專利名稱：多變曲率光學(xué)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種利用凹透鏡與凸透鏡交錯排列的光學(xué)膜片使發(fā)光二極 管陣列的光線擴散的光學(xué)模塊。
背景技術(shù)：
效率日漸增加的發(fā)光二極管(LightEmittingDiode,LED),已漸漸可以應(yīng) 用在照明領(lǐng)域中，然而當(dāng)LED亮度不斷增加時，單一亮點區(qū)域的光強度相對 增加，高強度的LED光源，在照明使用上有眩光的問題，即會使人的眼睛產(chǎn) 生長時間的視覺暫留現(xiàn)象，導(dǎo)致視覺的不舒適感甚至達失能狀態(tài)。同時由于 LED的指向性較高，正對于LED垂直方向的中心亮度與周遭亮度差異過大， 不利于照明應(yīng)用。另一方面，雖然單顆LED的效率已經(jīng)突破801m/W的高效 率階段，但是對于一般用照明，還無法做到單顆LED能提供5001m的總光通 量，所以一般使用上必須多個LED組合在一起使用，多個LED組合，會產(chǎn)生 多重投影的影像，也稱為光紋或重影。多重投影現(xiàn)象，會讓使用者感到眼花繚 亂，影響閱讀或是書寫， 一般的LED燈箱解決眩光與重影方式，是將LED盡 量集中排列，或加裝擴散板。LED集中排列不利于散熱與發(fā)光效率，眩光問 題也仍會很嚴重；加裝擴散板會大幅降低光效率，讓原本光通量不足的情況更 加嚴重，必須增加LED數(shù)目，結(jié)果散熱問題更加嚴重，也大幅增加成本，產(chǎn) 生惡性循環(huán)。除了擴散板外，利用高霧度的擴散膜是無法將高光強度的LED 光點打散，并不能防止以上LED在照明上的問題。
照明燈具要求的是構(gòu)造簡單與光效率，無法像背光模塊可以利用多層膜的 方式處理光源的均勻性與亮度，必須采取單片的方式，好比擴散板一般的構(gòu)裝 與使用簡單，LED照明燈具，在使用上會有許多二次光學(xué)的設(shè)計，來均勻化 LED陣列的光源，部分二次光學(xué)設(shè)計需要與LED顆粒結(jié)合，例如光學(xué)帽等， 使用上會增加LED制造的成本與復(fù)雜度，卻仍是單顆的LED光源，另外一種 則是設(shè)計平面鏡或微鏡片的方式，針對每一顆LED，在精確的定位與焦聚上
4可以達到光擴散或準直光的效果，這樣的構(gòu)裝要求在講求精減低成本的照明用 途上是較不易普及的，另外在單一型態(tài)的微鏡片的功能上，僅能提供局部光折 射與二次反射的光學(xué)路徑，并不能將高密度的光源有效大面積的均勻化。
美國專利公開案US20050264716揭露一種由柱狀鏡、微鏡片陣列與LED 排列而成的LED光源模塊，直接在LED基板上制作毫米等級的大型鏡片，LED 陣列需對位在鏡片陣列的尖端處，LED光線才會經(jīng)由尖端處的二次折射后反 彈到基板上的擴散網(wǎng)點，再進行擴散反射，將光線擴散與混合在折射出來，其 缺點是LED與微鏡片需要對位，如果近距離光源在非尖角處，光線就會直接 折射出來，無法達到擴散混光的效果，在鏡片與基板間膠材內(nèi)多次的光折射也 會大量損耗光源，鏡片與LED基板也會因為熱量累積，而使鏡片溫度升高， 材料劣化加速。
美國專利公開案US20050265029,為利用多層的概念將LED基板與反射 層與平面鏡光學(xué)膜層堆棧，透過反射層厚度的控制與間隙控制可以達到較好的 光學(xué)效率，與不需處理LED表面的反射問題，不過同樣也是需要進行平面鏡 焦點的對位。
世界專利WO2007050274利用兩組二次光學(xué)組件來進行短距離的光擴散 功能來達到LED亮點均勻化的目的，首先是在LED光源上方加裝微鏡頭來控 制光線進入平面鏡的角度，形成準直的均勻光源，最后由擴散膜在進行二次混 光，此結(jié)構(gòu)亦需要對準光學(xué)軸心，微鏡頭與平面鏡的對準與間隙調(diào)控復(fù)雜，除 此之外其最大的缺點是光點擴散的大小就決定在平面鏡的大小，所以局限的平 面鏡尺寸會影響光擴散范圍，越大的擴散范圍則需要越遠的間隙才行，這樣的 設(shè)計在調(diào)整上會受限制。
日本專利公開案JP2005285697A為日亞化學(xué)LED照明模塊，LED陣列與 微鏡面陣列間存在一個尺寸順序的差異，LED陣列中央為微鏡面的焦點內(nèi)， 越往外排列，LED與微鏡片會形成錯位，擴散出來的光分布，就會集中在一 定的范圍之內(nèi)，可以在設(shè)定的范圍內(nèi)達到混光與增加照明亮度的功能，不過這 樣的設(shè)計會有照明面積的限制，必須要具有類似大小面積的燈源，才可能有相 對的照亮范圍，范圍之外的光亮度會驟減。
日本專利公開案JP200249326A為微鏡片陣列與LED陣列的搭配組合，同 樣的缺點，需要精準的對位， 一個微鏡片處理一個LED，光擴散范圍有限。世界專利公開案WO2005041632A2，利用兩組二次光學(xué)組件來進行二次 的光折射與光點擴散，與前案三不同的是利用微鏡片的方式來達到二次光學(xué)擴 散，而非前案三的平面鏡。
以上都是利用需要對位的微鏡片陣列與LED陣列相互搭配的方式，來將 LED光源均勻化、增加亮度與控制照明的區(qū)域，其作法都極為復(fù)雜，設(shè)計也 很難輕易調(diào)整，適用于各式的LED排列，微鏡片尺度也以LED點光源來進行 一對一的幾何光學(xué)設(shè)計，在實際的使用上并不符合LED照明燈具的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種多邊曲率光學(xué)模塊，利用二種曲率以 上的凹凸微鏡片排列與曲率調(diào)整，來增加光線在膜片水平方向的光傳遞行為， 借以將高光強度的LED光點，進行同步放大的效果，來降低光線集中，避免 LED的高亮度眩光，再由點光源變成面光源的同時， 一并消除多重投影與增 加LED陣列間暗帶的亮度，來達到高透光率與高擴散的效果。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種多變曲率光學(xué)模塊，包括一光學(xué)膜片 以及一光源陣列。光學(xué)膜片包括多個凹透鏡與多個凸透鏡彼此沿至少一方向交 錯排列而成，所述凹透鏡沿該方向具有一凹透鏡寬度，所述凹透鏡具有與該方 向垂直的最大深度，所述凸透鏡沿該方向具有一凸透鏡寬度，所述凸透鏡具有 與該方向垂直的最大高度。光源陣列由多個發(fā)光二極管排列而成，其中該凹透 鏡寬度與該凸透鏡寬度不相等。
在上述較佳實施例中，該最大深度大于該凹透鏡寬度，該最大高度大于該 凸透鏡寬度，來自該光源陣列的光線穿透該光學(xué)膜片。
在上述較佳實施例中，所述凹透鏡以及所述凸透鏡沿一第一方向以及一第 二方向交錯排列。
在上述較佳實施例中，該第一方向與該第二方向垂直。
在上述較佳實施例中，該凹透鏡寬度以及該凸透鏡寬度沿該方向漸增或漸 減，該最大深度以及該最大高度可沿該方向漸增或漸減。
在上述較佳實施例中，所述發(fā)光二極管至光學(xué)膜片的距離至該等發(fā)光二極 管的間距的比小于5。
在上述較佳實施例中，該等發(fā)光二極管與該光學(xué)膜片等距離或不等距離設(shè)
6置。
本發(fā)明以高深寬比凹凸不同曲率比例的微鏡片陣列，來將大量入射光學(xué)膜 片的光線，轉(zhuǎn)成平面上的傳遞，這樣光的傳遞模式，包含除了原有微鏡片的擴 散、二次反射與二次折射功能外，增加膜片平面方向的光線傳遞在導(dǎo)出，隨著
與LED間隙的調(diào)整，可以將點光源面積，持續(xù)倍增成為面光源，同時還能維 持微結(jié)構(gòu)出光的效率與亮度。
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉出
較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下 圖1為本發(fā)明的光學(xué)模塊的示意圖； 圖2為LED發(fā)出的光線進入光學(xué)膜片的示意圖； 圖3表示光學(xué)膜片的形狀為緊密堆積的凸透鏡的微鏡片陣列； 圖4表示光學(xué)膜片為兩個半圓形的凹透鏡及凸透鏡交錯排列的形狀； 圖5為本發(fā)明的光學(xué)膜片的一實施例的剖視圖； 圖6為本發(fā)明的光學(xué)膜片的另一實施例的剖視圖； 圖7為依照圖5、 6的光學(xué)膜片所產(chǎn)生的光線的傳遞的示意圖； 圖8為本發(fā)明的光學(xué)膜片的立體圖9至圖11為表3中三種形態(tài)的照度分布曲線圖12為利用高功率LED陣列模塊進行測試的測試裝置圖； 圖13為利用高功率LED陣列的結(jié)構(gòu)所組成的管型LED照明模塊； 圖14A至14C為表3中形態(tài)III的CCD影像與照度分布圖； 圖14D的照片表示利用本光學(xué)膜片消除光紋的功能； 圖15為光點放大的比較表。主要組件符號說明
7、 10 光學(xué)膜片 12 凸透鏡 14 凹透鏡 16 凸透鏡 20 基板 5、 30 LED
740 壓克力板
具體實施例方式
本發(fā)明是以高深寬比凹凸不同曲率比例的微鏡片陣列，來將大量入射光學(xué) 膜片的光線，轉(zhuǎn)成平面上的傳遞，這樣光的傳遞模式，包含除了原有微鏡片的 擴散、二次反射與二次折射功能外，增加膜片平面方向的光線傳遞在導(dǎo)出，隨
著與LED間隙的調(diào)整，可以將點光源面積，持續(xù)倍增成為面光源，同時還能 維持微結(jié)構(gòu)出光的效率與亮度。
圖1為本發(fā)明的光學(xué)模塊的示意圖，其包括光學(xué)膜片10、基板20以及多 個設(shè)于基板20上的LED30，所述LED30排列成一二維陣列。
在實施方式的說明中是以折射率1.59的PC材料為光學(xué)膜，但本發(fā)明的光 學(xué)膜片的材料并不限于PC。
在說明本發(fā)明的一較佳實施例之前，先以
光線通過具有凹凸透鏡 的光學(xué)膜片的狀態(tài)。
圖2為LED 30發(fā)出的光線進入光學(xué)膜片的示意圖。經(jīng)由LED 30發(fā)散出 的光線折射進入光學(xué)膜片10的行為進行三個角度的光跡分析，LED發(fā)光角度 為120度，這樣的光胞圖，在大視角的光強度相對較低，圖1中以箭頭長短來 代表各角度所分配的光量，光線入射角度越接近垂直于光學(xué)膜片光通量越高， 因此在LED 5正前方的亮度最高。
圖3所示的光學(xué)膜片10的形狀為一般緊密堆積無間隙的凸透鏡12的微鏡 片陣列，光線由30度、60度及90度的入射角(如箭頭a、 b、 c所示)進入 光學(xué)膜片IO中的半圓微鏡片陣列?？梢砸姷剑?dāng)光源垂直進入時，光線在鏡 片頂端B的部分集中出光，光線經(jīng)過微鏡片的A部分，則是二次折射回光源， 當(dāng)光源傾斜30度或60度時，光線會同時在A、 B兩個區(qū)域出光，這樣光軌跡 行為，僅提供光線的部分出光、二次折射的行為，其中較高光量垂直入光處附 近的光線會二次折射，較少光通量的高角度入射光則是會局部的出光。
圖4表示光學(xué)膜片10為兩個半圓形的凹透鏡14及凸透鏡16交錯排列的 形狀，除了原有凸透鏡16如圖3 —般微鏡片的光傳遞路徑外，與凸透鏡16 交錯排列的凹透鏡14也產(chǎn)生新的光學(xué)路徑，新的路徑由凹凸透鏡相接的區(qū)域 A會產(chǎn)生橫向，也就是與光學(xué)膜片平行方向的傳遞(如箭頭f所示)，這樣的
8傳遞可以經(jīng)過擁有較長遠的路徑范圍，橫向傳遞的光線，在適當(dāng)角度也會透過
凹透鏡14或凸透鏡16折射而出光，但是這樣一樣大小凹凸鏡片的結(jié)構(gòu)組合在 垂直入光的情形下，凸透鏡16與凹透鏡14的頂端B都會產(chǎn)生出光的行為， 所以在凹透鏡14與凸透鏡16具有相同的寬度的情況下，推測垂直方向的出光 量是單一凹面鏡或凸面鏡的兩倍，意味著當(dāng)高通量的光線進入時，大部分光線 都會先行出光，較少光線能發(fā)展成橫向傳遞的方向，并不能有效控制LED的 光點擴散行為。
本發(fā)明的光學(xué)膜片的一實施例，如圖5所示，當(dāng)把交錯的凹透鏡14寬度 變小(即凹透鏡14的寬度與凸透鏡16的寬度不相等)時，就可以減少光線從 凹透鏡14垂直入光時的出光量，而使入射凹透鏡14的光線大量被導(dǎo)入橫向傳 遞中，如圖5的箭頭g所示。
圖6為本發(fā)明的光學(xué)膜片的另一實施例。圖6為增加凸透鏡及凹透鏡的深 寬比(凸透鏡的高度與寬度的比，凹透鏡的深度與寬度的比)后進行全光學(xué)膜 片的光追跡，可以見到橫向傳遞的光線所形成全內(nèi)反射傳遞的路徑(如箭頭h 所示)，在此結(jié)構(gòu)中，橫向傳遞的光量比圖5的實施例更多。
圖7為依照圖5、 6的光學(xué)膜片所產(chǎn)生的光線的傳遞的示意圖，來自LED 30的光線進入本發(fā)明的光學(xué)膜片10后，在平行于光學(xué)膜片10的方向進行傳 遞，而在與LED垂直入射處具有適當(dāng)距離的點出光，在光源(LED 30)為陣 列的情況下，每一LED30入射的光線可在多處位置出光，如此，可將高光強 度的LED光點，進行同步放大的效果，來降低光線集中，避免LED的高亮度 眩光，再由點光源變成面光源的同時， 一并消除多重投影與增加LED陣列間 暗帶的亮度，來達到高透光率與高擴散的效果。經(jīng)由光線路徑的分析，可以知 道結(jié)構(gòu)型態(tài)變化的趨勢方向，利用激光加工與光罩的搭配可以制作出高深寬比 凹凸交錯排列的微鏡片陣列，如圖8所示，多個凹透鏡14以及多個凸透鏡16 沿第一方向Ll以及第二方向L2交錯排列，另外也可以在兩個較高深寬比微 鏡片的中間存在一個深寬比較低的微鏡片。
光點放大倍率與光效率測試
圖15為光點放大的比較表，其中WD為LED陣列的形態(tài)，F(xiàn)D為本發(fā)明 的光學(xué)膜片，GD為已知的光學(xué)膜片，經(jīng)由光點放大的測試比較，本發(fā)明的放
9大倍率隨光源間距會呈現(xiàn)67 1012倍的光點放大效果， 一般擴散膜表面的微 鏡片無法將光點打散，擴散板雖然有較佳的擴散行為，但是亮度卻大幅下降。 表1為光效率測試結(jié)果利用功率計的測量原理來進行所有光線穿透的效 率，結(jié)果顯示本發(fā)明的光學(xué)膜的光學(xué)效率為89%，接近擴散膜的90.7%，但 遠高于擴散板的75.1%,由數(shù)據(jù)可知擴散板嚴重損耗光源亮度，所以本發(fā)明的 光學(xué)膜除了能將光點打散外，在出光效率也有很不錯的表現(xiàn)。
表l
樣本微瓦百分比
LED1523/1570 (1546)100%
LED+FD1374/137889.0
LED+GD1405/140190.7
LED+DP116275.1
表2為利用低功率LED陣列模塊測試來進行本發(fā)明的光學(xué)膜片的照度分 布測試的結(jié)果，依照LED排列所計算出的空間比值(space ratio, LED至光 學(xué)膜片的距離與LED之間的間距的比值)，共設(shè)計出三種形態(tài)I、 II、 III，圖 14A至14C為表2中形態(tài)III搭配不同光學(xué)膜的CCD影像與照度分布圖，分 別為不加光學(xué)膜片(圖14A)，加上已知的擴散膜(圖14B)以及加上本發(fā)明光學(xué) 膜片(圖14C)的比較，圖9至圖11為表2中三種形態(tài)的照度分布曲線圖，當(dāng) LED排列不同、間距不同時，所產(chǎn)生的空間比值會有不同的亮度增加變化， 其中形態(tài)111的中心增益值達到200%(與不加光學(xué)膜片者相比)，所以利用本 發(fā)明的光學(xué)膜片可以在較短的空間距離上有效的將LED點光源均勻化，并提 升整個燈具的照度。
表2
形態(tài)空間比值中央最大輝度增益比例
I51.5
II2.21.27
III12圖12為利用高功率LED陣列模塊進行測試的測試裝置圖，其中40為壓 克力板。圖14D的照片表示利用本光學(xué)膜片消除光紋的功能，在增加照度的 同時，可以消去多重投影的現(xiàn)象(光紋)。
圖13為利用以上的高功率LED陣列的結(jié)構(gòu)所組成的管型LED照明模塊。 將本發(fā)明的光學(xué)膜片10彎曲，可以將基板20上的LED30高亮度光源，產(chǎn)生 環(huán)狀的放射效果，形成燈管狀照明的系統(tǒng)。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所 屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許 的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求所界定的范圍為 準。
權(quán)利要求
1、一種多變曲率光學(xué)模塊，其特征在于，包括一光學(xué)膜片，包括多個凹透鏡與多個凸透鏡彼此沿至少一方向交錯排列而成，所述凹透鏡沿該方向具有一凹透鏡寬度，所述凸透鏡沿該方向具有一凸透鏡寬度；以及一光源陣列，由多個發(fā)光二極管排列而成，其中該凹透鏡寬度與該凸透鏡寬度不相等，來自該光源陣列的光線穿透該光學(xué)膜片。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多變曲率光學(xué)模塊，其特征在于，所述凹透鏡具有與該方向垂直的最大深度，所述凸透鏡具有與該方向垂直的最大高度，該最大深度大于該凹透鏡寬度的1/2，該最大高度大于該凸透鏡寬度的1/2。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多變曲率光學(xué)模塊，其特征在于，所述凹透鏡 以及所述凸透鏡是沿一第一方向以及一第二方向交錯排列。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多變曲率光學(xué)模塊，其特征在于，該第一方向 與該第二方向垂直。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多變曲率光學(xué)模塊，其特征在于，該凹透鏡寬 度以及該凸透鏡寬度沿該方向漸增。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多變曲率光學(xué)模塊，其特征在于，所述凹透鏡 具有與該方向垂直的最大深度，所述凸透鏡具有與該方向垂直的最大高度， 該最大深度以及該最大高度沿該方向漸增。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多變曲率光學(xué)模塊，其特征在于，所述凹透鏡 具有與該方向垂直的最大深度，所述凸透鏡具有與該方向垂直的最大高度， 該最大深度以及該最大高度沿該方向漸減。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多變曲率光學(xué)模塊，其特征在于，該凹透鏡寬 度以及該凸透鏡寬度沿該方向漸減。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的多變曲率光學(xué)模塊，其特征在于，所述凹透鏡 具有與該方向垂直的最大深度，所述凸透鏡具有與該方向垂直的最大高度， 該最大深度以及該最大高度沿該方向漸減。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的多變曲率光學(xué)模塊，其特征在于，所述凹透 鏡具有與該方向垂直的最大深度，所述凸透鏡具有與該方向垂直的最大高度，該最大深度以及該最大高度沿該方向漸增。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多變曲率光學(xué)模塊，其特征在于，該發(fā)光二 極管至該光學(xué)膜片的距離至該等發(fā)光二極管的間距的比小于5。
12、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多變曲率光學(xué)模塊，其特征在于，所述發(fā)光 二極管與該光學(xué)膜片等距離設(shè)置。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多變曲率光學(xué)模塊，其特征在于，所述發(fā)光 二極管與該光學(xué)膜片不等距離設(shè)置。
14、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多變曲率光學(xué)模塊，其特征在于，該光學(xué)膜片呈彎曲狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多變曲率光學(xué)模塊，包括一光學(xué)膜片以及一光源陣列。光學(xué)膜片包括多個凹透鏡與多個凸透鏡彼此沿至少一方向交錯排列而成，所述凹透鏡沿該方向具有一凹透鏡寬度，所述凸透鏡沿該方向具有一凸透鏡寬度。光源陣列由多個發(fā)光二極管排列而成，其中該凹透鏡寬度與該凸透鏡寬度不相等。
文檔編號F21V5/04GK101684916SQ20081021142
公開日2010年3月31日 申請日期2008年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月22日
發(fā)明者曾宇璨, 蕭柏齡, 賴美君, 趙志強 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院