TWM347534U - Convex-Fresnel LED lens for angular distribution patterns and LED assembly thereof - Google Patents

Description

•M347534 dl中心軸上LED晶片表面至光學鏡片之光源侧光 學面之距離 d2中心軸光學鏡片厚度 η第一環半徑 rn最末環半徑 rt環間距 hd環深度 八、新型說明： 【新型所屬之技術領域】 本創作係有關一種發光二極體光學鏡片及其所構成的 發光二極體組件，尤指一種可產生光強度（peakintensity)為 橢圓照角光型（Elliptic angular distribution pattern)之菲淫爾光 學鏡片，供應用於藉LED發光源以產生光型的發光二極體 組件，而可應用於LED照明、手機或相機的閃光燈。 【先前技術】 發光二極體（light emitting diode，簡稱LED)具有低電 壓、低耗電、壽命長的優點，已大量應用於顯示裝置 (indicator)、照明裝置（illuminator)等領域。由於LED更具有 光顏色單純、小型化、可平面封裝的特點，已使用在手機 相機的閃光燈上。然而由於LED晶片發出的光線具有點光 源、亮度不均勻的特性，對於光線的聚集已有研究學者進 行多項研究，如縮小晶片、提高發光效率外，使用光學鏡 片也是重要的技術開發方向。 在LED光學鏡片的設計上，可分為一次光學鏡片 3 vM347534 (primary optical lens)及二次光學鏡片（secondary optieallens); 一次光學鏡片為在LED晶片上直接封裝的透鏡，一般以聚 集（concentrate)光線為主；二次光學鏡片為使用在單顆或數 顆LED陣列（Array)，以分散光束為主。在習知的一次光學 鏡片設計上，如ES2157829係使用對稱的非球面透鏡；曰 本專利JP3032069、JP2002-111068、JP2005-203499，美國專 利US2006/187653、中國專利CN101013193等係使用球面透 鏡；JP2002-221658係對Bulk型LED使用球面透鏡等。對於 • 高階的運用上，一次光學鏡片除要能聚集光線外，更能在 均勻的光強度（peak intensity)產生特定的光型（distribution pattern)，例如大角度、小角度、圓形、橢圓形等特殊光 型，以搭配LED陣列使用，以產生最佳的光學效果。一次 光學鏡片的運用如圖ΙΑ、1B所示，在LED晶片21上覆 有一透鏡23，當LED晶片21發出光線，經由透鏡23聚集後 發出預定的光型光線，或在一次光學鏡片上，再加上一層 二次光學鏡片，以求均勻化之效果。該一次光學鏡片有各 _ 種不同的設計，其中一次光學鏡片採用菲淫爾（Fresnel)式 之光學面，在習知技術上，如德國專利WO/2003/083943 ; 日本專利JP2005_049367等；美國專利US6,726,859、公開號 US2007/0275344、US2008/0158854 ;歐洲專利 EP1091167 ;及台灣專利TW200711186等；然而，上述之 習知技術主要係以菲涅爾式鏡片覆蓋於數個LED上或供為 投射裝置(projector)用之二次光學鏡片（secondarylens)。但隨 LED發光效能快速發展，單顆LED的運用日漸重要。LED 陣列或多顆LED組成的光源，可透由彼此間交叉光線藉由 4 M347534 透鏡予以補償而成為均勻的光線；但單顆LED在一次鏡片 設計上，遠較LED陣列或多顆LED組成的光源為複雜，必 須考慮一次光學鏡片（primarylens)的聚光效率與光強度的 均勻化；如日本專利JP2005-257953、美國專利US 2006/0027828係使用單面或兩面的菲涅爾鏡片放置於LED 發光體上方，以產生均勻的光線，如圖1A、1B ;再如 台灣專利TW560085利用拋物碗形侧面與菲涅爾透鏡以減 少光束發散並構成光束均句的光型；又如韓國專利

鲁 1020070096368與台灣專利1261654將菲涅爾式鏡片製成LED 一次光學鏡片，但其光型以圓形照角為主，對於具有實際 應用的橢圓形照角光型的單顆LED組件，尚難以擴展運 用。 隨著科技的進步，電子產品不斷地朝向輕薄短小以及 多功能的方向發展，而電子產品中如：數位相機（Digital

Still Camera)、電腦相機（pc camera)、網路相機（Network camera)、行動電話（手機）等已具備鏡頭之外，甚至個人 #數位辅助器（PDA)等裝置也有加上鏡頭的需求；因此用於 這類產品的LED閃光燈或照明用的LED燈具，常以單顆或 多顆LED組件組成陣列；而為了攜帶方便及符合人性化的 需f，LED閃光燈或照明用的LED燈具不僅需要符合的光 通量，以不同光型LED組件互相搭配，同時也需要有較小 的體積與較低的成本。菲淫爾透鏡在透鏡表面設有一組不 規則的菲埋爾環（Fresnd z〇ne plate)，其環間距（麵p蝴 由=而外或由外而内逐漸變大（環間距⑽⑻改變），由 於菲_透鏡除了具有導光與收集光線的能力，還兼具 5 •M347534 Ϊ 本的特性，报適合用於照明的系統 中，但對於多點發光的led照明侈田 确洚沾U 足用，則要考慮照度與光 強度的均”：在習知技術上，常採用一定比例的環間距 (zone p^h) M M (zone height) 4 % ^ ^ ^ 法，較可符合照度與光強度均句的^以，的環間距方 之_-次光學鏡片，則要與光要求丄但對於單顆 配。菲㈣透鏡雖具有複雜的外型^之鮮特性相互搭 土表面，且製造成本較 有二好的光㈣率ί均句化的效果，尤以單顆 達最二更文注思。為使單顆led發出的光線 ΐ! ί= 需求下，利用菲糧鏡 製成-次光學鏡片以產生特定的_光型並藉以形成的 led組件’在本_之適t構成下1表面發光的㈣晶 片所發出的糾可加以聚集並產生均Μ強度_ intensity)且橢圓形的光型。 【新型内容】 本創作主要目的乃在於提供一種凸面菲淫爾發光二極 體光學鏡片及其所構成的發光二極體組件，該LED組件係 由一 LED晶片（LED die)以發出光線、一菲涅爾光學鏡片以' 聚集光線並以均勻光強度形成橢圓形光型、及一封膠層 (seal gel layer)以填塞於菲涅爾光學鏡片與LED晶片之間所 構成，其中，菲》圼爾光學鏡片可為一新月型（meniscus)鏡 片，其外緣面可具有錐度或無錐度，其凹面為向光源的光 源側光學面且可為球面或非球面，其凸面為向像侧的像侧 光學面（optical surface on forward side)且具有菲埋爾式光學 6 M347534 面’又遠菲>圼爾光學面之聚光曲面可為非球面或球面，其 環面為垂直環齒（draft with vertical shape)且可為等環深度 (equal zone height)或等環間距（equal zone pitch)，並可滿足以 下條件： 0.7 <^-<2.2 rn 0.1 <(^2<0.625

•Λ <0.6 ⑴ (2)⑶ 其中： Λ =皆-*)·人 ωγ=ίαη"{-^- - \ά^-¥ά\^ά2·¥ Lx j .J D ] ων = tan ----- ydO + dl + άΊ + Ly j

D (4)(5)⑹ 其中，fs為本光學鏡片之有效焦距（effectivefocal length)之長度，rn為菲淫爾光學面R2之最末環（Last Zone)半徑，d2為中心軸Z光學鏡片厚度，Nd2為光學鏡 片的折射率，2九為經由光學鏡片射出光線在X方向最高 光強度（intensity) —半（/1/2 )處之角度（度，deg·)，2念 為經由光學鏡片射出光線在Y方向最高光強度一半 (im )處之角度（度，deg·)，2Lx為LED晶片在X方向 之長度，2Ly為LED晶片在Y方向之長度，fg為本光學鏡 片之相當焦距（relative focal length)之長度，&為光源侧光 學面之曲率半徑，RF為像侧菲涅爾光學面之聚光曲面之曲 7 M347534 率半徑（radius of ftesnel convex surface) ，d〇 為 led 晶片厚 度，山為中心軸之封膠層厚度，D為光學鏡片在像側光學 面之半徑。 更進一步，為因應不同光型角度與聚光特性，該菲淫 爾光學面之聚光曲面之曲率半徑RF可設為球面或非球面。

為簡化製造，菲涅爾光學鏡片可更換為一平凸 (plano-convex)之光學材料所製成的鏡片，其向像侧的像側 側光學面為菲涅爾式光學面，並可滿足式（1)〜式（3)條 件。 為增加LED組件之效率，菲涅爾光學鏡片之外緣面可 具有錐度υ，其向像侧的像侧光學面為菲涅爾式光學面， 並可滿足式（1)〜式（3)條件。 本創作另一目的，為使用選擇方便，光學鏡片可為光 學玻璃或光學塑膠所製成。 本創作之又一目的在於提供一種發光二極體組件，其 係包含如本創作所述之平凸或新月型菲涅爾發光二極體光 學鏡片及一發光二極體晶片，其特徵在於此發光二極體組 件具有橢圓光型、其光通量比值η大於85% (77 = /?/α^85% )的要求，並滿足以下條件： ⑺

Em < 0,7 Ed 其中， E] 1/2 11/2 ⑻ 其中’ rn為菲)里爾光學面R2之最末環（Last Zone)半 8 M347534 徑，2 A為經由光學鏡片射出光線在X方向最高光強度 (intensity) —半（/1/2 )處之角度（度deg·)，2念為經由光 學鏡片射出光線在Y方向最高光強度一半（)處之角 度（度deg·)，rn為菲涅爾光學面R2之最末環（Last Zone) 半徑，α為LED晶片發出光線的光通量，β為像侧相對無 限遠處（100倍fs )不考慮衰減因素之光線的光通量，η 為光通量比值7 =户/α ，Ed為LED晶片發出之照度 (Incidance) ，E1/2為菲涅爾光學鏡片發出之最高光強度一 Φ 半處之照度。 藉此，本創作之凸面菲涅爾發光二極體光學鏡片及其 所構成的發光二極體組件可具有橢圓形光型，且符合光通 量比值大於85%的要求，並且該光學鏡片具有厚度薄的特 性，可用於單顆LED或陣列LED，提供予照明或手機、相 機之閃光燈使用。 【實施方式】 ⑩ 為使本創作更加明確詳實，茲列舉較佳實施例並配合 下列圖式，將本創作之結構及技術特徵詳述如後： 參照圖6所示，其係本創作之凸面菲涅爾發光二極體 光片及其所構成的發光二極體組件10之結構示意圖， / w口著中^軸z排列由光源側（souree以如）至像側（f〇rwar(j 油):序為一 LED晶片11、一封膠層12及一光學鏡片 =立田光線由LED晶片π發出後，經由封膠層12後，由光 子、見片> 3將光線聚集並形成以對稱於中心轴z之橢圓形光 型的光束對像側照射；光學鏡片13為一光學材料所製成的 透鏡其凹面為向光源的光源侧光學面Rl ，且光學面 9 M347534 R1可為非球面或球面，其相對面為向像侧之菲涅爾光學 面為具有垂直環齒（draft with vertical shape)之菲埋爾光 學面；光學鏡片13之光學面R2 、光學鏡片厚度山及有效 焦距長度間滿足式（1)及式（2)之條件，光學鏡片13所形 成的光強度形成的光型之角度2ψ(Χ方向2九與Y方向 2八）滿足式（3)之條件。 其中，封膠層12並不限制使用之材料，在LED組件 上常用光學樹脂（resin)或矽膠（silicon gel)等不同材料；而 • 光學鏡片13可由光學玻璃或光學塑膠材料製成。 如圖2所示，係使用一平凸（plano-convex)菲淫爾LED 光學鏡片於一 LED組件之示意圖，其沿著中心軸Z排列由 光源至像侧依序為：一 LED晶片11、一封膠層12及一雙平 菲涅爾光學鏡片13，其中光學鏡片13在光源侧之光學面 R1 ，其為平面(Rl=〇〇)，其另一光學面（相對面）為向像 侧之凸面的菲涅爾光學面R2且具有垂直環齒之菲涅爾光 學面。該光學鏡片13之光學面R2 、光學鏡片厚度d2及有 ⑩效焦距長度間滿足式（1)及式（2)之條件，光學鏡片13所 形成的光強度形成的光型之角度2ψ(Χ方向2九與Y方向 2 A )滿足式（3)之條件。 再如圖3所示，其係本創作之另一型式，係使用一菲 涅爾光學鏡片於一 LED組件20之示意圖，其沿著中心軸z 排列由光源至像侧依序為：一 LED晶片21、一封膠層22及 一平凸型菲涅爾光學鏡片23，其中菲涅爾光學鏡片23係具 有錐度v之光學鏡片如圖7所示，即菲涅爾光學鏡片23之 外緣面具有錐度v。光線由LED晶片21發出後，經由封膠 M347534 層22後，由光學鏡片23將光線聚集並形成以對稱於中心軸 Z且照角為橢圓形光型的光束對像侧照射；藉由具有錐度 v之菲涅爾光學鏡片23，可減少由光學鏡片23之侧面散逸 之光線’提南效率。该光學鏡片23之光學面R2、光學鏡 片厚度屯及有效焦距長度間滿足式（1)及式（2)之條件， 光學鏡片23所形成的光強度形成的光型之角度2ψ(χ方向 2九與Υ方向2念）滿足式（3)之條件。 對於光學鏡片13或光學鏡片23，其像側光學面R2為 # 菲涅爾光學面。本創作使用之像侧光學面R2為具有垂直 環齒（draft with vertical shape)之菲涅爾光學面如圖4、5所 示’其中，該像侧之菲涅爾光學面（R2)係由一聚光曲面 (RF)轉移形成，且依不同的轉移方式而可分別形成一等 環間距（equal zone pitch)之菲涅爾光學面如圖4所示或一等 環深度(equalzoneheight)之菲涅爾光學面如圖4所示；參考 圖4 ’像侧光學面R2為等環間距（eqUai z〇ne ρ_)之菲淫 爾光學面，也就是環間距（zonepitch)rt為固定值，其係在 參聚光曲面曲率半徑Rf之聚光曲面（RF)上以相等的環間距 U〇nePitCh)rt但不等的落差（中心軸2點為最高點），也 就是不等之環深度（zoneheight)hd，將聚光曲面（RF)轉移 成等間距環之環狀菲涅爾光學面（像侧光學面R2)，也就 是每一環（zone)係由一斜面（sl〇pe)及一垂直環面 (verticaldrafl)構成，其第一環半徑為Γι、最末環為半徑為 rn。當光線入射於菲涅爾光學面（幻），藉由各環之斜面， 對入射光線產生折射，而達成類似拋物面曲面（或聚光曲 面）之光效果如圖9所示。再參考圖5，像側光學面幻 M347534 係為等環深度(equal zone height)之菲涅爾光學面，也就是環 深度hd為固定值，其係在聚光曲面曲率半徑Rf之聚光曲面 (Rf)上以相等的落差（中心軸z點為最高點），也就是 相等之環深度（zone height) hd，但不等的環間距（zone pitch) rt ’將聚光曲面RF轉移成等環深度(eqUai zone height)之環狀 菲淫爾光學面（像側光學面R2)環狀菲涅爾光學面，其第 一環（半徑為ri。同理，當光線入射於菲涅爾光學面，藉 由各環間斜面，對入射光線產生折射，而達成類似拋物面 鲁曲面（或聚光曲面）之光效果如圖9所示。 再如圖9、圖10及圖11，a群之光線(A1，A2及A3)經 由菲涅爾光學面折射後，由於A1，A2或A3其入射角度不 同，其出射角度ψ角度在目標物上之位置不同如圖1〇 ;對 於出射後以中心軸之徑向位置，A群光線將呈現中心之光 強度杈強的光群；同理，3群之光線(B1，B2& B3)經由菲 涅爾光學面折射後，亦將呈現中心之光強度較強的光群； 經由A群與b群光線組合後如圖u所示，產生光強度均一 •的光型，藉以避免或減少中心區強度過強、邊緣區光線較 弱，甚至產生暗亮相間的一圈圈現象。 光學鏡片13之光學面R1或光學鏡片23之光學面 R1 ’若以非球面光學面所構成，其非球面之方程式 (Aspherical Surface Formula)為式（9) 2 = ch2___ 4 1 + 况一 (1 + JQc1 h2、· + d6h6 + A8h8 + Al0hw (9) 其中’e是曲率’h為鏡片高度，K為圓錐係數（Conic 12 M347534

Constant ) 、A4、A6、A8、A1()分別四、六、八、十階的 非球面係數（Nth Order Aspherical Coefficient )。 菲涅爾光學面之聚光曲面曲率半徑RF亦以式（9)定 義，對於拋物面之聚光曲面曲率半徑rf之圓錐係數&=_1， 對於球面之聚光曲面曲率半徑RF之圓錐係數K=〇。 請參閱圖8，為本創作LED光學鏡片於LED組件之光 路示意圖’圖中，LED晶片11 ( 21 )發出光線，經由光學 名兄片13 ( 23 )聚集並折射後以2ψ角度(X方向2九與Y方向 鲁 2念）形成所需要的橢圓光型及心μ%的要求，其中， α為LED晶片發出光線的光通量，β為像侧相對無限遠處 (100倍)光線的光通量，且忽略空氣的折射 (refraction)與散射（scattering)等效應，並符合式⑺之條 件。藉上述結構，本創作利用一平凸或新月型菲涅爾發光 二極體光學鏡片及一 LED晶片，可使LED組件1〇可發出預 定的均勻光強度之橢圓形光型，可為單顆使用或以不同光 型組成陣列使用。 鲁 本創作以下所揭示之最佳實施例，乃是針對本創作實 際之主要構成元件而作說明，為說明與比較各實施例的應 用情形，採用以LED晶片11使用1.85x0.77mm尺寸的晶片， 其波長為最高強度（1st peak wave-length)波長為450nm及次 高強度（2nd peak wave-length)波長為550nm之藍光的晶片， 在X方向發射角％ = 39.8。 、Y方向發射角％ = 35.2。、 α=78·5流明（lm)、照度Ed=23.97勒克司（Lux)的藍光；光 學鏡片13(或光學鏡片24)使用直徑5mm(D=2.5mm)為說 明；菲涅爾光學面選择具有垂直環齒之等環間距或等環深 13 M347534 度之菲>圼爾光學面；封膠層12係利用折射率Ndi為1<491的 透明光學石夕膠所填塞。但就一般具有光學鏡片及其所構成 的LED組件而言，除了本創作所揭示之光學鏡片及其LED 組件外，其他結構乃屬一般通知之技術，也就是該光學鏡 片及其LED組件之各構成元件之尺寸大小、使用材料、 LED波長與發射角度、菲涅爾光學面的型式、環間距與環 深度等’是可以進行許多改變、修改、甚至等效變更。 以下於第一實施例至第四實施例係使用具有無錐度且 _ 等環深度之平凸型菲涅爾光學鏡片所構成的發光二極體組 件、弟五貫施例係使用有錐度且等環深度之平凸型菲注爾 光學鏡片所構成的發光二極體叙件、第六實施例係使用無 錐度且等環間距之平凸型菲涅爾光學鏡片所構成的發光二 極體組件、第七實施例至第八實施例係使用無錐度且等環 深度之新月型菲涅爾光學鏡片所構成的發光二極體組件。 <第一實施例> 請參考圖6及圖12所示，其分別係本創作之使用凸面 菲涅爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖及第一實 施例之光強度分佈與照角之極座標關係圖。 下列表（一）中分別列有由光源側至像側沿中心軸Z 之LED晶片11、封膠層12、光學鏡片13之光源侧光學面 R1與像側光學面R2之曲率半徑R (單位·· mm )或菲 涅爾中心軸聚光曲面曲率半徑知（單位： mm )、間距di (單位：mm ) ( the on-axis surface spacing )、光學鏡片 13 之錐度υ、各折射率（Nd)等。本實施例係使用具有無錐 度且等環深度之凸面菲涅爾光學鏡片，於圖6之R1光學 M347534 面為平面。 表（一） f= 5.466 υ= 0 Surface No. R or RF di Ndi SO OO 0.10 SI oo 0.52 1.410 S2* 2.700 2.00 1.582 * Aspherical Zone Fesnel 在表（一）中，光學面（Surf:No·)有標註*者為非球面之菲 涅爾光學面。下列表（二）為菲涅爾光學面半徑Rp之非 球面於式（9)之各項係數、沿中心起算之第一菲涅爾環半 徑r!、最末菲涅爾環半徑rn、菲涅爾環深度(zone height)hd 及菲涅爾環數量(No· of zone): 表（二）

Aspherical Surface K a2 a4 八6 -5.0000E-01 3.1000E-02 1.2600E-05 7.8000E-08 Fesnel Surface(mm) hd h rn No. of Zone 0.05 0.518 2.526 27 ❿ 本實施例中，光學鏡片13係利用折射率Nd2為1.582、 阿貝數vd2為61.7的玻璃材質製成。藉由搭配封膠層12及光 學鏡片13之折射係數與阿貝數，形成光線折射角度。經由 此光學鏡片13聚集後，以X方向82°、Y方向65。之橢圓 形照角，於無限遠處（以100倍fs為計）之β=67·424流明 (忽略空氣的折射與散射等效應）；式（1)、（2)、 (3) 、（7)及式（8)分別為： //= 0.8589 15 M347534 1/2 = 20.5 φχ= 41.0 < =32.5

—=2.1640 0.2130

0.0331 E\/2 0.1039 可以滿足條件式⑴、（2)、（3)及式⑺。圖ΐ2為本實 施例之LED組件光強度分佈與照角之極座標關係圖。由上 遑表（-）、表（二）及圖12所示，藉此可證明本創作之 凸面菲埋爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖具有 局效率且有預定的橢圓光型，其各角度之光強度均一，可 φ 提昇本創作之應用性。 <第二實施例> 請參相6及圖13所示，其分難本射之使用凸面 心圼爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖及本實施 例之光強度分佈與照角之極座標關係圖。 下列表（三）中分別列有由光源側至像側沿中心似 之咖晶片1卜封膠層12、光學鏡片13之光源側光學面 幻與像側光學面R2之曲率半徑R或菲埋爾中心軸聚光 曲面曲率半徑RF、間距di、光學鏡片13之錐度υ、各折射 M347534 率（Nd)等。本實施例係使用具有無錐度且 时 面菲涅爾光學鏡片，於圖6之ri光學$為平=深度之凸 表（三） f= 2.530 υ=0 Surface No. R or Rp di Νφ — SO OO 0.10 SI oo 0.52 1.410 S2* 1.250 2.00 1.582 * Aspherical Zone Fesnel 在表（三）中，光學面（Surf.No.)有標註*者為非球面之菲 涅爾光學面。下列表（四）為菲涅爾光學面半徑Rp之非 球面於式（9)之各項係數、沿中心起算之第一菲淫^環半 徑巧、最末菲涅爾環半徑rn、菲涅爾環深度!^及菲淫爾環 數量： 表（四）

Aspherical Surface K a2 a4 a6 -1.0000E+00 4.0000E-02 O.OOOOE+OO O.OOOOE+OO Fesnel Surface(mm) _ η rn No. of Zone 0.06 0.387 2.510 41 本實施例中， 光學鏡片13係利用折射率Nd2為1.582 阿貝數vd2為61.7的玻璃材質製成。藉由搭配封膠層12及光 學鏡片13之折射係數與阿貝數，形成光線折射角度。經由 此光學鏡片13聚集後，以X方向67。、γ方向4〇。之橢圓 形照角’於無限遠處（以1〇〇㈣為計）之ρ=7〇·245流明 (忽略空氣的折射與散射等效應）；式⑴、（2)、 ⑶、（7)及式⑻分別為： η = 0.9219 17 M347534

Il/2 = 29.5 φχ = 33.0 Φγ- 19.1 L' 1.0081 d今 〇·4601 6 一必」 •fg= 0.1965 Ελ /2

Ed 0.3216 可以滿足條件式（1) 、（2) 、（3)及式（7)。圖13為本實 施例之LED組件光強度分佈與照角之極座標關係圖。由上 述表（三）、表（四）及圖13所示，藉此可證明本創作之 凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖具有 高效率且有預定的橢圓光型，其各角度之光強度均一，可 提昇本創作之應用性。 <第三實施例> 請參考圖6及圖14所示，其分別係本創作之使用凸面 菲涅爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖及本實施 例之光強度分佈與照角之極座標關係圖。 下列表（五）中分別列有由光源侧至像側沿中心軸Z 之LED晶片11、封膠層12、光學鏡片13之光源側光學面 R1與像側光學面R2之曲率半徑R或菲涅爾中心軸聚光 曲面曲率半徑RF、間距di、光學鏡片13之錐度υ、各折射 M347534 率（Nd)等。本實施例係使用具有無錐度且等環深度之凸 面菲涅爾光學鏡片，於圖6之R1光學面為平面。 表（五） f= 2.530 υ= 0 Surface No. R or RF di Ndi SO 〇〇 0.10 SI 〇〇 0.52 1.410 S2* 1.250 2.00 1.582 * Aspherical Zone Fesnel 在表（五）中，光學面（Surf·No·)有標註*者為非球面之菲 涅爾光學面。下列表（六）為菲涅爾光學面半徑Rp之非 球面於式（9)之各項係數、沿中心起算之第一菲涅爾環半 徑1^、最末菲涅爾環半徑rn、菲涅爾環深度hd及菲涅爾環 數量： 表（六）

Aspherical Surface K A】 a4 a6 -1.0000E+00 1.1435E-02 0.0000E+00 0.0000E+00 Fesnel Surface(mm) rn No. of Zone 0,06 0.387 2.510 41 本實施例中，光學鏡片13係利用折射率Nd2為1.582、 阿貝數vd2為61.7的玻璃材質製成。藉由搭配封膠層12及光 學鏡片13之折射係數與阿貝數，形成光線折射角度。經由 此光學鏡片13聚集後，以X方向70°、Y方向42。之橢圓 形照角，於無限遠處（以100倍fs為計）之β=73·798流明 (忽略空氣的折射與散射等效應）；式（1)、（2)、 (3) 、（7)及式（8)分別為： η= 0.9401 19 M347534 l\!2 30.5 Φχ = 35.2 < =19.5 ^-= 1.0081

0.4601

0.1839 = 0,3140 可以滿足條件式（1) 、（2)、（3)及式（7)。圖14為本實 施例之LED組件光強度分佈與照角之極座標關係圖。由上 述表（五）、表（六）及圖14所示，藉此可證明本創作之 凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖具有 高效率且有預定的橢圓光型，其各角度之光強度均一，可 提昇本創作之應用性。 <第四實施例> 請參考圖6及圖15所示，其分別係本創作之使用凸面 菲涅爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖及本實施 例之光強度分佈與照角之極座標關係圖。 下列表（七）中分別列有由光源侧至像側沿中心軸Z 之LED晶片11、封膠層12、光學鏡片13之光源侧光學面 R1與像侧光學面R2之曲率半徑R或菲涅爾中心軸聚光 曲面曲率半徑RF、間距di、光學鏡片13之錐度υ、各折射 M347534 率（Nd)等。本實施例係使用具有無錐度且等環、_ 面菲涅爾塑膠PMMA製成之光學鏡片，於圖 衣/衣度之凸 面為平面。 、tR1光學 表（七） f= 2.530 υ=0 Surface No. R or RF di Ndj SO 〇〇 0.10 SI 〇〇 0.52 1.410 S2* 1.250 2.00 1.491 * Aspherical Zone Fesnel

在表（七）中，光學面（Surf.No·)有標註*者為非球面之 涅爾光學面。下列表（八）為菲涅爾光學面半徑 球面於式（9)之各項係數、沿中心起算之第一菲淫爾環半 徑〇、最末菲涅爾環半徑rn、菲涅爾環深度比及菲淫爾\晨 數量： < 表（八） K a2 a4 a6 丄iCiiLdi OUi丄auc -1.0000E+00 4.0000E-02 0.0000E+00 0.0000E十00 Fesnel Surface(mm) hd r{ rn No. of Zone 0.06 0.387 2.510 41 本實施例中，光學鏡片13係利用折射率Nd2為1.491、 阿貝數vd2為32的PMMA塑膠材質製成。藉由搭配封膠層12 及光學鏡片13之折射係數與阿貝數，形成光線折射角度。 經由此光學鏡片13聚集後，以X方向62。、Y方向40。之 橢圓形照角，於無限遠處（以1〇〇倍fs為計）之0=74.069 流明（忽略空氣的折射與散射等效應）；式（1)、（2)、 (3)、⑺及式⑻分別為： 7= 0.9435 21 M347534

Il/2 = 24.5 Φχ = 31.0 φγ = 20.0 1.0081 rn (沁2一1吃=0.3881

ί 九，丫 + 卜叫2 1 J 1 ^ J 乂= 0.1975 Ί/2

Ed 0.2766

E 可以滿足條件式（1)、（2>、（3)及式（7)。圖15為本實 施例之LED組件光強度分佈與照角之極座標關係圖。由上 述表（七）、表（八）及圖I5所示，藉此可證明本創作之 凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖具有 高效率且有預定的橢圓光型，其各角度之光強度均一，可 提昇本創作之應用性。 <第五實施例> +、請參考圖6及圖16所示，其分別係本創作之使用凸面 菲〉圼爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖及本實施 例之光強度分佈與照角之極座標關係圖。 下列表（九）中分別列有由光源侧至像侧沿中心軸之 之咖晶片11、封膠層12、光學鏡片13之光源侧光學面 二：，光學面R2之曲率半徑R或細中心軸聚光 曲面曲率半徑RF、間距di、光學鏡片13之錐度υ、各折射 22 M347534 率（Nd)等。本實施例 面菲涅爾光學鏡片，其菲 具有無錐度且等環深度之凸 表（九）

在表（九）巾，光學面(Surf.Na)有標註*者 淫爾光學面。下(十）為菲_光學面半徑衣：之菲 球面於式（9)之各項係數、沿中心起篡夕笛 ^ 非 、井I弟一菲涅爾環丰 mri、最末菲淫爾環半徑rn、菲涅爾環深度hd及菲涅爾環 數量： ' 表（十）

Aspherical Surface K a2 a4 -1.0000E+00 4.0000E-02 0.0000E+00 0.0000E+00 Fesnel Surface(mm) hd rl rn No. of Zone 0.06 0.387 2.356 41 本貫施例中’光學叙片13係利用折射率Nd2為1.582、 阿貝數Vd2為61.7的玻璃材質製成。藉由搭配封膠層12及光 學鏡片13之折射係數與阿貝數，形成光線折射角度。經由 此光學鏡片13聚集後，以X方向68。、γ方向43。之橢圓 形照角，於無限遠處（以1〇〇倍fs為計）之β=72·48流明 (忽略空氣的折射與散射等效應）；式（1)、（2)、 (3)、⑺及式（8)分別為： η 二 0.9219 23 M347534 /1/2 = 32.5 φχ = 33.0 Φ}, = 19.0 左=1.0742 (^2-1)^= 0.4601 1 - J + 1 ^ J ·/,= 0.0082 °·4043 可以滿足條件式⑴、（2)、（3)及式⑺。圖l6為本實 施例之㈣組件光強度分佈與照角之極座標關係圖。由上 述表（九）、表（十）及圖16所示，藉此可證明本創作之 凸面菲淫爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖具有 馬效率且有預定的橢圓光型，其各角度之光強度均—，可 φ 提昇本創作之應用性。 <第六實施例> 請參考圖6及圖Π所示，其分別係本創作之使用凸面 菲〉圼爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖及本實施 例之光強度分佈與照角之極座標關係圖。 下列表（十-）中分別列有由光源侧至像側沿中心轴 Z之LED W U、封膠層12、光學制此光源側光學面 幻與像侧光學面R2之曲率半徑R或菲淫爾中心轴聚光 曲面曲率半徑Rf、間距di、光學鏡片13之錐度”、各折射 24 M347534 率（Nd)等。本實施例係使用具有無錐度且等環間距之凸 面玻璃材質之菲涅爾光學鏡片，其菲涅爾光學鏡片之曲率 半徑RF為球面，於圖6之R1光學面為平面。 表（十一） f= 5.061 υ= 0 Surface No. Ror RF di Ndj SO OO 0.10 SI oo 0.52 1.410 S2* * Q^U 〜：一1 η. 2.500 2.00 1.582 在表（十一）中，光學面(Surf.No.)有標註*者為球面之菲 淫爾光學面。下列表（十二）為菲涅爾光學面半徑心之 非球面於式（9)之各項係數、沿中心起算之第一菲涅爾環 半徑Π、最末菲涅爾環半徑rn、菲涅爾環間距^及菲涅爾 環數量： 表（十

Fesnel Surface(mm) No. of Zone

本實施例中，光學鏡片13係利用折射率〜為1 582、 =，V461.7的玻· f製成。藉由搭配封膠層i2及光 Γ^13之折射係數與阿貝數，形成光線折射角度。經由 =鏡片U聚集後，以X方向85。、γ方向7〇。之擴圓 ，於無限遠處（以倍fs為計）之卜⑽流明 心略空氣的折射與散射等效應）；式（1)、（2)、 ⑶、⑺及式⑻分別為： 、 0.8913 25 M347534 / 丨/2 = 22.5 Φχ = 42.0 φ}! = 35.0 ^-= 2.0243

0.2300 J s

0.0248 = 0,002 可以滿足條件式（1)、（2) 、（3)及式（7)。圖17為本實 施例之LED組件光強度分佈與照角之極座標關係圖。由上 述表（十一）、表（十二）及圖17所示，藉此可證明本創 作之凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖 具有高效率且有預定的橢圓光型，其各角度之光強度均 一，可提昇本創作之應用性。 <第七實施例> 請參考圖6及圖18所示，其分別係本創作之使用凸面 菲涅爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖及本實施 例之光強度分佈與照角之極座標關係圖。 下列表（十三）中分別列有由光源側至像侧沿中心軸 Z之LED晶片11、封膠層12、光學鏡片13之光源側光學面 R1與像侧光學面R2之曲率半徑R或菲涅爾中心軸聚光 曲面曲率半徑RF、間距di、光學鏡片13之錐度υ、各折射 26 M347534 率（Nd) #。本實施例 面菲淫爾光學鏡片，其菲==度且專環深度之凸 面，於圖光學面^ =子鏡片之曲率半魏F為球 表（十三） f= 2:530 - Surface No. RorRp Ndi SO OO 0.10 SI 30.00 0.52 1.410 S2* 1.250 1.90 1.582 * Aspherical Zone Fesnel 在表（十三）中，光學面（Surf.N〇·)有標註*者 菲淫爾光學面。下列表（十四）為菲_光學面半^面^ 之非球面於式（9)之各項係數、沿中心起算之第一 ^涅二 環半徑q、最末菲涅爾環半徑rn、菲涅爾環深度匕及菲涅 爾環數量： 表（十四）

Aspherical Surface K a2 a4 八6 -1.0000E+00 4.0000E-02 0.0000E+00 0.0000E+00 Fesnel Surface(mm) hd h No. of Zone 0.06 0.387 2.510 41 本實施例中，光學鏡片13係利用折射率Nd2為1.582、 阿貝數vd2為61.7的玻璃材質製成。藉由搭配封膠層12及光 學鏡片13之折射係數與阿貝數，形成光線折射角度。經由 此光學鏡片13聚集後，以X方向68。、Y方向36。之擴圓 形照角，於無限遠處（以1〇〇倍6為計）之P=72·929流明 (忽略空氣的折射與散射等效應）；式（1)、（2)、 (3)、⑺及式（8)分別為： η= 0.9163 27 M347534 1/2 ~ 29.0 Φχ= 33.9 Φγ = 18.1 ^-= 1.0081

H含= 0.4361

0.2193 Ε\/2 ^Γ 0.3232

可以滿足條件式（1) 、（2) 、（3)及式（7)。圖μ為本實 施例之LED組件光強度分佈與照角之極座標關係圖。由上 述表（十三）、表（十四）及圖18所示，藉此可證明本創 作之凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖 具有高效率且有預定的橢圓光型，其各角度之光強度二 一，可提昇本創作之應用性。 <第八實施例> …請參考圖6及圖19所示，其分別係本創作之使用凸面 非還爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖及本實施 例之光強度分佈與照角之極座標關係圖。 7之十五）中分別列有由光源側至像側沿中心軸 Z之LED日日片11、封膠層、弁蔡於 R1與像㈣輿而μ ^方 鏡片之光源側光學面 曲面曲車车尸: 曲率半数或菲_中心軸聚光 曲面曲率+彳瑪、間距di、光學鏡扣之錐度υ、各折射 28 M347534 率（Nd)等。本實施例係使用具有錐度且等環深度之凸面 菲涅爾光學鏡片，於圖6之R1光學面為平面。 表（十五） f= 2.530 υ= 0 Surface No. Ror Rf Ndi SO OO 0.10 SI 9.00 0.52 1.410 S2* 1.250 1.65 1.582

Aspherical Zone Fesnel 在表（十五）中，光學面（Surf·No·)有標註*者為非球面之 ® 菲涅爾光學面。下列表（十六）為菲涅爾光學面半徑RP 之非球面於式（9)之各項係數、沿中心起算之第一菲涅爾 環半徑η、最末菲涅爾環半徑rn、菲涅爾環深度hd及菲涅 爾環數量： 表（十六）

Aspherical Surface K a2 a4 -1.0000E+00 4.0000E-02 0.0000E+00 0.0000E+00 Fesnel Surface(mm) hd No. of Zone 0.06 0.387 2.510 41 ⑩ 本實施例中，光學鏡片13係利用折射率Nd2為1·582、 阿貝數vd2為61.7的玻璃材質製成。藉由搭配封膠層12及光 學鏡片13之折射係數與阿貝數，形成光線折射角度。經由 此光學鏡片13聚集後，以X方向65°、Y方向60。之橢圓 形照角，於無限遠處（以100倍fs為計）之β=71·41流明 (忽略空氣的折射與散射等效應）；式（1)、（2)、 (3) 、（7)及式（8)分別為： η= 0.9096 29 M347534

1/2 Φχ= 32.1 Φ}> = 18.1 1.0081 rn 03786 \2 π ./g= 0.2721 0.3484

Ed 可以滿足條件式（1) 、（2) 、（3)及式（7)。圖19為本實 施例之LED組件光強度分佈與照角之極座標關係圖。由上 述表（十五）、表（十六）及圖19所示，藉此可證明本創 作之凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發光二極體組件示意圖 具有高效率且有預定的橢圓光型，其各角度之光強度均 一，可提昇本創作之應用性。 以上所示僅為本新型之優選實施例，對本新型而言僅 是說明性的，而非限制性的。本專業技術領域具通常知識 人員理解，在本新型權利要求所限定的精神和範圍内可對 其進行許多改變、修改、甚至等效變更，但都將落入本新 型的權利範圍内。 【圖式簡單說明】 圖ΙΑ、1Β係習知技藝之使用LED光學鏡片於LED組件 之示意圖； M347534 圖2係本創作之使用無錐度菲涅爾LED光學鏡片於LED組 件之立體示意圖； 圖3係本創作之使用有錐度菲涅爾LED光學鏡片於LED組 件之立體示意圖； 圖4係係本創作之使用之垂直環齒等環間距之菲涅爾LED 光學鏡片與聚光曲面曲率半徑關係圖； 圖5係係本創作之使用之垂直環齒等環深度之菲涅爾LED 光學鏡片與聚光曲面曲率半徑關係圖； • 圖6係本創作之LED光學鏡片於LED組件之構成示意圖； 圖7係有錐度菲涅爾LED光學鏡片之錐度表示圖； 圖8係本創作之菲涅爾LED光學鏡片於LED組件光路示意 圖， 圖9係本創作之菲涅爾LED光學鏡片A群光線與B群線折 射示意圖； 圖10係本創作之菲涅爾LED光學鏡片A群光線與B群線光 路示意圖； ❿ 圖11係圖9與圖10之A群光線與B群線組合成均勻光強度 之示意圖； 圖12係本創作之第一實施例之LED組件光強度分佈與照角 之極座標關係圖； 圖13係本創作之第二實施例之LED組件光強度分佈與照角 之極座標關係圖； 圖14係本創作之第三實施例之LED組件光強度分佈與照角 之極座標關係圖； 圖15係本創作之第四實施例之LED組件光強度分佈與照角 31 M347534 之極座標關係圖； 圖16係本創作之第五實施例之LED組件光強度分佈與照角 之極座標關係圖； 圖17係本創作之第六實施例之LED組件光強度分佈與照角 之極座標關係圖； 圖18係本創作之第七實施例之LED組件光強度分佈與照角 之極座標關係圖；以及 圖19係本創作之第八實施例之LED組件光強度分佈與照角 • 之極座標關係圖。 【主要元件符號說明】 10 LED組件 11、21 LED 晶片 12 、22封膠層 13、23光學鏡片 R1光源側光學面（optical surface on source side)或其曲率 半徑（radius on optical axis) _ R2 像側光學面（optical surface on forward side)或其曲率半 徑（radius on optical axis)

Rf像側菲涅爾光學面之聚光曲面曲率半徑（radiusof fresnel convex surface) dO 中心軸上 LED 晶片厚度（LED die thickness on optical axis) dl中心軸上LED晶片表面至光學鏡片光源侧之光學面 距离隹；(thickness from die surface to R1 on optical axis) d2 中心轴光學鏡片厚度(lens thickness on optical axis); 32 M347534 ri 第一環半徑（first zone radius) rn 最末環半徑（last zone radius) rt 環間距（zone pitch) hd 環深度（zone height)

Nd 折射率（Refractive index)

Vd 阿貝數（Abbe number)

Ed LED晶片發出之照度（Incidance) E1/2菲涅爾光學鏡片發出之最高光強度一半處之照度 ⑩ （Incidance) a LED晶片發出光線的光通量(Flux) β 像側相對無限遠處光線的光通量（Flux) 33

Claims (1)

1. M347534 九 、申請專利範圍： 極:二供使用於發光 :”侧排列依序包含-發光二極趙晶片、=層 及:光學鏡片：該光學鏡片之特徵在於： 鏡片具有—像側光學面及—光源側光學面，其 面為一凸面之菲埋爾光學面，而該菲埋 1古：古'衣面係由一聚光曲面轉移形成，且其環面 ^垂直環齒，以使發光二極體晶片所發出之光線瘦 鏡片後可形成橢圓形照角之光型、，且 ^无予鏡片滿足以下條件： 0.7 <2.2 rn 0.12(¾ — 1)令^。625 面:最ϋί?學鏡片之有效焦距、Γη為菲涅爾光學 光學鏡片的折Γ率4為中心軸光學鏡片厚度、Nd2為 、：:nr1項所述之凸面菲爾光二極體 予，見片其中該光學鏡片進一步滿足以下條件： 、 { π ) Μ •/^<0.6 其中 M347534 ωχ = tan tan~ D ^dO + dl + d2 -l· Lx D dO + + d2 + Ly 其中’ fs為本光學鏡片之有效焦距，rn為菲涅爾光學 面之最末環半徑，山為中心軸光學鏡片厚度，Nd2為 光學鏡片的折射率，為經由光學鏡片射出光線在 X方向最高光強度一半處之角度（度deg·)，為經 由光學鏡片射出光線在γ方向最高光強度一半處之角

   度（度），2Lx為LED晶片在X方向之長度，2Ly為 LED晶片在γ方向之長度，龟為本光學鏡片之相當焦 距，Ri為光源侧光學面之曲率半徑，Rf為像側菲涅爾 光學面之聚光曲面曲率半徑，山為LED晶片厚度，山 為中心軸之封膠層厚度，D為光學鏡片在像側光學面 之半徑。 3如，凊專利範圍第1項所述之凸面菲涅爾發光二極體

   光學鏡片，其中該光學鏡片之光源侧光學面為一平 面。 4、如專利範圍第1項所述之凸面菲_發光二極體 光學1兄片，其中該光學鏡片之光源侧光學面為一凹 面。 til專利範圍第1項所述之凸面菲㈣發光二極體 :予叙片’其中該用以轉移形成菲㈣光學面之聚光 曲面為球面。 =1:!專利範圍第1項所述之凸面菲涅爾發光二極體 予、見片，其中該該用以轉移形成菲淫爾光學面之聚 35 M347534 光曲面為非球面。 7 、如申請專利範圍第1項所述之凸面菲、、里羅恭丄 8、 ★光=，其中該菲_光學面之;= 8如申請專利範圍第1項所述之凸面菲埋木度。 光學鏡片，其+該菲埋爾光學面 極體 9、 如申料利範圍第！項所述之凸間距。 10 光學則之外緣面具有錐度。 ❿ 申π專利fe圍第Μ所述之凸面菲 光學鏡片，其中該光學鏡片係 ^ ^ 11 玻璃光學材料中-種所製成。 錄先予材枓及 排體組件’其沿著中心軸由光源側至像侧 排歹m序包3 一如申請專利範圍第1至第10項之任一 項所述之凸面菲淫爾發光二極體光學鏡片、-封膠層 及一發光二極體晶片；其特徵在於·· 該發光二極體組件具有橢圓照角光型，並滿足以下條 件·· 參 Εχη^ΊΕ, 其中 其中，rn為菲涅爾光學面之最末環半徑、2九為經由 光學叙片射出光線在X方向最高光強度一半‘處之 角度（度deg·)、2 6為經由光學鏡月射出光線在γ方 向最高光強度一半/1/2處之角度（度^、。為菲涅爾 36 M347534 光學面之最末環半徑、α為LED晶片發出光線的光通 量、β為像侧相對無限遠處（100倍fs )不考慮衰減 因素之光線的光通量、η為光通量比值= 、Ed為 LED晶片發出之照度。 12、如申請專利範圍第11項所述之發光二極體組件，其中 該發光二極體組件發出光線的光通量與像侧相對無限 遠處的光通量比值，係滿足以下條件： β!α>%5% 其中，α為該發光二極體晶片發出光線的光通量、β 為該發光二極體組件像側相對無限遠處忽略空氣的折 射與散射等效應之光通量。 37