光学元件及光学模块的制作方法

本发明是关于一种光学元件及光学模块。

背景技术：

一般的发光二极管封装体的发光角度是固定的(例如：大约为120度左右)，为了满足各种不同发光模块对于光学特性的需求，制造商通常会在发光二极管封装体上方覆盖一个二次光学透镜，用以调整发光二极管封装体所放射的光形。

一般来说，传统的二次光学透镜为反射式透镜，当发光二极管封装体的光线通过反射式透镜的入光面折射至全反射面时，大部分的光线会形成全反射，再由出光面折射出透镜本体。由于全反射面的作用是让光线在透镜本体的光线入射角满足全反射定律，因此透镜的正上方亮度过低，容易变成凹陷的暗点(darkspot)。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明是提供一种光学元件，其目的在于增加光学元件正上方的亮度，以避免暗点产生。

本发明的一实施方式提供了一种光学元件，其包含底面、反射面、凹部、第一出光面、第二出光面以及底部侧面。反射面位于底面上方。凹部由底面朝反射面凹陷。第一出光面、第二出光面和底部侧面分别由上而下连续地连接反射面和底面。第一出光面的曲率半径大于底部侧面的曲率半径，且底部侧面的曲率半径大于第二出光面的曲率半径。此光学元件具有一中心轴，且第一出光面、第二出光面和底部侧面相对于中心轴呈旋转对称。

在本发明的一些实施方式中，底面具有一虚拟共平面位于凹部下方，且中心轴与虚拟共平面相交于一交点。反射面具有至少一第一凸部结构，且第一凸部结构至交点的连线与中心轴定义出一夹角，此夹角介于5至25度之间。

在本发明的一些实施方式中，第一凸部结构的曲率半径为0.2mm至2mm。

在本发明的一些实施方式中，反射面朝底面内凹。

在本发明的一些实施方式中，第二出光面具有至少一第二凸部结构，且第二凸部结构的曲率半径为0.3mm至1mm。

本发明的另一实施方式提供了一种光学元件，其包含底面、反射面、凹部、第一出光面、第二出光面以及底部侧面。反射面位于底面上方。反射面具有至少一第一凸部结构，且第一凸部结构的曲率半径为0.2mm至2mm。凹部由底面朝反射面凹陷。第一出光面、第二出光面和底部侧面分别由上而下连续地连接反射面和底面。光学元件具有一中心轴，且第一出光面、第二出光面和底部侧面相对于中心轴呈旋转对称。中心轴与底面的虚拟共平面相交于一交点。第一凸部结构至交点的连线与中心轴定义出一夹角，此夹角介于5至25度之间。

在本发明的一些实施方式中，反射面朝底面内凹。

在本发明的一些实施方式中，第一出光面的曲率半径大于底部侧面的曲率半径，且底部侧面的曲率半径大于第二出光面的曲率半径。

在本发明的一些实施方式中，第二出光面具有至少一第二凸部结构，且第二凸部结构的曲率半径为0.3mm至1mm。

本发明的又一实施方式提供了一种光学模块，其包含驱动基板、发光元件以及如上所述的光学元件。发光元件设置于驱动基板上。光学元件设置于驱动基板上，且凹部用以容置发光元件。

以上所述仅是用以阐述本发明所欲解决的问题、解决问题的技术手段及其产生的功效等等，本发明的具体细节在下文的实施方式及相关附图中详细介绍。

附图说明

图1为本发明一实施方式的光学元件的立体示意图；

图2为本发明一实施方式的光学元件的剖面示意图；

图3为本发明一实施方式的图2中区域r的放大示意图；

图4为本发明一实施方式的光学元件的侧视图；

图5为本发明一实施方式的光学模块的剖面示意图；

图6为本发明一比较例的光学模块的剖面示意图；

图7为本发明一实验结果的亮度分布曲线的对照图；

图8a为本发明一实施方式的光斑影像图；

图8b为本发明一比较例的光斑影像图。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有词汇(包括技术和科学术语)具有其通常的意涵，其意涵是能够被熟悉此领域者所理解。更进一步的说，上述的词汇在普遍常用的字典中的定义，在本说明书的内容中应被解读为与本发明相关领域一致的意涵。除非有特别明确定义，这些词汇将不被解释为理想化的或过于正式的意涵。

以下将以附图揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，熟悉本领域的技术人员应当了解到，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节并非必要的，因此不应用以限制本发明。此外，为简化附图起见，一些习知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示之。另外，为了便于读者观看，附图中各元件的尺寸并非依实际比例绘示。值得注意的是，本文所述的“一数值为a至”除了代表该值可为大于a且小于b的任意值，亦代表该值可等于a或等于b。

图1为本发明一实施方式的光学元件10的立体示意图。图2为本发明一实施方式的光学元件10的剖面示意图。请同时参照图1及图2，光学元件10包含一体成型的底面110、反射面120、凹部130、第一出光面150、第二出光面160以及底部侧面170。具体来说，光学元件10具有一中心轴180，且底面110、反射面120、凹部130、第一出光面150、第二出光面160和底部侧面170相对于中心轴180皆呈旋转对称。在多个实施例中，光学元件10的材质为透光塑料，例如可为聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，pmma)、聚碳酸酯(polycarbonate，pc)或者聚苯乙烯(polystyrene，ps)等，但不以此为限。于本实施方式中，光学元件10的折射率为1.45至1.65。可以理解的是，本实施方式的光学元件10为一种反射式透镜。应注意，于本实施方式中，第一出光面150及第二出光面160可以是曲面折射面。

反射面120位于底面110上方。在某些实施例中，反射面120朝底面110的方向内凹，其剖面轮廓大致呈倒三角形。应注意，于本实施方式中，反射面120为全反射面。

图3为本发明一实施方式的图2中区域r的放大示意图。请参阅图3，在多个实施例中，反射面120具有至少一第一凸部结构122。在一实施例中，第一凸部结构122的数量可以为一个、两个、三个、四个或五个不等，可依需求而设计。更详细的说，各个第一凸部结构122的曲率半径为0.2mm至2mm，例如可为0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.0mm、1.3mm、1.5mm、1.7mm或1.9mm。值得注意的是，当反射面120具有多个第一凸部结构122时，每个第一凸部结构122的曲率半径可以相同或不同。须说明的是，任两相邻的第一凸部结构122之间的间距可以相同或不同。如图3所示，第一凸部结构122是由反射面120朝中心轴180的方向凸出。在反射面120上设置这种第一凸部结构122主要在于破坏部分反射面120的全反射机制，进而能够提高光学元件10的中心轴180附近的亮度。

请回到图1及图2，凹部130由底面110朝反射面120的方向凹陷，以形成一容置空间。在多个实施例中，凹部130包含第一入光面132及第二入光面134。第一入光面132位于底面110与第一出光面120之间，且大致与底面110平行。第二入光面134则连接第一入光面132和底面110。在某些实施例中，底面110具有一虚拟共平面p位于凹部130下方。此虚拟共平面p是指延伸自底面110的假想平面，且此假想平面与底面110为共平面。

在多个实施例中，中心轴180与虚拟共平面p相交于一交点o，且第一凸部结构122至交点o的连线与中心轴180定义出一夹角，此夹角介于5至25度之间。这样的设计，可以破坏部分反射面120的全反射机制，使得部分的光线朝光学元件10上方折射出去。

第一出光面150、第二出光面160和底部侧面170分别由上而下连续地连接反射面120和底面110。在多个实施例中，第一出光面150的曲率半径大于底部侧面170的曲率半径，且底部侧面170的曲率半径大于第二出光面160的曲率半径。举例来说，第一出光面150的曲率半径可以为15mm至80mm，例如为20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm或75mm。举例来说，第二出光面160的曲率半径可以为25mm至50mm，例如为30mm、35mm、40mm或45mm。举例来说，底部侧面170的曲率半径可以为8mm至20mm，例如为10mm、12mm、14mm、15mm、16mm或18mm。于本实施方式中，将光学元件10设计成这种三段式出光曲面，且每一段出光曲面皆具有不同的曲率半径，可以增加光线的出光角度。

图4为本发明一实施方式的光学元件10的侧视图。请参阅图4，在某些实施例中，光学元件10的第二出光面160还可具有至少一第二凸部结构162，且第二凸部结构162的曲率半径为0.3mm至1mm。在一实施例中，第二凸部结构162的数量可以为一个、两个、三个、四个或五个不等，可依需求而设计。值得注意的是，当第二出光面160具有多个第二凸部结构162时，每个第二凸部结构162的曲率半径可以相同或不同。须说明的是，任两相邻的第二凸部结构162之间的间距可以相同或不同。在第二出光面160上设置这种第二凸部结构162能够改变光线的折射角度，进而使光线射出光学元件10的角度变大。

图5为本发明一实施方式的光学模块20的剖面示意图。请参阅图5，光学模块20包含驱动基板210、发光元件220以及如前文所述的光学元件10。在多个实施例中，驱动基板210可以为电路板，但不以此为限。

发光元件220设置于驱动基板210上。可以理解的是，发光元件220设置于驱动基板210上，并可受驱动基板210上的驱动电路(未示于图中)驱动而发光。在一实施例中，发光元件220具有发光顶面221以及发光侧面222。发光侧面222邻接发光顶面221与驱动基板210，且发光元件220的发光顶面221与发光侧面222均可供发光元件220的光线向外放射。在多个实施例中，发光元件220为发光二极管，例如封装后的发光二极管封装结构或是裸晶式的发光二极管晶片，但本发明并不以此为限。上述的发光二极管可为白光发光二极管晶片、红光发光二极管晶片、绿光发光二极管晶片、蓝光发光二极管晶片或紫外光发光二极管晶片，但本发明不以此为限。

光学元件10设置于驱动基板210上，且凹部130用以容置发光元件220。有关光学元件10的材料及其他细部特征可与前文关于图1至图4所述的光学元件10相同或相似，在此不再赘述。可以理解的是，光学元件10覆盖在发光元件220上方，用以接收发光元件220发出的光线，并改变光线的行进路径，以产生所需的光形。举例来说，光学元件10可扩散发光元件220发出的光线。

图6为本发明一比较例的光学模块30的剖面示意图。为了便于比较与上述各实施方式的相异处并简化说明，在下文的各实施例中使用相同的符号标注相同的元件，且主要针对各实施方式的相异处进行说明，而不再对重复部分进行赘述。光学模块30包含驱动基板210、发光元件220以及光学元件10”。须说明的是，光学元件10”与光学元件10的不同之处有以下两点：1.光学元件10”的全反射面320上不具有如前文所述的第一凸部结构的特征。2.光学元件10”仅包含两段式出光面，亦即，如图6所示的第一出光面340及第二出光面350。关于第1点，由于光学元件10”的全反射面320上不具有第一凸部结构，因此，光线无法从光学元件10”的正上方射出，进而容易产生暗点的现象。关于第2点，光学元件10”的第一出光面340为一线性折射面而非曲面折射面，使得光线射出的角度受限。。

图7为本发明一实验结果的亮度分布曲线的对照图。如图7所示，横轴代表离光学元件中心轴的距离，纵轴代表发光亮度，曲线a为采用本发明的光学元件10的光学模块20的亮度分布曲线，而曲线b为本发明比较例的光学模块30的亮度分布曲线。从曲线a与曲线b可得知，曲线a在靠近中心轴部分的亮度明显升高，即代表了采用本发明的光学元件10的光学模块20，其中心正上方有改善暗点的现象；相对地，曲线b在靠近中心轴部分的亮度有明显下降，即代表本发明比较例的光学模块30中心正上方有暗点产生的现象。由此可知，本发明实施方式的光学元件10确实可改善光学模块20中心正上方暗点的问题。

图8a为本发明一实施方式的光斑影像图。图8b为本发明一比较例的光斑影像图。具体的说，图8a是采用本发明的光学元件10的光学模块20的上视光斑影像图，而图8b为本发明比较例的光学模块30的上视光斑影像图。由图8a及图8b可看出，采用本发明的光学元件10的光学模块20可以提升中心部分的亮度，反观本发明比较例的光学模块30的中心部分产生了暗点的现象。

综上所述，本发明的光学元件应用于光学模块中可以提高其中心部分的亮度，进而改善先前技术的中心暗点的现象。

本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明的内容，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。