CN102853372A - 光学镜片及照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种光学镜片及照明装置。该光学镜片，与一光源搭配使用，其包含一邻近该光源的光源侧光学面及一相反于该光源侧光学面的照明侧光学面。该光源侧光学面及照明侧光学面其中至少一面满足一双方向凹陷函数。本发明利用双方向凹陷函数设计光学镜片曲面，使该光学镜片的X与Y剖面呈现不同曲线。光线经过该光学镜片，会在X方向与Y方向产生不同程度的偏折，从而使光源发射光线的最大光强落在离光轴较远处，有效提升了离轴处的照度。

Description

光学镜片及照明装置

技术领域

本发明涉及一种照明装置，特别是涉及一种具有双方向性光形的光学镜片及照明装置。

背景技术

以发光二极管(LED)封装体发光来说，光形呈圆形，且强度(Luminousintensity)呈图1所示的朗伯(Lambertian)型分布，也就是越远离光轴，照度(Illuminance)下降越快。在许多灯具的应用中，人们会期望灯具的发光光形可以随着不同的应用而变化，并且希望照度的分布可以尽可能的越均匀越好。因此，近年来业界推出了各种在LED的光路径加上透镜的LED照明装置，借此改变光形或光强分布而因应各种需求。

此外，当LED应用在道路照明时，LED路灯的布置方式主要有四种，分别为适合窄巷道的单侧排列式、适合宽巷道的相对排列式、交错排列式及适合中央分隔岛够大的道路的中央分隔带式。其中除了中央分隔带式外，其余三种，其灯杆后方通常是人行道(约2m宽)，然而人行道的宽度通常都远小于道路的宽度(至少7m宽)。因此，必须使路灯灯杆倾斜到特定角度(一般是0～15°)，才能够增加光线照射在道路上的比例。

此种做法仅适合道路不宽的情况，因为当路宽较宽时，若同时要使人行道与车道都有足够的照度时则需进一步增加灯杆的倾角，然而在法规与安全性的考量上灯杆倾角并不可能无限的增加，因此在光学的设计上必需另辟奚径寻求更佳的解决之道。

由此可见，上述现有的照明装置在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型结构的光学镜片及照明装置，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的照明装置存在的缺陷，而提供一种新型结构的光学镜片及具有该光学镜片的照明装置，所要解决的技术问题是使该光学镜片的至少一光学面上任一点满足一双方向凹陷函数(SagFunction)而使光形具有双方向性，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种光学镜片与一光源搭配使用，该光学镜片包含一邻近该光源的光源侧光学面及一相反于该光源侧光学面的照明侧光学面；该光源侧光学面及照明侧光学面其中至少一面满足一双方向凹陷函数。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

较佳地，前述的光学镜片，其中该双方向凹陷函数为：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(A_i{x}^{2i}+B_i{y}^{2i})$

其中，z为任一点的凹陷量，r为该点的极座标，x、y代表该点的直角座标，c代表曲率，k代表圆锥常数(conic constant)，A_i与B_i为常数，N为任意数。如此一来，光源发光的光形接近矩形且照度分布均匀。

较佳地，前述的光学镜片，其中使该光源侧光学面与该照明侧光学面皆满足该双方向凹陷函数，借此，该光源发出的光线通过该光学镜片后产生的光形是对称于X轴且对称于Y轴。

较佳地，前述的光学镜片，其中使A_i≠B_j，借此，该光学面在直角座标的X方向与Y方向有不同的凹陷量。

较佳地，前述的光学镜片，其中该双方向凹陷函数也可以为：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{x}^{2i}+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_j{y}^j$

其中，z为任一点的凹陷量，r为该点的极座标，x、y代表该点的直角座标，c代表曲率，k代表圆锥常数，A_i与B_j为常数，N与M为任意数。

较佳地，前述的光学镜片，其中该光源侧光学面与该照明侧光学面其中至少一面满足该双方向凹陷函数，借此，该光源发出光线通过该光学镜片后产生的光形是不对称于X轴、而只对称于Y轴。如此一来，不但使光源发光的光形具有双方向性、照度分布均匀，并且采用非对称式面形设计更适用于宽车道，使人行道与车道都有足够的照度。

较佳地，前述的光学镜片，其中该光源侧光学面的投影面积小于该照明侧光学面的投影面积，且该光学镜片还包含一自该光源侧光学面的投影轮廓朝外横向延伸的延伸面，及一连接于该照明侧光学面与该延伸面间的周面。

较佳地，前述的光学镜片，其中该光源发出的光线通过该镜片产生的光形，其水平方向的全半高宽角为θ₁，垂直方向的全半高宽角为θ₂，θ₁＞θ₂，该c、k值的作用在于产生一个全半高宽角小于θ₁的圆形光形；Ai、Bj值的作用分别在于将该圆形光形的水平方向全半高宽角以及垂直方向全半高宽角的角度拉到θ₁及θ₂。

较佳地，前述的光学镜片，其中所述的N＝2。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种照明装置，其中该照明装置包含一光源，及一如上面所述的光学镜片。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明光学镜片及照明装置至少具有下列优点及有益效果：本发明利用双方向凹陷函数设计光学镜片曲面，镜片的X与Y剖面呈现不同曲线，当光线由光源侧光学面入射且由照明侧光学面出射后，会在X方向与Y方向产生不同程度的偏折，使光源发射光线的光强分布由原本的朗伯型分布产生改变，最大光强落在离光轴较远处，有效提升了离轴处的照度。甚至，借由其中一方向的指数的调整，还可设计出单轴非对称曲面，适用于非对称的照明需求。

综上所述，本发明是有关于一种光学镜片及照明装置。该光学镜片，与一光源搭配使用，其包含一邻近该光源的光源侧光学面及一相反于该光源侧光学面的照明侧光学面。该光源侧光学面及照明侧光学面其中至少一面满足一双方向凹陷函数。本发明利用双方向凹陷函数设计光学镜片曲面，使该光学镜片的X与Y剖面呈现不同曲线。光线经过该光学镜片，会在X方向与Y方向产生不同程度的偏折，从而使光源发射光线的最大光强落在离光轴较远处，有效提升了离轴处的照度。本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是一发光二极管封装体的光强分布图。

图2是本发明照明装置的第一较佳实施例的立体图，其光学镜片采用第一组参数例设计。

图3是图2的剖面图，其中实线代表X方向剖面，虚线代表Y方向剖面。

图4是本实施例光线通过该光学镜片测得的光强分布图。

图5是本实施例光线通过该光学镜片在8米远处测得的照度分布及光形图。

图6是本发明照明装置的第一较佳实施例的立体图，其光学镜片采用第二组参数例设计。

图7是图6的剖面图，其中实线代表X方向剖面，虚线代表Y方向剖面。

图8是本实施例光线通过该光学镜片测得的光强分布图。

图9是本实施例光线通过该光学镜片在8米远处测得的照度分布及光形图。

图10是本发明照明装置的第一较佳实施例的立体图，其光学镜片采用第三组参数例设计。

图11是图10的剖面图，其中实线代表X方向或Y方向剖面，虚线代表X＝Y方向剖面。

图12是本实施例光线通过该光学镜片测得的光强分布图。

图13是本实施例光线通过该光学镜片在8米远处测得的照度分布及光形图。

图14是本发明照明装置的第二较佳实施例的X方向剖面图。

图15是本实施例的Y方向剖面图。

图16是本实施例光线通过该光学镜片测得的光强分布图。

图17是本实施例应用在倾斜15°的灯杆时光线通过该光学镜片在车道测得的照度分布图。

图18是本实施例应用在倾斜15°的灯杆时光线通过该光学镜片在人行道道测得的照度分布图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的光学镜片及照明装置其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效获得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

请参阅图2与图3所示，图2是本发明照明装置的第一较佳实施例的立体图，其光学镜片采用第一组参数例设计。图3是图2的剖面图，其中实线代表X方向剖面，虚线代表Y方向剖面。本发明照明装置100的较佳实施例包括一光源1及一光学镜片2。光学镜片2包含一邻近该光源1的光源侧光学面3、一自该光源侧光学面3的投影轮廓朝外横向延伸的延伸面4、一相反于该光源侧光学面3的照明侧光学面5，及一连接于该照明侧光学面5与该延伸面4间的周面6。

本实施例的光源侧光学面3满足一第一双方向凹陷函数：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(A_i{x}^{2i}+B_i{y}^{2i})$ ………[式1]

其中，z为任一点的凹陷量，r为该点的极座标，x、y代表该点的直角座标，c代表曲率，k代表圆锥常数，A_i与B_i为常数，N为任意数。

该照明侧光学面5满足一如同式1的第二双方向凹陷函数，该第二双方向凹陷函数与第一双方向凹陷函数的差异仅在于当中的c、k、A_i与B_i参数不同。

该光源1发出的光线通过该镜片2产生的光形，其水平方向的全半高宽角为θ₁，垂直方向的全半高宽角为θ₂，θ₁＞θ₂，该c、k值的作用在于产生一个全半高宽角小于θ₁的圆形光形；A_i、B_j值的作用分别在于将该圆形光形的水平方向全半高宽角以及垂直方向全半高宽角的角度拉到θ₁及θ₂。

以下用三组不同的参数举例说明，请参见表一、表二及表三，在这三个例子中是以N＝2举例说明，但不以此为限。

表一

例一的参数中，A_i≠B_i，光学镜片2的X与Y剖面如图3所示呈现出不同的曲线。当光线经过该光学镜片2后，会在X与Y方向产生不同程度的偏折，因此其光强分布会由光源1原本的朗伯分布而转变成图4所示的光强分布。

特别说明的是，朗伯分布在0度角处具有最大光强度，随着角度增加，其强度分布依循余弦(cosine)公式下降。反应在照度上，光轴中心的照度最高，随着角度增加则有更快速的衰减，因此离光轴越远的照度就越弱。但由此例可看出，本实施例光学镜片2可改变光源1原本的光强分布，使得在设计范围内的最大光强落在离光轴较远处(如图4所示)，因此可以有效提升离轴处的照度(如图5所示)。

就光形调整方面，由于在X方向与Y方向有不同的凹陷量，而使得光线经过该光学镜片2后产生的光形在X、Y方向产生不同程度的扩张或压缩，而到达调整光形的目的。

若更进一步的去调整各项参数便可对经过该光学镜片2后的光强分布做出不同的调整。以下以第二种参数设计搭配图6至图9举例说明。

表二

其原理与例一相同，通过参数的设计，使X、Y方向产生更大差异的偏折程度，因此可将其光形转变为接近长方形(如图9所示)，同时也较不加光学镜片2具有更好的均匀度。

以下以第三种参数设计搭配图10至图13举例说明。

表三

在此例中，A_i＝B_i，方程式为对称于x＝y或x＝-y的平面，所以X轴的剖面线与Y轴完全相同，但却与其它剖面不同，因此光形成为正方形(如图13所示)，同时也较不加镜片2具有更好的均匀度。

请参阅图14至图16所示，图14是本发明照明装置的第二较佳实施例的X方向剖面图。图15是本实施例的Y方向剖面图。图16是本实施例光线通过该光学镜片测得的光强分布图。本发明第二较佳实施例的光源侧光学面3与照明侧光学面5其中至少一面满足如下的双方向凹陷函数：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{x}^{2i}+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_j{y}^j$ ……[式2]

换句话说，本实施例可以是光源侧光学面3与照明侧光学面5一面符合式2，另一面为平面或符合式1，也可以是两面都符合式2。

其中，z为任一点的凹陷量，r为该点的极座标，x、y代表该点的直角座标，c代表曲率，k代表圆锥常数，A_i与B_j为常数，N与M为任意数。

以下用一组参数举例说明，请参见表四，在此例中是以N＝2、M＝5举例说明，但不以此为限。

表四

本实施例的凹陷函数为一对称于Y轴，而不对称于X轴的函数，因此镜片的面形也必然如图14、图15所示对称于Y轴而不对称于X轴。借着该光学镜片2的曲线在座标+y与-y方向上的非对称性，使得有更多的光往+y方向打，其光强分布如图16所示。

以一个LED路灯实际应用例子来说，在灯高八米、灯杆倾斜15°的情况下，照明范围如图17及18所示，其沿道路方向长度为32米，在车道上宽度为14.8米(能量占67.2％)、人行道上宽度为3.6米(能量占20.1％)表现均比对称式的设计更佳。

另外，也可以由道路上的连续布灯来做比较，假设车道有六个车道、宽度为25米、灯杆倾斜15°，在灯距为32米，以相对排列式来进行分析，本实施例可得到平均照度25流明(lux)，均匀度(min/ave)为60.1％，均比对称式的设计一平均照度22流明(lux)，均匀度(min/ave)33.6％有更好的效果。

综上所述，本发明利用双方向凹陷函数设计光学镜片2曲面，镜片的X与Y剖面呈现不同曲线，穿过该光学镜片2的光线会在X方向与Y方向产生不同程度的偏折，光源发射光线的光强分布由原本的朗伯型分布产生改变，最大光强落在离光轴较远处，有效提升了离轴处的照度；甚至借由其中一方向的指数的调整，还可设计出单轴非对称曲面，适用于非对称的照明需求，所以确实能达成本发明的目的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种光学镜片，与一光源搭配使用；其特征在于：该光学镜片包含一邻近该光源的光源侧光学面及一相反于该光源侧光学面的照明侧光学面；该光源侧光学面及该照明侧光学面其中至少一面满足一双方向凹陷函数。

2.如权利要求1所述的光学镜片，其特征在于：该双方向凹陷函数为：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(A_i{x}^{2i}+B_i{y}^{2i})$

其中，z为任一点的凹陷量，r为该点的极座标，x、y代表该点的直角座标，c代表曲率，k代表圆锥常数，A_i与B_i为常数，N为任意数。

3.如权利要求2所述的光学镜片，其特征在于：该光源侧光学面与该照明侧光学面皆满足该双方向凹陷函数，借此，该光源发出的光线通过该光学镜片后产生的光形是对称于X轴且对称于Y轴。

4.如权利要求3所述的光学镜片，其特征在于：A_i≠B_j，借此，该光学面在直角座标的X方向与Y方向有不同的凹陷量。

5.如权利要求1所述的光学镜片，其特征在于：该双方向凹陷函数为：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{x}^{2i}+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{B}_j{y}^j$

其中，z为任一点的凹陷量，r为该点的极座标，x、y代表该点的直角座标，c代表曲率，k代表圆锥常数，A_i与B_j为常数，N与M为任意数。

6.如权利要求5所述的光学镜片，其特征在于：该光源侧光学面与该照明侧光学面其中至少一面满足该双方向凹陷函数，借此，该光源发出的光线通过该光学镜片后产生的光形是不对称于X轴、而只对称于Y轴。

7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的光学镜片，其特征在于：该光源侧光学面的投影面积小于该照明侧光学面的投影面积，且该光学镜片还包含一自该光源侧光学面的投影轮廓朝外横向延伸的延伸面，及一连接于该照明侧光学面与该延伸面间的周面。

8.如权利要求2至5中任一权利要求所述的光学镜片，其特征在于：该光源发出的光线通过该镜片产生的光形，其水平方向的全半高宽角为θ₁，垂直方向的全半高宽角为θ₂，θ₁＞θ₂，该c、k值的作用在于产生一个全半高宽角小于θ₁的圆形光形；A_i、B_j值的作用分别在于将该圆形光形的水平方向全半高宽角以及垂直方向全半高宽角的角度拉到θ₁及θ₂。

9.如权利要求2或3所述的光学镜片，其特征在于：N＝2。

10.一种照明装置，其特征在于：该照明装置包含一光源，以及一如权利要求1至9中任一权利要求所述的光学镜片。

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