TWM450736U

TWM450736U - 局部微結構光學透鏡以及具有該局部微結構光學透鏡之發光模組

Info

Publication number: TWM450736U
Application number: TW101220023U
Authority: TW
Inventors: Feng-Pin Liu; Chih-Cheng Chen; Jin-Shan Pan; Chien Chia-Ching Chang
Original assignee: Truelight Corp
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2013-04-11

Description

局部微結構光學透鏡以及具有該局部微結構光學透鏡之發光模組

本創作為一種局部微結構光學透鏡，尤指一種於一光學透鏡上之一入光面局部性地設有複數個微結構，進一步減少射入之光功率損耗以提升照明效果之局部微結構光學透鏡。

隨著安全防護行業不斷的發展，用戶對於晝夜24小時監控的需求也愈發的強烈，但是由於攝影機在無背景光源的狀況是發揮不了作用的，所以配有紅外線光源的攝影機在視頻監控領域扮演著重要的角色。

紅外線攝影機的進步離不開紅外光源的發展，可以說紅外線攝影機的發展史也是一部紅外線光源的發展史；光源從第一代的普通紅外線發光二極體IR-LED(Epoxy-molded lamp,Φ5,Φ8..)、第二代的陣列式紅外線發光二極體、甚至到高功率紅外線雷射二極體IR-LASER，例如由垂直腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser；簡稱VCSEL)所構成之點陣式紅外線垂直腔面射型雷射陣列光源，各種不同的解決方案在短短的幾年間被開發並應用在安全防護的市場上，足見紅外線光源在安全防護市場的發展潛力。

由於點陣式紅外線發光二極體IR-LED的散熱易處理及製作材料不同，其壽命約為傳統LED壽命的五到十倍，所以點陣式紅外線發光二極體IR-LED具有如此的優點，因此被廣泛的應用在夜視照明應用。現有習知的點陣式紅外線發光二極體IR-LED的應用，由於IR-LED具有大角度發光的特性，其照射範圍廣、角度大、但卻不夠遠，因此大致僅能投射到10~50公尺左右的距離，並且通常需要搭配二次光學投射(聚焦透鏡/不同角度)才能符合最佳化的應用。不過，光學透鏡設計的好壞，也會影響光場的均勻性，因此點陣式紅外線發光二極體IR-LED為了達到光場的均勻性，有些光學廠甚至會在透鏡的出光面加上全面霧化或者是全面微透鏡陣列的處理，如此設計是適合短距離的應用，但是應用在中長距離時，這些特殊處理會造成光能量的大角度發散，縮短照明距離；此外，這些特殊處理會造成光的散射並漫射回影像感測器內，形成雜訊，導致影像白霧化，降低影像的品質。

因此，為了滿足中遠距離的夜間照明需求，高功率紅外線雷射二極體IR-LASER(例如但不侷限於：垂直腔面射型雷射VCSEL)也被開發出來以滿足100公尺以上的應用。但是採用習知雷射的方案也有一些問題需要克服；譬如光形的不均勻性及雷射光斑的形成等，這兩種特性都會嚴重直接影響照明的品質，特別是在高功率紅外線雷射二極體IR-LASER(VCSEL)使用在紅外線輔助照明更會同時遇到光場均勻性及光斑的問題，因此若要保持雷射在紅外線照明應用的優勢，則光場的均勻性及雷射光斑的問題勢必需要同時獲得解決。

由於點陣式紅外線發光二極體IR-LED發散角大於 120度，因此需要不同的聚光面(反射面)來達到有效的收光效果，因此透鏡的尺寸設計就變得很大；然而雷射的發散角度小，方向性高，無需做額外的反射面來收集光束，因此透鏡的尺寸可以縮小，可以有效地降低模組的尺寸及透鏡的用料成本。有鑑於此，若於習用紅外線雷射二極體(IR-VCSEL光源)搭配現有用於LED照明的聚光透鏡(全透光透鏡)，會產生嚴重的光斑效應(Speckle)及光強度分布不均的現象，造成影響品質變差。而現行習知的解決方案是採用全霧化聚光透鏡的設計，雖然能有效解改善光場分佈不均勻與光斑之光特性的問題，但是其光功率損耗較全透光透鏡更減少15%，造成輸出功率的嚴重損耗。至於採用為全面性之透鏡陣列聚光透鏡的設計，也會有較全透光透鏡更減少11%的光損耗。

因此，本創作利用在光學透鏡的入光面設有局部微結構的方式，則比全透光透鏡之光功率損耗大幅減少至6%，如此不僅保持高功率紅外線雷射二極體IR-VCSEL高指向光源特性進而突顯長距離照明優勢，還可以減少光功率損失、改良光學透鏡的出光效率，並且有效改善光場分佈不均與光斑之光特性，有效的提升照明效果以符合照明的應用。

本創作的主要目的係在於提供一種局部微結構光學透鏡，利用於該光學鏡片之一入光面上局部性地設置複數個微結構以提供一發光元件進行光線投射，不僅可以消除光斑及解決光場均勻性問題，又可以達到降低光損耗率以及提升照明效果之目的。

一種局部微結構光學透鏡，其係結合於一發光元件之一投射面上，其包括有：一出光面、以及一入光面。該出光面係為一圓凸狀表面。該入光面係與該出光面相對應，並位於該發光元件之一光路徑上。該入光面上係設有複數個陣列排列之微結構，且各別之兩微結構間係分別間隔一預設距離，透過該些微結構將該發光元件所投射之光線經由該出光面二次光學投射後達到提高光效率，並且有效改善光場分佈不均與光斑之目的。

為了能更清楚地描述本創作所提出之局部微結構光學透鏡以及具有該局部微結構光學透鏡之發光模組，以下將配合圖式詳細說明之。

請參閱圖一、圖二、圖三、圖四、以及圖五所示，圖一為本創作具有局部微結構光學透鏡之發光模組的立體分解示意圖。圖二為本創作局部微結構光學透鏡之仰視圖。圖三為本創作局部微結構光學透鏡之剖面示意圖。圖四為本創作局部微結構光學透鏡之微結構示意圖。圖五為本創作具有局部微結構光學透鏡之發光模組的組合剖面示意圖。

於本創作實施例中，該局部微結構光學透鏡1具有一凹槽10之光學透鏡，係覆蓋於一發光元件9之一投射面91，並結合於一電路板8之上，其包括有：一出光面11、以及一入光面12。該凹槽10內之底面係設為該入光面12，且與該局部微結構光學透鏡1外側之該出光面11相對應。該凹槽10係用以容置該發光元件9，且該入光面12係於該發光元件9之一光路徑5上，該發光元件9之該投射面91與該入光面12之間係具有一預設距離t。該發光元件9可以是下列其中之一：發光二極體(LED)、垂直腔面射型雷射(VCSEL)元件、水平面射型雷射(HCSEL)元件、或小角度發光二極體(RCLED)元件。

於本創作實施例中，該出光面11係為一圓凸表面，且該出光面11具有將通過該入光面12而發散之光線產生收斂的效果，因此，可依不同投射需求設計該出光面11之曲面折射弧度，將輸出之照明光收斂於一預定角度內，進一步提升光照明效率。該入光面12係為非球狀表面，其設有局部性地覆蓋於該入光面12表面上之複數個陣列排列之微結構121，且各別之兩微結構121間隙分別間隔一預設間距d。換句話說。該入光面12並非完全被微結構121所覆蓋，而是只有部分表面被該些微結構121所覆蓋，而該入光面12未設有該些微結構121的其他表面部分係為全透光狀態。透過局部性地設在入光面12上的該些微結構121將該發光元件9所投射之光線中的局部光線加以發散後(另一些光線則經由未設有該些微結構121的其他表面部分直接穿越該入光面12而不會被微結構121發散)，再經由該出光面11二次光學投射後達到提高光效率之目的。該些微結構121係可以是：陣列排列之複數個霧化區域、或複數個微透鏡陣列其中之一所構成。該些微結構121各別之二維輪廓外形係可以是：圓形、四方形、六角形、或多邊形其中之一。如圖四所示，於本創作較佳實施例中，以透過磨砂、噴砂或放電加工的方式將該入光面12上相互間隔之該些微結構121各自形成圓形之霧化區域時，該些微結構121之直徑最佳為500μm，而各別兩微結構121中心點相隔距離最佳為750μm。該局部微結構光學透鏡1其材質可為玻璃或高分子聚合物例如：壓克力、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)等塑膠材料。

本創作之微結構以下列條件參數設定進行實際的模擬：

1.微結構種類：圓形、四方形、六角形。

2.微結構型態：霧化。

3.兩個微結構之間的間隙：預設間距d

4.出光率的假設：假設全透透鏡的出光率為1(100%)，此時進行實際的模擬後發現，使入光面12整個表面都全霧化的出光效率相對於全透透鏡將會是0.85(85%)。

因此，依據相同的模擬方式，使用不同形狀(圓形、四方形、六角形)微結構、搭配不同的微結構間距d值來進行多次模擬後，所得出的數據可歸納為下列幾點結論：

1.不論霧化之微結構121的二維輪廓外形樣式為何(圓形、四方形、六角形、或其他多邊形)，其霧化的等效面積越大，其出光效率越低。

2.單點霧化之微結構121之該頂設間距d越小(霧化面積越大)，其出光效率越低。

3.該入光面12之微結構121霧化程度在某一範圍時<30%(亦即，微結構121霧化的面積佔據整個入光面12表面面積的比例<30%時)，其不管型態(圓形、四方形、六角形)或預設間距d為何，其出光效率與全透的出光效率差異不大，所以仍具有全透透鏡的相同缺點。

4.該入光面12之微結構121霧化程度<30%時，由於出光效率與全透的出光效率差異不大，因此對光斑的抑制能力也變差，即投射出來的光斑現象仍明顯。

5.該入光面12之微結構121霧化面積比例介於30%~70%之間時(亦即，當複數微結構121在該入光面上所佔據的面積相對於整個入光面12表面面積的比例介於30%~70%之間時)，其出光效率範圍介於95%~90%之間，係為較佳的實施例範圍，即可得到較低的光衰率同時減少光斑所造成的影像品質變差的效果。本創作更佳實施例之一的該入光面12之微結構121霧化面積(亦即，複數微結構121在該入光面上所佔據的面積相對於整個入光面12表面面積的比例)比例係為46%，而出光效率達到94%。當該入光面12之該些微結構121所佔面積比例係介於40%~50%之間時，而出光效率可達到接近93%~95%之間。

6.任何形狀皆可當作為局部微結構121的形狀，但是基於模具製作的方便性，所以選擇圓形當作實施例為最佳。

如圖一、圖五所示，於本創作較佳實施例中，係為一具有該局部微結構光學透鏡之發光模組100；其中，將封裝完成之該發光元件9設置於該電路板8上並與該電路板8電性連接，且由於本創作該發光元件9其封裝型態是以高功率紅外線雷射二極體IR-VCSEL為封裝為基礎，其雷射二極體IR-VCSEL表面所覆蓋第一次折射之壓模鏡片也就是該發光元件9上之該投射面91係大多採用霧化處理，其優點是能夠重整傳統垂直腔面射型雷射VCSEL所產生之甜甜圈狀的光形分布，即使是光形不均勻的光場分佈亦可利用此霧化之壓模鏡片重整光形以達到較佳之照明需求，然後再將二次光學聚焦之該局部微結構光學透鏡1直接緊配於該發光元件9或是該電路板8之上，遂即成為具有該局部微結構光學透鏡之發光模組100。該發光元件9係可以為一或複數個垂直腔面射型雷射(VCSEL)元件，此一或複數個垂直腔面射型雷射(VCSEL)元件中亦可含有數個發光孔，經由提供第一次折射之壓模鏡片封裝而成，並進一步設置於該電路板8上；其中，該發光元件9之複數個垂直腔面射型雷射(VCSEL)元件係可以是線性排列、陣列排列、或呈幾何圖案排列其中之一。

也就是說，將該局部微結構光學透鏡1利用該凹槽10把該發光元件9加以覆蓋並嵌附結合於其中，進而使該發光元件9容置於該局部微結構光學透鏡1之該凹槽10內，使該發光元件9之該投射面91與該入光面12間隔一預設距離t並相互對應且同時位於該光路徑5之上，進一步將該局部微結構光學透鏡1與該發光元件9卡合固定一起。當然，該局部微結構光學透鏡1亦可直接與該電路板8進行卡合，而令該發光元件9容置於該局部微結構光學透鏡1之凹槽10內。

換句話說，習知的光學透鏡通常採用全霧化的設計，如此雖然能解決光斑及光強度分布不均勻的問題，但是卻造成輸出功率的嚴重損耗。因此，上述本創作之具有該局部微結構光學透鏡之發光模組100，由於該局部微結構光學透鏡1之該入光面12上局部設置有該些微結構121的方式，使該發光元件9經由該局部微結構光學透鏡1之二次光學投射後，大幅改善以往習知的光學透鏡採用全霧化的設計所產生之功率損耗，進一步也可以減少該發光元件9的光功率損失，提高該局部微結構光學透鏡1的出光效率，並且同樣有效的改善其光場分佈不均勻與光斑等特性。

綜上所述，本創作一種局部微結構光學透鏡1，其係結合於一發光元件9之一投射面91上，其包括有：一出光面11、以及一入光面12。該出光面11係為一圓凸狀表面。該入光面12係與該出光面11相對應，並位於該發光元件9之一光路徑5上。該入光面12上係設有複數個陣列排列之微結構121，且各別之兩微結構121間係分別間隔一預設距離，透過該些微結構121將該發光元件9所投射之光線經由該出光面二次光學投射後達到提高光效率之目的。因此，該發光元件9藉由該投射面91將光源入射至本創作之局部微結構光學透鏡1是先通過該入光面12上之該些微結構121進行發散後，再由該出光面11將光線收斂於一預定角度，以使通過本創作之該局部微結構光學透鏡1所輸出之照明光較為均勻且投射距離較遠，如此不僅可以達到消除光斑及解決光場均勻性問題，又可以透過出光面的曲率設計，將投射光有效地收斂起來，達到中長距離的投射效果。

唯以上所述之實施例不應用於限制本創作之可應用範圍，本創作之保護範圍應以本創作之申請專利範圍內容所界定技術精神及其均等變化所含括之範圍為主者。即大凡依本創作申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本創作之要義所在，亦不脫離本創作之精神和範圍，故都應視為本創作的進一步實施狀況。

1‧‧‧局部微結構光學透鏡

10‧‧‧凹槽

11‧‧‧出光面

12‧‧‧入光面

121‧‧‧微結構

5‧‧‧光路徑

8‧‧‧電路板

9‧‧‧發光元件

91‧‧‧投射面

100‧‧‧具有該局部微結構光學透鏡之發光模組

圖一為本創作具有局部微結構光學透鏡之發光模組的立體分解示意圖。

圖二為本創作局部微結構光學透鏡之仰視圖。

圖三為本創作局部微結構光學透鏡之剖面示意圖。

圖四為本創作局部微結構光學透鏡之微結構示意圖。

圖五為本創作具有局部微結構光學透鏡之發光模組的組合剖面示意圖。