B02 发光二极管透镜之射出成形收缩对光学性质之影响

一、前言

发光二极管之应用日渐广泛，在照明系统、汽车煞车灯、背光模块上都可以发现发光二极管的应用，光线来源主要是由发光二极管中的蓝光芯片发光，如图一。而透光率、发光角度则由芯片上方的塑料透镜来控制，透镜的曲率、厚度、外型尺寸都是控制发光角度窄、广之重要因素，依发光角度不同而有几种典型的型式，朗伯型、聚光型、蝠翼型、如图二。

本研究之模拟部份主要分为三个阶段，第一阶段先使用TracePro光学软件设计两种发光角度不同之透镜外型，第二阶段使用Moldex3D模流分析软件进行模具设计，并探讨射出成形后，透镜的收缩情况。第三阶段将收缩后的尺寸带回光学软件进行分析，观察光学性质变化。

二、光学分析

2.1 光学分析方法

本研究以聚碳酸酯Polycarbonate (PC)作为光学分析之材料，其折射率为1.585，光线由蓝光芯片发出，进入透镜时，会在透镜内产生第一次折射，光线穿出透镜时，会产生第二次折射，光学原理，如图三。所以透镜外型曲率与相对尺寸的要求非常重要。发光二极管如果不加透镜，其发光角度范围在 ±60度，其最强烛光在0度，，如图四。发光角度是取该LED最强烛光之2分之1强度时的发光角度，如图五。在光学仿真中设计两种透镜尺寸，一为聚光型、一为散光型，如图六、七。并在距离光源位置100mm、500mm、1000mm设置一观察面，观察其照度分布，如图八。

2.2 散光型透镜光学分析

本研究使用光学软件设计出一散光型透镜，其最大厚度为2 mm，曲率为2.9mm，此种散光透镜的特色是可将原本无加透镜，发光角度在±60度之光线集中在 ±30度，并在±30度范围内，可得到均匀的烛光与照度分布，比起不加透镜时烛光强度增加2倍，通常应用在手电筒照明，烛光分布，如图九。

2.3 聚光型透镜光学分析

本研究使用光学软件设计出一散光型透镜，其最大厚度为3.25 mm，曲率为2.75mm，此种聚光透镜的特色是可将发光角度缩小至 ±9度，藉由缩小发光角度来提高烛光强度，比起不加透镜时烛光强度增加12倍，通常应用在煞车灯，烛光分布，如图十。比较三种光学性质，如图十一。

三、模流分析3.1 模流分析方法

本研究以型号Panlite-AD5503聚碳酸酯Polycarbonate (PC)作为模流分析软件之塑料，其 MFI＝14g/10min，射出机型号为Sodick-TR30EH油电复合式V型机构射出成形机。

在模流分析中设置一模四穴模具，四穴皆为同尺寸透镜，浇口为侧状浇口，如图十二、十三。在以往许多探讨塑料收缩的文献中，其保压压力与保压时间是影响收缩的主要因子，所以本研究将设定四种保压压力，三种保压时间进行12组模流分析，如表一。所有网格皆为三维实体网格，以确实探讨肉厚变化较大部分之结果数据，利用模流软件观察射出成形后，透镜曲率与相关尺寸之收缩值与收缩范围。

3.2 透镜表面轮廓比较

本研究将量测收缩变形后之表面轮廓，如图十四。比较不同保压压力与保压时间下，聚光型透镜与散光型透镜之表面轮廓。收缩率公式如下

收缩率(％)＝（原尺寸－变形后尺寸）/原尺寸×100％