TWI443382B

TWI443382B - 發光裝置及其透鏡

Info

Publication number: TWI443382B
Application number: TW099129269A
Authority: TW
Inventors: Zhi Ting Ye; Kuo Jui Huang
Original assignee: Wintek Corp
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2014-07-01
Also published as: US8684585B2; DE102011111672A1; US20120051061A1; TW201209454A

Description

發光裝置及其透鏡

本發明是有關於一種透鏡與發光裝置，且特別是有關於一種具有入光結構之透鏡的發光裝置。

發光二極體(LED)屬於半導體元件，其壽命長達十萬小時以上，且無須暖燈時間(idling time)。此外，發光二極體更具有反應速度快(約為10^-9秒)、體積小、用電省、污染低、高可靠度、適合量產等優點，所以發光二極體所能應用的領域十分廣泛，如大型看板、交通號誌燈、手機、掃描器、傳真機之光源以及照明裝置等。

由於發光二極體的發光亮度與發光效率持續地提昇，同時白光的發光二極體也被成功地量產，所以逐漸有發光二極體被使用作為照明用途。發光二極體一般為「點光源」。然而，照明用的光源往往需要較寬廣的均勻照射範圍。所以，發光二極體應用於照明裝置時必須利用例如是透鏡單元的擴光結構來改善其光線過度集中的情形。

圖8所示為一種習用具有透鏡單元之發光裝置，該透鏡係為一圓臺狀透鏡120’，也就是說透鏡120’由一圓錐狀體移除尖端而構成。光線L1’照射至透鏡120’的側壁時會受到介面反射而反射至反射層140’上。不過，光線L2’在介面反射之後可能被反射到反射層140’之外，而無法被有效利用。因此，此一習用透鏡單元將具有光線利用率低落之問題。

本發明提供一種透鏡，可以調整光線路徑以提高發光裝置光的利用率。

本發明提供一種發光裝置，可有效利用光源以提高出光效率。

本發明提出一種透鏡。透鏡包括一環繞側壁、一入光面、一入光結構以及一出光面。環繞側壁由二平坦部以及二弧面部所組成以環繞一參考軸線，其中二平坦部彼此相對，且二弧面部彼此相對。入光面配置於環繞側壁的一側，供接收一點光源射出之光線。入光結構位於入光面上，且入光結構包括多個條狀凸起。各條狀凸起由多個第一散光面夠成，而第一散光面不行於入光面。出光面配置於環繞側壁的另一側，與入光面相對。出光面實質上為圓形。透鏡的一截面積由入光面向出光面漸增。

本發明又提出一種發光裝置，包括前述之透鏡、一導光柱以及一反射層。導光柱配置於透鏡遠離點光源之一側，且導光柱實質上對齊參考軸線。反射層配置於導光柱的一側，二平坦部其中一者與反射層位於參考軸線的同一側。

基於上述，本發明在透鏡的側壁上設置兩個彼此相對的平坦部，且平坦部的位置對應於發光裝置的反射層。因此，點光源所發出的光線實質上都可照設置反射層而有助於提高發光裝置的發光效率。此外，透鏡的入光面具有如光結構而有助於使點光源所發出的光線分散地射出以被利用。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1繪示為本發明之一實施例的發光裝置之爆炸示意圖。請參照圖1，發光裝置100包括一點光源110、一透鏡120、一導光柱130以及一反射層140。點光源110、透鏡120以及導光柱130例如依序排列於參考軸線A上。在本實施例中，參考軸線A例如通過點光源110、透鏡120以及導光柱130三者之中心。反射層140，其例如為白色油墨層所構成的一擴散式反射層，位於導光柱130部份的環周表面132，其中導光柱130相對於反射層140的另一部份環周表面實質上為出光面134。換言之，發光裝置100是一種可提供線性光源的裝置。

具體而言，點光源110例如是一發光二極體光源。為了使點光源110所發出的光線分散地射出並進入導光柱130而提供所需的線性光源，發光裝置100需將透鏡120設置於點光源110及導光柱130之間。由透鏡120分散射出的光線進入導光柱130後，一部份可朝向出光面134射出導光柱130，而另一部份可朝向反射層140入射後，再藉由反射層140反射至出光面134。

在本實施例中，透鏡120包括一環繞側壁122、一入光面124、一入光結構124A以及一出光面126。入光面124配置於環繞側壁122的一側，面向點光源110，以供接收點光源110射出之光線。入光結構124A位於入光面124上，以提供一粗糙結構來發散點光源110所射出的光線。出光面126實質上為圓形，且出光面126配置於環繞側壁122的另一側，並與入光面124相對。此外，出光面126相對於導光柱130的一端部，出光面126的面積實質上相近於導光柱130的截面積，且透鏡120的截面積由入光面124向出光面126漸增。

值得一提的是，本實施例的環繞側壁120由二平坦部122A以及二弧面部122B所組成以環繞參考軸線A，其中二平坦部122A彼此相對，且二弧面部122B彼此相對。此外，二平坦部122A其中一者鄰近反射層140而設並與反射層140位於參考軸線A的同一側。點光源110所發出的光線可藉由透鏡120發散並進入導光柱130中。此外，二平坦部122A有助於將光線反射至反射層140以更進一步提高光線利用率。所以，透鏡120的設置有助於提高發光裝置100的出光效率。

詳言之，圖2為本發明之一實施例的透鏡之光學作用示意圖。由於本實施例的透鏡120具有相對的二平坦部122A，且其中一平坦部122A鄰近反射層140。所以，另一平坦部122A實質上與反射層140分別位於參考軸線A的相對兩側。光線L1以及光線L2照射至平坦部122A後都可以被反射至反射層140上而有效被利用。根據實際量測的結果，在相同的條件下(例如搭配亮度150流明的點光源)，使用如圖8習用透鏡120’的發光裝置之發光效率約為55.8流明/瓦特(lm/w)，而使用本實施例之透鏡120的發光裝置之發光效率約為66.27流明/瓦特(lm/w)。因此，本實施例的平坦部設計明顯地可增加光線的利用率。

具體而言，圖3為以參考軸線為法線所繪示之本發明之一實施例的透鏡的截面積。請同時參照圖1與圖3，以參考軸線A為法線繪示透鏡120的截面積時，在截面積中，二平坦部122A彼此平行，二弧面部122B彼此對稱，且二弧面部122B至參考軸線A的距離相等。另外，二弧面部122B至參考軸線A的距離大於二平坦部122A至參考軸線A的距離。也就是說，此截面積實質上為一圓形被兩條平行線截切後所剩餘的形狀。進一步而言，透鏡120實質上是一圓臺被兩個斜向的平面截切後所剩餘的形狀。所以，透鏡120可以藉由將圓臺狀的透鏡截切而獲得，當然也可以設置特定的模具以於一次的成型步驟中獲得。

請參照圖1所示，在本實施例中，除了透鏡120本身的形狀有助於發散點光源110所發出的光線外，設置於入光面124上的入光結構124A也有助於發散點光源110所發出的光線。具體而言，入光結構124A為入光面124上的起伏結構，光線受到入光結構124A的作用將發散地射出而可改善光線過於集中的現象。

詳言之，圖4與圖5繪示為入光結構的示意圖。請同時參照圖4與圖5，入光結構124A可以由多個條狀凸起V所組成，也可以是多個條狀凸起R所組成。各個條狀凸起V例如由兩個平坦狀的散光面V1、V2所構成；或者各條狀凸起R例如由一個弧狀的散光面R1所構成，且在透鏡120中這些散光面V1、V2、R1不行於入光面124。當然，在其他的實施例中，入光結構124A更可以同時由多個條狀凸起V與多個條狀凸起R所組成。在此，各條狀凸起V以及R具有一延伸方向D。各條狀凸起V以延伸方向D為法線的一截面積具有V形輪廓。各條狀凸起R以延伸方向D為法線的一截面積具有弧型輪廓。另外，在其他的實施方式中，各條狀凸起以延伸方向為法線的一截面積可具有多邊形輪廓。換言之，本實施例不特別地限定入光結構124A的形狀。當然，各條狀凸起V以及R的尺寸也可隨不同需求而有所更動。

圖6A繪示為本發明之另一實施例的透鏡示意圖。請參照圖6A，透鏡220與前述的透鏡120大致相同，兩者的差異之處主要在於透鏡220的出光面226具有一出光結構226A。換言之，除了出光面226外，透鏡220與透鏡120是由相同的結構所組成，而這些相同的結構皆以相同的符號標示，不另贅述。

在本實施例中，出光結構226A例如包括多個條狀凸起S，其分別沿一延伸方向H延伸。各條狀凸起S以延伸方向H為法線的一截面積可以具有V形輪廓、弧型輪廓或多邊形輪廓，其中V形輪廓以及弧型輪廓可參照圖4及圖 5所繪示的態樣。也就是說，各條狀凸起S可以由兩平坦狀的散光面所構成或是由一弧形的散光面所構成。另外，在本實施例中出光結構226A的延伸方向H實質上與入光結構124A的延伸方向平行。不過，本發明不限於此，在其他的實施方式中，出光結構226A的延伸方向H實質上可與入光結構124A的延伸方向垂直或相交於一角度。出光結構226A的設置可以再次地發散點光源所發出的光線而有助於提高發光裝置的光線利用率。

更詳言之，圖6B為光線進入圖6A所示的透鏡時的光路示意圖，其中光線是由入光結構124A進入透鏡而由出光結構226A射出。請同時參照圖6A與圖6B，構成入光結構124A的多個條狀凸起V例如具有V型截面積，且各條狀凸起V具有散光面V1、V2。另外，構成出光結構226A的多個條狀凸起S也例如具有V型的截面積，且各條狀凸起S具有散光面S1、S2。在本實施例中，兩散光面V1、V2之間所夾的一夾角T1例如小於兩散光面S1、S2之間所夾的一夾角T2。

光線由點光源至入光結構124A的行進路徑定義為第一光路L3；由入光結構124A至出光結構226A的行進路徑定義為第二光路L4；而光線由出光結構226A射出的行進路徑定義為第三光路L5。光線在進入入光結構124A時發生第一次偏折(因外部與透鏡折射率不同)後，再於透鏡內行進。之後，光線在射出出光結構226A時發生第二次偏折(亦因外部與透鏡折射率不同)。由圖6B可清楚看出，沿第一光路L3延伸而與第二光路L4形成的夾角為T3；另外，平行於第一光路L3的虛擬線L6與第三光路L5形成的夾角為T4，夾角T4相較夾角T3為大。

除了上述的條狀結構外，出光結構上可以由凹陷所構成，其如圖7所示。圖7繪示為本發明又一實施例的透鏡的示意圖。請參照圖7，透鏡320與透鏡120大致相同，兩者的差異之處主要在於透鏡320的出光面326具有一出光結構326A，其中出光結構326A實質上為一凹陷。因此，圖7所採用的元件符號與圖1相同者皆表示為相同的元件。

在本實施例中，參考軸線A實質上通過出光結構326A(亦即凹陷)的中心。所以，出光結構326A上任一點與入光面124之間的距離隨此點與參考軸線A之間的距離減少而減少。也就是說，越接近參考軸線A，凹陷的深度越深。如此一來，出光結構326A有助於發散光線而提高發光裝置的發光效率。值得一提的是，凹陷的尺寸及凹向的設計可以隨度同的需求而有所改變，上述的凹陷是以參考軸線A為中心而設的，不過，其他的實施例中，凹陷的中心可以不位於參考軸線A上。

綜上所述，本發明在導光柱與點光源之間設置一透鏡並在導光柱的一側設置一反射層以構成一發光裝置。透鏡的側壁上包括兩個平坦部，其中一個平坦部鄰近反射層而設。點光源所發出的光線照射於平坦部後可以被反射至反射層上以被利用。所以，本發明的發光裝置具有理想的出光效率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧發光裝置

110‧‧‧點光源

120、120’、220、320‧‧‧透鏡

122‧‧‧環繞側壁

122A‧‧‧平坦部

122B‧‧‧弧面部

124‧‧‧入光面

124A‧‧‧入光結構

126、226、326‧‧‧出光面

130‧‧‧導光柱

132‧‧‧部份的環周表面

134‧‧‧出光面

140、140’‧‧‧反射層

226A、326A‧‧‧出光結構

A‧‧‧參考軸線

D、H‧‧‧延伸方向

L1、L1’、L2、L2’‧‧‧光線

L3‧‧‧第一光路

L4‧‧‧第二光路

L5‧‧‧第三光路

L6‧‧‧虛擬線

R、S、V‧‧‧條狀凸起

R1、S1、S2、V1、V2‧‧‧散光面

T1、T2、T3、T4‧‧‧夾角

圖1繪示為本發明之一實施例的發光裝置之爆炸示意圖。

圖2繪示為本發明之一實施例的透鏡的光學作用示意圖。

圖3為以參考軸線為法線所繪示之本發明之一實施例的透鏡的截面積。

圖4與圖5為繪示入光結構的示意圖。

圖6A繪示為本發明之另一實施例的透鏡示意圖。

圖6B為光線進入圖6A所示的透鏡時的光路示意圖，其中光線是由入光結構進入透鏡而由出光結構射出。

圖7繪示為本發明又一實施例的透鏡的示意圖。

圖8所示為一種習用具有透鏡單元之發光裝置。