CN101660709B - 产生环形光场的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种产生环形光场的装置，是一种产生环形照明区域的反射式装置，包括：一发光二极管，其可产生一光束；以及一光学反射面，其可反射该光束以形成一环形照明区域，其中该反射面可以为双曲面、椭圆面或是抛物面。

Description

产生环形光场的装置
技术领域
本发明涉及照明用的照明装置，且特别是有关于产生环形照明区域的设计。
背景技术
美国专利4770514、5485317、5757557和6819506皆是提供光源准直化的光学元件设计的方法，将原本具有发散性朗伯逊光场分布改变并增加效率，但光场分布的最强处仍在中央区域。
美国专利公开号20070091602是利用多个发光二极管与可造成不同照射散角的光学元件，将多个光场叠加达成所需的照明区域大小，如图1B与图1C。但此专利采用的光学元件为透射式光学元件，如图1A，易造成大角度的光线损失，使得效率降低。另外，本篇专利并未提及如何设计产生环形光场的光学元件，若欲达成该篇专利所述的目的，产生环形光场分布的元件显然为必要零元件。
发明内容
本发明的目的是提供一种产生环形照明区域的方法。利用改变曲率半径或是锥面系数可以达成不同半径的环形照明区域。
本发明提出两种产生环形照明区域的装置，其简述如下：一种产生环形照明区域的反射式装置，包括：一发光二极管可产生一光束；以及一光学反射面，可反射该光束以形成一环形照明区域，其中该反射面可以为双曲面、椭圆面或是抛物面。一种产生环状照明区域的全反射式装置，包括：一发光二极管，可产生一光束；一光学元件，包含一入射面、一全反射面以及一出射面；其中该光束的一第一部分可经由该入射面直接穿透至该出射面而形成一环形区域，且该光束的一第二部分可经由该入射面至该全反射面全反射至该出射面而形成该环形区域。
再者，本发明还提出一种产生环形照明区域的方法，包括下列步骤：选定所使用的一光学反射面，其中该反射面为一双曲面、一椭圆面或是一抛物面；根据所选择的该反射面，决定该反射面一锥面系数；以及根据该锥面系数找出该反射面相对应的一曲率半径。
为了能还进一步了解本发明特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1A、图1B、图1C所绘示为现有技术，美国公开号20070091602；
图2A、图2B、图2C所绘示为第一种实施例的示意图与结果，其中：
图2A所绘示为光学面为双曲面的设计；
图2B为实施例1的环形光场示意图；
图2C为实施例1的锥面系数为-2；
图3A、图3B、图3C所绘示为第二种实施例的示意图与结果；其中：
图3A为所绘示为光学面为椭圆面的设计；
图3B为在1.5米处的照射光场为环形分布；
图3C为实施例2的锥面系数为-0.8；
图4所绘示为第二种实施例形成环形分布光场的条件；
图5A、图5B、图5C所绘示为第三种实施例的示意图与结果；其中：
图5A为光学面为抛物面的设计；
图5B为实施例2的环形光场示意图；
图5C为实施例2的锥面系数为-1；
图6所绘示为第四种实施例的示意图。
【图号说明】
10    发光二极管            2    光学反射面
                        0
30    塑料材料的光学元件    4    全反射面
                        0
50    入射面        6    出射面
                0
具体实施方式
一个光学面可由方程式来表示，其中x为光轴方向，c为曲率，κ为锥面系数，ai为非球面系数。当不考虑非球面系数时，不同的锥面系数形成不同的曲面类型，-1＜κ＜0为椭圆面，κ＝-1为抛物面，κ＜-1为双曲面。本发明利用设计此光学面为反射面，可以将发光二极管原本的朗伯逊光场分布改变成环形分布，并且通过改变曲率半径可以改变环形的大小与位置。
请参照图2A，其所绘示为光学面为双曲面的设计，发光二极管10发出的光部分经过光学元件的反射光学面20为双曲面而反射后，光束集中落在半径1和半径2之间的区域，而直接射出没经过反射面的光因为发光二极管10具有发散性，因此落在中心至半径1之间区域的光只有极少部分，因此在1.5米处的照射光场为环形分布。请参照图2C，本实施例的锥面系数为-2，由图中的表格可见，当曲率半径为2.25公分时，环形光场分布由半径1为0.16米至半径2为0.96米的位置，宽度为0.8米；当曲率半径为2.5公分时，环形光场分布由半径1为0.2米至半径2为0.98米的位置，宽度为0.78米；当曲率半径为2.75公分时，环形光场分布由半径1为0.24米至半径2为1米的位置，宽度为0.76米。由此可知改变反射面的曲率半径可以改变环形半径1和半径2的大小，在中心点到半径1之间，仍然会有光线入射至该区域，但其能量远低于半径1至半径2之间区域。其中半径1和半径2的定义为环形照明区域中照度最大值一半的处与原点的距离，图2B为本实施例的环形光场示意图。在本实施例中，当曲率半径增加，环形分布会远离中心向外扩张，因此可利用改变曲率半径来达到所需要的环形大小与位置。
请参照图3A，其所绘示为光学面为椭圆面的设计，发光二极管10发出的光经过光学元件的光学反射面20为椭圆面，则光束经过反射会先在第一聚焦点聚焦后发散，未经过反射面反射而直接出射的光束因为发光二极管10具有发散性，因此落在中心至半径1之间区域的光只有极少部分，且其能量远低于半径1至半径2之间区域，因此在1.5米处的照射光场为环形分布，如图3B。本实施例的锥面系数为-0.8，请参照图3C，当曲率半径为2.25公分时，环形光场分布由半径1为0.65米至半径2为0.97米的位置，宽度为0.32米；当曲率半径为2.5公分时，环形光场分布由半径1为0.56米至半径2为0.84米的位置，宽度为0.28米；当曲率半径为2.75公分时，环形光场分布由半径1为0.48米至半径2为0.72米的位置，宽度为0.24米，其中半径1和半径2的定义为环形照明区域中照度最大值一半的处与原点的距离。由此可知改变反射面的曲率半径可以改变环形半径1和半径2的大小，在本实施例中，当曲率半径增加，环形分布会往中心收缩，因此可利用改变曲率半径来达到所需要的环形大小与位置。再者，不同的锥面系数范围可计算出相对应的曲率半径范围以达到环形的照射光场分布，如图4，当锥面系数介于-0.99至-0.9时，曲率半径必须小于1.2公分或是大于9.4公分才能形成环形的照射光场。因此通过设计不同的锥面系数和曲率半径可以改变投影区域的环形照射光场的大小与位置。
请参照图5A，其所绘示为光学面为抛物面的设计，发光二极管10发出的光部分经过光学元件的光学反射面20为抛物面而反射后，光束集中落在半径1和半径2之间的区域，而直接射出没经过反射面的光因为发光二极管10具有发散性，因此落在中心至半径1之间区域的光只有极少部分，因此在1.5米处的照射光场为环形分布。请参照图5C，本实施例的锥面系数为-1，由图中的表格可见，当曲率半径为8公分时，环形光场分布由半径1为0.2米至半径2为0.57米的位置，宽度为0.37米；当曲率半径为9公分时，环形光场分布由半径1为0.28米至半径2为0.68米的位置，宽度为0.4米；当曲率半径为10公分时，环形光场分布由半径1为0.35米至半径2为0.78米的位置，宽度为0.43米。由此可知改变反射面的曲率半径可以改变环形半径1和半径2的大小，在中心点到半径1之间，仍然会有光线入射至该区域，但其能量远低于半径1至半径2之间区域。其中半径1和半径2的定义为环形照明区域中照度最大值一半的处与原点的距离，图5B为本实施例的环形光场示意图。在本实施例中，当曲率半径增加，环形分布会远离中心向外扩张，因此可利用改变曲率半径来达到所需要的环形大小与位置。
以上三种设计皆为反射面，因此能改变的参数仅有锥面系数和曲率，若是将元件改为塑料材料的光学元件30，虽然光束是穿透元件但可利用全反射原理达到反射的效果。其中全反射面40同样可设计为双曲面、椭圆面或是抛物面。在相同的曲率半径和锥面系数下，可以通过改变出射面60的斜率或是曲率，则可达到不同的环形大小与位置，如图6，发光二极管10发出的光束通过入射面50进入塑料材料的光学元件30，该光束一第一部分的光直接由出射面60穿透射出，而该光束的一第二部分的光由全反射面40反射后再经由出射面60射出，投影至1.5米远处时集中在半径1和半径2之间的区域，在中心点到半径1之间，仍然会有光线入射至该区域，但其能量远低于半径1至半径2之间区域，因此形成环形分布。若是将出射面60设计为平面时，则可仅通过改变入射面50的斜率或是曲率，将集中在中间的光束导向环形区域，以增加光学效率。若是要控制出射面60的斜率或是曲率，则必须根据所用的材料特性，考虑光线在元件内全反射的状况，以提升效率。
因此，本发明的优点是提供一种产生环形光场的光学元件的设计方法，并且具有体积小和提升光学效率的特性。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的还动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (4)

1.一种产生环状照明区域的全反射式装置，其特征在于包括：
一发光二极管，其可产生一光束；
一光学元件，包含一入射面、一全反射面以及一出射面；
其中该光束的一第一部分经由该入射面直接穿透至该出射面而形成一环形区域，且该光束的一第二部分可经由该入射面至该全反射面，全反射至该出射面而形成该环形区域。
2.如权利要求1所述的产生环形照明区域的全反射式装置，其特征在于，该全反射面为双曲面、椭圆面或是抛物面。
3.如权利要求1所述的产生环形照明区域的全反射式装置，其特征在于，该入射面是曲面或斜面，且该入射面对称于光轴。
4.如权利要求1所述的产生环形照明区域的全反射式装置，其特征在于，该出射面是曲面或斜面，且该出射面对称于光轴。
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