CN113007618B - 光学元件与发光装置 - Google Patents

Abstract

一种光学元件与发光装置。光学元件包含底面、全反射面、凹部、第一出光面与第二出光面。全反射面位于底面上方。光学元件具有垂直于底面的中心轴。全反射面自中心轴向外延伸而具有远离中心轴的周缘。凹部由底面朝全反射面凹陷。第一出光面连接全反射面的周缘并以远离中心轴的方向往底面延伸。第二出光面连接第一出光面并以远离中心轴的方向延伸而连接至底面。第一出光面与第二出光面分别由至少一个线性子折射面组成。每一线性子折射面在通过中心轴的任一剖面上呈一直线。如此，可以消除黄晕问题并可助于光斑较大。

Description

光学元件与发光装置

技术领域

本揭露有关于一种光学元件与使用发光元件的发光装置，特别是光学元件的出光面是由多个线性折射面所组成。

背景技术

一般而言，发光二极管封装体的发光角度是固定的。为了因应各种对于不同光学特性的需求，通常会在发光二极管封装体上方覆盖一个光学透镜，以用来调整发光二极管封装体所放射的光形。

举例来说，光学透镜例如是反射式透镜。发光二极管封装体所发出的光线，可以通过一全反射面反射，而后通过出光面折射出光学透镜本体。然而，已知的出光面设计皆是透过曲面来控制光线，但此种方法会导致放射出的光形具有黄晕现象且光斑较小。

发明内容

有鉴于此，本揭露的一目的在于提出一种光学元件与一种发光模组，可以消除黄晕问题并可助于光斑较大。

本揭露的一态样揭露一种光学元件。一种光学元件包含底面、全反射面、凹部、第一出光面与第二出光面。全反射面位于底面上方。光学元件具有垂直于底面的中心轴。全反射面自中心轴向外延伸而具有远离中心轴的周缘。凹部由底面朝全反射面凹陷。第一出光面连接全反射面的周缘并以远离中心轴的方向往底面延伸。第二出光面连接第一出光面并以远离中心轴的方向延伸而连接至底面。第一出光面与第二出光面分别由至少一个线性子折射面组成。每一线性子折射面在通过中心轴的任一剖面上呈一直线。

在一或多个实施方式中，线性子折射面与底面至少其中之一具有大于零的一算数平均粗糙度。

在一或多个实施方式中，线性子折射面分别具有大于零的算数平均粗糙度，并且这些算数平均粗糙度彼此相同或相异。在一些实施方式中，线性子折射面的算数平均粗糙度的范围介于0.5μm至40μm。

在一或多个实施方式中，第二出光面的至少一线性子折射面为多个第二线性子折射面。第二线性子折射面分别自第一出光面由上而下依序连接而延伸至底面。

在一些实施方式中，每一第二线性子折射面实质为相对中心轴旋转对称的一环形曲面。每一环形曲面具有相对的顶边与底边，并且顶边的长度小于或实质等于底边的长度。

在一些实施方式中，每一第二线性子折射面实质为相对中心轴旋转对称的一环形曲面，每一环形曲面具有相对的一顶边与一底边，顶边与中心轴的距离小于或实质等于底边与中心轴的距离。

在一些实施方式中，每一第二线性子折射面与底面之间具有面向中心轴的一夹角。这些夹角小于等于90度。在一些实施方式中，这些第二线性子折射面的夹角自第一出光面往底面由上而下是逐渐增加。

在一或多个实施方式中，第一出光面的至少一线性子折射面为多个第一线性子折射面。这些第一线性子折射面分别由上而下依序连接全反射面与第二出光面。这些第一线性子折射面分别朝远离中心轴的一方向延伸。

在一或多个实施方式中，在全反射面上具有多个凸起结构。这些凸起结构用以破坏全反射面的全反射机制。

在一或多个实施方式中，每一线性子折射面实质为相对中心轴旋转对称的一环形曲面。

在一或多个实施方式中，全反射面朝底面内凹。

本揭露的一态样揭露一种发光装置。一种发光装置包含驱动基板、发光元件以及如上所述的光学元件。发光元件设置于驱动基板上。如上所述的光学元件设置于驱动基板上，而光学元件的凹部用以容置发光元件。

在一或多个实施方式中，发光装置的发光元件包含发光二极管。

综上所述，本揭露的光学元件的出光面均由线性子折射面所组成。透过控制各个线性子折射面的斜率与长度，可以有效解决黄晕现象并增加光斑大小。

以上所述仅是用以阐述本揭露所欲解决的问题、解决问题的技术手段及其产生的功效等等，本发明的具体细节在下文的实施方式及相关附图中详细介绍。

附图说明

附图揭示出了本揭露的一个或多个实施方式，并配合说明书中的说明一起用于解释本揭露的原理。只要有可能，与整个附图中使用相同的标记来表示实施方式中的相同或相似的元件。其中这些附图包含：

图1根据本揭露的一实施方式绘示一光学元件的立体图；

图2绘示图1的光学元件的侧视图；

图3绘示图1的光学元件沿线段L-L’的剖面图；

图4绘示本揭露的光学元件与另一曲面光学透镜的发光强度随位移变化的关系图；

图5A绘示本揭露的光学元件的光形；

图5B绘示另一曲面光学透镜的光形；

图6～图9分别根据本揭露的各个不同实施方式绘示不同光学元件的剖面示意图；以及

图10根据本揭露的一实施方式绘示一发光装置的剖面图。

【符号说明】

100...光学元件

110...底面

120...全反射面

130...凹部

140...第一出光面

1401、1402、1403、1404、1405、1406...线性子折射面

160...第二出光面

1601、1602、1603、1604、1605、1606...线性子折射面

180...中心轴

200...发光装置

210...发光元件

220...驱动基板

A、B...曲线

O...中心点

O-O’...线段

L-L’...线段

PA、PA1、PA2、PB、PB1、PB2、PB3、PC...顶点

PD-PE...线段

PE-PF...线段

θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6...夹角

具体实施方式

下文列举实施例配合所附附图进行详细说明，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，而结构运作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，皆为本发明所涵盖的范围。另外，附图仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。为使便于理解，下述说明中相同元件或相似元件将以相同的符号标示来说明。

除非另有定义，本文所使用的所有词汇(包括技术和科学术语)具有其通常的意涵，其意涵是能够被熟悉此领域者所理解。更进一步的说，上述的词汇在普遍常用的字典中的定义，在本说明书的内容中应被解读为与本发明相关领域一致的意涵。除非有特别明确定义，这些词汇将不被解释为理想化的或过于正式的意涵。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的元件或操作而已。

其次，在本文中所使用的用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

再者，于本文中，除非内文中对于冠词有所特别限定，否则“一”与“该”可泛指单一个或多个。将进一步理解的是，本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”及相似词汇，指明其所记载的特征、区域、整数、步骤、操作、元件与/或组件，但不排除其所述或额外的其一个或多个其它特征、区域、整数、步骤、操作、元件、组件，与/或其中的群组。

请参照图1。图1根据本揭露的一实施方式绘示一光学元件100的立体图。在本实施方式中，光学元件100为一种光学透镜，发光元件可以设置于光学元件100内。当设置于光学元件100内的发光元件发光时，发光元件所发出的光部分从光学元件100上方透射而出，而发光元件所发出的另一部分的光则可以由光学元件100的出光面折射而出。

如图1所示，光学元件100具有底面110，以及设置于底面110之上的出光面，包括第一出光面140与第二出光面160。在本揭露中，第一出光面140与第二出光面160均由一或多个线性子折射面所组成。而在本实施方式中，第一出光面140由单一一个线性折射面所组成，而第二出光面160是由多个线性子折射面所组成，组成第二出光面160的多个线性子折射面包括线性子折射面1601、线性子折射面1602、线性子折射面1603与线性子折射面1604。

图2绘示图1的光学元件100的侧视图。在图2中，也就是在光学元件100的侧视图下，包括第一出光面140以及组成第二出光面160的多个线性子折射面1601至1604，均呈现为一直线。

请回到图1。在本实施方式中，如图1所示光学元件100具有中心轴180，中心轴180实质上垂直于底面110，并且光学元件100的各个反射面与折射面均参照中心轴180设置。举例而言，在本实施方式中，光学元件100相对中心轴180是具有旋转对称，这对应到各个线性子折射面(包括线性子折射面1601、线性子折射面1602、线性子折射面1603与线性子折射面1604)实质上为环形曲面，并且这些环形的线性子折射面相对中心轴180也是具有旋转对称。而在一些实施方式中，光学元件也可以设置为相对中心轴180不是旋转对称的。

为进一步说明光学元件100的组成，请同时参照图2与图3。图3绘示图1的光学元件100沿线段L-L’的剖面图，线段L-L’通过中心轴180。如图3所示，光学元件100包含底面110、全反射面120、凹部130、第一出光面140与第二出光面160。光学元件100的中心轴180通过底面110上的中心点O并垂直于底面110。如图3所示，中心轴180可以被认为是通过中心点O的线段O-O’。

全反射面120是位与底面110的上方，而全反射面120自中心轴180向外延伸，致使全反射面120具有远离中心轴180的周缘，并且在全反射面120的周缘上具有顶点PA。在本实施方式中，全反射面120是面朝底面110内凹。第一出光面140则连接全反射面120的周缘，并以远离中心轴180的方向往底面110延伸，但未接触到底面110，而与第二出光面160相接。第二出光面160连接第一出光面140，并同样以远离中心轴180的方向往底面110延伸而接触底面110。

如前所述，第二出光面160包括线性子折射面1601、线性子折射面1602、线性子折射面1603与线性子折射面1604。而如图3所述的光学元件100的剖面，由于线段L-L’通过中心轴180，对应到图3所绘示剖面是通过中心轴180。因此，可以清楚的看到，在本实施方式中，于图3所绘示的光学元件100的剖面上，每一个线性子折射面(包括线性子折射面1601、线性子折射面1602、线性子折射面1603与线性子折射面1604)，在剖面上都是呈一直线。也就是说，在本揭露中，出光面不再由单一或是多个曲面所组成，而是由多个在剖面上呈一直线的线性子折射面所组成。

请回到图2。具体而言，每一线性子折射面与其他线性子折射面交界，都分别对应到一组顶边与底边，而在顶边或是底边上存在顶点。而在本文中，为通过顶点说明各个线性子折射面的设置，各个顶点的标号的定义具体如下。如图2所示，第一出光面140在顶边上具有顶点PA。第一出光面140的顶边，也对应到全反射面120(如图3所示)向外延伸的周缘。在第一出光面140与第二出光面160的交界上，具有顶点PB，换言之，顶点PB位于第一出光面140的底边，也就是第二出光面160的顶边之上。顶点PC则位于底面110与第二出光面160的交界，也就是第二出光面160的底边上。

由于在本实施方式中，第二出光面160是由多个线性子折射面所组成，线性子折射面与线性子折射面之间的交界上也具有顶点。举例而言，在线性子折射面1601与线性子折射面1602的交界，对应到在线性子折射面1601的底边与线性子折射面1602的顶边上具有顶点PB1，说明这是自第二出光面160往底面110自上而下所碰到的第一个交界。相似地，针对自第二出光面160往底面110由上而下所碰到多个交界，可以依序标记为顶点PB2与顶点PB3。相似的标记方式，在本文中也可以应用在第一出光面140是由多个线性子折射面所组成的情况，自第一出光面140顶边往第一出光面140底边由上而下所碰到的交界，这些交界上的顶点可以依序被标记为顶点PA1、顶点PA2等等，如后的图8所述。

因此，如图2与图3所示，在线段L-L’的剖面上，第一出光面140对应到直线线段PA-PB；第二出光面160由多个线性子折射面所组成，包括线性子折射面1601(对应直线线段PB-PB1)、线性子折射面1602(对应直线线段PB1-PB2)、线性子折射面1603(对应直线线段PB2-PB3)以及线性子折射面1604(对应直线线段PB3-PC)。这些组成第二出光面160的线性子折射面1601-1604是分别自第一出光面140的底边由上而下依序连接而延伸至底面110，对应到剖面上顶点PB-顶点PB1-顶点PB2-顶点PB3-顶点PC的连接，并且顶点PB、顶点PB1、顶点PB2、顶点PB3和顶点PC与中心轴180的距离，依序是越来越远。

由于在本实施方式中，光学元件100是相对中心轴180是旋转对称，线性子折射面1601-1604实质上分别是相对该中心轴旋转对称的环形曲面，并且环形曲面相对的顶边的长度小于或实质等于底边的长度。举例来说，对线性子折射面1601而言，顶边具有顶点PB1，而底边具有顶点PB2。因为顶点PB1离中心轴180的距离小于顶点PB2离中心轴180的距离，线性子折射面1601的顶边长度小于底边长度。

如图3所示，在本实施方式中，线性子折射面1601、线性子折射面1602、线性子折射面1603以及线性子折射面1604与底面110的水平方向之间分别具有面向中心轴180的夹角θ1、夹角θ2、夹角θ3与夹角θ4。夹角θ1～θ4可以小于90度或实质等于90度，使得第二出光面160不会有朝向中心轴的凹陷，对于光学元件100的制作是有益的。而在本实施方式中，且夹角θ1、夹角θ2、夹角θ3与夹角θ4自第一出光面140往底面110由上而下是逐渐增加，也就是夹角θ4大于夹角θ3，夹角θ3大于夹角θ2，并且夹角θ2大于夹角θ1。这使得第二出光面160上不会有太过不连续的变化，第二出光面160的外形也会更为接近曲面，但较于由曲面所组成的出光面却是更容易做出调整，以因应不同的发光元件。如图3所示，夹角θ1～θ3小于90度，而当线性子折射面1604延伸至底面110，线性子折射面1604的夹角θ4是接近90度或实值等于90度，这类似于半圆面与一平面相接个情形。因此，线性子折射面1604的顶点PB3离中心轴180的距离实质等于底边顶点PC离中心轴180的距离，即线性子折射面1604的顶边长度实质等于底边长度。

通过多个线性子折射面将组成出光面(例如第一出光面140与第二出光面160)的好处，在于在制造上易于调整参数，以因应各种不同的发光元件。相较于曲面，利用线性子折射面来组成出光面，仅需调整线性子折射面在剖面上的长度，以及线性子折射面各自与底面110所夹的夹角。不仅如此，在光学模拟上，通过线性子折射面组成的出光面，在参数上也容易做出调整。

如此一来，当设置于光学元件100内部的发光元件发光，将可以获得改善的光形。发光元件是设置于光学元件100的凹部130(如后续的图10所示)投射光线。其中，一部分的光线被全反射面120反射至第一出光面140后折射出去，一部分的光线则直接抵达第二出光面160的多个线性子折射面而折射出去。部分的光线可能也会在光学元件100内部反射而相互干扰而影响光形。

请参照图4、图5A与图5B。图4绘示本揭露的光学元件100与另一曲面光学透镜的发光强度(亮度)随位移变化的关系图。图5A绘示本揭露的光学元件100的光形，图5B则绘示另一曲面光学透镜的光形。而在本实施方式中，通过光学元件100的设置，光线自光学元件100上方投射而出，在图4上呈现为曲线A，对应到图5A的光形。作为比较的另一曲面光学透镜在图4上呈现为曲线B，对应到图5B的光形。在图4中，位移对是指离光形中心的距离，单位是mm；亮度是指对应到的发光强度，并且以获得的最大发光强度做归一化，因此纵轴并没有单位。如图4所示，本揭露的光学元件100产生的光形的亮度，显然是大于另一曲面光学透镜产生的光形的亮度。而如图5A与图5B所展示的光形，图5A光形范围显著扩大，增加光斑大小。

在一些实施方式中，还可以使底面110与组成第一出光面140与第二出光面160的线性子折射面，具有不同的表面粗糙度。这对应到底面110与线性子折射面都可以具有大于零的算数平均粗糙度，以破坏自线性子折射面所折射出的多个光线彼此之间相互干涉而影响光形。甚至，不同的线性子折射面可以设计以彼此相同或相异的算数平均粗糙度。在一些实施方式中，线性子折射面的算数平均粗糙度，范围可以设计为介于0.5μm至40μm之间。

当无粗糙处理时，光形分布会变得较大。而在底面110和部份的第二出光面160做粗糙处理来抑制黄晕分布，相较现有曲面光学透镜光线较受控制，且光形大黄晕不明显，能够解决黄晕现象。

在一些实施方式中，还可以于全反射面120上设置有多个凸起结构。这些凸起结构可以破坏全反射机制，提高光学元件100的中心轴180附近的亮度。而在一些实施方式中，凸起结构的曲率半径的范围是介于0.2μm至2μm之间，并且每个凸起结构的曲率半径可以相同或是不同。

图6～图9分别根据本揭露的各个不同实施方式绘示不同光学元件的剖面示意图。

图6绘示本揭露光学元件的一简单实例，第一出光面140与第二出光面分别由单一线性折射面所组成。

图7绘示本揭露光学元件的另一实例。相较于图3所述的光学元件100，在图7中，第二出光面160可以由二个线性子折射面1605与1606所组成。线性子折射面1605与1606与底面110的水平方向分别具有夹角θ5与θ6，并且由上而下夹角θ5是小于夹角θ6。此外，夹角θ5、θ6可以小于90度或实质等于90度，如图7所示，夹角θ5小于90度，夹角θ6是接近90度或实质等于90度。因此，线性子折射面1605的顶点PB离中心轴180的距离小于底边顶点PB1离中心轴180的距离，即线性子折射面1605的顶边长度小于底边长度；线性子折射面1606的顶点PB1离中心轴180的距离实质等于底边顶点PC离中心轴180的距离，即线性子折射面1606的顶边长度实质等于底边长度。

图8根据本揭露另一实施方式绘示光学元件的一实例。相较于图3所述的光学元件100，在图8中，第二出光面160为一个线性子折射面，而第一出光面140由线性子折射面1401(对应剖面上直线线段PA-PA1)、线性子折射面1402(对应剖面上直线线段PA1-PA2)与线性子折射面1403(对应剖面上直线线段PA2-PB)所组成。这些线性子折射面1401-1403分别自全反射面120的周缘由上而下依序连接而延伸至第二出光面160的顶边。顶点PA是位于全反射面120和线性子折射面1401的交界上，顶点PA1是位于线性子折射面1401和1402的交界上，顶点PA2是位于线性子折射面1402和1403的交界上。并且，线性子折射面1401-1403由上而下与底面110的水平方向的夹角是逐渐增大。

图9根据本揭露另一实施方式绘示光学元件的一实例。相较于图8所述的发光元件，在图9中，线性子折射面1404-1406组成第一出光面140，并且线性子折射面1404-1406由上而下与底面110的水平方向的夹角是逐渐减少，也包含于本揭露中。

图10根据本揭露的一实施方式绘示一发光装置200的剖面图。如图10所示，发光装置200包含如前所述的光学元件100，还包含驱动基板220与发光元件210，而光学元件100的凹部130用以容置发光元件210。驱动基板220连接以驱动发光元件210。在一些实施方式中，发光元件包含发光二极管。在一些实施方式中，发光二极管可为发光二极管晶片、次毫米发光二极管晶片(mini LED chip)、微型发光二极管晶片(micro LED chip)。在一些实施方式中，发光二极管可为包含至少一发光二极管晶片的封装结构。

在发光装置200中，当发光元件210被驱动而发光时，所发出的多个光线的经由凹部130的顶面、侧面出光，例如部分自线段PD-PE的曲面出光，这些自线段PD-PE出光的光线有部分被全反射面120反射至第一出光面140，而自第一出光面140折射而出。与此同时，可能也会有部分的光线经由凹部130上线段PE-PF所对应的侧面直接抵达第二出光面160，而自由多个线性子折射面1601-1604所组成的第二出光面160折射而出。

综上所述，本揭露的光学元件包含第一与第二出光面，第一与第二出光面分别由一或多个线性子折射面所组成，并且线性子折射面自反射面至底面由上而下是向外延伸，不仅便于制造，调整线性子折射面还仅需少量参数，便于制造前的光学模拟。这不仅使得制造成本降低，还能够简便且有效地改善原本曲面光学透镜的光斑大小。与此同时，还能够针对不同线性子折射面设置不同的算数平均粗糙度，进而改善黄晕现象。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并不用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种发光装置，其特征在于，包含：

一驱动基板；

一发光元件，设置于该驱动基板上；以及

一光学元件，设置于该驱动基板上，其中该光学元件包含：

一底面；

一全反射面，位于该底面上方，其中该光学元件具有垂直于该底面的一中心轴，该全反射面自该中心轴向外延伸而具有远离该中心轴的一周缘；

一凹部，由该底面朝该全反射面凹陷，其中该凹部具有一顶曲面与一侧曲面，该侧曲面从该底面直接向上延伸至该顶曲面与该侧曲面之间的一交界，其中该凹部用以容置该发光元件；

一第一出光面，直接连接该全反射面的该周缘并以远离该中心轴的方向往该底面延伸；以及

一第二出光面，直接连接该第一出光面并以远离该中心轴的方向延伸而直接连接至该底面，

其中该第一出光面与该第二出光面分别由至少一个线性子折射面组成，每一该线性子折射面不垂直于该中心轴且不平行于该底面，并且每一该线性子折射面在通过该中心轴的任一剖面上呈一直线，

其中该第二出光面的该至少一线性子折射面包括一第一线性子折射面与一第二线性子折射面，该第二出光面的该第一线性子折射面与该第二线性子折射面中的每一者不垂直于该中心轴且不平行于该底面，该第一线性子折射面与该第二线性子折射面中的每一者在通过该中心轴的任一剖面上呈一直线，该第二出光面的该第二线性子折射面从该底面的一边缘直接向上延伸，并且该第二出光面的该第一线性子折射面的至少一部分从该第二出光面的该第二线性子折射面的至少一部分的一顶边直接向上延伸，

其中该发光元件投射的一光线经由该凹部的该侧曲面直接抵达该第二出光面的该至少一线性子折射面而折射出去。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该些线性子折射面与该底面至少其中之一具有大于零的一算数平均粗糙度。

3.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该些线性子折射面分别具有大于零的算数平均粗糙度，该些算数平均粗糙度彼此相同或相异。

4.根据权利要求3所述的发光装置，其特征在于，该些线性子折射面的该些算数平均粗糙度的范围介于0.5μm至40μm。

5.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该第二出光面的该至少一线性子折射面包含多个第三线性子折射面，该些第三线性子折射面由上而下依序连接。

6.根据权利要求5所述的发光装置，其特征在于，每一该第三线性子折射面实质为相对该中心轴旋转对称的一环形曲面，每一该环形曲面具有相对的一顶边与一底边，该顶边的长度小于或实质等于该底边的长度。

7.根据权利要求5所述的发光装置，其特征在于，每一该第三线性子折射面实质为相对该中心轴旋转对称的一环形曲面，每一该环形曲面具有相对的一顶边与一底边，该顶边与该中心轴的距离小于或实质等于该底边与该中心轴的距离。

8.根据权利要求5所述的发光装置，其特征在于，每一该第三线性子折射面与该底面之间具有面向该中心轴的一夹角，该些夹角小于等于90度。

9.根据权利要求8所述的发光装置，其特征在于，该些第三线性子折射面的该些夹角由上而下是逐渐增加。

10.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该第一出光面的该至少一线性子折射面为多个第三线性子折射面，该些第三线性子折射面分别由上而下依序连接该全反射与该第二出光面，该些第三线性子折射面分别朝远离该中心轴的一方向延伸。

11.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，在该全反射面上具有多个凸起结构，该些凸起结构用以破坏全反射机制。

12.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该至少一线性子折射面实质为相对该中心轴旋转对称的一环形曲面。

13.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该全反射面朝该底面内凹。

14.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该发光元件包含一发光二极管。