局部微结构光学透镜以及具有该光学透镜的发光模块的制作方法

专利名称：局部微结构光学透镜以及具有该光学透镜的发光模块的制作方法
技术领域：
本创作为ー种局部微结构光学透镜，尤指ー种于一光学透镜上的一入光面局部性地设有多个微结构，进ー步减少射入的光功率损耗以提升照明效果的局部微结构光学透镜。
背景技术：
随着安全防护行业不断的发展，用户对于昼夜24小时监控的需求也愈发的強烈，但是由于摄影机在无背景光源的状况是发挥不了作用的，所以配有红外线光源的摄影机在视频监控领域扮演着重要的角色。红外线摄影机的进步离不开红外光源的发展，可以说红外线摄影机的发展史也是一部红外线光源的发展史；光源从第一代的普通红外线发光二极管IR-LED (Epoxy-moldedlamp, 0 5,の8-)、第二代的阵列式红外线发光二极管、甚至到高功率红外线镭射ニ极管IR-LASER,例如由垂直腔面射型儀射(VerticalCavity Surface Emitting Laser ;简称VCSEL)所构成的点阵式红外线垂直腔面射型镭射阵列光源，各种不同的解决方案在短短的几年间被开发并应用在安全防护的市场上，足见红外线光源在安全防护市场的潜在发展潜力。由于点阵式红外线发光二极管IR-LED的散热易处理及制作材料不同，其寿命约为传统LED寿命的五到十倍，所以点阵式红外线发光二极管IR-LED具有如此的优点，因此被广泛的应用在夜视照明应用。现有习知的点阵式红外线发光二极管IR-LED的应用，由于IR-LED具有大角度发光的特性，其照射范围广、角度大、但却不够远，因此大致仅能投射到10_50米左右的距离，并且通常需要搭配二次光学投射(聚焦透镜/不同角度)才能符合最佳化的应用。不过，光学透镜设计的好坏，也会影响光场的均匀性，因此点阵式红外线发光ニ极管IR-LED为了达到光场的均匀性，有些光学厂甚至会在透镜的出光面加上全面雾化或者是全面微透镜阵列的处理，如此设计是适合短距离的应用，但是应用在中长距离时，这些特殊处理会造成光能量的大角度发散，缩短照明距离；此外，这些特殊处理会造成光的散射并漫射回影像感测器内，形成杂讯，导致影像白雾化，降低影像的品质。因此，为了满足中远距离的夜间照明需求，高功率红外线镭射ニ极管IR-LASER(例如但不局限于:垂直腔面射型镭射VCSEL)也被开发出来以满足100米以上的应用。但是采用现有镭射的方案也有一些问题需要克服；譬如光形的不均匀性及镭射光斑的形成等，这两种特性都会严重直接影响照明的品质，特别是在高功率红外线镭射ニ极管IR-LASER(VCSEL)使用在红外线辅助照明更会同时遇到光场均匀性及光斑的问题，因此若要保持镭射在红外线照明应用的优势，则光场的均匀性及镭射光斑的问题势必需要同时获得解決。由于点阵式红外线发光二极管IR-LED发散角大于120度，因此需要不同的聚光面(反射面)来达到有效的收光效果，因此透镜的尺寸设计就变得很大；然而镭射的发散角度小，方向性高，无需做额外的反射面来收集光束，因此透镜的尺寸可以缩小，可以有效地降低模块的尺寸及透镜的用料成本。有鉴于此，若于现有红外线镭射ニ极管(IR-VCSEL光源)搭配现有用于LED照明的聚光透镜(全透光透镜)，会产生严重的光斑效应(Speckle)及光強度分布不均的现象，造成影响品质变差。而现行习知的解决方案是采用全雾化聚光透镜的设计，虽然能有效解改善光场分布不均匀与光斑的光特性的问题，但是其光功率损耗较全透光透镜更減少15%，造成输出功率的严重损耗。至于采用为全面性的透镜阵列聚光透镜的设计，也会有较全透光透镜更減少11%的光损耗。因此，本创作利用在光学透镜的入光面设有局部微结构的方式，则比全透光透镜的光功率损耗大幅减少至6%，如此不仅保持高功率红外线镭射ニ极管IR-VCSEL高指向光源特性进而突显长距离照明优势，还可以减少光功率损失、改良光学透镜的出光效率，并且有效改善光场分布不均与光斑的光特性，有效的提升照明效果以符合照明的应用。
发明内容本创作的主要目的在于提供ー种局部微结构光学透镜，利用于该光学镜片的一入光面上局部性地设置多个微结构以提供ー发光元件进行光线投射，不仅可以消除光斑及解决光场均匀性问题，又可以达到降低光损耗率以及提升照明效果的目的。ー种局部微结构光学透镜，其结合于ー发光元件的一投射面上，其包括有:一出光面、以及一入光面。该出光面为ー圆凸状表面。该入光面与该出光面相对应，并位于该发光元件的一光路径上。该入光面上设有多个阵列排列的微结构，且各别的两微结构间分别间隔ー预设距离。ー种局部微结构光学透镜，其结合于ー发光元件的一投射面上，其包括有:一出光面，为ー圆凸状表面；以及一入光面，与该出光面相对应，并位于该发光元件的一光路径上；该入光面上设有多个阵列排列的微结构，且各别的两微结构间分别间隔ー预设间距。该发光元件为下列其中之一:发光二极管、垂直腔面射型镭射元件、水平面射型镭射元件、或小角度发光二极管元件；并且，该入光面为非球状表面或平面。所述微结构是:阵列排列的多个雾化区域或多个透镜阵列所构成；并且，所述微结构各别的ニ维轮廓外形是:圆形、四方形、六角形或多边形。该多个微结构在该入光面上所占据的面积相对于整个该入光面表面面积的比例是 30% 70%。多个该微结构在该入光面上所占据的面积相对于整个该入光面表面面积的比例是 40% 50%。当所述微结构的外形为圆形时，其直径为500 ym，且各别两微结构中心点相隔距离为750 u m。—种具有局部微结构光学透镜的发光模块，包括有:一发光兀件，具有一投射面；一光学透镜，其包括有:一出光面、以及一入光面；其中，该入光面与该出光面相对应，并位于该发光兀件的一光路径上；该入光面上设有多个阵列排列的微结构，且两微结构之间分别间隔ー预设间距。该发光元件为下列其中之一:发光二极管、垂直腔面射型镭射元件、水平面射型镭射元件、或小角度发光二极管元件；并且，该光学透镜的该入光面为非球状表面或平面；该出光面为ー圆凸状表面；所述微结构是:阵列排列的多个雾化区域或多个透镜阵列所构成；所述微结构各别的外形是:圆形、四方形、六角形或多边形。[0018]多个该微结构在该入光面上所占据的面积相对于整个该入光面表面面积的比例 是 30% 70%。[0019]当所述微结构的外形为圆形时，其直径为500 μ m，且各别两微结构中心点相隔距 离为750 μ m。[0020]通过该些微结构将该发光元件所投射的光线经由该出光面二次光学投射后达到 提高光效率，并且有效改善光场分布不均与光斑的目的。


[0021]图1为本创作具有局部微结构光学透镜的发光模块的立体分解示意图。[0022]图2为本创作局部微结构光学透镜的仰视图。[0023]图3为本创作局部微结构光学透镜的剖面示意图。[0024]图4为本创作局部微结构光学透镜的微结构示意图。[0025]图5为本创作具有局部微结构光学透镜的发光模块的组合剖面示意图。[0026]附图标记说明[0027]1-局部微结构光学透镜；10_凹槽；11-出光面；12-入光面；121-微结构；5-光路 径；8_电路板；9_发光兀件；91_投射面；100_具有该局部微结构光学透镜的发光模块。
具体实施方式
[0028]为了能更清楚地描述本创作所提出的局部微结构光学透镜以及具有该局部微结 构光学透镜的发光模块，以下将配合图式详细说明的。[0029]请参阅图1、图2、图3、图4、以及图5所示，图1为本创作具有局部微结构光学透 镜的发光模块的立体分解示意图。图2为本创作局部微结构光学透镜的仰视图。图3为本 创作局部微结构光学透镜的剖面示意图。图4为本创作局部微结构光学透镜的微结构示意 图。图5为本创作具有局部微结构光学透镜的发光模块的组合剖面示意图。[0030]于本创作实施例中，该局部微结构光学透镜I具有一凹槽10的光学透镜，覆盖于 一发光元件9的一投射面91，并结合于一电路板8之上，其包括有:一出光面11、以及一入 光面12。该凹槽10内的底面设为该入光面12，且与该局部微结构光学透镜I外侧的该出 光面11相对应。该凹槽10用以容置该发光兀件9,且该入出光面12于该发光兀件9的一 光路径5上，该发光元件9的该投射面91与该入光面12之间具有一预设距离t。该发光元 件9可以是下列其中之一:发光二极管(LED)、垂直腔面射型镭射(VCSEL)元件、水平面射型 镭射(HCSEL)元件、或小角度发光二极管(RCLED)元件。[0031]于本创作实施例中，该出光面11为一圆凸表面，且该出光面11具有将通过该入光 面12而发散的光线产生收敛的效果，因此，可依不同投射需求设计该出光面11的曲面折射 弧度，将输出的照明光收敛于一预定角度内，进一步提升光照明效率。该入光面12为非球 状表面，其设有局部性地覆盖于该入光面12表面上的多个阵列排列的微结构121，且各别 的两微结构121间隙分别间隔一预设间距d。换句话说。该入光面12并非完全被微结构 121所覆盖，而是只有部分表面被该些微结构121所覆盖，而该入光面12未设有该些微结构 121的其他表面部分为全透光状态。通过局部性地设在入光面12上的该些微结构121将 该发光元件9所投射的光线中的局部光线加以发散后(另一些光线则经由未设有该些微结构121的其他表面部分直接穿越该入光面12而不会被微结构121发散)，再经由该出光面 11 二次光学投射后达到提高光效率的目的。该些微结构121可以是:阵列排列的多个雾化 区域、或多个微透镜阵列其中之一所构成。该些微结构121各别的二维轮廓外形可以是:圆 形、四方形、六角形、或多边形其中之一。如图4所示，于本创作较佳实施例中，以通过磨砂、 喷砂或放电加工的方式将该入光面12上相互间隔的该些微结构121各自形成圆形的雾化 区域时，该些微结构121的直径最佳为500 μ m,而各别两微结构121中心点相隔距离最佳为 750 μ m。该局部微结构光学透镜I其材质可为玻璃或高分子聚合物例如:压克力、聚碳酸酯 (Polycarbonate, PC)等塑胶材料。[0032]本创作的微结构以下列条件参数设定进行实际的模拟:[0033]1.微结构种类:圆形、四方形、六角形。[0034]2.微结构型态:雾化。[0035]3.两个微结构之间的间隙:预设间距d[0036]4.出光率的假设:假设全透透镜的出光率为I (100%)，此时进行实际的模拟后 发现，使入光面12整个表面都全雾化的出光效率相对于全透透镜将会是0.85 (85%)。[0037]因此，依据相同的模拟方式，使用不同形状(圆形、四方形、六角形)微结构、搭配不 同的微结构间距d值来进行多次模拟后，所得出的数据可归纳为下列几点结论:[0038]1.不论雾化的微结构121的二维轮廓外形样式为何(圆形、四方形、六角形、或其 他多边形)，其雾化的等效面积越大，其出光效率越低。[0039]2.单点雾化的微结构121的该预设间距d越小(雾化面积越大)，其出光效率越 低。[0040]3.该入光面12的微结构121雾化程度在某一范围时< 30%(也即，微结构121雾 化的面积占据整个入光面12表面面积的比例< 30%时)，其不管型态(圆形、四方形、六角 形)或预设间距d为何，其出光效率与全透的出光效率差异不大，所以仍具有全透透镜的相 同缺点。[0041]4.该入光面12的微结构121雾化程度< 30%时，由于出光效率与全透的出光效 率差异不大，因此对光斑的抑制能力也变差，即投射出来的光斑现象仍明显。[0042]5.该入光面12的微结构121雾化面积比例介于30% 70%之间时(也即，当多个 微结构121在该入光面上所占据的面积相对于整个入光面12表面面积的比例介于30% 70 %之间时)，其出光效率范围介于95 % 90 %之间，为较佳的实施例范围，S卩可得到较低 的光衰率同时减少光斑所造成的影像品质变差的效果。本创作更佳实施例之一的该入光面 12的微结构121雾化面积(也即，多个微结构121在该入光面上所占据的面积相对于整个入 光面12表面面积的比例)比例为46%，而出光效率达到94%。当该入光面12的该些微结 构121所占面积比例介于40% 50%之间时，而出光效率可达到接近93% 95%之间。[0043]6.任何形状都可当作为局部微结构121的形状，但是基于模具制作的方便性，所 以选择圆形当作实施例为最佳。[0044]如图1、图5所示，于本创作较佳实施例中，为一具有该局部微结构光学透镜的发 光模块100 ;其中，将封装完成的该发光元件9设置于该电路板8上并与该电路板8电性连 接，且由于本创作该发光元件9其封装型态是以高功率红外线镭射二极管IR-VCSEL为封装 为基础，其镭射二极管IR-VCSEL表面所覆盖第一次折射的压模镜片也就是该发光元件9上的该投射面91大多采用雾化处理，其优点是能够重整传统垂直腔面射型镭射VCSEL所产生 的甜甜圈状的光形分布，即使是光形不均匀漂亮的光场分布也可利用此雾化的压模镜片重 整光形以达到较佳的照明需求，然后再将二次光学聚焦的该局部微结构光学透镜I直接紧 配于该发光元件9或是该电路板8之上，遂即成为具有该局部微结构光学透镜的发光模块 100。该发光元件9可以为一或多个垂直腔面射型镭射(VCSEL)元件，此一或多个垂直腔面 射型镭射(VCSEL)元件中也可含有数个发光孔，经由提供第一次折射的压模镜片封装而成， 并进一步设置于该电路板8上；其中，该发光元件9的多个垂直腔面射型镭射(VCSEL)元件 可以是线性排列、阵列排列、或呈几何图案排列其中之一。[0045]也就是说，将该局部微结构光学透镜I利用该凹槽10把该发光元件9加以覆盖并 嵌附结合于其中，进而使该发光元件9容置于该局部微结构光学透镜I的该凹槽10内，使 该发光元件9的该投射面91与该入光面12间隔一预设距离t并相互对应且同时位于该光 路径5之上，进一步将该局部微结构光学透镜I与该发光元件9卡合固定一起。当然，该局 部微结构光学透镜I也可直接与该电路板8进行卡合，而令该发光元件9容置于该局部微 结构光学透镜I的凹槽10内。[0046]换句话说，现有的光学透镜通常采用全雾化的设计，如此虽然能解决光斑及光强 度分布不均匀的问题，但是却造成输出功率的严重损耗。因此，上述本创作的具有该局部微 结构光学透镜的发光模块100,由于该局部微结构光学透镜I的该入光面12上局部设置有 该些微结构121的方式，使该发光元件9经由该局部微结构光学透镜I的二次光学投射后， 大幅改善以往现有的光学透镜采用全雾化的设计所产生的功率损耗，进一步也可以减少该 发光兀件9的光功率损失,提高该局部微结构光学透镜I的出光效率，并且同样有效的改善 其光场分布不均匀与光斑等特性。[0047]综上所述，本创作一种局部微结构光学透镜I，其结合于一发光元件9的一投射面 91上,其包括有:一出光面11、以及一入光面12。该出光面11为一圆凸状表面。该入光 面12与该出光面11相对应，并位于该发光兀件9的一光路径5上。该入光面12上设有多 个阵列排列的微结构121，且各别的两微结构121间分别间隔一预设距离，通过该些微结构 121将该发光元件9所投射的光线经由该出光面二次光学投射后达到提高光效率的目的。 因此，该发光元件9藉由该投射面91将光源入射至本创作的局部微结构光学透镜I是先 通过该入光面12上的该些微结构121进行发散后，再由该出光面11将光线收敛于一预定 角度，以使通过本创作的该局部微结构光学透镜I所输出的照明光较为均匀且投射距离较 远，如此不仅可以达到消除光斑及解决光场均匀性问题，又可以通过出光面的曲率设计，将 投射光有效地收敛起来，达到中长距离的投射效果。[0048]以上对本实用新型的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权 利要求限定的精神与范围内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本实用 新型的保护范围内。
权利要求1.ー种局部微结构光学透镜，其结合于ー发光元件的一投射面上，其包括有: 一出光面，为ー圆凸状表面；以及 一入光面，与该出光面相对应，并位于该发光元件的一光路径上； 其特征在于，该入光面上设有多个阵列排列的微结构，且各别的两微结构间分别间隔ー预设间距。
2.如权利要求1所述的局部微结构光学透镜，其特征在于，该发光元件为下列其中之一:发光二极管、垂直腔面射型镭射元件、水平面射型镭射元件、或小角度发光二极管元件；并且，该入光面为非球状表面或平面。
3.如权利要求1所述的局部微结构光学透镜，其特征在于，所述微结构是:阵列排列的多个雾化区域或多个透镜阵列所构成；并且，所述微结构各别的ニ维轮廓外形是:圆形、四方形、六角形或多边形。
4.如权利要求1所述的局部微结构光学透镜，其特征在于，该多个微结构在该入光面上所占据的面积相对于整个该入光面表面面积的比例是30% 70%。
5.如权利要求4所述的局部微结构光学透镜,其特征在于，多个该微结构在该入光面上所占据的面积相对于整个该入光面表面面积的比例是40% 50%。
6.如权利要求5所述的局部微结构光学透镜，其特征在干，当所述微结构的外形为圆形时，其直径为500 iim,且各别两微结构中心点相隔距离为750 iim。
7.ー种具有局部微结构光学透镜的发光模块，包括有: 一发光兀件，具有一投射面； 一光学透镜，其包括有:一出光面、以及一入光面；其中，该入光面与该出光面相对应，并位于该发光元件的一光路径上； 其特征在于，该入光面上设有多个阵列排列的微结构，且两微结构之间分别间隔ー预设间距。
8.如权利要求7所述的具有局部微结构光学透镜的发光模块，其特征在干，该发光元件为下列其中之一:发光二极管、垂直腔面射型镭射元件、水平面射型镭射元件、或小角度发光二极管元件；并且，该光学透镜的该入光面为非球状表面或平面；该出光面为ー圆凸状表面；所述微结构是:阵列排列的多个雾化区域或多个透镜阵列所构成；所述微结构各别的外形是:圆形、四方形、六角形或多边形。
9.如权利要求7所述的具有局部微结构光学透镜的发光模块，其特征在干，多个该微结构在该入光面上所占据的面积相对于整个该入光面表面面积的比例是30% 70%。
10.如权利要求9所述的具有局部微结构光学透镜的发光模块，其特征在干，当所述微结构的外形为圆形时， 其直径为500 ym，且各别两微结构中心点相隔距离为750i!m。
专利摘要一种局部微结构光学透镜，其结合于一发光元件的一投射面上，其包括有一出光面、以及一入光面。该出光面为一圆凸表面。该入光面与该出光面相对应，并位于该发光元件的一光路径上。该入光面上设有多个阵列排列的微结构，且各别的两微结构间分别间隔一预设距离。通过局部性地设在入光面上的该些微结构将该发光元件所投射的光线中的局部光线加以发散后，再经由该出光面二次光学投射，以达到提高光效率的目的。
文档编号F21S8/00GK202972931SQ201220572448
公开日2013年6月5日 申请日期2012年11月1日 优先权日2012年11月1日
发明者刘锋彬, 陈志诚, 潘金山, 张简嘉靖 申请人:光环科技股份有限公司