CN103574516A

CN103574516A - 可控制光束角的导光元件及灯具

Info

Publication number: CN103574516A
Application number: CN201310308887.6A
Authority: CN
Inventors: 戴永辉; 陈蔚轩; 赖俊豪
Original assignee: Radiant Opto Electronics Corp
Current assignee: Radiant Opto Electronics Corp
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-07-22
Also published as: CN103574516B

Abstract

本发明公开一种可控制光束角的导光元件，适用以导引光线，以产生预设光束角。导光元件为环状锥台并具有一长度及一全反射角，且导光元件包含入光面、出光面、第一反射面及第二反射面。入光面具有第一外周缘及第一内周缘。第一外周缘与第一内周缘之间具有一间距。出光面相对入光面，且出光面的面积大于入光面。出光面具有第二外周缘及第二内周缘。第一反射面连接第一外周缘及第二外周缘。第二反射面连接第一内周缘及第二内周缘。其中第一反射面与第二反射面的延伸线形成一夹角。其中，夹角＜全反射角，且长度＞预设距离/tan(全反射角)。

Description

可控制光束角的导光元件及灯具

技术领域

本发明是有关于一种导光元件，且特别是有关于一种可控制光束角的导光元件。

背景技术

传统的灯具主要是由灯泡与反射灯杯所组成。反射灯杯主要的功能是用来反射光并改变灯泡所发出的光场。为使反射灯杯达到反射的效果，通常会在反射灯杯表面镀上一层高反射的金属膜。然而，透过镀膜的方式来改变光型的变化性不大，且成本较高，在应用上较受限。

另外一种传统灯具是透过光源搭配二次光学元件，来达到改变光型的目的。然而，此种架构必须在二次光学元件中央设置凹孔，并且将光源放置在凹孔中来达到调整光型的目的。因此，二次光学元件必须配合不同形式或不同数量的光源来改变整个元件架构的设计，因而导致成本的增加。

因此，亟需一种可改变光束角的导光元件，以解决上述问题。

发明内容

因此，本发明的一态样是在提供一种可控制光束角的导光元件，其利用光的全反射特性来控制光的行进方向，藉此达到调整导光元件所输出的光束角的目的。故此导光元件的应用可符合各种灯光角度照射需求，同时可减少能量损耗。

本发明的另一态样是在提供一种可控制光束角的导光元件，其可透过改变第一反射面及第二反射面延伸线的夹角角度以及导光元件的长度，来调整光在导光元件内的行进方向，顺利达到控制输出光束角的目的。

根据本发明的上述目的，提出一种可控制光束角的导光元件，适用以导引光线。其中光线可在导光元件中进行全反射，以产生预设光束角。导光元件为环状锥台并具有一长度及一全反射角，且导光元件包含入光面、出光面、第一反射面及第二反射面。入光面具有第一外周缘及第一内周缘。第一外周缘与第一内周缘之间具有一间距。出光面相对入光面，且出光面的面积大于入光面。其中出光面具有第二外周缘及第二内周缘。第一反射面连接第一外周缘及第二外周缘。第二反射面连接第一内周缘及第二内周缘。其中第一反射面与第二反射面的延伸线形成一夹角。其中，夹角＜全反射角，且长度＞预设距离/tan(全反射角)。

依据本发明一实施例，上述的预设距离为间距的一半。

依据本发明一实施例，上述的导光元件为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)导光元件，全反射角为42.16度。

依据本发明另一实施例，上述的导光元件为聚碳酸树脂(PC)导光元件，全反射角为38.97度。

依据本发明又一实施例，上述的出光面为粗糙面、雾面或具有网点的表面。

依据本发明再一实施例，上述的出光面为斜面或弧面。

依据本发明再一实施例，上述的第一反射面平行于导光元件的中心线，第二反射面则相对于中心线呈倾斜。

依据本发明再一实施例，上述的第二反射面平行于导光元件的中心线，第一反射面则相对于中心线呈倾斜。

依据本发明再一实施例，上述的第一反射面及第二反射面均相对于导光元件的中心线呈倾斜。

根据本发明的上述目的，另提出一种灯具包含导光元件及光源。导光元件为环状锥台并具有一长度及一全反射角，且导光元件包含入光面、出光面、第一反射面及第二反射面。入光面具有第一外周缘及第一内周缘。第一外周缘与第一内周缘之间具有一间距。出光面相对入光面，且出光面的面积大于入光面。其中出光面具有第二外周缘及第二内周缘。第一反射面连接第一外周缘及第二外周缘。第二反射面连接第一内周缘及第二内周缘。其中第一反射面与第二反射面的延伸线形成一夹角。光源所产生的光线是由入光面进入导光元件中，并且由出光面射出，产生预设光束角。其中，光源与第一外周缘之间的水平距离为预设距离。其中，夹角＜全反射角，且长度＞预设距离/tan(全反射角)。光源所产生的光线是由入光面进入导光元件中，并且由出光面射出，产生预设光束角。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下：

图1A是绘示依照本发明第一实施方式的一种可控制光束角的导光元件的立体图。

图1B是绘示依照本发明第一实施方式的一种可控制光束角的导光元件的剖面图。

图2是绘示依照本发明第二实施方式的一种可控制光束角的导光元件的剖面图。

图3是绘示依照本发明第叁实施方式的一种可控制光束角的导光元件的剖面图。

图3A是绘示依照本发明第叁实施方式的一种聚甲基丙烯酸甲酯的导光元件的光场强度分布图。

图3B是绘示依照本发明第叁实施方式的一种聚碳酸树脂的导光元件的光场强度分布图。

图4是绘示依照本发明第四实施方式的一种可控制光束角的导光元件的剖面图。

图5是绘示依照本发明一实施方式的一种灯具的示意图。

其中，图中各标示的名称为：100导光元件；100a中心线；110贯穿孔；110a第一开口；110b第二开口；112入光面；112a第一外周缘；112b第一内周缘；114出光面；114a第二外周缘；114b第二内周缘；116第一反射面；118第二反射面；200导光元件；200a中心线；210第一反射面；230第二反射面；300导光元件；300a中心线；310第一反射面；330第二反射面；400导光元件；410第一反射面；412出光面；412a第一外周缘；430第二反射面；450贯穿孔；450a垂直段；450b斜面段；θ夹角；A间距；D预设距离；L长度。

具体实施方式

请参照图1A及图1B，其是分别绘示依照本发明第一实施方式的一种可控制光束角的导光元件的立体图及剖面图。在本实施方式中，导光元件100适用以导引光线在导光元件100中进行全反射，以使光线产生不同的光束角。在此所指的光线是来自于一光源，例如发光二极体。导光元件100为一环状锥台而具有贯穿孔110。

导光元件100为环状锥台，并具有长度L及全反射角θ_T。在此所指的长度为导光元件100平行于中心线100a的垂直高度。导光元件100包含入光面112、出光面114、第一反射面116以及第二反射面118。其中，贯穿孔110在入光面112中形成第一开口110a，且入光面112具有第一外周缘112a及第一内周缘112b。第一外周缘112a及第一内周缘112b之间具有间距A。出光面114及入光面112位于导光元件100的相对两侧，且出光面114的面积大于入光面112的面积。其中，贯穿孔110在出光面114中形成第二开口110b，且出光面114具有第二外周缘114a及第二内周缘114b。

第一反射面116连接第一外周缘112a及第二外周缘114a。第二反射面118连接第一内周缘112b及第二内周缘114b。光线从入光面112进入导光元件100后，会在第一反射面116及第二反射面118产生全反射，而由出光面114射出。其中，第一反射面116与第二反射面118的延伸线形成一夹角θ。为了达到控制光束角的目的，在本发明的实施方式中，定义夹角θ＜全反射角θ_T，且长度L＞预设距离D/tan(全反射角θ_T)。其中，预设距离D可定义为光源设置位置到第一外周缘112a的水平距离。在一实施例中，出光面114可为粗糙面、雾面或具有网点的表面，以引导光线出光。

在一实施例中，导光元件100的全反射角θ_T是依据导光元件100的材质不同而不同。当导光元件100为聚甲基丙烯酸甲酯的导光元件时，全反射角θ_T为42.16度。当导光元件100为聚碳酸树脂的导光元件时，全反射角θ_T为38.97度。请参照下表1，其是分别以聚甲基丙烯酸甲酯及聚碳酸树脂为导光元件100的材料，并且改变长度L及夹角θ等参数，所得的对应光束角。其中，表1所使用的光源本身的光束角为120度。其中，在此实施例中，是将光源设置在间距A的中间，因此预设距离D=间距A/2。也就是说，光源是放置在第一外周缘112a及第一内周缘112b的中间。欲陈明者，光源的位置是可以任意调整，以符合实际使用需求。

表1：不同材质的导光元件量测数据

由表1可知，当导光元件100的材料为聚甲基丙烯酸甲酯时，在夹角θ小于全反射角θ_T，长度L大于(A/2)/tanθ_T的条件下，产生的光束角为60度，确实可达到缩减光型的效果。当导光元件100的材料为聚碳酸树脂时，在夹角θ小于全反射角θ_T，长度L大于(A/2)/tanθ_T的条件下，产生的光束角为70度，同样可达到缩减光型的效果。同时，表1也呈现了不论是聚甲基丙烯酸甲酯或是聚碳酸树脂的导光元件，在长度L小于(A/2)/tanθ_T，或是夹角θ大于全反射角θ_T的情况下，导光元件100所产生的光束角仍为原本光源的光束角120度。这表示，若要改变导光元件100的光束角，可将导光元件100限定在夹角θ＜全反射角θ_T，且长度L＞(间距A/2)/tan(全反射角θ_T)的条件下。

欲陈明者，表1的数据是以图1B所示的导光元件100所量测的数据。图1B所呈现的导光元件100的第一反射面116是平行于导光元件100的中心线100a，且第二反射面118是相对于中心线100a呈倾斜的实施方式，但本发明并不以此为限。而且，光源设置的位置亦不以间距A的中间为限。

请参阅图2，其是绘示依照本发明第二实施方式的一种可控制光束角的导光元件的剖面图。图2所示的导光元件200的第二反射面230平行于导光元件200的中心线200a，第一反射面210则相对于中心线200a呈倾斜。另请搭配参考表2，表2是依据此种结构的导光元件200分别以聚甲基丙烯酸甲酯及聚碳酸树脂为材料，改变长度L及夹角θ等参数，所测得的对应光束角。其中，表2所使用的光源本身的光束角为120度。其中，在此实施例中，是将光源设置在间距A的中间，因此预设距离D=间距A/2。欲陈明者，光源的位置是可以任意调整，以符合实际使用需求。

表2：不同材质的导光元件量测数据

由表2可知，当导光元件200的材料为聚甲基丙烯酸甲酯时，在夹角θ小于全反射角θ_T，长度L大于(A/2)/tanθ_T的条件下，产生的光束角为60度，确实可达到缩减光型的效果。当导光元件200的材料为聚碳酸树脂时，在夹角θ小于全反射角θ_T，长度L大于(A/2)/tanθ_T的条件下，产生的光束角为70度，同样可达到缩减光型的效果。同时，表2也呈现了不论是聚甲基丙烯酸甲酯或是聚碳酸树脂的导光元件，在长度L小于(A/2)/tanθ_T，或是夹角θ大于全反射角θ_T的情况下，导光元件200所产生的光束角仍为原本光源的光束角120度。这表示，若要改变导光元件200的光束角，可将导光元件200限定在夹角θ＜全反射角θ_T，且长度L＞(间距A/2)/tan(全反射角θ_T)的条件下。

请参阅图3，其是绘示依照第叁实施方式的一种可控制光束角的导光元件的剖面图。图3所示的导光元件300的第一反射面310及第二反射面330均相对于导光元件300中心线300a呈倾斜。另请搭配参考表3，表3是依据此种结构的导光元件300分别以聚甲基丙烯酸甲酯及聚碳酸树脂为材料，改变长度L及夹角θ等参数，所测得的对应光束角。其中，表3所使用的光源本身的光束角为120度。其中，在此实施例中，是将光源设置在间距A的中间，因此预设距离D=间距A/2。欲陈明者，光源的位置是可以任意调整，以符合实际使用需求。

表3：不同材质的导光元件量测数据

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由表3可知，当导光元件300的材料为聚甲基丙烯酸甲酯时，在夹角θ小于全反射角θ_T，长度L大于(A/2)/tanθ_T的条件下，产生的光束角为45度，确实可达到缩减光型的效果。当导光元件300的材料为聚碳酸树脂时，在夹角θ小于全反射角θ_T，长度L大于(A/2)/tanθ_T的条件下，产生的光束角为50度，同样可达到缩减光型的效果。同时，表3也呈现了不论是聚甲基丙烯酸甲酯或是聚碳酸树脂的导光元件，在长度L小于(A/2)/tanθ_T的情况下，不论夹角θ为何，导光元件300所产生的光束角仍为原本光源的光束角120度。

请同时参阅图3A及图3B所示，图3A及图3B分别绘示依照本发明第叁实施方式的一种聚甲基丙烯酸甲酯及聚碳酸树脂的导光元件的光场强度分布图。由图3A、图3B及表3可知，聚甲基丙烯酸甲酯及聚碳酸树脂的导光元件在长度L为大于(A/2)/tanθ_T的30mm，且夹角θ为43度的条件下，所产生的光束角分别为90度及93度，虽然可以达到缩减光型的效果，但此光场在导光元件的中央处是变暗的，若要将此种条件的导光元件运用至灯具上，并不能够满足一般灯具的照明及使用需求。因此，为了要达到改变导光元件300的光束角，并且满足灯具的光场需求，在本实施例中，可将导光元件300限定在夹角θ＜全反射角θ_T，且长度L＞(间距A/2)/tan(全反射角θ_T)的条件下。

综上所述，不论导光元件的第一反射面与第二反射面相对于中心线的位置改变为何，其入光面的面积皆小于出光面的面积。同时，在符合前述夹角θ＜全反射角θ_T，且长度L＞预设距离D/tan(全反射角θ_T)的条件下，导光元件皆可达到改变光束角的目的。此外，在一实施例中，出光面可为斜面或弧面，以达到不同出光的效果。

另请参照图4，其是绘示依照本发明第四实施方式的一种可控制光束角的导光元件的剖面图。本实施方式的导光元件400与前述各实施方式的导光元件结构类似，同样具有间距A、长度L、全反射角θ_T、第一反射面410及第二反射面430。较不同的地方是，导光元件400的贯穿孔450与导光元件400的交界处是由垂直段450a及斜面段450b所构成。其中，第二反射面430是定义在斜面段450b的位置上。在本实施方式的长度L为导光元件400的斜面段450b的垂直高度。在一实施例中，垂直段450a可以用来固定光源，但不以此为限。其他各条件的定义皆与其他实施方式相同，故在此不赘述。

请参照图5，其是绘示依照本发明一实施方式的一种灯具的示意图。本实施方式的灯具500包含光源510及导光元件400。欲陈明者，本实施方式是以导光元件400作为示例，其他实施方式的导光元件亦可与光源510搭配使用。此外，为了配合环状锥台形状的导光元件，在一实施例中，光源510可为环状发光二极体，但不以此为限。此外，如图5所示，光源510设置在导光元件400的出光面412上，且光源510与第一外周缘412a间的水平距离为预设距离D，此预设距离D会随着光源510摆放的位置不同而改变。

由上述本发明实施方式可知，本发明的优点是透过改变第一反射面及第二反射面延伸线的夹角角度，以及导光元件的长度，加上利用光的全反射特性以控制光的行进方向，来调整导光元件所输出的光型，以符合各种灯光角度照射需求，同时可减少能量损耗。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims

1.一种可控制光束角的导光元件，适用以导引至少一光线，其特征在于，该至少一光线可在该导光元件中进行全反射，以产生一预设光束角，该导光元件为一环状锥台并具有一长度及一全反射角，且该导光元件包含：

一入光面，具有一第一外周缘及一第一内周缘，其中该第一外周缘与该第一内周缘之间具有一间距；

一出光面，相对该入光面，且该出光面的面积大于该入光面，其中该出光面具有一第二外周缘及一第二内周缘；

一第一反射面，连接该第一外周缘及该第二外周缘；以及

一第二反射面，连接该第一内周缘及该第二内周缘，其中该第一反射面与该第二反射面的延伸线形成一夹角；

其中，该夹角＜该全反射角，且该长度＞一预设距离/tan(全反射角)。

2.如权利要求1所述的可控制光束角的导光元件，其特征在于，该预设距离为该间距的一半。

3.如权利要求1所述的可控制光束角的导光元件，其特征在于，该导光元件为一聚甲基丙烯酸甲酯导光元件，该全反射角为42.16度。

4.如权利要求1所述的可控制光束角的导光元件，其特征在于，该导光元件为一聚碳酸树脂导光元件，该全反射角为38.97度。

5.如权利要求1所述的可控制光束角的导光元件，其特征在于，该出光面为粗糙面、雾面或具有网点的表面。

6.如权利要求1所述的可控制光束角的导光元件，其特征在于，该出光面为斜面或弧面。

7.如权利要求1所述的可控制光束角的导光元件，其特征在于，该第一反射面平行于该导光元件的一中心线，该第二反射面则相对于该中心线呈倾斜。

8.如权利要求1所述的可控制光束角的导光元件，其特征在于，该第二反射面平行于该导光元件的一中心线，该第一反射面则相对于该中心线呈倾斜。

9.如权利要求1所述的可控制光束角的导光元件，其特征在于，该第一反射面及该第二反射面均相对于该导光元件的一中心线呈倾斜。

10.一种灯具，其特征在于，包含：

一导光元件，该导光元件为一环状锥台并具有一长度及一全反射角，且该导光元件包含：

一第一反射面，连接该第一外周缘及该第二外周缘；以及

一第二反射面，连接该第一内周缘及该第二内周缘，其中该第一反射面与该第二反射面的延伸线形成一夹角；以及

一光源，其中该光源所产生的光线是由该入光面进入该导光元件中，并且由该出光面射出，产生一预设光束角，其中，该光源与该第一外周缘之间的水平距离为一预设距离；

其中，该夹角＜该全反射角，且该长度＞该预设距离/tan(全反射角)。