TWI582349B - 複合透鏡及使用該複合透鏡的光源裝置 - Google Patents

複合透鏡及使用該複合透鏡的光源裝置 Download PDF

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Description

複合透鏡及使用該複合透鏡的光源裝置
本發明涉及一種複合透鏡及使用該複合透鏡的光源裝置。
發光二極體(light emitting diode，LED)作為一種高效的發光源，具有環保、省電、壽命長等諸多特點已經被廣泛的運用於各種領域，特別係背光照明領域。在背光照明領域，為了均勻光線，發光二極體光源通常會搭配擴散透鏡使用，使發光二極體光源的光線能以較大角度出射，從而達到大面積照明的效果。
然而，在實際使用中，發光二極體光源發出的光線經過透鏡的擴散之後，由於出射光線仍然集中在發光二極體光源的光軸附近，出射光場中心區域的能量過高、中心區域外側的能量較弱，導致整個光場的能量分佈不均勻。當將所述發光二極體光源及透鏡應用於背光照明中時，會影響整體出光效果。
有鑒於此，有必要提供一種能獲得均勻出光效果的複合透鏡及使用該複合透鏡的光源裝置。
一種複合透鏡，包括用於擴散一發光二極體光源發射光束的第一透鏡以及位於第一透鏡頂部的第一光萃取層和第二光萃取層，該第一透鏡包括入光面以及與該入光面相對設置的出光面，該第一 透鏡的頂部具有一凹槽，該凹槽位於第一透鏡的出光面的中心區域並朝向該第一透鏡的入光面凹陷，該第一光萃取層和第二光萃取層依次形成於該第一透鏡的凹槽內，該第二光萃取層位於該第一光萃取層上方，該第一光萃取層的折射率小於第一透鏡的折射率，該第二光萃取層的折射率小於第一光萃取層的折射率。
一種光源裝置，包括一發光二極體光源及與該發光二極體光源配合的複合透鏡，該複合透鏡包括用於擴散一發光二極體光源發射光束的第一透鏡和設置於該第一透鏡頂部的第一光萃取層和第二光萃取層，該第一透鏡包括入光面以及與該入光面相對設置的出光面，該第一透鏡的頂部具有一凹槽，該凹槽位於第一透鏡的出光面的中心區域並朝向該第一透鏡的入光面凹陷，該第一光萃取層和第二光萃取層依次形成於該第一透鏡的凹槽內，該第二光萃取層位於該第一光萃取層上方，該第一光萃取層的折射率小於第一透鏡的折射率，該第二光萃取層的折射率小於第一光萃取層的折射率，該發光二極體光源面向該複合透鏡的第一透鏡的入光面設置。
與習知技藝比較，本發明中該凹槽內設置有第一、第二光萃取層，且第一、第二光萃取層的折射率大小依次遞減，從而有效降低光線全反射，有效提升了透鏡的光線取出效率，部分削弱了光場中心區域的光強同時有效增強了光場中心區域外側的光強，使得整個光源裝置獲得了均勻的出光。
1、1a‧‧‧光源裝置
2‧‧‧第一透鏡
3‧‧‧第一光萃取層
4‧‧‧第二光萃取層
5‧‧‧凹槽
6‧‧‧發光二極體光源
7‧‧‧第三光萃取層
21‧‧‧安裝面
22‧‧‧第一輔助出光面
23‧‧‧第二主出光面
24‧‧‧出光面
25‧‧‧入光面
27‧‧‧收容空間
32、42、72‧‧‧頂面
43‧‧‧螢光粉顆粒
60‧‧‧光發射面
231‧‧‧頂部
Z‧‧‧光軸
圖1係本發明第一實施例的光源裝置立體結構示意圖。
圖2係圖1所示光源裝置中第一透鏡的倒置立體結構示意圖。
圖3係圖1所示光源裝置沿III-III線方向的剖面示意圖。
圖4係圖1中所述光源裝置未設置第一光萃取層和第二光萃取層時的光強分佈曲線示意圖。
圖5係圖1中所示光源裝置的光強分佈曲線示意圖。
圖6係本發明第二實施例的光源裝置的剖面示意圖。
請參閱圖1至圖3，本發明第一實施例的光源裝置1包括一發光二極體光源6、與該發光二極體光源6配合的第一透鏡2以及位於該第一透鏡2頂部的第一光萃取層3和第二光萃取層4。該第一透鏡2的頂部具有一凹槽5。該第一光萃取層3和第二光萃取層4依次形成於該凹槽5內。該第二光萃取層4位於該第一光萃取層3的上方。該第一光萃取層3的折射率小於該第一透鏡2的折射率。該第二光萃取層4的折射率小於該第一光萃取層3的折射率。
該第一透鏡2包括一入光面25、與該入光面25相對設置的出光面24以及連接該入光面25和出光面24的環形安裝面21。該入光面25位於該安裝面21的中心區域，該入光面25自該環形安裝面21的內周緣朝向該第一透鏡2的出光面24凹陷。
該第一透鏡2的出光面24包括自安裝面21的外周緣垂直向上延伸的第一輔助出光面22以及由第一輔助出光面22頂部周緣向上並向內彎曲延伸的第二主出光面23。在本實施例中，該第一輔助出光面22係一圓柱面。該凹槽5位於該第一透鏡2的第二主出光面23的中心區域。
該第一透鏡2具有一貫穿該入光面25和出光面24的光軸Z。該第一 透鏡2的入光面25和出光面24均相對於該光軸Z旋轉對稱。在本實施例中，該出光面24的第二主出光面23係一外凸的曲面，該入光面25係一內凹的曲面。具體地，該入光面25係橢球面的一部分，且該入光面25的長軸位於該光軸Z上。在其他實施例中，該入光面25係球面或者抛物面的一部分。
沿與該第一透鏡2的光軸Z垂直的徑向向外，該第一透鏡2的出光面24和入光面25之間的間距先逐漸增加後逐漸減小。換句話說，沿與該第一透鏡2的光軸Z垂直的徑向向外，該第一透鏡2的厚度先逐漸增加後逐漸減小。
該第一透鏡2的入光面25與安裝面21共同圍設出一收容空間27。該發光二極體光源6收容於該收容空間27之中。該發光二極體光源6的光發射面60面向該第一透鏡2的入光面25設置。該發光二極體光源6遠離光發射面60的底面與第一透鏡2的安裝面21平齊。該發光二極體光源6位於該第一透鏡2的光軸Z上，以使得發光二極體光源6的光線盡可能多的耦合到該第一透鏡2中。
該發光二極體光源6發出的光線，經由該第一透鏡2的入光面25射入到第一透鏡2的內部，其中大部分光線經由該第二主出光面23折射出第一透鏡2，少部分光線經由該第一輔助出光面22折射出第一透鏡2。
該凹槽5呈漏斗狀。該凹槽5的橫截面大致呈V形。沿第一透鏡2的光軸Z朝向遠離第一透鏡2的入光面25的方向，該凹槽5的橫截面寬度逐漸增大。該第一光萃取層3貼設於該凹槽5的底部，該第二光萃取層4覆蓋於該第一光萃取層3上。該第二光萃取層4遠離該第一透鏡2的入光面25的頂面42與該第二主出光面23頂部231平齊 。在其他實施例中，為了後續能夠在凹槽5中繼續形成光萃取層或者密封層，該第二光萃取層4的頂面42與該第二主出光面23頂部231不平齊，彼此間隔一段距離，即第一光萃取層3和第二光萃取層4並未填滿該凹槽5。
在本實施例中，該第一光萃取層3的厚度不均勻。沿與該第一透鏡2的光軸Z垂直的徑向向外，該第一光萃取層3的厚度逐漸遞減。在其他實施例中，該凹槽5的形狀係矩形或者柱形，該第一光萃取層3均勻填充於該矩形或者柱形凹槽5的底部，即該第一光萃取層3的厚度均勻。
該第一透鏡2的材質係PC塑膠(聚碳酸酯)、PS塑膠(聚苯乙烯)或MS樹脂(甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯)，其折射率介於1.57~1.59。該第一光萃取層3、第二光萃取層4的材質係PMMA塑膠(聚丙烯酸甲酯)或silicon塑膠(有機矽塑膠)，其折射率介於1.24~1.49。
該第一光萃取層3或者第二光萃取層4的成型方式如下：首先將原料(顆粒狀或粉末狀的有機矽塑膠，亦或係顆粒狀或粉末狀的聚丙烯酸甲酯塑膠)填充於該第一透鏡2的凹槽5內，接著壓平原料頂部以有效提升原料的密合度、減少原料之間形成的空隙，最後再對壓實的原料進行UV(紫外光)固化。
該發光二極體光源6發出並射入到第一透鏡2內的光線中，大部分光線朝向該第二主出光面23傳播，該等光線容易在第一透鏡2與第一光萃取層3的介面上發生全反射而被限制在第一透鏡2內。具體來說，在本實施例中該第一透鏡2的折射率係1.57，該第一光萃取層3的折射率係1.49，該第一光萃取層3的折射率係1.24，則 光線在第一透鏡2與第一光萃取層3的介面上的全反射臨界角係71.63度，該等光線在第一透鏡2與空氣的介面上的全反射臨界角係39.57度。
類似地，由第一光萃取層3中射向該第二光萃取層4的光線在第一光萃取層3的頂面32上的全反射臨界角係56.33度，該等光線在第一光萃取層3與空氣的介面上的全反射臨界角係42.16度。
與未在凹槽5中形成第一光萃取層3和第二光萃取層4相比較，該第一透鏡2內朝向該第二主出光面23傳播的光線中，在該第二主出光面23上入射角度在39.57度~71.63度之間的光線均能從第一透鏡2折射進入第一光萃取層3中；而該第一光萃取層3中射向該第二光萃取層4的光線中，在該第一光萃取層3的頂面32上入射角度在42.16度~56.33度之間的光線均能從第一光萃取層3折射進入第二光萃取層4中，從而大大提升了整個光源裝置1的光線取出效率(light extraction efficiency)。
請參閱圖4，係第一透鏡2的凹槽5內未設置第一光萃取層3和第二光萃取層4時，發光二極體光源6發出的光線經過第一透鏡2折射後所形成的光場分佈。從圖4所示光強曲線分佈可以看出，在光場中心區域(即第一透鏡2的光軸Z附近)的光強比較強，形成了一個“尖峰”，而位於光場中心區域外側(即第一透鏡2的光軸Z外側的環形區域)的部分光線由於受到全反射作用而限制在第一透鏡2內部，導致光場中心區域外側光強變弱，並形成了一個環繞“尖峰”的“肩部”，光強曲線不平滑，說明光強分佈差異較大。
請參閱圖5，係第一透鏡2的凹槽5內設置第一光萃取層3和第二光 萃取層4後，發光二極體光源6發出的光線經過第一透鏡2、第一光萃取層3和第二光萃取層4的多次折射後所形成的光場分佈。由於第一光萃取層3和第二光萃取層4能夠將位於光場中心區域外側(即第一透鏡2的光軸Z外側的環形區域)的光線更多的取出，大大提升了光源裝置1的光取出效率，從而使得光場中心區域外側光強得到增強；同時由於該第一透鏡2光軸Z附近的部分光線被第一光萃取層3和第二光萃取層4所阻擋，會部分削弱光場中心區域的光強。從圖5所示光強曲線分佈可以看出，光強曲線比較平滑，說明整體光強分佈比較均勻。
請參閱圖6，與圖1所述的光源裝置1不同地，本發明第二實施例的光源裝置1a中，該凹槽5中於第二光萃取層4上形成一第三光萃取層7。該第三光萃取層7的頂面72與該第二主出光面23頂部231平齊。
該第三光萃取層7的頂面72係一粗糙面，從而有效散射射向該第三光萃取層7的光線。具體地，該第三光萃取層7的頂面72藉由蝕刻或光刻的方式形成複數連續的微型刻槽(未標示)。在其他實施例中，該第一光萃取層3的頂面32和第二光萃取層4的頂面42均係粗糙面。
該第二光萃取層4中摻雜有用於散射和轉換該發光二極體光源6光線波長的螢光粉顆粒43。具體地，該發光二極體光源6發藍光，該螢光粉顆粒43較佳係黃色螢光粉用以將部分藍光轉換係黃光，轉換後的黃光與未被該螢光粉顆粒43轉換的剩餘藍光混合後產生白光。在其他實施例中，該第一光萃取層3和第三光萃取層7內可摻雜螢光粉，比如紅色或者綠色螢光粉，從而有效提升白光的演 色性(color rendering index)。
本案中，第一透鏡2的頂部的凹槽5中依次設置多個光萃取層，該等光萃取層的折射率大小依次遞減，從而有效降低光線全反射，大大提升了光源裝置1、1a的光線取出效率，同時增強了光場中心區域外側的光強而部分削弱了光場中心區域的光強，獲得了均勻的光場分佈。
1‧‧‧光源裝置
2‧‧‧第一透鏡
3‧‧‧第一光萃取層
4‧‧‧第二光萃取層
5‧‧‧凹槽
6‧‧‧發光二極體光源
21‧‧‧安裝面
22‧‧‧第一輔助出光面
23‧‧‧第二主出光面
24‧‧‧出光面
25‧‧‧入光面
27‧‧‧收容空間
32、42‧‧‧頂面
60‧‧‧光發射面
231‧‧‧頂部
Z‧‧‧光軸

Claims (11)

  1. 一種複合透鏡，包括用於擴散一發光二極體光源發射光束的第一透鏡，該第一透鏡包括入光面以及與該入光面相對設置的出光面，其改良在於：該複合透鏡還包括位於第一透鏡頂部的第一光萃取層和第二光萃取層，該第一透鏡的頂部具有一凹槽，該凹槽位於第一透鏡的出光面的中心區域並朝向該第一透鏡的入光面凹陷，該第一光萃取層和第二光萃取層依次形成於該第一透鏡的凹槽內，該第二光萃取層位於該第一光萃取層上方，該第一光萃取層的折射率小於第一透鏡的折射率，該第二光萃取層的折射率小於第一光萃取層的折射率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡，其中該第一透鏡具有一光軸，該光軸貫穿該第一透鏡的入光面和出光面，該凹槽的橫截面寬度沿第一透鏡的光軸朝向遠離第一透鏡入光面的方向逐漸增大。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡，其中該凹槽呈漏斗狀，該凹槽的橫截面係V形。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡，其中該第一光萃取層貼置於該凹槽的底部，該第二光萃取層覆蓋於該第一光萃取層上，該第二光萃取層遠離該第一透鏡的入光面的外表面與第一透鏡的出光面的頂部平齊。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的透鏡，其中該複合透鏡還包括形成於該凹槽內並覆蓋該第二光萃取層的第三光萃取層，該第三光萃取層的折射率小於該第二光萃取層的折射率。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的複合透鏡，其中該第三光萃取層遠離該第一透鏡的入光面的頂面與第一透鏡的出光面的頂部平齊。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的複合透鏡，其中該第三光萃取層的頂面係粗 糙面。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的複合透鏡，其中該第二光萃取層中進一步摻雜有螢光粉顆粒。
  9. 如申請專利範圍第2項所述的複合透鏡，其中所述第一透鏡還包括一環形安裝面，該安裝面連接該第一透鏡的入光面與出光面，該第一透鏡的入光面位於環形安裝面的中心區域，該第一透鏡的入光面自該安裝面的內緣朝向該第一透鏡的出光面凹陷。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的複合透鏡，其中該第一透鏡的出光面包括自該環形安裝面外周緣垂直向上延伸的第一輔助出光面以及由第一輔助出光面頂部周緣向上並向內彎曲延伸的第二主出光面，該凹槽位於該第一透鏡的第二主出光面的中心區域。
  11. 一種光源裝置，包括一發光二極體光源及與該發光二極體光源配合的複合透鏡，其中所述複合透鏡係如申請專利範圍第1至10項中任一項所述的複合透鏡，該發光二極體光源面向該複合透鏡的第一透鏡的入光面設置。
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