CN102606976A - 发光二极体照明装置及其不对称式灯罩 - Google Patents

Abstract

一种发光二极体照明装置及其不对称式灯罩，该不对称式灯罩可将一发光二极体的光束调配至多种光形达到特殊的照明目的，该不对称式灯罩具有一可透光折射的杯形主体及一发光二极体容置部，该容置部包括：一第一光线入射面、一第二光线入射面、一光线出射面的周边光线出射面、一光线出射面的中心光线出射面以及一光线全反射面；该第一光线入射面、该光线全反射面、该光线出射面的周边光线出射面至少有一以上不对称面且该第二光线出射面、该光线出射面的中心光线出射面至少有一以上含不对称面，该不对称面为两交集曲面不连续产生平面断面。

Description

发光二极体照明装置及其不对称式灯罩

技术领域

本发明与发光二极体(LED)照明装置及其应用于照明装置改变发光二极体配光性质的灯罩有关，更详而言之，系一种可将发光二极体光束调配至水平方向较垂直方向宽广的宽扁半圆光形或多种特殊光形的聚光灯罩，及组合多个灯罩应用于调整发光二极体配光所制成的照明装置。

背景技术

如图1，描述一传统的发光二极体(LED)照明装置，包括一发光二极体80和一反射罩81。该发光二极体80是沿着该反射罩81的轴心82而设置，且直接面向该反射罩81的外面。该发光二极体80所投射与中心光轴82夹角较大的光束经由反射罩81的反射而形成与中心光轴82夹角较小的光束，而发光二极体80与光轴82夹角较小的光束未经由反射罩81反射的光束直接向外投射，发光二极体80的光束经由反射罩81的光束与未经反射罩81的光束可在远场堆叠产生一圆形光锥相对较小的照明光形，其它相关的专利如中国台湾专利公告号M332796、M328539、M368767及美国专利公告号US7401948、US7411742B1等专利皆揭露对称式的发光二极体灯罩，因此皆难以应用达到特殊照明需求，中国台湾专利M336211及美国专利US7160004 B2揭露一种将一般发光二极体出光方向转置90度的发光二极体照明装置，该装置应用发光二极体反射罩，因匹配的光源转动方向使得该灯罩无法与一般对称式的灯罩用的发光二极体照明装置相容，且其实施态样以镀上高反射率的金属达成配光较佳，故与利用全反射原理一体成型的灯罩的制造成本相比较为昂贵，美国专利公开号US2007/0263390 A1揭露了一种将灯罩沿光轴相对移动的改变投射光束角度的技术，因需移动灯罩或光源，故在机构空间有限的情况下难以应用，中国台湾专利公告号M366083揭露一种出光面为斜面式的灯罩，其应用于设计上所产生的照明光形态样较本发明的不对称式灯罩少且无法做变焦改变光形的应用，前述各种灯罩皆无法以同一模具制成多种灯罩以达成多种的特殊照明效果，本发明创作人为克服上述先前技术问题，创作出一种发光二极体不对称式灯罩，一种不对称式灯罩可应用的旋转变焦技术及旋转该不对称式灯罩改变照明光型的技术，以解决先前技术诸问题，并将的应用于发光二极体照明装置。

发明内容

本发明以发光极体用以泛指发光行为及光源大小与发光二极体相近的任何光源。

本发明的目的在于提供一种发光二极体照明装置及其不对称式灯罩，其结构简单，应用广泛，其能满足特殊的赔光规范，且能应用于特殊照明。

为实现上述目的，本发明公开了一种发光二极体照明装置的不对称式灯罩，将一发光二极体的光束产生多种照明效果，包括产生一圆形的照明光形或产生水平方向较垂直方向宽广的宽扁半圆光形以提升照明亮度，其特征在于该不对称式灯罩包括：一以透光材质所制成的杯形主体，该杯形主体的两端具有一窄端及一宽端；一设于该窄端并向该杯形主体的内部凹陷以容纳一发光二极体光源的发光二极体容置部；一由该发光二极体容置部的圆周侧壁与该杯形主体内部交界而形成的第一光线入射面；一由该发光二极体容置部的末端与该杯形主体的内部交界而形成的第二光线入射面；一设于该杯形主体的宽端的一光线出射面，分为出射入射第一光线入射面的发光二极体光束的周边光线出射面及出射入射第二光线入射面的发光二极体光束的中心光线出射面；该杯形主体的外壁连结发光二极体容置部的底部及其宽端光线出射面周边的一光线全反射面；该第一光线入射面、该光线全反射面、该光线出射面的周边光线出射面中至少有一个含不对称面，且该第二光线入射面、该光线出射面的中心光线出射面中至少有一个含不对称面，所述不对称面为两交集曲面不连续产生平面断面。

其中，该第一光线入射面为一平滑面、一齿状阵列、一以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部对称的圆周面或一以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部非对称的圆周面。

其中，该第二光线入射面为以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部对称的球面、非球面或平面。

其中，该第二光线入射面为以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部非对称的球面、非球面或平面。

其中，该光线出射面为以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部对称的球面、非球面或自由曲面。

其中，该第二光线入射面包括一弧凹形的左半第二光线入射面和一平面形的右半第二光线入射面。

其中，该光线出射面为以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部非对称的球面、非球面或自由曲面。

其中，该光线出射面包括该周边光线出射面及该中心光线出射面的左半部为同一连续曲面或不连续曲面。

其中，该周边光线出射面包含一凹形的左半周边光线出射面和一凹形的右半周边光线出射面。

其中，该周边光线出射面包含一不对称面将该周边光线出射面分为一左半周边光线出射面和一右半周边光线出射面，且该左半周边光线出射面的凹弧度小于右半周边光线出射面。

其中，该中心光线出射面包含一不对称面，将该中心光线出射面分为一左半中心光线出射面和一右半中心光线出射面，该左半中心光线出射面系从该周边光线出射面向上呈弯曲凸起，该右半中心光线出射面系从该周边光线出射面向上呈弯曲凸起。

其中，该中心光线出射面包含一不对称面，将该中中心光线出射面分为一左半中心光线出射面和一右半光线出射面，且该左半中心光线出射面和该右半中心光线出射面为不同的弧度。

其中，该光线出射面具有柱状阵列。

其中，该光线全反射面为以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部曲率相等的面。

其中，该光线全反射面为以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部曲率不等的面。

其中，该第二光线入射面、该光线出射面的中心光线出射面皆含有不对称面，并使得该光线出射面的轮廓为对称使得在制成该光线出射面的模仁可在模具内转动定位，得以利用一副模具制成多种灯罩并用以产光多种照明效果。

其中，该光线出射面及该光线入射面皆具有不对称面，将该光线出射面分离制成另一光学元件，使得该光线出射面可独立转动，得以达成不需移动该发光二极体或该灯罩改变照明范围及照明亮度。

一种利用上述任一种发光二极体照明装置的不对称式灯罩所制成的发光二极体照明装置，包含：一个或多个的发光二极体；该一个或该多个发光二极体照明装置的不对称式灯罩用以改变该一个或该多个发光二极体的配光特性；及一供应发光二极体电力的电源模组。

其中，该装置总发光效率达到60lm/w以上，所选用的发光二极体的发光效率需达到90lm/w以上，该装置的电源和灯罩造成该发光二极体的发光效率损失需低于25％，以符合节能需求。

其中，该一个或该多个不对称式灯罩各自搭配旋转装置，使该发光二极体照明装置的不对称式灯罩能沿光轴转动，改变所产生的不对称光形的照明位置或相互堆叠产生多变的照明效果。

通过上述结构，本发明能实现以下技术效果：

1、经由适当的光学设计将发光二极体光束有效的调配至近半圆状光形的配光范围内，使其可满足特殊的配光规范。所依据的配光规范，可参考德国订立自行车头灯的配光规范，左右测试点为4°、上方测试点为3.4°、下方测试点为5°，并于各个测试点要求照度。

2、可应用在特殊照明，例如安装在墙上的灯，采用本发明不对称式灯罩，将可投射一非圆形的直射光在地板上，而不会把光线投射在墙上造成损失，因将可将原发光二极体圆形光场调配成近半圆形，使其另一半圆光束堆叠至另外一面，因此相较于对称式结构所产圆形照明光形可提升照明亮度。

3、可将发光二极体光束调整成水平方向较垂直方向宽广的宽扁半圆光形，因此可应用于车用照明灯，例如头灯、方向灯、尾灯等。

4、可使发光二极体照明装置的照明光线具有汇聚的光束以及扩散的光束，可形成照明亮度较高的配光中心并顾及配光的宽广度，提升照明亮度且横向扩大照明范围。

5、构成不对式灯罩的多个光学曲面各具有多个不对称面，该多个不对称的沿伸形成不同角度的夹角可产生多变的照明效果。

6、该发光二极体照明装置以前述的不对称式灯罩当作配光元件，用以产生特殊的照明光形及达到节能的目的。

为便于说明本发明于上述新型内容一栏中所表示的中心思想，兹以具体实施例表达。实施例中各种不同物件系按适于说明的比例、尺寸、变形量或位移量而描绘，而非按实际元件的比例予以绘制，合先叙明。且以下的说明中，类似的元件是以相同的编号来表示。

附图说明

图1：为传统的发光二极体照明装置的结构及出射光的示意图。

图2：为本发明灯罩第一实施例的立体外观图。

图3：为本发明灯罩第一实施例的剖面图。

图4：为本发明灯罩第二实施例的立体外观图。

图5：为本发明灯罩第二实施例的剖面图。

图6：为本发明灯罩第三实施例的剖面图。

图7：为本发明灯罩第四实施例的立体外观图。

图8：为本发明灯罩第四实施例的剖面图。

图9：为以第一实施例说明光线行进的示意图。

图10：为本发明灯罩的总配光示意图。

图11：为本发明以两半透镜达成旋转变焦的第一光路图。

图12：为本发明以旋转变焦第一光路图的配光示意图。

图13：为本发明以两半透镜达成旋转变焦的第二光路图。

图14：为本发明以旋转变焦第二光路图的配光示意图。

图15：为本发明以旋转变焦旋转不同角度达成的配光示意图。

图16：为本发明具有可旋转双灯罩的发光二极照明装置第一配置图。

图17：为本发明双灯罩的发光二极照明装置第一配置图的配光示意图。

图18：为本发明具有可旋转双灯罩的发光二极照明装置第二配置图。

图19：为本发明双灯罩的发光二极照明装置第二配置图的配光示意图。

图20：为本发明旋转双灯罩的发光二极照明装置的多角度配光示意图。

图21：为本发明不对式灯罩所包含不对称面的各种形式揭露图。

具体实施方式

如图2至图5，本发明不对称式灯罩包括一概呈锥状的杯形主体9，该杯形主体9是以折射率介于1.33～1.8之间且透光率高于80％的材质(例如光学塑料PMMA、PC等)所制成，其窄端具有一轴向内部凹陷用以收容一发光二极体光源(图未示)的发光二极体容置部11，该发光二极体容置部11的圆周侧壁与该杯形主体9内部交界而形成一第一光线入射面12，该发光二极体容置部11的末端与该杯形主体9的内部交界而形成一第二光线入射面13。该第一光线入射面12为一锥形或剖面为弧形的圆锥形沿中心光轴21左半和右半不对称或对称的圆周面。该第二光线入射面13为沿中心光轴21左半及右半对称或不对称的球面或非球面或平面。该杯形主体9的宽端为一光线出射面14，该光线出射面14为沿中心光轴21左半及右半对称或不对称的不连续球面、非球面或自由曲面。该杯形主体9的外壁连结发光二极体容置部11的底部及其宽端光线出射面14周边为一光线全反射面10，光线全反射面10为一左半及右半曲率不等或相等的椭圆面或抛物面。其中第一光线入射面12、第二光线入射面13、光线出射面14及光线全反射面10这四组中至少有一组以上左半及右半不对称面。

如图2和图3，本发明灯罩第一实施例，其中，该发光二极体容置部11的第二光线入射面13包括一弧凹形的左半第二光线入射面131和一平面形的右半第二光线入射面132。该光线出射面14包括周边光线出射面141，142及中心光线出射面143，144，周边光线出射面141，142包含一凹形的左半周边光线出射面141和一凹形的右半周边光线出射面142，且左半周边光线出射面141的凹弧度小于右半周边光线出射面142。中心光线出射面143，144包含一凸形的左半中心光线出射面143和一凸形的右半中心光线出射面144，该左半中心光线出射面143从该左半周边光线出射面141向上呈弯曲凸起，该右半中心光线出射面144从该右半周边光线出射面142向上呈弯曲凸起。该左半和右半中心光线出射面143，144为不同的弧度。

如图9，依据光的折射原理，发光二极体20光源与光轴21夹角约40～90度的光束通过该第一光线入射面12时于该杯状主体9内部产生第一次折射光线，第一次折射光线入射至该杯状主体9的侧壁光线全内反射面10产生全内反射光线，该反射光线通过该光线出射面14的周边光线出射面141，142。发光二极体20光源与光轴21夹角约0～40的光线通过该第二光线入射面13时于该杯状主体9内部产生第一次折射光线，第一次折射光线入射至该光线出射面14的中心光线出射面143，144产生出射光。发光二极体20向左侧发散的光束向左半第一及第二光线入射面121，131入射，在左半的周边及中心的光线出射面141，143出射成汇聚光束，使发光二极体20向左侧发散的光束经向上方中心光轴21汇聚由向光轴21左侧发散变成往光轴21右侧发散。该发光二极体20向右侧发散的光束向右半第一及第二光线入射面122，132入射在右半的周边及中心的光线出射面142，144调整成扩散光束，使其出射光束仍朝光轴21右侧发散，在远场照明范围汇聚光束与扩散光束相互堆叠增加照度。安装第一实施例灯罩时，灯罩至于发光二极体20的前方，并将发光二极体照明装置的左半置于照明位置的上方，如图10，堆叠出的总配光可产生水平方向较垂直方向宽广的宽扁半圆光形，照明范围在中心水平面下方的照明效果。

如图4和图5，本发明灯罩依本发明第一实施例原理变化的第二实施例，和第一实例在相对的不对称面具有不同的面关系。

如图6，本发明灯罩第三实施例，其利用第二实施例的杯状主体9的构造，但于该发光二极体容置部11的第一光线入射面12的局部设置齿状阵列17。该发光二极体光源通过该齿状阵列17时产生多重折射效果，可增加该左半周边光线出射面141的扩散光束的扩散角度及均匀度。

如图7和图8，依本发明第一实施例原理变化的第四实施例，和第一实例在相对的不对称面具有不同的面关系，并在杯状主体9的光线出射面14局部增加柱状阵列18，可使得照明的光形可更加宽广，达到特殊的照明效果。

图11至图15本发明揭露一种旋转变焦原理应用于本发明发光二极不对称式灯罩的照明装置及应用于制造本发明的发光二极体不对称式灯罩，利用旋转变焦以改变发光二极体的照明光形。

旋转变焦原理说明，如图11，一种发光极二极体照明装置，具有二个半透镜23，24置于一发光二极体20前方，该第一半透镜23置于光路的上半，该第二半透镜24置于光路的下半，该两半透23，24沿光轴不相重叠，安排发光二极体20的位置在该两半透镜23，24的焦距内使得经该两半透镜23，24的发光二极体20的光线不会折射至反侧，使得该照明装置所得的照明光形如图12为一圆形照明光形。如图13，是图11的该第二半透镜24沿光轴翻转180度至上侧，使得该二半透镜23、24在上半侧沿光轴重叠而得到一个比该二半透镜23，24各自单一焦长更短的一等效焦长，透过转旋获得焦长改变使得该发光二体20的位置变成在重叠的该两半透镜23，24的该等效焦长之外，当该发光二极体20往上侧投射的光线通过重叠的该两半透镜23，24将折射至下侧，而发光二体20往下侧投射的光线因未经过透镜不改变行进方向，使得最后所有光线皆最后皆往下侧行进而得到如图14一近半圆形的照明光形，透过改变照明光形将该发光二体的光线收集至较小的照明面积而得到更大的照明亮度。如图15所示，当该半透镜24沿光轴转动不同角度将可得到不同的照明光形，因光线集中的面积不同亦可产光不同的照明亮度，依据此旋转变焦原理，本发明的发光二极体的不对式灯罩，得以利用具有不对称面的光线出射面及光线入射面相对转动得到产光不同照明效果的不对式灯罩。

依据旋转变焦原理，本发明的发光二极体不对称式灯罩以模具射出成型制成，将用以成型具有不对称面的光线出射面的模仁相对于具有不对称面的光线全反射面或光线入射面设计成可转动将可以一副模具制成多种灯罩。

依旋转变焦原理，将该不对称式灯罩的光线出射面分离成别一元件，使得可以对应光线入射面及光线全反射面转动，将得以利用旋转的方式产生多种的照明光形及亮度，以解决当装置机构不容许利用移动灯罩或光源的方式来达成改变照明光形及照明亮度的问题。

如图16，一种具有可旋转双不对称式灯罩的发光二极体照明装置，该照明装包含二发光极体20及二不对称式灯罩25，26，该第一不对称式灯罩25及该第二不对称式灯罩26为相同结构，发光二极体的光束经该不对称式灯罩25，26可使产生如图17在下半照明位置近半圆形的照明光形。如图18所示，利用设置于灯罩的旋转装置(图未示)将图16的该第二不对称式灯罩26沿着光轴翻转180度，使得该第二不对称式灯罩26所造成半圆形照明光形由下半照明位置的半圆照明光形翻转成在上半照明位置的半圆照明光形，与原先该第一不对称式灯罩25所产生下半圆的照明光形在远场形合成一个圆形的照明光形如图20，因此在该第二不对称式26转动的过程可产生多种的照明光形如图21，该装置用以产生多变的照明效果。

如图21，本发明揭露本发明发光二极体的不对称式灯罩所指的不对称面的各种形式。

虽然本发明是以数个较佳实施例做说明，但精于此技艺者能在不脱离本发明精神与范畴下做各种不同形式的改变。以上所举实施例仅用以说明本发明而已，非用以限制本发明的范围。举凡不违本发明精神所从事的种种修改或变化，俱属本发明申请专利范围。

Claims (20)

1.一种发光二极体照明装置的不对称式灯罩，将一发光二极体的光束产生多种照明效果，包括产生一圆形的照明光形或产生水平方向较垂直方向宽广的宽扁半圆光形以提升照明亮度，其特征在于该不对称式灯罩包括：一以透光材质所制成的杯形主体，该杯形主体的两端具有一窄端及一宽端；一设于该窄端并向该杯形主体的内部凹陷以容纳一发光二极体光源的发光二极体容置部；一由该发光二极体容置部的圆周侧壁与该杯形主体内部交界而形成的第一光线入射面；一由该发光二极体容置部的末端与该杯形主体的内部交界而形成的第二光线入射面；一设于该杯形主体的宽端的一光线出射面，分为出射入射第一光线入射面的发光二极体光束的周边光线出射面及出射入射第二光线入射面的发光二极体光束的中心光线出射面；该杯形主体的外壁连结发光二极体容置部的底部及其宽端光线出射面周边的一光线全反射面；该第一光线入射面、该光线全反射面、该光线出射面的周边光线出射面中至少有一个含不对称面，且该第二光线入射面、该光线出射面的中心光线出射面中至少有一个含不对称面，所述不对称面为两交集曲面不连续产生平面断面。

2.如权利要求1所述发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该第一光线入射面为一平滑面、一齿状阵列、一以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部对称的圆周面或一以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部非对称的圆周面。

3.如权利要求1所述发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该第二光线入射面为以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部对称的球面、非球面或平面。

4.如权利要求1所述发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该第二光线入射面为以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部非对称的球面、非球面或平面。

5.如权利要求1所述发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该光线出射面为以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部对称的球面、非球面或自由曲面。

6.如权利要求1所述发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该第二光线入射面包括一弧凹形的左半第二光线入射面和一平面形的右半第二光线入射面。

7.如权利要求1所述发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该光线出射面为以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部非对称的球面、非球面或自由曲面。

8.如权利要求1所述发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该光线出射面包括该周边光线出射面及该中心光线出射面的左半部为同一连续曲面或不连续曲面。

9.如权利要求1所述发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该周边光线出射面包含一凹形的左半周边光线出射面和一凹形的右半周边光线出射面。

10.如权利要求1所述发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该周边光线出射面包含一不对称面将该周边光线出射面分为一左半周边光线出射面和一右半周边光线出射面，且该左半周边光线出射面的凹弧度小于右半周边光线出射面。

11.如权利要求1所述发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该中心光线出射面包含一不对称面，将该中心光线出射面分为一左半中心光线出射面和一右半中心光线出射面，该左半中心光线出射面系从该周边光线出射面向上呈弯曲凸起，该右半中心光线出射面系从该周边光线出射面向上呈弯曲凸起。

12.如权利要求1所述发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该中心光线出射面包含一不对称面，将该中中心光线出射面分为一左半中心光线出射面和一右半光线出射面，且该左半中心光线出射面和该右半中心光线出射面为不同的弧度。

13.如权利要求1所述发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该光线出射面具有柱状阵列。

14.如权利要求1所述发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该光线全反射面为以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部曲率相等的面。

15.如权利要求1所述发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该光线全反射面为以该杯形主体的中心光轴为中心而呈左半部和右半部曲率不等的面。

16.如权利要求1所述的发光二极体照明装置的不对称式灯罩，其中，该第二光线入射面、该光线出射面的中心光线出射面皆含有不对称面，并使得该光线出射面的轮廓为对称使得在制成该光线出射面的模仁可在模具内转动定位，得以利用一副模具制成多种灯罩并用以产光多种照明效果。

17.如权利要求1所述发光二极体装明装置的不对称式灯罩，其中，该光线出射面及该光线入射面皆具有不对称面，将该光线出射面分离制成另一光学元件，使得该光线出射面可独立转动，得以达成不需移动该发光二极体或该灯罩改变照明范围及照明亮度。

18.一种利用权利要求1至17的任一项所述的发光二极体照明装置的不对称式灯罩所制成的发光二极体照明装置，其中包含：一个或多个的发光二极体；该一个或该多个发光二极体照明装置的不对称式灯罩用以改变该一个或该多个发光二极体的配光特性；及一供应发光二极体电力的电源模组。

19.如权利要求18的发光二极体照明装置，其中，该装置总发光效率达到60lm/w以上，所选用的发光二极体的发光效率需达到90lm/w以上，该装置的电源和灯罩造成该发光二极体的发光效率损失需低于25％，以符合节能需求。

20.如权利要求18或19的发光二极体照明装置，其中，该一个或该多个不对称式灯罩各自搭配旋转装置，使该发光二极体照明装置的不对称式灯罩能沿光轴转动，改变所产生的不对称光形的照明位置或相互堆叠产生多变的照明效果。

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