CN104765226A - 照明装置及应用此照明装置的摄影装置 - Google Patents

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CN104765226A CN201410834791.8A CN201410834791A CN104765226A CN 104765226 A CN104765226 A CN 104765226A CN 201410834791 A CN201410834791 A CN 201410834791A CN 104765226 A CN104765226 A CN 104765226A
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史立山
陈奕全
张智鸿
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Abstract

本发明公开了一种照明装置包含一光源及一反射杯。光源具有一光轴。光源用以发出一第一光束及一第二光束。第一光束与光轴的夹角异于第二光束与光轴的夹角，且第一光束的光强度大于第二光束的光强度。反射杯具有一穿槽及形成穿槽的多个反射曲面。光源位于穿槽，每一反射曲面具有相异斜率的第一反射段及第二反射段。第一光束通过第一反射段反射至较远离光源的光轴的一离轴区。第二光束通过第二反射段反射至较靠近光源的光轴的一近轴区，以令照明装置所发出的光线于离轴区内的光强度大于照明装置所发出的光线于近轴区内的光强度。

Description

照明装置及应用此照明装置的摄影装置
技术领域
本发明关于一种照明装置，特别是一种具有反射杯的照明装置及应用此照明装置的摄影装置。
背景技术
监视摄影机用途十分广泛，举凡安装在工厂厂房、宿舍、商店、大楼或社区住宅出入口、通道等需监视的场合或人迹罕至的隐密处，均可藉由监视摄影机即时录下当时状况，以供日后追查、存证等用途。藉此可吓阻不肖份子，使不肖份子不敢进行不法行为，进而避免危害治安的事情发生。
一般监视摄影机会内建辅助光源(例如:可见光的发光二极管或红外光的发光二极管等)，以令监视摄影机能够在光源不充足的场合(室内、夜间场所)进行监控。然而，辅助光源普遍存在光强度不均匀的问题，也就是说辅助光源在中央处的光强度远大于边缘处的光强度而造成摄影机无法清楚拍摄位在边缘处的拍摄物体。业者一般会在光源前加设透镜来解决光强度不均匀的问题，使辅助光源投射出的光线能够藉由透镜的折射而尽可能让摄影机拍摄的画面达到光线均匀。然而，由于透镜的制作成本较高，故会使监视摄影机的成本增加而降低市场优势；除此之外，透镜经过一段时间的使用后，会产生令人诟病的黄化现象而造成光衰的问题。
再者，辅助光源投射的光线的照射范围、形状和比例无法匹配于摄影机的感光元件的成像面的形状与比例，而会进一步造成影像曝光不均匀的问题。
因此，如何改善光场强度不均匀及摄影装置影像曝光不均匀的问题，且又能够降低摄影装置的制造成本将是设计人员应解决的问题之一。
发明内容
本发明在于提供一种照明装置及应用此照明装置的摄影装置，藉以改善光场强度不均匀及摄影装置影像曝光不均匀的问题，且又能够降低摄影装置的制造成本。
本发明所揭露的照明装置，包含一光源及一反射杯。光源具有一光轴。光源用以发出一第一光束及一第二光束。第一光束与光轴的夹角异于第二光束与光轴的夹角，且第一光束的光强度大于第二光束的光强度。反射杯具有一穿槽及形成穿槽的多个反射曲面。光源位于穿槽，且反射杯的这些反射曲面环绕光源，每一反射曲面具有相异斜率的一第一反射段及一第二反射段。第一光束通过第一反射段反射至较远离光源的光轴的一离轴区。第二光束通过第二反射段反射至较靠近光源的光轴的一近轴区，以令照明装置所发出的光线于离轴区内的光强度大于照明装置所发出的光线于近轴区内的光强度。
本发明的另一实施例所揭露的照明装置，包含一光源及一反射杯。光源具有一光轴。光源用以发出一第一光束及一第二光束。第一光束与光轴的夹角异于第二光束与光轴的夹角，且第一光束的光强度大于第二光束的光强度。反射杯具有一穿槽及形成穿槽的多个反射曲面。光源位于穿槽，且反射杯的这些反射曲面环绕光源，每一反射曲面具有相异斜率的一第一反射段及一第二反射段。第一光束通过第一反射段反射至较远离光源的光轴的一离轴区，第二光束通过第二反射段反射至离轴区，以令照明装置所发出的光线于离轴区内的光强度大于照明装置所发出的光线于近轴区内的光强度。
本发明又一实施例所揭露的摄影装置，包含上述发明的照明装置。照明装置具有对应光源的一被照面，其中该光轴贯穿该被照面，且于该被照面上形成该近轴区及该离轴区。影像撷取元件邻近于照明装置，且影像撷取元件用以撷取被照面上的影像。
根据上述本发明所揭露的照明装置及应用此照明装置的摄影装置，因反射曲面反射光源的部分光束，使最后照射于被照面的光强度分布变成蝙蝠翼型，进而让最后照射于被照面的光场强度均匀化。
此外，由于本案利用反射的原理来调整光强度分布，并无需通过高制作成本的透镜，故能有效降低照明装置及应用此照明装置的摄影装置的制造成本。
以上关于本发明内容的说明及以下实施方式的说明用以示范与解释本发明的原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例的摄影装置的剖面示意图；
图2为图1的光源的光强度分布示意图；
图3为图1的照明装置的剖面示意图；
图4为图3的局部放大图；
图5为图3的反射杯的立体示意图；
图6为图1的照明装置照射于一被照面的剖面示意图；
图7为图1的光源经反射杯反射后的光强度分布示意图；
图8为根据本发明第二实施例的照明装置照射于一被照面的剖面示意图；
图9为根据本发明第三实施例的照明装置照射于一被照面的剖面示意图。
其中，附图标记：
10             摄影装置
20             被照面
100            影像撷取元件
200            照明装置
210            光源
220            反射杯
221            反射曲面
221a           第一反射段
221b           第二反射段
222            穿槽
223            开口
A1             近轴区
A2             离轴区
L              光轴
L1             第一光束
L2             第二光束
Li             各光束
t1             第一反射段的切线
t2             第二反射段的切线
t              反射段的切线
N              反射段的法线
θ1            各光束与x轴间的夹角
θp            反射后的各光束与x轴间的较靠近光源侧的夹角
具体实施方式
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。
请参照图1至图2，图1为根据本发明第一实施例的摄影装置的剖面示意图。图2为图1的光源的光强度分布示意图。
本实施例的摄影装置10以监视器为例，但并不以此为限，在其他实施例中，摄影装置10也可以是单眼相机等摄影器材。其中，摄影装置10包含一影像撷取元件100及至少一照明装置200。影像撷取元件100例如为摄影镜头。
请参照图3至图5，图3为图1的照明装置的剖面示意图。图4为图3的局部放大图。图5为图3的反射杯的立体示意图。
照明装置200包含一光源210及一反射杯220。光源210例如为一红外线发光二极管或可见光发光二极管。光源210具有一光轴L。光轴L为光源210出光面的中心线。本实施例的光源210的光强度分布图(如图2所示)为朗伯(Lambertian)光型。也就是说，于光轴L处的光束的光强度最大(如图3中0度处指示)，而离光轴L越远的光束的强度越小。为了方便描述，以下将以光源210所发射出的一第一光束L1及一第二光束L2进行说明。第一光束L1与光轴L的夹角小于第二光束L2与光轴L的夹角，且第一光束L1的光强度大于第二光束L2的光强度。
反射杯220具有一穿槽222及形成穿槽222的多个反射曲面221。反射杯220具有对应穿槽222的一开口223，而穿槽222的横切面的形状及开口223的形状皆为矩形。光源210位于反射杯220的穿槽222内，且反射杯220的多个反射曲面221环绕光源210。本实施例的反射曲面221依迭代法形成，迭代法的公式如下：
x = m 2 x B ( 0 ) - y B ( 0 ) - m 1 x A + y A m 2 - m 1 = x B ( 1 ) - - - ( 1 )
y = m 2 ( m 2 x B ( 0 ) - y B ( 0 ) - m 1 x A + y A m 2 - m 1 - x B ( 0 ) ) + y B ( 0 ) = y B ( 1 ) - - - ( 2 )
m1＝tan(θ1)   (3)
其中，x、y为待求点的坐标，xA、yA：光源210的中心点(A点)的坐标，xB (0)、yB (0)：反射曲面221的第一迭代点(B0点)的坐标，xB (1)、yB (1)：反射曲面221第二迭代点(B1点)的坐标，θ1：各光束与x轴间的夹角，θp：反射后的各光束与x轴间的较靠近光源210侧的夹角，m1：各光束的斜率，m2：反射曲面221的各点的切线t的斜率。
以下将举例说明本发明如何迭代出反射曲面221，如图3与图4所示，首先，假设光源210中心点A位于平面坐标系的原点。并依据预计形成的光强度分布(如图7所示的蝙蝠翼型)及上述迭代公式迭代出反射曲面221的各点坐标。详细来说，假设当离光轴L较近的区域的光强度需求较小，则设定将符合该区光通量的强度较小光束(以发射角度θ1的光束为例)反射至离光轴L较近的区域(以反射光束和光轴保持一角度θ2为例)，以及当离光轴L较近的区域的光强度需求较大，则设定将符合该区光通量强度较大光束(以发射角度θ3的光束为例)反射至离光轴L较近的区域(以反射光束和光轴保持一角度θ4为20度为例)。最后，自定第一迭代点B0的坐标(xB0，yB0)，第一迭代点B0的坐标(xB0，yB0)取决于反射杯220的宽度，因此为已知。并将第一迭代点B0的坐标(xB0，yB0)及上述条件(xA＝0，yA＝0，m1＝tanθ1，m2＝tanθ5，θ5＝90°-[(90°-θ2+θ1)/2-θ1])代入上述迭代公式(1)、(2)可求得第二迭代点B1的坐标(xB1，yB1)，接着，再进一步将第二迭代点B1的坐标(xB1，yB1)及上述条件(xA＝0，yA＝0，m1＝tanθ3，m2＝tanθ6，θ6＝90°-[(90°-θ4+θ2)/2-θ2])代入上述迭代公式(1)、(2)可求得第三迭代点B2的坐标(xB2，yB2)。重复上述步骤即可迭代出反射曲面221的各点坐标。
值得注意的是，上述迭代法依据光源210的光形来决定反射曲面221的形状，也就是说，反射曲面221上各反射段的斜率并非固定。举例来说，搭配本实施例的光源210时，迭代出的反射曲面221的各反射段的斜率自靠近光源210的一侧朝远离光源210的一侧渐增。
请参阅图6与图7。图6为图1的照明装置照射于一被照面的剖面示意图。图7为图1的光源经反射杯反射后的光强度分布示意图。
如图6所示，上述的照明装置200照射于一被照面20，被照面20为一平面。光源210的光轴L贯穿被照面20，而被照面20依据离光轴L的距离区分为一近轴区A1及至少一离轴区A2。进一步来说，相较之下，离轴区A2离光轴L较远，而近轴区A1离光轴L较近，且近轴区A1内的被照面20至光源210的距离小于离轴区A2内的被照面20至光源210的距离。
再者，依据上述迭代法所形成的每一反射曲面221具有相异斜率的多个反射段。然为了方便说明仅取其中两反射段作为说明。反射曲面221具有相异斜率的一第一反射段221a及一第二反射段221b。此处的相异斜率指第一反射段221a的切线t1的斜率与第二反射段221b的切线t2的斜率相异。光强度较强的第一光束L1通过第一反射段221a反射至较远离光源210的光轴L的一离轴区A2，且光强度较弱的第二光束L2通过第二反射段221b反射至较靠近光源210的光轴L的一近轴区A1，以令照明装置200所发出的光线于离轴区A2内的光通量的强度大于照明装置200所发出的光线于近轴区A1内的光通量的强度。也就是说，经反射杯220的反射曲面221反射后，光源210的光强度分布图由朗伯(Lambertian)光型(如图2所示)变成蝙蝠翼型(如图7所示)。
详细来说，反射杯220将光源210照射于被照面20上的强度分布改变成近轴区A1的光束的光强度小于离轴区A2的光束的光强度。举例来说，经由反射杯220的反射，照明装置200会于近轴区A1内形成一第三光束及于离轴区A2内形成一第四光束。第三光束与光轴L共轴，而第三光束的强度如图7中0度所示(约60百分比(％))。第四光束与光轴L具有一夹角，而第四光束的强度如图7中0度至正负90度间所示(约0百分比(％)至90百分比(％))。以令第四光束的光强度与第三光束的光强度的比值关系呈现约为并且，由于光源210至被照面20的离轴区A2的距离与光源210至被照面20的近轴区A1的距离的比值亦接近故在距离较远的离轴区A2(光通量强度需求较大的区域)提供光强度较大的光束，且在距离较近的近轴区A1(光通量强度需求较小的区域)提供光强度较小的光束。如此一来，将有助于使最后照射于被照面20的光场强度均匀化。
此外，由于反射杯220的穿槽222的横切面的形状及开口223的形状皆为矩形，且通过反射区面221的设计可以改变光源210产生的光束的方向，故最后被照面20上被照明的区域亦会呈现均匀为矩形。由于感光元件的成像面的形状同为矩形，故被照明的区域的形状能与感光元件的成像面的形状相匹配有助于改善影像曝光不均匀的问题。
上述的反射杯220依据光源210的光强度分布图形成反射曲面221，以藉由反射曲面221将部分光束反射的近轴区A1以及将部分光束反射至离轴区A2而让最后照射于被照面20的光束的光强度分布变成蝙蝠翼型，但并不以此为限。请参阅图8。图8为根据本发明第二实施例的照明装置照射于一被照面的剖面示意图。本实施例与上述图1的实施例相似，故仅针对相异处进行说明。
本实施例的反射杯220的反射曲面221同样依上述迭代法形成。其差异在于本实施例所搭配的光源210的光强度分布较图1的实施例的光源210更集中于被照面20的近轴区A1。在这种状况下，由于近轴区A1与离轴区A2的光强度差异度更大，因此，必需让所有经反射曲面221反射的光束皆反射至被照面20的离轴区A2，才能让最后照射于被照面20的光强度变成蝙蝠翼型，进而让最后照射于被照面20的光场强度均匀化。
举例来说，如图8所示，光源210未经反射的光束直接照射至被照面20的近轴区A1，而经反射曲面221反射的第一光束L1与第二光束L2则通过反射曲面221反射至被照面20的离轴区A2，以令最后照射于被照面20的光通量的强度分布均匀。
请参阅图8与图9。图9为根据本发明第三实施例的照明装置照射于一被照面的剖面示意图。本实施例与上述图8的实施例相似，故仅针对相异处进行说明。
本实施例与上述图8的实施例的差异在于，上述图8的实施例的反射杯220的反射曲面221的斜率较大，使得光源的210所射出的光线经反射曲面221反射至对侧的离轴区A2，如图8所示的第一光束L1与第二光束L2分别经由第一反射段221a及一第二反射段221b反射至光轴L对侧的被照面20的离轴区A2。本实施例的反射杯220的反射曲面221的斜率较小，使得光源的210所射出的光线经反射曲面221反射至反射曲面221同侧的离轴区A2(如图9所示)。虽然上述两个实施例的光的反射方向不同，但其反射的原理及相关的公式皆相同，在此不再赘述。
根据上述本发明所揭露的照明装置及应用此照明装置的摄影装置，因反射曲面反射光源的部分光束，使最后照射于被照面的光束的光强度分布变成蝙蝠翼型，进而让最后照射于被照面的光场强度均匀化。
再者，由于反射杯的穿槽的横切面的形状及开口的形状皆为匹配于感光元件的成像面的形状的矩形，故有助于改善影像曝光不均匀的问题。
此外，由于本案利用反射的原理来调整光强度分布，并无需通过高制作成本的透镜，故能有效降低摄影装置或照明装置的制造成本。
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做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 (15)

1.一种照明装置，其特征在于，包含：
一光源，具有一光轴，该光源用以发出一第一光束及一第二光束，该第一光束与该光轴的夹角异于该第二光束与该光轴的夹角，且该第一光束的光强度大于该第二光束的光强度；以及
一反射杯，具有一穿槽及形成该穿槽的多个反射曲面，该光源位于该穿槽，且该反射杯的该些反射曲面环绕该光源，每一该反射曲面具有相异斜率的一第一反射段及一第二反射段，该第一光束通过该第一反射段反射至较远离该光源的该光轴的一离轴区，该第二光束通过该第二反射段反射至较靠近该光源的该光轴的一近轴区，以令该照明装置所发出的光束于该离轴区内的光强度大于该照明装置所发出的光束于该近轴区内的光强度。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，该反射曲面具有多个反射段，该些反射段的斜率自靠近该光源的一侧朝远离该光源的一侧渐增。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，该反射曲面依迭代法形成，该迭代法的公式如下：
x = m 2 x B ( 0 ) - y B ( 0 ) - m 1 x A + y A m 2 - m 1 = x B ( 1 ) - - - ( 1 )
y = m 2 ( m 2 x B ( 0 ) - y B ( 0 ) - m 1 x A + y A m 2 - m 1 - x B ( 0 ) ) + y B ( 0 ) = y B ( 1 ) - - - ( 2 )
其中，x、y为待求点的坐标，xA、yA：该光源的坐标，xB (0)、yB (0)：该反射曲面的第一点的坐标，xB (1)、yB (1)：该反射曲面第二点的坐标，m1：各该光束的斜率，m2：该反射曲面的各点的切线斜率。
4.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于，该迭代法中的该反射曲面的斜率公式如下：
m1＝tan(θ1)   (3)
其中，θ1：各该光束与x轴间的夹角，θp：反射后的各该光束与x轴间的较靠近光源侧的夹角，m1：各该光束的斜率，m2：该反射曲面的各点的切线斜率。
5.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，更于该近轴区内形成一第三光束及于该离轴区内形成一第四光束，该第三光束与该光轴共轴，该第四光束与该光轴具有一夹角，该第四光束的光强度与该第三光束的光强度的比值为其中θ为该夹角。
6.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，该反射杯具有对应该穿槽的一开口，该穿槽的横切面的形状及该开口的形状为矩形。
7.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，更具有对应该光源的一被照面，该光源的该光轴贯穿该被照面，且该近轴区内的该被照面至该光源的距离小于该离轴区内的该被照面至该光源的距离。
8.根据权利要求7所述的照明装置，其特征在于，该被照面为一平面。
9.一种照明装置，其特征在于，包含：
一光源，具有一光轴，该光源用以发出一第一光束及一第二光束，该第一光束与该光轴的夹角异于该第二光束与该光轴的夹角，且该第一光束的光强度大于该第二光束的光强度；以及
一反射杯，具有一穿槽及形成该穿槽的多个反射曲面，该光源位于该穿槽，且该反射杯的该些反射曲面环绕该光源，每一该反射曲面具有相异斜率的一第一反射段及一第二反射段，该第一光束通过该第一反射段反射至较远离该光源的该光轴的一离轴区，该第二光束通过该第二反射段反射至该离轴区，以令该照明装置所发出的光束于该离轴区内的光强度大于该照明装置所发出的光束于该近轴区内的光强度。
10.根据权利要求9所述的照明装置，其特征在于，该些反射曲面的斜率自靠近该光源的一侧朝远离该光源的一侧渐增。
11.根据权利要求9所述的照明装置，其特征在于，该反射曲面依迭代法形成，该迭代法的公式如下：
x = m 2 x B ( 0 ) - y B ( 0 ) - m 1 x A + y A m 2 - m 1 = x B ( 1 ) - - - ( 1 )
y = m 2 ( m 2 x B ( 0 ) - y B ( 0 ) - m 1 x A + y A m 2 - m 1 - x B ( 0 ) ) + y B ( 0 ) = y B ( 1 ) - - - ( 2 )
其中，x、y为待求点的坐标，xA、yA：该光源的坐标，xB (0)、yB (0)：该反射曲面的第一点的坐标，xB (1)、yB (1)：该反射曲面第二点的坐标，m1：各该光束的斜率，m2：该反射曲面的各点的切线斜率。
12.根据权利要求11所述的照明装置，其特征在于，该迭代法中的该反射曲面的斜率公式如下：
m1＝tan(θ1)   (3)
其中，θ1：各该光束与x轴间的夹角，θp：反射后的各该光束与x轴间的较靠近光源侧的夹角，m1：各该光束的斜率，m2：该反射曲面的各点的切线斜率。
13.根据权利要求9所述的照明装置，其特征在于，更于该近轴区内形成一第三光束及于该离轴区内形成一第四光束，该第三光束与该光轴共轴，该第四光束与该光轴具有一夹角，该第四光束的光强度与该第三光束的光强度的比值为其中θ为该夹角。
14.根据权利要求9所述的照明装置，其特征在于，该反射杯具有对应该穿槽的一开口，该些穿槽的横切面的形状及该开口的形状为矩形。
15.一种摄影装置，其特征在于，包含：
一如权利要求1或9所述的照明装置，该照明装置具有对应该光源的一被照面，其中该光轴贯穿该被照面，且于该被照面上形成该近轴区及该离轴区；以及
一影像撷取元件，邻近于该照明装置，且该影像撷取元件用以撷取该被照面上的影像。
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