CN101626052B - 非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件，其中，光学镜片由具有在光源侧的凹面以及在成像侧的凸面的非球面光学镜片构成，构成的发光二极管(LED)组件，可对LED芯片发出的光线聚集并产生光强度为大于15°小于30°的窄照角圆形光型。因此，本发明仅使用一个单独的光学镜片即可将LED发出的光线聚集成预定的光型，且符合光通量比值大于85％的要求，可供照明、手机闪光灯或相机闪光灯使用。

Description

非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件

技术领域

本发明涉及一种非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件，尤其涉及一种应用于LED发光源产生光型的光学镜片，及其所构成的发光二极管组件，从而可应用于LED照明、手机或相机的闪光灯。

背景技术

发光二极管LED具有低电压、低耗电、寿命长的优点，已大量应用于显示(indicator)、照明(illuminator)等领域。由于LED还具有光颜色单纯、小型化可平面封装的特点，所以已使用在手机相机的闪光灯上。然而，由于LED芯片发出的光线为点光源发出的、亮度不均匀的特性，所以对于光线的聚集已有研究学者进行多项研究，如缩小芯片、提高发光效率外，使用光学镜片也是重要的技术开发方向。

在LED光学镜片的设计上，可分为一次光学镜片(primary optical lens)及二次光学镜片(secondary optical lens)；一次光学镜片为在LED芯片上直接封装的透镜，一般以聚集(concentrate)光线为主；二次光学镜片为使用在单个或数个LED阵列(Array)，以分散光束为主。在已知的一次光学镜片设计上，例如，ES2157829使用对称的非球面透镜、日本专利JP3032069、JP2002-111068、JP2005-203499、美国专利US2006/187653、中国专利CN101013193等使用球面透镜、JP2002-221658对体(Bulk)型的LED使用球面透镜等。对于高阶的应用，一次光学镜片除要能聚集光线外，更要能在均匀的光强度(peak intensity)产生特定的光型(distribution pattern)，例如大角度、小角度、圆形、椭圆形等特殊光型，从而搭配LED阵列使用，以产生最佳的光学效果。一次光学镜片的应用如图1所示，在LED芯片21上覆有透镜23，当LED芯片21发出光线，经由透镜23聚集后发出预定的光型光线。，这样的一次光学镜片在已知技术中，如日本专利JP2004-356512、JP2005-229082、JP2006-072874、JP2007-140524、JP2007-115708等、美国专利US2005/162854、US2006/105485、US2006/076568、US2007/114551、US2007/152231、US7,344,902、US7,345,416、US7,352,011、台湾专利TW M332796等使用光学镜片以产生光型，再如日本专利JP60007425、美国专利WO/2007/100837产生椭圆光型等，或如中国专利200710118965.0产生小于160度的矩形、正方形或条状光型等。

随着科技的进步，电子产品不断地朝向轻薄短小以及多功能的方向发展，而电子产品中，诸如数字相机(Digital Still Camera)、计算机相机(PC camera)、网络相机(Network camera)、移动电话(手机)等已具备镜头之外，甚至个人数字辅助器(PDA)等装置也有加上镜头的需求；因此用于这类产品的LED闪光灯或照明用的LED灯具，常以单个或多个LED组件组成阵列；而为了携带方便及符合人性化的需求，LED闪光灯或照明用的LED灯具不仅需要符合的光通量，以不同光型LED组件互相搭配，同时也需要有较小的体积与较低的成本。在LED一次光学镜片的需求上，已知复杂外型或具有绕射面的光学镜片存在制造困难、塑料射出变形、玻璃成型不易或成本高等缺点。因此，使用简单外型、易于制造的发光二极管镜片设计与组成，可对LED发出的光线聚集并产生光强度(peak intensity)为大于15°小于30°的窄照角圆形光型所形成的LED组件，且光通量比值大于85％的要求，这些是使用者所迫切需求的。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种非球面窄照角光学镜片，以应用于LED组件上。该LED组件包括：发光二极管芯片(LED die)，以发出光线；光学镜片，以聚集光线并以均匀光强度形成大于15°小于30°的窄照角圆形光型；封胶(seal gel)，填塞在光学镜片与发光二极管之间。其中，所述光学镜片为具有凹面及凸面的光学材料制成的镜片，其凹面为面向光源的光源侧光学面，其凸面为面向成像侧的成像侧光学面，其至少一个光学面为非球面，可满足以下条件：

$0.7\≤\left|\frac{R_1-R_2}{R_1+R_2}\right|\≤1.0---\left(1\right)$

$8.0\≤\frac{{R_1}^2}{3\·d_2\·\mathrm{fs}}\≤25---\left(2\right)$

$0.3\≤(N_{d2}-1)\frac{d_2}{\mathrm{fs}}\≤0.6---\left(3\right)$

其中，fs为所述光学镜片的有效焦距(effective focal length)的长度、R₁为光源侧光学面的曲率半径、R₂为成像侧光学面的曲率半径、d₂为中心轴光学镜片厚度、N_d2为光学镜片的折射率。

本发明另一目的在于，为使用选择方便，所述光学镜片可由光学玻璃或光学塑料制成。

本发明的另一目的在于提供一种发光二极管组件，包括如本发明主要目的所述的非球面窄照角光学镜片及发光二极管芯片；其特征在于发光二极管组件具有大于15°小于30°的窄照角圆形光型、其光通量比值大于85％(β/α≥85％)的要求，并满足以下条件：

其中，

$\mathrm{fg}=|(\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2})\·\mathrm{fs}|---\left(5\right)$

其中，fs为所述光学镜片的有效焦距(effective focal length)的长度、fg为本光学镜片的相当焦距(relative focal length)的长度、R₁为光源侧光学面的曲率半径、R₂为成像侧光学面的曲率半径、2ω为LED芯片发出光线以中心轴对称的最大角度、

为经由光学镜片射出光线以中心轴对称的最大角度、α为LED芯片发出光线的光通量、β为成像侧相对无限远处(100倍fs)光线的光通量。

因此，本发明非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件可具有大于15°小于30°的窄照角圆形光型，且符合光通量比值大于85％的要求，并且所述光学镜片具有简单的形状、厚度薄，易于制造，可用于单个LED或LED阵列，提供作为照明或手机、相机的闪光灯来使用。

附图说明

图1是已知技术的将LED光学镜片用于LED组件的示意图；

图2是本发明的将LED光学镜片用于LED组件的示意图；

图3是本发明的LED光学镜片光路示意图；

图4是本发明第一实施例的LED组件光强度分布与照角的极坐标关系图；

图5是本发明第二实施例的LED组件光强度分布与照角的极坐标关系图；

图6是本发明第三实施例的LED组件光强度分布与照角的极坐标关系图；

图7是本发明第四实施例的LED组件光强度分布与照角的极坐标关系图；

图8是本发明第五实施例的LED组件光强度分布与照角的极坐标关系图；

图9是本发明第六实施例的LED组件光强度分布与照角的极坐标关系图。

主要标号说明

10：LED组件；

11、21：LED芯片；

12：封胶；

13：光学镜片；

23：透镜；

R₁：光源侧光学面或其曲率半径；

R₂：成像侧光学面或其曲率半径；

d₀：中心轴上LED芯片厚度；

d₁：中心轴上LED芯片表面至光学镜片光源侧的光学面距离；

d₂：中心轴光学镜片厚度。

具体实施方式

为使本发明更加明确详实，现在列举优选实施例并配合附图，将本发明的结构和技术特征详述如下：

参照图2所示，图2是本发明非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件的LED组件的结构示意图，其沿着中心轴Z由光源至成像侧顺序排列有：LED芯片11、封胶12及光学镜片13，光线由LED芯片11发出后，经由封胶12，由光学镜片13将光线聚集并形成关于中心轴Z对称的大于15°小于30°的窄照角圆形光型的光束，并对成像侧照射；该光学镜片13为具有凹面及凸面的光学材料所制成的镜片，其凹面为面向光源的光源侧光学面R₁，其凸面为面向成像侧的成像侧光学面R₂，其至少一个光学面为非球面；光学镜片13的光学面R₁与R₂及有效焦距长度之间满足式(1)、式(2)及式(3)的条件，LED芯片11发射的角度2ω与光学镜片13所形成的光强度形成的光型的角度

满足式(4)的条件。

其中，封胶12并不限制使用哪种材料，在LED组件上常用光学树脂(resin)或硅胶(silicon gel)等不同的材料。

如果光学镜片13的光学面R₁与R₂以非球面光学面构成，则其可以用非球面方程式(Aspherical Surface Formula)的式(6)来表示：

$Z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\sqrt{(1-(1+K)c^2{h}^2)}}+A_4{h}^4+A_6{h}^6+A_8{h}^8+A_{10}{h}^{10}---\left(6\right)$

其中，c是曲率，h为镜片高度，K为圆锥系数(Conic Constant)、A4、A6、A8、A10分别四、六、八、十阶的非球面系数(Nth Order AsphericalCoefficient)。

图3为本发明的光路示意图，LED芯片11发出光线的最大角度为2ω(关于中心轴Z对称)，经由光学镜片13聚集并折射后以

角度(关于中心轴Z对称)形成所需要的光型并满足光通量比值β/α≥70％的要求，其中，α为LED芯片发出光线的光通量、β为成像侧相对无限远处(100倍fs)光线的光通量，且忽略空气的折射(refraction)与散射(scattering)等效应。再者，该光学镜片13可由光学玻璃或由光学塑料制成。

根据上述结构，本发明非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件可符合大于15°小于30°的窄照角圆形光型，使LED组件10可发出预定的光型，且符合光通量比值大于85％(β/α≥85％)的要求，可为单个使用或以不同光型组成阵列来使用。

为说明本发明实际应用的实施例，以LED芯片11使用1.0×1.0mm尺寸的芯片、光学镜片13使用直径5mm来说明，以利于比较各实施例的应用情况；然而，LED芯片11尺寸与光学镜片13直径，并不限于上述尺寸。

<第一实施例>

请参照图2和图4，图2和图4分别是本发明的将LED光学镜片用于LED组件的示意图及第一实施例的光强度分布与照角的极坐标关系图。

下面的表(一)中分别列有由光源侧至成像侧沿中心轴Z的LED芯片11、封胶12、光学镜片13的光源侧光学面R₁和成像侧光学面R₂的曲率半径R(单位：mm)(the radius of curvature R)、间距d(单位：mm)(the on-axissurface spacing)，LED芯片11发出光线的最大角度为2ω(度deg)、光学镜片13发出光线光型的最大角度

(度deg)，各折射率N_d、各厚度(thickness)、各阿贝数(Abbe’s number)ν_d。

表(一)

*非球面

在表(一)中，标注有*的光学面(Surf)为非球面光学面。下面的表(二)为各光学面的非球面式(6)的各项系数：

表(二)

	K	A4	A6	A8	A10
						R2	-5.3268E-01	3.4785E-02	-1.3739E-03	1.4512E-03	-1.0582E-04

本实施例中，封胶12是利用折射率N_d1为1.527、阿贝数ν_d1为34的透明光学硅胶所填塞的；光学镜片13是利用折射率N_d2为1.5828、阿贝数ν_d2为61.7的玻璃材料制成。通过搭配封胶12及光学镜片13的折射系数与阿贝数，以形成光线折射角度。LED芯片11发出α＝9.305流明的蓝光、有效的最大角度为80°，光学镜片13的有效焦距的长度fs为5.408mm；经由该光学镜片13聚集后以22°窄照角照射到无限远处(按100倍fs计算)的β＝7.940流明(忽略空气的折射与散射等效应)；式(1)～(5)分别为：

可以满足条件式(1)～式(5)。图3为LED芯片11发出的光线，经过封胶12及光学镜片13的光路图，图4为光强度分布与照角的极坐标关系图。由上述表(一)、表(二)及图4所示，因此可证明本发明的非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件具有简单的面形，易于制造且有预定的光型，其各角度的光强度均匀，因此可提升本发明的应用性。

<第二实施例>

请参照图2和图5，图2和图5分别是本发明的将LED光学镜片用于LED组件的示意图及第二实施例的光强度分布与照角的极坐标关系图。

下面的表(三)中分别列有由光源侧至成像侧的沿中心轴Z的LED芯片11、封胶12、光学镜片13的光源侧光学面R₁与成像侧光学面R₂的曲率半径R、间距d，LED芯片11发出光线的最大角度为2ω、光学镜片13发出光线光型的最大角度

各折射率N_d、各厚度(thickness)、各阿贝数ν_d。表(四)为各光学面的非球面式(6)的各项系数：

表(三)

*非球面

表(四)

	K	A4	A6	A8	A10
						R1	-6.9621E+01	-9.9641E-04	-2.8023E-04	3.7144E-08	-1.9359E-06
R2	-1.1391E-01	3.6330E-02	-1.0450E-03	1.4773E-03	-1.1156E-04

本实施例中，封胶12是利用折射率N_d1为1.527、阿贝数ν_d1为34的透明光学硅胶所填塞的；光学镜片13是利用折射率N_d2为1.5828、阿贝数ν_d2为61.7的玻璃材料制成。通过搭配封胶12及光学镜片13的折射系数与阿贝数，以形成光线折射角度。LED芯片11发出α＝13.958流明的蓝光、有效的最大角度为120°，光学镜片13的有效焦距的长度fs为5.439mm；经由该光学镜片13聚集后以20°窄照角照射到无限远处(按100倍fs计算)的β＝12.262流明(忽略空气的折射与散射等效应)；式(1)～(5)分别为：

可以满足条件式(1)～式(5)。由上述表(三)、表(四)及图5所示，因此可证明本发明的非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件具有简单的面形，易于制造且有预定的光型，其各角度的光强度均匀，可提升本发明的应用性。

<第三实施例>

请参照图2及图6，图2和图6分别是本发明的将光学镜片用于LED组件的示意图及第三实施例的光强度分布与照角的极坐标关系图。

下面的表(五)中分别列有由光源侧至成像侧的沿中心轴Z的LED芯片11、封胶12、光学镜片13的光源侧光学面R₁与成像侧光学面R₂的曲率半径R、间距d，LED芯片11发出光线的最大角度为2ω、光学镜片13发出光线光型的最大角度

各折射率N_d、各厚度(thickness)、各阿贝数ν_d。表(六)为各光学面的非球面式(6)的各项系数：

表(五)

*非球面

表(六)

	K	A4	A6	A8	A10
						R2	-5.3268E-01	3.4785E-02	-1.3739E-03	1.4512E-03	-1.0582E-04

本实施例中，封胶12是利用折射率N_d1为1.527、阿贝数ν_d1为34的透明光学硅胶所填塞的；光学镜片13是利用折射率N_d2为1.5828、阿贝数ν_d2为61.7的玻璃材料制成。通过搭配封胶12及光学镜片13的折射系数与阿贝数，以形成光线折射角度。LED芯片11发出α＝13.958流明的蓝光、有效的最大角度为120度，光学镜片13的有效焦距的长度fs为5.408mm；经由该光学镜片13聚集后以20°窄照角照射到无限远处(按100倍fs计算)的β＝12.578流明(忽略空气的折射与散射等效应)；式(1)～(5)分别为：

可以满足条件式(1)～式(5)。由上述表(五)、表(六)及图6所示，因此可证明本发明的非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件具有简单的面形，易于制造且有预定的光型，其各角度的光强度均匀，可提升本发明的应用性。

<第四实施例>

请参照图2及图7，图2和图7分别是本发明的将LED光学镜片用于LED组件的示意图及第四实施例的光强度分布与照角的极坐标关系图。

下面的表(七)中分别列有由光源侧至成像侧的沿中心轴Z的LED芯片11、封胶12、光学镜片13的光源侧光学面R₁与成像侧光学面R₂的曲率半径R、间距d，LED芯片11发出光线的最大角度为2ω、光学镜片13发出光线光型的最大角度

各折射率N_d、各厚度(thickness)、各阿贝数ν_d。表(八)为各光学面的非球面式(6)的各项系数：

表(七)

*非球面

表(八)

	K	A4	A6	A8	A10
						R2	-8.2758E-01	4.4555E-02	-2.8102E-03	1.1324E-03	-1.2662E-04

本实施例中，封胶12是利用折射率N_d1为1.527、阿贝数ν_d1为34的透明光学硅胶所填塞的；光学镜片13是利用折射率N_d2为1.5828、阿贝数ν_d2为61.7的玻璃材料制成。通过搭配封胶12及光学镜片13的折射系数与阿贝数，以形成光线折射角度。LED芯片11发出α＝13.958流明的蓝光、有效的最大角度为120°，光学镜片13的有效焦距的长度fs为5.963mm；经由该光学镜片13聚集后以29°窄照角照射到无限远处(按100倍fs计算)的β＝12.343流明(忽略空气的折射与散射等效应)；式(1)～(5)分别为：

可以满足条件式(1)～式(5)。由上述表(七)、表(八)及图7所示，因此可证明本发明的非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件具有简单的面形，易于制造且有预定的光型，其各角度的光强度均匀，可提升本发明的应用性。

<第五实施例>

请参照图2及图8，图2和图8分别是本发明的将LED光学镜片用于LED组件的示意图及第五实施例的光强度与照角的极坐标关系图。

下面的表(九)中分别列有由光源侧至成像侧的沿中心轴Z的LED芯片11、封胶12、光学镜片13的光源侧光学面R₁与成像侧光学面R₂的曲率半径R、间距d，LED芯片11发出光线的最大角度为2ω、光学镜片13发出光线光型的最大角度

各折射率N_d、各厚度(thickness)、各阿贝数ν_d。表(十)为各光学面的非球面式(6)的各项系数：

表(九)

*非球面

表(十)

	K	A4	A6	A8	A10
						R2	-5.3268E-01	3.4785E-02	-1.3739E-03	1.4512E-03	-1.0582E-04

本实施例中，封胶12是利用折射率N_d1为1.527、阿贝数ν_d1为34的透明光学硅胶所填塞的；光学镜片13是利用折射率N_d2为1.530、阿贝数ν_d2为57的塑料材料制成。通过搭配封胶12及光学镜片13的折射系数与阿贝数，以形成光线折射角度。LED芯片11发出α＝13.958流明的蓝光、有效的最大角度为120°，光学镜片13的有效焦距的长度fs为5.408mm；经由该光学镜片13聚集后以24°窄照角照射到无限远处(按100倍fs计算)的β＝12.133流明(忽略空气的折射与散射等效应)；式(1)～(5)分别为：

可以满足条件式(1)～式(5)。由上述表(九)、表(十)及图8所示，因此可证明本发明的非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件具有简单的面形，易于制造且有预定的光型，其各角度的光强度均匀，可提升本发明的应用性。

<第六实施例>

请参照图2及图9，图2和图9分别是本发明的将LED光学镜片用于LED组件的示意图及第六实施例的光强度分布与照角的极坐标关系图。

下面的表(十一)中分别列有由光源侧至成像侧的沿中心轴Z的LED芯片11、封胶12、光学镜片13的光源侧光学面R₁与成像侧光学面R₂的曲率半径R、间距d，LED芯片11发出光线的最大角度为2ω、光学镜片13发出光线光型的最大角度

各折射率N_d、各厚度(thickness)、各阿贝数ν_d。

表(十二)为各光学面的非球面式(6)的各项系数：

表(十一)

*非球面

表(十二)

	K	A4	A6	A8	A10
						R2	-5.3268E-01	3.4785E-02	-1.3739E-03	1.4512E-03	-1.0582E-04

本实施例中，封胶12是利用折射率N_d1为1.527、阿贝数ν_d1为34的透明光学硅胶所填塞的；光学镜片13是利用折射率N_d2为1.5825、阿贝数ν_d2为61.7的玻璃材料制成。通过搭配封胶12及光学镜片13的折射系数与阿贝数，以形成光线折射角度。LED芯片11发出α＝13.958流明的蓝光、有效的最大角度为150°，光学镜片13的有效焦距的长度fs为5.408mm；经由该光学镜片13聚集后以24°窄照角照射到无限远处(按100倍fs计算)的β＝13.481流明(忽略空气的折射与散射等效应)；式(1)～(5)分别为：

可以满足条件式(1)～式(5)。由上述表(十一)、表(十二)及图9所示，因此可证明本发明的非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件具有简单的面形，易于制造且有预定的光型，其各角度的光强度均匀，可提升本发明的应用性。

综上所述，本发明的非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件的功效在于其具有简单的面形，可利用塑料射出成形或模造玻璃等工艺进行大量生产制造而不容易变形，因而能降低生产成本。

本发明的非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件的另一功效在于，因为可使从LED芯片投射的光源能具有预定的光型，所以可适用于照明或手机、相机的闪光灯等特定照明条件。

本发明的非球面窄照角光学镜片及其所构成的发光二极管组件的另一功效在于其使从LED芯片投射的光源能在各角度均能维持均匀的照明强度，使成像面不会有部份区域过亮或过暗的现象发生，因而能提升照明质量。

上面仅示出了本发明实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的。本领域技术人员应该理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变、修改、甚至等效变更，但都将落入本发明的权利范围内。

Claims (6)

1.一种非球面窄照角光学镜片，用于发光二极管组件中，沿着中心轴由光源侧至成像侧排列发光二极管芯片、封胶及光学镜片；其特征在于：

所述光学镜片为具有凹面及凸面的镜片，所述凹面为面向光源的光源侧光学面，所述凸面为面向成像侧的成像侧光学面，至少一个光学面为非球面；并满足以下条件：

及

其中，R₁为所述光学镜片光源侧光学面的曲率半径、R₂为所述光学镜片成像侧光学面的曲率半径、fs为所述光学镜片的有效焦距的长度、d₂为中心轴上所述光学镜片厚度、N_d2为所述光学镜片的折射率，

若所述光学镜片的光学镜片光源侧光学面与光学镜片成像侧光学面以非球面光学面构成，则其可以用非球面方程式

来表示，

其中，c是曲率，h为镜片高度，K为圆锥系数，A₄、A₆、A₈、A₁₀分别四、六、八、十阶的非球面系数。

2.如权利要求1所述的非球面窄照角光学镜片，为玻璃光学材料所制成的镜片。

3.如权利要求1所述的非球面窄照角光学镜片，由塑料材料制成。

4.一种发光二极管组件，包括如权利要求1至权利要求2中任意一项所述的非球面窄照角光学镜片及发光二极管芯片；其特征在于所述发光二极管组件具有大于15°小于30°的窄照角圆形光型，并满足以下条件：

其中， 

fg为所述光学镜片的相当焦距的长度、fs为所述光学镜片的有效焦距的长度、R₁为所述光学镜片光源侧光学面的曲率半径、R₂为所述光学镜片成像侧光学面的曲率半径、ω为所述发光二极管芯片发出光线关于中心轴对称的最大角度的一半、 

为经由所述光学镜片射出光线关于中心轴对称的最大角度的一半。

5.如权利要求4所述的发光二极管组件，其中，所述发光二极管芯片发出光线的光通量与所述发光二极管组件成像侧相对无限远处的光通量比值满足以下条件：

β/α≥85％

其中，α为所述发光二极管芯片发出光线的光通量、β为所述发光二极管组件成像侧相对无限远处并忽略空气的折射与散射效应的光通量。

6.如权利要求4所述的发光二极管组件，其中，所述非球面窄照角光学镜片由塑料材料制成。 

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