TWI621809B - 透鏡及具有所述透鏡的發光元件 - Google Patents

透鏡及具有所述透鏡的發光元件 Download PDF

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Abstract

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凹槽。所述頂面朝底面方向凹入而形成凹曲面。所述凹槽包括頂部入光面和與側壁入光面。所述側壁入光面連接所述頂部入光面與所述底面。所述頂部入光面上設置有若干微結構形成粗糙面。所述側壁入光面貼覆有反射膜。

Description

透鏡及具有所述透鏡的發光元件
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光線均勻度及利用率的光學透鏡以及具有所述透鏡的發光元件。
發光二極體(Light Emitting Diode，LED)係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。
LED發出的光經過透鏡內部出射，大部份係由頂面及側面出射。惟，直接從側面出射的光無法被有效地利用。而且這些光線經過外在環境再反射回來，與側面出射的光線疊合，可能會造成整體光斑亮暗不均勻，甚至有黃暈的情況產生。
有鑒於此，有必要提供一種提高出射光線利用率及出射光線均勻度的透鏡及具有所述透鏡的發光元件。
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。所述底面中部朝所述頂面凹陷形成一凹槽。所述頂面朝底面方向凹入而形成凹曲面。所述凹槽包括頂部入光面和與側壁入光面。所述側壁入光面連接所述頂部入光面與所述底面。所述頂部入光面上設置有若干微結構形成粗糙面。所述側壁入光面貼覆有反射膜。
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。所述底面與頂面相背設置。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凹槽。述頂面朝底面方向凹入而形成凹曲面。所述凹槽包括頂部入光面和與側壁入光面。所述側壁入光面連接所述頂部入光面與所述底面。所述頂部入光面上設置有若干微結構形成粗糙面。所述側壁入光面鍍有反射膜。所述發光二極體光源位於所述凹槽中，所述發光二極體的光線光線經由所述頂面反射或折射後出射至外界環境。
與先前技術相比，本發明提供的發光元件中，由於透鏡頂面為凹曲面，底面凹槽包括頂部入光面和側壁入光面，所述頂部入光面上設置有若干微結構形成粗糙面，所述側壁入光面鍍有反射膜，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僅經由所述頂部光學面進入所述透鏡，進入透鏡的光線在頂部入光面鋸齒狀結構及頂面凹曲狀結構的共同 作用下在透鏡內進行多次反射與折射，避免了光線直接經由側面出射，提高了發光二極體光源發出的光線利用率，並使得所述發光元件發出的光線分佈均勻。
100‧‧‧發光元件
10‧‧‧基板
20‧‧‧發光二極體光源
30‧‧‧透鏡
31‧‧‧底面
32‧‧‧頂面
33‧‧‧側面
35‧‧‧凹槽
351‧‧‧頂部入光面
352‧‧‧微結構
353‧‧‧側壁入光面
354‧‧‧反射膜
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中透鏡的剖面示意圖。
圖3為圖2中頂部入光面的微結構剖面示意圖。
請參閱圖1，為本發明發光元件100的第一較佳實施例，所述發光元件100包括一基板10、一發光二極體光源20及一覆蓋所述發光二極體光源20的透鏡30。
所述基板10可以係覆銅基板、電路板等。本實施方式中，所述基板10為電路板。
所述發光二極體光源20設置在所述基板10上。具體的，所述發光二極體光源20為成型的發光二極體封裝體。所述發光二極體光源20藉由覆晶技術封裝在所述基板10上。在本實施方式中，所述發光二極體光源20為長方體結構。所述發光二極體光源20的一面貼覆在所述基板10上並與之電性連接。所述發光二極體光源20的其餘五個面均能發出入射光線。
請參閱圖2，所述透鏡30包括底面31、頂面32以及連接在底面31和頂面32之間的側面33。本實施例中，所述透鏡30具有一個光軸OO’，且透鏡30沿所述光軸OO’呈軸對稱。所述透鏡30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。所述發光二極體光源20設置在所述透鏡30的光軸OO’上。
所述底面31設置在所述基板10上。具體的，所述底面31為平面，所述底面31中部朝所述頂面32凹陷形成一凹槽35，所述凹槽35可以為長方體、圓柱體等任何形狀。本實施方式中，所述凹槽35呈截頭圓錐體。
所述凹槽35包括一個頂部入光面351及側壁入光面353。所述頂部入光面351位於凹槽35底部。述側壁入光面353位於所述凹槽35的側壁。所述側壁入光面353連接所述頂部入光面351與所述底面31。所述頂部入光面351與所述底面31相平行。
請一併參閱圖2及圖3，所述頂部入光面351設置有若干微結構352而形成粗糙表面。所述若干微結構352呈圓環形鋸齒狀分佈。所述複數圓環形鋸齒屬於同心圓，這些鋸齒狀同心圓構成菲涅爾透鏡。每個圓環形鋸齒的形狀大小大致相同。每個鋸齒的頂角均設置為曲面，所述曲面半徑均大於0.2mm。
所述側壁入光面353貼覆一層反射膜354，使所述發光二極體光源20所發出的光線無法經由所述側壁入光面353出射至外界環境。所述反射膜354可以藉由塗覆或電鍍的方式貼覆在側壁入光面353上。
所述頂面32與所述底面31相背設置。所述頂面32朝所述底面31方向凹入而呈截面為倒“人字形”的凹曲面。所述凹曲面由不同曲率的弧形面平滑過渡而形成。所述凹曲面與所述頂部入光面351相背設置。所述凹曲面的面積大於所述頂部入光面351的面積。所述頂面32凹入的最低點高於所述凹槽35朝頂面32凹陷的最高點。根據光學需要，所述凹曲面的半頂角介於30度至60度之間，從而使進入透鏡30的部分光線在所述頂面32上直接折射至外界環境。
所述側面33連接在所述底面31與頂面32之間。所述側面33與所述側壁入光面353相背設置。所述側面33的面積大於所述側壁入光面353的面積。所述發光二極體光源20所發出的部分光線經所述頂面32反射後自所述側面33出射到外界環境，或者經所述側面33反射回所述頂面32。
請參閱圖1，組裝時，先將所述發光二極體光源20封裝並將其設置在所述基板10的中央位置；所述透鏡30的光軸OO’對準所述發光二極體光源20，用膠將所述透鏡30黏貼固定在所述基板10上，此時，使所述凹槽35覆蓋在所述發光二極體光源20的正上方，所述凹槽35與所述基板10形成一個密閉的容置空間。所述發光二極體光源20收容在所述容置空間內。
工作時，所述發光二極體光源20發出的光線經由所述頂部入光面351進入透鏡30，射至側壁入光面353的光線經由反射膜354反射(一次或多次)，最終也經由頂部入光面351進入透鏡30。所述複數圓環形鋸齒狀結構(菲涅爾透鏡)具有會聚收斂光線的作用(如圖3所示)，使大部分光線先射會聚收斂至所述頂面32再由所述頂面32折射至外界環境或反射至側面33。所述頂 面32為凹曲面。由於控制光線入射至所述凹曲面的入射點及入射角度可以控制由所述凹曲面反射的反射光線的行經路徑。入射光線經所述頂面32的能增加反射光線的多次行徑路線，使光線大部分由所述頂面32及所述側面33中靠近所述頂面32的部分射出至外部環境，並且使出射光線的均勻化程度更高。
與先前技術相比，本發明提供的發光元件100中，由於透鏡30頂面32為凹曲面，凹槽35包括頂部入光面351和側壁入光面353，所述頂部入光面351上設置有若干微結構形成粗糙面，所述側壁入光面353鍍有反射膜354，當透鏡30配合發光二極體光源20時，發光二極體光源20發出的光線僅經所述頂部入光面351進入所述透鏡30，進入透鏡30的光線在頂部入光面351鋸齒狀結構及頂面32凹曲面的共同作用下在透鏡內進行多次反射與折射，避免了光線直接經由側面33出射，提高了發光二極體光源20發出的光線利用率，並使得所述發光元件100發出的光線分佈均勻。
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，自不能以此限制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。

Claims (10)

  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凹槽，其中，所述頂面朝底面方向凹入而形成凹曲面，所述凹槽包括頂部入光面和與側壁入光面，所述側壁入光面連接所述頂部入光面與所述底面，所述頂部入光面上設置有若干微結構形成粗糙面，所述側壁入光面貼覆有反射膜。
  2. 如請求項1所述之透鏡，其中，所述若干微結構呈鋸齒狀排列，每個鋸齒的頂角均設置為曲面，所述曲面的半徑均大於0.2mm。
  3. 如請求項1所述之透鏡，其中，所述凹曲面與所述頂部入光面相背設置，所述凹曲面的面積大於所述頂部入光面的面積。
  4. 如請求項1所述之透鏡，其中，所述側壁入光面與所述側面相背設置，所述側面的面積大於所述側壁入光面的面積。
  5. 如請求項1所述之透鏡，其中，所述凹曲面係由不同曲率的弧形面平滑過渡而形成。
  6. 一種發光元件，包括發光二極管光源及覆蓋所述發光二極管光源的透鏡，所述透鏡包括底面、頂面以及側面，所述底面與頂面相背設置，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凹槽，其中所述頂面朝底面方向凹入而形成凹曲面，所述凹槽包括頂部入光面和與側壁入光面，所述側壁入光面連接所述頂部入光面與所述底面，所述頂部入光面上設置有若干微結構形成粗糙面，所述側壁入光面鍍有反射膜，所述發光二極管光源位於所述凹槽中，所述發光二极管的光線經由所述頂面反射或折射後出射至外部環境。
  7. 如請求項6所述之發光元件，其中，所述發光二极管還包括一個基板，其設置於透鏡下方，所述發光二極管光源設置於所述基板上。
  8. 如請求項6所述之發光元件，其中，所述發光二極管光源發出的光線經側壁入光面後反射至頂部入光面進入透鏡。
  9. 如請求項6所述之發光元件，其中，經所述頂面反射至所述側面出射的光線集中於所述側面靠近所述頂面的部分。
  10. 如請求項7所述之發光元件，其中，所述發光二極管光源設置在所述透鏡的光軸上，所述發光二極管光源收容於所述透鏡與所述基板形成的密閉空間內。
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