CN102537838B - 光学透镜模块及其发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学透镜模块，包括：一透镜本体，其具有一中心轴；一设于该透镜本体的底部的入射面；一设于该透镜本体的顶部的折射面，且该折射面对应于该入射面，该折射面包括一折射弧面及设于该折射弧面旁侧的辅助折射面；一外侧折射面，其设于该透镜本体的侧部；以及一部分穿透部分反射单元，其设于该透镜本体的顶部且覆盖于该折射面之上。

Description

光学透镜模块及其发光装置

技术领域

本发明涉及光学透镜模块，尤指一种具有泛光效果且提高光形均匀度的光学透镜模块及其发光装置。

背景技术

近年来，在显示和照明光学设备中，效率高且使用寿命长的发光二极管的需求大大增加。例如，现有的发光二极管可包括一个或多个半导体发光元件，该半导体发光元件可用于发出混合三种基色(RGB)所形成的白光，以提供照明。

然而，发光二极管乃为一种指向性光源，故发光二极管的发光特性会形成如同聚光灯一般的点光源照明效果，而照明区域之外便会形成暗区，故与传统照明灯具(如日光灯、白炽灯泡或省电灯泡)的「全光源」照明效果相当不同；而在传统作法上，可于发光二极管的光轴前方设置光学元件，以调整其照明范围，但目前仅能达到缩小暗区的范围，依旧无法解决亮暗区域的问题。缘此，发光二极管所制成的灯具较常运用在局部照明的特定用途上，诸如商业投影、聚光、指示等方面，而仍无法应用于办公或家庭用照明的用途。

另一方面，有文献提出以一种特定的透镜，利用镀膜的方式形成反射膜，以将光线均反射至约与光轴垂直的角度，以形成光线分布于±90°的范围；但是此种透镜牺牲0～±70°及±120°～±180°的光能量分布，使得光形分布不均，故亦会形成光照的死角。

因此，如何有效地提高发光二极管产品的照光角度与光形均匀度，以符合使用上的需求，实为研发的重要目标。

本案发明人有鉴于上述现有技术于实际施用时的缺失，且积累个人从事相关产业开发实务上多年的经验，精心研究，终于提出一种设计合理且有效改善上述问题的结构。

发明内容

本发明实施例提供一种光学透镜模块，包括：一透镜本体，其具有一中心轴；一设于该透镜本体的底部的入射面；一设于该透镜本体的顶部的折射面，且该折射面对应于该入射面，该折射面包括一折射弧面及设于该折射弧面旁侧的辅助折射面；一外侧折射面，其设于该透镜本体的侧部；以及一部分穿透部分反射单元，其设于该透镜本体的顶部且覆盖于该折射面之上；其中，透过该入射面进入该透镜本体并入射于该折射面的光经过该折射面而形成偏离该中心轴的折射光，该折射光部分穿透该部分穿透部分反射单元，而部分的折射光则经由该部分穿透部分反射单元的反射再由该外侧折射面射出该透镜本体；其中透过该入射面进入该透镜本体并直接入射于该部分穿透部分反射单元的光线经由该部分穿透部分反射单元的反射由该外侧折射面射出该透镜本体；其中透过该入射面进入该透镜本体并入射于该外侧折射面的光线直接经由该外侧折射面的折射而射出该透镜本体。

本发明实施例还提供一种发光装置，包括：一座体，其上设有一发光元件；一组装于该座体上且对应该发光元件的光学透镜模块，该光学透镜模块包括：一透镜本体，其具有一中心轴；一设于该透镜本体的底部的入射面；一设于该透镜本体的顶部的折射面，且该折射面对应于该入射面，该折射面包括一折射弧面及设于该折射弧面旁侧的辅助折射面；一外侧折射面，其设于该透镜本体的侧部；以及一部分穿透部分反射单元，其设于该透镜本体的顶部且覆盖于该折射面之上；其中，该发光元件所发出的光线透过该入射面进入该透镜本体并入射于该折射面，该光线经过该折射面而形成偏离该中心轴的折射光，该折射光部分穿透该部分穿透部分反射单元，而部分的折射光则经由该部分穿透部分反射单元的反射再由该外侧折射面射出该透镜本体；其中该发光元件所发出的光线透过该入射面进入该透镜本体并直接入射于该部分穿透部分反射单元，该光线经由该部分穿透部分反射单元的反射由该外侧折射面射出该透镜本体；其中该发光元件所发出的光线透过该入射面进入该透镜本体并入射于该外侧折射面，该光线直接经由该外侧折射面的折射而射出该透镜本体。

本发明可利用具有特定结构的透镜本体与部分穿透部分反射单元所组合形成的光学透镜模块，使光线产生大角度的偏折，以提高发光装置的可视角度，更可保持光形的均匀度，故可使发光装置发出均匀的泛光效果。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，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1为本发明第一实施例的光学透镜模块的示意图；

图1A为光线进入本发明第一实施例的轨迹示意图；

图1B为应用本发明第一实施例的光学透镜模块所产生的极坐标光形图；

图1C为应用本发明第一实施例的光学透镜模块所产生的剖面光形图；

图2为本发明第二实施例的光学透镜模块的示意图；

图2A及图2B显示应用第二实施例所产生的极坐标光形图与剖面光形图，其中反射率为55％；

图2C及图2D显示应用第二实施例所产生的极坐标光形图与剖面光形图，其中反射率为50％；

图2E及图2F显示应用第二实施例所产生的极坐标光形图与剖面光形图，其中反射率为30％；

图2G及图2H显示应用第二实施例所产生的极坐标光形图与剖面光形图，其中反射率为60％；

图3为显示本发明第三实施例的光学透镜模块的示意图；

图3A及图3B显示应用第三实施例所产生的极坐标光形图与剖面光形图，其中反射率为50％；

图3C及图3D显示应用第三实施例所产生的极坐标光形图与剖面光形图，其中反射率为30％；

图3E及图3F显示应用第三实施例所产生的极坐标光形图与剖面光形图，其中反射率为60％；

图4为将本发明第二实施例的光学透镜模块与座体、发光元件组合为发光装置的示意图。

【主要元件符号说明】

1     光学透镜模块

10    透镜本体              100    中心轴

                            101    底部

                            102    顶部

11    入射面                111    圆弧面

                            112    阶梯状结构

12    折射面                121    折射弧面

                            122    辅助折射面

                            123    凸出折射部

13    外侧折射面            131    第一平滑曲面

                            132    第二平滑曲面

                            133    水平连接段

                            133A   第一水平连接段

                            134    第二水平连接段

                            135    第三平滑曲面

14    部分穿透部分反射单元

20    座体

21    发光元件

22    容置空间

F     焦点

E1、E11、E12、E2、E3        轨迹

具体实施方式

本发明提出一种光学透镜模块及其发光装置，其可利用光学透镜模块的光学作用将光线形成大角度的泛光态样，并可提高光形分布的均匀性，故可将具有指向性的发光光源的光线调整为达成符合应用标准的全向光型、泛光照明的发光装置。

请参考图1、图1A，其显示本发明第一实施例的光学透镜模块1；其中本发明的光学透镜模块1至少包括透镜本体10、设于透镜本体10上的入射面11、折射面12与外侧折射面13及组装于该透镜本体10上的部分穿透部分反射单元14。

在本具体实施例中，透镜本体10上设有底部101及顶部102，且透镜本体10的中心轴100贯穿底部101及顶部102，而透镜本体10较佳为一种圆柱对称的结构体，故所述的入射面11、折射面12与外侧折射面13均相对于中心轴100而形成圆柱对称。换言之，本发明所绘制的图式均为二维的视图，但光学透镜模块1实质上乃为一种对称成型的结构；以下将详细说明第一实施例的具体结构。

透镜本体10可利用射出成型、压铸等方式所制成，故透镜本体10较佳为单一的光学元件，但亦可为耦合为一体的光学元件；透镜本体10可为透光(或称透明)材质，例如，但不限于聚甲基丙烯酸甲脂(polymethylmethacrolate，PMMA)、聚碳酸脂(ploycarbonate，PC)、PC/PMMA混合树脂、聚醚酰亚胺(polyetherimide，PEI)、硅树脂、碳氟聚合物、玻璃等等，而所制成的透镜本体10的折射率约介于1.35至1.7，但不以此为限。

所述的透镜本体10在其底部101及顶部102上分别设有入射面11及折射面12，且透镜本体10的侧部更设有外侧折射面13，入射面11向上凹设于透镜本体10，其为光线射入透镜本体10的表面；而折射面12则可用于折射光线，使光线偏离中心轴100；而外侧折射面13则再一次地折射光线，使光线可由透镜本体10的侧部射出透镜本体10。而在本具体实施例中，折射面12对应于入射面11，折射面12则包括一折射弧面121及设于折射弧面121的旁侧的辅助折射面122，折射弧面121为向下凹设于透镜本体10所成型。

另一方面，部分穿透部分反射单元14设于透镜本体10的顶部102且覆盖于该折射面12之上，部分穿透部分反射单元14可为一种金属膜，例如利用金属膜的膜厚、导电系数控制部分穿透部分反射单元14的反射/穿透的比例，举例来说，金在500nm波长下的反射率为47.7％，铝在800nm波长下的反射率为86.7％；或部分穿透部分反射单元14可为介电质膜，利用多层介电质膜提供部分穿透部分反射的光学作用。因此，本发明利用部分穿透部分反射单元14将部分光线反射而由外侧折射面13射出，使整体光形达成泛光照明的态样。

请参考图1A，在本具体实施例中，入射面11至少包括一圆弧面111，其主要让光线得以进入透镜本体10(为PMMA材质)；另一方面，入射面11可包括圆弧面111与设于圆弧面111的旁侧的一阶态样的阶梯状结构112，而入射面11通过高折射率的透镜本体10与一低折射率的介质，例如空气、其它气体或其它透明树脂所界定。

另外，本实施例的辅助折射面122为一阶态样的阶梯状结构，而折射面12同样通过高折射率的透镜本体10与一低折射率的介质，例如空气、其它气体或其它透明树脂所界定。前述的「高」、「低」乃为比较之意，亦即透镜本体10的折射率高于其它介质的折射率。

另一方面，外侧折射面13为由透镜本体10的底部101延伸至透镜本体10的顶部102的平滑曲面，光线可由外侧折射面13向外部折射，使光线可朝向大角度的方向射出，以达到全向光的目的。

图1A绘制出本发明的光线轨迹，请参考轨迹E1，其中光线由入射的圆弧面111的焦点F发出，以透过入射面11进入透镜本体10并入射于折射面12，光线经过折射面12而形成偏离该中心轴100的折射光，该折射光部分穿透该部分穿透部分反射单元14(如轨迹E11所示)，而部分的折射光则经由该部分穿透部分反射单元14的反射再由外侧折射面113射出透镜本体10(如轨迹E12所示)。请参考轨迹E2，其显示光线由入射的圆弧面111的焦点F发出，以透过入射面11直接入射于部分穿透部分反射单元14，光线直接经由部分穿透部分反射单元14的反射，由外侧折射面13射出透镜本体10；再，请参考轨迹E3，其中光线由入射的圆弧面111的焦点F发出，以透过入射面11进入透镜本体10，并直接经由外侧折射面13的折射而射出该透镜本体10。因此，本发明可利用光学透镜模块1将光线导向大角度的方向，以达成泛光型态的发光态样。

以图1A所示的光线轨迹配合图1B、图1C，由于光线可经过折射面12的折射、部分穿透部分反射单元14的反射与外侧折射面13的折射，使光线偏折进而分布于±90°(度)至±180°(度)间，较佳为±90°(度)至±160°(度)间，以产生大角度的泛光角度；另外，由于部分穿透部分反射单元14不会牺牲其它角度的光能量，故本发明的光形分布较为均匀。

请参考图2，其为本发明的第二实施例，其与第一实施例不同之处在于，外侧折射面13包括由透镜本体10的底部101延伸的第一平滑曲面131、由透镜本体10的顶部102延伸的第二平滑曲面132及连接该第一、第二平滑曲面131、132的水平连接段133；而部分穿透部分反射单元14的反射率为55％(即穿透率为45％)。图2A及图2B即显示前述实施例的极坐标光形图与剖面光形图，其中可知有大角度的光偏折，其介于±90°(度)至±160°(度)间，使视角(view angle)大于±160°(度)；另外，光形相当均匀，使0°(度)至±135°(度)之间的光强度均在最大光强度的60％以上。

另一方面，图2C、图2D显示第二实施例的第一变化态样的极坐标光形图与剖面光形图，其中部分穿透部分反射单元14的反射率为50％(即穿透率为50％)；图2E、图2F显示第二实施例的第二变化态样的极坐标光形图与剖面光形图，其中部分穿透部分反射单元14的反射率为30％(即穿透率为70％)；图2G、图2H显示第二实施例的第三变化态样的极坐标光形图与剖面光形图，其中部分穿透部分反射单元14的反射率为60％(即穿透率为40％)。根据上述不同反射率的部分穿透部分反射单元14所进行的光形测试，均可达到泛光的照明，且达到均匀的光形，而不会有某些角度的亮度过低的问题；再者，根据上述实施例，在本发明中，部分穿透部分反射单元14的反射率约介于30％至60％之间，较佳则约为55％。

请参考图3，其显示本发明的第三实施例，其与第二、第二实施例不同之处在于，入射面11包括圆弧面111与设于圆弧面111的旁侧的两阶态样的阶梯状结构112；而折射弧面112与辅助折射面122之间更设有一凸出折射部123，使折射弧面112的旁侧具有凹凸状结构；另外，外侧折射面13则包括由透镜本体10的底部101延伸的第一平滑曲面131、由第一平滑曲面132延伸的第一水平连接段133A、由透镜本体10的顶部102延伸的第二平滑曲面132、由该第二平滑曲面132延伸的第二水平连接段134及连接该第一、第二水平连接段133A、134的第三平滑曲面135。

请参考图3A、图3B，其显示部分穿透部分反射单元14的反射率为50％(即穿透率为50％)的极坐标光形图与剖面光形图；图3C、图3D显示第三实施例中，部分穿透部分反射单元14的反射率为30％(即穿透率为70％)的极坐标光形图与剖面光形图；图3E、图3F显示第三实施例中，部分穿透部分反射单元14的反射率为60％(即穿透率为40％)的极坐标光形图与剖面光形图。根据上述不同反射率的部分穿透部分反射单元14所进行的光形测试，第三实施例的结构可达到泛光的照明，达成泛光型态的发光态样，并形成均匀的光形，而不会有某些角度的亮度过低的问题。

请参考图4，其显示本发明的发光装置，其中，发光元件21，如发光二极管设置于座体20上，而本发明的光学透镜模块1则组装于座体20上。图4将前述第二实施例的光学透镜模块1则组装于座体20上，并使入射面11对应于发光元件21；较佳地，发光元件21设于圆弧面111的焦点位置，且透镜本体11与座体20之间形成对应入射面11的容置空间22，容置空间22及部分穿透部分反射单元14与透镜本体11之间所形成的空间则填充有折射率较透镜本体11为低的介质，使光线由密介质传递至疏介质时产生大角度的折射，进而使光线可有效地偏折于透镜本体11的侧面，以形成较大的泛光角度，且可提高全向性(Omni Directional)的光形均匀度。

值得说明的是，本发明的发光装置并不限定于第二实施例的光学透镜模块1，亦可将第一、第三实施例的光学透镜模块1应用于发光装置；另外，光学透镜模块1与座体20的组合方式可为卡合固定、焊接、黏合等等，但不以此为限。本发明的优点如下：

1、本发明可解决指向性的发光光源无法达到广泛角度的光照的问题。本发明可利用部分穿透部分反射单元与透镜本体的结构的配合，使指向性的发光光源所发出的光线可被部分穿透部分反射单元反射，再由透镜本体的侧部向外偏折射出，故整体而言，本发明可达成泛光照明的目的，例如，光线偏折角度可约介于±90°(度)至±180°(度)之间。

2、另外，本发明不会牺牲其它角度的光能量，以达到较为均匀的光形分布，例如，介于0°(度)至±135°(度)之间的光强度均可达最大光强度的60％以上；因此，本发明可提供均匀的光照态样。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此局限本发明的专利范围，故举凡运用本发明说明书及图示内容所为的等效技术变化，均包含于本发明的范围内。

Claims (30)

1.一种光学透镜模块，其特征在于，包括：

一透镜本体，其具有一中心轴；

一设于该透镜本体的底部的入射面；

一设于该透镜本体的顶部的折射面，且该顶部的折射面对应于该入射面，该顶部的折射面包括一折射弧面及设于该折射弧面旁侧的辅助折射面；

一外侧折射面，其设于该透镜本体的侧部；以及

一部分穿透部分反射单元，其设于该透镜本体的顶部且覆盖于该顶部的折射面之上；

其中，透过该入射面进入该透镜本体并入射于该顶部的折射面的光线经过该顶部的折射面而形成偏离该中心轴的折射光，该折射光部分穿透该部分穿透部分反射单元，而部分的折射光则经由该部分穿透部分反射单元的反射再由该外侧折射面射出该透镜本体；

其中透过该入射面进入该透镜本体并直接入射于该部分穿透部分反射单元的光线经由该部分穿透部分反射单元的反射由该外侧折射面射出该透镜本体；

其中透过该入射面进入该透镜本体并入射于该外侧折射面的光线直接经由该外侧折射面的折射而射出该透镜本体。

2.如权利要求1所述的光学透镜模块，其特征在于，该入射面至少包括一圆弧面。

3.如权利要求2所述的光学透镜模块，其特征在于，该入射面通过高折射率的该透镜本体与一低折射率的介质所界定。

4.如权利要求2所述的光学透镜模块，其特征在于，该顶部的折射面通过高折射率的该透镜本体与一低折射率的介质所界定。

5.如权利要求2所述的光学透镜模块，其特征在于，该入射面还包括设于该圆弧面旁侧的一阶态样的阶梯状结构。

6.如权利要求5所述的光学透镜模块，其特征在于，该辅助折射面为一阶态样的阶梯状结构。

7.如权利要求6所述的光学透镜模块，其特征在于，该外侧折射面为由该透镜本体的底部延伸至该透镜本体的顶部的平滑曲面。

8.如权利要求6所述的光学透镜模块，其特征在于，该外侧折射面包括由该透镜本体的底部延伸的第一平滑曲面、由该透镜本体的顶部延伸的第二平滑曲面及连接该第一、第二平滑曲面的水平连接段。

9.如权利要求2所述的光学透镜模块，其特征在于，该入射面还包括设于该圆弧面旁侧的两阶态样的阶梯状结构。

10.如权利要求9所述的光学透镜模块，其特征在于，该辅助折射面为一阶态样的阶梯状结构，且该折射弧面与该辅助折射面之间更设有一凸出折射部。

11.如权利要求10所述的光学透镜模块，其特征在于，该外侧折射面包括由该透镜本体的底部延伸的第一平滑曲面、由该第一平滑曲面延伸的第一水平连接段、由该透镜本体的顶部延伸的第二平滑曲面、由该第二平滑曲面延伸的第二水平连接段及连接该第一、第二水平连接段的第三平滑曲面。

12.如权利要求1所述的光学透镜模块，其特征在于，该入射面、该顶部的折射面与该外侧折射面均相对于该中心轴而形成圆柱对称。

13.如权利要求1所述的光学透镜模块，其特征在于，该部分穿透部分反射单元至少包括一金属膜或一介电质膜。

14.如权利要求1所述的光学透镜模块，其特征在于，该部分穿透部分反射单元的反射率介于30％至60％之间。

15.如权利要求14所述的光学透镜模块，其特征在于，该部分穿透部分反射单元的反射率为55％。

16.一种发光装置，其特征在于，包括：

一座体，其上设有一发光元件；

一组装于该座体上且对应该发光元件的光学透镜模块，该光学透镜模块包括：

一透镜本体，其具有一中心轴；

一设于该透镜本体的底部的入射面；

一设于该透镜本体的顶部的折射面，且该顶部的折射面对应于该入射面，该顶部的折射面包括一折射弧面及设于该折射弧面旁侧的辅助折射面；

一外侧折射面，其设于该透镜本体的侧部；以及

一部分穿透部分反射单元，其设于该透镜本体的顶部且覆盖于该顶部的折射面之上；

其中，该发光元件所发出的光线透过该入射面进入该透镜本体并入射于该顶部的折射面，该光线经过该顶部的折射面而形成偏离该中心轴的折射光，该折射光部分穿透该部分穿透部分反射单元，而部分的折射光则经由该部分穿透部分反射单元的反射再由该外侧折射面射出该透镜本体；

其中该发光元件所发出的光线透过该入射面进入该透镜本体并直接入射于该部分穿透部分反射单元，该光线经由该部分穿透部分反射单元的反射由该外侧折射面射出该透镜本体；

其中该发光元件所发出的光线透过该入射面进入该透镜本体并入射于该外侧折射面，该光线直接经由该外侧折射面的折射而射出该透镜本体。

17.如权利要求16所述的发光装置，其特征在于，该入射面至少包括一圆弧面，该发光元件设于该圆弧面的焦点位置。

18.如权利要求17所述的发光装置，其特征在于，该透镜本体与该座体之间形成对应该入射面的容置空间，该容置空间中填充有折射率较该透镜本体为低的介质，通过高折射率的该透镜本体与低折射率的该介质界定该入射面。

19.如权利要求17所述的发光装置，其特征在于，该部分穿透部分反射单元与该透镜本体之间形成一空间，该空间中填充有折射率较透镜本体为低的介质，以通过高折射率的该透镜本体与低折射率的该介质界定该顶部的折射面。

20.如权利要求17所述的发光装置，其特征在于，该入射面还包括设于该圆弧面旁侧的一阶态样的阶梯状结构。

21.如权利要求20所述的发光装置，其特征在于，该辅助折射面为一阶态样的阶梯状结构。

22.如权利要求21所述的发光装置，其特征在于，该外侧折射面为由该透镜本体的底部延伸至该透镜本体的顶部的平滑曲面。

23.如权利要求21所述的发光装置，其特征在于，该外侧折射面包括由该透镜本体的底部延伸的第一平滑曲面、由该透镜本体的顶部延伸的第二平滑曲面及连接该第一、第二平滑曲面的水平连接段。

24.如权利要求17所述的发光装置，其特征在于，该入射面还包括设于该圆弧面旁侧的两阶态样的阶梯状结构。

25.如权利要求24所述的发光装置，其特征在于，该辅助折射面为一阶态样的阶梯状结构，且该折射弧面与该辅助折射面之间更设有一凸出折射部。

26.如权利要求25所述的发光装置，其特征在于，该外侧折射面包括由该透镜本体的底部延伸的第一平滑曲面、由该第一平滑曲面延伸的第一水平连接段、由该透镜本体的顶部延伸的第二平滑曲面、由该第二平滑曲面延伸的第二水平连接段及连接该第一、第二水平连接段的第三平滑曲面。

27.如权利要求16所述的发光装置，其特征在于，该入射面、该顶部的折射面与该外侧折射面均相对于该中心轴而形成圆柱对称。

28.如权利要求16所述的发光装置，其特征在于，该部分穿透部分反射单元至少包括一金属膜或一介电质膜。

29.如权利要求16所述的发光装置，其特征在于，该部分穿透部分反射单元的反射率介于30％至60％之间。

30.如权利要求29所述的发光装置，其特征在于，该部分穿透部分反射单元的反射率为55％。

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