CN102734744A - 光学透镜及光学透镜板 - Google Patents

Abstract

一种光学透镜及光学透镜板，光学透镜包括入光曲面、锥状体与出光曲面。发光二极管所发出的光线经过入光曲面、锥状体与出光曲面后于第一平面具有第一屈光角度，于第二平面具有第二屈光角度。第一屈光角度为一百零五度至一百四十五度之间，第二屈光角度为三十八度至六十五度之间。其中，光线于第二平面呈非对称分布。因此，当上述光学透镜应用于路灯时，可增加道路端的光线使用率。

Description

光学透镜及光学透镜板

技术领域

本发明涉及一种光学透镜及光学透镜板，特别涉及一种可使光线于第二平面呈非对称分布的光学透镜及光学透镜板。

背景技术

随着人类环境保护意识的抬头，各种节能减碳的绿色电子产品纷纷受到重视。其中，发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)因具有体积小、高亮度、使用寿命长及低耗电等特性，成为全球众所瞩目的照明用具。举例而言，日常生活中的红绿灯与手电筒均纷纷改用发光二极管为发光源。发光二极管除了可应用于上述的红绿灯与手电筒中，LED也可应用于路灯。

发光二极管所发出的光线为符合路灯照明所需特定光形的要求，通常需以光学透镜板、机构设计或排列方式，使发光二极管所发出的光线能具有所要求的光形，上述的光形是为从灯具的光线投射于路面的照射范围。

现有业者提出一种以光学透镜板或排列方式满足不同光形要求的发光二极管路灯，但此方法需使用两种以上的光学透镜组合，且需要以一定的比例的配合，才能达到所要求的光形，因此存在有模具设计成本过高与因调整比例而增加开发测试时间的问题。此外，请参照图1A，是为现有发光二极管路灯利用光学透镜板达到不同光形要求的一实施例剖视结构示意图。在本实施例中，发光二极管路灯10包括多个发光二极管12与光学透镜板14，光学透镜板14包括多个光学透镜16与基板18。其中，每一光学透镜16是配置于基板18，光学透镜16与发光二极管12相对应。每一发光二极管12所发出的大角度的光线19会因光学透镜板14的成型厚度需求(即基板18需具有一定厚度)，容易造成光线19全反射而损失，进而降低光学透镜板14的出光效率。

再者，请参照图1B、图1C、图1D与图1E，分别为现有发光二极管路灯的一实施例于第一平面的使用示意图、于第二平面的使用示意图、配光曲线图与应用于道路端与非道路端的光线利用率关系示意图。在本实施例中，发光二极管路灯于第一平面的配光光形(即图1D的虚线，也就是Y-Z平面的配光光形)及第二平面的配光光形(即图1D的实线的配光光形，也就是X-Z平面的配光光形)均约呈对称式配光，然而具有对称式光形的发光二极管路灯往往在道路端的利用率(即图1E的虚线SS)和非道路端的利用率(即图1E的实线HS)略约为50％比50％左右(例如：一半光线投射于路面，一半光线投射于建筑物或稻田)，进而造成非道路端的光害(例如：投射于建筑物的光线会干扰睡眠质量或投射于稻田的光线会干扰植物的生长)。

为了改善上述问题，现有发光二极管路灯利用机构设计的调整(例如：增加发光二极管路灯的仰角)以达到特定光形的要求，存在有设计复杂及不易于组装与生产，进而增加路灯的制作成本的问题。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的在于提供一种光学透镜及光学透镜板，当应用于路灯时，藉以解决现有技术所存在产生光害、光线使用率不高且因设计复杂使得制造成本过高的问题。

依据本发明所揭露的光学透镜，适于接收发光二极管所发出的光线且发光二极管包括第一光轴。在一实施例中，光学透镜包括入光曲面、锥状体以及出光曲面。其中，入光曲面用以接收光线，光线经过入光曲面、锥状体与出光曲面后于第一平面具有第一屈光角度，于第二平面具有第二屈光角度。第一屈光角度为一百零五度至一百四十五度之间，第二屈光角度为三十八度至六十五度之间，且光线于第二平面呈非对称分布。

在光学透镜的一实施例中，锥状体包括第一表面与第二表面，第一表面与第二表面间具有第一夹角，第一夹角可为十度至六十五度之间。

在光学透镜的一实施例中，入光曲面包括第二入光曲面，第二入光曲面包括第一曲线，第一曲线包括二第一端点，二第一端点间的连线与第二表面间具有第二夹角，第二夹角可为三十度至六十度之间。

在光学透镜的一实施例中，光学透镜还包括导角面，导角面可包括第一线段，第一线段包括二第二端点。二第二端点间的连线与第一光轴间具有第三夹角，第三夹角可为二十度至五十度之间。

在光学透镜的一实施例中，出光曲面可为M形曲面，M形曲面包括中心轴，中心轴与第一光轴重合。

依据本发明所揭露的光学透镜板适于灯具，灯具具有多个发光二极管，每一发光二极管包括第一光轴且每一发光二极管用以发出光线。在一实施例中，光学透镜板包括基板以及多个光学透镜，每一光学透镜配置于基板且光学透镜与发光二极管相对应。每一光学透镜包括入光曲面、锥状体以及出光曲面。其中，入光曲面用以接收光线，光线经过入光曲面、锥状体与出光曲面后于第一平面具有第一屈光角度，于第二平面具有第二屈光角度。第一屈光角度为一百零五度至一百四十五度之间，第二屈光角度为三十八度至六十五度之间，且光线于第二平面呈非对称分布。

在光学透镜板的一实施例中，锥状体包括第一表面与第二表面，第一表面与第二表面间具有第一夹角，第一夹角可为十度至六十五度之间。

在光学透镜板的一实施例中，入光曲面包括第二入光曲面，第二入光曲面包括第一曲线，第一曲线包括二第一端点，二第一端点间的连线与第二表面间具有第二夹角，第二夹角可为三十度至六十度之间。

在光学透镜板的一实施例中，光学透镜还包括导角面，导角面可包括第一线段，第一线段包括二第二端点。二第二端点间的连线与第一光轴间具有第三夹角，第三夹角可为二十度至五十度之间。

在光学透镜板的一实施例中，出光曲面可为M形曲面，M形曲面包括中心轴，中心轴与第一光轴重合。

依据本发明所揭露的光学透镜及光学透镜板，可通过入光曲面与锥状体间相对关系的调整与锥状体的设计，改变光线于第二平面的第二屈光角度。可通过导角面的设计，增加光线的使用率。可通过导光角与发光二极管间的相对关系及入光曲面与出光曲面的相对关系，改变光线于第一平面的第一屈光角度。依据本发明所揭露的光学透镜板，可适用于灯具，通过单一种透镜的设计，达到非对称式的配光效果。因此，光线经过本发明所揭露的光学透镜及光学透镜板的配光曲线为非对称式光形，当应用于路灯时，藉以解决现有技术所存在产生光害、光线使用率不高且因设计复杂使得制造成本过高的问题。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1A为现有发光二极管路灯利用透镜板达到不同光形要求的一实施例剖视结构示意图；

图1B为现有发光二极管路灯的一实施例于第一平面的使用示意图；

图1C为现有发光二极管路灯的一实施例于第二平面的使用示意图；

图1D为现有发光二极管路灯的一实施例配光曲线图；

图1E为现有发光二极管路灯的一实施例应用于道路端与非道路端的光线利用率关系示意图；

图2A为依据本发明所揭露的光学透镜板的一实施例立体结构示意图；

图2B为依据图2A的2B-2B的剖视结构示意图；

图2C为依据图2A的2C-2C的剖视结构示意图；

图3A为依据第2B图的光学透镜板应用于灯具的一实施例结构示意图；

图3B为依据图2C的光学透镜板应用于灯具的一实施例结构示意图；

图4为依据图2A的光学透镜的一实施例长轴屈光角度与短轴屈光角度的示意图；

图5A为依据图3A的第一夹角为十度的配光曲线图；

图5B为依据图3A的第一夹角为二十五度的配光曲线图；

图5C为依据图3A的第一夹角为四十度的配光曲线图；

图5D为依据图3A的第一夹角为六十度的配光曲线图；

图5E为依据图3A的第一夹角为六十五度的配光曲线图；

图6A为依据图3A的第二夹角为三十度的配光曲线图；

图6B为依据图3A的第二夹角为三十五度的配光曲线图；

图6C为依据图3A的第二夹角为六十度的配光曲线图；

图7A为依据本发明所揭露的光学透镜的第一实施例的结构示意图；

图7B为依据本发明所揭露的光学透镜的第二实施例的结构示意图；

图7C为依据本发明所揭露的光学透镜的第三实施例的结构示意图；

图8A为依据图7A的光学透镜的配光曲线图；

图8B为依据图7B的光学透镜的配光曲线图；

图8C为依据图7C的光学透镜的配光曲线图；

图9为依据本发明所揭露的光学透镜板应用于灯具的另一实施例结构示意图；

图10A为依据本发明所揭露的光学透镜的第四实施例的结构示意图；

图10B为依据本发明所揭露的光学透镜的第五实施例的结构示意图；

图10C为依据本发明所揭露的光学透镜的第六实施例的结构示意图；

图11A为依据图10A的光学透镜的配光曲线图；

图11B为依据图10B的光学透镜的配光曲线图；

图11C为依据图10C的光学透镜的配光曲线图。

其中，附图标记

10发光二极管路灯

12、54发光二极管

14、200光学透镜板

16、204光学透镜

18、202基板

19、60光线

40同心圆弧

42最大光强度

44铅直线

50灯具

52电路板

56第一光轴

70第一曲线

72、74连线

92第一屈光角度

94第二屈光角度

206入光曲面

208锥状体

210出光曲面

212第一表面

214第二表面

216第一入光曲面

218第二入光曲面

220导角面

222第一线段

224中心轴

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

请参照图2A与图2B，分别为依据本发明所揭露的光学透镜板的一实施例立体结构示意图与依据图2A的2B-2B的剖视结构示意图。在本实施例中，光学透镜板200包括基板202以及三十个光学透镜204，其中三十个光学透镜204以5×6阵列方式配置于基板202(即沿第二轴向Y排列的光学透镜204数量为5个，第一轴向X排列的光学透镜204数量为6个)，但本实施例并非用以限定本发明，也就是说，光学透镜204的数量与排列方式可依据实际需求进行调整。每一光学透镜204包括入光曲面206、锥状体208与出光曲面210，出光曲面210可为但不限于椭圆曲面(请参照图2C，为依据图2A的2C-2C的剖视结构示意图)，也就是说，出光曲面210也可为M形曲面，关于出光曲面210为M形曲面的描述请容后详述。

请参照图3A与图3B，分别为依据图2B与图2C的光学透镜板应用于灯具的一实施例结构示意图。在本实施例中，灯具50包括电路板52与光学透镜板200，光学透镜板200是配置于电路板52上。其中，电路板52可具有三十个发光二极管54，每一光学透镜204可与每一发光二极管54相对应，也就是说，透镜204以一对一的关系对应于发光二极管54，但本实施例并非用以限定本发明。每一发光二极管54用以发出光线60且每一发光二极管54包括第一光轴56，入光曲面206用以接收光线60。

由于光学透镜板200中的每一光学透镜204均可具有相同的设计，因此以下以单一个光学透镜204为例进行说明。请参照图4，为依据图2A的光学透镜的一实施例配光曲线图。在图4图中，圆心位置为光源(发光二极管54)所在位置，同心圆弧40表示光线60经过光学透镜204后于第二平面(即X-Z平面)最大光强度42的三分之二，放射状的线条表示与光源处的铅直线44的夹角角度(如图4的0，10，20，30，40，50，60，70，80，90度)。第一屈光角度92是为光线60于第一平面(即图4的虚线，也就是Y-Z平面)的光强度分布中铅直线44的右侧最大光强度与左侧最大光强度之间的夹角，第二屈光角度94是为光线60于第二平面(即图4的实线，也就是X-Z平面)的光强度分布与同心圆弧40相交的右侧夹角总和，也就是于第二平面光强度分布中超过最大光强度42的三分之二的右侧角度和。

其中，入光曲面206、锥状体208与出光曲面210的相对关系可影响光线60于第一平面(即Y-Z平面)的第一屈光角度92与第二平面(即X-Z平面)的第二屈光角度94，关于此部分的描述请容后详述。

请参照图3A，锥状体208包括第一表面212与第二表面214，第一表面212与第二表面214间具有第一夹角θ1。其中，第一夹角θ1可为十度至六十五度之间(即10°≤θ1≤65°)，以使光线60于第二平面(即X-Z平面)的分布为非对称光形(请参照图5A、图5B、图5C、图5D与图5E，分别为依据图3A的第一夹角为十度、二十五度、四十度、六十度与六十五度的配光曲线图)。其中，不同的第一夹角θ1具有不同的第一屈光角度92与第二屈光角度94，详细的结果如表1所示。

表1

第一夹角(度)	第一屈光角度(度)	第二屈光角度(度)
			10	115	38
25	115	44
			40	115	46
60	116	62
			65	116	65

从表1可知，当第一角度θ1变大时，光线60经过光学透镜204后的第二屈光角度94随之增加。当光学透镜204应用于路灯时，由于第二屈光角度94为道路端的光线60分布，使得具有较大第一角度θ1的光学透镜204可将光线60投射至较宽的道路面积，换句话说，具有较大第一角度θ1的光学透镜204适用于多线道的道路路灯。

此外，请参照图3A，入光曲面206还可包括第一入光曲面216与第二入光曲面218，第二入光曲218面包括第一曲线70。第一曲线70包括第一端点H、K，第一端点H、K间的连线72与第二表面214间具有第二夹角θ2。第二夹角θ2可大于或等于三十度且小于或等于六十度(即30°≤θ2≤60°)，以使光线60于第二平面(即X-Z平面)的分布为非对称光形(请参照图6A、图6B与图6C，分别为依据图3A的第二夹角为三十度、三十五度与六十度的配光曲线图)。其中，不同的第二夹角θ2具有不同的第一屈光角度92与第二屈光角度94，详细的结果如表2所示。

表2

第二夹角(度)	第一屈光角度(度)	第二屈光角度(度)
			30	114	45
35	115	43
			60	114	39

从表2可知，当第二夹角θ2变大时，光线60经过光学透镜204后的第二屈光角度94随之减少。当光学透镜204应用于路灯时，由于第二屈光角度94为道路端的光线60分布，使得具有较小第二角度θ2的光学透镜204可将光线60投射至较宽的道路面积。也就是说，具有较小第二角度θ2的光学透镜204适用于多线道的道路路灯。

请参照图3B，光学透镜204还包括导角面220。在本实施例中，导角面220可为平面，以使大角度光线60(例如与第一光轴56的夹角为85-90度的光线60)经过导角面220后可经由出光曲面210射出光学透镜204，进而增加光线60的使用率，但本实施例并非用以限定本发明，也就是说，导角面220也可为曲面。

此外，导角面220包括第一线段222，第一线段222包括第二端点J、L，第二端点J、L间的连线74与第一光轴56间具有第三夹角θ3。在本实施例中，由于导角面220为平面，所以第一线段222与第二端点J、L间的连线74重合，但本实施例并非用以限定本发明。第三夹角θ3可大于或等于二十度且小于或等于五十度(即20°≤θ3≤50°)，以使光线60射出光学透镜204，进而增加光线60的使用率。其中，不同的第三夹角θ3具有不同的相对光线使用率，详细的结果如表3所示。

表3

第三夹角(度)	相对光线使用率(％)
		0	100

20	101
		35	102
50	102.4

从表3可知，当第三夹角θ3变大时，光线60经过光学透镜204后的相对使用率随之增加。

再者，入光曲面206与出光曲面210间的相对关系会影响光线60于第一平面(即Y-Z平面)的第一屈光角度92的范围。请参照图7A、图7B与图7C，分别为依据本发明所揭露的光学透镜的第一实施例、第二实施例与第三实施例的结构示意图。从图7A、图7B与图7C中可发现三个光学透镜的差异点在于入光曲面206与出光曲面210间的相对距离的不同，其中，图7A的入光曲面206与出光曲面210间的相对距离大于图7B的入光曲面206与出光曲面210间的相对距离，图7B的入光曲面206与出光曲面210间的相对距离大于图7C的入光曲面206与出光曲面210间的相对距离。上述相对距离为入光曲面206与出光曲面210间的最短距离。

光学透镜204可通过入光曲面206与出光曲面210间的相对距离不同，影响光线60经过光学透镜204后的光形。请参照图8A、图8B与图8C，分别为依据图7A、图7B与图7C的光学透镜的配光曲线图。其中，第一实施例、第二实施例与第三实施例的光学透镜204分别具有不同的第一屈光角度92与第二屈光角度94，详细的结果如表4所示。

表4

	第一屈光角度(度)	第二屈光角度(度)
			第一实施例	105	42
第二实施例	115	43
			第三实施例	145	44

从表4可知，随着入光曲面206与出光曲面210间相对距离的减少，光线60于第一平面(即Y-Z平面)的第一屈光角度92变大。当光学透镜204应用于路灯时，由于第一屈光角度92为道路长度方向的光线60分布，使得入光曲面206与出光曲面210间的相对距离较短的光学透镜204可将光线60投射至较长的道路长度，以增加沿第二轴向(即Y方向)排列的相邻二路灯之间距，减少路灯的配置数量。

上述实施例是用以描述出光曲面210为椭圆曲面的情形，但出光曲面210也可为M形曲面，请参照图9，为依据本发明所揭露的光学透镜板应用于灯具的另一实施例结构示意图。在本实施例中，M形曲面(即出光曲面210)包括中心轴224，中心轴224可与第一光轴56重合，但本实施例并非用以限定本发明。

请参照图10A、图10B与图10C，分别为依据本发明所揭露的光学透镜的第四实施例、第五实施例与第六实施例的结构示意图。从图10A、图10B与图10C中可发现三个光学透镜的差异点在于入光曲面206与出光曲面210间的相对距离的不同且出光曲面210均为M形曲面。上述相对距离为入光曲面206与出光曲面210间的最短距离。

光学透镜204可通过入光曲面206与出光曲面210间的相对距离不同，影响光线60经过光学透镜204后的光形。请参照图11A、图11B与图11C，分别为依据图11A、图11B与图11C的光学透镜的配光曲线图。其中，第四实施例、第五实施例与第六实施例的光学透镜204分别具有不同的第一屈光角度92与第二屈光角度94，详细的结果如表5所示。

表5

	第一屈光角度(度)	第二屈光角度(度)
			第四实施例	105	44
第五实施例	112	45
			第六实施例	145	47

从表5可知，随着入光曲面206与出光曲面210间相对距离的减少，光线60于第一平面(即Y-Z平面)的第一屈光角度92变大。当光学透镜204应用于路灯时，由于第一屈光角度92为道路长度方向的光线60分布，使得入光曲面206与出光曲面210间的相对距离较短的光学透镜204可将光线60投射至较长的道路长度，以增加沿第二轴向(即Y方向)排列的相邻二路灯之间距，减少路灯的配置数量。

依据本发明所揭露的光学透镜及光学透镜板，可通过第一夹角的设计，使得光线镜经过光学透镜后可于第二平面的分布为非对称光形。通过第二夹角的设计，使得光线镜经过光学透镜后可于第二平面的分布为非对称光形。可通过导角面与第三夹角的设计，增加光线的使用率。可通过调整入光曲面与出光曲面的相对距离，改变光线于第一平面的第一屈光角度。依据本发明所揭露的光学透镜板，可适用于灯具，通过单一种透镜的设计，达到非对称式的配光效果。因此，光线经过本发明所揭露的光学透镜及光学透镜板的配光曲线为非对称式光形，当应用于路灯时，藉以解决现有技术所存在产生光害、光线使用率不高且因设计复杂使得制造成本过高的问题。其中，当光学透镜的第二屈光角度越大时，越适用于多线道的路灯照明。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (14)

1.一种光学透镜，适于接收一发光二极管所发出的一光线且该发光二极管包括一第一光轴，其特征在于，该光学透镜包括：

一入光曲面；

一锥状体；以及

一出光曲面；

其中，该入光曲面用以接收该光线，该光线经过该入光曲面、该锥状体与该出光曲面后于一第一平面具有一第一屈光角度，于一第二平面具有一第二屈光角度，该第一屈光角度为一百零五度至一百四十五度之间，该第二屈光角度为三十八度至六十五度之间，且该光线于该第二平面呈非对称分布。

2.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该锥状体包括一第一表面与一第二表面，该第一表面与该第二表面间具有一第一夹角，该第一夹角为十度至六十五度之间。

3.根据权利要求2所述的光学透镜，其特征在于，该入光曲面包括一第二入光曲面，该第二入光曲面包括一第一曲线，该第一曲线包括二第一端点，该些第一端点间的连线与该第二表面间具有一第二夹角，该第二夹角为三十度至六十度之间。

4.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该光学透镜还包括一导角面。

5.根据权利要求4所述的光学透镜，其特征在于，该导角面包括一第一线段，该第一线段包括二第二端点，该些第二端点间的连线与该第一光轴间具有一第三夹角，该第三夹角为二十度至五十度之间。

6.根据权利要求4所述的光学透镜，其特征在于，该导角面为一平面或一曲面。

7.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，该出光曲面为一M形曲面，该M形曲面包括一中心轴，该中心轴与该第一光轴重合。

8.一种光学透镜板，适于一灯具，该灯具具有多个发光二极管，每一该发光二极管包括一第一光轴且每一该发光二极管用以发出一光线，其特征在于，该光学透镜板包括：

一基板；以及

多个光学透镜，配置于该基板，该些光学透镜与该些发光二极管相对应，每一该光学透镜包括一入光曲面、一锥状体与一出光曲面，其中该入光曲面用以接收该光线，该光线经过该入光曲面、该锥状体与该出光曲面后于一第一平面具有一第一屈光角度，于一第二平面具有一第二屈光角度，该第一屈光角度为一百零五度至一百四十五度之间，该第二屈光角度为三十八度至六十五度之间，且该光线于该第二平面呈非对称分布。

9.根据权利要求8所述的光学透镜板，其特征在于，该锥状体包括一第一表面与一第二表面，该第一表面与该第二表面间具有一第一夹角，该第一夹角为十度至六十五度之间。

10.根据权利要求9所述的光学透镜板，其特征在于，该入光曲面包括一第二入光曲面，该第二入光曲面包括一第一曲线，该第一曲线包括二第一端点，该些第一端点间的连线与该第二表面间具有一第二夹角，该第二夹角为三十度至六十度之间。

11.根据权利要求8所述的光学透镜板，其特征在于，该光学透镜还包括一导角面。

12.根据权利要求11所述的光学透镜板，其特征在于，该导角面包括一第一线段，该第一线段包括二第二端点，该些第二端点间的连线与该第一光轴间具有一第三夹角，该第三夹角为二十度至五十度之间。

13.根据权利要求11所述的光学透镜板，其特征在于，该导角面为一平面或一曲面。

14.根据权利要求8所述的光学透镜板，其特征在于，该出光曲面为一M形曲面，该M形曲面包括一中心轴，该中心轴与该第一光轴重合。

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