LED投射装置的制作方法

本实用新型涉及一种发光二极管(LED)光源的投射装置，尤指一种运用改变发光角度的LED封装体投射近矩形光源的装置。

背景技术：

发光二极管(LED)是将电能转换成光能的发光装置，其具有省电、寿命长等优点，因此近年逐渐发展至被普遍用作照明用途。并用于配合摄像头或摄影机，增益照明作为补充光源。接着经过摄像头或摄影机采撷的图片或影片，普遍会于显示器中播放或观看，从智能手机、大屏幕电视、投影机到电影院播放几乎画面比例都逐渐扁平化；请参阅图10A-图10C所示，显示器的屏幕70的长宽比例为适应人眼视角，该长宽比例自4：3演变至16：9，但因为LED所提供光源所投射出的亮区71均为圆形，较难使得显示器的屏幕70有均匀的光线产生，请参阅图10A所示，若将LED光源亮区71全框住，会出现手电筒效应，画面均匀度不佳，四周出现大量暗区72，但充分利用发光效能；请参阅图10B所示，若仅取特定照度以上的亮区71，画面均匀度较佳，但仍有暗区72以及产生浪费的光源73，发光效能中等；请参阅图10C所示，若仅取光照以内的感光区域，画面均匀度最佳，但发光效能较差，浪费的光源73更多；因此，LED所提供的光源如未经过处理，会产生上述无法充分运用光源的问题。

因此，为了改善上述问题，现有技术针对补足LED光场(FOV，Field Of View) 有二种方式，请参阅图11所示，例如当使用四颗双列直插封装DIP(Dual Inline-pin Package)LED80时，为了补足光场，可将各双列直插封装LED80等圆心角的平均配置于同一基板上，并且将各双列直插封装LED80的二接脚81精准的剪角及精准的弯曲以取得所需的投射光源82角度，但因为工序复杂，质量不稳定的关系，很难精准控制；请参阅图12所示，当使用表面安装组件 SMD(Surface Mounted Devices)LED90时，因为所投射出的光源92均为同方向，而为了补足光场，需要在机构91上形成特定角度使得不同位置的SMD LED90 所投射出的光源92分别朝向所默认的位置以达到均匀投射的目的，但因为设计困难且浪费空间，额外还需加上使用线路与连接器，导致工序复杂且质量不稳定，同样很难精准控制。

此外，现有一种如中国台湾发明公告号I567329所述的具矩形光型之一次光学发光源，具有一基板、一LED芯片及一封装胶体，LED芯片设于基板，封装胶体包覆于LED芯片以将其固定，封装胶体的X轴向的剖面自基板依序具有一对第一弯折段、一对第二弯折段及一顶段，各第一弯折段为相对设置并自基板延伸而与第二弯折段接合，各第二弯折段亦为相对设置并与顶段的一端接合，且第一弯折段、第二弯折段及顶段分别为弧形，而封装胶体的Y轴向的剖面为弧形，其中X轴与Y轴相互垂直，且X轴与Y轴夹设形成的平面，是平行于基板供以设置LED芯片的平面。因此，LED芯片的光线透过该封装胶体射出而形成一矩形光型，以达到于点亮发光源时，即可形成指定的矩形照明光型；但因为封装体采用X轴与Y轴不对称的设计，因此模具相对较复杂，成本也较高。

因此，现有技术的LED投射装置，其整体构造存在有如前述的问题及缺点，实有待加以改良。

技术实现要素：

本发明人有鉴于现有技术的缺点及不足，本实用新型提供一种LED投射装置，其可采用单颗多芯片LED或多颗单芯片LED，由改变LED芯片于封装体内设置位置，达到所欲形成光场形状的目的。

为达上述的创作目的，本创作所采用的技术手段为设计一种LED投射装置，其包含：

一基板；

至少一LED封装体，其设于该基板，且各该至少一LED封装体包含：

至少一LED芯片，其设于该LED封装体内；

一封装透镜，该封装透镜包覆该至少一LED芯片；

一反射杯，该反射杯与该封装透镜相接合，且该至少一LED芯片设于该反射杯内；

一镜头，其一侧具有一电路板，该电路板平行于该基板设置；

其中，各该LED芯片的光线透过各该封装透镜呈一配合该镜头的影像角度投射而出形成一非圆形光型。

本实用新型的优点在于，由计算出各LED封装体的光线射出型态，搭配 LED封装体布局于基板上，创作制造出LED芯片的光线透过封装透镜呈一配合镜头的影像角度，进而投射出形成一近矩形光型，在创作的过程中可采用单颗 LED封装体具有多颗LED芯片亦或是多颗单LED芯片封装体，在不改变原有LED封装体外观的前提下，达到较佳的画面均匀度，减少画面四周暗区的面积，有效利用LED的效能。

进一步而言，所述的LED投射装置，其中各该封装透镜的外观为对称形状。

进一步而言，所述的LED投射装置，其中各该LED芯片于各该封装透镜内的位置偏离各该反射杯的中心位置。

进一步而言，所述的LED投射装置，其中当该至少一LED芯片的数量为偶数个时，该LED芯片的位置成对等距偏离各该反射杯的中心位置。

进一步而言，所述的LED投射装置，其中该镜头设于该基板上。

附图说明

图1为本实用新型立体外观图。

图2为本实用新型的镜头剖面图。

图3A-图3C为本实用新型的单颗多芯片LED投射光型示意图。

图4A-图4C为本实用新型的多颗单芯片LED投射光型示意图。

图5及图6为本实用新型的投射示意图。

图7A-图7D为本实用新型的光场图。

图8A-图8I为本实用新型的光源投射角度示意图。

图9A-图9B为本实用新型的计算式辅助示意图。

图10A、图10B、图10C、图11和图12为现有技术的示意图。

具体实施方式

以下配合图式及本实用新型的较佳实施例，进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段。

请参阅图1及图3A-图3C所示，本实用新型的LED投射装置包含一基板 10、至少一LED封装体20及一镜头30。

基板10在本实施例中为一印刷电路板PCB(Printed Circuit Board)。

请参阅图1、图2及图4A-图4C所示，镜头30一侧具有一电路板31，电路板31平行于基板10设置，在本实施例中，镜头30贯穿基板10且设于基板 10上，为一摄影机镜头30部份构造，镜头另包含一透镜32、一固定器33、一数字信号处理芯片34、一传感器35及一滤光片36，该数字信号处理芯片34、传感器35及滤光片36依序设置在电路板31上，且透镜32为一中空半弧体罩，其设在数字信号处理芯片34、传感器35及滤光片36外部，固定器33连接在透镜32与基板10之间；于本实施例中，可利用摄影机镜头30进行拍摄，其镜头通过透镜32、滤光片36接收影像，并由传感器35发送一数字讯号至数字信号处理芯片34，再由数字信号处理芯片34驱动屏幕显示画面，为现有技术的摄影机镜头30。

请参阅图1及图3A-图3C所示，LED封装体20设于基板10，且各LED 封装体20包含至少一LED芯片21、一封装透镜22及一反射杯23，在本实施例中，LED芯片21可为一般可见光LED亦或是红外光LED(IR LED)。

封装透镜22包覆LED芯片21，在本实施例中，封装透镜22的外观为对称形状，且用以将LED芯片21由密封剂黏固包覆于其中，并且以多次折射控制 LED芯片21发射光照角度。

反射杯23与封装透镜22相接合，且LED芯片21设于反射杯23内，在本实施例中，LED芯片21的光线透过封装透镜22呈一配合镜头30的影像角度投射而出形成一非圆形光型，所谓非圆形光型在本创作是朝向投射近矩形的形状； LED芯片21于封装透镜22内的位置偏离反射杯23的中心位置，当LED芯片 21的数量为偶数个时，LED芯片21的位置成对等距偏离各反射杯23的中心位置；在此详加说明，请参阅图3A所示，两颗LED芯片21所形成光场24变形成近椭圆形，请参阅图3B所示，四颗LED芯片21所形成椭圆形近矩形光场24，四角变形成较接近直角的形状，请参阅图3C所示，六颗LED芯片21所形成近矩形光场24，四角变形成更接近直角的形状，但不以此为限，其他数量的偶数 LED，均可依摆放空间左右对称设计。

请参阅图4A-图4C所示，为本实用新型的另一种实施例，当LED芯片21 的数量只有一个时，可由多颗LED封装体20采用左右成对偶数排列的方式，且LED芯片21偏离反射杯23的中心位置；当使用于摄影机40时，请参阅图 4A所示，二颗LED封装体20以中央镜头30十字标记为中心，成对等距偏离十字标记，LED芯片21所发出的光线向右射出达到垂直方向的被照物平面形成光场24，摄影镜头30以感光组件的比例为4:3、16:10或16:9的区域，摄影成像完整程序；请参阅图4B所示，四颗LED封装体20以中央镜头30十字标记为中心，成对等距偏离十字标记，LED芯片21所发出的光线向右射出达到垂直方向的被照物平面形成光场24，摄影镜头30以感光组件的比例为4:3、16:10或16:9的区域，摄影成像完整程序；请参阅图4C所示，六颗LED封装体20以中央镜头30十字标记为中心，成对等距偏离十字标记，LED芯片21所发出的光线向右射出达到垂直方向的被照物平面形成光场24，摄影镜头30以感光组件的比例为4:3、16:10或16:9的区域，摄影成像完整程序；由以上所述得知，随着 LED封装体20数量的增加及分布状态的改变，可以增加光场24的均匀程度。

请参阅图7A-图7D所示，在此针对上述单颗LED芯片21安装于反射杯23 中，以不同偏斜角度、不同出光视角以及不同数量的LED封装体20所投射出光场24做进一步说明；请参阅图7A及图7B所示，当同样使用两颗LED封装体20欲投射出矩形光场24时，以小出光视角且偏斜角度较大(图7A)的方式所投射出的光场24较以大出光视角且偏斜角度较小(图7B)的方式所投射出的光场 24所占有感光组件的面积较大较接近矩形，相对来说留在四周的暗区72较少；请参阅图7C及图7D所示，当同样使用四颗LED封装体20时，以大出光视角且偏斜角度较小(图7D)的方式所投射出的光场24较以小出光视角且偏斜角度较大(图7C)的方式所投射出的光场24所占有感光组件的面积较大较接近矩形，相对来说留在四周的暗区72较少，此外，四颗LED封装体20经排列所形成的光场24较两颗LED封装体20所形成的光场24又更接近矩形；由此可知，使用者可依据需求由改变LED封装体20的偏斜角度、出光视角及数量搭配出所需的光场24型态。

本发明的LED投射装置控制偏斜光场角度的方法，其中出光视角Va(View Angle)即半功率角、偏轴角度Voc(View Angle Off Axis)即最亮点与正中心的夹角，H(Height)即芯片到透镜顶端高度，Cs(Chip Scale)即芯片大小(宽度)，出光视角的参数由以下步骤的参数计算方法而求出：

步骤一：求出芯片Cs大小与出光视角Va大小的关系式。

因为芯片Cs大小会影响出光视角Va的大小，所以由先确定封装型式，选用三种LED芯片大小，均正常封装同一曲率的封装透镜22，利用数据得到一元二次方程式关系式的出光角比率Var1＝f(Cs)，举例来说，当LED芯片大小为 10mil、20mil及40mil时，经由数据结果求得关系式为：

Var1＝－0.0007×Cs²+0.06×Cs+0.4667。

步骤二：求出芯片位移量Ds大小与出光视角Va大小的关系式。

因为位移量Ds大小会影响出光视角Va的大小，所以由先确定封装型式，选用一种LED芯片大小，三种位移量，均正常封装同一曲率的封装透镜22，利用数据得到一元二次方程式关系式的出光视角比率Var2＝f(Ds)，举例来说，当 LED芯片大小为10mil，且位移量有0mm、0.4mm及0.8mm时，以Ds＝0的视角为100％，经由数据结果求得关系式为：

Var2＝0.3125×Ds²－0.875×Ds+1。

步骤三：求出LED芯片21到封装透镜22顶端高度H与出光视角Va大小的关系式。

因为LED芯片21到封装透镜22顶端高度H会影响出光视角Va的大小，所以由先确定封装型式，选用一种LED芯片大小，三种LED封装体20高度，利用数据得到一元二次方程式关系式的出光视角Va＝f(H)，举例来说，当LED 芯片大小为10mil，且LED封装体20高度有1.3mm、1.9mm及2.8mm时，以 Ds＝0，经由数据结果求得关系式为：

Va＝－44.444×H²+108.89×H+83.556。

步骤四：将步骤一至步骤三的关系式整理可得出：Va＝f(H)×f(Cs)×f(Ds)。

请参阅图9A、图9B所示，欲将LED芯片21所发出的光源达到近似理想散射(Lambertian reflectance)的结果，是根据各个方向发光强度的比例，再试算出整体光源的偏轴角度Voc调整而成；而本发明的LED投射装置控制偏斜光场角度的方法，以LED芯片21设置于对称支架内(如图9A)，不对称的放置于支架上(如图9B)，其中偏轴角度Voc的参数由以下步骤及参数计算方法而求出：

步骤一：算出透镜曲率(R)角。

用LED芯片到封装透镜顶端高度(H)和透镜底部与基材50接触的圆半径(a) 算出透镜曲率(R)角，其关系式为：

R＝(H²+a²)/2H。

步骤二：算出透镜的入射角(θ1)。

LED芯片21位移后正向光射出透镜时，与透镜的入射角θ1，其由下述公式所求出：θ1＝Asin(Ds/R)。

根据snell's law：n1sinθ1＝n2sinθ2。

Voc＝Asin(1.5sinθ1)。

请参阅图8A-图8I所示，依据前述计算所得出的结果可分为三大类，当半功率角(2θ1/2)等于60度的状态下，可从图8A至图8C的图示得知，偏轴角度越大，也等同LED芯片21位移量Ds越多，则所投射出的光源25也就越倾斜，同样的情形当半功率角(2θ1/2)等于90度及120度的状态下，可从图8D至图8F 以及图8G至图8I得知，偏轴角度越大，也等同LED芯片21位移量Ds越多，则所投射出的光源25也就越倾斜。

本实用新型使用时，由前述的方法计算统整出不同的LED芯片21位移量及不同的封装透镜22型态所产生不同角度及范围的光源25，如图8A至图8I，从中选择合适的规格组合与数量的LED芯片21，搭配LED封装体20布局于基板10上，设计出LED芯片21的光线透过封装透镜22呈一配合镜头30的影像角度，进而投射出形成一近矩形光型，在设计的过程中可采用单颗LED封装体 20具有多颗LED芯片21亦或是多颗单LED芯片21的LED封装体20，达到较佳的画面均匀度，减少画面四周暗区72的面积。

前述过程中，由于各封装透镜22的外观为对称形状，即采用原有模具即可达到改变光场24的设计，具有简省成本的功效。

前述过程中，请参阅图4所示，在同一片基板10上，透过LED封装体20 所发出具有一定角度的光，即可构建所欲形成的光场24形状，达到制程工序及整体结构更简单的目的。

前述过程中，请参阅图5所示，在同一片基板10上，当LED封装体20为表面安装组件(SMD，Surface Mount Devices)LED时，透过LED封装体20所发出具有一定角度的光，即可构建所欲形成的光场24形状，相较于图9A、图9B 所示的现有技术，不需透过弯折或分割基板10即可构建所欲形成的光场24形状，达到制程工序及整体结构更简单的目的。

以上所述仅是本实用新型的优选实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。