TW201009396A - Illuminant module with an optical film of multiple curvatures - Google Patents

Description

201009396 ·、 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種利用凹曲面與凸曲面交錯排列的 光學膜片使發光二極體陣列的光線擴散的光學模組。 【先前技術】 效率日漸增加的發光二極體（Light Emitting Diode, φ LED)，已漸漸可以應用在照明領域中，然而當LED亮度 不斷增加時，單一亮點區域的光強度相對增加，高強度的 led光源，在照明使用上有眩光的問題，即會使人的眼睛 產生長時間的視覺暫留現象，導致視覺的不舒適感甚至達 失能狀態。同時由於LED的指向性較高，正對於LED垂 直方向的中心亮度與周遭亮度差異過大，不利於照明應 用。另一方面，雖然單顆LED的效率已經突破801m/W的 高效率階段，但是對於一般用照明，還無法做到單顆LED ❹ 能提供5001m的總光通量，所以一般使用上必須多個LED 組合在一起使用’多個LED組合，會產生多重投影的影 像，也稱為光紋或重影。多重投影現象，會讓使用者感到 眼花撩亂，影響閱讀或是書寫’ 一般的LED燈箱解決眩光 與重影方式，是將LED儘量集中排列，或加裝擴散板^ LED 集中排列不利於散熱與發光效率，眩光問題也仍會很嚴 重’加裝擴散板會大幅降低光效率’讓原本光通量不足的 情況更加嚴重，必須增加LED數目，結果散熱問題更形嚴 重，也大幅增加成本，產生惡性循環。除了擴散板外，利 5 201009396 〜用尚霧度的擴散膜是無法將高光強度的LED光點打散，並 不能防止以上LED在照明上的問題。 照明燈具要求的是構造簡單與光效率，無法像背光模 組可以利用多層膜的方式處理光源的均勻性與亮度，必須 採取單片的方式，好比擴散板一般的構裝與使用簡單，led 照明燈具，在使用上會有許多二次光學的設計，來均勻化 LED陣列的光源，部分二次光學設計需要與LED顆粒結 合，例如光學帽等，使用上會增加LED製程的成本與複雜 ❹度，卻仍是單顆的LED光源，另外一種則是設計平面鏡或 微鏡片的方式，針對每一顆led，在精確的定位與焦聚上 可以達到光擴散或準直光的效果，這樣的構裝要求在講求 精減低成本的照明用途上是較不易普及的，另外在單一型 態的微鏡片的功能上，僅能提供局部光折射與二次反射的 光學路徑，並不能將高密度的光源有效大面積的均勻化。 美國專利公開案US20050264716揭露一種由柱狀鏡、 微鏡片陣列與led排列而成的LED光源模組，直接在LED 基板上製作毫米等級的大型鏡片，LED陣列需對位在鏡片 陣列的尖端處，LED光線才會經由尖端處的二次折射後反 彈到基板上的擴散網點，再進行擴散反射，將光線擴散與 混合在折射出來，其缺點是LED與微鏡片需要對位，如果 近距離光源在非尖角處，光線就會直接折射出來，無法達 到擴散混光的效果，在鏡片與基板間膠材内多次的光折射 也會大量損耗光源，鏡片與LED基板也會因為熱量累積， 而使鏡片溫度升高，材料劣化加速。 ό 201009396 美國專利公開案US20050265029，糸各,夕a ^ τ ^ α „ 馬利用多層的概念 將LED基板與反射層與平面鏡光學膜層％疊，透過反射層 厚度的控制與間隙控制可以達到較好的光學效率^與不需 處理LED表面的反射問題，不過同樣也是需要進行平面鏡 焦點的對位。 世界專利W02007050274利用兩組二次光學元件來進 行短距離的光擴散功能來達到LED亮點岣勻化的目的，首 先是在LED光源上方加裝微鏡頭來控制光線進入平面鏡 © 的角度，形成準直的均勻光源，最後由擴散膜在進行二次 混光，此結構亦需要對準光學轴心，微鏡頭與平面鏡的對 準與間隙調控複雜’除此之外其最大的缺點是光點擴散的 大小就決疋在平面鏡的大小’所以偈限的平面鏡尺寸會影 響光擴散範圍，越大的擴散範圍則需要越遠的間隙才行， 這樣的設計在調整上會受限制。 曰本專利公開案JP2005285697A為日亞化學LED照 明模組’ LED陣列與微鏡面陣列間存在一個尺寸順序的差 參 異’ LED陣列中央為微鏡面的焦點内，越往外排列，led 與微鏡片會形成錯位，擴散出來的光分佈，就會集中在一 定的範圍之内，可以在設定的範圍内達到混光與增加照明 亮度的功能，不過這樣的設計會有照明面積的限制，必須 要具有類似大小面積的燈源，才可能有相對的照亮範圍， 範圍之外的光亮度會驟減。 曰本專利公開案JP200249326A為微鏡片陣列與LED 陣列的搭配組合，同樣的缺點，需要精準的對位，一個微 201009396 *· 鏡片處理一個led ’光擴散範圍有限。 世界專利公開案W02005041632A2，利用兩組二次光 學元件來進行二次的光折射與光點擴散，與前案三不同的 是利用微鏡片的方式來達到二次光學擴散，而非前案三的 平面鏡。 以上都是利用需要對位的微鏡片陣列與led陣列相互 搭配的方式’來將LED光源均勻化、增加亮度與控制照明 的區域’其作法都極為複雜，設計也很難輕易調整，適用 ❿於各式的LED排列’微鏡片尺度也以LED點光源來進行 一對一的幾何光學設計’在實際的使用上並不符合LED照 明燈具的應用。 ^ 【發明内容】 有鑑於此’本發明的目的是利用二種曲率以上的凹凸 微鏡片排列與曲率調整，來增加光線在膜片水平方向的光 傳遞仃為，藉以將高光強度的LED光點，進行同步放大的 ©效果’來降低光線集中，避免LED的高亮度眩光，再由 光源變成面光源的同時，-併消除多重投影與增加LED陣 列間暗帶的亮度，來達到高透光率與高擴散的效果。 *二Γ月的多變曲率光學模組，包括一光學膜片以及- 此;二二光學，片包括複數個凹曲面與複數個凸曲面彼 /σ夕一方向交錯排列而成，該等凹曲面沿該方向且右 一凹曲面宽声，包/、有 又該等凹曲面具有與該方向垂直的最大，、菜 度’該等凸曲面、、儿 j取穴冰 且 寸1127曲面沿該方向具有一凸曲面寬度，該等凸曲面 -有”該方向垂直的最大高度。光源陣列係由複數個發光 8 201009396 ' 二極體排列而成，其中該凹曲面寬度與該凸曲面寬度不相 等。 在上述較佳實施例中，該最大深度係大於該凹曲面寬 度，該最大高度係大於該凸曲面寬度，來自該光源陣列的 光線穿透該光學膜片。 在上述較佳實施例中，該等凹曲面以及該等凸曲面係 沿一第一方向以及一第二方向交錯排列。 在上述較佳實施例中，該第一方向係與該第二方向垂 ❿直。 在上述較佳實施例中，該凹曲面寬度以及該凸曲面寬 度係沿該方向漸增或漸減，該最大深度以及該最大高度可 沿該方向漸增或漸減。 在上述較佳實施例中，該等發光二極體至光學膜片的 距離至該等發光二極體的間距的比係小於5。 在上述較佳實施例中，該等發光二極體係與該光學膜 片等距離或不等距離設置。 ® 為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更 明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖示，作 詳細說明如下： 【實施方式】 本發明係以高深寬比凹凸不同曲率比例的微鏡片陣 列，來將大量入射光學膜片的光線，轉成平面上的傳遞， 這樣光的傳遞模式，包含除了原有微鏡片的擴散、二次反 射與二次折射功能外，增加膜片平面方向的光線傳遞在導 9 201009396 = =LED間隙的調整，可以將點光源面 第1圖為本發明之光學模_示_，二括 二°3。=〇以及複數個設於基板2〇上的/酬〇 3 LED30排列成一二維陣列。 z等 在實施方式的說明中係以折射率i.59的PC材料炎 學膜，但本發明的光學膜片的材料並不限於PC。為光 ❿ 線通本發明的—較佳實施例之前，先以圖式說明光 線通過具有凹凸曲㈣光學膜片的狀態。 月先 第2圖為LED 3G發出的光線進 經由：。發散出的光線折射進入光學膜片^ =角=光跡分析’ LED發光角度為12〇度這樣的 先胞圖，在大視角的光強度相對較低，第以 短=角度所分配的光量，光線入射角度越接近= 於光子膜片光通量越高’因此在LED 5正前方的亮度最高。 第3圖所示的光學w 10的形狀為—般緊密堆積無間 隙的凸曲面12的微鏡片陣列’光線由3〇度、⑼度及卯 度的入射角（如箭號a、b、c所示）進入光學臈片1〇中的 半圓微鏡片陣列。可以見到，當光源垂直進入時，光線在 鏡片頂端B的部分集中出光，光線經過微鏡片的a部分， 則是二次折射回光源，當光源傾斜3〇度或6〇度時光線 會同時在兩個區域出光’這樣光軌跡行i，僅提供 光線的部*出光、二次折射的行為，其中較高光量垂直入 光處附近的光線會二次折射，較少光通量的高角度入射光 10 201009396 〜 則是會局部的出光。 第4圖表示光學膜片10為兩個半圓形的凹透鏡14及 凸透鏡16交錯排列的形狀，除了原有凸透鏡16如第3圖 一般微鏡片的光傳遞路徑外，與凸透鏡16交錯排列的凹透 鏡14也產生新的光學路徑，新的路徑由凹凸透鏡相接的區 域A會產生橫向，也就是與光學膜片平行方向的傳遞（如 箭號f所示），這樣的傳遞可以經過擁有較長遠的路徑範 圍，橫向傳遞的光線，在適當角度也會透過凹透鏡14或凸 ❹ 透鏡16折射而出光，但是這樣一樣大小凹凸鏡片的結構組 合在垂直入光的情形下，凸透鏡16與凹透鏡14的頂端B 都會產生出光的行為，所以在凹透鏡14與凸透鏡16具有 相同的寬度的情況下，推測垂直方向的出光量是單一凹面 鏡或凸面鏡的兩倍，意味著當高通量的光線進入時，大部 分光線都會先行出光，較少光線能發展成橫向傳遞的方 向，並不能有效控制LED的光點擴散行為。 本發明的光學膜片的一實施例，如第5圖所示，當把 ® 交錯之凹透鏡14寬度變小（即凹透鏡14的寬度與凸透鏡 16的寬度不相等）時，就可以減少光線從凹透鏡14垂直 入光時的出光量，而使入射凹透鏡14的光線大量被導入橫 向傳遞中，如第5圖的箭號g所示。 第6圖為本發明的光學膜片的另一實施例。第6圖為 增加凸透鏡及凹透鏡的深寬比（凸透鏡的高度與寬度的 比，凹透鏡的深度與寬度的比）後進行全光學膜片的光追 跡，可以見到橫向傳遞的光線所形成全内反射傳遞的路徑 201009396 、（如箭號h所示），在此結構中，橫向傳遞的光量比第$ 圖的實施例更多。 第7圖為依照第5、6圖的光學膜片所產生的光線的傳 遞的示意圖，來自LED 3。的光線進人本發明的光學膜片 1〇後，在平行於光學膜片10的方向進行傳遞，而在與led 垂直入射處具有適當距離的點出光，在切、（led3〇)為 陣列的情況下，每- LED 30入射的光線可在多處位置出 光，如此，可料光強㈣LED絲，叫同步放大的效 零果，來降低光線集中，避免LED的高亮度眩光，再由點光 源變成面光源的同時，一併消除多重投影與增加LED陣列 間暗帶的亮度，來達到高透光率與高擴散的效果。經由光 線路徑的分析，可以知道結構型態變化的趨勢方向，利用 雷射加工與光罩的搭配可以製作出高深寬比凹凸交錯排列 的微鏡片陣列’如第8圖所示’複數個凹曲面μ以及複數 個凸曲面16沿第一方向L1以及第二方向l2交錯排列， 魯 另外也可以在兩個較高深寬比微鏡片的中間存在·一個深寬 比較低的微鏡片。 光點放大倍率與光效率測試 表1為光點放大的比較表，其中WD為LED陣列的形 態’ FD為本發明的光學膜片’ GD為習知的光學膜片，經 由光點放大的測試比較，本發明的放大倍率隨光源間距會 呈現67〜1012倍的光點放大效果’一般擴散膜表面的微鏡 片無法將光點打散，擴散板雖然有較佳的擴散行為，但是 亮度卻大幅下降。 201009396 〜 表2為光效率測試結果利用功率計的量測原理來進行 所有光線穿透的效率，結果顯示本專利之光學膜之光學效 率為89%，接近擴散膜的90.7%，但遠高於擴散板的 75.1%，由數據可知擴散板嚴重損耗光源亮度，所以本專利 之光學膜除了能將光點打散外，在出光效率也有很不錯的 表現。 表3為利用低功率LED陣列模組測試來進行本發明的 光學膜片的照度分佈測試的結果，依照LED排列所計算 〇 出的空間比值（space ratio，LED至光學膜片的距離與LED 之間的間距的比值），共設計出三種形態I、II、III，附件 1至3為表3中形態III搭配不同光學膜的CCD影像與照 度分佈圖，分別為不加光學膜片（附件一），加上習知的擴 散膜（附件二）以及加上本發明光學膜片（附件三）的比較，第 9圖至第11圖為表3中三種形態的照度分佈曲線圖，表4 為其增益值的整理說明，當LED排列不同、間距不同時， 所產生的空間比值會有不同的亮度增加變化，其中形態III ® 的中心增益值達到200%(與不加光學膜片者相比），所以 利用本專利之光學膜片可以在較短的空間距離上有效的將 LED點光源均勻化，並提升整個燈具的照度。 第12圖為利用高功率LED陣列模組進行測試的測試 裝置圖，其中40為壓克力板。附件4的照片表示利用本光 學膜片消除光紋的功能，在增加照度的同時，可以消去多 重投影的現象（光紋）。 第13圖為利用以上的高功率LED陣列的結構所組成 13 201009396 、 的管型LED照明模組。將本發明的光學膜片10彎曲，可 以將基板20上的LED 30高亮度光源，產生環狀的放射效 果，形成燈管狀照明的系統。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

14 201009396 表1

No. 與光源 間隙南 度 放大倍 率 WD (mm ) LED+FD LED+GD LED+ 擴散板 _ 一 3 9x9 67 D 1^1 D * 8.5 20x20 330 D D 三 13 27x27 602 D □ 四 18 35x35 1012 B B 表2 樣本 微瓦 百分比 LED 1523/1570 ( 1546) 100% LED+FD 1374/1378 89.0 LED+GD 1405/1401 90.7 LED+DP 1162 75.1 201009396 表3 形態 空間比值 中央最大輝度增 益比例 I 5 1.5 II 2.2 1.27 III 1 2

16 201009396 ' 【圖式簡單說明】 第1圖為本發明之光學模組的示意圖。 第2圖為LED發出的光線進入光學膜片的示意圖。 第3圖表示光學膜片的形狀為緊密堆積的凸曲面的微 鏡片陣列。 第4圖表示光學膜片為兩個半圓形的凹透鏡及凸透鏡 交錯排列的形狀。 φ 第5圖為本發明的光學膜片的一實施例的剖視圖。 第6圖為本發明的光學膜片的另一實施例的剖視圖。 第7圖為依照第5、6圖的光學膜片所產生的光線的傳 遞的示意圖。 第8圖為本發明之光學膜片的立體圖。 第9圖至第11圖為表3中三種形態的照度分佈曲線 圖。 第12圖為高功率LED陣列模組進行測試的測試 φ 裝置圖。 第13圖為利用高功率LED陣列的結構所組成的管型 LED照明模組。 附件1至3為表3中形態m的咖影像與照 圖。 附件4的照片表示利用本光學膜片消除光紋的功能。 【主要元件符號說明】 7、10〜光學膜片 17 201009396 12〜凸曲面 14〜凹透鏡 16〜凸透鏡 20〜基板 5、30〜LED 40〜壓克力板

Claims (1)

1. 201009396 十、申請專利範圍： 1. 一種多變曲率光學模組，包括： 一光學膜片，包括複數個凹曲面與複數個凸曲面彼此 沿至少一方向交錯排列而成，該等凹曲面沿該方向具有一 凹曲面寬度’該等凸曲面沿該方向具有一凸曲面寬度；以 及 一光源陣列，由複數個發光二極體排列而成，其中該 凹曲面寬度與該凸曲面寬度不相等，來自該光源陣列的光 〇 線穿透該光學膜片。 2. 如申請專利範圍第i項所述之多變曲率光學模 組’其中該等凹曲面具有與該方向垂直的最大深度，該等 凸曲面具有與該方向垂直的最大高度，該最大深度係大於 該凹曲面寬度的1/2’該最大高度係大於該凸曲面寬度的 1/2。 3. 如申請專利範圍第1項所述之多變曲率光學模 組，其中該等凹曲面以及該等凸曲面係沿一第一方向以及 ❹一第二方向交錯排列。 4. 如申請專利範圍第3項所述之多變曲率光學模 組，其中該第一方向係與該第二方向垂直。 5. 如申請專利範圍第1項所述之多變曲率光學模 組’其中該凹曲面寬度以及該凸曲面寬度係沿該方向漸增。 6. 如申請專利範圍第5項所述之多變曲率光學模 組’其中該最大深度以及該最大高度係沿該方向漸增。 7. 如申请專利範圍第5項所述之多變曲率光學模 19 201009396 - 組，其中該最大深度以及該最大高度係沿該方向漸減β 8. 如申請專利範圍第1項所述之多變曲率.光學模 組，其中該凹曲面寬度以及該凸曲面寬度係沿該方向漸減。 9. 如申請專利範圍第8項所述之多變曲率光學模 組，其令該最大深度以及該最大高度係沿該方向漸減。 10. 如申請專利範園第8項所述之多變曲率光學模 組，其中該最大深度以及該最大高度係沿該方向漸增了 11. 如申請專利範圍第1項所述之多變曲率光學模 組，其中該發光二極體至該光學膜片的距離光一 極體的間距的比係小於5。 d發先一 細1^如申请專利範圍帛1項所述之多變曲率光學模 、，，其中該等發光二極體係與該光學膜片等距離設置。 13.如申請專利範㈣i項所述之多變曲率光學模 、“中該等發光二極體係與該光學膜片不等距離設置。 %，其睛專利範圍第1項所述之多變曲率光學模 φ 其中該光學臈片係呈f曲狀。 20