率较外部空气的折射率为大，因此当发光二极管芯片20的光线以较大角度射至封装胶材30形成为平面或凹面的表面31时，容易造成全反射。此时光线需在封装胶材30内经多次反射后再行出射，因此使光线的使用效率降低。
在如图1B所示的传统发光二极管元件中，封装胶材30的表面形成为凸面。由于凸面的几何特性，此一设计可使光线产生全反射的机会降低。然而在此传统设计中，容易使光线集中于元件的正向。当与背光模块配合时，此一光线集中的特性易造成背光模块的局部亮点现象，影响显示装置的影像品质。此外，由于封装胶材30的凸面中心点较为突出，易于与导光板或其他元件接触而变形，进而影响光源输出的表现。
【发明内容】
本发明的一目的在于提供一种光源装置及其制造方法，可增加光源装置的光线使用效率。
本发明的另一目的在于提供一种光源装置及其制造方法，可避免光线过度集中。
本发明的另一目的在于提供一种光源装置及其制造方法，可对封装体的表面提供保护。
光源装置包含有杯座、发光芯片以及封装体。杯座具有杯壁环绕围成容置空间；而发光芯片则设置于杯壁所围成的容置空间内，并位于杯座内的底部上。封装体充填于容置空间内，并包围发光芯片。在将封装体充填进入容置空间后，其暴露于杯壁开口的部分即形成有外表面。外表面主要包含两个部分：中央凹面及环状凸面。环状凸面包围在中央凹面外侧以围成一环形；中央凹面则形成为连续无奇点的内凹球弧面。中央凹面与环状凸面接合位置即会串连成为环状凸脊。
发光芯片产生的光线经封装体向外射出，因此封装体的外表面形状即为与外部介质间的介面。于封装体外表面的中央位置采用中央凹面可使经此部分射出的光线较为分散，避免产生光线过于集中的状况，进而可增加光线分布的均匀性。而在封装体外表面的周围部分采用环状凸面，则可减少光线在封装体内部产生全反射，增加发光效率。
本发明光源装置的制造方法包含下列步骤：形成杯座，其中杯座的杯壁环绕围成容置空间；于容置空间内设置发光芯片；形成封装体充填于容置空间内，并包围发光芯片；于封装体连接杯壁的外表面上形成中央凹面及环状凸面。环状凸面围绕在中央凹面外，且两者的接合位置形成为环状凸脊，因此，此步骤中亦需决定环状凸脊的位置。
【附图说明】
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1A及图1B为传统发光二极管元件的示意图；
图2为本发明光源装置的实施例剖面图；
图3A为光源装置的实施例示意图；
图3B为图3A所示实施例地剖面图；
图3C为另一实施例剖面图；
图4为光源装置的实施例光线路径图；
图5为光源装置的另一实施例光线路径图；
图6为中央凹面的几何示意图；
图7为光源装置的另一实施例剖面图；
图8为光源装置制造方法的实施例流程图；
图9为封装体厚度改变时的光线路径示意图。
其中，附图标记
100杯座 110杯壁
111上杯壁 113下杯壁
115底部 117台面
130容置空间 170斜面
200发光芯片 210发光顶面
211中心点 217中心法线
300封装体 310外表面
330中央凹面 331曲率中心
350环状凸面 370环状凸脊
500荧光粉 700投影点
【具体实施方式】
本发明提供一种光源装置及其制造方法，以及使用此光源装置的背光模块。在较佳实施例中，光源装置为一发光二极管发光装置；然而在不同实施例中，亦可以其他发光机制取代发光二极管中的二极管芯片。此外，以较佳实施例而言，此背光模块供液晶显示装置使用。然而在不同实施例中，此背光模块亦可供电脑键盘、移动电话按键、看板及其他需要平面光源的装置使用。进一步而言，本发明更包含使用此光源装置及背光模块的液晶显示装置。在较佳实施例中，本发明的液晶显示装置包含一彩色液晶显示装置。然而在不同实施例中，本发明的液晶装置亦可包含单色的液晶显示装置。此外，液晶显示装置泛指使用液晶面板的显示装置，包含家用的液晶电视、个人电脑及膝上型电脑的液晶监视器、移动电话及数字相机的液晶显示幕等。
如图2所示，光源装置包含有杯座100、发光芯片200以及封装体300。杯座100具有杯壁110环绕围成容置空间130。在较佳实施例中，杯壁110分为相互垂直的四面，以围成六面体的容置空间130；然而在不同实施例中，杯壁110亦可呈环状分布，以合围容置空间130为圆柱或圆椎体。如图2所示，杯壁110的内面较佳为向内倾斜，使容置空间130于靠近开口的位置具有较大的口径。
如图2所示，发光芯片200设置于杯壁110所围成的容置空间130内，并位于杯座100上。在较佳实施例中，发光芯片200包含至少一个二极管芯片所形成的发光二极管芯片；然而在不同实施例中，亦可以其他发光机制取代发光二极管芯片而作为发光芯片200。发光芯片200较佳为平躺设置于容置空间130内，并具有发光顶面210面向容置空间130的开口方向。发光顶面210较佳为矩形平面，但亦可随发光芯片200的形状而改变为不同形状的平面或曲面。
在图2所示的实施例中，封装体300充填于容置空间130内，并包围发光芯片200。封装体300可采用液态封装材料或固态封装材料，材质可选自环氧树脂、硅树脂或其他聚合物材质。此外，封装体300亦可配合不同色彩上或亮度上需求而加入适当的混合物，例如荧光粉500等。如图2所示，在将封装体300充填进入容置空间130后，其暴露于杯壁110开口的部分即形成有外表面310。如图2及图3A所示，外表面310的边缘连接于杯壁110的内面或顶端。外表面310主要包含两个部分：中央凹面330及环状凸面350。环状凸面350包围在中央凹面330外侧以围成一环形。相对于封装体300的内部，环状凸面350为向外突出且较佳为连续而无奇点的表面(边缘位置除外)。在较佳实施例中，环状凸面350为自外凸球弧面上截取一部分环形区域所形成。此处所言的球弧面可包含正圆球弧面、椭圆球弧面或其他形式的球弧面。
如图2及图3A所示，中央凹面330形成为连续无奇点(边缘位置除外)的内凹球弧面。此处所言的球弧面可包含正圆球弧面、椭圆球弧面或其他形式的球弧面。中央凹面330的外缘与环状凸面350的内缘相连接，并被环状凸面350的内缘围绕。由于中央凹面330为内凹面，而环状凸面350为外凸面，因此两者的接合位置在图3A的立体示意图上即会形成为环状凸脊370。而由图2的剖视图观之，环状凸脊370则会形成为一尖点。
在较佳实施例中，如图3B所示，环状凸脊370切齐于杯壁110顶端117所在的平面；换言之，环状凸脊370并未突伸于杯壁110外，而是被容纳于容置空间130内。通过此一设计，可避免封装体300外表面310的最外突部分与导光板或其他元件碰触而产生变形。另外，在如图3C所示的实施例中，环状凸脊370亦可低于杯壁110顶端117所在的平面，以受到杯壁110顶端117的保护。但在不同实施例中，环状凸脊370亦可突伸于杯壁110的顶端外。
在上述的设置中，发光芯片200产生的光线经封装体300向外射出，因此封装体300的外表面310形状即为与外部介质间(例如：空气)的介面，其形状会对光线的行为产生影响。于封装体300外表面310的中央位置采用中央凹面330可使经此部分射出的光线较为分散，避免产生光线过于集中的状况，进而可增加光线分布的均匀性。而在封装体300外表面310的周围部分采用环状凸面350，则可减少光线在封装体300内部产生全反射的比例，增加发光效率。此外，由于封装体300外表面310的中央部分采用凹面设计，因此也可减少外表面310整体向外突出的程度，进而减少在使用时与导光板或其他元件碰触变形的机会。
为达成不同的效果，中央凹面330及环状凸面350的几何性质均可加以调整，例如曲率半径及弧面本身投影面积的半径等。此外，中央凹面330及环状凸面350的相接之处，亦即环状凸脊370的位置，亦可随之调整。例如环状凸脊370的投影位置可全部或部分落在发光芯片200的发光顶面210内；但在不同实施例中，环状凸脊370的投影位置亦可落在发光顶面210外。
在图4所示的实施例中，于发光芯片200的发光顶面210上定义一中心点211位置，在中心点211有一垂直发光芯片200的发光顶面210的中心法线217。在决定环状凸脊370的位置时，即以此中心点211发出的光线作为环状凸脊370位置判断的标准。也就是说，中心点211发出的光线投射于中央凹面330上时，与中心法线217有一距离，较接近于中心法线217的光线会具有较小的折射角度；越远离中央凹面330中心位置的光线则会具有较大的折射角度。当投射到中央凹面330上的光线具有90度的折射角度时，即产生所谓的全反射；此时中央凹面330的位置即定义为中央凹面330的边缘，亦即环状凸脊370的所在位置。换言之，由于中心点211产生的光线在中央凹面330上超过环状凸脊370的位置会产生全反射，因此外表面310在此会产生全反射的部分上即以环状凸面350来取代中央凹面330，以减少全反射的发生并增加光线使用效率。当光线投射至环状凸脊370外侧的环状凸面350时，由于介面的法线方向与中央凹面330的法线方向大幅扭转，因此光线可顺利出射而不会产生全反射。
在不同于图4所示的其他实施例中，亦可以发光芯片200的侧壁或发光顶面210的不同位置产生的光线作为参考光线，来决定环状凸脊370的位置。如图5所示，采用发光顶面210于边缘位置附近产生的光线作为参考光线。产生此参考光线的位置可在发光顶面210上、发光顶面210的边缘或发光芯片200的侧壁230上。与图4所示的实施例类似，当此参考光线于中央凹面330上产生全反射时，即决定此位置为环状凸脊370的位置。特别需说明的是，如图5所示，由发光芯片200的中心法线217将图5所示的径向截面分为左右两侧，左侧的环状凸脊370位置由发光芯片200左侧边缘的参考光线决定；而右侧的环状凸脊370位置则由发光芯片200右侧边缘的参考光线决定。此外，每一径向截面的环状凸脊370位置由每一径向截面上发光芯片200边缘的参考光线所决定。当每一截面的环状凸脊370位置决定后，即可连接形成完整而封闭的环状凸脊370。
如图6所示，在较佳实施例中，中央凹面330具有虚拟的曲率中心331，该曲率中心331为中心法线217与中央凹面330中心点的延伸。曲率中心331可与中央凹面330的边缘，亦即环状凸脊370的位置连线并于曲率中心331处形成一顶角θ。此顶角θ相对于曲率中心331与中央凹面330中心的连线而言。顶角θ的范围较佳为介于5度至30度之间。此外，曲率中心331至中央凹面的曲率半径R较佳为介于0.5mm至5mm之间。
如图7所示，杯座100的杯壁110可区分为上杯壁111及下杯壁113。下杯壁113的底端与杯座100的底部115连接，而下杯壁113的顶端则与上杯壁111的底端相接。如图7所示，下杯壁113较上杯壁111为厚，因此向容置空间130突出于上杯壁111的内表面外，进而于上杯壁111的底端形成为台面117。台面117与下杯壁113的内面夹角α较佳为小于或等于90度。在设置封装镜面300时，封装镜面300外表面310的边缘即连接至台面117与下杯壁113内面连接的边缘。由于台面117与下杯壁113的夹角α小于或等于90度，因此可提供封装镜面300外表面310较佳的表面张力。
如图7所示，环状凸脊370的位置较佳为低于上杯壁111的顶端。通过此一设计，上杯壁111可保护封装体300的外表面310，避免封装体300外表面310的最外突部分与导光板或其他元件碰触而产生变形。在此实施例中，如图7所示，上杯壁111的内面顶端形成有向外的斜面170，以形成一导角。通过此导角的设置，可减少上杯壁111对于光线向外射出时产生的阻碍，并增加整体光线射出的角度。
本发明同时包含了光源装置的制造方法。在图8所示的实施例流程图中，步骤810包含：形成杯座，其中杯座的杯壁环绕围成容置空间。在较佳实施例中，杯座以射出成型的方式制作；然而在不同实施例中，亦可以其他不同的工艺制作。步骤830包含：于容置空间内设置发光芯片。在较佳实施例中，发光芯片由发光二极管芯片所形成；然而在不同实施例中，发光芯片亦可由其他材质所形成。
步骤850包含：形成封装体充填于容置空间内，并包围发光芯片。在较佳实施例中，以注入方式将封装体的液态材质充填进入容置空间，接着再以光硬化、热固或其他硬化方法使封装体硬化。此外，在注入封装体的材质时，较佳需注意注入的体积，使其于固化后的高度不至于突出于杯壁顶端。
步骤870包含：于封装体连接杯壁的外表面上形成中央凹面及环状凸面。环状凸面围绕在中央凹面外，且两者的接合位置形成为环状凸脊，因此，此步骤中亦需决定环状凸脊的位置。在较佳实施例中，可在封装体硬化前，使用外突圆弧面的模具抵触封装体外表面的中心位置以形成中央凹面的形状，接着再以光硬化、热固或其他硬化方式使封装体硬化。然而在不同实施例中，亦可先使封装体硬化后，再以打磨或其他方式于封装体的外表面上形成中央凹面。
在进行步骤870时，为确定中央凹面的尺寸，需决定出环状凸脊的所在位置。在较佳实施例中，根据封装体的折射率及厚度来决定环状凸脊的位置。请同时参考图4及图5并以发光芯片的发光顶面中心作为参考光线发射点，由于封装体的折射率会影响光线离开中央凹面时的折射角，因此亦会对全反射的起始发生位置造成影响。当封装体的折射率较大时，光线离开中央凹面时的折射角也较大；换言之，中央凹面上起始产生全反射的位置或较靠近于中央凹面的中心。此时环状凸脊的位置亦会随之较接近于中央凹面的中心；反之亦然。此外，如图9所示，由于几何上的相对关系，对于中央凹面330上同一投影点700而言，当封装体300的厚度增加而折射率不变时，光线的入射角α2会较原来的入射角α1减小，因此产生的折射角β2也较原来的折射角β1小。换言之，中央凹面330上起始产生全反射的位置及相应的环状凸脊370位置亦会随之较远离于中央凹面330的中心。
此外，在不同实施例中，亦可根据封装体300的折射率及厚度来决定中央凹面的曲率半径及相对曲率中心的顶角。如同前述，封装体300的折射率及厚度均会对中央曲面上产生全反射的位置产生影响。在上段所述实施例中，并未对中央凹面330本身弧面性质，例如曲率半径，来进行调整。然而本段的实施例中，则可通过调整曲率半径及相对曲率中心的顶角来因应不同封装体的折射率及厚度。当中央凹面330的曲率半径较小而封装体300厚度不变时，其产生全反射的位置较接近于中央凹面的中心；此时可考虑搭配厚度较厚或折射率较低的封装体300，使得产生全反射的环状凸脊370位置较远离于中央凹面330的中心。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。