TWI333697B - Method for designing a diffraction type micro-optical structure - Google Patents

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TWI333697B
TWI333697B TW092131429A TW92131429A TWI333697B TW I333697 B TWI333697 B TW I333697B TW 092131429 A TW092131429 A TW 092131429A TW 92131429 A TW92131429 A TW 92131429A TW I333697 B TWI333697 B TW I333697B
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Description

1333697 Π) 玖、發明說明 « 【發明所屬之技術領域】 本發明係相關於包含諸如LED (發光二極體)等電致 ‘ 發光元件或有機發光二極體(OLED )之發光裝置。尤其 · 是相關於根據申請專利範圍定義的光源。 【先前技術】 發光二極體(LED )的出現已有相當長的一段時間。 鲁 可以許多形式利用它們。通常,它們包含具有適當電流供 應機構及外殼之LED晶片(有機發光元件的例子之一) 。它們是種大量生產的產品並且適用於各種波長、發光功 ^ 率、及其他特性。近來,有機發光二極體(OLED )越來 · 越普遍。它們係以包含在兩導體之間有一系列有機薄膜之 電致發光元件爲基礎。 關於使用LED源的一主要問題係LED不容易被平行 校準(collimate)及整形。此乃因爲LED是延伸光源, 鲁 即其光係源自空間的延伸區之源頭(典型上,LED的有效 面積是幾十微米到幾百微米或到幾豪米,而例如垂直空腔 表面發出雷射(VCSEL)的有效面積則爲幾微米)。結果 ,LED典型上具有延伸超過廣角範圍之輸出光分佈。若 LED產生的光有被聚焦、平行校準、或其他影響需要時, _ 則必須安排一外部光學系統緊鄰LED。
圖1爲根據包含此種光學系統的技術狀態之LED例 子。此圖式槪要圖解一包含LED的裝置,該LED由LED -5- (2) 1333697 晶片1、作爲使光改向成不會向_上發射的漫射反射器之外 殼2、及圍著晶片之環氧物3(或其他透明材料)組成。 該裝置另外包含一利用適當支架5附加在環氧層上面之外 · 部光學元件4。支架必須在LED源及外部光學元件4之間 · 沒有輪廓不分明的介面。例如,在這些組件之間的細薄不 規則空氣隙可能導致光學失真。例如,支架可以是具有適 當光學特性之黏附層。在習知例子中,光學元件4通常是 所謂的圓頂透鏡,其集中及微弱地平行校準晶片所發出的 · 光。利用此種裝置所獲得的典型輸出遵循Lambert的餘弦 律’即強度分佈與觀看源頭的角度餘弦直接有關。 利用精密複雜的反射器及/或透鏡系統僅能達成較窄 ^ 的角度分佈。爲了同時將發出的光束整形,也需要精密複 · 雜的光學組件系統。 在習知技術中,已建議連同LED —起使用繞射光學 元件(DOE) 。W0 97/04491揭示 DOE當作形成在裝設 LED的玻璃載體之球面或非球面透鏡的替代品。 鲁 EP 1 1 15 155 A2提出一具有一列LED配置玻璃板下面之 光學電腦,該玻璃板包含將LED與用以平行校準LED所 發出的光之一列DOE接觸的電極。 通常LED被用作包含一列或不規則排列的LED之 LED顯示面板的組件。若圓頂透鏡沒有自LED面板的頂 表面突出,則在此種LED面板裝設包含圓頂透鏡的LED 需要分離的支撐機構,及對大多數應用而言,裝設額外的 反射器及/或透鏡系統也相當困難。而且,由於圓頂狀透 -6- 1333697 ρ) 鏡的尺寸’具有這些技術平行校準機構狀態的LED面板 有重要的最小厚度。在其他應用中,諸如內部照明、光耦 合到背面或正面的光顯示器、投射顯示器、LCD (液晶顯 示器)投射器 '或小型相機用閃光燈等,整個發光裝置的 精巧性是最重要的》 【發明內容】 本發明的目的係設置一包含LED晶片的光源,該光 源具有比習知技術的LED更爲改良的特性。較佳地是, 光源的結構可提供更佳的靈活性,使得其甚至可被修改以 符合特定應用的需求。 尤其是,提供使LED發出的光之光分佈得到更好的 平行校準及整形之解決方法。 較佳的是,該光源能夠以低成本大量製造。 該光源更可被設計成無需複雜的製造技術就可靈活地 將其與LED裝置結合成一整體。 本發明的另一目的係提供一LED面板,該LED面板 係容易製造並且較佳至少具有一些上述有利的特性。 本發明的另一目的係提供一製造光源的方法,其較佳 至少具有一些上述有利的特性。 最後,本發明的目的係提供一製造LED面板的方法 〇
本發明的第一原理係利用以繞射及/或折射光學元件 爲基礎的微光學元件來平行校準及/或整形包含諸如LED (4) 1333697 或OLED光源等電致發光元件光源的最初(典型上是 Lambertian)光分佈。 與習知光學元件相反的微光學元件係以產生折射及/ ^ 或繞射的精密結構爲基礎,該結構具有獨特的深度/高度 . 及寬度,它們典型上是幾微米(//π〇 ,例如,0.5em-200//m,較佳是在0_5ym及大約50;im之間,或在0.5 及大約30//m之間。換言之,對折射光學元件而言 ’獨特的輪廓深度及輪廓寬度係幾波長到幾十波長的等級 $ ’而對繞射光學元件而言則爲大約一波長到幾波長。根據 經驗法則,微光學元件之結構係使得位在該結構上不同鄰 近位置之輻射的相位關係界定分明。此與傳統單純之折射 · 光學元件相反,可利用幾何光學圖說明在該結構的不同元 - 件上之輻射作用。因此,與傳統光學元件(諸如傳統透鏡 、面鏡元件等)相反的微光學元件可被視爲具有光波本質
I 必須被考慮且會影響到該微光學元件在輻射上所具有的作 用之結構。 鲁 由於此原理,除了容易製造及比習知技術的光源薄之 外’該發光裝置還可利用幾乎所有任何方法來整形最初發 出的光’而非僅能局部及/或微弱地平行校準。例如,除 了平行校準或聚焦光束之外,該光束還可被整形成提供任 何想要的圖案’例如,公司商標或一部分圖形元素等。該 - 發光裝置另外可針對某範圍之波長而組合平行校準或其他 整形功能。此適用於發光裝置包含以不同波長發光之複數 電致發光元件的例子。其也可適用於不同光比例源自發光 -8- (5) 1333697 裝置內不同位置的情況。 即使當只平行校準LED所發出的光時,根據LED的 形狀及發光特性所配置的微光學元件會提供比被配置成取 · 代折射平行校準透鏡之微光學元件高的效率。舉例來說, · 係爲了節省空間而進行此種取代。然而,單純地利用也被 設計成點源之繞射型微光學元件來取代折射透鏡通常會降 低該配置的效率’即降低以想要方式發出的光強度。根據 本發明的發光裝置考慮到電致發光區的形狀及其發光特性 φ ,並且根據應用需要將其整形。以此方式,當與傳統及 Fresnel透鏡方法比較時’可明顯提高效率及系統性能。 由於本發明所說明的光學微結構可放在相當靠近發光面積 ’ 或體積,故整個系統可極爲精巧。 · 本發明的第二原理係將光學元件(亦即微光學元件) 與包含(或容納、或載有)該微光學元件的元件(諸如 LED源的外殼或OLED例子中的基底等)直接耦合。該微 光學元件甚至可被設計成微光學結構直接壓印在至少局部 鲁 透明層上,該至少局部透明層係直接裝附於圍繞一或幾個 電致發光元件的透明材料,且舉例來說,該透明材料通常 是在習知LED中的種類。另一種方式則是該微光學元件 可被設計成微光學結構直接壓印在圍繞LED晶片的該透 明材料上。在任何例子中,用於將LED輸出平行校準及/ ' 或整形的光學元件是直接放置成與外殼或基底接觸及具有 光學功能之繞射/折射微光學元件。 至少局部透明層與圍繞電致發光元件的至少局部透明 -9- (6) 1333697 材料—者皆不必完全透明。反之’舉例來說,至少其中之 一可包含影響光的添加物’諸如染料、螢光材料等。舉個 例子,若選擇螢光染料,則該材料或該層甚至可結合其他 功能’即其也可用於將電致發光元件所發出的主光轉換成 特定想要的光波長或波長分佈。 根據本發明的發光裝置的優點特色爲雖然它們具有整 形光學元件’但是它們可具有平坦表面及它們可以比較薄 且實質上是平的。因此,相較於習知led的情況,它們 更容易處理並且更容易整合到LED面板或具有LED光源 的裝置等。如此,無需滿足如裝置的幾何形狀之條件等特 別條件就能夠輕易地將它們裝設到幾乎各種裝置上。尤其 是,它們能夠用於包含LED等非常細薄的裝置。若使用 諸如OLED元件等適當的二極體晶片,則整個包裝可薄到 大約比100//m稍厚乃至如紙片般薄。
本發明的此第二原理之另一選擇係將該微光學元件直 接設置在LED面板的基層上,且係以可輕易將不具有任 何整形光學元件的LED源放在鄰近此層之方式。如此, 此實施例使LED面板容易安裝,同時可平行校準或另外 整形自LED面板所發出的光。此使得無需任何特定限制 就可修正LED面板功能。例如,LED面板層可包含一列 規則的放置LED用預設位置(LED埠)’每一 LED埠包 含事先放在面板層上的平行校準光學元件。然後’例如只 要使用適當的黏附劑’就可在面板層上放上想要的LED (7) 1333697 本發明的另一原理係微光學‘元件的特徵通常存在於一 些塑膠中(聚合物、或其他諸如SolGel材料等可塑材料 )。此與習知技術情況相反,習知技術的光學元件不是上 述的簡易塑膠圓頂透鏡類型,就是玻璃製的(若它們的品
質較高的話)。塑膠材料有助於根據本發明的光源及LED 面板容易製造。如此的其他優點包括更多可選擇的光學特 性(諸如折射率、傳輸特性等)、成本較低、及重量較輕 〇 藉由以平衡及組合不同光學功能並且考慮到電致發光 元件與其周遭物件(即外殼或基底)的延伸本質之組成處 理可獲得微光學元件的形狀。微光學元件可被假設成包含 一或多個整合性光學功能,這些功能是由考慮到一或多個 電致發光元件的位置、尺寸、及形狀,它們的輸出光分佈 、及位於下方之外殼/反射器的形狀所設計。 此典型上導致微光學元件的對稱特性對應於電致發光 元件的對稱特性。例如,作爲電致發光元件的LED晶片 通常是正方形,其具有四階的轉動對稱性。若LED是矩 形,則其具有二階的轉動對稱性。在這兩個例子中,LED 也具有沿著兩垂直線的線對稱性。微光學元件的幾何特徵 在被投射到微光學元件的平面上時,會顯示出對應的對稱 性》當平行校準光束時,對應的對稱性顯然在微光學元件 的特徵中佔有重要的地位。當執行任意光束整形時,對應 的對稱特徵可與和最後輸出光束形狀有關的幾何特徵疊置 。對於兩分離的LED晶片或整個裝置被組合成單一輸出 (8) 1333697 光束之例子,微光學圖案將顯示·出雙重對稱性。 除了上述優點之外,本發明還有幾個優點特徵。其中 一優點係可使用高處理量的壓紋或澆鑄製程而以低成本來 製造根據本發明的發光裝置及LED面板。尤其是,微光 學結構可在製造發光裝置期間被附加於外殼。 另一優點係發光裝置及LED面板可組合不同的功能 ,卻無需具有更多的元件。例如,一單一 LED平行校準 光學元件可被設計成源自不同電致發光元件之不同波長的 不相干光被平行校準,卻無需複數的光學元件,即該光學 微結構可被設計成多色的延伸源。此與習知技術狀態大不 相同,習知技術的圓頂透鏡被設計成本質上只平行校準來 自一LED晶片的光(該LED晶片典型上被假設成具有一 波長的點源)’因此不適用於設置有複數電致發光元件或 螢光材料被配置在LED晶片(或其他電致發光元件)附 近的情況。 根據本發明的特別實施例,微光學元件包含複數獨立 區’每一區皆具有個別的光學功能。 製造發光裝置的方法包含以下步驟:設置至少局部被 埋設於至少局部透明材料中之至少一電致發光元件,及將 作爲微光學元件的結構附加於該至少局部透明材料的最外 表面。此可藉由將至少局部透明層附加於該表面及將微光 學結構壓紋於其中而達成。另一方式是可利用至少局部透 明層被設置有微光學結構之方式將該至少局部透明層澆鑄 在該表面上。在任何例子中,都可以應用新的及效率高的 -12- (9) 1333697 製造技術製造發光裝置或led ’面板’並且可以變化此種 技術以提供最佳結果。 在下文中,將參照槪要圖式說明本發明的較佳實施例 【實施方式】 圖2所示的發光裝置包含由LED晶片1、外殼2、及 圍繞LED晶片1之環氧物3(或其他至少局部透明材料) · 製成的LED本體。在參照圖1所說明的習知LED方式中 ,這些組成都有但並非是一定要具備的。該發光裝置另外 包含至少局部透明層11,舉例來說,該至少局部透明層 11係被疊層或澆鑄在外殻2和環氧物3上,且該至少局 ’ 部透明層〗1也可以是環氧樹脂或可以是其他熱塑性或硬 塑性材料。例如,其可以是UV硬化或熱硬化材料。雖然 根據最佳實施例,此至少局部透明層係由聚合物材料製成 ’但是其也可由玻璃製成。依據特定使用,此附加層的厚 · 度例如可於大約5 a m到1 mm之間變化,但小於1 50 //m較佳。該至少局部透明層n在其表面上包含微光學 結構形式的微光學元件12,而在圖式中,該表面是該層 11及整個光源的最外表面。 ‘ 換言之,電致發光元件1包含發光表面及與該發光表 ' 面相對的基座,其中該基座裝附於外殼及/或基底的內表 面’及其中發光表面被至少局部塡滿外殻2或覆蓋該基底 之至少局部透明材料3所覆蓋。該至少局部透明材料3界 -13- (10) 1333697 定第一表面,其中至少局部透朗層黏貼於該第一表面及界 定實質上平行於該第一表面之第二表面。微光學元件12 由設於該第二表面的微光學結構所製成。 ^ 以LED晶片1所發出或外殼2所漫反射的光會在穿 越上述表面之後藉由繞射及/或折射而被平行校準及/或整 形的方式來設計該微光學結構。 可以使用其他電致發光元件(未圖示)作爲LED晶 片的另一選擇。舉例來說,諸如OLED等此種其他電致發 隹 光元件可被配置於如圖2所示的類似結構中,而習知LED 晶片與OLED之間的主要不同點在於後者較薄。 可設置複數電致發光元件當作另一選擇。 ’ 可取代使實質透明層11爲自黏層而利用至少局部透 明黏附劑將該實質透明層1 1黏合於LED本體。在此種例 子中,微結構本身可由任何材料製成,而根據特定實施例 ,其甚至可包含玻璃製載體。 現在討論設計程序,舉例來說,可使用下面製程步驟 # 來設計平行校準/整形光學元件: 1 .將晶片模型化成一列理想點源。每一虛擬源的分佈 被假設成與LED晶片的分佈相匹配,即就Lambertian晶 片分佈而言,每一點源也被假設成Lambertian。 2.將外殼模型化成一列加權及不均等間隔的二次點源 。每一點源的分佈被假設成與外殻材料的反射特性(舉例 來說,如Lambertian)相匹配。而該陣列中的個別點源之 相對加權値則藉由考慮有多少能量(及以何種角度)擊中 -14- (11) 1333697 外殻上的對應點(即有多少能臺將被反射及到先朝向哪個 方向)來加以計算。該外殼典型上被假設成是一理想之 Lambertian反射器,β卩反射光被假設成具有Lambertian · 分佈。爲此目的,自點源接收光之外殼的所有點皆被假設 成作用如二次Lambertian點源。此外,這些二次點源之 每一者所發出的總強度必須與每一模型化之點自晶片(即 自主虛擬點)所接收的能量完全相同。此係藉由利用自接 收到的能量計算出適當加權函數而按比例調整每一二次點 0 源來加以達成。最後,依據擊中討論中的點之射線的入射 角之加權平均値來計算每一二次點源的主方向,即最大強 度的方向。或是換成別的方式,每一二次點源的總能量及 主方向係與至對應於該點源的外殼上之點的入射光之加權 ‘ 平均値相匹配。 3 ·針對每一虛擬點源個別地設計理想之平行校準/整 形光學元件。然後,藉由加權總和將獲得的光學功能組合 於LED單元的出射表面(即環氧層的上面)。藉由考慮 · 每一虛擬點源會提供多少能量到出射表面上的每一位置來 計算總和的加權値,即加權値係對應於每一點上的每一點 源之相對強度。 4.例如可透過傳輸函數的原理來達成將總光學功能轉 換成表面輪廓。然後,首先假設光學組件係以逐點之方式 使輸入域(即出射表面上來自點源之域)及輸出域(即元 件之後的域分佈,在此例中爲平行校準域)相關聯,並假 設該關聯可以傳輸函數加以表示。利用這些假設,則該傳 -15- (12) 1333697 輸函數僅是兩域的差,即輸出域‘減輸入域。最後,藉由解 出對應於給定之傳輸函數値的物理輪廓,可自該傳輸函數 計算出元件的物理性質。在最簡單的可能例子中,此被簡 化成計算引進與傳輸函數相匹配之振幅/相位變化需要多 少材料,即輪廓必須多深。在較複雜的例子中,也可考慮 例如輪廓的局部形狀、折射率分佈等。在最嚴密的例子中 ,傳輸函數的槪念並不適用,而輸入及輸出域係透過 Maxwell的方程式及位於介面的電磁邊界條件而產生關聯 φ ,且所需元件的實體尺寸必須藉由解出同時滿足考慮的空 間上所有點之方程式及邊界條件的表面而獲得。 雖然本發明並不侷限於繞射而是包括折射,但該微光 學結構可被設計成該光學元件可與具有若干整合光學功能 · 的繞射光學元件(DOE)相比擬。 圖3之光源與圖2之光源的不同之處在於其無需包含 在環氧材料上方的至少局部透明層。取而代之的是,微光 學元件12由直接在環氧(或其他至少局部透明的)材料 · 3上之微光學結構製成》 現在回到圖4,其中所描畫的光源具有被分成區11a 、lib、11c之至少局部透明層,每一者皆添加不同的功 能。此實施例適用於上述最後光學功能超過利用可得到的 ’ 製造技術之目前技術狀態的例子。在此種例子中,該功能 可藉由將其分成幾部分及藉由把每一部分當作元件的獨立 區來加以模擬。 雖然在圖4中,不同區被圖示成個別之層本體,但是 -16- (13) 1333697 不一定需如此。相反地,通常,_不同區將是設在單一至少 局部透明層中之不同的微光學結構】2a、12b、12c。 另外,也可具有未包含不同區但卻包含不同功能的結 構(以宏觀角度而言)。其僅需組合具有不同功能的結構 特徵,例如,具有兩端面的突出物,一端面藉由繞射及/ 或折射來平行校準來自第一 LED晶片的光,另一端面則 平行校準來自第二LED晶片的光等。 圖5爲具有上述類型的微光學結構12之規則圖案的 LED面板基層21。舉例來說,該等微光學結構皆被設計 用以平行校準特定波長範圍的光,該波長範圍包括裝附於 面板基層之LED所發出的光之波長》該LED面板另外包 含幾個LED本體22,每一本體皆具有LED晶片及外殻, 並且包含環繞LED晶片的環氧物(或其他至少局部透明 材料)。例如利用壻氧物(或其他至少局部透明材料)的 黏合特性、基層的黏合特性、或利用中間黏附層(未圖示 )將LED本體22裝附於基層21的一側,並於設計微光 學結構12時考慮該等黏附材料的光學特性。LED本體裝 附於微光學結構的位置上,然而,並非所有微光學結構皆 必須具有對應的LED本體。 LED面板基層及用於裝設在其上之LED的適當電流 供應機構可一起作爲一通用面板。該面板基層可以單一製 造步驟加以射出成型或壓印。 舉例來說,該面板基層可由上述用於led之至少局 部透明層的材料所製成。或是該面板基層也可由玻璃材料 -17- (14) 1333697 所製成。 .· 與現存的LED面板比較’可看出LED面板的製造可 更快速進行,因爲只需藉由標準機制將標準現成之led 加到標準化之基層上。 圖6a到6c爲根據本發明之光源的製造方法。該方法 包括如下步驟:使用包含電致發光元件1 (此處是LED晶 片)、外殻2、及環氧物(或其他至少局部透明材料)的 LED 31 (圖6a) ,例如藉由疊層而添加一熱塑性材料的 至少局部透明層11 (圖6b),並且以上升的溫度利用可 重複使用之壓印工具32在至少局部透明層11的表面上壓 印(或壓紋)出微光學結構,其中該壓印工具32具有對 應於將形成之微光學結構的凹口之突出物33。此逐步程 序的另一選擇係可組合壓印及疊層步驟,其中該疊層壓製 包含直接在該層上壓印該等結構的壓印工具。 在另一實施例中,原先是膠黏狀態的該至少局部透明 層11可被澆鑄(或射出成型)在環氧物(或其他至少局 部透明材料)及壓紋工具3 2之間的間隙中,然後被硬化 ,例如UV硬化。較佳是當至少局部透明層1 1的材料已 至少局部被硬化時才移除壓紋工具》當然,在此實施例中 ,膠黏材料可被置於環氧物(或其他至少局部透明材料) 上面,以在壓紋工具被置於適當位置之前形成層。 通常,生產微光學結構的方法可包括使用組織工具之 任何形式的壓紋或澆鑄UV (及/或化學)及/或熱固材料 。在LED本體及含有微光學結構的層之間可設置其他層 (15) 1333697 。或是作爲一層並已包含微結構’(在其中或裝附於其上) 之載體可被黏合或疊層或固定到LED本體。又或是可藉 由壓紋或澆鑄(或射出成型)而直接建構一部分LED本 體(包括圍繞電致發光元件之至少局部透明材料)。 圖示在圖7的微光學結構41係平行校準LED源發出 的光。此爲可設置在圖2到5任一圖式的光源中之微光學 結構的例子。陰影是量測輪廓深度的方法:陰影越深,特 徵越深。在圖式中,反射電致發光元件尺寸的中央連續部 位是可見的。若以複數電致發光元件取代一電致發光元件 ,則存在有對應的複數連續部位。圖8爲圖7之結構的中 央部分之橫剖面圖。其將輪廓高度(以//m爲單位)圖示 爲位置的函數(以任意單位)。可按比例調整該等結構。 它們的尺寸係取決於波長。若波長改變及結構尺寸按波長 比例加以調整’則功能維持不變。另外,可藉由加上或減 掉高度來改變結構高度(或深度)而使得輻射相位改變2 7Γ的整數倍’亦即結構高度係改變結構材料中的光波長之 整數倍。當然’在此例中亦須修改結構寬度,結構高度越 小,結構寬度越細。最後,圖9槪要地描畫圖7所示之輪 廓的主要部分。該等部分是··中央透鏡51(圖7及8也 可見到)、實際上對應於複數Fresnel透鏡狀之半橋形突 出物的中間部分52、及邊緣透鏡53。中央透鏡51將作用 如用於延伸的電致發光元件之平行校準透鏡。該透鏡實質 上是幾個離軸透鏡的加權平均。中間部分52係作用如另 一準直儀並且將光線朝軸撞擊。邊緣透鏡部分53被設計 -19- (16) 1333697 成特別平行校準自晶片之外殻邊‘緣所反射的光。藉由將外 殼視作額外地和透鏡具有變動距離之二次延伸源來設計這 些透鏡β ' 圖1 0及11圖示LED晶片1及至少局部透明層11中 · 所整形的微光學結構12之相對配置及尺寸。並未圖示外 殼及/或物理性連接層11及LED晶片1之透明層。在此 處,如根據圖12及13的實施例一般,LED晶片1的水平 延伸部分可在如〇·5到2毫米的範圍中。對應於層11的 鲁 最小厚度之微光學結構12的最大厚度之範圍爲大約1微 米(針對單色光)到大約20微米(針對不同波長之光) 〇 在根據圖10的配置中,層11的形狀及延伸部分大約 與LED晶片1的形狀及延伸部分相匹配,並且將層π安 裝於LED晶片1附近,例如帶有空氣隙或幾微米到20微 米到一毫米的距離。 作爲圖11的變形,該微光學結構可被放置在面對 ® LED晶片的一側上,或微光學結構可被設置於層Π的兩 側上。層1〗也可包含在朝向LED晶片1的表面上之第二 微光學結構。如此,可減低空氣隙並且可增加光束整形的 功能。在此種微光學元件以50到1 00微米以下的距離定 位之例子中,也可極精確地考慮到LED晶片的局部發光 變化並將其結合到微光學結構的設計中。 進一步歸納圖11,含有微光學結構12的層11並不 侷限於平面或平坦形狀。考慮並且使用它們的光學功能, •20- (17) 1333697 微光學結構也可被設計及製造於'不同形狀的表面上 ,此種表面可包含球形或梯形橫剖面。 在根據圖11的配置中,層11的延伸部分例如 晶片1的延伸部分的兩倍或更多。因此,與層11 較大,例如直到0.5毫米。此配置尤其適用於具有 出特性的LED。LED的輸出越直接,微光學結構 小並且可越靠近LED晶片1而配置。 圖12顯示利用外殼2將層1 1連接於LED晶 發光裝置。如上述,距離越大,其越適合將外殼2 面上之二次發光結合於微光學結構12的設計中。 圖13圖示層11被疊層或澆鑄在LED晶片1 光學結構12被整形(即被壓紋或模鑄到層11內) 裝置。該層之厚度例如是在20微米或更高的範圍 1 1實際上覆蓋LED晶片1的發光表面。其實際上 超過LED晶片1的發光表面較佳。 圖14到16爲類似於圖7之另一微光學結構代 用以將特定光源形狀及/或光源配置的輸出轉換成 束。圖14爲用以轉換具有三階轉動對稱性之三角 LED的輸出之結構代表。圖15爲用以轉換具有兩 對稱性之兩分開並且極小的光源之輸出的結構代 16爲用以轉換八角光源的輸出之結構代表。對應 的精確形狀,其具有四階(具有兩交替邊長之八角 八階(一般八角型)轉動對稱性。 可設計各種其他實施例。例如,LED的外殻不 。例如 是LED 的距離 朗伯輸 1 2可越 片1之 的內表 上及微 之發光 中。層 不延伸 表,其 圓形光 光源或 階轉動 表。圖 於光源 形)或 必一定 (18) 1333697 以圖式中的方式塑造,而是,具有任何形狀及由任何材料 化合組成。電致發光元件不必一定是習知LED晶片,而 是可使用任何依據電流的投射加以發光之裝置取代。而且 ,微光學結構不必一定被設置在光源的最外面,而是可設 置在任何適當表面。 【圖式簡單說明】 圖1爲根據習知技術之具有平行校準光學元件的LED # 〇 圖2、3及4爲根據本發明的光源。 圖5描畫根據本發明的LED面板。 圖6a到6c爲根據本發明的光源之製造程序。 圖7爲微光學結構。 圖8及9爲圖7中所描畫的微光學結構之橫剖面圖。 圖10及11爲根據本發明的LED晶片及微光學結構 之相關配置及尺寸。 ® 圖12及13爲本發明的另一較佳實施例。 圖14到16爲另一微光學結構。 主要元件對照表 1 : LED晶片(電致發光元件) 2 :外殻 3 :環氧物 4 :外部光學元件 -22- (19) (19)1333697 5 :支架 · 1 1 :至少局部透明層 1 1 a :至少局部透明層區 ‘ 1 1 b :至少局部透明層區 胃 1 1 c :至少局部透明層區 12:微光學元件(微光學結構) 12a :微光學結構區 12b:微光學結構區 鲁 12c :微光學結構區 2 1 : LED面板基層 22 : LED本體
3 1: LED 3 2 :壓印工具 33 :突出物 4 1 :微光學結構 5 1 :中央透鏡 ® 5 2 :中間部分 53 =邊緣透鏡部分 -23-

Claims (1)

1333697 拾、申請專利範圍 附件3A : 第92 1 3 1 429號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國99年3月2日修疋 1. 一種設計繞射型微光學結構之方法,該繞射型微 光學結構將配合電致發光元件一起使用,該方法包含以7: 步'驟· •將電致發光元件(1 )的發光模型化成一列點光源 ’整體看來,每一點光源皆具有與該電致發光元件相同角 度的光分佈,而強度則隨意地被修改成該電致發光元件的 局部發光強度; •針對想要的光束形狀來設計每一點光源的光束整 形光學元件; •組合所有點光源的光束整形光學元件,產生總光 學功能: •根據該總光學功能產生該微光學結構的表面輪廓: 及 對應於離開該電致發光元件的光在到達該微光學 結構之則被反射的點,任選地(〇pti〇nally)將二次點光源 的發光模型化。 2. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該等二次點光 源爲反射來自該電致發光元件的光線的外殼上的點,且該 等一:人點光源被模型化爲具有藍伯特分佈(Lambertian 1333697 distribution) 〇
-2-
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102788281A (zh) * 2012-08-13 2012-11-21 无锡奥普顿光电子有限公司 一种用于led照明的二次光学元件

Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1614299A1 (en) * 2003-04-16 2006-01-11 Upstream Engineering Oy 2d/3d data projector
EP1622205A3 (en) * 2004-07-29 2006-02-08 Schott AG Electronic package incorporating electronic components generating and/or receiving light-based signals
CN100521266C (zh) 2004-08-06 2009-07-29 皇家飞利浦电子股份有限公司 Led灯系统
DE102005028748A1 (de) * 2004-10-25 2006-05-04 Osram Opto Semiconductors Gmbh Elektromagnetische Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement und Bauelementgehäuse
ATE442671T1 (de) * 2005-03-10 2009-09-15 Nanogate Advanced Materials Gmbh Leuchtiode
ATE546836T1 (de) 2005-04-21 2012-03-15 Fiat Ricerche Anwendung einer transparenten leuchtdiodenanzeigevorrichtung in einem kraftfahrzeug
WO2006123917A1 (en) * 2005-05-20 2006-11-23 Luxpia Co., Ltd. Light emitting diode package having a reflector cup by metal thin film and its manufacturing method
WO2006126809A1 (en) * 2005-05-26 2006-11-30 Luxpia Co., Ltd. Very small light emitting diode package and manufacturing methods of it
DE102005026206A1 (de) * 2005-06-07 2006-12-14 Siemens Ag Lichterzeugende Anordnung
JP4449837B2 (ja) * 2005-06-27 2010-04-14 パナソニック電工株式会社 発光装置
WO2007031929A1 (en) * 2005-09-16 2007-03-22 Koninklijke Philips Electronics N.V. Method for manufacturing led wafer with light extracting layer
US7521727B2 (en) 2006-04-26 2009-04-21 Rohm And Haas Company Light emitting device having improved light extraction efficiency and method of making same
US7955531B1 (en) 2006-04-26 2011-06-07 Rohm And Haas Electronic Materials Llc Patterned light extraction sheet and method of making same
KR100770424B1 (ko) 2006-12-13 2007-10-26 삼성전기주식회사 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법
EP1962350A1 (en) * 2007-02-22 2008-08-27 LEXEDIS Lighting GmbH Emitting surface of light emitting diode packages
WO2008138156A1 (en) * 2007-05-14 2008-11-20 Heptagon Oy Illumination system
WO2009006747A1 (en) * 2007-07-12 2009-01-15 Heptagon Oy Optical element, illumination system and method of designing an optical element
WO2009088748A2 (en) * 2008-01-08 2009-07-16 Dolby Laboratories Licensing Corporation Parallax reduction
CN102099618B (zh) * 2008-04-04 2017-03-29 皇家飞利浦电子股份有限公司 用于前照灯的投影模块
DE102008021658A1 (de) 2008-04-30 2009-11-05 Ledon Lighting Jennersdorf Gmbh Lichtemittierende Vorrichtung mit Volumenstrukturierung
US20100260945A1 (en) * 2009-02-13 2010-10-14 Luminus Devices, Inc. System and methods for optical curing using a reflector
FR2947385B1 (fr) 2009-06-26 2011-11-11 Saint Gobain Diode electroluminescente integrant un element optique plan a modulation d'indice de refraction
US8253798B2 (en) * 2010-02-03 2012-08-28 Unitechno Corporation Video surveillance device with infrared LED
AT509562A1 (de) * 2010-02-24 2011-09-15 Thallner Erich Leuchteinrichtung und verfahren zur herstellung einer solchen
JP5858409B2 (ja) 2010-05-28 2016-02-10 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェKoninklijke Philips N.V. ビーム整形機能を有する光学スタック、光源、及び照明器具
ES2408860B1 (es) * 2011-12-13 2014-04-24 Lledo Iluminación Sa Luminaria led con simetría de revolución.
JP2013190522A (ja) * 2012-03-13 2013-09-26 Stanley Electric Co Ltd 光学素子、照明装置
KR102008315B1 (ko) 2013-01-23 2019-10-21 삼성전자주식회사 발광 소자 패키지
US9696199B2 (en) * 2015-02-13 2017-07-04 Taiwan Biophotonic Corporation Optical sensor
DE102016116439A1 (de) 2016-09-02 2018-03-08 Osram Opto Semiconductors Gmbh Anordnung mit einem Gehäuse mit einem strahlungsemittierenden optoelektronischen Bauelement
DE102016116468A1 (de) 2016-09-02 2018-03-08 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronische anordnung
CN110741202B (zh) * 2017-06-19 2022-04-19 昕诺飞控股有限公司 用于led的输出透镜和形成输出透镜的方法
DE102018126297A1 (de) * 2018-10-23 2020-04-23 HELLA GmbH & Co. KGaA Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge
DE102018221634A1 (de) * 2018-12-13 2020-06-18 Osram Gmbh Vorrichtung zum entkeimen eines fluids

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1966059A (en) * 1933-03-13 1934-07-10 George Slaff Production of white light
JPS55113387A (en) * 1979-02-22 1980-09-01 Sanyo Electric Co Ltd Light emitting diode indicator
US4843280A (en) * 1988-01-15 1989-06-27 Siemens Corporate Research & Support, Inc. A modular surface mount component for an electrical device or led's
US5130531A (en) * 1989-06-09 1992-07-14 Omron Corporation Reflective photosensor and semiconductor light emitting apparatus each using micro Fresnel lens
DE3929477A1 (de) * 1989-09-05 1991-03-07 Siemens Ag Led-anordnung
JPH05102528A (ja) * 1991-10-11 1993-04-23 Omron Corp 光半導体素子
DE69602588T2 (de) * 1995-03-03 1999-10-14 Minnesota Mining & Mfg Lichtlenkender film mit in der höhe variierender strukturierter oberfläche und daraus hergestellter lichtlenkender artikel
JPH08330635A (ja) 1995-05-30 1996-12-13 Canon Inc 発光装置
DE19527026C2 (de) * 1995-07-24 1997-12-18 Siemens Ag Optoelektronischer Wandler und Herstellverfahren
DE19600306C1 (de) * 1996-01-05 1997-04-10 Siemens Ag Halbleiter-Bauelement, insb. mit einer optoelektronischen Schaltung bzw. Anordnung
US5698941A (en) * 1996-01-16 1997-12-16 Motorola Optical correction layer for a light emitting apparatus
US5919551A (en) * 1996-04-12 1999-07-06 3M Innovative Properties Company Variable pitch structured optical film
US6102552A (en) * 1996-10-18 2000-08-15 Hewlett-Packard Company Laser-array based digital illuminator
WO1999025031A1 (en) * 1997-11-06 1999-05-20 Donnelly Corporation Light emitting element having an optical element molded in a surface thereof
FR2785364B1 (fr) * 1998-11-03 2000-12-22 Valeo Vision Feu de signalisation a diffraction, notamment pour vehicule automobile
US6752505B2 (en) * 1999-02-23 2004-06-22 Solid State Opto Limited Light redirecting films and film systems
GB9919689D0 (en) 1999-08-19 1999-10-20 Microsharp Corp Limited Back-lighting arrangement and the like
EP1235281A4 (en) * 1999-11-30 2006-12-06 Omron Tateisi Electronics Co OPTICAL COMPONENT AND APPARATUS CONTAINING THE OPTICAL COMPONENT
JP3652945B2 (ja) * 1999-12-28 2005-05-25 松下電器産業株式会社 光情報処理装置
CN2426640Y (zh) * 2000-05-19 2001-04-11 张开开 定向光高效发光二极管
GB0017658D0 (en) * 2000-07-19 2000-09-06 Secr Defence Light emitting diodes
JP2002076440A (ja) 2000-08-28 2002-03-15 Stanley Electric Co Ltd 発光装置及び光空間伝送装置
US6891200B2 (en) * 2001-01-25 2005-05-10 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Light-emitting unit, light-emitting unit assembly, and lighting apparatus produced using a plurality of light-emitting units
CN1529830A (zh) * 2001-07-16 2004-09-15 ���ܿ���ϵͳ���޹�˾ 空间部分相干光束的强度分布的衍射整形

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102788281A (zh) * 2012-08-13 2012-11-21 无锡奥普顿光电子有限公司 一种用于led照明的二次光学元件

Also Published As

Publication number Publication date
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EP1420462A1 (en) 2004-05-19

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