專利名稱：透鏡、具有透鏡的發光裝置及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種透鏡、發光裝置及其制造方法，特別是涉及一種側向發光透鏡、具有透鏡的發光裝置及其制造方法。
背景技術：
如圖1所示，為美國專利第6,607,286號專利案，關于一種用于側向發光的透鏡，透鏡主要具有一底面11、一全反射面12、一第一折射面13及一第二折射面14，全反射面12呈漏斗形狀，用以將部份從底面11來的光束(與中央軸10夾小角度部份)朝側向全反射，被全反射面12反射的光束接著經過第一折射面13以接近水平方向折射出透鏡；第二折射面14呈鋸齒狀，用以將部份從底面11來的光束(與中央軸10夾大角度部份)以一接近水平方向折射出透鏡。
然而，此種透鏡由于其形狀復雜(鋸齒尖端)，精確度要求高，所以制作不易(脫模困難)，且其模具復雜，除開模成本高外，尚須使用滑塊設計，并以套蓋方式進行安裝，再以膠材物質填充，制程繁復。此外，全反射對于角度的要求限制高，容易造成出光角度的失真，且此透鏡雖是標榜為將光源側射，但是中心部份仍有部份光源為直射出光(約占10-20％)。
如圖2所示，為另一種用于側向發光的透鏡，由于其全反射面12與第一折射面13夾成銳角尖端，與上述同樣地，具有制作不易、模具復雜等的缺點。
發明內容
本發明的目的在提供一種用來將一發光半導體元件所發出的光束導引至側向方向射出的透鏡。
本發明的另一目的在提供一種用來將一發光半導體元件所發出的光束導引至側向方向射出的透鏡。
本發明的再一目的在提供一種用來將一發光半導體元件所發出的光束導引至側向方向射出的透鏡裝置。
本發明的又一目的在提供一種用來將一發光半導體元件所發出的光束導引至側向方向射出的透鏡裝置。
本發明的另一目的在提供一種用來將一發光半導體元件所發出的光束導引至側向方向射出的制造具有透鏡的發光裝置的方法。
本發明透鏡，用來將一發光半導體元件所發出的光束導引至側向方向射出，透鏡包含一底面、一相對于底面的反射面及一折射出射面，反射面是呈一火山口狀的內凹弧面。底面是面對發光半導體元件設置，折射出射面是由反射面邊緣往底面延伸，反射面使部份穿透底面進入透鏡的發光半導體元件光束全部或部份被反射至側向方向射出，且折射出射面使另一部份穿透底面進入透鏡的發光半導體元件光束及經反射面反射的光束被折射出透鏡。透鏡外形由反射面及折射出射面交界處往底面方向逐漸增大，使透鏡上部截面投影是落在透鏡下部截面投影范圍內。
本發明透鏡，用來將一發光半導體元件所發出的光束導引至側向方向射出，透鏡包含一底面、一相對于底面的浪形面及一折射出射面。底面是面對發光半導體元件設置，折射出射面是由浪形面邊緣往底面延伸，浪形面使部份穿透底面進入透鏡的發光半導體元件光束被反射至側向方向射出，且折射出射面使另一部份穿透底面進入透鏡的發光半導體元件光束及經浪形面反射的光束被折射出透鏡。
本發明具有透鏡的發光裝置包含一基座、一裝設在基座上的發光半導體元件及一透鏡。透鏡用來將發光半導體元件所發出的光束導引至側向方向射出，透鏡包括一底面、一相對于底面的反射面及一折射出射面，反射面是呈一火山口狀的內凹弧面。底面是面對發光半導體元件設置，折射出射面是由反射面邊緣往底面延伸，反射面使部份穿透底面進入透鏡的發光半導體元件光束被反射至側向方向射出，且折射出射面使另一部份穿透底面進入透鏡的發光半導體元件光束及經反射面反射的光束被折射出透鏡。透鏡外形由反射面及折射出射面交界處往底面方向逐漸增大，且透鏡上部截面投影是落在透鏡下部截面投影范圍內。
本發明具有透鏡的發光裝置包含一基座、一裝設在基座上的發光半導體元件及一透鏡。透鏡用來將發光半導體元件所發出的光束導引至側向方向射出，透鏡包括一底面、一相對于底面的浪形面及一折射出射面。底面是面對發光半導體元件設置，折射出射面是由浪形面邊緣往底面延伸，浪形面使部份穿透底面進入透鏡的發光半導體元件光束被反射至側向方向射出，且折射出射面使另一部份穿透底面進入透鏡的發光半導體元件光束及經浪形面反射的光束被折射出透鏡。
本發明制造具有透鏡的發光裝置的其中一種方法包含下列步驟a)安裝一發光半導體元件至一基座上。
b)灌注可透光膠狀物質至一模具內，模具具有至少一模穴，膜穴外形在中央處內凹，且膜穴上部截面是落在模穴下部截面范圍內。
c)將所述基座與所述模具對位。
d)固化。
e)脫模。
本發明制造具有透鏡的發光裝置的另一種方法包含下列步驟a)置備一透鏡套蓋，透鏡套蓋外形在中央處內凹，且透鏡套蓋上部截面投影是落在透鏡套蓋下部截面投影范圍內。
b)置備一發光半導體元件及一基座。
c)將基座與透鏡套蓋對位接合，且發光半導體元件介于透鏡套蓋及基座之間。
d)灌注可透光膠狀物質至透鏡套蓋內。
e)固化。
本發明制造具有透鏡的發光裝置的另一種方法包含下列步驟a)置備一透鏡，透鏡外形在中央處內凹，且透鏡上部截面投影是落在透鏡下部截面投影范圍內。
b)置備一發光半導體元件及一基座。
c)將基座與透鏡對位接合，且發光半導體元件介于透鏡及基座之間。
下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明圖1是以往發光二極管透鏡的剖面圖。
圖2是另一種以往發光二極管透鏡的剖面圖。
圖3是本發明具有透鏡的發光裝置的一第一最佳實施例的剖面圖。
圖4是所述第一實施例的實驗數據圖。
圖5是實施所述第一實施例的流程圖。
圖6是一示意圖，說明透鏡如何從模具脫離。
圖7是實施所述第一實施例的另一流程圖。
圖8是一示意圖，說明中空的透鏡套蓋。
圖9是實施所述第一實施例的另一流程圖。
圖10是本發明具有透鏡的發光裝置的一第二最佳實施例的剖面圖。
圖11是圖10中一反射面的局部放大圖。
圖12是所述第二實施例的實驗數據圖。
圖13是本發明具有透鏡的發光裝置的一第三最佳實施例的剖面圖。
圖14是所述第三實施例的實驗數據圖。
具體實施例方式
在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的組件是以相同的編號來表示。
如圖3所示，本發明具有透鏡的發光裝置的第一最佳實施例包含一基座2、一發光半導體元件3及一透鏡4，而發光半導體元件3則介于透鏡4之下(也就是說，介于基座2與透鏡4之間)。吾人可定義一垂直通過透鏡4的假想中心軸5，發光半導體元件3及透鏡4皆對稱或接近對稱于中心軸5。
基座2為一般以往的封裝發光半導體元件所用的基座，可以是塑料包覆金屬支架、一直立式支架、一平面式支架或一食人魚支架，當然不以此為限。發光半導體元件3設置于基座2上，并經固晶打線封裝，由于此為在此技術領域具有通常知識者所知悉的技術，所以不贅述。
透鏡4用來將發光半導體元件3所發出的光線導引至側向方向射出，透鏡4可為一般透光的熱塑型高分子材料射出成型，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)，或為可透光的熱固型塑料灌膠而成，例如環氧樹脂(epoxy)或硅膠(silicone)等，也可以是透光的玻璃以模具成型。折射率介于1.2-1.8尤佳。且透鏡4包括有一底面41、一反射面42及一折射出射面43。底面41是面對發光半導體元件3且與基座2相接，反射面42是相對于底面41，且反射面42為一呈V字形面，中心軸5并通過V字形面的中央。反射面42表面鍍有反射層，反射層可以選擇是部份可透光或全部不透光的鍍層材料及厚度。反射面42使部份穿透底面41進入透鏡4的發光半導體元件3光束被全部或部份反射至側向方向射出，折射出射面43是由反射面42邊緣往底面41延伸，本例中，折射出射面43為一曲面或為球面的一部份，使另一部份穿透底面41進入透鏡4的發光半導體元件3光束及經反射面42反射的光束被折射出透鏡4，透鏡4外形由反射面42及折射出射面43交界處往底面41方向逐漸增大，使透鏡4上部截面投影是落在透鏡4下部截面投影范圍內。
上述為組件介紹，以下詳述其作動原理。
首先，由發光半導體元件3發出的光束有部份打至反射面42，且另一部份打至折射出射面43，定義透鏡反射面42左右最遠外側與中心軸5夾一角度θ(介于49-62度為佳)，反射面42中心凹處最低點與底面41中心點的距離為h(0.8mm-1.4mm為佳)，且反射面42上可借涂布、灌注、電鍍或蒸鍍等表面處理設置有一反射鍍層421以增加其對光的反射效率，借此，反射面42可將由底面41穿透進入且與中心軸5夾較小角度的光束朝側向方向反射，且折射出射面43接著將反射光束折射出透鏡4。而另一部份經由底面41穿透進入且與中心軸5夾較大角度的光束則直接打至折射出射面43上經折射而往透鏡四周水平方向射出。因此，本發明可將原本朝上發散射出的發光半導體元件3所產生的光束轉向為往四周水平方向射出。且反射鍍層421可加強光的反射效率外，更能顯著減少發光半導體元件產生中心部份之直射光源穿透透鏡上部而出。如圖4所示，為利用本發明的實驗數據圖，圖中明白顯示，光強度分布在中心軸5角度較小時(0-15度)光強度接近于零，而在距離中心軸5角度為80度左右，光強度最強。當然，反射鍍層421的鍍膜材質及厚度可以經由適當調整其透光比例，使發光半導體元件3產生的光打到反射面42時，有部份的光可以穿透透鏡而出。此時，光強度分布在距離中心軸5角度較小部份(0-15度)，光強度不致于為零。
上述具有透鏡4的發光裝置，在下述的方法說明后，當可更清楚明白。
如圖5所示，首先進行步驟61，將發光半導體元件3安裝至基座2上，包括固晶打線等動作，本例中是以多個發光半導體元件3及多個基座2說明(也可為單一數目)，基座2可排成長條狀或數組狀。
接著進行步驟62，提供一模具7，如圖6所示，模具7包括多個模穴71，模穴71可排列呈數組狀或長條狀，且每一模穴71形狀對應上述透鏡4的外形，也就是說膜穴71外形在中央處內凹，膜穴71上部截面是落在模穴71下部截面范圍內。
然后進行步驟63，將可透光的膠狀物質灌注至模穴71內，膠狀物質包括但不限于熱固型樹脂(epoxy或silicone)等。
再進行步驟64，將基座2連同發光半導體元件3置于模具7上使其對位，也就是說，如圖6所示，將基座2倒置使發光半導體元件3浸入膠狀物質中。
進行步驟65，烘烤使可透光膠狀物質固化。
繼續步驟66，脫模，將已固化的膠狀物質脫離模具7，固化的樹脂物質即形成上述外形上小下大的透鏡4，且由于透鏡4外形為上小下大，所以脫模容易。
最后進行步驟67，形成反射鍍層421在透鏡4的V字形面上，包括但不限于涂布、灌注、電鍍或蒸鍍等表面處理。
加以說明的是，由于透鏡4的外形為上小下大，相較于以往形狀復雜的外形，本發明不但脫模容易，且制成品良率高。此外，特別注意步驟63及64，上述步驟雖是先灌膠而后再對位，但熟習技藝者當知，也可為先對位后，再灌膠，不應以此為限，且步驟64中模具7及基座2關也不限于如圖6所示的倒置，也就是說，也可使模具7在上而基座2在下。
需注意的是，上述制造具有透鏡的發光裝置的方法除了利用模具7達成外，也可不利用模具7完成，其說明如下如圖7所示，首先進行步驟81，置備一透鏡套蓋80(如圖8所示)，此透鏡套蓋80具有上述透鏡的外形，也就是說透鏡套蓋80外形在中央處內凹，且透鏡套蓋80上部截面投影是落在透鏡套蓋80下部截面投影范圍內，但是其內部為中空。
接著進行步驟82，置備發光半導體元件3及基座2，發光半導體元件3是經固晶打線在基座2上。
然后進行步驟83，將基座2與透鏡套蓋80對位接合，使得發光半導體元件3位在透鏡透蓋80下方，也就是說發光半導體元件3介于透鏡套蓋80及基座2之間。
再進行步驟84，灌注可透光膠狀物質至透鏡套蓋80內，例如注射可透光膠狀物質方式以填滿透鏡套蓋80的中空容室。
繼續進行步驟85，烘烤使可透光膠狀物質固化。
最后進行步驟86，形成反射鍍層421在透鏡套蓋80的表面上，包括但不限于涂布、灌注、電鍍或蒸鍍等表面處理。特別說明的是，反射鍍層421并不限于在最后步驟施行，也可于先前步驟中預先實施，不應以此為限。
此外，本發明還提供先行完成透鏡4制作然后再與發光半導體元件3及基座2組合的制造具有透鏡的發光裝置的方法。
如圖9所示，首先進行步驟91，置備如上述具上小下大外形的實心透鏡4，透鏡4的物質包括但不限于透光的熱塑性高分子材料，或熱固型塑料或玻璃，利用以往的技術在其反射面42部份形成反射鍍層421。
接著進行步驟92，置備發光半導體元件3及一基座2，發光半導體元件3是經固晶打線及封裝在基座2上。
然后進行步驟93，將基座2與透鏡4對位接合，使得發光半導體元件3位在透鏡4下方，也就是說發光半導體元件3介于透鏡4及基座2之間，透鏡4與基座2之間可用膠黏合，使透鏡4與基座2牢固。
此方法與前述方法不同的地方在于，前述方法是置備中空的透鏡套蓋80使用，而此方法則是使用實心的透鏡4。
如圖10所示，本發明具有透鏡的發光裝置的第二最佳實施例，與第一最佳實施例相同地包含有一基座2、一發光半導體元件3及一透鏡4，而發光半導體元件3則介于透鏡4之下(也就是說，介于基座2與透鏡4之間)。吾人可定義一垂直通過透鏡4的假想中心軸5，發光半導體元件3及透鏡4皆對稱或接近對稱于中心軸5。
與前述第一最佳實施例不同的地方在于，本例中，如圖11所示，V字形面的表面具有呈階梯狀連續延伸的多個凸面。
本例中，透鏡4體積由反射面42及折射出射面43交界處大致上往底面41方向逐漸增大，借此，透鏡4的外形為上小下大，相較于以往形狀復雜的外形，不但脫模容易，且階梯狀連續延伸的凸面設計加強水平側射效果，如圖12所示，為利用此具階梯狀連續延伸的凸面外形的透鏡4的發光裝置的實驗數據圖，光強度分布在距離中心軸5角度較小時(0-15度)光強度接近于零，而在距離中心軸5角度為80度左右，光強度最強。由于光束在透鏡4內的轉向原理及透鏡制造方法已在前述第一最佳實施例介紹，所以不再贅述，而需注意的是此處供透鏡4成形的模穴71外形也必須對應階梯狀連續延伸的凸面。
如圖13所示，本發明具有透鏡的發光裝置的第三最佳實施例，其與前述第一最佳實施例相同地包含一基座2、一發光半導體元件3及一透鏡4，而發光半導體元件3則介于透鏡4之下(也就是說，介于基座2與透鏡4之間)。吾人可定義一垂直通過透鏡4的假想中心軸5，發光半導體元件3及透鏡4皆對稱或接近對稱于中心軸5。
與前述第一最佳實施例不同的地方在于，本例中，反射面42為一以波浪狀延伸的浪形面，且其波形振幅是朝遠離中心軸5方向漸減，反射面42在接近中心軸5兩側處交接形成一各圓弧凹面，在接近反射面42及折射出射面43交界處大致趨于平緩。也就是說，在接近中心軸5及接近底面41處波形起伏較大，而在遠離中心軸5處波形起伏較小，借此，相較于前述最佳實施例，本例具有更佳的側射效果，如圖14所示，為第三最佳實施例的實驗數據圖，相較于圖4及圖12，圖14的光強度分布在距離中心軸5角度較小(0-25度)時光強度更接近于零，而在距離中心軸5角度為70度左右，光強度更強。另外，第二實施例的實驗數據(圖12)則是波峰值更遠離中心軸5。
本發明具有透鏡的發光裝置，在反射面42上設有反射鍍層421，不但可將大部份光束朝側向反射，加大出光效率，也可避免中心部份的光源直射，以達到真正的側向發光效果。由于折射出射面43設計為曲面或球面的一部份，不采用鋸齒面，且透鏡4外形由上至下為漸增，所以使其模具制作容易，且灌膠烘烤后透鏡4脫模容易，連帶簡化制程(以往脫模不易、制程繁復)，此外，本發明也揭露另外兩種不需使用模具7的制造方法，同樣可組裝制成發光裝置。在反射面42部份，除了在第一最佳實施例中揭露透鏡4的反射面42為線性的V字形面之外，透鏡的反射面42表面也可為階梯狀連續延伸的凸面(第二最佳實施例)或是朝遠離中心軸5方向振幅漸減的浪形面(第三最佳實施例)。
權利要求
1.一種透鏡，用來將一發光半導體元件所發出的光束導引至側向方向射出，所述透鏡包含一底面、一反射面及一折射出射面，其特征在于所述底面面對所述發光半導體元件設置，所述反射面相對于所述底面，所述折射出射面由所述反射面邊緣往所述底面延伸，所述反射面使部份穿透所述底面進入所述透鏡的所述發光半導體元件光束被反射至側向方向射出，且所述折射出射面使另一部份穿透所述底面進入所述透鏡的所述發光半導體元件光束及經所述反射面反射的光束被折射出所述透鏡，所述透鏡外形由所述反射面及所述折射出射面交界處往所述底面方向逐漸增大，且所述透鏡上部截面投影是落在所述透鏡下部截面投影范圍內。
2.如權利要求1項所述的透鏡，其特征在于所述折射出射面為一曲面。
3.如權利要求1項所述的透鏡，其特征在于所述反射面上設置有一反射鍍層，所述反射鍍層是全部不透光及部份透光其中一種。
4.如權利要求1項所述的透鏡，其特征在于所述反射面的表面呈波浪狀延伸。
5.如權利要求7項所述的透鏡，其特征在于定義一通過所述透鏡的中心軸，所述透鏡對稱于所述中心軸，且所述反射面表面的波形振幅朝遠離所述中心軸方向漸減。
6.一種透鏡，用來將一發光半導體元件所發出的光束導引至側向方向射出，其特征在于所述透鏡包含一底面、一浪形面及一折射出射面，所述底面面對所述發光半導體元件設置，所述浪形面相對于所述底面，所述折射出射面由所述浪形面邊緣往所述底面延伸，所述浪形面使部份穿透所述底面進入所述透鏡的所述發光半導體元件光束被反射至側向方向射出，且所述折射出射面使另一部份穿透所述底面進入所述透鏡的所述發光半導體元件光束及經所述浪形面反射的光束被折射出所述透鏡。
7.如權利要求6項所述的透鏡，其特征在于所述出射面為一曲面。
8.如權利要求6項所述的透鏡，其特征在于所述浪形面表面具有呈階梯狀連續延伸的多個凸面。
9.如權利要求6項所述的透鏡，其特征在于定義一通過所述透鏡的中心軸，所述透鏡對稱于所述中心軸，且所述浪形面的波形振幅朝遠離所述中心軸方向漸減。
10.一種具有透鏡的發光裝置，包含一基座、一發光半導體元件及一透鏡，其特征在于所述發光半導體元件設置在所述基座上，所述透鏡用來將所述發光半導體元件所發出的光束導引至側向方向射出，所述透鏡包括一底面、一反射面及一折射出射面，所述底面面對所述發光半導體元件設置，所述反射面相對于所述底面，所述折射出射面由所述反射面邊緣往所述底面延伸，所述反射面使部份穿透所述底面進入所述透鏡的所述發光半導體元件光束被反射至側向方向射出，且所述折射出射面使另一部份穿透所述底面進入所述透鏡的所述發光半導體元件光束及經所述反射面反射的光束被折射出所述透鏡，所述透鏡外形由所述反射面及所述折射出射面交界處往所述底面方向逐漸增大，且所述透鏡上部截面投影是落在所述透鏡下部截面投影范圍內。
11.如權利要求10項所述的具有透鏡的發光裝置，其特征在于所述基座為選自于一直立式支架、一平面式支架及一食人魚支架所組成的群體中的一者。
12.如權利要求10項所述的具有透鏡的發光裝置，其特征在于所述折射出射面為一曲面。
13.如權利要求10項所述的具有透鏡的發光裝置，其特征在于所述反射面上設置有一反射鍍層。
14.如權利要求10項所述的具有透鏡的發光裝置，其特征在于所述V字形面的表面具有呈階梯狀連續延伸的多個凸面。
15.如權利要求10項所述的具有透鏡的發光裝置，其特征在于所述反射面的表面呈波浪狀延伸。
16.如權利要求15項所述的具有透鏡的發光裝置，其特征在于定義一通過所述透鏡的中心軸，所述透鏡對稱于所述中心軸，且所述反射面表面的波形振幅朝遠離所述中心軸方向漸減。
17.一種具有透鏡的發光裝置，包含一基座、一發光半導體元件及一透鏡，其特征在于所述發光半導體元件設置在所述基座上，所述透鏡用來將所述發光半導體元件所發出的光束導引至側向方向射出，所述透鏡包括一底面、一浪形面及一折射出射面，所述底面面對所述發光半導體元件設置，所述浪形面相對于所述底面，所述折射出射面由所述浪形面邊緣往所述底面延伸，所述浪形面使部份穿透所述底面進入所述透鏡的所述發光半導體元件光束被反射至側向方向射出，且所述折射出射面使另一部份穿透所述底面進入所述透鏡的所述發光半導體元件光束及經所述浪形面反射的光束被折射出所述透鏡。
18.如權利要求17項所述的具有透鏡的發光裝置，其特征在于所述基座為選自于一直立式支架、一平面式支架及一食人魚支架所組成的群體中的一者。
19.如權利要求17項所述的具有透鏡的發光裝置，其特征在于所述折射出射面為一曲面。
20.如權利要求17項所述的具有透鏡的發光裝置，其特征在于所述浪形面上設置有一反射鍍層。
21.如權利要求17項所述的具有透鏡的發光裝置，其特征在于所述浪形面表面具有呈階梯狀連續延伸的多個凸面。
22.如權利要求17項所述的具有透鏡的發光裝置，其特征在于定義一通過所述透鏡的中心軸，所述透鏡對稱于所述中心軸，且所述浪形面的波形振幅朝遠離所述中心軸方向漸減。
全文摘要
一種具有產生側面發光的透鏡及利用所述透鏡的發光裝置，包含一基座、一裝設在基座上的發光半導體元件及一透鏡。透鏡用來將發光半導體元件所發出的光束導引至側向方向射出，透鏡包括一底面、一相對于底面在上方的反射面及一在兩側面的折射出射面。底面是面對發光半導體元件設置，反射面使部份穿透底面進入透鏡的發光半導體元件光束被反射至側向方向射出。折射出射面由反射面邊緣往底面延伸。且折射出射面使另一部分穿透底面進入透鏡的發光半導體元件光束及經反射面反射的光束被折射出透鏡。透鏡外形由反射面及折射出射面交界處往底面方向逐漸增大。
文檔編號H01L33/00GK101078781SQ200610084088
公開日2007年11月28日 申請日期2006年5月22日 優先權日2006年5月22日
發明者陳亮棠, 曾慶霖, 王重凱, 張銘利 申請人:佰鴻工業股份有限公司