CN103196040B - 透镜结构、光源装置以及光源模块 - Google Patents

透镜结构、光源装置以及光源模块 Download PDF

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    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Abstract

一种透镜结构、光源装置以及光源模块，所述光源装置包括发光元件以及透镜结构。发光元件适于发出光束。透镜结构包括第一表面、相对于第一表面的第二表面以及连接第一表面与第二表面的四个全反射面。第一表面具有凹陷处。发光元件配置于凹陷处。第二表面为自由曲面。光束透过第一表面进入至透镜结构中，并透过第二表面离开透镜结构。一种光源模块亦被提出。

Description

透镜结构、光源装置以及光源模块
【技术领域】
本发明是有关于一种透镜结构、光源装置以及光源模块，且特别是有关于一种包括自由曲面以及全反射面的透镜结构、光源装置以及光源模块。
【背景技术】
在照明系统中，常使用全反射(Total Internal Reflection，TIR)准直透镜(Collimator Lens)来收集光源所发出的光束，进而达成特定的照射角度并提升投射光形的均匀度。一般而言，全反射准直透镜包括上曲面、下曲面，以及连接上曲面与下曲面的全反射杯面。其中与光源的光轴夹角较大的光束，经由下曲面折射至全反射杯面，再由全反射杯面反射至上曲面，最后由上曲面离开全反射准直透镜；而与光源的光轴夹角较小的光束，经由下曲面直接折射至上曲面，并由上曲面离开全反射准直透镜。透过上述的全反射准直透镜可有效地集中光束、降低光束的出光角度，进而使光束有效率地传递至所欲照射的物体上。
然而，在现有的全反射准直透镜中，其上曲面、下曲面以及全反射杯面多对光源的光轴呈旋转对称，故经由现有的全反射准直透镜所投射出的光形亦多为旋转对称的图形，例如圆形、正六角型等。如此一来，若所欲照射的区域为矩形区域，例如广告看板，则现有的全反射准直透镜则易有下列缺点。图1A绘示经过现有的全反射准直透镜的光束投射于矩形目标物上的情形，请参照图1A，经过现有的全反射准直透镜的光束投射于矩形目标物200上所形成的光斑10不易涵盖目标物200的四个角落，而使光束投射于矩形目标物200上的均匀性不佳。图1B绘示经过另一现有的全反射准直透镜的光束投射于矩形目标物上的情形。请参照图1B，若为了顾及均匀性而使光斑涵盖目标物200的四个角落，则会有部分光束自目标物200的四周溢出(即区域Z)，进而造成光束照射目标物200效率不佳的问题。图2绘示出经过现有的全反射准直透镜的光束投射于矩形目标物上的情形。请参照图2，在照明看板的应用上，常需将光源置于矩形目标物200的下边缘，此时必需将全反射准直透镜30倾斜一角度以照亮整个矩形目标物200。然而，由于单位面积上的照度与此单位面积与光源的距离的平方成反比，因此距离光源较远的a区域的照度会远小于距离光源30较近的b区域的照度，而使光束投射于矩形目标物200上的均匀性不佳。此外，也有部分的光束自矩形目标物200的上边缘B溢出，而降低了光束照射目标物200的效率。
除此之外，几种与光源系统相关的装置或构件亦被提出。举例来说，中国台湾专利公开第201105902号揭露了一种反射件，反射件的一部分围设于发光二极管，藉由反射件可增加发光二极管模块的光线利用率。另外，中国台湾专利公开第201032359号揭露了一种透镜部，透镜部具有入光面、出光面、第一侧表面以及第二侧表面。美国专利第7891835号揭露了一种遮蔽元件具有反射面，用以引导光束至预定的一侧边。美国专利第7854536号揭露了一种装置，其包括发光二极管以及光学元件，发光二极管与光学元件之间设有反射件。美国专利第7637630号揭露了一种遮蔽装置，其引导发光二极管光装置所发出的光束。美国专利第7674018号揭露了一种透镜，发光二极管所发出的光束可经由透镜的一区域入射后，再由透镜的另一区域出射。美国专利第5757557号揭露了一种透镜体，其具有前表面以及侧表面，光源所发出的光束照射至侧表面时将被反射而从前表面出射。
【发明内容】
本发明提供一种透镜结构，其能提供均匀的出光强度。
本发明提供一种光源装置，其能提供良好的照明效果。
本发明提供一种光源模块，其能提供良好的照明效果。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种透镜结构。此透镜结构适于导引光束。此透镜结构包括具有凹陷处的第一表面、相对于第一表面且为自由曲面的第二表面以及连接第一表面与第二表面的四个全反射面。光束透过第一表面进入至透镜结构中，并透过第二表面离开透镜结构。
本发明的另一实施例提出一种光源装置，其包括上述的透镜结构以及发光元件。发光元件配置于凹陷处。
本发明的再一实施例提出一种光源模块，其包括多个第一光源装置。第一光源装置以矩阵排列，且每一第一光源装置包括第一发光元件与第一透镜结构。第一发光元件适于发出第一光束。第一透镜结构包括第一表面、第二表面以及四个全反射面。第一表面具有第一凹陷处。第一发光元件配置于第一凹陷处。第二表面相对于第一表面，且第二表面为自由曲面。第一光束透过第一表面进入至透镜结构中，并透过第二表面离开透镜结构。四个第一全反射面连接第一表面与第二表面。
本发明的实施例可具有下列优点或功效的至少其一。在本发明的实施例中，藉由将透镜结构的第二表面设计为自由曲面，并搭配四个或四个以上的全反射面设计来调整光源装置与光源模块的出光光形以及出光强度分布，从而能提供良好的照明效果。
承接上述，本发明提供一种光源装置，包括：
一发光元件，适于发出一光束；以及
一透镜结构，包括：
一第一表面，具有一凹陷处，该发光元件配置于该凹陷处；
一第二表面，相对于该第一表面，且该第二表面为一自由曲面，其中该光束透过该第一表面进入至该透镜结构中，并透过该第二表面离开该透镜结构；以及
四个全反射面，连接该第一表面与该第二表面。
本发明还提供一种透镜结构，适于导引一光束，该透镜结构包括：
一第一表面，具有一凹陷处；
一第二表面，相对于该第一表面，且该第二表面为一自由曲面，其中该光束透过该第一表面进入至该透镜结构中，并透过该第二表面离开该透镜结构；以及
四个全反射面，连接该第一表面与该第二表面。
本发明还提供一种光源模块，包括：
多个第一光源装置，该些第一光源装置以矩阵排列，且每一第一光源装置包括一第一发光元件与一第一透镜结构，该第一发光元件适于发出一第一光束，该第一透镜结构包括：
一第一表面，具有一第一凹陷处，该第一发光元件配置于该第一凹陷处；
一第二表面，相对于该第一表面，且该第二表面为一自由曲面，其中该第一光束透过该第一表面进入至该透镜结构中，并透过该第二表面离开该透镜结构；以及
四个全反射面，连接该第一表面与该第二表面。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
【附图说明】
图1A、图1B、图2绘示经过现有的全反射准直透镜的光束投射于矩形目标物上的情形。
图3为本发明一实施例的光源装置的透视示意图。
图4为图3的光源装置的上视示意图。
图5为图3的光源装置的下视示意图。
图6为图3的光源装置的前视示意图。
图7为图3的光源装置的后视示意图。
图8为图3的光源装置的左视示意图。
图9为图3的光源装置的右视示意图。
图10A绘示本发明一实施例的光源装置照射于目标物上的情形。
图10B绘示本发明一实施例的光源装置与目标物的底面不共面的情形。
图11为本发明一实施例的光源装置的光强度分布图。
图12为本发明一实施例的光源装置的配光曲线图。
图13绘示本发明一实施例的光源模块及光源模块照射目标物的情形。
图14为本发明一实施例的光源模块的光强度分布图。
10、20：光斑
30：全反射准直透镜
1000：光源模块
100、100’：光源装置
100A、100B：光学单元
110：发光元件
120：透镜结构
122：第一表面
122a：凹陷处
124：第二表面
126、126a、126b、126c、126d：全反射面
128：底面
128a、128b：表面
200、200’：目标物
200a：目标物的底面
200b：目标物的上半部
200c：目标物的下半部
Z：区域
B：边缘
D：平移量
D1～D4：距离
F、F’：参考平面
K1～K6：交界
L、L1～L4：光束
R1～R4：角落
A：光轴
x、y、z、r：方向
【具体实施方式】
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式之一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图3为本发明一实施例的光源装置的透视示意图。图4为图3的光源装置的上视示意图。图5为图3的光源装置的下视示意图。图6为图3的光源装置的前视示意图。图7为图3的光源装置的后视示意图。图8为图3的光源装置的左视示意图。图9为图3的光源装置的右视示意图。请先参照图3及图6，本实施例的光源装置100包括发光元件110以及透镜结构120。本实施例的发光元件110适于发出光束L。在本实施例中，发光元件110例如为发光二极管(light emitting diode，LED)，但本发明不限于此，在其他实施例中，发光元件110亦可为其他适当形式的发光源。
请参照图3及图6，本实施例的透镜结构120包括第一表面122、相对于第一表面122的第二表面124及连接第一表面122与第二表面124的多个全反射面126，其中多个全反射面126的数量可为四个或四个以上。本实施例的第一表面122具有凹陷处122a。在本实施例中，发光元件110是配置于第一表面122的凹陷处122a。发光元件110所发出的光束L透过第一表面122进入透镜结构120中，并透过第二表面124离开透镜结构120。换句话说，在本实施例中，第一表面122例如为入光面，且第二表面124例如为出光面。
值得注意的是，在本实施例中，第二表面124可为自由曲面(free-formsurface)。本实施例的光源装置100可透过设计第二表面124的形状，而调整光源装置100在各方向上的出光强度分布，进而改善如现有技术中的照度不均的问题。
举例说明如下，如图6以及图9所示，与发光元件110的光轴A夹角较小的光束L2、L4会依序经过第一表面122与第二表面124，其中透过调整第二表面124的形状可控制光束L2、L4的行进方向及光强度分布，进而改善照度不均的问题。另一方面，与发光元件110的光轴A夹角较大的光束L1、L3会先被第一表面122折射至全反射面126，再反射至第二表面124。类似地，透过调整第二表面124以及全反射面126的形状和配置方式亦可控制光束L1、L3的行进方向及光强度分布，进而改善照度不均的问题。此外，本实施例的第一表面122亦可选择性地为自由曲面，而使本实施例的光源装置100调整出光强度分布的能力更强，进而使得本实施例的光源装置100改善照度不均的效果更佳。
图10A绘示本实施例的光源装置100照射于目标物200上的情形。请参照图10A，本实施例的光源装置100可透过设计其第二表面124，而使平均距离距光源装置100较远的a’区的光强度大于平均距离距光源装置100较近的b’区的光强度，从而使得a’区与b’的照度相同，以改善如现有技术中所述的因光程差所造成的照度不均的问题。图10B绘示本实施例的光源装置100与目标物200的底面200a不共面的情形。请参照图10B，当光源装置100与目标物200的底面200a不共面时，例如因考量维修的便利性而使光源装置100与目标物200的底面200a在垂直方向上有一平移量D时，本实施例的光源装置100亦可透过设计第二表面124调整其各方向上出光强度分布，以配合目标物200摆放的位置及大小，进而使光源装置100于目标物200上投射出良好均匀度的光源。
请参照图3及图7，本实施例的第一表面122可为凹面，且此凹面可朝向第二表面124凹陷。本实施例的第二表面124可为凸面，且此凸面可往远离第一表面122的方向凸起。本实施例的全反射面126可往远离第一表面122的方向倾斜。此外，本实施例的透镜结构120可进一步包括底面128。底面128相对于第二表面124且连接全反射面126与第一表面122。详言之，本实施例的底面128包括位于第一表面122相对两侧的表面128a与表面128b，其中表面128a连接第一表面122与全反射面126a，而表面128b连接第一表面122与全反射面126b。
请参照图3与图5，本实施例的透镜结构120具有一参考平面F，其中光轴A位于参考平面F上。详细而言，若底面128位于xy平面，则参考平面F可为发光元件110的光轴A所在且与yz平面平行的平面。本实施例的透镜结构120包括四个全反射面126。如图5所示，四个全反射面126包括第一全反射面126a与第二全反射面126b。在本实施例中，第一全反射面126a与第二全反射面126b可对称于参考平面F。换言之，第一全反射面126a与第二全反射面126b相对参考平面F为镜向对称(mirror symmetry)。进一步而言，如图5所示，表面128a与第一表面122的交界K1到表面128a与第一全反射面126a的交界K2的最短距离D1可等于表面128b与第一表面122的交界K3到表面128b与第二全反射面126b的交界K4的最短距离D2。
此外，如图4所示，本实施例的透镜结构120更包括第三全反射面126c与第四全反射面126d。第三全反射面126c连接第一全反射面126a与第二全反射面126b。第四全反射面126d相对于第三全反射面126c，且连接第一全反射面126a与第二全反射面126b。在本实施例中，第三全反射面126c与第四全反射面126d对于发光元件110的光轴A所在且与xz平面平行的参考平面F’可不对称。
换言之，如图4及图8所示，在本实施例中，发光元件110的光轴A到第一表面122与第三全反射面126c的交界K5的最短距离D3可不相等于发光元件110的光轴A到第二表面124与第四全反射面126d的交界K6的最短距离D4。于本实施例中，距离D4可大于距离D3。换言之，透镜结构120可往远离发光元件110的方向逐渐扩张，藉此增加出光面积。
值得一提的是，透过调整发光元件110与全反射面126的距离(例如调整距离D3、D4)可调整本实施例的光源装置100在不同方向上的出光强度分布，而配合目标物摆放的位置，进而使光源装置100投射于目标物上的均匀性佳。
另外，图3的全反射面126除了可收集发光角度较大的光束而使其反射至第二表面124进而增加光源装置100的光利用效率外，排列成四边形的全反射面126a、126b、126c、126d亦可将发光元件100发出的光形调整为矩形，而使其更符合一般目标物(例如看板)的外形，进而增加本实施例的光源装置100投射于目标物200上的均匀性及照明效率。
在本实施例中，环绕第一表面122的全反射面126的至少其中之一可为自由曲面、球面、非球面或双锥(biconic)曲面。为双锥曲面的全反射面126可有效控制发光角度较大的光束在x方向与y方向上的长宽比(aspect ratio)。透过调整此双锥曲面在x方向与y方向上的曲率可进一步地调整本实施例的光源装置100的光形，而优化本实施例的光源装置100投射于目标物上的均匀性及照明效率。
图11为本实施例的光源装置100的光强度分布图(isocandela plot)。图11的横座标代表在y方向上的各个角度，而图11的纵座标代表在x方向上的各个角度。由图11可看出，本实施例的光源装置100的光形接近矩形，且其两角落R1、R2的光强度高。换言之，由图11可知，本实施例的光源装置100确实可有效改善现有技术中照明均匀度不佳的问题，特别是无法照到矩型目标物四个角落的问题。图12为本实施例的光源装置100的配光曲线图(polar candela distribution plot)。图12的径向方向r上的大小代表光源装置100在各方向上光强度大小。由图12亦可看出，本实施例的光源装置100在角落R3、R4的光强度亦高。换言之，由图12亦可看出，本实施例的光源装置100有效改善现有技术中位于角落的照度过低的问题。
除了单一个光源装置100的应用之外，设计者亦可结合多个光源装置100而构成光源模块，以照射涵盖区域较广的目标物。举例如下，图13的右侧绘示本发明一实施例的光源模块1000，而图13的左侧绘示本发明一实施例的光源模块1000照射目标物的情形。请参照图13的右侧，本实施例的光源模块1000包括多个光源装置100。这些光源装置100以矩阵排列，且构成光学单元100A，其中光源装置100的结构可参照图3及其对应的叙述，于此便不再重述。另外，如图13所示，本实施例的光源模块1000可进一步包括配置于光学单元100A旁的多个光源装置100’。这些多个光源装置100’亦以矩阵排列，且构成光学单元100B，其中光源装置100’与光源装置100的结构类似。
在本实施例中，由光源装置100所构成的光学单元100A与由光源装置100’所构成的光学单元100B相连接，且分别位于不同平面。换言之，如图13的左侧所示，在本实施例中，光学单元100A与光学单元100B系以不同的角度分别照射涵盖区域较广的目标物200’的上半部200b与下半部200c。值得注意的是，光学单元100A中的光源装置100与光学单元100B的光源装置100’的结构可以不完全相同。换言之，光学单元100A中光源装置100以及光学单元100B中光源装置100’的结构可依照各自照射目标物200’的上半部200b以及下半部200c的方式分别作适当的设计，以优化本实施例的光源模块1000照射目标物200’的效果，进而使本实施例的光源模块1000照射目标物200’的照明效率以及均匀度佳。
图14为本实施例的光源模块1000的光照度分布图(illuminanceisoline plot)。请参照图14，由图14可看出，本实施例的光源模块1000的光形接近矩形(即接近目标物200’的外形)且均匀度佳。
综上所述，本发明的实施例可具有下列优点或功效的至少其一。在本发明的实施例的透镜结构、光源装置以及光源模块中，藉由将第二表面设计为自由曲面，并适当地设计第一表面或全反射面可调整透镜结构、光源装置或光源模块的光形及光强度分布，进而使得本发明的实施例的透镜结构、光源装置以及光源模块具有良好的照明效果以及均匀度。此外，透过设计全反射面的形状及其配置方式亦可达到调整透镜结构、光源装置或光源模块的光形及光强度分布的效果。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。

Claims (23)

1.一种光源装置，包括：
一发光元件，适于发出一光束；以及
一透镜结构，包括：
一第一表面，具有一凹陷处，该发光元件配置于该凹陷处；
一第二表面，相对于该第一表面，且该第二表面为一自由曲面，其中该光束透过该第一表面进入至该透镜结构中，并透过该第二表面离开该透镜结构；以及
四个全反射面，连接该第一表面与该第二表面，
其中，该透镜结构具有一参考平面，且这些全反射面包括对称于该参考平面的一第一全反射面与一第二全反射面，
其中，这些全反射面还包括一第三全反射面和一第四全反射面，该第三全反射面连接该第一全反射面与该第二全反射面，该第四全反射面相对该第三全反射面，且连接该第一全反射面与该第二全反射面，其中该发光元件的光轴到该第一表面与该第三全反射面的交界的最短距离不等于该发光元件的光轴到该第二表面与该第四全反射面的交界的最短距离。
2.如权利要求1所述的光源装置，其中该透镜结构还包括一底面，相对于该第二表面，且连接这些全反射面与该第一表面。
3.如权利要求1所述的光源装置，其中该第一表面为一凹面，且该凹面朝向该第二表面凹陷。
4.如权利要求3所述的光源装置，其中该第二表面为一凸面，且该凸面往远离该第一表面的方向凸起。
5.如权利要求1所述的光源装置，其中该第一表面为一自由曲面。
6.如权利要求1所述的光源装置，其中这些全反射面往远离该第一表面的方向倾斜。
7.如权利要求1所述的光源装置，其中这些全反射面的至少其中之一为自由曲面、球面、非球面或双锥曲面。
8.一种透镜结构，适于导引一光束，该透镜结构包括：
一第一表面，具有一凹陷处；
一第二表面，相对于该第一表面，且该第二表面为一自由曲面，其中该光束透过该第一表面进入至该透镜结构中，并透过该第二表面离开该透镜结构；以及
四个全反射面，连接该第一表面与该第二表面，
其中，该透镜结构具有一参考平面，且这些全反射面包括对称于该参考平面的一第一全反射面与一第二全反射面，
其中，这些全反射面还包括一第三全反射面和一第四全反射面，
该第三全反射面连接该第一全反射面与该第二全反射面，该第四全反射面相对该第三全反射面，且连接该第一全反射面与该第二全反射面，其中该凹陷处的中心到该第一表面与该第三全反射面的交界的最短距离不等于该凹陷处的中心到该第二表面与该第四全反射面的交界的最短距离。
9.如权利要求8所述的透镜结构，其中还包括一底面，相对于该第二表面，且连接这些全反射面与该第一表面。
10.如权利要求8所述的透镜结构，其中该第一表面为一凹面，且该凹面朝向该第二表面凹陷。
11.如权利要求10所述的透镜结构，其中该第二表面为一凸面，且该凸面往远离该第一表面的方向凸起。
12.如权利要求8所述的透镜结构，其中该第一表面为一自由曲面。
13.如权利要求8所述的透镜结构，其中这些全反射面往远离该第一表面的方向倾斜。
14.如权利要求8的所述的透镜结构，其中这些全反射面的至少其中之一为自由曲面、球面、非球面或双锥曲面。
15.一种光源模块，包括：
多个第一光源装置，这些第一光源装置以矩阵排列，且每一第一光源装置包括一第一发光元件与一第一透镜结构，该第一发光元件适于发出一第一光束，该第一透镜结构包括：
一第一表面，具有一第一凹陷处，该第一发光元件配置于该第一凹陷处；
一第二表面，相对于该第一表面，且该第二表面为一自由曲面，其中该第一光束透过该第一表面进入至该透镜结构中，并透过该第二表面离开该透镜结构；以及
四个全反射面，连接该第一表面与该第二表面，
其中，该第一透镜结构具有一参考平面，且这些全反射面包括对称于该参考平面的一第一全反射面与一第二全反射面，
其中，这些全反射面还包括一第三全反射面和一第四全反射面，
该第三全反射面连接该第一全反射面与该第二全反射面，该第四全反射面相对该第三全反射面，且连接该第一全反射面与该第二全反射面，其中该第一发光元件的光轴到该第一表面与该第三全反射面的交界的最短距离不等于该第一发光元件的光轴到该第二表面与该第四全反射面的交界的最短距离。
16.如权利要求15所述的光源模块，其中还包括多个第二光源装置，这些第二光源装置以矩阵排列，且配置于这些第一光源装置旁，其中每一第二光源装置包括一第二发光元件与一第二透镜结构，该第二发光元件适于发出一第二光束，该第二透镜结构包括：
一第三表面，具有一第二凹陷处，该第二发光元件配置于该第二凹陷处；
一第四表面，相对于该第三表面，且该第四表面为一自由曲面，其中该第二光束透过该第三表面进入至该第二透镜结构，并透过该第四表面离开该第二透镜结构；以及
四个全反射面，连接该第三表面与该第四表面。
17.如权利要求16所述的光源模块，其中这些第一光源装置与这些第二光源装置位于不同平面。
18.如权利要求15所述的光源模块，其中该第一透镜结构还包括一底面，该底面相对于该第二表面，且连接这些全反射面与该第一表面。
19.如权利要求15所述的光源模块，其中该第一表面为一凹面，且该凹面朝向该第二表面凹陷。
20.如权利要求19所述的光源模块，其中该第二表面为一凸面，且该凸面往远离该第一表面的方向凸起。
21.如权利要求15所述的光源模块，其中该第一表面为一自由曲面。
22.如权利要求15所述的光源模块，其中这些全反射面往远离该第一表面的方向倾斜。
23.如权利要求15所述的光源模块，其中这些全反射面的至少其中之一为自由曲面、球面、非球面或双锥曲面。
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