专利名称：：菲涅尔发光二极管镜片及其所构成的发光二极管组件的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及一种菲涅尔发光二极管(LED)镜片及其所构成的发光二极管UED)组件(Fresnel，LensandLEDAssemblyThereof)，尤指一种具有多个菲涅尔光学面且排状排列的菲涅尔发光二极管镜片，可组合成一发光光源供可应用于照明、手机闪光灯或相机闪光灯。
背景技术：
：发光二极管(lightemittingdiode,简称LED)具有低电压、低耗电、寿命长的优点，已大量应用于显示装置(indicator)、照明装置(illuminator)等领域。相较于传统发光源，LED晶片发出的光线较为发散，在小范围的集中照明或大范围的均匀照明，常需要使用光学镜片。在LED光学镜片的设计上，可分为一次光学镜片(primaryopticallens)及二次光学镜片(secondaryopticallens);—次光学镜片为在LED晶片上直接封装的透镜，一般以聚集(concentrate)光线为主；二次光学镜片使用在单颗或数颗LED阵列(Array),以分散或均勻光束为主。在现有的二次光学镜片设计上，以菲涅尔式镜片可以减小二次光学镜片厚度而最为常用；对于单颗LED的菲涅尔式光学镜片如图1、图2所示，发光二极管21发出光线，经由菲涅尔式光学镜片23聚集而投射至目标物，如日本专利JP2005257953,中国台湾省专利M347533、M347534,美国专利US6,726,859;对于LED阵列的菲涅尔式光学镜片如图3、图4所示，如美国专利/>开号US2007/0275344、US2008/0158854、US2002/0025157、US2007/0034890、欧洲专利EP1091167等。对于凄t字相才几(DigitalStillCamera)、电月卤相才几(PCcamera)、网纟各相机(Networkcamera)、移动电话(手机)等产品的闪光灯，为省电及轻便的目的，使用LED应用于闪光灯上，且常以单颗或多颗LED组成阵列，再覆盖上二次光学镜片，使照度与光强度能尽量均匀；然而在光强度的分布所形成的光型，则以均匀为要求，并且以接近圓形光型最适合使用于照明或闪光灯使用，以使菲涅尔式二次光学镜片可使LED发出的光线达最高效率，本新型即在此迫切需求下，发展一菲涅尔透镜制成的二次光学镜片以产生特定的接近圆型光型，并由以形成LED组件，以构成闪光灯，提供给照明、手机闪光灯或相机闪光灯使用。
发明内容本实用新型的主要目的是提供一种菲涅尔发光二极管镜片及其所构成的发光二才及管组件，其可组合成一发光光源，可应用于照明、手机闪光灯或相机闪光灯。为了达到上述目的，本实用新型提供一种菲涅尔发光二极管镜片及其所构成的发光二极管组件，所述发光二极管组件(LED组件)是由多个发光二极管(LED)以直线等间距排列以发出光线、一电路板用以组合安装所述多个LED、一菲涅尔发光二极管镜片以聚集光线并以均匀光强度形成接近圆形的光型所构成，其中，所述菲涅尔发光二极管镜片为光学材料所形成的镜片，具有一光源侧光学面与一物侧光学面，且光源侧光学面与物侧光学面均为平面；又物侧光学面上设有与LED等数量的菲涅尔光学面，每个LED中心与对应的菲涅尔光学面中心连线所形成的中心轴彼此平行；又所述菲涅尔光学面的聚光曲面为非球面，其环面为垂直环齿(draftwithverticalshape)且可为等环深度(equalzoneheight),并可满足以下条件<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(4)(6)其中，fs为菲涅尔发光二极管镜片的有效焦距(effectivefocallength),d。为LED晶片厚度，山为中心轴的封胶厚度，d2为中心轴发光二极管镜片厚度，rn为菲涅尔光学面S2的最末环(LastZone)半径，2么为经菲涅尔发光二极管镜片射出光线在X方向最高光强度(intensity)—半处的角度(度deg.),2^为经菲涅尔发光二极管镜片射出光线在Y方向最高光强度一半处的角度(度deg.),2Lx为LED晶片在X方向的长度，2Ly为LED晶片在Y方向的长度，fg为菲浬尔发光二极管镜片的相当焦距(relativefocallength),R!为光源侧光学面的曲率半径，Rp为像侧菲涅尔光学面的聚光曲面的曲率半径(radiusoffresnelconvexsurface),D为菲涅尔发光二极管镜片在单一个菲涅尔光学面的最大半径。本实用新型另一目的，为了使用选择方便，菲涅尔发光二极管镜片可为光学玻璃或光学塑胶所制成。本实用新型再一目的在于提供一种发光二极管组件，包含两个或两个以上(至少两个)发光二极管，每个发光二极管以等间距直列排列组合于电路板上，每个发光二极管的中心与菲涅尔发光二极管光学镜片的各对应菲涅尔光学面中心的连线所形成的中心轴彼此平行，且所述发光二极管组件具有接近圆形的光型，所述光型的截面的短轴长度与长轴长度的比值大于0.8,或长轴长度与短轴长度的比值小于1.25,即满足以下条件<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，2么为经菲涅尔发光二极管镜片射出光线在X方向最高光强度一半处的角度(度deg.),2^为经菲涅尔发光二极管镜片射出光线在Y方向最高光强度一半处的角度(度deg.),K为A与^的比值。本实用新型的又一目的在于提供一种发光二极管组件，其是包含如本实用新型所述的菲涅尔发光二极管镜片，此发光二极管组件具有接近圓形光型、其光通量比值n大于60%的要求<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，cci为第i个发光二极管(LED)发出光线的光通量，为n个发光二极管(LED)发出光线的光通量的总和，P为像侧相对无限远筵(100倍fs)不考虑衰减因素的光线的光通量。本实用新型的有益效果在于，本实用新型的菲涅尔发光二极管镜片及其所构成的发光二极管组件可产生接近圓形的光型，且符合光通量比值大于60°/。的要求，并且所述发光二极管组件具有厚度薄的特性，可提供照明或手机、相机的闪光灯使用。图1是现有一使用光学镜片于LED组件(单颗LED)的示意图；图2是现有另一使用光学镜片于LED组件(单颗LED)的示意图；图3是现有一使用光学镜片于LED组件(阵列LED)的示意图；图4是现有另一使用光学镜片于LED组件(阵列LED)的示意图；图5是本实用新型的发光二极管组件第一实施例结构的侧面剖视示意图；图6是本实用新型的菲涅尔发光二极管镜片及发光二极管组件的使用符号说明图7是本实用新型的菲涅尔发光二极管镜片第一实施例的立体示意图8是图7的发光二极管镜片的上视示意图9是图8的发光二极管镜片的一剖面(剖线9-9)示意图10是本实用新型的发光二极管组件第二实施例结构的侧面剖视示意图11是图10中发光二极管镜片的上视示意图12是图11的发光二极管镜片的一剖面(剖线12-12)示意图13是本实用新型第一实施例所使用的发光二极管的光强度分布与照角的极座标关系图(其中A代表X方向，B代表Y方向)；图14是本实用新型第一实施例发光二极管组件的光强度分布与照角的极座标关系图(其中A代表X方向，B代表Y方向)；图15是本实用新型第二实施例所使用的发光二极管的光强度分布与照角的极座标关系图(其中A代表X方向，B代表Y方向)；以及图16是本实用新型第二实施例发光二极管组件的光强度分布与照角的极座标关系图(其中A代表X方向，B代表Y方向)；附图标记说明11-发光二极管(LED);111-发光二极管晶片(LEDdie);112-封胶(LEDsealgel);13-菲涅尔发光二极管镜片(FresnelLEDlens);130-光源侧光学面(opticalsurfaceonsourceside);131-物侧光学面(opticalsurfaceonforwardside);131a131f-菲涅尔光学面(af)(Fresnelopticalsurfacea~f);132-凹槽(Flange);133-卡槽(Wedge);12-电路》反(PCB);121-导电片(Electricpad);14垂直环齿(draftwithverticalshape);Rl光源侧光学面(opticalsurfaceonsourceside)或其曲率半径(radiusonopticalaxis);R2像侧光学面(opticalsurfaceonforwardside)或其曲率半径(radiusonopticalaxis);Rp像侧菲涅尔光学面的聚光曲面曲率半径(radiusoffresnelconvexsurface);d0中心轴上LED粘胶层厚度(thicknessofsealgelonopticalaxis);dl中心轴上LED粘胶层表面至菲涅尔发光二极管镜片光源侧的光学面距离；(thicknessfromdiesurfacetoRlonopticalaxis);d2中心轴菲涅尔发光二极管镜片厚度(lensthicknessonopticalaxis);n第一环半径(firstzoneradius);rn最末环半^圣(lastzoneradius);rt环间^巨(zonepitch);hd环;果度(zoneheight);Nd折射率(Refractiveindex);a!第i个LED发出光线的光通量(Flux);P像侧相对无限远处光线的光通量(Flux);K为^与^的比值。具体实施方式为使本实用新型更加明确详实，现列举较佳实施例并配合下列图式，将本实用新型的结构及技术特征详述如后参照图5所示，其是本实用新型的菲涅尔发光二极管镜片及其所构成的发光二极管组件10的结构示意图，包含多个等间距直线排列的LED11、一电路板12及一菲涅尔发光二极管镜片13;其中，菲涅尔发光二极管镜片13具有一光源侧光学面130与一物侧光学面131,物侧光学面131上设有与LED11等数量的菲涅尔光学面131a~131e;其中，电路板12进一步设有导电片121,可通过导电片将电流通入各LED11,使LEDll发出光线；LED11进一步包含LED晶片111及封胶112,当光线由LED晶片111发出，经封胶112后，经过空气层进入光源侧光学面130、再由菲涅尔光学面131a~131e将光线聚集并形成接近圆形的光型的光束。请参考图6,沿LED11中心与对应的菲涅尔光学面131b中心连线所形成的中心轴为Zb,封胶112的厚度为d0，空气层厚度为dl,光源侧光学面130至菲涅尔光学面131b厚度为d2;菲涅尔光学面131b具有垂直环齿(draftwithverticalshape)134且可为等环深度(equalzoneheight)的菲涅尔光学面；第一个环齿的半径为(直径为2rJ,最末环齿半径为rn,环齿高度为hd,每个环齿的间距为rt;满足式(1)及式(2)的条件。其中，封胶112并不限制所使用的材料，在LED11上常用光学树脂(resin)或硅胶(silicongel)等不同材料；而菲涅尔发光二极管镜片13可由光学玻璃或光学塑胶材料制成。参考图7-图9所示，菲涅尔发光二极管镜片13设有一凹槽132与一卡槽133,凹槽132用以容置电路^反12并予以定位，-使电路板12上的多个LED11可以与菲涅尔发光二极管镜片13上同数量的菲涅尔光学面(131a131e)——对正中心；卡槽133用以与相机或其他装置组合。LED晶片111发出光线，经菲涅尔发光二极管镜片13的菲涅尔光学面131a~131e，聚集并折射后以2屮角度(X方向2么与Y方向2^)形成所需要的接近圆形光型及满足//a^85。/。的要求，其中，a为LED晶片发出光线的光通量，P为^^侧相对无限远处(100倍fs)光线的光通量，且忽略空气的折射(refraction)与散射(scattering)等效应。菲涅尔光学面的聚光曲面，若以非球面光学面所构成，其非球面的方程式(AsphericalSurfaceFormula)为式(9)z=——,c/z=+#4+#6+#8+4,10(9)l+V(l-(l+《)c2/22)其中，c是曲率，h为镜片高度，K为圓锥系数(ConicConstant)、A4、A6、A8、Ai。分另iJ四、六、八、十阶的非球面系数(NthOrderAsphericalCoefficient)。菲涅尔光学面131a~131e的聚光曲面曲率半径(RF)也以式(9)定义，对于抛物面的聚光曲面曲率半径(RF)的圓锥系数〖=-1，对于球面的聚光曲面曲率半径(RF)的圆锥系数PO。本实用新型以下所揭示的最佳实施例，乃是针对本实用新型实际的主要构成元件而作说明，菲涅尔光学面131a~131f选择具有垂直环齿的等环深度的环齿为说明；封胶12是利用折射率L为1.41的透明光学硅胶所填塞。但就一般具有光学镜片及其所构成的LED组件而言，除了本实用新型所揭示的菲涅尔发光二极管镜片及其所构成的发光二极管组件外，其他结构乃属一般通知的技术，也就是所述光学镜片及其LED组件的各构成元件的尺寸大小、使用材料、LED波长与发射角度、菲涅尔光学面的型式、环间距与环深度等，是可以进行许多改变、修改、甚至等效变更。<第一实施例〉请参考图5、图7-9及图13、14所示，其分别是本实用新型的菲涅尔发光二极管镜片及其所构成的发光二极管组件的第一实施例结构示意图及其光强度分布与照角的极座标关系图。下列表(一)中分别列有由光源侧至像侧沿中心轴Z的LED晶片111的封胶112的半径R、菲涅尔发光二极管镜片13的菲涅尔光学面(131a~131e)中心4由聚光曲面曲率半4圣Rf(mm)、厚度间3巨di(mm)(theon—axissurfacespacing)、各折射率(Nd)、菲涅尔光学面的有效焦距fs(effectivefocallength)等；又在表(一)中，光学面(Surf.No.)有标注f者为非球面的菲涅尔光学面。表(一)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>下列表(二)为菲涅尔光学面半径Rp的非球面于式(8)的各项系数、沿中心起算的第一菲涅尔环半径n、最末菲涅尔环半径rn、菲涅尔环深度(zoneheight)hd及菲涅尔环数量(No.ofzone):表(二)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>本实施例中，菲涅尔发光二极管镜片13是利用折射率Nd2为1.587的塑胶材质制成，在物侧光学面131设置五个菲涅尔光学面(131a~131e)，五个LED11采用1.12x1.12隱尺寸，在X方向发射角&=31.5°、Y方向发射角=31.5°、oc=6.9流明(lm),使用的LED的光强度分布与照角的极座标关系如图13所示；五个LED11是以直线排列方式设置于电路板12上，两相邻的LED11的中心间距L=3.0(mm),即两相邻的菲涅尔光学面(131a~131e)的中心间距L=3.0(mm);电路板12装设于菲涅尔发光二极管镜片13的凹槽132内固定，使每个LED11中心与菲涅尔光学面(131a~131e)中心的连线所形成的中心轴(Zb)彼此平行，即五个中心轴(Zb)彼此平行。电路板12通过两个导电片121,与外界电源极性相接。当施以电流后，经导电片121及电路板12，使五个LEDll发出光线，光线经此菲涅尔发光二极管镜片13的菲涅尔光学面(131a~131e)聚集后，在最大照度1/2处以X方向40.5°、Y方向35。接近圆形照角，k值大于0.8,如图14所示，其为本实施例的LED组件10的光强度分布与照角的极座标关系图；在无限远处(以100倍fs为计)的P=32.5流明(忽略空气的折射与散射等效应)；式(l)、(2)、(3)及(7)分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>可以满足条件式(l)、(2)、(3)、(7)及(8)由上述表(一)、表(二)及图14所示，由此可证明本实用新型利用菲涅尔发光二极管镜片13所构成的发光二极管组件IO具有高效率且可产生预定的接近圆形光型，其各角度的光强度均匀，可提升本实用新型的应用性。<第二实施例>请参考图10-12及图15、16所示，其分别是本实用新型的菲涅尔发光二极管镜片及其所构成的发光二极管组件的第二实施例结构示意图及其光强度分布与照角的极座标关系图。下列表(三)中分别列有由光源侧至像侧沿中心轴Z的LED晶片111的封胶112的半径R、菲涅尔发光二极管镜片13的菲涅尔光学面(131a~131f)中心轴聚光曲面曲率半径Rf(mm)、厚度间距di(mm)(theon-axissurfacespacing)、各折射率(Nd)等；又在表(一)中，光学面(Surf.No.)有标注承者为非球面的菲涅尔光学面。。表(三)<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>*AsphericalZoneFresnel下列表(四)为菲涅尔光学面半径Rp的非球面于式(9)的各项系数、沿中心起算的第一菲涅尔环半径最末菲涅尔环半径rn、菲涅尔环深度(zoneheight)ha及菲涅尔环数量(No.ofzone):表(四)Effectivefocallengthfs=5.4659<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>本实施例中，菲涅尔发光二极管镜片13是利用折射率Nd2为1.8的玻璃材质制成，在物侧光学面131i殳置六个菲涅尔光学面(131a~131f),六个LEDll采用1.85x0.77mm尺寸的LED11，其X方向发射角^=38.25°、Y方向发射角,=29.25°、a=78.5流明(lm),使用的LED11白文光强度分布与照角的极座标关系如图15;六个LED11是以直线排列方式设置于电路板12上，两相邻的LED11的中心间距L-4.O(腿)，即两相邻的菲涅尔光学面(131a~131f)的中心间距L=4.O(mm)。当六个LED11发出光线，光线经此菲涅尔发光二极管镜片13的菲涅尔光学面(131a131f)聚集后，在最大照度1/2处以X方向63。、Y方向54°接近圓形照角，k值大于0.8,如图16所示，其为本实施例的LED组件10的光强度分布与照角的极座标关系图；于无限远处(以100倍fs为计)的(3=326.8流明(忽略空气的折射与散射等效应)；式(1)、(2)、(3)、(7)及式(8)分别为:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>可以满足条件式(l)、(2)、(3)、(7)及(8)。图14为本实施例的LED组件光强度分布与照角的极座标关系图。由上述各实施例可证明本实用新型利用菲涅尔发光二极管镜片13所构成的发光二极管组件10具有高效率且可产生预定的接近圆形光型，其各角度的光强度均匀，本实用新型可用于照明或相机的闪光灯等不同的应用。以上所示仅为本实用新型的优选实施例，对本实用新型而言仅是说明性的，而非限制性的。在本
技术领域：
具有通常智识人员理解，在本新型权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变、修改、甚至等效变更，但都将落入本实用新型的权利范围内。权利要求1、一种菲涅尔发光二极管镜片，供覆盖于多个成等间距直线排列的发光二极管上方；所述发光二极管镜片的特征在于所述发光二极管镜片具有一像侧光学面及一光源侧光学面，其中所述光源侧光学面为一平面，所述像侧光学面为一平面且设有与所述发光二极管等数量且等间距直线排列的多个对应菲涅尔光学面，每个所述发光二极管中心与对应的菲涅尔光学面中心连线所形成的中心轴彼此等间距且平行；其中，所述菲涅尔光学面的环面具有垂直环齿，以使直线排列的所述发光二极管所发出的光线经所述发光二极管镜片后形成接近圆形的光型，且所述菲涅尔光学面满足以下条件<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mn>0.7</mn><mo>≤</mo><mfrac><msub><mi>f</mi><mi>s</mi></msub><msub><mi>r</mi><mi>n</mi></msub></mfrac><mo>≤</mo><mn>2.2</mn></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mn>0.1</mn><mo>≤</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>N</mi><mrow><mi>d</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mfrac><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>f</mi><mi>s</mi></msub></mfrac><mo>≤</mo><mn>1.25</mn></mrow>]]></math></maths>其中，fs为本发光二极管镜片的有效焦距、rn为菲涅尔光学面的最末环半径、d2为中心轴发光二极管镜片厚度、Nd2为发光二极管镜片的折射率。2、根据权利要求1所述的菲涅尔发光二极管镜片，其特征在于，所述菲涅尔光学面进一步满足以下条件<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，fs为菲涅尔发光二极管镜片的有效焦距，d。为LED晶片厚度，di为中心轴的封胶厚度，d2为中心轴发光二极管镜片厚度，2么为经菲涅尔发光二极管镜片射出光线在X方向最高光强度一半处的角度，2^为经菲涅尔发光二极管镜片射出光线在Y方向最高光强度一半处的角度，2Lx为LED晶片在X方向的长度，2Ly为LED晶片在Y方向的长度，fg为菲涅尔发光二极管镜片的相当焦距，Ri为光源侧光学面的曲率半径，Rp为像侧菲涅尔光学面的聚光曲面曲率半径，D为菲涅尔发光二极管镜片在单一个菲涅尔光学面的最大半径。3、根据权利要求1所述的菲涅尔发光二极管镜片，其特征在于，所述光学镜片是由塑胶光学材料及玻璃光学材料中一种所制成。4、一种发光二极管组件，包含一根据权利要求1至3的任一项权利要求所述的菲涅尔发光二极管光学镜片、一电路板及多个发光二极管；其特征在于所述多个发光二极管以等间距直列排列组合于所述电路板上，所述每个发光二极管的中心与所述菲涅尔发光二极管光学镜片的菲涅尔光学面的中心连线所形成的中心轴彼此平行，且所述发光二极管组件具有接近圆形的光型，并满足以下条件0.8《k丄^1.25《其中，2么为经菲涅尔发光二极管镜片射出光线在X方向最高光强度一半处的角度，2^为经菲涅尔发光二极管镜片射出光线在Y方向最高光强度一半处的角度。5、根据权利要求4所述的发光二极管组件，其特征在于，所述发光二极管组件满足以下条件其中，OCi为第i个发光二极管发出光线的光通量，|>;为11个发光二极管发出光线的光通量的总和，(3为像侧相对100倍fs处不'著虑衰减因素的光线的光通量。专利摘要本实用新型是一种菲涅尔发光二极管(LED)镜片及其所构成的发光二极管(LED)组件，所述菲涅尔发光二极管镜片(LED)为一设有多个具有垂直环齿(draftwithverticalshape)的菲涅尔光学面的镜片，且各菲涅尔光学面相对于发光二极管的中心为直排状(linear)排列，并可对LED晶片发出的光线聚集并产生光强度(peakintensity)为均匀的接近圆形的光型(quasi-circledistributionpattern)，以满足光学特定条件；利用所述菲涅尔发光二极管镜片与对应的LED可组合成一发光二极管组件以当作发光光源，可供照明、手机闪光灯或相机闪光灯使用。文档编号F21Y101/02GK201401725SQ200920149308公开日2010年2月10日申请日期2009年4月8日优先权日2009年4月8日发明者徐三伟,陈翊民申请人:一品国际科技股份有限公司