CN101633220A - 微透镜及其模仁的制造方法以及发光装置 - Google Patents

Abstract

一种微透镜及其模仁的制造方法以及发光装置，其主要提供具有第一表面的基材，以将多个合成为单一粒径的微、纳米结构铺陈排列于该第一表面上，接着，于该基材上的第一表面及微、纳米结构沉积金属薄膜层，并使各该微、纳米结构部分露出该金属薄模层，之后再移除各该微、纳米结构以形成具有第二表面的模仁，并利用该模仁进一步形成具有微、纳米凹凸面阵列的微透镜，使出光源的光经过微、纳米结构能产生大量折射、使射出照度能更为均匀以及光形更为广泛，并可降低耗材耗能、及设备的使用率。

Description

微透镜及其模仁的制造方法以及发光装置

技术领域

本发明有关一种微透镜及其模仁的制造方法以及发光装置，更详而言之，是有关一种用以制造能使光源均匀出光的微透镜及其模仁的制造方法以及发光装置。

背景技术

按发光二极体(light emitting diode；LED)是一种可发光的半导体光电元件，其发光原理乃是利用电子与空穴在P-N介面结合的过程中，以光的形式释出能量而放出足够的光子而产生光源，并将该发光元件以一透镜面予以封装，以通过该透镜的适当折射透出有效光源，以达到出光照明效果。由于发光二极体具有体积小、质量轻且发光效率高等优点，因此，目前已广泛运用于照明或信息提示的使用上。但该发光二极体的发光元件经由结合基座所发出的光成放射状散射，光源并无法集中发射，因此，发光二极体亮度无法达到预期的效果，并且也因光的散射产生了过多的热能，因此如何让光源呈现均匀化、最佳化，以改善出光效率，即为现今须致力解决的课题。

光源的均匀化、最佳化设计以及处理方式技术相当多，绝大部分的技术都运用于背光模组，例如背光模组里的光学膜片之一扩散膜，即许多单、多晶封装发光元件透镜大多只针对光源的光形的设计去做调整或是设计二次透镜来调整光源方向，较少数会去针对光源的出光量以及均匀性去做最佳化设计，换言之，多数发光元件设计是以出光效率为优先考量，至于出光光形多由灯具去修正。

例如美国专利6,155,699公开一种利用高折射率与低折射率材料所形成多周期分散式布拉格反射镜(distributed bragg reflector；DBR)结构，作为发光二极体的反射层，用以增进发光二极体的出光效率。

例如中国台湾公告号第541,728号专利案，其揭示了一种在倒装片晶片发光二极体的台面壁上形成一高反射性介电质堆叠结构，该介电质堆叠结构是由交错的低折射率层组成，其中高反射率堆叠会反射发光二极体晶片内入射于有涂层的台面壁的导向光的大部分，故可降低穿透台面壁的光损耗，但是该专利所形成高反射性介电质堆叠，只形成于发光二极体台面壁表面，但光损耗的现象仍然会在其它侧面上发生。

由上述传统发光二极体出光结构可知，无论是以DBR或是光学反射膜的结构，只能反射部分或是特定波长的光，而皆需要设计二次透镜来调整光源方向，且上述所提及的传统技术，亦皆须利用繁复的微影及蚀刻等制造方法，因此，制造方法上所耗成本极大。

此外，相比于传统的光源出光透镜设计，传统的设计方式因局限于几何结构的尺寸以及相关模具开发不易，使得出光的均匀化以及亮度无法有效提升，更因发光二极体的出光透镜制成方式成本较高，因此市场上较少类似的产品。

因此，如何提供一种能改善上述缺失，以提供降低耗材耗能、及设备的使用率且能产生大量折射、使射出照度能更为均匀以及光形更为广泛的微透镜及其模仁的制造方法，实为业界亟待解决的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明的一个目的在于提供一种能产生大量折射、使射出照度能更为均匀以及光形更为广泛的微透镜及其模仁的制造方法以及发光装置。

本发明的另一目的在于提供一种低耗材耗能、且可降低设备的使用率的微透镜及其模仁的制造方法以及发光装置。

本发明的又一目的在于提供一种制造方法简易快速而具备高时间成本效益的微透镜及其模仁的制造方法以及发光装置。

为达上述目的及其他目的，本发明提供一种微透镜以及微透镜模仁的制造方法以及发光装置。该微透镜模仁的制造方法包括以下步骤：提供基材，该基材具有第一表面；将多个合成为单一粒径的微、纳米结构铺陈排列于该第一表面上；于该基材上的第一表面及微、纳米结构沉积金属薄膜层，并使各该微、纳米结构部分露出该金属薄模层；以及移除各该微、纳米结构，以形成具有第二表面的模仁。

依据本发明于上述所提供的模仁的制造方法，本发明的微透镜的制造方法包括以下步骤：将欲成形的微透镜材料混入微、纳米颗粒后，再灌注于该模仁的第二表面中；以及于该微透镜材料凝固成形后将其取出，以形成具有微、纳米凹凸面阵列的微透镜。

依据上述的制造方法，各该微、纳米结构以气、液相铺陈排列，且其排列控制参数选自外部电场、磁场、溶液酸碱、温度。

依据上述的制造方法，各该微、纳米结构选自为高分子材料或陶瓷材料。

依据上述的制造方法，各该微、纳米结构的尺寸介于0.01微米至1微米之间。

依据上述的制造方法，各该微、纳米结构不限以规则性的矩阵排列，例如：面心立方排列、六面堆积排列、相互间为无间隙排列、或相互间为有间隙排列，其中，各该微、纳米结构的间隙距离介于0.001至10微米之间。

依据上述的制造方法，该微透镜材料与定量浓度的微、纳米结构颗粒以一定比例混合均匀。

依据上述的制造方法，进一步包括根据上述步骤制造多层结构的微透镜，该多层结构的微透镜的制造方法包括：提供基材，该基材具有第一表面；将多个合成为单一粒径的微、纳米结构铺陈排列于该第一表面上；于该基材上的第一表面及微、纳米结构沉积金属薄膜层，并使各该微、纳米结构部分露出该金属薄模层；移除各该微、纳米结构，以形成具有第二表面的第一模仁；将欲成形的微透镜材料混入微、纳米颗粒后，再灌注于该第一模仁的第二表面中；以及于该微透镜材料凝固成形后将其取出，以形成具有微、纳米凹凸面阵列的微透镜；根据形成该第一模仁的步骤制造第二模仁，其中该第二模仁具有该凹凸面的第三表面；将该微透镜的具有微、纳米凹凸面阵列朝该第二模仁的第三表面压合，使该微透镜的具有微、纳米凹凸面阵列与第二模仁的第三表面之间形成空隙；于该空隙中注入欲形成透镜层的材料；待注入该空隙中的材料凝固成形后，自该第二模仁取出该微透镜，即可形成该多层结构的微透镜。

该多层结构的微透镜中，各层结构的微透镜材料选自为硅胶、压克力或环氧树脂等材料；各层结构的微透镜材料的折射率为规则或无规则递减或递增；且各层结构的微透镜材料的厚度介于0.01毫米至10毫米之间。

本发明的发光装置包括基座；发光元件，设于该基座上；以及微透镜，罩设该基座以封装该发光元件，且该微透镜具有微、纳米凹凸面的出光面。

本发明的发光装置的另一实施例中，该微透镜是由多层具有微、纳米凹凸面的微透镜层所叠合而成。

综上所述，本发明所公开的微透镜及其模仁的制造方法以及发光装置，其主要提供具有第一表面的基材，以将多个合成为单一粒径的微、纳米结构铺陈排列于该第一表面上，接着，于该基材上的第一表面及微、纳米结构沉积金属薄膜层，并使各该微、纳米结构部分露出该金属薄模层，之后再移除各该微、纳米结构以形成具有第二表面的模仁，并利用该模仁进一步形成具有微、纳米凹凸面阵列的微透镜，使出光源的光经过微、纳米结构能产生大量折射、使射出照度能更为均匀以及光形更为广泛，且该微透镜的制造具有低耗材耗能、可降低设备的使用率等特性，又进一步叠合形成多层微透镜，以利用不同折射率的微透镜材料使出光的均匀度更为彻底，以让数个高亮度光源能更为趋近理想单一光源。

附图说明

图1为利用本发明的微透镜的制造方法运用于发光装置的第一实施例态样的出光示意图；

图2A至2D为本发明的微透镜模仁的制造方法的第一实施例的剖面示意图；

图3A及3B为本发明以合成的纳米球经扫描电子显微镜(SEM)所取得的影像；

图4A至4D为利用本发明的微透镜模仁的制造方法的第一实施例制作微透镜的剖面示意图；

图5为利用本发明的微透镜的制造方法所制造出的微透镜运用于发光装置的第二实施例的出光示意图；

图6A至6C为本发明的微透镜的制造方法的第二实施例的剖面示意图；

图7为本发明的微透镜模仁的制造方法中，分布于基材上的微、纳米结构以无间隙面心立方排列的示意图；

图8为本发明的微透镜模仁的制造方法中分布于基材上的微、纳米结构以有间隙面心立方排列的示意图；

图9为本发明的微透镜模仁的制造方法中分布于基材上的微、纳米结构以空隙六面堆积排列的示意图；以及

图10为本发明的微透镜模仁的制造方法中分布于基材上的微、纳米结构以无空隙六面堆积排列的示意图。

主要元件符号说明

10    发光装置

11    发光元件

12    基座

20、60微透镜

201、611、621 微、纳米凹凸面

21、51 基材

211    第一表面

22     金属薄膜层

23     模仁

231    第二表面

24     微透镜材料

241    微、纳米结构颗粒

30     微、纳米结构

55     第二模仁

551    第三表面

61     第一微透镜层

62     第二微透镜层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

第一实施例

请参阅图1所示，为利用本发明的微透镜的制造方法所制造出的微透镜运用于发光装置的第一实施例态样的出光示意图，该发光装置例如发光二极体。如图所示，该发光装置10是由发光元件11及基座12所组成，该发光元件11设置于该基座12上，用以提供光源，并以微透镜20罩设该基座12以封装该发光元件11，且由于本发明的微透镜20的出光面为微、纳米凹凸面201(凹洞或凸起)，用以将发光元件11所产生的光源均匀导出。

请参阅图2A至2D，是显示本发明的微透镜模仁的制造方法的第一实施例的剖面示意图。

如图2A所示，提供一基材21，该基材具有第一表面211。

接着，如图2B所示，接着，将多个合成为单一粒径的微、纳米结构30铺陈排列于该第一表面211上；其中，各该微、纳米结构30可选自为高分子材料或陶瓷材料，且各该微、纳米结构30的尺寸介于0.01微米至1微米之间(如图3A及3B所示，为纳米球分布于基材表面的扫描电子显微镜影像)，以将高分子材料或是陶瓷材料的各该微、纳米结构30铺陈排列于该基材21的第一表面211，使各该微、纳米结构30于该第一表面211呈现规则或是不规则的排列。具体而言，各该微、纳米结构可以气、液相铺陈排列，例如，可将该基材21悬浮于一电解液中(图未示)，并对该电解液及该基材21分别施加正、负极性的外部电压，使微、纳米结构30的颗粒受该外部电压所产生的电场影响而驱动游移，从而于该基材上的第一表面上予以铺陈排列，例如电泳法，其中外部电场、磁场、溶液酸碱、温度的控制参数需予以适当限制，以产生良好的铺陈排列。

接着，如图2C所示，于该基材21上的第一表面211及微、纳米结构30沉积金属薄膜层22，并使各该微、纳米结构30部分露出该金属薄模层22；其中，沉积该金属薄膜层22的方式不限于物理或是化学气相沉积法，且该金属薄膜层22的膜厚以不超过微、纳米结构为原则。

之后，如图2D所示，移除各该微、纳米结构30，即形成具有第二表面231的模仁23。具体而言，可利用湿蚀刻或是干蚀刻的方式将高分子或是陶瓷微、纳米结构的大面积规则阵列模组于表面移除，如此即可得到具有大面积的有序或无序微、纳米结构阵列的第二表面231的模仁23。

请参阅图4A至4D，是显示利用上述本发明的微透镜模仁的制造方法的第一实施例制作微透镜的剖面示意图。

首先，如图4A所示，为达到均匀化出光的目的，将欲成形的微透镜材料24混入微、纳米颗粒241，具体而言，该微透镜材料24与定量浓度的微、纳米结构颗粒241以一定比例混合均匀，使该微、纳米颗粒241均匀分布于该微透镜材料24内，一般而言，混入该微、纳米颗粒241的量约为介于10wt％～35wt％之间。

接着，如图4B所示，将上述已制备的均匀混合微、纳米颗粒241的微透镜材料24软化后，再灌注于该模仁23的第二表面231中。

之后，如图4C所示，将上述已灌注于该模仁23的第二表面231的微透镜材料凝固成形(例如，烘烤成形)。

最后，如图4D所示，将凝固成形后的微透镜材料231自该模仁23取出，以形成单面具有微、纳米凹凸面201阵列的微透镜20，从而将该微透镜20封装发光元件(参见图1)，以通过该凹凸面201使发光元件的出光均匀化效果提升。

第二实施例

请参阅图5所示，为利用本发明的微透镜的制造方法所制造出的微透镜运用于发光装置的第二实施例的出光示意图，该发光装置例如发光二极体。如图所示，该发光装置10’亦由发光元件11及基座12所组成，该发光元件11设置于该基座12上，用以提供光源，并以微透镜60罩设该基座12以封装该发光元件11，与图1所示的发光装置10不同的是，第二实施例的微透镜60是由多层具有微、纳米凹凸面611、621的微透镜层61、62所叠合而成，且各层微透镜61、62因所使用的材料不同而具有不同折射率，以交互封装形成多层膜设计，以利用数层不同折射率的微透镜材料使出光的均匀度更佳化，以让数个高亮度光源能更为趋近理想单一光源。

请参阅图6A至6C，是用以显示本发明的微透镜的制造方法的第二实施例的剖面示意图，本实施例的制法与图4A至4D不同处在于，通过本实施例可制造出具多层结构的微透镜60。

首先，采用前述图2A至图2D所示的本发明的微透镜模仁的制造方法来制作第一模仁(在此未予以图式)，并以前述图4A至图4D所示的本发明的微透镜的制造方法以及该第一模仁来制作第一微透镜层61，此外，亦采用前述图2A至图2D所示的本发明的微透镜模仁的制造方法来制作第二模仁55，须特别提出说明的是，该第二模仁55上的尺寸大于第一模仁。

接着，如图6A所示，将该第一微透镜层61压合于第二模仁55上。

接着，如图6B所示，由于该第二模仁55上的尺寸大于形成该第一微透镜层61的第一模仁的尺寸，故于该第一微透镜层61压合于第二模仁55后，该第一微透镜层61及第二模仁55之间会形成空隙7，将欲形成第二微透镜层62的透镜材料注入该空隙7中。

最后，如图6C所示，待注入该空隙7中的透镜材料凝固成形后，自该第二模仁55取出，以形成具有该第一微透镜层61及该第二微透镜层62的多层结构微透镜60。须提出说明的是，本实施例用以形成该第一微透镜层61及该第二微透镜层62而未固化的微透镜材料中可预先混入微、纳米颗粒，或者选择不混入微、纳米颗粒，且形成该第一微透镜层61及该第二微透镜层62的微透镜材料可选自为硅胶、压克力或环氧树脂材料，再者，形成该第一微透镜层61的微透镜材料及形成该第二微透镜层62的微透镜材料的折射率为规则或无规则递减或递增，例如，折射系数以互呈等差或等比关系的规则性地逐层递减或递增，或是以无规则性地逐层递减或递增。

以前述制造方法类推，还可以用上述图6A至6B的步骤形成第三微透镜层，以将具有第一微透镜层61及第二微透镜层62的多层结构微透镜60再叠合第三微透镜层(在此未予以图示)，以利用不同折射率的微透镜材料使出光的均匀度更为彻底，以让数个高亮度光源能更为趋近理想单一光源。

再者，在本发明的微透镜模仁的制造方法中，分布于基材上的各该微、纳米结构30不限以规则性的矩阵排列，例如：无间隙面心立方排列(如图7所示)或有间隙面心立方排列(如图8所示)，即微、纳米结构亦可以其他的方式铺程排列，例如：空隙六面堆积排列(如图9所示)、或相互间为无间隙六面堆积排列(如图10所示)，其中，各该微、纳米结构的间隙距离介于0.001至10微米，但不以上述为限。

综上所述，本发明所公开的微透镜及其模仁的制造方法，其主要是提供具有第一表面的基材，以将多个合成为单一粒径的微、纳米结构铺陈排列于该第一表面上，接着，于该基材上的第一表面及微、纳米结构沉积金属薄膜层，并使各该微、纳米结构部分露出该金属薄模层，之后再移除各该微、纳米结构以形成具有第二表面的模仁，并利用该模仁进一步形成具有微、纳米凹凸面阵列的微透镜，降低耗材耗能、及设备的使用率且能产生大量折射、使射出照度能更为均匀以及光形更为广泛，又进一步将各微透镜叠合而形成多层微透镜，以利用不同折射率的微透镜材料使出光的均匀度更为彻底，以让数个高亮度光源能更为趋近理想单一光源。

Claims (30)

1、一种微透镜模仁的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供基材，该基材具有第一表面；

将多个合成为单一粒径的微、纳米结构铺陈排列于该第一表面上；

于该基材上的第一表面及微、纳米结构沉积金属薄膜层，并使各该微、纳米结构部分露出该金属薄模层；以及

移除各该微、纳米结构，以形成具有第二表面的模仁。

2、根据权利要求1所述的微透镜模仁的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构以气、液相铺陈排列。

3、根据权利要求1所述的微透镜模仁的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构的排列控制参数选自外部电场、磁场、溶液酸碱、温度。

4、根据权利要求1所述的微透镜模仁的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构选自为高分子材料或陶瓷材料。

5、根据权利要求1所述的微透镜模仁的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构的尺寸介于0.01微米至1微米之间。

6、根据权利要求1所述的微透镜模仁的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构以面心立方排列。

7、根据权利要求1所述的微透镜模仁的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构以六面堆积排列。

8、根据权利要求1所述的微透镜模仁的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构相互间为无间隙排列。

9、根据权利要求1所述的微透镜模仁的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构相互间为有间隙排列。

10、根据权利要求9所述的微透镜模仁的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构的间隙距离约为0.001至10微米之间。

11、根据权利要求1所述的微透镜模仁的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构的移除步骤以湿式蚀刻或干式蚀刻予以移除。

12、一种微透镜的制造方法，该微透镜用以封装发光元件，其特征在于，该微透镜的制造方法包括以下步骤：

提供基材，该基材具有第一表面；

将多个合成为单一粒径的微、纳米结构铺陈排列于该第一表面上；

于该基材上的第一表面及微、纳米结构沉积金属薄膜层，并使各该微、纳米结构部分露出该金属薄模层；

移除各该微、纳米结构，以形成具有第二表面的第一模仁；

将欲成形的微透镜材料混入微、纳米颗粒后，再灌注于该第一模仁的第二表面中；以及

于该微透镜材料凝固成形后将其取出，以形成具有微、纳米凹凸面阵列的微透镜。

13、根据权利要求12所述的微透镜的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构以气、液相铺陈排列。

14、根据权利要求12所述的微透镜的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构的排列控制参数选自外部电场、磁场、溶液酸碱、温度。

15、根据权利要求12所述的微透镜的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构选自为高分子材料或陶瓷材料。

16、根据权利要求12所述的微透镜的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构的尺寸介于0.01微米至1微米之间。

17、根据权利要求12所述的微透镜的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构以面心立方排列。

18、根据权利要求12所述的微透镜的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构以六面堆积排列。

19、根据权利要求12所述的微透镜的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构相互间为无间隙排列。

20、根据权利要求12所述的微透镜的制造方法，其中，各该微、纳米结构相互间为有间隙排列。

21、根据权利要求20所述的微透镜的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构的间隙距离约为0.001至10微米之间。

22、根据权利要求12所述的微透镜的制造方法，其特征在于，各该微、纳米结构的移除步骤以湿式蚀刻或干式蚀刻予以移除。

23、根据权利要求12所述的微透镜的制造方法，其特征在于，进一步包括：

根据形成该第一模仁的步骤制造第二模仁，其中该第二模仁具有该凹凸面的第三表面；

将该微透镜的具有微、纳米凹凸面阵列朝该第二模仁的第三表面压合，使该微透镜的具有微、纳米凹凸面阵列与第二模仁的第三表面之间形成空隙；

于该空隙中注入欲形成透镜层的材料；

待注入该空隙中的材料凝固成形后，自该第二模仁取出该微透镜，以形成多层结构的微透镜。

24、根据权利要求23所述的微透镜的制造方法，其特征在于，各层微透镜材料选自为硅胶、压克力或环氧树脂的材料。

25、根据权利要求23所述的微透镜的制造方法，其特征在于，各层微透镜材料的折射率为规则或无规则递减。

26、根据权利要求23所述的微透镜的制造方法，其特征在于，各层微透镜材料的折射率为规则或无规则递增。

27、根据权利要求23所述的微透镜的制造方法，其特征在于，各层微透镜材料的厚度介于0.01毫米至10毫米之间。

28、根据权利要求12或23所述的微透镜的制造方法，其特征在于，该微透镜材料与定量浓度的微、纳米结构颗粒以一定比例混合均匀。

29、一种发光装置，其特征在于，包括：

基座；

发光元件，设于该基座上；以及

微透镜，罩设该基座以封装该发光元件，且该微透镜具有微、纳米凹凸面的出光面。

30、根据权利要求29所述的发光装置，其特征在于，该微透镜是由多层具有微、纳米凹凸面的微透镜层所叠合而成。

Images