CN101728464A - 发光二极管的聚光组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管的聚光组件，用以汇聚发光芯片所发出的光线，使光线经由发光二极管的聚光组件后，形成趋近平行的光线。发光二极管的聚光组件包含有圆柱体与第一透镜。圆柱体用以设置于发光芯片上。第一透镜设置于圆柱体相对用以设置发光芯片的另一端上，其中第一透镜具有彼此相对的第一平面和第一曲面。第一透镜的第一平面贴附于圆柱体上。

Description

发光二极管的聚光组件

技术领域

本发明是关于一种发光二极管的聚光组件，特别是一种用于发光芯片的聚光组件，可使发光芯片的发光角度缩小，并均匀照射收光面，增加照射区域的能量。

背景技术

在电子组件的工艺上，需要制作极为细小的金属线路或是半导体结构。为了达成此工艺条件，因此往往需要利用到微影技术的工艺方法。现有的微影技术将晶圆表面事先经清洁处理后，再涂抹上具感光化学物质的光阻剂(photoresist)。然后将设计好的图形制作成光罩(photo mask)，置于晶圆表面，并由一光源发出光线以通过光罩透明区域的部分，通过光罩的光线会与光阻剂产生反应，通常我们称此步骤为曝光。

现有用以曝光的机台，大多是利用汞氙短弧灯当作光源，由汞氙短弧灯发出紫外光(Ultraviolet Light)以通过光罩透明区域的部分，通过光罩的紫外光线会与对紫外光会产生反映的光阻剂产生化学变化。但由于汞氙短弧灯需要高压才能启动，同时需要一段时间的暖机后才能达到所需要的光照功率，因此在使用上具有许多的限制。

为了避免现有的汞氙短弧灯在使用时的限制，开始有厂商开发出以发光二极管来取代现有的汞氙短弧灯，发光二极管具有通电后立刻发光的特性，且不需要如汞氙短弧灯那样的高压启动，同时可藉由挑选发光芯片来控制所发出的紫外光频段。但是由于发光芯片为一拓展的光源，需要藉由透光透镜来将发光芯片所发出的拓展光源汇聚成一平行光源，以避免利用发光二极管当作光源曝光时，会由于是拓展光源，一来光照无法均匀，二来会使经过光罩后的形状产生变化。同时，为了提供较大功率的紫外光以取代现有的汞氙短弧灯，需要使用较大尺寸的高功率发光芯片，同时需要针对较大尺寸的高功率发光芯片来设计一聚光组件，以使发光芯片透过聚光组件所发出的光线为一平行光。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明提供一种发光二极管的聚光组件，用以使发光芯片所发出的光线为一平行光。

根据本发明所揭露的一种发光二极管的聚光组件，用以汇聚发光芯片所发出的光线，使光线经由发光二极管的聚光组件后，形成趋近平行的光线。其中，发光二极管的聚光组件包括：圆柱体与第一透镜。

发光芯片可以是边长为d的方形结构。

圆柱体的一端用以设置于发光芯片上。发光芯片的中心位置可以是设置于圆柱体一端的中心位置。

第一透镜设置于圆柱体相对用以设置发光芯片的另一端上，其中第一透镜具有彼此相对的第一平面和第一曲面。第一透镜的第一平面贴附于圆柱体相对发光芯片的另一端上。

其中，圆柱体的高度h和半径a随发光芯片的边长d而改变。h的高度范围条件：主要先决定发光二极管的发光角度θ后，再由发光芯片的尺寸边长d来算出圆柱体的高度h值，这样方可消除发光芯片过大时，轴心与边缘发光角度的差异缩小，降低设计的误差。

为了要消除发光芯片轴心与离轴发光角度的差异，于此，圆柱体的高度h和半径a与发光芯片的边长d的关系需符合条件式一，将角度差异限制在1°以内。

θ-θ′≤1°......................................条件式一

其中，θ是为由发光芯片中心位置的法线方向(亦即圆柱体的中心位置处)与发光芯片中心至圆柱体与第一透镜贴附的一圆周上的位置所夹的角度。θ′是为由发光芯片的一端的法线方向(亦即离圆柱体的中心位置d/2的距离处)与发光芯片的一端至圆柱体与第一透镜贴附的一圆周上的位置的联机所夹的角度。

利用三角函数可以由条件式一转换得公式一。

...............公式一

其中h为圆柱体的高度、a为圆柱体的半径和d为发光芯片的边长。

当发光芯片的边长d和圆柱体的高度h为已知的既定值时，即可利用公式一求得圆柱体的半径a。同理，当发光芯片的边长d和圆柱体的半径a为已知的既定值时，即可利用公式一求得圆柱体的高度h。

换言之，由发光芯片的边长d与公式一可以得出圆柱体的高度h与半径a。因此，使用者可以依照所使用的发光芯片的边长d，来决定要使用的圆柱体尺寸为何。

再者，假设第一曲面的曲线方程式为公式A。

y＝-ex²+(h+Δh)........................公式A

其中，Δh为第一透镜的第一平面的中心点至第一透镜的第一曲面的中心点的最短路径。

将发光芯片与圆柱体贴附处的中心位置假设为原点O，于此假设原点O(亦即发光芯片与圆柱体贴附处的中心位置)的坐标为(x，y)＝(0，0)。

圆柱体与第一透镜贴附的圆周上的一位置Q，位置Q的坐标即为(x，y)＝(a，h)。

将Q点的坐标(x，y)＝(a，h)代入公式A，可以得到公式B。

$e=\frac{\mathrm{\Δh}}{a^2}$ ..........................................公式B

再将公式B代回至公式A，即可得到公式C。

$y=-\frac{\mathrm{\Δh}}{a^2}{x}^2+(h+\mathrm{\Δh})$ ........................公式C

对公式C进行x微分，以得到第一曲面通过位置Q的斜率为下列公式D。

$y^{\′}=-\frac{2\mathrm{\Δh}}{a}x$ .........................................公式D

由公式D可得Q点(a，h)的切线方程式为下列公式E。

$(y-h)=-\frac{2\mathrm{\Δh}}{a}(x-a)$ .......................公式E

将x＝0代入公式E时，可以得到公式F，藉以得知Q点的切线在Y轴的交点位置。

y＝h+2Δh...........................................公式F

将y＝0代入公式E时，可以得到公式G，藉以得知Q点的切线在X轴的交点位置。

$x=a(1+\frac{h}{2\mathrm{\Δh}})$ ..................................公式G

α为Q点的切线与光线出射Q点时的方向所夹的角度，然而，为了让所有由发光芯片射出的光线最终在通过第一曲面后，以平行方向射出，因此以Y轴方向(即圆柱体的边)作为光线平行射出的方向，则β₁为发光芯片所发出的光线入射Q点时的入射角，而β₂为发光芯片所发出的光线出射Q点时的出射角。

因此，由公式F和公式G可得到公式H。

$\tan \mathrm{\α}=\frac{a(1+\frac{h}{2\mathrm{\Δh}})}{h+2\mathrm{\Δh}}=\frac{a}{2\mathrm{\Δh}}$ .......................公式H

其中，代入公式H，可由导出公式I及公式J。

$\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\β}}_2)=\frac{a}{2\mathrm{\Δh}}$

$\⇒\tan {\mathrm{\β}}_2=\frac{2\mathrm{\Δh}}{a}$ .......................................公式I

$\⇒{\sin \mathrm{\β}}_2=\frac{2\mathrm{\Δh}}{\sqrt{a^2+{\left(2\mathrm{\Δh}\right)}^2}}$ ...............................公式J

假设圆柱体与第一透镜的材质相同，且折射率皆为n₁。其中，n₁＞n₂，n₁为圆柱体与第一透镜的折射率，且n₂为空气的折射率。由史奈尔定律(Snell，slaw)：n₁sin β₁＝n₂sinβ₂，可得到公式K及公式L。(n₁、n₂图中无标示)

$\cos {\mathrm{\β}}_1=\sqrt{1-{\sin }^2{\mathrm{\β}}_1}=\sqrt{1-{\left(\frac{n_2}{n_1}\sin {\mathrm{\β}}_2\right)}^2}$ .................公式K

$\tan {\mathrm{\β}}_1=\frac{\sin {\mathrm{\β}}_1}{\cos {\mathrm{\β}}_1}=\frac{\frac{n_2}{n_1}\sin {\mathrm{\β}}_2}{\sqrt{1-{\left(\frac{n_2}{n_1}\sin {\mathrm{\β}}_2\right)}^2}}=\frac{\frac{n_2}{n_1}\frac{2\mathrm{\Δh}}{\sqrt{a^2+{\left(2\mathrm{\Δh}\right)}^2}}}{\sqrt{1-{\left(\frac{n_2}{n_1}\frac{2\mathrm{\Δh}}{\sqrt{a^2+{\left(2\mathrm{\Δh}\right)}^2}}\right)}^2}}$ ...公式L

又θ＝β₂-β₁，因此可以得到公式二。

$\tan \mathrm{\θ}=\tan ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)=\frac{\tan {\mathrm{\β}}_2-\tan {\mathrm{\β}}_1}{1+\tan {\mathrm{\β}}_2\tan {\mathrm{\β}}_1}=\frac{a}{h}$ ......公式二

将公式I与公式L代入公式二，并结合公式一即可求解出第一平面的中心点至第一曲面的中心点的最短距离Δh。

其中，第一曲面包括有第一端点、至少一中间点和第二端点。中间点位于第一端点与第二端点之间且符合公式三(即Bezier Curve)：

P(t)＝(1-t)²P₀+2t(1-t)P₁+t²P₂............公式三，

其中，P(t)为中间点，P₀为第一端点，P₂为第二端点，P₁为通过第一端点的曲面切线与通过第二端点的曲面切线的交点，且t介于0和1之间。而在前述的公式一及公式二的推导过程中，可以得知第一曲面的中心点(即P(t))位置、圆柱体与第一透镜贴附的圆周上的一位置Q(即P₀)及圆柱体与第一透镜贴附的圆周上与Q相对应的另一位置(即P₂)，利用公式三即可定义出第一曲面的曲线。

根据本发明所揭露的另一种发光二极管的聚光组件，其中，圆柱体与发光芯片的间更设置有第二透镜。第二透镜具有彼此相对的第二平面和第二曲面。第二透镜的第二平面贴附于圆柱体上相对设置第一透镜的另一端上，且第二透镜的第二曲面的中心点贴附于发光芯片上。当由发光芯片上所发出的光线入射第二透镜时，会符合下列公式四。

n₄sinθ₄≥n₃sinθ₃，且

n₄＜n₃，带入则得

$n_4\sin {\mathrm{\θ}}_4\≥n_3\sin \left({\tan }^{-1}\frac{a}{h}\right)$ .................................公式四

其中，n₄为空气折射率，n₃为第二透镜折射率，θ₄表示发光芯片发光角度，θ₃表示发光芯片上所发出的光线经第二曲面或第二平面后的角度。由公式四可知，当发光芯片所发出光线经过第二透镜的第二曲面时，能将发光角度缩小且能量集中至第一透镜的第一曲面来汇聚成近平行光束。

根据本发明所揭露的一种发光二极管的聚光组件，藉由公式一，先行计算出配合发光芯片边长所需要的发光二极管的聚光组件圆柱体的高度与半径，再由公式二推导出第一透镜的的第一平面的中心点至第一透镜的第一曲面的中心点的最短路径。最后由公式三推导出第一曲面上各点的位置。藉由公式一至公式三所推得，可得到一发光二极管的聚光组件，用以汇聚发光芯片所发出的光线，使光线经由发光二极管的聚光组件后，形成趋近平行的光线。

有关本发明的特征与实作，兹配合图示作最佳实施例详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的第一实施例剖面示意图；

图2为本发明的第一曲面上各点位置示意图；

图3为第一实施例的模拟发光角度图；

图4为第一实施例的模拟能量分布图；

图5为本发明的第二实施例示意图；

图6为第二实施例的模拟发光角度图；

图7为第二实施例的模拟能量分布图；

图8为第三实施例的示意图；以及

图9为第四实施例的示意图。

【主要组件符号说明】

10...........................发光二极管的聚光组件

20...........................发光芯片

100.........................圆柱体

200.........................第一透镜

201.........................第一平面

202.........................第一曲面

300.........................第二透镜

301.........................第二平面

302.........................第二曲面

h............................圆柱体的高度

a............................圆柱体的半径

d............................发光芯片的边长

O...........................发光芯片与圆柱体贴附处的中心位置

Q........................圆柱体与第一透镜贴附的圆周上的位置

Δh.....................第一平面的中心点至第一曲面的中心点的最短路径

θ.........................发光芯片中心位置的法线方向与发光芯片中心至圆柱体与第一透镜贴附的圆周上的位置所夹的角度

θ′.........................发光芯片的一端的法线方向与发光芯片一端至圆柱体与第一透镜贴附的圆周上的位置的联机所夹的角度

α...........................为Q点的切线与光线出射Q点时的方向所夹的角度

β₁..........................发光芯片所发出的光线入射Q点时的入射角

β₂..........................发光芯片所发出的光线出射Q点时的出射角

P(t)........................中间点

P₀.........................第一端点

P₂.........................第二端点

P₁..........................通过第一端点的曲面切线与通过第二端点的曲面切线的交点

θ₃..........................发光芯片上所发出的光线经第二曲面或第二平面后的角度

θ₄..........................发光芯片发光角度

n₃..........................第二透镜折射率

n₄..........................空气折射率

具体实施方式

请参照图1，图1为本发明的第一实施例剖面示意图。于本实施例中，发光二极管的聚光组件10用以汇聚发光芯片20所发出的光线，以致使光线经由发光二极管的聚光组件10后，形成趋近平行的光线。发光二极管的聚光组件10包含有：圆柱体100与第一透镜200。

发光芯片20，用以在通电后发出一频率波段的光线。其中，发光芯片20可以是边长为d的方形结构，当然也可以是矩形等几何形状。

圆柱体100的一端用以设置于发光芯片20上。发光芯片20的中心位置可以设置于圆柱体100一端的中心位置。

第一透镜200设置于圆柱体100相对用以设置发光芯片20的另一端上，其中第一透镜200具有彼此相对的第一平面201和第一曲面202。第一透镜200的第一平面201贴附于圆柱体相对发光芯片20的另一端上。

其中，圆柱体100的高度h和半径a随发光芯片20的边长d而改变。h的高度范围条件：主要先决定发光二极管的发光角度θ后，再由发光芯片20的尺寸边长d来算出圆柱体100的高度h值，这样方可消除发光芯片20过大时，轴心与边缘发光角度的差异缩小，降低设计的误差。

为了要消除发光芯片20轴心与离轴发光角度的差异，于此，圆柱体100的高度h和半径a与发光芯片20的边长d的关系需符合条件式一，将角度差异限制在1°以内。

θ-θ′≤1°......................................条件式一

其中，θ是为由发光芯片20中心位置的法线方向(亦即圆柱体100的中心位置处)与发光芯片20中心至圆柱体100与第一透镜200贴附的一圆周上的位置Q所夹的角度。θ′是为由发光芯片20的一端的法线方向(亦即离圆柱体100的中心位置d/2的距离处)与发光芯片20的一端至圆柱体100与第一透镜200贴附的一圆周上的位置Q的联机所夹的角度。

利用三角函数可以由条件式一转换得公式一。

............公式一

当发光芯片的边长d和圆柱体100的高度h为已知的既定值时，即可利用公式一求得圆柱体100的半径a。同理，当发光芯片的边长d和圆柱体100的半径a为已知的既定值时，即可利用公式一求得圆柱体100的高度h。

换言之，由发光芯片的边长d与公式一可以得出圆柱体的高度h与半径a。因此，使用者可以依照所使用的发光芯片的边长d，来决定要使用的圆柱体尺寸为何。

再者，假设第一曲面202的曲线方程式为公式A。

y＝-ex²+(h+Δh)........................公式A

其中，Δh为第一透镜200的第一平面201的中心点至第一透镜200的第一曲面202的中心点的最短距离。

将发光芯片20与圆柱体100贴附处的中心位置假设为原点O，于此假设原点O(亦即发光芯片20与圆柱体100贴附处的中心位置)的坐标为(x，y)＝(0，0)。

圆柱体100与第一透镜200贴附的圆周上的一位置Q，位置Q的坐标即为(x，y)＝(a，h)。

将Q点的坐标(x，y)＝(a，h)代入公式A，可以得到公式B。

$e=\frac{\mathrm{\Δh}}{a^2}$ ..........................................公式B

再将公式B代回至公式A，即可得到公式C。

$y=-\frac{\mathrm{\Δh}}{a^2}{x}^2+(h+\mathrm{\Δh})$ ........................公式C

对公式C进行x微分，以得到第一曲面202通过位置Q的斜率为下列公式D。

$y^{\′}=-\frac{2\mathrm{\Δh}}{a}x$ ..........................................公式D

由公式D可得Q点(a，h)的切线方程式为下列公式E。

$(y-h)=-\frac{2\mathrm{\Δh}}{a}(x-a)$ .......................公式E

将x＝0代入公式E时，可以得到公式F，藉以得知Q点的切线在Y轴的交点位置。

y＝h+2Δh.........................................公式F

将y＝0代入公式E时，可以得到公式G，藉以得知Q点的切线在X轴的交点位置。

$x=a(1+\frac{h}{2\mathrm{\Δh}})$ ..................................公式G

再参照图1，α为Q点的切线与光线出射Q点时的方向所夹的角度，然而，为了让所有由发光芯片20射出的光线最终在通过第一曲面202后，以平行方向射出，因此在本实施例中，以Y轴方向(即圆柱体的边)作为光线平行射出的方向，则β₁为发光芯片20所发出的光线入射Q点时的入射角，而β₂为发光芯片20所发出的光线出射Q点时的出射角。

因此，由公式F和公式G可得到公式H。

$\tan \mathrm{\α}=\frac{a(1+\frac{h}{2\mathrm{\Δh}})}{h+2\mathrm{\Δh}}=\frac{a}{2\mathrm{\Δh}}$ .......................公式H

其中，

代入公式H，可由导出公式I及公式J。

$\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\β}}_2)=\frac{a}{2\mathrm{\Δh}}$

$\⇒\tan {\mathrm{\β}}_2=\frac{2\mathrm{\Δh}}{a}$ .....................................公式I

$\⇒{\sin \mathrm{\β}}_2=\frac{2\mathrm{\Δh}}{\sqrt{a^2+{\left(2\mathrm{\Δh}\right)}^2}}$ ........................公式J

假设圆柱体100与第一透镜200的材质相同，且折射率皆为n₁。其中，n₁＞n₂，n₁为圆柱体与第一透镜的折射率，且n₂为空气的折射率。由史奈尔定律(Snell’s law)：n₁sinβ₁＝n₂sinβ₂，可得到公式K及公式L。(n₁、n₂图中无标示)

$\cos {\mathrm{\β}}_1=\sqrt{1-{\sin }^2{\mathrm{\β}}_1}=\sqrt{1-{\left(\frac{n_2}{n_1}\sin {\mathrm{\β}}_2\right)}^2}$ ..............公式K

$\tan {\mathrm{\β}}_1=\frac{\sin {\mathrm{\β}}_1}{\cos {\mathrm{\β}}_1}=\frac{\frac{n_2}{n_1}\sin {\mathrm{\β}}_2}{\sqrt{1-{\left(\frac{n_2}{n_1}\sin {\mathrm{\β}}_2\right)}^2}}=\frac{\frac{n_2}{n_1}\frac{2\mathrm{\Δh}}{\sqrt{a^2+{\left(2\mathrm{\Δh}\right)}^2}}}{\sqrt{1-{\left(\frac{n_2}{n_1}\frac{2\mathrm{\Δh}}{\sqrt{a^2+{\left(2\mathrm{\Δh}\right)}^2}}\right)}^2}}$ ...公式L

又θ＝β₂-β₁，因此可以得到公式二。

$\tan \mathrm{\θ}=\tan ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)=\frac{\tan {\mathrm{\β}}_2-\tan {\mathrm{\β}}_1}{1+\tan {\mathrm{\β}}_2\tan {\mathrm{\β}}_1}=\frac{a}{h}$ .......公式二

将公式I与公式L代入公式二，并结合公式一即可求解出第一平面201的中心点至第一曲面202的中心点的最短距离Δh。

于此实施例中，假设圆柱体100与第一透镜的材质相同，且折射率皆为n₁＝1.5。其中，n₁＞n₂，n₁为圆柱体与第一透镜的折射率，且n₂为空气的折射率(即n₁＝1.5，n₂＝1)。(n₁、n₂图中无标示)

$\sin {\mathrm{\β}}_1=\frac{1}{1.5}\sin {\mathrm{\β}}_2$ ............................公式M

$\cos {\mathrm{\β}}_1=\sqrt{1-{\sin }^2{\mathrm{\β}}_1}=\sqrt{1-{\left(\frac{1}{1.5}\sin {\mathrm{\β}}_2\right)}^2}$ ...............公式N

又，公式M及公式N可推得公式O。

$\tan {\mathrm{\β}}_1=\frac{\sin {\mathrm{\β}}_1}{\cos {\mathrm{\β}}_1}=\frac{\frac{1}{1.5}\sin {\mathrm{\β}}_2}{\sqrt{1-{\left(\frac{1}{1.5}\sin {\mathrm{\β}}_2\right)}^2}}=\frac{\frac{4}{3}\frac{2\mathrm{\Δh}}{\sqrt{a^2+{\left(2\mathrm{\Δh}\right)}^2}}}{\sqrt{1-{\left(\frac{4}{3}\frac{2\mathrm{\Δh}}{\sqrt{a^2+{\left(2\mathrm{\Δh}\right)}^2}}\right)}^2}}$

$\⇒\tan {\mathrm{\β}}_1=\frac{4\mathrm{\Δh}}{\sqrt{9a^2+20\mathrm{\Δ}{h}^2}}$ ..........................公式O

将求得的tanβ1(即公式O)和tanβ2(即公式I)代入至公式二，即可得到公式P。

16(5h²-4a²)Δh⁴-144a²hΔh³+20a²(h²+a²)Δh²-36a⁴hΔh+9a⁶＝0......................................................................公式P

利用公式一与公式P即可以得出第一透镜200的第一平面201的中心点至第一透镜200的第一曲面202的中心点的最短距离Δh。

请参照图2，图2为本发明的第一曲面202上各点位置示意图。利用公式三(即Bezier Curve)得到第一曲面202上各点的位置，以完整定义出第一曲面202。

P(t)＝(1-t)²P₀+2t(1-t)P₁+t²P₂......公式三

其中，P(t)为中间点，P₀为第一端点，P₂为第二端点，P₁为通过第一端点的曲面切线与通过第二端点的曲面切线的交点。T为常数，且介于0和1之间。而在前述的公式一及公式二的推导过程中，可以得知第一曲面202的中心点(即P(t))位置、圆柱体100与第一透镜200贴附的圆周上的一位置Q(即P₀)及圆柱体100与第一透镜200贴附的圆周上与Q相对应的另一位置(图未示出)(即P₂)，利用公式三即可定义出第一曲面202的曲线。

根据本实施例所揭露的一种发光二极管的聚光组件，藉由公式一，先行计算出配合发光芯片边长所需要的发光二极管的聚光组件圆柱体的高度与半径，再由公式二推导出第一透镜的的第一平面的中心点至第一透镜的第一曲面的中心点的最短路径。最后由公式三推导出第一曲面上各点的位置。由公式一至公式三所推得，可得到一适合于该发光芯片边长的发光二极管的聚光组件的大小尺寸，使发光二极管的聚光组件可用以汇聚发光芯片所发出的光线，使光线经由发光二极管的聚光组件后，形成趋近平行的光线出射。

请参照图3，图3为第一实施例的模拟发光角度图。于此模拟图图3中，是选用发光芯片边长d＝40mil(1mil＝0.0254mm)，由公式一推得发光角度θ＝28.8°，圆柱体的高度h＝3.0公分、半径a＝1.65公分，公式二推得第一透镜的Δh＝1.4729公分。依据本发明所述公式一、二、三推得的发光二极管的聚光组件的大小尺寸，会使所选用的发光芯片的出射光线，以一平行方向射出，由图3仿真的结果显示，使用本发明发光二极管的聚光组件后，最后出射光线所呈现的发光角度为+/-2°，说明了本发明发光二极管的聚光组件具有将发光芯片提供的光线改变为窄角度聚光的特性，可将能量有效聚光在+/-2°以内。

请参照图4，图4为第一实施例的模拟能量分布图。于此模拟图中，是选用边长d＝40mil(1mil＝0.0254mm)且发光角度为θ＝28.8°，圆柱体的高度h＝3.0公分、半径a＝1.65公分，且第一透镜的Δh＝1.4729公分。由图4中可以看出光照射的能量由光轴中心至离轴+/-2°呈均匀分布，藉以得知本发明的发光二极管的聚光组件可以使发光芯片提供的照射能量由光轴中心至离轴+/-2°的区域，有均匀能量的出光效果。

请参照图5，图5为本发明的第二实施例示意图。本实施例与第一实施例雷同，差别在于圆柱体100与发光芯片20之间更设置有第二透镜300。第二透镜300具有彼此相对的第二平面301和第二曲面302。第二透镜300的第二平面301贴附于圆柱体100上相对设置第一透镜200的另一端上，且第二透镜300的第二曲面302的中心点贴附于发光芯片20上。当由发光芯片20上所发出的光线入射第二透镜300时，会符合下列公式四。

n₄sinθ₄≥n₃sinθ₃，且

n₄＜n₃，带入则得

$n_4\sin {\mathrm{\θ}}_4\≥n_3\sin \left({\tan }^{-1}\frac{a}{h}\right)$ ...........................公式四

其中，n₄为空气折射率，n₃为第二透镜300折射率，θ₄表示发光芯片20发光角度，θ₃表示发光芯片20上所发出的光线经第二曲面302或第二平面301后的角度。由公式四可知，当发光芯片20所发出光线经过第二透镜300的第二曲面302时，能将发光角度缩小且能量集中至第一透镜200的第一曲面201来汇聚成近平行光束。

请参照图6，图6为第二实施例的模拟发光角度图。于此模拟图图6中，是选用边长d＝40mil(1mil＝0.0254mm)，由公式一推得发光角度为θ＝28.8°，圆柱体的高度h＝3.0公分、半径a＝1.65公分，公式二推得第一透镜的Δh＝1.4729公分。依据本发明所述公式一、二、三推得的发光二极管的聚光组件的大小尺寸，会使所选用的发光芯片的出射光线，以一平行方向射出，由图6仿真的结果显示，使用本发明发光二极管的聚光组件后，最后出射光线所呈现的发光角度为+/-2°，说明了本发明发光二极管的聚光组件具有将发光芯片提供的光线改变为窄角度聚光的特性，可将能量有效聚光在+/-2°以内。

请参照图7，图7为第二实施例的模拟能量分布图。于此模拟图中，选用边长d＝40mil(1mil＝0.0254mm)且发光角度为θ＝28.8°，圆柱体的高度h＝3.0公分、半径a＝1.65公分，且第一透镜的Δh＝1.4729公分。由图7中可以看出光照射的能量由光轴中心至离轴+/-2°呈均匀分布，藉以得知本发明的发光二极管的聚光组件可以使发光芯片提供的照射能量由光轴中心至离轴+/-2°的区域，有均匀能量的出光效果。

请参照图8，图8为第三实施例的示意图。于本实施例中，由多个发光芯片20呈正三角形排列分布，且多个发光二极管的聚光组件10分别对应多个发光芯片20设置，用以结合多个发光芯片20的光照能量来达到曝光机的高辐射能量需求。

请参照图9，图9为第四实施例的示意图。于本实施例中，是由多个发光芯片20呈等间距的矩阵排列分布，且多个发光二极管的聚光组件10分别对应多个发光芯片20设置，用以结合多个发光芯片20的光照能量来达到曝光机的高辐射能量需求。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种发光二极管的聚光组件，用以汇聚一发光芯片所发出的一光线，使该光线经由该发光二极管的聚光组件后，形成一趋近平行的光线，其特征在于，包括：

一圆柱体，用以设置于该发光芯片上，该圆柱体的高度和半径符合公式一：

.....................公式一，

其中h为该圆柱体的高度、a为该圆柱体的半径和d为该发光芯片的边长；以及

一第一透镜，设置于该圆柱体相对用以设置该发光芯片的另一端上，其中该第一透镜具有彼此相对的一第一平面和一第一曲面，该第一透镜的该第一平面贴附于该圆柱体上，且该第一透镜的该第一曲面符合公式二：

$\tan \mathrm{\θ}=\tan ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)=\frac{{\tan \mathrm{\β}}_2-\tan {\mathrm{\β}}_1}{1+{\tan \mathrm{\β}}_2\tan {\mathrm{\β}}_1}=\frac{a}{h}$ .................公式二

且 $\tan {\mathrm{\β}}_1=\frac{\sin {\mathrm{\β}}_1}{\cos {\mathrm{\β}}_1}=\frac{\frac{n_2}{n_1}\sin {\mathrm{\β}}_2}{\sqrt{1-{\left(\frac{n_2}{n_1}\sin {\mathrm{\β}}_2\right)}^2}}=\frac{\frac{n_2}{n_1}\frac{2\mathrm{\Δh}}{\sqrt{a^2+{\left(2\mathrm{\Δh}\right)}^2}}}{\sqrt{1-{\left(\frac{n_2}{n_1}\frac{2\mathrm{\Δh}}{\sqrt{a^2+{\left(2\mathrm{\Δh}\right)}^2}}\right)}^2}},$

$\tan {\mathrm{\β}}_2=\frac{2\mathrm{\Δh}}{a};$

其中n₁为该圆柱体与该第一透镜的折射率，且n₂为空气的折射率，Δh为该第一透镜的该第一平面的中心点至该第一透镜的该第一曲面的中心点的最短距离。

2.如权利要求1所述的发光二极管的聚光组件，其中该第一曲面包括有一第一端点、至少一中间点和一第二端点，该中间点位于该第一端点与该第二端点的间且符合公式三：

P(t)＝(1-t)²P₀+2t(1-t)P₁+t²P₂......公式三，

其中，P(t)为该中间点，P₀为该第一端点，P₂为该第二端点，P₁为通过该第一端点的曲面切线与通过该第二端点的曲面切线的交点，且t介于0和1之间。

3.如权利要求1所述的发光二极管的聚光组件，其特征在于，该圆柱体与该发光芯片的间设置有一第二透镜。

4.如权利要求3所述的发光二极管的聚光组件，其特征在于，该第二透镜具有彼此相对的一第二平面和一第二曲面，该第二透镜的该第一平面贴附于该圆柱体上相对设置该第一透镜的另一端上，且该第二透镜的该第二曲面的中心点贴附于该发光芯片上。

5.如权利要求4所述的发光二极管的聚光组件，其特征在于，该发光芯片上所发出的光线入射该第二透镜时，会符合公式四：

$n_4\sin {\mathrm{\θ}}_4\≥n_3\sin \left({\tan }^{-1}\frac{a}{h}\right)$ ...........................公式四

其中，n₄为空气折射率，n₃为该第二透镜折射率，θ₄表示该发光芯片发光角度，θ₃表示该发光芯片上所发出的光线经该第二曲面或该第二平面后的角度。

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