CN100507610C - 导光透镜及具有该导光透镜的发光二极管封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种导光透镜，用于调制各方向入射的光线朝向侧向出光，该导光透镜包括：具有入光表面及出光表面的透镜本体；凸设在该入光表面的弧面的多个折射结构，且该折射结构是彼此相连、布满在该入光表面，用于将各角度的光线朝向该出光表面折射，且单一折射结构使不同角度的入射光线平行折射；以及设在该出光表面的多个反射结构，用于将来自该折射结构各对应部分的光线反射向该透镜本体的侧向出光，且来自单一折射结构平行折射的光线均对应到单一反射结构，使入射光线朝侧向出光，此外，本发明还提供一种具有该导光透镜的发光二极管封装结构。本发明的导光透镜及具有该导光透镜的发光二极管封装结构可将入射的光线调制为侧向出光，简化装配过程、降低制造成本，并充分利用光能量。

Description

导光透镜及具有该导光透镜的发光二极管封装结构

技术领域

本发明是关于一种导光透镜及发光二极管封装结构，特别是关于一种用于调制来自发光二极管光源各方向入射光线朝向侧向射出的导光透镜及具有该导光透镜的发光二极管封装结构。

背景技术

传统液晶显示器的背光模块多采用冷阴极荧光管(CCFL)作为光源，但由于冷阴极荧光管具有汞成分，且又有耗电高与寿命短等缺点，因此目前的趋势是以发光二极管光源(以下简称LED)取代冷阴极荧光管作为背光模块光源。LED具有寿命长、且无污染问题等特性，若使用红、绿、蓝单色LED光源更具有波长单纯、色域广等优点，使LCD显像更鲜艳、细腻。但由于LED光源是点光源，因此其能量不易均匀散布于整个背光模块的光出射面，导致背光模块前方可见颗粒状的光源亮点。

现有基础光学的原理认为，即使如点光源，当其传播距离越远时，还是会自然产生分布均匀的效果，然而液晶显示器的发展趋热是轻薄短小，若要使其成为均匀面光源，要增加背光模块厚度，会导致整体体积变大，不符液晶产品发展的趋势，为了使具有LED光源的背光模块的实用性提高，美国案第6607286号、6679621号专利均提出了可使LED光源侧向射出、使光线均匀分布的透镜结构。

请参阅图1，它是美国案第6607286号专利的示意图，它提供一种透镜罩1(Lens cap)接置在一发光二极管2上，该透镜罩1具有拱状的内表面10及锯齿状结构的外表面11，透镜罩1是以内表面10盖覆在发光二极管2上，使得发光二极管的光线穿透内表面10后再由外表面11作折射而侧向出光，部分角度较陡直的光线必须另外先经过一次全反射后再折射出光。

外表面11的锯齿状结构是根据发光二极管各角度的光线作计算而设计的结构，使光线可由侧向射出，然而，锯齿状结构的外表面仅能将光线导向一大概的趋势，无法将每一角度的光线引导由侧向射出，特别是向发光二极管上方射出的光线，难免仍会有一亮点，因此在实际应用上，必须在透镜罩1的上方再设置一透明平板，再在该透明平板上粘贴一反光片遮蔽该亮点，因而造成装配上的繁杂与高成本。

光线是以一次折射或一次全反射再一次折射由侧向射出，然而光由一光密介质折射进入一光疏介质时，其入射角越大则光能损失越大，发光二极管2的光线经由透镜罩1折射出光后所损失的光能量，会影响后续应用在例如液晶显示器的亮度。

再者，透镜罩1的外表面11的锯齿状结构甚为复杂，必须以多组模仁加以组合方能制成，如此一来增加了产品成本。

另外，美国案第6679621号专利也存在以上缺点，因此，如何改善以上种种缺点，为当今亟待思考的课题。

发明内容

为克服上述现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种可将入射的光线调制为侧向出光的导光透镜及具有该导光透镜的发光二极管封装结构。

本发明的另一目的在于提供一种导光透镜及具有该导光透镜的发光二极管封装结构，简化装配过程。

本发明的又一目的在于提供一种导光透镜及具有该导光透镜的发光二极管封装结构，降低制造成本。

本发明的再一目的在于提供一种导光透镜及具有该导光透镜的发光二极管封装结构，充分利用光能量。

为达上揭目的，本发明提供一种导光透镜，用于调制各方向入射的光线朝向侧向出光，该导光透镜包括：具有入光表面及出光表面的透镜本体；凸设在该入光表面的弧面的多个折射结构，且该折射结构是彼此相连、布满在该入光表面，用于将各角度的光线朝向该出光表面折射，且单一折射结构使不同角度的入射光线平行折射；以及设在该出光表面的多个反射结构，用于将来自该折射结构各对应部分的光线反射向该透镜本体的侧向出光，且来自单一折射结构平行折射的光线均对应到单一反射结构，使入射光线朝侧向出光。

本发明也揭示一种具有该导光透镜的发光二极管封装结构，该具有该导光透镜的发光二极管封装结构包括：一发光二极管，电性接置于一承载件；以及一导光透镜，结合于该承载件，包括具有相对入光表面以及出光表面的透镜本体，该入光表面覆盖在该发光二极管、并具有多个凸设在该入光表面的弧面的折射结构，且该折射结构是彼此相连、布满在该入光表面，将来自该发光二极管的光线折射向该出光表面，且单一折射结构是使不同角度的入射光线平行折射，该出光表面则具有多个反射结构，用于将来自该折射结构各对应部分的光线反射，以使反射光线朝向该导光透镜的侧向出光，且来自单一折射结构平行折射的光线均对应到单一反射结构，使入射光线朝侧向出光。

该导光透镜的材质是树脂或高分子透明材料。光线是由发光二极管的点光源提供。各该折射结构可以是具有单一曲率中心的凸弧面，根据高斯光学理论，将入光表面设计为使每一折射结构的焦点均与光线的光源重合，因此可使不同角度的光线经同一弧面折射后以相同方向偏折射入到透镜本体中。该反射结构则为斜面，其斜度是根据各折射结构所偏折光线的角度，以入射角等于反射角的基本观念设计而成的，因此可将绝大多数光线由透镜本体的侧向射出。此外，该出光表面还具有多个平面，分别垂直于经反射过后的光线，用于使光线由该透镜本体中直接穿透射出，也可视为由于光线已由全反射而实现侧向射出，因此可将光线射出的表面制为垂直表面即可。

现有技术因本身将光线侧射而出的效果不足，必须在背光模块应用中加上如透明光板及反光片等辅助结构方能避免亮点产生，本发明的导光透镜，由折射结构及反射结构的配合，可使绝大多数光线由透镜本体的侧向射出，单靠导光透镜即可使一点光源的光线均匀分布，避免如现有技术存在装配繁杂的问题。

现有技术中由于光线是以折射方式侧射而出，容易损失光能，本发明的导光透镜，是以全反射方式实现光线的侧向射出，使光线可由与其垂直的平面射出，将损失的光能降到最低。

再者，现有技术中用于折射的锯齿状外表面结构过于复杂，导致难以加工，本发明的导光透镜出光表面的反射结构是斜面，用于出光的平面则为垂直表面，结构甚为简单，因此可节省所须的模仁数量进而降低制造成本。

附图说明

图1是美国案第6607286号专利的透镜罩的示意图；

图2是本发明的导光透镜的示意图；

图3A是本发明的导光透镜的另一示意图；

图3B及图3C是本发明的导光透镜与现有技术的数值仿真曲线图；

图3D是本发明的导光透镜与现有技术的实测曲线图；

图4A及图4B是本发明的导光透镜将不同角度光线以偏折为平行光线的原理说明图；以及

图5是本发明具有该导光透镜的半导体封装件的示意图。

具体实施方式

实施例

请参阅图2，它是本发明的导光透镜的示意图，本发明的导光透镜用于调制各方向入射的光线R朝向侧向射出，该导光透镜3包括：具有入光表面31及出光表面32的透镜本体3，其材质是树脂或高分子透明材料等；设在该入光表面31的多个折射结构310，用于折射光线R转向该出光表面32，且单一折射结构310使不同角度的入射光线R平行折射；以及设在该出光表面32的多个反射结构320，用于将来自该折射结构310各对应部分的光线反射向该透镜本体3的侧向出光，且来自单一折射结构310平行折射的光线均对应到单一反射结构320，使光线朝侧向出光。

该光线R是由一点光源4提供，该点光源4可以是发光二极管。该折射结构310是凸设在该入光表面31的弧面，且该折射结构310是彼此相连、布满在该入光表面31折射各角度的光线，因此点光源4各角度的光线R是由不同的折射结构310偏折为光线R1、R2、R3、R4及其它不同角度的光线等。

该反射结构320是不同斜度的斜面，分别接收对应的光线R1、R2、R3、R4及其它角度的光线，将各光线借全反射侧向出光，且每一反射结构320的斜度是依对应光线的角度有所不同，也就是各该折射结构310是用于将光线折射到各别对应的反射结构320。由于透镜本体3是为一光密介质，空气则相对为光疏介质，因此只要光线在该反射结构320的入射角大于一定角度，可使光线在反射结构320上实现全反射，且各反射结构320的斜度皆使对应的光线可侧向反射。该出光表面320还具有多个平面321，分别垂直于经反射后的光线，使光线由该透镜本体3中直接穿透射出，也可视为由于光线已借全反射实现侧向射出，因此可将供光线射出的表面制为垂直表面即可。由基础光学理论得知，全反射的能量损失几乎为零，折射出光的入射角为0度时能量损失最小，故这种出光方式可实现最大的出光效率。

另外，光线角度越接近水平所对应反射结构320的斜面也相对越倾斜而面积也越大，因此较为水平的光线，如水平光线4，可经由两个反射结构320，以两次全反射侧向出光。应注意的是，即使对应较为水平的光线的反射结构320占用较多的空间，但它是向透镜本体3的侧向发展，而非增加其厚度，因此不符合现今液晶面板向大尺寸发展且追求薄型化的趋势。

请参阅图3A，它是本发明的导光透镜的另一示意图，本图3A的应用原理与图2\相同，不同之处在于，图3A中的导光透镜是制成具有二组对应的折射结构310及反射结构320。

请配合参阅图3B及图3C，它分别是现有技术及本发明的数值仿真曲线图，由图中可知本发明的导光透镜最强的出光角度是与法线P夹角91度，现有技术仅可实现70度，因此本发明的导光透镜将光线侧向输出效能优于现有技术；与法线P夹角较小的区域，本发明的导光透镜出光强度也明显小于现有技术，因此应用在液晶显示器时，本发明的导光透镜与现有技术相比，具有不易产生亮点的优点。另外，即使导光透镜因仅具有二组折射结构310及反射结构320无法将所有光线均由侧向出光，然而经由数值模拟结果显示，本发明的导光透镜仍具有92.8％的出光效率，现有技术仅可达到81.1％的出光效率。

还请配合参阅图3D，经由实际测试的结果，本发明的导光透镜(图中实线)出光最强的角度是与法线P夹角80度处，优于现有技术(图中虚线)的60度，与法线P夹角较小的区域，经实际测试后本发明的导光透镜出光强度也小于现有技术，另外，本发明的导光透镜在实测中更可达到95％的出光效率。

由上可知，与现有技术相比，本发明的导光透镜可将光线以较接近水平的角度出光，具有均匀出光的效果，易使液晶显示器产生亮点的区域，应用本发明的导光透镜具有较低的出光强度。

请参阅图4A，它是以一折射结构310与点光源4之间的光学现象说明本发明的导光透镜将不同角度光线偏折为平行光线的原理，为便于说明起见，将以下物理量分别赋予代号：L＝折射结构310的光轴；n＝空气的折射率；n’＝透镜本体1的折射率；S₁＝点光源的于折射结构310透镜的物距；u＝点光源4的光线与光轴L的夹角；u’＝光线经偏折后与光轴L的夹角；y＝折射点与光轴的距离；θ₁＝光线的入射角；θ₂＝光线的折射角；以及r＝折射结构310的曲率半径。

折射结构310是一具有单一曲率中心的凸弧面，该弧面可以是一球面镜的部分，因此根据高斯光学的理论，其焦距可以是 $f=\frac{-\mathrm{nr}}{n\&prime;-n}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(1\right),$ 其中f<0(因焦点f与曲率中心位于接口的不同侧)。

加上折射率公式nθ₁＝n′θ₂…………(2)(当θ₁、θ₂角度甚小时，可代替其正弦值)。

接着将θ₁、θ₂分别求出为

代回第2式，可得到光追迹公式 $n\&prime;u\&prime;=\mathrm{nu}+\frac{n\&prime;-n}{r}y\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(3\right).$ 此外，S₁可近似为

高斯光学中，空气的折射率n可为1，且由于点光源4的光线必有重合于光轴L的，因此要使光线平行射出，则折射后的光线必须平行于光轴L，因此得u′＝0，而u′＝0，n＝1将代入第1式、第3式，得到 $\frac{n\&prime;-1}{r}=-\frac{u}{y},$ $f=\frac{r}{n\&prime;-1},$ 因此可得 $f=\frac{y}{u}=S_1,$ 由上可知，使折射结构310的焦点重合于点光源4，即可使光线平行折射进入该透镜本体1。

请参阅图4B，点光源4所发射出各方向的光线R经折射结构310折射后是平行输出。

以上是就本发明作的概略说明，详细的推导过程是现有光学原理，凡光学领域中具有一般知识的技术不员均可理解，因此予以省略。

另外，该折射结构310除了可以是弧面外，也可为菲涅尔结构(fresnel)，它可将不同角度的入射光线平行折射而出。

请参阅图5，本发明也揭示一种具有该导光透镜的发光二极管封装结构，具有该导光透镜的发光二极管封装结构包括：一点光源4，电性接置于一承载件5；以及一导光透镜，结合于该承载件5，包括具有相对的入光表面31以及出光表面32的透镜本体3，该入光表面31是覆盖于该点光源4，并具有多条折射结构310，将来自该点光源4的光线R折射转向该出光表面32，且单一折射结构310是使不同角度的入射光线R平行折射，该出光表面32则具有多个反射结构320，用于将来自该折射结构310各对应部分的光线反射，以使反射光线朝向该导光透镜的侧向出光，且来自单一折射结构320平行折射的光线均对应到单一反射结构，使入射光线R朝侧向出光。

该点光源4可以是一发光二极管，该承载件5可以是一导线架。该承载件5的一表面覆盖有一封装胶体6，固着该点光源4，该封装胶体6是与该导光透镜结合，且该入光表面并与该封装胶体6形成有一封闭空间，其中，该导光透镜是可胶合或扣合在该封装胶体6。当导光透镜扣合在该封装胶体6时，该封装胶体6可设有扣孔60，该导光透镜则可设有对应该扣孔60的弹性卡勾30。

现有技术因本身将光线侧射出光的效果不足，必须在背光模块应用中加上如透明光板及反光片等辅助架构方能避免亮点产生，本发明的导光透镜，由折射结构及反射结构的配合，可使绝大多数光线由透镜本体的侧向射出，可单靠导光透镜即可使一点光源的光线平均分布，避免如现有技术中存在的装配繁杂等问题。

现有技术中由于光线是以折射方式侧射而出，容易因此损失光能，本发明的导光透镜以全反射方式实现光线的侧向射出，使光线可由与其垂直的平面穿出，使光能的损失最少。再者，现有技术中用于折射的锯齿状外表面结构过于复杂，导致难以加工，本发明的导光透镜其出光表面的反射结构是斜面，用于出光的平面则为垂直表面，结构甚为简单，因此比现有技术节省所须的模仁数量进而降低了制造成本。

Claims (15)

1.一种导光透镜，用于调制各方向入射的光线朝向侧向出光，其特征在于，该导光透镜包括：

具有入光表面及出光表面的透镜本体；

凸设在该入光表面的弧面的多个折射结构，且该折射结构是彼此相连、布满在该入光表面，用于将各角度的光线朝向该出光表面折射，且单一折射结构使不同角度的入射光线平行折射；以及

设在该出光表面的多个反射结构，用于将来自该折射结构各对应部分的光线反射向该透镜本体的侧向出光，且来自单一折射结构平行折射的光线均对应到单一反射结构，使入射光线朝侧向出光。

2.如权利要求1所述的导光透镜，其特征在于，该入光表面所接收对应的光线是由一点光源提供。

3.如权利要求2所述的导光透镜，其特征在于，该点光源是一发光二极管。

4.如权利要求1所述的导光透镜，其特征在于，该透镜本体的材质是树脂或高分子透明材料。

5.如权利要求1所述的导光透镜，其特征在于，该折射结构是一具有曲率中心的弧面，由光追迹公式 $n\&prime;u\&prime;=\mathrm{nu}+\frac{n\&prime;-n}{r}y,$ 以及弧面的焦距公式 $f=\frac{-\mathrm{nr}}{n\&prime;-n},$ u＝光线与该弧面光轴折射前的夹角、u’＝光线与该弧面光轴折射后的夹角、y＝光线折射点与光轴的距离、r＝弧面的曲率半径、n＝空气折射率、n’＝透镜折射率，代入u’＝0及n＝1可得 $\frac{n\&prime;-1}{r}=-\frac{u}{y},$ 推得 $\frac{u}{y}=f,$ 由于

是光源与镜面的距离，因此当弧面的焦点与光线来源重合时，一折射结构接收对应的光线均以平行该弧面的光轴偏折射入该透镜本体。

6.如权利要求1所述的导光透镜，其特征在于，各该折射结构是菲涅尔结构，使对应的光线均平行射入该透镜本体。

7.如权利要求1所述的导光透镜，其特征在于，各该折射结构是用于将光线折射到各别对应的反射结构。

8.如权利要求1所述的导光透镜，其特征在于，各该反射结构是斜面，其斜度是使所对应的光线全反射，全反射后使光线转向该导光透镜的侧向出光。

9.如权利要求1所述的导光透镜，其特征在于，部分光线是经由两个反射结构，以两次全反射侧向射出。

10.如权利要求1所述的导光透镜，其特征在于，该出光表面还具有多个平面，分别垂直于经反射过后的光线，使光线由该透镜本体中直接穿透射出。

11.一种具有导光透镜的发光二极管封装结构，其特征在于，该具有导光透镜的发光二极管封装结构包括：

一发光二极管，电性接置于一承载件；以及

一导光透镜，结合于该承载件，包括具有相对入光表面以及出光表面的透镜本体，该入光表面覆盖在该发光二极管、并具有多个凸设在该入光表面的弧面的折射结构，且该折射结构是彼此相连、布满在该入光表面，将来自该发光二极管的光线折射向该出光表面，且单一折射结构是使不同角度的入射光线平行折射，该出光表面则具有多个反射结构，用于将来自该折射结构各对应部分的光线反射，以使反射光线朝向该导光透镜的侧向出光，且来自单一折射结构平行折射的光线均对应到单一反射结构，使入射光线朝侧向出光。

12.如权利要求11所述的具有导光透镜的发光二极管封装结构，其特征在于，该承载件是导线架。

13.如权利要求11所述的具有导光透镜的发光二极管封装结构，其特征在于，该承载件的一表面覆盖有一封装胶体固着该发光二极管，该封装胶体与该导光透镜结合，且该入光表面与该封装胶体形成有一封闭空间。

14.如权利要求13所述的具有导光透镜的发光二极管封装结构，其特征在于，该导光透镜是胶合于该封装胶体或扣合于该封装胶体。

15.如权利要求14所述的具有导光透镜的发光二极管封装结构，其特征在于，该封装胶体上设有扣孔，该导光透镜则设有对应该扣孔的弹性卡勾，以实现相互之间的扣合。

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