CN101451675A - 透镜及具有该透镜的光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种透镜及具有该透镜的光源装置。该透镜，用于接收一发光半导体元件所发出的光线，该透镜包含一底面、一顶面，以及一侧面。底面面对该发光半导体元件以接收光线。顶面相反于该底面，该顶面包括一使穿过该底面且入射该顶面的部分光线偏折而不朝该顶面的正上方行进的不平整表面结构。侧面由该顶面周缘往该底面周缘延伸，则穿过该底面且入射该侧面的光线射出该透镜；该透镜外形由该顶面及该侧面交界处往该底面方向逐渐增大，且该透镜上部截面的投影是落在该透镜下部截面的范围内。本发明可使发光半导体元件发出的光线在一出光面的光强度分布均匀，在出光面上可获得光强度分布均匀的光场。

Description

透镜及具有该透镜的光源装置

技术领域

本发明涉及一种透镜及具有该透镜的光源装置，特别是涉及一种可使发光二极管发出的光线在一出光面的光强度分布均匀的透镜以及具有该透镜的光源装置。

背景技术

现有习知的直下式背光模组，是以冷阴极荧光灯(Cold CathodeF1uorescent Lamp，CCFL)作为光源，然而，由于冷阴极荧光灯需占据较多体积、较为耗电且含有水银而不环保，所以改以体积小、发光效率高且寿命长的发光二极管作为光源已成为当前的发展趋势。

但是，因为发光二极管发光时如同一点光源，请参阅图1所示，是一光强度的极座标图，说明现有习知的发光二极管发光时如同一点光源，也就是在与出光面的法线夹0度的方向上的光强度最大，愈偏离法线的方向上的光强度递减，因此，在出光面上会明显看到一光点而无法提供光强度分布均匀的照明。

由此可见，上述现有的发光半导体元件在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型结构的透镜及具有该透镜的光源装置，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

有鉴于上述现有的发光半导体元件存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的透镜及具有该透镜的光源装置，能改进一般现有的发光半导体元件，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的发光半导体元件存在的缺陷，而提供一种新型结构的透镜，所要解决的技术问题是提供一种可使发光半导体元件发出的光线在一出光面的光强度分布均匀的透镜，非常适于实用。

本发明的另一目的在于，提供一种具有该透镜的光源装置，所要解决的技术问题是提供一种在一出光面的光强度分布均匀的具有透镜的光源装置，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。依据本发明提出的一种透镜，用于接收一发光半导体元件所发出的光线；其中该透镜包含：一底面，面对该发光半导体元件以接收光线；一顶面，相反于该底面，该顶面包括一使穿过该底面且入射该顶面的部分光线偏折而不朝该顶面的正上方行进的不平整表面结构；以及一侧面，由该顶面周缘往该底面周缘延伸，则穿过该底面且入射该侧面的光线射出该透镜；该透镜外形由该顶面及该侧面交界处往该底面方向逐渐增大，且该透镜上部截面的投影是落在该透镜下部截面的范围内。

本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的透镜，其中所述的顶面包括多数个形成该表面结构的凸面段，所述凸面段呈阶梯状连续延伸。

前述的透镜，其中所述的凸面段排列成同心圆。

前述的透镜，其中定义一通过该透镜的中心轴，该顶面概呈一越趋中央越往下凹陷的凹陷面。

前述的透镜，其中透镜沿该中心轴的纵向断面中，该顶面凹陷概呈V形。

前述的透镜，其中所述的侧面为一曲面。

前述的透镜，其中所述的侧面为一球面的一部份。

前述的透镜，其中所述的底面平行于一由该顶面周缘所形成的出光面。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种具有透镜的光源装置，包含一基座、一设置于该基座上的发光半导体元件、一设置于该基座上并用于接收该发光半导体元件所发出的光线的透镜；其中该透镜包含：一底面，面对该发光半导体元件以接收光线；一顶面，相反于该底面，该顶面包括一使穿过该底面且入射该顶面的部分光线偏折而不朝该顶面的正上方行进的不平整表面结构；以及一侧面，由该顶面周缘往该底面周缘延伸，则穿过该底面且入射该侧面的光线射出该透镜；该透镜外形由该顶面及该侧面交界处往该底面方向逐渐增大，且该透镜上部截面的投影是落在该透镜下部截面的范围内。

本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的具有透镜的光源装置，其中所述的基座为直立式支架、平面式支架或食人鱼支架。

前述的具有透镜的光源装置，其中所述的基座顶面与该透镜的底面接触。

前述的具有透镜的光源装置，其中所述的顶面包括多数个形成该表面结构的凸面段，所述凸面段呈阶梯状连续延伸。

前述的具有透镜的光源装置，其中所述的凸面段排列成同心圆。

前述的具有透镜的光源装置，其中定义一通过该透镜的中心轴，该顶面概呈一越趋中央越往下凹陷的凹陷面。

前述的具有透镜的光源装置，其中透镜沿该中心轴的纵向断面中，该顶面凹陷概呈V形。

前述的具有透镜的光源装置，其中所述的侧面为一曲面。

前述的具有透镜的光源装置，其中所述的侧面为一球面的一部份。

前述的具有透镜的光源装置，其中所述的底面平行于一由该顶面周缘所形成的出光面。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术内容可知，为达到上述目的，本发明提供了一种透镜，用于接收一发光半导体元件所发出的光线，该透镜包含一底面、一顶面，以及一侧面。底面面对该发光半导体元件以接收光线。顶面相反于该底面，该顶面包括一使穿过该底面且入射该顶面的部分光线偏折而不朝该顶面的正上方行进的不平整表面结构。侧面由该顶面周缘往该底面周缘延伸，则穿过该底面且入射该侧面的光线射出该透镜；该透镜外形由该顶面及该侧面交界处往该底面方向逐渐增大，且该透镜上部截面的投影是落在该透镜下部截面的范围内。

另外，为达到上述目的，本发明另提供了一种具有透镜的光源装置，包含一基座、一发光半导体元件，以及一透镜。该发光半导体元件设置于该基座上。该透镜设置于该基座上，用于接收该发光半导体元件所发出的光线，该透镜包含一底面、一顶面，以及一侧面。底面面对该发光半导体元件以接收光线。顶面相反于该底面，该顶面包括一使穿过该底面且入射该顶面的部分光线偏折而不朝该顶面的正上方行进的不平整表面结构。侧面由该顶面周缘往该底面周缘延伸，则穿过该底面且入射该侧面的光线射出该透镜；该透镜外形由该顶面及该侧面交界处往该底面方向逐渐增大，且该透镜上部截面的投影是落在该透镜下部截面的范围内。

本发明的一个较佳实施例中，透镜的顶面包括多数个形成该不平整表面结构的凸面段，所述凸面段呈阶梯状连续延伸且排列成同心圆；而且，定义一通过该透镜的中心轴，在该透镜沿该中心轴的纵向断面中，该顶面可为凹陷概呈V形、开口朝上的弧形、喇叭开口状或底部呈尖锥状的碗形等等形状。

本发明的一个较佳实施例中，透镜的底面与出光面平行。

借由上述技术方案，本发明透镜及具有该透镜的光源装置至少具有下列优点及有益效果：本发明的透镜的顶面包括一不平整表面结构，则当发光半导体元件发出的光线穿过底面且入射顶面时，部分光线被不平整表面结构偏折而不朝顶面的正上方行进；所以，在与出光面的法线夹0度的方向上的光强度会降低而非最大，使在大角度的出光方向上的光强度增加，因此，在出光面上可以获得光强度分布均匀的光场。

综上所述，本发明透镜及具有该透镜的光源装置，可使发光半导体元件发出的光线在一出光面的光强度分布均匀。本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在产品结构或功能上皆有较大改进，在技术上有显著的进步，且具有增进的突出功效，从而更加适于实用，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是一光强度的极座标图，说明现有习知的发光二极管发光时如同一点光源。

图2是本发明透镜及具有该透镜的光源装置较佳实施例的侧视剖面图。

图3是本发明透镜及具有该透镜的光源装置较佳实施例的俯视图，说明该较佳实施例的透镜。

图4是本发明透镜及具有该透镜的光源装置较佳实施例的示意图，说明该较佳实施例的透镜的凸面段。

图5是本发明透镜及具有该透镜的光源装置较佳实施例的光强度的直角座标图，说明该较佳实施例的射出透镜的光线在各出光方向上的光强度。

图6是本发明透镜及具有该透镜的光源装置较佳实施例的光强度的极座标图，说明该较佳实施例的射出透镜的光线在出光面上的光强度分布大致均匀。

图7是本发明透镜及具有该透镜的光源装置较佳实施例的制造方法的流程图。

图8是该较佳实施例的制造方法的模具的示意图。

图9是该较佳实施例的另一制造方法的流程图。

图10是该较佳实施例的制造方法的透镜套盖的侧视剖面图。

图11是该较佳实施例的又一制造方法的流程图。

图12是说明该较佳实施例的顶面凹陷呈开口朝上的弧形的轮廓态样的示意图。

图13是说明该较佳实施例的顶面凹陷呈喇叭开口状的轮廓态样的示意图。

图14是说明该较佳实施例的顶面凹陷呈底部呈尖锥状的碗形的轮廓态样的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的透镜及具有该透镜的光源装置其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

请参阅图2、图3及图4所示，图2是本发明透镜及具有该透镜的光源装置较佳实施例的侧视剖面图，图3是俯视图，说明该较佳实施例的透镜，图4是说明该较佳实施例的透镜的凸面段。本发明的较佳实施例揭示了一种具有透镜4的光源装置200，该光源装置200包含一基座2、一发光半导体元件3，以及一透镜4。定义一垂直通过透镜4的中心轴19，发光半导体元件3与透镜4皆对称或接近对称于中心轴19。

上述的基座2，为一般现有习知的封装发光半导体元件所用的基座，可以是塑胶包覆金属支架、直立式支架、平面式支架或是食人鱼支架，当然并不以此为限。

上述的发光半导体元件3，设置于基座2上，并经固晶打线封装，由于此为在本技术领域具有通常知识的技术人员所知悉的技术，故此不再赘述。在本实施例中，发光半导体元件3为发光二极管(LED)。

上述的透镜4，亦设置于基座2上且封闭发光半导体元件3，用于接收发光半导体元件3所发出的光线。透镜4可为一般透光的热塑型高分子材料射出成型，例如：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)；或为可透光的热固型塑胶灌胶而成，例如：环氧树脂(epoxy)或硅胶(sil icone)等，也可以是透光的玻璃以模具成型；折射率介于1.2～1.8尤佳。

该透镜4，包含一底面41、一顶面42，以及一侧面43。

该底面41，与基座2顶面接触且面对发光半导体元件3以接收光线。

该顶面42，相反于底面41，并包括多数个形成一不平整表面结构421的凸面段422，所述凸面段422呈阶梯状连续延伸且排列成同心圆。

该侧面43，由顶面42周缘往底面41周缘延伸而为一曲面；

透镜4外形由顶面42及侧面43交界处往底面41方向逐渐增大，亦即侧面43到中心轴19的距离是由上而下渐增，且透镜4上部截面的投影是落在透镜4下部截面的范围内。顶面42概呈一越趋中央越往下凹陷的凹陷面。在本实施例中，在该透镜4沿该中心轴19的纵向断面中，该顶面42凹陷概呈V形，但实际上并不以此为限，在其他的实施态样中，请结合参阅图12、图13、图14所示，图12是说明该较佳实施例的顶面凹陷呈开口朝上的弧形的轮廓态样的示意图，图13是说明该较佳实施例的顶面凹陷呈喇叭开口状的轮廓态样的示意图，图14是说明该较佳实施例的顶面凹陷呈底部呈尖锥状的碗形的轮廓态样的示意图。如图12所示，在沿中心轴19的纵向断面中，顶面42’也可以是凹陷概呈开口朝上的弧形；或如图13所示，顶面42”也可以凹陷概呈喇叭开口状；或如图14所示，顶面42’’’也可以凹陷概呈底部呈尖锥状的碗形。在本实施例中，中心轴19通过V形凹陷的中央，且底面41平行于一由顶面42周缘所形成的出光面423，出光面423垂直于中心轴19。

本实施例透镜4的具体尺寸如下所述，但并不以此为限。透镜4的底面41与出光面423平行，且顶面42、底面41均为圆形，顶面42周缘的直径104等于3.04mm，底面41的直径103等于4.97mm，透镜4的高度102等于1.5mm，侧面43为半径等于1.95mm的球面的一部分，凸面段422的上下端之间的距离105等于0.03mm，凸面段422的两相邻上端之间的距离等于......。呈V字型面的顶面42的其中一斜面与水平的出光面423之间的夹角101可以等于例如3.79度、7.49度、11.16度等任意角度。但上述的透镜4的尺寸(直径、高度、凸面段422的上下端间的距离、......)并不以此为限，当改变透镜4的规格时，可以依需求改变光强度分布的均匀度；或是当基座2或发光半导体元件3的尺寸改变时，抑或选用的发光半导体元件3不同时，可以依据本发明对透镜4的尺寸做调整以得到均匀的光强度分布。

当发光半导体元件3发出的光线穿过透镜4的底面41后，部分光线入射透镜4的顶面42，另一部分的光线则入射透镜4的侧面43而射出透镜4；因为顶面42有不平整的表面结构421，所以入射顶面42的光线中有一部分会被偏折而不朝顶面42的正上方行进，因此，请参阅图2及图5所示，图5是本发明透镜及具有该透镜的光源装置较佳实施例的光强度的直角座标图，说明该较佳实施例的射出透镜的光线在各出光方向上的光强度。在与中心轴19平行的方向上(亦即与出光面423的法线的夹角θ等于0度的方向上)的光强度会变小，光强度会随着出光方向与法线的夹角θ的增加而增加，一直到出光角度(夹角θ)大约等于正、负45度时的光强度才是最大，然后光强度便随着出光角度(夹角θ)的增加而递减。请参阅图6所示，是本发明透镜及具有该透镜的光源装置较佳实施例的光强度的极座标图，说明该较佳实施例的射出透镜的光线在出光面上的光强度分布大致均匀。当改由极座标图来看光强度分布时，就可以看出在出光面423上的光强度分布是大致均匀的。在本实施例中，出光角度(夹角θ)大约等于正、负45度时的光强度最大，但并不以此为限。

请参阅图2、图7及图8所示，图7是本发明透镜及具有该透镜的光源装置较佳实施例的制造方法的流程图。图8是该较佳实施例的制造方法的模具的示意图。在下文中，并依据前述的构件来说明本实施例具有透镜4的光源装置200的制造方法。本发明较佳实施例的具有该透镜的光源装置制造方法，包括以下步骤：

首先进行步骤61，将发光半导体元件3安装至基座2上，其中包括固晶打线等动作。

接着进行步骤62，提供一模具7，模具7包含一内壁面不平整的顶壁71、一自顶壁71周缘倾斜向下延伸的侧壁72，以及一由顶壁71与侧壁72共同界定出的模穴73，模穴73上部截面的投影是落在模穴73下部截面的范围内(在图8中为倒置)，亦即模穴73的形状是对应上述透镜4的外形。

然后进行步骤63，将可透光的胶状物质灌注至模穴73内，其中，胶状物质可为热固型树脂(epoxy或silicone)等，但并不以此为限。

再进行步骤64，将基座2连同发光半导体元件3置于模具7上而对位，也就是说，将基座2倒置使发光半导体元件3浸入胶状物质中。

之后进行步骤65，烘烤步骤，烘烤使可透光胶状物质固化。

最后是步骤66，脱模步骤，将已固化的胶状物质脱离模具7，其中，固化的胶状物质即形成上述的外形上小下大的透镜4，且由于透镜4外形为上小下大，故脱模容易。

特别注意步骤63及步骤64，上述步骤虽是先灌胶而后再对位，但熟习该项技艺的技术人员当知，亦可为先对位后，再灌胶，不应以此为限，且步骤64中模具7与基座2的关系亦不限于如图8所示的倒置，也就是说，亦可使模具7在上而基座2在下。

需要注意的是，上述具有透镜4的光源装置200的制造方法，除了利用模具7达成外，也可以不利用模具7完成，现将其说明如下：

请参阅图9及图10所示，图9是该较佳实施例的另一制造方法的流程图，图10是该较佳实施例的制造方法的透镜套盖的侧视剖面图。本发明具有该透镜的光源装置的另一制造方法，包括以下步骤：

首先进行步骤81，置备一透镜套盖5，透镜套盖5包含一外壁面不平整的顶壁51、一自顶壁51周缘倾斜向下延伸的侧壁52，以及一由顶壁51与侧壁52共同界定出的容室53，容室53上部截面的投影是落在容室53下部截面的范围内，亦即透镜套盖5的外形是对应上述透镜4的外形。

接着进行步骤82，置备发光半导体元件3及基座2，其中，发光半导体元件3是经固晶打线在基座2上。

然后进行步骤83，将基座2与透镜套盖5对位接合，使得发光半导体元件3位于透镜透盖5下方，也就是发光半导体元件3位于透镜套盖5与基座2之间。

再进行步骤84，灌注可透光胶状物质至透镜套盖5的容室53内。

最后进行步骤85，烘烤固化，进行烘烤使可透光胶状物质固化。

此外，本发明更提供一种先行完成透镜4制作，然后再与发光半导体元件3及基座2相组合的具有透镜4的光源装置200的制造方法。

请参阅图11所示，是该较佳实施例的又一制造方法的流程图。本发明具有该透镜的光源装置的又一制造方法，包括以下步骤：

首先进行步骤91，置备如上述具上小下大外形的实心透镜4，透镜4的材质可为透光的热塑性高分子材料、热固型塑胶或玻璃，但并不以此为限。

接着进行步骤92，置备一发光半导体元件3及一基座2，其中，发光半导体元件3是经固晶打线而固定的基座2上。

然后进行步骤93，将基座2顶面与透镜4的底面41对位接合，使得发光半导体元件3位于透镜4下方，也就是发光半导体元件3位于透镜4与基座2之间，透镜4与基座2之间可用胶粘合以固定。

此方法与前述方法不同之处在于，前述方法是置备中空的透镜套盖5使用，而此方法则是使用实心的透镜4。

归纳上述，本发明透镜4及具有该透镜4的光源装置200，藉由使透镜4的顶面42形成一不平整表面结构421，例如形成多数个呈阶梯状连续延伸且排列成同心圆的凸面段422，则当发光半导体元件3发出的光线入射顶面42时，会有部分光线被不平整表面结构421偏折而不朝顶面42的正上方行进；所以，在与出光面423的法线的夹角θ等于0度的方向上的光强度会降低，使得在出光角度(夹角θ)大约等于正、负45度时的光强度增加为最大，因此，在出光面423上可以获得光强度分布均匀的光场而可以提供均匀的照明，故确实能达成本发明的目的及功效。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (18)

1、一种透镜，用于接收一发光半导体元件所发出的光线；其特征在于该透镜包含：

一底面，面对该发光半导体元件以接收光线；

一顶面，相反于该底面，该顶面包括一使穿过该底面且入射该顶面的部分光线偏折而不朝该顶面的正上方行进的不平整表面结构；以及

一侧面，由该顶面周缘往该底面周缘延伸，则穿过该底面且入射该侧面的光线射出该透镜；该透镜外形由该顶面及该侧面交界处往该底面方向逐渐增大，且该透镜上部截面的投影是落在该透镜下部截面的范围内。

2、如权利要求1所述的透镜，其特征在于其中所述的顶面包括多数个形成该表面结构的凸面段，所述凸面段呈阶梯状连续延伸。

3、如权利要求2所述的透镜，其特征在于其中所述的凸面段排列成同心圆。

4、如权利要求1至3中任一权利要求所述的透镜，其特征在于定义一通过该透镜的中心轴，该顶面概呈一越趋中央越往下凹陷的凹陷面。

5、如权利要求4所述的透镜，其特征在于其中透镜沿该中心轴的纵向断面中，该顶面凹陷概呈V形。

6、如权利要求4所述的透镜，其特征在于其中所述的侧面为一曲面。

7、如权利要求4所述的透镜，其特征在于其中所述的侧面为一球面的一部份。

8、如权利要求4所述的透镜，其特征在于其中所述的底面平行于一由该顶面周缘所形成的出光面。

9、一种具有透镜的光源装置，包含一基座、一设置于该基座上的发光半导体元件、一设置于该基座上并用于接收该发光半导体元件所发出的光线的透镜；其特征在于该透镜包含：

一底面，面对该发光半导体元件以接收光线；

一顶面，相反于该底面，该顶面包括一使穿过该底面且入射该顶面的部分光线偏折而不朝该顶面的正上方行进的不平整表面结构；以及

一侧面，由该顶面周缘往该底面周缘延伸，则穿过该底面且入射该侧面的光线射出该透镜；该透镜外形由该顶面及该侧面交界处往该底面方向逐渐增大，且该透镜上部截面的投影是落在该透镜下部截面的范围内。

10、如权利要求9所述的具有透镜的光源装置，其特征在于其中所述的基座为直立式支架、平面式支架或食人鱼支架。

11、如权利要求9所述的具有透镜的光源装置，其特征在于其中所述的基座顶面与该透镜的底面接触。

12、如权利要求9所述的具有透镜的光源装置，其特征在于其中所述的顶面包括多数个形成该表面结构的凸面段，所述凸面段呈阶梯状连续延伸。

13、如权利要求12所述的具有透镜的光源装置，其特征在于其中所述的凸面段排列成同心圆。

14、如权利要求9至13中任一权利要求所述具有透镜的光源装置，其特征在于定义一通过该透镜的中心轴，该顶面概呈一越趋中央越往下凹陷的凹陷面。

15、如权利要求14所述的具有透镜的光源装置，其特征在于其中透镜沿该中心轴的纵向断面中，该顶面凹陷概呈V形。

16、如权利要求14所述的具有透镜的光源装置，其特征在于其中所述的侧面为一曲面。

17、如权利要求14所述的具有透镜的光源装置，其特征在于其中所述的侧面为一球面的一部份。

18、如权利要求14所述的具有透镜的光源装置，其特征在于其中所述的底面平行于一由该顶面周缘所形成的出光面。

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