TWI795322B - 發光模組 - Google Patents

Abstract

一種發光模組包括發光單元以及柱狀透鏡。發光單元輸出光線。柱狀透鏡鄰設於發光單元，且沿光軸匯聚光線。柱狀透鏡之徑向平行於光軸，且柱狀透鏡之軸心沿徑向與發光單元之發光中心的距離，大於或等於柱狀透鏡沿徑向之焦距。

Description

發光模組

本發明係有關一種發光模組，尤指具較佳光學利用率及使用壽命的一種發光模組。

現有技術之應用於光固化(stereolithography,SLA)製程的光源(例如，UVA LED)大多為朗伯光源(Lambertian source)，而朗伯光源所輸出之光型一般指輸出頻譜之半峰全寬(full width at half maximum,FWHM)的範圍可達120度之輻射角度。

然而，當朗伯光源搭配透鏡一併使用時，朗伯光源中具較大輻射角度的部分光線將無法順利入射至透鏡中，而導致部分的光能量遭到浪費。在傳統技術中，可考慮增加透鏡之尺寸，且使透鏡儘可能地接近朗伯光源，例如將朗伯光源置於透鏡的焦距內，以使得輻射角度於120度之範圍內的所有光線都可以入射至透鏡中。但增加透鏡之尺寸以及將朗伯光源置於透鏡的焦距內的這兩條件，皆使得光線穿透於透鏡的距離增加，降低光線於透鏡中的穿透率，使光線難以匯聚，不僅使得應用於光固化表面之照度降低，降低了光固化製程之效率，且更增加了光固化系統之體積與成本。

為此，如何提出一種發光模組，乃為本案發明人所研究的重要課題。

本發明之目的在於提供一種發光模組，相較現有技術不需要增加透鏡的尺寸，即可將光源輸出的所有光線進行匯聚，達到提高光固化效率以及降低光固化系統之體積與成本的目的。

為了達到前述目的，本發明所提出的發光模組包括發光單元以及柱狀透鏡。其中，發光單元輸出光線。柱狀透鏡鄰設於發光單元，且沿光軸匯聚光線。進一步而言，柱狀透鏡之徑向平行於光軸，且柱狀透鏡之軸心沿徑向與發光單元之發光中心的距離，大於或等於柱狀透鏡沿徑向之焦距。

在某些實施例中，發光單元輸出光線的出光角度小於或等於2θ。

在某些實施例中，柱狀透鏡沿徑向之焦距為f，柱狀透鏡沿徑向之直徑為W，且滿足下式：

在某些實施例中，發光單元的數量為複數個，且沿柱狀透鏡之軸向並列設置為線性陣列光源。

在某些實施例中，所述之發光模組更包括透鏡支架，透鏡支架沿垂直光軸之柱狀透鏡的徑向卡掣柱狀透鏡，且柱狀透鏡之軸心沿徑向與發光單元之發光中心的距離，等於柱狀透鏡沿徑向之焦距。

在某些實施例中，透鏡支架包括二支架單元，二支架單元沿柱狀透鏡之徑向相對設置，且沿光軸對稱彎折有非零角度。

在某些實施例中，透鏡支架包括保護機構，保護機構設置於柱狀透鏡沿軸向的至少一側面，且沿光軸突出於側面之外。

在某些實施例中，保護機構突出於側面之外的部分呈平面。

在某些實施例中，發光模組更包括保護機構，保護機構設置於柱狀透鏡沿軸向的至少一側面，且沿光軸突出於側面之外。

在某些實施例中，保護機構突出於側面之外的部分呈平面。

綜上所述，本發明之發光模組是以柱狀透鏡之徑向平行於光軸的方式設置，即柱狀透鏡之軸心與發光單元之發光中心位於同一空間平面上，以使發光單元輸出的光線可沿柱狀透鏡之徑向進行對稱地折射，具理想的光學效果。

且值得一提的是，在某些實施例中，發光單元輸出光線的出光角度小於或等於2θ，柱狀透鏡沿徑向之焦距為f，柱狀透鏡沿徑向之直徑為W，且滿足關係式：

。就光學原理來說，當物體於凸透鏡之焦距內，將使光線於物體同側形成正立虛像，且光線無法於凸透鏡另一側匯聚光線。本發明之發光模組藉由前述關係式之設計，相對於現有技術不需要增加柱狀透鏡之尺寸，且使柱狀透鏡之軸心沿徑向與發光單元之發光中心的距離大於或等於柱狀透鏡沿徑向之焦距，可於柱狀透鏡另一側匯聚光線，且避免降低光線於柱狀透鏡中的穿透率。

為此，本發明發光模組相較現有技術不需要增加透鏡的尺寸，即可將光源輸出的所有光線進行匯聚，達到提高光固化效率以及降低光固化系統之體積與成本的目的。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

1:發光模組

10:發光單元

11:光線

12:發光中心

13:基板

20:柱狀透鏡

21:軸心

30:透鏡支架

31:支架單元

32:支撐部

40、50:保護機構

40A、40B:保護機構

50A、50B:保護機構

51:側邊

100:光軸

101:線性陣列光源

201-204:保護殼

圖1為本發明發光模組之第一實施例的側視示意圖；圖2為本發明發光模組之第一實施例的俯視示意圖；圖3為本發明發光模組之第二實施例的側視示意圖；圖4A及4B為本發明發光模組之第二實施例的設置示意圖；以及圖5A及5B為本發明發光模組之第三實施例的設置示意圖。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本發明說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

須知，本說明書所附圖式繪示之結構、比例、大小、元件數量等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技術之人士瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。

圖1為本發明發光模組之第一實施例的側視示意圖。圖2為本發明發光模組之第一實施例的俯視示意圖。

如圖1所示，本發明所提出的發光模組1包括發光單元10以及柱狀透鏡20。

發光單元10輸出光線11。

在某些實施例中，發光單元10包括發光二極體，且發光二極體可包含可見光範疇之紅光發光二極體(例如：鋁砷化鎵(AlGaAs)、砷化鎵磷化物(GaAsP)、磷化銦鎵鋁(AlGaInP)、磷化鎵摻雜氧化鋅(GaP：ZnO))、橙光發光二極體(例如：砷化鎵磷化物(GaAsP)、磷化銦鎵鋁(AlGaInP)、磷化鎵摻雜X(GaP：X))、黃光發光二極體(例如：砷化鎵磷化物(GaAsP)、磷化銦鎵鋁(AlGaInP)、磷化鎵摻雜氮(GaP：N))、綠光發光二極體(例如：銦氮化鎵(InGaN)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、磷化銦鎵鋁(AlGaInP)、鋁磷化鎵(lGaP))、藍光發光二極體(例如：硒化鋅(ZnSe)、銦氮化鎵(InGaN)、碳化矽(SiC))、紫光發光二極體(例如：銦 氮化鎵(InGaN))，以及可包含不可見光範疇的紅外光發光二極體(例如：砷化鎵(GaAs)、鋁砷化鎵(AlGaAs))或紫外光二極體(例如：鑽石(diamond)、氮化鋁(AlN)、鋁鎵氮化物(AlGaN)、氮化鋁鎵銦(AlGaInN))等，且發光二極體之形式亦可包括有機發光二極體(organic light-emitting diode,OLED)，然其非限制性。

在某些實施例中，發光單元10輸出光線11的出光角度小於或等於2θ，這裡的2θ指的是發光單元10用以輻射光線11之發光中心12垂直面對柱狀透鏡20沿徑向之直徑W(如圖1所示，柱狀透鏡20為圓柱體)所夾的角度，即面對發光單元10之柱狀透鏡20可覆蓋發光單元10的整個出光角度，使所有光線11皆得以進入柱狀透鏡20而為整體之光路所應用，避免部分的光能量遭到浪費，且提升光固化製程的效率，然其非限制性。進一步而言，用以輻射紫外光(UV)或近紅外光(NIR)的半導體晶粒(die)係接近朗伯光源(Lambertian source)，而朗伯光源所輸出之光型一般指輸出頻譜之半峰全寬(full width at half maximum,FWHM)的範圍可達120度之輻射角度。為此，一般而言會在晶粒的表面覆設封裝材質，例如環氧樹脂(epoxy)、矽膠(silicone)、石英(quartz)等材料，以達到保護晶粒且改變輸出之光型及出光角度，藉此提升出光之萃取率，然其非限制性。

在某些實施例中，發光單元10的發光中心12與柱狀透鏡20之軸心21位於同一平面(即光軸100)上，為此光軸100兩側剛好對分發光單元10的出光角度為一個θ，然其非限制性。

如圖1所示，在某些實施例中，進一步而言，柱狀透鏡20沿徑向之焦距為f，柱狀透鏡20沿徑向之直徑為W，當發光中心12位於 柱狀透鏡20之焦點時，即軸心21與發光中心12的距離等於柱狀透鏡20之焦距f時，滿足下式：

值得一提的是，發光單元10的出光角度(亦即FWHM的範圍)需要小於2θ，才可使發光單元10所輸出的所有光線11皆得以進入柱狀透鏡20而為整體之光路所應用，避免部分的光能量遭到浪費，且提升光固化製程的效率，然其非限制性。

值得一提的是，本發明所使用的發光單元10輸出的光線11包括長波紫外線(亦可稱之為紫外線A或UVA)，且可藉由改變前述封裝材質覆設於晶粒上的幾何曲面，使晶粒剛好位於幾何曲面的焦點，即可改變輸出之光型及出光角度，且可使發光單元10得到最佳的聚光效果，藉此讓所有光線11都可進入柱狀透鏡20中，然其非限制性。

在某些實施例中，發光模組1可更包含用以承載發光單元10的基板13，且所述基板13可包括以鋁基板、銅基板等材料製成之金屬基印刷電路板(metal core printed circuit board,MCPCB)或銅凸基板等、或亦可包括FR-4基板的印刷電路板(PCB)，然其非限制性。

如圖2所示，在某些實施例中，發光單元10的數量為複數個，且沿柱狀透鏡20之軸向(即沿著軸心21)並列設置為線性陣列光源101。藉此，可使線性陣列光源101以及柱狀透鏡20沿著X方向進行移動，以對標的物進行面掃描。所述標的物可包括欲進行光固化(stereolithography,SLA)製程之對象，例如環氧樹脂、環氧樹脂、丙烯 酸酯、聚醯胺、聚醯亞胺、聚異戊二烯、洋菜膠、鹿角菜膠、刺懷豆膠、關華豆膠或蒟蒻的其中至少一者，然其非限制性。

柱狀透鏡20鄰設於發光單元10，且沿光軸100匯聚光線11。

在某些實施例中，柱狀透鏡20係圓柱體，柱狀透鏡20之徑向平行於光軸100，且柱狀透鏡20之軸心21沿徑向與發光單元10之發光中心12的距離，大於或等於柱狀透鏡20沿徑向之焦距f。值得一提的是，就光學原理來說，當物體於凸透鏡之焦距內，將使光線於物體同側形成正立虛像，且光線無法於凸透鏡另一側匯聚光線，故軸心21與發光中心12的距離必須大於或等於柱狀透鏡20之焦距f，然其非限制性。

在某些實施例中，所述之發光模組1更包括透鏡支架30。透鏡支架30沿垂直光軸100之柱狀透鏡20的徑向卡掣柱狀透鏡20，且使柱狀透鏡20之軸心21沿徑向與發光單元10之發光中心12的距離，等於柱狀透鏡20沿徑向之焦距f，然其非限制性。

如圖1所示，在某些實施例中，透鏡支架30包括二支架單元31，二支架單元31沿柱狀透鏡20之徑向相對設置，且沿光軸100對稱彎折有非零角度，且靠近柱狀透鏡20之一側的支架單元31形成具較大體積的支撐部32，可對柱狀透鏡20發揮較大的摩擦力與穩固效果，然其非限制性。

為此，在使用前述之發光模組1時，面對發光單元10之柱狀透鏡20可覆蓋發光單元10的整個出光角度(即2θ)，使所有光線11皆得以進入柱狀透鏡20而為整體之光路所應用，避免部分的光能量遭到 浪費，且提升光固化製程的效率。相對於現有技術不需要增加柱狀透鏡20之尺寸，且使柱狀透鏡20之軸心21沿徑向與發光單元10之發光中心12的距離大於或等於柱狀透鏡20沿徑向之焦距f，可於柱狀透鏡20另一側匯聚光線11，且避免降低光線11於柱狀透鏡20中的穿透率。

圖3為本發明發光模組之第二實施例的側視示意圖。圖4為本發明發光模組之第二實施例的設置示意圖。

如圖3至圖4B所示，本發明所提出的發光模組2與前述第一實施例的發光模組1大致相同，其差異在於：透鏡支架30包括保護機構40，保護機構40設置於柱狀透鏡20沿軸向的至少一側面，且沿光軸100突出於側面之外。

在某些實施例中，保護機構40突出於側面之外的部分呈平面，如圖3所示，保護機構40與透鏡支架30可一體成形，或者是保護機構40與透鏡支架30可各為獨立的零件，然其非限制性。如由外而內看，透鏡支架30設置於保護機構40之一側之內，且僅柱狀透鏡20的其中一軸向平面可視地露出，然其非限制性。進一步而言，保護機構40之實施態樣可包括保護機構40A以及保護機構40B，如下詳述：如圖4A所示，在某些實施例中，保護機構40A與支架單元31沿該柱狀透鏡20之其中一徑向延伸且可一體成形為保護殼201，或者是保護機構40A與保護殼201各為獨立的零件，然其非限制性。保護殼201用以進一步地保護旁設於柱狀透鏡20之發光單元10(如圖1所示)，且保護機構40A可選擇地配置於柱狀透鏡20沿軸向的一側，然其非限制性。

如圖4B所示，在某些實施例中，保護機構40B與支架單元31沿該柱狀透鏡20之其中一徑向延伸且可一體成形為保護殼202，或者是保護機構40B與保護殼202各為獨立的零件，然其非限制性。保護殼202用以進一步地保護旁設於柱狀透鏡20之發光單元10(如圖1所示)，且保護機構40B可選擇地配置於柱狀透鏡20沿軸向的相對兩側，然其非限制性。

值得一提的是，保護機構40A、40B係沿著柱狀透鏡20的各個徑向突出，用以保護柱狀透鏡20在進行使用於光固化(SLA)製程時，柱狀透鏡20不會直接地碰觸到待固化之標的物，不僅保障了柱狀透鏡20的可靠度，更提升固化後之標的物的良率，然其非限制性。

圖5A及圖5B為本發明發光模組之第三實施例的設置示意圖。

如圖5A及圖5B所示，本發明所提出的發光模組3與前述第二實施例的發光模組2大致相同，其差異在於：保護機構50單獨地形成保護殼201，此時透鏡支架30之支架單元31並無外露於保護機構40之外，然其非限制性。進一步而言，保護機構50之實施態樣可包括保護機構50A以及保護機構50B，如下詳述： 如圖5A所示，在某些實施例中，保護機構50A沿該柱狀透鏡20之其中一徑向可延伸形成保護殼203，或者是保護機構50A與保護殼203各為獨立的零件，然其非限制性。且保護殼203沿柱狀透鏡20之徑向突出有相對設置的二側邊51，所述側邊51用以一併包覆且保護發 光單元10(如圖1所示)、柱狀透鏡20的部分圓柱面以及透鏡支架30(如圖1所示)，且保護機構50A可選擇地配置於柱狀透鏡20沿軸向的一側，然其非限制性。

如圖5B所示，在某些實施例中，保護機構50B沿該柱狀透鏡20之其中一徑向可延伸形成保護殼204，或者是保護機構50B與保護殼204各為獨立的零件，然其非限制性。且保護殼204沿柱狀透鏡20之徑向突出有相對設置的二側邊51，所述側邊51用以一併包覆且保護發光單元10(如圖1所示)、柱狀透鏡20的部分圓柱面以及透鏡支架30(如圖1所示)，且保護機構50B可選擇地配置於柱狀透鏡20沿軸向的相對兩側，然其非限制性。

值得一提的是，保護機構50A、50B係沿著柱狀透鏡20的各個徑向突出，用以保護柱狀透鏡20在進行使用於光固化(SLA)製程時，柱狀透鏡20不會直接地碰觸到待固化之標的物，不僅保障了柱狀透鏡20的可靠度，更提升固化後之標的物的良率，然其非限制性。

綜上所述，本發明之發光模組是以柱狀透鏡之徑向平行於光軸的方式設置，即柱狀透鏡之軸心與發光單元之發光中心位於同一空間平面上，以使發光單元輸出的光線可沿柱狀透鏡之徑向進行對稱地折射，具理想的光學效果。

且值得一提的是，在某些實施例中，發光單元輸出光線的出光角度小於或等於2θ，柱狀透鏡沿徑向之焦距為f，柱狀透鏡沿徑向之直徑為W，且滿足關係式：

。就光學原理來說，當物體於凸透鏡之焦距內，將使光線於物體同側形成正立虛像，且光線無法於凸 透鏡另一側匯聚光線。本發明之發光模組藉由前述關係式之設計，相對於現有技術不需要增加柱狀透鏡之尺寸，且使柱狀透鏡之軸心沿徑向與發光單元之發光中心的距離大於或等於柱狀透鏡沿徑向之焦距，可於柱狀透鏡另一側匯聚光線，且避免降低光線於柱狀透鏡中的穿透率。

在某些實施例中，發光模組可更包括保護機構，所述保護機構係沿著柱狀透鏡的各個徑向突出，用以保護柱狀透鏡在進行使用於光固化(SLA)製程時，柱狀透鏡不會直接地碰觸到待固化之標的物，不僅保障了柱狀透鏡的可靠度，更提升固化後之標的物的良率，然其非限制性。

為此，本發明發光模組相較現有技術不需要增加透鏡的尺寸，即可將光源輸出的所有光線進行匯聚，達到提高光固化效率以及降低光固化系統之體積與成本的目的。

以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

1:發光模組

10:發光單元

11:光線

12:發光中心

13:基板

20:柱狀透鏡

21:軸心

30:透鏡支架

31:支架單元

32:支撐部

Claims (8)

1. 一種發光模組，包括：一發光單元，輸出一光線；以及一柱狀透鏡，鄰設於該發光單元，且沿一光軸匯聚該光線；其中，該柱狀透鏡之徑向平行於該光軸，且該柱狀透鏡之一軸心沿徑向與該發光單元之一發光中心的一距離，大於或等於該柱狀透鏡沿徑向之一焦距；其中，該發光單元輸出該光線的一出光角度小於或等於2θ；其中，該柱狀透鏡沿徑向之該焦距為f，該柱狀透鏡沿徑向之一直徑為W，且滿足下式：

   
2. 如請求項1所述之發光模組，其中，該發光單元的數量為複數個，且沿該柱狀透鏡之軸向並列設置為一線性陣列光源。
3. 如請求項1所述之發光模組，更包括：一透鏡支架，沿垂直該光軸之該柱狀透鏡的徑向卡掣該柱狀透鏡，且該柱狀透鏡之該軸心沿徑向與該發光單元之該發光中心的該距離，等於該柱狀透鏡沿徑向之該焦距。
4. 如請求項3所述之發光模組，其中，該透鏡支架包括：二支架單元，沿該柱狀透鏡之徑向相對設置，且沿該光軸對稱彎折有一非零角度。
5. 如請求項3所述之發光模組，其中，該透鏡支架包括： 一保護機構，設置於該柱狀透鏡沿軸向的至少一側面，且沿該光軸突出於該側面之外。
6. 如請求項5所述之發光模組，其中，該保護機構突出於該側面之外的部分呈一平面。
7. 如請求項1所述之發光模組，更包括：一保護機構，設置於該柱狀透鏡沿軸向的至少一側面，且沿該光軸突出於該側面之外。
8. 如請求項7所述之發光模組，其中，該保護機構突出於該側面之外的部分呈一平面。

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