CN101750644A - 微型光学透镜及微型光学透镜角度的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微型光学透镜及微型光学透镜角度的设计方法。本发明的微型光学透镜，包括：一基板，以及一形成于此基板上的透镜，其中此透镜包括一平坦表面及一环状沟槽表面，此环状沟槽表面包括多个第一及第二琢面，第一琢面使一光线平行射出，且第二琢面与此光线平行。本发明的微型光学透镜可减少影像遗失并增加光效率。此外，本发明还提供一种含此透镜的发光二极管封装结构。

Description

微型光学透镜及微型光学透镜角度的设计方法
技术领域
本发明涉及一种照射装置，且特别涉及一种具新型菲涅尔(Fresnel)透境的LED照射器。
背景技术
传统的机械视觉系统包括发光元件、照相机及控制系统，通过控制系统可使发光元件及照相机捕捉到物体的影像。因发光元件对视觉系统的亮度、均一、入射角、颜色及准直性非常重要，因此发光元件的好坏会影响整个视觉系统的功效。此外，对某些视觉系统而言，因受限于空间的限制，对于发光元件尺寸的要求相对严格。目前已有许多用于机械性视觉系统的发光元件，例如，电灯泡、荧光灯、激光、氙气灯、卤素灯、以及发光二极管(LEDs)。由于LED在成本、尺寸、寿命及发光效率上具有显著的优势，因此LED已成为目前最重的照明设备之一。
法国科学家菲涅尔发展出一透镜，又称为菲涅尔透镜，其沿着中心轴线具有多个不同曲率的环，由此降低球面像差。菲涅尔透镜常用作于聚光器、成像器及放大镜等。菲涅尔透镜基本上具有一系列的同心分光沟槽，其被设计成可使入射光具有一共同的焦点。菲涅尔透镜较轻薄，且开口率较高。
一般来说，传统的菲涅尔透镜皆应用于可见光上，因此所有的沟槽具有相同的宽度，以致于透镜的沟槽密度相同。此外，在传统镜头类型的LED封装中，此LED封装被设计成可将光源的发射光控制在一特定的方向，并利用光学系统来调整光线的分布。
然而，由于在镜头类型的LED封装中，透镜表面的角度皆相同，因此仅可控制30％的发射光，而无法获得高效率的外部发射。
图1A及图1B为一传统LED封装结构的剖面图，其使用传统的菲涅尔透镜。参照图1A，LED封装结构10包括一作为光源的LED 12，以及一透镜14，透镜14可聚集LED 12所发射的放射状光线。参照图1B，透镜14包括透镜表面(facet surface)142及设计表面(draft surface)144，且设计表面具有一90°的垂直角度，其与水平面垂直。一般来说，当LED 12的光线穿过透镜表面142时，仅有一部分的光线会被聚集成实质上平行的光线，因此实际上无法有效地使用所有的光线。此外，若光线L穿过设计表面144，不但无法被聚集，且会形成一散射光，而导致影像遗失(draft loss)。此外，传统上，透镜14的结构皆仅是针对点光源所设计，因此当光源为一面光源时，透镜14的效果将不尽理想。
因此，业界亟需一种新颖的方法及菲涅尔透镜来克服上述的问题。
发明内容
本发明提供一种微型光学透镜，包括：一基板，以及一透镜，形成于基板上，其中此透镜包括一平坦表面及一环状沟槽表面，环状沟槽表面包括多个第一及第二琢面，其中第一琢面使一光线平行射出，且第二琢面与该光线平行。
本发明另提供一种发光二极管封装结构，包括一发光元件，此发光元件具有一光源，以及一光学结构，此光学结构包围此发光元件；光学结构包括一微型光学透镜，其中此微型光学透镜包括：一基板，以及一透镜，形成于该基板上，其中此透镜包括一平坦表面及一环状沟槽表面，环状沟槽表面包括多个第一及第二琢面，其中第一琢面使一光线平行射出，且所述第二琢面与该光线平行。
本发明还提供一种微型光学透镜角度的设计方法，包括提供一光源；提供一光学结构，包括多个第一及第二琢面；使第一琢面将光源的发射光平行射出，以及使第二琢面分别与光源的发射光平行。
为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1A-图1B为传统菲涅尔透镜的剖面图。
图2为本发明一实施例的微型光学透镜的剖面图。
图3为本发明另一实施例的微型光学透镜的剖面图。
图4为本发明另一实施例的微型光学透镜的剖面图。
图5显示微型光学透镜的光强度与光线角度之间的关系。
图6为本发明矩形微型光学透镜的俯视图。
图7显示光线透过矩形微型光学透镜后的光线轮廓。
图8显示微型光学透镜的光强度与光线角度之间的关系。
图9A-图9E为本发明微型光学透镜的工艺剖面图。
其中，附图标记说明如下：
10～LED封装结构；            12～LED；
14、24～透镜；               142、242、344～透镜表面；
144、244、342～设计表面；    246～中心区域；
22～光源；                   26～透明盖层；
28～入射光(光线)；           32～面光源；
X1、X2、X3、X4、Y1、Y2、Y3、Y4～位置；
W1、W2、S1、S2～长度。
具体实施方式
图2-图4显示本发明的光学透镜的实施形式。应注意的是，为了清楚描述本发明的特征，图2-图4仅为本发明实施例的简单图示，在实际应用时，本领域技术人员可依不同的需求增加或修改此半导体结构。
在本发明第一实施形式中，本发明提供一应用于点光源的微型光学透镜(micro-optic lens)。本发明的微型光学透镜包括一基板，以及一形成于此基板上的透镜，其中此透镜包括一平坦表面及一环状沟槽表面，此环状沟槽表面包括多个第一琢面及第二琢面；其中第一琢面可使光源的发射光平行射出，而第二琢面与光源的发射光平行。本发明的微型光学透镜可减少影像遗失，且因其可使光源所发射的光线平行射出，故可增加光效率(light efficiency)。本发明的微型光学透镜的光效率可达80％以上，较佳85％以上。
参照图2，透镜(菲涅尔透镜)24形成于一适当的透明盖层(如，玻璃片)26上。透镜24较佳为一光学级丙烯酸树酯，可具有特定铸模等级“RAHVS”，如Rohm及Haas VS光学级丙稀酸。然而，也可使用其它材料及其它铸模等级的材料，如光阻或塑料材料，此材料最好具有轴向色像差校正特性以及良好的铸模质量。透镜24呈薄圆弧状，具有一平滑表面及一沟槽表面，且接近透镜24中心区域246的沟槽较周围部分的构槽宽。
透镜24包括一透镜表面242，此透镜表面具有一透镜角度(facet angle)，以及一设计表面244，此设计表面具有一设计角度(draft angle)。点光源22，如LED，可发射光线28穿透过玻璃26及透镜24。应注意的是，本发明的设计表面244被设计成几乎与入射光(光线)28平行。特别是，入射光的角度与设计角度相同。本发明的透镜表面242被设计成可有效地将光源22所发射的入射光(光线)28平行射出，且因为设计表面244与光线28平行，因此透镜表面242可有效地聚集光线28以增加光效率，并大幅的减少影像遗失，。
此外，本发明另提供一种用于面光源的微型光学透镜。在一实施例中，设计表面的角度可依据光源各部分来设计。光源22，如一LED，可为一面光源，如图3所示。透镜34具有一长度W1，且面光源32的具有一长度S1。透镜34包括透镜表面344与设计表面342，且透镜表面344与设计表面342的角度依据光源的各部分来设计。例如，位置X1、X2及X3(中心)的透镜表面的角度(透镜角度)及设计表面的角度(设计角度)各不相同。位置X1的透镜角度及设计角度依据LED光源Y1位置的光线所设计，因此位置X1的透镜表面344可有效地聚集LED位置Y1所发射的光线(使光线平行射出)，且位置X1的设计表面342与Y1位置所发射的光线平行。同样地，位置X2的透镜角度及设计角度依据LED位置Y2的光线所设计，使位置X2的透镜表面344可有效地聚集LED位置Y2所发射的光线(使光线平行射出)，且X2位置的设计表面342与位置Y2所发射的光线平行。应注意的是，位置X1、X2、Y1及Y2具有一特定的关系，位置X1与X2之间具有一长度W2，位置Y1与Y2之间具有一长度S2，且W1(透镜长度)/W2的比值等同于S1(面光源长度)/S2。
在另一实施例中，透镜表面及设计表面的角度可依据各种不同位置的发射光线的平均值来设计。参照图4，位置X2的透镜角度及设计角度可依据LED上多个位置，如Y1、Y2、Y3及Y4，的发射光来设计。每个发射光可具有一60°的发射角。由于位置X2的透镜角度及设计角度依据位置Y1、Y2、Y3及Y4发射光角度的平均值来设计，因此位置X2可同时几乎将位置Y1、Y2、Y3及Y4的发射光平行射出，且位置X2的设计表面可几乎与位置Y1、Y2、Y3及Y4的发射光平行。同理，透镜34其它位置的透镜及设计角度可依上述方法进行设计。
图5显示各种光线角度的发光强度。参照图5，其显示4种LED元件，包括：(1)无透镜的LED；(2)具有本发明的透镜的LED(各位置的透镜及设计角度有些许不同)；(3)具有传统透镜的LED(透镜的各角度依据LED中心点的发射光所设计)；以及(4)具有设计角度一致的透镜的LED。相较于其它LED元件，具有本发明透镜的LED可获得最大的发光强度。此结果显示本发明的透镜可有效地聚集面光源(或点光源)的发射光以增加光效率(89.4％)。
此外，可通过改变透镜的形状来控制光线的轮廓，透镜的形状可为圆形、正方形、矩形、椭圆形、三角形、多边形或其它适当的形状。在一实施例中，一般不具有透镜的LED元件可产生一圆形的发光图案(轮廓)。然而，可通过矩形的本发明透镜将原本圆形的发光图案(轮廓)改变为矩形，如图6、图7所示。参照图8，具有本发明矩形透镜的LED仍具有较高的光效率(89.2％)。
在本发明另一实施形式中，本发明另提供一种微型光学透镜的形成方法，此方法包括：提供一基板；提供一罩幕；将此罩幕暴露于一电子束下，在罩幕上形成一灰阶图案；以此灰阶罩幕对一光阻曝光；移除光阻材料及基板以形成透镜。此透镜包括一平坦表面及一环状沟槽表面，环状沟槽表面包括至少一第一琢面及至少一第二琢面；且第二琢面与光源的发射光平行。
图9为本发明微型光学透镜的工艺剖面图。在实际应用时，本领域技术人员可依照不同的需求增加或修改此半导体工艺。
参照图9A，提供一灰阶罩幕，例如，HEBS-玻璃灰阶罩幕。灰阶罩幕包括一玻璃，如低膨胀的锌-硼-玻璃，也称为白冕玻璃。此玻璃组成物含有碱，可促进离子交换反应，以提升玻璃对高能电子束的灵敏度。离子交换反应可在320℃下的酸性溶液中完成，且在离子交换后，玻璃材料转变为不含有碱性成份。玻璃组成物可包括硅、金属氧化物、氮、卤化物、及光阻。一般来说，光阻可为TiO2、Nb2O5或Y2O3。在暴露于电子束后，罩幕不需要再经过其它的显影及固定处理程序。参照图9B，使用此具有各种不同光学密度的罩幕进行光阻的曝光。
图9C-图9D显示每个光密度的光阻厚度。可根据不同需求来设定不同强度的电子束以获得所需要的光学元件。此灰阶罩幕可利用光微影工具对各种光学元件进行曝露。在将罩幕置于光阻上之后，蚀刻曝光的光阻及基板以在基板上形成类似本发明微结构的光阻，如图9E所示。本发明菲涅尔透镜的形成方法为一般现有的技术，且本领域技术人员可依照不同的需求选择适当的方法及工具。本领域技术人员可轻易地利用上述或其它方法来形成本发明的透镜，且此方法也属于本发明的保护范围。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的变动与修饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书所限定的范围为准。

Claims (14)

1.一种微型光学透镜，包括：
一基板，以及
一透镜，形成于该基板上，其中该透镜包括一平坦表面及一环状沟槽表面，该环状沟槽表面包括多个第一琢面及多个第二琢面，其中所述第一琢面使一光线平行射出，且所述第二琢面与该光线平行。
2.如权利要求1所述的微型光学透镜，其中该光线由一光源发射出来。
3.如权利要求1所述的微型光学透镜，其中所述第一琢面为一菲涅尔透镜的透镜表面。
4.如权利要求1所述的微型光学透镜，其中所述第二琢面为一菲涅尔透镜的设计表面。
5.如权利要求1所述的微型光学透镜，其中该微型光学透镜的外形包括圆形、正方形、矩形、椭圆形、三角形或多边形。
6.一种发光二极管封装结构，包括：
一发光元件，具有一光源，以及
一光学结构，包围该发光元件，该光学结构包括一微型光学透镜，其中该微型光学透镜包括：
一基板，以及
一透镜，形成于该基板上，其中该透镜包括一平坦表面及一环状沟槽表面，该环状沟槽表面包括多个第一琢面及多个第二琢面，其中所述第一琢面使一光线平行射出，且所述第二琢面与该光线平行。
7.如权利要求6所述的发光二极管封装结构，其中该光源为一点光源。
8.如权利要求7所述的发光二极管封装结构，其中所述第一琢面使该点光源的发射光平行射出。
9.如权利要求7所述的发光二极管封装结构，其中所述第二琢面分别与该点光源的发射光平行。
10.如权利要求6所述的发光二极管封装结构，其中该光源为一面光源。
11.如权利要求10所述的发光二极管封装结构，其中所述第二琢面分别与该面光源的发射光平行。
12.一种微型光学透镜角度的设计方法，包括：
提供一光源；
提供一光学透镜，其中该透镜包括一平坦表面及一环状沟槽表面，该环状沟槽表面包括多个第一琢面及多个第二琢面；
使所述第一琢面将该光源的发射光平行射出；以及
使所述第二琢面分别与该光源的发射光平行。
13.如权利要求12所述的微型光学透镜角度的设计方法，其中该光源为一面光源，且所述多个第一琢面及所述多个第二琢面分别根据该面光源特定位置的发射光所设计。
14.如权利要求12所述的微型光学透镜角度的设计方法，其中该光源为一面光源，且所述多个第一琢面及所述多个第二琢面分别根据该面光源多个位置的发射光的平均值所设计。
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