CN105222086B - 二次光学元件及光源模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种二次光学元件及光源模块，二次光学元件适于配置在发光元件的上方。二次光学元件包括入光面、出光面以及连接面，其中入光面包括第一入光面以及第二入光面。第二入光面环绕第一入光面，且第一入光面为一朝出光面凹陷的曲面。出光面与入光面相对且包括第一出光面以及第二出光面。第二出光面环绕第一出光面。第一出光面为平面或朝入光面凹陷的自由曲面。第二出光面为自由曲面。第二出光面的直径大于第二入光面的直径，且连接面连接于第二入光面与第二出光面之间。

Description

二次光学元件及光源模块
技术领域
本发明是有关于一种二次光学元件及光源模块，且特别是有关于一种可使照度均匀化的二次光学元件及光源模块。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)因其反应速度快、体积小、省电、低污染、高可靠度、适合量产等优点而被广泛地应用于照明及背光源等领域中。在LED照明中，由于LED的出光场型为朗伯特(Lambertian)场型，此出光场型在目标照射平面上会呈现非均匀的照度，而当人眼的视野内存在极高的辉度或辉度对比时，将使人眼产生不舒适感。因此，如何改善眩光以及使照度均匀化为非常重要的议题。
在现有技术中，用以改善眩光的照明设备包括侧入式平板灯以及传统格栅灯，其利用导光结构设计或是反射罩的设计来控制出光场型并消弥视野内的高辉度或高辉度对比，然其缺点为出光效率不高。是以，如何改善眩光以及使照度均匀化，并具有高出光效率，实为一重要的研发课题。
发明内容
本发明提供一种二次光学元件及光源模块，二次光学元件可改善眩光以及使照度均匀化，光源模块具有高出光效率。
本发明的一种二次光学元件适于配置在发光元件的上方。二次光学元件包括入光面、出光面以及连接面，其中入光面包括第一入光面以及第二入光面。第二入光面环绕第一入光面，且第一入光面为一朝出光面凹陷的曲面。出光面与入光面相对且包括第一出光面以及第二出光面。第二出光面环绕第一出光面。第一出光面为平面或朝入光面凹陷的自由曲面。第二出光面为自由曲面。第二出光面的直径大于第二入光面的直径，且连接面连接于第二入光面与第二出光面之间。
在本发明的一实施例中，上述的第一入光面、第二入光面、第一出光面以及第二出光面共用同一中心轴。
在本发明的一实施例中，上述的第一入光面为圆弧面。发光元件具有光射出面。光射出面位于第一入光面的下方，且光射出面与第一入光面在垂直于光射出面的方向上的最大距离小于第一入光面的曲率半径。
在本发明的一实施例中，上述的第一入光面的直径大于光射出面的宽度。
在本发明的一实施例中，上述的连接面与第二入光面在二次光学元件内的夹角落在125度至145度的范围内。
本发明的一种光源模块包括多个发光元件以及多个上述的二次光学元件。
基于上述，本发明的上述实施例的二次光学元件通过第一入光面及连接面的设计控制出光场型，以改善眩光，并通过第二出光面的自由曲面设计实现照度均匀化。并且，上述二次光学元件可应用在高出光效率的架构(如直下式光源模块)中，从而达到改善眩光、使照度均匀化以及具有高出光效率的目的。
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，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明的一实施例的一种光源模块的爆炸示意图；
图2是图1中的二次光学元件的第一种剖面示意图；
图3是图1中的二次光学元件的俯视示意图；
图4是图1中的二次光学元件的仰视示意图；
图5是图1中的二次光学元件的第二种剖面示意图。
附图标记说明：
100：光源模块；
110：发光元件；
120、120A：二次光学元件；
122：入光面；
122a：第一入光面；
122b：第二入光面；
124：出光面；
124a、124a’：第一出光面；
124b：第二出光面；
126：连接面；
130：电路板；
140：光学膜片；
AA：截面积；
D1：方向；
H：最大距离；
O：中心轴；
R：参考平面；
RR：参考平面；
R122a、R122b、R124a、R124a’、R124b：直径；
S110：光射出面；
T124、T126：厚度；
W110：宽度；
X：截线；
θ：夹角。
具体实施方式
图1是本发明的一实施例的一种光源模块的爆炸示意图。图2是图1中的二次光学元件的第一种剖面示意图。图3是图1中的二次光学元件的俯视示意图。图4是图1中的二次光学元件的仰视示意图。请参照图1及图2，光源模块100包括多个发光元件110以及多个二次光学元件120，其中各二次光学元件120设置在其中一个发光元件110的上方，用以改变发光元件110的光场型并使照度均匀化。举例而言，各发光元件110例如是发光二极管，而各二次光学元件120例如是二次透镜。
光源模块100可进一步包括电路板130，其中发光元件110设置在电路板130上且例如呈阵列排列。各二次光学元件120对应其中一个发光元件110设置在电路板130上，且发光元件110位于二次光学元件120与电路板130之间。二次光学元件120可通过粘着层、卡榫或固定件等固定在电路板130上。另外，依据不同的设计需求，光源模块100还可进一步包括至少一光学膜片140设置在光源模块100的出光侧，如二次光学元件120的上方。举例而言，光学膜片140为扩散片时，可使光源模块100的辉度均匀化。
请参照图2至图4，二次光学元件120包括入光面122、出光面124以及连接面126，其中入光面122包括第一入光面122a以及第二入光面122b。第二入光面122b环绕第一入光面122a，且第一入光面122a为一朝出光面124凹陷的曲面。
发光元件110具有光射出面S110。光射出面S110位于第一入光面122a的下方，且第一入光面122a的直径R122a大于光射出面S110的宽度W110。进一步而言，本实施例使第一入光面122a的正投影完全覆盖光射出面S110的正投影，以使第一入光面122a涵盖发光元件110的出光范围。具体地，光射出面S110的宽度W110例如为3mm，而第一入光面122a的直径R122a为6.58mm。
第一入光面122a例如为圆弧面。通过使光射出面S110与第一入光面122a在垂直于光射出面S110的方向D1上的最大距离H小于第一入光面122a的曲率半径，来自光射出面S110的大部分光束进入二次光学元件120后的传递路径会因斯奈尔定律(Snell's law)而偏折，从而达到汇聚的效果。举例而言，第一入光面122a的曲率半径例如为5.148mm。
在本实施例中，第二入光面122b可设计为不同形态或可通过在第二入光面122b上设置其他构件以与示出在图1中的电路板130相接合。本发明不用以限定第二入光面122b的形态。
出光面124与入光面122相对且包括第一出光面124a以及第二出光面124b。第二出光面124b环绕第一出光面124a，且第一入光面122a、第二入光面122b、第一出光面124a以及第二出光面124b例如共用同一中心轴O。
在本实施例中，第一出光面124a例如为平面，而第二出光面124b为自由曲面。所述自由曲面的设计是为了使出光照度均匀化，例如缩减各发光元件110所对应的目标照射平面上的区域照度差异。需说明的是，自由曲面的方程式及方程式中的各参数值可因不同设计需求而定。并且，第二出光面124b与第一出光面124a占据出光面124的比例(或第二出光面124b与第一出光面124a的直径)也可视需求而定。在本实施例中，第一出光面124a的直径R124a例如相同于第二入光面122b的直径R122b，但不限于此。此外，直径R122b、R124a例如皆为10mm，而第二出光面124b的直径R124b例如为25.3mm。
连接面126连接于第二入光面122b与第二出光面124b之间。在本实施例中，连接面126在垂直于光射出面S110的一参考平面R上的截线X为直线。由于第二出光面124b的直径R124b大于第二入光面122b的直径R122b，因此连接面126在平行于光射出面S110的一参考平面RR上的截面积AA由第二入光面122b往第二出光面124b的方向(即方向D1)渐增。
通过连接面126的斜面设计，传递至连接面126的光束因全反射原理会再被传递至出光面124，从而使发光元件110的出光角度能再次被收敛。连接面126与第二入光面122b在二次光学元件120内的夹角θ的设计可控制光束自第一出光面124a与第二出光面124b出光的比例。在本实施例中，连接面126与第二入光面122b在二次光学元件120内的夹角θ例如落在125度至145度的范围内。此外，连接面126在方向D1上的厚度T126例如为9.5mm，而出光面124在方向D1上的厚度T124例如为1.05mm。
相较于侧入式平板灯或传统格栅灯，本实施例在出光效率相对高的直下式光源模块中设置二次光学元件120，以控制发光元件110的出光场型，并消弥视野内的高辉度或是高辉度对比。是以，本实施例可改善眩光、使照度均匀化以及具有高出光效率。
图5是图1中的二次光学元件的第二种剖面示意图。请参照图5，本实施例的二次光学元件120A大致相同于图2至图4的二次光学元件120，且相同的元件以相同的标号表示，于此便不再赘述。主要差异在于，第一出光面124a’为朝入光面122凹陷的自由曲面，其中自由曲面的方程式及方程式中的各参数值可因不同设计需求而定。并且，第二出光面124b与第一出光面124a’的面积比例(或直径)也可视需求而定。在本实施例中，第一出光面124a’的直径R124a’(参见图2及图3)例如相同于第二入光面122b的直径R122b，但不限于此。
综上所述，本发明的上述实施例的二次光学元件通过第一入光面及连接面的设计控制出光场型，以改善眩光，并通过第二出光面的自由曲面设计实现照度均匀化。并且，上述二次光学元件可应用在高出光效率的架构(如直下式光源模块)中，从而达到改善眩光、使照度均匀化以及具有高出光效率的目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种二次光学元件，适于配置在发光元件的上方，其特征在于，该二次光学元件包括入光面、出光面以及连接面，其中该入光面包括第一入光面以及第二入光面，该第二入光面环绕该第一入光面，且该第一入光面为朝该出光面凹陷的曲面，该第一入光面为圆弧面，该发光元件具有光射出面，该光射出面位于该第一入光面的下方，且该光射出面与该第一入光面在垂直于该光射出面的方向上的最大距离小于该第一入光面的曲率半径，该出光面与该入光面相对且包括第一出光面以及第二出光面，该第二出光面环绕该第一出光面，该第一出光面为平面或朝该入光面凹陷的自由曲面，而该第二出光面为自由曲面，该第二出光面的直径大于该第二入光面的直径，且该连接面连接于该第二入光面与该第二出光面之间。
2.根据权利要求1所述的二次光学元件，其特征在于，该第一入光面、该第二入光面、该第一出光面以及该第二出光面共用同一中心轴。
3.根据权利要求1所述的二次光学元件，其特征在于，该第一入光面的直径大于该光射出面的宽度。
4.根据权利要求1所述的二次光学元件，其特征在于，该连接面与该第二入光面在该二次光学元件内的夹角落在125度至145度的范围内。
5.一种光源模块，其特征在于，包括：
多个发光元件；以及
多个二次光学元件，其中各该二次光学元件配置在其中一发光元件的上方且包括入光面、出光面以及连接面，其中该入光面包括第一入光面以及第二入光面，该第二入光面环绕该第一入光面，且该第一入光面为朝该出光面凹陷的曲面，该第一入光面为圆弧面，该发光元件具有光射出面，该光射出面位于该第一入光面的下方，且该光射出面与该第一入光面在垂直于该光射出面的方向上的最大距离小于该第一入光面的曲率半径，该出光面与该入光面相对且包括第一出光面以及第二出光面，该第二出光面环绕该第一出光面，该第一出光面为平面或朝该入光面凹陷的自由曲面，而该第二出光面为自由曲面，该第二出光面的直径大于该第二入光面的直径，且该连接面连接于该第二入光面与该第二出光面之间。
6.根据权利要求5所述的光源模块，其特征在于，该第一入光面、该第二入光面、该第一出光面以及该第二出光面共用同一中心轴。
7.根据权利要求5所述的光源模块，其特征在于，该第一入光面的直径大于该光射出面的宽度。
8.根据权利要求5所述的光源模块，其特征在于，该连接面与该第二入光面在该二次光学元件内的夹角落在125度至145度的范围内。
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