CN101078781A - 透镜、具有透镜的发光装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种具有产生侧面发光的透镜及利用所述透镜的发光装置，包含一基座、一装设在基座上的发光半导体元件及一透镜。透镜用来将发光半导体元件所发出的光束导引至侧向方向射出，透镜包括一底面、一相对于底面在上方的反射面及一在两侧面的折射出射面。底面是面对发光半导体元件设置，反射面使部份穿透底面进入透镜的发光半导体元件光束被反射至侧向方向射出。折射出射面由反射面边缘往底面延伸。且折射出射面使另一部分穿透底面进入透镜的发光半导体元件光束及经反射面反射的光束被折射出透镜。透镜外形由反射面及折射出射面交界处往底面方向逐渐增大。

Description

透镜、具有透镜的发光装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种透镜、发光装置及其制造方法，特别是涉及一种侧向发光透镜、具有透镜的发光装置及其制造方法。

背景技术

如图1所示，为美国专利第6,607,286号专利案，关于一种用于侧向发光的透镜，透镜主要具有一底面11、一全反射面12、一第一折射面13及一第二折射面14，全反射面12呈漏斗形状，用以将部份从底面11来的光束(与中央轴10夹小角度部份)朝侧向全反射，被全反射面12反射的光束接着经过第一折射面13以接近水平方向折射出透镜；第二折射面14呈锯齿状，用以将部份从底面11来的光束(与中央轴10夹大角度部份)以一接近水平方向折射出透镜。

然而，此种透镜由于其形状复杂(锯齿尖端)，精确度要求高，所以制作不易(脱模困难)，且其模具复杂，除开模成本高外，尚须使用滑块设计，并以套盖方式进行安装，再以胶材物质填充，制程繁复。此外，全反射对于角度的要求限制高，容易造成出光角度的失真，且此透镜虽是标榜为将光源侧射，但是中心部份仍有部份光源为直射出光(约占10-20％)。

如图2所示，为另一种用于侧向发光的透镜，由于其全反射面12与第一折射面13夹成锐角尖端，与上述同样地，具有制作不易、模具复杂等的缺点。

发明内容

本发明的目的在提供一种用来将一发光半导体元件所发出的光束导引至侧向方向射出的透镜。

本发明的另一目的在提供一种用来将一发光半导体元件所发出的光束导引至侧向方向射出的透镜。

本发明的再一目的在提供一种用来将一发光半导体元件所发出的光束导引至侧向方向射出的透镜装置。

本发明的又一目的在提供一种用来将一发光半导体元件所发出的光束导引至侧向方向射出的透镜装置。

本发明的另一目的在提供一种用来将一发光半导体元件所发出的光束导引至侧向方向射出的制造具有透镜的发光装置的方法。

本发明透镜，用来将一发光半导体元件所发出的光束导引至侧向方向射出，透镜包含一底面、一相对于底面的反射面及一折射出射面，反射面是呈一火山口状的内凹弧面。底面是面对发光半导体元件设置，折射出射面是由反射面边缘往底面延伸，反射面使部份穿透底面进入透镜的发光半导体元件光束全部或部份被反射至侧向方向射出，且折射出射面使另一部份穿透底面进入透镜的发光半导体元件光束及经反射面反射的光束被折射出透镜。透镜外形由反射面及折射出射面交界处往底面方向逐渐增大，使透镜上部截面投影是落在透镜下部截面投影范围内。

本发明透镜，用来将一发光半导体元件所发出的光束导引至侧向方向射出，透镜包含一底面、一相对于底面的浪形面及一折射出射面。底面是面对发光半导体元件设置，折射出射面是由浪形面边缘往底面延伸，浪形面使部份穿透底面进入透镜的发光半导体元件光束被反射至侧向方向射出，且折射出射面使另一部份穿透底面进入透镜的发光半导体元件光束及经浪形面反射的光束被折射出透镜。

本发明具有透镜的发光装置包含一基座、一装设在基座上的发光半导体元件及一透镜。透镜用来将发光半导体元件所发出的光束导引至侧向方向射出，透镜包括一底面、一相对于底面的反射面及一折射出射面，反射面是呈一火山口状的内凹弧面。底面是面对发光半导体元件设置，折射出射面是由反射面边缘往底面延伸，反射面使部份穿透底面进入透镜的发光半导体元件光束被反射至侧向方向射出，且折射出射面使另一部份穿透底面进入透镜的发光半导体元件光束及经反射面反射的光束被折射出透镜。透镜外形由反射面及折射出射面交界处往底面方向逐渐增大，且透镜上部截面投影是落在透镜下部截面投影范围内。

本发明具有透镜的发光装置包含一基座、一装设在基座上的发光半导体元件及一透镜。透镜用来将发光半导体元件所发出的光束导引至侧向方向射出，透镜包括一底面、一相对于底面的浪形面及一折射出射面。底面是面对发光半导体元件设置，折射出射面是由浪形面边缘往底面延伸，浪形面使部份穿透底面进入透镜的发光半导体元件光束被反射至侧向方向射出，且折射出射面使另一部份穿透底面进入透镜的发光半导体元件光束及经浪形面反射的光束被折射出透镜。

本发明制造具有透镜的发光装置的其中一种方法包含下列步骤：

a)安装一发光半导体元件至一基座上。

b)灌注可透光胶状物质至一模具内，模具具有至少一模穴，膜穴外形在中央处内凹，且膜穴上部截面是落在模穴下部截面范围内。

c)将所述基座与所述模具对位。

d)固化。

e)脱模。

本发明制造具有透镜的发光装置的另一种方法包含下列步骤：

a)置备一透镜套盖，透镜套盖外形在中央处内凹，且透镜套盖上部截面投影是落在透镜套盖下部截面投影范围内。

b)置备一发光半导体元件及一基座。

c)将基座与透镜套盖对位接合，且发光半导体元件介于透镜套盖及基座之间。

d)灌注可透光胶状物质至透镜套盖内。

e)固化。

本发明制造具有透镜的发光装置的另一种方法包含下列步骤：

a)置备一透镜，透镜外形在中央处内凹，且透镜上部截面投影是落在透镜下部截面投影范围内。

b)置备一发光半导体元件及一基座。

c)将基座与透镜对位接合，且发光半导体元件介于透镜及基座之间。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

图1是以往发光二极管透镜的剖面图。

图2是另一种以往发光二极管透镜的剖面图。

图3是本发明具有透镜的发光装置的一第一最佳实施例的剖面图。

图4是所述第一实施例的实验数据图。

图5是实施所述第一实施例的流程图。

图6是一示意图，说明透镜如何从模具脱离。

图7是实施所述第一实施例的另一流程图。

图8是一示意图，说明中空的透镜套盖。

图9是实施所述第一实施例的另一流程图。

图10是本发明具有透镜的发光装置的一第二最佳实施例的剖面图。

图11是图10中一反射面的局部放大图。

图12是所述第二实施例的实验数据图。

图13是本发明具有透镜的发光装置的一第三最佳实施例的剖面图。

图14是所述第三实施例的实验数据图。

具体实施方式

在本发明被详细描述之前，要注意的是，在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示。

如图3所示，本发明具有透镜的发光装置的第一最佳实施例包含一基座2、一发光半导体元件3及一透镜4，而发光半导体元件3则介于透镜4之下(也就是说，介于基座2与透镜4之间)。吾人可定义一垂直通过透镜4的假想中心轴5，发光半导体元件3及透镜4皆对称或接近对称于中心轴5。

基座2为一般以往的封装发光半导体元件所用的基座，可以是塑料包覆金属支架、一直立式支架、一平面式支架或一食人鱼支架，当然不以此为限。发光半导体元件3设置于基座2上，并经固晶打线封装，由于此为在此技术领域具有通常知识者所知悉的技术，所以不赘述。

透镜4用来将发光半导体元件3所发出的光线导引至侧向方向射出，透镜4可为一般透光的热塑型高分子材料射出成型，例如：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)，或为可透光的热固型塑料灌胶而成，例如：环氧树脂(epoxy)或硅胶(silicone)等，也可以是透光的玻璃以模具成型。折射率介于1.2-1.8尤佳。且透镜4包括有一底面41、一反射面42及一折射出射面43。底面41是面对发光半导体元件3且与基座2相接，反射面42是相对于底面41，且反射面42为一呈V字形面，中心轴5并通过V字形面的中央。反射面42表面镀有反射层，反射层可以选择是部份可透光或全部不透光的镀层材料及厚度。反射面42使部份穿透底面41进入透镜4的发光半导体元件3光束被全部或部份反射至侧向方向射出，折射出射面43是由反射面42边缘往底面41延伸，本例中，折射出射面43为一曲面或为球面的一部份，使另一部份穿透底面41进入透镜4的发光半导体元件3光束及经反射面42反射的光束被折射出透镜4，透镜4外形由反射面42及折射出射面43交界处往底面41方向逐渐增大，使透镜4上部截面投影是落在透镜4下部截面投影范围内。

上述为组件介绍，以下详述其作动原理。

首先，由发光半导体元件3发出的光束有部份打至反射面42，且另一部份打至折射出射面43，定义透镜反射面42左右最远外侧与中心轴5夹一角度θ(介于49-62度为佳)，反射面42中心凹处最低点与底面41中心点的距离为h(0.8mm-1.4mm为佳)，且反射面42上可借涂布、灌注、电镀或蒸镀等表面处理设置有一反射镀层421以增加其对光的反射效率，借此，反射面42可将由底面41穿透进入且与中心轴5夹较小角度的光束朝侧向方向反射，且折射出射面43接着将反射光束折射出透镜4。而另一部份经由底面41穿透进入且与中心轴5夹较大角度的光束则直接打至折射出射面43上经折射而往透镜四周水平方向射出。因此，本发明可将原本朝上发散射出的发光半导体元件3所产生的光束转向为往四周水平方向射出。且反射镀层421可加强光的反射效率外，更能显著减少发光半导体元件产生中心部份之直射光源穿透透镜上部而出。如图4所示，为利用本发明的实验数据图，图中明白显示，光强度分布在中心轴5角度较小时(0-15度)光强度接近于零，而在距离中心轴5角度为80度左右，光强度最强。当然，反射镀层421的镀膜材质及厚度可以经由适当调整其透光比例，使发光半导体元件3产生的光打到反射面42时，有部份的光可以穿透透镜而出。此时，光强度分布在距离中心轴5角度较小部份(0-15度)，光强度不致于为零。

上述具有透镜4的发光装置，在下述的方法说明后，当可更清楚明白。

如图5所示，首先进行步骤61，将发光半导体元件3安装至基座2上，包括固晶打线等动作，本例中是以多个发光半导体元件3及多个基座2说明(也可为单一数目)，基座2可排成长条状或数组状。

接着进行步骤62，提供一模具7，如图6所示，模具7包括多个模穴71，模穴71可排列呈数组状或长条状，且每一模穴71形状对应上述透镜4的外形，也就是说膜穴71外形在中央处内凹，膜穴71上部截面是落在模穴71下部截面范围内。

然后进行步骤63，将可透光的胶状物质灌注至模穴71内，胶状物质包括但不限于热固型树脂(epoxy或silicone)等。

再进行步骤64，将基座2连同发光半导体元件3置于模具7上使其对位，也就是说，如图6所示，将基座2倒置使发光半导体元件3浸入胶状物质中。

进行步骤65，烘烤使可透光胶状物质固化。

继续步骤66，脱模，将已固化的胶状物质脱离模具7，固化的树脂物质即形成上述外形上小下大的透镜4，且由于透镜4外形为上小下大，所以脱模容易。

最后进行步骤67，形成反射镀层421在透镜4的V字形面上，包括但不限于涂布、灌注、电镀或蒸镀等表面处理。

加以说明的是，由于透镜4的外形为上小下大，相较于以往形状复杂的外形，本发明不但脱模容易，且制成品良率高。此外，特别注意步骤63及64，上述步骤虽是先灌胶而后再对位，但熟习技艺者当知，也可为先对位后，再灌胶，不应以此为限，且步骤64中模具7及基座2关也不限于如图6所示的倒置，也就是说，也可使模具7在上而基座2在下。

需注意的是，上述制造具有透镜的发光装置的方法除了利用模具7达成外，也可不利用模具7完成，其说明如下：

如图7所示，首先进行步骤81，置备一透镜套盖80(如图8所示)，此透镜套盖80具有上述透镜的外形，也就是说透镜套盖80外形在中央处内凹，且透镜套盖80上部截面投影是落在透镜套盖80下部截面投影范围内，但是其内部为中空。

接着进行步骤82，置备发光半导体元件3及基座2，发光半导体元件3是经固晶打线在基座2上。

然后进行步骤83，将基座2与透镜套盖80对位接合，使得发光半导体元件3位在透镜透盖80下方，也就是说发光半导体元件3介于透镜套盖80及基座2之间。

再进行步骤84，灌注可透光胶状物质至透镜套盖80内，例如注射可透光胶状物质方式以填满透镜套盖80的中空容室。

继续进行步骤85，烘烤使可透光胶状物质固化。

最后进行步骤86，形成反射镀层421在透镜套盖80的表面上，包括但不限于涂布、灌注、电镀或蒸镀等表面处理。特别说明的是，反射镀层421并不限于在最后步骤施行，也可于先前步骤中预先实施，不应以此为限。

此外，本发明还提供先行完成透镜4制作然后再与发光半导体元件3及基座2组合的制造具有透镜的发光装置的方法。

如图9所示，首先进行步骤91，置备如上述具上小下大外形的实心透镜4，透镜4的物质包括但不限于透光的热塑性高分子材料，或热固型塑料或玻璃，利用以往的技术在其反射面42部份形成反射镀层421。

接着进行步骤92，置备发光半导体元件3及一基座2，发光半导体元件3是经固晶打线及封装在基座2上。

然后进行步骤93，将基座2与透镜4对位接合，使得发光半导体元件3位在透镜4下方，也就是说发光半导体元件3介于透镜4及基座2之间，透镜4与基座2之间可用胶黏合，使透镜4与基座2牢固。

此方法与前述方法不同的地方在于，前述方法是置备中空的透镜套盖80使用，而此方法则是使用实心的透镜4。

如图10所示，本发明具有透镜的发光装置的第二最佳实施例，与第一最佳实施例相同地包含有一基座2、一发光半导体元件3及一透镜4，而发光半导体元件3则介于透镜4之下(也就是说，介于基座2与透镜4之间)。吾人可定义一垂直通过透镜4的假想中心轴5，发光半导体元件3及透镜4皆对称或接近对称于中心轴5。

与前述第一最佳实施例不同的地方在于，本例中，如图11所示，V字形面的表面具有呈阶梯状连续延伸的多个凸面。

本例中，透镜4体积由反射面42及折射出射面43交界处大致上往底面41方向逐渐增大，借此，透镜4的外形为上小下大，相较于以往形状复杂的外形，不但脱模容易，且阶梯状连续延伸的凸面设计加强水平侧射效果，如图12所示，为利用此具阶梯状连续延伸的凸面外形的透镜4的发光装置的实验数据图，光强度分布在距离中心轴5角度较小时(0-15度)光强度接近于零，而在距离中心轴5角度为80度左右，光强度最强。由于光束在透镜4内的转向原理及透镜制造方法已在前述第一最佳实施例介绍，所以不再赘述，而需注意的是此处供透镜4成形的模穴71外形也必须对应阶梯状连续延伸的凸面。

如图13所示，本发明具有透镜的发光装置的第三最佳实施例，其与前述第一最佳实施例相同地包含一基座2、一发光半导体元件3及一透镜4，而发光半导体元件3则介于透镜4之下(也就是说，介于基座2与透镜4之间)。吾人可定义一垂直通过透镜4的假想中心轴5，发光半导体元件3及透镜4皆对称或接近对称于中心轴5。

与前述第一最佳实施例不同的地方在于，本例中，反射面42为一以波浪状延伸的浪形面，且其波形振幅是朝远离中心轴5方向渐减，反射面42在接近中心轴5两侧处交接形成一各圆弧凹面，在接近反射面42及折射出射面43交界处大致趋于平缓。也就是说，在接近中心轴5及接近底面41处波形起伏较大，而在远离中心轴5处波形起伏较小，借此，相较于前述最佳实施例，本例具有更佳的侧射效果，如图14所示，为第三最佳实施例的实验数据图，相较于图4及图12，图14的光强度分布在距离中心轴5角度较小(0-25度)时光强度更接近于零，而在距离中心轴5角度为70度左右，光强度更强。另外，第二实施例的实验数据(图12)则是波峰值更远离中心轴5。

本发明具有透镜的发光装置，在反射面42上设有反射镀层421，不但可将大部份光束朝侧向反射，加大出光效率，也可避免中心部份的光源直射，以达到真正的侧向发光效果。由于折射出射面43设计为曲面或球面的一部份，不采用锯齿面，且透镜4外形由上至下为渐增，所以使其模具制作容易，且灌胶烘烤后透镜4脱模容易，连带简化制程(以往脱模不易、制程繁复)，此外，本发明也揭露另外两种不需使用模具7的制造方法，同样可组装制成发光装置。在反射面42部份，除了在第一最佳实施例中揭露透镜4的反射面42为线性的V字形面之外，透镜的反射面42表面也可为阶梯状连续延伸的凸面(第二最佳实施例)或是朝远离中心轴5方向振幅渐减的浪形面(第三最佳实施例)。

Claims (22)

1.一种透镜，用来将一发光半导体元件所发出的光束导引至侧向方向射出，所述透镜包含一底面、一反射面及一折射出射面，其特征在于：

所述底面面对所述发光半导体元件设置，所述反射面相对于所述底面，所述折射出射面由所述反射面边缘往所述底面延伸，所述反射面使部份穿透所述底面进入所述透镜的所述发光半导体元件光束被反射至侧向方向射出，且所述折射出射面使另一部份穿透所述底面进入所述透镜的所述发光半导体元件光束及经所述反射面反射的光束被折射出所述透镜，所述透镜外形由所述反射面及所述折射出射面交界处往所述底面方向逐渐增大，且所述透镜上部截面投影是落在所述透镜下部截面投影范围内。

2.如权利要求1项所述的透镜，其特征在于：

所述折射出射面为一曲面。

3.如权利要求1项所述的透镜，其特征在于：

所述反射面上设置有一反射镀层，所述反射镀层是全部不透光及部份透光其中一种。

4.如权利要求1项所述的透镜，其特征在于：

所述反射面的表面呈波浪状延伸。

5.如权利要求7项所述的透镜，其特征在于：

定义一通过所述透镜的中心轴，所述透镜对称于所述中心轴，且所述反射面表面的波形振幅朝远离所述中心轴方向渐减。

6.一种透镜，用来将一发光半导体元件所发出的光束导引至侧向方向射出，其特征在于：

所述透镜包含一底面、一浪形面及一折射出射面，所述底面面对所述发光半导体元件设置，所述浪形面相对于所述底面，所述折射出射面由所述浪形面边缘往所述底面延伸，所述浪形面使部份穿透所述底面进入所述透镜的所述发光半导体元件光束被反射至侧向方向射出，且所述折射出射面使另一部份穿透所述底面进入所述透镜的所述发光半导体元件光束及经所述浪形面反射的光束被折射出所述透镜。

7.如权利要求6项所述的透镜，其特征在于：

所述出射面为一曲面。

8.如权利要求6项所述的透镜，其特征在于：

所述浪形面表面具有呈阶梯状连续延伸的多个凸面。

9.如权利要求6项所述的透镜，其特征在于：

定义一通过所述透镜的中心轴，所述透镜对称于所述中心轴，且所述浪形面的波形振幅朝远离所述中心轴方向渐减。

10.一种具有透镜的发光装置，包含一基座、一发光半导体元件及一透镜，其特征在于：

所述发光半导体元件设置在所述基座上，所述透镜用来将所述发光半导体元件所发出的光束导引至侧向方向射出，所述透镜包括一底面、一反射面及一折射出射面，所述底面面对所述发光半导体元件设置，所述反射面相对于所述底面，所述折射出射面由所述反射面边缘往所述底面延伸，所述反射面使部份穿透所述底面进入所述透镜的所述发光半导体元件光束被反射至侧向方向射出，且所述折射出射面使另一部份穿透所述底面进入所述透镜的所述发光半导体元件光束及经所述反射面反射的光束被折射出所述透镜，所述透镜外形由所述反射面及所述折射出射面交界处往所述底面方向逐渐增大，且所述透镜上部截面投影是落在所述透镜下部截面投影范围内。

11.如权利要求10项所述的具有透镜的发光装置，其特征在于：

所述基座为选自于一直立式支架、一平面式支架及一食人鱼支架所组成的群体中的一者。

12.如权利要求10项所述的具有透镜的发光装置，其特征在于：

所述折射出射面为一曲面。

13.如权利要求10项所述的具有透镜的发光装置，其特征在于：

所述反射面上设置有一反射镀层。

14.如权利要求10项所述的具有透镜的发光装置，其特征在于：

所述V字形面的表面具有呈阶梯状连续延伸的多个凸面。

15.如权利要求10项所述的具有透镜的发光装置，其特征在于：

所述反射面的表面呈波浪状延伸。

16.如权利要求15项所述的具有透镜的发光装置，其特征在于：

定义一通过所述透镜的中心轴，所述透镜对称于所述中心轴，且所述反射面表面的波形振幅朝远离所述中心轴方向渐减。

17.一种具有透镜的发光装置，包含一基座、一发光半导体元件及一透镜，其特征在于：

所述发光半导体元件设置在所述基座上，所述透镜用来将所述发光半导体元件所发出的光束导引至侧向方向射出，所述透镜包括一底面、一浪形面及一折射出射面，所述底面面对所述发光半导体元件设置，所述浪形面相对于所述底面，所述折射出射面由所述浪形面边缘往所述底面延伸，所述浪形面使部份穿透所述底面进入所述透镜的所述发光半导体元件光束被反射至侧向方向射出，且所述折射出射面使另一部份穿透所述底面进入所述透镜的所述发光半导体元件光束及经所述浪形面反射的光束被折射出所述透镜。

18.如权利要求17项所述的具有透镜的发光装置，其特征在于：

所述基座为选自于一直立式支架、一平面式支架及一食人鱼支架所组成的群体中的一者。

19.如权利要求17项所述的具有透镜的发光装置，其特征在于：

所述折射出射面为一曲面。

20.如权利要求17项所述的具有透镜的发光装置，其特征在于：

所述浪形面上设置有一反射镀层。

21.如权利要求17项所述的具有透镜的发光装置，其特征在于：

所述浪形面表面具有呈阶梯状连续延伸的多个凸面。

22.如权利要求17项所述的具有透镜的发光装置，其特征在于：

定义一通过所述透镜的中心轴，所述透镜对称于所述中心轴，且所述浪形面的波形振幅朝远离所述中心轴方向渐减。

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