TWI469383B - A light emitting device and a manufacturing method thereof - Google Patents

Description

發光裝置及其製造方法

本發明係有關於一種發光裝置及其製造方法，尤指一種運用特殊封裝透鏡使得封裝後之發光二極體形成具有特殊指向性之光源，使得射出的光束在被照射面上有特殊之光型分佈並提供照射範圍內之適當照度，同時又能省去二次光學設計的發光裝置及其製造方法。

一般照明是利用人工光源或自然光源以提供人們足夠之亮度，就人工光源而言，又可提供更多具有功能性之照明，例如：道路照明、廣告看板照明、建築照明、住宅照明、舞台照明、交通工具之內部照明及外部照明、醫療照明、植物栽培照明等。

由於傳統的照明燈具存在有高能量耗損、低能量轉換效率及使用壽命短等缺失，故近來運用發光二極體(LED)做為照明的產品越來越多。因為發光二極體具有體積小、耗能低、壽命長、反應速度快、安全低電壓等優點。但是發光二極體的光源強度不足，因此必須搭配封裝技術，才能達到電性連接並提高發光效率及更有效的將熱量排出。

請參閱第1圖，其係顯示一種習知的發光二極體封裝結構，如圖所示，封裝結構10係具有一反射凹杯11，反射凹杯11內壁面塗佈有反射金屬層12，發光元件13係置放於反射凹杯11內，再以環氧樹脂層14包覆發光元件13。

但，此種習知之發光元件13所產生之光束130係被反射金屬層12反射到封裝層14，或者是直接投射到封裝層14，最後經由折射後出光，此種封裝透鏡的設計使光束均勻朝四面八方射出，欲集中光束需在封裝結構之外部添加二次光學機構。

請參閱第2圖，其係顯示另一種習知的發光二極體封裝結構，如圖所示，封裝結構20係具有一透光基板21，透光基板21上設置一發光元件22，再於透光基板21上罩覆一透鏡層23，並於透鏡層23外表面濺鍍一層反射層24，透鏡層23係用以集中光束，使發光元件22所產生之光束220在射向透鏡層23後，會再透過透鏡層23外表之反射層24，將光束220反射，然後朝向透光基板21發射至外界。

惟，此種習知之封裝結構會影響發光元件的整體發光效率。此種封裝方式雖改變了光線的發射路徑，使用透光的封裝基板，但透光性的封裝基板散熱性不佳，會使發光元件所產生的熱無法有效導出而累積在發光元件與基板之接面上，導致發光元件溫度升高而發光效率低落。因此亦無法有效提昇亮度。

是以，如何解決上述習知發光二極體封裝結構所存在無法將光束集中、無法有效提昇亮度、散熱性不佳及無法產生具有指向性之光束等問題，實為目前亟欲解決的課題。

鑑此，本發明提供一種具特殊指向性及光型分佈之發光裝置，係包括基座；發光元件，係設於該基座上；以及透鏡，係罩覆於該基座上並密封該發光元件，該透鏡係具有出光面及反射層且該反射層係形成於該透鏡之局部表面，其中，形成於該局部表面的反射層係將發光元件產生的光束反射集中穿出該出光面。

前述之基座，在該表面上形成一反射壁，將射向基座的光束反射，以提高光束的使用率；罩覆於該基座上的透鏡表面係呈平面、曲面或圓錐曲面、規則表面或不規則表面、平滑或粗糙平面。由於該反射層係形成於該透鏡之局部表面，且該出光面為未覆蓋反射層之透鏡表面區域且可為任意圖形。因此，該發光元件所產生的光束會反射至該出光面後經過折射出光，並藉由反射層收集光線和侷限出光的效用，達到使出光之光束偏折往特定方向，且在被照射面上形成特殊之光型分佈。

本發明亦提供一種具特殊指向性及光型分佈之發光裝置之製造方法，係包括如下步驟：提供發光元件，並將該發光元件設置於該基座上；提供透鏡，並將該透鏡封裝於該基座上；以及利用鍍膜方式將透鏡表面之局部區域鍍上反射層，其中，形成於該局部區域的反射層係將發光元件產生的光束反射至遠離該基座的方向，並穿過該反射層所未包覆之透鏡部份的出光面以達到折射出光的效果，其中該出光面係以利用材料的性質或者結構的性質，以達到指向性出光的效果。

前述之發光元件係設於基座上，該發光元件係為發光二極體晶片，該發光元件所產生之光束，能完全被反射層反射、聚集，再經過一次折射後射出。

前述之反射層之材質為金屬或者非金屬，當該反射層為金屬時，該金屬係金、銀、鋁、鉑及鈀之其中之一者。

相較於習知技術，本發明之發光裝置及其製造方法係具有部分鍍有反射層之透鏡，使得發光元件所產生之光束，發射至該反射層上時，可再經由反射作用朝向特定之方向穿過該出光面，再經折射地射出至被照射面，以令光束具有集中性及指向性並在被照射面產生特殊之光型分佈。因此，可確實解決習知光束四處散射無法集中及不具有指向性等問題，同時省去二次光學設計。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，所屬技術領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

請參閱第3圖及第4圖，其係分別繪示依據本發明之一實施例之發光裝置之示意圖。如圖所示，本發明之發光裝置30，係包括：一基座31、設於基座31上之發光元件32、罩覆於基座31上之發光元件32之透鏡33以及形成於透鏡33表面之出光面33a以及反射層33b。

於本實施例中，基座31係為不透光材質所製成。基座31具有一內凹之容置空間310，且容置空間310係例如為開口較大而底面較小的杯狀容置空間。另外，基座31之容置空間310的壁面並形成有一反射壁311。

發光元件32係為發光二極體晶片，其係設於容置空間310內並例如位於反射壁311的中央，藉以使發光元件32所產生之側向光束，能先被特定形狀的透過反射壁311反射，再聚集性地朝向預射之方向射出。此外，該發光元件32之表面可視需要塗佈螢光粉層321，用以使得發光元件32所產生的光束可經由激發螢光粉而轉換成不同的波長的光束。藉此設計，光束可在透鏡內充分混合後再出光，例如，發光元件32發射出之藍光激發螢光粉產生黃光，使得藍光與黃光混合產生白光。同時，螢光粉層321亦可保護發光元件32不受外界污染、氧化及侵蝕等。

透鏡33係為封裝透鏡，且係例如具有圓弧之曲面，並封裝於基座31上，用以保護發光元件32不受外界污染、氧化及侵蝕與提高發光效率。

反射層33b係例如以真空鍍膜或電鍍方式形成於透鏡33表面之局部區域或特定區域上。藉此設計，發光元件32所產生之光束，在投射至透鏡33表面之反射層33b後會被反射層33b反射，並如第3圖所示穿過出光面33a而射向預期之方向，藉以令投射於反射層33b之光束，皆朝預期之方向射出，俾達到集中光束、聚集光束及使光束具有指向性之目的。此外，因為光束經過集中與聚集，故可提升光束的使用率，使被照射面更為明亮。

在本實施例中，反射層33b係形成於透鏡33的一側邊，所以發光元件32所產生之光束投射於反射層33b後，皆會經由透鏡33上未形成有反射層33b之另一側邊射出，亦即會經由出光面33a射出。因此，藉由形成反射層33b於透鏡33之不同位置上，即可令光束朝向特定方向射出，進而使光束具有指向性且更加集中，並能減少雜散光。當然，在不同實施例中，亦可將反射層33b形成於其他特定區域，使發光元件32所產生之光束，能朝向另一特定方向射出。

應注意的是，透鏡33之表面不以圓弧之曲面為限，其表面亦可為圓曲面、不規則曲面或其他形狀之曲面，以因應不同應用場合之需求，而形成所需之光束。

請參閱第5圖及第6圖，其係分別繪示依據本發明之另一實施例之發光裝置之側視外觀圖及側視剖面圖。如圖所示，本發明之發光裝置30，係包括：一基座31、設於基座31上之發光元件32、罩覆於基座31上之發光元件32之透鏡33。此外該透鏡33又具有出光面33a及反射面33b。

於本實施例中，基座31係為不透光材質所製成。該發光元件32係為發光二極體晶片，且係設於該基座31上，藉以使發光元件32所產生之光束，透過反射層33b的形狀反射並產生聚集的效果，再經由該出光面33a而朝預期之方向射出。此外，該發光元件32之表面可視需要塗佈螢光粉層321，用以使發光元件32所產生的光束可激發螢光粉而轉換成不同的波長的光束，使光束在封裝透鏡內能充分混合後出光。例如，發光元件32發射出之藍光激發螢光粉產生黃光，使得藍光與黃光混合產生白光。同時，螢光粉層亦可保護發光元件，不受外界污染、氧化及侵蝕。

透鏡33係為封裝透鏡。該透鏡33係例如具有平面、曲面、規則表面、不規則表面或圓錐曲面，且該透鏡33可為粗糙表面或平滑表面，並供封裝於基座31上，以保護發光元件32不受外界污染、氧化及侵蝕與提高發光效率等功用。通常，透鏡33為一中空罩體，亦即該透鏡具有容置空間可供密封發光元件。

前述之反射層33b係例如以真空鍍膜或電鍍方式形成於透鏡33表面之特定區域上。具體而言，如第5圖所示之具體實施例中，該反射層33b係形成於透鏡33之側壁表面，並藉以令發光元件32所產生之光束，經由透鏡33之反射層33b反射後，再經折射地穿過出光面33a而朝向預定之方向射出，俾達到聚集光束及使光束具有指向性之目的。藉此，光束的使用率將會大增，使被照射面更為明亮。

在本實施例中，反射層33b係形成於透鏡33的大部分側表面，其中，該反射層係指足以將發光元件32產生的光束反射至出光面33a的區域，且該出光面33a係指透鏡之未形成反射層之區域，該透鏡33形成有該反射層33b之形狀可為圓弧曲面，以利於光束的集中。如上所述，發光元件32所產生之光束，投射至反射層33b後，皆會反射至出光面33a，再折射出光。因此，藉由透鏡33上之反射層33b之位置設計和該出光面33b的折射面設計，可令光束朝向特定方向射出，進而使光束具有指向性且更加集中，並能減少雜散光。當然，在不同實施例中，亦可將反射層33b形成於其他特定區域，使發光元件32所產生之光束，能朝向另一特定方向射出。

應注意的是，透鏡33表面不以圓弧之曲面為限，其表面亦可為圓曲面、不規則曲面、規則曲面或其他形狀之曲面，且該表面亦可為粗糙面或平滑面，以因應不同應用場合之需求，而形成所需之光束。

請參閱第7、8及9圖，係分別繪示依據本發明另一實施例之使用狀態之前視圖、側視圖及光型分佈圖。如圖所示，該發光元件32所產生之光束係透過透鏡33之反射層33b的反射後，再經由出光面33a射至外界，而形成均勻集中之光場分佈。如此，除了可讓出射光束有較佳之指向性，並且可在被照射面上有特殊之光型分佈(如第9圖所示)，以提供照射範圍內適當的照度。

請參閱第10、11及12圖，係分別繪示依據本發明另一實施例之使用狀態之側視圖、側視剖面圖及光型分佈圖。如圖所示，該發光元件32所產生之光束係透過透鏡33之反射層33b的反射後，經由出光面33a射至外界，而形成均勻集中之光場分佈。由於該出光面33a可為任意的形狀，所以本發明之光束射出時除了讓出射光束有較佳之指向性外，並可在被照射面上有特殊之光型分佈35，以提供照射範圍內適當的照度和所需求的光照型式。

請參閱第13圖，其係本發明之發光裝置之製造方法流程圖。請併同參閱第4圖或者第6圖，本發明之發光裝置之製造方法包括以下步驟。

於步驟S10中，將發光元件設置於一基座上，其中，該基座可以設有反射壁，或者不需要設置反射壁。

於步驟S11中，提供一透鏡，並將透鏡封裝於基座上。

於步驟S12中，利用一鍍膜方式，將透鏡表面之局部區域鍍上反射層。該鍍膜方式，得為習知之真空鍍膜及電鍍，然其它能獲得類似或相同效果之習知方法亦適用之。

請參閱第14圖，其係本發明之發光裝置之製造方法中利用真空鍍膜形成反射層之流程圖，如圖所示，其包括以下步驟。

於步驟S20中，設定透鏡表面之鍍膜區域。

於步驟S21中，提供一遮罩罩覆於透鏡表面之鍍膜區域以外之區域。

於步驟S22中，依據該鍍膜區域的形狀於透鏡之局部表面(即該鍍膜區域)鍍上反射層。

於步驟S23中，將遮罩移除。

藉由以上述步驟，即可將反射層形成於透鏡表面之特定區域。

請再參閱第15圖，其係本發明之發光裝置之製造方法中利用電鍍形成反射層之流程圖，如圖所示，其包括以下步驟。

於步驟S30中，設定透鏡表面之鍍膜區域。

於步驟S31中，於透鏡表面之鍍膜區域鍍上一層透明導電層。

於步驟S32中，於鍍膜區域之透明導電層上鍍上一層反射層。

藉由以上述步驟，即可將反射層形成於透鏡表面的特定區域。

需特別說明者，在本實施例中，係以真空鍍膜及電鍍方式舉例說明，當然於其他實施例中，亦可以其他鍍膜方式形成反射層。然，鍍膜方式乃業界所周知，且並非本案之技術特徵，故不在此贅述。

於本實施例中，較佳者，為在提供透鏡之步驟S11前，更包括以螢光粉層321罩覆發光元件32之步驟，或者是步驟S10中所提供之該發光元件32原本即罩覆有螢光粉層321，用以例如將發光元件32發射出之藍光激發螢光粉產生黃光，使得藍光與黃光混合產生白光。同時保護該發光元件32不受外界污染、氧化及侵蝕等。

於本實施例中，該發光元件32係為發光二極體晶片，其係設於基座31上，使發光元件32所產生之光束，透過透鏡33之反射層33b反射後，再折射穿過該出光面33a而朝向預期之方向射出。再者，透鏡33係為封裝透鏡，其表面具有圓弧之曲面，並封裝於基座31上。反射層33b係形成於透鏡33表面之特定區域，藉以令發光元件32所產生之光束，經透鏡33表面之反射層33b反射後，穿過該出光面33a而朝向預期之方向射出並於外部之被照射面(未圖示)上形成特殊光照分佈35。據此，即可形成具有指向性之光束和特殊光型，並達到光束集中、減少雜散光及提昇光使用效率等目的。

綜上所述，本發明之發光裝置及其製造方法，主要係提供一種封裝方式來使得出射光束具有指向性並能在被照射面上形成特殊光型以達到均勻之照明效果，其主要係利用該透鏡的特殊設計並於特定區域表面形成反射層，再使該發光元件所產生之光束投射於該反射層後，經過反射使光線皆朝向出光面，再經由折射後朝特定之方向射出，故能將光束集中及提昇光使用率。因此，透過反射層形成於透鏡表面不同之位置時，即可產生具有不同方向性之光束，以因應不同情況之需求。再者，本發明結構單純，製造上無須高額成本，所以，亦能降低整體製造成本。由上可知，本發明之發光裝置及其製造方法實已解決習知技術中無法形成特殊指向性之光束、光束無法集中及光束散射而降低光效率之種種缺失，實具有高度產業利用價值。

以上所述僅為本發明之較佳實施方式，並非用以限定本發明之範圍，亦即，本發明事實上仍可做其他改變，因此，舉凡熟習該項技術者在未脫離本發明所揭示之精神與技術思想下所完成之一切等效修飾或改變，仍應後述之申請專利範圍所涵蓋。

10．．．封裝結構

11‧‧‧反射凹杯

12‧‧‧反射金屬層

13‧‧‧發光元件

130‧‧‧光束

20‧‧‧封裝結構

21‧‧‧透光基板

22‧‧‧發光元件

220‧‧‧光束

23‧‧‧透鏡層

24‧‧‧反射層

30‧‧‧發光裝置

31‧‧‧基座

310‧‧‧容置空間

311‧‧‧反射壁

32‧‧‧發光元件

321‧‧‧螢光粉層

33‧‧‧透鏡

33a‧‧‧出光面

33b‧‧‧反射層

35‧‧‧光型分佈

S10~S12‧‧‧步驟

S20~S23‧‧‧步驟

S30~S32‧‧‧步驟

第1圖係繪示習知發光二極體封裝結構之示意圖；

第2圖係繪示另一習知發光二極體封裝結構之適意圖；

第3圖係繪示本發明發光裝置之一實施例之立體結構示意圖；

第4圖係繪示本發明發光裝置之一實施例之側視示意圖；

第5圖係繪示本發明發光裝置之一實施例之立體結構示意圖；

第6圖係繪示本發明發光裝置之一實施例之側視示意圖；

第7圖係繪示本發明發光裝置之一實施例之立體結構示意圖；

第8圖係繪示本發明發光裝置之一實施例之側視示意圖；

第9圖係繪示本發明發光裝置之一實施例之被光照面之光場分佈圖；

第10圖係繪示本發明發光裝置之一實施例之立體結構示意圖；

第11圖係繪示本發明發光裝置之一實施例之側視示意圖；

第12圖係繪示本發明發光裝置之一實施例之側視示意圖；

第13圖係繪示本發明發光裝置之製造方法之流程圖；

第14圖係繪示本發明之發光裝置之製造方法中利用真空鍍膜形成反射層的製程步驟之流程圖；以及

第15圖係繪示本發明之發光裝置之製造方法中利用電鍍形成反射層的製程步驟之流程圖。

30．．．發光裝置

31．．．基座

310．．．容置空間

311．．．反射壁

32．．．發光元件

321．．．螢光粉層

33．．．透鏡

33a．．．出光面

33b．．．反射層

Claims (27)

1. 一種發光裝置，係包括：基座；發光元件，設於該基座上；以及透鏡，設於該基座上並罩覆該發光元件，該透鏡係具有相鄰之出光面及反射層，且該反射層係形成於該透鏡之一區域表面，且該透鏡之全部表面係僅由該反射層與該出光面所構成，俾使該發光元件產生的光束反射穿出該出光面。
2. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，該基座係具有反射壁。
3. 如申請專利範圍第2項之發光裝置，其中，該基座係具有向內凹設之容置空間，且該反射壁係形成於該容置空間之壁面。
4. 如申請專利範圍第3項之發光裝置，其中，該發光元件係設置於該容置空間內。
5. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，該發光元件係為發光二極體晶片。
6. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，該發光元件係罩覆有一螢光粉層。
7. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，該透鏡係為封裝透鏡。
8. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，該透鏡之表面係選自圓弧面、圓曲面及不規則曲面所組成之群 組。
9. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，該反射層之材質係為金屬。
10. 如申請專利範圍第9項之發光裝置，其中，該金屬係選自金、銀、鋁、鉑及鈀所組成之群組。
11. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，該反射層之材質係為非金屬。
12. 如申請專利範圍第1項或第2項之發光裝置，其中，該出光面形成特定的形狀，以及使該光束朝特定的方向射出並形成特定的光照型式。
13. 如申請專利範圍第12項之發光裝置，其中該透鏡之該出光面係利用該透鏡之材料性質或結構性質，使該光束經折射地或者不經折射地射出。
14. 一種發光裝置之製造方法，係包括：提供基座；將發光元件設置於該基座上；以透鏡罩覆該基座上之該發光元件；以及以鍍膜方式形成反射層於該透鏡之一區域表面上，且該透鏡之全部表面係僅由該反射層與一出光面所構成，使該出光面與該反射層相鄰。
15. 如申請專利範圍第14項之發光裝置之製造方法，其中，該基座係具有反射壁。
16. 如申請專利範圍第14項之發光裝置之製造方法，其中，於將該發光元件設置於該基座上之步驟之後，更 包括以螢光粉層罩覆該發光元件之步驟。
17. 如申請專利範圍第16項之發光裝置之製造方法，其中，該鍍膜方式係為真空鍍膜法。
18. 如申請專利範圍第17項之發光裝置之製造方法，其中，該鍍膜方式包括：於該透鏡上設定鍍膜區域；以一遮罩罩覆該透鏡之該鍍膜區域以外之區域；形成該反射層於該透鏡之該鍍膜區域上；以及移除該遮罩。
19. 如申請專利範圍第14項之發光裝置之製造方法，其中，該鍍膜方式係為電鍍法。
20. 如申請專利範圍第19項之發光裝置之製造方法，其中，該鍍膜方式包括：於該透鏡上設定鍍膜區域；於該透鏡之該鍍膜區域鍍上透明導電層；以及於該鍍膜區域之該透明導電層上鍍上該反射層。
21. 如申請專利範圍第15項之發光裝置之製造方法，其中，該基座係具有向內凹之容置空間，且該反射壁係位於該容置空間之壁面。
22. 如申請專利範圍第21項之發光裝置之製造方法，其中，該發光元件係設置於該容置空間內。
23. 如申請專利範圍第14項之發光裝置之製造方法，其中，該發光元件係為發光二極體晶片。
24. 如申請專利範圍第14項之發光裝置之製造方法，其 中，該透鏡表面係選自圓弧面、圓曲面及不規則曲面所組成之群組。
25. 如申請專利範圍第14項之發光裝置之製造方法，其中，該反射層之材質係為金屬。
26. 如申請專利範圍第25項之發光裝置之製造方法，其中，該金屬係選自包括金、銀、鋁、鉑及鈀所組成之群組。
27. 如申請專利範圍第14項之發光裝置之製造方法，其中，該反射層之材質係為非金屬。