TWI361261B - Aspherical led angular lens for wide distribution patterns and led assembly using the same - Google Patents

Description

1361261 九、發明說明： •【發明所屬之技術領域】 本發明係有關-種非球面寬照角發光二極體光學鏡片及其所構 成的發光二極體組件，尤指一種應用於LED發光源產生光型之光學 鏡片，與所構成的發光二極體組件，而可應用於LED照明、手機或 相機的閃光燈。 一 【先前技術】 φ 發光二極體LED具有低電壓、低耗電、壽命長的優點，已大量應 用於顯示（indicator)、照明（iiluminator)等領域。由於LE：D更具 有光顏色單純、小型化可平面封袭的特點，已使用在手機相機的閃光 燈上。然而由於led晶片發出的光線為點光源、亮度不均勻的特性， 對於光線的聚集已有研究學者進行多項研究，如縮小晶片、提高發光 效率外’使用光學鏡片也是重要的技術開發方向。 在LED光學鏡片的設計上，可分為一次光學鏡片（primary optical lens)及二次光學鏡片（secondary opticai iens); 一次光 • 學鏡片為在LED晶片上直接封裝的透鏡，一般以聚集（concentrate) 光線為主；二次光學鏡片為使用在單顆或數顆LE：D陣列(Array)，以 分散光束為主。在習知的一次光學鏡片設計上，如ES2i57829使用對 稱的非球面透鏡、日本專利JP3032069、JP2002-111068、 JP2005-203499,美國專利 US2006/187653、巾國專利 CN101013193 等使用球面透鏡、JP2002-221658對Bulk型之LED使用球面透鏡等。 對於高階的運用上’ 一次光學鏡片除要能聚集光線外，更能在均勻的 光強度(peak intensity)產生特定的光型（distribution pattern)， 例如大角度、小角度、圓形、橢圓形等特殊光型，以搭配led陣列使 1361261 1別°之寬照角圓形光型所形成的Lm)組件，且光通量比值大於85%的 要求’為使用者迫切的需求。 【發明内容】 本發明主要目的乃在於提供一種非球面寬照角發光二極體光學

鏡片’以應用於LE：D組件上。此LE：D組件係由一發光二極體晶片（LED die)以發出光線、一光學鏡片以聚集光線並以均勻光強度形成大於 120小於180。之寬照角圓形光型、於光學鏡片與發光二極體間係以 封膠(seal gel)所填塞構成。其中，該光學鏡片為一具有凹面及凸面 的光學材料所製成的鏡片，其凹面為向光源的光源側光學面，其凸面 為向像側的像侧光學面，其至少一個光學面為非球面，可滿足以下條 件： ’、 0.1 < <1.0 (1) (2) O.OOl <(iVrf2-l)^< 0.03 (3) 其中’ fs為本光學鏡片之有效焦距（effectivef〇callength)之長 度、R!為光賴光學Φ之解雜、R2為侧絲面之曲率半徑、 d2為中心軸光學鏡片厚度、Nd2為光學鏡片的折射率。 本發明另-目的’為使騎擇方便，就學鏡片可為光學玻璃 光學塑膠所製成。 本發明之又一目的在於提供一種發光二極體組件，其係包含如本 發明所述之非球面寬照肖發光二極體光學鏡片及—發光二極體晶 7 1361261 片，其特徵在於此發光二極體組件，具有大於12〇。小於180。之寬照 角圓形光型、其光通量比值大於85% (々/α^85%)的要求，並滿足以^ 條件：

~22.5<^Ζ± η •Λ^-7-5 (4) 其中， (5) 其中’ fs為本光學鏡片之有效焦距（effectivef〇eallength)之長 度、fg為本光學鏡片之相當焦距（relative f〇cal length)之長度、& 光源側光學面之料半徑、R2為像侧光學面之醉半徑、仏為LyD 晶片發出光線財心軸對稱的最大角度、2 0為經由光學鏡片射出光 f以中心軸對稱的最大角度、4㈣晶片發出光線的光通量 為像側相對無限遠處（100倍fs)光線的光通量。

林叮it本發狀絲鏡片及藉由該光學鏡版成的發光二極體組 tur小於娜之寬照㈣形光型，且符合光通量比值 ^於85_要求’並且該光學鏡片具有簡單的形狀、厚度薄，易於製 ^用可用於早顆LED或_ ，提供予照明或手機、相機之閃光燈 【實施方式】 實施例並配合下列圖示 為使本發明更加明確詳實，茲列舉較佳 將本發明之結構及技術特徵詳述如後·· 8 1361261 參照圖2所示，其係本發明之非球面寬照角發光二極體光學鏡片 及其所構成的發光二極體組件於LED組件之示意圖，其沿著中心轴z -排列由光源至像側依序為：一 LE：D晶片11、一封膠12及一光學鏡片 ’光線由LED晶片11發出後，經由封膠12後，由光學鏡片13將 光線聚集並形成以對稱於中心軸Z之大於120。小於18〇。之寬照角圓 形光型的光束對像侧照射；該光學鏡片13為一具有凹面及凸面的光 學材料所製成的鏡片，其凹面為向光源的光源侧光學面R1，其凸面 為向像侧的像側光學面R2，其至少一個光學面為非球面；光學鏡片 • 13之光學面R1與R2及有效焦距長度間滿足式（1)、式(2)及式（3)之 條件，LED晶片11發射的角度與光學鏡片13所形成的光強度形 成的光型之角度24滿足式(4)之條件。 其中’封膠12並不限制使用何種材料，在led組件上常用光學 樹脂(resin)或矽膠(silicon gel)等不同材料。 光學鏡片13之光學面R1與R2若以非球面光學面所構成，其非 球面之方程式（Aspherical Surface Formula)為式（6) 春 z⑹ 其中，c是曲率，h為鏡片高度，κ為圓錐係數（c〇nic c〇nstant：)、 A*、八6、As、Αω分別四、六、八、十階的非球面係數（Nth〇rder Aspherical Coefficient)。 如圖3為本發明之光路示意圖，LED晶片u發出光線的最大角 度為2ω(以中心軸Z對稱）’經由光學鏡片13聚集並折射後以2必角 度(以中心轴Ζ對稱)形成所需要的光型及0/心7〇%的要求，其中，〇 為LED晶片發出光線的光通量、冷為像側相對無限遠處（1〇〇倍色） 光線的光通量’且忽略空氣的折射(refi>acti〇n)與散射(scattering)等效 9 :0丄 應。再者，該光學鏡片13可以光學_或以絲瓣所製成。 述結構本發明非球面寬照驗光二極體光學鏡片及其所構 fit極體組件可符合大於12G。小於18G。之寬照肖圓形光型， 組件10可發出預定的光型，且符合光通量比值大於85% ( 。)的要求，可為單顆使贼以不同光型組祕列使用。 為說明本發明實際應用的實施例，以LED晶片U使用i社0咖 尺寸的晶片、光學鏡片13使用直徑5mm為說明，以利於比較各實施 例的應用It形’然而’ LED晶片u尺寸與光學鏡片直徑，並非如 以上述尺寸所限。 <第一實施例> 清參考圖2及圖4所示’其分別係本發明之使用光學鏡片於LED 組件之示意圖及第—實施例之光強度分佈與照角之極座標關係圖。 下列表（一）中分別列有由光源側至像側沿中心軸Z之LED晶 片U、封膠12、光學鏡片13之光源側光學面R1與像側光學面幻 之曲率半徑r (單位：mm)(也6 ra(jius 〇f curyature r)、間距d (單 位· mm ) (the on-axis surface spacing )，LED 晶片 11 發出光線的最大 角度為2ω(度deg)、光學鏡片13發出光線光型之最大角度20(度 deg) ’各折射率（凡）、各阿貝數(Abbe’s number)vd、各厚度 (thickness) 〇 1361261 表（一） 2ω= 80 2ψ= :160 --- 編號 光學面 曲率本诞 厚度 Nd Vd 0 光源 0.1000 1 矽勝 0.0500 1.5270 34 2 R1 20.0 1.5015 1.5828 61.7 *3 R2 392.8443 〇〇 4 像側 木非球面 -- 在表(一）中，光學面(Surf)有標註*者為非球面光學面。下列表（二) 為各光學面之非球面式(6)之各項係數： 表（二）

本實施例中，封膠12係利用折射率Ν(Π為丨527、阿貝數_ 為34的透明光學矽膠所填塞；光學鏡片13係利用折射率為 1.5828、阿貝數Vd2為61.7的玻璃材質製成。藉由搭配封膠12及光 學鏡片13之折射係數與阿貝數，形成光線折射角度。LED晶片u •發出α=13.928流明的藍光、有效的最大角度為8〇。，光學鏡片13的 有效焦距之長度fs為-36.114 mm;經由此光學鏡片13聚集後，以160 。寬照角於無限遠處(以1〇〇倍fs為計)之β=13 813流明(忽略空氣的折 射與散射等效應）；式（1)〜(5)分別為： R\ ~R2 0.9031 ^+r2 兄2 2.4589 3·尖·Λ 一 0.0242 1361201 =^足=1式（1)~式(5)。®3為LED⑼11發出的光線，經過 係圖。由Λ片13之光關’圖4為光強度分佈與照角之極座標關

/s=(i~ = 1.7137 n -21.8204 β/α = 98.96% 非球面寬％ 表㈡及圖4輯’藉此可證明本發明之 見…、角發先二極體光學鏡片具有簡單的面形，易於製 明件有預定的光型’其各角度之光強度均―’可提昇本發 <第一實施例> 会5月參考圖2及圖5所示，其分別係本發明之使用光學鏡片於led 件之示忍圖及第二實施例之光強度分佈與照肖之極座標關係圖。 下列表（二）中分別列有由光源側至像側沿中心轴z之led晶 片U封膠12、光學鏡片13之光源側光學面ri與像侧光學面幻 ♦之曲率半徑R、間距d，LEDBW u發出光線的最大角度為〜、光 學鏡片13發出光線光型之最大角度，各折射率⑽）、各阿貝數 W、各厚度(thickness)。表（四）為各光學面之非球面式(6)之各項係 數： 、’、 12 1361261 【圖式簡單說明】 ·· 圖1係習知技藝之使用LED光學鏡片於LED組件之示意圖； 圖2係本發明之使用LED光學鏡片於LED組件之示意圖； 圖3係本發明之LED光學鏡片光路示意圖； 圖4係本發明之第一實施例之LED組件光強度分佈與照角之極座標 關係圖； 圖5係本發明之第二實施例之LED組件光強度分佈與照角之極座標 — 關係圖； 圖6係本發明之第三實施例之組件光強度分佈與照角之極 關係圖； 圖=本發明之第四實施例之LED組件光強度分佈與照角之極座標 關係圖； 圖8 2=0五實關之LED組縣触料触肖之極座標 •圖9 zrtr實施例之LED組件光強度分佈與照角之極座標 圖10係關f糊㈣咐31物㈣之極座標 24

Claims (1)

1361261 十、申請專利範園： 1、一種非球面寬照角發光二極體光學鏡片，其係使用於發光二極體 組件中，沿著中心軸由光源側至像側排列之一發光二極體晶片、 一封膠及一光學鏡片；其特徵在於： 該光學鏡片為一具有一凹面及一凸面的玻璃光學材料所製成的鏡 片，該凹面為向光源的光源側光學面，該凸面為向像側的像侧光 予面，其至少一個光學面為非球面；並滿足以下條件： R,-R, 其中’ Ri為該光學鏡片光源側絲面之料半徑、R2為該光學鏡 片像側光學面之曲率半徑。 2 :申3利範圍第1項所述之非球面寬照角發光二極體光學鏡 ，其中該光學鏡片更進一步滿足以下條件·· _ _ /?2 <18 之長度、Rl為該光學鏡片光源 側先于面之鲜+徑、d2為中吻上該光學鏡片厚度。 0 001 £ (jVrf2 - 1)^L ^ Q Q3 J s 片申===上項，述之非球面寬照角發光二極體光學鏡 片其中5亥先學鏡片係更進一步滿足以下條件： 片厚度'd2射轉上該光學鏡 4、:=::2^ 26 1361261 0.001 <(A^rf2-1)^-<0.03 J s 其中，fs為該絲鏡>{之有效焦距之長度、ώ為巾心轴上 片厚度、Nd2為該光學鏡片的折射率。 X 5、 如申請專利翻第1項所狀鱗面寬照肖發光二極體光 片，其中該光學鏡片係由塑膠材質所製成。 予兄 6、 -種發光二極體組件，其係包含如申請專利範圍第1至 任-項所述之非球面寬照角魏二極體光學鏡片及—發光二2 =曰片，其特徵在於該發光二極體組件，具有大於l2(r小於— 寬照角圓形光型，並滿足以下條件： 之 -22.5 < f <_7.5 η δ 其中 其中，％為該光學鏡狀相t _之長度、fs為 之 效焦距之長度、Rl _絲_光_絲面=片 ==彳光學面之曲率半徑、-該發光二= 先峨學鏡片射出 7 學鏡 、，申請專利細第6項所述之發光二極敝件其愧 ==光、_絲量雜_對舰遠處的級量比值，^足 ^/«>85% 其中 a 為該發光二極體晶片發出光_絲量、料該發光 27 1361261 極體組件像侧相對無限遠處忽略空氣的折射與散射等效應之光通 量。 8、如申請專利範圍第6項所述之發光二極體組件，其中該非球面寬 照角發光二極體光學鏡片係由塑膠材質所製成。

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