專利名稱：局部微結構光學透鏡以及具有該光學透鏡的發光模塊的制作方法
技術領域：
本創作為ー種局部微結構光學透鏡，尤指ー種于一光學透鏡上的一入光面局部性地設有多個微結構，進ー步減少射入的光功率損耗以提升照明效果的局部微結構光學透鏡。
背景技術：
隨著安全防護行業不斷的發展，用戶對于晝夜24小時監控的需求也愈發的強烈，但是由于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管IR-LED (Epoxy-moldedlamp, 0 5,の8-)、第二代的陣列式紅外線發光二極管、甚至到高功率紅外線鐳射ニ極管IR-LASER,例如由垂直腔面射型儀射(VerticalCavity Surface Emitting Laser ;簡稱VCSEL)所構成的點陣式紅外線垂直腔面射型鐳射陣列光源，各種不同的解決方案在短短的幾年間被開發并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潛在發展潛力。由于點陣式紅外線發光二極管IR-LED的散熱易處理及制作材料不同，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管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管IR-LED的應用，由于IR-LED具有大角度發光的特性，其照射范圍廣、角度大、但卻不夠遠，因此大致僅能投射到10_50米左右的距離，并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ニ極管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并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，高功率紅外線鐳射ニ極管IR-LASER(例如但不局限于:垂直腔面射型鐳射VCSEL)也被開發出來以滿足100米以上的應用。但是采用現有鐳射的方案也有一些問題需要克服；譬如光形的不均勻性及鐳射光斑的形成等，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鐳射ニ極管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，因此若要保持鐳射在紅外線照明應用的優勢，則光場的均勻性及鐳射光斑的問題勢必需要同時獲得解決。由于點陣式紅外線發光二極管IR-LED發散角大于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；然而鐳射的發散角度小，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，可以有效地降低模塊的尺寸及透鏡的用料成本。有鑒于此，若于現有紅外線鐳射ニ極管(IR-VCSEL光源)搭配現有用于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采用全霧化聚光透鏡的設計，雖然能有效解改善光場分布不均勻與光斑的光特性的問題，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。至于采用為全面性的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，則比全透光透鏡的光功率損耗大幅減少至6%，如此不僅保持高功率紅外線鐳射ニ極管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，并且有效改善光場分布不均與光斑的光特性，有效的提升照明效果以符合照明的應用。
發明內容本創作的主要目的在于提供ー種局部微結構光學透鏡，利用于該光學鏡片的一入光面上局部性地設置多個微結構以提供ー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的目的。ー種局部微結構光學透鏡，其結合于ー發光元件的一投射面上，其包括有:一出光面、以及一入光面。該出光面為ー圓凸狀表面。該入光面與該出光面相對應，并位于該發光元件的一光路徑上。該入光面上設有多個陣列排列的微結構，且各別的兩微結構間分別間隔ー預設距離。ー種局部微結構光學透鏡，其結合于ー發光元件的一投射面上，其包括有:一出光面，為ー圓凸狀表面；以及一入光面，與該出光面相對應，并位于該發光元件的一光路徑上；該入光面上設有多個陣列排列的微結構，且各別的兩微結構間分別間隔ー預設間距。該發光元件為下列其中之一:發光二極管、垂直腔面射型鐳射元件、水平面射型鐳射元件、或小角度發光二極管元件；并且，該入光面為非球狀表面或平面。所述微結構是:陣列排列的多個霧化區域或多個透鏡陣列所構成；并且，所述微結構各別的ニ維輪廓外形是:圓形、四方形、六角形或多邊形。該多個微結構在該入光面上所占據的面積相對于整個該入光面表面面積的比例是 30% 70%。多個該微結構在該入光面上所占據的面積相對于整個該入光面表面面積的比例是 40% 50%。當所述微結構的外形為圓形時，其直徑為500 ym，且各別兩微結構中心點相隔距離為750 u m。—種具有局部微結構光學透鏡的發光模塊，包括有:一發光兀件，具有一投射面；一光學透鏡，其包括有:一出光面、以及一入光面；其中，該入光面與該出光面相對應，并位于該發光兀件的一光路徑上；該入光面上設有多個陣列排列的微結構，且兩微結構之間分別間隔ー預設間距。該發光元件為下列其中之一:發光二極管、垂直腔面射型鐳射元件、水平面射型鐳射元件、或小角度發光二極管元件；并且，該光學透鏡的該入光面為非球狀表面或平面；該出光面為ー圓凸狀表面；所述微結構是:陣列排列的多個霧化區域或多個透鏡陣列所構成；所述微結構各別的外形是:圓形、四方形、六角形或多邊形。[0018]多個該微結構在該入光面上所占據的面積相對于整個該入光面表面面積的比例 是 30% 70%。[0019]當所述微結構的外形為圓形時，其直徑為500 μ m，且各別兩微結構中心點相隔距 離為750 μ m。[0020]通過該些微結構將該發光元件所投射的光線經由該出光面二次光學投射后達到 提高光效率，并且有效改善光場分布不均與光斑的目的。
[0021]圖1為本創作具有局部微結構光學透鏡的發光模塊的立體分解示意圖。[0022]圖2為本創作局部微結構光學透鏡的仰視圖。[0023]圖3為本創作局部微結構光學透鏡的剖面示意圖。[0024]圖4為本創作局部微結構光學透鏡的微結構示意圖。[0025]圖5為本創作具有局部微結構光學透鏡的發光模塊的組合剖面示意圖。[0026]附圖標記說明[0027]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_發光兀件；91_投射面；100_具有該局部微結構光學透鏡的發光模塊。
具體實施方式
[0028]為了能更清楚地描述本創作所提出的局部微結構光學透鏡以及具有該局部微結 構光學透鏡的發光模塊，以下將配合圖式詳細說明的。[0029]請參閱圖1、圖2、圖3、圖4、以及圖5所示，圖1為本創作具有局部微結構光學透 鏡的發光模塊的立體分解示意圖。圖2為本創作局部微結構光學透鏡的仰視圖。圖3為本 創作局部微結構光學透鏡的剖面示意圖。圖4為本創作局部微結構光學透鏡的微結構示意 圖。圖5為本創作具有局部微結構光學透鏡的發光模塊的組合剖面示意圖。[0030]于本創作實施例中，該局部微結構光學透鏡I具有一凹槽10的光學透鏡，覆蓋于 一發光元件9的一投射面91，并結合于一電路板8之上，其包括有:一出光面11、以及一入 光面12。該凹槽10內的底面設為該入光面12，且與該局部微結構光學透鏡I外側的該出 光面11相對應。該凹槽10用以容置該發光兀件9,且該入出光面12于該發光兀件9的一 光路徑5上，該發光元件9的該投射面91與該入光面12之間具有一預設距離t。該發光元 件9可以是下列其中之一:發光二極管(LED)、垂直腔面射型鐳射(VCSEL)元件、水平面射型 鐳射(HCSEL)元件、或小角度發光二極管(RCLED)元件。[0031]于本創作實施例中，該出光面11為一圓凸表面，且該出光面11具有將通過該入光 面12而發散的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的曲面折射 弧度，將輸出的照明光收斂于一預定角度內，進一步提升光照明效率。該入光面12為非球 狀表面，其設有局部性地覆蓋于該入光面12表面上的多個陣列排列的微結構121，且各別 的兩微結構121間隙分別間隔一預設間距d。換句話說。該入光面12并非完全被微結構 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的其他表面部分為全透光狀態。通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所投射的光線中的局部光線加以發散后(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 二次光學投射后達到提高光效率的目的。該些微結構121可以是:陣列排列的多個霧化 區域、或多個微透鏡陣列其中之一所構成。該些微結構121各別的二維輪廓外形可以是:圓 形、四方形、六角形、或多邊形其中之一。如圖4所示，于本創作較佳實施例中，以通過磨砂、 噴砂或放電加工的方式將該入光面12上相互間隔的該些微結構121各自形成圓形的霧化 區域時，該些微結構121的直徑最佳為500 μ m,而各別兩微結構121中心點相隔距離最佳為 750 μ m。該局部微結構光學透鏡I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。[0032]本創作的微結構以下列條件參數設定進行實際的模擬:[0033]1.微結構種類:圓形、四方形、六角形。[0034]2.微結構型態:霧化。[0035]3.兩個微結構之間的間隙:預設間距d[0036]4.出光率的假設:假設全透透鏡的出光率為I (100%)，此時進行實際的模擬后 發現，使入光面12整個表面都全霧化的出光效率相對于全透透鏡將會是0.85 (85%)。[0037]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值來進行多次模擬后，所得出的數據可歸納為下列幾點結論:[0038]1.不論霧化的微結構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。[0039]2.單點霧化的微結構121的該預設間距d越小(霧化面積越大)，其出光效率越 低。[0040]3.該入光面12的微結構121霧化程度在某一范圍時< 30%(也即，微結構121霧 化的面積占據整個入光面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。[0041]4.該入光面12的微結構121霧化程度< 30%時，由于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。[0042]5.該入光面12的微結構121霧化面積比例介于30% 70%之間時(也即，當多個 微結構121在該入光面上所占據的面積相對于整個入光面12表面面積的比例介于30% 70 %之間時)，其出光效率范圍介于95 % 90 %之間，為較佳的實施例范圍，S卩可得到較低 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的微結構121霧化面積(也即，多個微結構121在該入光面上所占據的面積相對于整個入 光面12表面面積的比例)比例為46%，而出光效率達到94%。當該入光面12的該些微結 構121所占面積比例介于40% 50%之間時，而出光效率可達到接近93% 95%之間。[0043]6.任何形狀都可當作為局部微結構121的形狀，但是基于模具制作的方便性，所 以選擇圓形當作實施例為最佳。[0044]如圖1、圖5所示，于本創作較佳實施例中，為一具有該局部微結構光學透鏡的發 光模塊100 ;其中，將封裝完成的該發光元件9設置于該電路板8上并與該電路板8電性連 接，且由于本創作該發光元件9其封裝型態是以高功率紅外線鐳射二極管IR-VCSEL為封裝 為基礎，其鐳射二極管IR-VCSEL表面所覆蓋第一次折射的壓模鏡片也就是該發光元件9上的該投射面91大多采用霧化處理，其優點是能夠重整傳統垂直腔面射型鐳射VCSEL所產生 的甜甜圈狀的光形分布，即使是光形不均勻漂亮的光場分布也可利用此霧化的壓模鏡片重 整光形以達到較佳的照明需求，然后再將二次光學聚焦的該局部微結構光學透鏡I直接緊 配于該發光元件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的發光模塊 100。該發光元件9可以為一或多個垂直腔面射型鐳射(VCSEL)元件，此一或多個垂直腔面 射型鐳射(VCSEL)元件中也可含有數個發光孔，經由提供第一次折射的壓模鏡片封裝而成， 并進一步設置于該電路板8上；其中，該發光元件9的多個垂直腔面射型鐳射(VCSEL)元件 可以是線性排列、陣列排列、或呈幾何圖案排列其中之一。[0045]也就是說，將該局部微結構光學透鏡I利用該凹槽10把該發光元件9加以覆蓋并 嵌附結合于其中，進而使該發光元件9容置于該局部微結構光學透鏡I的該凹槽10內，使 該發光元件9的該投射面91與該入光面12間隔一預設距離t并相互對應且同時位于該光 路徑5之上，進一步將該局部微結構光學透鏡I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I也可直接與該電路板8進行卡合，而令該發光元件9容置于該局部微 結構光學透鏡I的凹槽10內。[0046]換句話說，現有的光學透鏡通常采用全霧化的設計，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，上述本創作的具有該局部微 結構光學透鏡的發光模塊100,由于該局部微結構光學透鏡I的該入光面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I的二次光學投射后， 大幅改善以往現有的光學透鏡采用全霧化的設計所產生的功率損耗，進一步也可以減少該 發光兀件9的光功率損失,提高該局部微結構光學透鏡I的出光效率，并且同樣有效的改善 其光場分布不均勻與光斑等特性。[0047]綜上所述，本創作一種局部微結構光學透鏡I，其結合于一發光元件9的一投射面 91上,其包括有:一出光面11、以及一入光面12。該出光面11為一圓凸狀表面。該入光 面12與該出光面11相對應，并位于該發光兀件9的一光路徑5上。該入光面12上設有多 個陣列排列的微結構121，且各別的兩微結構121間分別間隔一預設距離，通過該些微結構 121將該發光元件9所投射的光線經由該出光面二次光學投射后達到提高光效率的目的。 因此，該發光元件9藉由該投射面91將光源入射至本創作的局部微結構光學透鏡I是先 通過該入光面12上的該些微結構121進行發散后，再由該出光面11將光線收斂于一預定 角度，以使通過本創作的該局部微結構光學透鏡I所輸出的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，又可以通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。[0048]以上對本實用新型的描述是說明性的，而非限制性的，本專業技術人員理解，在權 利要求限定的精神與范圍內可對其進行許多修改、變化或等效，但是它們都將落入本實用 新型的保護范圍內。
權利要求1.ー種局部微結構光學透鏡，其結合于ー發光元件的一投射面上，其包括有: 一出光面，為ー圓凸狀表面；以及 一入光面，與該出光面相對應，并位于該發光元件的一光路徑上； 其特征在于，該入光面上設有多個陣列排列的微結構，且各別的兩微結構間分別間隔ー預設間距。
2.如權利要求1所述的局部微結構光學透鏡，其特征在于，該發光元件為下列其中之一:發光二極管、垂直腔面射型鐳射元件、水平面射型鐳射元件、或小角度發光二極管元件；并且，該入光面為非球狀表面或平面。
3.如權利要求1所述的局部微結構光學透鏡，其特征在于，所述微結構是:陣列排列的多個霧化區域或多個透鏡陣列所構成；并且，所述微結構各別的ニ維輪廓外形是:圓形、四方形、六角形或多邊形。
4.如權利要求1所述的局部微結構光學透鏡，其特征在于，該多個微結構在該入光面上所占據的面積相對于整個該入光面表面面積的比例是30% 70%。
5.如權利要求4所述的局部微結構光學透鏡,其特征在于，多個該微結構在該入光面上所占據的面積相對于整個該入光面表面面積的比例是40% 50%。
6.如權利要求5所述的局部微結構光學透鏡，其特征在干，當所述微結構的外形為圓形時，其直徑為500 iim,且各別兩微結構中心點相隔距離為750 iim。
7.ー種具有局部微結構光學透鏡的發光模塊，包括有: 一發光兀件，具有一投射面； 一光學透鏡，其包括有:一出光面、以及一入光面；其中，該入光面與該出光面相對應，并位于該發光元件的一光路徑上； 其特征在于，該入光面上設有多個陣列排列的微結構，且兩微結構之間分別間隔ー預設間距。
8.如權利要求7所述的具有局部微結構光學透鏡的發光模塊，其特征在干，該發光元件為下列其中之一:發光二極管、垂直腔面射型鐳射元件、水平面射型鐳射元件、或小角度發光二極管元件；并且，該光學透鏡的該入光面為非球狀表面或平面；該出光面為ー圓凸狀表面；所述微結構是:陣列排列的多個霧化區域或多個透鏡陣列所構成；所述微結構各別的外形是:圓形、四方形、六角形或多邊形。
9.如權利要求7所述的具有局部微結構光學透鏡的發光模塊，其特征在干，多個該微結構在該入光面上所占據的面積相對于整個該入光面表面面積的比例是30% 70%。
10.如權利要求9所述的具有局部微結構光學透鏡的發光模塊，其特征在干，當所述微結構的外形為圓形時， 其直徑為500 ym，且各別兩微結構中心點相隔距離為750i!m。
專利摘要一種局部微結構光學透鏡，其結合于一發光元件的一投射面上，其包括有一出光面、以及一入光面。該出光面為一圓凸表面。該入光面與該出光面相對應，并位于該發光元件的一光路徑上。該入光面上設有多個陣列排列的微結構，且各別的兩微結構間分別間隔一預設距離。通過局部性地設在入光面上的該些微結構將該發光元件所投射的光線中的局部光線加以發散后，再經由該出光面二次光學投射，以達到提高光效率的目的。
文檔編號F21S8/00GK202972931SQ201220572448
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月1日 優先權日2012年11月1日
發明者劉鋒彬, 陳志誠, 潘金山, 張簡嘉靖 申請人:光環科技股份有限公司