CN101000941A - 边射式半导体发光元件及其封装镜 - Google Patents

Abstract

一种边射式半导体发光元件及其封装镜，其中的封装镜包括有：入射面，反射面，第一折射面以及第二折射面；其中第一折射面具有锯齿状的表面，来自光源的光线从入射面进入封装镜的内部，一部分的光线在反射面藉由内部全反射而被反射至第一折射面，并且垂直穿透第一折射面之后沿着第一光路行进，其余进入封装镜的光线则直接通过第二折射面，再由第二折射面折射之后沿着平行于第一光路的一第二光路行进，透过第一折射面的锯齿状表面可以避免光线在第一折射面发生不当的反射，除了可以减少光损也能改变封装镜的形状以降低封装镜成型后残留的加工应力。

Description

边射式半导体发光元件及其封装镜

【技术领域】

本发明是有关一种半导体发光元件，特别是一种边射式半导体发光元件及其封装镜。

【背景技术】

一般而言，传统的半导体发光元件(如发光二极管-LED15)的出光路径是与其出光面垂直并以朗柏型(Lambert ion)能量分布方式呈现(见图1A)，通常用在交通号志，照明或其它指引式标志的运用。但是受到其能量分布外形的限制，若是要将数颗发光二极管15，15’作光学性质混合时(例如光强度，色光混合…等)，通常需要在离开发光二极管15的出光面一段距离的位置之后才能获得混合的效果(见图1B)，所以会有一段无法进行混合的无效距离D1；因此、若是能将单颗的发光二极管15的发光光型扁平化，则可以将无效距离D1大幅缩短。

已知的边射式(Side Emitting)发光二极管，例如已公开的Lumileds公司的美国专利第6,598,998 B2号”SIDE EMITTING LIGHT EMITTINGDEVICE”，其中揭露了一种具有特殊封装镜(lens)的边射式发光二极管(如图2所示)，这种边射式发光二极管，具有数个折射面14，而这些折射面14的表面分别地与封装镜的光轴L形成一斜角，虽然其大部分的光能量会从侧面的方向经过折射面14射出，但是仍有小部分的光能量(不到10％)会由上方(光轴L的延伸方向)射出，因此这种边射式发光二极管会藉由在其上方贴附一遮光片来反射其向上出射的光能量。

另外在已公开的前述Lumileds公司的美国专利第6,679,621 B2号的”SIDE EMITTING LED AND LENS”，则揭露了另一种封装镜(如图3所示)，其包括有：入射面10，反射面11，第一折射面12和第二折射面13；来自光源的光线从入射面10进入这种封装结构之后主要沿着二个路径P1，P2射出，其中路径P1是光线从入射面10进入封装结构之后，藉由内部全反射而在反射面11被反射至第一折射面12，然后通过第一折射面12而沿着路径P1射出；路径P2则是光线从入射面10进入封装结构之后，直接通过第二折射面13而沿着路径P2射出。而以上的习知技术具有以下的问题：

1.经由反射面11反射的光线，到达第一折射面12时的入射角度未能垂直入射将会导致能量的损耗，入射角过大也可能造成全反射现象。

2.光线在第一折射面12产生的部分反射光将会穿透反射面11而在LED正上方形成亮点及亮光圈，造成光能的损耗及不必要的光形，需要再使用遮蔽片或是扩散片。

3.反射面12与第一折射面12交界处的结构薄弱，容易发生成形不良或是结构脆弱的问题。

【发明内容】

本发明的目的是提出一种边射式半导体发光元件及其封装镜，可以减少光线在折射面处的能量损耗，及入射角过大所造成的全反射现象的问题。

依据本发明的一种封装镜，能将沿其光轴方向进入的光线导引自该封装镜的侧边射出，包括有：

入射面，用以供该光线进入，且该光轴通过该入射面；

反射面，将从该入射面进入的部分光线反射而朝向垂直于该光轴的方向行进；

其特征在于：还包括

第一折射面，其表面具有连续的锯齿形状，该锯齿形状的表面具有许多分别与该光轴平行和垂直的折射面，使来自该反射面的光线垂直透过该第一折射面之后沿着一第一光路行进；以及

第二折射面，将从该入射面进入的其余光线折射后，从该封装镜的侧面沿着一第二光路行进。

本发明的边射式半导体发光元件，包括提供光源的发光元件及封装镜，该封装镜，具有一光轴，包含有：

入射面，用以供该光源的光线进入，且该光轴通过该入射面，该发光元件是设于该入射面下方；

反射面，将从该入射面进入的部分光线反射而朝向垂直于该光轴的方向行进；

其特征在于：还包括

第一折射面，其表面具有连续的锯齿形状，该锯齿形状的表面具有许多分别与该光轴平行和垂直的折射面，使来自该反射面的光线垂直透过该第一折射面之后沿着一第一光路行进；以及

第二折射面，将从该入射面进入的其余光线折射后，从该封装镜的侧面沿着一第二光路行进。

依据本发明提出的边射式半导体发光元件及其封装镜，该封装镜的第一折射面具有锯齿状的表面，来自反射面的光线被反射至第一折射面时将会垂直穿透第一折射面之后沿着第一光路行进，以减少光线在折射面处的能量损耗以及反射现象。

依据本发明提出的边射式半导体发光元件及其封装镜，其中第一折射面的表面形状是锯齿状，因此可以改善反射面与第一折射面交界处的结构强度，使得封装镜不易发生成形不良或是结构脆弱的问题。

有关本发明的其余较佳实施例，现配合图式说明如下。

【图式简单说明】

图1A为传统LED晶片的发光光型图。

图1B显示利用多个传统LED晶片进行光学性质混合的光线混合分布情形示意图。

图2为一种已知边射式发光二极管的镜片构造示意图。

图3为另一种已知边射式发光二极管的镜片构造示意图。

图4A为本发明的封装镜的较佳实施例构造图。

图4B为图4A的封装镜的较佳实施例局部构造图。

图5为本发明的边射式半导体发光元件的较佳实施例构造图。

图6A为本发明的较佳实施例的边射式半导体发光元件的发光光形分布图。

图6B，显示利用多个本发明的边射式半导体发光元件进行光学性质混合的光线混合分布情形。

【具体实施方式】

依据本发明所揭露的边射式半导体发光元件的封装镜，其较佳实施例请参考图4A，由于封装镜20的断面构造是以其光轴O为中心的对称设计，所以下文皆以光轴O的一侧的构造为例作一说明；封装镜20的较佳实施例包括：入射面21(incident surface)，反射面22(reflecting surface)，第一折射面31(first refracting surface)，及第二折射面32(secondrefracting surface)；其中反射面22可为一种内部全反射(TotalInternal Reflection，TIR)的表面，反射面22的形状被设计成能将来自光源的光线反射而朝向垂直于封装镜20的光轴O的方向行进然后垂直通过第一折射面31；第一折射面31的表面具有连续的锯齿形状，这个锯齿形状的表面具有许多分别与封装镜20的光轴O(optical axis)平行和垂直的折射面311，312(如图4B所示)，可使来自反射面22的光线垂直穿透第一折射面31之后沿着第一光路P1行进；由于反射面22是与第一折射面31的与光轴O垂直的折射面311连接，故可使反射面22与第一折射面31交界处的夹角增大，故可强化反射面22与第一折射面31交界处的结构。

这种封装镜20可作为例如发光二极管40(以下称LED晶片)这种半导体发光元件的封装构造(如图5所示)。依据本发明的较佳实施例，由LED晶片40发出的光线在从入射面21进入封装镜20之后，利用封装镜20的形状的设计，可依光线的能量强度区分为第一区间A1以及第二区间A2，其中第一区间A1是介于光轴O与直线L1的夹角范围的中，而第二区间A2则是介于直线L1与直线L2的间，其中直线L1为交点C1和交点C2的连线的延伸线，其中交点C1是LED晶片40中心与光轴O的交点，而交点C2是第一折射面31与第二折射面32的衔接点，L2是通过交点C1且与光轴O垂直的直线。其中进入第一区间A1的光线将全部被反射面22反射，而朝向垂直于光轴O的方向行进，而在第二区间A2的光线则是直接通过第二折射面32，经折射后再从封装镜20的侧面沿着第二光路P2行进。

LED晶片40发出的光线从入射面21进入封装镜20的内部，一部分的光线在反射面22藉由内部全反射而被反射至第一折射面31，此时光线的行进方向因反射而转向水平的方向(也就是与封装镜20的光轴O垂直的方向)，使光线可以垂直地射入第一折射面31中与光轴O平行的折射面311，进而在穿过折射面311之后沿着第一光路P1行进，其余自入射面21进入封装镜20的光线则是直接地通过第二折射面32再从封装镜20的侧面沿着第二光路P2射出，其中第一光路P1和第二光路P2彼此平行，其延伸方向大致上以垂直于封装镜20的光轴O为佳，用以将LED晶片40发出的光线导引朝向封装镜20的侧边的方向照射。由于LED晶片40所发出的光线，是以朗柏型(Lambert ion)能量分布方式呈现(请参考图1A)，LED晶片40所发出的光线在进入本发明的封装镜20之后其能量的强度分布以第一区间A1最强，第二区间A2的能量分布次的，光线在经由封装镜20的引导而朝向侧向射出后，可使发光光型更加收敛(如第6-1图所示)，以提升收集效率。

本发明的封装镜20可应用于LED晶片40的封装结构，将可适合运用于背光模组及一般照明领域，尤其是在多颗LED晶片40的运用中，能将单颗LED晶片40的发光光型扁平化，进而将无效的距离D2大幅缩短(如图6B所示)，更可降低不同LED晶片40发光效率差异所造成的影响。

虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此项技艺者，依据本发明所作的变化与润饰，仍应视为本发明的保护范畴。

【主要元件符号说明】

10........入射面

11........反射面

12........第一折射面

13........第二折射面

D1........无效距离

L........封装镜的光轴

14........折射面

15，15’.....发光二极管(LED)

P1，P2.......光线的路径

20........封装镜

21........入射面(incident surface)

22........反射面(reflecting surface)

31........第一折射面(first refractive surface)

32........第二折射面(second reflective surface)

311，312......折射面

40........发光二极管(LED晶片)

A1........第一区间

A2........第二区间

C1，C2......交点

D2........无效距离

L1，L2......直线

O.........光轴

P1........第一光路

P2........第二光路

Claims (13)

1.一种封装镜，能将沿其光轴方向进入的光线导引自该封装镜的侧边射出，包括有：

入射面，用以供该光线进入，且该光轴通过该入射面；

反射面，将从该入射面进入的部分光线反射而朝向垂直于该光轴的方向行进；

其特征在于：还包括

第一折射面，其表面具有连续的锯齿形状，该锯齿形状的表面具有许多分别与该光轴平行和垂直的折射面，使来自该反射面的光线垂直透过该第一折射面之后沿着一第一光路行进；以及

第二折射面，将从该入射面进入的其余光线折射后，从该封装镜的侧面沿着一第二光路行进。

2.如权利要求1所述的封装镜，其特征在于：该反射面是一种内部全反射的表面。

3.如权利要求1所述的封装镜，其特征在于：该第一光路和该第二光路彼此平行。

4.如权利要求3所述的封装镜，其特征在于：该第一光路和该第二光路垂直于该封装镜的光轴。

5.如权利要求1所述的封装镜，其特征在于：该反射面是连接于该第一折射面，该第二折射面连接于该入射面及该第一折射面。

6.如权利要求1所述的封装镜，其特征在于：该反射面是连接于该第一折射面的与该光轴垂直的折射面。

7.一种边射式半导体发光元件，包括有：

发光元件，是提供光源；

封装镜，具有一光轴，包含有：

入射面，用以供该光源的光线进入，且该光轴通过该入射面，该发光元件是设于该入射面下方；

反射面，将从该入射面进入的部分光线反射而朝向垂直于该光轴的方向行进；

其特征在于：还包括

第一折射面，其表面具有连续的锯齿形状，该锯齿形状的表面具有许多分别与该光轴平行和垂直的折射面，使来自该反射面的光线垂直透过该第一折射面之后沿着一第一光路行进；以及

第二折射面，将从该入射面进入的其余光线折射后，从该封装镜的侧面沿着一第二光路行进。

8.如权利要求7所述的边射式半导体发光元件，其特征在于：该发光元件是LED晶片。

9.如权利要求7所述的边射式半导体发光元件，其特征在于：该反射面是一种内部全反射的表面。

10.如权利要求7所述的边射式半导体发光元件，其特征在于：该第一光路和该第二光路彼此平行。

11.如权利要求10所述的边射式半导体发光元件，其特征在于：该第一光路和该第二光路以垂直于该封装镜的光轴为佳。

12.如权利要求7所述的边射式半导体发光元件，其特征在于：该反射面是连接于该第一折射面，该第二折射面连接于该入射面及该第一折射面。

13.如权利要求7所述的边射式半导体发光元件，其特征在于：该反射面是连接于该第一折射面的与该光轴垂直的折射面。

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