专利名称：一种镜体及应用镜体的均匀发光的发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种镜体及应用该镜体的发光二极管，应用于发光、照明系统，特别是一种可均匀发光的发光二极管。
背景技术：
一般传统的发光二极管10，请参阅图1A，是将发光二极管芯片12用透镜11封装，最常见的透镜形状如图中所示，透镜11为半球体，可将发光二极管芯片12所发出的光线予以集中，其发光型态(发出光线的方向)，将局限在光轴13附近的部分。由于其能量较为集中，因此在面光源的应用中，必须借助导光板14的作用，来改善均匀性的问题。但是，如果把发光二极管10直接布在导光板下方，因为发光二极管10发光面积相当小，故需要相当多个的发光二极管10；因此，一般多是用侧光式的架构来达到面光源所需的均匀性，如图1B所示。然而，因为发光二极管10只能在导光板14的边缘提供光能量，因此当面光源面积较大时，其中间部分距离旁边的发光源距离便会加大，因而利用全反射传达到中间的光能量便会随着面积的加大而越显不足，使得面光源的面积大小会有一定的限制。
为了克服这样的问题，前案如美国专利公告第6,679,621号专利，利用特殊的透镜外型设计，使发光二极管顶面出射的光线全反射、侧面出射的光线折射，而都以垂直于光轴的平行光向外出射。如此一来，在平面光源的建构当中，则可将发光二极管置于导光板的中间，而不需要局限于导光板的边缘。因此当面光源面积加大时，发光面上(导光板)便不会因为和光源的距离太远而出现光能量不足的区域的问题。但是，因为是通过光线全反射与折射的设计，故整体的发光效率会受到面光源系统内部多次反射、折射的损耗影响而降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种镜体及应用该镜体的均匀发光的发光二极管，可直接提供大范围均匀的发光面积，可直接应用于面光源系统，并大幅降低发光二极管的使用数量、节省成本。
因此，为达上述目的，本发明所公开的镜体及应用该镜体的均匀发光的发光二极管，其将镜体(lens)的部分设计在作用面上且位于光轴周边具有下凹的发散面，可将靠近光轴附近集中发出的光线予以折射发散而远离光轴，使发光二极管能够提供均匀且大范围的发光面积。本发明所提供的第一实施例，包含有基板、发光二极管芯片及镜体，镜体用封装的方式结合于基板上，并覆盖住发光二极管芯片，镜体上包含有光轴周边的发散面以及紧邻的聚光面，通过发散面将靠近光轴附近的光线予以发散远离光轴，聚光面将大角度的光线聚光而较靠近光轴，使发光二极管能在较大范围面积内提供均匀的光线。
本发明的第二实施例，将镜体设计成底部具有凹槽，直接结合于基板，并利用凹槽罩于发光二极管芯片上。
本发明的第三实施例，更进一步将镜体底部凹槽设计为配合一般传统发光二极管的顶面，而可直接套设结合于现有的发光二极管。
本发明的第四实施例，可将镜体利用菲涅耳透镜(Fresnel lens)形式呈现，等效透镜与前述相同，而可缩小整体的厚度，提高应用的范围。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1A为现有发光二极管及其发光型态的示意图；图1B为现有背光模块的示意图；图2为本发明发光二极管的第一实施例示意图；图3为本发明发光二极管光强度分布图；图4为本发明发光二极管发光面积的比较图；图5为本发明发光二极管的第二实施例示意图；图6为本发明发光二极管的第三实施例示意图；图7为本发明发光二极管的第四实施例示意图；图8为本发明的应用例图；图9A、图9B至图12A、图12B为仿真验证的实验数据例图。
其中，附图标记如下
10-发光二极管11-透镜12-发光二极管芯片13-光轴14-扩散板20-发光二极管21-基板22-发光二极管芯片23-镜体24-光轴25-发散面26-聚光面30-镜体31-凹槽32-发散面33-聚光面40-镜体41-凹槽42-表面61-背光模块外框62-扩散板70-屏幕d1-距离d2-高度差H-高度具体实施方式
根据本发明所公开的镜体及应用该镜体的均匀发光的发光二极管，因为现有发光二极管在光轴附近的光强度过于集中，因此将邻近于光轴区域附近的光线加以发散，请参阅图2、图3，为本发明的第一实施例，包含有基板21、发光二极管芯片22、镜体(lens)23，发光二极管芯片22设置于基板21上，镜体23以封装的方式结合于基板21上，并覆盖于发光二极管芯片22，而镜体23表面邻近于光轴24周边具有一凹处而形成发散面25，而发散面25外侧为聚光面26；且发散面25的厚度由光轴24向外依序递增，而聚光面26的厚度则由最高点向外依序递减，并且维持整个镜体23上表面的作用面仍为连续的曲面，此处所谓的作用面，意旨位于镜体23上方表面，供发光二极管芯片22所发出的光线通过折射，且具有一定光强度的范围内的表面，通过此作用面的光线，可以得到较大面积且均匀的光线，故作用面并不一定指整个镜体23上表面，可能仅为上表面的一部份，此作用面的大小依据镜体23的宽度、高度以及发光二极管芯片22的种类而会有所不同。发光二极管芯片22所发出的光线通过发散面25，通过发散面25的设计使其朝向远离于光轴24的方向偏折，而通过聚光面26的光线则会受到偏折而朝向靠近光轴24的方向发射，因此，可使得在一定区域的范围内的光线较为均匀分布，其光强度分布图如图4所示，使得最大光强度分布的区域由光轴24附近向外移动，使得整体发光区域变大且均匀化。其中，最大光强度分布的距离，可通过镜体23表面的高点与光轴24的距离d1，配合发散面25的低点与前述高点的高度差d2来加以调整，常见的设计，镜体23多半设计为以光轴24为对称的圆柱体，如此，则发散面25与光轴24的交接处为最低点。且其中距离d1与高度差d2可通过镜体的折射率、温度系数、厚度、高度以及所配合的发光二极管芯片、所欲达到的均匀发光面积来调整。
因为发散面25用来发散集中于光轴24附近的光，故设计以凹面的曲面较佳，但是也可同时混合有凹面与凸面，形成曲面与反曲面的结合，而聚光面26用来聚集大角度的光线，故以凸面的曲面较佳。如图4所示，本发明的发光二极管20与现有技术的发光二极管10的比较，相同将光线打在距离H的屏幕70上，本发明的发光二极管20可具有较大且均匀的发光范围。
请参阅图9A、图9B，为本发明第一个实验数据例图，由此可达到均匀发光面积约为距光轴中心33mm的位置，因为发光二极管芯片距离为30mm，故可求算出半张角为47.7度。同理，如图10A、图10B，其半张角为53.8度，图1lA、图11B，其半张角为67.4度，而图12A、图12B，其半张角为72.3度。因此，通过本发明的设计，确实可以使半张角调整扩大至45至75度。
另一方面，本发明所公开的第二实施例，请参阅图5，将镜体30设计为一罩体的形式，表面同样具有发散面32以及聚光面33，底部具有凹槽31，凹槽31大于发光二极管芯片22，当镜体30结合于基板21，而可通过凹槽31罩于发光二极管芯片22，也可使其提供大面积的均匀发光面积。
本发明的第三实施例，请参阅图6所示，将凹槽31设计为配合现有的发光二极管10的外型，而可直接结合于现有发光二极管10上，使用上较为便利，然而因为多了一次折射，发光效率将略微降低。
本发明的第四实施例，请参阅图7，镜体40表面以菲涅耳透镜(Fresnellens)形式的表面42，底部同样具有可以容置发光二极管芯片22的凹槽41，菲涅耳透镜(Fresnel lens)形式的表面42的等效镜面与前述镜体23相同(见图2)，将可使整体发光二极管厚度缩小，提高应用的范围。
如图8所示，为本发明的应用例图，将多个发光二极管20布于背光模块外框61上，顶面结合扩散板62，而可应用于背光模块，因为发光二极管20具有较佳的均匀性及发光范围，因此与现有设计相比较，可在相同的背光模块厚度下降低发光二极管20的使用量，且较不易有光点集中的现象。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种镜体，其特征在于，为圆对称结构且其作用面为连续的曲面，所述作用面的表面中央为一凹处而定义为一发散面，所述发散面外侧为一聚光面，所述发散面的厚度由内侧朝外依序增加，而所述聚光面则由内侧朝外依序减少。
2.根据权利要求1所述的镜体，其特征在于，所述发散面为曲面与反曲面的组合。
3.根据权利要求1所述的镜体，其特征在于，所述聚光面为一凸面。
4.一种均匀发光的发光二极管，其特征在于，包含有一发光二极管芯片，具有一光轴；以及一镜体，为圆对称结构且覆盖于所述发光二极管芯片，其作用面为连续的曲面，邻近于所述光轴的作用面为一凹处而定义为一发散面，所述发散面外侧为一聚光面，所述发散面的厚度由内侧朝外依序增加，所述聚光面则由内侧朝外依序减少，使所述发光二极管芯片所发射的光线通过所述发散面而折射远离所述光轴发散、通过所述聚光面而靠近所述光轴聚光。
5.根据权利要求4所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管芯片通过所述镜体的均匀发光范围的半张角为45度至75度。
6.根据权利要求4所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述发散面的最低点恰位于与所述光轴的交接处。
7.根据权利要求4所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述发散面为曲面与反曲面的组合。
8.根据权利要求4所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述聚光面为一凸面。
9.一种均匀发光的发光二极管，其特征在于，包含有一基板；一发光二极管芯片，设于所述基板上，具有一光轴；以及一镜体，底部具有一可罩于所述发光二极管芯片的凹槽，结合于所述基板，并利用所述凹槽覆盖于所述发光二极管芯片，所述镜体的作用面为连续的曲面，而邻近于所述光轴的作用面为一凹处而定义为一发散面，而所述发散面外侧为一聚光面，所述发散面的厚度由内侧朝外依序增加，而所述聚光面则由内侧朝外依序减少，使所述发光二极管芯片所发射的光线通过所述发散面而折射远离所述光轴发散、通过所述聚光面而靠近所述光轴聚光。
10.根据权利要求9所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管芯片通过所述镜体的均匀发光范围的半张角为45度至75度。
11.根据权利要求9所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述发散面的最低点恰位于与所述光轴的交接处。
12.根据权利要求9所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述发散面为曲面与反曲面的组合。
13.根据权利要求9所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述聚光面为一凸面。
14.一种均匀发光的发光二极管，其特征在于，包含有一发光二极管模块，具有一光轴；以及一镜体，底部具有一凹槽，利用所述凹槽结合于所述发光二极管模块顶部，所述镜体的作用面为连续的曲面，而邻近于所述光轴的作用面为一凹处而定义为一发散面，而所述发散面外侧为一聚光面，所述发散面的厚度由内侧朝外依序增加，而所述聚光面则由内侧朝外依序减少，使所述发光二极管模块所发射的光线通过所述发散面而折射远离所述光轴发散、通过所述聚光面而靠近所述光轴聚光。
15.根据权利要求14所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，一发光二极管芯片通过所述镜体的均匀发光范围的半张角为45度至75度。
16.根据权利要求14所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述发散面的最低点恰位于与所述光轴的交接处。
17.根据权利要求14所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述发散面为曲面与反曲面的组合。
18.根据权利要求14所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述聚光面为一凸面。
19.一种均匀发光的发光二极管，其特征在于，包含有一基板；一发光二极管芯片，设于所述基板上，具有一光轴；以及一镜体，形成于所述基板，并覆盖于所述发光二极管芯片，且表面为菲涅耳透镜形式，其等效镜面为镜体的作用面为连续的曲面，而邻近于所述光轴的作用面为一凹处而定义为一发散面，所述发散面外侧为一聚光面，所述发散面的厚度由内侧朝外依序增加，而所述聚光面则由内侧朝外依序减少，使所述发光二极管芯片所发射的光线通过所述发散面而折射远离所述光轴发散、通过所述聚光面而靠近所述光轴聚光。
20.根据权利要求19所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管芯片通过所述镜体的均匀发光范围的半张角为45度至75度。
21.根据权利要求19所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述发散面的最低点恰位于与所述光轴的交接处。
22.根据权利要求19所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述发散面为曲面与反曲面的组合。
23.根据权利要求19所述的均匀发光的发光二极管，其特征在于，所述聚光面为一凸面。
全文摘要
本发明涉及一种镜体及应用该镜体的均匀发光的发光二极管，是在镜体的光轴周边设计下凹而形成发散面，且该镜体上表面的作用面仍维持连续的曲面，而可将发光二极管靠近光轴附近的高光强度分布的光线，以折射的方式加以发散而远离光轴，使发光二极管发出较大面积且均匀分布的光线。
文档编号G02B3/02GK1808728SQ20051000250
公开日2006年7月26日 申请日期2005年1月20日 优先权日2005年1月20日
发明者黄添富, 苏哲暐, 胡国昌 申请人:财团法人工业技术研究院