CN102563526B - 均光透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种均光透镜，用于一光源，均光透镜包含一导光本体与一反射体，导光本体具有一侧面、一入光面与一出光面，入光面设有一容置槽，出光面设有一锥形槽，反射体设于侧面。当光源发射一光线时，光线由容置槽的第一侧壁折射至锥形槽的第二侧壁，光线再由第二侧壁全反射至侧面，并且由反射体将光线反射至第二侧壁，然后由第二侧壁折射而穿出导光本体。如此可让光源之光线向外扩散，可有效的提升光源的使用效率。

Description

均光透镜

技术领域：

本发明涉及一种均光透镜，特别是一种具有全反射效果之均光透镜。

背景技术：

照明设备为生活中不可或缺，而随着技术的发展，具有更好照度及更省电的照明工具也逐渐应运而生。目前最常使用的照明光源为发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)。发光二极管为一种半导体组件，发光二极管具有省电、耐用、低发热量及环保等多项优点，所产生之光源为冷光源，具有使用寿命长、低功率消耗及无产生紫外线辐射的特点，因此，发光二极管逐渐地逐步取代传统光源的应用。

由于上述的发光二极管特性，各国政府皆大力推荐使用发光二极管灯具改良结构来取代传统耗电能的钨丝灯泡。尤其在提倡「节能减碳」的倡导诉求下，发光二极管的省电优越性便开始受到重视。在石化能源日渐短缺与环保意识高涨的今日，善用发光二极管已经是各界关切的焦点，因此坊间各种发光二极管照明设备如雨后春笋般推陈出新。

过去由于发光二极管之亮度还无法取代传统之照明光源，但随着技术领域之不断提升，目前已研发出高照明辉度之发光二极管(高功率LED)，其足以取代传统之照明光源。然而，发光二极管由于发光面积小，所发出之光源趋近为点状光源，故当发光二极管做为一般光源输出时，其光源会有输出不均匀之情况发生，尤其需要在短距离内就达到均匀亮度之光源的应用，将会使发光二极管之使用受到限制。

目前习知技术已开始使用一导光组件将发光二极管所发出的光线予以导引并且扩散，使发光二极管的不均匀光输出收敛在一定区域范围内，使其达到局部区域内较为均匀的光源输出。然而，目前所见的导光组件之出光面中心向外之亮度将大幅度的衰减，并不能有效且均匀的扩散发光二极管所射出的光线。所以，利用目前习用的导光组件对发光二极管进行光学改善，依旧无法彻底的解决光线分布不均匀之问题。

发明内容：

鉴于以上的问题，本发明提供一种均光透镜，为使发光二极管之光线得以均匀扩散，解决习用导光组件之出光面中心向外的亮度大幅度衰减之问题。

本发明之均光透镜，适用于一光源，均光透镜包含一导光本体与一反射体，导光本体具有环绕之一侧面，以及相对之一入光面与一出光面，其中侧面介于入光面与出光面之间，且侧面分别与入光面与出光面相衔接，而反射体环设于侧面。入光面设有一容置槽，容置槽具有一第一侧壁，出光面设有一锥形槽，锥形槽具有一第二侧壁。光源邻近于入光面并发射一光线，光线穿过第一侧壁折射至导光本体内，且光线传递至该第二侧壁，光线再由第二侧壁以全反射方式将光线传递至侧面，光线由侧面之反射体反射至第二侧壁，最后光线穿透第二侧壁以自出光面射出。

本发明另公开一种均光透镜，包含一导光本体及一反射体，导光本体具有环绕之一侧面及相对之一入光面与一出光面，侧面介于入光面与出光面之间，且侧面分别与入光面与出光面相衔接，入光面设有一容置槽，出光面设有一锥形槽，反射体环设于侧面，光线由第二侧壁反射至反射体，光线再由反射体反射至第二侧壁，光线再折射而自出光面射出。

容置槽具有以一第一函数形成y＝L₁(x)之一第一侧壁，锥形槽具有以一第二函数y＝L₂(x)形成之一第二侧壁，光源以一距离d邻近于入光面并发射一光线，光源之边长为L，光线以一第一折射率n₁之一第一入射角α₁穿过第一侧壁，光线以导光本体之一第二折射率n₂之一折射角α₂折射至第二侧壁，第一入射角α₁与折射角α₂之一第一法线与导光本体之一中心轴具有一第一夹角θ₁，第一法线与第一函数之交点具有一坐标(x₁，y₁)，光线由第二侧壁之一第二入射角β₁反射，第二入射角β₁之一第二法线与导光本体之一中心轴具有一第二夹角θ₂，其中，β₁＝tan^-1[L₁’(x₁)]+sin^-1{(n₁/n₂)sin＊-[tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]+tan^{- 1}[L₁’(x₁)]]}-tan^-1[L₂’(x₂)]。

本发明之功效在于，由容置槽之第一侧壁与锥形槽之第二侧壁之斜率的相互配合设计，使得光源所产生的光线由第一侧壁折射至第二侧壁后，光线会由第二侧壁全反射至侧面而向外扩散，以达均光之效果，且藉由第二侧壁全反射有效降低光能量的耗损，并且藉由侧面之反射体以让光线再反射至第二侧壁而穿出导光本体，更提升光源的使用效率。

有关本发明的特征、实作与功效，兹配合图式作最佳实施例详细说明如下。

附图说明：

图1A为本发明第一较佳实施例之均光透镜之立体示意图。

图1B为本发明第一较佳实施例之均光透镜之侧视示意图。

图1C为本发明第一较佳实施例之均光透镜之俯视示意图。

图1D为图1C之A-A方向剖面示意图。

图2A为本发明第一较佳实施例之光路径示意图。

图2B为本发明第一较佳实施例之法线角度关系图。

图2C为图2A之局部放大示意图。

图2D为本发明第一较佳实施例之第一侧壁的局部放大示意图。

图3为本发明第二较佳实施例之导光本体的剖面示意图。

图4为本发明第三较佳实施例之导光本体的侧视示意图。

具体实施方式：

请参阅图1A至图1D，其系为本发明第一较佳实施例之均光透镜之立体示意图、侧视示意图、俯视示意图与图1C之A-A方向剖面示意图。

如图所示，本发明第一较佳实施例之均光透镜用于一光源200，本发明之光源200为发光二极管，且发光二极管由侧边发光，熟悉此项技术之人员可依照实际使用需求，而对应改变光源200的种类，并不以此为限。

本实施例之均光透镜包含一导光本体100及一反射体300，其中导光本体100之材料可为一压克力或是玻璃等有机透光物质，让光源200之光线可于均光透镜内折射而扩散。导光本体100具有相对之一入光面102与一出光面104及环绕之一侧面106，侧面106介于入光面102与出光面104之间，且侧面106的边缘分别与入光面102与出光面104的边缘相衔接，光源200则设置邻近于入光面102之位置。

入光面102设有一容置槽110，容置槽110具有一第一侧壁112，容置槽110可为锥形，锥形端点的朝向出光面104，故容置槽110的剖面形状为一三角形，三角形之底部位于入光面102位置。出光面104设有一锥形槽120，锥形槽120的端点的朝向入光面102，出光面104之锥形槽120具有一第二侧壁122。由于容置槽110为锥形，锥形的端点的朝向出光面104，因此大部分的光线将穿过第一侧壁112后将向上传递至第二侧壁122，第二侧壁122将光线全反射之导光本体100之侧面106。反射体300环设于导光本体100之侧面106，

当光源200发射一光线时，光线会在穿透第一侧壁112，并且于导光本体100内进行折射扩散，之后光线将于第二侧壁122产生全反射，使光线完全反射至导光本体100之侧面106。接着，光线将在侧面106由反射体300反射，使光线反射至第二侧壁122，最后光线再由第二侧壁122折射而穿出导光本体100。

另外，当光线在导光本体100内传递时，光线将在第二侧壁122产生全反射作用，使光线由第二侧壁122反射至侧面106。此时，光线因为全反射的缘故，因此光线能量衰减较少，故光线可传递较远，如此可让光线于导光本体100内扩散较远。

光源200所发出的光线最后将由导光本体100之侧面106所设置的反射体300反射，之后光线再传递至第二侧壁122，以一角度入射于第二侧壁122，最后经由第二侧壁122折射后穿出导光本体100，如此光线则会发散出去。如此可让光线以更较广的范围扩散，以有效的提升光源200的使用效率。

请参阅图2A，其为本发明第一较佳实施例之光路径示意图。如图所示，本发明之导光本体100具有一中心轴C，导光本体100之中心底部设为原点o(0，0)，因此中心轴C以及为坐标轴之Y轴，而导光本体100底部的水平线亦即为X轴。

光源200为边长长度L之发光二极管，光源200之中心位于导光本体100下方一距离d的位置。当光源200发射光线至第一侧壁112时，光线于第一侧壁112产生一交点A(x₁，y₁)，而光线将穿过第一侧壁112而折射。第一侧壁112由一函数方程式y＝L₁(x)所形成，而在A(x₁，y₁)具有一第一法线N₁、一第一入射角α₁与一折射角α₂，第一法线N₁与中心轴C的夹角为θ₁，空气的之折射率为第一折射率n₁，导光本体100之折射率为第二折射率n₂。

光线由第一侧壁112折射后，光线以一第二入射角β₁传递至第二侧壁122，光线于第二侧壁122产生一交点B(x₂，y₂)，第二侧壁122由一函数方程式y＝L₂(x)所形成，而在B(x₂，y₂)具有一第二法线N2，第二法线N2与中心轴C的夹角为θ₂，光线于交点B产生一反射角β₂，并且将光线传递至导光本体100之侧面106，再经由反射体300将光线反射。反射后的光线将穿过第二侧壁122，再由第二侧壁122折射后发出。

而当光线在第一侧壁112折射时，依据司乃尔定律，可得知：

n₁sinα₁＝n₂sinα₂，故可得知α₂＝sin^-1[(n₁/n₂)sinα₁]。

请一并参阅图2B，其为本发明第一较佳实施例之法线角度关系图。由图2A可知，本发明之第一法线N₁与中心轴C的夹角为θ₁，第二法线N2与中心轴C的夹角为θ₂，将θ₁、θ₂与中心轴C并列，再将由第一侧壁112折射的光线一同并列，如图2B所示，此图如同将A点与B点重迭。折射的光线与第一法线N₁的夹角亦即为折射角α₂，折射的光线与第二法线N2的夹角亦即为第二入射角β₁。而第一法线N₁与第二法线N2的夹角为θ₃，θ₃的数值为θ₁与θ₂之和。

因此，β₁的数值为α₂加上θ₃，亦即β₁的数值为α₂、θ₁与θ₂的数值之和，亦即β₁＝θ₁+θ₂+α₂。而再考虑角度方向性的情形下，α₂和β₁以第一法线N₁与第二法线N2为正负号的起始线，θ₁和θ₂以垂直线为正负号的起始线，而顺时针方向为负，逆时针方向为正，则β₁为负，α₂为负，θ₁为负，θ₂为正。因此(-β₁)＝(-θ₁)+(θ₂)+(-α₂)，亦即β₁＝θ₁-θ₂+α₂。

请一并参阅图2C，其为图2A之局部放大图。由图1A示可知，光源200的长度为L，光源200之中心位于导光本体100下方一距离d的位置。由光源200发出之入射之光线在交点A与第一法线N₁的夹角为第一入射角α₁，而光源200发出之入射之光线在交点A与交点A垂直线的夹角为y，垂直线平行于中心轴C，垂直线与第一法线N₁的夹角为为θ₁。由图示可知，tany＝[(L/2+x₁)/(d+y₁)]，y＝tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]。另外，由图2C示可知，数值y＝数值α₁+数值θ₁，而数值α₁＝数值y-数值θ₁，而再考虑角度方向性的情形下，若以第一法线N₁为判断角度正负号的起始线，而顺时针方向为负，逆时针方向为正，α₁为负，θ₁为负，则(-α₁)＝y-(-θ₁)，α₁＝-(y+θ₁)。亦即α₁＝-[tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]+θ₁]。

请一并参阅图2D，其为本发明较佳实施例之第一侧壁112的部分曲线示意图。此图为图2A的局部示意图。由图2A可知，光源200所发之入射光线于第一侧壁112产生交点A(x₁，y₁)，而且光线将穿过第一侧壁112而折射，第一侧壁112之函数方程式y＝L₁(x)，而在A(x₁，y₁)具有第一法线N₁，入射光线与第一法线N₁之夹角为第一入射角α₁，而折射光线与第一法线N₁之夹角为折射角α₂，第一法线N₁与中心轴C的夹角为θ₁。

方程式y＝L₁(x)在交点A(x₁，y₁)的一切线T之方程式为L₁’(x₁)。切线T与第一法线N₁相互垂直，故由图示可知，切线T与X轴的夹角亦为θ₁。θ₁为切线T与X轴的夹角，而切线T的斜率为tanθ₁，因此tanθ₁＝L₁’(x₁)，故θ₁＝tan^-1[L₁’(x₁)]。同理可知，θ₂＝tan^-1[L₂’(x₂)]。故，综合图2A至图2D可知：

β₁＝θ₁-θ₂+α₂

＝θ₁-θ₂+sin^-1[(n₁/n₂)sinα₁]

＝tan^-1[L₁’(x₁)]+sin^-1{(n₁/n₂)sin＊-[tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]+tan^-1[L₁’(x₁)]]}-tan^-1[L₂’(x₂)]。

当β₁大于等于均光透镜的临界角θ_c时，可形成全反射，若均光透镜的材料以PMMA为例，PMMA的折射率为n₂＝1.4935，而空气的折射率为1，故可知以PMMA均光透镜的临界角θ_c约为42.034度，意即β₁大于42.034度时将产生全反射。

本发明据此设计第一侧壁112与第二侧壁122之函数方程式，可让光线于由第一侧壁112发射至第二侧壁122时可产生全反射，如此不但可让光源之光线向外扩散，更可避免向外扩散之光线能量衰减太快，如此可有效的提升光源的使用效率。

请一并参阅图3，其为本发明第二较佳实施例之导光本体100的剖面示意图。此实施例不同于第一实施例在于容置槽110之剖面形状的不同。

本实施例之容置槽110之剖面形状为一梯形，梯形具有一上底与一下底，下底位于入光面102，下底大于上底。由本实施例对照第一实施例来看，两实施例的第一侧壁112斜率皆相同，仅容置槽110底部面积大小之差异。而改变容置槽110底部面积则会影响导光本体100中间亮度的差异，故本发明可依据实际需求而设置容置槽110底部面积。

请一并参阅图4，其为本发明第三较佳实施例之导光本体100的侧视图。如图所示，本发明更包含复数个固定柱130，设于导光本体100之底部，此实施例以三个固定柱130为范例做说明。

固定柱130用于抵设于光源200的周围，使光源200与导光本体100之间产生有一间距，如此可让光源200具有一散热空间，并且让光线发射之第一侧壁112时，具有较为良好的入射角，故可让本发明之均光透镜能更有效的利用光源200。另外，固定柱130的高度可因实际设计需求对应进行调整。

综上所述，本发明之均光透镜藉由容置槽之第一侧壁与锥形槽之第二侧壁之斜率的相互配合设计，使入射光线于第二侧壁产生全反射，并藉由反射体的反射，让光线可由导光本体中心向外扩散，并且藉由第二侧壁的全反射以减少光线扩散后能量的衰减，如此可均匀的将光线扩散，故可提升光源的使用效率。

虽然本发明之实施例如上所述，然并非用以限定本发明，任何熟习相关技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，举凡依本发明申请范围所述之形状、构造、特征及数量当可做些许之变更，因此本发明之专利保护范围须视本说明书所附之申请专利范围所界定者为准。

Claims (5)

1.一种均光透镜，适用于一光源，包含：

一导光本体，具有环绕之一侧面及相对之一入光面与一出光面，该侧面介于该入光面与该出光面之间，且该侧面分别与该入光面与该出光面相衔接，该入光面设有一容置槽，该容置槽具有以一第一函数形成y＝L₁(x)之一第一侧壁，该出光面设有一锥形槽，该锥形槽具有以一第二函数y＝L₂(x)形成之一第二侧壁，该光源以一距离d邻近于该入光面并发射一光线，该光源之边长为L，该光线以一第一折射率n₁之一第一入射角α₁穿过该第一侧壁，该光线以该导光本体之一第二折射率n₂之一折射角α₂折射至该第二侧壁，该第一入射角α₁与该折射角α₂之一第一法线与该导光本体之一中心轴具有一第一夹角θ₁，该第一法线与该第一函数之交点A具有一坐标(x₁,y₁)，该光线由该第二侧壁之一第二入射角β₁反射，该第二入射角β₁之一第二法线与该导光本体之一中心轴具有一第二夹角θ₂，该第二法线与该第二函数之交点B具有一坐标(x₂,y₂)；以及

一反射体，环设于该侧面；

其中，该光线穿过该第一侧壁并折射至该导光本体内，且该光线传递至该第二侧壁，该第二侧壁全反射该光线至该侧面，该反射体将该光线由该侧面将反射至该第二侧壁，该光线穿透该第二侧壁并自该出光面射出；

其中，

α₁＝-[tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]+θ₁]

α₂＝sin^-1[(n₁/n₂)sinα₁]

θ₁＝tan^-1[L₁’(x₁)]

θ₂＝tan^-1[L₂’(x2)]

β₁＝θ₁-θ₂+α₂

＝θ₁+sin^-1[(n₁/n₂)sinα₁]-θ₂

＝tan^-1[L₁’(x₁)]+sin^-1{(n₁/n₂)sin*-[tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]+tan^-1[L₁’(x₁)]]}-tan^-1[L₂’(x₂)]

其中，所述L₁’(x₁)为方程式y＝L₁(x)在交点A(x₁,y₁)的一切线之方程式，切线与第一法线相互垂直；

其中，所述L₂’(x₂)为方程式y＝L₂(x)在交点B(x₂,y₂)的一切线之方程式，切线与第二法线相互垂直。

2.如请求项第1项所述之均光透镜，其中该第一入射角α₁＝-(γ+θ₁)，γ＝tan^-1[(L/2+x₁)/(d+y₁)]。

3.如请求项第1项所述之均光透镜，其中该容置槽之剖面形状为一三角形，该三角形之底部位于该入光面。

4.如请求项第1项所述之均光透镜，其中该容置槽之剖面形状为一梯形，该梯形具有一上底与一下底，该下底重合该入光面，该下底之长度相对大于该上底之长度。

5.如请求项第1项所述之均光透镜，更包含复数个固定柱，设于该导光本体上。