TWI388772B - 發光二極體 - Google Patents

Description

發光二極體

本發明涉及一種發光二極體，具體地說，是涉及一種在水平視角和垂直視角方向上具有不同的光形的發光二極體。

發光二極體具有體積小、重量輕、快速反應等優點，已經被廣泛地應用，近年來發明的白光二極體作為光源已經應用於背光模組、照明系統以及光學投影機當中。

眾所周知，反射率與光耦合率成反比，換言之，當反射率增加時，光耦合率會隨之降低。第二圖為模擬發光二極體應用在背光模組中反射率與發光二極體入射角之關係的示意圖。如第二圖所示，當發光二極體的入射角度大於60°時，反射率會出現明顯的增加，而有礙於光耦合率的提高，導致普通白光二極體的光耦合率為87%左右。

如第一圖所示，在應用於液晶顯示器中的背光模組10中，由於白光二極體11的封裝膠體為圓形結構，其光形為聚光光形(Lambertian Distribution)即光亮強度由中心向周邊減弱，也稱為朗伯特分佈或朗伯特光形。所以，每顆白光二極體11中心位置最亮，但每顆白光二極體11之間的亮度比較暗，故造成背光模組光亮分佈不均勻，從而會形成熱點現象(hotspot)。

由於發光二極體的聚光光形，導致照明系統中多個發光二極體間隔之間的光亮度較弱，造成燈管一明一暗之炫目的現象，同時造成使用者的眼睛疲勞或不舒服的情況。

一般的發光二極體產生的視角(約為120°)並不符合投影機光學引擎的使用(光學引擎收光角度為60°)，所以若以發光二極體作為投影機的光源時，發光二極體的視角必需經過適當的調整，但這又會造成光使用率的低落。此外，為了滿足投影機特殊影像的比例(例如16:9的比例關係)，所以需要將發光二極體產生的圓對稱光型轉換至16:9非對稱長型光型。在實作上，一般會使用光軌(Integration Tunnel)或者微透鏡列陣(Micro-Lens array)技術來達到此一目的，但此一過程不但會造成光損失，亦會造成額外的體積增加。

綜合以上所述，現有的發光二極體的發光分佈為朗伯特分佈(Lambertian Distribution)，在背光模組中的應用，具有光耦合率難以提升的問題，同時出現熱點(hotspot)現象；而在照明系統中，同樣存在光耦合率的問題，也存在炫光(glare)的現象；而現在的發光二極體應用在光學投影機中，會使得光使用率較低，而目前的解決方案卻會引起其他的問題，例如增加光程，投影儀的體積增大等。

因此，本發明人從發光二極體的光形角度去解決上述問題，以達成事半功倍的效果。

本發明旨在提供一種發光二極體，該發光二極體的第一視角的的光形分佈為蝙蝠翼形(Batwing)光形，一與第一視角相互垂直的第二視角的光形分佈為聚光光形，以解決傳統的技術問題。

為實現上述目的，根據本發明的主旨，一種發光二極體，包括有形成設有一凹陷部的基座，設置於該凹陷部的一發光晶片，填充於該凹陷部中的一封膠層，該發光晶片上方設置有一透光的光學調整結構，使得該發光二極體的水平視角方向上的光形分佈不同於其垂直視角方向上的光形分佈。

根據上述的結構，可以使得LED的視角在水平方向的光形與垂直方向上的光形分佈不同，例如在水平方向呈一蝙蝠翼形光形，在垂直方向呈聚光光形，這樣就有利於LED發光的均勻度，且使得垂直視角射出的光線角度大多數小於60°，這樣有利於提高LED的光耦合率，水平視角的蝙蝠翼光形可以解決背光模組中光的熱點(hotspot)現象以及光耦合率，當然也可以解決照明系統的炫光(glare)現象，LED的光耦合率提高，也直接提高照明系統的光耦合率。另外，具有上述結構的LED的光形為非圓形對稱光形，其可以適用於光學投影機中，以調整其橢圓形曲面的長軸和短軸、內凹面的寬度L以及半橢圓斜面或半圓面的曲率，使光型接近16:9之比例，以便適用於光學投影機中。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

以下將參照附圖並結合相應的實施例對本發明做詳細的說明和描述。

請參照第三圖、第四圖、第五圖，本發明的一個實施例提供了一種發光二極體100。

該發光二極體100包括有一基座101、一發光晶片102，以及一封膠層103。上述的基座101具有一容置空間，該容置空間可以為基座101的上表面向下凹陷形成之一凹陷部104，該凹陷部104內具有一底面105，以及圍繞底面105周緣的側壁面106。底面105與側壁面106配合界定出該容置空間，該發光晶片102設置於該凹陷部104中，並安裝在底面105上，而基座101還包括有導電端子107，發光晶片102電連接於該導電端子107，以提供發光晶片102所需的電壓或其他控制訊號。其中，封膠層103填設於該凹陷部104之容置空間中，並且填充覆蓋發光晶片102的頂面與周面。

該發光二極體100還包括有一光學調整結構200，該光學調整結構200位於基座101的上方，並與之封裝為一體。由發光晶片102發出的光線，經過光學調整結構200之後，會使得該發光二極體100的水平視角方向上的光形分佈不同於其垂直視角方向上的光形分佈。例如，該發光二極體的水平視角方向上的光形分佈呈蝙蝠翼形光形，其垂直視角方向上的光形分佈呈朗伯特光形。

請結合第四圖或第八A圖所示，該光學調整結構200大體上為一半橢圓球形202，其頂面向內陷有一凹面201並與周圍的半橢圓球形202連接。這其中，該半橢圓球形202具有一長軸203和一短軸204，該長軸203與該短軸204相互垂直，該長軸203為一水平軸(X軸)，該短軸204為一垂直軸(Y軸)。後文會更加詳細的說明光學調整結構200的構造，以便清楚說明發光二極體的水平視角方向上的光形分佈呈蝙蝠翼形光形，其垂直視角方向上的光形分佈呈朗伯特光形。

如第三圖所示，當發光晶片102的光線射出基座101時，為了能夠調整光型，該凹面201之幾何中心位置對齊地設置於發光晶片102的上方。其中，該凹面201由兩個相同的半橢圓斜面2011、2012構成，並在長軸203之方向上，由該凹面201的中心向周邊形成高度遞增的態樣；另外，上述之半橢圓球形202沿該長、短軸的截面呈凸出狀。當然，該凹面201也可以由兩個相同的半圓斜面構成。

更進一步地，為了更佳地控制光線，發光晶片102的輪廓最佳地與凹陷部104的外緣輪廓相似。參考第六圖所示，以發光晶片102為矩形立方體為例，即其周面是由兩相平行且相間隔的長側面1021，以及兩相平行且相隔的短側面1022所構成。因此，凹陷部104的外緣輪廓需對應的設計成矩形立方體，即其側壁面106是由兩相平行且相隔的長側壁面1061與兩相平行且相隔的短側壁面1062構成。並且，凹陷部104的長側壁面1061平行於發光晶片102的長側面1021，凹陷部104的短側壁面1062平行於發光晶片102的短側面1022。

為了保證光線是由發光晶片102的頂面射出的，而提供在垂直視角方向即短軸方向(第四圖中Y軸)上的光形分佈為如第九圖所示之朗伯特光形(Lambertian Contribution)，需對上述側面1021、1022、側壁面1061、1062之寬度差異值有所限定。

如第七A圖所示，該長側壁面1061之間的短向寬度WS1與所述之長側面1021之間短向寬度WS2兩者之間的寬度差異值小於0.6mm(亦即WS1-WS2＜0.6mm)。同樣的，所述之短側壁面1022之間的長向寬度WL1與短側面1062之間長向寬度WL2兩者之間的寬度差異值小於0.6mm(亦即WL1-WL2＜0.6mm)。本實施例中，該短向寬度WS1與短向寬度WS2的寬度差值為0.4mm，長向寬度WL1與長向寬度WL2的寬度差異值亦為0.4mm。

請參閱第七B圖，由於凹陷部104的側壁面106平行於發光晶片102的周面，所以大部份由發光晶片102的周面射出進入封膠層103的光線(光子)，會被侷限於凹陷部104的側壁面(長側壁面1061、短側壁面1062之組合)與發光晶片102的周面(長側面1021、短側面1022之組合)來回反射，或者被吸收而轉化為其他形式的能量。因此，實際上LED射出的光線絕大多數是發光晶片102的頂面的射出的光線。當同時考慮發光晶片102尺寸與該凹陷部104的尺寸(特別是其寬度與高度)設計，使發光晶片102的頂面所射出的光線落在角度01的範圍內，其中該θ1最佳的角度不大於120°。如此，由發光晶片102發射出的光線近似於電光源，所謂的電光源係指光線比較集中的光源。需要說明的是，在封膠層103內還可以摻雜用於波長轉換的螢光粉109，再填設具螢光粉之封膠層103(亦可稱螢光粉層)於該凹陷部104之容置空間中，以填充覆蓋發光晶片102的頂面與周面。舉例來說，該發光晶片102可選用發出藍光波長介於400nm至470nm之間的晶片，在封膠層103內可摻雜用於可轉換藍光而出波長介於520nm至570nm之間的黃光螢光粉，以混色形成白光，形成白光發光二極體。當然在混色成白光的機制上，除了上述搭配之外，還可以選用具他混色的搭配，此並非對本發明的限定，而是舉例說明，以便更加理解本發明。

基於上述，對於白光二極體而言，由發光晶片102的頂面所射出的光線對射出的白光具有實質的貢獻。而發光晶片102的周面之出光部分對整體發光二極體所發的白光，可視為無貢獻或者極少部分的貢獻。如此，由發光晶片102發射出的光線近似於電光源，所謂的電光源係指光線比較集中的光源。

以下將有詳細的描述，說明光線分佈的光形：在發光二極體100的水平視角(X軸)方向與垂直視角(Y軸)方向的光形呈現不同類型的光形，而兩種不同的光形在疊加之後，會更加有利於提升光亮分佈的均勻度。此處僅以普通發光二極體為例說明，白光發光二極體與之同理。

請參閱第八A圖，該第八A圖簡略地示意出了光學調整結構200在該長軸203之方向上光線路徑。該凹面201沿長軸203之方向呈一內凹弧形界面301，而沿其短軸204之方向則呈一平面界面302(如第八B圖所示)。

光線由上述的點光源300(即上述之發光晶片102)射出，在在長軸方向上，光線對應的界面係為凹面201之內凹弧形界面301。凹面201的該內凹弧形界面301使白光經過該內凹弧形界面301時發生折射，並沿著內凹弧形界面301的下凹輪廓有著不同程度的光線發散。對其他未經過該內凹弧形界面301，而是經過光學調整結構200的半橢圓球形202的光線，則並沿著半橢圓球形202的凸出輪廓發生不同程度的光線聚集。半橢圓球形202的作用在此類似於凸透鏡的作用。如此一來，由於內凹弧形界面301所造成的光線發散，以及半橢圓球形202所造成的光線聚集，使得由光學調整結構200的中心部位射出的光線的光強度會小於該中心部位兩側的光強度，所以光強度由中心向兩側不斷增加直到達到一個峰值，又由於射向半橢圓球形202的光線的比較少(發光晶片102的大角度光線比較少)，加之半橢圓球形202使得通過其的光線收斂，所以通過光學調整結構200的光強度在到達一個峰值時，光強度開始減弱，所以在水平視角方向即長軸方向(第四圖中X軸)的光形分佈為蝙蝠翼形(Batwing Contribution)光形(如第九圖所示)。

當然，調整凹面201的寬度L可以調節蝙蝠翼形光形中心部位的光亮強度。由上述也可知，內凹弧形界面301類似於凹透鏡，因此，藉由調整半橢圓或半圓面的曲率變化、或是半橢圓的長短軸、或者是半圓的半徑，也會帶來不同曲率的內凹弧形界面301，而產生不同形狀的蝙蝠翼形光形。

如第八B圖所示，該第八B圖簡略地示意出了該短軸204之方向上光線路徑。由上述可知，就該點光源300射出的光線而言，在發光二極體100的短軸方向上由上述點光源300射出的光線所對應的界面則呈一平面界面302。在此時，由點光源300射出的光線經過該平面界面302時發生折射，光線聚集，光強度由中心部分向周圍減弱，如第九圖所示，故其在垂直視角方向即短軸204之方向(即第四圖中Y軸)上的光形分佈為朗伯特光形(Lambertian Contribution)。

與現有的LED的單純的聚光光形相比，本發明的在其水平視角方向上的光形分佈呈蝙蝠翼形光形，而其垂直視角方向上的光形分佈呈朗伯特光形，而上述兩個視角的光形在疊加之後，會使得光亮分佈更加均勻。

參閱第九圖，本發明LED的水平視角方向的光形分佈呈蝙蝠翼形(Batwing Contribution)，即光亮分佈並非從中心向周邊減弱，而是0°至50°及0°至-50°的範圍內呈亮度遞增的現象，但在其垂直視角方向的光形分佈為朗伯特光形(Lambertian Contribution)。如此，在水平視角方向與垂直視角方向的光形在疊加之後，則更加有利於提升光亮分佈的均勻度。

更進一步的說，本發明LED的整體光形分佈的法線向量之光強度(0度角的強度)相對於最大光強度值(蝙蝠翼形強度)可為30%至80%之間，而其最佳值大約為50%至70%之間，而該發光二極體100所發出光強度最大值(Batwing的鋒值)大約落30°到70°之間，最佳值大約落在45°到55°之間，以達到最佳的均勻度設計。

參閱第十圖及第十一圖，對於背光模組而言，作為光源的LED通過調整光學調整結構200中長軸203與短軸204的長度，以及調整凹面201的寬度L為1.5mm，使得其水平視角方向為120°和垂直視角方向為80°時，可以使得LED的出光率即光耦合率提高為92.6%。當然通過調整光學調整結構200中長軸203與短軸204的長度，以及凹面201的寬度L以及半橢圓斜面的曲率，LED的光亮均勻度的提高，也可以有利於消除背光模組中出現的熱點(hotspot)現象。

本發明揭露之發光二極體100，其利用特殊設計之透鏡以及凹槽、透鏡、與晶片間相對位置關係，藉以調整該發光二極體之發光形特徵，形成具有非圓對稱光形之發光二極體，其中，本發明更可如下所述，用於以顯示裝置(如面板、電視或螢幕等)之背光模組(back light unit)上，結合反射板(reflecting sheet)、設置於該反射板上方之擴散板(diffusing plate)以及設置於該反射板與該擴散板間之本發明之複數個發光二極體100。其中發光二極體100所產生之光線由擴散板散射至顯示面板，於發光二極體100下方之反射板則可將發光二極體100向下散射之光線反射至擴散板，以有效利用發光二極體100所發出之光線。除此之外，任兩相鄰之發光二極體100設置間距之高度與寬度比介於0.5至1之間，故利用本發明之發光二極體100所組成之背光模組，可有效減少發光二極體的數量，同時符合背光模組之光強度及均勻度需求。

參閱第十二圖，為一種發光二極體(LED)燈管400，該燈管400包含一透光燈管401、一長條狀電路板(未顯示)以及若干(複數個)本發明之發光二極體(LED)100，其設置於該電路板上以作為光源，並嵌套在該透光燈管401內，由於本發明之發光二極體100的光亮分佈更加均勻，故可以消除一般發光二極體(LED)燈管炫目(glare)之現象。

由於本發明之發光二極體100在水平視角方向的配光曲線呈蝙蝠翼狀，其垂直視角方向的配光曲線呈朗伯特光形分佈，使得發光二極體100的光亮分佈呈現非圓對稱光形，通過調整半橢圓球形之半橢圓球形202的長軸203與短軸204的長度以及凹面201寬度L以及半橢圓斜面的曲率，使得發光二極體100的整體光形接近為非對稱橢圓形光形，以符合接近投影機所使用的光形，且可產生接近16:9比例，相較於先前的LED而言，必須採用光積分管(Integration Tunnel)或者微透鏡列陣(Micro-Lens array)技術來將對稱圓形光形轉化為非對稱橢圓形光形，本發明一方面不會增加投影的體積，另一方面也不會增加光程，以免光的損耗。

關於光學調整結構200可選用的材質可以為有機玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯，PPMA)、環氧樹脂、矽膠、玻璃或聚碳酸酯，但不以上述為限。

以上所述，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請範圍第及發明說明書所記載的內容所作出簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明申請範圍第所涵蓋範圍之內。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文獻搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

【習知】

10．．．背光模組

11．．．白光二極體

【本發明】

100．．．發光二極體

101．．．基座

102．．．發光晶片

1021．．．長側面

1022．．．短側面

103．．．封膠層

104．．．凹陷部

105．．．底面

106．．．側壁面

1061．．．長側壁面

1062．．．短側壁面

107．．．導電端子

109．．．螢光粉

200．．．光學調整結構

201．．．凹面

2011．．．半橢圓斜面

2012．．．半橢圓斜面

202．．．半橢圓球形

203．．．長軸

204．．．短軸

300．．．點光源

301．．．內凹弧形界面

302．．．平面界面

400．．．發光二極體燈管

401．．．透光燈管

L．．．寬度

WS1．．．短向寬度

WS2．．．短向寬度

WL1．．．長向寬度

WL2．．．長向寬度

θ1．．．角度

第一圖為習知背光模組的示意圖；

第二圖為模擬習知發光二極體應用在背光模組中反射率對入射角比的座標圖；

第三圖為本發明發光二極體的結構圖；

第四圖為本發明發光二極體的俯視圖；

第五圖為本發明發光二極體的基座以及發光晶片的結構圖；

第六圖係為本發明之發光晶片容設於基座之凹陷部之示意圖；

第七A圖為發光晶片與凹陷部的俯視圖；

第七B圖為發光晶片與凹陷部的剖視圖；

第八A圖為本發明沿光學調整結構的長軸方向的剖視圖，並示意了基本光路；

第八B圖為本發明沿光學調整結構的短軸方向的剖面側視圖，並示意了基本光路；

第九圖為本發明發光二極體之水平視角和垂直視角的配光曲線圖；

第十圖為本發明發光二極體之光耦合率與水平視角的分佈圖；

第十一圖為本發明發光二極體之光耦合率與垂直視角的分佈圖；以及

第十二圖為本發明發光二極體應用於燈管的示意圖。

100．．．發光二極體

101．．．基座

200．．．光學調整結構

201．．．凹面

2011．．．半橢圓斜面

2012．．．半橢圓斜面

202．．．半橢圓球形

Claims (27)

1. 一種發光二極體，包含：一具有凹陷部的基座；一發光晶片，其設置於該凹陷部內；一封膠層，其填充於該凹陷部；以及一光學調整結構，設置於該發光晶片上方，該光學調整結構為一半橢圓球形，該半橢圓球形的頂面內陷成型有一凹面並與周圍的該半橢圓球形連接；其中，該發光二極體的水平視角具有一第一光形分佈，該發光二極體的垂直視角具有一第二光形分佈，該第一光形分佈不同於該第二光形分佈。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該第一光形分佈呈蝙蝠翼形光形，該第二光形分佈呈朗伯特光形。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該凹面由兩個相同的半橢圓形之斜面或半圓形之斜面構成。
4. 根據申請專利範圍第1或3項所述之發光二極體，其中，該凹面沿該半橢圓球形的長軸方向的截面呈一內凹弧形界面，而沿該半橢圓球形的短軸方向的截面呈一平面界面。
5. 根據申請專利範圍第4項所述之發光二極體，其中，該半橢圓球形沿該長、短軸的截面呈凸出狀。
6. 根據申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中， 該凹面以其幾何中心位置對齊地設置於該發光晶片的上方。
7. 根據申請專利範圍第1所述之發光二極體，其中，該凹陷部之外緣輪廓對應於該發光晶片輪廓。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之發光二極體，其中，該凹陷部以及該發光晶片為矩形立方體。
9. 根據申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該凹陷部包含兩個相平行且相間隔的長側壁面以及兩個相平行且相間隔的短側壁面，該晶片的周面包含兩個相平行且相間隔的長側面以及兩個相平行且相間隔的短側面，該晶片的短側面平行於該凹陷部的短側壁面，且該晶片的長側面平行於該凹陷部的長側壁面。
10. 根據申請專利範圍第9項所述之發光二極體，其中，該長側壁面之間的短向寬度與該長側面之間的短向寬度的差異值小於0.6mm；該短側壁面之間的長向寬度與該短側面之間的長向寬度差異值小於0.6mm。
11. 根據申請專利範圍第3項所述之發光二極體，其中，該半橢圓形或半圓形之斜面的曲率是可調的。
12. 根據申請專利範圍第3項所述之發光二極體，其中，該半橢圓形之斜面的長短軸是可調的；該半圓形之斜面的半徑是可調的。
13. 根據申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該封膠層覆蓋該發光晶片的頂面與周面。
14. 根據申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該封膠層更包含用於波長轉換的螢光粉。
15. 根據申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該發光二極體之出光強度最大值為30°至70°間，法線向量之光強度為最大光強度值之百分之30至百分之80。
16. 根據申請專利範圍第15項所述之發光二極體，其中，該發光二極體之出光強度最大值為45°至55°間，法線向量之光強度為最大光強度值之百分之50至百分之70。
17. 根據申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該發光二極體的整體光形為非對稱橢圓形光形。
18. 一種背光模組，其包含有一反射板、一擴散板以及複數個設置於該反射板與該擴散板間之如申請專利範圍第1項所述之發光二極體。
19. 根據申請專利範圍第18項所述之背光模組，其中，該些發光二極體之該第一光形分佈呈蝙蝠翼形光形，其該第二光形分佈呈朗伯特光形。
20. 根據申請專利範圍第18項所述之背光模組，其中，該些發光二極體之出光強度最大值為30°至70°間，法線向量之光強度為最大光強度值之百分之30至百分之80。
21. 根據申請專利範圍第18項所述之背光模組，其中，該些發光二極體之出光強度最大值為45°至55° 間，法線向量之光強度為最大光強度值之百分之50至百分之70。
22. 根據申請專利範圍第18、19、20或21項所述之背光模組，其中，任兩相鄰之該發光二極體設置間距之高度與寬度比介於0.5至1之間。
23. 一種發光二極體燈管，其包含複數個如申請專利範圍第1項所述之發光二極體。
24. 根據申請專利範圍第23項所述之發光二極體燈管，其更包含一透光燈管、一長條狀電路板，該些發光二極體設置於該電路板上，並嵌套在該透光燈管內。
25. 根據申請專利範圍第23或24項所述之發光二極體燈管，其中，該些發光二極體之該第一光形分佈呈蝙蝠翼形光形，其該第二光形分佈呈朗伯特光形。
26. 根據申請專利範圍第23或24項所述之發光二極體燈管，其中，該些發光二極體之出光強度最大值為30°至70°間，法線向量之光強度為最大光強度值之百分之30至百分之80。
27. 根據申請專利範圍第23或24項所述之發光二極體燈管，其中，該些發光二極體之出光強度最大值為45°至55°間，法線向量之光強度為最大光強度值之百分之50至百分之70。