專利名稱：：凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片及其構成發(fā)光二極管組件的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管光學鏡片及其所構成的發(fā)光二極管組件，尤其涉及一種可產(chǎn)生光強度(peakintensity)為橢圓照角光型(Ellipticangulardistributionpattern)的菲涅爾光學鏡片，供應用于由LED發(fā)光源以產(chǎn)生光型的發(fā)光二極管組件，而可應用于LED照明、手機或相機的閃光燈。
背景技術：
：發(fā)光二極管(lightemittingdiode,簡稱LED)具有低電壓、低耗電、壽命長的優(yōu)點，已大量應用于顯示裝置(indicator)、照明裝置(i1luminator)等領域。由于LED更具有光顏色單純、小型化、可平面封裝的特點，已使用在手機相機的閃光燈上。然而由于LED晶片發(fā)出的光線具有點光源、亮度不均勻的特性，對于光線的聚集已有研究學者進行多項研究，如縮小晶片、提高發(fā)光效率外，使用光學鏡片也是重要的技術開發(fā)方向。在LED光學鏡片的設計上，可分為一次光學4竟片(primaryopticallens)及二次光學鏡片(secondaryopticallens);—次光學鏡片為在LED晶片上直接封裝的透鏡，一般以聚集(concentrate)光線為主；二次光學鏡片為使用在單顆或數(shù)顆LED陣列(Array)，以分散光束為主。在現(xiàn)有的一次光學鏡片設計上，如ES2157829是使用對稱的非球面透鏡；日本專利JP3032069、JP2002-111068、JP2005—203499，美國專利US2006/187653、中國專利CN101013193等是使用球面透鏡；JP2002-221658是對Bulk型LED使用球面透鏡等。對于高階的運用上，一次光學鏡片除要能聚集光線外，更能在均勻的光強度(peakintensity)產(chǎn)生特定的光型(distributionpattern),例如大角度、小角度、圓形、橢圓形等特殊光型，以搭配LED陣列使用，以產(chǎn)生最佳的光學效果。一次光學鏡片的運用如圖1A、1B所示，在LED晶片21上覆有一透鏡23,當LED晶片21發(fā)出光線，經(jīng)由透鏡23聚集后發(fā)出預定的光型光線，或在一次光學鏡片上，再加上一層二次光學鏡片，以求均勻化的效果。所述一次光學鏡片有各種不同的設計，其中一次光學鏡片采用菲涅爾(Fresnel)式的光學面，在現(xiàn)有技術上，如德國專利WO/2003/083943;日本專利JP2005-049367等；美國專利US6，726，859、公開號US2007/0275344、US2008/0158854;歐洲專利EP1091167;及中國臺灣省專利TW200711186等；然而，上述的現(xiàn)有技術主要是以菲浬爾式鏡片覆蓋于數(shù)個LED上或供為投射裝置(projector)用的二次光學鏡片(secondarylens)。但隨LED發(fā)光效能快速發(fā)展，單顆LED的運用日漸重要。LED陣列或多顆LED組成的光源，可透由彼此間交叉光線通過透鏡予以補償而成為均勻的光線；但單顆LED在一次鏡片設計上，遠較LED陣列或多顆LED組成的光源為復雜，必須考慮一次光學鏡片(primarylens)的聚光效率與光強度的均勻化；如日本專利JP2005-257953、美國專利US2006/0027828是使用單面或兩面的菲涅爾鏡片放置于LED發(fā)光體上方，以產(chǎn)生均勻的光線，如圖1A、IB;再如臺灣專利TW560085利用拋物碗形側(cè)面與菲涅爾透鏡以減少光束發(fā)散并構成光束均勻的光型；又如韓國專利1020070096368與中國臺灣省專利1261654將菲涅爾式鏡片制成LED一次光學鏡片，但其光型以圓形照角為主，對于具有實際應用的橢圓形照角光型的單顆LED組件，尚難以擴展運用。隨著科技的進步，電子產(chǎn)品不斷地朝向輕薄短小以及多功能的方向發(fā)展，而電子產(chǎn)品中如數(shù)字相才幾(DigitalStillCamera)、電月鹵相機(PCcamera)、網(wǎng)路相才幾(Networkcamera)、行動電話(手機)等已具備鏡頭之外，甚至個人數(shù)字輔助器(PDA)等裝置也有加上鏡頭的需求；因此用于這類產(chǎn)品的LED閃光燈或照明用的LED燈具，常以單顆或多顆LED組件組成陣列；而為了攜帶方便及符合人性化的需求，LED閃光燈或照明用的LED燈具不僅需要符合的光通量，以不同光型LED組件互相搭配，同時也需要有較小的體積與較低的成本。菲涅爾透鏡在透4竟表面設有一組不規(guī)則的菲涅爾環(huán)(Fresnelzoneplate),其環(huán)間距(zonepitch)由內(nèi)而外或由外而內(nèi)逐漸變大(環(huán)間距(pitch)改變)，由于菲涅爾透鏡除了具有導光與收集光線的能力，還兼具輕、薄、可塑化及低成本的特性，很適合用于照明的系統(tǒng)中；但對于多點發(fā)光的LED照明使用，則要考慮照度與光強度的均勻度。在現(xiàn)有技術上，常釆用一定比例的環(huán)間距(zonepitch)與環(huán)深度(zoneheight)或漸變的環(huán)間距與環(huán)深度，尤其以多顆LED構成的照明系統(tǒng)則以漸變的環(huán)間距方法，較可符合照度與光強度均勻的實用要求；但對于單顆的LED—次光學鏡片，則要與光學鏡片的光學特性相互搭配。菲涅爾透鏡雖具有復雜的外型表面，且制造成本較高，但卻有良好的光線效率及均勻化的效果，尤以單顆LED組件的照明使用更受注意。為使單顆LED發(fā)出的光線達最高效率，本發(fā)明即在此迫切需求下，利用菲涅爾透鏡制成一次光學鏡片以產(chǎn)生特定的橢圓光型并以形成的LED組件，在本發(fā)明的適當構成下，對表面發(fā)光的LED晶片所發(fā)出的光線可加以聚集并產(chǎn)生均勻光強度(peakintensity)且橢圓形的光型。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明主要目的乃在于提供一種凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片及其所構成的發(fā)光二極管組件，所述LED組件是由一LED晶片(LEDdie)以發(fā)出光線、一菲涅爾光學鏡片以聚集光線并以均勻光強度形成橢圓形光型、及一封膠層(sealgellayer)以填塞于菲涅爾光學鏡片與LED晶片之間所構成，其中，菲涅爾光學鏡片可為一新月型(meniscus)鏡片，其外緣面可具有錐度或無錐度，其凹面為向光源的光源側(cè)光學面且可為球面或非球面，其凸面為向像側(cè)的像側(cè)光學面(opticalsurfaceonforwardside)且具有菲涅爾式光學面，又所述菲涅爾光學面的聚光曲面可為非球面或球面，其環(huán)面為垂直環(huán)齒(draftwithverticalshape)且可為等環(huán)深度(equalzoneheight)或等環(huán)間距(equa1zonepitch),并可滿足以下條件<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，/s為本光學鏡片的有效焦距(effectivefocallength)的長度，/;為菲涅爾光學面R2的最末環(huán)(LastZone)半徑，《為中心軸Z光學鏡片厚度，乂2為光學鏡片的折射率，2A為經(jīng)由光學鏡片射出光線在X方向最高光強度(intensity)—半(/^)處的角度(度，deg.),2^為經(jīng)由光學鏡片射出光線在Y方向最高光強度一半(/1/2)處的角度(度，deg.)，2Lx為LED晶片在X方向的長度，2Ly為LED晶片在Y方向的長度，力為本光學鏡片的相當焦距(relativefocallength)的長度，^為光源側(cè)光學面的曲率半徑，i^為像側(cè)菲涅爾光學面的聚光曲面的曲率半徑(radiusoffresnelconvexsurface),dO為LED晶片厚度，c/l為中心軸的封膠層厚度，D為光學鏡片在像側(cè)光學面的半徑。更進一步，為因應不同光型角度與聚光特性，所述菲涅爾光學面的聚光曲面的曲率半徑&可設為5求面或非J求面。為簡化制造，菲涅爾光學鏡片可更換為一平凸(plano-convex)的光學材料所制成的鏡片，其向像側(cè)側(cè)光學面為菲涅爾式光學面，并可滿足式(l)~式(3)條件。為增加LED組件的效率，菲涅爾光學鏡片的外緣面可具有錐度u,其向像側(cè)光學面為菲涅爾式光學面，并可滿足式(l)式(3)條件。本發(fā)明另一目的，為使用選擇方便，光學鏡片可為光學玻璃或光學塑膠所制成。本發(fā)明的又一目的在于提供一種發(fā)光二極管組件，其是包含如本發(fā)明所述的平凸或新月型菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片及一發(fā)光二極管晶片，其特征在于此發(fā)光二極管組件具有橢圓光型、其光通量比值n大于85%(7=85%)的要求，并滿足以下條件其中，五1/2=-^-"(8)Or"*smA)*(r*sin^)其中，rn為菲涅爾光學面R2的最末環(huán)(LastZone)半徑，2么為經(jīng)由光學鏡片射出光線在X方向最高光強度(intensity)—半(/1/2)處的角度(度deg.),20y為經(jīng)由光學鏡片射出光線在Y方向最高光強度一半(/1/2)處的角度(度deg.),r為菲涅爾光學面R2的最末環(huán)(LastZone)半徑，a為LED晶片發(fā)出光線的光通量，P為像側(cè)相對無限遠處(100倍/5)不考慮衰減因素的光線的光通量，Tl為光通量比值^為LED晶片發(fā)出的照度(Incidance),五1/2為菲涅爾光學鏡片發(fā)出的最高光強度一半處的照度。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片及其所構成的發(fā)光二極管組件可具有橢圓形光型，且符合光通量比值大于85%的要求，并且所述光學鏡片具有厚度薄的特性，可用于單顆LED或陣列LED,提供予照明或手機、相才幾的閃光燈使用。圖1A、1B是現(xiàn)有技術的使用LED光學鏡片于LED組件的示意圖；圖2是本發(fā)明的使用無錐度菲涅爾LED光學鏡片于LED組件的立體示意圖；圖3是本發(fā)明的使用有錐度菲涅爾LED光學鏡片于LED組件的立體示意圖；圖4是本發(fā)明的使用的垂直環(huán)齒等環(huán)間距的菲涅爾LED光學鏡片與聚光曲面曲率半徑關系圖5是本發(fā)明的使用的垂直環(huán)齒等環(huán)深度的菲涅爾LED光學鏡片與聚光曲面曲率半徑關系圖6是本發(fā)明的LED光學鏡片于LED組件的構成示意圖7是有錐度菲涅爾LED光學鏡片的錐度表示圖8是本發(fā)明的菲浬爾LED光學鏡片于LED組件光路示意圖9是本發(fā)明的菲涅爾LED光學鏡片A群光線與B群線折射示意圖IO是本發(fā)明的菲涅爾LED光學鏡片A群光線與B群線光路示意圖11是圖9與圖10的A群光線與B群線組合成均勻光強度的示意圖12是本發(fā)明的第一實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖(其中"C"代表X方向，"D"代表Y方向)；圖13是本發(fā)明的第二實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖(其中"C"代表X方向，"D"代表Y方向)；圖14是本發(fā)明的第三實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖(其中"C"代表X方向，"D"代表Y方向)；圖15是本發(fā)明的第四實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖(其中"C"代表X方向，"D"代表Y方向)；圖16是本發(fā)明的第五實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖9(其中"C"代表X方向，"D"代表Y方向)；圖17是本發(fā)明的第六實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖(其中"C"代表X方向，"D"代表Y方向)；圖18是本發(fā)明的第七實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖(其中"C，，代表X方向，"D，，代表Y方向)；以及圖19是本發(fā)明的第八實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖(其中"C"代表X方向，"D"代表Y方向)。附圖標記說明10-LED組件；11、21-LED晶片；12、22-封膠層；13、23-光學鏡片；Rl-光源側(cè)光學面(opticalsurfaceonsourceside)或其曲率半徑(radiusonopticalaxis);R2-像側(cè)光學面(opticalsurfaceonforwardside)或其曲率半徑(radiusonopticalaxis);&-像側(cè)菲涅爾光學面的聚光曲面曲率半徑(radiusoffresnelconvexsurface);dO-中心軸上LED晶片厚度(LEDdiethicknessonopticalaxis);dl—中心軸上LED晶片表面至光學鏡片光源側(cè)的光學面距離；(thicknessfromdiesurfacetoRlonopticalaxis);d2-中心軸光學鏡片厚度(lensthicknessonopticalaxis);r廠第一環(huán)半徑(firstzoneradius);、-最末環(huán)半徑(lastzoneradius);環(huán)間距(zonepitch)■;/^-環(huán)深度(zoneheight);A^-折射率(Refractiveindex);Va-阿貝數(shù)(Abbenumber);LED晶片發(fā)出的照度(Incidance);￡1/2-菲涅爾光學鏡片發(fā)出的最高光強度一半處的照度(Incidance);oc-LED晶片發(fā)出光線的光通量(Flux);p—象側(cè)相對無限遠處光線的光通量(Flux)。具體實施例方式為使本發(fā)明更加明確詳實，現(xiàn)舉較佳實施例并配合下列圖式，將本發(fā)聽的結構及技術特征詳述如后參照圖6所示，其是本發(fā)明的凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片及其所構成的發(fā)光二極管組件10的結構示意圖，其沿著中心軸Z排列由光源側(cè)(sourceside)至像側(cè)(forwardside)依序為一LED晶片11、一封膠層12及一光學鏡片13，當光線由LED晶片ll發(fā)出后，經(jīng)由封膠層12后，由光學鏡片13將光線聚集并形成以對稱于中心軸Z的橢圓形光型的光束對像側(cè)照射；光學鏡片13為一光學材料所制成的透鏡，其凹面為向光源的光源側(cè)光學面Rl,且光學面Rl可為非球面或球面，其相對面為向像側(cè)的菲涅爾光學面R2為具有垂直環(huán)齒(draftwithverticalshape)的菲涅爾光學面；光學鏡片13的光學面R2、光學鏡片厚度(12及有效焦距長度間滿足式(1)及式(2)的條件，光學鏡片13所形成的光強度形成的光型的角度2cJ)(X方向2么與Y方向2^)滿足式(3)的條件。其中，封膠層12并不限制使用的材料，在LED組件上常用光學樹脂(resin)或硅膠(silicongel)等不同材料；而光學鏡片13可由光學玻璃或光學塑膠材料制成。如圖2所示，是使用一平凸(piano-convex)菲涅爾LED光學鏡片于一LED組件的示意圖，其沿著中心軸Z排列由光源至像側(cè)依序為一LED晶片11、一封膠層12及一雙平菲涅爾光學鏡片13,其中光學鏡片13在光源側(cè)的光學面Rl,其為平面(Rl=~),其另一光學面(相對面)為向像側(cè)的凸面的菲涅爾光學面R2且具有垂直環(huán)齒的菲涅爾光學面。所述光學鏡片13的光學面R2、光學鏡片厚度d2及有效焦距長度間滿足式(l)及式(2)的條件，光學鏡片13所形成的光強度形成的光型的角度2cJ)(X方向2么與Y方向2^)滿足式(3)的條件。再如圖3所示，其是本發(fā)明的另一型式，是使用一菲涅爾光學鏡片于一LED組件20的示意圖，其沿著中心軸Z排列由光源至像側(cè)依序為一LED晶片21、一封膠層22及一平凸型菲涅爾光學鏡片23,其中菲涅爾光學鏡片23是具有錐度v的光學鏡片如圖7所示，即菲涅爾光學鏡片23的外緣面具有錐度v。光線由LED晶片21發(fā)出后，經(jīng)由封膠層22后，由光學鏡片23將光線聚集并形成以對稱于中心軸Z且照角為橢圓形光型的光束對像側(cè)照射；通過具有錐度v的菲涅爾光學鏡片23，可減少由光學鏡片23的側(cè)面散逸的光線，提高效率。所述光學鏡片23的光學面R2、光學鏡片厚度(12及有效焦距長度間滿足式(1)及式(2)的條件，光學鏡片23所形成的光強度形成的光型的角度24)(X方向2么與Y方向2^)滿足式(3)的條件。對于光學鏡片13或光學鏡片23，其像側(cè)光學面R2為菲涅爾光學面。本發(fā)明使用的像側(cè)光學面R2為具有垂直環(huán)齒(draftwithverticalshape)的菲涅爾光學面如圖4、5所示，其中，所述像側(cè)的菲涅爾光學面(M)是由一聚光曲面(Rf)梓移形成，且依不同的轉(zhuǎn)移方式而可分別形成一等環(huán)間距(equalzonepitch)的菲涅爾光學面如圖4所示或一等環(huán)深度(equalzoneheight)的菲涅爾光學面如圖4所示；參考圖4，像側(cè)光學面R2為等環(huán)間距(equalzonepitch)的菲涅爾光學面，也就是環(huán)間距(zonepitch)rt為固定值，其是在聚光曲面曲率半徑Rf的聚光曲面(RF)上以相等的環(huán)間距(zonepitch)rt但不等的落差(中心軸Z點為最高點)，也就是不等的環(huán)深度(zoneheight)hd,將聚光曲面(RF)轉(zhuǎn)移成等間距環(huán)的環(huán)狀菲涅爾光學面(像側(cè)光學面R2),也就是每一環(huán)(zone)是由一斜面(slope)及一垂直環(huán)面(verticaldraft)構成，其第一環(huán)半徑為最末環(huán)為半徑為rn。當光線入射于菲涅爾光學面(R2)，通過各環(huán)的斜面，對入射光線產(chǎn)生折射，而達成類似拋物面曲面(或聚光曲面)的光效果如圖9所示。再參考圖5，像側(cè)光學面R2為等環(huán)深度(equalzoneheight)的菲涅爾光學面，也就是環(huán)深度hd為固定值，其是在聚光曲面曲率半徑Rf的聚光曲面(Rf)上以相等的落差(中心軸Z點為最高點)，也就是相等的環(huán)深度(zoneheight)hd,但不等的環(huán)間距(zonepitch)rt，將聚光曲面Rf特移成等壞深度(equalzoneheight)的環(huán)狀菲涅爾光學面(像側(cè)光學面R2)環(huán)狀菲涅爾光學面，其第一環(huán)(半徑為同理，當光線入射于菲涅爾光學面，通過各環(huán)間斜面，對入射光線產(chǎn)生折射，而達成類似拋物面曲面(或聚光曲面)的光效果如圖9所示。再如圖9、圖10及圖11,A群的光線(Al,A2及A3)經(jīng)由菲涅爾光學面折射后，由于A1，A2或A3其入射角度不同，其出射角度4)角度在目標物上的位置不同如圖10;對于出射后以中心軸的徑向位置，A群光線將呈現(xiàn)中心的光強度較強的光群；同理，B群的光線(B1，B2及B3)經(jīng)由菲涅爾光學面折射后，也將呈現(xiàn)中心的光強度較強的光群；經(jīng)由A群與B群光線組合后如圖11所示，產(chǎn)生光強度均一的光型，以避免或減少中心區(qū)強度過強、邊緣區(qū)光線較弱，甚至產(chǎn)生暗亮相間的一圏圈現(xiàn)象。光學鏡片13的光學面Rl或光學鏡片23的光學面Rl,若以非球面光學面所構成，其非球面的方程式(AsphericalSurfaceFormula)為式(9)l+V(Hl+K)cV)、"其中，c是曲率，h為鏡片高度，K為圓錐系數(shù)(ConicConstant)、A4、A6、A8、Ai。分另'J四、六、八、十階的非5求面系凄史(NthOrderAsphericalCoefficient)。菲涅爾光學面的聚光曲面曲率半徑Rf也以式(9)定叉，對于拋物面的聚光曲面曲率半徑Rp的圓錐系數(shù)K=-l，對于球面的聚光曲面曲率半徑Rf的圓雜系數(shù)K=0。請參閱圖8,為本發(fā)明LED光學鏡片于LED組件的光路示意圖，圖中，LED晶片11(21)發(fā)出光線，經(jīng)由光學鏡片13(23)聚集并折射后以2cl)角度(X方向2么與Y方向2^)形成所需要的橢圓光型及-/"285%的要求，其中，cc為LED晶片發(fā)出光線的光通量，P為像側(cè)相對無限遠處(100倍fs)光線的光通量，且忽略空氣的折射(refraction)與散射(scattering)等效應，并符合式(7)的條件。由上述結構，本發(fā)明利用一平凸或新月型菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片及一LED晶片，可使LED組件10可發(fā)出預定的均勻光強度的橢圓形光型，可為單顆使用或以不同光型組成陣列使用。本發(fā)明以下所揭示的最佳實施例，乃是針對本發(fā)明實際的主要構成元件而作說明，為說明與比較各實施例的應用情形，采用以LED晶片11使用1.85x0.7mm尺寸的晶片，其波長為最高強度(1stpeakwave-length)波長為450nm及次高強度(2ndpeakwave-length)波長為550nm的藍光的晶片，在X方向發(fā)射角^=39.8°、Y方向發(fā)射角s=35.2°、ct=78.5流明(lm)、照度Ed=23.97勒克司(Lux)的藍光；光學鏡片13(或光學鏡片24)使用直徑5mm(D=2.5mm)為說封膠層12是利用折射率Nd,為1.491的透明光學硅膠所填塞。但就一般具有光學鏡片及其所構成的LED組件而言，除了本發(fā)明所揭示的光學鏡片及其LED組件外，其他結構乃屬一般通知的技術，也就是所述光學鏡片及其LED組件的各構成元件的尺寸大小、使用材料、LED波長與發(fā)射角度、菲涅爾光學面的型式、環(huán)間距與環(huán)深度等，是可以進行許多改變、修改、甚至等效變更。以下于第一實施例至第四實施例是使用具有無錐度且等環(huán)深度的平凸型菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件、第五實施例是使用有錐度且等環(huán)深度的平凸型菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件、第六實施例是使用無錐度且等環(huán)間距的平凸型菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件、第七實施例至第八實施例是使用無錐度且等環(huán)深度的新月型菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件。<第一實施例〉請參考圖6及圖U所示，其分別是本發(fā)明的使用凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖及第一實施例的光強度分布與照角的極坐標關系圖。下列表(一)中分別列有由光源側(cè)至像側(cè)沿中心軸Z的LED晶片11、封膠層l2、光學鏡片13的光源側(cè)光學面Rl與像側(cè)光學面R2的曲率半徑R(單位13200810161308.9mm)或菲涅爾中心軸聚光曲面曲率半徑RF(單位mm)、間距di(單位mm)(theon-axissurfacespacing)、光學鏡片13的錐度u、各折射率(Nd)等。本實施例是使用具有無錐度且等環(huán)深度的凸面菲涅爾光學鏡片，于圖6的R1光學面為平面。表(一)卜5.466\)=0SurfacsNo.RorRFSOoo0.10SIoo0.521.410S2*2.7002.001.582*AsphericalZoneFesnel在表(一)中，光學面(Surf.^.)有標注*者為非球面的菲涅爾光學面。.下列表(二)為菲涅爾光學面半徑Rp的非球面于式(9)的各項系數(shù)、沿中心起算的第一菲涅爾環(huán)半徑n、最末菲涅爾環(huán)半徑r。、菲涅爾環(huán)深度(zoneheight)hd及菲涅爾環(huán)數(shù)量(No.ofzone):表(二)AsphericalSurfaceKA2A4A6-5扁0E-013.1000E-021.2600E-057.8000E-08FesnelSurface(mm)hdNo.ofZone0.050.5182.52627本實施例中，光學鏡片13是利用折射率L為1.582、阿貝數(shù)v"為61.7的玻璃材質(zhì)制成。通過搭配封膠層12及光學鏡片13的折射系數(shù)與阿貝數(shù)，形成光線折射角度。經(jīng)由此光學鏡片13聚集后，以X方向82。、Y方向65。的橢圓形照角，于無限遠處(以100倍fs為計)的P=67.424流明(忽略空氣的折射與散射等效應)；式(l)、(2)、(3)、(7)及式(8)分別為;;=0.8589&=41.0<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>可以滿足條件式(l)、(2)、(3)及式(7)。圖12為本實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖。由上述表(一)、表(二)及圖12所示，由此可證明本發(fā)明的凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖具有高效率且有預定的橢圓光型，其各角度的光強度均一，可提升本發(fā)明的應用性。<第二實施例>請參考圖6及圖13所示，其分別是本發(fā)明的使用凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖及本實施例的光強度分布與照角的極坐標關系圖。下列表(三)中分別列有由光源側(cè)至像側(cè)沿中心軸Z的LED晶片11、封膠層12、光學鏡片13的光源側(cè)光學面Rl與像側(cè)光學面R2的曲率半徑R或菲涅爾中心軸聚光曲面曲率半徑RF、間距di、光學鏡片13的錐度u、各折射率(Nd)等。本實施例是使用具有無錐度且等環(huán)深度的凸面菲涅爾光學鏡片，于圖6的Rl光學面為平面。表(三)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>在表(三)中，光學面(Surf.恥.)有標注*者為非球面的菲涅爾光學面。下列表(四)為菲涅爾光學面半徑RP的非球面于式(9)的各項系數(shù)、沿中心起算的第一菲涅爾環(huán)半徑n、最末菲涅爾環(huán)半徑rn、菲涅爾環(huán)深度ha及菲涅爾環(huán)數(shù)量:表(四)AsphericalSurfaceKA2A4A6-1.0000E+004.0000E-020.0000E+000.0000E+00FesnelSurface(mm)hdrirnNo.ofZone0.060.3872.51041本實施例中，光學鏡片13是利用折射率Nd2為1.582、阿貝數(shù)v"為61.7的玻璃材質(zhì)制成。通過搭配封膠層12及光學鏡片13的折射系數(shù)與阿貝數(shù)，形成光線折射角度。經(jīng)由此光學鏡片13聚集后，以X方向67。、Y方向40。的橢圓形照角，于無限遠處(以100倍fs為計)的P=70.245流明(忽略空氣的折射與散射等效應)；式(l)、(2)、(3)、(7)及式(8)分別為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>凡0.3216可以滿足條件式(l)、(2)、(3)及式(7)。圖13為本實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖。由上述表(三)、表(四)及圖13所示，由此可證明本發(fā)明的凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖具有高效率且有預定的橢圓光型，其各角度的光強度均一，可提升本發(fā)明的應用性。<第三實施例〉請參考圖6及圖14所示，其分別是本發(fā)明的使用凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖及本實施例的光強度分布與照角的極坐標關系圖。下列表(五)中分別列有由光源側(cè)至像側(cè)沿中心軸Z的LED晶片11、封膠層12、光學鏡片13的光源側(cè)光學面Rl與像側(cè)光學面R2的曲率半徑R或菲涅爾中心軸聚光曲面曲率半徑RF、間距di、光學鏡片13的錐度u、各折射率(Nd)Rl光學面為平面。表(五)<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>在表(五)中，光學面(Surf.^，)有標注*者為非球面的菲涅爾光學面。下列表(六)為菲涅爾光學面半徑RP的非球面于式(9)的各項系數(shù)、沿中心起算的第一菲涅爾環(huán)半徑n、最末菲涅爾環(huán)半徑rn、菲涅爾環(huán)深度hd及菲涅爾環(huán)數(shù)量表(六)<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>本實施例中，光學鏡片13是利用折射率N"為1.582、阿貝數(shù)vw為61.7的玻璃材質(zhì)制成。通過搭配封膠層12及光學鏡片13的折射系數(shù)與阿貝數(shù)，形成光線折射角度。經(jīng)由此光學鏡片13聚集后，以X方向70。、Y方向42。的橢圓形照角，于無限遠處(以100倍fs為計)的P=73.798流明(忽略空氣的折射與散射等效應)；式(l)、(2)、(3)、(7)及式(8)分別為;7=0.9401/1/2=30.5&=35.2^=19.5<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>可以滿足條件式(l)、(2)、(3)及式(7)。圖14為本實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖。由上述表(五)、表(六)及圖14所示，由此可證明本發(fā)明的凸面菲浬爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖具有高效率且有預定的橢圓光型，其各角度的光強度均一，可提升本發(fā)明的應用性。<第四實施例〉請參考圖6及圖15所示，其分別是本發(fā)明的使用凸面菲浬爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖及本實施例的光強度分布與照角的極坐標關系圖。下列表(七)中分別列有由光源側(cè)至像側(cè)沿中心軸Z的LED晶片11、封膠層12、光學鏡片13的光源側(cè)光學面Rl與像側(cè)光學面R2的曲率半徑R或菲涅爾中心軸聚光曲面曲率半徑RF、間距di、光學鏡片13的錐度u、各折射率(Nd)等。本實施例是使用具有無錐度且等環(huán)深度的凸面菲涅爾塑膠PMMA制成的光學鏡片，于圖6的Rl光學面為平面。表(七)<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>*AsphericalZoneFesnel在表(七)中，光學面(Surf.^.)有標注*者為非球面的菲涅爾光學面。下列表(八)為菲涅爾光學面半徑Rp的非球面于式(9)的各項系數(shù)、沿中心起算的第一菲涅爾環(huán)半徑r"最末菲涅爾環(huán)半徑rn、菲涅爾環(huán)深度ha及菲涅爾環(huán)數(shù)量表(八)AsphericalSurfaceKA2A4A6-1.0000E+004.0000E-020.0000E+000.0000E+00FesnelSurface(mm)hdrirnNo.ofZone0.060.3872.51041本實施例中，光學鏡片13是利用折射率Nd2為1.491、阿貝數(shù)v"為32的PMMA塑膠材質(zhì)制成。通過搭配封膠層12及光學鏡片13的折射系數(shù)與阿貝數(shù)，形成光線折射角度。經(jīng)由此光學鏡片13聚集后，以X方向62。、Y方向40。的橢圓形照角，于無限遠處(以100倍fs為計)的P=74.069流明(忽略空氣的折射與散射等效應)；式(l)、(2)、(3)、(7)及式(8)分別為7/=0.94357_245《=31.0^=20.04=1.0081(^2-l),=G.3881V廣"一必、2+/=0.1975乂g五，1/2凡0.2766可以滿足條件式(l)、(2)、(3)及式(7)。圖15為本實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖。由上述表(七)、表(八)及圖15所示，由此可證明本發(fā)明的凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖具有高效率且有預定的橢圓光型，其各角度的光強度均一，可提升本發(fā)明的應用性。<第五實施例>請參考圖6及圖16所示，其分別是本發(fā)明的使用凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖及本實施例的光強度分布與照角的極坐標關系圖。下列表(九)中分別列有由光源側(cè)至像側(cè)沿中心軸Z的LED晶片11、封膠層12、光學鏡片13的光源側(cè)光學面Rl與像側(cè)光學面R2的曲率半徑R或菲涅爾中心軸聚光曲面曲率半徑RF、間距di、光學鏡片13的錐度u、各折射率(Nd)光學鏡片的曲率半徑RF為球面，于圖6的Rl光學面為平面。表(九)f=2.530i)=6.17SurfaceNo.RorRFdiSOoo0.10SIoo0.521.410S2*1.2502.001.582AsphericalZoneFesnel在表(九)中，光學面(Surf.阮.)有標注*者為非球面的菲涅爾光學面。下列表(十)為菲涅爾光學面半徑RP的非球面于式(9)的各項系數(shù)、沿中心起算的第一菲涅爾環(huán)半徑n、最末菲涅爾環(huán)半徑r。、菲涅爾環(huán)深度hd及菲涅爾環(huán)數(shù)量表(十)AsphericalSurfaceKA2A4A6-1.0000E+004.0000E-020.0000E+000.0000E+00FesnelSurface(mm)hdrnNo.ofZone0.060.3872.35641本實施例中，光學鏡片13是利用折射率&2為1.582、阿貝數(shù)v"為61.7的玻璃材質(zhì)制成。通過搭配封膠層12及光學鏡片13的折射系數(shù)與阿貝數(shù)，形成光線折射角度。經(jīng)由此光學鏡片13聚集后，以X方向68。、Y方向43。的橢圓形照角，于無限遠處(以100倍fs為計)的P=72.48流明(忽略空氣的折射與散射等效應)；式(l)、(2)、(3)、(7)及式(8)分別為77=0.9219/"一325_/1/2—j力'j&=33.0^=19.0<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>可以滿足條件式(l)、(2)、(3)及式(7)。圖16為本實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖。由上述表(九)、表(十)及圖16所示，由此可證明本發(fā)明的凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖具有高效率且有預定的橢圓光型，其各角度的光強度均一，可提升本發(fā)明的應用性。<第六實施例〉請參考圖6及圖17所示，其分別是本發(fā)明的使用凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖及本實施例的光強度分布與照角的極坐標關系圖。下列表(十一)中分別列有由光源側(cè)至像側(cè)沿中心軸Z的LED晶片11、封月交層12、光學鏡片13的光源側(cè)光學面Rl與像側(cè)光學面R2的曲率半徑R或菲涅爾中心軸聚光曲面曲率半徑RF、間距di、光學鏡片13的錐度u、各折射率(Na)其菲涅爾光學鏡片的曲率半徑Rp為球面，于圖6的R1光學面為平面。表(十一)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>在表(十一)中，光學面(Surf.^.)有標注*者為球面的菲涅爾光學面。下列表(十二)為菲涅爾光學面半徑RP的非球面于式(9)的各項系數(shù)、沿中心起算的第一菲涅爾環(huán)半徑ri、最末菲涅爾環(huán)半徑rn、菲涅爾環(huán)間距rt及菲涅爾環(huán)數(shù)量表(十二)rtrnNo.ofZoneFesnelSurface(mm)-0.1252.50019本實施例中，光學鏡片13是利用折射率Nw為1.582、阿貝數(shù)v"為61.7的玻璃材質(zhì)制成。通過搭配封膠層12及光學鏡片13的折射系數(shù)與阿貝數(shù)，形成光線折射角度。經(jīng)由此光學鏡片13聚集后，以X方向85。、Y方向70。的橢圓形照角，于無限遠處(以100倍fs為計)的P=72.72流明(忽略空氣的折射與散射等效應)；式(l)、(2)、(3)、(7)及式(8)分別為7=0.8913/=225々/2JA=42.0-,35.0Wn—1)，=0.2300A一Avk+7T./=0.0248《1/2凡0.002可以滿足條件式(l)、(2)、(3)及式(7)。圖17為本實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖。由上述表(十一)、表(十二)及圖17所示，由此可證明本發(fā)明的凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖具有高效率且有預定的橢圓光型，其各角度的光強度均一，可提升本發(fā)明的應用性。<第七實施例>請參考圖6及圖18所示，其分別是本發(fā)明的使用凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖及本實施例的光強度分布與照角的極坐標關系圖。下列表(十三)中分別列有由光源側(cè)至像側(cè)沿中心軸Z的LED晶片11、封膠層12、光學鏡片13的光源側(cè)光學面Rl與像側(cè)光學面R2的曲率半徑R或菲涅22爾中心軸聚光曲面曲率半徑RF、間距di、光學鏡片13的錐度u、各折射率(Nd)光學鏡片的曲率半徑RF為球面，于圖6的Rl光學面為平面。表(十三)卜2.530u=0SurfaceNo.RorRFNdiSOoo0.10SI30.000.521.410S2*1.2501.901.582*AsphericalZoneFesnel在表(十三)中，光學面(Surf.恥.)有標注*者為非球面的菲涅爾光學面。下列表(十四)為菲涅爾光學面半徑Rp的非球面于式(9)的各項系數(shù)、沿中心起算的第一菲涅爾環(huán)半徑r!、最末菲涅爾環(huán)半徑r。、菲涅爾環(huán)深度hd及菲涅爾環(huán)數(shù)量表(十四)AsphericalSurfaceKA2A4A6-1.0000E+004.0000E-020.0000E+000.0000E+00FesnelSurface(mm)hdrnNo.ofZone0.060.3872.51041本實施例中，光學鏡片13是利用折射率L為1.582、阿貝數(shù)Vd2為61.7的玻璃材質(zhì)制成。通過搭配封膠層12及光學鏡片13的折射系數(shù)與阿貝數(shù)，形成光線折射角度。經(jīng)由此光學鏡片13聚集后，以X方向68°、Y方向36°的橢圓形照角，于無限遠處(以100倍fs為計)的3=72.929流明(忽略空氣的折射與散射等效應)；式(l)、(2)、(3)、(7)及式(8)分別為7=0.9163/1/2=29.0&=33.9^=18.1A=l.謂l(廣1)，=0.4361+A一S7t./=0.21931/2凡0.3232可以滿足條件式(l)、(2)、(3)及式(7)。圖18為本實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖。由上述表(十三)、表(十四)及圖18所示，由此可證明本發(fā)明的凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖具有高效率且有預定的橢圓光型，其各角度的光強度均一樣，可提升本發(fā)明的應用性。<第八實施例>請參考圖6及圖19所示，其分別是本發(fā)明的使用凸面菲浬爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖及本實施例的光強度分布與照角的極坐標關系圖。下列表(十五)中分別列有由光源側(cè)至像側(cè)沿中心軸Z的LED晶片11、封膠層12、光學鏡片13的光源側(cè)光學面Rl與像側(cè)光學面R2的曲率半徑R或菲涅爾中心軸聚光曲面曲率半徑RF、間距di、光學鏡片13的錐度u、各折射率(Na)等。本實施例是使用具有錐度且等環(huán)深度的凸面菲涅爾光學鏡片，于圖6的R1光學面為平面。表(十五)f=2.530d=0SurfaceNo.RorRFNdiSOoo0.10SI9.000.521.410S2*1.2501.651.582*AsphericalZoneFesnel在表(十五)中，光學面(Surf.化.)有標注*者為非球面的菲涅爾光學面。下列表(十六)為菲涅爾光學面半徑Rp的非球面于式(9)的各項系數(shù)、沿中心起算的第一菲涅爾環(huán)半徑ri、最末菲涅爾環(huán)半徑"、菲涅爾環(huán)深度hd及菲涅爾環(huán)數(shù)量表(十六)24<table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table>本實施例中，光學鏡片13是利用折射率&2為1.582、阿貝數(shù)v"為61.7的玻璃材質(zhì)制成。通過搭配封膠層12及光學鏡片13的折射系數(shù)與阿貝數(shù)，形成光線折射角度。經(jīng)由此光學鏡片13聚集后，以X方向65。、Y方向60。的橢圓形照角，于無限遠處(以100倍fs為計)的P=71.41流明(忽略空氣的折射與散射等效應)；式(l)、(2)、(3)、(7)及式(8)分別為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage25</formula>可以滿足條件式(l)、(2)、(3)及式(7)。圖19為本實施例的LED組件光強度分布與照角的極坐標關系圖。由上述表(十五)、表(十六)及圖19所示，由此可證明本發(fā)明的凸面菲涅爾光學鏡片所構成的發(fā)光二極管組件示意圖具有高效率且有預定的橢圓光型，其各角度的光強度均一，可提升本發(fā)明的應用性。以上所示僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，對本發(fā)明而言僅是說明性的，而非限制性的。本專業(yè)
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具通常知識人員理解，在本發(fā)明權利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進行許多改變、修改、甚至等效變更，但都將落入本發(fā)明的權利范圍內(nèi)。權利要求1、一種凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片，供使用于發(fā)光二極管組件中，所述發(fā)光二極管組件沿著中心軸由光源側(cè)至像側(cè)排列依序包含一發(fā)光二極管晶片、一封膠層及一光學鏡片；其特征在于所述光學鏡片具有一像側(cè)光學面及一光源側(cè)光學面，其中所述像側(cè)光學面為一凸面的菲涅爾光學面，而所述菲涅爾光學面的環(huán)面是由一聚光曲面轉(zhuǎn)移形成，且所述環(huán)面具有垂直環(huán)齒，以使所述發(fā)光二極管晶片所發(fā)出的光線經(jīng)由所述封膠層與所述光學鏡片后形成橢圓形照角的光型，且所述光學鏡片滿足以下條件<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mn>0.7</mn><mo>≤</mo><mfrac><msub><mi>f</mi><mi>s</mi></msub><msub><mi>r</mi><mi>n</mi></msub></mfrac><mo>≤</mo><mn>2.2</mn></mrow>]]></math></maths><mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mn>0.1</mn><mo>≤</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>N</mi><mrow><mi>d</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mfrac><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>f</mi><mi>s</mi></msub></mfrac><mo>≤</mo><mn>0.625</mn></mrow>]]></math></maths>其中，fs為本光學鏡片的有效焦距、rn為菲涅爾光學面的最末環(huán)半徑、d2為中心軸光學鏡片厚度、Nd2為光學鏡片的折射率。2、根據(jù)權利要求1所述的凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片，其特征在于，所述光學鏡片進一步滿足以下條件<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，fs為本光學鏡片的有效焦距，rn為菲涅爾光學面的最末環(huán)半徑，d2為中心軸光學鏡片厚度，Nd2為光學鏡片的折射率，2么為經(jīng)由光學鏡片射出光線在X方向最高光強度一半處的角度，2^為經(jīng)由光學鏡片射出光線在Y方向最高光強度一半處的角度，2Lx為LED晶片在X方向的長度，2Ly為LED晶片在Y方向的長度，fg為本光學鏡片的相當焦距，Ri為光源側(cè)光學面的曲率半徑，RF為像側(cè)菲涅爾光學面的聚光曲面曲率半徑，d。為LED晶片厚度，山為中心軸的封膠層厚度，D為光學鏡片在像側(cè)光學面的半徑。3、根據(jù)權利要求l所述的凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片，其特征在于，所述光學鏡片的光源側(cè)光學面為一平面。4、根據(jù)權利要求1所述的凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片，其特征在于，所述光學鏡片的光源側(cè)光學面為一凹面。5、根據(jù)權利要求1所述的凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片，其特征在于，所述用以轉(zhuǎn)移形成菲涅爾光學面的聚光曲面為球面。6、根據(jù)權利要求1所述的凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片，其特征在于，所迷用以轉(zhuǎn)移形成菲涅爾光學面的聚光曲面為非球面。7、根據(jù)權利要求l所述的凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片，其特征在于，所述菲涅爾光學面的環(huán)面為等環(huán)深度。8、根據(jù)權利要求1所述的凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片，其特征在于，所迷菲涅爾光學面的環(huán)面為等環(huán)間距。9、根據(jù)權利要求1所述的凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片，其特征在于，所述光學鏡片的外緣面具有錐度。10、根據(jù)權利要求l所述的凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片，其特征在于，所述光學鏡片是由選自塑膠光學材料及玻璃光學材料中一種所制成。11、一種發(fā)光二極管組件，其特征在于其沿著中A軸由光源側(cè)至像側(cè)排列依序包含一根據(jù)權利要求1至10的任一項權利要求所述的凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片、一封膠層及一發(fā)光二極管晶片；所述發(fā)光二極管組件具有橢圓照角光型，并滿足以下條件￡1/2S0.7￡rf;其中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，rn為菲涅爾光學面的最末環(huán)半徑、2么為經(jīng)由光學鏡片射出光線在X方向最高光強度一半/1/2處的角度、2^為經(jīng)由光學鏡片射出光線在Y方向最高光強度一半/1/2處的角度、a為LED晶片發(fā)出光線的光通量、P為像側(cè)相對無限遠處不考慮衰減因素的光線的光通量、11為光通量比值7=戶/"、Ed為LED晶片發(fā)出的照度。12、根據(jù)權利要求11所述的發(fā)光二極管組件，其特征在于，所述發(fā)光二極管組件發(fā)出光線的光通量與像側(cè)相對無限遠處的光通量比值，是滿足以下條件其中，ct為所述發(fā)光二極管晶片發(fā)出光線的光通量、P為所述發(fā)光二極管組件像側(cè)相對無限遠處忽略空氣的折射與散射等效應的光通量。全文摘要本發(fā)明是一種凸面菲涅爾發(fā)光二極管光學鏡片及其所構成發(fā)光二極管組件(Convex-FresnelLEDLensforAngularDistributionPatternsandLEDAssemblyThereof)，所述光學鏡片為一像側(cè)光學面(opticalsurfaceonforwardside)為凸面且具有垂直環(huán)齒(draftwithverticalshape)的菲涅爾光學面的菲涅爾光學鏡片，使所述光學鏡片在所構成的發(fā)光二極管組件(LEDAssembly)中，可對LED晶片發(fā)出的光線聚集并產(chǎn)生光強度(peakintensity)為橢圓照角光型(Ellipticangulardistributionpattern)，又所述光學鏡片及發(fā)光二極管組件滿足特定條件；由此，本發(fā)明僅使用一單獨的光學鏡片即可將LED晶片發(fā)出的光線聚集成預定的特殊光型，且符合光通量比值大于85％的要求，可供照明、手機閃光燈或相機閃光燈使用。文檔編號F21Y101/02GK101676615SQ200810161308公開日2010年3月24日申請日期2008年9月19日優(yōu)先權日2008年9月19日發(fā)明者徐三偉,陳翊民申請人:一品光學工業(yè)股份有限公司