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TWI490556B - 透鏡及具有該透鏡的發光元件 - Google Patents

透鏡及具有該透鏡的發光元件 Download PDF

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TWI490556B
TWI490556B TW102130118A TW102130118A TWI490556B TW I490556 B TWI490556 B TW I490556B TW 102130118 A TW102130118 A TW 102130118A TW 102130118 A TW102130118 A TW 102130118A TW I490556 B TWI490556 B TW I490556B
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Yau Tzu Jang
Chao Hsiung Chang
Pin Chuan Chen
Lung Hsin Chen
Wen Liang Tseng
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Advanced Optoelectronic Tech
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
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    • F21—LIGHTING
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Description

透鏡及具有該透鏡的發光元件
本發明涉及一種光學透鏡，尤其涉及一種可提高光源的出光顏色均勻度的光學透鏡以及具有該透鏡的發光元件。
發光二極體(Light Emitting Diode，LED)是一種可將電流轉換成特定波長範圍的光電半導體元件。發光二極體以其亮度高、工作電壓低、功耗小、易與積體電路匹配、驅動簡單、壽命長等優點，從而可作為光源而廣泛應用於照明領域。為了更好地利用發光二極體，業界通常在對發光二極體封裝後在其周圍包覆一透鏡對光進行二次光學校正。
習知發光二極體封裝結構的出光角度一般為90度到120度，其出光角中央的光線強度較強，周圍的光線強度較弱。該種光線強度不均的光線經過透鏡折射後，仍具有光線強度分佈不均的問題。而且，由於透鏡對不同顏色的光的折射率不同，使得該發光二極體封裝結構發出的光容易在透鏡的外周緣產生有色光圈，導致經透鏡出射的光線顏色分佈不均勻，進而影響發光元件的整體出光效果。故，需進一步改進。
有鑒於此，有必要提供一種出射光線顏色分佈均勻的透鏡及具有該透鏡的發光元件。
一種透鏡，包括底面、頂面以及側面，所述底面與頂面相對設置，所述側面連接在所述底面和頂面之間，該底面中部朝該頂面凹陷形成一光學曲面，該頂面朝底面方向凹入而形成圓錐面，該側面包括第一環面和與第一環面連接的第二環面，所述第一環面與所述圓錐面連接，所述第二環面與所述底面連接，所述第一環面和第二環面上設置有複數微結構形成粗糙面，所述第一環面靠近底面的一端低於所述頂面的最低點，所述第二環面自第一環面靠近底面的一端向外彎曲凸伸形成並連接該第一環面及所述底面。
一種發光元件，包括發光二極體光源及覆蓋所述發光二極體光源的透鏡，所述透鏡包括底面、頂面以及側面，所述底面與頂面相對設置，所述側面連接在所述底面和頂面之間，所述底面中部朝所述頂面凹陷形成一光學曲面，所述頂面朝底面方向凹入而形成圓錐面，所述側面包括第一環面和與第一環面連接的第二環面，所述第一環面與所述圓錐面連接，所述第二環面與所述底面連接，所述第一環面和第二環面上設置有複數微結構形成粗糙面，所述發光二極體光源發出的光線經所述光學曲面進入透鏡，部分光線經頂面反射至所述第一環面出射，部分光線直接由所述第二環面出射。
與現有技術相比，本發明提供的透鏡及發光元件中，由於透鏡頂面為圓錐面，側面包括第一環面和第二環面，該第一環面和第二環面均為粗糙面，當透鏡配合發光二極體光源時，發光二極體光源發出的光線經該光學曲面進入該透鏡，部分光線經頂面反射至所述第一環面出射，部分光線直接由所述第二環面出射，使得經透鏡粗糙的第一環面和第二環面出射的光線發生散射而混合均勻 ，進而使得所述發光元件發出的光線顏色分佈均勻。
100‧‧‧發光元件
10‧‧‧發光二極體光源
20‧‧‧透鏡
11‧‧‧基板
12‧‧‧發光二極體晶片
13‧‧‧封裝層
21‧‧‧底面
22‧‧‧頂面
23‧‧‧側面
24‧‧‧固定腳
25‧‧‧凹槽
251‧‧‧光學曲面
231‧‧‧第一環面
232‧‧‧第二環面
233‧‧‧微結構
OO’‧‧‧光軸
圖1為本發明一實施方式提供的發光元件的剖面示意圖。
圖2為圖1中發光元件的側視圖。
圖3為本發明另一實施方式提供的發光元件的側視圖。
請參閱圖1和圖2，為本發明發光元件100的第一較佳實施例，該發光元件100包括一發光二極體光源10及覆蓋該發光二極體光源10的透鏡20。
具體的，該發光二極體光源10為成型的發光二極體封裝體，其包括基板11，設置在基板11上的發光二極體晶片12及覆蓋該發光二極體晶片12的封裝層13。該發光二極體晶片12與基板11上的兩電極結構(圖未示)形成電性連接，以後續與印刷電路板(圖未示)電性連接產生光線。該發光二極體晶片12產生的光線經該封裝層13射出至該透鏡20。可以理解的，所述發光二極體晶片12可以是多種不同波長的晶片組合。
所述透鏡20包括底面21、頂面22、連接在底面21和頂面22之間的側面23及設置在底面21的固定腳24。本實施例中，所述透鏡20具有一個光軸OO’，且透鏡20沿該光軸OO’呈軸對稱。所述透鏡20製作材料可以選自聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯以及玻璃等中的任意一種。
所述底面21與頂面22相對設置。具體的，所述底面21為平面，該底面21中部朝該頂面22凹陷形成一凹槽25，所述凹槽25具有一光 學曲面251。該凹槽25靠近該底面21的一端的輪廓呈圓柱狀，該凹槽25靠近頂面22的一端的輪廓成圓錐狀。所述發光二極體光源10設置在該透鏡20的光軸OO’上，所述封裝層13抵頂於該凹槽25週邊的底面21，即該封裝層13的尺寸略大於該凹槽25在底面21上的開口尺寸。
所述頂面22朝該底面21方向凹入而呈圓錐面形狀，該頂面22凹入的最低點高於該凹槽25朝頂面22凹陷的最高點。根據光學需要，所述圓錐面的半頂角小於或等於60度，從而使進入透鏡20的部分光線在該頂面22上發生全反射，提高發光二極體光源10的出光角度。優選的，所述圓錐面的半頂角的夾角範圍為30度至60度。
所述側面23連接在該底面21與頂面22之間。具體的，所述側面23包括第一環面231和與該第一環面231鄰接的第二環面232，該第一環面231位於靠近該頂面22的一端並與該頂面22相接，該第二環面232位於靠近該底面21的一端並與該底面21相接。所述第一環面231的底端所在平面略低於該頂面22的最低點，即該第一環面231的高度略大於該頂面22凹入的深度。例如可在該頂面22的最低點與該凹槽25朝頂面22凹陷的最高點之間。本實施例中，該第一環面231大致為圓柱面形狀，所述發光二極體光源10所發出的部分光線經該頂面22反射後自該第一環面231出射到外界環境。該第二環面232連接於該第一環面231與該底面21之間，該第二環面232自該第一環面231靠近該底面21的一端向外彎曲凸設形成一環形凸面。所述發光二極體光源10發出的位於大發光角度的部分光線直接經該第二環面232出射至外界環境。
所述第一環面231和第二環面232上均設置複數微結構233而形成 粗糙表面，使得光線經該第一環面231和第二環面232出射後發生散射而混合均勻，進而使出射光線的顏色分佈均勻。所述微結構233可經由磨砂或蝕刻等技術形成。本實施例中，每一微結構233呈圓環狀凹槽連續延伸、並沿透鏡20的周緣水平分佈形成，也即第一微結構233的圓環狀凹槽與底面平行。可以理解的，請參閱圖3，其他實施例中，所述微結構233可沿透鏡20的周緣縱向分佈形成，從而使位於第一環面231的微結構233呈直線狀凹槽，位於第二環面232的微結構233在豎直平面內延伸形成弧狀凹槽。
所述固定腳24自透鏡20的底面21朝遠離該頂面22的方向延伸而成，用於後續將透鏡20嵌設固定至印刷電路板(圖未示)上。該固定腳24呈倒置的錐形柱狀結構，即該固定腳24的直徑沿遠離透鏡20底面21的方向逐漸減小。該固定腳24的高度與該發光二極體光源10的高度相等。本實施例中，該固定腳24的數量為三，所述三個固定腳24相互間隔、並環繞光軸OO’均勻設置於該透鏡20的底面21上。可以理解的，該固定腳24可自透鏡底面21一體延伸形成。可以理解的，其他實施例中該固定腳24也可為其他數量。
工作時，所述發光二極體光源10發出的光線經該光學曲面251進入透鏡20，射向頂面22的部分光線在該頂面22處發生全反射，而朝遠離透鏡20光軸OO’的方向偏折向所述第一環面231進而出射。另有部分出光角度較大的光線進入透鏡20後直接射向該第二環面232而折射出去。由於該第一環面231和第二環面232均為粗糙表面，使得光線經該第一環面231和第二環面232出射後發生散射而混合均勻，進而使出射光線的顏色分佈均勻。
與現有技術相比，本發明提供的發光元件100中，由於透鏡20頂 面22為圓錐面，側面23包括第一環面231和第二環面232，所述第一環面231和第二環面232均為粗糙面，當透鏡20配合發光二極體光源10時，發光二極體光源10發出的光線經該光學曲面251進入該透鏡20，進入透鏡20的部分光線經頂面22反射偏折至所述第一環面231進而出射，進入透鏡20的部分出光角度較大的光線直接由所述第二環面232出射，使得經透鏡20粗糙的第一環面231和第二環面232出射的光線發生散射而混合均勻，進而使得所述發光元件100發出的光線顏色分佈均勻。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限製本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧發光元件
10‧‧‧發光二極體光源
20‧‧‧透鏡
11‧‧‧基板
12‧‧‧發光二極體晶片
13‧‧‧封裝層
21‧‧‧底面
22‧‧‧頂面
23‧‧‧側面
24‧‧‧固定腳
25‧‧‧凹槽
251‧‧‧光學曲面
231‧‧‧第一環面
232‧‧‧第二環面
233‧‧‧微結構
OO’‧‧‧光軸

Claims (9)

  1. 一種透鏡，包括底面、頂面以及側面，所述底面與頂面相對設置，所述側面連接在所述底面和頂面之間，所述底面中部朝所述頂面凹陷形成一光學曲面，其改良在於：所述頂面朝底面方向凹入而形成圓錐面，所述側面包括第一環面和與第一環面連接的第二環面，所述第一環面與所述圓錐面連接，所述第二環面與所述底面連接，所述第一環面和第二環面上設置有複數微結構形成粗糙面，所述第一環面靠近底面的一端低於所述頂面的最低點，所述第二環面自第一環面靠近底面的一端向外彎曲凸伸形成並連接該第一環面及所述底面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中，所述第一環面呈圓柱面形狀，所述第二環面自該第一環面靠近該底面的一端向外彎曲凸設形成一環形凸面，每一微結構在第一、第二環面上連續延伸形成與底面平行的圓環狀凹槽。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中，所述第一環面呈圓柱面形狀，所述第二環面自該第一環面靠近該底面的一端向外彎曲凸設形成一環形凸面，在第一環面上的每一微結構在豎直平面內連續延伸形成直線狀凹槽，在第二環面上的每一微結構在豎直平面內連續延伸形成弧狀凹槽。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中，所述圓錐面的半頂角處於30度到60度之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之透鏡，其中，還包括複數固定腳設置在透鏡底面上，所述複數固定腳相互間隔並環繞該光學曲面均勻設置在所述底面上。
  6. 一種發光元件，包括發光二極體光源及覆蓋所述發光二極體光源的透鏡 ，所述透鏡包括底面、頂面以及側面，所述底面與頂面相對設置，所述側面連接在所述底面和頂面之間，所述底面中部朝所述頂面凹陷形成一光學曲面，其改良在於：所述頂面朝底面方向凹入而形成圓錐面，所述側面包括第一環面和與第一環面連接的第二環面，所述第一環面與所述圓錐面連接，所述第二環面與所述底面連接，所述第一環面和第二環面上設置有複數微結構形成粗糙面，所述發光二極體光源發出的光線經所述光學曲面進入透鏡，部分光線經頂面反射至所述第一環面出射，部分光線直接由所述第二環面出射，所述第一環面靠近底面的一端低於所述頂面的最低點，所述第二環面自第一環面靠近底面的一端向外彎曲凸伸形成並連接該第一環面及所述底面。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，其中，所述第一環面呈圓柱面形狀，所述第二環面自該第一環面靠近該底面的一端向外彎曲凸設形成一環形凸面，每一微結構在第一、第二環面上連續延伸形成圓環狀凹槽，每一圓環狀凹槽與底面平行。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，其中，所述第一環面呈圓柱面形狀，所述第二環面自該第一環面靠近該底面的一端向外彎曲凸設形成一環形凸面，在第一環面上的每一微結構在豎直平面內連續延伸形成直線狀凹槽，在第二環面上的每一微結構在豎直平面內連續延伸形成弧狀凹槽。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，其中，所述發光二極體光源設置在所述透鏡的光軸上，所述發光二極體光源抵頂於該凹槽週邊的底面。
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